KR20180091261A - SmFeN계 영구 자석 및 이 자석의 제조 방법 - Google Patents

SmFeN계 영구 자석 및 이 자석의 제조 방법 Download PDF

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한종수
이영재
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이정은
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Abstract

실시 예에 의한 SmFeN계 영구 자석은 SmFeN계 자석 분말 및 SmFeN계 자석 분말의 용융점보다 낮은 용융점을 갖는 물질을 포함하며, SmFeN계 자석 분말을 둘러싸며 배치된 보호층을 포함한다.

Description

SmFeN계 영구 자석 및 이 자석의 제조 방법{SmFeN permanent magnet and method for manufacturing the magnet}
실시 예는 SmFeN계 영구 자석 및 이 자석의 제조 방법에 관한 것이다.
최근에. 자동차용 모터나 승강기(elevator)용 모터 등의 모터류에 Nd-Fe-B 계 영구 자석이 사용되고 있다. 이러한 영구 자석은 그의 용도에 따라, 고온이나 습기가 많은 환경 특히, 염분을 함유한 습기에 노출될 수 있다. 따라서, 높은 내식성을 가지면서도 낮은 제조 비용으로 제조될 수 있는 영구 자석이 요구되고 있다. 예를 들어, 모터류는 그의 제조 공정에서 단시간이지만 영구 자석이 300℃ 이상으로 가열될 수 있어, 영구 자석의 높은 내식성이 요구된다.
현존하는 최강의 자력을 보유한 Nd-Fe-B 희토류 영구 자석은 자력을 상실하는 큐리 온도가 300℃ 근처이다. 따라서, 중희토류 원소인 Dy 또는 Tb 등을 첨가하여 고온 환경 하에서 Nd-Fe-B 희토류 영구 자석의 자력 유지를 도모한다.
그러나, 중희토류 원소인 Dy와 Tb는 고가이므로 이를 극복하기 위한 다양한 방법들이 연구되고 있다. 예를 들어, 고온 환경 하에서 중희토류 원소의 사용량을 줄이기 위한 기술들이 연구되고 있으며, Nd-Fe-B 희토류 영구 자석을 대체하는 새로운 영구 자석에 대한 재료가 연구되고 있다. Nd-Fe-B 희토류 영구 자석을 대체하는 후보 가운데 하나로서 Sm-Fe-N계 영구 자석이 있다.
그러나, Sm-Fe-N계 영구 자석의 재료는 600℃ 이상의 온도에서 α-Fe와 SmN이 상분해 되므로, 통상적인 영구 자석 제조 기술로는 소결 자석으로 제조할 수 없다. 이로 인해, 자석의 성능을 개선시키는 데 한계가 있다.
실시 예는 우수한 자기 특성을 갖는 저가의 SmFeN계 영구 자석 및 이 자석의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 의한 SmFeN계 영구 자석은, SmFeN계 자석 분말; 및 상기 SmFeN계 자석 분말의 용융점보다 낮은 용융점을 갖는 물질을 포함하며, 상기 SmFeN계 자석 분말을 둘러싸며 배치된 보호층을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 보호층은 비자성 물질을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 보호층은 Cu, Zn, P 또는 Al 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 보호층에 의해 둘러싸인 상기 SmFeN계 자석 분말의 크기는 400 ㎚ 내지 2 ㎛일 수 있다.
