한국방사선산업학회

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서

론

Nd계열 마그넷은 경박 단소형의 고 특성을 지님으로 응용분야가 다양하며, 그 수요가 지속적으로 성장하고 있는 추세이다 (Warren et al. 1991). 그러나 이러한 장점 을 가지고 있는 반면 내식성이 나쁘기 때문에 부식이 잘되고 고온 다습의 환경에서 사용하는 용도에 대해서 는 표면 처리가 필요하다 (Kim and Camp 1996; Schultz

et al. 1999). 이러한 단점을 보완하기 위해 자석 표면에

코팅을 하게 되는데 현재까지 주로 사용되는 전해 도금 법 및 진공 증착법 등은 코팅재료의 단가 및 코팅 피막 의 특성 면에서 기존 선진사 제품에 비해 그 특성이 떨 어지는 경향을 보이고 있다 (Wang and Bierwagen 2008).

본 연구에서는 이러한 표면 처리 공정의 문제점을 개 선하기 위하여 세라믹 코팅액을 이용하여 저가 도포공 ─ ─ 7 ──

마그넷 적용 세라믹 코팅 후막의 전자빔 조사 및

열 경화 방법에 따른 특성

김혁종∙김희규∙강인구∙김민완1_∙양기호1_∙이병철1_{∙최병호*} 금오공과대학교 정보나노소재공학과, 1_{한국원자력연구원}

Characterization for Ceramic-coated Magnets Using E-beam

and Thermal Annealing Methods

Hyug-Jong Kim, Hee Gyu Kim, In Gu Kang, Min Wan Kim1_{, Ki Ho Yang}1_,

Byung Cheol Lee1_{and Byung-Ho Choi*}

School of Advanced Materials and Systems Eng., Kumoh National Institute of Technology Gumi 730-701, Korea

1_{Korea Atomic Energy Research Institute, Daejeon, Korea}

Abstract -- Hard magnet was usually used by coating SiO2ceramic thick films followed by the thermal annealing process. In this work, the alternative annealing process for NdFeB magnets using e-beam sources (1~~2 MeV, 50~~400 kGy) was investigated. NdFeB magnets was coated with

ceramic thick films using the spray method. The optimal annealing parameter for e-beam source reveals to be 1 MeV and 300 kGy. The sample prepared at 1 MeV and 300 kGy was characterized by the analysis of the surface morphology, film hardness, adhesion and chemical stability. The mechanical property of thick film, especially film hardness, is better than that of thermal annealed samples at 180��C. As a result, e-beam annealing process will be one of candidate and attractive heat treatment process. In future, manufacturing process will be carried out in cooperation with the magnet company.

Key words : Electron beam, Magnet, Thick film, Coating, Heat treatment

* Corresponding authors: Byung Ho Choi, Tel. +82-54-478-7732, Fax. +82-54-471-4233, E-mail. [email protected]

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정인 spray법으로 표면 처리법의 적용을 시도하였다 (Qin et al. 1996; 박 등 2005). 일반적으로 세라믹은 내식 성, 내열성 및 내마모성 등의 우수한 특성을 가지고 있지 만 1차 열처리 및 2차 열처리 등 열처리 공정의 온도가 높고, 그에 따른 제품의 자기적 성능에도 영향을 미친다. 이러한 어려움 극복을 위해 세라믹 경화 방법의 대안 으로 전자빔 경화를 제시하고 그에 따른 기존 경화 방 법인 열 경화법과 전자빔 조사 방법에 의한 세라믹 코 팅 후막의 특성을 비교 분석 하였다.

재료 및 방법

본 연구에서 실험에 사용된 세라믹 코팅 물질은 SiO2 -sol (아셈제품)을 사용하였으며, spary법을 이용하여 마그 넷 표면에 도포하였다. 세라믹 코팅막의 경화를 위하여 열 경화와 전자빔 경화를 실시하였다. 예비 실험을 통하 여 표면 조도, 접착력, 경도, 내식성을 분석하여 최적의 열처리 조건을 확보하였다. 이 후 최적의 전자빔 조사 조건을 확보하기 위하여 1 MeV의 세기에서 50~400 kGy의 선량으로 조사하였으며, 마지막으로 각각의 경화 방법에서 최적의 조건에서 확보한 세라믹 코팅 후막의 기계적 특성 등을 비교 분석하였다. 1. 경화 조건 최적화 NdFeB 기판에 세라믹 도료를 코팅한 후 최적의 열 경화 조건을 확보하기 위해 1차 열처리와 2차 열처리로 나누어 예비 실험을 진행하였다. 각각의 온도에 따라 표 면특성, 경도, 염수분무시험을 시행한 결과 1차 열처리 80�C에서 20분, 2차 열처리 180�C에서 40분의 열 경화 최적 조건을 확보하였다. 기존의 열 경화법과 같이 NdFeB 기판에 세라믹 도료 를 코팅한 후 IPA (isopropyl alcohol)를 증발시키기 위해 가소성을 거치고, 그 후 전자빔 조사를 실시하는데 이때 500μm의 PET투명 막으로 밀봉하여 시료에 공기를 차 단시킨 후 전자빔 조사를 실시하였다. 전자빔 조사 조건 은 1 MeV의 에너지로 50, 100, 200, 250, 300, 400 kGy의 선량으로 조사를 실시하였다. 각각의 선량에 따라 표면 특성, 경도, 염수분무시험을 통하여 전자빔 최적 조사 조 건 (1 MeV, 300 kGy)을 확보하였다. 2. 코팅 피막의 비교 분석 코팅 이후 피막의 분석은 각각 열 경화 시편과 전자

