WO2020111384A1 - Magnetic nanostructures comprising copper and preparation method of same - Google Patents

Magnetic nanostructures comprising copper and preparation method of same Download PDF

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WO2020111384A1
WO2020111384A1 PCT/KR2019/001366 KR2019001366W WO2020111384A1 WO 2020111384 A1 WO2020111384 A1 WO 2020111384A1 KR 2019001366 W KR2019001366 W KR 2019001366W WO 2020111384 A1 WO2020111384 A1 WO 2020111384A1
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WO
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magnetic
nanostructure
rare earth
transition metal
magnetic nanostructure
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PCT/KR2019/001366
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French (fr)
Korean (ko)
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좌용호
김종렬
이지민
황태연
강민규
이규태
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한양대학교에리카산학협력단
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C9/00Alloys based on copper
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/01Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/03Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
    • H01F1/032Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of hard-magnetic materials
    • H01F1/04Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of hard-magnetic materials metals or alloys
    • H01F1/047Alloys characterised by their composition
    • H01F1/053Alloys characterised by their composition containing rare earth metals
    • H01F1/055Alloys characterised by their composition containing rare earth metals and magnetic transition metals, e.g. SmCo5

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic nanostructure containing copper and a method for manufacturing the same, and relates to a magnetic nanostructure containing copper and a method of manufacturing the same from a source solution containing a rare earth element.
  • Hard magnetic permanent magnets have been indispensable for electric devices such as motors, speakers, measuring instruments, and small motors in hybrid vehicles (HEV) and electric vehicles (EV).
  • HEV hybrid vehicles
  • EV electric vehicles
  • R 2 Fe 14 B series, R 2 Fe 17 N x series and R 2 TM 17 series R: rare earth elements, TM: transition metal elements
  • R 2 TM 17 system is not easily thermally decomposed and has a high Curie temperature, which has advantages in terms of phase formation and chemical stability.
  • a substrate for example, in the Republic of Korea Patent Publication No. 10-2017-0108468 (application number: 10-2016-0032417, applicant: Yonsei University Industry-University Cooperation Foundation), a substrate, and formed on the substrate, a Bi thin film layer and a Mn thin film layer laminated Disclosed is a non-rare permanent magnet with improved coercive force including a thin film laminate obtained by repeatedly laminating and heat-treating units at least twice or more and a method for manufacturing the same.
  • One technical problem to be solved by the present invention is to provide a magnetic nanostructure including copper (Cu) with improved magnetic properties and a method for manufacturing the same.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a magnetic nanostructure including copper (Cu) and a method of manufacturing the same, which can improve magnetic properties by a simple process.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a magnetic nanostructure including copper (Cu) and a method for manufacturing the same, which have reduced economic cost.
  • the technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above.
  • the present invention provides a method for manufacturing a magnetic nano structure.
  • the method of manufacturing the magnetic nanostructure comprises preparing a source solution including a first precursor containing a rare earth element, a second precursor containing a transition metal element, and a third precursor containing Cu. , Electrospinning the source solution to form a preliminary magnetic nanostructure including a rare earth oxide, a transition metal oxide, and Cu oxide, and reducing the preliminary magnetic wire to reduce the rare earth element, the transition metal element, and It may include the step of manufacturing a magnetic nano-structure comprising the alloy composition of the Cu.
  • the molar ratio of the Cu in the source solution may include more than 5.8 at% and less than 10.0 at%.
  • the forming of the magnetic nanostructure may include mixing the preliminary magnetic nanostructure with a reducing agent, heat treating the preliminary magnetic nanostructure mixed with the reducing agent, and heat-treated the preliminary magnetic nanostructure. , Washing with a washing solution.
  • the reducing agent may include calcium (Ca).
  • the method of manufacturing a magnetic nanostructure may include controlling a content of the Cu to control a coercive force.
  • the present invention provides a magnetic nano structure.
  • the magnetic nanostructure includes an alloy composition of rare earth elements, transition metal elements, and Cu, and in the alloy composition, the content of Cu is greater than 5.8 wt% and less than 10.0 wt% Can be.
  • the alloy composition, ReM 5 (Re: rare earth element, M: at least one of transition metal elements or Cu) may be composed of a unit lattice (unit cell).
  • the crystal structure of ReM 5 may include a hexagonal system.
  • the Cu may include being disposed at at least one of 2c and 2g sites in the unit grid.
  • the rare earth element may include any one of La, Ce, Pr, Nd, Sm, or Gd.
  • the transition metal element may include either Co or Ni.
  • the magnetic nanostructure may have a single crystal (single crystal), and anisotropic (anisotropic) properties.
  • the content of the rare earth element is 16.7 wt%
  • the content of the transition metal element may include more than 73.3 wt% and less than 77.5 wt%.
  • the magnetic nanostructure may include an alloy composition composed of a unit lattice represented by ⁇ Formula 1> below.
  • the magnetic nanostructure may have a coercive force of 40000 Oe or more.
  • Method of manufacturing a magnetic nanostructure to prepare a source solution comprising a first precursor containing a rare earth element, a second precursor containing a transition metal element, and a third precursor containing Cu Step, electrospinning the source solution to form a preliminary magnetic nanostructure including rare earth oxide, transition metal oxide, and Cu oxide, and reducing the preliminary magnetic nanostructure to reduce the rare earth element and the transition metal element.
  • It may include the step of manufacturing a magnetic nano-structure comprising the alloy composition of the Cu. That is, the method of manufacturing the magnetic nanostructure according to the embodiment may have a bottom-up approach.
  • the Cu content in the magnetic nanostructure that is the final product may be controlled.
  • Cu content in the magnetic nanostructure is greater than 5.8 wt% and less than 10.0 wt%, or the magnetic nanostructure is more than 7% and 12% of the TM in the alloy composition consisting of a unit lattice represented by ⁇ Formula 2>
  • the coercive force of the magnetic nanostructure may be improved.
  • a magnetic nanostructure with improved magnetic properties can be provided.
  • copper is used as a substitute for expensive cobalt, a magnetic nanostructure with reduced economic cost can be provided.
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a magnetic nano structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flow chart specifically explaining a step of forming a magnetic nanostructure in a method of manufacturing a magnetic nanostructure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view showing a manufacturing process of a magnetic nanostructure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing a unit grid represented by SmCo 5 to describe the structure of a magnetic nanostructure according to an embodiment of the present invention.
  • 10 is a graph showing X-ray diffraction analysis of the Sm-Co alloy composition and the Sm-Co-Cu alloy composition.
  • FIG. 11 is a graph showing X-ray diffraction analysis of the magnetic nanostructures according to Examples and Comparative Examples 1 of the present invention.
  • FIG. 14 is a graph showing magnetization characteristics of a magnetic nanostructure according to embodiments and comparative examples of the present invention.
  • 15 is a graph comparing the coercive force of a magnetic nanostructure according to embodiments and comparative examples of the present invention.
  • a component when referred to as being on another component, it means that it may be formed directly on another component, or a third component may be interposed between them.
  • a third component may be interposed between them.
  • the thickness of the films and regions are exaggerated for effective description of the technical content.
  • first, second, and third are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another component. Therefore, what is referred to as the first component in one embodiment may be referred to as the second component in another embodiment.
  • first component in one embodiment may be referred to as the second component in another embodiment.
  • second component in another embodiment.
  • Each embodiment described and illustrated herein also includes its complementary embodiment.
  • 'and/or' is used to mean including at least one of the components listed before and after.
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a magnetic nanostructure according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a detailed description of a step of forming a magnetic nanostructure among methods of manufacturing a magnetic nanostructure according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a view showing a manufacturing process of a magnetic nanostructure according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a unit grid represented by SmCo 5 to describe the structure of the magnetic nanostructure according to an embodiment of the present invention It is a figure showing.
  • a source solution including a first precursor, a second precursor, and a third precursor may be prepared (S100).
  • the first precursor may include a rare-earth element.
  • the rare earth element may include any one of La, Ce, Pr, Nd, Sm, or Gd.
  • the second precursor may include a transition-metal element.
  • the transition metal element may include either Co or Ni.
  • the third precursor may include Cu.
  • the source solution may further include a viscous source.
  • the viscous source may include a polymer.
  • the polymer may include at least one of polyvinylpyrrolidone (PVP), polyacrylonitrile (PAN), poly(vinyl acetate) (PVAC), polyvinylbutyral (PVB), poly(vinyl alcohol) (PVA), or polyethylene oxide (PEO). It can contain.
  • PVP polyvinylpyrrolidone
  • PAN polyacrylonitrile
  • PVAC poly(vinyl acetate)
  • PVB polyvinylbutyral
  • PVA poly(vinyl alcohol)
  • PEO polyethylene oxide
  • the viscous source may give viscosity to the source solution, thereby controlling the diameter of the magnetic nanostructure described below.
  • the molar fraction (at %) of the third precursor in the source solution may be controlled.
  • the molar ratio of the Cu in the source solution may be controlled to be greater than 5.8 at% and less than 10.0 at%.
  • the alloy composition composed of the unit lattice represented by ⁇ Formula 2> below more than 7% and less than 12% of the TM are substituted with the Cu, to the ⁇ Formula 1> It may have a unit grid displayed. Accordingly, the maximum magnetic energy index ((BH) max ) of the magnetic nanostructure may be improved. More detailed description will be given later.
  • the source solution may be electrospinned to form a preliminary magnetic nanostructure (S200).
  • the preliminary magnetic nanostructure formed by electrospinning the source solution may include rare earth oxide, transition metal oxide, and Cu oxide.
  • the preliminary hybrid magnetic fiber forming step may include a first preliminary hybrid magnetic fiber forming step, and a second preliminary hybrid magnetic fiber forming step.
  • the first preliminary hybrid magnetic fiber forming step may be performed by a method of electrospinning the source solution.
  • the first preliminary hybrid magnetic fiber may be formed of a solid component of the source solution.
  • the first preliminary hybrid magnetic fiber may include a water-soluble metal salt, a polymer, and the like.
  • the step of forming the second preliminary hybrid magnetic fiber may be performed by a method of calcining the first preliminary hybrid magnetic fiber. That is, the first preliminary hybrid magnetic fiber may be heat-treated to decompose an organic material including a polymer in the first preliminary hybrid magnetic fiber.
  • the second preliminary hybrid magnetic fiber may include rare earth oxide, transition metal oxide, and Cu oxide.
  • the source solution may be injected into a syringe (10), and the source solution may be radiated using a syringe pump (20).
  • the tip 30 of the syringe has a diameter of 0.05 to 2 mm
  • the syringe tip 30 and the pre-hybrid magnetic fiber collector (collector 40) are spaced 10-20 cm apart
  • the syringe pump ( 20) is capable of spinning the source solution at a rate of 0.3 to 0.8 mL/h.
  • the voltage applied for electric radiation may be 16 to 23 kV.
  • the first preliminary hybrid magnetic fiber may be formed through the above-described process.
  • the first preliminary hybrid magnetic fiber may be collected in an alumina crucible and heat-treated in an atmospheric pressure of 500 to 900°C in an atmospheric atmosphere. In this process, all organic substances including polymers can be thermally decomposed. At this time, the temperature increase rate condition may be 1 to 10°C per minute.
  • the second preliminary hybrid magnetic fiber may be formed through the above-described process.
  • the preliminary magnetic nanostructure may be reduced to form a magnetic nanostructure (S300).
  • the magnetic nanostructure may include a rare earth element, a transition metal element, and an alloy composition of Cu.
  • the magnetic nanostructure may be an alloy composition composed of a unit lattice represented by ⁇ Formula 1> below. More specifically, the magnetic nanostructure may include 15 to 18 wt% of the rare earth element, 70 to 79 wt% of the transition metal element, and 5.5 to 10.5 wt% of Cu.
  • the magnetic nanostructure may have a wire shape or a fiber shape.
  • ReTM x Cu 5-x (Re: rare earth element, TM: transition metal element)
  • the magnetic nanostructure may have a crystal structure (crystal structure).
  • the magnetic nanostructure may have a single crystal.
  • the magnetic nanostructure may be composed of a unit cell represented by ReM 5 (at least one of Re: rare earth element, M: transition metal element, or Cu).
  • the crystal structure of ReM 5 may be hexagonal.
  • the arrangement of atoms in the unit lattice represented by ReM 5 may be the same as the arrangement of atoms in the unit lattice represented by SmCo 5 . That is, the arrangement of Re (rare earth elements) in the unit lattice represented by ReM 5 may be the same as the arrangement of Sm in the unit lattice represented by SmCo 5 . In addition, the arrangement of M (at least one of transition metal elements or Cu) in the unit lattice represented by ReM 5 may be the same as the arrangement of Co in the unit lattice represented by SmCo 5 .
  • a unit grid represented by SmCo 5 is shown.
  • Co may be disposed at at least one of 2c and 2g sites.
  • M may also be disposed at at least one of 2c and 2g sites. That is, the transition metal element or Cu may be disposed at 2c and 2g sites of the unit lattice represented by ReM 5 .
  • the saturation magnetization value and the residual magnetization value decrease, and squareness and coercive force improve.
  • the ratio of the improved squareness ratio and the coercive force may be larger than the ratio of the reduced saturation magnetization value and the residual magnetization value. Accordingly, when the Cu content is increased, the maximum magnetic energy value ((BH) max ) expressed as a product of the saturation magnetization value and the coercive force may be improved.
  • the magnetic nanostructure according to the embodiment may represent a composite phase form of ReM 5 and ReCu 5 , rather than the form of the single phase ReM 5 described above. In the case of the ReM 5 single phase, it exhibits anisotropy and exhibits high coercive force, but when a plurality of phases are mixed, it exhibits isotropy and exhibits low coercive force.
