KR20200132738A - Fe BASED NANO-STRUCTURED SOFT MAGNETIC ALLOY RIBBON AND METHOD FOR PREPARING THE SAME - Google Patents

Fe BASED NANO-STRUCTURED SOFT MAGNETIC ALLOY RIBBON AND METHOD FOR PREPARING THE SAME Download PDF

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Abstract

The present invention relates to an iron (Fe)-based soft-magnetic alloy ribbon with higher saturation magnetic flux density than a conventional nano-grain soft-magnetic alloy and excellent magnetic permeability and core loss properties at a high frequency and a manufacturing method thereof and, more specifically, to a Fe-based nano-grain soft-magnetic alloy ribbon for a wireless charging module and a manufacturing method thereof. Preferably, the nano-grain soft-magnetic alloy ribbon has a composition in which calcium (Ca) is added to an iron (Fe)-based alloy and specifically comprises 1-15 atom% of silicon (Si), 5-15 atom% of boron (B), 0.1-3 atom% of copper (Cu), 0.005-2 atom% of calcium (Ca), and the remainder consisting of iron (Fe).

Description

철계 나노결정립 연자성 합금 리본 및 그 제조 방법{Fe BASED NANO-STRUCTURED SOFT MAGNETIC ALLOY RIBBON AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}Iron-based nanocrystal grain soft magnetic alloy ribbon and its manufacturing method {Fe BASED NANO-STRUCTURED SOFT MAGNETIC ALLOY RIBBON AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}

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 an Fe-based soft magnetic alloy ribbon having higher saturation magnetic flux density than the conventional nanocrystalline soft magnetic alloy and excellent in permeability and core loss characteristics at high frequency, and a method of manufacturing the same. Specifically, the present invention relates to an Fe-based nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon for a wireless charging module and a method of 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 receiving module is generally manufactured by stacking a receiving antenna of a flexible printed circuit board (FPCB) in a coil shape on a board on which ferrite and amorphous sheets are stacked. Recently, these materials are being replaced with thin sheets of nanocrystalline soft magnetic material (thickness of less than about 0.3 mm) with low permeability and core loss. In this case, the induction current flows from the receiving antenna through the magnetic field generated from the transmitter, so that battery charging and data reception are possible.At this time, the high-performance soft magnetic sheet serves as electromagnetic wave shielding and absorption, and receives the surrounding magnetic field due to the high permeability. It plays a role of increasing the transmission efficiency by drawing into the module and increasing the density of magnetic flux (Power Charger Enhancer).

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 type wireless charging module cannot prevent excessive heat generation and shortening of lifespan of the charging module due to a surge in eddy current loss, and this causes a phenomenon in which the accuracy and transmission distance of NFC transmission data are sharply reduced. The currently used nanocrystalline soft magnetic sheet is widely used as a soft magnetic sheet material for wireless charging modules due to its own characteristics, but the saturation magnetic flux density is difficult to meet the global trend to further reduce the thickness of the module due to its low saturation magnetic flux density. Nanocrystalline soft magnetic sheets of at least 1.5 Tesla or more are in the essential stage. In addition, since it is necessary to minimize the heat generated during wireless charging, it is necessary to minimize eddy current loss and develop a material having high saturation magnetic flux density and high magnetic 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.Fe-Si-BP-Cu-based alloys and Fe-BC-Cu-based alloys are the most widely known materials among materials with high saturation magnetic flux density, but their thermal stability is very low and Abnormal Grain Growth There is a disadvantage of deteriorating the properties by ).

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, the demand for nanocrystalline soft magnetic alloys with excellent magnetization characteristics is increasing rapidly with the development of high-tech industries and high functionalization of electronic devices. In particular, in the fields of wireless charging and high-performance inductors, not only has 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 characteristics required. The shielding and high-magnetization thin plate for modules of inductively magnetized wireless chargers currently in use have amorphous or nanocrystalline structure, but amorphous materials have a low permeability and use the existing Finemet alloy (a brand name of Hitachi's nanocrystalline soft magnetic alloy). The nanocrystalline soft magnetic material has a saturation magnetic flux density of about 1.2 Tesla, and higher magnetization characteristics 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) in an amount of 0.01 to 2 at% to Fe-Si-B-Nb-Cu (at%), and the amorphous alloy ribbon is pulverized to form an amorphous alloy powder, A method of preparing a powder core by classifying it, mixing the classified powder and a binder, forming a powder core by pressing, and heat-treating the powder core 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 when used in a wireless charging module, the thickness of the module becomes thick and its performance is poor, making it 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 strip having a small air pocket size manufactured by the single roll method, and discloses Fe 100 -xay- z A x M a Si y B z (at%). have. However, the alloy thin strip has improved corrosion resistance and improved magnetic properties, but it is difficult to achieve the saturation magnetic flux density required in 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 permeability are high, and growth of nanocrystals is suppressed in order to solve the problems of the prior art.