다른 실시 예에 의한 SmFeN계 영구 자석 제조 방법은, 보호층에 SmFeN계 자석 분말을 형성하는 단계; 및 상기 보호층에 형성된 상기 SmFeN계 자석 분말을 소결시켜, 상기 SmFeM계 자석 분말이 상기 보호층에 의해 둘러싸인 SmFeM계 영구 자석을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 보호층은 상기 SmFeN계 자석 분말의 용융점보다 낮은 용융점을 갖는 물질을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 SmFeN계 자석 분말을 형성하는 단계는 상기 보호층의 일부인 제1 보호층을 준비하는 단계; 상기 제1 보호층 상부에 상기 SmFeN계 자석 분말을 스프레이하는 단계; 및 상기 SmFeN계 자석 분말의 상부에 상기 보호층의 타부인 제2 보호층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 또는, 상기 SmFeN계 자석 분말을 형성하는 단계는 상기 보호층의 일부인 제1 보호층을 준비하는 단계; 및 상기 보호층의 타부인 제2 보호층과 상기 SmFeN계 자석 분말이 혼합된 결과물을 상기 제1 보호층의 상부에 스프레이하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 보호층은 비자성 물질을 포함할 수 있다. 상기 보호층은 Cu, Zn, P 또는 Al 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 스프레이하는 가스 압력은 0.7 ㎫ 내지 2.1 ㎫이고, 가스 온도는 200 ℃ 내지 500 ℃일 수 있다.
실시 예에 따른 SmFeN계 영구 자석 및 이 자석의 제조 방법은 우수한 자기 특성을 갖고 고온 환경 하에서 안정적인 성능을 발휘할 수 있어 기존의 NdFeB 영구 자석을 대체할 수 있고, 전장용이나 가전용 등 영구 자석을 채용한 부품의 원가를 절감시켜 가격 안정화에 크게 기여할 수도 있다.
도 1a 및 도 1b는 실시 예에 의한 SmFeN계 영구 자석의 단면도를 나타낸다.
도 2는 실시 예에 의한 SmFeN계 영구 자석의 제조 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 3a 내지 도 3d는 도 1a에 도시된 SmFeN계 영구 자석을 제조하는 방법을 설명하기 위한 실시 예에 의한 공정 단면도이다.
도 4a 내지 도 4d는 도 1b에 도시된 SmFeN계 영구 자석을 제조하는 방법을 설명하기 위한 실시 예에 의한 공정 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 스프레이된 SmFeN계 자석 분말을 확대한 사진을 나타낸다.
도 6a 및 6b는 표 1에서 CASE 1과 CASE 2의 면내 방향 및 면외 방향의 히스테리시스 곡선을 각각 나타내는 그래프이다.
도 7a는 SPM 모터의 단면도를 나타내고, 도 7b는 IPM 모터의 단면도를 나타낸다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 실시 예의 설명에 있어서, 각 구성요소(element)의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 구성요소(element)가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 구성요소(element)가 상기 두 구성요소(element) 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"로 표현되는 경우 하나의 구성요소(element)를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서 이용될 수도 있다.
도 1a 및 도 1b는 실시 예에 의한 Sm-Fe-N계 영구 자석(이하, 'SmFeN계 영구 자석'이라 함)(100A, 100B)의 단면도를 나타낸다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 실시 예에 의한 SmFeN계 영구 자석(100A, 100B)은 보호층(또는, 코팅층)(110) 및 SmFeN계 자석 분말(120)을 포함할 수 있다.
보호층(110)은 SmFeN계 자석 분말(120)을 둘러싸며 배치될 수 있다. 이때, 보호층(110)은 SmFeN계 자석 분말(120)의 용융점보다 낮은 용융점을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 왜냐하면, 후술되는 바와 같이, 소결 공정 동안 보호층(110)이 먼저 액상화되어 SmFeN계 자석 분말(120)로부터 질소의 이탈을 방지하고, SmFeN계 영구 자석의 상분해를 방지하기 위함이다. 이에 대해서는 상세히 후술된다.
또한, 전술한 역할을 수행하기 위해 보호층(110)은 비자성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 보호층(110)은 Cu, Zn, P 또는 Al 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 실시 예는 보호층(110)의 특정한 물질에 국한되지 않는다. 즉, SmFeN계 자석 분말(120)의 용융점보다 낮은 용융점을 갖는 물질이면 보호층(110)을 구현하기 위해 이용될 수 있다.
