페라이트 자석이란?
페라이트 자석은 산화철을 주성분으로 코발트, 니켈, 망간을 섞어 만든 자석입니다. 분자식은 MFe2O4(M = Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Cu, Mg, Zn, Cd 등)로 표시됩니다.
복합금속 M은 2가 양이온이 주류를 이루며, M = Fe인 Fe3O4는 검은색으로 자철광이라고 불리는 유명한 원료이다. 그 외에도 복합금속 M이 1, 3, 4가 양이온인 경우에도 페라이트라는 화합물이 존재합니다.
제조방법은 분말 형태의 페라이트를 압착하여 고온에서 구워내는 방식입니다. 세라믹의 일종이기도 합니다. 산화철 Fe2O4에서 합성할 수 있기 때문에 저렴하게 구할 수 있습니다.
특징은 어떤 형태로든 쉽게 성형할 수 있어 가공이 용이하고, 화학적으로 안정적이기 때문에 녹이나 화학약품 등에 의한 부식에 강하다는 점입니다.
페라이트 자석의 사용 용도
페라이트 자석은 하드 페라이트와 소프트 페라이트 두 종류로 용도가 나뉩니다.
1. 하드 페라이트
하드 페라이트는 강한 자석과 붙으면(강한 자기장을 가하면) 영구자석이 되는 페라이트 자석입니다. 일상생활에서 흔히 볼 수 있는 자석의 대부분을 차지하며, U자형 자석이 대표적입니다.
이외에도 소형 모터, 스피커, 헤드폰, 카세트테이프 등에 사용됩니다.
2. 소프트 페라이트
소프트 페라이트는 자기장에 닿으면 자석이 되고, 자기장에서 멀어지면 자성이 없어져 자석이 아닌 페라이트 자석입니다. 자심(磁心)으로 많이 사용되며, 변압기나 코일에 적용하기에 적합합니다.
대표적인 예로는 라디오, TV, 게임기, 자동차, 컴퓨터, 전자렌지, 청소기, 냉장고 등에 사용됩니다.
페라이트 자석의 원리
페라이트 자석의 자기적 특성은 하드 페라이트와 소프트 페라이트에 따라 다릅니다. 먼저 자기 특성에 대해 설명하겠습니다. 그림 1은 각각의 자성의 스핀 상태를 보여줍니다.
1. 자기 특성
강자성체: 자기장을 가하지 않아도 자기 모멘트(자석의 강도와 방향을 나타내는 벡터량)의 방향이 일치하는 물질을 강자성체라고 합니다.
페리자성체: 인접한 원자의 자기모멘트가 서로 반대 방향이지만 크기가 달라서 물질 전체가 자성을 띠는 물질을 페리자성체라고 합니다. 페라이트 자석은 모두 페리자성체입니다.
상자성체: 자기장이 없을 때는 자기모멘트가 여러 방향으로 향하고 있지만, 자기장을 가하면 자기모멘트의 방향이 같아지는 물질을 상자성체라고 합니다.
각 페라이트 자석의 종류와 특성은 그림 2와 같습니다. 포화자화는 자기장을 강화해도 물질의 자화가 증가하지 않는 최대 자화를 말합니다. 또한 퀴리 온도는 강자성에서 상자성으로 변화하는 온도를 말합니다.
2. 하드 페라이트
하드 페라이트는 강자성체이자 영구 자석입니다. 경질 페라이트는 분자의 자극 방향에 따라 등방성 자석과 이방성 자석의 두 가지로 나눌 수 있습니다.
등방성 자석: 자기 모멘트가 다양한 방향으로 향하고 있습니다. 자성의 배향이 서로 다른 방향이기 때문에 어느 방향에서나 착자할 수 있지만 자력은 약합니다.
이방성 자석: 분자의 자기모멘트의 방향이 일정하기 때문에 방향성은 있지만 강한 자력을 제공할 수 있습니다. 소결할 때 자기장을 가하여 각 페라이트 분자의 자극을 정렬시켜 제조합니다.