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-described task 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%, characterized by containing iron (Fe) in the balance, 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-described 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 step of preparing an alloy ribbon containing the 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-described 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 step of preparing an alloy ribbon containing the 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. For this reason, the soft magnetic alloy ribbon of the present invention has a high saturation magnetic flux density of 1.5 Tesla or more, so that not only can the thickness of the wireless charging module be reduced, but also the eddy current loss can be further reduced by the insulating effect of the fine nanocrystal grains. It can also be used in the 10 MHz band. In addition, it is expected to greatly promote 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 and small transformers of electronic devices.

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 of observing the grain size after heat treatment at 540°C for 1 hour with a transmission electron microscope (TEM).
2 is a transmission electron microscope showing the grain size 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).
3 is a 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 observed with a transmission electron microscope (TEM) of a specimen heat-treated at 540° C. for 30 minutes.
4 is a photograph of a transmission electron microscope (TEM) microstructure of FIG. 3(b) taken again as a dark field image.
Figure 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 A diffraction pattern (Selected Area Diffration Pattern: SADP) was photographed using wt% Zr, 0.19 wt% Ca)(b) by TEM.
6 is a photograph (a) of a microstructure of a separately manufactured alloy ribbon (Metglas 2605-S2 + 0.9 wt% Cu, 0.03 wt% Ca) by TEM, and EELS mapping in order to understand the distribution of Ca elements. ) This is a picture (b).
7 is a photograph (a) of observing the microstructure of the alloy ribbon of the present invention (Metglas 2605-S2 + 1 wt% Cu, 2.48 wt% Zr, 0.19 wt% Ca) by TEM, and the distribution of Zr elements. This is the EELS-mapped picture (b) 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 correspond to the meanings as commonly understood by one of ordinary skill in the relevant fields of the present invention. In addition, although preferred methods or samples are described in the present specification, those similar or equivalent are 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, or 30, 25, 20, 15, 10, 9, 8, 7, 6, 5, or relative to a reference amount, level, value, number, frequency, percentage, dimension, size, amount, weight or length. It 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 otherwise required by the context, the terms “comprise” and “comprising” include the steps or components presented, or groups of steps or components, but any other step or component, or It is to be understood that a step or group of components 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 of manufacturing the same. Specifically, the composition in which calcium (Ca) is added to the iron (Fe)-based alloy is silicon (Si) 1 to 15 at%, boron (B) 5 to 15 at%, copper (Cu) 0.1 to 3 at%, calcium. (Ca) 0.005~2.0 at% and iron (Fe) are included in 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 conventional Fe-Si-BP-Cu-based alloy and Fe-BC-Cu-based alloy, which are typical nanocrystalline 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 clusters, which act as a homogeneous nucleation site of α-Fe crystals, and Ca atoms are distributed in grain boundaries to inhibit grain growth and increase specific resistance.

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), the size of crystal grains can be significantly reduced. 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 show more excellent magnetization characteristics.

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, a method of manufacturing a 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) manufacturing an alloy ribbon containing 0.005 to 2.0 at% and iron (Fe) in the balance (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 an Fe-Si-B-based amorphous alloy, and preparing an amorphous alloy ribbon by a melt spinning process, which is a kind 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, the Fe-Si-B-based amorphous alloy is characterized by adding 0.1 to 3 at% of Cu and 0.005 to 2.0 at% of Ca. Through this, Ca located at the grain boundary acts as an insulator, and it plays the role of a Power Charger Enhancer that significantly increases the wireless charging speed while suppressing heat generation much more than that of a segmented amorphous sheet. That is, by distributing Ca to grain boundaries to suppress grain growth, the Fe-Si-B-based alloy can be made of fine nanocrystals of 10 nm or less. In addition, even with the addition of a trace amount of Ca of 0.005 to 2.0 at%, the permeability is maintained and the resistivity measurement increases 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 it does not contain niobium (Nb) and has an increased iron content. Niobium (Nb) is an expensive metal, and it is generally necessary to add about 3 at% to suppress grain growth. However, when Nb is added, the content of Fe is relatively decreased, making it difficult to increase the saturation magnetic flux density. In the present invention, by adding Ca, it is possible to obtain fine nanocrystals by suppressing the growth of nanocrystal grains 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, in the present invention, by manufacturing a soft magnetic alloy with an alloy ribbon (Thin Strip) instead of a powder, the superpermeability is superior to that of the powder core, and the shielding/absorption and charging efficiency of the wireless charging module are improved (enhancer). In addition, the thickness of the soft magnetic sheet of the module can be further reduced by increasing the saturation magnetic flux density. Thereby, it is possible to commercialize and replace existing materials.