일반적으로 SmFeN계 자석 분말(120)의 크기가 작을수록 보자력(Hc)이 개선될 수 있다. 실시 예에 의하면, 보호층(110)에 의해 둘러싸인 SmFeN계 자석 분말(120)이 구형일 경우, SmFeN계 자석 분말(120)의 직경(L)은 400 ㎚ 내지 2 ㎛일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
보호층(110)에 의해 둘러싸인 SmFeN계 자석 분말(120)은 도 1a에 도시된 바와 같이 다층 형태일 수도 있고, 도 1b에 도시된 바와 같이 단층 형태일 수도 있으며, 실시 예는 보호층(110)에 감싸진 SmFeN계 자석 분말(120)의 특정한 적층 형태에 국한되지 않는다.
또한, 도 1a 및 도 1b에 도시된 SmFeN계 자석 분말(120)은 원형 단면 형상을 갖는 것으로 예시되어 있지만, 실시 예는 SmFeN계 자석 분말(120)의 특정한 단면 형상에 국한되지 않는다.
이하, SmFeN계 영구 자석의 실시 예에 의한 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 2는 실시 예에 의한 SmFeN계 영구 자석의 제조 방법(200)을 설명하기 위한 플로우차트이다. 이해를 돕기 위해, 도 2에 도시된 제조 방법(200)은 도 1a 및 도 1b에 도시된 SmFeN계 영구 자석을 제조하는 것으로 설명하지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 도 1a 및 도 1b에 도시된 실시 예에 의한 SmFeN계 영구 자석(100a, 100b)은 도 2에 도시된 SmFeN계 영구 자석 제조 방법(200) 이외의 방법으로 제조될 수도 있고, 도 2에 도시된 방법은 도 1a 및 도 1b에 도시된 실시 예에 의한 SmFeN계 영구 자석(100a, 100b) 이외의 SmFeN계 영구 자석을 제조하는 데 적용될 수도 있다.
실시 예에 의한 SmFeN계 영구 자석 제조 방법(200)을 간략히 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 보호층에 SmFeN계 자석 분말을 형성한다(제210 단계). 예를 들어, 보호층에 SmFeN계 자석 분말을 스프레이(spray)하여 형성할 수 있다. 보호층은 SmFeN계 자석 분말의 용융점보다 낮은 용융점을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 보호층은 비자성 물질을 포함하며, 예를 들어, Cu, Zn, P 또는 Al 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
제210 단계 후에, 보호층에 SmFeN계 자석 분말이 형성된 결과물을 소결시켜, SmFeN계 자석 분말이 보호층에 의해 둘러싸인 SmFeM계 영구 자석을 생성한다(제220 단계). 예를 들어, 제220 단계에서 수행되는 소결 공정의 온도는 200 ℃ 내지 500 ℃일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 소결시에 SmFeN계 자석 분말보다 보호층이 먼저 액상화되어, SmFeN계 자석 분말을 보호할 수만 있다만, 소결 공정의 온도는 200 ℃ 내지 500 ℃에 국한되지 않는다.
이하, 도 2에 도시된 방법(200)을 도 1a 및 도 1b를 참조하여 다음과 같이 상세히 설명한다.
먼저, 도 1a에 도시된 SmFeN계 영구 자석(100A)은 도 2에 도시된 방법(200)에 의해 다음과 같이 생성될 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 도 1a에 도시된 SmFeN계 영구 자석(100A)을 제조하는 방법을 설명하기 위한 실시 예에 의한 공정 단면도이다.
도 2에 도시된 제210 단계는 다음과 같이 수행된다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 보호층(110)의 일부인 제1 보호층(110A)을 준비한다. 제1 보호층(110A)은 플레이트(plate) 형상을 가질 수 있으나, 실시 예는 제1 보호층(110A)의 특별한 단면 형상에 국한되지 않는다.
