KR102549733B1 - 연자성/경자성 다층 벌크 제조방법 - Google Patents

연자성/경자성 다층 벌크 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연자성/경자성 다층 벌크 제조방법에 관한 것으로, 연자성물질 및 경자성물질로 구성되는 연자성/경자성 다층박막 테이프를 기판에 증착하는 다층박막 테이프 증착단계와, 상기 기판 상에 형성된 상기 다층박막 테이프를 상기 다층박막 테이프와 상기 기판으로 분리하는 박리단계 및 분리된 상기 다층박막 테이프를 적층 및 접합하기 위한 적층접합과정 과정을 이용하여 벌크화하는 벌크화단계를 포함하며, 상기 다층박막 테이프 증착단계와, 박리단계 및 벌크화단계는 릴투릴(reel-to-reel) 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 상기 다층박막 테이프 증착단계에서는테이프형 기판이 풀어주는 릴에서 감는 릴로 이동하며 기판 상에 연자성물질과 경자성물질이 교대로 증착되고, 상기 풀어주는 릴과 감는 릴 사이에는 원통형의 권선부재가 복수개 더 구비되어 기판 이동을 보조하면서 릴의 회전속도 조절에 의해 증착 두께가 조절되는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 연자성/경자성 교환 상호작용으로 고성능 자석을 제조할 수 있으며, 기존의 전자석을 영구자석으로 대체하여 소형화된 측정장치를 구성할 수 있다.

Description

연자성/경자성 다층 벌크 제조방법{ METHOD FOR MANUFACTURING SOFT MAGNETIC/HARD MAGNETIC MULTILAYER BULK }
본 발명은 연자성/경자성 다층 벌크 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 최적 상태의 연자성/경자성 다층박막 테이프를 이용하여 벌크화 함으로써 연자성/경자성 교환상호작용(exchange-coupling)으로 고성능 자석을 제조할 수 있는 연자성/경자성 다층 벌크 제조방법에 관한 것이다.
자성재료는 전기적 에너지와 기계적 에너지간 상호 전환 가능성을 가지고 있기 때문에 발전 및 모터 분야 등에 널리 적용되고 있다. 특히, 영구 자석은 최대 자기적이 높은 희토류 자석이 개발된 후 이를 중심으로 개발 및 응용분야가 지속적으로 확대되었다. 그러나 희토류 원자재 수급 문제에 봉착하여 희토류계 자석을 대체하기 위한 새로운 자석 개발의 필요성이 대두되고 있다.
이에 의해 제시된 개념은 교환 상호작용(exchange-coupling)이라는 현상을 이용한 자석으로써, 나노크기의 연자성체와 경자성체의 복합체 내에서 연자성/경자성체 사이의 계면에서 일어나는 교환자기력을 이용한 자석이다. 다시 말하면, Exchange-Coupling 효과란 나노 구조를 갖는 연자성상과 경자성상 사이의 계면에서 교환자기력이 발생하여, 연자성상의 높은 포화 자화값과 경자성상의 큰 자기 이방성을 통한 고보자력을 얻어 높은 값의 최대 자기 에너지적을 얻게 되는 효과를 말한다. 이러한 효과를 이용한 자석은 이론적으론 최대 자기 에너지적이 120 MGOe에 달하며 현재 주로 사용되고 있는 희토류 자석에 비해서도 높은 효율을 나타내어 차세대 자석으로 주목받고 있으며, 많은 연구가 진행되고 있다.
박막으로 연/경자성 복합자석인 Exchange-Coupling 자석을 구현하였으며, 최근까지는 희토류계 영구자석과 연자성체(Fe, Fe3B)의 나노 복합체를 기계적 밀링(mechanical milling) 및 용융방사(melt spinning) 등의 방법을 이용하여 형성하는 연구 및 화학적 방법을 이용한 합성법을 중심으로 나노복합체 영구자석의 복합화 연구가 진행 중이다. 2002년 Argonne National Laboratory에서 박막을 이용하여 경자성체 Sm-Co 와 연자성체 Fe, Co를 증착시켜 Exchange-Coupling 자석의 구현 가능성을 제시하기도 하였다.
