KR20180091262A - 희토류 자석 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
실시 예의 희토류 자석은 a-b-c(a는 Sm, Ti, Nb, Al, V, Mn, Sn, Ca, Mg, Pb, Sb, Zn, Si, Zr, Cr, Ni, Cu, Ga, Mo, W 또는 Ta를 포함하고, b는 Fe 또는 Fe 및 Co를 포함하고, c는 N 또는 B를 포함)로 표기되는 희토류 영구 자석과, 희토류 영구 자석의 표면에 코팅되며 제1 자성 물질을 포함하는 제1 코팅층 및 제1 코팅층의 표면에 코팅되며, 제2 자성 물질과 첨가제를 포함할 수 있다.
Description
실시 예는 희토류 자석 및 이를 제조하는 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.
또한, Nd-Fe-B계 영구 자석은 공기와 접촉되면 쉽게 산화되므로 자력이 감소할 수 있어, 영구 자석의 표면을 도금 및 코팅 처리하여 영구 자석의 표면에 보호층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 보호층은 인산염 피막이나, 에폭시나, 전해/무전해 Ni 및 Al을 포함할 수 있다.
영구 자석의 표면에 형성되는 기존의 보호층은 비자성 물질로 이루어지기 때문에 영구 자석의 성능의 저하를 야기할 수 있다.
또한, 영구 자석의 표면에 보호층을 인산염 피막으로 형성할 경우 핀홀(pin hole)이 상대적으로 많이 존재하기 때문에, 염분을 함유한 습기에 노출된 영구 자석에 녹이 슬 수도 있다.
또한, 영구 자석의 표면에 보호층을 수지 도장에 의해 형성할 경우 내식성 및 내열성이 부족할 수 있다.
실시 예는 개선된 자성 특성과 신뢰성과 낮은 비용으로 제조될 수 있는 희토류 자석 및 이를 제조하는 방법을 제공한다.
일 실시 예에 의한 희토류 자석은 a-b-c(a는 Sm, Ti, Nb, Al, V, Mn, Sn, Ca, Mg, Pb, Sb, Zn, Si, Zr, Cr, Ni, Cu, Ga, Mo, W 또는 Ta를 포함하고, b는 Fe 또는 Fe 및 Co를 포함하고, c는 N 또는 B를 포함)로 표기되는 희토류 영구 자석; 상기 희토류 영구 자석의 표면에 코팅되며, 제1 자성 물질을 포함하는 제1 코팅층; 및 상기 제1 코팅층의 표면에 코팅되며, 제2 자성 물질과 첨가제를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 코팅층은 상기 첨가제를 포함하지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 및 제2 자성 물질 각각은 코발트(Co)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 첨가제는 캐리어 또는 광택제 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 캐리어는 사카린 나트륨 염수화물(Saccharin sodium salt hydrate), 나트륨 알릴설폰산염(Sodium allylsulfonate) 또는 물(H2O) 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 광택제는 프로파르길 알코올(propargyl alcohol) 또는 물(H2O) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 및 제2 코팅층 각각은 2 ㎛ 내지 9 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
다른 실시 예에 의한 희토류 자석 제조 방법은, a-b-c(a는 Sm, Ti, Nb, Al, V, Mn, Sn, Ca, Mg, Pb, Sb, Zn, Si, Zr, Cr, Ni, Cu, Ga, Mo, W 또는 Ta를 포함하고, b는 Fe 또는 Fe 및 Co를 포함하고, c는 N 또는 B를 포함)로 표기되는 희토류 영구 자석을 전처리하는 단계; 제1 자성 물질을 포함하는 제1 코팅층을 상기 희토류 영구 자석의 표면에 형성하는 단계; 및 제2 자성 물질을 포함하고 첨가제를 포함하는 제2 코팅층을 상기 제1 코팅층의 표면에 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 코팅층은 상기 첨가제를 포함하지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 전처리 단계는 상기 희토류 영구 자석의 침적을 탈지하는 단계; 상기 희토류 영구 자석을 전해 탈지하는 단계; 및 상기 희토류 영구 자석을 에칭하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 및 제2 자성 물질 각각은 코발트(Co)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 코팅층을 형성하는 단계는 Co를 포함하고 상기 첨가제를 포함하지 않은 제1 Co 도금액을 사용하여 전해 도금으로 상기 희토류 자석의 표면에 제1 Co 도금층을 상기 제1 코팅층으로서 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 코팅층을 형성하는 단계는 Co를 포함하고 상기 첨가제를 포함하는 제2 Co 도금액을 사용하여 전해 도금으로 상기 제1 코팅층의 표면에 제2 Co 도금층을 상기 제2 코팅층으로서 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 첨가제는 캐리어 또는 광택제 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 캐리어는 사카린 나트륨 염수화물(Saccharin sodium salt hydrate), 나트륨 알릴설폰산염(Sodium allylsulfonate) 또는 물(H2O) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 광택제는 프로파르길 알코올(propargyl alcohol) 또는 물(H2O) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 Co 도금액의 단위 리터에 포함된 상기 캐리어의 량은 1 ㎖ 내지 10 ㎖ 예를 들어, 10 ㎖일 수 있다. 상기 제2 Co 도금액의 단위 리터에 포함된 상기 광택제의 량은 1 ㎖일 수 있다.