이후, 도 3b에 도시된 바와 같이, 제1 보호층(110A) 상부에 SmFeN계 자석 분말(120A)을 스프레이(spray)함으로써, 제1 보호층(110A)에 SmFeN계 자석 분말(120A)을 형성할 수 있다.
이후, 도 3c에 도시된 바와 같이 스프레이된 SmFeN계 자석 분말(120A)의 상부에 보호층(110)의 타부인 제2 보호층(110B)을 형성한다. 이때, 제2 보호층(110B)을 SmFeN계 자석 분말(120A)의 상부에 형성하는 방법은 다양할 수 있다. 일 례로서, 제2 보호층(110B)을 스프레이하여 형성할 수 있다.
전술한 도 3a 내지 도 3c에 도시된 공정은 보호층(110)에 SmFeN계 자석 분말(120A)을 형성하는 제210 단계에 해당할 수 있다.
도 2에 도시된 제220 단계는 다음과 같이 수행된다.
제210 단계를 수행한 이후, 제1 및 제2 보호층(110:110A, 110B)의 사이에 SmFeN계 자석 분말(120A)이 삽입된 도 3c에 도시된 결과물을 소결하여 도 3d에 도시된 바와 같은 SmFeN계 영구 자석(100A)을 생성한다. 보호층(110)은 SmFeN계 자석 분말(120A)의 용융점보다 낮은 용융점을 갖기 때문에, 소결 공정에서 온도가 가해질 때 보호층(110)이 액상화된다. 따라서, 도 3d에 도시된 바와 같이 SmFeN계 자석 분말(120)의 상부뿐만 아니라 측부도 보호층(110)이 감싸는 형태의 SmFeN계 영구 자석(100A)이 생성될 수 있다. 이와 같이, 보호층(110)이 먼저 액상화되어 SmFeN계 자석 분말(120A)을 감쌀 경우 질소가 이탈됨이 방지될 수 있고, SmFeN계 영구 자석(100A)의 상분해가 방지될 수 있다.
다음, 도 1b에 도시된 SmFeN계 영구 자석(100B)은 도 2에 도시된 방법(200)에 의해 다음과 같이 생성될 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 도 1b에 도시된 SmFeN계 영구 자석(100B)을 제조하는 방법을 설명하기 위한 실시 예에 의한 공정 단면도이다.
도 2에 도시된 제210 단계는 다음과 같이 수행된다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 보호층(110)의 일부인 제1 보호층(110A)을 준비한다. 제1 보호층(110A)은 플레이트(plate) 형상을 가질 수 있으나, 실시 예는 제1 보호층(110A)의 특별한 단면 형상에 국한되지 않는다.
이후, 도 4b에 도시된 바와 같이, 보호층(110)의 타부인 제2 보호층(110B)과 SmFeN계 자석 분말(120A)을 혼합한다. 제2 보호층(110B)은 코어 셀(core-shell) 형태로 SmFeN계 자석 분말(120A)을 둘러싸는 형태로 혼합될 수 있다.
도 4a에 도시된 제1 보호층(110A)을 준비하는 공정과 도 4b에 도시된 제2 보호층(110B)과 SmFeN계 자석 분말(120A)을 혼합하는 공정은 동시에 수행될 수도 있다. 또는, 도 4b에 도시된 바와 같이 제2 보호층(110B)과 SmFeN계 자석 분말(120A)을 혼합하는 공정을 수행한 이후에 도 4a에 도시된 제1 보호층(110A)을 준비하는 공정을 수행할 수도 있다.
이후, 제2 보호층(110B)과 SmFeN계 자석 분말(120A)이 혼합된 도 4b에 도시된 결과물을 도 4a에 도시된 제1 보호층(110A)의 상부에 스프레이하여, 도 4c에 도시된 바와 같이 제1 보호층(110A) 상부에 혼합된 결과물(110B, 120A)을 형성한다.
