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문제 정의
- 따라서 본 논문은 나노결정립을 생성시킨 높은 자기적 특성을 가지는 금속계 비정질 리본 표면에 절연층을 형성시켜 자기적 성질을 유지하면서 고주파 손실을 감소시키고자 한 것으로 비정질 리본 표면에 고저항의 TiOz와 SiO2 절연층을 졸갤법으로 형성시켜 고주파 대역의 손실을 감소시켜 통신용 부품으로의 응용성을 향상시키고자 하였다.
- 본 연구에서는 나노결정립을 생성시킨 금속계 리본 표면에 졸겔법에 의해 제조된 TiO2 및 SiO2 슬러리를 이용하여 절연막을 형상시켜 전기 비저항의 증가를 통한 고주파 손실을 제어하고자 하였다. 우선 비정질 리본의 표면개질을 위해 알콜, 아세톤 세정 및 UV lamp(파장영역 312~254 nm)와 산소가스를 이용하여 표면의 젖음성 (wettability)을 개선하였으며, 졸.
제안 방법
- 우선 비정질 리본의 표면개질을 위해 알콜, 아세톤 세정 및 UV lamp(파장영역 312~254 nm)와 산소가스를 이용하여 표면의 젖음성 (wettability)을 개선하였으며, 졸.겔법을 이용하여 Si(OC2H5)4, Ti(OC2H5)4 두 종류의 알콕사이드에 C2H5OH, HNO3를 가수분해와 축중합 반응제로 사용하여 졸을 제조하였고, 이를 이용하여 딥 코팅 (Dip coating) 법(제조된 졸 용액에 비정질 리본을 이정한 속도와 시간동안 연속적으로 함침하는 방법)로 절연막을 제조하였다.
- 딥 코팅 장비를 이용하여 점도별, 인장시간에 따라 비정질리본에 0.1, 0.5, 0.7, 1.0 ㎛의 두께로 코팅한 후 상온 건조하였다. 또한 코팅된 비정질 리본은 내경 10 mm의 보빈에 감아 toroidal core를 제작하여 비정질 리본의 최적의 조건인 530℃에서 1시간 등온 열처리하여 나노결정이 형성된 자심재료를 제조하였다.
- 0 ㎛의 두께로 코팅한 후 상온 건조하였다. 또한 코팅된 비정질 리본은 내경 10 mm의 보빈에 감아 toroidal core를 제작하여 비정질 리본의 최적의 조건인 530℃에서 1시간 등온 열처리하여 나노결정이 형성된 자심재료를 제조하였다. 열처리 후 코팅층의 상태와 코팅층의 두께를 FEG-SEM (전계방사형 전자주사현미경)을 이용하여 관찰하였고, 코팅층의 전기 저항은 4 단자법으로 측정하여 전기 비저항 값을 도출하였다.
- 수 nm의 크기를 가지는 결정이 형성된 결정질 비정질 리본 표면에 졸-겔법에 의해 제조된 TiO2 및 SiO2 졸을 딥 코팅법을 이용하여 절연막을 형상시킴으로써 전기 비저항의 증가를 통한 고주파 대역의 코어 손실을 제어하고자 하였다. 졸-겔법에 의해 제조된 슬러리를 이용한 TiOj와 SiO2 산화물 절연층 코팅을 통해 금속 알콕사이드의 혼합조건 및 절연층 형성용 슬러리의 제조조건을 확립하였고, 비정질 리본표면에 균일하고 우수한 점착력을 가지는 절연층을 형성시킬 수 있었다.
- 또한 코팅된 비정질 리본은 내경 10 mm의 보빈에 감아 toroidal core를 제작하여 비정질 리본의 최적의 조건인 530℃에서 1시간 등온 열처리하여 나노결정이 형성된 자심재료를 제조하였다. 열처리 후 코팅층의 상태와 코팅층의 두께를 FEG-SEM (전계방사형 전자주사현미경)을 이용하여 관찰하였고, 코팅층의 전기 저항은 4 단자법으로 측정하여 전기 비저항 값을 도출하였다. 비정질 리본의 투자율과 손실 특성은 B-H Analyzer(IWATSU SY-8232)를 이용하여 코팅하지 않은 toroidal core와 비교 분석하였다.
- 하였다. 우선 비정질 리본의 표면개질을 위해 알콜, 아세톤 세정 및 UV lamp(파장영역 312~254 nm)와 산소가스를 이용하여 표면의 젖음성 (wettability)을 개선하였으며, 졸.겔법을 이용하여 Si(OC2H5)4, Ti(OC2H5)4 두 종류의 알콕사이드에 C2H5OH, HNO3를 가수분해와 축중합 반응제로 사용하여 졸을 제조하였고, 이를 이용하여 딥 코팅 (Dip coating) 법(제조된 졸 용액에 비정질 리본을 이정한 속도와 시간동안 연속적으로 함침하는 방법)로 절연막을 제조하였다.