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. To Fe 78 Si 9 B 13 (at%) (Fe 91 Si 7 B 2 wt%, Metglas 2605-S2) by a melt spinning process 1 wt% or 0.4 wt% of Cu, 0.03 wt% or 0.04 wt% of Ca were each added to prepare an amorphous alloy ribbon. 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 condition-Fequency: 50Hz, Hm: 800A/m). The results are shown in Table 1.

실시예(wt%)Example (wt%) 열처리 온도(℃)에 At the heat treatment temperature (℃)
따른 포화자속밀도Saturation magnetic flux density according to
(Tesla)(Tesla)
열처리시간Heat treatment time
(min.)(min.)
대조군Control
[[ FeFe 7878 SiSi 99 BB 1313 ]]
440440 460460 480480 Fe-Fe- SiSi -B--B- 1Cu1Cu -- 0.03Ca0.03Ca 1.561.56 1.531.53 1.591.59 1010 열처리 조건 430℃, 37분Heat treatment conditions 430℃, 37 minutes Fe-Fe- SiSi -B--B- 0.4Cu0.4Cu -- 0.04Ca0.04Ca 1.571.57 1.601.60 1.581.58 1.61 1.61 Fe-Fe- SiSi -B--B- 1Cu1Cu -- 0.03Ca0.03Ca 1.561.56 1.581.58 1.581.58 2020 Fe-Fe- SiSi -B--B- 0.4Cu0.4Cu -- 0.04Ca0.04Ca 1.581.58 1.581.58 1.581.58

표 1을 보면, Ca와 Cu의 함량이 증가함에 따라 포화자속밀도가 거의 비슷하거나 소폭 감소되었다. In Table 1, as the content of Ca and Cu increased, the saturation magnetic flux density was almost the same or slightly decreased.

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 the coercive force of the alloy ribbon according to the heat treatment temperature and time was measured. To Fe 78 Si 9 B 13 (at%) (Fe 91 Si 7 B 2 wt%, Metglas 2605-S2) by a melt spinning process 1 wt% of Cu, 0.4 wt%, 0.03 wt% of Ca, and 0.04 wt% of Ca were each added to prepare an amorphous alloy ribbon. The alloy ribbon was heated at 440°C, 460°C, and 480°C for 10 minutes and 20 minutes, respectively, and the coercive force (A/m) was measured (measurement conditions-Fequency: 50Hz, Hm: 800A/m). The results are shown in Table 2.

실시예Example (wt%)(wt%) 열처리온도(℃)에 At the heat treatment temperature (℃)
따른 보자력값(A/m)Coercive force value (A/m)
열처리시간Heat treatment time
(min.)(min.)
대조군Control
[[ FeFe 7878 SiSi 99 BB 1313 ]]
440440 460460 480480 Fe-Fe- SiSi -B--B- 1Cu1Cu -- 0.03Ca0.03Ca 5.35.3 15.6815.68 75.875.8 1010 열처리 조건 430℃, 37분Heat treatment conditions 430℃, 37 minutes Fe-Fe- SiSi -B--B- 0.4Cu0.4Cu -- 0.04Ca0.04Ca 5.015.01 8.748.74 205.8205.8 9.96 [A/m]9.96 [A/m] Fe-Fe- SiSi -B--B- 1Cu1Cu -- 0.03Ca0.03Ca 15.8315.83 75.4975.49 72.1472.14 2020 Fe-Fe- SiSi -B--B- 0.4Cu0.4Cu -- 0.04Ca0.04Ca 7.167.16 119119 186.7186.7

