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Abstract

1. 서 론

최근 전기에너지 효율 극대화를 위해 높은 주파수영역 에서도 고투자율, 고자속밀도, 저철손 특성을 동시에 충족 시킬 수 있는 연자성 소재에 대한 요구가 급격히 증가하 고 있다. 특히, 비정질 연자성 소재는 낮은 철손 특성으로 고주파 대역에서도 우수한 자기적 특성을 나타내어 200 kHz 이상 고주파용 인덕터 소재로 기대되고 있다[1-4]. 철 계 비정질 연자성 소재는 가스분사, 수분사 등에 의해 구 형 형태로 분말 제조가 가능하여 기존의 비정질 리본에 비해 대량 생산이 가능하고, 고밀도 코어로 제조할 수 있 어 고에너지효율 및 경제적인 인덕터 소재로 적용 가능성 이 매우 높다[3, 5-7]. 구형 비정질 분말의 경우, 기존의 결 정질 연자성 소재에 비해 저항이 높고 표면에 절연층을 형성하여 부가적으로 저항을 높여 고주파수에서도 와전류 손실을 줄임으로써 최종적으로 열손실을 낮춰 에너지효율 을 높일 수 있다. 하지만 분말 자체에서 철의 비율이 감소 하고 절연막과 금속 분말 사이의 계면에서의 균열 및 결 함에 의해 투자율이 감소할 수 있기 때문에 코팅 재료의 분율을 최소화하여 전체적으로 얇고 균일하게 코팅됨과 동시에 절연특성을 확보하여 분말의 연자성 특성을 최적 화할 필요가 있다[5, 6, 8-11].

철계 비정질 분말의 절연 코팅을 위해 기존에 유기 절 연막 또는 무기 절연막을 형성시키는 연구가 활발히 진행 되고 있다[12-17]. 유기 절연 코팅의 경우 강도는 높지만 상대적으로 열에 취약해 코어 성형 공정에 제한을 줄 수 있으며, 무기 절연 코팅은 화학적으로 안정하고 내열성이 우수한 반면 고르지 못한 코팅층과 계면에서의 불안정성 으로 인해 코어 제조에 있어 균열 생성에 의해 절연 효과 가 감소될 수 있다는 단점이 있다[4, 16-19].

따라서 본 연구에서는, 실리콘계 에폭시와 나노 크기를 갖는 산화물을 이용한 하이브리드 절연막 코팅을 개발하 고자 하였다. 실리콘계 에폭시를 통해 실란 커플링(Silane coupling) 반응으로 유기-무기 간 화학적 결합을 확보하여 안정적인 절연막을 형성시키고, 유기 절연막으로 인해 발 생할 수 있는 자기적 희석을 보완하기 위해 절연 특성과 동시에 자성특성을 띄는 Fe₂O₃를 유기 절연막에 분산시켰 으며, Fe₂O₃ 간의 응집력으로 인한 고르지 못한 코팅층을 방지하기 위해 절연 및 분산제로 TiO₂를 사용하여 하이브 리드 절연막을 제조하였다. 이때, 유기 및 무기 재료의 분 율 조절을 통해 최적 조건을 탐색하고자 하였으며, 제조된 절연 코팅 분말에 대해 미세구조 및 자기적 특성을 비교 하고 절연 재료의 분율에 따른 특성 변화에 대해 고찰하 였다.

