KR20220077810A - ferroelectric ferromagnetic composite laminated structure controlling output voltage - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 외부 직류 바이어스 자기장 없이도 셀프 바이어스 자기전기 효과를 이용하여 출력 전압이 제어되는 강유전-강자성 복합 적층 구조체를 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체는, 제1 자왜층, 상기 제1 자왜층 상에 위치한 압전층, 상기 압전층 상에 위치한 제2 자왜층을 포함하는 복합층; 상기 복합층의 일단부에 배치된 제1 자석부재; 및 상기 복합층의 타단부에 배치된 제2 자석부재;를 포함한다.The present invention provides a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure in which an output voltage is controlled using a self-bias magneto-electric effect without an external DC bias magnetic field. A ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to an embodiment of the present invention includes a composite layer including a first magnetostrictive layer, a piezoelectric layer positioned on the first magnetostrictive layer, and a second magnetostrictive layer positioned on the piezoelectric layer; a first magnet member disposed on one end of the composite layer; and a second magnet member disposed at the other end of the composite layer.
Description
본 발명의 기술적 사상은 자성 재료에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 출력 전압이 제어되는 강유전-강자성 복합 적층 구조체에 관한 것이다.The technical idea of the present invention relates to a magnetic material, and more particularly, to a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure in which an output voltage is controlled.
멀티페로익(multiferroic) 자기전기 구조체는 압전 물질과 자왜 물질로 구성되고, 자기 센서들, 전압 조정 인덕터들, 데이터 저장 요소들, 스핀트로닉, 에너지 하베스터들 등을 포함하는 다양한 기술 분야에 적용된다. 이러한 자기전기 구조체의 자기전기 효과는 압전 물질과 자왜 물질 사이의 계면 커플링에 기인한다. 압전 물질과 자왜물질 사이의 기계적 변형의 전달은 압전 물질의 전기 분극의 변화 또는 자왜 물질의 자기 플럭스의 변화를 야기하고, 그 효과는 2-2 적층 구조에서 가장 큰 것으로 알려져 있다.A multiferroic magnetoelectric structure is composed of a piezoelectric material and a magnetostrictive material, and is applied in various technical fields including magnetic sensors, voltage regulation inductors, data storage elements, spintronics, energy harvesters, and the like. The magnetoelectric effect of this magnetoelectric structure is due to the interfacial coupling between the piezoelectric material and the magnetostrictive material. The transfer of mechanical strain between the piezoelectric material and the magnetostrictive material causes a change in the electric polarization of the piezoelectric material or a change in the magnetic flux of the magnetostrictive material, and the effect is known to be greatest in the 2-2 layered structure.
자왜 특성을 이용하는 자성관련 장치의 전체 성능은 자왜 물질의 변형이 결정한다. 상기 자왜 물질의 변형은 직류 바이어스 자기장에 의존하므로, 우수한 자왜 성능을 달성하기 위하여는 외부의 직류 바이어스 자기장이 필요할 수 있다. 그러나, 외부의 직류 바이어스 자기장에 대한 요구는 전자기 간섭을 발생시키거나 장치의 크기를 증가시키는 단점이 있다. 따라서, 외부의 직류 바이어스 자기장을 필요로 하지 않는 셀프 바이어스 자기전기 구조체가 요구된다.The overall performance of a magnetostrictive device using magnetostrictive properties is determined by the deformation of the magnetostrictive material. Since the deformation of the magnetostrictive material depends on the DC bias magnetic field, an external DC bias magnetic field may be required to achieve excellent magnetostrictive performance. However, the requirement for an external DC bias magnetic field has a disadvantage of generating electromagnetic interference or increasing the size of the device. Accordingly, there is a need for a self-biased magnetoelectric structure that does not require an external DC bias magnetic field.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 외부 직류 바이어스 자기장 없이도 셀프 바이어스 자기전기 효과를 이용하여 출력 전압이 제어되는 강유전-강자성 복합 적층 구조체를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure in which an output voltage is controlled using a self-bias magneto-electric effect without an external DC bias magnetic field.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.However, these tasks are exemplary, and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 상기 강유전-강자성 복합 적층 구조체는, 제1 자왜층, 상기 제1 자왜층 상에 위치한 압전층, 상기 압전층 상에 위치한 제2 자왜층을 포함하는 복합층; 상기 복합층의 일단부에 배치된 제1 자석부재; 및 상기 복합층의 타단부에 배치된 제2 자석부재;를 포함한다.The ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem includes a first magnetostrictive layer, a piezoelectric layer located on the first magnetostrictive layer, and a second magnetostrictive layer located on the piezoelectric layer. a composite layer comprising; a first magnet member disposed on one end of the composite layer; and a second magnet member disposed at the other end of the composite layer.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 자석부재와 상기 제2 자석부재는 상기 제2 자왜층의 상측에 배치될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the first magnet member and the second magnet member may be disposed above the second magnetostrictive layer.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 자석부재는 상기 제2 자왜층의 상측에 배치되고, 상기 제2 자석부재는 상기 제1 자왜층의 하측에 배치될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the first magnet member may be disposed above the second magnetostrictive layer, and the second magnet member may be disposed below the first magnetostrictive layer.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 자석부재는, 상기 제2 자왜층의 상측 표면에 대하여 수직 방향으로 제1 N극과 제1 S극이 순차적으로 배치되고, 상기 제2 자석부재는, 상기 제2 자왜층의 상측 표면에 대하여 수직 방향으로 제2 S극과 제2 N극이 순차적으로 배치될 수 있다.In an embodiment of the present invention, in the first magnet member, a first N pole and a first S pole are sequentially disposed in a direction perpendicular to the upper surface of the second magnetostrictive layer, and the second magnet member includes , a second S pole and a second N pole may be sequentially disposed in a direction perpendicular to the upper surface of the second magnetostrictive layer.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 자석부재는, 상기 제2 자왜층의 상측 표면에 대하여 수직 방향으로 제1 S극과 제1 N극이 순차적으로 배치되고, 상기 제2 자석부재는, 상기 제2 자왜층의 상측 표면에 대하여 수직 방향으로 제2 N극과 제2 S극이 순차적으로 배치될 수 있다.In an embodiment of the present invention, in the first magnet member, a first S pole and a first N pole are sequentially disposed in a direction perpendicular to the upper surface of the second magnetostrictive layer, and the second magnet member includes , a second N pole and a second S pole may be sequentially disposed in a direction perpendicular to the upper surface of the second magnetostrictive layer.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 자석부재는, 상기 제2 자왜층의 상측 표면에 대하여 수직 방향으로 제1 N극과 제1 S극이 순차적으로 배치되고, 상기 제2 자석부재는, 상기 제1 자왜층의 하측 표면에 대하여 수직 방향으로 제2 S극과 제2 N극이 순차적으로 배치될 수 있다.In an embodiment of the present invention, in the first magnet member, a first N pole and a first S pole are sequentially disposed in a direction perpendicular to the upper surface of the second magnetostrictive layer, and the second magnet member includes , a second S pole and a second N pole may be sequentially disposed in a direction perpendicular to the lower surface of the first magnetostrictive layer.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 자석부재는, 상기 제2 자왜층의 상측 표면에 대하여 수직 방향으로 제1 S극과 제1 N극이 순차적으로 배치되고, 상기 제2 자석부재는, 상기 제1 자왜층의 하측 표면에 대하여 수직 방향으로 제2 N극과 제2 S극이 순차적으로 배치될 수 있다.In an embodiment of the present invention, in the first magnet member, a first S pole and a first N pole are sequentially disposed in a direction perpendicular to the upper surface of the second magnetostrictive layer, and the second magnet member includes , a second N pole and a second S pole may be sequentially disposed in a direction perpendicular to the lower surface of the first magnetostrictive layer.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 자석부재는, 상기 제2 자왜층의 상측 표면에 대하여 수평 방향으로 제1 S극과 제1 N극이 순차적으로 배치되고, 상기 제2 자석부재는, 상기 제2 자왜층의 상측 표면에 대하여 수평 방향으로 제2 S극과 제2 N극이 순차적으로 배치될 수 있다.In an embodiment of the present invention, in the first magnet member, a first S pole and a first N pole are sequentially disposed in a horizontal direction with respect to the upper surface of the second magnetostrictive layer, and the second magnet member includes , a second S pole and a second N pole may be sequentially disposed in a horizontal direction with respect to an upper surface of the second magnetostrictive layer.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 자석부재는, 상기 제2 자왜층의 상측 표면에 대하여 수평 방향으로 제1 S극과 제1 N극이 순차적으로 배치되고, 상기 제2 자석부재는, 상기 제1 자왜층의 하측 표면에 대하여 수평 방향으로 제2 S극과 제2 N극이 순차적으로 배치될 수 있다.In an embodiment of the present invention, in the first magnet member, a first S pole and a first N pole are sequentially disposed in a horizontal direction with respect to the upper surface of the second magnetostrictive layer, and the second magnet member includes , a second S pole and a second N pole may be sequentially disposed in a horizontal direction with respect to a lower surface of the first magnetostrictive layer.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 복합층을 고정하도록, 상기 복합층의 중앙에 위치한 고정부재;를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, a fixing member located in the center of the composite layer to fix the composite layer; may further include.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 자왜층 및 상기 제2 자왜층은, 철-규소-붕소 기반 합금, 니켈, 철, 코발트, 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the first magnetostrictive layer and the second magnetostrictive layer may include at least one from the group consisting of an iron-silicon-boron-based alloy, nickel, iron, cobalt, and alloys thereof. can
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 압전층은 Pb(Zr,Ti)O3 을 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the piezoelectric layer may include Pb(Zr,Ti)O 3 .
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 자석부재 및 상기 제2 자석부재는, 네오디뮴(Nd), 철, 코발트, 니켈, 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the first magnet member and the second magnet member may include at least one from the group consisting of neodymium (Nd), iron, cobalt, nickel, and alloys thereof.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 상기 강유전-강자성 복합 적층 구조체는, 제1 자왜층, 상기 제1 자왜층 상에 위치한 압전층, 상기 압전층 상에 위치한 제2 자왜층을 포함하는 복합층; 상기 복합층의 일측에 이격되어 배치된 제1 자석부재; 상기 제1 자석부재를 회전시키는 회전축으로 기능하는 제1 회전부재; 및 상기 복합층의 타측에 이격되어 배치된 제2 자석부재;를 포함한다.The ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem includes a first magnetostrictive layer, a piezoelectric layer located on the first magnetostrictive layer, and a second magnetostrictive layer located on the piezoelectric layer. a composite layer comprising; a first magnet member spaced apart from one side of the composite layer; a first rotating member functioning as a rotating shaft for rotating the first magnet member; and a second magnet member spaced apart from the other side of the composite layer.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 자석부재를 회전시키는 회전축으로 기능하는 제2 회전부재;를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, a second rotating member functioning as a rotation shaft for rotating the second magnet member; may further include.
본 발명의 기술적 사상에 따른 셀프 바이어스 자기전기를 이용하여 출력 전압이 제어되는 강유전-강자성 복합 적층 구조체는 영구 자석으로 구성된 한 쌍의 자석부재들을 적용하여 자왜-압전 적층 구조체에 의하여 고정된 중심으로부터 강한 셀프 바이어스 자기전기(SME) 반응을 구현시킬 수 있다.The ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure in which the output voltage is controlled using self-bias magnetoelectricity according to the technical concept of the present invention is a magnetostrictive-ferromagnetic composite laminate structure by applying a pair of magnet members composed of permanent magnets, strong from the center fixed by the magnetostrictive-piezoelectric laminate structure. A self-biased magnetoelectric (SME) response can be implemented.