  • the Cu content in the magnetic nanostructure may be controlled.
  • the Cu content in the magnetic nanostructure may be controlled to more than 5.8 wt% and less than 10.0 wt%.
  • the alloy composition composed of the unit lattice represented by ⁇ Formula 2> below more than 7% and less than 12% of TM are substituted with Cu, and the unit represented by ⁇ Formula 1> And alloy compositions having a lattice.
  • the Cu content in the magnetic nanostructure may be greater than 5.8 wt% and less than 10.0 wt.
  • the magnetic nanostructure may exhibit a ReM 5 single phase and a high coercive force of 40000 Oe or more.
  • the Cu substitution amount in the magnetic structure when the Cu substitution amount in the magnetic structure is 7% or less, or 12% or more, a problem in that the coercive force and the maximum magnetic energy value may be reduced.
  • the amount of Cu substitution in the magnetic structure when the amount of Cu substitution in the magnetic structure is less than 5%, the magnetic structure may exhibit a structure in which the Re 2 M 17 phase, the Re 2 M 7 phase, and the ReM 5 phase are mixed, thereby lowering the coercive force.
  • the amount of Cu substitution in the magnetic structure when the amount of Cu substitution in the magnetic structure is 20% or more, the magnetic structure may exhibit a structure in which the ReM 5 phase and the ReCu 5 phase are mixed, resulting in a problem that the coercive force is lowered.
  • the size of the crystal included in the magnetic nanostructure may increase. That is, as the Cu content in the magnetic nanostructure increases, crystallinity of the magnetic nanostructure may be improved. As a result, the Cu may affect the crystallinity of the magnetic nanostructure.
  • the forming of the magnetic nanostructure comprises mixing the preliminary magnetic nanostructure with a reducing agent (S310), and heat-treating the preliminary magnetic nanostructure mixed with the reducing agent (S320), And washing the pre-treated magnetic nanostructures with a washing solution (S330). That is, after the preliminary magnetic nanostructure is mixed with a reducing agent, and then heat-treated, the magnetic nanostructure may be formed.
  • the reducing agent may include calcium (Ca).
  • the reducing agent may include CaH 2 .
  • the magnetic nanostructure can be easily formed.
  • rare earth elements it has very small oxidation energy, so it can maintain the most stable phase in the form of oxide. Accordingly, in order to reduce the rare earth oxide to a metal, a high temperature and a hydrogen atmosphere of 1500° C. or higher are required, resulting in process difficulties.
  • calcium (Ca) has a smaller oxidation energy than rare earth elements, when it is used as a reducing agent, a relatively low heat treatment temperature (for example, 500 to 800°C) and a rare earth oxide metal in a non-hydrogen atmosphere Can be easily reduced.
  • the washing solution may include at least one of ammonium chloride (NH 4 Cl), and methanol (CH 3 OH).
  • the magnetic nanostructure can be easily formed.
  • a reducing agent containing calcium (Ca) calcium oxide (CaO) may be formed on the surface of the metal on which the rare earth oxide is reduced. Accordingly, a process for removing calcium oxide (CaO) is required.
  • a washing solution in which acetic acid or hydrochloric acid is mixed with ultrapure water was used. In this case, a problem may occur when the acid solution generates a fatal effect such as corrosion and oxidation even in the magnetic phase.
  • a washing solution containing at least one of ammonium chloride (NH 4 Cl) and methanol (CH 3 OH) calcium oxide (CaO) can be easily removed without affecting the magnetic phase. .
  • the method of manufacturing a magnetic nanostructure according to an embodiment of the present invention includes a source solution including a first precursor containing a rare earth element, a second precursor containing a transition metal element, and a third precursor containing Cu.
  • the Cu content in the magnetic nanostructure that is the final product may be controlled.
  • the Cu content in the magnetic nanostructure is controlled to be greater than 5.8 wt% and less than 10.0 wt%, or the magnetic nanostructure is 7% of the TM in an alloy composition composed of a unit lattice represented by ⁇ Formula 2>
  • the coercive force of the magnetic nanostructure may be improved.
  • a magnetic nanostructure with improved magnetic properties can be provided.
  • copper is used as a substitute for expensive cobalt, a magnetic nanostructure with reduced economic cost can be provided.
  • the prepared source solution is placed in a syringe for electrospinning and the solution is continuously pushed at a rate of 0.8 mL/h using a syringe pump.
  • the tip portion of the syringe and the collector where the spun fibers are collected are spaced apart at 15 cm intervals, and a high voltage of 16 kV is applied to radiate the source solution by a potential difference.
  • the material deposited on the collector is collected in an alumina (Al 2 O 3 ) crucible and calcined in an atmosphere at a temperature of about 700° C. for 3 hours to decompose all organic substances including polymers.
  • the calcined material is mixed with CaH 2 in a volume ratio of 1:1 and reduced by heat treatment for about 1 hour at a temperature of about 700° C. in an inert atmosphere, followed by washing with a mixed solution of ammonium chloride and methanol, resulting in Cu compared to Co.
  • a magnetic nanostructure according to the first embodiment substituted with 3% was prepared.
  • a magnetic nanostructure was prepared by the method according to Example 1, but the ratio of copper nitrate trihydrate (Cu(NO 3 ) 2 3H 2 O) in the source solution was controlled, so that Cu compared to Co was substituted by 5%. Magnetic nanostructures according to examples were prepared.
  • a magnetic nanostructure was prepared by the method according to Example 1, but the third embodiment in which Cu was 7% substituted with Co by controlling the ratio of copper nitrate trihydrate (Cu(NO 3 ) 2 3H 2 O) in the source solution Magnetic nanostructures according to examples were prepared.
  • a magnetic nanostructure was prepared by the method according to Example 1, but the fourth embodiment in which Cu was 10% substituted with Co by controlling the ratio of copper nitrate trihydrate (Cu(NO 3 ) 2 3H 2 O) in the source solution Magnetic nanostructures according to examples were prepared.
  • a magnetic nanostructure was prepared by the method according to Example 1, but by controlling the ratio of copper nitrate trihydrate (Cu(NO 3 ) 2 3H 2 O) in the source solution, the fifth implementation in which Cu was 12% substituted compared to Co Magnetic nanostructures according to examples were prepared.
  • a magnetic nanostructure was prepared by the method according to Example 1, but by controlling the ratio of copper nitrate trihydrate (Cu(NO 3 ) 2 3H 2 O) in the source solution, the seventh embodiment in which Cu was substituted by 20% compared to Co Magnetic nanostructures according to examples were prepared.
  • the prepared source solution was reduced after spinning by the method according to Example 1 to prepare a magnetic nanostructure according to a comparative example not containing Cu.
  • the magnetic nanostructures according to the examples and comparative examples are summarized through ⁇ Table 1> below, and specific component ratios of the magnetic nanostructures according to the examples and comparative examples are summarized through ⁇ Table 2> below.
  • Example 1 16.7 wt% 80.8 wt% 2.5 wt%
  • Example 2 16.7 wt% 79.2 wt% 4.2 wt%
  • Example 3 16.7 wt% 77.5 wt% 5.8 wt%
  • Example 4 16.7 wt% 75.0 wt% 8.3 wt%
  • Example 5 16.7 wt% 73.3 wt% 10.0 wt%
  • Example 6 16.7 wt% 70.8 wt% 12.5 wt%
  • the magnetic nanostructures according to Comparative Examples 1, 2, 4, 6, and 7 undergo electrospinning, sintering, and reduction processes. It was confirmed that the crystal form was exhibited.
  • the size of the crystals included in each magnetic nanostructure gradually increases in the order of Comparative Example 1, Example 2, Example 4, Example 6, and Example 7, the crystal grains as the content of Cu increases It was found that the size increased.
  • the grain size included in each magnetic nanostructure is summarized through ⁇ Table 3> below, and the size of grains was calculated through ⁇ Equation 1> below.
  • 10 is a graph showing X-ray diffraction analysis of the Sm-Co alloy composition and the Sm-Co-Cu alloy composition.
  • X-ray diffraction diffraction patterns were shown for each of the SmCo 5 alloy composition, SmCo 4.5 Cu 0.5 alloy composition, SmCo 4 Cu alloy composition, SmCo 3.5 Cu 1.5 alloy composition, and SmCo 2 Cu 3 alloy composition. .
  • the energy level of Cu is smaller as the atomic radius of Cu (1.57 ⁇ ) is smaller than the atomic radius of Co (1.67 ⁇ ). It is easy to form a stable SmCu 5 phase, which has a larger lattice constant than the SmCo 5 phase, and thus exhibits a shift from the X-ray diffraction diffraction pattern to a low angle.
  • FIG. 11 is a graph showing X-ray diffraction analysis of the magnetic nanostructures according to Examples and Comparative Examples 1 of the present invention.
  • Example 11 X-ray diffraction diffraction patterns are shown for each of the magnetic nanostructures according to Comparative Example 1, Example 2, Example 4, Example 6, and Example 7.
  • the magnetic nanostructures according to Examples 2 and 4 above exhibited a single SmCo5 phase. I could confirm.
  • FIGS. 12(a) and 13(a) it was confirmed that the magnetic nanostructures according to Example 7 exhibited a state in which the SmCo 5 phase and the SmCu 5 phase were mixed.
  • a minimum amount of substitution of the Cu relative to the transition metal is 5%.
  • FIG. 14 is a graph showing magnetization characteristics of a magnetic nanostructure according to embodiments and comparative examples of the present invention.
  • 15 is a graph comparing the coercive force of a magnetic nanostructure according to embodiments and comparative examples of the present invention.
  • magnetic nanostructures according to Examples 1 to 7 and magnetic nanostructures according to Comparative Examples 1 to 6 were prepared, and coercivity (H ci , kOe) was measured for each, and shown. .
  • the magnetic nanostructures according to Comparative Examples 2 to 6 are summarized through ⁇ Table 5> below.
  • the magnetic nanostructure including copper (Cu) may be used in various industrial fields such as a permanent magnet, an electric motor, and a sensor.

Abstract

Provided is a preparation method of magnetic nanostructures. The preparation method of magnetic nanostructures may comprise the steps of: preparing a source solution comprising a first precursor comprising a rare earth element, a second precursor comprising a transition metal element, and a third precursor comprising Cu; electrospinning the source solution to form preliminary magnetic nanostructures comprising a rare earth element oxide, a transition metal oxide, and a Cu oxide; and reducing the preliminary magnetic nanostructures to produce magnetic nanostructures comprising an alloy composition comprising the rare earth element, the transition metal element, and the Cu.

Description

구리를 포함하는 자성 나노 구조체 및 그 제조방법Magnetic nanostructure containing copper and method for manufacturing the same
본 발명은 구리를 포함하는 자성 나노 구조체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 희토류 원소를 포함하는 소스 용액으로부터, 구리를 포함하는 자성 나노 구조체 및 그 제조방법에 관련된 것이다. The present invention relates to a magnetic nanostructure containing copper and a method for manufacturing the same, and relates to a magnetic nanostructure containing copper and a method of manufacturing the same from a source solution containing a rare earth element.
경자성체 영구자석은 모터, 스피커, 계측기 등의 전기기기와 하이브리드 자동차(HEV), 전기자동차(EV) 내 소형모터에 필수불가결하게 사용되어왔다. 이러한 자석 소재로는 보자력이 큰 R2Fe14B계, R2Fe17Nx계와 R2TM17계(R: 희토류 원소, TM: 전이금속 원소)가 폭 넓게 쓰이는데, 앞에 열거된 두 계와 달리, R2TM17계는 쉽게 열분해 되지 않고 큐리온도(Curie temperature)가 높아 상 형성 및 화학적 안정성 면에서 이점을 갖는다. Hard magnetic permanent magnets have been indispensable for electric devices such as motors, speakers, measuring instruments, and small motors in hybrid vehicles (HEV) and electric vehicles (EV). R 2 Fe 14 B series, R 2 Fe 17 N x series and R 2 TM 17 series (R: rare earth elements, TM: transition metal elements) are widely used as these magnet materials. Unlike, R 2 TM 17 system is not easily thermally decomposed and has a high Curie temperature, which has advantages in terms of phase formation and chemical stability.
최근 전자 제품의 경량화, 초소형화 및 고성능화에 발맞춰, 보다 향상된 최대자기에너지적((BH)max)을 갖는 영구자석 소재가 요구된다. 하지만 소재마다 자성 특성의 임계점이 있기에, 이를 뛰어넘고자 하는 연구들이 진행되고 있다.In recent years, in keeping with the light weight, miniaturization, and high performance of electronic products, a permanent magnet material having an improved maximum magnetic energy ((BH)max) is required. However, since each material has a critical point of magnetic properties, studies are being conducted to overcome this.