그러나 Exchange-Coupling 자석의 벌크화는 연자성 소재에 대한 산화 문제, 열처리 또는 소결방법에서 연자성 소재와 경자성 소재의 합금화로 인한 특성 열화의 문제가 있다. 따라서 이에 대한 개발이 거의 이루어지지 않고 있는 실정이다.
본 발명의 기술적 과제는, 배경기술에서 언급한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 더욱 상세하게는 최적 상태의 연자성/경자성 다층박막 테이프를 이용하여 벌크화 함으로써 연자성/경자성 교환상호작용(exchange-coupling)으로 고성능 자석을 제조할 수 있는 연자성/경자성 다층 벌크 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적은, 연자성물질 및 경자성물질로 구성되는 연자성/경자성 다층박막 테이프를 기판에 증착하는 다층박막 테이프 증착단계와, 상기 기판 상에 형성된 상기 다층박막 테이프를 상기 다층박막 테이프와 상기 기판으로 분리하는 박리단계 및 분리된 상기 다층박막 테이프를 적층 및 접합하기 위한 적층접합과정 과정을 이용하여 벌크화하는 벌크화단계를 포함하며, 상기 다층박막 테이프 증착단계와, 박리단계 및 벌크화단계는 릴투릴(reel-to-reel) 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 상기 다층박막 테이프 증착단계에서는테이프형 기판이 풀어주는 릴에서 감는 릴로 이동하며 기판 상에 연자성물질과 경자성물질이 교대로 증착되고, 상기 풀어주는 릴과 감는 릴 사이에는 원통형의 권선부재가 복수개 더 구비되어 기판 이동을 보조하면서 릴의 회전속도 조절에 의해 증착 두께가 조절되는 연자성/경자성 다층 벌크 제조방법에 의하여 달성된다.
여기서, 상기 다층박막 테이프 증착단계 이전에, 상기 기판과 상기 다층박막 테이프 사이에 분리층을 형성하는 분리층 형성단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 분리층은, NaCl, BaO, MgO 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
상기 다층박막 테이프는, 고속 증착방법을 이용하여 상기 기판 상에 연자성물질 및 경자성물질을 다층으로 증착하도록 형성될 수 있다.
상기 적층접합과정은, 상기 다층박막 테이프를 솔더링법을 이용하여 적층 및 접합하도록 형성될 수 있으며, 상기 적층접합과정은 적층접합되며 벌크화되는 상기 다층박막 테이프의 두께 증가를 위하여 반복되어 행해질 수 있다.
그리고, 상기 적층접합과정에서, 상기 다층박막 테이프 사이에는 다층박막 테이프 간 접합을 용이하게 하는 중간층이 형성되는 것이 바람직하다.
삭제
상술한 본 발명의 구성에 따르면, 연자성/경자성 교환 상호작용으로 고성능 자석을 제조할 수 있으며, 기존의 전자석을 영구자석으로 대체하여 소형화된 측정장치를 구성할 수 있다. 따라서 제작비용을 절감하고 소형화할 수 있다.
이러한 본 발명에 의한 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 연자성/경자성 다층 벌크 제조방법의 순서도이다.
도 2는 FeCo, FeCoSm 및 FeCo/FeCoSm 다층박막 자성재료의 히스테리시스 곡선 비교를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 적층접합과정을 이용한 연자성/경자성 다층 벌크 제조방법 단계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 분말압축과정을 이용한 연자성/경자성 다층 벌크 제조방법 단계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 연자성/경자성 다층 벌크 제조방법 및 이에 의하여 제조된 연자성/경자성 다층 벌크를 도면을 통해 상세히 설명한다.
여기서, 도 1은 본 발명에 따른 연자성/경자성 다층 벌크 제조방법의 순서도이고,도 2는 FeCo, FeCoSm 및 FeCo/FeCoSm 다층박막 자성재료의 히스테리시스 곡선 비교를 나타내는 도면이다.