Fig. 1. OM photographs of NdFeB magnet coated ceramic thick films after E-beam irradiation. 1 MeV, (a) 50 kGy, (b) 100 kGy, (c) 200 kGy, (d) 250 kGy, (e) 300 kGy, (f) 400 kGy.

(a) (b) (c)

(3)

빔 조사 시편의 세라믹 코팅 피막의 표면 조도, 접착력, 경도, 내식성 등을 측정하였다. 표면 거칠기 및 표면 상 태를 Optical Microscopy (Nikon, JP/L-150)로 분석하였 고, 막의 경도 test를 위해 microvickers hardness tester

(Matsuzawa, JP/MMT-7)를 사용하였으며, X-cut법으로 접착력을 분석하였으며, 화학적 안전성 분석을 위하여

salt water spray tester (LYW-015)을 사용하여 시간에 따 른 막의 표면특성을 광학현미경으로 확인하였다.

결과 및 고찰

1. 전자빔 조사 최적 공정 확보 1) 표면 분석 Fig. 1은 전자빔 선량에 따른 경화후의 세라믹 코팅 후막의 표면 사진이다. 강도는 1 MeV로 고정하고 50~ 400 kGy의 선량을 변화시켜 경화하였다. 선량이 50, 100, 200, 250 kGy로 증가할수록 막의 표면에서의 기공의 비 율이 점점 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 300 kGy 에서 최적의 표면을 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 그 이상의 값에서는 표면 거칠기 및 표면의 기 공 비율이 증가하였다. 그 이유는 세라믹 코팅 내부에 함유된 solvent의 급작스런 증발에 의한 것으로 추정된 다. 전자빔 또한 에너지의 형태이므로 400 kGy 이상에서 는 표면의 온도가 약 200�C 이상 상승하므로 세라믹 후 막의 표면에 기공비율 또한 상승하는 것으로 보인다. 2) 경도 분석 선량에 따른 코팅 피막의 기계적인 특성을 분석하기 위하여 막의 경도를 측정하였다. Fig. 2는 전자빔 선량에 따른 경도 값이다. 그림에서와 같이 선량의 증가에 비례 하여 경도값이 포물선형으로 증가하였다. 50 kGy와 100 kGy의 선량에서는 열 경화에 비하여 낮은 경도값인 200 HV와 300 HV가 나타났으며 150 kGy 이상일 때, 열 경 화에 비하여 높은 경도값이 나타났다. 표면의 경도는 선 량에 따라 선형적으로 증가하다가 200 KGy 이상에서는 큰 변화가 없는 것을 확인할 수 있었다. 3) 염수분무시험 내식성을 알아보기 위하여 50~400 kGy 선량에서 경

Fig. 2. Hardness of NdFeB magnet coated ceramic thick films after dose E-beam irradiation.

Table 1. Salt water spray test of NdFeB magnets coated ceramic thick films after various dose e-beam irradiations

Dose (kGy) 3 hours 5 hours 10 hours 15 hours

50 Pass Pass Fail Fail

300 Pass Pass Pass Fail

1000 800 600 400 200 50 100 150 200 250 300 400 Dose (kGy) Vickers hardness (HV)

Fig. 3. OM photographs of NdFeB magnet coated ceramic thick films after annealing processes. (a) thermal, (b) e-beam.

(a)