예를 들어, 대한민국 특허 공개 번호 10-2017-0108468(출원번호: 10-2016-0032417, 출원인: 연세대학교 산학협력단)에는, 기판, 및 상기 기판 상에 형성되고, Bi 박막층 및 Mn 박막층으로 이루어진 적층 단위를 적어도 2회 이 상 반복 적층 및 열처리한 박막 적층체를 포함하는 보자력이 향상된 비희토류 영구자석 및 이의 제조방법이 개시되어 있다. For example, in the Republic of Korea Patent Publication No. 10-2017-0108468 (application number: 10-2016-0032417, applicant: Yonsei University Industry-University Cooperation Foundation), a substrate, and formed on the substrate, a Bi thin film layer and a Mn thin film layer laminated Disclosed is a non-rare permanent magnet with improved coercive force including a thin film laminate obtained by repeatedly laminating and heat-treating units at least twice or more and a method for manufacturing the same.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 자성 특성이 향상된 구리(Cu)를 포함하는 자성 나노 구조체 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다. One technical problem to be solved by the present invention is to provide a magnetic nanostructure including copper (Cu) with improved magnetic properties and a method for manufacturing the same.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 간단한 공정으로 자성 특성을 향상시킬 수 있는, 구리(Cu)를 포함하는 자성 나노 구조체 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다. Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a magnetic nanostructure including copper (Cu) and a method of manufacturing the same, which can improve magnetic properties by a simple process.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 경제적 비용이 절감된, 구리(Cu)를 포함하는 자성 나노 구조체 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다. Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a magnetic nanostructure including copper (Cu) and a method for manufacturing the same, which have reduced economic cost.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다. The technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above.
상술된 기술적 과제들을 해결하기 위해 본 발명은 자성 나노 구조체 제조방법을 제공한다. In order to solve the above-described technical problems, the present invention provides a method for manufacturing a magnetic nano structure.
일 실시 예에 따르면, 상기 자성 나노 구조체 제조방법은, 희토류 원소를 포함하는 제1 전구체, 전이금속 원소를 포함하는 제2 전구체, 및 Cu를 포함하는 제3 전구체를 포함하는 소스 용액을 준비하는 단계, 상기 소스 용액을 전기 방사하여, 희토류 산화물, 전이금속 산화물, 및 Cu 산화물을 포함하는 예비 자성 나노 구조체를 형성하는 단계, 및 상기 예비 자성 와이어를 환원시켜, 상기 희토류 원소, 상기 전이금속 원소, 및 상기 Cu의 합금 조성물을 포함하는 자성 나노 구조체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. According to one embodiment, the method of manufacturing the magnetic nanostructure comprises preparing a source solution including a first precursor containing a rare earth element, a second precursor containing a transition metal element, and a third precursor containing Cu. , Electrospinning the source solution to form a preliminary magnetic nanostructure including a rare earth oxide, a transition metal oxide, and Cu oxide, and reducing the preliminary magnetic wire to reduce the rare earth element, the transition metal element, and It may include the step of manufacturing a magnetic nano-structure comprising the alloy composition of the Cu.
일 실시 예에 따르면, 상기 소스 용액 내 상기 Cu의 몰 비율은 5.8 at% 초과 10.0 at% 미만인 것을 포함할 수 있다. According to one embodiment, the molar ratio of the Cu in the source solution may include more than 5.8 at% and less than 10.0 at%.
일 실시 예에 따르면, 상기 자성 나노 구조체 형성 단계는, 상기 예비 자성 나노 구조체를 환원제와 혼합하는 단계, 상기 환원제와 혼합된 상기 예비 자성 나노 구조체를 열처리하는 단계, 및 열처리된 상기 예비 자성 나노 구조체를, 세척 용액으로 세척하는 단계를 포함할 수 있다. According to an embodiment, the forming of the magnetic nanostructure may include mixing the preliminary magnetic nanostructure with a reducing agent, heat treating the preliminary magnetic nanostructure mixed with the reducing agent, and heat-treated the preliminary magnetic nanostructure. , Washing with a washing solution.
일 실시 예에 따르면, 상기 환원제는, 칼슘(Ca)를 포함할 수 있다. According to one embodiment, the reducing agent may include calcium (Ca).
일 실시 예에 따르면, 상기 자성 나노 구조체 제조방법은 상기 Cu의 함량을 제어하여, 보자력(coercive force)을 제어하는 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the method of manufacturing a magnetic nanostructure may include controlling a content of the Cu to control a coercive force.
상술된 기술적 과제들을 해결하기 위해 본 발명은 자성 나노 구조체를 제공한다. In order to solve the above technical problems, the present invention provides a magnetic nano structure.
일 실시 예에 따르면, 상기 자성 나노 구조체는, 희토류 원소, 전이금속 원소, 및 Cu의 합금 조성물을 포함하되, 상기 합금 조성물 내에서, 상기 Cu의 함량은 5.8 wt% 초과 10.0 wt% 미만인 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the magnetic nanostructure includes an alloy composition of rare earth elements, transition metal elements, and Cu, and in the alloy composition, the content of Cu is greater than 5.8 wt% and less than 10.0 wt% Can be.
일 실시 예에 따르면, 상기 합금 조성물은, ReM5(Re: 희토류 원소, M: 전이금속 원소 또는 Cu 중에서 적어도 어느 하나)로 표시되는 단위 격자(unit cell)로 구성될 수 있다. According to one embodiment, the alloy composition, ReM 5 (Re: rare earth element, M: at least one of transition metal elements or Cu) may be composed of a unit lattice (unit cell).
일 실시 예에 따르면, 상기 ReM5의 결정 구조는, 육방정계(hexagonal)를 포함할 수 있다. According to an embodiment, the crystal structure of ReM 5 may include a hexagonal system.
일 실시 예에 따르면, 상기 Cu는, 상기 단위 격자 내 2c, 2g 사이트(site) 중 적어도 어느 하나의 사이트에 배치되는 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the Cu may include being disposed at at least one of 2c and 2g sites in the unit grid.
일 실시 예에 따르면, 상기 희토류 원소는, La, Ce, Pr, Nd, Sm, 또는 Gd 중 어느 하나를 포함할 수 있다. According to one embodiment, the rare earth element may include any one of La, Ce, Pr, Nd, Sm, or Gd.
일 실시 예에 따르면, 상기 전이금속 원소는, Co 또는 Ni 중 어느 하나를 포함할 수 있다. According to an embodiment, the transition metal element may include either Co or Ni.
일 실시 예에 따르면, 상기 자성 나노 구조체는, 단결정(single crystal), 및 이방성(anisotropic) 특성을 가질 수 있다. According to one embodiment, the magnetic nanostructure, may have a single crystal (single crystal), and anisotropic (anisotropic) properties.
일 실시 예에 따르면, 상기 합금 조성물 내에서, 상기 희토류 원소의 함량은 16.7 wt%이고, 상기 전이금속 원소의 함량은 73.3 wt% 초과 77.5 wt% 미만인 것을 포함할 수 있다. According to an embodiment, in the alloy composition, the content of the rare earth element is 16.7 wt%, and the content of the transition metal element may include more than 73.3 wt% and less than 77.5 wt%.
다른 실시 예에 따르면, 상기 자성 나노 구조체는, 아래의 <화학식 1>로 표시되는 단위 격자로 구성되는 합금 조성물을 포함할 수 있다. According to another embodiment, the magnetic nanostructure may include an alloy composition composed of a unit lattice represented by <Formula 1> below.
<화학식 1><Formula 1>
ReTMxCu5-x ReTM x Cu 5-x
(Re: 희토류 원소, TM: 전이금속 원소)(Re: rare earth element, TM: transition metal element)
다른 실시 예에 따르면, 상기 자성 나노 구조체는, 아래의 <화학식 2>로 표시되는 단위 격자로 구성되는 합금 조성물에서 상기 TM의 7% 초과 및 12% 미만이 상기 Cu로 치환되어, 상기 <화학식 1>로 표시되는 단위 격자를 갖는 합금 조성물을 포함할 수 있다.According to another embodiment, the magnetic nanostructure, in the alloy composition composed of a unit lattice represented by <Formula 2> below, more than 7% and less than 12% of the TM is substituted with the Cu, the <Formula 1 It may include an alloy composition having a unit grid represented by >.
<화학식 2><Formula 2>
ReTM5 ReTM 5
(Re: 희토류 원소, TM: 전이금속 원소)(Re: rare earth element, TM: transition metal element)
다른 실시 예에 따르면, 상기 자성 나노 구조체는 40000 Oe 이상의 보자력을 가질 수 있다. According to another embodiment, the magnetic nanostructure may have a coercive force of 40000 Oe or more.
본 발명의 실시 예에 따른 자성 나노 구조체의 제조방법은, 희토류 원소를 포함하는 제1 전구체, 전이금속 원소를 포함하는 제2 전구체, 및 Cu를 포함하는 제3 전구체를 포함하는 소스 용액을 준비하는 단계, 상기 소스 용액을 전기 방사하여, 희토류 산화물, 전이금속 산화물, 및 Cu 산화물을 포함하는 예비 자성 나노 구조체를 형성하는 단계, 및 상기 예비 자성 나노 구조체를 환원시켜, 상기 희토류 원소, 상기 전이금속 원소, 및 상기 Cu의 합금 조성물을 포함하는 자성 나노 구조체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 즉, 상기 실시 예에 따른 자성 나노 구조체의 제조방법은, 상향식(Bottom-up approach) 특징을 가질 수 있다. Method of manufacturing a magnetic nanostructure according to an embodiment of the present invention, to prepare a source solution comprising a first precursor containing a rare earth element, a second precursor containing a transition metal element, and a third precursor containing Cu Step, electrospinning the source solution to form a preliminary magnetic nanostructure including rare earth oxide, transition metal oxide, and Cu oxide, and reducing the preliminary magnetic nanostructure to reduce the rare earth element and the transition metal element. And, It may include the step of manufacturing a magnetic nano-structure comprising the alloy composition of the Cu. That is, the method of manufacturing the magnetic nanostructure according to the embodiment may have a bottom-up approach.
이러한, 상향식 특징을 갖는 제조방법을 통해 자성 나노 구조체를 제조하는 경우, 상기 소스 용액 준비 단계에서 상기 제3 전구체의 함량을 제어하는 간단한 방법으로, 최종 생성 물질인 자성 나노 구조체 내의 Cu 함량을 제어할 수 있다. 상기 자성 나노 구조체 내의 Cu 함량이 5.8 wt% 초과 10.0 wt% 미만으로 제어되거나, 상기 자성 나노 구조체가 상기 <화학식 2>로 표시되는 단위 격자로 구성되는 합금 조성물에서 상기 TM의 7% 초과 및 12% 미만이 상기 Cu로 치환되어, 상기 <화학식 1>로 표시되는 단위 격자를 갖는 경우, 상기 자성 나노 구조체의 보자력이 향상될 수 있다. 결과적으로, 자성 특성이 향상된 자성 나노 구조체가 제공될 수 있다. 또한, 가격이 비싼 코발트를 대체하여 구리가 사용됨에 따라, 경제적 비용이 절감된 자성 나노 구조체가 제공될 수 있다.When a magnetic nanostructure is manufactured through a manufacturing method having such a bottom-up feature, as a simple method of controlling the content of the third precursor in the source solution preparation step, the Cu content in the magnetic nanostructure that is the final product may be controlled. Can be. Cu content in the magnetic nanostructure is greater than 5.8 wt% and less than 10.0 wt%, or the magnetic nanostructure is more than 7% and 12% of the TM in the alloy composition consisting of a unit lattice represented by <Formula 2> When less than is substituted with Cu, and having a unit lattice represented by <Formula 1>, the coercive force of the magnetic nanostructure may be improved. As a result, a magnetic nanostructure with improved magnetic properties can be provided. In addition, as copper is used as a substitute for expensive cobalt, a magnetic nanostructure with reduced economic cost can be provided.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 자성 나노 구조체의 제조방법을 설명하는 순서도이다. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a magnetic nano structure according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 자성 나노 구조체의 제조방법 중 자성 나노 구조체의 형성 단계를 구체적으로 설명하는 순서도이다. 2 is a flow chart specifically explaining a step of forming a magnetic nanostructure in a method of manufacturing a magnetic nanostructure according to an embodiment of the present invention.
3은 본 발명의 실시 예에 따른 자성 나노 구조체의 제조공정을 나타내는 도면이다. 3 is a view showing a manufacturing process of a magnetic nanostructure according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 자성 나노 구조체의 구조를 설명하기 위해 SmCo5로 표시되는 단위 격자를 나타내는 도면이다. 4 is a view showing a unit grid represented by SmCo 5 to describe the structure of a magnetic nanostructure according to an embodiment of the present invention.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 실시 예들 및 비교 예 1에 따른 자성 나노 구조체를 촬영한 사진들이다. 5 to 9 are photographs of magnetic nanostructures according to embodiments and comparative examples 1 of the present invention.
도 10은 Sm-Co 합금 조성물 및 Sm-Co-Cu 합금 조성물의 X-ray diffraction 분석을 나타내는 그래프이다. 10 is a graph showing X-ray diffraction analysis of the Sm-Co alloy composition and the Sm-Co-Cu alloy composition.
도 11은 본 발명의 실시 예 들 및 비교 예 1에 따른 자성 나노 구조체의 X-ray diffraction 분석을 나타내는 그래프이다. 11 is a graph showing X-ray diffraction analysis of the magnetic nanostructures according to Examples and Comparative Examples 1 of the present invention.
도 12 및 도 13은 본 발명의 실시 예들 및 비교 예 1에 따른 자성 나노 구조체의 구조를 분석하기 위한 X-ray diffraction 분석 그래프이다. 12 and 13 are X-ray diffraction analysis graphs for analyzing the structure of the magnetic nanostructures according to Examples and Comparative Examples 1 of the present invention.
도 14는 본 발명의 실시 예들 및 비교 예에 따른 자성 나노 구조체의 자화 특성을 나타내는 그래프이다. 14 is a graph showing magnetization characteristics of a magnetic nanostructure according to embodiments and comparative examples of the present invention.
