영구자석의 역사 및 특성

한양대, 고효율 전동기 개발 공로 인정받다

삼성전자, 감사패 수여   자료출처 : 전자신문 2013. 08. 21. 18:48:51

삼성전자 생활가전사업부는 최근 가전제품의 핵심부품인 고효율 전동기 개발에 기여한 이주 한양대 교수에게 감사패를 수여했다. 삼성전자와 한양대학교는 지난 4년 간 기존의 전동기에 비해 가격·성능·효율이 우수한 탈희토류 전동기를 함께 연구, 결국 2012년 초 관련 분야에서 세계 최고수준인 스포크형 영구자석 전동기를 개발하는 성과를 얻어냈다. 삼성전자는 현재 세탁기에만 적용되고 있는 스포크형 영구자석 전동기를 타 제품군으로 확대할 계획이다. 이와 관련 이주 한양대 교수는 “현재 주로 사용되고 있는 네오디움 자석은 성능은 우수하지만 희토류 금속의 특성상 가격변동이 심하고 환경오염을 유발할 수 있다는 문제가 있다”면서 “때문에 세계 각국에서는 네오디움 자석을 사용하지 않고 동일 성능과 효율을 낼 수 있는 전동기 개발에 집중, 삼성전자 역시 이같은 시대적 요구에 부응해 한양대학교와 공동으로 페라이트 자석을 사용한 스포크형 영구자석전동기를 개발하게 된 것”이라고 설명했다. 이 교수는 또 “스포크형 영구자석전동기의 개발로 삼성전자 가전기기의 효율과 성능은 한 층 더 업그레이드 됐다”면서 “그러나 이에 만족하지 않고 세계 제1의 가전기기를 만들 수 있을 때까지 지속적으로 연구개발하겠다”고 강조했다.

이진주 기자 (jjlee@electimes.com)

최종편집일자 : 2013-08-26 15:54:39

최종작성일자 : 2013-08-21 18:48:51

 

1. 영구자석

 

일반적으로 자성체라 하는 것은 자기를 고체내에 발생시킨 것을 말하며 이러한 물질에 강한 자장을 걸어 개개의 자성체의 자기방향을 동일 방향으로 정열시켜 자기 방향이 원상태로 회복하기 어렵게 만든 고체를 일명 영구자석이라 칭합니다.

영구자석을 분류하는 방법에는 형태나 재질, 자기적성질, 자기방향, 물리적성질 또는 제조공정에 의한 분류등 다양하나 현재 공업적으로 사용하는 일반화된 영구자석의 분류는 아래와 같습니다.
▶ AlNiCo자석 - 소결및 주조자석, 반경질자석, AlNiCo-9, AlNiCo-5
▶ Ferrite자석 - 산화물자석, 소결자석, Ba-Ferrite, Sr-Ferrtie
▶ 회토류자석 - 소결자석, Sm-Co, Nd-Fe-B, Yt-Co,
▶ 고무자석 - 수지자석, 고무 성형법과 동일
▶ 플라스틱 자석 - 수지자석, 사출성형

이외에도 Cr강, Co강, CuNiFe, Ferrite Viny1 Bonded자석, Vicalloy자석등 다양하며 이들은 각기 독특한 장,단점을 갖고 새로운 영구자석의 소재로 개발되고 있습니다.
위와같은 자석에 자력을 넣어 주는 것을 착자라고 합니다.
일반적으로 착자를 시도하려면 그 재료의 항자력의 5배 이상의 자화력이 필요하며 착자방법에는 일반적인 착자방법과 특수한 경우의 착자 방법이 있습니다.

 

2. 영구자석의 기본성질

년 대	명 칭	성분	Br(kG)	Hc(Oe)	(BH)max
1917년이전	Cr, W강	Fe-Cr, Fe-W	100	60	0.3
1917년	KS강	Fe-Co-Cr-W	10.0	240	1.0
1932년	MK강	Fe-Ni-Al-Co-Cu	6.0	500	1.0
1934년	신KS강 (Alnico)	Fe-Ni-Al-Co-Cu	7.0	900	2.0
1952년	Ferrite	Ba, Sr-Ferrite	4.0	2,500	4.0
1956년	신KS강 (Alnico)	Fe-Ni-Al-Co-Cu	13.6	800 1,300	11.0
1968년	Pt. Co	Pt-Co-Fe-Ni	8.0	5,000	14.6
1969년	RC05	Sm-Co5	9.3	7,800	20.2
1970년	壓延性	Fe-Cr-Co계	12.0	800	5.0
1977년		"	14.0	650	7.0
1977년	R2Co17	Sm2(Co, Cu, Fe, Sr)17	11.0	6,000	30.0
1977년	Mn-Al	Mn-Al-C	6.0	2,600	6.0

