온간성형으로 제조된 Fe 분말코어의 소결특성 및 자성특성

Abstract

나노입자는 기존의 마이크론 및 벌크재료에 비해 입자 미세화에 의한 특성과 높은 표면적으로 인해 재료의 기본적인 특성인 강도, 전자기적, 광학적 성질 및 흡수성, 촉매능 등이 급격히 증가하는 특징이 있어, 최근의 나노재료 연구에 가장 활발히 연구되고 있는 분야이다. 특히 Fe, Co, Ni 등과 같은 자성 재료는 단자구 크기보다도 작은 입자의 제조가 가능하여 기존 자성재료의 특성 향상은 물론, 자성유체, 자기냉동장치 등에 응용될 수 있는 새로운 소재의 개발이 가능하다. 나노입자를 제조하는 방법에는 기상응축법 (Gas Condensation), Sputter 증착법, 화학기상응축법 (Chemical Vapor Condensation), 기계적합금화 (Mechanical Alloying) 공정등이 있다. 기상응축법이나 Sputter 증착법 등은 미세한 나노구조 재료를 얻을 수 있다는 장점이 있으나 제조 비용이 비싸다는 단점이 있으며, 화학기상응축법은 미세한 나노구조 재료를 얻을 수 있으나 제조시 발생하는 분말 표면의 산화 때문에 연자성 특성에 악영향을 준다. 또한 기계적합금화 공정으로 제조된 분말의 경우 적은 제조비용으로 대량의 나노구조 합금분말을 제조할 수 있으나, 공정 중 혼입된 불순물과 소성변형이 자성특성을 저하시키는 등의 제조 방법에 따라 장단점이 존재하고 있다. 이번 연구에서는 Fe oxide 분말을 원재료로 사용하여 여러 제조방법들 중 상대적으로 적은 비용으로 대량의 나노구조 분말을 제조할 수 있는 고 에너지 볼밀링을 실시한 후 수소환원 함으로써 뛰어난 연자성 특성을 가지고 성형시 자성코어 특성을 가지는 분말을 제조할 수 있는 방법을 모색하였다. 또한 성형시 분말을 코팅하는 바인더를 첨가한 온간성형법을 도입함으로써 성형밀도를 높이고 바인더에 의한 절연효과에 의해서 코어로스 (core loss) 를 줄일 수 있는 방법으로 실험을 진행하였다. 본 실험에서는 미세한 나노구조 Fe 분말을 제조함에 있어 상용 Fe₂O₃ 분말을 400rpm 으로 수평식 어트리션 밀에서 1~50 시간까지 고 에너지 볼밀링을 하였다. 제조된 분말의 밀링시간에 따른 분말의 구조적 특성을 XRD, SEM, TEM, PSA 등의 방법을 이용해 조사한 결과, 30 시간의 볼밀링후 입자 크기와 결정립 크기가 평형상태에 도달함을 관찰할 수 있었다. 이 때 응집체 크기는 평균 5㎛, 입자 크기는 약 200nm, 결정립의 크기는 약 32nm였다. 이후 30시간 밀링한 분말을 이용하여 응집체 크기를 균일하게 하기 위하여 원심분리를 실시한 결과 대분말의 경우 약 10㎛, 중분말의 경우 3㎛, 소분말의 경우 약 1㎛의 균일한 응집체를 갖는 것을 확인하였다. 이렇게 제조된 밀링분말의 환원거동은 반응 후 배출되는 가스의 습도 분석을 통해 확인하였다. 그 결과 Fe₂O₃의 환원과정은 크게 2부분으로 구분되어 나타났다. 온도가 상승함에 따라 Fe2O3에서 Fe₃O₄로의 환원과 Fe₃O₄에서 FeO, Fe로의 환원 과정이 나타났으며, 응집체의 크기가 감소함에 따라서 전체적인 환원반응의 온도가 낮아지는 것을 관찰 할 수 있었다.환원 후 산소가 빠져나감으로써 응집체의 크기가 전체적으로 감소했음을 확인하였다. 제조된 Fe 분말을 이용하여 성형밀도를 높이기 위하여 온간성형을 실시 하였다. 온간성형시 첨가하는 바인더의 양, 성형압력, 온간성형 온도 등을 변수로 실험하여 0.8wt.%, 600MPa, 280℃ 의 적정조건으로 소결을 실시하였다. 소결거동을 관찰하기 위한 dilatometric 분석결과 나노구조 Fe 분말은 일반 상용분말 보다 낮은 온도인 700℃ 정도부터 고상소결이 진행됨을 확인 할 수 있었다. 이렇게 제조된 소결체와 함께 고분자 바인더의 양에 따른 코어손실과 투자율 (permeability)를 측정한 결과 코어로스의 양은 소결체에 비해 바인더를 혼합하여 온간성형한 성형체가 상당히 낮은 값을 가지는 것을 알 수 있었다. 바인더의 첨가로 인하여 전체적인 저항값의 증가에 의한 낮은 코어로스 값을 나타내는 것으로 보아 제품 성형시 바인더의 첨가로 인해서 분말 자체를 절연시키는 것이 코어제작시 중요한 요소임을 확인 할 수 있었다.