상기 강유전-강자성 복합 적층 구조체는 구조적 굽힘 공진을 촉진하도록, 서로 반대인 양과 음의 압자기 계수를 각각 가지는 두 개의 다른 자왜층들(메트글라스, 니켈)로 구성된 비대칭성 적층 구조를 적용하였다. 셀프 바이어스 자기전기 반응에 대한 자석부재들의 배치를 변화시킨 효과를 분석하였다. 모든 자석부재들이 상기 메트글라스층에 배치되고, 그들의 자화 방향이 상기 메트글라스층의 표면에 수직인 경우에, 가장 높은 셀프 바이어스 자기전기 효과가 관찰되었다. 이러한 결과로부터, 외부 자기장에 대하여 평행한 자구와 비평행한 자구가 전체 자왜에 기여하는 것으로 분석된다. 제조된 셀프 바이어스 자기전기 적층 구조체는 14.11 Vcm-1Oe-1 내지 52.35 Vcm-1Oe-1 범위의 강한 셀프 바이어스 자기전기 전압 계수를 나타내고, 자석부재들의 자기장의 방향에 의존한다.In the ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure, an asymmetric laminate structure composed of two different magnetostrictive layers (metglass, nickel) having opposite positive and negative magnetostrictive coefficients, respectively, was applied to promote structural bending resonance. The effect of changing the arrangement of magnet members on the self-bias magnetoelectric response was analyzed. The highest self-bias magnetoelectric effect was observed when all the magnet members were disposed on the metglass layer, and their magnetization direction was perpendicular to the surface of the metglass layer. From these results, it is analyzed that magnetic domains parallel and non-parallel to the external magnetic field contribute to the overall magnetostriction. The manufactured self-biased magneto-electrical laminated structure exhibited a strong self-biased magneto-electrical voltage coefficient ranging from 14.11 Vcm -1 Oe -1 to 52.35 Vcm -1 Oe -1 , depending on the direction of the magnetic field of the magnet members.
이와 같이 높은 셀프 바이어스 자기전기 전압 출력값 및 그들의 제어 가능성에 기반하여, 상기 강유전-강자성 복합 적층 구조체는 정밀한 자기장 센서들, 자기 에너지 하베스터들, 전기장 및 자기장 조정 장치들에 이용될 수 있다.Based on such a high self-bias magnetoelectric voltage output value and their controllability, the ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure can be used for precise magnetic field sensors, magnetic energy harvesters, and electric and magnetic field adjustment devices.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The above-described effects of the present invention have been described by way of example, and the scope of the present invention is not limited by these effects.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체를 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체에서 자석부재의 배치를 도시하는 개략도들이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체를 도시하는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체의 자기전기 전압 출력을 측정하는 측정장치를 도시하는 사진이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체의 위상 각도 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체의 굽힘 거동을 나타내는 사진이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체와 비교하기 위한 비교예의 직류 바이어스 자기장에 대한 자기전기 전압 계수를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예1에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체의 직류 바이어스 자기장에 대한 자기전기 전압 계수를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예2에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체의 직류 바이어스 자기장에 대한 자기전기 전압 계수를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예1 및 실시예2에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체에서 형성된 자기장 분포를 도시하는 개략도이다.
도 11은 본 발명의 실시예3 및 실시예4에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체의 직류 바이어스 자기장에 대한 자기전기 전압 계수를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예3 및 실시예4에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체에서 형성된 자기장 분포를 도시하는 개략도이다.
도 13은 본 발명의 실시예1 및 실시예3에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체에서의 자왜층에 형성된 자기장과 자화 거동을 나타내는 개략도이다.
도 14는 본 발명의 강유전-강자성 복합 적층 구조체에서의 미소 직류 바이어스 자기장이 인가된 경우에 자왜층의 자화 변화를 나타내는 개략도이다.
도 15는 본 발명의 실시예1 및 실시예3에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체의 교류 자기장 하에서의 직류 바이어스 자기장에 대한 자기전기 전압 계수를 나타내는 그래프이다.1 is a schematic diagram illustrating a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram illustrating an arrangement of a magnet member in a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram illustrating a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to an embodiment of the present invention.
4 is a photograph showing a measuring device for measuring magnetoelectric voltage output of a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing a phase angle spectrum of a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to an embodiment of the present invention.
6 is a photograph showing the bending behavior of a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing a magnetoelectric voltage coefficient with respect to a DC bias magnetic field of a comparative example for comparison with a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing a magnetoelectric voltage coefficient with respect to a DC bias magnetic field of a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to Example 1 of the present invention.
9 is a graph showing the magnetoelectric voltage coefficient with respect to the DC bias magnetic field of the ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to Example 2 of the present invention.
10 is a schematic diagram illustrating a magnetic field distribution formed in a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to Examples 1 and 2 of the present invention.
11 is a graph showing magnetoelectric voltage coefficients with respect to a DC bias magnetic field of a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to Examples 3 and 4 of the present invention.
12 is a schematic diagram showing a magnetic field distribution formed in a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to Examples 3 and 4 of the present invention.
13 is a schematic diagram illustrating a magnetic field and magnetization behavior formed in a magnetostrictive layer in a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to Examples 1 and 3 of the present invention.
14 is a schematic diagram illustrating a change in magnetization of a magnetostrictive layer when a minute DC bias magnetic field is applied in the ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure of the present invention.
15 is a graph showing magnetoelectric voltage coefficients with respect to a DC bias magnetic field under an alternating magnetic field of a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to Examples 1 and 3 of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the technical idea of the present invention to those of ordinary skill in the art, and the following examples may be modified in various other forms, The scope of the technical idea is not limited to the following examples. Rather, these embodiments are provided so as to more fully and complete the present disclosure, and to fully convey the technical spirit of the present invention to those skilled in the art. In this specification, the same reference numerals refer to the same elements throughout. Furthermore, various elements and regions in the drawings are schematically drawn. Accordingly, the technical spirit of the present invention is not limited by the relative size or spacing drawn in the accompanying drawings.
본 발명의 기술적 사상은 외부 직류 바이어스 자기장 없이도 셀프 바이어스 자기전기 효과를 이용하여 효과적으로 자기장을 전기장으로 변환시킬 수 있고, 동일한 자기장 하에서도 출력되는 전압이나 전기장을 용이하게 제어할 수 있는 강유전-강자성 복합 적층 구조체를 제공한다.The technical idea of the present invention is a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate that can effectively convert a magnetic field into an electric field using the self-bias magneto-electric effect without an external DC bias magnetic field, and can easily control the output voltage or electric field even under the same magnetic field. provide a structure.
직류 바이어스 자기장이 없는 경우에, 셀프 바이어스 자기전기(Self-biased magnetoelectric, SME) 효과는 외부의 교류 자기장(HAC)이 인가된 상태에서 자기전기 커플링에 의하여 결정된다. 상기 셀프 바이어스 자기전기 효과의 발현 형태는 실험 및 이론에 의하여 하기와 같은 다섯 가지 형태로 제안된다. 구체적으로, 기능적 구배를 갖는 강자성체를 이용한 셀프 바이어스 자기전기, 교환 바이어스를 통한 셀프 바이어스 자기전기, 자왜 히스테리시스 기반 셀프 바이어스 자기전기, 빌트인 응력을 통한 셀프 바이어스 자기전기, 및 비선형 셀프 바이어스 자기전기 등이다.In the absence of a DC bias magnetic field, a self-biased magnetoelectric (SME) effect is determined by magnetoelectric coupling in a state in which an external alternating magnetic field (H AC ) is applied. The expression form of the self-bias magnetoelectric effect is proposed in the following five forms according to experiments and theories. Specifically, there are self-biased magnetoelectricity using a ferromagnetic material having a functional gradient, self-biased magnetoelectricity through exchange bias, self-biased magnetoelectricity based on magnetostrictive hysteresis, self-biased magnetoelectricity through built-in stress, and nonlinear self-biased magnetoelectricity.
이러한 셀프 바이어스 자기전기의 구현을 위하여, 자왜층의 교환 바이어스(exchange bias, EB)를 이용하는 것이 가능성이 있다. 상기 교환 바이어스는 그래프에서 자기장 축을 따라 자성 히스테리시스 루프가 이동하는 것을 의미하고, 일반적으로 강자성상과 연자성상을 포함하는 자성 물질이 적절한 자기장이 인가된 상태에서 반강자성의 닐(Neel) 온도 이하로 냉각되는 경우에 관찰된다. 복합 적층 구조체 내에서의 교환 바이어스 장에 의한 강자성층의 자화 이동은 상기 강자성층의 직류 바이어스 자기장(HDC)에 대한 자왜 변형률(λ)의 이동에 관련되고, 이에 따라 셀프 바이어스 자기전기 반응을 발생시킬 수 있다.In order to implement such a self-biased magnetoelectricity, it is possible to use an exchange bias (EB) of the magnetostrictive layer. The exchange bias means that the magnetic hysteresis loop moves along the magnetic field axis in the graph, and in general, a magnetic material including a ferromagnetic phase and a soft magnetic phase is cooled to below the antiferromagnetic Neel temperature in a state where an appropriate magnetic field is applied. observed when The magnetization movement of the ferromagnetic layer by the exchange bias field in the composite laminate structure is related to the movement of the magnetostrictive strain (λ) with respect to the DC bias magnetic field (H DC ) of the ferromagnetic layer, thus generating a self-bias magnetoelectric response. can do it
자기전기 구조체에서의 교환 바이어스를 매개로 하는 셀프 바이어스 자기전기 효과에 대한 종래 연구에서는 외부 전기장에 의한 교환 바이어스 제어(즉, 역 자기전기 효과)에 집중되어 있다. 자기적으로 제어되는 교환 바이어스를 매개로 하는 셀프 바이어스 자기전기 효과는 센서들, 조정 변압기들 및 에너지 하베스터들 등과 같은 정 자기전기 장치들에서 중요하지만, 이에 대한 연구는 거의 발표되지 않는 실정이다. 이와 같이 교환 바이어스를 매개로 하는 셀프 바이어스 자기전기 반응에 대한 연구가 미흡한 이유는, 이종 강자성 물질 합성의 난해함과 더불어 자기장-냉각과 같은 특별한 과정이 필요하고, 시간에 따른 교환 바이어스 열화, 자왜층 두께의 역 의존성 등의 문제가 있기 때문이다.Previous studies on the self-bias magnetoelectric effect mediated by exchange bias in magnetoelectric structures have focused on the exchange bias control (ie, reverse magnetoelectric effect) by an external electric field. The self-bias magnetoelectric effect mediated by magnetically controlled exchange bias is important in electrostatic devices such as sensors, regulating transformers and energy harvesters, but little research has been done on it. The reason why the study on self-bias magnetoelectric reaction mediated by exchange bias is insufficient is that it requires special processes such as magnetic field-cooling along with the difficulty of synthesizing heterogeneous ferromagnetic materials, deterioration of exchange bias with time, and thickness of magnetostrictive layer. This is because there are problems such as inverse dependence of
상술한 바와 같은 교환 바이어스를 매개로 하는 시도와 유사하지만 간단한 방법으로서, 직류 바이어스 자기장에 대하여 자왜를 이동하기 위하여, 영구 자석을 이용함으로써 자왜층 내에 자기장을 미리 인가시킬 수 있다. 영구 자석을 사용하는 경우는 복잡한 실험 과정을 수행하지 않고 원하는 자왜 물질에 용이하게 적용할 수 있다. 또한, 영구 자석을 사용하므로, 시간에 따라 소자 특성이 열화되지 않는 장점이 있다. 그럼에도 불구하고, 이러한 방법을 증명하거나 물리적 메커니즘을 이해하기 위한 체계적인 연구가 수행되지 못하는 실정이다.As a simple method similar to the attempt using an exchange bias as described above, a magnetic field may be applied in advance in the magnetostrictive layer by using a permanent magnet in order to move the magnetostriction with respect to the DC bias magnetic field. In the case of using a permanent magnet, it can be easily applied to a desired magnetostrictive material without performing a complicated experimental process. In addition, since a permanent magnet is used, there is an advantage in that device characteristics do not deteriorate over time. Nevertheless, systematic studies to prove this method or to understand the physical mechanism have not been conducted.