주요자석재료 최대에너지의 발달

 

 

 

3. 영구자석의 발달

자석은 자계를 도구로 사용한다. 자계라함은 코일에서의 자계와 동일하며, 자석에서의 특징은 외부로부터 전류가 필요없으며 에너지 소모가 없고 소형의 자계를 안정되게 갖는 점이다. 영구자석은 기 에너지를 타 에너지로의 전환에 이용된다. 1. 전기적 에너지를 기계적 에너지로의 전환의 용도가 있다. 예) 스피카, 검류계, 전류, 전압계, 노출계, 모타, 브라운관 등 2. 기계적 에너지를 전기적 에너지로의 전환의 용도가 있다. 예) 내자형계기, 훼로다, 자석완구, 자석펌프, 리레이, 전동열차 3. 기계적 에너지를 다른 기계적 에너지로의 전환하는 기능이 있다. 예) 내자형계기, 훼로다, 자석완구, 자석펌프, 리레이, 전동열차 4. 그외에 물리적 현상을 이용한 것으로 나침판의 지북성, 자석과 도체의 상대적인 위치의 이동을 방해하는 과류작용은 적산 전력계에 이용되는 자기적 히스테린스 현상은 히스테린스 모타에 활용된다. 이와같이 영구자석은 다양한 용도와 기능을 갖고 있다.

 

 

◆ 용도별 자석 재료의 선택방법(Metals Handbook) (a) 동적용도

용 도	대표적동작점		추천		KS 대조품
	Hd(Oe)	Bd(G)	제 1 순위	추천이유
truk용 Magnet	150-375	5000-6000	주조 Alnico 5	소형화와 신뢰성	MCB 450
선박용 엔진 Magnet	200-425	5250-6000	주조 Alnico 3	저가로 적당한 전기 힘	MCA 150
Play Hoil Magnet (기계적 조립 Hoil)	150-450	3000-4000	주조 Alnico 5	제작온도가 낮은 경우 최적재료	MCB 450
직류소형 Motor	1100-3000	1000-1700	등방성 Ba-Ferrite	단면적을 유리하게 할 경우 (고보자력)	MPA 80
	200-400	6000-8000	Alnico 5	적으면서 높은 밀도	MCB 450
히스테리스 Motor	125-200	3500-8000	36% Co강 높은힘	보자력이 낮고 성형용이	MFA 80
truk용 구동장치	0-2875	1750-2100	Ba-Ferrite	단면적을 유리하게 할 경우	MPA 80

정적용도

용 도	대표적동작점		추천		KS 대조품
	Hd(Oe)	Bd(G)	제 1 순위	추천이유
흡착장치	525	1000	주조Alnico 5	흡착력을 얻는 최고의 힘	MCB 450
	900	1000	등방성 Ba-Ferrite	저가로 편편한 형상 만듦	MPA 80
확성기	500	10000	주조Alnico 5 주조Alnico 5DG	단위체적 및 가격당 최대의 자속 밀도를 갖음	MCB 450 MCB 530
가동선윤형제거	400	10500	주조Alnico 5	단위체적 및 가격당 최대의 자속 밀도를 갖음	MCB 450
동상(Core자석)	550	7000	주조Alnico 6	치수비례가 적음	MCB 340
적산적력계	320	11000	주조Alnico 5	높은 자속 밀도	MCB 450
Thaco Metor 및 Speed Metor	2600	4400	Cunife	냉각형판에 적합한 재료	-
			Alnico 2,3	등방성저가	MCA 150
온도조절	300	4500	소결 Alnico 2	소결품 자석의 크기 형상 : 자기강도 적당	MCA 150

 

 

 

4. 영구자석의 역사

자석을 인간이 사용하기 시작한 기록은 확실치 않으나, 기원전 6세기경 천연광물의 지북성을 이용한 나침판의 제작이 있다. 그후 서기1600년에 영국의 Gilbert에 의해 지구가 커다란 자석이라는 사실을 발견하였고 그후 많은 사람들에 의해 전자기학, 핵물리학 강자성체 이론, 신 자성재료의 개발, 새로운 자기응용 기술의 발달로 그 수요는 계속 증가하고 잇으며 우리 일상생활에 차지하는 비중은 실로 거의 모두라고 해도 과언이 아닐 것이다. 자석은 전자석과 영구자석으로 구분할 수 있으며, 모든 자석은 외부로 강한 자계를 발생하며, 전자석은 전원이 제거되면 잔류자기가 없어야 하고 영구자석은 자계가 오래 남아야 한다. 전자를 연자성체의 대표적 소재라하면 후자를 강자성체의 대표적 소재라 할 수 있다. 연자성체의 소재는 규소강, 순철, 등이 있으며 이들 재료는 자계의 통로로 사용ehl며 보자력이 낮아야 한다. 강자성체의 소재는 제법에 따라 주조자석 Alnico, Cunife, Vicalloy, 산화물 자석 Ba-Ferrite, OP 자석, 미분말 자석 fine Particle, 단조자석, 압연성자석 등이 있으며 이들 재료는 강한 잔류자속밀도와 보자력이 높아야 한다. 각종 자성재료는 그 용도나 사양에 따라 개발되었으며 그 역사는 불과 100여년에 지나지 않는다.