실시 예에 따른 희토류 자석 및 이를 제조하는 방법은 내마모성, 대량 생산성 및 우수한 가격 경쟁력을 가지며, 개선된 자성을 가지며, 제조 원가를 절감시킬 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 의한 희토류 자석의 외관 사시도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 절개한 단면도를 나타낸다.
도 3은 실시 예에 의한 희토류 자석 제조 방법을 설명하기 위한 플로우차트를 나타낸다.
도 4a 내지 도 4f는 제1 내지 제3 경우 각각에서 외부에서 인가된 자장의 강도에 따른 M/MS값을 두께별로 나타내는 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 제1 및 제2 코팅층 각각에 대한 XRD 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6a 내지 도 6c는 희토류 영구 자석의 표면에 제1 코팅층만이 형성되고 제2 코팅층이 형성되지 않은 희토류 자석의 표면을 확대한 사진을 나타낸다.
도 7a 내지 도 7c는 희토류 영구 자석의 표면에 제2 코팅층만이 형성되고 제1 코팅층이 형성되지 않은 희토류 자석의 표면을 확대한 사진을 나타낸다.
도 8a 내지 도 8c는 표 2에 표기된 제3 내지 제5 례 각각에 대한 희토류 자석의 평면 모습을 나타낸다.
도 9a 및 도 9b는 표 2에 도시된 각 례별로 외부에서 인가되는 자장의 강도에 대한 자속 밀도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10은 다른 실시 예에 의한 희토류 자석의 외관 사시도를 나타낸다.
도 11a는 SPM 모터의 단면도를 나타내고, 도 11b는 IPM 모터의 단면도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 절개한 단면도를 나타낸다.
도 3은 실시 예에 의한 희토류 자석 제조 방법을 설명하기 위한 플로우차트를 나타낸다.
도 4a 내지 도 4f는 제1 내지 제3 경우 각각에서 외부에서 인가된 자장의 강도에 따른 M/MS값을 두께별로 나타내는 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 제1 및 제2 코팅층 각각에 대한 XRD 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6a 내지 도 6c는 희토류 영구 자석의 표면에 제1 코팅층만이 형성되고 제2 코팅층이 형성되지 않은 희토류 자석의 표면을 확대한 사진을 나타낸다.
도 7a 내지 도 7c는 희토류 영구 자석의 표면에 제2 코팅층만이 형성되고 제1 코팅층이 형성되지 않은 희토류 자석의 표면을 확대한 사진을 나타낸다.
도 8a 내지 도 8c는 표 2에 표기된 제3 내지 제5 례 각각에 대한 희토류 자석의 평면 모습을 나타낸다.
도 9a 및 도 9b는 표 2에 도시된 각 례별로 외부에서 인가되는 자장의 강도에 대한 자속 밀도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10은 다른 실시 예에 의한 희토류 자석의 외관 사시도를 나타낸다.
도 11a는 SPM 모터의 단면도를 나타내고, 도 11b는 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.
이하, 실시 예에 의한 희토류 자석(100A, 100B)을 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 편의상, 데카르트 좌표계(x축, y축, z축)를 이용하여 희토류 자석(100A, 100B)을 설명하지만, 다른 좌표계에 의해서도 이를 설명할 수 있음은 물론이다.
도 1은 일 실시 예에 의한 희토류 자석(100A)의 외관 사시도를 나타내고, 도 2는 도 1에 도시된 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 절개한 단면도를 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시 예에 의한 희토류 자석(100A)은 희토류 영구 자석(110), 제1 및 제2 코팅층(120, 130)을 포함할 수 있다.