본 발명의 기술적 사상에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체에서는, 자왜층(magnetostrictive, MS)/압전층(piezoelectric, PE) /자왜층으로 구성된 복합층을 형성하고, 상기 복합층의 양 단부에 영구 자석을 배치하여 구성된다. 또한, 상기 강유전-강자성 복합 적층 구조체는, 중앙의 마디점(nodal point)에서 고정되고, 양 끝의 자유단(free end)에는 영구 자석 부재가 배치되도록 구성된다. 또한, 높은 셀프 바이어스 자기전기 성능을 구현하기 위하여, 상기 영구 자석 부재의 배치를 변화시켜 최적 구조를 도출하였다.In the ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to the technical idea of the present invention, a composite layer composed of a magnetostrictive (MS) / piezoelectric (PE) / magnetostrictive layer is formed, and permanent magnets are provided at both ends of the composite layer. It is composed by placing In addition, the ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure is configured to be fixed at a central nodal point, and permanent magnet members are disposed at free ends of both ends. In addition, in order to realize high self-bias magnetoelectric performance, an optimal structure was derived by changing the arrangement of the permanent magnet member.
상기 자왜층/압전층/자왜층의 구성에 의하여, 외부의 직류 자기장이 없는 환경에서도 효과적으로 교류 자기장을 교류 전압 또는 전기장으로 변환할 수 있다. 또한, 상기 영구 자석을 회전시켜 극성을 변경하면, 출력 전압과 전기장의 세기를 변화시킬 수 있다. 상기 자왜층/압전층/자왜층은 강한 셀프 바이어스 자기전기(magnetoelectric, ME) 효과를 나타낼 수 있다.By the configuration of the magnetostrictive layer/piezoelectric layer/magnetostrictive layer, it is possible to effectively convert an AC magnetic field into an AC voltage or an electric field even in an environment without an external DC magnetic field. In addition, if the polarity is changed by rotating the permanent magnet, the output voltage and the strength of the electric field may be changed. The magnetostrictive layer/piezoelectric layer/magnetostrictive layer may exhibit a strong self-bias magnetoelectric (ME) effect.
상기 강유전-강자성 복합 적층 구조체는 단순한 적층 구조를 이용하여 52.35 Vcm-1Oe-1 의 매우 높은 수준의 셀프 바이어스 자기전기 전압 계수를 구현할 수 있다.The ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure can implement a very high level of self-bias magnetoelectric voltage coefficient of 52.35 Vcm -1 Oe -1 using a simple laminate structure.
본 발명에서는, 높은 셀프 바이어스 자기전기 반응에 대한 메커니즘을 이해하기 위하여, 직류 바이어스 자기장에 대하여 자기전기 전압, 미리 인가된 자기장의 분포, 및 자왜층의 최종 자화 등 간의 상관관계를 분석하였다.In the present invention, in order to understand the mechanism for the high self-bias magnetoelectric response, the correlation between the magnetoelectric voltage with respect to the DC bias magnetic field, the distribution of the pre-applied magnetic field, and the final magnetization of the magnetostrictive layer was analyzed.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체(100)를 도시하는 개략도이다.1 is a schematic diagram illustrating a ferroelectric-ferromagnetic
도 1을 참조하면, 강유전-강자성 복합 적층 구조체(100)는, 제1 자왜층(120), 제1 자왜층(120) 상에 위치한 압전층(130), 압전층(130) 상에 위치한 제2 자왜층(140)을 포함하는 복합층(110); 복합층(110)의 일단부에 배치된 제1 자석부재(150); 및 복합층(110)의 타단부에 배치된 제2 자석부재(160)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , a ferroelectric-ferromagnetic
또한, 강유전-강자성 복합 적층 구조체(100)는, 복합층(110)을 고정하도록, 복합층(110)의 중앙에 위치한 고정부재(170)를 더 포함할 수 있다.In addition, the ferroelectric-ferromagnetic
복합층(110)은 제1 자왜층(120)과 제2 자왜층(140) 사이에 압전층(130)이 개재된 샌드위치형 적층구조를 가질 수 있다. 복합층(110)은 폭(b)에 비하여 긴 길이(l)를 가지는 치수를 가질 수 있고, 두께(t)를 가질 수 있다. 복합층(110)에는, 상기 길이 방향으로 양 단부에 제1 자석부재(150)와 제2 자석부재(160)가 각각 배치될 수 있다.The
제1 자왜층(120) 및 제2 자왜층(140)은 자왜 현상을 발생시키는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 강자성 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 메트글라스(Metglas)와 같은 철-규소-붕소 기반 합금, 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 제1 자왜층(120) 및 제2 자왜층(140)은 동일한 물질을 포함하거나 서로 다른 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 자왜층(120)은 니켈을 포함할 수 있고, 제2 자왜층(140)은 메트글라스를 포함할 수 있다.The first
제1 자왜층(120)과 제2 자왜층(140)은 서로 반대 부호의 압자기(piezomagnetic) 계수를 가질 수 있다. 제1 자왜층(120)은 음의 압자기 계수를 가지고, 제2 자왜층(140)은 양의 압자기 계수를 가질 수 있다. 또는 제1 자왜층(120)은 양의 압자기 계수를 가지고, 제2 자왜층(140)은 음의 압자기 계수를 가질 수 있다. 여기에서, 압자기 계수(q)는 q = dλ/dHDC 과 같으며, λ는 자왜 변형률이고, HDC는 직류 바이어스 자기장이다.The first
압전층(130)은 제1 자왜층(120)과 제2 자왜층(140) 사이에 개재될 수 있다. 압전층(130)은 압전 현상을 발생시키는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 강유전 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)를 포함할 수 있다.The
제1 자석부재(150) 및 제2 자석부재(160)는 영구 자석으로 이루어질 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 제1 자석부재(150) 및 제2 자석부재(160)가 전자석으로 이루어지는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.The
제1 자석부재(150) 및 제2 자석부재(160)는 자성 물질을 포함할 수 있고, 네오디뮴(Nd), 철, 코발트, 니켈, 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 제1 자석부재(150) 및 제2 자석부재(160)는 동일한 물질을 포함하거나 서로 다른 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 자석부재(150) 및 제2 자석부재(160)는 NdFeB를 포함할 수 있다. The
고정부재(170)는 복합층(110)을 고정하는 기능을 수행할 수 있고, 금속 물질이나 고분자 물질 등 다양한 물질을 포함할 수 있다. 고정부재(170)에 의하여 복합층(110)은 중심에서 고정될 수 있고, 이를 마디점(nodal point)으로 지칭할 수 있다.The fixing
복합층(110)의 양단부는 자유단으로, NdFeB 등과 같은 영구 자석을 포함하는 제1 자석부재(150) 및 제2 자석부재(160)가 배치될 수 있다. 제1 자석부재(150) 및 제2 자석부재(160)에서 배출되는 자기장은 결합될 수 있고, 이에 따라 강유전-강자성 복합 적층 구조체(100)에 미리 인가되는 선자기장을 형성하게 되어, 복합층(110)의 길이(longitudinal) 방향으로 상기 선자기장이 제1 자왜층(120) 및 제2 자왜층(140)에 인가될 수 있다.Both ends of the
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체(100)에서 자석부재의 배치를 도시하는 개략도들이다.2 is a schematic diagram illustrating an arrangement of a magnet member in a ferroelectric-ferromagnetic
도 2를 참조하면, 제1 자왜층(120) 및 제2 자왜층(140)을 통하여 직류 바이어스 자기장(HDC)에 대하여 동일 선상으로 상기 선자기장(HPA)이 유도되도록, 제1 자석부재(150)와 제2 자석부재(160)의 가능한 배치가 도시되어 있다.Referring to FIG. 2 , the first magnet member so that the linear magnetic field H PA is induced in the same line with respect to the DC bias magnetic field H DC through the first
도 2의 (a)를 참조하면, 강유전-강자성 복합 적층 구조체(100a)에서, 제1 자석부재(150)와 제2 자석부재(160)는 제2 자왜층(140)의 상측에 배치될 수 있다.Referring to (a) of FIG. 2 , in the ferroelectric-ferromagnetic
제1 자석부재(150)는, 제2 자왜층(140)의 상측 표면에 대하여 수직 방향으로 제1 N극(151)과 제1 S극(152)이 순차적으로 배치될 수 있다. 제2 자석부재(160)는, 제2 자왜층(140)의 상측 표면에 대하여 수직 방향으로 제2 S극(162)과 제2 N극(161)이 순차적으로 배치될 수 있다.In the
또한, 제1 N극(151)과 제1 S극(152)의 배치 순서는 서로 바뀔 수 있고, 제2 N극(161)과 제2 S극(162)의 배치 순서는 서로 바뀔 수 있다. 제1 자석부재(150)는, 제2 자왜층(140)의 상측 표면에 대하여 수직 방향으로 제1 S극(152)과 제1 N극(151) 이 순차적으로 배치될 수 있다. 제2 자석부재(160)는, 제2 자왜층(140)의 상측 표면에 대하여 수직 방향으로 제2 N극(161)과 제2 S극(162)이 순차적으로 배치될 수 있다.In addition, the arrangement order of the
이러한 경우에는, 제1 자석부재(150)와 제2 자석부재(160)의 자화 방향()이 복합층(110)의 길이(longitudinal) 방향에 대하여 수직()이 된다.In this case, the magnetization direction of the
도 2의 (b)를 참조하면, 강유전-강자성 복합 적층 구조체(100b)에서, 제1 자석부재(150)는 제2 자왜층(140)의 상측에 배치되고, 제2 자석부재(160)는 제1 자왜층(120)의 하측에 배치될 수 있다.2B, in the ferroelectric-ferromagnetic
제1 자석부재(150)는, 제2 자왜층(140)의 상측 표면에 대하여 수직 방향으로 제1 N극(151)과 제1 S극(152)이 순차적으로 배치될 수 있다. 제2 자석부재(160)는, 제1 자왜층(120)의 하측 표면에 대하여 수직 방향으로 제2 S극(162)과 제2 N극(161)이 순차적으로 배치될 수 있다.In the
또한, 제1 N극(151)과 제1 S극(152)의 배치 순서는 서로 바뀔 수 있고, 제2 N극(161)과 제2 S극(162)의 배치 순서는 서로 바뀔 수 있다. 제1 자석부재(150)는, 제2 자왜층(140)의 상측 표면에 대하여 수직 방향으로 제1 S극(152)과 제1 N극(151)이 순차적으로 배치될 수 있다. 제2 자석부재(160)는, 제1 자왜층(120)의 하측 표면에 대하여 수직 방향으로 제2 N극(161)과 제2 S극(162)이 순차적으로 배치될 수 있다.In addition, the arrangement order of the
이러한 경우에는, 제1 자석부재(150)와 제2 자석부재(160)의 자화 방향()이 복합층(110)의 길이 방향에 대하여 수직()이 된다.In this case, the magnetization direction of the
도 2의 (c)를 참조하면, 강유전-강자성 복합 적층 구조체(100c)에서, 제1 자석부재(150)와 제2 자석부재(160)는 제2 자왜층(140)의 상측에 배치될 수 있다.Referring to FIG. 2C , in the ferroelectric-ferromagnetic
제1 자석부재(150)는, 제2 자왜층(140)의 상측 표면에 대하여 수평 방향으로 제1 S극(152)과 제1 N극(151)이 순차적으로 배치될 수 있다. 제2 자석부재(160)는 제2 자왜층(140)의 상측 표면에 대하여 수평 방향으로 제2 S극(162)과 제2 N극(161)이 순차적으로 배치될 수 있다. 이러한 경우에는, 상기 수평 방향으로 제1 S극(152), 제1 N극(151), 제2 S극(162), 및 제2 N극(161)의 순서일 수 있다.In the
또한, 제1 N극(151)과 제1 S극(152)의 배치 순서는 서로 바뀔 수 있고, 제2 N극(161)과 제2 S극(162)의 배치 순서는 서로 바뀔 수 있다. 제1 자석부재(150)는, 제2 자왜층(140)의 상측 표면에 대하여 수평 방향으로 제1 N극(151)과 제1 S극(152)이 순차적으로 배치될 수 있다. 제2 자석부재(160)는 제2 자왜층(140)의 상측 표면에 대하여 수평 방향으로 제2 N극(161)과 제2 S극(162)이 순차적으로 배치될 수 있다. 이러한 경우에는, 상기 수평 방향으로 제1 N극(151), 제1 S극(152), 제2 N극(161), 및 제2 S극(162)의 순서일 수 있다.In addition, the arrangement order of the
이러한 경우에는, 제1 자석부재(150)와 제2 자석부재(160)의 자화 방향()이 복합층(110)의 길이 방향에 대하여 수평()이 된다.In this case, the magnetization direction of the
도 2의 (d)를 참조하면, 강유전-강자성 복합 적층 구조체(100d)에서, 제1 자석부재(150)는 제2 자왜층(140)의 상측에 배치되고, 제2 자석부재(160)는 제1 자왜층(120)의 하측에 배치될 수 있다.Referring to (d) of FIG. 2, in the ferroelectric-ferromagnetic
제1 자석부재(150)는, 제2 자왜층(140)의 상측 표면에 대하여 수평 방향으로 제1 S극(152)과 제1 N극(151)이 순차적으로 배치될 수 있다. 제2 자석부재(160)는, 제1 자왜층(120)의 하측 표면에 대하여 수평 방향으로 제2 S극(162)과 제2 N극(161)이 순차적으로 배치될 수 있다.In the
