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  • 에너지 분야에 적용될 수 있는 새로운 유형의 자석등록일 : 2015/05/23
  • 템플 대학(Temple University)과 메릴랜드 대학(University of Maryland)의 연구진은 자기장 속에 위치될 때 부피가 커지고 에너지 수집 동안에 무시할 수 있을 정도의 폐열을 생성하는 새로운 유형의 자석을 개발했다. 이 연구결과는 저널 Nature에 게재되었다.

    이 획기적인 연구결과는 기존의 기술들을 대체할 수 있을 뿐만 아니라 자성의 독특한 조합 때문에 새로운 분야를 생성할 수 있는 잠재력을 가진다.

    “우리의 연구결과는 1841년 이후에 관찰된 자성 이론을 근본적으로 변화시킨다”고 이 연구를 이끌었던 Chopra가 말했다. 1840년대에, James Prescott Joule은 철 기반의 자성 재료를 자기장에 위치할 때 그들의 형상은 변화되지만 그들의 부피는 변화되지 않는다는 것을 발견했다. 이 현상은 “줄 자기변형(Joule Magnetostriction)”이라고 불리고, 175년 전에 발견된 이후로, 모든 자석들은 이것을 기반으로 특성이 평가되었다.

    “우리는 새로운 유형의 자석을 발견했다. 우리는 이것을 ‘비-줄리안(Non-Joulian) 자석’이라고 불리고, 이것은 자기장 속에서 큰 부피 변화를 보였다”고 Chopra가 말했다. “또한 이런 비-줄리안 자석들은 최소한의 열 손실로 에너지를 수집하거나 변환시킬 수 있는 능력을 가졌다”고 Chopra가 덧붙였다.

    “이런 자석 반응은 줄에 의해서 구성된 것과 근본적으로 다르다. 그는 자석이 균일한 방식으로 반응한다고 가르쳤다”고 Wuttig가 말했다. 이번 연구진은 30분 동안에 대략 760 ℃의 노 속에서 그들을 가열하고 그들을 상온으로 빠르게 냉각시킬 때 특정 철 기반의 합금이 비-줄리안 반응을 가진다는 것을 발견했다.

    이번 연구진은 자기장을 인가할 때 열적으로 처리된 재료들이 비-줄리안 자기 변형을 가지는 세포와 같은 구조를 가진다는 것을 발견했다. “이런 독특한 구조를 이해하는 것은 매력적인 특성들을 가진 새로운 재료들을 개발할 수 있게 할 것”이라고 Wuttig가 덧붙였다.

    이번 연구진은 기존의 자석들이 줄 자기변형에 의해서 한계를 가지기 때문에 한 방향으로 힘을 가할 수 있는 액추에이터로서 사용될 수 있다고 제시했다. 두 개의 방향으로 작동하기 위해서는 많은 자석의 적층을 필요로 하고, 이것은 크기를 늘리고 효율을 줄인다. 비-줄리안 자석들이 모든 방향으로 자발적으로 확장될 수 있기 때문에, 간단한 전방향 액추에이터는 쉽게 구현될 수 있다.

    이 새로운 자석들이 에너지 효율적인 특성들을 가지기 때문에, 그들은 매우 적은 열적 신호를 가진 차세대 센서 및 액추에이터를 생성하는데 사용될 수 있다. 이러한 자석들은 다음과 같은 효율적인 에너지 수집 장치들에 적용될 수 있다; 항공기, 생의학, 우주공간, 로봇 분야에 적용될 수 있는 간단한 마이크로-액추에이터; 소나 및 방위에 적용할 수 있는 매우 낮은 열적 신호를 가진 액추에이터.

    이러한 새로운 자석들이 희토류 원소를 가지지 않는 합금으로 구성되었기 때문에, 그들은 기존의 희토류 기반의 자기변형 합금을 대체할 수 있다. 기존의 희토류 기반의 합금은 고가이고 열악한 기계적 특성을 가지고 있다.

    “이 연구는 기초 연구를 발전시킬 수 있는 우수한 본보기를 보여준다”고 Tomasz Durakiewicz가 말했다. “이 연구는 매우 폭넓게 적용될 수 있는 지속 가능한 에너지 재료를 개발하는데 큰 영향을 끼칠 수 있을 것”이라고 Durakiewicz가 덧붙였다. 이 연구결과는 저널 Nature에 “Non-Joulian Magnetostriction”이라는 제목으로 게재되었다.

    그림. 이 이미지는 비-줄리안 자성을 발생시키는 철-갈륨 합금 속의 주기적인 자기 ‘셀(cell)’ 또는 ‘도메인(domain)’을 관찰할 수 없다.

  • 키워드 : 자석, 팽창, 비 줄리안,
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