[재료공학] 자성과 자성재료

 

자성과 자성재료

 

자성재료에 대해 이해하기 위해서는 자성과 자기에 대해 이해할 필요가 있습니다. 이번 글에서는 자성재료의 기초가 되는 자성, 자기 그리고 자성체들의 기본적인 성질에 대해 간략히 알아보겠습니다.

 

자성과 자기

 

자기는 움직이는 전하에 의해 생성되는 인력 또는 반발력을 나타내는 현상으로 정의됩니다. 쉽게 말하면 자성을 띄는 물체가 주위의 물체들에게 영향을 끼치는 현상을 의미힙니다. 여기서 자성은 물질이 가지는 고유한 자기적 성질을 뜻합니다.

 

이동하는 전하의 주변 영역으로 자기 현상이 나타나며 이 영역에는 전기장과 자기장이 형성됩니다. 우리 주위에서 가장 쉽게 볼 수 있는 자기적 현상의 예는 막대자석으로, 자기장을 형성하여 다른 자석을 밀거나 당길 수 있습니다.

 

자성의 기원

 

눈으로 보이지 않는 자성은 어디서 유래한 것일까요? 자성은 자연계에 존재하는 네 가지 기본적인 힘 중 하나인 전자기력(electromagnetic force)에 의해 발생됩니다. 전류, 즉 움직이는 모든 전하는 진행 방향에 수직한 자기장을 생성합니다.

 

도선을 따라 이동하는 전류 외에도, 전자와 같이 물질을 구성하는 기본 입자의 스핀 자기 모멘트(spin magnetic moment)에 의해서도 자성이 발현됩니다. 원자핵 주위를 원자궤도를 따라 이동하는 전자도 자기장을 만들 수 있으며 이 때문에 모든 물질은 자기적 성질을 가질 수 있다고 할 수 있습니다. 

 

자성재료

 

앞서 말씀드린 것과 같이, 모든 물질은 원자핵과 전자로 구성되어 있기 때문에 자성을 가질 수 있습니다. 다만 각 물질들이 가지는 고유한 자성은 전자의 구성과 또 물질의 상태, 온도에 따라 각기 다르게 나타납니다. 전자 배치의 상태에 따라 자기 모멘트가 서로 반대방향으로 정렬되어 자성이 상쇄되거나, 또는 같은 방향으로 배향되어 자성이 극대화될 수 있습니다. 또한, 온도가 높아지면 원자의 무작위적인 열 운동이 증가하여 전자들이 정렬되기 어려워 자성이 약해지는 경우가 많습니다.

 

일반적으로, 자성재료는 자성의 기원과 자성재료의 자기적 특성에 따라 아래와 같이 5가지 종류로 구분될 수 있습니다.

 

반자성체(Diamagnetic materials)

 

반자성(Diamagnetism)은 자기장에 대해 반발하는 자기적 성질을 의미하며 모든 재료는 반자성을 가지고 있습니다. 다만 반자성 이외의 다른 자기적 특성들은 반자성보다 강하며(즉, 반자성이 가장 약하며) 반자성은 짝지어 지지 않은 전자(unpaired electron)가 없는 물질에서만 관찰되는 성질입니다. 짝지어진 전자로만 구성되어 있기 때문에 반자성체의 모든 전자의 스핀은 반대 방향으로 정렬되어 스핀 자기 모멘트가 서로 상쇄됩니다. 자기장 존재 하에서 반자성체는 자기장의 반대 방향으로 자화되어 반발력을 생성합니다. 반자성체는 자석에 끌리지 않으며 대표적인 재료로는 공기(air), 물(H2O), 금(Au), 석영(SiO2), 구리(Cu) 등이 있습니다.

 

상자성체(Paramagnetic materials)

 

상자성체(Paramagnetism materials)에는 짝지어지지 않은 전자(unpaired electron)들이 존재하는데, 이 전자들은 자기 모멘트이 자유롭게 정렬이 가능합니다. 만약 상자성체에 외부 자기장에 존재한다면 상자성체의 자기 모멘트들은 외부 자기장에 대해 정렬하며 그 방향으로 자화되며 자성이 강화됩니다. 하지만 외부의 자기장이 사라지면 상자성체의 전자 스핀 방향이 다시 흐트러져 자성을 잃습니다. 상자성체의 대표적인 재료로는 리튬(Li), 마그네슘(Mg), 탄탈륨(Ta) 및 몰레브덴(Mo) 등이 있습니다.

 

강자성체(Ferromagnetic materials)

 

강자성체(Ferromagnetis materials)는 외부 자기장에 없는 상태에서도 영구적으로 자화되어 자석을 형성할 수 있으며, 자석에 끌리는 물질입니다. 강자성체에도 짝지어지지 않은 전자(unpaired electron)들이 있어 외부 자기장에 의해 정렬됩니다. 다만 상자성체와는 다르게 외부 자기장이 제거되어도 자기 모멘트의 정렬상태를 계속 유지하는 경향이 있습니다. 강자성체의 대표적인 예로는 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 이러한 금속들의 합금이 있습니다.

 

반강자성체(Antiferromagnetic materials)

 

반강자성체(Antiferromagnetic materials)의 경우 강자성체와 달리 원자가 전자(valence electron)의 고유 자기 모멘트가 서로 반대 방향, 즉 반평행 방향을 바라보고 정렬되어 있습니다. 따라서 자기 모멘트가 서로 상쇄되어 순 자기 모멘트가 0이 되는 특징이 있습니다. 반강자성체의 대표적인 예로는 적철광(Fe2O3)이 있으며 철, 망간 및 니켈 산화물에서 종종 발견됩니다.

 

페리자성체(Ferrimagnetic materials)

 

페리자성체(Ferromagnetic materials)의 경우 강자성체와 유사하게 외부의 자기장이 제거되어도 자회된 상태를 계속 유지하는 특성을 가지고 있습니다. 다만 자기 모멘트의 관점에서는 반강자성체와 같이 인접한 전자쌍의 스핀은 서로 모두 반대방향으로 가리키고 있습니다. 여기서 페리자성체의 격자 배열은 특정 방향을 가리키는 자기 모멘트를 다른 방향 대비 강하게 만들기 때문에 순 자기 모멘트가 0으로 상쇄되지 않는다는 차이점이 있습니다. 따라서 페리자성체는 강자성체와 마찬가지로 자석에 끌립니다. 페리자성체의 대표적인 예로는 페라이트와 마그네타이트 등이 있습니다.

 

페리자성(Ferrimagnetism)

 

요약

 

위에서 언급한 5가지의 자성체 중 반자성을 제외한 나머지 자성재료들은 아래와 같은 형태로 전자의 스핀이 정렬되어 있음을 확인하면 이해하기가 쉽습니다.

 

여러 자성체의 자기 스핀 배열

 

참고

 

1) en.wikibooks.org/,  Introduction to Inorganic Chemistry/Metals and Alloys: Structure, Bonding, Electronic and Magnetic Properties

 

2) Thoughtco, What Is Magnetism? Definition, Examples, Facts