KR102268103B1 - Fe BASED NANO-STRUCTURED SOFT MAGNETIC ALLOY RIBBON AND METHOD FOR PREPARING THE SAME - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기존의 나노결정립 연자성 합금보다 포화자속밀도가 높고, 고주파에서의 투자율과 코어손실 특성이 우수한 Fe계 연자성 합금 리본 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로는 무선충전 모듈용 Fe계 나노결정립 연자성 합금 리본 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 바람직하게는, 본 발명은 철(Fe)계 합금에 칼슘(Ca)이 첨가된 조성을 갖는 나노결정립 연자성 합금 리본으로서, 규소(Si) 1~15 at%, 붕소(B) 5~15 at%, 구리(Cu) 0.1~3 at%, 칼슘(Ca) 0.005~2.0 at% 및 철(Fe)을 잔량으로 하는 것을 특징으로 하는, 나노결정립 연자성 합금 리본을 제공한다.The present invention relates to a Fe-based soft magnetic alloy ribbon having a higher saturation magnetic flux density than a conventional nanocrystalline soft magnetic alloy, and excellent permeability and core loss characteristics at high frequencies, and a method for manufacturing the same. Specifically, it relates to a Fe-based nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon for a wireless charging module and a method for manufacturing the same. Preferably, the present invention is a nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon having a composition in which calcium (Ca) is added to an iron (Fe)-based alloy, silicon (Si) 1 to 15 at%, boron (B) 5 to 15 at% , Copper (Cu) 0.1 ~ 3 at%, calcium (Ca) 0.005 ~ 2.0 at% and iron (Fe) characterized in that the remaining amount, it provides a nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon.
Description
본 발명은 기존의 나노결정립 연자성 합금보다 포화자속밀도가 높고, 고주파에서의 투자율과 코어손실 특성이 우수한 Fe계 연자성 합금 리본 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로는, 본 발명은 무선충전 모듈용 Fe계 나노결정립 연자성 합금 리본 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a Fe-based soft magnetic alloy ribbon having a higher saturation magnetic flux density than a conventional nanocrystalline soft magnetic alloy, and excellent permeability and core loss characteristics at high frequencies, and a method for manufacturing the same. Specifically, the present invention relates to a Fe-based nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon for a wireless charging module and a method for manufacturing the same.
전자기 유도방식의 무선전력전송 수신모듈은 일반적으로 페라이트와 비정질 시트가 적층된 기판 위에 연성회로기판(Flexible Printed Circuit Board, FPCB)의 수신안테나를 코일형태로 적층하여 제작된다. 최근에는 이러한 재료들은 투자율과 코어손실이 낮은 나노결정 연자성 재료 박판(두께 약 0.3 mm 이하)으로 대체되고 있는 추세이다. 이 경우 송신기에서 발생하는 자기장을 통해 수신안테나에서 유도전류가 흐르게 되어 배터리 충전, 데이터 수신 등이 가능하게 되는데, 이때 고성능 연자성 시트가 전자파차폐 및 흡수 역할과 함께, 높은 투자율로 인하여 주변 자기장을 수신모듈 내부로 끌어들여 자기선속의 밀도를 높여 전송효율을 증가시켜주는 역할(Power Charger Enhancer)을 한다. The electromagnetic induction type wireless power transmission reception module is generally manufactured by stacking a reception antenna of a flexible printed circuit board (FPCB) on a substrate on which ferrite and an amorphous sheet are laminated in the form of a coil. Recently, these materials are being replaced by thin sheets of nanocrystalline soft magnetic material (thickness of about 0.3 mm or less) with low magnetic permeability and low core loss. In this case, an induced current flows from the receiving antenna through the magnetic field generated by the transmitter, making it possible to charge the battery and receive data. At this time, the high-performance soft magnetic sheet plays a role of shielding and absorbing electromagnetic waves and receives the surrounding magnetic field due to its high magnetic permeability. It plays a role (Power Charger Enhancer) that increases the transmission efficiency by drawing it into the module and increasing the density of the magnetic flux.
기존에 사용되고 있는 자기유도형 무선충전모듈은 와전류 손실의 급등으로 인한 충전모듈의 과도한 발열과 수명단축을 막을 수 없으며, 이로 인하여 NFC 전송 데이터의 정확도와 전송거리가 급감되는 현상이 발생하게 된다. 현재 사용되고 있는 나노결정 연자성 시트는 자체의 특성으로 인해 무선충전 모듈용 연자성시트재로서 많이 사용되고 있으나, 포화자속밀도가 낮아 모듈의 두께를 더 줄이기 위한 세계적인 추세에 부응하기 어려우므로 포화자속밀도가 최소한 1.5 Tesla 이상인 나노결정 연자성 시트가 필수적인 단계에 있다. 또한, 무선충전 시 나타나는 발열을 최소화해야 하므로, 와전류 손실을 최소화하고 포화자속밀도 및 투자율이 높은 재료를 개발하는 것이 필요하다.Existing magnetic induction wireless charging modules cannot prevent excessive heat generation and shortening of the lifespan of the charging module due to a surge in eddy current loss, which causes a sharp decrease in the accuracy and transmission distance of NFC transmission data. The currently used nanocrystalline soft magnetic sheet is widely used as a soft magnetic sheet material for wireless charging modules due to its characteristics, but it is difficult to meet the global trend to further reduce the thickness of the module due to its low saturation magnetic flux density. A nanocrystalline soft magnetic sheet of at least 1.5 Tesla is at an essential stage. In addition, since it is necessary to minimize the heat generated during wireless charging, it is necessary to minimize the eddy current loss and develop a material with high saturation magnetic flux density and permeability.
현재 고포화자속밀도를 가진 재료 중에서 대표적인 나노결정재료는 Fe-Si-B-P-Cu계 합금과 Fe-B-C-Cu계 합금 등이 가장 널리 알려져 있으나, 열안정성이 매우 낮고 이상결정립성장(Abnormal Grain Growth)에 의해 특성이 열화되는 단점이 있다.Currently, among the materials with high saturation magnetic flux density, typical nanocrystalline materials are Fe-Si-BP-Cu alloys and Fe-BC-Cu alloys, etc., but they have very low thermal stability and abnormal grain growth (abnormal grain growth). ) has a disadvantage in that the characteristics are deteriorated.
