KR101395798B1 - 자구 미세화 방법 및 이에 이해 제조되는 방향성 전기강판 - Google Patents

자구 미세화 방법 및 이에 이해 제조되는 방향성 전기강판 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기강판의 자구 미세화 방법 및 방향성 전기강판이 개시된다. 자구 미세화 방법은 전기강판에 장력코팅을 실시하기 전 또는 후에 상기 전기강판 표면에 레이저 빔을 조사하여 상기 전기강판 상에 선상 그루브(linear groove)를 형성하되, 상기 그루브 상에 측면 용융부산물 및 바닥면 용융부산물을 형성하고, 상기 측면 용융부산물 및 바닥면 용융부산물 상에 포토 레지스트(photo resist)를 형성하여 상기 바닥면 용융부산물 상에 형성된 포토 레지스트를 제거하는 단계, 2차 레이저 빔을 조사하여 상기 바닥면 용융부산물을 선택적으로 용융시켜 에어 블로잉(air blowing) 또는 석션(suction)하여 상기 바닥면 용융부산물을 제거하는 단계 및 상기 그루브 상의 포토 레지스트를 제거하는 단계를 포함한다.

Description

자구 미세화 방법 및 이에 이해 제조되는 방향성 전기강판{METHOD FOR REFINING MAGNETIC DOMAINS AND GRAIN-ORIENTED ELECTRICAL STEEL SHEET MANUFACUTRED BY THE SAME}
본 발명은 방향성 전기강판의 자구 미세화 방법 및 이에 의해 제조되는 방향성 전기강판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저 조사와 포토 레지스트를 이용하여 전기강판에 그루브를 형성하는 기술에 관한 것이다.
일반적으로 규소강판과 같은 자성체가 포화에 가까이 자화될 때 자벽이 피닝(pinning)을 극복해야 하는데, 이때 자기손실(core loss)이 생긴다. 자기손실은 이력손실(hysteresis loss), 와전류손실(eddy current loss) 및 이상손실(anomalous loss)로 나뉘는데, 이력손실과 와전류손실은 재료 특성에 의존하나, 이상손실은 자구를 미세화함으로써 향상될 수 있다.
즉, 방향성 전기강판의 자기적 특성을 향상시키기 위하여 자구를 미세화 하는 방법이 사용되는데, 자구 미세화 방법으로는 응력제거 소둔에 의해 자구 미세화 개선 효과 유지 유-무에 따라 일시적 자구 미세화와 영구적 자구 미세화로 구분할 수 있다.
일시적 자구 미세화 방법은 열에너지나 기계적 에너지로 표면에 국부적인 압축응력을 인가함으로써 발생한 자기탄성에너지를 최소화시키기 위해 90°도메인(domain)을 형성함으로써 자구를 미세화시키는 도메인 미세화 기술이다.
반면, 일시자구미세화 기술은 도메인을 미세화시키는 에너지원에 따라 레이저 자구 미세화법, 볼 스크래치법, 플라즈마 또는 초음파에 의한 자구 미세화법이 있다.
열처리 후에도 철손개선 효과를 유지할 수 있는 영구적 자구 미세화 방법은 에칭법, 롤법 및 레이저법으로 구분할 수 있는데, 에칭법은 용액 내에서 산용액에서 전기화학적인 부식반응에 의해 강판 표면에 그루브를 형성시키기 때문에 그루브 형상(그루브 폭, 그루브 깊이) 제어가 어렵고, 강판을 생산하는 중간공정(탈탄소둔, 고온소둔 전)에서 그루브를 형성시키기 때문에 최종 제품의 철손 특성의 보증이 어려우며 산 용액을 사용하기 때문에 환경친화적이지 못한 단점을 갖고 있다.
롤에 의한 영구적 자구 미세화 방법은 롤에 돌기모양을 가공하여 가압법에 의해서 강판의 표면에 일정한 폭과 깊이를 갖는 그루브를 형성하고 영구적 자구 미세화 처리 후 강판을 소둔함으로써 그루브 하부의 재결정을 발생시킴으로써 자구를 미세화시키는 기술로서 기계 가공에 대한 안정성, 신뢰성 및 프로세스가 복잡한 단점을 갖고 있다.
