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공업화학 전망, 제14권 제4호, 2011
슬라이스 및 샌드의 조건에 따라 기판 표면에 잔류하는 데미지 층의 깊이와 요철의 모양을 바꾸어 제어할 수 있으며, 또한 슬라이스 조건이 바뀌어도 항상 최적의 표면 텍스처 구조를 형성할 수 있다.
Figure 4는 샌드 처리의 유무(Figure 2 및 Figure 1(b) 기판)에 의한 에칭 처리 후 태양 광에 대한 표면 반사율의 차이를 보였다. 샌드 처리를 한 기판의 표면 반사율이 더 낮고, 태양 전지 제작에 의해 적합함을 알 수 있다. 또한 이번에 개발한 기술로 제작한 기판을 이용하여 보통의 태양 전지 제작 과정을 통해 다결 정 실리콘 태양 전지를 시작했는데, 대표적인 셀 특성으로 셀 효율 16.9%, 단락 전류 34.9 mA/cm
2, 개방 전압 620 mV, FF 0.780, 면적 4 cm
2(20 mm × 20 mm)이 얻어졌다.
향후 고정 입자 방식으로 슬라이스 다결정 실리콘 기판의 제작 방법, 샌드 처리 기술, 산성 에칭 기술을 더욱 개선하고 양산 프로세스로 검증을 실시함과 동시에, 태양 전지의 구조를 연구하여 보다 효율적인 다 결정 실리콘 태양 전지의 제작을 목표로 하고 있다.
출처 : 일본 산업기술종합연구소, 2011. 7. 4.
작성 : 최창식(고등기술연구원)
디스프로슘(Dy)를 사용하지 않는 고성능 등방성 자석의 개발
일본 산업기술종합연구소는 희토류 원소인 디스프로슘(Dy)을 포함하지 않는 등방성 사마륨-철-질소 (Sm-Fe-N)계 자석 분말을 90% 이상의 높은 상대 밀도로 소결하는 기술을 개발했다. Sm-Fe-N계 자석 분말은 네오디뮴-철-붕소(Nd-Fe-B)계 자석에 이어 높은 자석 특성을 지닌 재료로, Dy를 사용하지 않는 고성능 자석 재료로서 기대되고 있다.
금번의 신 소결체는 등방성 Sm-Fe-N계 자석 분말을 서보 프레스에 의한 하중 제어 및 펄스 전류를 흘 리는 “펄스 통전 소결 법”으로 소결하였고, 400℃ 이하의 온도, 상대 밀도 90% 이상의 치밀한 조직으로 제작 할 수 있었다. 자석의 성능 지표인 최대 에너지 적은 129 kJ/m
3(16.2 MGOe)로서 등방성 자석으로 는 최고 수준이다. 이 고성능 등방성 자석은 수지를 사용하지 않은 소결체이며, Nd-Fe-B계 자석보다 내 열성과 내산화성이 우수하기 때문에 고온 다습한 환경에서 사용도 기대된다.
고성능 자석은 하드 디스크용 보이스 코일, 휴대 전화의 스피커/진동 모터, DVD용 광픽업 등 첨단 기기 에 이용되고 있고, 하이브리드 및 전기 자동차의 모터에도 적용할 수 있기 때문에 앞으로 이용이 증가할 것으로 예상된다.
현재 최고의 성능을 가진 자석 재료인 Nd-Fe-B계 자석은 Dy을 첨가하여 보자력을 높이고 있는데, Dy 은 지각 매장량이 적고 채굴 가능 지역이 한정되어 있기 때문에 수입 가격이 상승하고 있다. 따라서 Dy를 사용하지 않는 고성능 자석의 개발이 요구되고 있다.
