도포형 자기기록매체에 있어서 자성분의 size와 특성이 자기기록 특성에 미치는 영향을 조사하기위하여 size가 다른 각각의 자성분으로 만든 도료를 이용하여 자기 tape를 제조하고 자성분의 분산성 및 전자 변환 특성을 측정하였다. 자성분의 분산성은 입자 size의 영향보다 입자의 형태 및 자성분의 표면화학특성에 크게 의존하며 자성분의 입자 size가 작아질 수록 자성분의 충진성은 향상 되고 tape의 remanence 특성과 출력 특성 및 noise 특성이 향상되어 고출력, 저 noise의 넓은 dynamic range의 출력이 나타남을 확인하였다. 따라서 고출력의 자기 tape를 제조하기 위하여는 자성분의 size, 형상, 표면화학 특성 및 자기특성이 자성분 선정의 중요한 요건임을 확인하였다.
지난 20여년간 표면자성 현상의 연구에 가장 도움이 많이 되었던 실험방법중 하나인 표면 자기광 커효과(Surface magneto-optic Kerr effect, SMOKE) 실험 방법을 소개하고자 한다. 예를 들어 단일층의 철막이 강자성이 되는지, 또 큐리(Curie)온도는 bulk와 비교하여 얼마나 떨어져 있는지, 자화 용이축(easy-axis)은 어느 방향인지 등 매우 기본적인 자성박막의 특성은 스핀트로닉스(spintronics) 분야의 연구에 가장 기본적인 정보이다. 표면 자기광 커 효과(SMOKE)는 이러한 물음에 대한 답을 줄 수 있는 매우 효율적인 방법이다.
CsCl 구조를 가진 VRu(001) 표면의 자기적 성질을 일반기울기근사(GGA)를 채택한 총퍼텐셜선형보강평면파(FLAPW) 에너지 띠 계산 방법을 이용하여 이론적으로 연구하였다. 이를 위해 각기 V 및 Ru 원자층으로 끝나는 두 개의 (001) 표면을 고려하였다. 계산된 머핀-틴 구 내의 다수 및 소수 전자의 수로부터 V로 끝나는 표면의 자기모멘트는 $1.71_{{\mu}_B}$로 매우 큰 값을 가졌으며, Ru로 끝나는 표면은 자성이 거의 없는 것으로 계산되었다. 이러한 자성을 계산된 스핀분극상태밀도와 스핀전하밀도와 연관지어 설명하였다.
직충돌 이온산란 분광법(ICISS: Impact Collision Ion Scattering Spectroscopy)을 이용한 고체표면 해석의 마지막 개설로서 금속 표면에 대한 연구를 소개하기로 한다. 금속은 도체이기 때문에 전하 축적을 방지하려는 별도의 장치가 필요 없다. 또한 결정구조가 간단하여 금속재료 자체보다는 표면의 흡착구조 및 반응, 박막 구조 등과 같은 분야에서 ISS를 이용하고 있다. 세라믹이나 반도체와 구별되는 응용 분야로서는 첫째 금속의 높은 표면 반응성을 이용하는 촉매와 같은 분야에 있어서 표면에서 일어나는 반응을 추적하기 위한 수단으로 사용된다. 둘째 표면 용융 현상을 표면 원자의 위치 결정을 통하여 연구할 수 있다. 마지막으로 자성재료의 표면 자성 특성을 스핀분극 ISS를 이용하여 접근할 수 있다. 이상과 같은 금속 표면물성 분야에 대하여 ICISS를 적용한 연구 사례를 소개하고자 한다.
준안정 상태인 덩치 fcc Fe는 반강자성 상태가 기저 상태인 것으로 알려져 있고 적절한 fcc 금속 표면 위에 fcc Fe를 성장시킬 수 있음이 보고된 바 있다. 본 연구에서는 fcc 금속 (001) 표면 위의 Fe 원자층의 자성을 연구하기 위해 Cu(001), Rh(001), Pd(001), Ag(001) 표면 위의 Fe 단층의 자성을 제일원리계산 방법 중 자성 연구에 가장 적합한 총퍼텐셜선형보강평면파(fullpotential linearized augmented plane wave; FLAPW) 방법을 사용하여 연구하였다. 고려한 계 중에서 2차원 격자상수가 가장 작은 Cu(001) 표면과 가장 큰 Ag(001) 표면 위의 Fe 단층은 강자성이 비교적 큰 에너지 차이로 Fe-fcc 금속 층간 거리에 관계없이 안정적이었고, 중간 크기의 2차원 격자상수를 가진 Rh(001)과 Pd(001) 표면 위의 Fe 단층은 반강자성 상태가 안정적이었으나, 층간 거리가 커짐에 따라 강자성 상태가 안정적일 수도 있는 것으로 계산되었다. 계산된 자기모멘트는 1Fe/Cu(001), 1Fe/Rh(001), 1Fe/Pd(001), 1Fe/Ag(001)의 강자성 상태에서 2.811, 2.945, 2.987, 2.990 $_{{\mu}B}$이었고, 반강자성 상태에서는 2.624, 2.879, 2.922, 3.001 $_{{\mu}B}$이었다.
