페라이트

페라이트 구조

페라이트자석

페라이트(ferrite)는 산화철을 포함한 세라믹 자성체(磁性體)를 나타낸다, 즉 자성을 띠고 있거나 자기장에 작용하는 세라믹으로 자화되는 종류에 따라 소프트페라이트와 하드페라이트의 두 종류로 나누어진다. 망간-아연 페라이트와 니켈-아연 페라이트로 대표되는 소프트 페라이트는 자화되는 속도가 빨라서 자기장을 약간만 가해도 잔류 자기를 지우거나 반전시킬 수 있다. 망간-아연 페라이트는 자기장의 투자율과 자속밀도가 크지만 고유 전기 저항이 약하게 나타나는 특징이 있으며, 니켈-아연 페라이트는 투자율과 자속밀도가 작지만 대신 고유 전기 저항이 크게 나타난다. 하드 페라이트는 일반적으로 영구자석을 말하는 경우가 많은데 잔류 자기장을 없애거나 반전시킬 때에도 강력한 역방향의 자기장이 필요하며, 하드 페라이트를 고무와 섞은 것이 고무자석이다.

또 철이 가질 수 있는 여러 구조 가운데 체심입방구조 (body centered cubic, bcc)를 갖는 종류의 철을 알파 철 (α-Fe) 또는 페라이트라 부른다.

산화철 페라이트

산화철에 바륨, 망간, 니켈 및 아연과 같은 하나 이상의 금속 원소를 혼합하여 소결공정을 통해 제작한 세라믹 소재를 페라이트라 하며 상온에서 자성이 비교적 강해 영구자석으로 널리 사용되고 있다. 이들 소재는 전기적으로는 전기가 통하지 않는 절연성을 가지고 있으며 자기적으로는 준강자성(ferrimagnetic)을 띄고 있어 쉽게 자화될 수 있다.

페라이트 물질은 제작 비용이 싸며 산화철(녹슨 철)이 주성분으로 부식되기 어렵고 자기적 성질 또한 매우 안정적으로 원래의 물성을 오랫동안 유지할 수 있다.

페라이트는 코어 형태로 생산하여 페라이트 주변을 코일로 감아 전자 회로의 인덕터 (inductor), 변압기 (transformer), 전자석 등에 사용되고 있다. 또한 초기의 컴퓨터 메모리는 전자석으로 통해 페라이트 코어의 자기장을 변환하여 이를 유지시키는 형태로 개발되었다. 카세트 테이프와 같은 자기 기록 테이프의 경우 페라이트 파우더를 필름에 코팅하여 전자석으로 자화방향을 결정하여 입력하고 이를 전자기 유도를 통해 읽어냄으로써 데이터 또는 음성 신호를 저장 및 재생할 수 있도록 하였다.

산화철은 우리가 흔히 말하는 녹으로 MO·Fe₂O₃(M : 2가의 금속 Mn, Zn, Mg, Fe, Cu, Co등) 등의 구조식을 가지는데 하드페라이트(영구자석)와 소프트페라이트(와전류손실적다)로 구분한다.

하드페라이트는 영구자석의 재료로 고무자석까지 커버되는 가장 일반적인 자석재료이다. 또한 SOFT-FERRITE는 Mn-Zn계, Ni-Zn계 및 Mg-Zn계로 나누어지며 금속자성재료에 비해 높은 주파수영역에서도 우수한 자기특성을 보유하여 전자부품에 사용된다. 자기테이프나 철심대신 페라이트가 사용되고 초음파진동체로 사용되고 페라이트코어로도 사용된다.

페라이트는 약 80년전의 1930년 일본 동경공업대학의 加藤(가토우) 박사 와 武井(타케이)박사가 아연광석에서 아연을 추출하는 공법의 개량을 연구하는 중에 우연히 산화철을 주성분으로 하는 금속산화물에 강한 자성을 나타내는 것을 발견하였다. 이렇게 발명된 것이 세계최초의 페라이트 자석인 OP자석이다.(현재 페라이트 자석의 전신으로 자철광(磁鐵鑛) 과 아철산(亞鐵酸)코발트를 성형하여 굽은것) 더욱이 두박사들은 영구자석으로 되는 페라이트 외에 트랜스의 자심(Core)재료로 이용이 가능한 페라이트도 발명하여 그때까지 알려지지 않은 페라이트 월드의 문을 열게 되었다.

철을 트랜스의 자심으로 이용하면 저주파는 문제없지만 고주파로 가면 와전류가 생겨 손실이 크지는데 페라이트는 와전류가 없어 고주파 트랜스의 문을 열었다. 페라이트는 산화철을 주성분으로 하는 분말원료를 세라믹(Ceramic)제품처럼 성형(成型),소성(燒性)하여 제조된다. 즉 페라이트는 세라믹이며 도자기가 애자(碍子) 등에 이용되어 온 것 처럼 세라믹인 페라이트는 전류가 잘 흐르기 어렵기 때문에 고주파이용의 기기에 적합한 자성재료가 된다.

철의 동소체

탄소 함량과 온도에 따른 철의 상평형 그림

단순입방구조(simple cubic, sc), 체심입방구조(body centered cubic, bcc), 면심입방구조(face centered cubic, fcc).

오른쪽 그림은 철의 상평형 그림 (phase diagram)이다. 철이 용융되어 온도를 내리면, 결정화가 진행되는 온도에 따라 결정구조가 변화하게 된다. 1,538℃에서 결정화 되는 경우를 델타 철 (δ-Fe)이라 부르는 데, 이들은 체심입방구조를 형성하게 된다. 이때 철은 탄소 원자를 0.08% 까지 용해시킬 수 있다.

철의 온도가 1,394℃ 까지 내려가면 결정구조가 면심입방구조 (face centered cubic, fcc)으로 변화하고 이 경우를 감마 철 (γ-Fe) 또는 오스테나이트 (Austenite)라 부른다. 감마철은 탄소 함유량이 2.04%까지 포함될 수 있으며 스테인레스 스틸에서 탄소 함유량이 최대치가 된 형태를 볼 수 있다.

912℃ 이하의 온도에서 페라이트라고 불리는 알파 철의 상을 가지게 된다. 이때 물질은 체심입방구조로 다시 바뀌게 되고 자기적으로는 상자성(paramagnetic)을 띄게 된다. 페라이트 구조에서는 탄소의 함유량이 0.021% 이하로 줄어들어 철에 잘 용해 되지 않는 상태가 된다. 온도가 큐리 온도 (Curie temperature)인 771℃보다 더 낮아질 경우 결정구조는 변화하지 않으나 연철(mild steel)이 되고 자기 도메인 (magnetic domain)이 정렬되어 자기적 성질도 상자성에서 강자성(ferromagnetic)으로 바뀌게 된다. 이렇게 형성된 구조와 상은 상온까지 안정적으로 유지된다.

알파 철인 페라이트와 기본적인 상 및 결정구조는 같으나 강자성(ferromagnetic)을 띄는 알파 철과는 달리 상자성을 보이는 상태를 베타 철 (β-Fe)이라고 따로 정의하기도 한다. 베타 철에서는 큐리 온도 위에서 원자들의 열적 요동에 의해 전자 스핀의 자기 모멘트를 교란시킴으로써 알파 철과는 다른 특별한 자기적 성질을 띠게 된다.

참고자료

• 〈페라이트〉, 《사이언스올》
• 〈페라이트〉, 《물리학백과》
• 수수깡, 〈페라이트 를 정리해 보자〉, 《네이버 블로그》. 2016-07-30

같이 보기

• 철
• 동소체
• 영구자석
• 자성체

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