도 15는 본 발명의 실시 예들 및 비교 예들에 따른 자성 나노 구조체의 보자력을 비교한 그래프이다. 15 is a graph comparing the coercive force of a magnetic nanostructure according to embodiments and comparative examples of the present invention.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the technical spirit of the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided to ensure that the disclosed contents are thorough and complete and that the spirit of the present invention is sufficiently conveyed to those skilled in the art.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. In the present specification, when a component is referred to as being on another component, it means that it may be formed directly on another component, or a third component may be interposed between them. In addition, in the drawings, the thickness of the films and regions are exaggerated for effective description of the technical content.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.In addition, in various embodiments of the present specification, terms such as first, second, and third are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another component. Therefore, what is referred to as the first component in one embodiment may be referred to as the second component in another embodiment. Each embodiment described and illustrated herein also includes its complementary embodiment. In addition, in this specification,'and/or' is used to mean including at least one of the components listed before and after.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.In the specification, a singular expression includes a plural expression unless the context clearly indicates otherwise. Also, terms such as “include” or “have” are intended to indicate the presence of features, numbers, steps, elements, or combinations thereof described in the specification, and one or more other features, numbers, steps, or configurations. It should not be understood as excluding the possibility of the presence or addition of elements or combinations thereof. In addition, in the present specification, “connecting” is used in a sense to include both indirectly connecting a plurality of components, and directly connecting.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.In addition, in the following description of the present invention, when it is determined that detailed descriptions of related known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, detailed descriptions thereof will be omitted.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 자성 나노 구조체의 제조방법을 설명하는 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 자성 나노 구조체의 제조방법 중 자성 나노 구조체의 형성 단계를 구체적으로 설명하는 순서도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 자성 나노 구조체의 제조공정을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 자성 나노 구조체의 구조를 설명하기 위해 SmCo5로 표시되는 단위 격자를 나타내는 도면이다. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a magnetic nanostructure according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a detailed description of a step of forming a magnetic nanostructure among methods of manufacturing a magnetic nanostructure according to an embodiment of the present invention Flowchart, Figure 3 is a view showing a manufacturing process of a magnetic nanostructure according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is a unit grid represented by SmCo 5 to describe the structure of the magnetic nanostructure according to an embodiment of the present invention It is a figure showing.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 제1 전구체, 제2 전구체, 및 제3 전구체를 포함하는 소스 용액이 준비될 수 있다(S100). 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전구체는 희토류(rare-earth) 원소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 희토류 원소는 La, Ce, Pr, Nd, Sm, 또는 Gd 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 전구체는 전이금속(transition-metal) 원소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전이금속 원소는, Co 또는 Ni 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제3 전구체는 Cu를 포함할 수 있다. 1 to 3, a source solution including a first precursor, a second precursor, and a third precursor may be prepared (S100). According to an embodiment, the first precursor may include a rare-earth element. For example, the rare earth element may include any one of La, Ce, Pr, Nd, Sm, or Gd. According to one embodiment, the second precursor may include a transition-metal element. For example, the transition metal element may include either Co or Ni. According to one embodiment, the third precursor may include Cu.
상기 소스 용액은, 점성 소스를 더 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 점성 소스는, 고분자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자는 PVP(polyvinylpyrrolidone), PAN(Polyacrylonitrile), PVAC(Poly(vinyl acetate)), PVB(Polyvinylbutyral), PVA(Poly(vinyl alcohol)) 또는 PEO(Polyethylene oxide) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 점성 소스는, 상기 소스 용액에 점성을 부여하여, 후술되는 자성 나노 구조체의 직경을 제어할 수 있다. The source solution may further include a viscous source. According to one embodiment, the viscous source may include a polymer. For example, the polymer may include at least one of polyvinylpyrrolidone (PVP), polyacrylonitrile (PAN), poly(vinyl acetate) (PVAC), polyvinylbutyral (PVB), poly(vinyl alcohol) (PVA), or polyethylene oxide (PEO). It can contain. The viscous source may give viscosity to the source solution, thereby controlling the diameter of the magnetic nanostructure described below.
일 실시 예에 따르면, 상기 소스 용액 내 상기 제3 전구체의 몰 분율(at %)이 제어될 수 있다. 구체적으로, 상기 소스 용액 내 상기 Cu의 몰 비율은 5.8 at% 초과 10.0 at% 미만으로 제어될 수 있다. 이 경우, 후술되는 자성 나노 구조체는, 아래의 <화학식 2>로 표시되는 단위 격자로 구성되는 합금 조성물에서 상기 TM의 7% 초과 및 12% 미만이 상기 Cu로 치환되어, 상기 <화학식 1>로 표시되는 단위 격자를 가질 수 있다. 이에 따라, 자성 나노 구조체의 최대 자기에너지지적값((BH)max)이 향상될 수 있다. 보다 구체적인 설명은 후술된다. According to one embodiment, the molar fraction (at %) of the third precursor in the source solution may be controlled. Specifically, the molar ratio of the Cu in the source solution may be controlled to be greater than 5.8 at% and less than 10.0 at%. In this case, in the magnetic nanostructure described below, in the alloy composition composed of the unit lattice represented by <Formula 2> below, more than 7% and less than 12% of the TM are substituted with the Cu, to the <Formula 1> It may have a unit grid displayed. Accordingly, the maximum magnetic energy index ((BH) max ) of the magnetic nanostructure may be improved. More detailed description will be given later.
<화학식 1><Formula 1>
ReTMxCu5-x ReTM x Cu 5-x
(Re: 희토류 원소, TM: 전이금속 원소)(Re: rare earth element, TM: transition metal element)
<화학식 2><Formula 2>
ReTM5 ReTM 5
(Re: 희토류 원소, TM: 전이금속 원소)(Re: rare earth element, TM: transition metal element)
상기 소스 용액이 전기 방사되어, 예비 자성 나노 구조체가 형성될 수 있다(S200). 상기 소스 용액이 전기 방사되어 형성된 상기 예비 자성 나노 구조체는, 희토류 산화물, 전이금속 산화물, 및 Cu 산화물을 포함할 수 있다. The source solution may be electrospinned to form a preliminary magnetic nanostructure (S200). The preliminary magnetic nanostructure formed by electrospinning the source solution may include rare earth oxide, transition metal oxide, and Cu oxide.
일 실시 예에 따르면, 상기 예비 하이브리드 자성 섬유 형성 단계는, 제1 예비 하이브리드 자성 섬유 형성 단계, 및 제2 예비 하이브리드 자성 섬유 형성 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1 예비 하이브리드 자성 섬유 형성 단계는, 상기 소스 용액을 전기 방사하는 방법으로 수행될 수 있다. 상기 제1 예비 하이브리드 자성 섬유는, 상기 소스 용액의 고형 성분으로 이루어질 수 있다. 상기 제1 예비 하이브리드 자성 섬유는, 수용성 금속염, 고분자 등을 포함할 수 있다. 상기 제2 예비 하이브리드 자성 섬유 형성 단계는, 상기 제1 예비 하이브리드 자성 섬유를 하소하는 방법으로 수행될 수 있다. 즉, 상기 제1 예비 하이브리드 자성 섬유를 열처리하여, 상기 제1 예비 하이브리드 자성 섬유 내의 고분자를 포함한 유기물을 분해시키는 방법으로 수행될 수 있다. 상기 제2 예비 하이브리드 자성 섬유는, 희토류 산화물, 전이금속 산화물, 및 Cu 산화물을 포함할 수 있다.According to one embodiment, the preliminary hybrid magnetic fiber forming step may include a first preliminary hybrid magnetic fiber forming step, and a second preliminary hybrid magnetic fiber forming step. The first preliminary hybrid magnetic fiber forming step may be performed by a method of electrospinning the source solution. The first preliminary hybrid magnetic fiber may be formed of a solid component of the source solution. The first preliminary hybrid magnetic fiber may include a water-soluble metal salt, a polymer, and the like. The step of forming the second preliminary hybrid magnetic fiber may be performed by a method of calcining the first preliminary hybrid magnetic fiber. That is, the first preliminary hybrid magnetic fiber may be heat-treated to decompose an organic material including a polymer in the first preliminary hybrid magnetic fiber. The second preliminary hybrid magnetic fiber may include rare earth oxide, transition metal oxide, and Cu oxide.
보다 구체적으로, 주사기(syringe, 10) 안에 상기 소스 용액을 주입하고, 주사기 펌프(20)를 이용하여 상기 소스 용액을 방사할 수 있다. 이 경우, 상기 주사기의 팁(30)은 직경이 0.05~2mm 이고, 상기 주사기 팁(30)과 상기 예비 하이브리드 자성 섬유가 포집되는 포집기(collector, 40)는 10~20cm 이격되고, 상기 주사기 펌프(20)는 0.3~0.8 mL/h의 속도로 상기 소스 용액을 방사할 수 있다. 또한, 전기 방사를 위해 인가되는 전압은 16~23 kV일 수 있다. 상술된 공정을 통해 상기 제1 예비 하이브리드 자성 섬유가 형성될 수 있다.More specifically, the source solution may be injected into a syringe (10), and the source solution may be radiated using a syringe pump (20). In this case, the tip 30 of the syringe has a diameter of 0.05 to 2 mm, the syringe tip 30 and the pre-hybrid magnetic fiber collector (collector 40) are spaced 10-20 cm apart, and the syringe pump ( 20) is capable of spinning the source solution at a rate of 0.3 to 0.8 mL/h. In addition, the voltage applied for electric radiation may be 16 to 23 kV. The first preliminary hybrid magnetic fiber may be formed through the above-described process.
상기 제1 예비 하이브리드 자성 섬유는, 알루미나(alumina) 도가니에 모아 500~900℃의 상압, 대기 분위기에서 열처리될 수 있다. 이 과정에서 고분자를 포함한 유기물이 모두 열분해 될 수 있다. 이 때 승온 속도 조건은 분당1~10℃ 일 수 있다. 상술된 공정을 통해 상기 제2 예비 하이브리드 자성 섬유가 형성될 수 있다. The first preliminary hybrid magnetic fiber may be collected in an alumina crucible and heat-treated in an atmospheric pressure of 500 to 900°C in an atmospheric atmosphere. In this process, all organic substances including polymers can be thermally decomposed. At this time, the temperature increase rate condition may be 1 to 10°C per minute. The second preliminary hybrid magnetic fiber may be formed through the above-described process.
상기 예비 자성 나노 구조체가 환원되어, 자성 나노 구조체(magnetic structure)가 형성될 수 있다(S300). 상기 자성 나노 구조체는, 희토류 원소, 전이금속 원소, 및 Cu의 합금 조성물을 포함할 수 있다. 또한, 상기 자성 나노 구조체는, 아래의 <화학식 1>로 표시되는 단위 격자로 구성되는 합금 조성물일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 자성 나노 구조체는, 15~18 wt%의 상기 희토류 원소, 70~79 wt%의 상기 전이금속 원소, 및 5.5~10.5 wt%의 상기 Cu를 포함할 수 있다. 또한, 상기 자성 나노 구조체는, 상술된 바와 같이 전기방사 방법으로 형성됨에 따라, 와이어(wire) 형태 또는 섬유(fiber) 형태를 가질 수 있다. The preliminary magnetic nanostructure may be reduced to form a magnetic nanostructure (S300). The magnetic nanostructure may include a rare earth element, a transition metal element, and an alloy composition of Cu. In addition, the magnetic nanostructure may be an alloy composition composed of a unit lattice represented by <Formula 1> below. More specifically, the magnetic nanostructure may include 15 to 18 wt% of the rare earth element, 70 to 79 wt% of the transition metal element, and 5.5 to 10.5 wt% of Cu. In addition, as the magnetic nanostructure is formed by an electrospinning method as described above, it may have a wire shape or a fiber shape.
<화학식 1><Formula 1>
ReTMxCu5-x (Re: 희토류 원소, TM: 전이금속 원소)ReTM x Cu 5-x (Re: rare earth element, TM: transition metal element)
일 실시 예에 따르면, 상기 자성 나노 구조체는, 결정 구조(crystal structure)를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 자성 나노 구조체는, 단결정(single structure)를 가질 수 있다. 상기 자성 나노 구조체가 결정 구조를 갖는 경우, 상기 자성 나노 구조체는 ReM5(Re: 희토류 원소, M: 전이금속 원소 또는 Cu 중에서 적어도 어느 하나)로 표시되는 단위 격자(unit cell)로 구성될 수 있다. 상기 ReM5 의 결정 구조는, 육방정계(hexagonal)일 수 있다. According to one embodiment, the magnetic nanostructure, may have a crystal structure (crystal structure). For example, the magnetic nanostructure may have a single crystal. When the magnetic nanostructure has a crystal structure, the magnetic nanostructure may be composed of a unit cell represented by ReM 5 (at least one of Re: rare earth element, M: transition metal element, or Cu). . The crystal structure of ReM 5 may be hexagonal.
상기 ReM5로 표시되는 단위 격자 내 원자들의 배치는, SmCo5로 표시되는 단위 격자 내 원자들의 배치와 같을 수 있다. 즉, 상기 ReM5로 표시되는 단위 격자 내에서 Re(희토류 원소)의 배치는, SmCo5로 표시되는 단위 격자 내에서 Sm의 배치와 같을 수 있다. 또한, 상기 ReM5 로 표시되는 단위 격자 내에서 M(전이금속 원소 또는 Cu 중 적어도 어느 하나)의 배치는, SmCo5로 표시되는 단위 격자 내에서 Co의 배치와 같을 수 있다. The arrangement of atoms in the unit lattice represented by ReM 5 may be the same as the arrangement of atoms in the unit lattice represented by SmCo 5 . That is, the arrangement of Re (rare earth elements) in the unit lattice represented by ReM 5 may be the same as the arrangement of Sm in the unit lattice represented by SmCo 5 . In addition, the arrangement of M (at least one of transition metal elements or Cu) in the unit lattice represented by ReM 5 may be the same as the arrangement of Co in the unit lattice represented by SmCo 5 .