희토류 영구 자석(110)은 a-b-c로 표기될 수 있다. 여기서, a는 Sm, Ti, Nb, Al, V, Mn, Sn, Ca, Mg, Pb, Sb, Zn, Si, Zr, Cr, Ni, Cu, Ga, Mo, W 또는 Ta를 포함하고, b는 Fe 또는 Fe 및 Co를 포함하고, c는 N 또는 B를 포함할 수 있다. 예를 들어, 희토류 영구 자석(110)은 Nb-Fe-B 영구 자석일 수 있다.
제1 코팅층(120)은 희토류 영구 자석(110)의 표면에 코팅되며, 제1 자성 물질을 포함할 수 있다. 제2 코팅층(130)은 제1 코팅층(120)의 표면에 코팅되며, 제2 자성 물질을 포함할 수 있다.
실시 예에 의하면, 제1 및 제2 자성 물질 각각은 자성을 갖는 코발트(Co)를 포함할 수 있다.
제1 코팅층(120)은 첨가제를 포함하지 않는 반면, 제2 코팅층(130)은 첨가제를 포함할 수 있다. 첨가제는 캐리어(basic brightner) 또는 광택제(top brightner) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 캐리어는 사카린 나트륨 염수화물(Saccharin sodium salt hydrate), 나트륨 알릴설폰산염(Sodium allylsulfonate) 또는 물(H2O) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 광택제는 프로파르길 알코올(propargyl alcohol)(예를 들어, 2-Propyn-1-ol) 또는 물(H2O) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 실시 예는 첨가제의 특정한 종류에 국한되지 않는다.
z축 방향으로 제1 코팅층(120)은 제1 두께(T1)를 갖고, 제2 코팅층(130)은 제2 두께(T2)를 가질 수 있다. 제1 코팅층(120)의 y축 방향으로의 두께와 z축 방향으로의 두께는 서로 동일할 수도 있고 서로 다를 수도 있다. 또한, 제2 코팅층(130)의 y축 방향으로의 두께와 z축 방향으로의 두께는 서로 동일할 수 있고 서로 다를 수도 있다.
제1 및 제1 코팅층(120)의 제1 및 제2 두께(T1, T2) 각각은 2 ㎛ 내지 9 ㎛일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 예를 들어, 제1 두께(T1)는 2 ㎛ 내지 6 ㎛일 수 있고, 제2 두께(T2)는 2 ㎛ 내지 4 ㎛일 수 있다.
이하, 실시 예에 의한 희토류 자석 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 3은 실시 예에 의한 희토류 자석 제조 방법(200)을 설명하기 위한 플로우차트를 나타낸다.
이하, 이해를 돕기 위해, 도 1 및 도 2에 도시된 희토류 자석(100A)은 도 3에 도시된 방법에 의해 제조되는 것으로 설명하지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 도 3에 도시된 희토류 자석 제조 방법(200)은 도 1 및 도 2에 도시된 희토류 자석(100A) 이외의 희토류 자석을 제조할 수도 있고, 도 1 및 도 2에 도시된 희토류 자석(100A)은 도 3에 도시된 희토류 자석 제조 방법(200) 이외의 다른 방법에 의해 제조될 수도 있다.
도 3을 참조하면,
a-b-c로 표기되는 희토류 영구 자석(110)을 전처리한다(제210 단계). 여기서, a는 Sm, Ti, Nb, Al, V, Mn, Sn, Ca, Mg, Pb, Sb, Zn, Si, Zr, Cr, Ni, Cu, Ga, Mo, W 또는 Ta를 포함하고, b는 Fe 또는 Fe 및 Co를 포함하고, c는 N 또는 B를 포함할 수 있다.
예를 들어, 전처리 단계인 제210 단계는 희토류 영구 자석(110)의 침적을 탈지하는 단계와, 희토류 영구 자석(110)을 전해 탈지하는 단계와, 희토류 영구 자석(110)을 에칭하는 단계를 포함할 수 있다. 이와 같이, 전처리 단계인 제210 단계를 수행함으로써, 희토류 영구 자석(110)의 표면에 이물질이 제거될 수 있다.
제210 단계 후에, 제1 자성 물질을 포함하는 제1 코팅층(120)을 희토류 영구 자석(110)의 표면에 형성한다(제220 단계). 예를 들어, 제1 자성 물질은 코발트(Co)를 포함할 수 있다.
