KR100284465B1

KR100284465B1 - Sm계거대자기변형박막및그제조방법

Info

Publication number: KR100284465B1
Application number: KR1019980002663A
Authority: KR
Inventors: 임상호; 한석희; 김희중; 유광윤; 최용석
Original assignee: 박호군; 한국과학기술연구원
Priority date: 1998-01-31
Filing date: 1998-01-31
Publication date: 2001-03-02
Also published as: KR19990066602A

Abstract

본 발명은 조성식

Sm_xFe_yB_z

(상기 식에서 x, y 및 z는 각각 원자 %로서,

24.0 ≤ x ≤ 57.8,

41.8 ≤ y ≤ 75.3,

0.4 ≤ z ≤ 0.7,

단, x + y + z = 100임)인 Sm-Fe-B계 거대 자기 변형 합금 박막에 관한 것으로서, 특히 본 발명에 따른 자기 변형 합금 박막은 낮은 인가 자기장에서도 높은 자기 변형치를 나타낸다.

Description

Ｓｍ계 거대 자기 변형 박막 및 그 제조 방법 {Sm-Based Giant Magnetostrictive Thin Films and Manufacturing Method Thereof}

본 발명은 자기 변형 합금 박막에 관한 것으로서, 특히 연자기적 특성이 우수하여 낮은 자기장에서도 큰 자기 변형치가 얻어지는 B이 첨가된 Sm-Fe-B 삼원계 합금 박막 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

재료의 자화 상태가 변함에 따라서 재료의 길이가 변하는 자기 변형 현상은 1970년대 초까지는 자기 변형치가 50 ppm 정도로 미미하여 큰 관심을 끌지는 못하였다. 그러나, 1970년대 초에 희토류-Fe계 거대 자기 변형 재료가 개발되면서 상황은 크게 변하였다[참조 : Physical Review B, 5 (1972) 3642 ; Physics Letters, A37 (1971) 413]. 이 때 개발된 대표적인 합금들로서는 TbFe₂와 Tb_0.3Dy_0.7Fe₂가 있으며, 이들의 자기 변형치는 약 2500 ppm 정도로 높은 값을 나타내었다.

거대 자기 변형 특성에 대한 지금까지의 연구는 대부분 Tb-Fe계 및 Sm-Fe계 합금에 대하여 주로 행해졌는데, 이는 이러한 합금들이 상온에서 큰 자기 변형을 보이기 때문이다. 이러한 합금 중에서 TbFe₂금속간 화합물은 상온에서 가장 큰 양의 자기 변형을 보이며, SmFe₂화합물은 상온에서 가장 큰 음의 자기 변형을 보인다. 이러한 합금들의 거대 자기 변형 특성을 전자 디바이스에 응용하기 위한 연구들이 많이 행해졌다. 초기의 응용 분야로는 액츄에이터, 모터 및 음파 발생 소자 등을 들 수 있다. 이러한 응용에는 벌크 형태의 재료들이 주로 사용되었다.

1990년대 초반에는, 거대 자기 변형 재료를 마이크로 디바이스에 응용하려는 관심이 증대되었고, 이때부터 희토류-Fe계 합금 박막에 대한 많은 연구 결과들이 보고되기 시작하였다[참조 : Journal of Applied Physics, 76 (10) (1994) 6994 ; Journal of Applied Physics, 76 (10) (1994) 7000]. 희토류-Fe계 합금의 잘 알려진 문제점은 매우 큰 결정 자기 이방성 때문에 거대 자기 변형을 달성하기 위해서는 매우 큰 자기장이 필요하다는 사실이다. 그런데, 마이크로 디바이스에서는 인가할 수 있는 자기장의 세기가 수백 Oe 정도로 제한되기 때문에, 거대 자기 변형에 매우 큰 자기장을 필요로 하는 벌크 재료는 마이크로 디바이스용으로는 부적합하다. 따라서, 박막 재료의 개발이 필요하였으며 이를 위해 비정질화, 제3의 원소로서 Dy를 첨가한 합금 설계 및, 스퍼터링 중의 공정 조건 제어 등의 방법이 사용되었다. 이들 방법 중에서도 비정질화가 가장 널리 사용되어 왔다[참조 : IEEE Transactions on Magnetics, 29 (6) (1993) 3126 ; IEEE Transactions on Magnetics, 32 (5) (1996) 4770 ; Journal of Applied Physics, 75 (10) (1994) 5653]. 비정질 박막은 통상의 증착 조건에서 용이하게 얻을 수 있다.

