Design and characterization of soft magnetic alloy composites

Abstract

효율적인 에너지 전환은 에너지 보존 및 탄소 중립을 위한 고효율 에너지 전략의 주요 과제이다. 전자기 장치의 고효율화를 달성하기 위해서는 특히 전력변환용 소재의 고주파화, 고특성화를 필연적으로 요구하고 있다. 연자성 합금은 포화자화가 높고 코어 손실이 낮으므로 에너지 변환 및 전자 분야에서 중요한 소재 사용된다. 현재 사용되고 있는 단일 조성 소재의 경우 포화자화의 증가와 손실 저감의 두 특성을 동시에 만족하는데 한계를 나타내고 있으며, 이를 극복하기 위해 복합재료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. Mn-Zn 페라이트와 Ni-Zn 페라이트의 경우 Fe 산화물을 기반으로 한 우수한 비저항 특성으로 고주파수의 영역에서 활용되지만, 낮은 포화자속밀도로 효율이 떨어진다. 따라서, 이러한 Fe 산화물 소재를 효과적으로 대체할 수 있는 고주파수용 금속계 연자성 복합재료의 개발이 필요하다. 연자성 복합재(soft magnetic composites, SMCs)는 고주파 특성 개선을 위해 와전류 손실 저감에 필요한 전기 절연층으로 둘러싸인 Fe계 자성 분말, 비정질 및 나노결정질 리본 등을 지칭하며, 높은 투자율 및 자속 밀도를 달성하기 위해 고밀도 성형 및 적층이 요구된다. 이 연구에서는 Fe-Si계 금속성 분말을 이용하여 Si의 선택적 산화를 유도한 Fe-Si@(SiO)2 코어-쉘 분말을 제조하여 그 특성을 평가하였다. Si의 선택적 산화는 강자성 손실을 최소화 함으로써 200 eum/g 이상의 높은 포화자속밀도가 측정되었으며, 제조된 코어는 100 MHz 이상에서 강자성 공명(ferromagnetic resonance)이 발생하였다. 또한, 습식 공정을 이용하여 Fe-Si 분말 표면에 인산염을 코팅한 Fe-Si@Fe3(PO4)2 코어-쉘 분말을 이용하여 성형체 제조 후 자기적 특성을 평가하였다. 제조된 성형체는 유연하고 균일한 인산염 절연막과 함께 이론 밀도 96%의 고밀도로 제조되었으며, 고주파수에서 와전류 손실이 효과적으로 제어되었음을 확인하였다. 시트 형태의 연자성 복합재인 나노결정 리본은 Fe-B-C-Cu의 4원계 합금 조성과 Fe-B-C-Cu-Nb의 5원계 합금 조성으로 나누어 제조되었다. 먼저 Fe-B-C-Cu의 4원계 용융 방사 리본은 결정 핵 생성을 위한 1단계 온도와 결정성장 억제를 위한 2단계 온도를 각각 다르게 설정하여 어닐링 하였으며, 그 결과 23.9 nm 크기의 나노그레인들이 형성 되었다. 2단계 어닐링의 유지시간이 증가함에도 나노그레인의 성장은 제어되었고, 그 결과 193 eum/g의 포화자화와 0.57 Oe의 보자력이 측정 되었다. Fe-B-C-Cu-Nb의 5원계 용융 리본은 Cu와 Nb의 첨가량을 조절함으로써 결정 핵 생성과 결정성장 억제 효과의 균형을 조절하였다. Cu는 비정질 매트릭스에 고밀도의 결정핵을 생성함으로써 용융 방사 리본의 결정화를 촉진하였고, Nb는 Fe계 합금의 열적 안정성을 증가 시키고 결정립계 편석으로 a-Fe 나노그레인의 급속한 성장을 억제하여 구형 나노그레인들의 형성을 유도하였다.|Efficient energy conversion is an important task for energy conservation and carbon neutrality. In order to increase the efficiency of electronic devices, it is essential to increase the operating frequency and improve the properties of power conversion materials. Soft magnetic materials play an important role in energy conversion and electronics due to their high saturation magnetization and low core loss. However, single-component materials have limitations in simultaneously achieving increased saturation magnetization and reduced losses. Iron oxide-based materials such as Mn-Zn ferrite and Ni-Zn ferrite are used in the high-frequency region with excellent resistance properties, but their efficiency is reduced due to their low magnetic flux density. Therefore, there is a need to develop high-frequency soft magnetic composite materials that can effectively replace iron oxide-based materials. Soft Magnetic Composites (SMCs) refer to materials composed of iron-based magnetic powders, amorphous, and nanocrystalline ribbons surrounded by electrically insulation layers, aimed at reducing eddy current losses for improved high-frequency performance. Achieving high permeability and magnetization density in SMCs requires high-density compaction and stacking. In this study, metallic soft magnetic composites and nanocrystalline ribbons were fabricated, and their magnetic properties and microstructure were analyzed. First of all, Fe-Si metallic powders were used to manufacture Fe-Si@(SiO)2 core-shell particles through the induction of selective oxidation of Si. The selective oxidation of Si minimized the ferromagnetic losses in Fe-Si powders, enabling the maintenance of a high saturation magnetization of over 200 emu/g. Core made from the Fe-Si@(SiO)2 core-shell powders exhibited ferromagnetic resonances (FMR) at frequencies exceeding 100 MHz, confirming their applicability in the high-frequency region. In addition, Fe-Si@Fe3(PO4)2 core-shell powder with a phosphate coating on the surface of the Fe-Si powder was manufactured using a wet process. The prepared powder was compacted for evaluation of its microstructure and magnetic properties. The compacted core had a theoretical density of 98%, and a flexible and uniform phosphate insulation layer was observed inside the compact. In particular, as the eddy current loss was effectively controlled, superior loss properties compared to electrical steel sheets were measured at frequencies above 2.5 kHz. Secondly, nanocrystalline ribbons were manufactured with two compositions, Fe-B-C-Cu and Fe-B-C-Cu-Nb, and their magnetic properties and microstructure were analyzed according to differences in annealing conditions and alloy composition. The Fe-B-C-Cu melt-spun ribbon was annealed consecutively at different temperatures: primary temperatures for crystal nucleation and secondary temperatures for suppressing crystal growth. As a result, angular nanograins with a size of 23.9 nm were formed, and the growth of nanograins was controlled despite the increase in the secondary annealing holding time. Compared to the one-step annealed ribbon, the saturation magnetization of the two-step annealed ribbon increased from 191 to 193 emu/g, but the coercivity decreased from 1.17 to 0.57 Oe. For Fe-B-C-Cu-Nb melt-spun ribbons, the balance between promoting nucleation and suppressing crystal growth was controlled by adjusting the amounts of added Cu and Nb. Cu promoted the crystallization of melt-spun ribbons by creating dense nucleation sites in the amorphous matrix, whereas Nb increased the thermal stability of Fe-based alloys and inhibited the rapid growth of Fe nanograins by segregating at grain boundaries.