자기변형
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1. 개요
자기변형은 자성체의 자화 상태가 변하면서 재료의 치수가 변하는 현상이다. 강자성체 내부의 자기구역 경계 이동이나 회전으로 인해 발생하며, 자기결정이방성으로 인해 결정 구조에 따라 자화되기 쉬운 방향과 어려운 방향이 존재한다. 이 현상은 기계적 응력에 의한 자기 감수율 변화인 빌라리 효과와 관련 있으며, 마테우치 효과와 비데만 효과도 자기변형과 연관된다. 자기변형 재료는 자기 에너지를 운동 에너지로 변환하거나 그 반대로 변환할 수 있어 액추에이터와 센서에 사용되며, 터페놀-D, 갈페놀, 알페놀 등이 대표적인 재료이다. 자기변형은 전자식 상품 감시, 컴퓨터 기억장치, 스피커, 소나 시스템 등 다양한 분야에 응용된다.
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| 자기변형 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
| 정의 | 자기장 내에서 강자성체의 크기 또는 형태가 변화하는 현상 |
| 발견자 | 제임스 프레스콧 줄 |
| 발견 연도 | 1842년 |
| 설명 | |
| 원인 | 자기장 내에서 강자성체의 자기 구역들이 재정렬되어 결정 구조에 변형을 일으키기 때문 |
| 종류 | 줄 효과 (길이 변화) 볼륨 효과 (부피 변화) 빌라리 효과 (응력 변화) 징거 효과 (결정 구조 변화) |
| 특징 | 자기장의 세기와 방향에 따라 크기와 방향이 달라짐 온도, 압력, 조성 등에 영향 받음 특정 재료에서만 나타남 |
| 활용 | |
| 응용 분야 | 센서 (자기장 감지) 액추에이터 (미세 변위 제어) 에너지 하베스팅 (진동 에너지 변환) 초음파 발생기 자기 기록 장치 정밀 기계 의료 기기 |
| 사용 재료 | 철 니켈 코발트 합금 (갈페놀, 터페놀-D 등) 페라이트 |
2. 자기변형의 원리
자기변형 현상은 강자성체의 내부 구조와 밀접하게 관련되어 있다. 강자성체는 자기구역으로 나뉘는데, 자기장이 가해지면 구역 경계가 이동하고 회전하여 재료의 치수가 변한다. 이러한 변화는 자기결정이방성 때문인데, 특정 방향으로 자화하는 데 더 많은 에너지가 필요하기 때문이다. 자기장이 가해지면 재료는 자유 에너지를 최소화하기 위해 구조를 재배열하며, 이 과정에서 변형이 발생한다.[3]
기계적 응력으로 인해 재료의 자기 감수율이 변하는 현상을 빌라리 효과라고 한다. 마테우치 효과는 자기변형 재료에 토크(회전력)가 가해졌을 때 재료의 감수율에 나선형 이방성이 생성되는 현상이고, 비데만 효과는 나선형 자기장이 가해졌을 때 자기변형 재료가 꼬이는 현상이다. 철은 약 40kA/m의 자기장에서 자기변형 부호가 양수에서 음수로 바뀌는 빌라리 역전 현상을 보이며, 자화 시 10-6 정도의 매우 작은 부피 변화가 일어난다.[28]
2. 1. 자기구역 (Magnetic Domain)
내부적으로 강자성체는 각각 균일한 자화 영역인 '''자기구역'''으로 나뉘어진 구조를 가지고 있다.[3] 자기장이 가해지면 구역 사이의 경계가 이동하고 구역이 회전한다. 이 두 효과 모두 재료의 치수 변화를 야기한다. 재료의 자기 구역 변화가 재료의 치수 변화를 초래하는 이유는 자기결정이방성의 결과이다. 결정성 재료를 한 방향으로 자화하는 데는 다른 방향보다 더 많은 에너지가 필요하다. 자기장이 재료에 쉬운 자화축에 대해 각도를 이루어 가해지면, 재료는 시스템의 자유 에너지를 최소화하기 위해 쉬운 축이 자기장과 정렬되도록 구조를 재배열하려고 한다. 서로 다른 결정 방향에는 서로 다른 길이가 연관되어 있으므로 이 효과는 재료에 변형을 유도한다.[3][28]2. 2. 결정 자기 이방성 (Magnetocrystalline Anisotropy)