2. 실험방법

본 연구에서는 Fe-Cr-Si-B-C 합금계 연자성 분말을 다양 한 절연 코팅 조건에 따라 제조한 뒤 그 특성을 비교하였 다. 실험에 사용된 초기 분말은 상용 철계 연자성 분말 (KUAMET 6B2, ATMIX)을 사용하였다. 정밀한 분급을 위해 45 μm 크기의 구멍을 갖는 체를 이용하였으며, 체 분급기를 사용하여 1.5 mm 진폭의 조건으로 15분 동안 3 회 반복하여 분급하였다. 이때 분말로 인해 체의 구멍이 막히는 것을 방지하고자 분말과 함께 직경 2mm의 실리 카 볼을 넣어 분급이 원활하도록 하였다. 절연막 코팅을 진행하기 위해 유기 절연 재료로 Epoxy siloxane(LK052, Teakyoung Corporation)을 사용하였고, 무기 절연 재료로 산화철(Fe₂O₃, Sigma Aldrich)과 산화 티타늄(TiO₂, Sigma Aldrich)을 사용하였다. 절연막 코팅의 최적 조건 탐색을 위해 표 1과 같은 조건으로 시편을 제조하였다. 이 때 유 기코팅만을 진행한 시험편은 유기물 함량에 따라 각각 Organic 1, 2로, 하이브리드 코팅을 진행한 시험편은 각 유 기물 및 무기물 함량에 따라 Hybrid 1~4로 명명하였다. 철 분말 표면의 절연막 코팅 공정으로는 약 40°C 물 중탕 분 위기에서 에탄올(95%, Daejung Chemical Co., Korea) 300 ml에 유기 재료를 첨가한 뒤 균일한 분산을 위해 기계적 교반기를 이용하여 10분간 혼합하였다. 이때, 교반 속도는 200 rpm으로 진행되었으며, PTFE로 코팅된 교반봉(shaft) 과 날(blade)을 사용하여 코팅 공정 중 화학반응 또는 불 순물을 최소화하였다. 이후 무기 재료를 각각 첨가한 뒤 추가적으로 20분간 교반을 진행하여 절연 코팅 용액을 제 조하였다. 이때, 유기 절연 코팅 조건의 경우 하이브리드 절연 코팅 조건과 동일한 분산 조건을 가하기 위하여 추 가적으로 20분간 교반하였다. 이후 제조된 절연 코팅 용 액에 연자성 분말을 1 0 g 추가한 뒤 에탄올이 모두 증발 할 때까지 동일 분위기에서 교반을 진행하였다. 수득된 코 팅 분말은 전기오븐에서 70°C 하에 24시간 동안 건조를 진행하였다.

Table 1

Denomination of each sample with various coating conditions

절연막 코팅 공정에 따른 분말 표면의 형상을 관찰하기 위해 전계방사 주사전자현미경(Field emission scanning electron microscope; FE-SEM, JSM 7410F, JEOL Co., Japan)과 에너지 분산 분광기(Energy dispersive spectrometer; EDS, X-max, Oxford Instruments Ltd., United Kingdom) 를 이용하였다. 분말의 선명한 이미지를 얻기 위해서 분말 을 홀더 위에 고정한 후, Pt 코팅을 통해 표면에 잔류하는 전자를 방출시켰다. 자기적 특성을 분석하기 위해 시료 진 동시료자력계(Vibrating Sample Magnetometer; VSM, Lakeshore 7404, USA)을 이용하여 -5000 Oe £ H £ 5000 Oe의 인가 자장 범위에서 보자력과 포화자화 값을 측정하 였다.

3. 실험결과 및 고찰

그림 1은 본 실험에 사용된 Fe-Cr-Si-B-C 합금 분말과 유기 절연 코팅 분말의 표면을 관찰한 FE-SEM 이미지이 다. 유기 절연 코팅 재료의 분율은 표 1에 제시된 바와 같 다. 초기 분말의 경우 비정질 연자성 분말로서 결정질 분 말과 달리 매끄러운 표면을 갖는 것을 특징으로 한다. 일 반적으로 결정질 분말의 경우 분말 제조 공정 중에 분말 표면과 그 인접 부위에서 결정화가 시작되어 거친 표면을 갖고 구상화도가 저하되는 반면 비정질 분말의 경우 결정 립이 존재하지 않고 제조 당시 용적(droplet)의 형상과 유 사한 상태로 냉각되기 때문에 구상화도가 높고 매끄러운 표면을 갖는다[7-11]. 유기 절연막 코팅 분말의 경우 초기 분말과 유사한 형상을 갖고, 분말의 표면에 전체적으로 유 기 재료가 코팅된 것을 확인할 수 있다. 이는 유기 재료로 사용된 에폭시 실록산이 축합반응을 일으킨 결과로 볼 수 있다. 실록산의 실리콘에 존재하는 수산화기가 철 분말 표 면의 수산화기와 반응할 수 있고, 그 반응식은 아래와 같다:

Fig. 1

SEM images of (a) as-powder, (b) Organic 1, and (c) Organic 2.