전술한 도 4a 내지 도 4c에 도시된 공정은 보호층(110)에 SmFeN계 자석 분말(120A)을 형성하는 제210 단계에 해당한다.
도 2에 도시된 제220 단계는 다음과 같이 수행된다.
제210 단계를 수행한 이후, 도 4c에 도시된 결과물을 소결하여 도 4d에 도시된 바와 같은 SmFeN계 영구 자석(100B)을 생성한다. 보호층(110)은 SmFeN계 자석 분말(120A)의 용융점보다 낮은 용융점을 갖기 때문에, 소결 공정에서 온도가 가해질 때 보호층(110)이 액상화된다. 따라서, 도 4d에 도시된 바와 같이 SmFeN계 자석 분말(120)의 상부뿐만 아니라 측부도 보호층(110)이 감싸는 형태의 SmFeN계 영구 자석(100B)이 생성될 수 있다. 이와 같이, 보호층(110)이 먼저 액상화되어 SmFeN계 자석 분말(120A)을 감쌀 경우 질소가 이탈됨이 방지될 수 있고, SmFeN계 영구 자석(100B)의 상분해가 방지될 수 있다.
전술한 공정에서, 도 3b에 도시된 바와 같이 SmFeN계 자석 분말(120A)을 스프레이하는 공정 또는 도 4b에 도시된 혼합된 결과물을 도 4c에 도시된 바와 같이 스프레이하는 공정 또는 도 3c에 도시된 제2 보호층(110B)을 스프레이하는 공정 중 적어도 하나는 초음속 코팅 기술(예를 들어, cold spray)에 의해 수행될 수 있다. 이와 같이, 초음속 코팅 기술에 의해 SmFeN계 자석 분말(120A)(또는, 도 4b에 도시된 혼합된 결과물)이 스프레이될 경우, 스프레이되기 전의 SmFeN계 자석 분말(120A)의 크기는 감소될 수 있다.
실시 예에 의하면, SmFeN계 자석 분말(120A)의 크기를 다양한 방법으로 감소시킬 수 있다.
일 례로서, 스프레이되는 SmFeN계 자석 분말(120A)의 개수를 증가시킬 경우, SmFeN계 자석 분말(120A)의 크기는 감소될 수 있다.
다른 례로서, 스프레이하는 가스의 압력 또는 온도 중 적어도 하나를 증가시킬 경우, SmFeN계 자석 분말(120A)의 크기는 감소될 수 있다.
전술한 바와 같이 SmFeN계 자석 분말(120A)의 크기를 감소시키는 이유는, 보호층(110)에 의해 둘러싸인 SmFeN계 자석 분말(120A)의 크기가 작을수록 보자력이 개선되기 때문이다.
도 5a 내지 도 5c는 스프레이된 SmFeN계 자석 분말(120)을 확대한 사진을 나타낸다. 도 5b는 도 5a에 도시된 ①번 부분을 확대한 사진이고, 도 5c는 도 5a에 도시된 ②번 부분을 확대한 사진에 해당한다.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, SmFeN계 자석 분말(120)은 스프레이되는 동안 크기가 작아짐을 알 수 있다. 예를 들어, cold spray하기 이전에 SmFeN계 자석 분말(120A)의 크기는 0.5 ㎛ 내지 3 ㎛인 반면, cold spray를 할 경우 SmFeN계 자석 분말(120A)의 크기는 400 ㎚ 내지 2 ㎛까지 줄어들 수 있다.
결국, cold spray에 의해 SmFeN계 자석 분말(120A)을 스프레이함으로써, SmFeN계 영구 자석(100A, 100B)은 치밀화되어 자기 성능이 향상될 수 있다.
스프레이하는 가스 압력은 0.7 ㎫ 내지 2.1 ㎫이고, 가스 온도는 200 ℃ 내지 500 ℃일 수 있다. 예를 들어, 스프레이하는 가스 압력과 가스 온도에 따라, 제220 단계를 수행한 이후에 제230 단계를 수행하기 이전의 결과물에 대해 측정한 보자력(Hc)은 다음 표 1과 같이 획득되었다.