그런데, 비정질화에 의해 결정 자기 이방성이 매우 크게 감소되었을 것으로 추정됨에도 불구하고 아직까지 만족할 만한 특성을 지닌 거대 자기 변형 박막은 개발되지 않고 있다. 이에 대한 이유로서 본 발명의 발명자들은 통상의 박막들이 비록 X-선 회절 등에 의해서는 비정질 상으로 관찰되지만, 미세 구조를 더욱 자세히 관찰하면 완전한 비정질 상으로 이루어져 있지 않을 가능성에 착안하게 되었다. 따라서, 본 발명의 발명자들은 Sm-Fe 이원계 합금에 비정질 형성능을 향상시키는 원소인 B를 첨가하였다. 희토류-Fe계 합금에 B를 첨가하였을 때 비정질 형성능이 향상되어 자기 변형 특성이 향상된다는 연구 결과는 급속 응고된 리본[참조 IEEE Transactions on Magnetics, 32 (5) (1996) 4770] 및 벌크 재료[참조 : J. Magnetism and Magnetic Materials, 124 (1993) 115-118 ; J. Applied Physics, 74 (4) (1993) 2701]에 대해서는 발표된 바가 있으나 박막 재료에 대해서는 알려진 것이 없다.

한편, 지금까지 거대 자기 변형 재료에 대한 연구는 Sm-Fe계 합금보다는 Tb-Fe계 합금에 대해 많이 행해졌다. 이는 결정 자기 이방성이 거의 0으로서 매우 우수한 자기 변형 특성을 가진 Terfenol-D라는 합금이 개발된 것에 기인한 것으로 생각된다. 또한, Tb-Fe계 합금의 자기 변형의 부호가 양인 것도 관련이 있는 것으로 생각된다. 벌크 형태의 재료를 사용하는 디바이스 응용에서 자기 변형 재료에는 통상 응력이 가해지는 데, 인장 응력보다는 압축 응력을 가하는 것이 디바이스 제조 시에 훨씬 간편하기 때문에 압축 응력을 가하게 된다. 이러한 압축 응력은 부가적으로 자기 탄성 효과에 의해 자구의 방향을 자기 변형이 커지는 쪽으로 정렬시키기 때문에 더 큰 자기 변형을 얻을 수 있는 이점을 가지고 있다.

그러나, 박막 재료의 응용에는 응력을 고의로 가하지 않으며, 따라서 음의 자기 변형을 가지는 Sm-Fe계 합금 박막은 인장 응력과 관련한 문제를 수반하지 않는다. 도리어 Sm-Fe계 합금 박막은 Tb-Fe계 합금 박막에 비해 가격면에서 이점을 가지고 있다. 왜냐하면 경희토류 원소인 Sm은 중희토류 원소인 Tb보다 부존량이 많아 가격이 저렴하기 때문이다.

그러므로, 본 발명의 목적은 연자기적 특성이 우수하여 낮은 자기장에서도 큰 자기 변형치가 얻어지는 거대 자기 변형 합금 박막 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

구체적으로 Sm-Fe 이원계 합금에 B이 소량 첨가된 Sm-Fe-B 삼원계 합금 거대 자기 변형 박막 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 목적은 Sm의 원자 %가 24.0 내지 57.8, 철의 원자 %가 41.8 내지 75.3, 및 B의 원자 %가 0.4 내지 0.7인 Sm-Fe-B 삼원계 합금 박막에 의해 성취된다. 본 발명은 소량의 B가 함유된 Fe-B 타게트 위에 Sm의 소편을 배치하고 불활성 가스 분위기에서 스퍼터링하여 상기 조성의 박막을 제조하는 방법으로 구성될 수 있다. 본 발명은 또한 Sm-Fe-B계 합금 타게트를 스퍼터링하는 방법으로 구성될 수도 있다. 본 발명의 방법에 의해 제조된 시료는 주로 비정질 상으로 되어 있으며, 박막의 면에 평행하게 아주 잘 발달된 자기 이방성을 나타낸다. 이러한 박막 시료는 연자기 특성이 우수하고, 따라서 낮은 자기장에서도 매우 큰 자기 변형치가 얻어진다.

이하에는 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에서 제공하는 합금의 조성은 다음과 같다.

Sm_xFe_yB_z

이 때, x, y 및 z는 각각 원자 %로서,

24.0 ≤ x ≤ 57.8

41.8 ≤ y ≤ 75.3

0.4 ≤ z ≤ 0.7

(단, x + y + z = 100임)

이와 같은 본 발명의 자기 변형 합금 박막은 스퍼터링에 의해 제조된다. 본 발명의 자기 변형 박막은 다른 물리적 기상 증착법이나 화학적 기상 증착법에 의해서 제조될 수도 있다.