상기 방법 이외에 레이저 스크라이빙(scribing)에 의한 자구미세화 기술이 개발되었다. 레이저 스크라이빙에 의한 자구 미세화는 물리적으로 시료에 스트레스를 가하는 방법보다 가공 방법이 용이하고 재현성이 높을 뿐 아니라 스크라이빙 패턴의 형태나 레이저 빔의 출력 조절이 비교적 간단하여 양산 라인에 적용할 경우 생산 공정을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 레이저 빔의 조사에 의해 형성된 그루브(20)의 단면도인데, 도 1을 참조하면, 그루브 형성시 측면과 바닥면에 용융부산물이 발생되는 것을 알 수 있다.
이때, 측면에 형성되는 용융부산물(22)은 철손개선율에 도움이 되나, 바닥면에 형성되는 용융부산물(24)은 철손개선율에 악영향을 미치므로 철손개선율이 열위해지는 문제가 있었다.
따라서 측면에 형성되는 용융부산물은 그대로 남기고, 바닥면에 형성되는 용융부산물만을 선택적으로 제거하는 기술이 필요하다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명은 그루브상에 포토 레지스트를 도포한 후 제거한 다음 레이저 빔을 조사함으로써 그루브의 바닥면에 형성된 용융부산물을 제거하는 자구 미세화 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 전기강판에 장력코팅을 실시하기 전 또는 후에 상기 전기강판 표면에 1차 레이저 빔을 조사하여 상기 전기강판 상에 선상 그루브(linear groove)를 형성하되, 상기 그루브 상에 측면 용융부산물 및 바닥면 용융부산물을 형성하는 단계, 상기 측면 용융부산물 및 바닥면 용융부산물 상에 포토 레지스트(photo resist)를 형성하는 단계, 상기 바닥면 용융부산물 상에 형성된 포토 레지스트를 제거하는 단계, 2차 레이저 빔을 조사하여 상기 바닥면 용융부산물을 선택적으로 용융시켜 에어 블로잉(air blowing) 또는 석션(suction)하여 상기 바닥면 용융부산물을 제거하는 단계 및 상기 그루브 상의 포토 레지스트를 제거하는 단계를 포함하는 전기강판의 자구 미세화 방법이 제공될 수 있다.
상기 1차 및 2차 레이저 빔의 압연방향 폭은 150㎛ 이내일 수 있다.
상기 포토 레지스트의 제거는, 상기 포토 레지스트 상에 형성된 마스크에 노광함으로써 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 2차 레이저 빔의 압연방향 폭은 바닥면의 폭(W)의 90~100%인 것을 특징으로 하는데, 상기 바닥면의 폭(W)은 상기 측면 용융부산물과 상기 바닥면 용융부산물이 만나는 지점간의 압연방향에서의 최단거리를 의미한다.
상기 1차 및 2차 레이저 빔은 주파수 범위가 200Hz~8.5kHz인 연속파 레이저인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 방법 중 어느 하나의 방법에 의해 제조되는 방향성 전기강판이 제공되는데, 상기 전기강판은 압연방향으로의 상기 그루브의 폭(BW)이 10~70㎛이고, 상기 선상 그루브간의 간격(DS)은 3~30mm인 것을 특징으로 하며, 상기 선상 그루브는 상기 강판의 폭 방향에 대하여 3~6개로 구분되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면 레이저 빔의 조사에 의한 2회의 스크라이빙과 포토 레지스트를 이용하여 바닥면에 형성된 용융부산물을 용이하게 제거할 수 있다.
또한, 에어 블로잉 또는 석션에 의해 용이하게 바닥면의 용융부산물을 제거할 수 있으며, 이에 의해 전기강판의 자성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 레이저 빔의 조사에 의해 형성된 그루브의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 1차 레이저 빔을 조사하여 형성된 그루브의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 그루브상에 포토 레지스트가 도포된 모습을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 2차 레이저 빔을 조사하여 바닥면의 용융부산물을 제거하는 모습을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 2차 레이저 빔의 조사에 의해 바닥면의 용융부산물과 포토 레지스트가 제거된 그루브의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기강판에 형성된 그루브 형상을 XY 평면상에 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전기강판의 자구 미세화 공정의 흐름도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 자구 미세화를 위한 강판 표면에 그루브(groove)가 형성된 전기강판에 대하여 설명하기로 한다.
