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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 변압기 코어 재료로 사용되는 Fe-Si 전기강판 폐스크랩(scrap)을 이용하여, EMC 차폐소재로 활용 가능한 Fe-Si계 연자성 소재로 재활용 하기 위한 정련 공정기술 및 고순도화 실험을 진행하였다. 또한 벌크의 Fe-Si 소재를 가스 아토마이제이션(gas automization) 공법을 이용하여 분말로 제조한 후 테이프 케스팅(tape casting) 공정을 통해 EMC 차폐를 위한 연자성 부품으로 적용 가능성 검토를 위한 실험을 진행하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 재활용된 전기강판 scrap을 이용하여 제조한 재활용 합금을 이용하여 분말을 제조하였다. 또한 기존 순철 및 Si 분말로 제조한 Fe-6.5%Si 합금분말을 제조한 후 재활용된 분말과의 특성을 비교분석 하였다. 제조된 분말은 Fig.
- 따라서 본 연구에서는 변압기 코어 재료로 사용되는 Fe-Si 전기강판 폐스크랩(scrap)을 이용하여, EMC 차폐소재로 활용 가능한 Fe-Si계 연자성 소재로 재활용 하기 위한 정련 공정기술 및 고순도화 실험을 진행하였다. 또한 벌크의 Fe-Si 소재를 가스 아토마이제이션(gas automization) 공법을 이용하여 분말로 제조한 후 테이프 케스팅(tape casting) 공정을 통해 EMC 차폐를 위한 연자성 부품으로 적용 가능성 검토를 위한 실험을 진행하였다.
- 본 연구에서는 변압기 코어 등으로 사용되는 Fe-Si 전기강판 폐스크랩을 이용하여 Fe-6.5Si 고순도 합금제조를 하였으며, 이 모합금을 이용하여 분말을 제조하고, 다양한 전처리 과정을 통해 연자성 복합체 재료로 활용 가능성을 평가하기 위해 sheet를 제조한 후 자성을 비교분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 5Si 분말을 제조하였다. 분말 제조를 위한 공정변수로는 노즐(nozzle)과 오리피스(orifice)의 형상과 크기, 분무압력, 분무온도 등을 변경하여 최적의 구형 분말을 제조하였다. Table 1의 조건에서 분무 가스를 Ar, He, N2 를 사용하고, 분무압력을 80 bar까지 증가하며 최적 조건을 도출하였다.
- 전기강판 스크랩의 표면에 코팅된 절연피막의 제거를 위해 알코올 및 아세톤을 사용하여 유기 바인더 및 표면 이물질의 세척공정을 진행하였다. 전기강판 표면의 바인더를 제거한 후 연자성 소재의 모합금 제조를 위해 전기로에서 폐스크랩의 재 용해공정을 진행하였으며, 용해 중 용탕에 45 µm 크기 이하의 Si 미분을 첨가하며 연자성 소재로 활용하기 위한 모합금의 목표 합금조성을 얻을 수 있었다. 용해 공정온도는 용해되는 재료의 융점보다 100oC 정도 높은 1,750oC에서 용해하여 모합금 제조를 하였다.
대상 데이터
- 제조된 모합금을 이용하여 Fig. 4와 같이 closed high pressure gas (CHPG) atomizer 장비를 사용하여 Table 1과 같은 조건에서 Fe-6.5Si 분말을 제조하였다. 분말 제조를 위한 공정변수로는 노즐(nozzle)과 오리피스(orifice)의 형상과 크기, 분무압력, 분무온도 등을 변경하여 최적의 구형 분말을 제조하였다.
- 현재 사용되고 있는 전기강판의 경우 2~3% Si이 함유되어 있지만 Si 함량이 증가하게 되면 기존 압연공정을 통한 전기강판을 제조하는 것이 매우 어렵게 된다. 본 연구에서는 재활용된 전기강판 scrap을 이용하여 제조한 재활용 합금을 이용하여 분말을 제조하였다. 또한 기존 순철 및 Si 분말로 제조한 Fe-6.
- 연구에 사용된 스크랩은 변압기에 사용되는 방향성 전기강판으로 양면에 절연 피막이 코팅 되어있다. 주사 전자현미경(SEM)을 이용하여 전기강판의 단면을 관찰해 본 결과 Fig.
성능/효과
- 1) Fe-3.1Si 전기강판 폐스크랩을 이용하여 Fe-6.5Si 합금을 제조하였고, 이렇게 제조된 모합금을 이용하여 분말을 제조한 결과 입도 45~150 µm 정도의 구형 분말을 얻을 수 있었다. 폐스크랩을 사용하여 제조한 합금의 조성 및 미세조직은 상용 소재로 제조된 것과 동등수준의 미세조직 및 입도를 나타내었다.
