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고투자율 및 저자심 손실의 Fe계 비정질 연자성 합금

본 발명은 고주파용 자심 재료에 관한 것으로, 특히 Fe-Zr-B-M 4원계를 기본 조성으로 하여 고주파수 대역, 특히 10kHz이상에서 높은 투자율 및 낮은 자심 손실의 우수한 연자기 특성을 가지고 있어서, 자기 증폭기, 고주파 변압기, 자기 센서, 각종 쵸크 코일, 노이즈 억제 소자 등의 자심으로 이용하기에 적합한 비정질 합금 재료에 관한 것이다.일반적으로, 자심에 이용되는 연자성 재료의 예로서, 퍼말로이, 페라이트 등을 들 수 있다. 그러나, 페라이트는 포화 자속 밀도(BS)가 대략 4∼5kG 정도로 작아, 큰 자속 밀도에서 사용할때에는 자기 포화로 인하여 자심 손실이 커지며, 퀴리온도가 낮아 사용 온도가 낮게 한정되는 결점이 있다. 또한, 퍼말로이는 포화 자속 밀도와 퀴리 온도가 페라이트보다는높지만, 전기 저항이 작기때문에 고주파 영역에서 자심 손실이 크게 되는 결점이 있다.Fe, Ni 및 Co를 주성분으로 하고 반금속으로서 Si, B, P, Al 등을 함유한 용융 금속을 단롤법 또는 쌍롤법에 의해 104∼106Å/초 정도의 냉각 속도로 급냉ㆍ응고시키면, 무질서한 원자 배열을 갖는 비정질 합금 리본을 얻을 수 있다.이와 같이, 결정 구조를 갖지 않는 비정질 합금은 본질적으로 결정 자기 이방성이 0이기 때문에, 고투자율, 저보자력 등우수한 연자기 특성을 나타낸다. 또한, 전기 저항이 결정된 금속보다 크고 두께가 얇은 박대형으로 제조되고 있기 때문에와전류 손실이 작아 우수한 직류 및 교류 연자기 특성을 보유한다. 이중에서도 Co : Fe=94 : 6 정도의 조성비를 갖는 Co계 비정질 합금은 포화 자기변형(λS)이 거의 0에 가까와 탁월한 고투자율 및 저자심 손실 특성을 갖기 때문에, 현재 가포화 리액터, 커먼 모드 쵸크 코일, 스윗칭 노이즈 억제 소자 등의 고주파 자심으로 사용되고 있다.한편, Fe를 주성분으로 한 Fe계 비정질 합금은 Co계 비정질 합금에 비하여 포화 자속 밀도가 높아 자심의 소형화가 가능하며, 또한 Co계에 비하여 가격면에서도 훨씬 유리하므로 제조 공정 및 경제적인 면에서 이점이 크다. 그러나, Fe계 비정질 합금은 상용 주파수에서는 규소강 등의 결정질 연자성 재료에 비하여 자심 손실이 작아 사용상의 이점이 크지만, 일반적으로 자기 변형이 크기 때문에 고주파 영역에서는 자심 손실의 증대가 현저해져 Co계 비정질 합금에 비하여 사용 주파수 영역이 훨씬 낮게 제약되는 등의 문제점이 있다.Fe-비금속계 비정질 합금 중, Fe-Ni-P계, Fe-B계, Fe-Si-B계 등은 그 조성에 따라서 상기 각종 결정질 고투자율 금속 재료에 비견될 정도로 보자력이 작고 투자율이 크며 자심 손실이 작은 우수한 자기 특성이 얻어지는 것으로 알려져 있다.그러나, Fe-Ni-P-B계 비정질 합금은 내식성 및 열적 안정성이 부족하며 포화 자속 밀도가 7kG 이하로 작은 결점이 있고,Fe-B계 및 Fe-Si-B계 비정질 합금은 포화 자속 밀도가 15kG 이상으로 크고 자심 재료로 유망한 비정질 합금이지만 포화자기 변형이 30×10-6이상으로 크기 때문에 고주파수 대역에서의 사용상에 큰 문제가 된다.이와 같은 문제점을 해결하기 위해서는 자기 변형을 감소시키고, 고주파 영역에서의 저자심 손실 및 고투자율을 실현시킬수 있어야 한다. 이러한 조건을 만족시키는 Fe계 비정질 합금으로, Fe-Mn-Si-B계 비정질 합금[일본국 공개 특허(평)1-123050호]과 고자속 밀도 및 저자기 변형의 Fe계 비정질 합금[일본국 공개 특허 (소)56-33453호]이 발표되어 있다. 그러나, 전자는 결정화 온도가 낮고 고주파 영역에서의 자심 손실 값이 크다는 단점이 있으며, 후자는 보자력이 크고 고주파영역에서의 실효 투자율 값이 현저히 저하된다는 단점이 있다.본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 예의 연구 검토한 결과, Fe계 비정질 합금 중 Fe의 일부를 Ni 및Nb으로 치환하여 퀴리 온도 이상 내지 결정화 온도 이하에서 열처리를 행하면, 자기 변형이 감소되고 고주파 영역에서 저자심 손실을 나타내고, 고투자율을 갖는 Fe계 비정질 연자성 합금이 제조된다는 사실을 밝혀내고 본 발명을 완성하게 되었다.본 발명의 목적은 고주파 영역에서 실효 투자율이 높고 낮은 자심 손실을 갖는 저렴한 Fe계 비정질 합금을 제공하고자 하는데에 있다.

보유기관: 한국과학기술연구원
등록일: 2000-11-22

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