내부적으로 강자성체는 각각 균일한 자화 영역인 '''자기구역'''으로 나뉘어진 구조를 가지고 있다. 자기장이 가해지면 구역 사이의 경계가 이동하고 구역이 회전한다. 이 두 효과 모두 재료의 치수 변화를 야기한다. 재료의 자기 구역 변화가 재료의 치수 변화를 초래하는 이유는 자기결정이방성의 결과이다. 결정성 재료를 한 방향으로 자화하는 데는 다른 방향보다 더 많은 에너지가 필요하다. 자기장이 재료에 자화 용이축(쉬운 자화축)에 대해 각도를 이루어 가해지면, 재료는 시스템의 자유 에너지를 최소화하기 위해 자화 용이축이 자기장과 정렬되도록 구조를 재배열하려고 한다. 서로 다른 결정 방향에는 서로 다른 길이가 연관되어 있으므로 이 효과는 재료에 변형을 유도한다.[3]2. 3. 자기변형의 발생
내부적으로 강자성체는 각각 균일한 자화 영역인 '''자기구역'''으로 나뉘어진 구조를 가지고 있다. 자기장이 가해지면 구역 사이의 경계가 이동하고 구역이 회전하는데, 이 두 효과 모두 재료의 치수 변화를 야기한다. 재료의 자기 구역 변화가 재료의 치수 변화를 초래하는 이유는 자기결정이방성의 결과이다. 결정성 재료를 한 방향으로 자화하는 데는 다른 방향보다 더 많은 에너지가 필요하다. 자기장이 재료에 쉬운 자화축에 대해 각도를 이루어 가해지면, 재료는 시스템의 자유 에너지를 최소화하기 위해 쉬운 축이 자기장과 정렬되도록 구조를 재배열하려고 한다.[3]역효과로, 기계적 응력을 받았을 때 재료의 자기 감수율(가해진 자기장에 대한 반응) 변화를 빌라리 효과라고 한다. 자기변형과 관련이 있는 효과로는 마테우치 효과와 비데만 효과가 있다. 마테우치 효과는 토크를 받았을 때 자기변형 재료의 감수율에 나선형 이방성이 생성되는 것이고, 비데만 효과는 나선형 자기장이 가해졌을 때 이러한 재료가 꼬이는 것이다.
빌라리 역전은 약 40kA/m의 자기장에 노출되었을 때 철의 자기변형 부호가 양수에서 음수로 변하는 것이다.
자화 시, 자성체는 부피 변화를 겪는데, 그 변화는 10-6 정도로 작다.
2. 4. 기타 관련 효과
빌라리 효과는 강자성체에 기계적 응력이 가해졌을 때 재료의 자기 감수율이 변화하는 현상이다. 이와 관련된 두 가지 효과는 다음과 같다.- 마테우치 효과: 자기변형 재료에 토크(회전력)가 가해졌을 때 재료의 감수율에 나선형 이방성이 생성되는 현상이다.
- 비데만 효과: 나선형 자기장이 가해졌을 때 자기변형 재료가 꼬이는 현상이다.
철의 경우, 약 40kA/m의 자기장에 노출되었을 때 자기변형 부호가 양수에서 음수로 바뀌는 빌라리 역전 현상이 나타난다.
자성체가 자화될 때, 10⁻⁶ 정도의 매우 작은 부피 변화가 발생한다.
3. 자기변형 히스테리시스 루프
자속밀도와 마찬가지로 자기변형 또한 자화장의 세기에 따라 히스테리시스(이력 현상)를 나타낸다. 이 히스테리시스 루프는 "잠자리 루프"라고도 불리며, Jiles-Atherton 모델을 사용하여 재현할 수 있다.[4]
4. 자기변형 재료
자기변형 재료는 자기 에너지를 운동 에너지로, 또는 그 반대로 변환할 수 있는 물질이다. 이러한 특성은 액추에이터와 센서 제작에 사용된다. 자기변형 계수(λ)는 재료의 자화가 0에서 포화 값으로 증가할 때 길이의 분율 변화를 나타내며, 양수 또는 음수 값을 가질 수 있다. 이 효과는 변압기와 고출력 전기 장치 근처에서 들리는 "전기적 험"의 원인이기도 하다.[5]
강자성체는 '''자구'''로 나뉘어진 구조를 가지고 있으며, 각각은 균일한 자기분극 영역이다. 자기장이 인가되면 자구의 경계가 이동하고 자구가 회전한다. 이러한 두 효과는 모두 재료의 치수를 변화시킨다. 재료의 자구 변화가 재료 치수의 변화를 가져오는 이유는 결정 재료를 한 방향으로 자화하는 데 더 많은 에너지를 필요로 하는 결정 자기 이방성의 결과이다.
자기장이 자화 용이축에 대해 어떤 각도로 인가되는 경우, 재료는 구조를 재배열하며, 자화 용이축이 자기장과 정렬하여 시스템의 자유 에너지를 최소화한다. 서로 다른 결정 방향이 서로 다른 길이에 관여하기 때문에 이 효과는 재료에 자기변형을 일으킨다.[28]
제2차 세계 대전 당시 초기 소나 트랜스듀서에는 니켈이 자기변형 재료로 사용되었다. 니켈 부족을 완화하기 위해 일본 해군은 알펌 계열의 철-알루미늄 합금을 사용했다.
