페라이트 (자석)

3. 조성, 구조 및 특성

페라이트는 일반적으로 산화철(III)(적철광, Fe2O3)에 하나 이상의 금속 원소 산화물을 첨가하여 만든다.^[5] 대략적인 화학식은 ''M''O·Fe₂O₃이며, 자철광의 Fe(II)처럼 Fe(II)-Fe(III)₂O₄로 구성되어 있다.^[5] 다른 패턴은 ''M''·Fe(III)₂O₃이며, 여기서 ''M''은 다른 금속 원소이다.

많은 페라이트는 스피넬 그룹 화학 구조를 가지며, 화학식은 이다. 여기서 '''A'''와 '''B'''는 다양한 금속 양이온을 나타내며, 그 중 하나는 일반적으로 철(Fe)이다. 스피넬 페라이트는 일반적으로 입방 최밀(fcc) 산화물(O)로 구성된 결정 모티프를 가지며, '''A''' 양이온은 사면체 구멍의 1/8을 차지하고 '''B''' 양이온은 팔면체 구멍의 절반을 차지한다. 즉, 이다.

일반적인 스피넬 구조가 아닌 역 스피넬 구조를 가지는 경우도 있다. 사면체 구멍의 1/8은 '''B''' 양이온이 차지하고, 팔면체 부위의 1/4은 '''A''' 양이온이 차지하며, 나머지 1/4은 '''B''' 양이온이 차지한다. 또한 화학식을 갖는 혼합 구조 스피넬 페라이트도 가능하다. 여기서 는 반전 정도이다.

"Zn Fe"로 알려진 자기 재료는 화학식 를 가지며, 는 팔면체 부위를 차지하고 는 사면체 부위를 차지하는 일반적인 구조 스피넬 페라이트의 예이다.^[18]

일부 페라이트는 육각형 결정 구조를 채택하며, 예를 들어 바륨 및 스트론튬 페라이트 () 및 ()가 있다.^[19]

자기적 특성 측면에서, 다양한 페라이트는 낮은 또는 높은 자기 보자력을 기준으로 "연자성", "반경자성" 또는 "경자성"으로 분류된다.

코발트 페라이트( )는 연자성 재료와 경자성 재료 사이에 위치하며, 일반적으로 반경자성 재료로 분류된다.^[23] 높은 자왜 (~200 ppm)로 인해 센서 및 액추에이터와 같은 자왜 응용 분야에 주로 사용된다.^[24]

대부분의 다른 세라믹과 마찬가지로 페라이트는 단단하고 깨지기 쉬우며, 전기 전도도가 낮다. 산화 철을 주원료로 하여 바륨이나 스트론튬 등을 미량 첨가하여 구워 굳혀서 만든다. 특성 향상을 위해 란탄이나 코발트를 첨가한 제품도 제조되고 있다.^[49][50]

페라이트의 특성은 다음과 같다.

• 보자력이 높고 감자되기 어렵다.
• 저온에서 감자되기 쉽다.^[51]
• 전기 저항이 크고 와전류 손실이 낮아 고주파까지 적용할 수 있다.
• 경도는 비교적 높지만 깨지기 쉽다.
• 자기이므로 약품에 강하고 녹슬지 않는다.
• 굽기 전에는 분말이기 때문에 자유로운 형태로 만들 수 있다.
• 큐리 온도는 약 460°C^영어이다.

4. 제조

페라이트는 일반적으로 다음과 같은 공정을 통해 제조된다.

# 구성 금속의 산화물 혼합물을 고온에서 가열한다. 이는 다음의 이상적인 방정식으로 나타낼 수 있다.^[35]

::Fe₂O₃ + ZnO → ZnFe₂O₄

# 바륨 및 스트론튬 페라이트의 경우, 이들 금속은 일반적으로 탄산 바륨(BaCO₃) 또는 탄산 스트론튬(SrCO₃) 형태로 공급된다. 가열 과정에서 이러한 탄산염은 소성을 거친다.

::MCO₃ → MO + CO₂

# 이 단계 후에 두 산화물이 결합하여 페라이트를 생성한다. 생성된 산화물 혼합물은 소결을 거친다.

# 페라이트를 얻은 후, 냉각된 제품은 각 입자가 단일 자기 도메인으로 구성될 만큼 충분히 작게, 2 μm 미만의 입자로 분쇄된다.

# 다음으로 분말을 모양으로 압착하고 건조시킨 후 재소결한다. 성형은 입자의 선호하는 배향 (이방성)을 달성하기 위해 외부 자기장에서 수행될 수 있다.

작고 기하학적으로 쉬운 모양은 건식 압착으로 생산될 수 있다. 그러나 이러한 과정에서 작은 입자가 응집되어 습식 압착 공정에 비해 더 열악한 자기 특성을 나타낼 수 있다. 재분쇄 없이 직접 소성 및 소결도 가능하지만 자기 특성이 좋지 않다.

