연질자성재료는 대부분 직류 및 고주파용 변압기, inductor, 대형 motor, 자기헤드의 자심재료 및 센서등으로 사용되고, 경질자성재료는 주로 motor 및 speaker용으로 사용되며, 자기기록매체재료는 화상, 음성 및 컴퓨터 정보의 기록용으로 사용된다. 특수자성재료로는 microwave용, 전자파 흡수, 열팽창 제어, 기체밀봉등 많은 용도에 이용되고 있다. 최근 국내외에서 수요가 급증하는 첨단 전자기기용 자성재료 시장등이 내구, 내열성 뿐만 아니라 소형화, 경량화 됨에 따라 자성재료의 고성능화를 요구하고 있다. 따라서 본 고에서는 경질자성재료의 개발현황을 살펴보고 자성재료의 고성능화를 위한 연구동향을 생각해 보고자 한다.
자성재료는 각종 전자품에서 빼놓을 수 없는 중요한 소재로서 가전제품, 컴퓨터, 통신설비, 자동차 및 국방산업과 직결되어 있다. 현재 중국은 각종 자성재료의 생산량이 세계 1위이며 자성재료 생산대국과 산업중심의 역할을 하고 있다. 중국 자성재료의 중, 장기 시장 발전 전망이 매우 유망한 바, 중국의 자성재료 생산품의 전세계에서의 인식은 한층 더 올라갈 것으로 본다. 과학기술 독창능력, 기술개조와 기업의 관리수준을 반드시 강화시키고 산업구조를 조절하고 생산품의 등급을 한 단계 상승시켜 중국을 자성재료 대국으로부터 강국으로 진입하도록 인도해야 한다는 전략은 지난 11월초 중국 상해에서 개최한 "중국 자성재료 산업 중장기 발전 전략 포럼"에서 제기된 것이다. 본문에서는 이 포럼에서 발표된 내용과 산업계의 통계자료를 바탕으로 거시적인 각도에서 중국 자성체 산업의 전체적인 현황을 분석하였고 희토류 영구자석 특히 중국의 소결과 본드 NdFeB 자석의 산업현황을 소개했고, 희토류 영구자석에 대한 중국의 연구개발 상황을 소개했으며 자성체 산업발전의 전망에 대한 예측과 분석도 수행하였다.
어떤 자성재료에 대해서는 자기특성 이외에 유리부착성, 탄성, 접점에서의 특성 등이 요구되며 이러한 요구들을 한가지 재료로서 만족시키는 것은 곤란하므로 재료의 복합화가 시도되고 있다. Wire memory는 동선상에 permalley를 전착시킨 것이고 이것을 Core에 digit선이 통한 것으로 볼 수 있다. 금후로는 자성재료부품에서도 전자부품에서와 마찬가지로 재료를 복합소형화하여 일괄생산하는 방향으로 나아갈 것이 예상된다. 한편으로는 기억의 고밀도화가 강하게 요구되고 있으며 이에 따라 자성박막의 자벽 그 자체를 기억체로 이용하려는 방향으로 나아가고 있다. 이 경우, 기억체를 자기유도에 의하여 읽어내는 것은 S/N비가 적어서 곤란하고 Faraday효과, Kerr효과 등을 이용한 자기광학적 방법이 유효하다. 요즘 많이 연구되고 있는 초전도현상에 있어서고 재료의 자성이 도전율에 절대적인 영향을 미치므로 이에 관해서는 자성재료연구분야에서도 많은 관심이 모아지고 있다. 따라서 초전도재료에 관하여서도 따로 소개하고자 한다.
본 고에서는 대표적인 연자성재료인 Soft 페라이트, 퍼멀로이, 센더스트와 비정질 자성합금계의 특성과 용도를 살펴봄으로써 현재의 기술현황을 알아보고 그 문제점 해결과 특성개선을 위한 연구동향에 대하여 검토하여 보기로 한다. 또한 연자성재료 일반에 걸쳐 용도별 분류와 각 응용기술 분야에서의 기술동향 및 전망에 대하여 소개하고자 한다.
일본에 있어서의 기술잡지등에서 생산기술은 여러 외국에 있어서의 기술잡지등에서 취급하고 있을 정도로 성장하였다. 일본의 기술자는 오랜동안 유럽, 미국으로 부터의 기술도입에 의하여 기술수준을 향상시키는데 불과했으나 그런 동안에 기초적인 학문도 많지는 않았으나 진보하였다. 그 결과, 전기전자재료가 진보하여 전기전자기기의 성능향상에 크게 기여를 하였다. 자성재료도 그중 하나이다. 잘 알고 있는 바와 같이 자성재로는 고투자율재료와 고보자력재료 이른바 자석재료로 대별되는데 고투자율재료에서는 규소강판이외에는 큰 진보는 보이지 않고 있다. 본고에서는 규소강판과 자석재료에 관한 개발동향의 개요를 기술하고저 한다.