코발트 페라이트(CoO·Fe2O3)는 높은 포화 자기변형 (~200 ppm) 덕분에 센서와 액추에이터와 같은 자기변형 응용 분야에 주로 사용된다.[7] 희토류 원소가 없더라도 터페놀-D의 좋은 대체제이다.[8] 또한, 자기 단축 이방성을 유도하여 자기변형 특성을 조정할 수 있다.[9] 이는 자기 어닐링,[10] 자기장 보조 성형,[11] 또는 단축 압력 하에서의 반응에 의해 수행될 수 있다.[12] 이 마지막 방법은 스파크 플라즈마 소결을 사용하여 20분 만에 초고속으로 처리할 수 있다는 장점이 있다.
4. 1. 주요 자기변형 재료
코발트는 순수 원소 중에서 상온에서 가장 큰 자기변형(약 60 마이크로스트레인)을 나타낸다.[5] 합금 중에서는 터페놀-D(Ter는 테르븀, Fe는 철, NOL은 해군무기연구소, D는 디스프로슘을 의미함)가 가장 높은 자기변형을 나타낸다. 터페놀-D는 상온에서 160 kA/m (2 kOe)의 자기장에서 약 2,000 마이크로스트레인을 나타내며, 가장 일반적으로 사용되는 자기변형 공학 재료이다.[5]갈페놀 및 알퍼는 더 낮은 인가 자기장(~200 Oe)에서 200-400 마이크로스트레인을 나타내며, 취성인 터페놀-D보다 향상된 기계적 특성을 가지는 새로운 합금이다.[6] 이 두 합금 모두 자기변형에 대해 <100> 쉬운 축을 가지며 센서 및 액추에이터 응용 분야에 충분한 연성을 보인다.[6]
메트글라스 2605SC는 약 20 마이크로스트레인 이상의 높은 포화 자기변형 상수 λ와 1 kA/m 미만의 낮은 자기이방성 장 강도 HA (자기 포화에 도달하는 데 필요한)가 결합되어 있다는 유리한 특성을 가진 비정질 합금이다.
코발트 페라이트 (CoO·Fe2O3)는 높은 포화 자기변형 (~200 ppm) 덕분에 센서와 액추에이터와 같은 자기변형 응용 분야에 주로 사용된다.[7]
4. 2. 자기변형 합금의 기계적 거동
단결정 합금은 우수한 미세변형률을 보이지만, 대부분 금속의 이방성 기계적 특성으로 인해 항복에 취약하다. 미세변형률에 유리한 결정립의 면적 비율이 높은 다결정 합금의 경우, 자기변형 합금의 기계적 특성(연성)이 크게 향상될 수 있음이 관찰되었다. 표적화된 야금 처리 단계는 자기변형 중 자기 도메인 정렬을 위한 두 개의 쉬운 축을 포함하는 갈페놀(Galfenol)과 알페놀(Alfenol) 박판에서 {011} 결정립의 비정상적인 결정립 성장을 촉진한다. 이는 초기 잉곳 주조 시 붕소화물 종류[13] 및 탄화니오븀(NbC)[14]과 같은 입자를 첨가함으로써 달성할 수 있다.다결정 합금의 경우, 알려진 방향성 미세변형 측정으로부터 자기변형 λ에 대한 확립된 공식은 다음과 같다.[15]
:λs = 1/5(2λ100 + 3λ111)
후속 열간압연 및 재결정 단계 동안, 입자 강화가 발생하는데, 이때 입자는 어닐링 단계에서 hydrogen sulfide|황화수소영어 분위기의 도움을 받아 정상적인 (확률적인) 결정립 성장을 방해하는 결정립계에 "고정"력을 도입한다. 따라서 단결정과 유사한 조직(~90% {011} 결정립 피복률)을 얻을 수 있으며, 자기 도메인 정렬에 대한 간섭을 줄이고 반도체 변형 게이지로 측정한 다결정 합금에 대해 얻을 수 있는 미세변형률을 증가시킨다.[16] 이러한 표면 조직은 전자 후방 산란 회절(EBSD) 또는 관련 회절 기술을 사용하여 시각화할 수 있다.