최근, 첨단산업의 발전과 전자기기의 고기능화에 따라 자화특성이 우수한 나노결정 연자성 합금의 수요가 급증하고 있는 추세이다. 특히 무선충전과 고성능인덕터 분야에서는 투자율이 우수하면서 코어 손실이 우수할 뿐만 아니라, 무선충전시의 차폐기능과 충전속도 증가가 필수적인 요구 특성으로 부각되고 있다. 현재 사용되고 있는 유도자화형 무선충전기의 모듈용 차폐 및 고자화 박판재는 비정질 또는 나노결정 구조로 되어 있으나, 비정질재료는 투자율이 낮은 단점이 있고 기존의 Finemet 합금(히다치의 나노결정연자성합금 상품명)을 사용하는 나노결정 연자성재료는 포화자속밀도가 1.2 Tesla 정도로서, 더 높은 자화특성이 요구되고 있다. Recently, with the development of high-tech industries and high functionalization of electronic devices, the demand for nanocrystalline soft magnetic alloys with excellent magnetization characteristics is rapidly increasing. In particular, in the fields of wireless charging and high-performance inductors, not only excellent magnetic permeability and excellent core loss, but also a shielding function and an increase in charging speed during wireless charging are emerging as essential required characteristics. The currently used shielding and highly magnetized thin plate materials for modules of inductive magnetization wireless chargers have an amorphous or nanocrystalline structure, but the amorphous material has the disadvantage of low magnetic permeability and uses the existing Finemet alloy (Hidachi's nanocrystalline soft magnetic alloy brand name) The nanocrystalline soft magnetic material has a saturation magnetic flux density of about 1.2 Tesla, so higher magnetization properties are required.
본 발명자들은 공개특허 제10-2013-0073343호에서 철(Fe)계 합금에 칼슘이 첨가된 나노결정립 연자성 합금 분말 코어를 공개한 바 있다. 상기 특허에서는 Fe-Si-B-Nb-Cu(at%)에 칼슘(Ca)을 0.01~2 at%로 첨가하여 비정질 합금 리본을 제조하고, 비정질 합금 리본을 분쇄하여 비정질 합금 분말을 형성하고, 이를 분급하여 분급된 분말과 바인더를 혼합하고, 가압하여 분말 코어를 성형하고, 다시 상기 분말 코어를 500~550℃에서 열처리하여 제조하는 방법을 개시하고 있다. 하지만, 상기 연자성 합금 분말 코어는 포화자속밀도가 1.2 Tesla 정도에 불과하여 무선충전용 모듈에서 사용시 모듈의 두께가 두꺼워지고 성능이 좋지 않아, 무선충전용 모듈에 사용하기는 어렵다.The present inventors have disclosed a nanocrystalline soft magnetic alloy powder core in which calcium is added to an iron (Fe)-based alloy in Korean Patent Publication No. 10-2013-0073343. In the above patent, an amorphous alloy ribbon is prepared by adding calcium (Ca) to Fe-Si-B-Nb-Cu (at%) in an amount of 0.01 to 2 at%, and an amorphous alloy powder is formed by pulverizing the amorphous alloy ribbon, The classified powder and the binder are mixed, pressed to form a powder core, and a method for manufacturing the powder core is further heat-treated at 500 to 550° C. is disclosed. However, the soft magnetic alloy powder core has a saturation magnetic flux density of only about 1.2 Tesla, so that when used in a wireless charging module, the thickness of the module is thick and the performance is not good, so it is difficult to use it in a wireless charging module.
또한, 일본등록특허 제4623400호에서는 단롤법에 의해 제조된 에어포켓 사이즈가 작은 연자성 합금 얇은대를 개시하면서, Fe100 -x-a-y- zAxMaSiyBz(at%)를 개시하고 있다. 하지만, 상기 합금 얇은대는 내식성이 개선되고 자기특성의 향상이 가능하지만, 무선충전용 모듈에서 요구되는 포화자속밀도를 달성하기 어렵다.In addition, Japanese Patent No. 4623400 discloses a soft magnetic alloy thin band with a small air pocket size manufactured by a single roll method, and discloses Fe 100 -xay- z A x M a Si y B z (at%), have. However, although the alloy thin band has improved corrosion resistance and improved magnetic properties, it is difficult to achieve the saturation magnetic flux density required for a wireless charging module.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 와전류 손실을 최소화하고 포화자속밀도와 투자율이 높고 나노결정의 성장이 억제된 철계 나노결정립 연자성 합금 리본을 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide an iron-based nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon in which eddy current loss is minimized, saturation magnetic flux density and magnetic permeability are high, and nanocrystal growth is suppressed.
상기한 과제는, 철(Fe)계 합금에 칼슘(Ca)이 첨가된 조성을 갖는 나노결정립 연자성 합금 리본으로서, 규소(Si) 1~15 at%, 붕소(B) 5~15 at%, 구리(Cu) 0.1~3 at%, 칼슘(Ca) 0.005~2.0 at% 및 철(Fe)을 잔량으로 포함하는 것을 특징으로 하는, 나노결정립 연자성 합금 리본에 의해 달성된다.The above problem is a nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon having a composition in which calcium (Ca) is added to an iron (Fe)-based alloy, silicon (Si) 1 to 15 at%, boron (B) 5 to 15 at%, copper (Cu) 0.1 to 3 at%, calcium (Ca) 0.005 to 2.0 at%, and iron (Fe) characterized in that the remaining amount is achieved by a nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon.
바람직하게는, 상기 연자성 합금 리본은 무선충전 모듈용일 수 있다.Preferably, the soft magnetic alloy ribbon may be for a wireless charging module.
또한 바람직하게는, 상기 철(Fe)계 합금에 칼슘(Ca)이 첨가된 조성은 지르코늄(Zr) 0.1~3.0 at%을 추가로 포함할 수 있다.Also preferably, the composition in which calcium (Ca) is added to the iron (Fe)-based alloy may further include 0.1 to 3.0 at% of zirconium (Zr).
또한 바람직하게는, 상기 나노결정립 연자성 합금 리본은 포화자속밀도가 1.5 Tesla 이상일 수 있다. Also preferably, the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon may have a saturation magnetic flux density of 1.5 Tesla or more.
또한, 상기한 과제는 규소(Si) 1~15 at%, 붕소(B) 5~15 at%, 구리(Cu) 0.1~3 at%, 칼슘(Ca) 0.005~2.0 at% 및 철(Fe)을 잔량으로 포함하는 합금 리본을 제조하는 단계, 및 상기 합금 리본을 440~480℃의 온도에서 5~60분간 열처리하는 단계를 포함하는 무선충전 모듈용 나노결정립 연자성 합금 리본의 제조 방법에 의해 달성된다. In addition, the above tasks are silicon (Si) 1 to 15 at%, boron (B) 5 to 15 at%, copper (Cu) 0.1 to 3 at%, calcium (Ca) 0.005 to 2.0 at%, and iron (Fe) Achieving by a method of manufacturing a nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon for a wireless charging module, comprising the steps of manufacturing an alloy ribbon comprising a remaining amount, and heat-treating the alloy ribbon at a temperature of 440 to 480° C. for 5 to 60 minutes do.