이러한 반응으로 인해 실리콘 원소를 중심으로 유기 재 료와 무기 재료 간에 안정적인 화학 결합이 유도되어 분 말 표면에 전체적으로 유기 재료가 코팅될 수 있다. 그러 나 O rg anic 2 시편의 경우 분말 표면에 명암의 차이가 관 찰되는 것으로 보아 코팅층이 다소 균일하지 못한 것으로 판단된다. 즉 O rg anic 1은 전체적으로 유기 재료가 분말 표면에 코팅되었지만, Organic 2의 경우 유기 재료의 분율 이 상대적으로 낮기 때문에 부분적으로 코팅이 되지 않은 분말의 표면이 더 밝게 관찰된 것으로 판단된다.

그림 2는 표 1에 제시된 분율 조건으로 하이브리드 코 팅을 진행한 분말의 표면을 관찰한 이미지이다. 전체적으 로 분말 표면에 나노 크기의 산화물 입자들이 유기 코팅 재료와 함께 분산되어 있는 것을 확인할 수 있다. Hybrid 1의 경우 분말의 표면에 산화물이 존재하지 않는 부분을 볼 수 있는데, 이는 Fe₂O₃의 응집력으로 인해 코팅 용액 내에서 분산이 제대로 이뤄지지 못하였고 최종적으로 철 분말의 표면에 고르게 코팅되지 못했기 때문인 것으로 판 단된다. 이와 달리 TiO₂가 포함된 하이브리드 절연막 코팅 의 경우 분말의 표면에 전체적으로 나노 크기의 산화물 입자들이 고르게 퍼져 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 절 연 및 분산제로서 첨가한 TiO₂로 인해 Fe₂O₃ 분말들의 응 집을 해소되었기 때문으로 판단된다. Hybrid 4 코팅 분말 의 경우 코팅 재료의 분율이 다른 조건에 비해 상대적으 로 낮음에도 불구하고 분말 표면에 전체적으로 분산된 것 을 관찰할 수 있다. 그림 3은 제조된 하이브리드 절연 코 팅 분말의 표면을 EDS로 분석한 결과이다. 제조된 절연 코팅 분말들은 절연막에 포함된 원소들이 분말 표면에서 전체적으로 고르게 분포하는 것을 확인할 수 있다. 일반적 으로 코팅재의 분율이 높을 경우 비자성체의 분율이 높아 짐으로 자기적 희석을 유도하여 최종 성형체의 포화자화 값을 낮추는 결과를 수반할 수 있기 때문에 절연 코팅은 코팅재의 분율을 최소화함과 동시에 전체적으로 절연이 이뤄질 수 있어야 한다. 따라서 본 연구에서 진행된 절연 코팅 조건은 Hybrid 4가 가장 낮은 코팅 재료의 분율에도 불구하고 자기적 특성의 저하를 최대한 방지할 수 있었기 때문에 최적의 분율을 가진 것으로 판단된다.

Fig. 2

SEM images of (a) Hybrid 1, (b) Hybrid 2, (c) Hybrid 3, and (d) Hybrid 4.

Fig. 3

EDS analysis results of (a) Hybrid 1, (b) Hybrid 2, (c) Hybrid 3, and (d) Hybrid 4.