데이터처리
- 열처리 후 코팅층의 상태와 코팅층의 두께를 FEG-SEM (전계방사형 전자주사현미경)을 이용하여 관찰하였고, 코팅층의 전기 저항은 4 단자법으로 측정하여 전기 비저항 값을 도출하였다. 비정질 리본의 투자율과 손실 특성은 B-H Analyzer(IWATSU SY-8232)를 이용하여 코팅하지 않은 toroidal core와 비교 분석하였다.
성능/효과
- Fig. 4는 점도 변화에 따른 절연층의 단면 미세구조를 FEG-SEM을 이용하여 관찰한 것으로 그림과 같이 비교적 양호한 절연층을 형성하였으나, 1 cP의 경우 표면의 불균일성이 보였으며 , 10 cP의 경우는 절연층 단면의 불균일한 부분이 일부 나타났으나, 전체적으로 안정하게 비정질 리본의 표면에 접착되어 있는 것으로 판단되었다.
- 6은 표면층의 안정도를 확인하기 위해 AFM 을 이용하여 절연층을 코팅 하지 않은 리본과 절연 코팅된 막의 표면 거칠기를 각각 관찰한 것이다. Fig. 5보다 Fig. 6의 표면 상태가 조금 더 거칠지만 2nm 정도의 작은 편차를 가지므로 우수한 코팅특성을 나타냄을 알 수 있었다. 절연 코팅 물질은 Si(OC2H5)4+Ti(OC2H5)4^ 2가지 금속 알콕사이드를 출발 물질로 하였는데, 이 물질들은 저온에서 물과 쉽게 반응하여 유기용매에 대한 용해도가 크고 휘발성이 커서 정제 및 용융이 쉬운 이점이 있고, 또한 시작 물질이 용액에서 작은 분자 상태로부터 시작하여 막 형성이 이루어지기 때문에 균일한 코팅층을 얻을 수 있었다고 생각된다.
- Fig. 8은 4단자법에 의해 절연층이 코팅된 비정질 리본의 절연저항을 측정한 결과를 나타낸 것으로, 절연층이 형성되지 않은 비정질 리본에 비해 졸의 점도 증가에 따라 표면 전기비저항이 급격히 증가하였으며 , 점도가 5 cP 이상에서는 비저항의 증가율이 감소하여 약 104Qcm에 수렴되었다. 이는 졸의 점도 증가에 따라 절연층의 밀도가 증가함으로써 비저항이 증가한 것이며, 5 cP 이상에서는 절연층의 밀도가 균일하게 유지되어 비저항의 증가율이 저하하고 결국 일정한 값으로 수렴하기 때문이다.
- 이는 졸의 점도 증가에 따라 절연층의 밀도가 증가함으로써 비저항이 증가한 것이며, 5 cP 이상에서는 절연층의 밀도가 균일하게 유지되어 비저항의 증가율이 저하하고 결국 일정한 값으로 수렴하기 때문이다. 그리고 고주파용 자심재료로 응용되기 위한 비저항은 점도가 1 cP 이상인 모든 졸의 조건으로 제조될 수 있음을 알 수 있었다.
- 따라서 Fig. 8에 나타낸 결과를 볼 때, 1.7-30 MHz 대역에서 사용되는 비접촉식 커플러용 비정질 코어의 전기 비저항의 증가는 코어의 손실 감소효과에 의해 고주파 대역에서의 신호 전송 특성을 향상시킬 수 있을 것이라 판단된다.
- 비접촉식 커플러의 삽입손실 특성은 식 (3)의 인자에 의해 제어될 수 있는데, 인덕턴스는 전체적인 손실 범위에 영향을 미치고, 결합계수와 코어손실은 고주파 대역의 삽입손실 특성에 많은 영향을 미치게 된다. 따라서 비저항 증가에 의해 코어손실이 감소하여, 비접촉식 커플러의 고주파 대역에서 삽입손실이 감소하였음을 확인할 수 있으며, 이는 고주파 대역에서의 신호전송 특성을 보다 향상시킬 수 있다고 판단할 수 있다.
- 절연층은 고온에서도 안정한 물질이어야 한다. 본 연구에서 여러 성분의 금속 알콕사이드와 그 성분비와 점도를 변화시키면서 실험한 결과 실험 방법에 나와 있는 성분과 조성에서는 우수한 졸을 제조할 수 있었으며 우수한 절연막이 얻어졌다. 이 코팅물질을 사용하여 점도별로 dipping 한 후 wiping처리함에 따라 코팅막이 100 nm~ 1.
