Fe-Si계 합금 리본을 이용한 전자파 차폐 및 흡수체 소재에 관한 연구

Abstract

최근에는 스마트폰을 중심으로 코일 사이의 자기 유도 현상을 이용하여 모바일 기기용 근거리 무선전력충전(Wireless Power Charger : WPC) 시스템 개발에 대한 연구가 진행되고 있다. 무선전력을 이용한 전력전송 기술은 19세기 말 테스라에 의해 처음 시도되었으며, 자기유도방식에서 2007년 MIT에서 새롭게 제시한 자기공진방식으로 발전해 나가고 있다. 무선충전 시스템은 전력 공급원과 전력 수신부 사이의 자기유도(Inductive coupling)현상이나 자기공진(Magnetic resonance)현상을 이용한다. 자기유도방식은 1, 2차 코일간의 전자기 유도현상을 이용하여 송신부의 전력을 수신 부로 전달하는 방식이며, 자기공진방식은 같은 공진 주파수를 갖는 송신과 수신의 코일 사이의 공명 현상을 이용하여 전력을 송/수신하는 것이다. 자기유도방식을 이용한 WPC 및 PMA(Power Matters Alliance) 제품은 이미 각 단체의 표준이 마련되었고, 회원사들을 중심으로 다양한 제품이 생산되고 있다. 그러나 유효 전력전송 거리는 약 3cm 이내로 거리의 제약을 받으며, 다중 기기를 동시에 충전할 수 없는 문제점들이 있다. 그 밖의 충전 중 송신부와 수신부 사이의 이물질 등에 의한 발열 또한 문제가 되고 있다. PowerbyProxi社(New zealand)는 일반 WPC에서 사용하는 주파수 대역을 사용하지만 높은 품질 계수를 갖는 시스템을 설계하여 하나의 송신부에서 다중기기의 동시충전을 성공 하였으나, 자유로운 위치에서의 충전은 문제점으로 남아 있다. 최근에는 기존 자기유도방식의 문제점을 해결 할 수 있는 자기공진방식의 무선충전이 연구 중이다. 자기공진방식은 자기유도방식에 비해 송/수신부의 거리와 방향의 제약이 없지만, 전자기장 에너지가 공간으로 방사되는 특성상 그 공간으로 전자기장 에너지가 누설되고 그에 따른 유해 자기장이 발생하며 에너지 전송 효율 감소 및 기타 전자제품으로의 노이즈를 발생시킨다. 자기공진방식의 무선충전은 뒤늦게 표준 제정이 완료되고 상용화를 준비 중이다. 무선방식의 전력전송은 그 환경에 따라 비전도성 매질이 변하며 그와 함께 전송거리에 영향을 받는다. 따라서 전도성 매질을 이용한 유선방식에 비해 무선방식의 전력전송은 에너지 변환 과정에서 전송 효율이 낮아질 수밖에 없다. 전송효율을 유선방식에 근접한 수준까지 얻기 위해 현재 상용되는 WPC용 자기유도방식의 무선전력 전송은 저전력의 휴대용 단말기 충전에 국한되어 있으며, 충전패드와 단말기의 방향과 거리에 따라 에너지 손실률이 급격히 증가하므로 실용성이 떨어지게 된다. 100 kHz 이하의 저주파 자기장은 매우 약한 와전류가 발생하지만, 고주파 자기장일 경우, 이를 상쇄하지 못하므로 전도체만으로는 차폐가 불가능하다. 현재 상용되는 100~205 kHz 대역의 무선충전용 전자파 차폐는 MnZn 페라이트 자성 시트를 이용한다. 페라이트 재료는 Fe3O4를 주성분으로 하는 준강자성 산화물로, 주성분인 Fe3O4에 의해 높은 비저항을 갖게 되어 고주파 대역에서 와전류의 손실을 억제하게 된다. MnZn 페라이트의 경우 500 kHz 대역까지 투자율 1000의 유지가 가능하지만, 페라이트의 특성상 포화자화가 낮아 MHz 대역에서 투자율이 급격하게 떨어진다. 따라서 입사된 자기장을 소재 내부로 밀집 시킬 수 있는 높은 자속밀도의 금속성 연자성 소재가 대체 재료로 대두 되고 있으며, 금속성 소재의 와전류 손실을 줄이기 위한 입자간의 절연에 대한 다양한 연구가 진행 되고 있다. 교류 전기장이 비저항이 0인 전도체 표면에 입사되면, 전기장에 전도체 표면을 따라 흐르므로 전자기장의 차폐가 가능해진다. 또한 교류 자기장에 전도체 표면에 입사될 경우, 그 수직면 방향으로 와전류(eddy current)가 발생하여 입사된 자기장을 상쇄시키는 반 자기장을 만들어 차폐가 가능하다. 본 연구에서는 100~205 kHz 대역에서 MnZn 페라이트를 대체 가능하며, 보다 높은 포화 자속밀도를 갖는 금속성 연자성 시트의 제조에 목적을 두었으며, 열처리 공정을 통한 절연막 생성으로 고주파 대역에서의 총 코어 로스(core loss)를 줄이고자 하였다. 따라서 급속 응고 공정을 이용 하여 금속성 Fe-Si 합금 리본을 제조하였으며, 열처리 공정에서 제조된 합금 리본의 표면에 SiO2 산화막을 제조 하여 열처리 시간에 따른 자성 변화에 대하여 고찰 하였다.