[국내논문]철기(Fe Based) 나노결정질 합금 분말코어의 코팅제 및 입도가 연자기적 특성에 미치는 영향 Influence of Coating Agent and Particle Size on the Soft Magnetic Properties of Fe Based Nano Crystalline Alloy Powder Core원문보기
본 연구는 철기(Fe based) $Fe_{73.5}Si_{13.5}B_9Nb_3Cu_1$ 나노결정 합금의 분말코어(powder core)의 연자기적 특성 향상을 위한 기초연구로서, 절연 코팅제의 첨가량 및 분말입도에 따른 투자율, 코어손실 및 DC 바이어스 특성을 주로 조사하였다. 우선 합금조성을 PFC 장치를 이용하여 비정질 합금리본을 제조한 후, 열처리, 미분쇄 및 분급하여 얻어진 합금분말에 절연 코팅제(PEI)의 첨가량을 0.5, 1.0, 2.0, 2.5 wt%로 변화시켜 $16ton/cm^2$으로 압축성형 및 결정화 열처리하여 제조한 토로이달 나노결정 분말코어($OD12.7mm{\times}ID7.62mm{\times}H4.75mm$)는 절연 코팅제 함량이 증가할수록 투자율은 감소하였지만, 코어손실 및 DC 바이어스 특성은 향상됨을 확인하였다. 이러한 이유는 합금분말 절연 코팅제 첨가량이 증가할수록 비정질 합금분말 입자가 적어져 분말코어의 성형밀도가 낮아지기 때문으로 추정되었으며, 절연 코팅제의 함량은 1 wt%가 가장 적합한 것으로 판단되었다. 또한 절연 코팅제 함량을 1 wt%로 고정하고, 합금분말의 입도에 따라 제조한 분말코어의 경우, 실효투자율 및 코어손실은 입도가 클수록 우수하였지만, DC 바이어스 특성은 인가자장이 증가함에 따라 더욱 나빠짐을 확인하였다. 그 이유는 합금분말 표면의 코팅층 두께 차이에 의한 절연효과, 잔류기공 혹은 분말코어의 성형밀도 차이 등에 기인하는 것으로 추정되었다.
본 연구는 철기(Fe based) $Fe_{73.5}Si_{13.5}B_9Nb_3Cu_1$ 나노결정 합금의 분말코어(powder core)의 연자기적 특성 향상을 위한 기초연구로서, 절연 코팅제의 첨가량 및 분말입도에 따른 투자율, 코어손실 및 DC 바이어스 특성을 주로 조사하였다. 우선 합금조성을 PFC 장치를 이용하여 비정질 합금리본을 제조한 후, 열처리, 미분쇄 및 분급하여 얻어진 합금분말에 절연 코팅제(PEI)의 첨가량을 0.5, 1.0, 2.0, 2.5 wt%로 변화시켜 $16ton/cm^2$으로 압축성형 및 결정화 열처리하여 제조한 토로이달 나노결정 분말코어($OD12.7mm{\times}ID7.62mm{\times}H4.75mm$)는 절연 코팅제 함량이 증가할수록 투자율은 감소하였지만, 코어손실 및 DC 바이어스 특성은 향상됨을 확인하였다. 이러한 이유는 합금분말 절연 코팅제 첨가량이 증가할수록 비정질 합금분말 입자가 적어져 분말코어의 성형밀도가 낮아지기 때문으로 추정되었으며, 절연 코팅제의 함량은 1 wt%가 가장 적합한 것으로 판단되었다. 또한 절연 코팅제 함량을 1 wt%로 고정하고, 합금분말의 입도에 따라 제조한 분말코어의 경우, 실효투자율 및 코어손실은 입도가 클수록 우수하였지만, DC 바이어스 특성은 인가자장이 증가함에 따라 더욱 나빠짐을 확인하였다. 그 이유는 합금분말 표면의 코팅층 두께 차이에 의한 절연효과, 잔류기공 혹은 분말코어의 성형밀도 차이 등에 기인하는 것으로 추정되었다.
This is a basic research for improving soft magnetic property of Fe based nano crystalline alloy powder core. The main study is done around characteristics of permeability, core loss, and DC bias depending on amount of insulation coating agent and particle size. First, $Fe_{73.5}Si_{13.5}B_9Nb_...