그림 4는 VSM을 이용하여 초기 분말 및 절연 코팅 분 말의 자기적 특성을 비교한 그래프이며, 측정한 결과의 자 세한 수치는 표 2에 나타내었다. 그림 4 (a)에서 유기 절 연 코팅 시편이 초기 분말보다 B-H 곡선의 기울기가 다소 낮아지는 것을 관찰할 수 있는데, 이는 절연 코팅에 의해 투자율이 다소 감소되었음으로 볼 수 있다. 비자성체인 유 기 절연막이 분말 표면에 코팅됨에 따라 외부 자기장이 분말 내의 자구(domain)에 영향을 끼치기까지 절연막에 의해 다소 방해를 받아 자기모멘트들의 정렬이 지연된 것 으로 판단할 수 있다. 이러한 투자율의 감소는 자기적 특 성의 저하로 볼 수 있지만, 표 2의 각 시편의 보자력과 포 화자화 값을 비교하여 보면 초기 분말 대비 유기 코팅 재료 의 보자력은 낮아지고, 포화자화는 다소 높은 수치가 측정 됨을 알 수 있다. 선행 연구들에 의하면 유기 및 무기 절연 막 형성으로 포화자화는 약 10~25 emu/g 감소하고 보자력 은 약 1~5Oe 증가하는 것으로 보고된 바 있다[14, 19, 20]. 따라서 자기적 특성의 분석 결과를 종합적으로 보면, 유기 절연 재료에 의해 투자율은 다소 감소할 수 있으나 보자 력과 포화자화 수치를 크게 저하시키지 않을 정도로 적절 히 코팅된 것으로 판단된다. 그림 4 (b)의 하이브리드 절 연 코팅 시편의 분석 결과를 보면, 초기 분말 대비 약간의 투자율 감소는 확인할 수 있으나, 유기 절연 코팅 시편의 투자율 감소보다 개선되었다. 이러한 결과는 하이브리드 코팅 재료에 포함된 Fe₂O₃가 자성을 띄기 때문으로 볼 수 있다. 외부 자기장이 분말에 가해짐에 따라 자성체인 Fe₂O₃가 비정질 연자성 분말의 자기 모멘트의 정렬에 중 간 매개체 역할을 할 수 있어 유기 절연 코팅 분말보다 투 자율 감소를 약화시킬 수 있는 것으로 판단된다. 하지만 표 2의 결과를 보면, Fe₂O₃가 포함된 하이브리드 코팅 분 말(Hybrid 1, Hybrid 3, Hybrid 4)의 경우 보자력이 초기 분말보다 증가하였다. 이는 하이브리드 절연막에 포함된 Fe₂O₃의 영향으로 볼 수 있다. 일반적으로 Fe₂O₃는 연자성 보다 경자성에 가까운 특성을 나타내며, 연자성체와 달리 외부 자기장에 의해 자화 및 탈자화가 어려운 자성체로서 상대적으로 높은 보자력을 갖는 것을 특징으로 한다. 따라 서 Fe₂O₃로 인해 자기적 희석을 방지하여 포화자화의 감 소는 방지할 수 있었으나, 보자력이 다소 증가된 것으로 판단된다. 이와 달리 TiO₂만 첨가된 절연 코팅 분말의 경 우 보자력 수치의 변화는 미미하지만 포화자화가 다른 코 팅 분말에 비해 낮아진 것으로 보아 비자성체 분율의 증 가로 인한 자기적 희석이 발생했음을 알 수 있다.

Fig. 4

B-H curves of (a) as-powder, Organic 1 and Organic 2; (b) as-powder, Hybrid 1, Hybrid 2, Hybrid 3, and Hybrid 4.

Table 2

The coercivity(iH_c) and saturated magnetization(M_s) of each sample

4. 결 론

본 연구에서는 비정질 연자성 분말 표면에 유기 및 하 이브리드 절연막을 제조하고, 그 특성을 비교하였다. 절연 코팅을 위해 실록산이 포함된 에폭시를 이용하여 유기 재 료와 무기 재료 간에 화학적인 결합을 유도한 결과 보다 안정적인 절연막을 확보할 수 있었다. 또한 무기 재료로서 Fe₂O₃를 절연막에 분산시켜 자기적 희석을 방지할 수 있 는 절연막을 제조하였다. 이와 동시에 TiO₂를 사용함으로 써 Fe₂O₃의 응집을 해소하여 나노 크기의 산화물 분말들 이 철 분말 표면에 전체적으로 고르게 분산된 하이브리드 절연막을 확보했다. 특히, Hybrid 4 조건에서 절연 코팅한 경우, 약간의 보자력 상승은 보이지만 코팅재의 분율 조절 로 인해 자기적 희석을 방지하여 투자율과 포화자화의 감 소를 억제할 수 있었다. 이러한 하이브리드 코팅을 통해 유기 및 무기 절연 코팅의 단점을 보완하여 자기적 특성 을 향상시키고, 보다 안정적인 절연막을 제조할 수 있었다.

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