CsCl 구조를 가지는 CoX(X = Ti, V, Nb) 이원화합물에서 (001) 표면계의 전자구조를 제일원리 전자구조 계산방법을 이용하여 계산하고 표면자성을 연구하였다. Co 원자로 끝나는 CoTi(001)계에서 표면 Co 원자의 자기모멘트는 가운데 층 Co 원자에 비해 상당히 증가한 $1.19{\mu}_B$였다. V 원자로 끝나는 CoV(001) 표면계에서 표면 V 원자의 자기모멘트는 가운데 층의 2.5배로서 $1.64{\mu}_B$이고, Co 원자로 끝나는 계에서 표면 Co 원자의 자기모멘트는 $1.34{\mu}_B$로 덩치 Co 원자에 비해 다소 감소하였다. CoNb(001)계에서 Nb 원자로 끝나는 계의 경우, 표면 Nb 원자의 자기모멘트는 가운데 층 Nb 원자에 비해 다소 감소한 $0.26{\mu}_B$였으며, Co 원자로 끝나는 표면계의 경우 자성이 사라졌다.
자성 박막 표면에서의 일축 자기이방성을 고려한 자화의 경계조건을 Maxwell 방정식과 자화에 대한 Gilbert 방정식을 동시에 만족하는 해에 적용하여 자성박막에서 여기되는 스핀파 공명신호에 대한 모의실험을 수행하였다. 공명신호에 영향을 주는 물리량은 박막두께, 교환강성 상수, 표면 자기이방성 상수, 포화자화, 감쇠 상수, 전기비저항 등이며, 이러한 물리량들이 자성 박막에서 여기되는 스핀파 거동에 미치는 영향을 공명흡수선의 공명자기장, 선폭, 세기로 구분하여 조사하였다.
본 논문에서는 수평진동이 있는 용기내 자유표면을 갖는 자성유체에 용기하부로부터 수직자장을 인가시킨 경우 유동을 실험하였다. 실험은 직사각형 및 원통형 용기에 대해 자성유체에 인가된 자기력이 공진주파수, 액면변위에 미치는 영향을 조사하였다. 인가자장의 증가는 최대 공진점 및 액면변위에 영향을 미치고 그 결과 표면파의 진폭과 슬로싱 유동의 변동주기를 변화시킨다.
본 연구는 수중 암모늄 이온을 처리하기 위하여 자성 제올라이트를 합성하여 흡착 특성을 평가하였다. 표면개질된 자성 제올라이트는 수열작용으로 합성되었다. 제올라이트와 $Fe_3O_4$ 복합체는 SEM과 XRD 분석 결과 혼합비 12.6% 범위이내에서 최적인 상태로 침투 혼합된 것으로 관찰되었다. 최적의 흡착 pH는 중성부근인 약 8근처에서 나타났고, 최대 흡착량은 $Fe_3O_4$ 함량의 증가에 따라 감소하였다. 수중 암모늄 이온은 Langmuir 식에 근사하는 흡착식으로 나타났다. 개발된 합성제올라이트 흡착제는 질소농도의 관리가 필요한 습지환경 보호에도 적용 가능할 것으로 판단된다.
비자성 및 자성 금속 시편의 표면 결함을 검출하기 위하여 교류자기장을 이용하였다. 비파괴 센서 프로브는 자성 박막 요크와 박막형 코일로 구성된 신호 검출부와 시편에 교류자기장을 인가하기 위한 단일 직선을 이용한 여기 코일로 이루어져 있다. 박막형 유도 코일 센서는 스퍼터, 전기도금, 건식 식각과 사진식각 공정을 이용하여 제작되었다. 시편에 교류자기장을 인가하기 위하여 0.7 MHz-1.8 MHz 주파수 영역에서 0.1A-1.0A의 교류전류를 여기코일에 인가하였다. 센서의 특성은 최소 0.5 mm의 깊이와 폭을 가진 인위적인 슬릿 형태 비자성체 Al과 자성체 FeC 결함 시편을 이용하여 측정하였다. 측정된 신호는 높은 감도를 갖고 결함 시편위의 슬릿결함의 위치와 일치함을 알 수 있었다. 또한 박막형 유도 코일 센서를 이용하여 마이크론 크기의 표면 결함을 가진 자성체 FeC의 시편을 비접촉 스캔하여 측정된 유도전압의 변화를 이미지화 하였으며 그 결과를 광학적 이미지와 비교하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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