보다 구체적인 설명을 위해, 도 4를 참조하면, SmCo5로 표시되는 단위 격자를 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, SmCo5로 표시되는 단위 격자 내에서 Co는 2c, 2g 사이트(site) 중 적어도 어느 하나의 사이트에 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 ReM5로 표시되는 단위 격자 내에서 M 역시 2c, 2g 사이트(site) 중 적어도 어느 하나의 사이트에 배치될 수 있다. 즉, 상기 ReM5로 표시되는 단위 격자의 2c, 2g 사이트(site)에는, 상기 전이금속 원소, 또는 Cu가 배치될 수 있다. For more specific description, referring to FIG. 4, a unit grid represented by SmCo 5 is shown. As illustrated in FIG. 4, in the unit grid represented by SmCo 5 , Co may be disposed at at least one of 2c and 2g sites. Accordingly, in the unit grid represented by ReM 5 , M may also be disposed at at least one of 2c and 2g sites. That is, the transition metal element or Cu may be disposed at 2c and 2g sites of the unit lattice represented by ReM 5 .
상기 실시 예에 따른 자성 나노 구조체는, Cu의 함량이 증가함에 따라 포화자화(saturation magnetization)값, 및 잔류자화(remanent magnetization)값은 저하되고, 각형비(squareness) 및 보자력(coercive force)은 향상될 수 있다. 다만, 감소되는 포화자화값 및 잔류자화값의 비율보다, 향상되는 각형비 및 보자력의 비율이 더 클 수 있다. 이에 따라, Cu의 함량이 증가하는 경우, 포화자화값 및 보자력의 곱으로 표현되는 최대자기에너지적값((BH)max)이 향상될 수 있다. In the magnetic nanostructure according to the embodiment, as the content of Cu increases, the saturation magnetization value and the residual magnetization value decrease, and squareness and coercive force improve. Can be. However, the ratio of the improved squareness ratio and the coercive force may be larger than the ratio of the reduced saturation magnetization value and the residual magnetization value. Accordingly, when the Cu content is increased, the maximum magnetic energy value ((BH) max ) expressed as a product of the saturation magnetization value and the coercive force may be improved.
하지만, Cu의 함량이 소정의 기준을 넘어가게 되는 경우, 보자력이 현저히 감소하는 문제점이 발생될 수 있다. 보다 구체적으로, Cu의 함량이 소정 기준을 넘어가게 되는 경우, 상기 전이금속의 원자반경(예를 들어 Co의 경우 1.67Å)보다 Cu의 원자반경(1.57Å)이 더 작음에 따라, 에너지 준위상 안정한 SmCu5상이 용이하게 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 실시 예에 따른 자성 나노 구조체는 상술된 ReM5 단일상의 형태가 아닌, ReM5 및 ReCu5의 복합상 형태를 나타낼 수 있다. ReM5 단일상의 경우, 이방성(anisotropic)을 나타내어 높은 보자력을 나타내지만, 복수의 상들이 혼합된 경우, 등방성(istropic)을 나타내어 낮은 보자력을 나타낼 수 있다.However, when the content of Cu exceeds a predetermined criterion, a problem in that the coercive force is significantly reduced may occur. More specifically, when the content of Cu exceeds a predetermined criterion, the energy level of the Cu is smaller as the atomic radius of Cu (1.57 Å) is smaller than the atomic radius of the transition metal (for example, 1.67 Å for Co). A stable SmCu 5 phase can be easily formed. Accordingly, the magnetic nanostructure according to the embodiment may represent a composite phase form of ReM 5 and ReCu 5 , rather than the form of the single phase ReM 5 described above. In the case of the ReM 5 single phase, it exhibits anisotropy and exhibits high coercive force, but when a plurality of phases are mixed, it exhibits isotropy and exhibits low coercive force.
결과적으로, 높은 최대자기에너지적값을 얻기 위해, 상기 실시 예에 따른 자성 나노 구조체 내의 상기 Cu 함량이 제어될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 자성 나노 구조체 내의 상기 Cu 함량은 5.8 wt% 초과 10.0 wt% 미만으로 제어될 수 있다. 또한, 상기 자성 나노 구조체는, 아래의 <화학식 2>로 표시되는 단위 격자로 구성되는 합금 조성물에서 TM의 7 % 초과 및 12 % 미만이 상기 Cu로 치환되어, 상기 <화학식 1>로 표시되는 단위 격자를 갖는 합금 조성물을 포함할 수 있다. As a result, in order to obtain a high maximum magnetic energy value, the Cu content in the magnetic nanostructure according to the embodiment may be controlled. According to one embodiment, the Cu content in the magnetic nanostructure may be controlled to more than 5.8 wt% and less than 10.0 wt%. In addition, in the magnetic nanostructure, in the alloy composition composed of the unit lattice represented by <Formula 2> below, more than 7% and less than 12% of TM are substituted with Cu, and the unit represented by <Formula 1> And alloy compositions having a lattice.
<화학식 2><Formula 2>
ReTM5 ReTM 5
(Re: 희토류 원소, TM: 전이금속 원소)(Re: rare earth element, TM: transition metal element)
즉, 상기 자성 나노 구조체 내에서, 상기 TM을 치환하는 상기 Cu의 치환량이 7 % 초과 12 % 미만으로 제어된 경우, 상기 자성 나노 구조체 내의 상기 Cu 함량이 5.8 wt% 초과 10.0 wt 미만일 수 있다. 상술된 바와 같이 상기 Cu의 함량이 제어된 경우, 상기 자성 나노 구조체는 ReM5단일상을 나타내고, 40000Oe 이상의 높은 보자력을 나타낼 수 있다. That is, in the magnetic nanostructure, when the amount of substitution of the Cu substituting the TM is controlled to be more than 7% and less than 12%, the Cu content in the magnetic nanostructure may be greater than 5.8 wt% and less than 10.0 wt. As described above, when the content of Cu is controlled, the magnetic nanostructure may exhibit a ReM 5 single phase and a high coercive force of 40000 Oe or more.
상술된 바와 달리, 상기 자성 구조체 내의 상기 Cu 치환량이 7 % 이하 또는, 12 % 이상인 경우, 보자력 및 최대자기에너지적 값이 감소되는 문제점이 발생될 수 있다. 특히, 상기 자성 구조체 내의 상기 Cu 치환량이 5 % 미만인 경우, 상기 자성 구조체는, Re2M17상, Re2M7상, 및 ReM5상이 혼합된 구조를 나타내게 되어 보자력이 저하될 수 있다. 또한, 상기 자성 구조체 내의 상기 Cu 치환량이 20 % 이상인 경우, 상기 자성 구조체는, ReM5상 및 ReCu5 상이 혼합된 구조를 나타내게 되어 보자력이 저하되는 문제점이 발생될 수 있다. Unlike the above, when the Cu substitution amount in the magnetic structure is 7% or less, or 12% or more, a problem in that the coercive force and the maximum magnetic energy value may be reduced. In particular, when the amount of Cu substitution in the magnetic structure is less than 5%, the magnetic structure may exhibit a structure in which the Re 2 M 17 phase, the Re 2 M 7 phase, and the ReM 5 phase are mixed, thereby lowering the coercive force. In addition, when the amount of Cu substitution in the magnetic structure is 20% or more, the magnetic structure may exhibit a structure in which the ReM 5 phase and the ReCu 5 phase are mixed, resulting in a problem that the coercive force is lowered.
일 실시 예에 따르면, 상기 자성 나노 구조체 내의 상기 Cu 함량이 증가함에 따라, 상기 자성 나노 구조체가 포함하는 결정의 크기가 증가할 수 있다. 즉, 상기 자성 나노 구조체 내의 상기 Cu 함량이 증가함에 따라, 상기 자성 나노 구조체의 결정화도가 향상될 수 있다. 결과적으로, 상기 Cu는 상기 자성 나노 구조체의 결정성 향상에 영향을 미칠 수 있다. According to an embodiment, as the Cu content in the magnetic nanostructure increases, the size of the crystal included in the magnetic nanostructure may increase. That is, as the Cu content in the magnetic nanostructure increases, crystallinity of the magnetic nanostructure may be improved. As a result, the Cu may affect the crystallinity of the magnetic nanostructure.
일 실시 예에 따르면, 상기 자성 나노 구조체 형성 단계(S300)는, 상기 예비 자성 나노 구조체를 환원제와 혼합하는 단계(S310), 상기 환원제와 혼합된 상기 예비 자성 나노 구조체를 열처리하는 단계(S320), 및 열처리된 상기 예비 자성 나노 구조체를 세척 용액으로 세척하는 단계(S330)를 포함할 수 있다. 즉, 상기 예비 자성 나노 구조체가 환원제와 혼합된 후, 열처리됨에 따라, 상기 자성 나노 구조체가 형성될 수 있다. According to one embodiment, the forming of the magnetic nanostructure (S300) comprises mixing the preliminary magnetic nanostructure with a reducing agent (S310), and heat-treating the preliminary magnetic nanostructure mixed with the reducing agent (S320), And washing the pre-treated magnetic nanostructures with a washing solution (S330). That is, after the preliminary magnetic nanostructure is mixed with a reducing agent, and then heat-treated, the magnetic nanostructure may be formed.
상기 환원제는 칼슘(Ca)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 환원제는 CaH2를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 자성 나노 구조체가 용이하게 형성될 수 있다. 구체적으로, 희토류계 원소들의 경우, 매우 작은 산화에너지를 갖고 있어, 산화물 형태일 때 가장 안정한 상을 유지할 수 있다. 이에 따라, 희토류 산화물을 금속으로 환원하기 위해서는 1500℃ 이상의 고온 및 수소 분위기가 요구되어, 공정상의 어려움이 발생된다. 하지만, 칼슘(Ca)의 경우 희토류계 원소들보다 더 작은 산화에너지를 갖기 때문에, 이를 환원제로 사용할 경우 상대적으로 낮은 열처리 온도(예를 들어 500~800℃) 및, 비수소 분위기에서 희토류 산화물을 금속으로 용이하게 환원시킬 수 있다. The reducing agent may include calcium (Ca). For example, the reducing agent may include CaH 2 . In this case, the magnetic nanostructure can be easily formed. Specifically, in the case of rare earth elements, it has very small oxidation energy, so it can maintain the most stable phase in the form of oxide. Accordingly, in order to reduce the rare earth oxide to a metal, a high temperature and a hydrogen atmosphere of 1500° C. or higher are required, resulting in process difficulties. However, since calcium (Ca) has a smaller oxidation energy than rare earth elements, when it is used as a reducing agent, a relatively low heat treatment temperature (for example, 500 to 800°C) and a rare earth oxide metal in a non-hydrogen atmosphere Can be easily reduced.
상기 세척 용액은 염화암모늄(NH4Cl), 및 메탄올(CH3OH) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 자성 나노 구조체가 용이하게 형성될 수 있다. 구체적으로, 칼슘(Ca)을 포함하는 환원제를 이용하여 상기 예비 자성 나노 구조체를 환원시키는 경우, 희토류 산화물이 환원된 금속 표면에 산화칼슘(CaO)이 형성될 수 있다. 이에 따라, 산화칼슘(CaO)을 제거하는 공정이 요구되는데, 기존의 산화칼슘(CaO) 제거 공정은, 아세트산 또는 염산을 초순수와 혼합한 세척 용액을 사용하였다. 이 경우, 산 용액이 자성 상에도 부식, 산화 등의 치명적인 영향을 발생시는 문제점이 발생될 수 있다. 하지만, 염화암모늄(NH4Cl), 및 메탄올(CH3OH) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 세척 용액의 경우, 자성상에 영향을 미치지 않으면서, 산화칼슘(CaO)을 용이하게 제거할 수 있다. The washing solution may include at least one of ammonium chloride (NH 4 Cl), and methanol (CH 3 OH). In this case, the magnetic nanostructure can be easily formed. Specifically, when the preliminary magnetic nanostructure is reduced using a reducing agent containing calcium (Ca), calcium oxide (CaO) may be formed on the surface of the metal on which the rare earth oxide is reduced. Accordingly, a process for removing calcium oxide (CaO) is required. In the existing calcium oxide (CaO) removal process, a washing solution in which acetic acid or hydrochloric acid is mixed with ultrapure water was used. In this case, a problem may occur when the acid solution generates a fatal effect such as corrosion and oxidation even in the magnetic phase. However, in the case of a washing solution containing at least one of ammonium chloride (NH 4 Cl) and methanol (CH 3 OH), calcium oxide (CaO) can be easily removed without affecting the magnetic phase. .
종래의 희토류 영구자석을 제조하는 방법은 잉곳(ingot)의 용해 주조, 압출성형 또는 사출성형과 같은 분말 야금법으로 구성되며, 이들은 하향식 접근(Top-dowm approach)의 특징을 갖는다. 하향식 접근 방법을 거쳐 치환형 합금을 제조할 경우, 단결정의 형태가 아닌 결정립-결정립계(grain boundary)의 복합 미세구조가 형성되기 쉽고, 수많은 결정립이 생성되면서 등방성(isotropic)의 합금이 얻어질 수 있다. 이러한 등방성의 합금은 결과적으로 보자력을 낮추게 되어 자기적 특성의 저하를 야기할 수 있다. 뿐만 아니라, 결정립계에 결함(defect) 및 불순물이 발생하기 쉽고, 결정립과 결정립계가 서로 다른 상(phase)으로 이루어지기 쉬우므로 자기이력곡선 상에서 분리된 이성분상(binary-phase)의 거동을 보이며 자성 특성에 악영향을 끼치는 문제점이 발생될 수 있다.Conventional methods for producing rare earth permanent magnets are composed of powder metallurgy methods such as melt casting of ingots, extrusion molding or injection molding, and they have a feature of a top-dowm approach. When a substitution type alloy is manufactured through a top-down approach, it is easy to form a complex microstructure of a grain-grain boundary rather than a single crystal form, and an isotropic alloy can be obtained while numerous grains are generated. . As a result, such an isotropic alloy may lower the coercive force and cause deterioration of magnetic properties. In addition, since defects and impurities are easily generated in the grain boundaries, and the grains and grain boundaries are easily formed in different phases, magnetic properties are exhibited by showing the behavior of the binary-phase separated on the magnetic hysteresis curve. A problem that adversely affects may occur.