그리고, 도 3은 본 발명에 따른 적층접합과정을 이용한 연자성/경자성 다층 벌크 제조방법 단계를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 분말압축과정을 이용한 연자성/경자성 다층 벌크 제조방법 단계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연자성/경자성 다층 벌크 제조방법은 기판에 연자성물질 및 경자성물질로 구성되는 연자성/경자성 다층박막 테이프를 증착한다(S20).
일반적으로 연자성물질과 경자성물질을 다층박막 구조로 합성하였을 때 잔류자화의 향상이나 최대 자기 에너지적의 향상이 나타난다.
이상적인 자성재료는 잔류자화 및 보자력이 둘 다 큰 것을 말하며, 잔류자화가 클 경우 외부에서 순간적으로 자력을 가해준 후 자력을 없애더라도 자기장이 없어지지 않고 잔류하게 되는 세기가 크다. 또한 보자력이 높은 경우 잔류자화가 오래 남아있기 때문에 보자력이 커야 자성재료를 오래 사용할 수 있다. 최대 자기에너지적(B×H)max은 일정한 형태를 갖는 영구자석의 자기 성능을 판단하는 가장 중요한 인자로서, 에너지적은 보자력과 잔류자와의 향상에 따라 증가한다. 따라서 최대 자기에너지적이 클수록 자성특성이 좋으며, 도 2에 도시된 바와 같이, FeCo, FeCoSm 및 FeCo/FeCoSm 다층박막 자성재료의 히스테리시스 곡선을 비교하면, FeCo 와 FeCoSm 에 비하여 FeCo-FeCoSm 의 연자성/경자성 다층박막으로 구성된 자성재료의 최대 자기 에너지적이 크며, ㄸㆍ라서 연자성/경자성 다층박막이 자성재료로 보다 이상적인 것을 확인할 수 있다.
최적 조성비로 특정된 연자성물질 및 경자성물질로 구성되는 연자성/경자성 다층박막 테이프(10)는 고속 증착방법을 이용하여 기판(20) 상에 연자성물질(12) 및 경자성물질(11)을 다층으로 증착할 수 있으며, 본 실시예에 제한되지 않고 다양한 방법이 적용될 수 있다.
다층박막 테이프(10) 증착은 릴투릴(reel-to-reel) 방법을 이용하여 이루어질 수 있으며, 보다 구체적으로, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 풀어주는 릴(51)에 감겨있는 테이프(10)형상의 기판(20)이 풀리면서 적어도 하나 이상의 원통형의 권선부재(53) 의해 여러 번 권선되어 이동하며 최종적으로 감는 릴(52)에 감기도록 형성될 수 있다. 이때, 각각의 원통형 권선부재(53) 사이에는 분리판이 형성되는 것이 바람직하며, 분리판을 사이에 두고 일측에는 연자성물질(12)이 배치되고 타측에는 경자성물질(11)이 배치되어 증발하면서 기판(20)상에 교차로 증착되도록 형성될 수 있다.
즉, 전술한 구성을 통해, 테이프(10)형 기판(20)이 풀어주는 릴에서 감는 릴로 이동하며 기판(20) 상에 연자성물질(12)과 경자성물질(11)이 교대로 증착되어 있는 연자성/경자성 다층박막 테이프(10)를 증착할 수 있다.
여기서, 기판(20) 상에 증착되는 연자성물질(12)과 경자성물질(11)의 증착 두께는 릴의 회전속도에 의해 결정될 수 있으며, 예를 들어 릴의 회전속도가 상대적으로 빠른 경우 기판(20) 상에 증착되는 연자성물질(12)과 경자성물질(11)의 두께는 상대적으로 얇게 형성되며, 릴의 회전속도가 상대적으로 느린 경우 기판(20) 상에 증착되는 연자성물질(12)과 경자성물질(11)의 두께는 상대적으로 두껍게 형성된다.
한편, 다층박막 테이프(10) 증착단계 이전에, 기판(20)과 다층박막 테이프(10) 사이에 분리층(30)을 형성하는 분리층(30) 형성단계(S10)를 더 포함할 수 있다.