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 coercivity of the ribbon decreased by about 50% or more. Fe-Si-B amorphous ribbon alloy has a coercive force of 9.96 A/m, but when the alloy ribbon added with Ca was heat treated at 440°C for 10 minutes, the ribbon core containing 0.03 wt% Ca was 5.3 A/m, 0.04 The alloy ribbon containing wt% showed a coercive force of 5.01 A/m. It can be seen that the Fe-Si-B-based alloy decreases coercivity by the addition of Ca and effectively inhibits grain growth 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 heterogeneous nucleation site. However, in this case, since the crystallization 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 core loss of the alloy ribbon according to the heat treatment temperature and time was measured. To Fe 78 Si 9 B 13 (at%) (Fe 91 Si 7 B 2 wt%, Metglas 2605-S2) by a melt spinning process 1 wt% of Cu, 0.4 wt%, 0.03 wt% of Ca, and 0.04 wt% of Ca were each added to prepare an amorphous alloy ribbon. The alloy ribbon was heated to 440°C, 460°C, and 480°C for 10 minutes and 20 minutes, respectively, and the core loss (mW/cm) was measured (measurement condition-0.1 Tesla, 50 kHz). The results are shown in Table 3.

실시예(wt%)Example (wt%) 열처리온도(℃)에 따른 코어손실 Core loss according to heat treatment temperature (℃)
(mW/cm)(mW/cm)
열처리Heat treatment
시간(min)Time(min)
대조군Control
[[ FeFe 7878 SiSi 99 BB 1313 ]]
440440 460460
Fe-Fe- SiSi -B--B- 1Cu1Cu -- 0.03Ca0.03Ca
151.67151.67 - - 1010 열처리 조건 430℃, 37분Heat treatment conditions 430℃, 37 minutes
Fe-Fe- SiSi -B--B- 0.4Cu0.4Cu -- 0.04Ca0.04Ca 119.98119.98 44.4144.41 175.05175.05

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 reacts with Ca when the amount of Ca added is increased. The core loss was 175.05 mW/cm for the amorphous ribbon. However, when the Fe-Si-B-0.4Cu-0.04Ca nanocrystalline 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 the growth of nanocrystals in the soft magnetic alloy ribbon of the present invention according to the addition of Ca, a heat treatment experiment was conducted. 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.

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 check the crystallization fraction according to Ca addition, 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. Referring to Figure 1a, when the Metglas 2605-S2 (Fe 78 Si 9 B 13 at% (Fe 91 Si 7 B 2 wt%)) alloy is heat-treated at 540° C. for 1 hour, it is formed of crystal grains having a size of about 100 nm or more. It can be confirmed, and it is understood that the number of nucleated crystals in the amorphous base is very limited. Partly because of abnormal grian growth, 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 to the amorphous region and distributed around the crystal grains. Due to this behavior of Ca, it is possible to confirm the effect of suppressing the growth of crystals and minimizing each crystal.

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 the growth of nanocrystals in the soft magnetic alloy ribbon according to the addition of Ca and Zr, a heat treatment experiment was performed. The 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) The crystal grain size after it was prepared with an alloy ribbon and heat-treated 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. In order to facilitate the addition of Ca, the pressure in the furnace chamber is lowered to 1x10 -4 Torr, and Ar is injected again to atmospheric pressure to prepare an ingot, and then melt-spinning is used. An Fe-based ribbon was produced. During casting, the molten metal was maintained at a temperature of about 1,250℃, and the spacing 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. I 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.2, when Zr was added, the crystal grain size was 46 nm, indicating that the size of the crystal was significantly reduced. Through this, it can be seen that the addition of a small amount of Zr has a great effect in inhibiting 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%) added Cu, Zr, and Ca simultaneously to the amorphous alloy ribbon (1 wt% Cu, 2.48 wt% Zr, 0.19 wt% Ca) and heat treated at 540°C for 30 minutes One specimen was observed by TEM and 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. 3(b) in which Zr and Ca are added at the same time is about 13 ~ 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 ) The grain size of the alloy ribbon decreased significantly