- 2는 비정질 리본 표면에 절연층 코팅 시 졸의 젖음성을 알아보기 위해 리본의 앞면(roll)과 뒷면(surface)의 접촉각 (Contact angle)을 즉정한 것으로써, rolling 면과 surface 면의 접촉각은 각각 약 33°와 40°로 나타났으며, rolling 면이 surface 면보다 작아 젖음성이 다소 우수하나 전체적으로는 접촉각이 높기 때문에 두 면 모두의 표면 개질을 통한 젖음성 특성을 향상시킬 필요가 있으므로 젖음성을 향상시키기 위해 아세톤과 에탄올 세정 그리고 UV lamp와 산소 가스를 흘려보낸 세 가지 조건으로 표면개질을 실시하여 젖음성을 측정하였으며, 그 결과를 (c), (d), (e)에 나타내었다. 아세톤과 에탄올 그리고 UV lamp/산소가스를 사용한 모든 표면개질 방법에서 약 20°내외의 접촉각을 나타내어 젖음성이 향상된 것을 볼 수 있고, UV lamp 및 산소 가스를 사용한 경우 접촉각이 19.5°로 가장 우수한 젖음성을 나타내었다.
- 본 연구에서 여러 성분의 금속 알콕사이드와 그 성분비와 점도를 변화시키면서 실험한 결과 실험 방법에 나와 있는 성분과 조성에서는 우수한 졸을 제조할 수 있었으며 우수한 절연막이 얻어졌다. 이 코팅물질을 사용하여 점도별로 dipping 한 후 wiping처리함에 따라 코팅막이 100 nm~ 1.2 ptm의 두께를 가진 균일하고 치밀한 막을 얻을 수 있었으며 고온 열처리 후에도 막의 박리나 열분해 현상이 나타나지 않았다.
- 졸-겔법에 의해 제조된 슬러리를 이용한 TiOj와 SiO2 산화물 절연층 코팅을 통해 금속 알콕사이드의 혼합조건 및 절연층 형성용 슬러리의 제조조건을 확립하였고, 비정질 리본표면에 균일하고 우수한 점착력을 가지는 절연층을 형성시킬 수 있었다. 표면 절연층이 형성된 비정질 재료를 이용하여 제조한 자심재료는 전기 비저항의 증가로 인해 코어 손실을 약 40 %이상 감소시킬 수 있었고, 이 자심재료를 이용하여 제조한 비접촉식 커플러는 코어 손실의 감소로 인해 삽입손실의 감소효과가 나타났으며, 이 삽입손실의 감소효과는 주파수 증가에 따라 증가하였다.
- 대역에서의 전력 손실의 제어가 요구된다. 즉 1.7~30 MHz 대역의 고속 전력선 통신을 위한 자심재료의 투자율 및 공진 주파수 등의 전자기적 특성은 30 MHz 이상의 대역에서도 k하고 안정적으로 유지되어야 하며, 높은 투자율 및 자속밀도, 공진주파수뿐만 아니라 낮은 전력손실 값을 가져야한다. 따라서 전력선 통신을 위한 커플러용 자심재료에서 페라이트의 경우 전력 손실은 낮고 공진 주파수는 높은 장점이있는 대신 낮은 투자율과 자속밀도를 가지는 단점이 있고, 금속의 경우 높은 투자율과 자속밀도를 가지는 장점이 있지만손실이 크고, 공진주파수가 낮은 단점이 있다[1, 2].
- 졸-겔법에 의해 제조된 슬러리를 이용한 TiOj와 SiO2 산화물 절연층 코팅을 통해 금속 알콕사이드의 혼합조건 및 절연층 형성용 슬러리의 제조조건을 확립하였고, 비정질 리본표면에 균일하고 우수한 점착력을 가지는 절연층을 형성시킬 수 있었다. 표면 절연층이 형성된 비정질 재료를 이용하여 제조한 자심재료는 전기 비저항의 증가로 인해 코어 손실을 약 40 %이상 감소시킬 수 있었고, 이 자심재료를 이용하여 제조한 비접촉식 커플러는 코어 손실의 감소로 인해 삽입손실의 감소효과가 나타났으며, 이 삽입손실의 감소효과는 주파수 증가에 따라 증가하였다.
후속연구
- 8의 결과와 같이 절연층 형성에 의해 전기 비저항의 증가로 인해 자심재료는 저주파뿐만 아니라 고주파에서 손실이 40% 이상(100 kHz 기준) 저하되었다. 그러나 투자율 특성은 절연막 형성에 의해 상당히 감소하였는데, 이는 비정질 리본과 Si-Ti계 산화물 막과의 열팽창 계수 차이에 의한 내부 스트레스가 남아있기 때문이라 생각되며, 향후 어닐링에 의한 내부 스트레스 제거 방법과 같은 추가 연구가 필요하다.
- 이와 같은 결과를 볼 때, 본 연구에서 이루어진 비정질 재료 표면에의 Ti-Si계 산화물 절연막의 형성은 비접촉식 커플러용 자심재료와 이를 이용하여 제조한 비접촉식 커플러의 특성 향상에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
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