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화된 시편으로 5 wt%의 NaCl 수용액에서 chamber 온도 35�C, 분무 공기압 0.1 MPa 조건으로 시간에 따라 염수 분무시험을 진행하였고 열 경화 샘플과 동일 조건으로 일정한 시간 동안 표면의 부식 진행 정도를 분석하였다. 이때 표면의 코팅막이 떨어져서 발청현상을 관찰한 경 우 fail로 분류하였다. Table 1은 선량에 따른 염수분무시 험결과이다. 250 kGy 이하의 시편에서는 열 경화와 비슷 한 10시간에서 세라믹 코팅막의 발층이 시작되며 NdFeB 기판의 부식이 진행되는 반면 300 kGy의 선량의 시편에 서는 15시간 이후에 코팅막의 발층과 함께 NdFeB 기판 의 부식이 진행되는 것으로 선량이 증가할수록 내식성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 코팅막의 밀도가 조밀해지고 접착력이 증가하기 때문인 것으로 추정된다. 400 kGy에서 조사한 시편은 표면온도가 200�C 이상으로 상승하여 막질에 defect이 증가하여 오히려 내식성의 감 소를 보였다. 2. 코팅 피막의 특성 비교 1) 표면 비교 Fig. 3은 열 경화 최적 조건인 1차 열처리 80�C와 2차 열처리 180�C 공정과 전자빔 최적 조건인 1 MeV, 300 kGy 공정의 표면 사진이다. 그림에서 알 수 있듯이 열 경화의 경우 solvent의 증발에 따른 기공의 발생이 표면 의 약 10% 내외이며, 전자빔 경화의 경우 표면의 약 2% 미만 내외로 더 우수한 표면 특성을 갖는 것을 알 수 있다. 2) 경도 및 접착력 비교 Table 2는 열 경화 최적 조건인 1차 열처리 80�C와 2 차 열처리 180�C 공정과 전자빔 최적 조건인 1 MeV, 300 kGy 공정의 경도 분석 데이터이다. 기존 마그넷 절 연성 코팅막으로 사용되어지는 제품의 페닐린 코팅막의 경도를 측정하였을 때 30 HV로 아주 낮은 반면 세라믹 코팅 후막의 경우 열 경화 시 503 HV, 전자빔 조사의 경 우 777 HV로 페닐린 코팅보다 약 20배 이상의 경도 향 상 효과가 있다는 것을 확인할 수 있었다. 또 열 에너지

Table 2. Hardness of NdFeB magnet coated ceramic thick films after e-beam and thermal annealing processes

E-beam annealing Thermal annealing Annealing condition 1 MeV, 300 kGy 1st annealing at 80�C,

2st annealing at 180�C

Vickers hardness (HV) 777 503

Fig. 4. OM photographs of NdFeB magnet coated ceramic thick films after salt water spray test. (a) 3 hours, thermal annealing, (b) 5 hours, thermal annealing, (c) 10 hours, thermal annealing, (d) 5 hours, beam annealing, (e) 10 hours, beam annealing, (f) 15 hours, e-beam annealing.

(a) (b) (c)

(5)

로 경화된 세라믹 코팅막보다 약 21%의 경도 향상 효 과를 가져 왔다. 이로 인해 전자빔이 막의 내구성에도 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있었다. 열 경화 시편과 전자빔 경화 시편에 1 mm 간격으로 cutting을 한 후 3 M 접착테이프를 사용하여 3회 접착 후 당겨 광학현미경으로 코팅막의 박리되는 정도를 확 인한 결과 열 경화 시편과 전자빔 경화 시편 모두 박리 율이 5% 내외로 우수한 접착력을 보였다. 3) 염수분무 비교 Fig. 4는 열 경화와 전자빔 시편의 시간에 따른 염수 분무시험 후 표면을 관찰한 표면 이미지이다. 열 경화 최적 조건인 1차 열처리 80�C, 2차 열처리 180�C에서 경화 시킨 시편과 전자빔 최적 조건 1 MeV, 300 kGy의 시편을 비교 분석 하였다. 그림에서 알 수 있듯이 시간 이 경과함에 따라 부식된 면적이 점차 증가하는 것을 알 수 있었으며 열 경화에 의한 시편의 부식 면적비가 50%되는 시간이 10시간으로 전자빔 조사에 의한 경화 에 의한 시편의 15시간보다 부식 진행이 더 빠른 것을 알 수 있었다. 이러한 결과에서 전자빔 조사에 의한 세 라믹 후막의 막의 접착성과 막질의 밀도가 더 우수하다 는 것을 추론하였다.

결

론

1. 표면의 거칠기 및 표면 조도 분석 결과 열 경화시 편에 비해 전자빔 조사에 의한 경화 시편의 표면 상태가 더 우수하다는 것을 확인할 수 있었다. 2. 막의 내구성 분석을 위한 표면 경도 측정 시 전자빔 조사에 의한 표면 경도가 약 20% 증가됨을 확인할 수 있었다. 3. 염수 분무 테스트 시 열 경화 시편 10시간, 전자빔 경화 시편 15시간으로 약 20% 증가됨을 확인할 수 있었 다. 결과적으로 전자빔에너지로 경화된 후막의 표면 특성, 기계적인 특성, 내식성이 열에너지로 경화된 시편보다 우수하였다. 이러한 결과에서 전자빔에 의한 새로운 어 닐링 공정의 적용 가능성을 확인할 수 있었다.

사

이 논문은 원자력 연구개발 대형연구시설확충 전자빔 조사에 의한 과제 연구비 지원을 통하여 수행되었으며 이에 감사드립니다.

참 고 문 헌

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Wang Duhua and Bierwagen Gordon P. 2008. Sol-gel coatings on metals for corrosion protection. Progress in Organic

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Warren GW, Gao G and Li Q. Corrosion of NdFeB permanent magnet material. 1991. J. Appl. Phys. 70:6609.

Manuscript Received: January 15, 2009 Revision Accepted: February 3, 2009