또한, 제1 N극(151)과 제1 S극(152)의 배치 순서는 서로 바뀔 수 있고, 제2 N극(161)과 제2 S극(162)의 배치 순서는 서로 바뀔 수 있다. 제1 자석부재(150)는, 제2 자왜층(140)의 상측 표면에 대하여 수평 방향으로 제1 N극(151)과 제1 S극(152)이 순차적으로 배치될 수 있다. 제2 자석부재(160)는, 제1 자왜층(120)의 하측 표면에 대하여 수평 방향으로 제2 N극(161)과 제2 S극(162)이 순차적으로 배치될 수 있다. 이러한 경우에는, 상기 수평 방향으로 제1 N극(151), 제1 S극(152), 제2 N극(161), 및 제2 S극(162)의 순서일 수 있다.In addition, the arrangement order of the
이러한 경우에는, 제1 자석부재(150)와 제2 자석부재(160)의 자화 방향()이 복합층(110)의 길이 방향에 대하여 수평()이 된다.In this case, the magnetization direction of the
도 2에 도시된 제1 자석부재(150) 및 제2 자석부재(160)의 배치들은 인력 자력에 의하여 제1 자왜층(120) 및 제2 자왜층(140) 내에 선자기장(HPA)을 형성시킬 수 있다.The arrangement of the
참고로, 제1 자석부재(150) 및 제2 자석부재(160)의 척력 자력을 형성하는 배치는 셀프 바이어스 자기전기 반응(즉, HDC 에 대한 λ 곡선의 이동)에서 비효율적임을 발견하여 생략하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이러한 척력 자력을 형성하는 배치도 포함한다.For reference, the arrangement for forming the repulsive magnetic force of the
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체(200)를 도시하는 개략도이다.3 is a schematic diagram illustrating a ferroelectric-ferromagnetic
도 3을 참조하면, 강유전-강자성 복합 적층 구조체(200)는, 제1 자왜층(220), 제1 자왜층(220) 상에 위치한 압전층(230), 압전층(230) 상에 위치한 제2 자왜층(240)을 포함하는 복합층(210); 복합층(210)의 일측에 이격되어 배치된 제1 자석부재(250); 제1 자석부재(250)를 회전시키는 회전축으로 기능하는 제1 회전부재(280); 및 복합층(210)의 타측에 이격되어 배치된 제2 자석부재(260);를 포함한다. Referring to FIG. 3 , the ferroelectric-ferromagnetic
또한, 강유전-강자성 복합 적층 구조체(200)는, 제2 자석부재(260)를 회전시키는 회전축으로 기능하는 제2 회전부재(290);를 더 포함할 수 있다.In addition, the ferroelectric-ferromagnetic
또한, 강유전-강자성 복합 적층 구조체(200)는, 복합층(210)을 고정하도록, 복합층(210)의 중앙에 위치한 고정부재(270)를 더 포함할 수 있다.In addition, the ferroelectric-ferromagnetic
제1 자석부재(250)는 제1 N극(251)과 제1 S극(252)를 포함할 수 있다. 제2 자석부재(260)는 제2 N극(261)과 제2 S극(262)를 포함할 수 있다The
제1 회전부재(280)는 제1 자석부재(250)를 회전시키는 회전축으로 기능할 수 있다. 제2 회전부재(290)는 제2 자석부재(260)를 회전시키는 회전축으로 기능할 수 있다. 제1 회전부재(280) 및 제2 회전부재(290)는 다양한 회전 가능한 요소를 포함할 수 있으며, 복합층(210)과 연결되어 있을 수도 있고, 분리되어 있을 수도 있다.The first
제1 회전부재(280) 및 제2 회전부재(290)에 의하여 제1 자석부재(250)와 제2 자석부재(260)의 자극 방향을 간단하게 변화시킬 수 있으므로, 셀프 바이어스 자기전기 전압 계수 또는 셀프 바이어스 자기전기 전압 출력을 용이하게 조정할 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체는 셀프 바이어스 자기전기 장치의 조정을 용이하게 할 수 있다. Since the magnetic pole directions of the
실험예Experimental example
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred experimental examples are presented to help the understanding of the present invention. However, the following experimental examples are only for helping understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the following experimental examples.
강유전-강자성 복합 적층 구조체의 제조Fabrication of ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structures
제1 자왜층(120), 압전층(130) 및 제2 자왜층(140)을 포함하는 복합층(110)을 형성하였다.A
제1 자왜층(120)과 제2 자왜층(140)은 서로 다른 물질을 포함하여 구성하였다. 하부에 위치한 제1 자왜층(120)은 니켈(99+%, Nilaco Corp.)을 포함하여 구성하였고, 두께는 160 μm 이었다. 상부에 위치한 제2 자왜층(140)은 FeSiB계 합금, 즉 메트글라스(2605SA1, Metglas Inc.)를 포함하여 구성하였고, 두께는 150 μm 이었다. The first
압전층(130)은 Pb(Zr,Ti)O3, 즉 PZT계 31-모드 압전 세라믹(PSI-5H4E, Piezo systems Inc.)을 포함하여 구성하였고, 두께는 250 μm 이었다. 압전층(130)은 두께 방향으로 분극되었다.The
압전층(130)의 상부 표면에 메트글라스로 구성된 제2 자왜층(140)을 부착하고, 압전층(130)의 하부 표면에 니켈로 구성된 제1 자왜층(120)을 부착하였다. 이러한 부착은 에폭시 접착제(DP460, 3M)를 사용하여 이루어졌고, 이어서 80℃에서 큐어링하여 복합층(110)을 완성하였다. 복합층(110)의 치수는 길이 60 mm, 폭 5 mm 이었다.A second
이어서, 복합층(110)의 양 단부에 제1 자석부재(150)와 제2 자석부재(160)을 부착하였다. 상기 부착은 에폭시 접착제와 80℃에서 큐어링하여 이루어졌다. 제1 자석부재(150)와 제2 자석부재(160)는 각각 Nd 자석들(6 mm x 4 mm x 3 mm)을 포함하여 구성하였다. 제1 자석부재(150)와 제2 자석부재(160)의 배치는 도 2에 도시된 바와 같다. 이에 따라 강유전-강자성 복합 적층 구조체(100)를 완성하였다.Next, the
비교예로서, 제1 자석부재(150)와 제2 자석부재(160)를 배치하지 않은 복합층(110)을 별도로 형성하였다.As a comparative example, the
강유전-강자성 복합 적층 구조체의 특성 분석방법Characteristics analysis method of ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure
상기 강유전-강자성 복합 적층 구조체의 위상 각도 스펙트럼을 임피던스 분석기(IM3570, Hioki)를 이용하여 측정하였다.The phase angle spectrum of the ferroelectric-ferromagnetic composite laminate was measured using an impedance analyzer (IM3570, Hioki).
상기 강유전-강자성 복합 적층 구조체의 동작 형태를 스캐닝 레이저 진동계(Polytec, PSV 500)를 이용하여 관찰하였다.The operation of the ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure was observed using a scanning laser vibrometer (Polytec, PSV 500).
상기 강유전-강자성 복합 적층 구조체의 자기전기 반응을 분석하기 위하여, 도 4의 장치를 사용하였다.In order to analyze the magnetoelectric reaction of the ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure, the apparatus of FIG. 4 was used.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체의 자기전기 전압 출력을 측정하는 측정장치를 도시하는 사진이다.4 is a photograph showing a measuring device for measuring magnetoelectric voltage output of a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 상기 강유전-강자성 복합 적층 구조체를 전자석(electromagnet)의 중심에 위치한 헬름홀츠 코일(Helmholtz coil)의 중앙에 위치시키고, 고정부재를 이용하여 고정한다. 이어서, 전자석의 자력에 의하여 상기 강유전-강자성 복합 적층 구조체에 유도된 전압을 록인 증폭기(SR860, Stanford Research system)를 이용하여 관찰하였다.Referring to FIG. 4 , the ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure is positioned at the center of a Helmholtz coil located at the center of an electromagnet, and is fixed using a fixing member. Then, the voltage induced in the ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure by the magnetic force of the electromagnet was observed using a lock-in amplifier (SR860, Stanford Research system).
결과 및 분석Results and analysis
하기의 설명에서 실시예1은 도 2의 (a)에 해당되고, 실시예2는 도 2의 (b)에 해당되고, 실시예3은 도 2의 (c)에 해당되고, 실시예4는 도 2의 (d)에 해당된다.In the following description, Example 1 corresponds to FIG. 2(a), Example 2 corresponds to FIG. 2(b), Example 3 corresponds to FIG. 2(c), and Example 4 corresponds to FIG. 2(c). It corresponds to Fig. 2 (d).
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체의 위상 각도(phase angle) 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing a phase angle spectrum of a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 자석부재가 배치되지 않는 비교예의 경우에는, 메트글라스층/PZT층/니켈층의 복합층은 약 483 Hz의 주파수에서 굽힘 공진 피크가 나타난다. 그러나, 메트글라스층/PZT층/니켈층의 복합층을 가지고 자석부재가 배치된 모든 실시예의 경우에는, 강유전-강자성 복합 적층 구조체는 약 255 내지 263 Hz 범위의 주파수에서 굽힘 공진 피크가 나타난다.Referring to FIG. 5 , in the case of the comparative example in which the magnet member is not disposed, the composite layer of the met glass layer/PZT layer/nickel layer exhibits a bending resonance peak at a frequency of about 483 Hz. However, in all the examples in which the magnet member is disposed with the composite layer of the met glass layer/PZT layer/nickel layer, the ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure exhibits a bending resonance peak at a frequency in the range of about 255 to 263 Hz.
상기 메트글라스층/PZT층/니켈층의 복합층에서, 상기 메트글라스의 압자기 계수는 양의 부호를 가지므로 +q 이고, 상기 니켈의 압자기 계수는 음의 부호를 가지므로 -q 이다. 상기 강유전-강자성 복합 적층 구조체가 교류 자기장(HAC)에 노출되면 상기 복합층이 굽힘 동작이 발현될 수 있다. 실시예의 경우에는, 굽힘 공진 주파수가 낮으므로, 낮은 주파수 굽힘 공진을 달성하기에 효과적일 수 있다.In the composite layer of the metglass layer/PZT layer/nickel layer, the piezomagnetic coefficient of the metglass is +q because it has a positive sign, and the piezoelectricity coefficient of the nickel is -q because it has a negative sign. When the ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure is exposed to an alternating magnetic field (H AC ), a bending operation of the composite layer may be expressed. In the case of the embodiment, since the bending resonance frequency is low, it may be effective to achieve a low frequency bending resonance.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체의 굽힘 거동을 나타내는 사진이다.6 is a photograph showing the bending behavior of a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 실시예1의 강유전-강자성 복합 적층 구조체가 262 Hz 및 2 V 에서의 발현되는 굽힘 거동을 나타낸다. Referring to FIG. 6 , the ferroelectric-ferromagnetic composite laminate of Example 1 exhibits bending behavior at 262 Hz and 2 V.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체와 비교하기 위한 비교예의 직류 바이어스 자기장에 대한 자기전기 전압 계수를 나타내는 그래프이다.7 is a graph showing a magnetoelectric voltage coefficient with respect to a DC bias magnetic field of a comparative example for comparison with a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 자석부재가 배치되지 않는 비교예의 직류 바이어스 자기장(HDC)에 대한 자기전기 전압 계수(αME) 관계가 나타나있다. 상기 결과는 굽힘 공진 피크가 나타난 주파수 483 Hz 및 HAC = 1 Oe에서 취득하였다. 상기 자기전기 전압 계수(αME)는 αME = EAC/HAC 에 의하여 산출되고, HAC 는 교류 자기장, EAC 는 출력 전기장이다.Referring to FIG. 7 , the magnetoelectric voltage coefficient (α ME ) relationship with the DC bias magnetic field (H DC ) of the comparative example in which the magnet member is not disposed is shown. The results were obtained at a frequency of 483 Hz and H AC = 1 Oe at which the bending resonance peak appeared. The magnetoelectric voltage coefficient (α ME ) is calculated by α ME = E AC /H AC , H AC is an alternating magnetic field, and E AC is an output electric field.
