인산망간 코팅을 이용한 SMC용 철 분말에 대한 연구

Abstract

에너지 변환에 사용되는 SMC(soft magnetic composites)는 인덕터, 변압기, 모터 등을 포함하여 많은 분야에서 점차 사용이 광범위해지고 있다. 주로 전기 강판에 절연막 처리를 하여 사용되어 왔지만 제품의 소형화가 진행됨에 따라 시트에 비해 코어의 형태 제약이 적고 상대적으로 중량이 가벼운 분말 형태의 SMC 소재가 주목받고 있다. SMC용 금속 코팅분말이 모터 등의 회전체에 사용하려면 회전에 의한 토크를 버텨야 되기 때문이 높은 밀도로 성형되어야 하며, 분말을 성형하게 되면 분말 입도 내에 응력이 발생하기 때문에 추가적인 열처리 과정이 필요하게 된다. 따라서 자성이 없는 코팅 층은 최대한 얇으면서 내마모성 및 성형성이 좋아야 하고, 고온안정성이 높아 금속 분말 내에 절연 역할을 수행하여야 된다. 이에 본 연구에서는 일반적인 방법인 인산화철 절연 코팅보다 손실 특성이 좋고 수용액으로 용액의 피막처리가 가능한 인산망간 코팅의 최적화를 진행하는 실험을 진행하였다. 자성 특성의 향상 및 코어 로스를 줄이기 위해 최적화를 하는 과정에서 구연산(Citric acid), 질산기(Nitrate; ), 코팅시간을 변수로 주었다. 여기서 질산기는 철 분말 표면에 인산염의 핵 생성을 증가시키는 역할을 하고 구연산은 생성된 인산염의 핵 성장을 억제하는 역할을 수행한다. 일반적으로 인산화철, 인산망간, 인산마그네슘, 인산아연 등의 코팅 층의 경우 원 재료를 산화물의 형태나 황화물 형태 등 다양한 형태로 첨가하여 코팅을 진행하고 있는데 본 실험에서는 수용액에서 용해도가 있는 질산망간을 선택하여 원 재료인 망간과 질산기를 동시에 첨가하였다. XPS와 FT-IR를 사용하여 코팅 성분과 화학결합을 측정한 결과 기존의 인산화철과 수용액 공정을 한 인산망간 코팅 층 모두 인산염() 구조를 가지는 것으로 보아 수용액 공정으로 변경하여도 인산염 피막 생성에 큰 영향이 없는 것으로 판단되었다. SEM을 이용하여 단면과 표면 형상을 측정한 결과 인산화철은 약 70 nm, 인산망간은 약 140 nm의 두께를 가지는 것을 알 수 있었고, 인산화철의 표면이 인산망간에 비해 매끄러운 것을 확인할 수 있었는데 이는 코팅 층의 생성 방식의 차이에서 오는 것으로 판단할 수 있었다. 분말을 성형한 뒤 각 각 500℃, 550℃, 600℃로 열처리를 진행한 뒤 BH-analyzer와 VSM을 이용하여 자성특성을 측정한 결과, 열처리 온도가 상승할수록 분말 내 응력 해소로 인한 히스테리시스 손실이 감소하는 경향을 보였고, 와전류 손실은 인산화철이 510℃ 이후, 인산망간이 600℃ 이후부터 증가하는 경향을 확인하였다. 이는 인산염의 종류에 따라 분해되는 온도가 다르기 때문이고, 인산망간이 100℃ 가량 더 높은 고온안정성을 가지기 때문에 전체 손실은 인산화철 대비 약 10% 더 낮은 에너지 손실 특성을 가지는 것을 확인하였다. 이와 같은 실험을 통하여 기존에 내마모성 코팅을 목적으로 하는 인산망간 피막을 수용액 조건으로 최적화를 시도하였고, 추가 열처리 공정을 통하여 히스테리시스 손실을 낮춤으로 저주파수 대역에서 손실특성이 좋은 SMC용 자성분말을 제조하였다.