스퍼터링에 의해 상기 조성의 자기 변형 박막을 제조하는 데 있어서, 타게트로서는 복합 타게트 또는 합금 타게트 어느 것이나 이용할 수 있다. 즉, B가 소량 함유된 Fe-B 타게트 상에 Sm 소편을 배치하거나, Sm-Fe-B 합금 타게트를 이용하여 불활성 가스 분위기에서 스퍼터링함으로써 상기 조성의 박막을 제조할 수 있다.

본 발명의 자기 변형 합금 박막의 구체적인 제조 공정 및 자기 변형 특성은 다음의 실시예를 통하여 보다 명확하게 알 수 있다.

실시예 1

〈표 1〉

실시예	시료	박막조성 (원자%)	인가자기장 (Oe)에 따른 자기변형 (ppm)의 크기
	시료	Sm	Fe	B	30 (Oe)	100 (Oe)	200 (Oe)	500 (Oe)	1000 (Oe)	2000 (Oe)	3000 (Oe)	4000 (Oe)	5000 (Oe)
	1	24.0	75.3	0.7	199	265	265	282	315	315	331	331	348
	2	24.8	74.5	0.7	140	147	169	198	220	220	220	220	227
	3	26.0	73.3	0.7	153	159	196	196	232	244	244	257	263
	4	26.3	73	0.7	150	178	187	225	262	262	262	262	262
	5	27.1	72.2	0.7	429	472	490	529	544	598	598	598	610
	6	27.4	71.9	0.7	380	401	422	450	471	493	500	528	535
	7	29.4	69.9	0.7	344	360	383	414	438	453	485	493	500
	8	31.0	68.4	0.6	362	393	413	434	475	496	496	516	527
	9	31.0	68.4	0.6	413	469	510	566	590	607	639	655	663
	10	31.3	68.1	0.6	264	269	281	302	316	337	359	363	370
	11	32.0	67.4	0.6	301	371	424	477	508	551	572	593	614
	12	32.5	66.9	0.6	294	319	369	408	433	458	473	483	498
	13	33.7	65.7	0.6	155	342	497	599	667	738	753	771	789
	14	36.0	63.4	0.6	106	141	441	617	702	749	786	793	811
	15	36.8	62.6	0.6	94	154	519	840	998	1087	1157	1173	1197
	16	37.2	62.2	0.6	104	167	479	693	821	875	916	941	941
	17	37.5	61.9	0.6	149	243	446	594	635	702	729	750	770
	18	39.4	60.0	0.6	83	105	322	548	669	757	809	846	853
	19	39.7	57.7	0.6	106	148	433	713	880	999	1053	1091	1127
	20	41.3	58.2	0.5	106	141	440	683	830	939	998	1062	1086
	21	45.7	53.8	0.5	77	107	338	554	693	778	823	847	878
	22	47.9	51.6	0.5	42	50	117	271	438	549	620	659	698
	23	57.0	42.6	0.4	24	27	39	165	297	415	481	519	554
	24	57.8	41.8	0.4	14	14	27	164	260	370	425	466	494

진동 시료형 자속계(VSM)를 이용하여 실온에서 최대 15 kOe의 자기장을 가하면서 면방향과 면에 수직한 방향에 대하여 자기 이력 곡선을 구하였으며, 이를 비교함으로써 자기 이방성의 방향을 예측한 결과, 모든 시료에서 잘 발달된 면내 이방성이 얻어짐을 확인하였다.

비교예 1

실시예 1과 동일한 방법으로 본 발명에서 제시한 조성 범위를 벗어나는 삼원계 Sm-Fe-B 합금 박막을 제조하였는 데, 표2에는 본 비교예에서 제시한 Sm-Fe-B 합금 박막의 자기 변형 특성을 나타내었다. 표2는 본 발명의 비교예에서 제시한 합금에 대하여 인가 자기장에 따른 자기 변형치를 요약한 표이다.