3. 소프트 페라이트
소프트 페라이트는 외부에서 자기장을 가하는 동안만 자력을 가집니다. 하드 페라이트에 비해 자기장은 작지만 광범위한 주파수 영역에서 우수한 자기 특성을 가지고 있습니다.
예를 들어, 결정구조가 스피넬형인 것은 넓은 주파수 범위에서 투자율(물질이 자화되는 정도)이 높은 특성을 가지고 있습니다. 가넷형은 마이크로파 주파수 대역에서 단결정이 잘 깨지지 않는 특성이 있습니다.
알니코 자석과의 비교
알니코 자석은 철에 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 코발트(Co) 등의 첨가 원소를 첨가하여 주조법이나 분말 소결로 제조되는 자석입니다.
알니코 자석의 특징은 큐리 온도(영구자석이 되지 않는 온도)가 860℃로 매우 높아 고온 환경에서도 사용할 수 있다는 점입니다. 상온에서 400℃ 정도까지의 온도라면 상온으로 돌아왔을 때 거의 원래의 자력으로 회복할 수 있습니다. 또한 주조로 제조된 것은 기계적 강도도 우수합니다.
알니코 자석의 용도는 전동기, 센서, 스피커 유닛이나 일렉트릭 기타의 마그네틱 픽업 등이 있습니다.
페라이트 자석과의 차이점
페라이트 자석은 산화철이 주성분인 반면, 알니코 자석은 철을 주성분으로 알루미늄, 니켈, 코발트를 첨가합니다. 알니코 자석의 자력 유지력은 작고 감자되기 쉽습니다.
자력 유지력이 작고 감자되기 쉬우며, 자극 사이가 길어야 하기 때문에 긴 길이의 형상을 가져야 하는 한계가 있습니다. 또한 원료인 코발트 공급이 불안정하고 비싸기 때문에 페라이트 자석이 더 저렴합니다.
사마륨 코발트 자석과의 비교
사마륨코발트 자석은 사마륨(Sm)과 코발트(Co)로 구성된 희토류 자석입니다. 조성비에 따라 SmCo5(1-5계)와 Sm2Co17(2-17계) 두 가지로 나뉘며, 현재는 사마륨 함량이 적은 1-5계가 널리 사용되고 있습니다.
사마륨 코발트 자석의 특징은 퀴리 온도가 최고 800℃ 정도로 높다는 점입니다. 내식성이 뛰어나기 때문에 표면처리 없이 그대로 사용할 수 있고, 형상 선택성이 높은 것도 특징입니다. 자기 특성은 페라이트 자석보다 높으며, 네오디뮴 자석에 이어 두 번째로 높습니다.
페라이트 자석과의 차이점
350℃ 정도의 환경까지 사용할 수 있어 공간 절약형 고온 환경에서 페라이트 자석보다 높은 자력이 요구되는 경우에 사용됩니다. 반면 강도가 낮기 때문에 깨지거나 부서지기 쉽다는 단점이 있습니다. 원료인 사마륨과 코발트는 모두 희소하기 때문에 페라이트 자석에 비해 매우 비쌉니다.
네오디뮴 자석과의 비교
네오디뮴 자석은 네오디뮴(Nd), 철(Fe), 붕소(B)를 주성분으로 하는 자석입니다. 네오디뮴 자석의 특징은 산화되기 쉽고 열 의존성이 높다는 것입니다.
산화되기 쉽기 때문에 표면을 니켈 도금 처리한 후 사용한다. 일반적으로 80℃ 이하에서 사용된다. 강도가 비교적 높기 때문에 깨지거나 부서지지 않는 것도 특징입니다.
페라이트 자석과의 차이점
페라이트 자석에 비해 자기 특성이 매우 높아 자력 유지력이 약 4배, 최대 에너지 곱이 10배에 달합니다. 페라이트 자석보다 비싸지만 사마륨 코발트 자석에 비해 저렴합니다.