자기이력곡선 측정 (Magnetic Hysteresis Loop Measurement)

한 줄 정의: 외부 자기장을 증가시켰다가 감소시키며 시료의 자화 값 변화를 기록해 보자력, 잔류자화, 포화자화 등 자기적 특성을 얻는 측정 방법입니다.

대상의 물리량을 센서로 측정하고 신호로 기록하는 계측 개념을 나타냅니다.

쉽게 풀면

자석에 다가가는 힘을 점점 세게 걸었다가 다시 약하게 풀어주면서, 재료가 얼마나 강하게 자석 성질을 띠는지 그리고 힘을 빼도 얼마나 오래 자기를 유지하는지를 그래프로 그리는 실험입니다. 이 그래프는 힘을 걸 때와 뺄 때의 경로가 서로 다르게 그려지는데, 이를 이력(履歷, hysteresis)이라고 부릅니다. 그래프가 넓고 뚱뚱하면 자석을 만들기 좋은 재료이고, 좁고 날씬하면 전기기기의 코어처럼 자화가 쉽게 풀려야 하는 용도에 적합합니다.

왜 중요한가

영구자석, 변압기 철심, 자기기록 매체 등 자성재료를 개발할 때 이 곡선에서 얻는 보자력과 잔류자화 값은 재료의 응용 분야를 결정짓는 핵심 지표입니다. 곡선의 면적은 자화 과정에서 손실되는 에너지와도 관련이 있어 효율성 평가에도 사용됩니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"자기이력곡선 측정 결과, 시료의 보자력은 첨가 원소 함량이 증가함에 따라 상승하는 경향을 보였다."

합금 조성 변화가 자석의 성질(보자력)에 미치는 영향을 자기이력곡선으로 분석한 예문입니다.

"열처리 온도가 높아질수록 자기이력곡선의 면적이 좁아져 연자성 특성이 개선되었음을 확인하였다."

공정 조건에 따라 재료가 경자성에서 연자성 쪽으로 성질이 변했음을 곡선 형태로 설명하는 예문입니다.

조금 더 깊게 보면

측정에는 VSM(진동시료자력계)이나 SQUID 자력계 등이 활용되며, 인가 자기장(H)에 대한 자화(M) 또는 자속밀도(B)의 변화를 기록해 M-H 곡선을 얻습니다. 곡선에서 자기장이 0일 때 남아있는 자화값을 잔류자화(remanence), 자화를 0으로 만드는 데 필요한 반대 방향 자기장의 크기를 보자력(coercivity)이라고 합니다.

주의할 점

측정 시 시료의 형상에 따라 반자기장(demagnetizing field) 효과가 발생해 겉보기 곡선이 왜곡될 수 있으므로 형상 보정이 필요할 때가 있습니다. 온도에 따라서도 자성 특성이 크게 달라지므로 측정 조건을 명확히 밝히는 것이 중요합니다.