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. 4 is a photograph of the TEM microstructure of FIG. 3(b) again as a dark field image, as an example of measuring the exact size of crystals diffracted in the same direction, and the measurement result was a crystal of 13.85 mn. In other words, if analyzed based on these results, grain growth was greatly suppressed by the addition of 0.19% Ca and 2.48% Zr, thereby realizing a uniform distribution of nanocrystals with a size of 10 to 15 nm, which is essential for advanced soft magnetic materials. Appeared to be. Accordingly, it is expected that the Fe-Si-B-Cu-Zr-Ca-based alloy ribbon will have a large increase in permeability, and the iron loss and coercivity will increase significantly 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) Alloy ribbon (b) was photographed with a TEM (Selected Area Diffration Pattern: SADP). 5(a) is an alloy ribbon obtained by heat treatment of Fe-Si-B amorphous for 30 minutes, and it can be seen that many α-Fe crystals are distributed in an amorphous matrix of grain boundaries. 5(b) is a diffraction pattern of an Fe-Si-B-Cu-Zr-Ca alloy ribbon, in which α-Fe crystals Fe(Si) crystals were finely formed by 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 inverse lattice, and when compared with the reciprocal of the interplanar distance of the α-Fe crystal by using Rd=λL (camers constant of TEM), which is an analytical equation that is a common definition of the TEM diffraction pattern, 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 finest 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 elements was identified. In order to do so, it is shown in FIG. 6 by EELS mapping. FIG. 6(a) is a microstructure picture of an alloy ribbon in which crystal grains are grown at a high temperature of 560° C. for 1 hour, and FIG. 6(b) is a picture of a Ca element at that location mapped to 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.Meanwhile, FIG. 7 is a photograph of EELS mapping in order to observe the microstructure of the Fe-Si-B-1.0Cu-2,48Zr-0.19Ca (wt%) alloy ribbon by TEM and to determine the distribution of Zr elements. When the Zr element is additionally added, the Zr element is mainly distributed in the grain boundaries, but it is also distributed in the grains, but Ca and Zr distributed in the grain boundaries do not mix at all and do not form a solid solution or compound, so the distribution positions are different. Is judged. Zr was found to play a role in stabilizing the grain boundaries of the amorphous structure surrounding the crystal, thus greatly suppressing crystal growth and at the same time playing an insulating role to reduce eddy current loss. Accordingly, it is interpreted that in the Fe-based soft magnetic alloy, not only can the size of the nanocrystal can be easily controlled by adding a small amount of Cu, Zr and Ca elements, but also an effect of greatly reducing eddy current loss can be expected.

Claims (6)

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 리본. As a nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon with a composition in which calcium (Ca) is added to an iron (Fe) 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 it contains a balance, nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon. 제1항에 있어서, 상기 연자성 합금 리본은 무선충전 모듈용 것을 특징으로 하는 나노결정립 연자성 합금 리본. The nanocrystalline grain soft magnetic alloy ribbon according to claim 1, wherein the soft magnetic alloy ribbon is for a wireless charging module. 제1항에 있어서, 상기 철(Fe)계 합금에 칼슘(Ca)이 첨가된 조성은 지르코늄(Zr) 0.1~3.0 at%을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 나노결정립 연자성 합금 리본.The nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon according to claim 1, wherein the composition in which calcium (Ca) is added to the iron (Fe)-based alloy further comprises 0.1 to 3.0 at% of zirconium (Zr). 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노결정립 연자성 합금 리본은 포화자속밀도가 1.5 Tesla 이상인 것을 특징으로 하는 나노결정립 연자성 합금 리본.The nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon according to any one of claims 1 to 3, wherein the nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon has a saturation magnetic flux density of 1.5 Tesla or more. 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 방법.Alloy containing silicon (Si) 1~15 at%, boron (B) 5~15 at%, copper (Cu) 0.1~3 at%, calcium (Ca) 0.005~2.0 at%, and iron (Fe) in balance A method of manufacturing a nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon for a wireless charging module comprising the step of preparing a ribbon, and heat-treating the alloy ribbon at a temperature of 440 to 480°C for 5 to 60 minutes. 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 방법.Alloy containing silicon (Si) 1~15 at%, boron (B) 5~15 at%, copper (Cu) 0.1~3 at%, calcium (Ca) 0.005~2.0 at%, and iron (Fe) in balance A method of manufacturing a nanocrystalline soft magnetic alloy ribbon for a wireless charging module comprising the step of preparing a ribbon, and heat-treating the alloy ribbon at a temperature of 500 to 550°C for 5 to 60 minutes.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130073343A (en) * 2011-12-23 2013-07-03 인제대학교 산학협력단 Iron based nanocrystalline soft magnetic alloy powder cores and preparation thereof

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