또한, 상기한 과제는 규소(Si) 1~15 at%, 붕소(B) 5~15 at%, 구리(Cu) 0.1~3 at%, 칼슘(Ca) 0.005~2.0 at% 및 철(Fe)을 잔량으로 포함하는 합금 리본을 제조하는 단계, 및 상기 합금 리본을 500~550℃의 온도에서 5~60분간 열처리하는 단계를 포함하는 무선충전 모듈용 나노결정립 연자성 합금 리본의 제조 방법에 의해 달성된다.In addition, the above tasks are silicon (Si) 1 to 15 at%, boron (B) 5 to 15 at%, copper (Cu) 0.1 to 3 at%, calcium (Ca) 0.005 to 2.0 at%, and iron (Fe) Achieved by a method of manufacturing a nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon for a wireless charging module, comprising the steps of manufacturing an alloy ribbon comprising a remaining amount, and heat-treating the alloy ribbon at a temperature of 500 to 550° C. for 5 to 60 minutes do.
본 발명에 따라 제조된 철계 나노결정립 연자성 합금 리본은 비정질구조로 제조되고, 결정화 열처리를 통해 미세한 나노결정립을 갖고 있다. 이로 인해 본 발명의 연자성 합금 리본은 1.5 Tesla 이상의 고포화자속밀도로 갖고 있어 무선충전 모듈의 두께를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 미세한 나노결정립들의 절연 효과에 의해 와전류 손실을 더욱 감소시킬 수 있으므로 수 십 MHz 대역에서도 사용가능하다. 또한, 전자파흡수 및 무선효율 인핸서(Enhancer) 시트의 광범위한 활용과 실용화를 크게 촉진할 것으로 전망되며, 전자기기의 인덕터, 소형변압기 등 연자성 리본코어가 사용되는 분야에서 널리 활용가능하다.The iron-based nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon prepared according to the present invention has an amorphous structure and has fine nanocrystalline grains through crystallization heat treatment. Due to this, the soft magnetic alloy ribbon of the present invention has a high saturation magnetic flux density of 1.5 Tesla or more, so it is possible to reduce the thickness of the wireless charging module as well as to further reduce eddy current loss by the insulating effect of fine nanocrystal grains. It can also be used in the 10 MHz band. In addition, it is expected to greatly promote the widespread use and practical use of electromagnetic wave absorption and wireless efficiency enhancer sheets, and can be widely used in fields where soft magnetic ribbon cores are used, such as inductors of electronic devices and small transformers.
도 1은 Metglas 2605-S2(Fe78Si9B13 at%((Fe91Si7B2 wt%))(도 1a)와 본 발명의 나노결정 연자성합금(Metglas 2605-S2 + 1 wt% Cu, 0.03 wt% Ca)(도 1b)을 540℃에서 1시간 동안 열처리한 후의 결정립 크기를 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 사진이다.
도 2는 본 발명의 나노결정 연자성 합금 리본(Metglas 2605-S2 + 1 wt% Cu, 2.48 wt% Zr, 0.19 wt% Ca)을 540℃에서 1시간 동안 열처리한 후의 결정립 크기를 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 사진이다.
도 3은 Metglas 2605-S2(Fe78Si9B13 at%((Fe91Si7B2 wt%))(a)와 본 발명의 나노결정 연자성 합금(Metglas 2605-S2 + 1 wt% Cu, 2.48 wt% Zr, 0.19 wt% Ca)(b)를 540℃에서 30분 동안 열처리한 시편을 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 사진이다.
도 4는 도 3(b)의 투과전자현미경(TEM) 미세조직을 Dark Field image로 다시 촬영한 사진이다.
도 5는 Metglas 2605-S2(Fe78Si9B13 at%((Fe91Si7B2 wt%)) 합금 리본(a)과 본 발명의 합금 리본Metglas 2605-S2 + 1 wt% Cu, 2.48 wt% Zr, 0.19 wt% Ca)(b)을 TEM으로 회절도형(Selected Area Diffration Pattern : SADP)을 촬영한 것이다.
도 6은 별도로 제조된 합금 리본(Metglas 2605-S2 + 0.9 wt% Cu, 0.03 wt% Ca)의 미세조직을 TEM으로 관찰한 사진(a)과, Ca 원소의 분포를 파악하기 위하여 EELS 매핑(Mapping)한 사진(b)이다.
도 7은 본 발명의 합금 리본(Metglas 2605-S2 + 1 wt% Cu, 2.48 wt% Zr, 0.19 wt% Ca) 합금 리본의 미세조직을 TEM으로 관찰한 사진(a)과, Zr 원소의 분포를 파악하기 위하여 EELS 매핑한 사진(b)이다.1 is Metglas 2605-S2 (Fe 78 Si 9 B 13 at% ((Fe 91 Si 7 B 2 wt%)) (FIG. 1a) and the nanocrystalline soft magnetic alloy of the present invention (Metglas 2605-S2 + 1 wt%) Cu, 0.03 wt% Ca) (FIG. 1b) is a photograph observed with a transmission electron microscope (TEM) of grain size after heat treatment at 540° C. for 1 hour.
2 is a transmission electron microscope (transmission electron microscope) of the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon (Metglas 2605-S2 + 1 wt% Cu, 2.48 wt% Zr, 0.19 wt% Ca) of the present invention after heat treatment at 540 ° C. for 1 hour. TEM) was observed.
Figure 3 is Metglas 2605-S2 (Fe 78 Si 9 B 13 at% ((Fe 91 Si 7 B 2 wt%)) (a) and the nanocrystalline soft magnetic alloy of the present invention (Metglas 2605-S2 + 1 wt% Cu) , 2.48 wt% Zr, 0.19 wt% Ca)(b) is a photograph of a specimen subjected to heat treatment at 540°C for 30 minutes, observed with a transmission electron microscope (TEM).
FIG. 4 is a photograph of the transmission electron microscope (TEM) microstructure of FIG. 3(b) taken again as a dark field image.
5 is a Metglas 2605-S2 (Fe 78 Si 9 B 13 at% ((Fe 91 Si 7 B 2 wt%)) alloy ribbon (a) and the alloy ribbon of the present invention Metglas 2605-S2 + 1 wt% Cu, 2.48 wt% Zr, 0.19 wt% Ca) (b) is a TEM diffraction pattern (Selected Area Diffration Pattern: SADP) was taken.
