FeSiB과 FeSiCrB 비정질 분말 및 복합체의 열처리가 전자기적 특성에 미치는 영향 :Effects of annealing on the electromagnetic characteristics of FeSiB and FeSiCrB amorphous composite powders

김대유

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김대유 (한국외국어대학교, 한국외국어대학교 대학원)

지도교수: 이보화

발행연도: 2023

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2023

FeSiB과 FeSiCrB 비정질 분말 및 복합체의 열처리가 전자기적 특성에 미치는 영향

김대유 2023.01 학위논문

2022

CIP와 Fe nano 분말 첨가에 따른 FeSiCrB 연자성 복합체의 자기적 특성

김대유 , 박봉태 , 우혁준 외 1명 한국자기학회 학술연구발표회 논문개요집 2022.05 학술대회자료

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최근 칩 파워 인덕터는 모바일 기기 및 전장용 모듈의 고출력 및 고효율화를 위해 고주파영역(1 MHz 대역)에서의 낮은 에너지 손실과 높은 DC Bias특성 확보가 요구되고 있다. 이에 Fe 함량이 높으면서도 코어 손실(core loss; Pcv)이 낮은 비정질 연자성 소재가 채택되어 사용되고 있다. 하지만 이러한 비정질 연자성 소재의 개발과 생산은 현재 일본의 Epson Atmix社에서 독점하다시피 하고 있다. 이에 따라 해외 의존도를 낮추기 위해 비정질 연자성 소재의 개발 및 성능 향상을 통한 내재화가 요구되고 있다. 비정질 연자성 합금 분말인 FeSiCrB 미절연, 절연 분말 및 FeSiB 미절연, 절연 분말과 각각의 분말과 바인더를 혼합한 코어를 각각 다양한 조건의 온도에서 열처리(annealing)하여 열처리에 따른 분말과 코어의 전자기적 특성에 관한 연구를 진행하였다. 비정질 연자성 합금 분말과 해당 파우더를 사용해 성형한 코어는 각각의 제조 과정에서 응력(stress)이 발생한다. 따라서 각각의 응력이 열처리 온도에 따라 변화함을 확인하기 위해 분말 상태에서의 열처리, 코어 성형 후 열처리의 두가지 방법으로 분류하여 열처리를 진행하였다.
이를 통해 열처리 온도의 변화에 따른 전자기적 특성의 변화와 응력간의 관계를 연구하였다. FeSiCrB & FeSiB 미절연, 절연 비정질 연자성 합금 분말을 주 원료로, 코어 성형 시 필수적으로 첨가되는 바인더는 페놀수지를 주성분으로 하는 열경화성 에폭시 레진을 선정하였다.
DSC, XRD, SEM, EDS으로 각 분말의 결정화 온도, 결정구조, 입자형상 및 성분 등을 파악하고자 하였고 VSM, 분체 비저항 측정 시스템으로 각 분말의 열처리에 따른 전자기적 특성의 변화를 파악하고자 하였다. 열처리한 분말을 바인더와 혼합 후 성형한 복합체와 열처리 하지 않은 분말을 코어로 성형 후 열처리한 복합체를 권선한 후, 인덕터의 특성인 투자율과 손실 값을 Impedance 분석기와 B-H 분석기로 측정하여 열처리에 따른 변화를 분석하였다. 또한 복합체의 bulk 비저항을 Impedance 분석기(with 16451B)로 측정하여 열처리에 따른 변화를 분석하였다. 열처리에 따른 FeSiCrB & FeSiB 미절연, 절연 비정질 연자성 합금 분말과 복합체의 전자기적 특성 변화에 대한 연구 수행 결과, 결정화 온도에 근접한 온도에서 열처리 한 경우 보자력의 감소와 코어 손실의 감소가 확인되었다. 또한, 결정화 온도에 근접한 온도에서 비저항의 증가와 코어 손실의 감소가 확인되었다.