실시 예에 의하면, 제220 단계에서, Co를 포함하고 첨가제를 포함하지 않은 제1 Co 도금액을 사용하여 전해 도금으로 희토류 자석(110)의 표면에 제1 Co 도금층을 제1 코팅층(120)으로서 형성할 수 있다.
제220 단계 후에, 제2 자성 물질을 포함하는 제2 코팅층(130)을 제1 코팅층(120)의 표면에 형성할 수 있다(제230 단계). 예를 들어, 제2 자성 물질은 코발트(Co)를 포함할 수 있다.
실시 예에 의하면, 제230 단계에서, Co를 포함하고 첨가제를 적절한 비율로 혼합한 제2 Co 도금액을 사용하여 전해 도금으로 제1 코팅층(120)의 표면에 제2 Co 도금층을 제2 코팅층(130)으로서 형성할 수 있다.
첨가제는 캐리어 또는 광택제 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 캐리어는 사카린 나트륨 염수화물(Saccharin sodium salt hydrate), 나트륨 알릴설폰산염(Sodium allylsulfonate) 또는 물(H2O) 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 광택제는 프로파르길 알코올(propargyl alcohol)(예를 들어, 2-Propyn-1-ol) 또는 물(H2O) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
제2 Co 도금액의 단위 리터에 첨가제로서 포함된 캐리어의 량은 1 ㎖ 내지 10 ㎖ 예를 들어, 10 ㎖일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 또한, 제2 Co 도금액의 단위 리터에 포함된 광택제의 량은 1 ㎖일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
전술한 바와 같이, 실시 예에 의하면, 전해 도금법을 이용한 표면 처리 기술을 사용하여 제1 및 제2 코팅층(120, 130)을 희토류 영구 자석(110)의 표면에 형성함으로써, 실시 예에 의한 희토류 자석(100A)은 내마모성, 대량 생산성 및 우수한 가격 경쟁력을 가질 수 있다.
또한, 실시 예에 의하면, 표면 처리 원소로서 비자성 윈소가 아닌 강자성 원소인 코발트(Co)를 이용하여 제1 코팅층(120)을 희토류 영구 자석(110)의 표면에 형성한다. 따라서, 희토류 자석(100A)의 자성이 개선될 수 있다. 즉, 강자성 원소인 코발트를 이용하여 희토류 영구 자석(110)의 표면에 제1 코팅층(120)을 형성함으로써, 희토류 자석(100A)의 최종 성능(squareness, 고온 감자)이 개선될 수 있다.
제1 코팅층(120)에 첨가제를 추가할 경우 비정질화가 촉진되지만, 실시 예에 의하면, 희토류 영구 자석(110)의 표면에 직접 접촉하여 형성되는 제1 코팅층(120)은 첨가제를 포함하지 않는다. 이에 대해 상세히 살펴보면 다음과 같다.
표 1은 희토류 영구 자석(110)의 표면에 제1 및 제2 코팅층(120, 130) 대신에 Ni을 포함하는 보호층이 형성되는 제1 경우(CASE 1), 희토류 영구 자석(110)의 표면에 제2 코팅층(130)이 형성되지 않고 제1 코팅층(120)만이 형성되는 제2 경우(CASE 2), 희토류 영구 자석(110)의 표면에 제1 코팅층(120)이 형성되지 않고 제2 코팅층(130)만이 형성되는 제3 경우(CASE 3)의 제1 두께(T1)별 보자력(Hc)을 나타낸다.
| 구 분 | in-plane | out-of-plane | |
| 종류 | 두께(㎛) | Hc(Oe) | Hc(Oe) |
| CASE 1 | 2 | 78.11 | 60.17 |
| 4 | 66.19 | 26.29 | |
| CASE 2 | 2 | 33.74 | 767.13 |
| 4 | 105.77 | 636.29 | |
| CASE 3 | 2 | 79.22 | 548.85 |
| 4 | 77.09 | 407.60 | |
표 1에서, 면외 방향(out-of-plane)이란 희토류 자석(100A)과 수직한 방향 즉, 도 1에 도시된 D1 방향을 의미하고, 면내 방향(in-plane)이란 희토류 자석(100A)의 면 방향 즉, 도 1에 도시된 D2 방향을 의미한다.