비교예의 경우에는, 상기 직류 바이어스 자기장이 없는 HDC = 0을 기준으로 원점에서 대칭적인 패턴을 나타낸다. 즉, 상기 직류 바이어스 자기장의 방향이 반대가 되어 부호가 달라지지만 절대값의 크기가 동일하면, 자기전기 전압 계수의 절대값이 거의 동일하게 나타났다.In the case of the comparative example, a symmetrical pattern is exhibited at the origin based on H DC = 0 without the DC bias magnetic field. That is, when the direction of the DC bias magnetic field is reversed and the sign is different, but the magnitude of the absolute value is the same, the absolute value of the magnetoelectric voltage coefficient is almost the same.
도 8은 본 발명의 실시예1에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체의 직류 바이어스 자기장에 대한 자기전기 전압 계수를 나타내는 그래프이다.8 is a graph showing a magnetoelectric voltage coefficient with respect to a DC bias magnetic field of a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to Example 1 of the present invention.
도 8의 (a)는 직류 바이어스 자기장에 대한 자기전기 전압 계수의 관계를 나타내고, (b)는 적분값을 나타낸다. 또한, 도 8은 도 2의 (a)의 실시예1의 구조를 가지는 강유전-강자성 복합 적층 구조체의 결과이고, 굽힘 공진 피크가 나타난 주파수 262 Hz 및 HAC = 1 Oe에서 취득하였다. 다만, 경우 ①은 복합층이 메트글라스층/PZT층/니켈층으로 구성되고, 상기 메트글라스층의 상측에 자석부재들이 부착된 경우이고, 경우 ②는 복합층이 니켈층/PZT층/메트글라스층으로 구성되고, 상기 니켈층의 상측에 자석부재들이 부착된 경우이다.(a) of FIG. 8 shows the relationship between the magnetoelectric voltage coefficient with respect to the DC bias magnetic field, and (b) shows the integral value. Also, FIG. 8 is a result of a ferroelectric -ferromagnetic composite laminate structure having the structure of Example 1 of FIG. However, in
도 8을 참조하면, 도 7의 비교예와는 상이하게, 직류 바이어스 자기장(HDC)에 대한 자기전기 전압 계수(αME)의 관계는 두 경우 모두 대칭성이 상당하게 저하되었다. 특히, HDC = 0 에서 자기전기 전압 계수(αME)가 크게 나타났으며, 이를 셀프 바이어스 자기전기 전압 계수(αSME)로 지칭하기로 한다.Referring to FIG. 8 , unlike the comparative example of FIG. 7 , the relationship between the magneto-electrical voltage coefficient (α ME ) with respect to the DC bias magnetic field (H DC ) has significantly reduced symmetry in both cases. In particular, the magnetoelectric voltage coefficient (α ME ) was large at H DC = 0, and this will be referred to as the self-bias magnetoelectric voltage coefficient (α SME ).
도 8의 (a)에서, x 축으로 표시된 직류 바이어스 자기장(HDC) 축을 따라 원점에서 상기 직류 바이어스 자기장이 0이 되는 지점까지의 자기장 이동량(ΔH)은 자왜층 내의 선자기장(HPA)의 분포에 의하여 결정될 수 있다. 상기 자기장 이동량(ΔH)은 상기 자왜층에서 유효 자화가 0이 되도록 하는 직류 바이어스 자기장(HDC)을 의미한다.In FIG. 8 (a), the amount of magnetic field movement (ΔH) from the origin to the point where the DC bias magnetic field becomes 0 along the DC bias magnetic field (H DC ) axis indicated by the x-axis is the linear magnetic field (H PA ) in the magnetostrictive layer. It can be determined by the distribution. The magnetic field shift amount ΔH refers to a direct current bias magnetic field H DC that causes the effective magnetization to be zero in the magnetostrictive layer.
도 8의 (b)에서, 상기 자기전기 전압 계수(αME)가 압자기 계수(q)에 직접적으로 비례하므로, 직류 바이어스 자기장(HDC)에 걸친 자기전기 전압 계수(αME)의 누적 값은 상기 자왜층의 유효 자왜 변형률(λeff)과 비례하게 된다.In FIG. 8B , since the magnetoelectric voltage coefficient α ME is directly proportional to the piezoelectric coefficient q , the cumulative value of the magnetoelectric voltage coefficient α ME over the DC bias magnetic field H DC . is proportional to the effective magnetostrictive strain (λ eff ) of the magnetostrictive layer.
상기 경우 ①에서는, 자기장 이동량(ΔH)은 20.42 Oe 이었고, 셀프 바이어스 자기전기 전압 계수(αSME)는 52.35 Vcm-1Oe-1 이었다. 상기 경우 ②에서는, 자기장 이동량(ΔH)은 13.51 Oe 이었고, 셀프 바이어스 자기전기 전압 계수(αSME)는 23.39 Vcm-1Oe-1 이었다. 상기 경우 ②의 값들은 상기 ①의 값들에 비하여 절반 정도의 수치로 나타났다.In
상기 경우 ①에서는, 상기 자기전기 전압 계수(αME)가 양의 값으로 최대로 증가된 a 점에서의 +αMAX의 절대값이 음의 값으로 최대로 감소된 b 점에서의 -αMAX 의 절대값에 비하여 크게 나타났다. 반면, 상기 경우 ②에서는 상기 자기전기 전압 계수(αME)가 양의 값으로 최대로 증가된 c 점에서의 +αMAX의 절대값이 음의 값으로 최대로 감소된 d 점에서의 -αMAX 의 절대값이 비하여 작게 나타났다.In
도 9는 본 발명의 실시예2에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체의 직류 바이어스 자기장에 대한 자기전기 전압 계수를 나타내는 그래프이다.9 is a graph showing the magnetoelectric voltage coefficient with respect to the DC bias magnetic field of the ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to Example 2 of the present invention.
도 9를 참조하면, 도 2의 (b)의 실시예2의 구조를 가지는 강유전-강자성 복합 적층 구조체의 직류 바이어스 자기장에 대한 자기전기 전압 계수의 관계를 나타낸다. 복합층은 메트글라스층/PZT층/니켈층으로 구성되고, 상기 복합층의 상측과 하측에 자석부재가 각각 부착되었다. 상기 결과는, 굽힘 공진 피크가 나타난 주파수 263 Hz 및 HAC = 1 Oe에서 취득하였다.Referring to FIG. 9 , the relationship between the magnetoelectric voltage coefficient and the DC bias magnetic field of the ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure having the structure of Example 2 of FIG. 2B is shown. The composite layer was composed of a met glass layer/PZT layer/nickel layer, and magnet members were attached to the upper and lower sides of the composite layer, respectively. The above results were obtained at a frequency of 263 Hz and H AC = 1 Oe at which the bending resonance peak appeared.
실시예2에서는, 도 8의 결과와는 상이하게 +αMAX 의 절대값과 -αMAX 의 절대값의 차이가 거의 없었다. 도 7에서 나타난 대칭성이 상당하게 저하된 점은 도 8의 결과와 일치한다. 실시예2에서는, 자기장 이동량(ΔH)은 20.97 Oe 이었고, 셀프 바이어스 자기전기 전압 계수(αSME)는 28.25 Vcm-1Oe-1 이었다. In Example 2, there was little difference between the absolute value of +α MAX and the absolute value of -α MAX differently from the result of FIG. 8 . The fact that the symmetry shown in FIG. 7 is significantly reduced is consistent with the result of FIG. 8 . In Example 2, the magnetic field shift amount (ΔH) was 20.97 Oe, and the self-bias magnetoelectric voltage coefficient (α SME ) was 28.25 Vcm -1 Oe -1 .
도 10은 본 발명의 실시예1 및 실시예2에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체에서 형성된 자기장 분포를 도시하는 개략도이다.10 is a schematic diagram illustrating a magnetic field distribution formed in a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to Examples 1 and 2 of the present invention.
도 10에서, (a)는 실시예1에 해당되고, (b)는 실시예2에 해당된다.10, (a) corresponds to Example 1, (b) corresponds to Example 2.
도 10의 (a)를 참조하면, 직류 바이어스 자기장(HDC)이 0 인 경우에, 선자기장(HPA)은 상측에 위치한 자왜층, 즉 제2 자왜층에 집중되고, 하측에 위치한 자왜층, 즉 제1 자왜층에는 상대적으로 약하게 된다. 또한, 상기 두 개의 자석부재들 사이의 복합층 상에 형성되는 외부 자기장(Hout)이 무시하지 못하는 상당한 수준으로 형성된다. 이때, 직류 바이어스 자기장(HDC)을 역방향으로() 인가하면, 즉 도면에서 좌측 방향으로 인가하면서, 자기전기 전압 계수(αME)의 변화를 분석할 수 있다. 즉, 상기 역방향은 도 8의 (a)에서 상기 경우 ①은 a 점에서 b 점으로의 방향이고, 상기 경우 ②는 c 점에서 d 점으로의 방향이다.Referring to (a) of FIG. 10 , when the DC bias magnetic field H DC is 0, the linear magnetic field H PA is concentrated in the magnetostrictive layer located on the upper side, that is, the second magnetostrictive layer, and the magnetostriction layer located on the lower side. , that is, relatively weak in the first magnetostrictive layer. In addition, the external magnetic field (H out ) formed on the composite layer between the two magnet members is formed at a significant level that cannot be ignored. At this time, the direct current bias magnetic field (H DC ) in the reverse direction ( ), that is, while applying in the left direction in the drawing, the change in the magnetoelectric voltage coefficient (α ME ) can be analyzed. That is, the reverse direction is the direction from the point a to the point b in the
상기 경우 ①에서, 직류 바이어스 자기장(HDC)이 0에 가까운 상기 a 점에서 상기+αMAX 가 나타나고, 상기 자왜층의 유효 자왜 변형률(λeff) 곡선의 기울기는 선자기장(HPA)에 의하여 최대가 된다. 상기 자기장 이동량(ΔH)에 의하여 의 값이 점진적으로 증가되면, 상기 자왜층의 유효 자왜 변형률(λeff) 곡선의 기울기는 점진적으로 감소되고, 도 8의 (b)에 나타난 점 f에서 0이 될 수 있다. 상기 점 f에서, 교류 자기장(HAC)이 1 Oe 인 경우, 메트글라스층과 니켈층의 유효 변형율이 0이 된다. 즉, 상기 점 f에서 상기 자왜층들의 국부 자화 쌍극자들의 방향이 무작위가 된다. In
이어서, 상기 국부 자화 쌍극자들은 자기장의 강도가 증가됨에 따라 상기 의 방향으로 정렬되고, 상기 유효 자왜 변형률(λeff) 곡선의 두번째로 최대인 기울기가 도 8의 (b)에 나타난 g 점에서 나타나고, 상기 g 점은 상기 b 점의 -αMAX 에 상응한다. 여기에서, 상기 a 점에서 상기 b 점으로 진행되는 동안, 외부 자기장(Hout)의 방향과 의 방향이 일치한다.Then, the locally magnetized dipoles are demagnetized as the strength of the magnetic field increases. Aligned in the direction of , the second maximum slope of the effective magnetostrictive strain (λ eff ) curve appears at point g shown in FIG. 8B , and the point g corresponds to -α MAX of the point b. Here, while proceeding from the point a to the point b, the direction of the external magnetic field (H out ) and direction coincides with
이어서, 외부 자기장(Hout)에 의한 상당량의 인력이 상측에 위치한 상기 제2 자왜층인 상기 메트글라스에 압축 응력을 제공하고, 하측에 위치한 상기 제1 자왜층인 상기 니켈층에 인장 응력을 제공한다. 이러한 응력들은 상기 메트글라스층의 압자기 특성(+q)과 상기 니켈층의 압자기 특성(-q)과는 반대 방향으로 작용하게 되므로, 상기 -αMAX 는 상기 +αMAX 에 비하여 작게 된다. Subsequently, a significant amount of attractive force by an external magnetic field (H out ) provides compressive stress to the second magnetostrictive layer, which is the metglass, located on the upper side, and provides tensile stress to the nickel layer, which is the first magnetostrictive layer located on the lower side. do. Since these stresses act in opposite directions to the piezoelectric properties (+q) of the metglass layer and the piezomagnetic properties (-q) of the nickel layer, -α MAX becomes smaller than the +α MAX .