도 2는 전기강판(10)에 1차 레이저 빔(30)을 조사하여 형성된 그루브(20)의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 1차 레이저 빔(30)의 조사에 의해 전기강판(10)에 그루브(20)가 형성되는데, 상기 그루브(20)는 상호 마주하는 측면(12) 사이에 위치하고 움푹 패인 바닥면(14)으로 구성되는 그루브(20)(groove)가 형성됨을 알 수 있다.
상기 그루브(20)의 바닥면(14)에는 바닥면 용융부산물(24)이 형성되고, 상기 측면(12)에는 측면 용융부산물(22)이 형성된다. 본 발명에 따른 실시예에서 바닥면 용융부산물(24)은 1차 레이저 빔(30)의 조사에 의해 용융한 뒤에 냉각되어 그루브(20)의 바닥면(14)에 응고된 것을 의미하고, 측면 용융부산물(22)은 1차 레이저 빔(30)의 조사에 의해 용융한 뒤에 냉각되어 그루브(20)의 측면(12)에 응고된 것을 의미한다.
본 발명에 따른 실시예에서는 철손개선율에 악영향을 미치는 바닥면의 용융부산물(24)을 제거하기 위하여 상기 바닥면 용융부산물(24)과 측면 용융부산물(22) 상에 포토 레지스트(photo resist)(40)를 도포한다. 이는 도 3에 도시되어 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 그루브(20)상에 포토 레지스트(40)가 도포된 모습을 도시한 것이다.
본 발명에서는 상기 포토 레지스트(40) 상에 일정한 패턴을 가진 마스크(mask)(미도시)를 갖는다. 상기 마스크는 노광시에 상기 바닥면 상에 위치한 포토 레지스트(40)를 선택적으로 제거하기 위하여 사용된다. 이때, 상기 마스크의 패턴은 상기 그루브(20)의 바닥면(14)과 측면(12)으로 구분되어 있다.
노광에 의해 바닥면 상의 용융부산물(24)이 선택적으로 제거된 후, 1차 레이저 빔(30)을 조사하면, 상기 포토 레지스트(40)가 제거된 바닥면 부분은 1차 레이저 빔(30)의 조사에 의해 용융 후 응고되어 있던 용융부산물이 재용융된다.
재용융된 부산물을 에어 블로잉(air blowing) 또는 석션(suction)에 의하여 제거한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 1차 레이저 빔(30)을 조사하여 바닥면의 용융부산물을 제거하는 모습을 도시한 것인데, 1차 레이저 빔(30)의 조사에 의하여 바닥면 용융부산물(24)이 용융되어 제거된 것을 알 수 있다.
이후에는 포토 레지스트(40)를 제거한다. 도 5는 1차 레이저 빔(30)의 조사에 의해 바닥면의 용융부산물과 포토 레지스트(40)가 제거된 그루브(20)의 단면도인데, 측면의 용융부산물(22)만 남아 있는 것을 알 수 있다.
상기 전기강판은 방향성 전기강판이 사용될 수 있으며, 방향성 전기강판은 압연방향에 대하여 강판의 집합조직이 {110}<001>인 고스집합조직(GOSS texture)을 나타내고 있어 일방향 혹은 압연방향으로 자기적 특성이 우수한 연자성 재료이다.
방향성 전기강판은 압연방향으로 자기적 성질이 우수하여 변압기, 전동기, 발전기 및 기타 전자기기 등의 철심 재료로 사용되고 있다.
일반적으로 방향성 전기강판의 제조는 연속주조 공정에 의해 제조된 슬라브(slab)를 열간압연→예비소둔→냉간압연→탈탄소둔→고온소둔→평탄화소둔 및 절연코팅→정정 및 레이저 처리 등을 통하여 이루어지게 된다.