구 분 가스압력
(㎫)		 가스 온도
(℃)		 in-plane out-of-plane
Hc(Oe) Hc(Oe)
CASE 1 - - 4,543.4 2,736.7
CASE 2 0.7 200 3,022.2 3,453.5
350 7,094.6 5,479.9
500 8,282.5 7,474.6
1.4 200 7,981.7 7,148.4
350 7,397.7 7,087.6
500 7,962.3 6,863.1
2.1 200 6,348.9 5,955.5
350 8,574.9 7,625.8
500 8,513.9 7,856.5
표 1에서, CASE 1은 cold spray하기 이전의 SmFeN계 자석 분말(120A) 자체에 대한 보자력에 해당하고, CASE 2는 실시 예에서와 같이 cold spray된 SmFeN계 자석 분말(120A)의 보자력을 나타낸다. 면외 방향(out-of-plane)이란 소결되기 이전의 SmFeN계 영구 자석(100A, 100B)과 수직한 방향을 의미하고, 면내 방향(in-plane)이란 소결되기 이전의 SmFeN계 영구 자석(100A, 100B)의 면 방향을 의미한다.
표 1을 참조하면, CASE 2의 여러 조건 중에서 가스 압력이 0.7㎫이고 가스 온도가 200℃를 제외한 모든 조건에서, SmFeN계 자석 분말(120A)을 cold spray할 경우 면내 방향의 보자력이 CASE 1보다 개선됨을 알 수 있다. 또한, 가스 압력이 0.7 ㎫ 내지 2.1 ㎫이고 가스 온도가 200℃ 내지 500℃인 모든 조건에서, SmFeN계 자석 분말(120A)을 cold spray할 경우 면외 방향의 보자력이 CASE 1보다 개선됨을 알 수 있다.
도 6a는 표 1에서 CASE 1과 CASE 2의 면내 방향(in-plane)의 히스테리시스 곡선(hysteresis curve)을 나타내는 그래프이고, 도 6b는 표 1에서 CASE 1과 CASE 2의 면외 방향(out-of-plane)의 히스테리시스 곡선을 나타내는 그래프로서, 각 그래에서 횡축은 외부에서 인가된 자장의 강도(H)를 나타내며 단위는 Oe이며, 종축은 M/MS값을 나타낸다. 여기서, M/MS값은 자장 내에 자성 물질이 놓여 있을 때 자성 물질에 유도되는 자화(magnetization)를 정규화한(normalized) 값을 의미한다
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 표 1의 CASE 2에서 가스 압력을 2.1㎫로 하고 가스 온도를 500℃로 할 경우 표 1의 CASE 1보다 면내 방향과 면외 방향 모두에서 자기 특성이 더 우수함을 알 수 있다.
또한, SmFeN계 영구 자석(100A, 100B)에서 보호층(110)에 포함되는 비자성 원소 예를 들어 Cu, Zn 또는 Al 등의 함량을 최소화할 경우, SmFeN계 영구 자석(100A, 100B)의 자기 특성이 더욱 높아질 수 있다.