반면, 상기 경우 ②에서, 상기 +αMAX 는 상기 c 점에서 나타나며, 이는 도 8의 (b)에 나타난 h 점에서 유효 자왜 변형률(λeff) 곡선이 최대 기울기가 되고, 선자기장(HPA)이 최대 셀프 바이어스 자기전기 전압 계수(αSME)를 얻기 위하여 필요한 양에 비하여 약간 큰 수치임을 알 수 있다. 또한, 상기 자기장 이동량(ΔH)에서, 상기 유효 자왜 변형률(λeff) 곡선(i 점)의 기울기를 0으로 하기에 필요한 의 양은 상기 경우 1에 비하여 작다. 이는 상기 메트글라스층과 상기 니켈층 사이의 직류 바이어스 자기장(HDC)에 대한 자왜 변형률(λ)의 차이에 기인할 수 있다.On the other hand, in the
상기 실시예1에서, 선자기장(HPA)이 자석부재가 부착된 자왜층에 집중되므로, 상측에 위치한 자왜층, 즉 제2 자왜층이 초기 자기전기 반응을 주도할 수 있다. 상기 경우 ①에서, 집중된 선자기장(HPA)은 상기 메트글라스층의 직류 바이어스 자기장(HDC)에 대한 자왜 변형률(λ)의 가장 큰 기울기를 얻기에 적절할 수 있다. 따라서, 상기 셀프 바이어스 자기전기 전압 계수(αSME)는 상기 +αMAX와 거의 동일하다.In the first embodiment, since the magnetic field (H PA ) is concentrated on the magnetostrictive layer to which the magnet member is attached, the magnetostrictive layer located on the upper side, that is, the second magnetostrictive layer, may lead the initial magnetoelectric reaction. In the
반면, 상기 니켈층의 경우에는, 최대 q 값 및 상기 최대 q 값을 위하여 요구되는 직류 바이어스 자기장(HDC)이 상기 메트글라스층에 비하여 낮다. 따라서, 상기 경우 ②에서는, 상기 자기장 이동량(ΔH)은 상기 경우 ①에 비하여 작고, 상기 셀프 바이어스 자기전기 전압 계수(αSME)가 상기 +αMAX 에 비하여 작게 된다.On the other hand, in the case of the nickel layer, the maximum q value and the DC bias magnetic field (H DC ) required for the maximum q value are lower than those of the metglass layer. Accordingly, in
상기 경우 ①과 상기 경우 ②에서의 상기 +αMAX 의 차이는, 실시예1에서는 상측에 위치한 제2 자왜층이 자기전기 반응을 주도함을 나타낸다.The difference between the +α MAX in the
상기 경우 ②에서, 상기 +αMAX (c 점)의 절대값에 비하여 -αMAX (d 점)의 절대값이 크므로, 외부 자기장(Hout)이 존재함을 알 수 있다. 상기 경우 ②에서, 역바이어스가 인가되는 경우에(), 외부 자기장(Hout)에 의하여 상측에 위치한 제2 자왜층인 니켈층에는 압축 응력이 인가되고, 하측에 위치한 제1 자왜층인 메트글라스층에는 인장 응력이 인가된다. 이러한 응력들은 상기 메트글라스층의 압자기 특성(+q)과 상기 니켈층의 압자기 특성(-q)에 의한 상기 적층 구조체의 굽힘 거동과 부합된다. 따라서, 점 j에서 유효 자왜 변형률(λeff) 곡선의 기울기가 가장 크게 된다.In
도 10의 (b)를 참조하면, 실시예2는 실시예1과는 다른 자기장 분포를 나타낸다. 상측에 위치한 제2 자왜층과 하측에 위치한 제1 자왜층에 선자기장(HPA)이 균일하게 분포하고 있으며, 또한 두 개의 자석부재들 사이의 외부 자기장(Hout)의 영향은 무시할 수 있다. 따라서, 도 9에 나타난 바와 같이, 상기 +αMAX 의 절대값과 상기 -αMAX 의 절대값은 거의 동일하며, 이는 굽힘 거동을 야기하는 응력들이 존재하지 않기 때문으로 분석된다.Referring to (b) of Figure 10, Example 2 shows a different magnetic field distribution from Example 1. The linear magnetic field (H PA ) is uniformly distributed in the second magnetostrictive layer located on the upper side and the first magnetostrictive layer located on the lower side, and the influence of the external magnetic field (H out ) between the two magnet members is negligible. Accordingly, as shown in FIG. 9 , the absolute value of +α MAX and the absolute value of -α MAX are almost the same, which is analyzed because stresses causing bending behavior do not exist.
또한, 상기 실시예2의 +αMAX 및 셀프 바이어스 자기전기 전압 계수(αSME)는 실시예1의 경우 ①에 비하여 작으나, 실시예1의 경우 ②에 비하여 크다. 그 이유는, 실시예2에서는 최초 자기전기 반응에 대해 상기 메트글라스층 및 상기 니켈층이 동시 기여하기 때문으로 분석된다.In addition, the +α MAX and self-bias magnetoelectric voltage coefficient (α SME ) of the second embodiment are small compared to ① in the first embodiment, but larger than the ② in the first embodiment. The reason is analyzed that in Example 2, the metglass layer and the nickel layer simultaneously contribute to the initial magnetoelectric reaction.
이러한 결과로부터, 상기 메트글라스층에 선자기장(HPA)이 집중되면, 높은 셀프 바이어스 자기전기 전압 계수(αSME)를 구현하기에 효과적임을 알 수 있다. 특히, 상기 메트글라스층이 상측에 위치한 제2 자왜층이고, 상기 제2 자왜층 상에 두 개의 자석부재가 배치된 경우가 효과적이다.From these results, it can be seen that when the pre-magnetic field (H PA ) is concentrated on the metglass layer, it is effective to implement a high self-bias magnetoelectric voltage coefficient (α SME ). In particular, it is effective when the metglass layer is a second magnetostrictive layer positioned on the upper side, and two magnet members are disposed on the second magnetostrictive layer.
도 11은 본 발명의 실시예3 및 실시예4에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체의 직류 바이어스 자기장에 대한 자기전기 전압 계수를 나타내는 그래프이다.11 is a graph showing magnetoelectric voltage coefficients with respect to a DC bias magnetic field of a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to Examples 3 and 4 of the present invention.
도 11을 참조하면, 도 2의 (c)의 실시예3 및 도 2의 (d)의 실시예4의 구조를 가지는 강유전-강자성 복합 적층 구조체의 결과이고, 굽힘 공진 피크가 나타난 주파수 256 Hz와 255 Hz 및 HAC = 1 Oe에서 취득하였다. 두 경우 모두 복합층은 메트글라스층/PZT층/니켈층으로 구성된다.11, the result of the ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure having the structures of Example 3 of FIG. 2(c) and Example 4 of FIG. Acquired at 255 Hz and H AC = 1 Oe. In both cases, the composite layer is composed of a met glass layer/PZT layer/nickel layer.
먼저, 도 7의 비교예와는 상이하게, 직류 바이어스 자기장(HDC)에 대한 자기전기 전압 계수(αME)의 관계는 두 경우 모두 대칭성이 상당하게 저하되었다.First, unlike the comparative example of FIG. 7 , the relationship between the magneto-electrical voltage coefficient (α ME ) with respect to the DC bias magnetic field (H DC ) has significantly reduced symmetry in both cases.
상기 실시예3에서는, 상기 메트글라스층으로 구성된 상측의 제2 자왜층에 선자기장(HPA)이 집중됨을 알 수 있다. 이에 따라 상기 +αMAX 는 18.04 Vcm-1Oe-1 이고, 이는 실시예1의 상기 경우 ①에 비하여 매우 작다. 자기장 이동량(ΔH)은 35.63 Oe 이고, 이는 실시예1의 상기 경우 ①에 비하여 70% 더 크게 나타났다. 셀프 바이어스 자기전기 전압 계수(αSME)는 14.11 Vcm-1Oe-1 이고, 실시예1의 상기 경우 ①에 비하여 상대적으로 작게 나타났다.In Example 3, it can be seen that the magnetic field (H PA ) is concentrated in the upper second magnetostrictive layer formed of the met glass layer. Accordingly, the +α MAX is 18.04 Vcm -1 Oe -1 , which is very small compared to the
상기 실시예4에서는, 상기 +αMAX 와 상기 셀프 바이어스 자기전기 전압 계수(αSME)는 실시예3에 비하여 약간 크게 나타났다.In Example 4, the +α MAX and the self-bias magnetoelectric voltage coefficient (α SME ) were slightly larger than those of Example 3.
실시예3과 실시예4에서, +αMAX 의 절대값은 -αMAX 의 절대값과 거의 유사하므로, 외부 자기장(Hout)의 영향이 거의 없는 것으로 분석된다.In Examples 3 and 4, since the absolute value of +α MAX is almost similar to the absolute value of -α MAX , it is analyzed that there is little influence of the external magnetic field H out .
도 12는 본 발명의 실시예3 및 실시예4에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체에서 형성된 자기장 분포를 도시하는 개략도이다.12 is a schematic diagram showing a magnetic field distribution formed in a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to Examples 3 and 4 of the present invention.
도 12를 참조하면, 실시예3은 도 10의 (a)의 실시예1과 유사한 자기장 분포를 나타내고, 구체적으로 선자기장(HPA)은 상측에 위치한 자왜층, 즉 제2 자왜층에 집중되고, 하측에 위치한 자왜층, 즉 제1 자왜층에는 상대적으로 약하게 된다.12 , Example 3 shows a magnetic field distribution similar to that of Example 1 of FIG. , is relatively weak to the magnetostrictive layer located below, that is, the first magnetostrictive layer.
실시예4는 도 10의 (b)의 실시예2와 유사한 자기장 분포를 나타내고, 구체적으로 상측에 위치한 제2 자왜층과 하측에 위치한 제1 자왜층에 선자기장(HPA)이 균일하게 분포하고 있다. 그러나, 실시예4의 자기장 이동량(ΔH)과 셀프 바이어스 자기전기 전압 계수(αSME)는 실시예2와는 매우 다르다.Example 4 shows a magnetic field distribution similar to that of Example 2 of FIG. have. However, the magnetic field shift amount ΔH and the self-bias magnetoelectric voltage coefficient α SME of Example 4 are very different from those of Example 2.
실시예3과 실시예4의 셀프 바이어스 자기전기 전압 계수(αSME)는 실시예1과 실시예2에 비하여 작게 나타났다. 따라서, 직류 바이어스 자기장(HDC)이 0 인 경우에, 교류 자기장(HAC) 하에서 자왜층의 자왜 변형률(λ)의 변화(Δλ) 는 실시예3과 실시예4에 해당되는 경우에 비하여, 실시예1과 실시예2에 해당되는 경우가 더 크게 나타나는 것으로 분석된다.The self-bias magnetoelectric voltage coefficient (α SME ) of Examples 3 and 4 was smaller than that of Examples 1 and 2. Therefore, when the direct current bias magnetic field (H DC ) is 0, the change (Δλ) of the magnetostrictive strain (λ) of the magnetostrictive layer under the alternating magnetic field (H AC ) corresponds to Examples 3 and 4 In contrast to the case, in Examples 1 and 2, cases are considered to be larger.