하지만, 본 발명의 실시 예에 따른 자성 나노 구조체의 제조방법은, 희토류 원소를 포함하는 제1 전구체, 전이금속 원소를 포함하는 제2 전구체, 및 Cu를 포함하는 제3 전구체를 포함하는 소스 용액을 준비하는 단계, 상기 소스 용액을 전기 방사하여, 희토류 산화물, 전이금속 산화물, 및 Cu 산화물을 포함하는 예비 자성 나노 구조체를 형성하는 단계, 및 상기 예비 자성 나노 구조체를 환원시켜, 상기 희토류 원소, 상기 전이금속 원소, 및 상기 Cu의 합금 조성물을 포함하는 자성 나노 구조체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 즉, 상기 실시 예에 따른 자성 나노 구조체의 제조방법은, 상향식(Bottom-up approach) 특징을 가질 수 있다. However, the method of manufacturing a magnetic nanostructure according to an embodiment of the present invention includes a source solution including a first precursor containing a rare earth element, a second precursor containing a transition metal element, and a third precursor containing Cu. Preparing, electrospinning the source solution, forming a pre-magnetic nanostructure including rare earth oxide, transition metal oxide, and Cu oxide, and reducing the pre-magnetic nanostructure to reduce the rare earth element and the transition. It may include the step of preparing a magnetic nanostructure comprising a metal element, and the alloy composition of the Cu. That is, the method of manufacturing the magnetic nanostructure according to the embodiment may have a bottom-up approach.
이러한, 상향식 특징을 갖는 제조방법을 통해 자성 나노 구조체를 제조하는 경우, 상기 소스 용액 준비 단계에서 상기 제3 전구체의 함량을 제어하는 간단한 방법으로, 최종 생성 물질인 자성 나노 구조체 내의 Cu 함량을 제어할 수 있다. 상술된 바와 같이 상기 자성 나노 구조체 내의 Cu 함량이 5.8 wt% 초과 10.0 wt% 미만으로 제어되거나, 상기 자성 나노 구조체가 상기 <화학식 2>로 표시되는 단위 격자로 구성되는 합금 조성물에서 상기 TM의 7% 초과 및 12% 미만이 상기 Cu로 치환되어, 상기 <화학식 1>로 표시되는 단위 격자를 갖는 경우, 상기 자성 나노 구조체의 보자력이 향상될 수 있다. 결과적으로, 자성 특성이 향상된 자성 나노 구조체가 제공될 수 있다. 또한, 가격이 비싼 코발트를 대체하여 구리가 사용됨에 따라, 경제적 비용이 절감된 자성 나노 구조체가 제공될 수 있다.When a magnetic nanostructure is manufactured through a manufacturing method having such a bottom-up feature, as a simple method of controlling the content of the third precursor in the source solution preparation step, the Cu content in the magnetic nanostructure that is the final product may be controlled. Can be. As described above, the Cu content in the magnetic nanostructure is controlled to be greater than 5.8 wt% and less than 10.0 wt%, or the magnetic nanostructure is 7% of the TM in an alloy composition composed of a unit lattice represented by <Formula 2> When the excess and less than 12% are substituted with the Cu, and having a unit lattice represented by <Formula 1>, the coercive force of the magnetic nanostructure may be improved. As a result, a magnetic nanostructure with improved magnetic properties can be provided. In addition, as copper is used as a substitute for expensive cobalt, a magnetic nanostructure with reduced economic cost can be provided.
이상, 본 발명의 실시 예에 따른 자성 나노 구조체 및 그 제조방법이 설명되었다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 자성 나노 구조체 및 그 제조방법의 구체적인 실험 예 및 특성 평가 결과가 설명된다. As described above, a magnetic nano structure according to an embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof have been described. Hereinafter, specific experimental examples and property evaluation results of the magnetic nanostructures and methods for manufacturing the same according to the embodiment of the present invention will be described.
실시 예 1에 따른 자성 나노 구조체 제조Preparation of magnetic nanostructures according to Example 1
7mL 용량의 초순수에 사마륨(III) 질산 6수화물(Samarium(III) nitrate hexahydrate; Sm(NO3)36H2O), 코발트(II) 질산 6수화물(Cobalt(II) nitrate hexahydrate; Co(NO3)26H2O), 구리 질산 3수화물(Cu(NO3)23H2O), 및 3 wt% 농도의 PVP를 혼합하여 소스 용액을 제조하였다. Samarium(III) nitrate hexahydrate; Sm(NO 3 ) 3 6H 2 O), Cobalt(II) nitrate hexahydrate; Co(NO 3) ) 2 6H 2 O), copper nitrate trihydrate (Cu(NO 3 ) 2 3H 2 O), and PVP at a concentration of 3 wt% were mixed to prepare a source solution.
제조된 소스 용액은 전기방사를 위해 주사기에 담고 주사기 펌프를 사용하여 0.8 mL/h의 속도로 용액을 지속적으로 밀어준다. 이 때 주사기의 팁(tip) 부분과 방사된 섬유가 포집되는 포집기(collector)는 15cm 간격으로 이격되고, 16 kV의 고전압을 인가해주어 전위차에 의해 소스 용액이 방사되도록 한다. 포집기에 증착된 물질은 알루미나(alumina, Al2O3) 도가니에 모아 대기 분위기에서 약 700℃의 온도로 3시간 동안 하소하여 고분자를 포함한 유기물이 모두 분해되도록 한다. The prepared source solution is placed in a syringe for electrospinning and the solution is continuously pushed at a rate of 0.8 mL/h using a syringe pump. At this time, the tip portion of the syringe and the collector where the spun fibers are collected are spaced apart at 15 cm intervals, and a high voltage of 16 kV is applied to radiate the source solution by a potential difference. The material deposited on the collector is collected in an alumina (Al 2 O 3 ) crucible and calcined in an atmosphere at a temperature of about 700° C. for 3 hours to decompose all organic substances including polymers.
하소된 물질을 CaH2와 1:1의 부피비로 혼합하고 비활성 분위기에서 약 700℃의 온도로, 1시간 동안 열처리하여 환원시킨 후, 염화암모늄과 메탄올 혼합용액을 이용하여 수세하여, Co 대비 Cu가 3% 치환된 제1 실시 예에 따른 자성 나노 구조체를 제조하였다. The calcined material is mixed with CaH 2 in a volume ratio of 1:1 and reduced by heat treatment for about 1 hour at a temperature of about 700° C. in an inert atmosphere, followed by washing with a mixed solution of ammonium chloride and methanol, resulting in Cu compared to Co. A magnetic nanostructure according to the first embodiment substituted with 3% was prepared.
실시 예 2에 따른 자성 나노 구조체 제조Preparation of magnetic nanostructures according to Example 2
상기 실시 예 1에 따른 방법으로 자성 나노 구조체를 제조하되, 소스 용액 내 구리 질산 3수화물(Cu(NO3)23H2O)의 비율을 제어하여, Co 대비 Cu가 5% 치환된 제2 실시 예에 따른 자성 나노 구조체를 제조하였다. A magnetic nanostructure was prepared by the method according to Example 1, but the ratio of copper nitrate trihydrate (Cu(NO 3 ) 2 3H 2 O) in the source solution was controlled, so that Cu compared to Co was substituted by 5%. Magnetic nanostructures according to examples were prepared.
실시 예 3에 따른 자성 나노 구조체 제조Preparation of magnetic nanostructures according to Example 3
상기 실시 예 1에 따른 방법으로 자성 나노 구조체를 제조하되, 소스 용액 내 구리 질산 3수화물(Cu(NO3)23H2O)의 비율을 제어하여, Co 대비 Cu가 7% 치환된 제3 실시 예에 따른 자성 나노 구조체를 제조하였다. A magnetic nanostructure was prepared by the method according to Example 1, but the third embodiment in which Cu was 7% substituted with Co by controlling the ratio of copper nitrate trihydrate (Cu(NO 3 ) 2 3H 2 O) in the source solution Magnetic nanostructures according to examples were prepared.
실시 예 4에 따른 자성 나노 구조체 제조Preparation of magnetic nanostructures according to Example 4
상기 실시 예 1에 따른 방법으로 자성 나노 구조체를 제조하되, 소스 용액 내 구리 질산 3수화물(Cu(NO3)23H2O)의 비율을 제어하여, Co 대비 Cu가 10% 치환된 제4 실시 예에 따른 자성 나노 구조체를 제조하였다. A magnetic nanostructure was prepared by the method according to Example 1, but the fourth embodiment in which Cu was 10% substituted with Co by controlling the ratio of copper nitrate trihydrate (Cu(NO 3 ) 2 3H 2 O) in the source solution Magnetic nanostructures according to examples were prepared.
실시 예 5에 따른 자성 나노 구조체 제조Preparation of magnetic nanostructures according to Example 5
상기 실시 예 1에 따른 방법으로 자성 나노 구조체를 제조하되, 소스 용액 내 구리 질산 3수화물(Cu(NO3)23H2O)의 비율을 제어하여, Co 대비 Cu가 12% 치환된 제5 실시 예에 따른 자성 나노 구조체를 제조하였다. A magnetic nanostructure was prepared by the method according to Example 1, but by controlling the ratio of copper nitrate trihydrate (Cu(NO 3 ) 2 3H 2 O) in the source solution, the fifth implementation in which Cu was 12% substituted compared to Co Magnetic nanostructures according to examples were prepared.
실시 예 6에 따른 자성 나노 구조체 제조Preparation of magnetic nanostructures according to Example 6
상기 실시 예 1에 따른 방법으로 자성 나노 구조체를 제조하되, 소스 용액 내 구리 질산 3수화물(Cu(NO3)23H2O)의 비율을 제어하여, Co 대비 Cu가 15% 치환된 제6 실시 예에 따른 자성 나노 구조체를 제조하였다. A sixth embodiment in which Cu is 15% substituted with Co by controlling the proportion of copper nitrate trihydrate (Cu(NO 3 ) 2 3H 2 O) in the source solution, by preparing a magnetic nanostructure in the method according to Example 1 above. Magnetic nanostructures according to examples were prepared.
실시 예 7에 따른 자성 나노 구조체 제조Preparation of magnetic nanostructures according to Example 7
상기 실시 예 1에 따른 방법으로 자성 나노 구조체를 제조하되, 소스 용액 내 구리 질산 3수화물(Cu(NO3)23H2O)의 비율을 제어하여, Co 대비 Cu가 20% 치환된 제7 실시 예에 따른 자성 나노 구조체를 제조하였다. A magnetic nanostructure was prepared by the method according to Example 1, but by controlling the ratio of copper nitrate trihydrate (Cu(NO 3 ) 2 3H 2 O) in the source solution, the seventh embodiment in which Cu was substituted by 20% compared to Co Magnetic nanostructures according to examples were prepared.
비교 예 1에 따른 자성 나노 구조체 제조Preparation of magnetic nanostructures according to Comparative Example 1
초순수에 사마륨(III) 질산 6수화물(Samarium(III) nitrate hexahydrate; Sm(NO3)36H2O), 코발트(II) 질산 6수화물(Cobalt(II) nitrate hexahydrate; Co(NO3)26H2O), 및 PVP를 혼합하여 소스 용액을 준비한다. Samarium(III) nitrate hexahydrate; Sm(NO 3 ) 3 6H 2 O), cobalt(II) nitrate hexahydrate; Co(NO 3 ) 2 6H in ultrapure water 2 O), and PVP are mixed to prepare a source solution.
준비된 소스 용액을 상기 실시 예 1에 따른 방법으로 방사 후 환원시켜, Cu를 포함하지 않는 비교 예에 따른 자성 나노 구조체를 제조하였다. The prepared source solution was reduced after spinning by the method according to Example 1 to prepare a magnetic nanostructure according to a comparative example not containing Cu.
상기 실시 예들 및 비교 예에 다른 자성 나노 구조체가 아래 <표 1>을 통해 정리되고, 상기 실시 예들 및 비교 예에 따른 자성 나노 구조체의 구체적인 성분 비율이 아래 <표 2>를 통해 정리된다. The magnetic nanostructures according to the examples and comparative examples are summarized through <Table 1> below, and specific component ratios of the magnetic nanostructures according to the examples and comparative examples are summarized through <Table 2> below.