전술한 바와 같이, 476℃의 큐리 온도를 가지며 600℃ 이상의 온도에서 α- Fe와 SmN이 상분해되고 고온 안정성이 우수한 SmFeN계 영구 자석을 제조함에 있어서, 보호층(110)에 의해 SmFeN계 자석 분말(120A)을 둘러싼 후에 소결을 진행한다. 이때, 보호층(110)은 SmFeN계 자석 분말(120A)의 용융점보다 낮은 용융점을 갖는 물질을 포함한다. 따라서, 소결 공정에서 온도가 가해질 때 보호층(110)이 액상화되기 때문에 SmFeN계 자석 분말(120A)의 질소가 이탈됨이 방지될 수 있고, SmFeN계 영구 자석의 상분해가 방지될 수 있다. 만일, SmFeN계 영구 자석(100A, 100B)을 생성하기 위한 소결 공정에서 질소가 이탈될 경우 질소의 함량이 작아짐으로써 SmFeN계 영구 자석(100A, 100B)의 자성이 원하지 않게 변할 수 있다. 그러나, 실시 예에 의하면, 소결 공정 동안 보호층(110)에 의해 질소의 이탈을 방지함으로써, 원하는 자성을 갖는 SmFeN계 영구 자석(100A, 100B)을 생성할 수 있다. 이와 같이, 실시 예에 의한 SmFeN계 영구 자석(100A, 100B)은 우수한 자기 특성을 갖고 고온 환경 하에서 안정적인 성능을 발휘할 수 있어, 기존의 NdFeB 영구 자석을 대체할 수 있다.
또한, 기존의 NdFeB 영구 자석의 경우 고가의 Dy 또는 Tb를 사용하는 반면, 실시 예에 의한 SmFeN계 영구 자석(100A, 100B)은 저가의 경희토류 원소인 Sm을 사용하므로, 전장용이나 가전용 등 영구 자석을 채용한 부품의 원가를 절감시켜 가격 안정화에 크게 기여할 수도 있다.
실시 예에 의한 SmFeN계 영구 자석(100A, 100B)은 자동차나 승강기 등에 사용되는 모터 등에 적용될 수 있다.
이하, 실시 예에 의한 SmFeN계 영구 자석(100A, 100B)을 포함하는 모터의 일 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 살펴본다.
도 7a는 SPM(Surface Permanent Magnet) 모터의 단면도를 나타내고, 도 7b는 IPM(Interior Permanent Magnet) 모터의 단면도를 나타낸다.
에너지 고효율 모터로서, 영구 자석(PM:Permanent Magment) 모터가 있다. 영구 자석 모터는 도 7a에 도시된 SPM 모터와 도 7b에 도시된 IMP 모터로 구분될 수 있다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 SPM 모터 및 IMP 모터 각각은 고정자(stator)(402, 412), 고정자 권선(stator winding) 슬롯(404, 414), 영구 자석(406, 416) 및 회전자(rotor)(408, 418)를 포함할 수 있다.
고정자(402, 412)는 그 내부가 원통형으로 관통되는 링 형상의 단면을 갖는다. 고정자(402, 412)의 내주면에는 고정자(402, 412)를 관통하는 방향으로 연장되는 복수의 고정자 권선 슬롯(404, 414)이 형성된다. 코일이 권선 슬롯(404, 414)을 따라 그 연장 방향으로 권선될 수 있다. 권선 슬롯(404, 414)의 수는 모터의 설계에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어, 27개의 권선 슬롯(404, 414)이 일정한 간격으로 배치될 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
또한, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이 원통형으로 관통된 고정자(402, 412)의 내부에는 회전자(408, 418)가 배치될 수 있다. 이때 회전자(408, 418)는 고정자(402, 412)가 관통된 공간에 설치되는 원통형 부재로서, 고정자(402, 412)에 권취된 코일에 전류가 흐름에 따라 발생하는 전자기력을 받아 회전할 수 있도록 복수의 영구자석(406, 416)을 포함하여 구성될 수 있다. 회전자(408, 418)에는 회전축(도면 미도시) 등이 연결되어 압축기 내부에 구비되는 압축부로 회전력을 전달할 수도 있다. 