Sr M-type 육방정 페라이트/자철석 자성복합체의 제조 및 특성

Abstract

소형화된 모터에 필요한 고특성 경자성체의 수요가 증대되고 있다. 경자성체의 성능지수인 최대에너지적((BH)max)을 향상시키기 위한 많은 노력이 있어왔고, 그 중에서 연자성체와의 교환 결합 효과를 이용하여 경자성체의 이론적 한계 이상의 (BH)max 값을 달성하기 위한 연구가 활발하게 수행되어 왔다. 한편, 고성능 모터에 주로 쓰이는 희토류 자석은 현재까지 개발된 경자성체 중 가장 뛰어난 성능을 보이지만 희소자원인 희토류를 필요로 하며 정제시 환경오염이 발생하는 문제가 있다. 이에 반해 Sr M–type 육방정 페라이트(SrM)는 희토류 자석에 비해 가성비와 열적, 화학적 안정성이 우수하여 SrM의 (BH)max 향상에 대한 관심이 증가되고 있다. SrM은 Fe2O3와 안정적으로 상이 공존하고, Fe2O3는 연자성체인 Fe3O4로 환원될 수 있다는 것은 잘 알려져 있다. 이를 이용해 수소 후열처리 방법을 사용하여 SrM/Fe3O4의 분말 복합체를 제조해 교환 결합 효과로 SrM의 (BH)max 를 향상시킨 선행 연구가 존재한다. 그러나 영구 자석에 주로 쓰이는 벌크 형태의 SrM/Fe3O4 복합체에 관한 보고는 거의 없다. 따라서 본 연구에서는 선행 연구를 참고해서 SrM/Fe3O4의 벌크 복합체를 제조하고 SrM 입자의 크기와 소결온도 등의 변수가 경자성체와 연자성체 간의 교환 결합 효과에 미치는 영향을 규명하여 SrM의 (BH)max 값을 향상시키고자 하였다. 본 연구를 위해 서로 다른 크기의 SrM 분말을 졸겔 연소법, 고상 반응법, 용융염 합성법으로 제조하였다. SrM 와 Fe2O3의 혼합 분말을 볼밀링하고 성형한 후, 고온에서 수소와 순철을 환원제로 각각 활용하는 수소 분위기 후열처리와 순철 분말 환원 반응의 두 가지 방법으로 SrM/Fe3O4 복합체를 제조하였다. 제조된 시편의 상, 미세구조, 소결밀도, 자기적 특성을 분석하여 다음의 결과를 얻을 수 있었다. 첫째, 후열처리 전 소결체를 만들기 위해 공기중에서 소결하는 경우, SrM-Fe2O3 복합체는 순수한 SrM에 비해 보자력(Hc)이 증가하였으나 포화자화(Ms)와 (BH)max 가 감소하였다. Ms 값의 감소는 비자성을 띠는 Fe2O3의 첨가에 의한 것이 확실하고, (BH)max 값의 감소는 다공성 미세구조로 인한 낮은 소결밀도에 의한 것으로 사료된다. 소결온도가 증가하면 소결밀도는 증가하나 SrM결정립이 성장하여 Hc 가 감소하였다. 고상 반응법으로 SrM이 합성된 경우, 다른 분말 합성법에 비해 소결밀도와 (BH)max 가 높게 나타났다. 둘째, 소결체를 후열처리 하였을 때, Fe2O3 첨가 여부와 소결 온도에 관계없이 수소에 의해 SrM이 분해되어 Ms 와 Hc 및 (BH)max 가 감소하였다. (BH)max 의 감소폭은 기공이 많은 미세구조를 가진 소결체일수록 크게 나타났다. 셋째, 순철 분말 환원 반응의 경우, 순철 분말의 양이 증가할수록 Fe3O4가 더 많이 생성돼서 Ms 값은 증가하였으나 Hc 와 (BH)max 값은 감소하였다. 1000 ℃ 소결온도에서는 소결밀도가 낮아 다공성 미세구조가 나타났으며, 1100 ℃ 소결온도에서는 이차상인 Fe2O3와Sr2Fe2O5가 생성되었으나 소결밀도와 (BH)max 가 증가하였다. 용융염 합성법으로 합성된 SrM의 경우, M–H 곡선이 교환 결합 효과를 나타내는 단일 루프에 가까운 형태로 나타났다. 그러나 큰 결정립으로 인한 다자구화와 낮은 소결밀도로 인해 교환 결합 효과에 의한 (BH)max 값의 증가는 미비하였다. 결론적으로, 순철 분말 환원 반응으로 SrM/Fe3O4 복합체를 제조할 수 있었으나 일반적인 소결 공정으로는 높은 소결밀도를 어려워 교환결합 효과에 의한 Ms 값의 향상은 확인했으나, (BH)max 값의 향상을 달성할 수 없었다. 만일 방전 플라즈마 소결법과 같은 다른 소결 공정으로 두 상의 공존을 유지하며 치밀화를 이룬다면 복합체에서의 교환 결합 효과로 SrM의 (BH)max 를 향상시킬 수 있을 것이라 사료된다.