This is a basic research for improving soft magnetic property of Fe based nano crystalline alloy powder core. The main study is done around characteristics of permeability, core loss, and DC bias depending on amount of insulation coating agent and particle size. First, $Fe_{73.5}Si_{13.5}B_9Nb_3Cu_1$ amorphous alloy ribbon was fabricated by using the planar flow casting (PFC) device. Then, heat treatment and ball milling were done to obtain alloy powder. The amount of polyether imide (PEI) added to it was varied by 0.5, 1.0, 2.0, 2.5 wt% to have compression molding into $16ton/cm^2$. After going through crystalline heat treatment, the made toroidal nano crystalline powder core ($OD12.7mm^*ID7.62mm^*H4.75mm$) had smaller permeability as amount of insulation coating agent decreases. However, it was found out that core loss and DC bias characteristics have been improved. The reason for this results were expected to be because green density of power core decreases as amorphous alloy powder particles become smaller as amount of alloy powder insulation coating agent increases, it was determined that 1 wt% of insulation coating agent is appropriate. Also, for powder core made based on alloy powder size with amount of insulation coating agent fixed at 1 wt%, effective permeability and core loss were outstanding as particle size became bigger. However, characteristics of DC bias became worse as applied DC field increases. This is expected to be due to insulation effect, residual pores, or molding density of powder core resulting from thickness of coating on surface of alloy powder.
This is a basic research for improving soft magnetic property of Fe based nano crystalline alloy powder core. The main study is done around characteristics of permeability, core loss, and DC bias depending on amount of insulation coating agent and particle size. First, $Fe_{73.5}Si_{13.5}B_9Nb_3Cu_1$ amorphous alloy ribbon was fabricated by using the planar flow casting (PFC) device. Then, heat treatment and ball milling were done to obtain alloy powder. The amount of polyether imide (PEI) added to it was varied by 0.5, 1.0, 2.0, 2.5 wt% to have compression molding into $16ton/cm^2$. After going through crystalline heat treatment, the made toroidal nano crystalline powder core ($OD12.7mm^*ID7.62mm^*H4.75mm$) had smaller permeability as amount of insulation coating agent decreases. However, it was found out that core loss and DC bias characteristics have been improved. The reason for this results were expected to be because green density of power core decreases as amorphous alloy powder particles become smaller as amount of alloy powder insulation coating agent increases, it was determined that 1 wt% of insulation coating agent is appropriate. Also, for powder core made based on alloy powder size with amount of insulation coating agent fixed at 1 wt%, effective permeability and core loss were outstanding as particle size became bigger. However, characteristics of DC bias became worse as applied DC field increases. This is expected to be due to insulation effect, residual pores, or molding density of powder core resulting from thickness of coating on surface of alloy powder.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 1988년 Yoshizawa 등[9]에 의해 개발된 Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1(FINEMET) 나노 결정립 합금분말의 압축 성형 시, 입자간 전기적 절연을 위해 첨가되는 절연체의 함량 및 합금분말 입도에 따른 자기적 특성을 조사함으로써, 우수한 연자기 특성을 갖는 분말코어를 제조하기 위한 기초자료를 제공하고자 하였다.
본 연구는 철기(Fe based) Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1(FINEMET) 나노결정 합금의 분말코어(powder core)의 연자기적 특성 향상을 위한 기초연구로서, 절연 코팅제의 첨가량 및 분말입도에 따른 투자율, 코어손실 및 DC 바이어스 특성을 주로 조사하였다.
제안 방법
또한 본 연구에서는 이러한 결과로부터 비정질 합금리본을 미분쇄하기 위해 시도한 열처리온도는 450°C, 나노 결정화를 위한 열처리온도는 550°C에서 소정시간 실시하였다.
Slit nozzle 크기로 제조된 비정질 합금리본은 분말로 분쇄하기 위해 시계태엽처럼 권취하여 튜브전기로의 석영관 내에 장입(약 50 g/회)하고 450°C에서 30 min 동안 N2분위기에서 열처리 및 조분쇄 한 후, 볼밀(ball mill)로 최대 11시간 동안 밀링(볼 : 시료 = 6 : 1)하여 미분쇄하여 소정의 입도(26~74 μm, 74~125 μm, 53~74 μm, 44~53 μm, 37~44 μm, 26~ 37 μm, −26 μm)로 분급하여 사용하였다.
75 mm)로 제조하였다. 이때 사용된 윤활제(lubricant)는 별도의 기초실험을 통해 최적으로 선택된 Zn-stearate를 1 wt% 첨가하였으며, 16 ton/cm2으로 압축 성형하였다. 제조된 분말코어는 잔류응력 제거 및 나노결정화 열처리를 위해 무유도 권선로에 장입하여 N2 분위기에서 550°C에서 50 min 동안 열처리하였다.
이때 사용된 비정질 합금분말의 입도는 26~74 μm, Zn-st 윤활제는 합금분말의 1 wt% 첨가 및 나노 결정화 열처리는 550°C에서 1 h 동안 질소(N2) 분위기에서 실시하였다.
