영구자석

영구자석(permanent magnet)은 말 그대로 영구적인 자석이긴 하나 보관을 잘했을 때다. 영구자석은 아래와 같은 규칙을 지켜 주지 않으면 성질을 잃기 쉽거나 영구적으로 가지 못한다. 자석(magnet)이란 일반적으로 전기의 흐름에 영향을 미치거나 철을 끌어당기는 등의 성질을 가지는 광물을 의미하며 영구자석은 전자석 등의 일시적인 자석과 다르게 외부로부터 전기에너지의 공급이 없어도 안정된 자기장을 스스로 발생하여 자성이 유지되는 광물을 말한다. 일반적으로 잔류자기와 보자력(保磁力)이 큰 물질이 영구자석에 적합하며 수화기나 발전기, 직류전류기기, 마이크로미터 등에 사용된다.

LG이노텍이 AI기법을 활용한 입계확산공정의 최적화를 통해 세계 최고 수준의 희토류 영구자석 개발에 성공했다.

상세

B와 H 사이의 관계를 나타내는 자기이력곡선

작은 자기구역으로 나뉘어진 천연상태의 자철석에 자기장을 걸어주면 자기구역이 합쳐져 영구자석이 된다.

자석은 자기장을 발생시켜 쇳조각을 잡아당길 수 있는 물질이라 할 수 있는데, 영구자석은 이러한 자석물질에 외부에서 강한 자기장을 가하여 물질 전체의 자기화가 한 방향이 되도록 만들어서 이 자기화가 쉽게 없어지지 않는 상태의 자석이다. 자석의 어원은 소아시아의 마그네시아라는 지방에서 따 온 것으로 알려져 있는데, 이 지역에서는 자연적으로 자기화된 자철광이 풍부하였고 이것이 영구자석의 원재료가 된다.

영구자석은 자기력을 크게 하기 위해 철 등의 자연 강자성 물질에다 다른 물질을 혼합하여 만들게 된다. 강자성 물질로는 전이금속에 해당하는 철, 코발트, 니켈 등과 희토류 물질인 네오디움, 가돌리움, 디스프로슘 등을 들 수 있다.

천연상태에서 채취한 강자성 물질은 보통 자석으로서의 구실을 하지 못한다. 그 이유는 자연 강자성 물질은 크기가 0.01밀리리터 정도의 매우 작은 자기구역으로 나뉘어져 있고 이들 자기구역의 자극의 방향이 서로 다른 방향을 향하기 때문에 그 효과를 합하면 전체적으로 상쇄되기 때문이다.

이러한 상태의 강자성 물질이 자석이 되려면 외부에서 강한 자기장을 가하여 자기화를 시켜주어야 한다. 천연상태의 강자성 물질에 큰 자기장을 걸어주면 각 자기구역을 경계 짓는 자기벽이 이동하여 자극 방향이 외부 자기장 방향과 나란하게 된 자기구역들이 합쳐져 전체적으로 자석이 될 수 있다.

이러한 자기화 과정이나 자석의 성질을 나타내기 위해 사용되는 물리량을 먼저 소개하고 영구자석의 속성을 설명하기로 한다. 영구자석의 세기 정도를 나타내는 물리량으로 B와 H가 있다. B는 자기화된 물체가 나타내는 자기력선속밀도이고, H는 자기화시킬수 있는 세기 즉 자기장이라고 할 수 있다. B와 H사이에는 이들 값이 아주 크지 않을 때는 B=μH의 선형관계가 있는데 여기서 μ는 물질의 투자율이라 부르는 양으로 이 값이 클수록 외부의 자기장에 의해 자기화가 잘 된다고 할 수 있다. B의 국제단위는 테슬라 (T) 또는 Wb/m² 이고 H의 단위는 A/m 이며 μ의 단위는 Wb/A·m 이다. 물질의 자기화를 나타내는 M은 자기장 H와 M=XmH의 관계가 있는데 여기서 Xm은 자기감수율이라 불리는 양으로서 스스로 자기화를 가지는 강자성체 즉 영구자석의 경우에는 Xm이 무한대에 가까울 정도로 매우 큰 값을 가진다. 투자율 μ와 Xm사이에는 μ = μ₀ (1 + Xm)의 관계가 있는데 여기서 μ₀는 진공의 투자율이다.

이러한 물리량과 연관지어 자기화 과정을 나타내는 자기이력곡선을 설명하면 천연상태에서 자기화되지 않은 강자성체는 자기력선속밀도 B가 0이다가 외부에서 자기장 H를 가하면 자기구역의 자극방향이 자기장 방향으로 되면서 B가 서서히 증가하다가 일정 크기 이상의 자기장 Hm에서는 최대로 포화된다. 이후 자기장 H를 줄이면 자기화도 줄어들지만 H를 0으로 하더라도 자기화는 0으로 되지 않고 잔류자기가 남게 되는데 이 때문에 영구자석이 되는 것이다. 자기이력곡선에서 (BH)max값이 크면 영구자석으로서의 성능이 우수하다고 할 수 있다.