도 13은 본 발명의 실시예1 및 실시예3에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체에서의 자왜층에 형성된 자기장과 자화(M) 거동을 나타내는 개략도이다.13 is a schematic diagram illustrating a magnetic field and magnetization (M) behavior formed in a magnetostrictive layer in a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to Examples 1 and 3 of the present invention.
도 13의 (a)는 가 복합층의 길이 방향에 대하여 수직인 경우이고, 이를 로 표시한다. 도 13의 (b)는 가 복합층의 길이 방향에 대하여 수평인 경우이고, 로 표시한다.13 (a) is is perpendicular to the longitudinal direction of the composite layer, and indicated as 13 (b) is When is horizontal to the longitudinal direction of the composite layer, indicated as
도 13에서, 백색선들은 상측에 위치한 제2 자왜층의 선자기장(HPA)을 나타내며, 상기 선자기장의 강도가 상기 백색 화살의 머리 크기로 나타나있다. 황색 화살표는 상기 제2 자왜층의 를 나타내며, 상기 의 크기가 상기 황색 화살표의 길이로 나타나있다. 직류 바이어스 자기장(HDC)은 0이다. In FIG. 13 , white lines indicate the magnetic field (H PA ) of the second magnetostrictive layer located on the upper side, and the strength of the magnetic field is indicated by the size of the head of the white arrow. Yellow arrows indicate the second magnetostrictive layer. represents, and The size is indicated by the length of the yellow arrow. The DC bias magnetic field (H DC ) is zero.
도 13을 참조하면, 자석 부재들에 의하여 형성된 선자기장(HPA)은 자왜층에서 국부 자화(), 또는, 국부 자구에서의 자화 쌍극자 모멘트를 정렬시킬 수 있다. 실시예1인 상기 과 실시예3인 상기 을 비교하면, 상기 선자기장(HPA)의 분포와 상기 의 분포가 다름을 알 수 있다. 상기 선자기장(HPA) 분포에 기반하여, 상측에 위치한 자왜층에서 두 개의 다른 자화 영역들, 즉 영역 I 과 영역 II로서 구분될 수 있다. 상기 영역 I에서는 모든 자구가 길이 방향에 평행하게 배치되는 반면, 상기 영역 II에서는 자구의 방향이 상기 길이 방향에 평행하지 않게 배치된다.13, the linear magnetic field (H PA ) formed by the magnet members is localized in the magnetostrictive layer ( ), or, it is possible to align the magnetizing dipole moment in the local magnetic domain. Example 1 above and Example 3 above By comparing the distribution of the magnetic field (H PA ) and the It can be seen that the distribution of Based on the linear magnetic field (H PA ) distribution, the magnetostrictive layer located on the upper side may be divided into two different magnetization regions, that is, region I and region II. In the region I, all magnetic domains are arranged parallel to the longitudinal direction, whereas in the region II, the directions of the magnetic domains are non-parallel to the longitudinal direction.
상기 와 상기 에서, 상기 선자기장(HPA)의 강도는 상기 자석부재에 인접한 가 포화될 정도로 크게 되고, 상기 적층 구조체의 중간에서는 가장 작게 된다. 따라서, 상기 크기는 상기 자왜층을 가로질러 점진적으로 변화됨을 알 수 있다.remind and above In, the strength of the magnetic field (H PA ) adjacent to the magnet member becomes large enough to be saturated, and becomes smallest in the middle of the stacked structure. Therefore, the It can be seen that the size is gradually changed across the magnetostrictive layer.
도 13의 (a)의 실시예1인 상기 에서, 상기 영역 I은 상기 길이 방향에 평행하고 상대적으로 작은 크기를 가지는 자구들로 구성된다. 반면 상기 영역 II는 상기 길이 방향에 대하여 다양한 각도들 (θi)을 가지는 자구들로 구성되고, 상기 자구들은 거의 포화된 크기를 가진다.The above example 1 of FIG. 13(a) In , the region I is parallel to the longitudinal direction and has a relatively small It is composed of magnetic domains of size. On the other hand, the region II is composed of magnetic domains having various angles (θ i ) with respect to the longitudinal direction, and the magnetic domains are almost saturated. have a size
도 13의 (b)의 실시예3인 에서, 실시예1인 상기 의 영역 I에 비하여, 상기 영역 I이 더 넓게 되고, 자구들은 실시예1과는 다르게 작은 값에서 포화값까지의 다양한 크기를 가짐을 알 수 있다. 상기 는 실시예1인 상기 의 영역 II에 비하여, 영역 II가 매우 좁으며, 90도 및 180도의 θi 을 가지는 자구들이 상기 영역 II에 주로 형성됨을 알 수 있다.Example 3 of Figure 13 (b) In Example 1, the above Compared to the region I of It can be seen that the size has remind is the above example 1 It can be seen that region II is very narrow compared to region II of , and magnetic domains having θ i of 90 degrees and 180 degrees are mainly formed in region II.
이하에서는, 상기 영역 I과 상기 영역 및 II에서의 직류 바이어스 자기장(HDC)의 작은 변동(δHDC: 교류 자기장(HAC)의 진폭) 하에서, 의 재분포에 의한 자왜 변형률의 변화(Δλ)을 분석하기로 한다.In the following, under the small fluctuations (δH DC : amplitude of the alternating magnetic field (H AC )) in the region I and the DC bias magnetic field (H DC ) in the region and II, We will analyze the change in magnetostrictive strain (Δλ) due to the redistribution of .
도 14는 본 발명의 강유전-강자성 복합 적층 구조체에서의 미소 직류 바이어스 자기장이 인가된 경우에 자왜층의 자화 변화를 나타내는 개략도이다.14 is a schematic diagram illustrating a change in magnetization of a magnetostrictive layer when a minute DC bias magnetic field is applied in the ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure of the present invention.
도 14를 참조하면, 직류 바이어스 자기장이 0 이 아닌 경우에, 전체 자왜 변형률의 변화(Δλ)는 의 크기 변화에 의한 자왜 변화의 기여, 즉 Δλ(M), 및 의 회전에 의한 자왜 변형률의 변화의 기여, 즉 Δλ(θ), 로 분리할 수 있다.Referring to FIG. 14 , when the DC bias magnetic field is not 0, the change in the total magnetostrictive strain (Δλ) is The contribution of the magnetostrictive change by the change in magnitude of , i.e. Δλ(M), and The contribution of the change in magnetostrictive strain due to rotation of , that is, Δλ(θ), can be divided into .
상기 Δλ(M)는 하기의 식에 의하여 결정될 수 있다.The Δλ(M) may be determined by the following equation.
여기에서, λS 는 포화된 자왜 변형률이며, 상기 Ms는 포화된 자화이다. Here, λ S is the saturated magnetostrictive strain, and M s is the saturated magnetization.
상기 Δλ(θ)는 하기의 식에 의하여 결정될 수 있다.The Δλ(θ) may be determined by the following equation.
여기에서, <cos 2θi>는 최초 상태(θi)에서의 모든 방위에 대한 cos 2θi 의 평균 값을 나타내고, <cos 2θf>는 최후 상태(θf)에서의 모든 방위에 대한 cos 2θf 의 평균 값을 나타낸다.Here, <cos 2 θ i > represents the average value of cos 2 θ i for all orientations in the initial state (θ i ), and <cos 2 θ f > is the average value of
상기 영역 I에서, θi = θf 이므로, Δλ(θ)은 무시할 수 있고, Δλ(M)은 상기 경우와 상기 경우가 유사하게 취급될 수 있다. 그 이유는 상기 영역 I에서는 포화되지 않은 가 Δλ(M)에 기여하기 때문이다.In the region I, since θ i = θ f , Δλ(θ) is negligible, and Δλ(M) is case and above The case can be treated similarly. The reason is that the region I is not saturated This is because Δλ(M) contributes to Δλ(M).
그러나, 상기 경우의 영역 II에서의 Δλ(θ)는 무시할 수 없고, 전체 자왜 변형률의 변화(Δλ)에 효과적으로 기여할 수 있다. 상기 경우의 영역 II에서의 Δλ(θ)가 0 이 아니지만, θi = 90도의 자구들을 가지는 좁은 영역에 의하여 전체 자왜 변형률의 변화(Δλ)에 대한 기여가 매우 작음을 알 수 있다.However, said Δλ(θ) in the region II of the case cannot be neglected, and can effectively contribute to the change (Δλ) of the total magnetostrictive strain. remind Although Δλ(θ) in the region II of the case is not 0, it can be seen that the contribution to the change (Δλ) of the total magnetostrictive strain is very small due to the narrow region having magnetic domains of θ i = 90 degrees.
상기 경우의 영역 II에서의 θi = 180도의 자구들은 전체 자왜 변형률의 변화(Δλ)에 거의 기여하지 않는 것으로 분석되며, 그 이유는 상기 경우에서는 Δλ(M)의 부호가 반대이기 때문이다.remind It is analyzed that the magnetic domains of θ i = 180 degrees in the region II of the case hardly contribute to the change (Δλ) of the total magnetostrictive strain, because the This is because the sign of Δλ(M) is opposite in this case.
도 15는 본 발명의 실시예1 및 실시예3에 따른 강유전-강자성 복합 적층 구조체의 교류 자기장 하에서의 직류 바이어스 자기장에 대한 자기전기 전압 계수를 나타내는 그래프이다.15 is a graph showing magnetoelectric voltage coefficients with respect to a DC bias magnetic field under an alternating magnetic field of a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure according to Examples 1 and 3 of the present invention.
도 15를 참조하면, 각각의 굽힘 공진 주파수에서 1 Oe의 교류 자기장을 인가하여 측정한 결과이다. 동일한 δHDC, 또는 교류 자기장(HAC) 하에서, 상기 경우에 비하여 상기 경우에서, 자왜 변형률의 변화(Δλ)가 더 크며, 셀프 바이어스 자기전기 전압 계수(αSME)가 더 크게 나타난다.Referring to FIG. 15 , it is a measurement result by applying an alternating magnetic field of 1 Oe at each bending resonant frequency. Under the same δH DC , or alternating magnetic field (H AC ), the compared to the case In this case, the change in magnetostrictive strain (Δλ) is larger, and the self-biased magnetoelectric voltage coefficient (α SME ) is larger.
상기 영역 I에서 상기 적층 구조체의 길이 방향, 즉, 직류 바이어스 자기장(HDC) 에 평행한 방향에 평행한 자화의 크기는 상기 경우에 비하여 상기 경우가 훨씬 더 작게 나타났다. 상기 경우에서 상기 직류 바이어스 자기장(HDC)에 평행한 선자기장(HPA)이 더 크게 나타났고, 이에 따라 상기 자기장 이동량(ΔH)이 상기 경우에서 더 크게 나타났다.In the region I, the magnitude of the magnetization parallel to the longitudinal direction of the stacked structure, that is, the direction parallel to the direct current bias magnetic field (H DC ) is the compared to the case cases were much smaller. remind In this case, the linear magnetic field (H PA ) parallel to the DC bias magnetic field (H DC ) was larger, and accordingly, the magnetic field movement amount (ΔH) was cases were larger.