6 is a photograph (a) observing the microstructure of a separately prepared alloy ribbon (Metglas 2605-S2 + 0.9 wt% Cu, 0.03 wt% Ca) by TEM, and EELS mapping to understand the distribution of Ca elements. ) is a picture (b).
7 is a photograph (a) observing the microstructure of the alloy ribbon (Metglas 2605-S2 + 1 wt% Cu, 2.48 wt% Zr, 0.19 wt% Ca) alloy ribbon of the present invention by TEM (a) and the distribution of Zr element It is a picture (b) of EELS mapping to understand.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기의 정의를 가지며 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미에 부합된다. 또한, 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다.All technical terms used in the present invention, unless otherwise defined, have the following definitions and are consistent with the meanings commonly understood by one of ordinary skill in the art of the present invention. In addition, although preferred methods and samples are described herein, similar or equivalent ones are also included in the scope of the present invention.
용어 "약"이라는 것은 참조 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이에 대해 30, 25, 20, 15, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 또는 1% 정도로 변하는 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이를 의미한다.The term "about" refers to 30, 25, 20, 15, 10, 9, 8, 7, 6, 5, means an amount, level, value, number, frequency, percentage, dimension, size, amount, weight or length varying by 4, 3, 2 or 1%.
본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, "포함하다" 및 "포함하는"이란 말은 제시된 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.Throughout this specification, unless the context requires otherwise, the terms "comprises" and "comprising" include the steps or elements presented, or groups of steps or elements, but any other step or element, or It is to be understood that a step or group of elements is not excluded.
본 발명은 철(Fe)계 합금에 칼슘(Ca)이 첨가된 조성을 갖는 무선충전 모듈용 나노결정립 연자성 합금 리본(ribbon: Thin Strip) 및 그 제조 방법을 제공한다. 구체적으로는 철(Fe)계 합금에 칼슘(Ca)이 첨가된 조성은 규소(Si) 1~15 at%, 붕소(B) 5~15 at%, 구리(Cu) 0.1~3 at%, 칼슘(Ca) 0.005~2.0 at% 및 철(Fe)을 잔량으로 포함한다.The present invention provides a nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon (ribbon: Thin Strip) for a wireless charging module having a composition in which calcium (Ca) is added to an iron (Fe)-based alloy and a method for manufacturing the same. Specifically, the composition in which calcium (Ca) is added to the iron (Fe)-based alloy is 1 to 15 at% of silicon (Si), 5 to 15 at% of boron (B), 0.1 to 3 at% of copper (Cu), and calcium (Ca) 0.005-2.0 at% and iron (Fe) are included as the balance.
본 발명은 종래 고포화자속밀도를 갖는 대표적인 나노결정재료인 Fe-Si-B-P-Cu계 합금과 Fe-B-C-Cu계 합금의 문제점을 해결하기 위하여, Fe와 전혀 고용도가 없고 화합물을 형성하지 않는 Ca과 Cu 원소(Immiscible Elements)를 첨가하는 것을 특징으로 한다. Cu 원자들이 모여 클러스터(cluster)를 형성하여 α-Fe 결정의 분균일핵생성위치의 역할을 하며, Ca 원자들은 입계에 분포하여 결정립성장을 억제할 뿐 아니라 비저항값을 크게 증가시킨다. In order to solve the problems of the Fe-Si-BP-Cu-based alloy and the Fe-BC-Cu-based alloy, which are typical nanocrystal materials having high saturation magnetic flux density, the present invention has no solid solubility with Fe and does not form a compound. It is characterized in that Ca and Cu elements (Immiscible Elements) are added. Cu atoms gather to form a cluster, which serves as a uniform nucleation site for α-Fe crystals, and Ca atoms are distributed at grain boundaries to suppress grain growth and significantly increase resistivity.
본 발명에 따르면, 지르코늄(Zr)을 소량 첨가함으로써, 결정립의 크기를 현저하게 감소시킬 수 있다. 바람직하게는 Zr은 0.1~3.0 at%로 포함되는 것이 바람직하다. Zr이 Ca와 함께 첨가되는 경우, 포화자속밀도가 향상되어 보다 우수한 자화특성을 나타낸다. According to the present invention, by adding a small amount of zirconium (Zr), it is possible to significantly reduce the size of the crystal grains. Preferably, Zr is preferably contained in an amount of 0.1 to 3.0 at%. When Zr is added together with Ca, the saturation magnetic flux density is improved to exhibit better magnetization properties.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 나노결정립 연자성 합금 리본의 제조방법은 규소(Si) 1~15 at%, 붕소(B) 5~15 at%, 구리(Cu) 0.1~3 at%, 칼슘(Ca) 0.005~2.0 at% 및 철(Fe)을 잔량으로 포함하는 합금 리본을 제조하는 단계(S11), 및 상기 합금 리본을 440~480℃의 온도에서 5~60분간, 보다 바람직하게는 10~20분간 열처리하는 단계(S12)를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, the manufacturing method of the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon is silicon (Si) 1 to 15 at%, boron (B) 5 to 15 at%, copper (Cu) 0.1 to 3 at%, calcium (Ca) 0.005 to 2.0 at% and preparing an alloy ribbon containing iron (Fe) as the remaining amount (S11), and the alloy ribbon at a temperature of 440 to 480 ° C. for 5 to 60 minutes, more preferably 10 It includes a step (S12) of heat treatment for ~20 minutes.
보다 상세하게는, 상기 단계 S11은 Fe-Si-B계 비정질 합금에 Ca와 Cu를 첨가하고 급속응고법의 일종인 멜트 스피닝법(Melt Spinning process)으로 비정질 합금 리본을 제조하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 상기 Fe-Si-B계 비정질 합금은 Fe78Si9B13(at%)(Fe91Si7B2 wt%, Metglas 2605-S2)일 수 있다. More specifically, the step S11 includes adding Ca and Cu to the Fe-Si-B-based amorphous alloy and manufacturing an amorphous alloy ribbon by a melt spinning process, which is a type of rapid solidification method. Preferably, the Fe-Si-B-based amorphous alloy may be Fe 78 Si 9 B 13 (at%) (Fe 91 Si 7 B 2 wt%, Metglas 2605-S2).