High-power and high-efficiency mobile devices and electronic modules operating at high frequencies (1 MHz band) require chip power inductors to reduce energy loss and improve the DC bias characteristics. Accordingly, an amorphous soft magnetic material with a high Fe content and a low core loss is used for fabricating such chip power inductors. However, the development and production of these amorphous soft magnetic materials are currently monopolized by Epson Atmix in Japan. Thus, internalization through development and performance improvement of amorphous soft magnetic materials is required to reduce dependence on foreign countries.
In this study, a core was fabricated by mixing FeSiCrB (insulating powder) and FeSiB, which are amorphous soft magnetic alloy (ASMA)powders, with a binder, the electromagnetic characteristics of these powders and the core were analyzed at different annealing temperatures. These ASMA powders and the corresponding core generate stress during their manufacturing processes, and thus, the annealing was carried out both in the powder state and after the core molding to confirm and determine the temperature-dependent changes in the generated stresses. The corresponding results were used to deduce the relationship between the changes in the electromagnetic properties and stress and the annealing temperature. A thermosetting epoxy resin containing a phenol resin as the main component was selected as the binder, and non-insulated and insulated powders of FeSiCrB and FeSiB, ASMAs were utilized as the main raw materials.
We analyzed the crystallization temperature, crystal structure, particle shape, and component of each powder using differential scanning calorimetry, X-ray diffraction, scanning electron microscopy, and energy-dispersive X-ray spectroscopy. To evaluate the annealing temperature-induced changes in the electromagnetic characteristics, a vibrating sample magnetometer and powder-specific-resistance measurement system were used. After mixing the annealed powder with the binder, the molded composite and non-annealed powder were molded into a core, and the annealed composite was wound around it. The bulk specific resistance of the composite was measured using an impedance analyzer (with 16451B), and the investment rate and energy loss of the inductor were measured using impedance and B-H analyzers, which monitored the annealing-treatment-induced changes in the characteristics of the core and powders. The results of the aforementioned analyses confirmed that the retention force, resistance, and core loss of the composite remarkably decrease upon annealing treatment at a temperature close to the crystallization temperature.

제 1장 서 론 1
1.1. 제 1 절 연구 배경 1
1.1.1 (1) 전장부품 시장 이슈 1
1.1.2 (2) 칩 파워 인덕터 재료 3
1.2. 제 2 절 이론적 배경 5
1.2.1 (1) 비정질 연자성 합금 5
1.2.2 (2) 가스 아토마이징 방법과 연자성 복합 재료 6
1.2.3 (3) 코어 손실(Core Loss) 6
1.2.4 (4) 열처리(Annealing) 10
1.3. 제 3 절 연구 구성 및 목표 11
제 2장 시료 제조 및 실험 방법 13
2.1 제 1 절 시료 제조 13
2.1.1 (1) FeSiCrB & FeSiB 비정질 금속 분말 13
2.1.2 (2) 토로이달 코어 13
2.1.3 (3) 다양한 조건의 열처리 15
2.1.4 (4) 권선 16
2.2 제 2 절 분석 방법 18
2.2.1 (1) 입도 분석 18
2.2.2 (2) X-선 회절 분석 19
2.2.3 (3) 전계 방사형 주사전자현미경 21
2.2.4 (4) 시차 주사 열량측정법 22
2.2.5 (5) 진동 시료 자력계 23
2.2.6 (6) 분체저항 측정 시스템 24
2.2.7 (7) 임피던스 분석기 25
2.2.8 (8) B-H 분석기 28
제 3장 실험 결과 및 분석 30
3.1 제 1 절 열처리에 따른 비정질 연자성 분말의 전자기적 특성 변화 30
3.1.1 (1) 비정질 금속 분말의 입도 분포 30
3.1.2 (2) 비정질 금속 분말의 조성 및 형상 31
3.1.3 (3) 비정질 금속 분말의 결정화 온도 34
3.1.4 (4) 비정질 금속 분말의 결정상 35
3.1.5 (5) 비정질 금속 분말의 자기이력곡선 36
3.1.6 (6) 비정질 금속 분말의 비저항 38
3.1.7 (7) 비정질 금속 분말의 투자율 및 Q-factor 40
3.1.8 (8) 비정질 금속 분말의 코어 손실 43
3.2 제 2 절 열처리에 따른 비정질 연자성 복합체의 전자기적 특성 변화 44
3.2.1 (1) 비정질 금속 복합체의 자기이력곡선 44
3.2.2 (2) 비정질 금속 복합체의 bulk 비저항 47
3.2.3 (3) 비정질 금속 복합체의 투자율 및 Q-factor 50
3.2.4 (4) 비정질 금속 복합체의 코어 손실 53
3.2.5 (5) 비정질 금속 복합체의 코어 손실 분류 55
3.2.6 (6) 비정질 금속 복합체의 자기이력 손실과 보자력의 상관관계 58
3.2.7 (7) 비정질 금속 복합체의 와전류 손실과 bulk 비저항의 상관관계 60
제 4장 결 론 63
참고문헌 65
영문초록 69
감사의 글 72

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