기술자료
DAEHWA E/M CO.,LTD.
01. 자석의 분류
1) 재질에 따른 분류
- 페라이트계 자석(소결형과 본드형 (플라스틱자석과 고무자석)
- 알리코계 자석 (주조형과 소결형)
- 희토류계 자석(사마륨자석과 네오디뮴자석)
현재 주로 사용되는 자석을 그 재질로 분류해보면 페라이트(Ferrite)계 자석 / 알니코계 자석 / 희토류계 자석으로 분류할 수 있습니다.
(1) 페라이트(Ferrite)계 자석
페라이트자석은 그 재질에 따라 크게 나누어 스트론튬 (Strontium)자석과 바륨 (Barium)자석으로 나누어집니다. 그 조성은 Sro · 6Fe₂ O₃ 또는 BaO · 6Fe₂ O₃ 로 이루어져 있으며 페라이트 파우더를 성형공정에서 일정한 모양으로 만든 후 1250°C 정도의 높은 온도의 로(爐)속에서 구워낸 소결형 자석이 대부분입니다.
페라이트계 자석들은 다른 계열의 자석과 비교하여 가격대비 효율성이 뛰어나기 때문에 그 사용범위도 넓고 생산성이 우수하여 상용화되기 쉽습니다. 자석업계에서 통용되는 자석의 호칭법을 알아보면 잔류자속밀도(Br)와 고유보자력(iHc)이 두가지 특성만으로 호칭되며 41-41 재질, 42-40 재질, 40-34 재질 등으로 부를 수 있습니다. 참고로 우리 회사에서 사용되는 마그네트의 재질은 저전압대용량에 40-41 재질이고 나머지는 모두 40-34 (잔류자속밀도 :4000gauss, 고유보자력: 3400oe) 재질의 스트론튬 페라이트계 마그네트입니다.
(2) 알니코(ALNiCo)계 자석
이 재질의 자석은 알루미늄과 니켈 그리고 코발트를 주원료로 하며 대부분이 용광로에서 녹인 것을 원하는 형상으로 만들어 놓은 주조형 거푸집에 부어 식힌 다음 규격에 맞게 연마한 주조형 자석입니다.
이 자석의 특징은 온도에 따른 자속량의 변화가 극히 적고, 고특성의 자속밀도를 얻을 수 있으나 보자력이 작아 외부자계에 쉽게 감자될 수 있는 단점이 있어 고성능 소형 스피커나 계기등에 사용하며 외부자계의 영향이 큰 곳에서는 사용할 수 없습니다.
(3) 희토류계 자석
희토류라는 말은 원소주기율표상에서 란탄계열의 사마륨(Sm)이나 네오디뮴(Nd)등의 원소를 일컫는 말입니다. 따라서 희토류자석이라 하면 사마륨자석 (SmCo)이나 네오디 뮴(Nd-Fe-B)을 말합니다. 사마륨자석의 특성은 잔류자속밀도와 보자력 등이 우수하고 온도특성도 좋으나 주원료인 코발트 (Cobalt)가 지구상의 매장량이 적고 각국이 전략물자로 통제하고 있는 실정으로 구하기가 어렵다는 단점이 있습니다. 네오디뮴자석의 특성은 잔류자속밀도와 보자력이 사마륨자석 보다도 우수하지만 온도 특성이 너무 나빠서 온도변화에 의한 자속밀도의 하락이 심하고, 최고사용온도가 80~120°C를 벗어나지 못하며 산화력이 강해 공기 중에서 쉽게 산화하여 녹이 생긴다는 단점이 있어 코팅을 해서 사용해야 하는 단점이 있으며 페라이트자석에 비하여 가격이 너무 높다는 것입니다. 아래 [표1]에 각각의 재질별 특성을 비교하시기 바랍니다.
표1) 자석 종류에 따른 특성비교표
| 자석의 종류 | 페라이트 | 알니코 | 사마륨 | 네오디뮴 |
|---|---|---|---|---|
| 주요 성분 | SrO. 6Fe₂ O₃ | AlNiCo | SmCo5, Sm2Co17 | Nd-Fe-B |
| 잔류자속 멸도 Br [gauss] | 3,600 ~ 4,400 | 6,500 ~ 14,000 | 8,200 ~ 11,600 | 10,000 ~ 13,000 |
| 보자력 iHc [oersted] | 2,800 ~ 5,000 | 600 ~ 1,500 | 6,200 ~ 20,000 | 11,000 ~ 25,000 |
| 에너지 Meg [G.Oe] | 2.9 ~ 4.8 | 2.5 ~ 9.5 | 16 ~ 32 | 25 ~ 43 |
| Br의 온도특성 [%/℃] | -0.18 | -0.02 ~ -0.03 | -0.03 ~ -0.045 | -0.11 ~ -0.13 |
| 밀도 | 4.7 ~ 5.1 | 7.0 ~ 7.3 | 8.2 ~ 8.4 | 7.3 ~ 7.5 |
| 퀴리온도 ℃ | 460 | 850 | 750, 850 | 320 |
| 최고 사용온도 ℃ | 300 | 350, 250 | 80 ~ 120 |
2) 제조 공법에 따른 분류
- 이방성과 등방성
- 습식자석과 건식자석
(1) 이방성(異方性)과 등방성(等方性)
자석소재를 이루고 있는 기본입자인 페라이트 결정의 모양을 확대해 보면 육각기둥의 형태를 하고 있습니다. 이 육각기둥 결정체는 기둥의 높이 방향으로 착자를 시켜야 착자가 쉽게 되며 이를 전문용어로는 자화용이(容易)방향이라고 합니다.