구동기 응용 분야에서 자기 모멘트의 최대 회전은 가능한 최대 자기변형 출력으로 이어진다. 이는 응력풀림 및 자기장 풀림과 같은 공정 기술을 통해 달성할 수 있다. 그러나 응력이 좌굴 한계 미만인 경우 얇은 시트에 기계적 예비 응력을 가하여 구동에 수직인 정렬을 유도할 수도 있다. 예를 들어, 최대 ~50MPa의 인장 예비 응력을 가하면 자기변형이 ~90% 증가한다는 것이 입증되었다. 이는 가해진 응력에 수직인 도메인의 초기 정렬의 "점프"와 가해진 응력에 평행한 최종 정렬의 개선 때문이라고 가정된다.[17]
내부적으로 강자성체는 '''자구'''로 나뉘어진 구조를 가지고 있으며, 각각은 균일한 자기분극 영역이다. 자기장이 인가되면 자구의 경계가 이동하고 자구가 회전한다. 이러한 두 효과 모두 재료의 치수를 변화시킨다. 재료의 자구 변화가 재료 치수의 변화를 가져오는 이유는 결정 재료를 한 방향으로 자화하는 데 더 많은 에너지를 필요로 하는 결정 자기 이방성의 결과이다.
자기장이 자화 용이축에 대해 어떤 각도로 재료에 인가되는 경우, 재료는 구조를 재배열하는 경향이 있으며, 자화 용이축이 자기장과 정렬하여 시스템의 자유 에너지를 최소화한다. 서로 다른 결정 방향이 서로 다른 길이에 관여하기 때문에 이 효과는 재료에 자기변형을 일으킨다.[28]
4. 3. 자기변형 재료의 구성 거동
이러한 자성 재료는 일반적으로 인가되는 자기장이나 응력의 변화에 따라 비선형적인 거동을 나타낸다. 작은 자기장의 경우에는 선형 압전자기 구성[18] 거동으로 충분하다. 비선형 자기 거동은 프라이작 모델[19] 및 Jiles-Atherton 모델[20]과 같은 고전적인 거시적 모델을 사용하여 나타낼 수 있다. 자기기계적 거동을 나타내기 위해 Armstrong[21]은 "에너지 평균" 접근 방식을 제안했다. 최근 Wahi et al.[22]은 구성 거동을 "국소 선형화" 방식을 사용하여 나타내는 계산 효율적인 구성 모델을 제안했다.내부적으로 강자성체는 '''자구'''로 나누어진 구조를 가지며, 각각은 균일한 자기분극 영역이다. 자기장이 인가되면 자구의 경계가 이동하고 자구가 회전한다. 이러한 두 효과는 모두 재료의 치수를 변화시킨다. 재료의 자구 변화가 재료 치수의 변화를 가져오는 이유는 결정 재료를 한 방향으로 자화하는 데 더 많은 에너지를 필요로 하는 결정 자기 이방성의 결과이다.
자기장이 자화 용이축에 대해 어떤 각도로 재료에 인가되는 경우, 재료는 구조를 재배열하는 경향이 있으며, 자화 용이축이 자기장과 정렬하여 시스템의 자유 에너지를 최소화한다. 서로 다른 결정 방향이 서로 다른 길이에 관여하기 때문에 이 효과는 재료에 자기변형을 일으킨다.[28]
5. 응용 분야
자기변형 재료는 자기 에너지를 운동 에너지로, 또는 그 반대로 변환할 수 있어 액추에이터와 센서 제작에 사용된다. 이 특성은 자기변형 계수(λ)로 나타내며, 재료의 자화가 0에서 포화 값으로 증가할 때 길이 변화를 나타낸다. 이 효과는 변압기 등에서 들리는 "전기적 험"의 원인이 된다.
코발트는 순수 원소 중 상온에서 가장 큰 자기변형(60 마이크로스트레인)을 보인다. 합금 중에서는 터페놀-D(테르븀, 철, 해군무기연구소, 디스프로슘의 약자)가 가장 높은 자기변형을 나타낸다. 터페놀-D는 상온에서 160 kA/m (2 kOe)의 자기장에서 약 2,000 마이크로스트레인을 나타내며, 가장 널리 사용되는 자기변형 공학 재료이다.[5] 갈페놀 및 알퍼는 낮은 자기장(~200 Oe)에서 200-400 마이크로스트레인을 나타내며, 취성인 터페놀-D보다 우수한 기계적 특성을 가진다.[6]
또 다른 일반적인 자기변형 복합재는 비정질 합금 (메트글라스 2605SC)이다. 이 재료는 높은 포화 자기변형 상수(λ, 약 20 마이크로스트레인 이상)와 낮은 자기이방성 장 강도(HA, 1 kA/m 미만)를 가져 에너지 효율적인 자기 MEMS 제작에 유용하다.
코발트 페라이트()는 높은 포화 자기변형(~200 ppm) 덕분에 센서 및 액추에이터와 같은 자기변형 응용 분야에 주로 사용된다.[7] 희토류 원소가 없어 터페놀-D의 좋은 대체재이다.[8] 자기 어닐링, 자기장 보조 성형, 또는 단축 압력 하에서의 반응을 통해 자기변형 특성을 조정할 수 있다.[9][10][11][12]
자기변형은 다양한 분야에 응용된다.
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