세라믹스의 자기적특성

원자와 원자 사이의 결합(bonding)을 이루어 기계적 특성(mechanical properties), 열적 특성(thermal properties) 등을 나타낸다.

외부에서 전압(electric voltage)이 걸려오면 거시적 이동을 하여 직접적으로 전기전도(electronic conduction)를 일으키거나 간접적으로 이온전도(ionic conduction)를 일으킨다.

외부에서 전장(electric field)이 걸려오면 중심점이 원자핵의 중심점과 조금 벗어나 유전 특성(dielectric properties)을 나타낸다.

원자핵을 중심으로 공전 및 스핀(spin)을 하여 초미시적 전류를 흐르게 하고, 이로 인한 자장(磁場, magnetic field)을 일으켜 자기적 특성(magnetic properties)을 나타낸다. 이와 같이 원자핵 주위에서 전자의 초미시적 움직임으로 생긴 자장은 마치 '전자의 그림자'와 같은 것이다.

지구도 거대한 자성체이다.

지구 중심부의 outer core는 주로 고온의 액상 철 등으로 되어있어 자성을 나타낼 조건은 되지만 온도가 큐리온도보다 너무 높아 영구자성을 띄기는 어렵다.

그러나, 지구 중심에서 발생하는 열에 의한 대류와 지구의 자전에 의한 대류가 dynamo action을 일으켜 자장을 발생시키는 것으로 추측되고 있다.

오로라(aurora)는 지구의 자성으로 일어나는 플라즈마 현상으로, 북극과 남극에서 태양풍과 지구 자장의 상호작용에 의해 상층 대기에서 일어나는 대규모의 방전 현상이다. 방전을 일으킨 전자들은 상층 대기의 원자나 분자들과 충돌하여 이들을 여기시키거나 전리시켜 가시광선, 자외선 및 적외선 영역의 빛을 방출한다. 예로써, 녹색 계통은 질소의 발광이고 적색 계통은 산소의 발광이다.

기원 전 255년 쯤, 황하 유역의한 촌장이 나침판과 태양력을 발명했다. 이 때 나침반으로 사용한 천연 마그네타이트(magnetite, Fe₃O₄)는 남북을 가르키는 특성으로 일명 'Lodestones'으로 불리며 항해(navigation)용으로 쓰였다. 이것은 오늘날의 기준으로는 약한 하드 페라이트(hard ferrite)이다. 현재 배나 비행기나 고급 자동차 등은 위치를 아는 데 나침반과 콤파스 대신 GPS(Global Positioning System)를 쓴다. 심지어 퇴근 후 남편의 위치와 학과 후 아이의 위치를 파악하고 골프장에서 남은 거리를 재는 데까지 GPS가 쓰이고 있다.

현재는 Fig. 2의 예와 같이 각종 자성 세라믹스가 박막화, 고밀도화가 되어 현대생활에 필수적인 여러 용도로 쓰이고 있다.

인류의 역사는 동굴벽화, 갑골문자, 파피루스, 책, 사진, LP판, 자기기록, 광기록 등 정보 기록의 역사이다.

현재는 정보의 digital화(연속적 analog 신호를 쪼개어 1과 0의 조합으로 표현하기 위해 이를 0 V와 5V의 물리량으로 바꾸는 것)로 정보의 정확성과 취급성이 크게 좋아지고 있다.

N과 S를 나타내는 영구자석의 형태로 정보를 보존하고 전자석으로 이를 기록, 소거, 재생하는 것이다.

각종 오디오 비디오 테이프, diskette, hard disc, 전화카드, 전철표, 신용카드, 예금통장 등 현재 가장 많이 응용되고 있는 정보 기록 방법이다.

자기헤드: 코일이 감긴 말굽형 철심 헤드(또는 박막 헤드나 자기저항 헤드)의 갭(gap)을 통해 음성의 전기신호를 자기신호(N과 S)로 바꿔 자기테이프의 자성체 입자 도메인(domain)을 자화, 정열시켜 기록하고, 이 역순으로 재생한다. 철심 헤드는 테이프에서 나오는 자기장의 시간변화율에 비례하여 유도되는 전기신호로 정보를 재생하고, 자기저항 헤드는 테이프에서 나오는 자기장의 세기에 비례하여 유도되는 전기신호로 정보를 재생한다.

