The effect of soft phase on magnetic properties and magnetization reversal process of Nd-Fe-B based multilayers

영구 자석은 전기 자동차를 구동하는 모터부터 헤드폰의 아주 작은 스피커에 이르기까지, 현대 기술의 보이지 않는 일꾼입니다. 수십 년 동안 사용 가능한 가장 강력한 자석은 네오디뮴, 철, 붕소의 특정 조합으로 만들어져 왔습니다. 이 재료들은 강력한 자기장을 유지하기 때문에 높게 평가받지만, 과학자들은 한계에 부딪혔습니다. 즉, 다른 필수적인 특성들을 잃지 않으면서 이들을 더 강하게 만들기가 쉽지 않다는 점입니다. 이 한계를 돌파하기 위해 연구자들은 두 가지 서로 다른 재료를 층으로 쌓아 올리는 색다른 전략을 탐구해 왔습니다. 한 층은 자성을 잃는 것에 저항하며 닻 역할을 하는 '경질(hard)' 자성 재료입니다. 다른 한 층은 자화되기 쉽지만 자성을 잃기도 쉬운 '연질(soft)' 자성 재료입니다. 만약 이 두 층을 충분히 가깝게 배치한다면, 이들이 자기 방향을 서로 결합시켜 매우 강력하면서도 매우 안정적인 단일 재료를 만들어낼 수 있을 것이라는 희망이 있습니다.

중국 귀주상업대학교의 연구팀은 강력한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 미시적 수준에서 이 재료들의 거동을 모델링함으로써, 이 층들이 어떻게 상호작용하는지 깊이 있게 연구했습니다. 이러한 자석을 물리적으로 직접 제작하는 것은 아주 작은 규모에서 제어하기가 어렵기 때문에, 그들은 대신 디지털 실험실을 구축했습니다. 그들은 네오디뮴-철-붕소를 경질 층으로 하는 박막을 시뮬레이션하고, 철, 특정 철-질소 화합물, 철-코발트 합금, 그리고 철-붕소 화합물이라는 네 가지 서로 다른 연질 재료를 테스트했습니다. 연구진은 연질 층을 두 경질 층 사이에 샌드위치처럼 끼우거나, 경질 층을 두 연질 층 사이에 끼우는 등 다양한 방식으로 층을 쌓았으며, 이를 통해 연질 층의 두께를 변화시킴에 따라 자기장이 어떻게 변하는지를 관찰할 수 있었습니다.

시뮬레이션 결과, 연질 층의 두께는 과학자들이 자석의 성능을 조절하기 위해 돌릴 수 있는 결정적인 다이얼임이 밝혀졌습니다. 연질 층이 두꺼워질수록 자석은 강력한 자기장을 유지하는 데는 유리해지지만, 자성을 뒤집으려는 외부 힘에 저항하는 능력은 약해집니다. 연구진은 이 두 가지 상충하는 효과가 완벽하게 균형을 이루는 최적의 지점이 있다는 것을 발견했습니다. 테스트한 가장 일반적인 조합인 철을 연질 층으로 사용했을 때, 최상의 성능은 연질 층의 두께가 약 4나노미터일 때 나타났습니다. 이 특정 두께에서 재료는 자석이 저장할 수 있는 자기 에너지의 척도인 최대 에너지 적(energy product) 84.54 MGOe에 도달했습니다. 이는 단일 연질 층을 경질 층 옆에 배치하거나, 경질 층을 두 연질 층 사이에 끼우는 등 그들이 테스트한 다른 배치들보다 높은 수치였습니다.

하지만 가장 놀라운 발견은 연질 재료 자체를 교체했을 때 일어났습니다. 연질 층으로 Fe16N2라고 알려진 철-질소 화합물을 사용했을 때, 결과는 훨씬 더 극적이었습니다. 이 구성에서 자석은 4나노미터의 연질 층 두께에서 109.38 MGOe의 최대 에너지 적에 도달했습니다. 이 값은 다른 연질 재료들로 달성한 수치보다 현저히 높습니다. 시뮬레이션은 이러한 우수한 성능이 경질 층과 연질 재료 사이의 독특한 상호작용에서 비롯된다는 것을 보여주었습니다. 자기 모멘트, 즉 자기 방향을 가리키는 작은 내부 화살표들이 두 재료 사이의 경계에서 매우 강력하게 정렬됩니다. 이러한 강력한 연결 덕분에 자석은 안정성을 잃지 않으면서 더 많은 에너지를 저장할 수 있습니다.

연구진은 또한 외부의 힘이 자석의 극을 뒤집으려고 할 때 발생하는 자화 반전 과정을 면밀히 살펴보았습니다. 가장 성능이 뛰어난 철-질소 설정에서, 반전 과정은 통제된 단계별 방식으로 진행됩니다. 재료의 가장자리에 있는 자기 화살표들이 먼저 기울어지기 시작하고, 이 기울어짐은 마치 군중 속을 움직이는 파도처럼 내부로 천천히 퍼져 나갑니다. 이 과정은 '피닝(pinning)'이라 불리는 메커니즘에 의해 억제되는데, 여기서 경질 층과 연질 층 사이의 경계는 반전이 너무 빠르거나 무질서하게 일어나지 않도록 막아주는 문 역할을 합니다. 이러한 통제된 거동이야말로 고성능 자석에 정확히 필요한 요소입니다. 이 연구는 과학자들이 연질 재료와 그 두께를 신중하게 선택함으로써 현재 가능한 것보다 훨씬 더 강력한 자석을 설계할 수 있음을 시사하며, 차세대 자기 기술을 향한 명확한 길을 제시합니다.