KR20140143405A - 나노입자, 영구 자석, 모터, 및 발전기 - Google Patents

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KR20140143405A
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shell
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permanent magnet
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고트하르트 리게르
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

나노입자(nanoparticle)(5)는 적어도 하나의 제 1, 자화가능 및/또는 자화된 재료로 형성되는 적어도 하나의 세장형 코어(elongated core)(10), 및 상기 코어를 에워싸고, 적어도 하나의 제 2 자기결정 이방성 재료(magnetocrystalline anisotropic material)로 이루어지는 셸(shell)(20)을 포함한다. 영구 자석(40)은 복수의 이러한 나노입자들(30)을 포함한다. 모터 또는 발전기(60)는 적어도 하나의 이러한 영구 자석(40)을 갖는다.

Description

나노입자, 영구 자석, 모터, 및 발전기 {NANOPARTICLE, PERMANENT MAGNET, MOTOR, AND GENERATOR}
본 발명은 나노입자(nanoparticle), 영구 자석, 및 또한 모터(motor) 및 발전기에 관한 것이다.
새로운 영구적으로 자성의 재료들에 대한 탐색은 나노기술(nanotechnology)로 인하여 강력한 부흥을 겪고 있다. 이는, 영구적으로 자성의 특성들이, 높은 자화(자기 분극(magnetic polarization))에 부가하여, 적합한 원자 및 결정학적 구조로 인해, 메조스코픽 스케일(mesoscopic scale)의 자화 프로세스(magnetization process)들에 대단히 의존하기 때문이다. 영구 자석 특성들은, 나노-스케일 단일-도메인 입자(nano-scale single-domain particle)들과 같은, 이론적으로 예측된 바와 같은, 그리고 급속 응고 기술(rapid solidification technique)을 이용할 때의 미세구조 형성(microstructure formation)을 통한 실험으로부터 알려진 바와 같은 미세구조 구성에 의해 촉진된다.
그러나, 높은 자연발생 자화(spontaneous magnetization)를 갖는 나노입자들로 이루어진 영구적으로 자성의 재료들의 합성 구조는, 나노입자들의 산화 민감성이 증가되는 것에 의해 방해된다. 더욱이, 형상 이방성(shape anisotropy)으로 지칭되는 것에 의해 달성될 수 있는 보자력 필드 세기(coercive field strength)들은 실험에 의해 달성될 수 없다.
거의 모든 오늘날의 애플리케이션(application)들에 대해 충분히 높은 보자력 필드 세기가, 야금학 프로세스(metallurgical process)들에 의해 생성된 미정질 미세구조(microcrystalline microstructure)들에서의 높은 자기결정 이방성(magnetocrystalline anisotropy)을 통해, 희토류 엘리먼트(rare earth element)들(예를 들어, SmCo 또는 NdFeB)에 기초하여 현재의 영구 자석들에서 생성되는 반면, 이러한 시스템들에서의 잔류 자화(remanent magnetization)는 자기적으로 경질상(magnetically hard phase)(예를 들어, 1.61 T의 Nd2Fe14B)의 자연발생 자화로 제한되어 유지된다.
배향된 단일-도메인 나노입자들의 앙상블(ensemble)들은, 성형(shaping)의 가능성 때문에 나노기술 합성 프로세스(nanotechnological synthesis process)들에 의해 생성될 수 있다. 그러나, (보자력 필드에 대한 상한으로서) 형상 효과에 기초하는 이방성 필드(anisotropy field)는 이러한 경우에 제한된다.
이는, 앙상블로부터의 영향들로 인해, 그러나 또한, 보자력 필드가 표면 및 또한 코너(corner)들 및 에지(edge)들에서의 결함들에 의해 감소된다는 사실로 인해, 나노입자들의 앙상블에서의 이방성이 증가될 수 있는지, 및 감소된 보자력 필드를 마찬가지로 초래하는 부가적으로 다른 자기 역전 모드(magnetic reversal mode)들(컬링(curling), 패닝(fanning))이 나타나는지가 지금까지 명확해지지 않았기 때문이다.