도 4a 내지 도 4f는 제1 내지 제3 경우(CASE 1 내지 CASE 3) 각각에서 외부에서 인가된 자장의 강도(H)에 따른 M/MS값을 두께별로 나타내는 그래프로서, 각 그래프에서 횡축은 외부에서 인가된 자장의 강도(H)를 나타내며 단위는 Oe이며, 종축은 M/MS를 나타낸다. 여기서, M/MS는 자장 내에 자성 물질이 놓여 있을 때 자성 물질에 유도되는 자화(magnetization)를 정규화한(normalized) 값을 나타낸다.
도 4a는 Ni을 포함하는 보호층의 두께가 2 ㎛ 및 4 ㎛ 일 때, 외부에서 인가된 자장의 강도(H)에 따른 M/MS값의 면외 방향(out-of-plane)의 변화를 나타내고, 도 4b는 Ni을 포함하는 보호층의 두께가 2 ㎛ 및 4 ㎛ 일 때, 외부에서 인가된 자장의 강도(H)에 따른 M/MS값의 면내 방향(in-plane)의 변화를 나타낸다. 즉, 도 4a 및 도 4b는 표 1의 제1 경우(CASE 1)에 해당한다.
도 4c는 제1 코팅층(120)의 제1 두께(T1)가 2 ㎛ 및 4 ㎛ 일 때, 외부에서 인가된 자장의 강도(H)에 따른 M/MS값의 면외 방향(out-of-plane)의 변화를 나타내고, 도 4d는 제1 코팅층(120)의 제1 두께(T1)가 2 ㎛ 및 4 ㎛ 일 때, 외부에서 인가된 자장의 강도(H)에 따른 M/MS값의 면내 방향(in-plane)의 변화를 나타낸다. 즉, 도 4c 및 도 4d는 표 1의 제2 경우(CASE 2)에 해당한다.
도 4e는 제2 코팅층(130)의 제2 두께(T2)가 2 ㎛ 및 4 ㎛ 일 때, 외부에서 인가된 자장의 강도(H)에 따른 M/MS값의 면외 방향(out-of-plane)의 변화를 나타내고, 도 4f는 제2 코팅층(130)의 제2 두께(T2)가 2 ㎛ 및 4 ㎛ 일 때, 외부에서 인가된 자장의 강도(H)에 따른 M/MS값의 면내 방향(in-plane)의 변화를 나타낸다. 즉, 도 4e 및 도 4f는 표 1의 제3 경우(CASE 3)에 해당한다.
전술한 표 1과 도 4a 내지 도 4f로부터 알 수 있듯이, 제1 경우(CASE 1)나 제3 경우(CASE 3)보다 제2 경우(CASE 2)에 자석의 중요 성능 지표인 보자력(Hc)이 향상됨을 알 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 제1 및 제2 코팅층(120, 130) 각각에 대한 XRD(X-Ray diffraction) 분석 결과를 나타내는 그래프로서, 각 그래프에서 횡축은 회절각(2θ:Two theta)으로서 단위는 각도(degree)이고, 종축은 강도(intensity)로서 단위는 CPS이다. 도 5a에 표기된 기호(▲)는 hcp(hexagonal close packed) 결정 구조를 갖는 코발트의 회절각을 나타낸다.
XRD(X-Ray diffraction) 분석 결과를 보면, 코팅층의 첨가제 유무에 따라 결정 성장 방향이 달라짐을 알 수 있다.
도 5b를 참조하면, 첨가제를 사용하지 않고 코발트를 도금하여 2 ㎛의 제1 두께(T1)로 제1 코팅층(120)을 형성할 경우 (100)과 (101) 피크(peak)가 우선 배향된다. 도 5a를 참조하면, 첨가제를 사용하여 코발트를 도금하여 2 ㎛의 제2 두께(T2)로 제2 코팅층(130)을 형성할 경우 (002) 피크가 우선 배향된다. 그리고, 첨가제를 사용하지 않고 코발트 도금할 때와 비교할 때, 첨가제를 사용하여 코발트 도금할 경우 XRD 분석 결과, 비정질상과 결정상이 혼합되어 있음이 관찰되었다.
도금에서 첨가제의 역할은 표면 형상 제어와 균일 전착성이며, 첨가제를 넣지 않고 도금할 경우 치밀하게 균일하게 도금되지 않는다.