전자석도 사전 소결(사전 반응)되고 분쇄 및 압착된다. 그러나 소결은 특정 분위기, 예를 들어 산소 부족 분위기에서 발생한다. 화학적 조성과 특히 구조는 전구체와 소결된 제품 사이에서 크게 다릅니다.

소결 동안 가마에 제품을 효율적으로 적층하고 부품이 서로 달라붙는 것을 방지하기 위해 많은 제조업체는 세라믹 분말 분리 시트를 사용하여 제품을 분리한다. 이러한 시트는 알루미나, 지르코니아 및 마그네시아와 같은 다양한 재료로 제공된다. 또한 미세, 중간 및 조대 입자 크기로도 제공된다. 소결되는 제품에 재료 및 입자 크기를 맞춤으로써 표면 손상 및 오염을 줄이면서 가마 로딩을 최대화할 수 있다.

산화 철을 주원료로 하여 바륨이나 스트론튬 등을 미량 첨가하여 구워 굳혀서 만드는 화합물이다. 구워 굳힌 후 1μm 정도의 입자로 분쇄한 것을 성형하여 소결하는 요업 제품이다. 하드 페라이트에서는 소결 후에 전자석으로 착자하여 영구 자석으로 한다. 비교적 강한 자성을 가지면서 저렴하기 때문에 다양한 용도로 사용된다^[49].

최근에는 특성을 향상시키기 위해 란탄이나 코발트를 첨가한 제품도 제조되고 있다^[49][50].

'''원료'''

• 철 압연 공정에서 녹을 제거할 때 나오는 염산 세척액 속의 산화철
• 탄산 바륨(BaCO₃) 또는 탄산 스트론튬(SrCO₃)

5. 용도

페라이트는 그 특성에 따라 다양한 용도로 사용된다. 크게 하드 페라이트와 소프트 페라이트로 나눌 수 있다.

• 하드 페라이트와 소프트 페라이트에 대한 내용은 각각 해당 섹션을 참조.

• 전동 파워 스티어링 시스템 및 자동차 센서: 페라이트 자석은 비용 효율성과 부식 저항성 때문에 전동 파워 스티어링 시스템 및 자동차 센서에 사용된다.^[37] 높은 자기 투자율과 낮은 전기 전도도는 고주파 응용 분야에 적합하게 한다.^[38] 전동 파워 스티어링 시스템에서 효율적인 모터 작동에 필요한 자기장을 제공하여 시스템의 전반적인 성능과 신뢰성에 기여하며,^[39] 자동차 센서는 위치, 속도 및 유체 레벨과 같은 다양한 매개 변수의 정확한 감지 및 측정을 위해 페라이트 자석을 사용한다.^[40]

• 저자장 또는 개방형 MRI 시스템: 세라믹 페라이트 자석은 초전도 자석에 비해 자기장이 약하지만, 저렴한 비용, 안정적인 자기장, 복잡한 냉각 시스템 없이 작동할 수 있다는 장점 때문에 저자장 또는 개방형 MRI 시스템에 사용되기도 한다.^[41][42][43]

• 페라이트 나노 입자: 상자성 특성을 나타낸다.