- 2) 제조된 분말을 이용하여 고편상화한 결과, 450 rpm 회전속도로 가공한 분말은 10~12 h 후 2.3 µm 두께에 도달하였으며 aspect ratio는 65~66의 값을 나타내어, 기존 소재와 유사한 가공특성을 갖는 것으로 판단되었다. 또한 가공된 분말을 열처리 과정을 통해 자성소재용 sheet로 제조한 결과, 적정한 열처리 온도는 300~400℃ 정도 에서 가정 적절한 투자율과 밀도를 갖는 것으로 판단된다.
- 또한 SEM 분석결과에서도 분말의 구형 형상을 잘 유지하고 있음을 알 수 있었다. 따라서 재활용 소재를 사용하여 미세분말을 제조할 경우, 분말의 형상 및 입도분포는 기존 순수 Fe, Si를 사용하여 제조된 것과 매우 유사한 수준을 얻을 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과로 볼 때, 이후 자성특성에 대한 유사한 결과를 얻는다면, 충분히 재활용 소재를 사용하여 원가절감 및 에너지 효율이 향상되는 제조공정을 통해 전자제품으로 활용이 가능할 것으로 생각된다.
- 5Si 합금에 대한 용해, 고순도화한 합금의 분말제조 특성이 상용 합금분말과 유사하였다. 또한 복합체 연자성 시트로 제조하기 위한 고편상화 및 테입의 제조특성이 상용 소재와 유사한 결과를 나타난 것으로 볼 때, Fe-Si 전기강판 폐스크랩을 전자제품용 연자성 복합체 소재로 활용이 가능함을 확인할 수 있었다.
- 또한 가공된 분말을 열처리 과정을 통해 자성소재용 sheet로 제조한 결과, 적정한 열처리 온도는 300~400℃ 정도 에서 가정 적절한 투자율과 밀도를 갖는 것으로 판단된다. 이러한 결과로 볼 때, Fe-Si 전기강판 폐스크랩을 이용한 연자성 소재로 활용이 가능함을 확인 할 수 있었다.
- 5 µm에 도달하였다. 폐스크랩을 이용하여 제조된 분말은 고순도 (Fe+Si)로 제작된 분말에 대해 고에너지 밀링 장치인 Attritor의 가공성을 비교한 결과, 두 분말 모두 유사하게, 450 rpm의 회전속도로 가공한 분말은 10~12 h 가공 후에 2.3~2.4 µm의 두께에 도달하였으며 AR은 65~66의 값을 가져 가공 특성에 차이점은 관찰되지 않았다. 따라서 재활용 소재를 활용하여 고편상화 가공을 할 경우, 기존 고순도 재료와 차이가 없음을 확인 할 수 있었다.
후속연구
- 이중 고순도 폴리 실리콘 제조를 위한 원료로 직경 45~425 µm 크기의 MG-Si 분말이 사용되고 있으며, 이 범위에 포함되지 않는 분말은 저가의 원료로 취급되거나 중국으로 유출 되어 저가의 내화재 등으로 활용되고 있는 실정이다. 따라서 태양광모듈 제조 공정 중 발생하는 부산물인 2N급 이상의 Si 자원을 회수할 경우 MG-Si 제조시 발생되는 CO2 발생을 억제할 수 있고, 합금제조를 위해 사용되는 전력사용도 감축할 수 있어 향후 환경변화 및 에너지 위기 대응이 가능할 것이다. 또한 희소 금속인 Si 자원을 확보할 수 있으며, 저가의 원료 사용으로 인한 모터 코어 및 연자성 소재 등과 같은 고부가가치 부품소재로 활용이 가능할 것이다(Fig.
- 따라서 태양광모듈 제조 공정 중 발생하는 부산물인 2N급 이상의 Si 자원을 회수할 경우 MG-Si 제조시 발생되는 CO2 발생을 억제할 수 있고, 합금제조를 위해 사용되는 전력사용도 감축할 수 있어 향후 환경변화 및 에너지 위기 대응이 가능할 것이다. 또한 희소 금속인 Si 자원을 확보할 수 있으며, 저가의 원료 사용으로 인한 모터 코어 및 연자성 소재 등과 같은 고부가가치 부품소재로 활용이 가능할 것이다(Fig. 2).
- 따라서 재활용 소재를 사용하여 미세분말을 제조할 경우, 분말의 형상 및 입도분포는 기존 순수 Fe, Si를 사용하여 제조된 것과 매우 유사한 수준을 얻을 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과로 볼 때, 이후 자성특성에 대한 유사한 결과를 얻는다면, 충분히 재활용 소재를 사용하여 원가절감 및 에너지 효율이 향상되는 제조공정을 통해 전자제품으로 활용이 가능할 것으로 생각된다.
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