분리층(30) 역시 릴투릴(reel-to-reel) 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 풀어주는 릴(51)에 감겨있는 테이프(10)형상의 기판(20)이 풀리면서 각각의 원통형의 권선부재(53)에 의해 권선되어 이동하며 최종적으로 감는 릴(52)에 감기도록 형성될 수 있다. 이때 각각의 권선부재(53) 사이에는 분리층(30)의 재료가 되는 물질이 배치되어 테이프(10)형 기판(20)이 풀어주는 릴에서 감는 릴로 이동하며 기판(20) 상에 분리층(30)이 증착되도록 형성할 수 있다.
여기서, 분리층(30)은 NaCl, BaO, MgO 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하며, 분리층(30)이 기판(20)과 다층박막 테이프(10)의 분리를 용이하게 할 수 있다면 그 물질은 본 실시예에 제한되지 않고 다양할 수 있다.
전술한 구성을 통해, 후술하는 박리단계(S30)에서 분리층(30)이 형성된 기판(20)과 다층박막 테이프(10)의 분리를 보다 용이하게 하는 효과를 가질 수 있다.
이어서, 기판(20) 상에 형성된 상기 다층박막 테이프(10)를 상기 다층박막 테이프(10)와 상기 기판(20)으로 분리하여 박리한다(S30).
도 3(c)에 도시된 바와 같이, 박리단계(S30) 역시 릴투릴(reel-to-reel) 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 즉, 기판(20) 상부에 다층박막 테이프(10)가 형성되고, 다층박막 테이프(10)와 기판(20) 사이에 분리층(30)이 형성된 자성재료를 릴투릴 방법을 이용하여 다층박막 테이프(10)와 기판(20)/분리층(30)으로 용이하게 박리할 수 있다. 이러한 방법을 통해 순수한 자성재료인 연자성/경자성 다층박막 테이프(10)를 얻을 수 있다.
마지막으로, 분리된 다층박막 테이프(10)는 적층접합과정 및 분말압축과정 중 어느 하나의 과정을 이용하여 벌크화할 수 있다(S40). 즉, 전술한 두 과정 중 어느 하나를 이용하여 벌크화할 수 있으며, 이하에서 각 과정에 대하여 상세하게 살펴보기로 한다.
적층접합과정은 분리된 상기 다층박막 테이프(10)를 적층 및 접합하는 과정이다(S41).
도 4의 (a), (b) 및 (c )와 같이 분리층 형성단계(S10), 연자성/경자성 다층박막 테이프 증착단계(S20) 및 박리단계(S30)를 통하여 형성된 순수한 자성재료로 구성된 연자성/경자성 다층박막 테이프(10)를 준비한다. 이어서, 다층박막 테이프(10)를 적층 및 접합한다.
여기서, 다층박막 테이프(10)를 솔더링법을 이용하여 적층 및 접합할 수 있으며, 적층 및 접합은 본 실시예에 제한되지 않고 다양한 방법이 적용될 수 있다.
예를 들어, 도 3 (d)에 도시된 바와 같이, 릴투릴(reel-to-reel) 방법을 이용하여 적층 및 접합할 수 있으며, 적어도 하나 이상의 풀어주는 릴(51)에 감겨진 다층박막 테이프(10)가 권선부재(53)에 권선되며 상호 접합되어 이동하여 최종적으로 감는 릴(52)에 적층접합되며 감겨지도록 형성함으로써 순수한 자성재료로 이루어진 연자성/경자성 다층박막 테이프(10)를 벌크화할 수 있다.
이때, 다층박막 테이프(10) 사이에는 다층박막 테이프(10) 상호 간에 접합을 용이하게 하는 중간층(40)이 형성될 수 있다. 즉, 도 3(d)를 참고하면, 풀어주는 릴(51)과 권선부재(53) 사이에는 중간층(40) 형성을 위한 증발기가 배치되어, 다층박막 테이프(10) 접합 전에 다층박막 테이프(10)사이에 증착되도록 함으로써 다층박막 테이프(10) 상호 간에 접합을 용이하게 할 수 있다.