도 6a 내지 도 6c는 희토류 영구 자석(110)의 표면에 제1 코팅층(120)만이 형성되고 제2 코팅층(130)이 형성되지 않은 희토류 자석의 표면을 확대한 사진을 나타낸다. 도 6b는 도 6a에 점선으로 표시된 부분을 확대한 사진이고, 도 6c는 도 6b에 점선으로 표시된 부분을 확대한 사진이다.
도 7a 내지 도 7c는 희토류 영구 자석(110)의 표면에 제2 코팅층(130)만이 형성되고 제1 코팅층(120)이 형성되지 않은 희토류 자석의 표면을 확대한 사진을 나타낸다. 도 7b는 도 7a에 점선으로 표시된 부분을 확대한 사진이고, 도 7c는 도 7b에 점선으로 표시된 부분을 확대한 사진이다.
제1 코팅층(120)을 희토류 영구 자석(110)의 표면에 형성한 후, 첨가제를 포함하는 제2 코팅층(130)을 형성하지 않을 경우, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 제1 코팅층(120)의 코발트 막에 피트(pit)(300)나 핀홀(302) 등을 통해 희토류 자석이 산화될 수 있다.
그러나, 제1 코팅층(120)을 희토류 영구 자석(110)의 표면에 형성하지 않고, 첨가제를 포함하는 제2 코팅층(130)을 희토류 영구 자석(110)의 표면에 직접 형성할 경우, 첨가제에 포함된 원소(S)와 유기물 등에 의하여 도 7a 내지 도 7c에 예시된 바와 같이 희토류 자석의 표면에 피트(300)나 핀홀(302)이 형성되지 않고 개선되는 등 신뢰성이 향상되고, 외관도 개선될 수 있다.
결국, 제1 코팅층(120)은 희토류 자석(100A)의 자성이 개선시키는 역할을 하고, 제2 코팅층(130)은 희토류 자석(100A)의 신뢰성과 외관을 개선시킴을 알 수 있다.
이하, 희토류 영구 자석(110)의 표면에 코팅층을 형성하지 않은 경우와 코팅층을 다양하게 형성하는 경우에, 희토류 자석의 자성을 다음과 같이 첨부된 도면과 표를 참조하여 살펴본다.
일 실험 례에 의하면, 희토류 영구 자석(110)은 도 1에 도시된 바와 같은 정육면체(cube)이고, x축 방향으로의 길이가 12.59 ㎜이고, y축 방향으로의 길이가 11.75 ㎜이고, z축 방향으로의 높이가 3.025 ㎜일 때, 코팅층의 유무와 코팅층의 종류에 따른 자성은 다음 표 2와 같다.
| 구분 | 자성(magnetic property) | ||||
| Br(kG) | Hc(kOe) | Hk(kOe) | (BH)max (MGOe) |
Hk/Hc | |
| EX1 | 13.47 | 18.02 | 17.10 | 44.84 | 94.9% |
| EX2 | 13.22 | 17.41 | 16.75 | 42.64 | 96.2% |
| EX3 | 13.19 | 18.74 | 17.87 | 42.47 | 95.4% |
| EX4 | 13.17 | 18.25 | 16.71 | 42.28 | 91.6% |
| EX5 | 13.25 | 18.75 | 18.02 | 42.90 | 96.1% |
여기서, EX1은 희토류 영구 자석(110)의 표면에 코팅층이 없는 제1 비교 례에 의한 희토류 자석에 해당하고, EX2는 희토류 영구 자석(110)의 표면에 인산염처리하여 코팅층을 형성한 제2 비교 례에 의한 희토류 자석에 해당하고, EX3은 희토류 영구 자석(110)의 표면에 제1 코팅층(120)만을 형성하고 제2 코팅층(130)을 형성하지 않은 제3 비교 례에 의한 희토류 자석에 해당하고, EX4는 희토류 영구 자석(110)의 표면에 제2 코팅층(130)만을 형성하고 제1 코팅층(120)을 형성하지 않은 제4 비교 례에 의한 희토류 자석에 해당하고, EX5는 희토류 영구 자석(110)의 표면에 제1 및 제2 코팅층(120, 130)을 모두 형성한 일 실시 예에 의한 희토류 자석(100A)에 해당한다.
또한, 표 2에서, Br은 잔류 자속 밀도를 나타내고, Hc는 보자력을 나타내고, Hk는 Br의 레벨이 90%인 지점을 나타내고, (BH)max는 최대 자기 에너지를 나타낸다.