그러므로, 본 발명의 목적은 상술된 종래 기술의 단점들을 극복하는 것을 가능하게 하는 개선된 나노입자를 제공하는 것이다. 특히, 본 발명에 따른 나노입자의 의도는, 개선된 영구적으로 자성의 재료를 제공하는 것을 가능하게 하는 것이다. 본 발명의 추가의 목적은, 개선된 영구 자석 및 또한 개선된 모터 및 개선된 발전기를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 제 1 항에 표시된 피쳐(feature)들을 갖는 나노입자에 의해, 청구항 제 13 항에 표시된 피쳐들을 갖는 영구 자석에 의해, 및 또한 청구항 제 15 항에 표시된 피쳐들을 갖는 모터 및 발전기에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 나노입자는 적어도 제 1, 자화가능 및/또는 자화된(magnetizable and/or magnetized) 재료로 형성되는 세장형 코어(elongated core)를 적어도 포함한다.
이러한 경우, 본 발명의 문맥 내에서, 나노입자는, 1000 ㎚ 미만의 단면 직경을 갖는 입자를 의미하는 것으로 이해될 것이다. 특히, 나노입자는 300 ㎚ 미만의 단면 직경을 갖는다.
본 발명의 문맥 내에서, 세장형 코어는 적어도 1.5의 종횡비(aspect ratio), 즉, 길이방향 치수와 가로방향 치수 사이의 비율을 갖는 코어를 의미하는 것으로 이해될 것이다. 종횡비가 적어도 5, 이상적으로는 적어도 10인 것이 적합하다.
본 발명에 따른 나노입자는 부가적으로, 코어를 에워싸고, 자기결정 이방성을 갖는 제 2 재료로 적어도 형성되는 셸(shell)을 포함한다. 셸의 제 2 재료가 계면을 따라 코어의 제 1 재료와 인접하는 것이 편리하다.
결과적으로, 본 발명에 따른 나노입자는 코어-셸 구조(core-shell structure)로 지칭되는 것을 갖고, 이는, 유리하게, 높은 영구적으로 자성의 성능, 구체적으로는 높은 잔류 자기(remanence), 높은 보자력 필드, 및 높은 에너지 프러덕트(energy product)뿐만 아니라, 높은 장기간 안정성을 초래하는 적어도 2개의 재료들을 포함한다. 제 1 재료를 포함하는 코어는 높은 레벨(level)의 자화 및/또는 자기화도(magnetizability)를 갖고, 셸의 제 2 재료는 높은 레벨의 자기결정 이방성을 갖는다. 이러한 자기결정 이방성은 코어의 표면, 특히 편의상 코어와 셸 사이에 존재하는 계면을 안정화시키고, 이러한 표면 또는 계면에서의 결함들의 결과로서의 자기 역전을 방지한다. 더욱이, 제 1 및 제 2 재료의 선택은, 자기 교환 커플링(magnetic exchange coupling)을 달성하고, 이는 단상 자기 역전 거동(single-phase magnetic reversal behavior)을 초래하고, 및 결국 높은 보자력 필드들을 이용하여 균질한 회전을 촉진한다. 이러한 경우, 에너지 밀도가, 종래 기술과 비교하여 적어도 2배가 되는 것이 가능하다. 그러므로, 본 발명에 따른 나노입자를 이용시, 개선된 영구 자석을 확립(build up)하기에 적합한 앙상블을 제공하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 나노입자의 경우, 제 1 재료가, 적어도 볼륨 재료(volume material)로서, 자기적으로 연질(magnetically soft)인 것이 바람직하다. 유리하게, 형상 이방성 때문에, 자기적으로 연질의 금속들 및 합금들로 알려진 재료들, 이를 테면, 특히 강자성 재료들, 이를 테면, NiFe 또는 CoFe가, 볼륨 재료로서 상당한 자기 역전 안정성을 갖는 영구적으로 자성의 특성들을 획득한다.
본 발명의 바람직한 발전에서, 나노입자에서, 제 1 재료는 강자성 재료, 특히 Fe로 형성된다. 이러한 경우, 강자성 재료가 Fe를 갖는 고용체(solid solution) 및/또는 합금, 특히 NiFe 또는 CoFe로 형성되는 것이 적합하다. 편의상, 제 1 재료는 하나 또는 둘 이상의 전이 금속들 또는 FeCo ― 특히 높은 Fe 함유량을 가짐 ― 를 포함한다.
본 발명에 따른 나노입자의 경우, 제 2 재료가 자기적으로 경질(magnetically hard)인 것이 편리하다.
본 발명에 따른 나노입자의 경우, 제 2 재료가 MnBi 및/또는 MnAlC 및/또는 FePt로 형성되는 것이 바람직하다. 특히, 상기 FePt의 경우, 제 2 재료는 Fe 상에의 Pt의 증착 및 그 후의 가열에 의해 형성된다.