전술한 적층접합과정은 다층박막 테이프(10)의 두께 증가를 위하여 반복하여 행해질 수 있으며, 이러한 과정을 통해 벌크화되는 다층박막 테이프(10)의 두께를 증가시킬 수 있다.
한편, 분말압축과정은 분리된 상기 다층박막 테이프(10)를 분말화하고 압축성형하는 과정이다(S42).
도 4의 (a), (b) 및 (c )와 같이 분리층 형성단계(S10), 연자성/경자성 다층박막 테이프 증착단계(S20) 및 박리단계(S30)를 통하여 형성된 순수한 자성재료로 구성된 연자성/경자성 다층박막 테이프(10)를 준비한다. 이어서, 다층박막 테이프(10)를 도 4(d)와 같이 분말화한다. 여기서, 분말화는 다양한 방법이 적용될 수 있으며, 분말화된 다층박막 테이프(10)는 수 미크론 이하, 보다 바람직하게는 10 미크론 이하로 형성될 수 있다. 이어서, 분말화된 다층박막 테이프(10)를 고온에서 압축 성형하여 원하는 형상의 벌크로 제작할 수 있으며, 압축 성형 과정은 통상적으로 알려진 종래의 자석 제작 방법을 이용할 수 있다.
전술한 방법을 이용하여 최적 상태의 연자성/경자성 다층박막 테이프(10)를 이용하여 벌크화 함으로써 연자성/경자성 교환상호작용(exchange-coupling)으로 고성능 자석을 제조할 수 있으며, 기존의 전자석을 영구자석으로 대체하여 소형화된 측정장치를 구성할 수 있다. 따라서 제작비용을 절감하고 소형화할 수 있는 이점이 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
10: 다층박막 테이프
11: 경자성물질
12: 연자성물질
20: 기판
30: 분리층
40: 중간층
51: 풀어주는 릴
52: 감는 릴
53: 권선부재

Claims (9)

  1. 연자성물질 및 경자성물질로 구성되는 연자성/경자성 다층박막 테이프를 기판에 증착하는 다층박막 테이프 증착단계;
    상기 기판 상에 형성된 상기 다층박막 테이프를 상기 다층박막 테이프와 상기 기판으로 분리하는 박리단계; 및
    분리된 상기 다층박막 테이프를 적층 및 접합하기 위한 적층접합과정 과정을 이용하여 벌크화하는 벌크화단계;를 포함하며,
    상기 다층박막 테이프 증착단계와, 박리단계 및 벌크화단계는 릴투릴(reel-to-reel) 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하며,
    상기 다층박막 테이프 증착단계에서는,
    테이프형 기판이 풀어주는 릴에서 감는 릴로 이동하며 기판 상에 연자성물질과 경자성물질이 교대로 증착되고, 상기 풀어주는 릴과 감는 릴 사이에는 원통형의 권선부재가 복수개 더 구비되어 기판 이동을 보조하면서 릴의 회전속도 조절에 의해 증착 두께가 조절되는 것을 특징으로 하는 연자성/경자성 다층 벌크 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 다층박막 테이프 증착단계 이전에는,
    각각의 권선부재 사이에 분리층의 재료가 되는 물질이 배치되어 테이프형 기판이 풀어주는 릴에서 감는 릴로 이동하는 동안 기판 상에 분리층이 증착되고,
    상기 분리층(30)은 NaCl, BaO, MgO로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 조합으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연자성/경자성 다층 벌크 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 풀어주는 릴과 권선부재 사이에는 중간층을 형성하기 위한 증발기가 배치되어, 상기 다층박막 테이프 간 접합을 용이하게 하는 중간층이 다층박막 테이프사이에 증착되고,
    상기 적층접합과정에서는 다층박막 테이프 사이에 형성된 중간층에 의해 다층박막 테이프 간 접합이 용이하게 이루어지며,
    상기 적층접합과정은 다층박막 테이프의 두께 증가를 위하여 반복 수행되는 것을 특징으로 하는 연자성/경자성 다층 벌크 제조방법.
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