도 8a 내지 도 8c는 표 2에 표기된 제3 내지 제5 례(EX3 내지 EX5) 각각에 대한 희토류 자석의 평면 모습을 나타낸다.
도 9a 및 도 9b는 표 2에 도시된 각 례(EX1 내지 EX5)별로 외부에서 인가되는 자장의 강도(H)에 대한 자속 밀도(J:Magnetic flux density)의 변화를 나타내는 그래프로서, 횡축은 외부에서 인가된 자장의 강도(H)를 나타내고, 종축은 자장 내에 자성 물질이 놓여 있을 때 자성 물질에 유도되는 자속 밀도(J)를 나타낸다. 도 9b는 도 9a에 도시된 'A' 부분을 확대 도시한 그래프에 해당한다.
표 2 및 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 실시 예(EX5)의 경우 제1 내지 제4 비교례(EX1 내지 EX4)보다 더 우수한 자성을 가짐을 알 수 있다.
또한, 도 8a에 도시된 제3 비교 례(EX3)나 도 8b에 도시된 제4 비교 례(EX4)와 비교할 때, 도 8c에 도시된 실시 예(EX5)의 경우 피트나 핀홀이 없으므로 더 매끈한 외관을 가져 신뢰성이 개선됨을 알 수 있다.
도 10는 다른 실시 예에 의한 희토류 자석(100B)의 외관 사시도를 나타낸다.
도 1에 도시된 희토류 자석(100A)은 육면체 외관을 갖는 반면, 도 10에 도시된 희토류 자석(100B)은 원통형 외관을 갖는다. 이와 같이, 외관만 다름을 제외하면, 도 10에 도시된 실시 예에 의한 희토류 자석(100B)은 도 1에 도시된 희토류 자석(100A)과 동일하므로, 중복되는 설명을 생략한다.
전술한 일 실험 례는 희토류 영구 자석(110A)이 도 1에 도시된 바와 같은 정육면체(cube)인 경우에 해당하지만, 희토류 영구 자석(110A)이 도 10에 도시된 바와 같이, 원통형으로 대체될 경우에도 전술한 일 실험례에 대한 설명이 적용될 수 있다.
한편, 보자력(Hc)이 크다는 것은 더 강한 자기장에 견딜 수 있는 능력이 탁월함을 의미한다. 이를 고려할 때, 실시 예에 의한 희토류 자석(100A, 100B)은 보자력이 크기 때문에, 그 크기를 줄여도 원하는 성능을 기대할 수 있으므로 원가 절감의 효과를 갖는다.
실시 예에 의한 희토류 자석(100A, 100B)은 자동차나 승강기 등에 사용되는 모터 등에 적용될 수 있다.
이하, 실시 예에 의한 희토류 자석(100A, 100B)을 포함하는 모터의 일 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 살펴본다.
도 11a는 SPM(Surface Permanent Magnet) 모터의 단면도를 나타내고, 도 11b는 IPM(Interior Permanent Magnet) 모터의 단면도를 나타낸다.
에너지 고효율 모터로서, 영구 자석(PM:Permanent Magment) 모터가 있다. 영구 자석 모터는 도 12a에 도시된 SPM 모터와 도 12b에 도시된 IMP 모터로 구분될 수 있다.
도 11a 및 도 11b에 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 11a 및 도 11b에 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 11a 및 도 11b에 도시된 영구 자석(406, 416)으로서, 전술한 실시 예에 의한 희토류 자석(100A, 100B)이 사용될 수 있다. 이때, 실시 예에 의한 희토류 자석(100A, 100B)은 보자력(Hc)이 크기 때문에 도 11a 또는 도 11b에 도시된 모터에 적용되어, 고정자(stator)(412)의 코일에 대전류를 보낼 수 있게 설계될 수 있어, 모터의 성능을 개선시킬 수 있다. 즉, 희토류 자석(100A, 100B)을 모터에 실장 시에 발생하는 역자계 방향(D3)은 대부분 면외 방향(D1)과 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: 희토류 자석
110: 희토류 영구 자석
120: 제1 코팅층 130: 제2 코팅층
402, 412: 고정자 404, 414: 고정자 권선 슬롯
406, 416: 영구 자석 408, 418: 회전자
120: 제1 코팅층 130: 제2 코팅층
402, 412: 고정자 404, 414: 고정자 권선 슬롯
406, 416: 영구 자석 408, 418: 회전자
Claims (12)
- a-b-c(a는 Sm, Ti, Nb, Al, V, Mn, Sn, Ca, Mg, Pb, Sb, Zn, Si, Zr, Cr, Ni, Cu, Ga, Mo, W 또는 Ta를 포함하고, b는 Fe 또는 Fe 및 Co를 포함하고, c는 N 또는 B를 포함)로 표기되는 희토류 영구 자석;
상기 희토류 영구 자석의 표면에 코팅되며, 제1 자성 물질을 포함하는 제1 코팅층; 및
상기 제1 코팅층의 표면에 코팅되며, 제2 자성 물질과 첨가제를 포함하는 희토류 자석. - 제1 항에 있어서, 상기 제1 코팅층은 상기 첨가제를 포함하지 않는 희토류 자석.