• 기타: 초기 컴퓨터 메모리는 하드 페라이트 코어의 잔류 자기장에 데이터를 저장하는 ''코어 메모리'' 배열로 조립되었다. 페라이트 분말은 자기 기록 테이프의 코팅에 사용된다. 페라이트 입자는 스텔스 항공기에 사용되는 레이더 흡수 재료 또는 코팅의 구성 요소, 그리고 전자기 적합성 측정을 위해 사용되는 방을 덮는 흡수 타일에 사용된다. 스피커 및 전자기 악기 픽업에 사용되는 가장 일반적인 오디오 자석도 페라이트 자석이다. 페라이트 자석은 특정 "빈티지" 제품을 제외하고, 이러한 응용 분야에서 더 비싼 알니코 자석을 대체했다. 특히, 오늘날 하드 육방정 페라이트의 가장 일반적인 용도는 냉장고 씰 개스킷, 마이크 및 라우드 스피커, 무선 기기를 위한 소형 모터, 자동차 응용 분야의 영구 자석으로 사용된다.^[36]

5. 1. 하드 페라이트

• 스트론튬 페라이트: SrFe₁₂O₁₉ (SrO · 6 Fe₂O₃)는 소형 전동기, 마이크로파 장치, 기록 매체, 자성 광학 매체, 통신 및 전자 산업에 사용된다.^[19] 높은 보자력으로 잘 알려져 있으며, 영구 자석으로 산업 분야에서 널리 사용된다. 분말화 및 성형이 용이하여 바이오마커, 생체 진단 및 바이오센서와 같은 미세 및 나노 유형 시스템에도 적용된다.^[34]
• 바륨 페라이트: BaFe₁₂O₁₉ (BaO · 6 Fe₂O₃)는 영구 자석 응용 분야에 흔히 사용되는 재료이다. 습기에 안정적이고 내식성이 있는 견고한 세라믹으로, 스피커 자석 및 마그네틱 스트라이프 카드와 같은 자기 기록 매체에 사용된다.

5. 2. 소프트 페라이트

• 망간-아연 페라이트 (MnZn): 화학식 $$를 가진다. MnZn은 NiZn보다 높은 투자율과 포화 자화를 갖는다.
• 니켈-아연 페라이트 (NiZn): 화학식 $$를 가진다. NiZn 페라이트는 MnZn보다 더 높은 저항을 나타내므로 1 MHz 이상의 주파수에 더 적합하다.^[21]

6. 역사

1930년 도쿄 공업대학의 가토 요고로와 타케이 타케시가 최초의 페라이트 화합물을 합성했다. 1935년에는 이 재료를 상용화하기 위해 TDK 주식회사가 설립되었다.^[44]

1950년, 필립스 연구소에서 바륨 헥사페라이트(BaO•6Fe₂O₃)가 발견되었다. 이는 반도체 재료 연구를 위해 육각형 란타넘 페라이트 샘플을 준비하던 조수의 실수로 우연히 발견된 것이었다. X선 결정학을 통해 구조를 확인한 결과, 이 물질은 높은 보자력(170 kA/m)과 낮은 원자재 비용을 가진 자기 재료임이 밝혀졌다.^[44] 필립스는 이를 ''Ferroxdure''라는 상표명으로 1952년부터 판매하기 시작했으며,^[45] 저렴한 가격과 우수한 성능 덕분에 영구 자석의 사용이 크게 증가했다.^[46]

1960년대에는 필립스가 바륨 헥사페라이트보다 우수한 특성을 가진 스트론튬 헥사페라이트(SrO•6Fe₂O₃)를 개발했다. 바륨 및 스트론튬 헥사페라이트는 낮은 비용으로 인해 시장을 지배하게 되었다. 이후에도 1980년 BaO•2(FeO)•8(Fe₂O₃), 1991년 Ba₂ZnFe₁₈O₂₃ 등 개선된 특성을 가진 물질들이 개발되었다.^[47][48]

1990년대 후반에는 SrLaCo 페라이트 자석이 개발되면서 개발 열기가 다시 높아졌다. 이후 CaLaCo 페라이트 자석이 개발되어, 특성이 Br=0.45 - 0.47테슬라, Hcj=300 - 450kA/m까지 향상되었다. 최근에는 전기 자동차(EV)용 모터에 페라이트 자석을 활용하려는 움직임이 활발하다.

7. 하드 페라이트의 속성 (일본어 문서 참고)

• 보자력이 높아 잘 감자되지 않는다.
• 저온에서는 감자가 쉽게 된다.^[51]
• 전기 저항이 크고 와전류 손실이 낮아 고주파까지 적용할 수 있다.
• 경도는 비교적 높지만 깨지기 쉽다.
• 자기를 띄므로 약품에 강하고 녹슬지 않는다.
• 굽기 전에는 분말이기 때문에 자유로운 형태로 만들 수 있다.
• 큐리 온도는 약 460°C이다.

참조

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