본 발명에서는 Fe-Si-B계 비정질 합금에 Cu 0.1~3 at%와 Ca 0.005~2.0 at%로 첨가한 것을 특징으로 한다. 이를 통해, 입계에 위치한 Ca이 절연체 역할을 하게 되고, 세그먼트 형태의 비정질시트보다 열발생을 훨씬 억제함과 동시에 무선충전속도를 크게 증가시키는 Power Charger Enhancer의 역할을 하게 된다. 즉, Ca이 입계에 분포하여 결정립성장을 억제함으로써 Fe-Si-B계 합금이 10 nm 이하의 미세한 나노결정들로 이루어질 수 있다. 또한, 0.005~2.0 at%의 미량의 Ca 첨가만으로도 투자율이 유지되면서 비저항측정이 약 4배 정도 증가하며, 표면에 CaO를 형성하여 리본 사이의 절연 효과가 크고, 코어손실도 크게 감소시킬 수 있어, 우수한 무선충전용 전자파 흡수 및 인핸서(Enhancer)로 이용될 수 있다. In the present invention, it is characterized in that 0.1 to 3 at% of Cu and 0.005 to 2.0 at% of Ca are added to the Fe-Si-B-based amorphous alloy. Through this, Ca located at the grain boundary acts as an insulator and plays the role of a power charger enhancer that significantly increases the wireless charging speed while suppressing heat generation much more than the segment-shaped amorphous sheet. That is, the Fe-Si-B-based alloy can be made of fine nanocrystals of 10 nm or less by distributing Ca at the grain boundary to suppress grain growth. In addition, with the addition of a small amount of Ca of 0.005 to 2.0 at%, the magnetic permeability is maintained and the resistivity measurement is increased by about 4 times, and CaO is formed on the surface to increase the insulation effect between the ribbons, and the core loss can be greatly reduced. It can be used as an excellent electromagnetic wave absorption and enhancer for wireless charging.
본 발명의 합금 리본은 니오븀(Nb)를 포함하지 않고 철의 함량을 높인 것을 특징으로 한다. 니오븀(Nb)은 고가의 금속으로서, 일반적으로 3 at% 정도를 첨가해야 결정립성장을 억제할 수 있다. 하지만, Nb 첨가시, Fe의 함량이 상대적으로 감소하여 포화자속밀도를 증가시키기 어렵다. 본 발명에서는 Ca를 첨가함으로써, Nb를 사용하지 않고도 나노결정립 성장을 억제하여 미세한 나노결정을 얻을 수 있다. The alloy ribbon of the present invention is characterized in that the content of iron is increased without including niobium (Nb). Niobium (Nb) is an expensive metal, and in general, about 3 at% must be added to suppress grain growth. However, when Nb is added, it is difficult to increase the saturation magnetic flux density because the Fe content is relatively decreased. In the present invention, by adding Ca, it is possible to obtain fine nanocrystals by suppressing the growth of nanocrystals without using Nb.
또한, 본 발명은 연자성 합금을 분말이 아니라 합금 리본(ribbon: Thin Strip)으로 제조함으로써, 분말코어보다 초투자율이 우수하고 무선충전모듈의 차폐/흡수 및 충전효율을 증대(enhancer)는 역할을 할 수 있고, 포화자속밀도를 높혀 모듈의 연자성시트의 두께를 더 감소킬 수 있다. 이로써, 실용화 및 기존재료의 대체가 가능하다. In addition, the present invention is made of an alloy ribbon (ribbon: Thin Strip) rather than powder, so that it has superior initial permeability than a powder core and serves to enhance the shielding/absorption and charging efficiency of the wireless charging module. It is possible to further reduce the thickness of the soft magnetic sheet of the module by increasing the saturation magnetic flux density. Thereby, practical use and replacement of existing materials are possible.
이하에서 실시예를 들어서 본 발명을 상세하게 설명하지만, 이들 실시예에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the scope of the present invention is not limited by these Examples.
실험예Experimental example 1 One
열처리온도와 시간에 따른 합금 리본의 포화자속밀도의 변화를 측정하였다. 멜트 스피닝법(Melt Spinning process)에 의해 Fe78Si9B13(at%)(Fe91Si7B2 wt%, Metglas 2605-S2)에 Cu 1 wt% 또는 0.4 wt%, Ca 0.03 wt% 또는 0.04 wt%를 각각 첨가하여 비정질 합금 리본을 제조하였다. 상기 합금 리본을 440℃, 460℃, 480℃로 각각 10분, 20분 가열하고 포화자속밀도(Tesla)를 측정하였다(측정조건 - Fequency : 50Hz, Hm : 800A/m). 그 결과를 표 1에 나타냈다.The change in the saturation magnetic flux density of the alloy ribbon according to the heat treatment temperature and time was measured. Fe 78 Si 9 B 13 (at%) (Fe 91 Si 7 B 2 wt%, Metglas 2605-S2) by the melt spinning process An amorphous alloy ribbon was prepared by adding 1 wt% or 0.4 wt% of Cu, 0.03 wt% or 0.04 wt% of Ca, respectively. The alloy ribbon was heated at 440°C, 460°C, and 480°C for 10 minutes and 20 minutes, respectively, and the saturation magnetic flux density (Tesla) was measured (measurement conditions - Fequency: 50Hz, Hm: 800A/m). The results are shown in Table 1.
따른 포화자속밀도Saturated magnetic flux density according to
(Tesla)(Tesla)
(min.)(min.)
[[
FeFe
7878
SiSi
99
BB
1313
]]
표 1을 보면, Ca와 Cu의 함량이 증가함에 따라 포화자속밀도가 거의 비슷하거나 소폭 감소되었다. Referring to Table 1, as the content of Ca and Cu increased, the saturation magnetic flux density was almost the same or decreased slightly.
실험예Experimental example 2 2
열처리온도와 시간에 따른 합금 리본의 보자력의 변화를 측정하였다. 멜트 스피닝법(Melt Spinning process)에 의해 Fe78Si9B13(at%)(Fe91Si7B2 wt%, Metglas 2605-S2)에 Cu 1 wt%, 0.4 wt%, Ca 0.03 wt%, 0.04 wt%를 각각 첨가하여 비정질 합금 리본을 제조하였다. 상기 합금 리본을 440℃, 460℃, 480℃로 각각 10분, 20분 가열하고 보자력(A/m)을 측정하였다(측정 조건 - Fequency : 50Hz, Hm : 800A/m). 그 결과를 표 2에 나타냈다.The change of coercive force of alloy ribbon according to heat treatment temperature and time was measured. Fe 78 Si 9 B 13 (at%) (Fe 91 Si 7 B 2 wt%, Metglas 2605-S2) by the melt
따른 보자력값(A/m)coercive force value (A/m)
(min.)(min.)
