자석 개념과 종류 및 제조 방법 요약

자석이란?

자석은 자기력을 생성하고, 다른 물질들에게 그 영향을 미치는 물체입니다. 자석은 두 가지 종류로 나눌 수 있습니다: 영구 자석과 전자 자석(전기 자석).

 

영구 자석은 항상 자기력을 가지고 있는 자석입니다. 이러한 자석은 일반적으로 철, 니켈, 코발트 등과 같은 특정한 금속들로 만들어집니다. 영구 자석은 자기장을 생성하고 다른 자석이나 자성을 가진 물체에게서 힘을 발생시킬 수 있습니다.

 

전자 자석 또는 전기 자석은 전기가 통과될 때 생성되는 자기장을 이용하여 자기력을 발생시키는 장치입니다. 전자 자석은 전기를 통과시키는 선을 감아서 만들어집니다. 전류가 흐르면 자기장이 생성되고, 전류가 없으면 자기장이 사라집니다. 전자 자석은 전기를 켜고 끌 수 있는 장치나 전기 모터 등 다양한 용도로 사용됩니다.

 

자석은 서로 다른 극을 가지는데, 일반적으로 남극과 북극으로 구분됩니다. 남극과 북극은 서로를 끌어당기는데, 같은 극은 서로를 밀어내는 성질을 가지고 있습니다. 이러한 특성을 이용하여 자석은 다양한 용도로 사용되며, 전자기학, 공학, 의학, 컴퓨터 등 다양한 분야에서 활용됩니다.

 

 

 

자석 종류

1. Steel
   강철 자석은 강철 물질로 만들어진 자석을 의미합니다. 강철은 주로 철과 일부 탄소로 구성되어 있으며, 그 결과로 강한 자성을 가지게 됩니다. 이런 이유로 강철은 자석의 재료로 많이 사용됩니다.
   
   강철 자석은 영구 자석으로 분류됩니다. 즉, 강철 자석은 외부 자기장이나 전기를 필요로 하지 않고도 자기력을 유지할 수 있습니다. 이러한 자석은 자기력을 발생시키기 위해 특별한 처리나 외부 입력이 필요하지 않으므로 편리하게 사용될 수 있습니다.
   
   강철 자석은 강한 자기력을 생성하고 다른 자성 물체를 끌어당기거나 반발력을 나타낼 수 있습니다. 그러나 강철 자석의 자기력은 영구 자석 중에서도 상대적으로 약한 편입니다. 그래도 충분한 강도의 자기장을 생성하여 많은 응용 분야에서 사용될 수 있습니다.
   
   강철 자석은 다양한 산업 분야에서 사용됩니다. 예를 들어, 전자기기, 전동기, 발전기, 전자 장비 등에서 강철 자석이 필요합니다. 또한, 자동차, 선박, 항공기 등 운송 수단에서도 사용되며, 공장에서는 부품 고정, 분류, 자기 청소 등에 사용될 수 있습니다.
   
   강철 자석은 자기력을 유지하면서도 비교적 강한 재료로 제작되기 때문에 다양한 활용 가능성을 가지고 있습니다.
   
   
2. Ferrite
   페라이트 자석 또는 간단히 페라이트는 주로 세라믹 물질로 만들어진 자석입니다. 페라이트 자석은 주로 철산염과 산화아연(ZnO)을 함유하는 페라이트 세라믹스로 구성됩니다.
   
   페라이트 자석은 영구 자석으로 분류되며, 비교적 저렴하고 널리 사용되는 자석입니다. 페라이트 자석은 강한 자기력을 생성하지는 않지만, 매우 안정적이고 오랜 시간 동안 자기력을 유지할 수 있습니다.
   
   페라이트 자석은 낮은 자기적 힘과 고저온에 대한 내성을 가지고 있습니다. 이러한 특성으로 인해 전자기기, 전자 장비, 스피커, 자동차 부품, 소형 전동기 등 다양한 응용 분야에서 사용됩니다. 또한, 페라이트 자석은 전자기파 차폐 재료로도 사용될 수 있어 전자기기에서 전자기 잡음을 감소시키는 데에도 활용됩니다.
   
   페라이트 자석은 비교적 부드럽고 가공이 쉬우며, 다양한 형태로 제조할 수 있습니다. 따라서 다양한 크기와 모양의 페라이트 자석을 만들어 다양한 용도에 적용할 수 있습니다.
   
   그러나 페라이트 자석은 상대적으로 낮은 자기력을 가지고 있으며, 일부 고급 자석 재료보다 자력이 약한 편입니다. 또한, 페라이트 자석은 자기장의 온도 의존성이 있어 고온 환경에서는 자기력이 감소할 수 있습니다.
   
