자기변형소자는 압전소자에 비해 변위가 크고, 발생력이 크다는 장점으로 인해 압전소자를 대치할 소자로 기대된다. 하지만 자기변형소자가 주목받기 시작한지 얼마되지 않았기 때문에 실제 응용에 있어서 문제점이 완벽하게 해결된 상태는 아니다. 본문에서도 언급했듯이 높은 주파수에서 동작할때 와전류로 인한 특성의 저하, 구동하는데 많은 전류를 흘려야 하기 때문에 발생하는 열에 의한 변위의 변화 등의 문제는 실제 응용시 꼭 해결해야할 것들이다. 국내에서는 자기변형소자에 대한 연구가 전무한 상태이므로 특정한 분야의 응용에 앞서 소자 자체의 특성에 대한 심도있는 연구가 선행되어야 할 것이다. 자기변형소자의 특성에 대한 축적된 빠른 시간내에 자기변형소자를 이용한 좋은 응용이 나오기를 기대할 수 있을 것이다.
Fe-Co-Ge 자기변형 합금 복합체는 낮은 자기장에서도 높은 자기 변형 민감도와 고분자 바인더에 의한 절연으로 인하여 저항이 크고, 와전류 손실이 작아 고주파영역 에서도 우수한 자기변형을 가지는 것으로 보고되고 있다. 그러나 희토류계 자기변형 복합체에 비하여 그 성능은 열세이지만, 제조 단가가 저렴하여 높은 성능/가격 대비 효과를 가지므로 초음파 발진소자와 같은 대량의 상업적 응용분야에 적용 가능한 소재로 있다. [1]. 한편 이와 같은 자기 변형 복합체는 고분자 바인더와 결합되어 있어 그 기계적 특성의 향상과 사용주파수 대역의 증가가 요구되어진다. 이에 이들 문제점을 보안하기 위하여 670 GPa의 큰 영률을 갖는 WC 분말의 첨가에 의한 합금복합체의 기계적 및 자기변형 (정적 및 동적) 특성에 미치는 영향에 관하여 연구하고자 하였다.
평균 입도가 $100{\mu}m$인 $Fe_{36}Co_{62}Ge_2$ 합금 분말과 $10wt\%$의 페놀계 고분자 바인더, 그리고 평균 입도가 $1.36{\mu}m$인 WC 분말을 SPEX Mixer/Mill에 넣고 8시간동안 혼합한 후 $150^{\circ}C$에서 Warm press를 이용하여 0.9 ton 의 압력으로 2시간 동안 유지하였다. VSM을 사용하여 자기적 특성을 조사한 결과 WC의 첨가량이 증가할수록 포화자화값(Ms)는 $174\~128\;emu/g$로 감소하였다. 또한 스트레인게이지를 이용하여 자기변형을 측정하였다. WC의 분포를 알아보기 위해 전자현미경으로 복합체의 단면을 관찰하였다. WC의 함량이 $10\~30wt\%$로 증가할수록 밀도와 영률(Young's Modulus) 값이 각각 $5.15\~6.27\;g/cc,\;43.5\~93.6\;GPa$ 로 증가하였다. 특히 영률은 WC를 $30wt\%$로 첨가하였을 때의 값이 첨가하지 않았을 때보다 2배 이상 증가하였다. 그러나 비자성상의 첨가로 희석효과가 나타났으며 길이 방향으로의 자기변형값$(\lambda_{ll})$과 $d_{33}$의 경우 각각 $18\%$와 $20\%$ 정도가 감소되었다. 이러한 기계적 특성의 향상은 길이 10mm의 자기변형 복합체의 공진 주파수를 71 kHz 증가시키게 되며, 따라서 초음파 진동소자용으로서의 상업적 활용범위를 증가 가능성을 제시하였다.
Terfenol-D is one of several magnetostrictive materials with property of converting energy into mechanical motion, and vice versa. Magnetostriction is the property that causes certain ferromagnetic materials to change shape in a magnetic field. Terfenol-D is said to produce giant magnetostriction, strain greater than any other commercially available smart material. In this paper, fundamental characteristics analysis of giant magnetostrictive materials(Terfenol-D) has been investigated. The magnetic field analysis is carried out by using finite element method simulation ANSYS. The results show 223N in force and 9.5T in maximum magnetic flux density and 7.56 $10^6A/m$ in maximum magnetic field intensity 1A current. Through the analysis, basic data of Terfenol-D for the application of mechanical system are obtained.