〈표 2〉

비교예	시료	박막조성 (원자%)	인가자기장 (Oe)에 따른 자기변형 (ppm)의 크기
	시료	Sm	Fe	B	30 (Oe)	100 (Oe)	200 (Oe)	500 (Oe)	1000 (Oe)	2000 (Oe)	3000 (Oe)	4000 (Oe)	5000 (Oe)
	1	15.2	84	0.8	0	0	0	0	0	57	95	180	236
	2	15.3	83.9	0.8	0	0	0	0	0	0	96	145	161
	3	68.6	31.1	0.3	0	0	0	70	180	273	319	343	372
	4	71.0	28.7	0.3	0	0	0	127	280	328	370	413	455

비교예 2

본 발명에서 제시한 결과와 비교하기 위하여 표3에는 Honda, Arai 및 Yamaguichi가 이원계 Sm-Fe 합금 박막에 대하여 발표한 결과 (Journal of Applied Physics, 76 (10), pp.6994-6999, November 1994)를 나타내었다. 표3은 본 발명의 비교예에서 제시한 합금에 대하여 인가 자기장에 따른 자기 변형치를 요약한 표이다.

〈표3〉

비교예	시료	박막조성(원자%)	인가자기장 (Oe)에 따른 자기변형 (ppm)의 크기
	시료	Sm	Fe	100(Oe)	200(Oe)	500(Oe)	1000(Oe)	2000(Oe)	3000(Oe)	4000(Oe)	5000(Oe)
	1	25.2	74.8	97	130	146	156	163	167	169	171
	2	38.6	61.4	70	140	254	304	323	336	338	343
	3	50.4	49.6	14	51	97	129	142	151	160	166

이상에서, 본 발명에서 제시한 스퍼터링 방법에 의해 제조된 본 발명의 조성 범위의 자기 변형 합금 박막이 우수한 자기 변형 특성을 가지는 것을 알 수 있다. 자기 변형이 최대치를 보이는 조성은 인가 자기장의 크기에 따라서 달라진다. 구체적으로, 0.1 kOe의 자기장에서 최대치를 보이는 조성은 Sm 27 내지 31 원자 %이다. 자기장이 증가함에 따라, 자기 변형의 절대치가 증가함과 아울러 Sm 함량에 따른 자기 변형의 의존성에서도 변화가 나타난다. Sm 함량에 따른 자기 변형의 의존성과 관련하여 2가지 점을 지적할 수 있다.

첫째, Sm 함량에 따른 자기 변형의 의존성으로부터 최대를 보이는 영역이 자기장이 증가함에 따라 넓어진다는 것으로, 즉 최적 조성 영역이 넓어진다는 점이다. 이러한 넓은 최적 조성은 실용적인 측면에서 큰 이점이 있는 데, 이는 조성을 엄격하게 제어하지 않고도 높은 자기 변형치가 신뢰성 있게 얻어지기 때문이다.

둘째, 최적 조성이 자기장의 함수라는 점이다. 최적의 Sm 함량은 0.1 kOe 이하에서는 27 내지 31 원자 %이고, 0.2 kOe에서는 33 원자 %이며, 0.3 kOe 이상에서는 37 원자 %이다. 즉 최적의 Sm 함량은 인가 자기장이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보이고 있다.

본 발명에서 얻어진 결과 중 현저한 특성 중의 하나는 B이 소량 첨가된 Sm-Fe-B 합금 박막에서 낮은 자기장에서도 높은 자기 변형치가 얻어진다는 점이다. 본 발명에서 제시한 Sm-Fe-B계 합금 박막에서 0.1 kOe의 자기장에서 470 ppm의 높은 자기 변형이 달성되었다. 본 발명에서 제시한 조성 범위를 벗어나는 경우, 자기 변형이 작은 철 결정이나 Sm 결정이 석출하여 자기 변형 특성이 열화되는 결과가 발생되었다.

본 발명은 상기 실시예에서 구체적으로 기술하였지만, 본 발명이 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되어서는 아니되며, 첨부된 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 원리 및 범위 내에서 박막 재료의 조성과 제조 방법을 더 다양하게 변경 및 변화시킬 수 있다.

Claims

조성식 Sm_xFe_yB_z으로 이루어지고,

상기 식에서 x, y 및 z는 각각 원자 %로서,

24.0 ≤ x ≤ 57.8

41.8 ≤ y ≤ 75.3

0.4 ≤ z ≤ 0.7

(단, x + y + z = 100)인 것을 특징으로 하는 Sm-Fe-B계 거대 자기 변형 합금 박막.
Fe-B를 포함하는 타게트와 그 위에 Sm 소편을 배치하여,

불활성 가스 분위기에서 스퍼터링에 의해 상기 제1항의 거대 자기 변형 박막을 제조하는 방법.
Sm-Fe-B 합금 타게트를 사용하여 불활성 가스 분위기에서 스퍼터링에 의해 상기 제1항의 거대 자기 변형 박막을 제조하는 방법.