[[
FeFe
7878
SiSi
99
BB
1313
]]
표 2를 보면, 제조된 합금 리본의 Ca 함량이 증가할수록 리본의 보자력이 약 50% 이상 크게 감소하였다. Fe-Si-B 비정질 리본합금은 9.96 A/m의 보자력을 갖지만, Ca가 첨가된 합금 리본을 440℃에서 10분간 열처리 하였을 때, Ca가 0.03 wt% 함유된 리본코어는 5.3 A/m, 0.04 wt% 함유된 합금 리본은 5.01 A/m의 보자력을 나타냈다. Fe-Si-B 계 합금은 Ca의 첨가에 의해 보자력이 감소하고 결정립성장이 효과적으로 억제되어 나노결정을 형성하는 것을 알 수 있다. 또한, Cu 첨가량을 1 wt%에서 0.4 wt%로 낮춘 경우에도 Ca가 불균일핵성성 위치로서 역할을 할 것으로 기대할 수 있다. 하지만, 이 경우 결정의 미세화효과가 작으므로, Ca 또는 Cu의 첨가량을 더 증가시켜야 할 것으로 보인다.Referring to Table 2, as the Ca content of the prepared alloy ribbon increased, the coercive force of the ribbon was greatly reduced by about 50% or more. The Fe-Si-B amorphous ribbon alloy has a coercive force of 9.96 A/m, but when the Ca-added alloy ribbon was heat treated at 440°C for 10 minutes, the ribbon core containing 0.03 wt% Ca had a coercive force of 5.3 A/m and 0.04. The alloy ribbon containing wt% showed a coercive force of 5.01 A/m. In the Fe-Si-B-based alloy, it can be seen that the coercive force is reduced by the addition of Ca and the grain growth is effectively suppressed to form nanocrystals. In addition, even when the amount of Cu added is lowered from 1 wt% to 0.4 wt%, it can be expected that Ca will play a role as a heteronuclear site. However, in this case, since the crystal refinement effect is small, it seems that the addition amount of Ca or Cu should be further increased.
실험예Experimental example 3 3
열처리온도와 시간에 따른 합금 리본의 코어손실의 변화를 측정하였다. 멜트 스피닝법(Melt Spinning process)에 의해 Fe78Si9B13(at%)(Fe91Si7B2 wt%, Metglas 2605-S2)에 Cu 1 wt%, 0.4 wt%, Ca 0.03 wt%, 0.04 wt%를 각각 첨가하여 비정질 합금 리본을 제조하였다. 상기 합금 리본을 440℃, 460℃, 480℃로 각각 10분, 20분 가열하고 코어 손실(mW/cm)을 측정하였다(측정 조건 - 0.1 Tesla, 50 kHz). 그 결과를 표 3에 나타냈다.The change in the core loss of the alloy ribbon according to the heat treatment temperature and time was measured. Fe 78 Si 9 B 13 (at%) (Fe 91 Si 7 B 2 wt%, Metglas 2605-S2) by the melt
(mW/cm)(mW/cm)
시간(min)time (min)
[[
FeFe
7878
SiSi
99
BB
1313
]]
Fe-Fe-
SiSi
-B--B-
1Cu1Cu
--
0.03Ca0.03Ca
표 3을 보면, Fe-Si-B-Cu-Ca 합금 리본의 Ca 함량이 증가할수록 코어 손실은 80% 이상 크게 감소했다. 이는, Ca 첨가량을 증가시키는 경우 Cu가 Ca와 상호 반응하여 Cu의 양이 감소하는 것으로 해석할 수 있다. 코어손실은 비정질리본의 경우에는 175.05 mW/cm이었다. 그러나, Fe-Si-B-0.4Cu-0.04Ca 나노결정 합금 리본을 460℃에서 10분간 열처리한 경우, 리본코어 손실은 44.41 mW/cm으로 나타났다.Referring to Table 3, as the Ca content of the Fe-Si-B-Cu-Ca alloy ribbon increased, the core loss significantly decreased by more than 80%. This can be interpreted as a decrease in the amount of Cu as Cu interacts with Ca when the amount of Ca is increased. The core loss was 175.05 mW/cm for the amorphous ribbon. However, when the Fe-Si-B-0.4Cu-0.04Ca nanocrystal alloy ribbon was heat treated at 460° C. for 10 minutes, the ribbon core loss was 44.41 mW/cm.
실험예Experimental example 4 4
Ca 첨가에 따른 본 발명의 연자성 합금 리본에서의 나노결정 성장 억제 효과를 확인하기 위하여, 열처리 실험을 실시하였다. Metglas 2605-S2(Fe78Si9B13 at%)(Fe91Si7B2 wt%)(도 1a)와 본 발명의 나노결정 연자성합금(Metglas 2605-S2 + 1 wt% Cu, 0.03 wt% Ca)(도 1b)을 합금 리본으로 제조하고, 540℃에서 1시간 동안 열처리한 후의 결정립 크기를 투과전자현미경(TEM)으로 촬영하여, 도 1에 나타냈다. In order to confirm the effect of inhibiting nanocrystal growth in the soft magnetic alloy ribbon of the present invention according to the addition of Ca, a heat treatment experiment was performed. Metglas 2605-S2 (Fe 78 Si 9 B 13 at%) (Fe 91 Si 7 B 2 wt%) (FIG. 1a) and the nanocrystalline soft magnetic alloy of the present invention (Metglas 2605-S2 + 1 wt% Cu, 0.03 wt. % Ca) (FIG. 1b) was prepared as an alloy ribbon, and the grain size after heat treatment at 540° C. for 1 hour was photographed with a transmission electron microscope (TEM), and is shown in FIG. 1 .
열처리 온도가 낮을 경우 비정질 기질에 결정이 일부에만 분산된다. 따라서, Ca 첨가에 따른 결정화 분률을 보다 정확하게 확인하기 위하여, 열처리 온도를 540℃로 설정하였다.When the heat treatment temperature is low, crystals are only partially dispersed in the amorphous substrate. Therefore, in order to more accurately confirm the crystallization fraction according to the addition of Ca, the heat treatment temperature was set to 540°C.
도 1a를 보면, Metglas 2605-S2(Fe78Si9B13 at%(Fe91Si7B2 wt%)) 합금을 540℃에서 1시간 열처리한 경우 크기가 약 100 nm 이상인 결정립들로 형성된 것을 확인할 수 있으며, 비정질기지에서 핵생성되는 결정의 수가 매우 제한적인 것으로 파악된다. 부분적으로는 이상결정립성장(abnormal grian growth)이 일어나 매우 조대한 결정들이 많이 관찰된다. 하지만, 도 1b를 보면, Ca를 첨가한 경우, 결정 성장시 Ca가 결정에 고용되지 않고 비정질 영역으로 밀려나 결정립 주위에 분포하는 것을 확인하였다. 이러한 Ca의 거동으로 인해 결정의 성장을 억제하고 각각의 결정을 미세화시키는 효과를 확인할 수 있다. 1a, when Metglas 2605-S2 (Fe 78 Si 9 B 13 at% (Fe 91 Si 7 B 2 wt%)) alloy was heat treated at 540° C. for 1 hour, the crystal grains having a size of about 100 nm or more were formed. It is confirmed that the number of crystals nucleated in the amorphous matrix is very limited. Partially, abnormal grain growth occurs and many very coarse crystals are observed. However, referring to FIG. 1B , it was confirmed that when Ca was added, Ca was not dissolved in the crystal during crystal growth but was pushed into the amorphous region and distributed around the crystal grains. Due to this behavior of Ca, the effect of inhibiting the growth of crystals and refining each crystal can be confirmed.