   요약하면, 페라이트 자석은 비교적 저렴하고 안정적인 영구 자석으로, 다양한 응용 분야에서 사용되는 세라믹스 기반 자석입니다.
   
   
3. Alnico
   알니코(Alnico) 자석은 알루미늄(Aluminum), 니켈(Nickel), 코발트(Cobalt)의 합금을 기반으로 한 자석입니다. 이름은 이 합금의 주요 성분들의 앞글자를 딴 것입니다.
   
   알니코 자석은 영구 자석으로 분류되며, 강한 자기력을 가지고 있습니다. 이러한 자석은 철과 같은 금속으로 만들어질 수 있지만, 알니코는 비철 자석으로서 독특한 성질을 가집니다.
   
   알니코 자석은 고온에서도 안정적인 자기력을 유지할 수 있는 특징이 있습니다. 또한, 자기력이 상당히 강하며 다양한 형태로 제작할 수 있어 다양한 응용 분야에서 사용됩니다.
   
   알니코 자석은 음향 장비, 마이크로폰, 스피커, 전자기기, 전동기 등에 널리 사용됩니다. 특히 음향 장비에서는 알니코 자석이 전통적으로 사용되어 왔습니다. 알니코 자석은 강한 자기장을 발생시켜 음향 신호를 변환하고 전달하는 역할을 합니다.
   
   또한, 알니코 자석은 자기적으로 약간의 자기 선형성을 가지고 있어, 일부 측정 기기 및 센서에 사용될 수도 있습니다.
   
   알니코 자석은 내식성이 상대적으로 낮고 자기적인 강성을 유지하는 성질을 가지고 있습니다. 그러나 다른 자석 재료에 비해 비교적 부서지기 쉽고 가공이 어려운 편입니다. 따라서 알니코 자석을 제작하거나 가공하는 과정에서는 주의가 필요합니다.
   
   요약하면, 알니코 자석은 알루미늄, 니켈, 코발트 등의 합금으로 만들어진 영구 자석으로, 강한 자기력을 가지고 있습니다. 음향 장비와 전자기기 등 다양한 분야에서 사용되며, 고온에서도 안정적인 성능을 발휘할 수 있습니다.
   
   
4. Sm-Co
   Sm-Co 자석은 사마륨(Samarium)과 코발트(Cobalt)의 합금을 기반으로 한 강력한 영구 자석입니다. 이름은 주요 성분인 사마륨(Sm)과 코발트(Co)의 앞글자를 딴 것입니다.
   
   Sm-Co 자석은 강력한 자기력을 가지고 있으며, 상당한 온도에 대한 내열성을 갖고 있습니다. 이러한 특징은 다른 자석 재료보다 더 높은 온도에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있음을 의미합니다.
   
   Sm-Co 자석은 희토류 금속인 사마륨을 포함하고 있어 희귀하고 비용이 비싸며 가공이 어렵다는 특징이 있습니다. 그러나 이러한 어려움에도 불구하고, Sm-Co 자석은 강력한 자기장과 우수한 내열성을 필요로 하는 고기술 분야에서 사용됩니다.
   
   Sm-Co 자석은 고온에서 안정적인 자기력을 유지하므로, 항공우주 산업, 자동차 제조, 센서, 자기 저장장치, 의료 장비 등 다양한 분야에서 활용됩니다. 특히, 항공우주 산업에서는 고온 환경과 극한 조건에서도 성능을 유지할 수 있는 특성을 갖고 있는 Sm-Co 자석이 중요한 역할을 합니다.
   
   또한, Sm-Co 자석은 자기 선형성이 높아 자기 잡음을 최소화하는 용도로도 사용됩니다. 이러한 특성은 고성능 센서 및 측정 장비에서 필수적입니다.
   
   요약하면, Sm-Co 자석은 사마륨과 코발트의 합금으로 만들어진 강력한 영구 자석입니다. 고온에서 안정적인 성능을 발휘하며, 고기술 분야에서 사용되는데, 항공우주 산업, 자동차 제조, 센서, 자기 저장장치 등 다양한 분야에서 활용됩니다. 그러나 제조 비용이 높고 가공이 어려워 일부 제한적인 적용 분야도 있을 수 있습니다.
   
   
5. Nd-Fe-B
   Nd-Fe-B 자석은 네오디뮴(Neodymium), 철(Iron), 그리고 붕소(Boron)의 합금으로 만들어진 강력한 영구 자석입니다. 이름은 주요 성분인 네오디뮴(Nd), 철(Fe), 그리고 붕소(B)의 앞글자를 딴 것입니다.
   
   Nd-Fe-B 자석은 현재 가장 강력한 상용 자석으로 알려져 있습니다. 이 자석은 매우 강한 자기력을 가지고 있으며, 대부분의 자석 재료보다 훨씬 높은 에너지 밀도를 갖고 있습니다.
   