보통상태에서의 모든 페라이트 입자는 특별한 조치를 취하지 않는 한 육각기둥이 어느 한 방향으로 정렬되어 있지 않고 무질서하게 배열되어 있습니다. 따라서 자화를 시키는데도 어느 방향으로나 손쉽게 착자를 시킬 수 있지만 그 대신 착자방향과 육각기둥의 높이방향이 평행하게 동일한 입자들만 그 방향으로 자력을 발산하게 되어 상대적으로 모든 입자들을 한 방향으로 정렬시킨 자석보다는 훨씬 자속밀도가 낮아져 약한 자석이 될 수밖에 없는 것입니다. 이제 기술의 발달로 무수히 많은 육각기둥의 페라이트 입자들을 자석의 제조과정에서 정렬시켜 일정한 방향으로만 평행하게 조직배열을 시킬 수 있게 되었습니다.
등방성자석
결정방향이 무질서하게 되어 자화용이방향이 없이 어느 방향에서나 자유롭게 착자시킬 수 있는 자석을 말합니다. 어느 방향에서나 착자시킬 수 있고 동 일한 세기의 자력을 얻을 수 있어서 등방성 자석이라고 부르는 것입니다.
이방성자석
자석 제조과정에서 결정의 자화용이 축들을 일정한 방향으로 정렬시켜 놓아 자화용이 방향과 동일한 방향이 아니면 착자를 시키기 힘들고 자력의 세기도 한 방향으로만 강하게 나오는 자석을 말합니다. 이방성자석은 거의 모든 결정입자를 미리 한 방향으로만 정렬시켜 놓았기 때문에 그 방향이 아니고서는 착자시키기가 어려우나 일단 결정입자와 동일한 방향으로 착자를 시키면 각 결정입자에서 나오는 자력선이 한 방향으로 모아져 자력의 세기가 큰 자석을 얻을 수 있다는 것이 큰 장점입니다.
이 이방성자석은 자화용이방향이 아니면 착자시키기가 어렵기도 하지만 큰 전류에 의한 강한 외부자계를 걸어 자화시키기 힘든 방향으로 무리하게 착자시킨다고 하더라도 오히려 등방성보다 아주 미약한 자력 밖에는 얻을 수 없으므로 이방성자석의 착자시에는 꼭 방향을 맞춰 착자하도록 주의 를 기울여야 합니다. 또한 이방성자석의 경우에는 DC모터용 C형자석이나 원통형자석의 경우 입자정렬이 중심원점에서 방사상으로 되어 있는 방사상 이방성 자석과 거의 단 방향으로 되어 있는 세미 이방성자석으로 나눌 수 있겠습니다.
(2) 습식자석과 건식자석
페라이트 자석은 제조 공정중 성형공정의 차이에 의해 그 특성이 큰 차이를 나타냅니다. 습식과 건식의 차이점은 성형공정에서 물을 사용하느냐 아니냐에 따라 나누어 집니다.
페라이트의 결정입자를 정렬시킬 때 물과 혼합된 페라이트 파우더를 비교적 넉넉한 시간에 성형하면서 정렬시킨 자석을 습식 자석 (式)이라 하며 마른 페라이트 가루를 물 대신 접착용 특수 파우더와 섞어 비교적 짧은 시간에 정렬시키면서 성형하면 건식 자석(乾式)이라고 합니다.
제각기 다른 방향으로 무질서하게 섞여 있는 페라이트 입자들에게 강한 자계를 걸면 그 자계와 같은 방향으로 입자들이 방향을 바꿔서 정렬하기 시작하는데 자계가 세면 셀수록 잘 정렬되며 마른 상태보다는 물 속에서 그리고 짧은 시간보다는 긴 시간에 더욱 잘 정렬되기 때문에 이런 측면에서 습식자석의 특성이 좋은 것은 당연한 결과입니다.
(3) 형상에 따른 분류
- C형자석(C Type) : 형상이 C자와 같다고 하여 C형자석이라고 하지만 대부분의 DC모터에 부품(segment)으로 사용되기에 시그먼트자석으로 불리웁니다.
- 링형자석(Ring Type) : 일명 도넛 타입이라고도 불리우며 스피커나 전자관(Magnetron)등에 주로 쓰이며 캡스턴(Capstan)모터 등에도 사용됩니다. 기타 C형자석과 링형자석외에도 그 모양에 따라 사각형자석, 원통형자석, 디스크형자석, 원기둥형자석 등이 있습니다.
※ 자료출처
자료출처 1. 자석과 모터 핸드북 저자 : 김준규 발행 (도서출판 한진)
2. 자석이야기 www.mastopia.co.kr