실험예 5Experimental Example 5
Ca 및 Zr 첨가에 따른 연자성 합금 리본에서의 나노결정 성장 억제 효과를 확인하기 위하여, 열처리 실험을 실시하였다. 본 발명의 나노결정 연자성합금(Metglas 2605-S2(Fe91Si7B2 wt%(Fe78Si9B13 at%)) + 1 wt% Cu, 2.48 wt% Zr, 0.19 wt% Ca)을 합금 리본으로 제조하고, 540℃에서 1시간 동안 열처리한 후의 결정립 크기를 투과전자현미경(TEM)으로 촬영하여, 도 2에 나타냈다. In order to confirm the effect of inhibiting nanocrystal growth in the soft magnetic alloy ribbon according to the addition of Ca and Zr, a heat treatment experiment was performed. Nanocrystalline soft magnetic alloy of the present invention (Metglas 2605-S2 (Fe 91 Si 7 B 2 wt% (Fe 78 Si 9 B 13 at%)) + 1 wt% Cu, 2.48 wt% Zr, 0.19 wt% Ca) It was prepared with an alloy ribbon, and the grain size after heat treatment at 540° C. for 1 hour was photographed with a transmission electron microscope (TEM), and is shown in FIG. 2 .
급속응고리본의 제조는, Ca의 첨가를 용이하게 하게 위해, 용해로 챔버 내 기압을 1x10-4 Torr까지 낮춘 후 다시 대기압까지 Ar을 주입하여 잉곳을 제조한 후 멜트스피닝(melt-spinning)을 사용하여 Fe계 리본을 제작하였다. 주조 시 약 1,250℃의 온도로 용탕을 유지시켰으며 분사 노즐과 휠(wheel)의 간격은 150 μm, 휠 회전속도는 3000 rpm 사이로 조절하여 두께 4 mm, 폭 약 20 μm의 연자성 합금 리본을 제조하였다. For the preparation of rapid solidification ribbon, in order to facilitate the addition of Ca, the atmospheric pressure in the melting furnace chamber is lowered to 1x10 -4 Torr, and Ar is injected back to atmospheric pressure to prepare an ingot, and then melt-spinning is used. Fe-based ribbons were prepared. During casting, the molten metal was maintained at a temperature of about 1,250°C, the distance between the spray nozzle and the wheel was 150 μm, and the wheel rotation speed was adjusted between 3000 rpm to produce a soft magnetic alloy ribbon with a thickness of 4 mm and a width of about 20 μm. did.
도 2를 보면, Zr을 첨가한 경우, 결정립 크기가 46nm로서 결정의 크기가 확연히 줄어든 것으로 나타냈다. 이를 통해 Zr의 소량 첨가는 결정립 성장을 억제하는데 큰 효과가 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 2 , when Zr was added, the grain size was 46 nm, indicating that the size of the crystal was significantly reduced. From this, it can be seen that the small addition of Zr has a great effect in suppressing grain growth.
실험예 6Experimental Example 6
Fe-Si-B(Fe91Si7B2 wt%) 비정질 합금 리본에 Cu, Zr, Ca 동시에 첨가(1 wt% Cu, 2.48 wt% Zr, 0.19 wt% Ca)하여 540℃에서 30분 동안 열처리한 시편을 TEM으로 관찰하여, 도 3에 나타냈다. Zr과 Ca를 동시에 첨가한 도 3(b)의 Fe-Si-B-Cu-Zr-Ca(1 wt% Cu, 2.48 wt% Zr, 0.19 wt% Ca) 합금 리본의 평균 결정립 크기는 약 13 ~ 15 nm 정도로서, Fe-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Zr(0.98 wt% Cu, 0.12 wt% Zr), Fe-Si-B-Cu-Ca(0.4 wt% Cu, 0.04 wt% Ca) 합금 리본의 결정립 크기보다 크게 감소하였다. Fe-Si-B (Fe 91 Si 7 B 2 wt%) Cu, Zr, and Ca were simultaneously added (1 wt% Cu, 2.48 wt% Zr, 0.19 wt% Ca) to an amorphous alloy ribbon and heat treated at 540°C for 30 minutes One specimen was observed by TEM, and is shown in FIG. 3 . The average grain size of the Fe-Si-B-Cu-Zr-Ca (1 wt% Cu, 2.48 wt% Zr, 0.19 wt% Ca) alloy ribbon of FIG. As about 15 nm, Fe-Si-B, Fe-Si-B-Cu-Zr (0.98 wt % Cu, 0.12 wt % Zr), Fe-Si-B-Cu-Ca (0.4 wt % Cu, 0.04 wt % Ca ) was significantly reduced than the grain size of the alloy ribbon.
도 4는 도 3(b)의 TEM 미세조직을 Dark Field image로 다시 촬영한 것으로서, 같은 방향으로 회절된 결정들의 정확한 크기를 측정한 예로서, 측정결과 13.85 mn의 결정으로 나타났다. 즉, 이러한 결과를 바탕으로 분석해 보면 0.19 % Ca와 2.48 % Zr의 첨가에 의하여 결정립성장이 크게 억제됨으로써 첨단연자성재료에서 필수적으로 요구되는 10~15nm 크기의 나노결정의 균일한 분포가 실현될 수 있는 것으로 나타났다. 이에 따라, Fe-Si-B-Cu-Zr-Ca계 합금 리본은 투자율이 크게 증가하고, 철손과 보자력이 기존 재료보다 크게 증가될 것으로 예상된다. FIG. 4 is a dark field image of the TEM microstructure of FIG. 3(b) again, and as an example of measuring the exact size of crystals diffracted in the same direction, the measurement result showed a crystal of 13.85 mn. That is, based on the analysis based on these results, grain growth is greatly suppressed by the addition of 0.19% Ca and 2.48% Zr, so that uniform distribution of nanocrystals with a size of 10 to 15 nm, which is essential in advanced soft magnetic materials, can be realized appeared to be Accordingly, it is expected that the Fe-Si-B-Cu-Zr-Ca-based alloy ribbon has a significantly increased magnetic permeability and significantly increased iron loss and coercive force compared to conventional materials.
