Fe-Si-B 연자성 복합체의 계면 구조가 전자기 및 기계적 특성에 미치는 영향|RISS 상세보기

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This study proposes and elucidates a surface‐modification strategy that simultaneously enhances the permeability, oxidation resistance, and mechanical reliability of soft magnetic composites (SMCs) for next-generation high-frequency power inductors. As power electronics move toward higher frequency and higher power, conventional ferrites are reaching their limit in terms of saturation flux density(Bs). Metal-powder–based SMCs have emerged as promising alternatives, but surface oxide layers, non-uniform interfacial bonding, particle agglomeration, and reduced packing density induce permeability degradation, mechanical weakness, and oxidation-driven performance deterioration.
Using Fe–Si–B amorphous powder (9A4) as a model system, three surface-modification routes were systematically investigated: (i) removal of the surface oxide layer, (ii) formation of a silane-based protective layer, and (iii) graphene oxide (GO) coating.
First, removal of the surface oxide on 9A4 using ammonium thioglycolate (ATG) effectively eliminated surface oxides via reduction and chelation, increasing packing density. As a result, the permeability increased from 24.8 to 27.9 (≈13% improvement), and the hysteresis loss (Ph) decreased. This is attributed to the mitigation of domain-wall pinning by the thick non-magnetic oxide layer, enabling easier domain-wall motion. However, re-oxidation during drying limited the high-temperature stability.
Subsequent coating with methyl tri-methoxy silane(MTMS) formed a thin, uniform Si–O–Si silane network on the particle surface, providing excellent oxidation resistance up to 350 °C. MTMS fundamentally suppressed re-oxidation, reducing the oxygen content to 340 ppm and increasing permeability to 29.4. High-temperature fracture tests (270 °C, DMA three-point bending) showed ore than a twofold increase in strain, indicating markedly improved ductility and heat resistance. This is ascribed to the formation of a flexible yet robust interfacial layer between metal powder and resin, which effectively redistributes external stress.
GO coating also suppressed re-oxidation and improved both permeability and high-temperature fracture strength. Hydrogen bonding between the –OH/–COOH groups of GO and the epoxy resin enhanced interfacial adhesion, while the 2D GO sheets promoted stress distribution and crack suppression, increasing both stress and strain. Nevertheless, GO shrinkage during drying induced interfacial stress, and partial reduction and tunneling-path formation during mixing and compaction degraded electrical insulation, leading to increased eddy current loss.
Overall, this work experimentally demonstrates that an integrated surface-modification strategy—comprising oxide-layer removal, silane coating, and tailored interfacial design—can concurrently improve the key performance metrics of power-inductor SMC cores (permeability, oxidation resistance, and mechanical strength). In particular, MTMS-based silane coating provides a well-balanced combination of magnetic, thermal, and mechanical reliability under high-frequency and high-temperature conditions, highlighting its strong potential for high-efficiency, high-power power-inductor materials. By correlating the microstructure and magnetic properties of SMCs, this study offers practical design guidelines for industrial application of SMC-based power inductors.

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국문 초록 (Abstract)

본 연구는 차세대 고주파 파워인덕터의 성능 향상을 위해 금속 연자성 복합체(Soft Magnetic composite, SMC)의 계면 구조가 전자기 및 기계 적 특성에 미치는 영향을 확인하고 투자율, 내산화성, 기계적 신뢰성을 동시에 개선할 수 있는 전략을 제안하고 그 효과를 규명하였다. 전력· 전자 시스템의 고주파·고전력화가 가속화되면서 기존 페라이트(ferrite) 소재는 포화자속밀도 측면의 한계를 보인다. 이에 따라 금속자성파우더 기반의 SMC가 대안으로 주목받고 있으나, 입자 표면 산화층, 불균일한 계면 결합력, 입자 응집, 충진율 저하로 인해 투자율 저하·기계적 취약 성·산화에 따른 성능 열화가 발생하는 문제가 있다. 본 연구에서는 Fe-Si-B 기반 비정질 파우더(9A4)를 대상으로 표면 산 화층 제거와 실란계 보호막 형성, Graphene Oxide(GO) 코팅 세 가지 표면 개질 기술을 적용하여 전자기·기계적 특성이 어떻게 변화하는지를 체계적으로 분석하였다. 우선 9A4 표면의 산화층을 Ammonium thioglycolate(ATG)로 제거한 결과, 산화층 환원 및 킬레이트화 반응을 통해 표면 산화물이 효과적으 로 제거되며 충진율이 증가하였다. 그 결과 투자율은 24.8에서 27.9로 약 13% 향상되었으며, Hysteresis loss(Ph) 또한 감소하였다. 이는 두꺼 운 비자성 산화층이 자구벽 이동을 저해하던 문제가 해소되면서 자벽 이동이 자유로워진 결과로 해석된다. 다만 건조 과정에서 재산화가 발 생해 고온 안정성은 제한적임을 확인하였다. 산화층 제거 후 Methyl tri-methoxy silane(MTMS)으로 코팅한 경우, 실란 기반의 얇고 균일한 Si-O-Si 네트워크가 표면에 형성되었고, 이 코팅층은 350℃까지 우수한 내산화성을 나타냈다. MTMS는 재산화를 근복적으로 억제함으로써 O 함량을 340ppm으로 크게 낮추었으며, 그 결과 투자율은 29.4까지 상승하였다. 고온 파괴강도 실험(270℃, DMA 3-point bending)에서는 strain이 두 배 이상 증가하며 기계적 연성·내 열성이 대폭 향상되었다. 이는 MTMS가 금속파우더-레진 사이에 유연 하고 강한 인터페이스 층을 형성해 외부 하중을 효과적으로 분산시킨 결과이다. GO 코팅 또한 9A4의 재산화를 억제하여 투자율과 고온 파괴강도를 향상시켰다. GO의 –OH, -COOH 작용기와 에폭시 레진의 수소결합을 통해 계면 결합력이 개선되며, GO 시트의 2D 구조는 응력 분산 및 균 열 억제로 stress와 strain을 동시에 증가시키는 효과를 보였다. 다만 GO는 건조 과정에서 수축하며 계면 응력을 발생시키고, 혼합 및 압축 과정에서 부분 환원 및 터널링 경로 형성을 유도함에 따라 전기적 절연 성이 저하되고 eddy current loss가 증가하였다. 결론적으로, 본 연구는 금속자성파우더의 산화층 제거, 실란 코팅, 복 합 계면 설계로 이어지는 계면 구조로 파워인덕터 핵심 성능(투자율·내 산화성·기계적 강도)을 동시에 개선할 수 있음을 실증하였다. 특히 MTMS 기반 실란 코팅은 고주파·고온 환경에서 요구되는 자성·열·기계 적 신뢰성을 균형 있게 확보하여, 차세대 고효율·고전력 파워인덕터 소 재 개발에 매우 유효한 기술임을 확인하였다. 본 연구는 SMC 기반 파 워인덕터의 미세조직-자기적 특성 간 연계성을 제시함으로써 산업 응 용을 위한 실질적 설계 지침을 제공한다.

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본 연구는 차세대 고주파 파워인덕터의 성능 향상을 위해 금속 연자성 복합체(Soft Magnetic composite, SMC)의 계면 구조가 전자기 및 기계 적 특성에 미치는 영향을 확인하고 투자율, 내산화성, 기...

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