페리자성(Ferrimagnetism)

 

재료의 자기적 성질은 전자 현미경, 하드 디스크 드라이브, 초전도 자기부상열차와 같은 다양한 분야에 활용되는 중요한 물성 중 하나입니다. 재료의 자기적 성질은 크게 5가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

 

1. 반자성

2. 상자성

3. 강자성

4. 반강자성

5. 페리자성

 

이러한 5가지 유형의 자기적 성질은 해당 재료의 화학적 구성 뿐 아니라 결정 구조의 차이에 의해 나타나며 재료 내의 전자가 자기장에 반응하는 방식의 차이로 인해 다른 유형의 자기적 반응을 보입니다.

 

[재료공학] 자성과 자성재료

 

개요

 

페리자성은 일반적으로 강자성과 반강자성의 유사성으로 인해 이 둘의 조합으로 생각할 수 있지만, 사실 여기에는 중요한 차이점이 있습니다. 페리자성은 외부 자기장이 없는 상태에서도 강자성과 유사하게 자발적인 자기모멘트를 가지고 있습니다. 또한 Tc(큐리온도) 이하의 온도에서는 히스테리시스를 나타내며 Tc 이상의 온도에서는 상자성체로 변화합니다.

 

한편, 반강자성과 유사하게 페리자성체의 자기모멘트는 서로 반평행하게 정렬되지만 결정적으로 이 자기모멘트가 상쇄되지 않아 순자기모멘트가 0이 아니라는 차이점이 있습니다. 이러한 이유로 페리자성 재료는 자기모멘트의 배열과 재료를 구성하는 원소의 종류, 결정구조와 미세 조직의 차이가 있으며 온도에 따른 자기적 특성의 의존성에 의해 강자성 및 반강자성과 구별됩니다.

 

페리자성재료는 하드 디스크 드라이브와 같은 비휘발성 메모리 장치에 널리 사용되는데 이는 전자의 스핀을 쉽게 전환할수 있는 능력, 즉 자화할 수 있는 능력을 이용한것입니다.

 

코일 내부의 페리자성체가 회전하게되면 도선에 전류가 발생하기 때문에 모터 및 발전기에도 널리 사용됩니다. 또한, 페리자성체는 전기전도도가 낮아 교류장에서도 와전류가 유도되지 않아 고주파 장치에도 널리 사용되는 중요한 물질입니다.

 

페리자성체

 

강자성체는 금속인 경우가 많지만 페리자성체는 세라믹, 특히 산화물인 경우가 많습니다. 일반적으로 가장 널리 사용되는 대표적인 페리자성체로는 '페라이트'가 있습니다. 페라이트는 화학식 MO•Fe2O3로 구성된 전이금속 산화물입니다. 여기서 M은 Mn2 +, Fe2 +, Co2 +, Ni2 +와 같은 2가 이온으로 구성되어 있습니다.

 

페라이트는 일반적으로 사용되는 전형적인 세라믹 공정을 통해 제조됩니다. NiO.Fe2O3의 경우 NiO와 Fe2O3의 분말을 함께 혼합하고 원하는 모양으로 압축한 후 고온에서 소결하여 원하는 조성의 고밀도 세라믹을 형성합니다. 이 방법을 통해 다양한 모양과 크기의 페라이트 자성체를 만들고 최종적으로 여러 장치에 들어가는 부품으로 사용됩니다.

 

페리자성체의 자화

 

강자성 재료는 아래 그림과 같이 반강자성 재료와 유사하게 서로 반대 방향으로 정렬된 자기 모멘트를 가지고 있습니다. 그러나 반대 방향으로 정렬된 자기 모멘트가 상쇄되지 않아 순자기 모멘트가 0이 아니라는 점이 다릅니다. 페리자성체를 구성하고 있는 전이금속 원소들이 서로 다른 수의 홀전자(unpaired)를 가져 자기모멘트가 서로 상쇄되지 않고 이는 외부 자기장이 없는 상황에서도 자발적인 자화가 가능하게 합니다.

 

아래 그림은 자성 격자에서 자기 이온의 배열을 보여줍니다. 화살표의 방향은 스핀의 방향, 화살표의 길이는 자기 모멘트의 상대적 크기를 나타냅니다. 아래 그림으로 본다면, 순 자기 모멘트는 아래방향으로 나타나게 됩니다.

 

페리자성체의 자기적 배열

 

페리자성 및 반강자성 재료 모두에서 나타나는 반대방향의 자기 모멘트는 산화물 재료에서 발생하는 super-exchange 거동으로 설명 할 수 있습니다. 산화망간(MnO)을 예로 들면, 아래 그림과 같이 산소이온인 O2-는 결정격지 내에서 망간이온인 Mn2+ 사이에 위치합니다. Mn과 O 오비탈의 에너지 레벨이 다르기 때문에 두 이온 사이의 결합이 일어나기 위해서는 Mn2+의 한 전자의 스핀 방향이 산소 이온의 전자와 일치하도록 뒤집혀서 자기 모멘트가 분자의 양쪽이 서로 반평행해야합니다.

 

MnO에서 나타나는 superexchange 거동의 예

 

페리자성체의 자발적 자화는 훈트의 규칙(Hund ’s Rule)에 따라 전이금속 이온의 d 오비탈을 채울 때 0이 아닌 순자기 모멘트에 기인합니다. 역스피넬 구조(inverse spinel)로 알려진 페라이트의 경우 결정 구조는 두 개의 하위격자로 구성된 것으로 생각할 수 있습니다. 하위격자 A(파란색)의 이온은 이웃하는 산화물 이온에 사면체로 배위되는 반면 하위격자 B의 이온(초록색)은 8 면체로 배위됩니다 (그림 4). 각 하위격자의 이온은 스핀이 서로 같은 방향으로 정렬됩니다. Fe3+이온의 자기 모멘트는 A 및 B 하위 격자에 동일한 수의 이온이 있지만 모멘트가 반대 방향으로 정렬되기 때문에 서로 상쇄됩니다.

 

Inverse spinel 구조에서 자기모멘트의 상쇄