Sm-Fe-N계 자석 분말은 Nd-Fe-B계 자석에 이어 높은 자석 특성을 지닌 재료로, Dy를 사용하지 않
는 고성능 자석 재료로서 기대되고 있다. 그러나 자석 특성은 높지만, 500 ℃ 이상의 고온에서 소결하면
자석 특성을 잃어버리기 때문에 일반 소결법에서는 높은 특성 소결 자석을 제작할 수 없었다. 따라서 자석
분말을 수지 등으로 굳힌 본드 자석만이 제품화된 사례가 있었다. 이외에도 비정질 합금 분말을 저온에서
고밀도로 소결하는 기술을 개발하여 Sm-Fe-N 자석 분말을 소결하여 왔지만, 밀도를 높일 수 없어 최대
에너지 적은 100 kJ/m
3에 못 미쳤다.
KIC News, Volume 14, No. 4, 2011
KIC News, Volume 14, No. 4, 2011 59
Figure 1.
펄스 통전 소결법의 개략도.
Figure 2. 이번에 개발한 Sm-Fe-N계
소결 자석(2겹의 자석에 약 4 g의 철구 30개가 부착되어 있음).
이번 Sm-Fe-N계 자석 분말의 자성 저하 를 방지하기 위해 400 ℃ 정도의 저온에서 소 결하였고, 높은 상대 밀도 소결 자석을 제작하 기 위해 펄스 전류에 의한 펄스 통전 소결 법 에 하중 제어를 위한 서보 프레스를 결합한 소 결 법을 이용했다. Figure 1에 펄스 통전 소결 법의 개략도를 보여준다.
펄스 통전 소결법은 분말이 들어있는 금형에 전류 펄스를 흘려 소결한다. 일반적으로 금형 및 분말은 전기 저항을 가지므로, 거기에 전류 가 흐르면 금형 및 분말 자체가 발열한다. 즉, 직접 가열 방식이기 때문에 단시간에 승온이 가능하여 결정 구조의 변화를 막을 수 있다.
또한 펄스 전류를 사용하여 분체의 온도를 높 이지 않고 분말 계면의 결합을 촉진하게 된다.
이러한 방식으로 원래의 분말 특성을 저하시
키지 않고 소결하는 것이 가능하게 되었다. 또한 서보 프레스에 의해 프로그램 하중을 제어함으로써 치밀 화를 촉진시켰으며, 금형은 초경 합금을 사용하여 서보 프레스 하중을 크게 하여 상대 밀도의 증가에 활용 했다. 이들에 의해 저온에서 밀도가 높은 소결이 가능하였다.
등방성 Sm-Fe-N계 자석 분말은 다이도 특수강 주식 회사 제품을 사용하였고, 소결 온도 400 ℃, 유지 시간 1분으로 90% 이상의 높은 상대 밀도 등방성 소결 자석을 제작 수 있었다. 제작한 등방성 Sm-Fe-N 계 소결 자석의 특성은 잔류 자속 밀도 0.91 T (9.1 kG), 보자력 770 kA/m (9.68 kOe), 최대 에너지 적 129 kJ/m
3(16.2 MGOe)을 나타내고, 이외에도 원래 자석 분말의 90% 이상을 유지하며, 최대 에너지 적
도 약 88%의 성능을 유지한다. Figure 2는 제작된 직경 15 mm, 두께 6 mm의 소결 자석을 2겹으로 하여 약 4 g의 철구 30개가 부 착된 사진이다.
이번 개발한 등방성 Sm-Fe-N계 소결 자석은 재료 특성의 개 선과 결정의 제어를 통해 한층 성능 향상이 기대된다. 또한 자석 재료의 선택에 Dy을 사용하지 않음으로써 자원의 과점상태 완화 에 기여할 것으로 기대된다. 향후에는 이방성 Sm-Fe-N계 자석 분말을 이용하여 이방성 소결 자석을 개발하고, 소결 기술뿐만 아 니라 자석 분말 자체 연구 개발을 실시하여 고성능 Sm-Fe- N 자 석의 개발을 목표로 하고 있다.
출처 : 일본 산업기술종합연구소, 2011. 7. 6.
작성 : 최창식(고등기술연구원)
진공 챔버펄스 전원 전류
금형 분말
압력