구분division 구성Configuration Co 대비 Cu 치환량Cu substitution amount compared to Co
실시 예 1Example 1 Sm-Co-CuSm-Co-Cu 3 %3%
실시 예 2Example 2 Sm-Co-CuSm-Co-Cu 5 %5%
실시 예 3Example 3 Sm-Co-CuSm-Co-Cu 7 %7%
실시 예 4Example 4 Sm-Co-CuSm-Co-Cu 10 %10%
실시 예 5Example 5 Sm-Co-CuSm-Co-Cu 12 %12%
실시 예 6Example 6 Sm-Co-CuSm-Co-Cu 15 %15%
실시 예 7Example 7 Sm-Co-CuSm-Co-Cu 20 %20%
비교 예 1Comparative Example 1 Sm-CoSm-Co 0 %0 %
구분division SmSm CoCo CuCu
실시 예 1Example 1 16.7 wt%16.7 wt% 80.8 wt%80.8 wt% 2.5 wt%2.5 wt%
실시 예 2Example 2 16.7 wt%16.7 wt% 79.2 wt%79.2 wt% 4.2 wt%4.2 wt%
실시 예 3Example 3 16.7 wt%16.7 wt% 77.5 wt%77.5 wt% 5.8 wt%5.8 wt%
실시 예 4Example 4 16.7 wt%16.7 wt% 75.0 wt%75.0 wt% 8.3 wt%8.3 wt%
실시 예 5Example 5 16.7 wt%16.7 wt% 73.3 wt%73.3 wt% 10.0 wt%10.0 wt%
실시 예 6Example 6 16.7 wt%16.7 wt% 70.8 wt%70.8 wt% 12.5 wt%12.5 wt%
실시 예 7Example 7 16.7 wt%16.7 wt% 66.7 wt%66.7 wt% 16.7 wt%16.7 wt%
비교 예 1Comparative Example 1 16.7 wt%16.7 wt% 83.3 wt%83.3 wt% 0 wt%0 wt%
도 5 내지 도 9는 본 발명의 실시 예들 및 비교 예 1에 따른 자성 나노 구조체를 촬영한 사진들이다. 5 to 9 are photographs of magnetic nanostructures according to embodiments and comparative examples 1 of the present invention.
도 5 내지 도 9를 참조하면, 상기 비교 예 1, 실시 예 2, 실시 예 4, 실시 예 6, 및 실시 예 7에 따른 자성 나노 구조체를 각각 SEM(scanning electron microscope) 촬영하여 도 5 내지 도 9에 도시하였다. 또한, 각각의 자성 나노 구조체 제조과정 중, 전기방사 직후의 상태, 소결된 상태, 및 환원된 상태 각각을 촬영하여 (a) 내지 (c)에 도시하였다. 5 to 9, the magnetic nanostructures according to Comparative Example 1, Example 2, Example 4, Example 6, and Example 7 were respectively photographed by scanning electron microscope (SEM), and FIGS. 5 to 9. It was shown in. In addition, during each of the manufacturing process of the magnetic nanostructure, the state immediately after electrospinning, the sintered state, and the reduced state, respectively, were photographed and shown in (a) to (c).
도 5 내지 도 9를 통해 확인할 수 있듯이, 상기 비교 예 1, 실시 예 2, 실시 예 4, 실시 예 6, 및 실시 예 7에 따른 자성 나노 구조체는, 전기방사, 소결, 및 환원 과정을 거치면서 결정 형태를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 각 자성 나노 구조체가 포함하는 결정의 크기가 비교 예 1, 실시 예 2, 실시 예 4, 실시 예 6, 및 실시 예 7 순서로 점차적으로 증가하는 것을 보아, Cu의 함유량이 증가함에 따라 결정립 크기가 증가하는 것을 알 수 있었다. 각각의 자성 나노 구조체가 포함하는 결정립 크기는 아래 <표 3>을 통해 정리되고, 결정립의 크기는 아래 <수학식 1>을 통해 산출되었다. 5 to 9, the magnetic nanostructures according to Comparative Examples 1, 2, 4, 6, and 7 undergo electrospinning, sintering, and reduction processes. It was confirmed that the crystal form was exhibited. In addition, seeing that the size of the crystals included in each magnetic nanostructure gradually increases in the order of Comparative Example 1, Example 2, Example 4, Example 6, and Example 7, the crystal grains as the content of Cu increases It was found that the size increased. The grain size included in each magnetic nanostructure is summarized through <Table 3> below, and the size of grains was calculated through <Equation 1> below.
구분division 결정립 크기Grain size
비교 예 1Comparative Example 1 22.41 nm22.41 nm
실시 예 2Example 2 26.10 nm26.10 nm
실시 예 4Example 4 28.95 nm28.95 nm
실시 예 6Example 6 31.61 nm31.61 nm
실시 예 7Example 7 36.56 nm36.56 nm
<수학식 1><Equation 1>
Figure PCTKR2019001366-appb-I000001
Figure PCTKR2019001366-appb-I000001
(D: 결정립 크기, k: 형상 상수(=0.9), λ: 0.1541 nm, β: FWHM(deg.), θ: peak angle(deg.))(D: grain size, k: shape constant (=0.9), λ: 0.1541 nm, β: FWHM (deg.), θ: peak angle (deg.))
도 10은 Sm-Co 합금 조성물 및 Sm-Co-Cu 합금 조성물의 X-ray diffraction 분석을 나타내는 그래프이다. 10 is a graph showing X-ray diffraction analysis of the Sm-Co alloy composition and the Sm-Co-Cu alloy composition.
도 10을 참조하면, SmCo5 합금 조성물, SmCo4.5Cu0.5 합금 조성물, SmCo4Cu 합금 조성물, SmCo3.5Cu1.5 합금 조성물, 및 SmCo2Cu3 합금 조성물 각각에 대해 X-ray diffraction 회절 패턴을 나타내었다. Referring to FIG. 10, X-ray diffraction diffraction patterns were shown for each of the SmCo 5 alloy composition, SmCo 4.5 Cu 0.5 alloy composition, SmCo 4 Cu alloy composition, SmCo 3.5 Cu 1.5 alloy composition, and SmCo 2 Cu 3 alloy composition. .
도 10에서 확인할 수 있듯이, Cu를 포함하는 함금 조성물의 경우 SmCo5 합금 조성물과 비교하여, 저각(low angle)으로 패턴이 shift 된 것을 확인할 수 있었다. 또한, Sm-Co-Cu 합금 조성물 내에서도, Cu의 함량이 증가함에 따라, 저각(low angle)으로 패턴이 shift 된 것을 확인할 수 있었다. 이는, SmxCoy(x,y>0) 로 표시되는 단위 격자 내 원자들의 배치와, SmxCoyCuz(x,y,z>0) 로 표시되는 단위 격자 내 원자들이 배치가 동일하되, Co의 자리에 Cu가 배치됨에 따라 발생하는 현상인 것으로 판단될 수 있다. 보다 구체적으로, SmxCoy 로 표시되는 단위 격자 내 Co의 위치에 Cu가 배치되는 경우, Co의 원자반경(1.67Å)보다 Cu의 원자반경(1.57Å)이 더 작음에 따라, 에너지 준위상 안정한 SmCu5상이 형성되기 쉽고, 이는 SmCo5 상보다 큰 격자 상수를 가지므로, X-ray diffraction 회절 패턴에서 저각으로의 shift 현상을 나타내게 된다. As can be seen in FIG. 10, in the case of the alloy composition containing Cu, it was confirmed that the pattern was shifted at a low angle compared to the SmCo 5 alloy composition. In addition, even in the Sm-Co-Cu alloy composition, as the content of Cu increased, it was confirmed that the pattern was shifted at a low angle. This has the same arrangement of atoms in the unit lattice represented by Sm x Co y (x,y>0) and atoms in the unit lattice represented by Sm x Co y Cu z (x,y,z>0). However, it can be determined that this is a phenomenon that occurs as Cu is disposed in the place of Co. More specifically, when Cu is disposed at the position of Co in the unit lattice represented by Sm x Co y , the energy level of Cu is smaller as the atomic radius of Cu (1.57 Å) is smaller than the atomic radius of Co (1.67 Å). It is easy to form a stable SmCu 5 phase, which has a larger lattice constant than the SmCo 5 phase, and thus exhibits a shift from the X-ray diffraction diffraction pattern to a low angle.
도 11은 본 발명의 실시 예 들 및 비교 예 1에 따른 자성 나노 구조체의 X-ray diffraction 분석을 나타내는 그래프이다. 11 is a graph showing X-ray diffraction analysis of the magnetic nanostructures according to Examples and Comparative Examples 1 of the present invention.
도 11을 참조하면, 상기 비교 예 1, 실시 예 2, 실시 예 4, 실시 예 6, 및 실시 예 7에 따른 자성 나노 구조체 각각에 대해 X-ray diffraction 회절 패턴을 나타내었다.Referring to FIG. 11, X-ray diffraction diffraction patterns are shown for each of the magnetic nanostructures according to Comparative Example 1, Example 2, Example 4, Example 6, and Example 7.
도 11을 통해 알 수 있듯이, Cu를 포함하지 않는 상기 비교 예 1에 따른 자성 나노 구조체와 비교하여, Cu를 포함하는 상기 실시 예 2, 실시 예 4, 실시 예 6, 및 실시 예7에 따른 자성 나노 구조체는, 저각(low angle)으로 패턴이 shift 된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 실시 예 2, 실시 예 4, 실시 예 6, 및 실시 예 7에 따른 자성 나노 구조체를 서로 비교한 경우, Cu의 함량이 증가함에 따라 X-ray diffraction 회절 패턴 저각으로 shift된 것을 확인할 수 있었다. As can be seen through Figure 11, compared to the magnetic nanostructure according to Comparative Example 1 does not contain Cu, the magnetic according to Example 2, Example 4, Example 6, and Example 7 containing Cu In the nanostructure, it was confirmed that the pattern was shifted at a low angle. In addition, when the magnetic nanostructures according to Examples 2, 4, 6, and 7 were compared with each other, it was confirmed that the X-ray diffraction diffraction pattern shifted to a low angle as the Cu content increased. there was.
도 12 및 도 13은 본 발명의 실시 예들 및 비교 예 1에 따른 자성 나노 구조체의 구조를 분석하기 위한 X-ray diffraction 분석 그래프이다. 12 and 13 are X-ray diffraction analysis graphs for analyzing the structure of the magnetic nanostructures according to Examples and Comparative Examples 1 of the present invention.
도 12 및 도 13을 참조하면, 상기 실시 예 7, 실시 예 4, 실시 예 2, 실시 예 1, 및 비교 예에 따른 자성 나노 구조체의 X-ray diffraction 분석 결과를 나타내었다. 도 12의 (a) 내지 (e)는 각각, 실시 예 7, 실시 예 4, 실시 예 2, 실시 예 1, 및 비교 예에 따른 자성 나노 구조체의 X-ray diffraction 분석 결과를 도시하고, 도 13의 (a) 내지 (e)는 도 12의 (a) 내지 (e)에 표시된 A 내지 E 부분을 확대하여 나타낸 그래프이다. 12 and 13, X-ray diffraction analysis results of the magnetic nanostructures according to Example 7, Example 4, Example 2, Example 1, and Comparative Example are shown. 12(a) to 12(e) show the X-ray diffraction analysis results of the magnetic nanostructures according to Examples 7, Examples 4, 2, 1 and 1, respectively, and FIG. 13. (A) to (e) are graphs showing enlarged portions A to E shown in FIGS. 12A to 12E.
도 12의 (d) 및 (e), 도 13의 (d) 및 (e)에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 1 및 비교 예 1에 따른 자성 나노 구조체는, SmCo5상, Sm2Co7상, 및 Sm2Co17 상이 혼합된 상태를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. As can be seen in Figures 12 (d) and (e), 13 (d) and (e), the magnetic nanostructures according to Example 1 and Comparative Example 1, SmCo 5 phase, Sm 2 Co 7 phase , And Sm 2 Co 17 phase was confirmed to indicate a mixed state.
이와 달리, 도 12의 (b) 및 (c), 도 13의 (b) 및 (c)에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 2 및 실시 예 4에 따른 자성 나노 구조체는, SmCo5 단일상을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 12의 (a) 및 도 13의 (a)에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 7에 따른 자성 나노 구조체는, SmCo5상 및 SmCu5상이 혼합된 상태를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. Alternatively, as can be seen in FIGS. 12(b) and 12(c) and 13(b) and (c), the magnetic nanostructures according to Examples 2 and 4 above exhibited a single SmCo5 phase. I could confirm. In addition, as can be seen in FIGS. 12(a) and 13(a), it was confirmed that the magnetic nanostructures according to Example 7 exhibited a state in which the SmCo 5 phase and the SmCu 5 phase were mixed.
즉, 이방성의 ReM5 단일상을 통해 높은 보자력을 획득하기 위해, 상기 실시 예에 따른 자성 나노 구조체 내에서, 상기 전이금속 대비 상기 Cu의 치환량이 최소 5 %가 요구된다는 것을 알 수 있다. That is, in order to obtain a high coercive force through the anisotropic ReM 5 single phase, it can be seen that in the magnetic nanostructure according to the embodiment, a minimum amount of substitution of the Cu relative to the transition metal is 5%.
도 14는 본 발명의 실시 예들 및 비교 예에 따른 자성 나노 구조체의 자화 특성을 나타내는 그래프이다. 14 is a graph showing magnetization characteristics of a magnetic nanostructure according to embodiments and comparative examples of the present invention.
도 14를 참조하면, 상기 비교 예 1, 실시 예 1 내지 7에 따른 자성 나노 구조체의 포화자화, 각형비, 및 보자력을 측정하여 나타내었다. 도 14를 통해 측정된 자성 특성 값, 및 각 자성 나노 구조체의 결정상 구조가 아래 <표 4>를 통해 정리된다. Referring to FIG. 14, the saturation magnetization, squareness ratio, and coercive force of the magnetic nanostructures according to Comparative Example 1 and Examples 1 to 7 were measured and illustrated. The magnetic property values measured through FIG. 14 and the crystal phase structure of each magnetic nanostructure are summarized through <Table 4> below.