5는 분말코어 제조 시 성형특성이 우수한 윤활제 선택을 위해 상용 시판되는 paraffin, BN, Ca-st, Zn-st 및 HiLube 고체 윤활제를 26~74 μm 비정질 합금분말에 첨가하여 원통형 성형체(Ø13 mm) 시료의 성형조건(PEI 함량은 1 wt% 및 성형압력 450 kgf/cm2)을 동일하게 제조하여 성형밀도 (green density)를 조사한 결과이다. Ca-st를 첨가한 시료가 5.422 g/cm3로 가장 높게 나타났지만, 성형강도가 매우 약한 것으로 확인되어 본 연구에서는 이하 모두 Zn-st를 1 wt% 사용하여 실험하였다.
Fig. 9는 본 연구에서 합금분말 입도에 따라 제조한 분말코어의 외측 표면을 SEM으로 관찰한 결과로, 분말코어 압축성형 시 PEI 절연제는 모두 1 wt% 첨가하였으며, 결정화 열처리는 550°C에서 1 h 동안, N2 분위기에서 실시하였다.
대상 데이터
비정질 합금리본 제조 시 사용된 PFC 장치의 slit nozzle은 Ø38 mm*길이 220 mm의 투명 석영관 하단에 slit nozzle(넓이23 mm*간격0.45 mm)이 설치된 것을 사용하였다.
5B9Nb3Cu1 비정질 분말코어 제조 및 특성 평가실험을 위한 순서도를 나타낸 것이다. 사용된 원료금속의 순도는 상용 시약용 전해 철(Fe, 3N up), 규소(Si, 4N up), Fe-B alloy(15 wt%B, 3N), 전해 니오븀(Nb, 3N up), 전해 구리(Cu, 3N up)를 사용하였으며, 1회 용해 시 사용된 시료 량은 이론적 화학조성에 따라 총 250 g을 천평하여 사용하였다. 비정질 합금리본 제조 시 사용된 PFC 장치의 slit nozzle은 Ø38 mm*길이 220 mm의 투명 석영관 하단에 slit nozzle(넓이23 mm*간격0.
분급된 비정질 합금분말은 polyether imide(PEI)로 절연 코팅하여 토로이달 분말코어(OD12.7 mm*ID7.62 mm*H4.75 mm)로 제조하였다. 이때 사용된 윤활제(lubricant)는 별도의 기초실험을 통해 최적으로 선택된 Zn-stearate를 1 wt% 첨가하였으며, 16 ton/cm2으로 압축 성형하였다.
이론/모형
제조된 분말코어는 잔류응력 제거 및 나노결정화 열처리를 위해 무유도 권선로에 장입하여 N2 분위기에서 550°C에서 50 min 동안 열처리하였다. 또한 분말코어의 연자기적 특성 평가를 위해 임피던스 분석기(Hewlett Packard HP4284A)와 B-H analyzer (Iwatsu SY-8232)를 사용하였다.
성능/효과
합금리본 시료의 온도가 상승하면서 1차적으로 525°C(Tx1)에서 비교적 선명하게 나타난 peak는 bcc 구조의 초정 α-Fe(Si), 2차적으로 약 679°C(Tx2)에서 관찰된 peak는 잔류 비정질 상에서 고온 안정상으로 알려진 bct 구조 Fe2B 상의 석출에 따른 peak이며, 결정화 온도차(ΔTX = TX2 − TX1) 는 약 154°C임을 확인하였다.
(c)는 미분쇄한 비정질 합금분말을 절연코팅 및 압축성형하여 토로이달 코어(OD12.7 mm*ID7.62 mm*H4.75 mm)로 제조하여 나노 결정화를 위해 N2 분위기에서 550°C*1 h 동안 열처리하여 분석한 결과로 선명한 3개의 peak가 관찰되었으며, 모두 bcc구조인 α-Fe(Si) peak임을 확인하였다.
실효 투자율은 입도가 클수록 큰 값이 얻어져 74~125 μm 범위 분말코어의 경우, 100 kH에서 100이 얻어졌지만, 적용 주파수가 1 MHz로 높아지면 95로 5 % 저하함을 알 수 있다.
주파수 증가에 따른 변화율(코어손실 변화/주파수 변화)은 약간 차이가 있지만, 주파수 증가에 따라 코어손실은 선형적으로 증가하였으며, 입도차이에 따른 코어손실의 경우는 50 kHz에서 74~125 μm로 입도가 가장 클 때 242 mW/cc가 얻어졌지만, −26 μm로 작은 시료에서는 361 mW/cc로 약 33 % 증가하였다.