상기 레이저 조사가 이루어지는 방향성 전기강판은 강판의 2차 재결정이 일어나도록 하기 위한 고온 소둔공정이 완료되고 장력코팅이 도포되거나 고온 소둔공정이 완료되고 장력코팅이 도포되기 전의 강판이 사용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 전기강판의 자구 미세화 공정의 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 전기강판의 자구 미세화 방법은 전기강판에 장력코팅을 실시하기 전 또는 후에 상기 전기강판 표면에 1차 레이저 빔(30)을 조사하여 상기 전기강판(10) 상에 선상 그루브(linear groove)(20)를 형성하되, 상기 그루브(20) 상에 측면 용융부산물(22) 및 바닥면 용융부산물(24)을 형성(S100)하는 단계, 상기 측면 용융부산물(22) 및 바닥면 용융부산물(24) 상에 포토 레지스트(photo resist)(40)를 형성(S110)하는 단계, 상기 바닥면 용융부산물(24) 상에 형성된 포토 레지스트(40)를 제거(S120)하는 단계 및 1차 레이저 빔(30)을 조사하여 상기 바닥면 용융부산물(24)을 선택적으로 용융(S130)시켜 에어 블로잉(air blowing) 또는 석션(suction)하여 상기 바닥면 용융부산물(24)을 제거(S140)하는 단계를 포함한다. 상기 에어 블로잉과 석션은 각각 개별적으로 행하여질 수 있고, 동시에 행하여질 수도 있다.
상기의 에어 블로잉 또는 석션은 에어 블로잉 수단 또는 석션 수단(미도시)에 의해 이루어질 수 있으며, 상기 에어 블로잉 수단 및 석션 수단은 레이저 빔의 조사시 용융부산물이 발생되는 지점 근처에 구비되어 용융부산물을 에어 블로잉 또는 석션에 의해 제거한다.
상기 에어 블로잉 또는 석션에 의해 그루브(20) 내 형성되는 응고부는 그루브 바닥면(14)과 측면(12)에 동시 혹은 단독으로 생성된다. 용융부산물의 응고조직을 그루브의 측면(12)에만 형성하기 위해서는 레이저 조사에 의해 그루브(20)에 형성된 용융금속을 에어를 주입하여 외부로 비산시키거나 그루브의 측면(12)으로 이동하도록 블로잉함으로써 가능하다.
그루브의 바닥면(14)에 형성된 용융부산물은 석션(suction) 수단 등을 이용하여 제거함으로써 그루브의 바닥면(14)에 응고부가 형성되지 않도록 할 수도 있다.
이후, 상기 그루브(20) 상의 포토 레지스트(40)를 제거(S150)하는 단계를 더 포함한다.
도 2는 1차 레이저 빔(30)의 조사에 의해 그루브(20) 상에 바닥면 용융부산물(24)과 측면 용융부산물(22)이 형성된 것을 나타낸 것이다.
상기 1차 및 1차 레이저 빔(30)의 압연방향 폭은 150㎛ 이내로 한다. 다만, 1차 레이저 빔(30)의 압연방향의 폭은 상기 1차 레이저 빔(30)의 압연방향 폭과 동일하거나 작으면 된다. 특히, 본 발명의 일 실시예에서 상기 1차 레이저 빔(30)의 압연방향의 폭은 바닥면의 폭(W)의 90%이상으로 할 수 있다.
만약, 90%보다 작으면 바닥면의 용융부산물의 용융이 충분히 이루어지지 않아 바닥면 용융부산물(24)의 제거가 용이하지 않기 때문이다. 따라서 1차 레이저 빔(30)의 압연방향의 폭은 포토 레지스트(40)가 제거된 부분에 대응되는 폭을 갖는 것이 좋다.
상기 바닥면의 폭(W)은 측면 용융부산물(22)과 바닥면 용융부산물(24)이 만나는 지점간의 압연방향에서의 최단거리다.
또한, 본 발명에서는 포토 레지스트(40)를 도포한 후에 바닥면(14) 상에 형성된 포토 레지스트(40)는 노광에 의해 제거할 수 있다. 본 발명에 따른 실시예에서의 포토 레지스트(40)는 광 및 전자선에 의해 반응하는 고분자 화합물로 노광에 의해 선택적으로 제거될 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다.
또한, 상기 포토 레지스트(40)의 감광된 부분의 현상액에 대한 용해도에 따른 포지티브(positive)형과 네거티브(negative)형 중 어느 것이라도 가능하지만, 바닥면 상의 포토 레지스트(40)만 제거되면 되므로 포지티브형 포토 레지스트(40)가 더 바람직하다.
그리고, 본 발명에 따른 실시예에서는 상기 1차 및 2차 레이저 빔(30,32)은 연속파의 레이저(continuous wave laser)를 사용하며, 상기 연속파 레이저의 주파수 범위는 200Hz~8.5KHz일 수 있다.