대안으로서 또는 부가하여, 제 2 재료는 CoPt, FePt, FePd, 자기적으로 경질의 희토류 화합물들, 이를 테면, SmCo 및 NdFeB로 형성되거나 또는 경질 페라이트(hard ferrite)들, 이를 테면, SrBa 페라이트들로 형성된다. 이러한 경우, 제 1 재료가 FeCo로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 발전에서, 나노입자 및/또는 나노입자의 코어는, 나노로드(nanorod) 및/또는 나노와이어(nanowire)의 형태이고, 편의상, 세장형 타원체의 형태이다.
본 발명에 따른 나노입자의 경우, 나노입자의 볼륨 비율(volumetric proportion)의 적어도 절반, 바람직하게는 볼륨 비율의 90% 초과가 코어에 할당되는 것이 적합하다. 유리하게, 이에 의해, 나노입자의 특히 높은 레벨의 영구 자화를, 및 결국 또한, 나노입자에 의해 점유되는 공간에 관하여 나노입자들의 앙상블의 높은 레벨의 영구 자화를 달성하는 것이 가능하다. 이러한 경우, 제 2 재료가 SAM(self assembly monolayers)으로서/SAM(self assembly monolayers)으로 형성되는 것이 편리하다. 셸의 제 2 재료와 코어의 제 1 재료 사이의 교환 상호작용이 셸의 두께와 독립적인 것이 유리하다. 결과적으로, 심지어 셸로서 단일 응집 단분자층(single cohesive monolayer)에 의해 코어의 자화의 우수한 안정화를 달성하는 것이 가능하다.
유리한 발전에서, 본 발명에 따른 나노입자는 부식, 특히 산화로부터 보호하도록 설계된 외부 보호층을 갖는다. 이는 본 발명에 따른 나노입자의 코어의 부식, 특히 산화를 회피한다. 본 발명에 따른 나노입자의 경우, 보호층이 SAM(self assembly monolayers)으로서/SAM(self assembly monolayers)으로 형성되는 것이 편리하다. 보호층은 바람직하게 FePt 및/또는 MnAlC로 형성된다.
본 발명에 따른 나노입자의 경우, 이와 관련하여 셸이 보호층 또는 보호층의 적어도 일부를 형성하는 것이 특히 바람직하다. 이러한 경우, FePt 및/또는 MnAlC가 셸을 위해 선택되는 것이 이상적이다. FePt의 경우, 셸은 유리하게, Fe 상에의 Pt의 증착 및 그 후의 계면에서의 열처리에 의해 생성된다.
대안으로서 또는 유사하게 바람직한 방식으로, 보호층은 셸 상에 추가의 층으로서 배열된다. 보호층이 SAM(self assembly monolayers)으로서/SAM(self assembly monolayers)에 의해 적용되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 나노입자의 경우, 보호층이 셸의 외부면을, 그 전체 범위에 걸쳐, 그리고 바람직하게는 그 전체 영역에 걸쳐 커버(cover)하는 것이 이상적이다. 이는 코어의 자화를 효과적으로 안정화시킨다.
본 발명에 따른 나노입자의 경우, 보호층이 FePt로 형성되는 것이 유리하며, 상기 FePt는 특히 Fe 상에의 Pt의 증착 및 그 후의 가열에 의해 형성된다.
본 발명에 따른 영구 자석은 상술된 바와 같은 본 발명에 따른 복수의 나노입자들을 포함한다. 이러한 영구 자석들은 유리하게, 고효율 드라이브(high-efficiency drive)들 및 발전기들에서, 예를 들어, 드라이브들 및 발전기들의 고정자들 및 회전자들에서 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 영구 자석의 유리한 발전에서, 나노입자들은, 나노입자들의 최장 치수(longest dimension)들의 배향들이 우선 방향(preferential direction)을 갖는 방식으로 배열된다. 특히, 나노입자들은 사실상 단방향성으로(unidirectionally) 및/또는 상기 나노입자들의 최장 치수들에 관하여 평행하게 배향되는데, 즉, 나노입자들의 적어도 절반, 바람직하게는 적어도 90%가 상기 나노입자들의 배향에서 거의 편향되지 않는데, 즉, 우선 방향으로부터, 특히 기껏해야 20°만큼만 편향된다.
본 발명에 따른 모터는 상술된 바와 같은 본 발명에 따른 영구 자석을 갖는다.
본 발명에 따른 발전기는 상술된 바와 같은 본 발명에 따른 영구 자석을 갖는다.