- 제1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 자성 물질 각각은 코발트(Co)를 포함하는 희토류 자석.
- 제3 항에 있어서, 상기 첨가제는 캐리어 또는 광택제 중 적어도 하나를 포함하는 희토류 자석.
- 제4 항에 있어서, 상기 캐리어는 사카린 나트륨 염수화물(Saccharin sodium salt hydrate), 나트륨 알릴설폰산염(Sodium allylsulfonate) 또는 물(H2O) 중 적어도 하나를 포함하는 희토류 자석.
- 제4 항에 있어서, 상기 광택제는 프로파르길 알코올(propargyl alcohol) 또는 물(H2O) 중 적어도 하나를 포함하는 희토류 자석.
- 제1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 코팅층 각각은 2 ㎛ 내지 9 ㎛의 두께를 갖는 희토류 자석.
- a-b-c(a는 Sm, Ti, Nb, Al, V, Mn, Sn, Ca, Mg, Pb, Sb, Zn, Si, Zr, Cr, Ni, Cu, Ga, Mo, W 또는 Ta를 포함하고, b는 Fe 또는 Fe 및 Co를 포함하고, c는 N 또는 B를 포함)로 표기되는 희토류 영구 자석을 전처리하는 단계;
제1 자성 물질을 포함하는 제1 코팅층을 상기 희토류 영구 자석의 표면에 형성하는 단계; 및
제2 자성 물질을 포함하고 첨가제를 포함하는 제2 코팅층을 상기 제1 코팅층의 표면에 형성하는 단계를 포함하고,
상기 제1 코팅층은 상기 첨가제를 포함하지 않는 희토류 자석 제조 방법. - 제8 항에 있어서, 상기 전처리 단계는
상기 희토류 영구 자석의 침적을 탈지하는 단계;
상기 희토류 영구 자석을 전해 탈지하는 단계; 및
상기 희토류 영구 자석을 에칭하는 단계를 포함하는 희토류 자석 제조 방법. - 제8 항에 있어서,
상기 제1 코팅층을 형성하는 단계는 상기 제1 자성 물질로서 Co를 포함하고 상기 첨가제를 포함하지 않은 제1 Co 도금액을 사용하여 전해 도금으로 상기 희토류 자석의 표면에 제1 Co 도금층을 상기 제1 코팅층으로서 형성하는 단계를 포함하고,
상기 제2 코팅층을 형성하는 단계는 상기 제2 자성 물질로서 Co를 포함하고 상기 첨가제를 포함하는 제2 Co 도금액을 사용하여 전해 도금으로 상기 제1 코팅층의 표면에 제2 Co 도금층을 상기 제2 코팅층으로서 형성하는 단계를 포함하는 희토류 자석 제조 방법. - 제10 항에 있어서, 상기 제2 Co 도금액의 단위 리터에 포함된 상기 캐리어의 량은 1 ㎖ 내지 10 ㎖인 희토류 자석 제조 방법.
- 제10 항에 있어서, 상기 제2 Co 도금액의 단위 리터에 포함된 상기 광택제의 량은 1 ㎖인 희토류 자석 제조 방법.
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|---|---|---|---|---|
| CN114101654A (zh) * | 2021-09-16 | 2022-03-01 | 华北理工大学 | 一种高性能SmFe12基永磁粉体及其制备方法 |
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-
2017
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| CN114101654B (zh) * | 2021-09-16 | 2023-06-16 | 华北理工大学 | 一种高性能SmFe12基永磁粉体及其制备方法 |
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| Publication number | Publication date |
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