   Nd-Fe-B 자석은 자기력이 강하고 높은 에너지 제품을 필요로하는 다양한 응용 분야에서 사용됩니다. 예를 들어, 하드 디스크 드라이브, 전동 기계, 자동차 모터, 의료 장비, 스피커 등 다양한 고성능 제품에 사용됩니다.
   
   이 자석은 그러나 몇 가지 주의사항을 필요로 합니다. Nd-Fe-B 자석은 산화에 민감하며, 고온에서 변형되거나 손상될 수 있습니다. 또한, 자석 간의 충돌로 인해 손상될 수 있으며, 자기적인 강성으로 인해 다루는 데 주의가 필요합니다.
   
   Nd-Fe-B 자석은 자석 가공 및 제조 과정에서 특별한 기술과 장비가 필요하며, 비교적 고가로 제조됩니다. 그러나 이러한 어려움에도 불구하고, Nd-Fe-B 자석은 그 강한 자기력과 높은 에너지 밀도로 인해 널리 사용되고 있습니다.
   
   요약하면, Nd-Fe-B 자석은 네오디뮴, 철, 그리고 붕소의 합금으로 만들어진 강력한 영구 자석입니다. 매우 강한 자기력과 높은 에너지 밀도를 가지고 있으며, 다양한 응용 분야에서 사용됩니다. 그러나 자기적인 강성과 산화에 민감하며 가공이 어려운 특성을 가지고 있습니다.

 

알리코 자석 제조 방법

 

1. 용해
   자석재질별 성분해합계산 및 원료를 고주파유도로에서 용해하는 규정의 합금성분으로 나와야 합니다. 순철강과 페로니켈, 전해니켈, 용융용 알루미늄, 코발트쇼트, 전해동, 페로티타늄, 조각원료, 정련강괴로 구성되어 있어 이것들을 사용하여 규정 합금이 되도록 배합계산합니다.
   
   분석장비가 발달하여 형광 X선분석 등에 신속분석기에서 나온 출강 전에 분석값을 얻을  수 있습니다. 컴퓨터 발달로 분석 기계와 컴퓨터를 연결하여 배합산은 모두 컴퓨터에서 수행하고 분석 결과로 자동 배합 계산하여 피드백 시스템으로 진행합니다. 용해로는 녹은 금속이 잘 섞여 힘이 강한 고주파 유도로를 사용하여 1,710℃까지 가열합니다. 
   
   
2. 주조
   주형에 용탕을 흘려 제품을 만드는 주조 자석입니다.
   
   
3. 열처리
   주조 후 응고때까지 기다리고 주형을 깨 자석 주물을 꺼내 바로 냉각 후 그라인더를 사용하여 가공하고 열처리를 합니다.
   열처리는 등방성 자석(Alnico-1-2-3: MMPA 규격 기준)용과 이방석 자석(Alnico-5-6-8-9)용이 있습니다.
   • 등방석 자석
     - 시효처리: 전기로에서 약 600℃로 가열합니다.
   • 이방석 자석
     - 자장열처리: 전기로에서 1,250℃고온을 유지한 후 자석이 식어갈 때 900℃에서 외부에서 자장을 가합니다.
     - 시효처리

 

네오디움 자석 제조 방법

 

1. 네오디뮴계 소결자석의 제조공정은 원료→용해→조분쇄→자계성형→소 결→열처리→가공→검사→착자공정으로 구성됩니다. 우선 주조합금을 미 분쇄하여 얻은 분말을 자계 중에서 일정방향으로 성형하여 소결한 후 숫돌로 연삭가공 후에 방청처리를 실시하여 제조됩니다.
2. 분쇄공정에서는 합금주조에서 생성한 여러 가지의 비평형상을 함유한 다상합금을 미립자로 분쇄합니다. 이 분체를 금형에 넣어 자계를 가하여 Nd2Fe14B화합물 단결정 미립자를 배향시켜서 압력을 가하여 성형체를 얻습니다. 이것을 고액 공존영역에서 소결하면 액상 소결기구에 의하여 치밀화가 진행하여 비평형상태에 가까운 고액 공존상태로 됩니다. 이것을 냉각하여 필요에 따라 열처리, 가공, 표면처리 등의 공정을 거쳐 제품 이 제조됩니다.
3. 네오디뮴 자석의 형상은 용도에 따라 다양하지만 크게 자계 배향방법으로 분류하면 2가지가 있습니다. 하나는 전체입자의 자화가 용이한 방향을 평행으로 하는 스트레이트배향과 원호상(丹弧狀) 단면형상을 갖는 제품의 반경방향을 따라 자화가 용이한 방향으로 배향하는 래디얼(放射狀) 배향이 있습니다.

 

자석에 대한 추천 강의 (KAIST 김갑진 교수)

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