본 발명에 따른 모터 또는 본 발명에 따른 발전기의 경우, 그 자체로 알려진 적어도 하나의 회전자 및/또는 적어도 하나의 고정자가 존재하고, 상기 설명된 바와 같은 본 발명에 따른 하나 또는 둘 이상의 영구 자석들로 형성되는 것이 편리하다.
아래에서, 본 발명은 도면에 도시된 예시적인 실시예에 기초하여 더욱 상세하게 설명될 것이며, 도면들에서:
도 1은 기본 겨냥도로 길이방향 섹션(longitudinal section)에서의 본 발명에 따른 나노입자를 도시하고,
도 2는 기본 겨냥도로 본 발명에 따른 영구 자석을 개략적으로 도시하고, 그리고
도 3은 기본 겨냥도로 본 발명에 따른 발전기를 개략적으로 도시한다.
도 1에 도시되는 본 발명에 따른 나노로드(5)는 FeCo로 이루어진 세장형 코어(10)를 포함한다. 코어(10)는 대략 5의 종횡비(길이방향 치수와 가로방향 치수 사이의 비율)를 갖는다(본 명세서에 기술된 실시예에 다른 방식으로 대응하고, 구체적으로 도시되지 않은 예시적인 실시예에서, 종횡비는 10임). 나노로드(5)의 사실상 전체 볼륨 비율(volumetric proportion) ― 여기서는 볼륨 비율의 90% ― 이 코어(10)에 할당된다. 코어는 높은 레벨의 자화를 견딘다.
더욱이, 나노로드(5)는 자기결정 이방성을 갖는 재료 ― 도시된 예시적인 실시예에서는 FePt ― 로 이루어진 셸을 포함한다. 셸(20)의 자기결정 이방성은 코어(10)의 표면을 안정화시키고, 결함들의 결과로서의 코어(10)의 표면에서의 자기 역전을 방지한다.
코어(10)와 셸(20)의 재료들 사이에는 자기 교환 커플링이 존재하고, 이는, 나노로드(5)의 단상 자기 역전 거동을, 그리고 결과적으로 높은 보자력 필드들을 이용한 균질한 회전을 초래한다.
그의 적합한 부식 특성들 때문에, 셸(20)은, FePt로 형성될 때, 동시에 보호층으로서 작용한다. 이러한 보호층은 코어(10)를 산화로부터 보호한다. 이러한 경우, 나노로드(5)의 셸(20)은 Fe 상에의 Pt의 증착 및 계면의 최종 열처리에 의해 생성된다.
그러나, 셸(20)은 또한, 얇은 층으로서, 즉, 1 내지 5의 단분자층들 두께의 층으로서, 예를 들어, SAM(self assembly monolayers)에 의해 형성될 수 있다.
상술된 예시적인 실시예에 다른 방식으로 대응하는 대안적인 예시적인 실시예에서, MnAlC로 이루어진 SAM(self assembly monolayers)에 의해 형성된 보호층이 부가적으로 셸(20)에 적용된다.
구체적으로 도시되지 않은 추가의 예시적인 실시예들에서, 본 발명에 따른 나노로드는 상술된 나노로드(5)에 대응하지만, 코어는 변형으로서, FeCo로 이루어지기보다는, 상이한 자기적으로 연질인 재료로 이루어진다.
구체적으로 도시되지 않은 본 발명에 따른 나노로드들의 추가의 예시적인 실시예들은, 상기 예시적인 실시예들에서 기술된 나노로드들에 대응하지만, 이러한 예시적인 실시예들에서, 셸은 변형으로서, FePt로 이루어지기보다는, CoPt, FePd MnAlC 또는 자기적으로 경질의 희토류 화합물들, 이를 테면, SmCo 또는 NdFeB 또는 경질 페라이트들로 이루어진다. MnAlC의 경우, 셸은 마찬가지로, 동시에, 나노로드를 위한 방식 보호층(anti-corrosion protective layer)으로서 작용한다.
상술된 바와 같은 나노로드들의 앙상블(30), 예를 들어, 나노로드들(5)의 앙상블(30)은, 도 2에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 영구 자석(40)의 일부분이다.