한편, 도 5는 Fe-Si-B(Fe91Si7B2 wt%) 합금 리본(a)과 Fe-Si-B-Cu-Zr-Ca(1 wt% Cu, 2.48 wt% Zr, 0.19 wt% Ca) 합금 리본(b)을 TEM으로 회절도형(Selected Area Diffration Pattern : SADP)을 촬영한 것이다. 도 5(a)는 Fe-Si-B 비정질을 30분 동안 열처리한 합금 리본으로서, 입계의 비정질 기지에 많은 α-Fe 결정들이 분포해 있는 것을 확인할 수 있다. 도 5(b)는 Fe-Si-B-Cu-Zr-Ca 합금 리본의 회절패턴으로서, Cu의 클러스터 형성과 Cu와 Zr 첨가에 의해 α-Fe 결정 Fe(Si) 결정들이 미세하게 형성되었으며, 비정질 상(phase)의 분율은 크게 감소한 것을 확인할 수 있다. 여기에서 10 1/nm의 단위는 역격자의 길이를 나타낸 것으로서, TEM 회절패턴의 통상정인 분석식인 Rd=λL(TEM 의 camers constant)을 이용하여 α-Fe 결정의 면간거리의 역수와 비교하면 정확하게 일치하게 된다. 즉, Fe의 격자 상수는 0.286 nm(2.86Å)이므로 면간거리의 역수를 취한 값의 단위는 1/nm이 된다. On the other hand, Figure 5 is a Fe-Si-B (Fe 91 Si 7 B 2 wt%) alloy ribbon (a) and Fe-Si-B-Cu-Zr-Ca (1 wt% Cu, 2.48 wt% Zr, 0.19 wt% % Ca) A diffraction pattern (Selected Area Diffration Pattern: SADP) of the alloy ribbon (b) was taken by TEM. 5(a) is an alloy ribbon in which Fe-Si-B amorphous is heat treated for 30 minutes, and it can be seen that many α-Fe crystals are distributed in the amorphous matrix of grain boundaries. 5 (b) is a diffraction pattern of the Fe-Si-B-Cu-Zr-Ca alloy ribbon, in which α-Fe crystals Fe(Si) crystals were finely formed by the cluster formation of Cu and addition of Cu and Zr, It can be seen that the fraction of the amorphous phase is greatly reduced. Here, the unit of 10 1/nm represents the length of the reciprocal lattice, and when compared with the reciprocal of the interplanar distance of the α-Fe crystal using Rd = λL (camers constant of TEM), which is a common analytic formula of TEM diffraction patterns, it is accurate will match That is, since the lattice constant of Fe is 0.286 nm (2.86 Å), the unit of the value obtained by taking the reciprocal of the interplanar distance is 1/nm.
뿐만 아니라, 링 패턴(ring pattern)의 간격이 가장 미세하고 회절점(spot)의 개수가 가장 많음을 관측할 수 있는데, 이러한 결과는 Cu, Zr, Ca 첨가가 나노결정 형성에 크게 기여하였음을 증명해 준다.In addition, it can be observed that the spacing of the ring pattern is the smallest and the number of diffraction spots is the largest. These results prove that the addition of Cu, Zr, and Ca greatly contributed to the formation of nanocrystals. give.
실험예 7Experimental Example 7
Fe91Si7B2 wt%(Fe78Si9B13 at%)에 0.9 wt% Cu와 0.03 wt% Ca를 첨가한 합금 리본을 별도로 제조하여 TEM으로 미세조직을 관찰하고 Ca원소의 분포를 파악하기 위하여 EELS 매핑(Mapping)하여 도 6에 나타냈다. 도 6(a)는 합금 리본을 560℃의 고온에서 1시간 동안 결정립을 크게 성장시킨 상태의 미세조직 사진이며, 도 6(b)는 그 위치의 Ca 원소를 EELS로 매핑한 사진이다. Ca는 주로 결정립계에 분포하여 결정립 성장을 매우 효과적으로 억제하는 것으로 분석된다. An alloy ribbon with 0.9 wt% Cu and 0.03 wt% Ca added to Fe 91 Si 7 B 2 wt% (Fe 78 Si 9 B 13 at%) was separately prepared, and the microstructure was observed by TEM and the distribution of Ca element was identified. In order to do this, EELS mapping was performed and shown in FIG. 6 . 6(a) is a microstructure photograph of an alloy ribbon in which crystal grains are grown large at a high temperature of 560° C. for 1 hour, and FIG. 6(b) is a photograph of a Ca element at that location mapped with EELS. It is analyzed that Ca is mainly distributed at grain boundaries and very effectively inhibits grain growth.
한편, 도 7은 Fe-Si-B-1.0Cu-2,48Zr-0.19Ca(wt%) 합금 리본의 미세조직을 TEM으로 관찰하고 Zr 원소의 분포를 파악하기 위하여 EELS 매핑한 사진이다. Zr 원소가 추가로 첨가된 경우에는 Zr 원소가 결정립계에 주로 분포하지만, 입내에도 같이 분포하였는데, 입계에 분포하는 Ca과 Zr은 전혀 섞이지 않아 고용체나 화합물을 형성하지 않으므로 분포하는 위치는 각각 다른 것으로 판단된다. Zr은 결정을 둘러싸고 있는 비정질구조의 입계를 안정화시키는 역할을 함으로써 역시 결정성장을 크게 억제시킴과 동시에 와전류 손실을 감소하도록 하는 절연역할을 하는 것으로 나타났다. 이에 따라, Fe계 연자성 합금에 있어 Cu, Zr와 Ca원소의 소량 첨가만으로도 나노결정의 크기를 쉽게 제어할 수 있을 뿐 아니라, 와전류 손실 또한 크게 줄일 수 있는 효과를 기대할 수 있는 것으로 풀이된다.On the other hand, Figure 7 is a photograph of EELS mapping to observe the microstructure of the Fe-Si-B-1.0Cu-2,48Zr-0.19Ca (wt%) alloy ribbon by TEM and to understand the distribution of Zr element. When the Zr element is additionally added, the Zr element is mainly distributed at the grain boundary, but it is also distributed within the grain. Since Ca and Zr distributed at the grain boundary do not mix at all and do not form a solid solution or compound, the distribution positions are different. is judged Zr has been shown to play a role in stabilizing the grain boundaries of the amorphous structure surrounding the crystal, thereby greatly inhibiting crystal growth and reducing eddy current loss. Accordingly, it is interpreted that the size of the nanocrystals can be easily controlled with only a small amount of Cu, Zr and Ca elements in the Fe-based soft magnetic alloy, and the effect of greatly reducing the eddy current loss is expected.
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