◆ 자기연구의 역사

년 대	사 항	년 대	사 항
기원전	자철광의 발견	1932	자구도형법(Hamos, Thiessen, Bitter) 자벽의 이론(Bloch)
1000	자석의 지남성	1933	OP자석(Kato & Takei) 잔류자화의 법칙(Kaya) MK강(Mishima)
1600	Gilbert의 자기연구	1934	신KS강(Honda, Masumoto, Shirakawa) 방향성 규소강판(Goss)
1700	인공자석(강철)의 제작 Coulomb의 법칙	1935	자계중 냉각효과(Bozorth & Dilinger)
1800	전류의 자기작용(Oersted, Ampere, Biot, Savart) 전류에 의한 자화(Arago) 반자성체 발견(Faraday) 자왜의 연구(Joule) Curie의 법칙(P.Curie) 히스테리시스미 발견(Ewing)	1936	ferrite의 연구(Snock)
1904	보이스라 합금(Heusler)	1937	자기이방성 이론(Van Vleck)
1905	상자성의통계역학(Langevin)	1939	Becker & Dilinger의 저서 출판
1907	자발자화의 이론(Weiss)	1948	자벽의 관성 이론(Doring) 자기공조흡수의 이론(Kittel) 폐리자성이론(Neel)
1915	Einstein de Hass 효과	1949	자구도형법 성공(Williams, Bozorth & Shockley) 중성자 희석에 의한 반강자성의 증명(Shull & Smart)
1919	Barkhausen 효과
1920	KS 자석강(Honda, Saito)
1923	Permalloy(Arnold, Elmen)
1926	단결정 자화곡선(Honda, Kaya)
1928	분자자계 설명(Heisenberg)

 

 

5. 영구자석의 안정성

영구자석의 자속의 변화는 일반적으로 다음과 같다. 1. 자석 재료의 조직의 안정성 1) 불가역변화 퍼미안스 계수가 다른 Alnico5를 실온 상태에서 착자한 후 350도까지 가열후 -65도로 냉각되었던 재료의 자속의 불가역 변화율을 나타내었다. 2) 가역 변화 일반 자석의 자속 밀도B는 실온에서 다음과 같이 변화한다. B(T)=B(20)(1+K(T-20))

2. 외부 자계의 영향 3. 강 자성체와의 접착 영향 영구 자석은 철판등에 접착 할경우 자속의 변화가 있다. a. 자석의 단면과 철판에 직각접착 b. 자석의 단면을 철판상에 이동 c. 자석의 임의의 측면을 직각운동 d. 자석의 임의측면을 철판상의 진동 e. 자석의 임의측면을 철판에 접착

4. 기계적 충격의 영향 기계적 충격이나 진동에 대한 감자는 충격의 회수에 따라 감자한다. 5. 경시변화(경년변화) 자석을 착자한후 외부 감자계의 영향을 받지 않아도 자속은 변화한다. 6. 경시 변화의 방지법 자석의 자속의 경시 변화를 방지하려면 장시간(약1년)후에 도달할 자속으로 강제 감자시켜야 한다.(온도 변화법과 교류 변화법이 있다.) 종류 최저가열 온도 Cr鋼 Co鋼 Alnico Ba-Ferrite Vicalloy, Cunife 150℃ 500 400 450

 

 

 

6. 영구자석의 특성표

규격	잔류자속밀도	B-보자력	I-보자력	최대에너지적	비고
등방성훼라이트	2,150-2,300	1,750-1,850	2,500-2,800	1.0±0.1
이방성훼라이트	3,600±200	2,700±200	3,200±200	2.7±.2	Dry type
	3,900±100	2,800±200	3,200±200	3.6±0.2	Wet type
고무자석	1,650±100	1,350±100		0.55-0.65	Isotropic
	2,300-2,500	2,000-2,300	3,000-3,800	1.3-1.5	Anisotropic
Nd-Fe-B 자석	10,800-11,800	9,200-11,000	≥12,000	28-32	Grade 30
알리코자석	12,500-12,800	600-660		4.8-5.5	Alnico 5
REC 자석	9,700-10,800	7,000-10,000	≥9,000	22-26
플라스틱자석	2,800-3,000	2,400-2,500	2,700-3,100	1.5-2.3	Anisotropic

 

 

출처 : 정우자석공업