이러한 경우, 앙상블(30)의 나노로드들(5)은 우선 방향을 갖는다. 도시된 예시적인 실시예에서, 나노로드들(5)은 서로 평행하게 배향된다. 평행 배향의 목적들을 위해, 앙상블(30)의 나노로드들(5)은, 예를 들어, 알루미늄으로 이루어진 매트릭스(matrix)에 위치된다(상세하게 도시되지 않음). 매트릭스의 표면은 복수의 기공(pore)들을 갖고, 이들은 서로 평행하게 매트릭스로 연장되는 나노스코픽 블라인드 홀(nanoscopic blind hole)들의 개구들을 형성한다. 나노로드들(5)은 서로 평행하게 연장되는 이러한 블라인드 홀들에 위치되고, 나노로드들의 최장 치수들은 블라인드 홀들의 범위의 방향을 따라 연장된다. 결과적으로, 나노로드들(5)은 블라인드 홀들의 상호 평행한 배향을 따라 서로 평행하게 배향된다. 예시로, 이러한 방식으로 배향된 나노로드들은 Narayanan 등에 의해 기술된 방식(Nanoscale Res. Lett. 2010 5, 164-168, 특히 도 1 및 연관된 텍스트)으로 생성될 수 있다.
나노로드들의 평행한 배향의 결과로서, 개별적인 나노로드들의 영구 자기장들은, 나노로드들의 앙상블의 상응하게 세장된 총 필드를 제공하도록 결합되고, 및 결국 이러한 방식으로 실현된 영구 자석(40)은 충분히 크게 영구적으로 자기장을 갖는다.
도 3에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 발전기(60)는, 그 자체로 알려진 방식으로, 영구 자석들(40)에 의해 형성된 회전자-고정자 조립체(50)를 갖는다. 종래 기술과 대조적으로, 이러한 경우, 회전자-고정자 조립체(50)의 영구 자석들은 본 발명에 따른 영구 자석들(40)로 형성된다.
구체적으로 도시되지 않은 예시적인 실시예에서, 회전자-고정자 조립체(50)는 본 발명에 따른 모터의 컴포넌트 부분(component part)이다.

Claims (15)

  1. 나노입자(nanoparticle)로서,
    적어도 제 1, 자화가능 및/또는 자화된 재료로 형성되는 세장형 코어(elongated core)(10), 및
    상기 코어를 에워싸고, 적어도 자기결정 이방성(magnetocrystalline anisotropy)을 갖는 제 2 재료로 형성되는 셸(shell)(20)
    을 적어도 포함하는,
    나노입자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 재료는, 적어도 볼륨 재료(volume material)로서, 자기적으로 연질(magnetically soft)인,
    나노입자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 재료는 강자성 재료, 특히 Fe, 바람직하게는, Fe를 갖는 고용체(solid solution) 및/또는 합금, 특히 NiFe 또는 CoFe로 형성되는,
    나노입자.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 재료는 자기적으로 경질(magnetically hard)인,
    나노입자.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 재료는 자기결정 이방성을 갖는 재료, 바람직하게는 MnBi 및/또는 MnAlC 및/또는 FePt로 형성되고, 상기 FePt는 특히 Fe 상에의 Pt의 증착 및 그 후의 가열에 의해 형성되는,
    나노입자.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노입자는, 나노로드(nanorod)(5) 및/또는 나노와이어(nanowire)의 형태인,
    나노입자.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노입자의 볼륨 비율(volumetric proportion)의 적어도 절반이 상기 코어(10)에 할당되는,
    나노입자.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노입자는 부식, 특히 산화로부터 보호하도록 설계된 외부 보호층을 갖는,
    나노입자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 셸(20)은 상기 보호층의 적어도 일부를 형성하는,
    나노입자.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 보호층은, 상기 셸(20)의 외부면을, 그 전체 범위에 걸쳐, 그리고 바람직하게는 그 전체 영역에 걸쳐 커버(cover)하는,
    나노입자.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호층은 SAM(self assembly monolayers)으로 형성되는,
    나노입자.
  12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호층은 FePt로 형성되고, 상기 FePt는 특히 Fe 상에의 Pt의 증착 및 그 후의 가열에 의해 형성되는,
    나노입자.
  13. 영구 자석(permanent magnet)으로서,
    제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 복수의 나노입자들(30)
    을 포함하는,
    영구 자석.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 나노입자들은, 상기 나노입자들의 최장 치수들의 배향들이 우선 방향(preferential direction)을 갖는 방식으로 배열되는,
    영구 자석.
  15. 모터 또는 발전기(motor or generator)로서,
    제 13 항 또는 제 14 항에 따른 적어도 하나의 영구 자석(40)
    을 갖는,
    모터 또는 발전기.
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