고투자율비정질금속자성재료는 원자비가 종래의 고투자율금속자성료보다도 싸고, 제조공정도 간단하게 될 가능성이 있기 때문에 낮은 가격으로도 제작할 수 있는 가능성이 있다. 자기특성에 관해서는 주규소강판에 비하여 포화자속밀도는 낮지만 철손이 상당히 작은 특징이 있으며 퍼말로이에 비해서는 훨씬 높은 투자율 및 포화자속밀도를 갖는다. 따라선 싼값으로 공급된다면 재래의 재료에 대치될 가능성이 커지게 된다. 이미 구미에서는 전자기기용자심 뿐만 아니라 배전용변압기의 철심으로서 실용화가 진행되고 있다. 기계적특성에서도 강도가 현저히 높고, 인성이 풍부하여, 내마모성이 뛰어나다. 이러한 특성과 자기특성을 함께 살린 응용면으로서 자기헤드, 재료, 자기차폐재료 등을 들 수 가 있다. 이상은 고투자율비창질금속자성재료의 실용화와 관련된 유리한 측면인데, 이 재료는 본질적으로 불안저이평횡상태에 있기 때문에, 자기적 및 기계적 특성이 열적으로 불안정하다고 하는 큰 난점을 가지고 있다. 물론 이러한 열적특성을 적극적으로 활용하는 면도 생각되지만, 이 문제는 실용화를 위해서는 큰 방벽이라고 할 수 있을 것이다.
자성-금속-자성 삼층구조로 반강자성 결합 특성을 갖는 박막 재료의 자화 곡선은 두 자성박막 각각의 자화량($M_1$, $M_2$) 변화 특성을 반영한다. 본 연구에서는 반강자성 결합 특성을 갖는 CoB/Ru/CoB 박막 재료의 두 자성 박막의 총자화량($M_{tot}=M_1+M_2$)과 상부 단일 박막의 자화량($M_1$)의 이론적 값을 Stoner-Wohlfarth 모델로 계산하였다. VSM으로 측정한 총자화량은 자기장의 반전에 따라 가역 특성을 보였으며, CoB/Ru/CoB 재료의 플롭자기장($H_F$)은 약 50 Oe였다. 한편 MOKE로 측정한 상부 단일 박막의 자화량($M_1$)은 $-H_F$ < H < $H_F$에서 비가역 자화 반전 특성을 보였다. 이러한 자화 거동 특성은 두 자성 박막에 서로 상호 작용하는 반강자성 결합에 의하여 두 자성 박막 각각의 자화 각도 변화에 기인함을 Stoner-Wohlfarth 모델 계산을 통하여 확인하였다.
본 연구에서는 double rectangular spiral형 공심 인덕터를 제조하고, 인덕터 특성에 미치는 자성막의 특성 인자에 대해 연구하였다 공심 인덕터의 전류의 방향과 자성 박막의 자화 용이축의 방향이 수직일 경우 인덕터의 인덕턴스가 향상되었고, 도체막과 자성막 사이 절연막이 없는 경우 자성막의 자속 집속효과가 증가하여 절연막이 있는 경우보다 인덕턴스는 높고, 저항의 증가율이 높았으며, 자성막의 투자율이 높을수록 인덕터의 인덕턴스에 기여하는 부분이 증가하므로 인덕턴스는 향상되었다. 또한 인덕터의 주파수 특성은 공심 인덕터의 특성에 지배적인 영향을 받으므로 인덕터의 주파수 특성을 향상시키기 위해서는 자성막의 특성보다 공심 인덕터의 특성을 향상시키는 것이 바람직하다
유전체 기판을 대신하여 안테나 기판으로 사용되어질 다양한 유전율과 투자율을 가지는 자성유전체를 얻기 위하여 유전체 재료로는 실리콘 레진과 에폭시 레진을 그리고 자성재료로는 카보닐 아이언, 바륨 및 스트론튬을 사용하여 다양한 합성물로 제조하였고, 이러한 자성유전체들의 비유전율 및 비투자율을 HP4291B 임피던스 분석기를 사용하여 측정하였다. 본 논문에서 필름형태로 제조된 자성유전체를 안테나 기판으로 사용했을 때 공진주파수, 임피던스 대역폭과 같은 안테나 특성 변화의 차이점을 유전체 기판 사용과 비교하여 알아보기 위해 측정된 비유전율 및 비투자율에 근거하여 IFA형태의 미앤더 모노폴 안테나 설계 및 제작을 하였고, 모의실험 결과 및 측정 결과를 제시하였다. 본 논문에서는 이러한 결과를 토대로 자성재료의 종류 선택 및 자성재료와 유전체 재료의 혼합비 변화에 따른 자성유전체의 특성 변화들을 논의한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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