친환경 에너지 변환 기술의 관심이 증가하며 모터의 소형화와 함께 영구자석 소재의 수요가 급증하고 있다. 모터의 고효율 및 경량화를 위해서는 영구자석의 최대 에너지적((BH)max) 향상이 필수로 요구되어 이를 위한 많은 연구가 진행되었다. 그 중 페라이트 자석은 가격이 저렴함과 동시에 열적, 화학적 안정성이 높아 다양한 산업 분야에 꾸준히 사용되고 있다.
M-type 헥사 페라이트는 La-Co를 함께 치환하면 자기적 특성이 향상한다는 선행 연구가 다수 있으나 소량의 Ca와 La-Co를 치환한 효과를 보고한 연구가 아직 없다. 또한 La-Co 치환에 의한 구조적 특성과 자기적 특성 사이의 관계가 명확치 않다. 따라서 본 연구에서는 공기 중 고상합성법을 통해 Ca를 0.15 몰로 소량 치환한 CaSr M-type 조성에 La-Co를 함께 치환하고 열처리 온도를 달리하여 구조적 특성과 자기적 특성 사이 관계를 규명하고 자기적 특성을 향상하고자 하였다.
W-type 헥사 페라이트는 공기 중 고온의 영역에서 안정하여 산소 분압을 조절한 열처리가 일반적이다. 그러나 이는 높은 공정단가를 초래할 뿐만 아니라, 높은 Ms와 Hc를 동시에 확보하기 어렵기 때문에 W-type의 영구자석 연구는 거의 이루어지지 않았다. 따라서 본 연구에서는 공기 중 고상합성법을 통해 단일상 합성이 가능하도록 조성을 설계했으며 구조적 특성과 자기적 특성 사이 관계 규명 및 자기적 특성 향상을 도모하였다.
결론적으로 M-type 헥사 페라이트 Ca0.15Sr0.85-x(LaCo)xFe11-xO19-δ(0≤x≤0.4)의 경우 치환 원소의 치환 site 및 격자상수 비율 c/a 조절을 통해 Ms의 감소 없이 Ha와 Hc의 향상에 도달했다. 1100℃ 온도에서 소결한 x=0.35는 작은 결정립과 함께 Hc=5503.7 Oe, Ms=72.61 emu/g으로 가장 높은 자기적 특성을 보였지만 상대밀도가 80% 이하로 낮았다. 상대밀도를 95% 이상 유지하면서 가장 높은 자기적 특성은 x=0.35의 조성을 1150℃에서 소결한 소결체에서 확보했으며 이때 자기적 특성 값은 Ms=73.38 emu/g, Hc=4658.8 Oe, Ha=24.0 kOe이다.
W-type 헥사 페라이트 Sr(Fe0.5Zn0.5Ni1.0)Fe14.5M0.5O27 (M = Fe, Al, Cr, Mn)는 공기 중 고온 영역에서 안정하여 상온·상압에서 단일상을 얻기 어려움에도 불구하고 긴 하소 시간과 조성 설계를 통해 M = Fe, Al, Cr에서 단일상을 확보하였다. Cell volume (Vcell)이 작은 조성에서 높은 Ha와 Hc를 얻을 수 있었다. 자기적 특성 중 Ms는 M = Mn 조성에서 76.53 emu/g으로 가장 높은 값을 보였다. Ha와 Hc는 M = Al 조성에서 Ha=15.5 kOe, Hc=1801.8 Oe의 높은 값에 도달했으나 Ms=68.29 emu/g으로 비교적 낮은 값을 보였다. 이를 극복하기 위해서는 추가적인 치환 및 additive 연구가 필요할 것으로 사료되며 W-type에서 높은 Ms를 바탕으로 Hc를 도달할 수 있다면 차세대 영구자석 재료로 사용될 수 있을 것으로 기대한다.