결론conclusion
한 쌍의 자석부재가 배치된 메트글라스층/PZT층/Ni층의 복합층을 가지는 강유전-강자성 복합 적층 구조체에 대하여 강한 셀프 바이어스 자기전기 반응을 실험적으로 증명하였다. 두 개의 영구 자석들이 네 가지 배치로 부착된 상기 강유전-강자성 복합 적층 구조체의 자기전기 특성들을 분석한 결과, 상기 자석부재가 메트글라스층(높은 +q 물질) 상에 배치되고, 그들의 자화 방향이 상기 메트글라스층의 표면에 수직인 경우에, 가장 높은 셀프 바이어스 자기전기 효과가 관찰되었다. 관찰된 자기전기 반응의 원인을 분석하면, 비평행 강자성 쌍극자들이 전체 자왜에 효과적으로 기여하고, 자기장 이동량(ΔH)에는 영향을 주지 않는 것으로 분석된다. 선자기장이 형성된 강유전-강자성 복합 적층 구조체는 1 Oe 교류 자기장 하에서 약 260 Hz 에서 14.11 Vcm-1Oe-1 내지 52.35 Vcm-1Oe-1 범위의 강한 셀프 바이어스 자기전기 전압 계수를 나타내었다. 이와 같이 높은 셀프 바이어스 자기전기 전압 계수는 정밀한 자기장 센서들, 자기 에너지 하베스터들, 전기장 및 자기장 조정 셀프 바이어스 자기전기 장치들에 적용될 수 있다.A strong self-bias magnetoelectric response was experimentally demonstrated for a ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure having a composite layer of a mat glass layer/PZT layer/Ni layer on which a pair of magnet members are disposed. As a result of analyzing the magnetoelectric properties of the ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure to which two permanent magnets are attached in four arrangements, the magnet member is disposed on a mat glass layer (high +q material), and their magnetization direction is The highest self-bias magnetoelectric effect was observed in the case perpendicular to the surface of the metglass layer. Analyzing the cause of the observed magnetoelectric reaction, it is analyzed that non-parallel ferromagnetic dipoles effectively contribute to the total magnetostriction and do not affect the amount of magnetic field shift (ΔH). The ferroelectric-ferromagnetic composite layered structure in which the magnetic field was formed exhibited a strong self-biased magnetoelectric voltage coefficient ranging from 14.11 Vcm -1 Oe -1 to 52.35 Vcm -1 Oe -1 at about 260 Hz under a 1 Oe alternating magnetic field. This high self-bias magneto-electrical voltage coefficient can be applied to precise magnetic field sensors, magnetic energy harvesters, and electric and magnetic field-controlled self-biased magnetoelectric devices.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The technical spirit of the present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and it is the technical spirit of the present invention that various substitutions, modifications and changes are possible without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in the art to which this belongs.
100, 100a, 100b, 100c, 100d: 강유전-강자성 복합 적층 구조체,
110: 복합층, 120: 제1 자왜층,
130: 압전층, 140: 제2 자왜층,
150: 제1 자석부재, 151: 제1 N극,
152: 제1 S극, 160: 제2 자석부재,
161: 제2 N극, 162: 제2 S극,
170: 고정부재,
200: 강유전-강자성 복합 적층 구조체,
210: 복합층, 220: 제1 자왜층,
230: 압전층, 240: 제2 자왜층,
250: 제1 자석부재, 251: 제1 N극,
252: 제1 S극, 260: 제2 자석부재,
261: 제2 N극, 262: 제2 S극,
270: 고정부재, 280: 제1 회전부재,
290: 제2 회전부재,100, 100a, 100b, 100c, 100d: ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure,
110: composite layer, 120: first magnetostrictive layer;
130: piezoelectric layer, 140: second magnetostrictive layer,
150: a first magnet member, 151: a first N pole,
152: a first S pole, 160: a second magnet member,
161: a second N pole, 162: a second S pole,
170: fixing member;
200: ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure,
210: composite layer, 220: first magnetostrictive layer;
230: a piezoelectric layer, 240: a second magnetostrictive layer;
250: a first magnet member, 251: a first N pole,
252: a first S pole, 260: a second magnet member,
261: a second N pole, 262: a second S pole,
270: a fixing member, 280: a first rotating member,
290: a second rotating member;
Claims (17)
상기 복합층의 일단부에 배치된 제1 자석부재; 및
상기 복합층의 타단부에 배치된 제2 자석부재;를 포함하는,
강유전-강자성 복합 적층 구조체.a composite layer including a first magnetostrictive layer, a piezoelectric layer positioned on the first magnetostrictive layer, and a second magnetostrictive layer positioned on the piezoelectric layer;
a first magnet member disposed on one end of the composite layer; and
Containing; a second magnet member disposed on the other end of the composite layer;
A ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure.
상기 제1 자석부재와 상기 제2 자석부재는 상기 제2 자왜층의 상측에 배치된,
강유전-강자성 복합 적층 구조체.The method of claim 1,
The first magnet member and the second magnet member are disposed above the second magnetostrictive layer,
A ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure.
상기 제1 자석부재는 상기 제2 자왜층의 상측에 배치되고,
상기 제2 자석부재는 상기 제1 자왜층의 하측에 배치된,
강유전-강자성 복합 적층 구조체.The method of claim 1,
The first magnet member is disposed above the second magnetostrictive layer,
The second magnet member is disposed below the first magnetostrictive layer,
A ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure.
상기 제1 자석부재는, 상기 제2 자왜층의 상측 표면에 대하여 수직 방향으로 제1 N극과 제1 S극이 순차적으로 배치되고,
상기 제2 자석부재는, 상기 제2 자왜층의 상측 표면에 대하여 수직 방향으로 제2 S극과 제2 N극이 순차적으로 배치된,
강유전-강자성 복합 적층 구조체.The method of claim 1,
In the first magnet member, a first N pole and a first S pole are sequentially disposed in a direction perpendicular to the upper surface of the second magnetostrictive layer,
In the second magnet member, a second S pole and a second N pole are sequentially disposed in a direction perpendicular to the upper surface of the second magnetostrictive layer,
A ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure.
상기 제1 자석부재는, 상기 제2 자왜층의 상측 표면에 대하여 수직 방향으로 제1 S극과 제1 N극이 순차적으로 배치되고,
상기 제2 자석부재는, 상기 제2 자왜층의 상측 표면에 대하여 수직 방향으로 제2 N극과 제2 S극이 순차적으로 배치된,
강유전-강자성 복합 적층 구조체.The method of claim 1,
In the first magnet member, a first S pole and a first N pole are sequentially disposed in a direction perpendicular to the upper surface of the second magnetostrictive layer,
In the second magnet member, a second N pole and a second S pole are sequentially disposed in a direction perpendicular to the upper surface of the second magnetostrictive layer,
A ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure.
상기 제1 자석부재는, 상기 제2 자왜층의 상측 표면에 대하여 수직 방향으로 제1 N극과 제1 S극이 순차적으로 배치되고,
상기 제2 자석부재는, 상기 제1 자왜층의 하측 표면에 대하여 수직 방향으로 제2 S극과 제2 N극이 순차적으로 배치된,
강유전-강자성 복합 적층 구조체.The method of claim 1,
In the first magnet member, a first N pole and a first S pole are sequentially disposed in a direction perpendicular to the upper surface of the second magnetostrictive layer,
In the second magnet member, a second S pole and a second N pole are sequentially arranged in a direction perpendicular to the lower surface of the first magnetostrictive layer,
A ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure.
상기 제1 자석부재는, 상기 제2 자왜층의 상측 표면에 대하여 수직 방향으로 제1 S극과 제1 N극이 순차적으로 배치되고,
상기 제2 자석부재는, 상기 제1 자왜층의 하측 표면에 대하여 수직 방향으로 제2 N극과 제2 S극이 순차적으로 배치된,
강유전-강자성 복합 적층 구조체.The method of claim 1,
In the first magnet member, a first S pole and a first N pole are sequentially disposed in a direction perpendicular to the upper surface of the second magnetostrictive layer,
In the second magnet member, a second N pole and a second S pole are sequentially disposed in a direction perpendicular to the lower surface of the first magnetostrictive layer,
A ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure.
상기 제1 자석부재는, 상기 제2 자왜층의 상측 표면에 대하여 수평 방향으로 제1 S극과 제1 N극이 순차적으로 배치되고,
상기 제2 자석부재는, 상기 제2 자왜층의 상측 표면에 대하여 수평 방향으로 제2 S극과 제2 N극이 순차적으로 배치된,
강유전-강자성 복합 적층 구조체.The method of claim 1,
In the first magnet member, a first S pole and a first N pole are sequentially arranged in a horizontal direction with respect to the upper surface of the second magnetostrictive layer,
In the second magnet member, a second S pole and a second N pole are sequentially arranged in a horizontal direction with respect to the upper surface of the second magnetostrictive layer,
A ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure.
상기 제1 자석부재는, 상기 제2 자왜층의 상측 표면에 대하여 수평 방향으로 제1 S극과 제1 N극이 순차적으로 배치되고,
상기 제2 자석부재는, 상기 제1 자왜층의 하측 표면에 대하여 수평 방향으로 제2 S극과 제2 N극이 순차적으로 배치된,
강유전-강자성 복합 적층 구조체.The method of claim 1,
In the first magnet member, a first S pole and a first N pole are sequentially arranged in a horizontal direction with respect to the upper surface of the second magnetostrictive layer,
In the second magnet member, a second S pole and a second N pole are sequentially arranged in a horizontal direction with respect to the lower surface of the first magnetostrictive layer,
A ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure.
상기 복합층을 고정하도록, 상기 복합층의 중앙에 위치한 고정부재;를 더 포함하는,
강유전-강자성 복합 적층 구조체.The method of claim 1,
Further comprising; a fixing member located in the center of the composite layer to fix the composite layer;
A ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure.
상기 제1 자왜층은 음의 압자기 계수를 가지고,
상기 제2 자왜층은 양의 압자기 계수를 가지는,
강유전-강자성 복합 적층 구조체.The method of claim 1,
The first magnetostrictive layer has a negative piezomagnetic coefficient,
wherein the second magnetostrictive layer has a positive piezomagnetic coefficient;
A ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure.
상기 제1 자왜층은 양의 압자기 계수를 가지고,
상기 제2 자왜층은 음의 압자기 계수를 가지는,
강유전-강자성 복합 적층 구조체.The method of claim 1,
the first magnetostrictive layer has a positive piezoelectric coefficient;
wherein the second magnetostrictive layer has a negative piezomagnetic coefficient;
A ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure.
상기 제1 자왜층 및 상기 제2 자왜층은, 철-규소-붕소 기반 합금, 니켈, 철, 코발트, 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 적어도 어느 하나를 포함하는,
강유전-강자성 복합 적층 구조체.The method of claim 1,
The first magnetostrictive layer and the second magnetostrictive layer include at least one from the group consisting of iron-silicon-boron-based alloys, nickel, iron, cobalt, and alloys thereof,
A ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure.
상기 압전층은 Pb(Zr,Ti)O3 을 포함하는,
강유전-강자성 복합 적층 구조체.The method of claim 1,
The piezoelectric layer comprises Pb (Zr, Ti) O 3 ,
A ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure.
상기 제1 자석부재 및 상기 제2 자석부재는, 네오디뮴(Nd), 철, 코발트, 니켈, 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 적어도 어느 하나를 포함하는,
강유전-강자성 복합 적층 구조체.The method of claim 1,
The first magnet member and the second magnet member, including at least one from the group consisting of neodymium (Nd), iron, cobalt, nickel, and alloys thereof,
A ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure.
상기 복합층의 일측에 이격되어 배치된 제1 자석부재;
상기 제1 자석부재를 회전시키는 회전축으로 기능하는 제1 회전부재; 및
상기 복합층의 타측에 이격되어 배치된 제2 자석부재;를 포함하는,
강유전-강자성 복합 적층 구조체.a composite layer including a first magnetostrictive layer, a piezoelectric layer positioned on the first magnetostrictive layer, and a second magnetostrictive layer positioned on the piezoelectric layer;
a first magnet member spaced apart from one side of the composite layer;
a first rotating member functioning as a rotating shaft for rotating the first magnet member; and
Containing; a second magnet member spaced apart from the other side of the composite layer
A ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure.
상기 제2 자석부재를 회전시키는 회전축으로 기능하는 제2 회전부재;를 더 포함하는,
강유전-강자성 복합 적층 구조체.17. The method of claim 16,
A second rotating member functioning as a rotating shaft for rotating the second magnet member; further comprising,
A ferroelectric-ferromagnetic composite laminate structure.
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040126620A1 (en) * | 2002-10-18 | 2004-07-01 | Dwight Viehland | Magnetoelectric magnetic field sensor with longitudinally biased magnetostrictive layer |
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Patent Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| US6809516B1 (en) * | 1999-04-05 | 2004-10-26 | Spinix Corporation | Passive magnetic field sensors having magnetostrictive and piezoelectric materials |
| US20040126620A1 (en) * | 2002-10-18 | 2004-07-01 | Dwight Viehland | Magnetoelectric magnetic field sensor with longitudinally biased magnetostrictive layer |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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