만약, 레이저 빔의 주파수가 200Hz 이내이거나 8.5KHz를 초과하는 경우에는 동일한 레이저 출력, 조사거리, 라인속도에서 그루브(20) 깊이는 변화가 나타나지 않게 되므로 고속의 라인속도에는 적용할 수 없게 되므로 연속파 레이저 빔의 주파수는 200Hz~8.5kHz로 한정한다. 또한, 상기 주파수 범위 내의 레이저 빔을 조사해야 용융에 의한 그루브(20)의 형성이 가능하다.
이하에서는 본 발명에 따른 일 실시예의 전기강판에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 일 실시예에 의한 전기강판(10)은 압연방향으로의 그루브(20)의 폭(BW)이 10~70㎛이다.
만약, 압연방향 그루브(20)의 폭(BW)이 10㎛보다 작은 경우에는 열처리 후 철손 개선효과가 나타나지 않으며, 70㎛를 초과하는 경우에는 연속파 레이저에 의한 열영향이 커서 열처리 전 철손 개선효과를 나타내지 않으며 자속밀도 열화가 크게 나타날 수 있으므로 본 발명에 따른 실시예에서는 전기강판(10)의 압연방향으로의 그루브(20)의 폭을 10~70㎛로 한정한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기강판에 형성된 그루브 형상을 XY 평면상에 도시한 도면인데, X 방향은 강판의 폭방향을 의미하고, Y 방향은 강판의 압연방향을 의미한다.
본 발명에 따른 실시예의 전기강판(10)은 선상 그루브(20)의 간격(DS)을 3~30mm로 한정한다.
이는 연속파 레이저 빔에 의한 열영향부(HAZ,Heat Affected Zone)의 영향을 최소화시켜 자구를 미세화함으로써 강판(10)의 철손을 개선하기 위함이다.
또한, 연속파 레이저는 강판(10)의 폭방향에 대하여 3~6개로 구분되도록 조사하여 상기 선상 그루브(20)가 상기 강판(10)의 폭 방향에 대하여 3~6개로 구분되도록 한다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 전기강판에 장력코팅을 실시하기 전 또는 후에 상기 전기강판 표면에 1차 레이저 빔을 조사하여 상기 전기강판 상에 선상 그루브(linear groove)를 형성하되, 상기 그루브 상에 측면 용융부산물 및 바닥면 용융부산물을 형성하는 단계;
    상기 측면 용융부산물 및 바닥면 용융부산물 상에 포토 레지스트(photo resist)를 형성하는 단계;
    상기 바닥면 용융부산물 상에 형성된 포토 레지스트를 제거하는 단계;
    2차 레이저 빔을 조사하여 상기 바닥면 용융부산물을 선택적으로 용융시켜 에어 블로잉(air blowing) 또는 석션(suction)하여 상기 바닥면 용융부산물을 제거하는 단계; 및
    상기 그루브 상의 포토 레지스트를 제거하는 단계를 포함하는 전기강판의 자구 미세화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 1차 레이저 빔의 압연방향 폭은 150㎛ 이내인 것을 특징으로 하는 전기강판의 자구 미세화 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 2차 레이저 빔의 압연방향 폭은 150㎛ 이내인 것을 특징으로 하는 전기강판의 자구 미세화 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 포토 레지스트의 제거는,
    상기 포토 레지스트 상에 형성된 마스크에 노광함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기강판의 자구 미세화 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 2차 레이저 빔의 압연방향 폭은 바닥면의 폭(W)의 90~100%인 것을 특징으로 하는 전기강판의 자구 미세화 방법.
    단, 상기 바닥면의 폭(W)은 상기 측면 용융부산물과 상기 바닥면 용융부산물이 만나는 지점간의 압연방향에서의 최단거리다.
  6. 상기 1차 및 2차 레이저 빔은 주파수 범위가 200Hz~8.5kHz인 연속파 레이저인 것을 특징으로 하는 전기강판의 자구 미세화 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 방법에 의해 제조되는 방향성 전기강판.
  8. 제7항에 있어서,
    압연방향으로의 상기 그루브의 폭(BW)이 10~70㎛인 것을 특징으로 하는 방향성 전기강판.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 선상 그루브간의 간격(DS)은 3~30mm인 것을 특징으로 하는 방향성 전기강판.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 선상 그루브는 상기 강판의 폭 방향에 대하여 3~6개로 구분되는 것을 특징으로 하는 방향성 전기강판.
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