세라믹스 자기테이프: 자기테이프는 얇은 합성수지 필름(주로 강화 polyester) 위에 산화철(γ-Fe₂O₃, Bias 1)이나 이산화크롬(CrO₂, Bias 1.5) 등의 자성 세라믹스 분말을 코팅한 것이다. 자기테이프용 산화철의 제조는 FeSO4를 NaOH로 중화, 산화, 침전하여 α-FeOOH를 만들고, 이를 열분해하여 α-Fe₂O₃를 만든다. 이것을 환원하면 자성을 띄는 Fe₃O₄로 바뀌고, 이것을 다시 환원하면 전도성은 낮으면서 자성을 띄는 미세한 침상 입자(입자 하나당 하나의 도메인)의 γ-Fe₂O₃를 만든다. 모노 테이프는 정역방향의 2 tracks가 기록되고, 스테레오 테이프는 정역방향과 좌우 스피커의 4 tracks가 기록된다.

메탈 자기테이프: 메탈테이프는 산화하지 않는 순철(Bias 2)을 주성분으로 만들기 때문에 입자가 더 미세하여 세라믹스 자기테이프보다 성능이 우수하다 (Bias란 음의 파형이 찌그러지지 않고 기록될 수 있게 자화곡선 첫 부분의 급한 곡선을 잘라내는 방법이다. 주로 30-100 kHz의 고주파를 음성과 중첩시켜 헤드에 보내는 방법으로 이루어진다.).

1972년 LD 등장, 1980년 CD 등장, 1988년 CD-R 등장, 1996년 DVD 등장, 1997년 DVD-R 등장, 1997년 CD-RW 등장

기판에 홈을 파거나 비정질화함으로 빛의 반사가 달라지게 하여 정보를 기록한다.

렌즈로 미세하게 초점을 맞춘 laser를 쏘았을 때 그 반사 유무 및 강약으로 정보를 읽는다.

CD: 뒷면이 polycarbonate 합성수지 기판 위에 알루미늄 반사막과 보호 coating으로 되어있다. 여기에 디지털 신호를 약 60억 개의 길고 짧은 피트(작은 홈)로 새긴 것이다. 광픽업장치에서 레이저광을 디스크에 쏘아 반사되는 빛으로 정보를 추출, 재생한다. 피트 라인 사이의 거리가 약 1.6 μm으로 0.65 Gb의 정보를 저장할 수 있다.

DVD(Digital Video Disc): 피트 크기를 줄이고 피트 라인 사이의 거리도 약 0.74 μm으로 줄이는 반면, MPEG-2로 중복되는 화상정보를 압축하여 5 Gb의 영상정보를 저장할 수 있다.

1991년 MO(Magneto-Optoc Disc) 등장, 1992년 MD(MiniDisc) 등장.

기록용 laser를 쏘아 자기 기록층의 온도가 올라간 상태에서 약한 자장으로 기록한다.

재생용 laser를 쏘아 기록층의 자화 방향에 따라 달라지는 laser의 달라지는 진동방향으로 재생한다.

더 작은 크기로 수 Gb의 정보를 저장할 수 있다.

모든 전자(또는 전하)의 움직임에는 특수상대성원리로 반드시 자장이 그림자처럼 따른다.

Orbital Magnetic Moment: 원자핵을 중심으로 전자가 공전함으로 1 보아마그네톤(1 μ_B,1 Bohr magneton)의 자장이 생긴다. 이것은 전자석에서 코일(coil)을 따라 돌면서 움직이는 전자에 의해 자장이 발생하는 것과 마찬가지이다.

Spin Magnetic Moment: 전자 스스로 자전하는 스핀(spin)으로 자장이 생긴다. 스핀은 두 가지 서로 반대되는 방향으로 일어나는데, 각각 ↑와 ↓로 표시된다. 즉, 편의상 한 전자의 ↑스핀은 +1 μ_B, ↓스핀은 -1 μ_B로 표시한다.

불활성 기체(inert gases)나 이온결합 화합물에서와 같이 e-shell이 차있고 스핀이 짝을 이루고 있으면 스핀은 서로 상쇄되어 0 μ_B을 나타낸다.

자성재료와 같이 d-shells을 채우지 못한 재료에서 짝을 이루지 못한 스핀들은 각각 1 μ_B = 9.27 x 10^-24 A-m²의 자장을 나타낸다.