본 논문에서는 초자왜소자 $Terfenol-D(Tb_{0.3}Dy_{0.7}Fe_{1.9~1.95})$의 인가자장에 따른 자왜의 변화를 측정하였고, 잔류 자왜 및 초자왜소자의 온도 상승에 의한 열팽창 변형의 영향을 조사 하였다. 또한 초자왜소자에 3.5~14 MPa의 압축 응력을 인가하면서 자왜의 변화를 조사하였다. 그 결과는 인 가 압축 응력이 7 MPa인 경우 1500 Oe의 자장에서의 자왜는 1000 ppm이었으나 압축 응력을 가하지 않은 경 우는 400 ppm이었다. 또한 인가 압축 응력이 커짐에 따라서 자왜가 포화되는 자장의 크기도 커졌다. 잔류 변형과 히스테리시스가 관측되었으며, 따라서 액츄에이터로 이용할 때는 이를 보상하는 기구가 필요하며 또 한 열팽창에 의한 변형도 액츄에이터 응용시에는 고려하여야 한다.
스퍼터링 중 500~600 Oe의 자기장을 인가한 상태에서 제조된 비정징 Sm-Fe 합금 박막에서 6$\times$104 J/m3 크기의 유도자기이방성이 형성되었다. 자장 증착에 이해유도자기이방성이 형성된 합금 박막은 이방성이 형성되지 않은 합금 박막에 비해 자구 구조에 무관한 "포화" 자기변형은 유사하지만, 측정 방향에 따른 자기변형의 이방성 비는 최대 35 정도로서 매우 크게 증가하였다. 이는 자기변형 박막의 디바이스 응용시 성능을 크게 향상시키므로, 실용적인 측면에서 매우 중요하다. 스퍼터링 중 자기장을 인가하지 않고 통상의 마그네트론 스퍼터링에 의해 제조된 비정질 Sm-Fe 합금 박막을 넓은 조성 범위에 걸쳐서 체계적으로 소자한 결과, 이러한 합금 박막에서도 미약하나마 스퍼터링 중의 누설 자계에 의해 증착 도중 유도자기이방성이 형성되는 것을 관찰하였으며, 최대의 유도자기이방성은 Sm 함량 25~30 원자%에서 얻어졌다. 또한 본 합금 박막의 유도자기이방성은 자장 중 열처리에 의해서도 형성되는 것을 관찰하였는데, 형성된 이방성의 크기는 자장 증착에 의해 제조된 시료보다 매우 작게 나타났다. 이는 자장 증착의 경우 원자의 표면 확산을 통한 원자의 이동에 의해 유도자기이방성이 형성되나, 증착 후 자장 열처리에 의한 경우는 체적 확산에 의해 유도자기이방성이 형성되기 때문으로 생각된다.때문으로 생각된다.
In fabricating linear actuator using the GMA(Giant Magnetostrictive Alloy : Terfenol-D). the clamping unit is needed to accumlate each displacement from the GMA rod. Two types of the clamping unit (one is using piezoelectric device and the other electromagnetic farce) were made and tested. From the result of the experiment, we conclude that the electromagnetic clamping unit has advantages over the piezoelectric clamping unit.
광 리소그래피 공정을 이용하여 GMR-SV(Giant magnetoresistance-Spin valve) 다층박막 위에 마이크로 크기의 바이오센서용 소자와 코일-채널을 적층으로 각각 제작하였다. 직경 $1{\mu}m$ 크기인 여러 개의 자성비드가 결합된 적혈구가 마이크로 채널로 지나갈 때 코일에 인가하는 AC 신호로 정지 또는 통과하는 적혈구 움직임을 조절하였다. GMR-SV 소자 위에 포획된 적혈구-자성비드가 갖는 미세자기장은 자기저항비를 변화시켜 검출용 출력신호 특성으로 나타났다. 이것을 이용하여 자성비드를 결합한 적혈구의 막 변형에 따른 운동 특성을 분석하는 바이오센서로 활용할 수 있음을 보여주었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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