구분division 결정상 구조(M: Co+Cu)Crystalline structure (M: Co+Cu) 포화자화(emu/g)Saturation magnetization (emu/g) 잔류자화(emu/g)Residual magnetization (emu/g) 각형비(%)Square ratio (%) 보자력(Oe)Coercive Force (Oe)
비교 예 1Comparative Example 1 Sm2Co17,Sm2Co7 Sm 2 Co 17 ,Sm 2 Co 7 75.71675.716 45.06345.063 59.51659.516 7570.87570.8
실시 예 1Example 1 SmM5Sm2M17,Sm2M7 SmM 5 Sm 2 M 17 ,Sm 2 M 7 65.41665.416 43.31043.310 66.20766.207 13195.913195.9
실시 예 2Example 2 SmM5 SmM 5 55.92755.927 39.07439.074 69.86769.867 29707.929707.9
실시 예 3Example 3 SmM5 SmM 5 54.36554.365 41.07841.078 75.55975.559 35062.535062.5
실시 예 4Example 4 SmM5 SmM 5 51.65251.652 39.43339.433 76.27676.276 40737.940737.9
실시 예 5Example 5 SmM5 SmM 5 50.77450.774 37.84037.840 74.52574.525 37775.837775.8
실시 예 6Example 6 SmM5 SmM 5 48.88848.888 36.97236.972 75.62675.626 18936.518936.5
실시 예 7Example 7 SmM5 SmM 5 45.26745.267 34.13234.132 75.40375.403 16469.716469.7
도 14 및 <표 4>에서 알 수 있듯이, 상기 비교 예 1에 따른 자성 나노 구조체와 비교하여, 상기 실시 예 1 내지 7에 따른 자성 나노 구조체의 포화자화 및 잔류자화가 낮은 것을 확인할 수 있었다. 반면, 상기 비교 예 1에 따른 자성 나노 구조체와 비교하여, 상기 실시 예 1 내지 7에 따른 자성 나노 구조체의 보자력은 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 14 and <Table 4>, as compared with the magnetic nanostructures according to Comparative Example 1, it was confirmed that the saturation magnetization and residual magnetization of the magnetic nanostructures according to Examples 1 to 7 was low. On the other hand, compared with the magnetic nanostructures according to Comparative Example 1, it was confirmed that the coercive force of the magnetic nanostructures according to Examples 1 to 7 was high.
한편, 상기 실시 예 1 내지 7에 따른 자성 구조체를 서로 비교한 경우, Cu 함유량이 증가함에 따라 포화자화 및 잔류자화가 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 실시 예 1 내지 4에 따른 자성 구조체는 Cu 함유량이 증가함에 따라 보자력이 증가하지만, 실시 예 5 내지 7에 따른 자성 구조체는 Cu 함유량이 증가함에 따라 보자력이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. On the other hand, when the magnetic structures according to Examples 1 to 7 were compared with each other, it was confirmed that saturation magnetization and residual magnetization decreased as Cu content increased. In addition, it was confirmed that the magnetic structures according to Examples 1 to 4 increase the coercive force as the Cu content increases, while the magnetic structures according to Examples 5 to 7 decrease the coercive force as the Cu content increases.
결과적으로, Co 대비 Cu의 치환량이 7 % 초과 12 % 미만으로 제어되는 경우, 포화자화 및 잔류자화는 약간 감소하지만, 현저한 보자력 향상을 통해, 자성 특성이 향상된 자성 나노 구조체가 제공되는 것을 알 수 있다. As a result, when the substitution amount of Cu relative to Co is controlled to be more than 7% and less than 12%, saturation magnetization and residual magnetization are slightly reduced, but it can be seen that a magnetic nanostructure having improved magnetic properties is provided through remarkable coercive force improvement .
도 15는 본 발명의 실시 예들 및 비교 예들에 따른 자성 나노 구조체의 보자력을 비교한 그래프이다. 15 is a graph comparing the coercive force of a magnetic nanostructure according to embodiments and comparative examples of the present invention.
도 15를 참조하면, 상기 실시 예 1 내지 7에 따른 자성 나노 구조체, 및 비교 예 1 내지 6에 따른 자성 나노 구조체를 준비하고, 각각에 대해 보자력(Coercivity, Hci, kOe)을 측정하여 나타내었다. 비교 예 2 내지 6에 따른 자성 나노 구조체는, 아래 <표 5>를 통해 정리된다. Referring to FIG. 15, magnetic nanostructures according to Examples 1 to 7 and magnetic nanostructures according to Comparative Examples 1 to 6 were prepared, and coercivity (H ci , kOe) was measured for each, and shown. . The magnetic nanostructures according to Comparative Examples 2 to 6 are summarized through <Table 5> below.
구분division 제조방법Manufacturing method 구조rescue
비교 예 2Comparative Example 2 Induction melting, As-castInduction melting, As-cast SmCo5-xCux alloysSmCo 5-x Cu x alloys
비교 예 3Comparative Example 3 Induction melting, AnnealedInduction melting, Annealed SmCo5-xCux alloysSmCo 5-x Cu x alloys
비교 예 4Comparative Example 4 Arc-meltingArc-melting Sm-Co-Cu 및 Pr-Co-Cu가 1:5의 비율로 혼합된 alloysSm-Co-Cu and Pr-Co-Cu alloys in a ratio of 1:5
비교 예 5Comparative Example 5 Arc-meltingArc-melting Sm(Co, Cu)5 alloysSm(Co, Cu) 5 alloys
비교 예 6Comparative Example 6 Magnetron sputteringMagnetron sputtering SmCo5 SmCo 5
도 15에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예들에 따른 자성 나노 구조체는, 비교 예들에 따른 자성 나노체 보다 현저히 높은 보자력을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 실시 예들에 따른 자성 나노 구조체 중에서도, 상기 실시 예 4에 따른 자성 나노 구조체의 보자력이 가장 높게 나타나는 것을 알 수 있었다. As can be seen in Figure 15, it was confirmed that the magnetic nanostructures according to the above embodiments exhibit a significantly higher coercive force than the magnetic nanoparticles according to the comparative examples. In addition, among the magnetic nanostructures according to the above embodiments, it was found that the coercive force of the magnetic nanostructures according to Example 4 was highest.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.As described above, the present invention has been described in detail using preferred embodiments, but the scope of the present invention is not limited to specific embodiments, and should be interpreted by the appended claims. In addition, those skilled in the art should understand that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the present invention.
본 발명의 실시 예에 따른 구리(Cu)를 포함하는 자성 나노 구조체는 영구 자석, 전기 모터, 센서 등 다양한 산업 분야에 이용될 수 있다.The magnetic nanostructure including copper (Cu) according to an embodiment of the present invention may be used in various industrial fields such as a permanent magnet, an electric motor, and a sensor.

Claims (16)

  1. 희토류 원소를 포함하는 제1 전구체, 전이금속 원소를 포함하는 제2 전구체, 및 Cu를 포함하는 제3 전구체를 포함하는 소스 용액을 준비하는 단계;Preparing a source solution comprising a first precursor comprising a rare earth element, a second precursor comprising a transition metal element, and a third precursor comprising Cu;
    상기 소스 용액을 전기 방사하여, 희토류 산화물, 전이금속 산화물, 및 Cu 산화물을 포함하는 예비 자성 나노 구조체를 형성하는 단계; 및 Electrospinning the source solution to form a pre-magnetic nanostructure including rare earth oxide, transition metal oxide, and Cu oxide; And
    상기 예비 자성 와이어를 환원시켜, 상기 희토류 원소, 상기 전이금속 원소, 및 상기 Cu의 합금 조성물을 포함하는 자성 나노 구조체를 제조하는 단계를 포함하는 자성 나노 구조체 제조방법. And reducing the preliminary magnetic wire to prepare a magnetic nanostructure including the rare earth element, the transition metal element, and the alloy composition of Cu.
  2. 제1 항에 있어서, According to claim 1,
    상기 소스 용액 내 상기 Cu의 몰 비율은 5.8 at% 초과 10.0 at% 미만인 것을 포함하는 자성 나노 구조체 제조방법. A method of manufacturing a magnetic nanostructure, wherein the molar ratio of Cu in the source solution is greater than 5.8 at% and less than 10.0 at%.
  3. 제1 항에 있어서, According to claim 1,
    상기 자성 나노 구조체 형성 단계는, The step of forming the magnetic nanostructure,
    상기 예비 자성 나노 구조체를 환원제와 혼합하는 단계; Mixing the preliminary magnetic nanostructure with a reducing agent;
    상기 환원제와 혼합된 상기 예비 자성 나노 구조체를 열처리하는 단계; 및 Heat-treating the pre-magnetic nanostructure mixed with the reducing agent; And
    열처리된 상기 예비 자성 나노 구조체를, 세척 용액으로 세척하는 단계를 포함하는, 자성 나노 구조체 제조방법. A method of manufacturing a magnetic nanostructure, comprising washing the pre-heated pre-magnetic nanostructure with a washing solution.
  4. 제1 항에 있어서, According to claim 1,
    상기 환원제는, 칼슘(Ca)를 포함하는 자성 나노 구조체 제조방법. The reducing agent, a method of manufacturing a magnetic nanostructure containing calcium (Ca).
  5. 제1 항에 있어서, According to claim 1,
    상기 Cu의 함량을 제어하여, 보자력(coercive force)을 제어하는 것을 포함하는 자성 나노 구조체 제조방법. A method of manufacturing a magnetic nano structure, comprising controlling the content of the Cu to control a coercive force.
  6. 희토류 원소, 전이금속 원소, 및 Cu의 합금 조성물을 포함하되, Rare earth elements, including transition metal elements, and alloy compositions of Cu,
    상기 합금 조성물 내에서, 상기 Cu의 함량은 5.8 wt% 초과 10.0 wt% 미만인 것을 포함하는 자성 나노 구조체.In the alloy composition, the magnetic content of the Cu is greater than 5.8 wt% and less than 10.0 wt%.
  7. 제6 항에 있어서, The method of claim 6,
    상기 합금 조성물은 ReM5(Re: 희토류 원소, M: 전이금속 원소 또는 Cu 중에서 적어도 어느 하나)로 표시되는 단위 격자(unit cell)로 구성되는 자성 나노 구조체. The alloy composition is a magnetic nano-structure consisting of a unit cell (Re cell) represented by ReM 5 (Re: rare earth element, M: transition metal element or at least one of Cu).
  8. 제7 항에 있어서, The method of claim 7,
    상기 ReM5의 결정 구조는, 육방정계(hexagonal)를 포함하는 자성 나노 구조체.The crystal structure of ReM 5 is a magnetic nanostructure including a hexagonal system (hexagonal).
  9. 제7 항에 있어서, The method of claim 7,
    상기 Cu는, 상기 단위 격자 내 2c, 2g 사이트(site) 중 적어도 어느 하나의 사이트에 배치되는 것을 포함하는 자성체. The Cu is a magnetic material that is disposed in at least one of 2c, 2g sites (site) in the unit lattice.
  10. 제6 항에 있어서, The method of claim 6,
    상기 희토류 원소는, La, Ce, Pr, Nd, Sm, 또는 Gd 중 어느 하나를 포함하는 자성 나노 구조체. The rare earth element is a magnetic nanostructure comprising any one of La, Ce, Pr, Nd, Sm, or Gd.
  11. 제6 항에 있어서, The method of claim 6,
    상기 전이금속 원소는, Co 또는 Ni 중 어느 하나를 포함하는 자성 나노 구조체. The transition metal element is a magnetic nanostructure comprising either Co or Ni.
  12. 제6 항에 있어서, The method of claim 6,
    단결정(single crystal), 및 이방성(anisotropic) 특성을 갖는 자성 나노 구조체. Magnetic nanostructures having single crystal and anisotropic properties.
  13. 제6 항에 있어서, The method of claim 6,
    상기 합금 조성물 내에서, 상기 희토류 원소의 함량은 16.7 wt%이고, 상기 전이금속 원소의 함량은 73.3 wt% 초과 77.5 wt% 미만인 것을 포함하는 자성 나노 구조체. In the alloy composition, the content of the rare earth element is 16.7 wt%, and the content of the transition metal element is greater than 73.3 wt% and less than 77.5 wt%.
  14. 아래의 <화학식 1>로 표시되는 단위 격자로 구성되는 합금 조성물을 포함하는 자성 나노 구조체. Magnetic nanostructure comprising an alloy composition consisting of a unit grid represented by <Formula 1> below.
    <화학식 1><Formula 1>
    ReTMxCu5-x ReTM x Cu 5-x
    (Re: 희토류 원소, TM: 전이금속 원소)(Re: rare earth element, TM: transition metal element)
  15. 제14 항에 있어서, The method of claim 14,
    아래의 <화학식 2>로 표시되는 단위 격자를 포함하는 합금 조성물에서 상기 TM의 7% 초과 및 12% 미만이 상기 Cu로 치환되어, 상기 <화학식 1>로 표시되는 단위 격자를 갖는 합금 조성물을 포함하는 자성 나노 구조체. In the alloy composition comprising the unit lattice represented by <Formula 2> below, more than 7% and less than 12% of the TM are substituted with the Cu to include the alloy composition having the unit lattice represented by <Formula 1> Magnetic nanostructures.
    <화학식 2><Formula 2>
    ReTM5 ReTM 5
    (Re: 희토류 원소, TM: 전이금속 원소)(Re: rare earth element, TM: transition metal element)
  16. 제14 항에 있어서, The method of claim 14,
    40000 Oe 이상의 보자력을 갖는 자성 나노 구조체.Magnetic nano-structure having a coercive force of 40000 Oe or more.
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