성능이 우수한 인공적인 영구자석의 시초는 1920년대에 개발된 KS강으로 이는 철에 탄소, 텅스텐, 코발트를 섞은 것이다. 1930년대에는 산화물계 영구자석인 페라이트 자석이 개발되었는데 이는 철 산화물에 바륨코발트 또는 스트론튬코발트 산화물을 섞어 제조한 것이다. 또한 철, 니켈, 알루미늄 등을 녹인 후 주조하여 만든 알리코 영구자석도 개발되어 널리 사용되기도 하였다. 이 후 철이나 코발트에 사마리움이나 네오디움 등 희토류를 첨가한 희토류계 영구자석이 개발됨으로써 영구자석이 개발된 이래 90년이라는 기간 동안에 (BH)max값이 60배 이상 증가하게 되었다. 그러나 희토류 영구자석은 환경오염 문제가 있어 최근에는 희토류를 포함하지 않으면서 성능이 우수한 영구자석 개발에 관한 연구가 진행되고 있다.

보관 방법

• 자석을 오랫동안 보관할 때 자석의 다른 극끼리 붙여 놓은 상태에서 저장한다. 자석은 같은 극끼리 억지로 붙여 놓게 하면 그 성질이 오래 보존되지 못한다.
• 자석을 쇠붙이(철)와 붙여 놓은 상태에서 저장한다.
• 가열하거나 뜨거운 곳에 보관하여서는 안된다. 자석은 열을 받으면 자성을 잃게 된다. 자성을 잃게 만들 수 있는 온도를 퀴리 온도라고 한다.
• 자석에 충격을 가하는 것은 피한다. 자석은 충격을 받아도 자성을 잃게 된다.

희토류 영구자석과 전기차

희토류 영구자석은 전기차의 모터에 사용된다. 친환경 자동차의 종류는 하이브리드, 전기차, 수소차가 있다.​ 친환경 자동차의 가격대가 일반 자동차에 비해 가격이 높은데 그중 ​수소전기차는 핵심인 연료전지 시스템의 단가가 지나치게 높은 단점이 있다. 수소차 연료전지는 전기를 생산하는 촉매로 1Kg에 1억원이 넘는 귀금속인 백금을 사용하고 있기때문이다. 그 다음으로는 전기차 가격의 약 40%이상을 리튬이온 배터리 비용이 차지하고 있다. 그다음으로 모터에 사용되는 희토류계 자석이다. 전기차 가격은 배터리 기술과 영구자석 모터의 발전이 크게 좌우하게 된다.

모터는 왼손법칙을 응용한 것으로 자장 내에서 전류를 흐르게 함으로써 받게 되는 힘, 회전력을 발생시키는 기계로 전기적 에너지를 역학적(동력) 에너지로 바꾸는 장치이다. 가전 제품의 90% 이상이 모터의 힘을 빌리고 있을 정도이다. 그 중 영구자석을 회전자 내부에 삽입한 동기모터는 마그네트 토크에 더하여 릴럭턴스 토크도 이용하므로 고효율의 가변속 범위가 넓은 전동기로서 콤프레셔, 스핀들, 전기자동차용 모터 등에 사용되는 등 응용범위가 넓혀지고 있다.

현재 전기자동차 모터의 주류가 DC 영구자석식동기형 전기모터(동기모터)를 많이 사용하고 있다. 영구자석형 동기모터는 영구자석을 회전자에 어떻게 결합하는 가에 따라서 표면자석형 동기기와 매입자석형 동기기로 분류할 수 있고 역기전력파형과 입력 전류의 형상에 따라 크게 BLAC PM 모터와 BLDC PM 모터로 구분한다. 친환경 자동차에 사용되는 영구자석형 모터는 자력이 강한 영구자석을 사용하고 고효율(최대 95%~97%)이면서 저속에서 고토크를 낼 수 있어 저속특성이 우수할 뿐만 아니라 견고하며 유지보수 측면에서 탁월한 장점이 있다. 친환경 자동차에 영구자석이 사용되는 이유는 고회전,고출력이 필요하고 이로 인해 모터 내부에 많은 열이 발생하여 영구 자석의 높은 열적 안정성이 요구되는데 영구자석이 이런 문제를 해결해 주기 때문이다. 영구자석 모터에 사용되는 자석은 희토류계 자석으로 영구자석 중 가장 강력한 자력을 가지고 있는 네오디움자석, 고온에서도 자력을 잃지 않는사마륨코발트나 알리코 자석이 사용되고 있다.

참고자료

• 〈자석〉, 《위키백과》
• 〈영구자석〉, 《물리학백과》
• 〈영구 자석〉, 《사이언스올》

같이 보기

• 자석
• 전자석
• 희토류

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