이를 위해, 회전자(404, 418)에 영구 자석(406, 416)이 삽입될 수 있도록 회전자(408, 418)의 회전축에 나란하게 관통 형성되는 복수의 삽입공이 형성될 수 있다. 삽입공에는 각각 영구 자석(406, 416)이 회전자(408, 418)의 회전축 방향으로 삽입될 수 있다, 이때 인접한 삽입공에는 서로 다른 극을 갖는 영구 자석(406, 416)이 삽입될 수 있다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 영구 자석(406, 416)으로서, 전술한 실시 예에 의한 SmFeN계 영구 자석(100A, 100B)이 사용될 수 있다. 이때, 실시 예에 의한 SmFeN계 영구\ 자석(100A, 100B)은 SmFeN계 자석 분말(120)의 크기 감소로 인해 보자력(Hc)이 크기 때문에 도 7a 또는 도 7b에 도시된 모터에 적용되어, 고정자(stator)(412)의 코일에 대전류를 보낼 수 있게 설계될 수 있어, 모터의 성능을 개선시킬 수 있다. 즉, SmFeN계 영구 자석(100A, 100B)을 모터에 실장 시에 발생하는 역자계 방향은 대부분 면외 방향과 반대 방향으로서, 이 방향으로 보자력(Hc)이 클수록 성능이 우수해진다. 이를 고려할 때, 고정자 코일에 전류가 흐르면서 자석에 역자계(외부 자기장)가 형성되는 데, 보자력(Hc)이 크면 이 역자계에 견딜 수 있는 능력이 향상되어 모터의 성능이 개선될 수 있다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100A, 100B: SmFeN계 영구 자석 110, 110A, 110B: 보호층
120, 120A: SmFeN계 자석 분말 402, 412: 고정자
404, 414: 고정자 권선 슬롯 406, 416: 영구 자석
408, 418: 회전자

Claims (8)

  1. SmFeN계 자석 분말; 및
    상기 SmFeN계 자석 분말의 용융점보다 낮은 용융점을 갖는 물질을 포함하며, 상기 SmFeN계 자석 분말을 둘러싸며 배치된 보호층을 포함하는 SmFeN계 영구 자석.
  2. 제2 항에 있어서, 상기 보호층은 비자성 물질을 포함하는 SmFeN계 영구 자석.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 보호층은 Cu, Zn, P 또는 Al 중 적어도 하나를 포함하는 SmFeN계 영구 자석.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 보호층에 의해 둘러싸인 상기 SmFeN계 자석 분말의 크기는 400 ㎚ 내지 2 ㎛인 SmFeN계 영구 자석.
  5. 보호층에 SmFeN계 자석 분말을 형성하는 단계; 및
    상기 보호층에 형성된 상기 SmFeN계 자석 분말을 소결시켜, 상기 SmFeM계 자석 분말이 상기 보호층에 의해 둘러싸인 SmFeM계 영구 자석을 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 보호층은 상기 SmFeN계 자석 분말의 용융점보다 낮은 용융점을 갖는 물질을 포함하는 SmFeN계 영구 자석 제조 방법.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 SmFeN계 자석 분말을 형성하는 단계는
    상기 보호층의 일부인 제1 보호층을 준비하는 단계;
    상기 제1 보호층 상부에 상기 SmFeN계 자석 분말을 스프레이하는 단계; 및
    상기 SmFeN계 자석 분말의 상부에 상기 보호층의 타부인 제2 보호층을 형성하는 단계를 포함하는 SmFeN계 영구 자석 제조 방법.
  7. 제5 항에 있어서, 상기 SmFeN계 자석 분말을 형성하는 단계는
    상기 보호층의 일부인 제1 보호층을 준비하는 단계; 및
    상기 보호층의 타부인 제2 보호층과 상기 SmFeN계 자석 분말이 혼합된 결과물을 상기 제1 보호층의 상부에 스프레이하는 단계를 포함하는 SmFeN계 영구 자석 제조 방법.
  8. 제6 항 또는 제7 항에 있어서, 상기 스프레이하는 가스 압력은 0.7 ㎫ 내지 2.1 ㎫이고, 가스 온도는 200 ℃ 내지 500 ℃인 SmFeN계 영구 자석 제조 방법.
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