[1] 우선 합금조성을 PFC장치를 이용하여 비정질 합금리본을 제조한 후, 열처리, 미분쇄 및 분급하여 얻어진 합금분말에 절연 코팅제(PEI)의 첨가량을 0.5, 1.0, 2.0, 2.5 wt%로 변화시켜 15 ton/cm2으로 압축 및 결정화 열처리하여 제조한 토로이달 나노결정 분말코어(OD12.7 mm*ID7.62 mm*H4.75 mm)는 절연 코팅제 함량이 증가할수록 투자율은 감소하였지만, 코어손실 및 DC bias 특성은 향상됨을 확인하였다. 그러한 이유는 합금분말 절연 코팅제 첨가량이 증가할수록 비정질 합금분말 입자가 적어져 분말코어 성형체의 밀도가 낮아지지만, 합금분말 입자간 절연 특성이 상승하기 때문으로 추정되었으며, 절연 코팅제의 함량은 1 wt%가 가장 적합한 것으로 판단되었다.
75 mm)는 절연 코팅제 함량이 증가할수록 투자율은 감소하였지만, 코어손실 및 DC bias 특성은 향상됨을 확인하였다. 그러한 이유는 합금분말 절연 코팅제 첨가량이 증가할수록 비정질 합금분말 입자가 적어져 분말코어 성형체의 밀도가 낮아지지만, 합금분말 입자간 절연 특성이 상승하기 때문으로 추정되었으며, 절연 코팅제의 함량은 1 wt%가 가장 적합한 것으로 판단되었다.
[2] 또한 절연 코팅제 함량을 1 wt%로 고정하고, 합금분말의 입도에 따라 제조한 분말코어의 경우, 실효 투자율 및 코어손실은 입도가 클수록 우수하였지만, DC bias 특성은 인가 자장이 증가함에 따라 더욱 나빠짐을 확인하였다. 그 이유는 합금분말 표면의 절연 코팅 층 두께차이에 의한 절연효과, 잔류 공극 혹은 분말코어의 성형밀도 차이 등에 기인하는 것으로 추정되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
토로이달 나노결정 분말코어가 절연 코팅제 함량이 증가할수록 투자율은 감소하였지만, 코어손실 및 DC bias 특성은 향상하는 이유는?
75 mm)는 절연 코팅제 함량이 증가할수록 투자율은 감소하였지만, 코어손실 및 DC bias 특성은 향상됨을 확인하였다. 그러한 이유는 합금분말 절연 코팅제 첨가량이 증가할수록 비정질 합금분말 입자가 적어져 분말코어 성형체의 밀도가 낮아지지만, 합금분말 입자간 절연 특성이 상승하기 때문으로 추정되었으며, 절연 코팅제의 함량은 1 wt%가 가장 적합한 것으로 판단되었다.
비정질/나노결정 합금 분말코어에 사용되는 합금분말의 사용 방법은?
비정질/나노결정 합금 분말코어에 사용되는 합금분말은 고압 수분사법(high pressure water atomization)으로 제조하거나, 단롤법(single rolling process)으로 제조한 비정질 합금리본(alloy ribbon)을 ball mill이나 rotter mill 등의 기계적인 분쇄법으로 미분쇄한 분말의 표면에 물유리나 수지(water glass & epoxy) 등을 절연 코팅하여 사용한다. 이러한 분말 코어는 대부분 분말야금법으로 제조하기 때문에 합금리본을 이용하는 권취형(혹은 적층형) 코어에 비해 3차원적으로 균일한 연자성 특성, 매우 낮은 와전류 손실, 중주파 및 고주파 영역에서 상대적으로 낮은 철손 및 열적 특성이 우수할 뿐만 아니라, 코어설계 및 조립 특성에 관한 자유도가 넓어 제품의 고성능화 · 경량화 · 소형화 및 코스트 절감에 기여하는 것으로 알려져 있다[4-8].
비정질/나노결정 합금을 이용한 분말코어의 장점은?
이러한 고성능 고투자율 연자성 재료 중, 비정질/나노결정 합금을 이용한 분말코어(powder core)는 종래 MPP, HIGH FLUX 등에 비해 비교적 가격적으로 유리할 뿐만 아니라, 특히 대전류 및 고주파 영역에서 투자율 및 코어 손실 등의 자기적 특성이 우수한 것으로 알려져 그 수요가 증가 있는 상황이다. Table I은 현재 상용 대표적 연자성 분말코어의 연자기적/물리적 특성 및 코스트 비교, 그리고 적용 주파수 대역 범위를 나타낸 것이다.
참고문헌 (9)
Y. Sato and J. Shibata, Transaction of the JSME (in Japanese) 61, 260 (1995).
A. Goldman, Handbook of Modern Ferromagnetic materials, Kluwer Academic Publishers, Boston, 183 (1999).
K. B. Choi, Kor. Inst. Pow. Elect. 11, 26 (2006).
K. B. Choi, Ph.D. Thesis, Yonsei University, Korea, 93 (2004).
T. H. Noh, H. Y. Choi and S. J. Ahn, J. Korean Magn. Soc. 14, 7 (2004).
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