분말코팅 기술 및 자성재료 다기능화 응용

정보통신 및 자동차용 자성재료

특 집

CERAMIST

1. 서론

산업용 장비 일부를 포함한 대부분의 consumer 제품 은 하드웨어 관점에서 고집적화, 고속화, 저전력화, 소형 화, 경량화를 통해 사용자의 구매욕구를 지속적으로 충 족하면서 발전해 왔다. 특히 감성적인 콘텐츠와 결합한 휴대형 정보통신기기는 상기 목표를 이루기 위해

PHY/MAC

계층의 진보와 더불어, 요구되는 다수 특성

을 단일 소재에서 구현한 기능성 전자소재를 사용하고 있다. 상기의 고전적인 기술적 추세는 필연적으로 낮은

작온도 유지를 위한 열확산, 기구적 내구성 등의 이슈를 발생시킨다. 이러한 문제의 솔루션으로 소재 관점에서는

구조의 분말코팅 기술의 필요성이 점차 주목 받고 있다.

분말코팅 기술은 모재 입자를 코팅하여 Core-shell 구 조로 복합화시키고 단일화함으로써 모재와 코팅물질의 특성을 조합하여 다기능화 및 고성능화를 구현하는 것으 로, 기능성 전자소재를 포함해 초경분말 등 기계소재, 구 조용 소재, 의료용 생체적합성 소재 등 많은 분야의 고부 가가치 소재 개발에 응용할 수 있다. 이와같이 분말에 대 한 Core-shell 코팅기술은 모재 물질의 응용분야를 크게 확대하고 그 특성을 보완하는데, 자성소재의 경우도 소 자 소형화, 동작주파수 증대, 에너지밀도 증대, 높은 열전 도도, 희토류 절감 등의 가치를 부여하여 정보통신기기 및 전기자동차 분야에서 다양한 용도로 응용할 수 있다.

자성소재는 보자력 (Coercivity, H

크기에 따라 경자성 (Magnetically hard) 및 연자성 (Magnetically

선속 (Magnetic flux density) 집속 능력에 따라 높은 부하 를 갖는 모터, 발전기 및 변압기용 코어, 낮은 부하를 갖 는 변압기용 코어 및 인덕터, 그리고 고주파용 소재 등으 로 분류하며, 물질 기준으로는 페라이트 (Ferrite) 중심의 산화물계와 Fe, Co, Ni 원소를 주성분으로 한 합금계로 나눌수 있다. 자성소재가 분말 형태일 경우 Core-shell 코팅기술을 적용함으로써, 상기의 합금계 및 산화물계 각각이 가진 좋은 특성을 결합시켜 복합화할 수 있고, 더 나아가 경자성 및 연자성 소재의 고유한 특성을 일정수 준 이상 동시에 가진 높은 자기에너지적 (BH

개발이 가능하게 된다.

2. 분말코팅 기술

2.1.

습식코팅 기술 개요

수용액 환경에서 분말에 적용하는 코팅기술은 크게 코 팅하려는 물질의 전구체를 화학적으로 적절히 처리하여 모재 표면에 균일하게 흡착시키는 공정, 목표한 코팅물 질 상을 열역학적으로 안정한 상태에서 반응속도론적으 로 신속하게 형성시키는 공정, 이러한 기구들이 효과적 으로 작동하도록 용액 내 모재의 계면 특성을 파악하고 물리·화학적으로 표면개질하는 공정, 그리고 분산성 제

분말코팅 기술 및 자성재료 다기능화 응용

글

_ 최돈철

문무주식회사

특 집 최돈철

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어 등으로 구성된다. 실제로 작업현장에서는 상기 제어 기구들을 순차적으로 구현하기도 하고 많은 실험을 통해 경험적으로 개발한 복합용액을 적용하여 병렬적으로 동 시에 처리하는 과정이 혼재되어 있다. 코팅 현상을 제어 하는 반응 시스템에서는 용액과 입자간 계면에너지 거동, 친수성 및 소수성 분자단을 갖는 비대칭성 분자의 흡착 및 배향 현상, 입자 주변의 전기이중층에 의한 분산성 등 의 요소들이 상호간 복합적으로 나타나게 된다. 균일하 고 치밀한 코팅층을 얻기 위해서는 용액 내에서 적절한 분산성이 필수적인 요소로, 이를 위해 반응 시스템에 최 적화된 계면활성제를 선정하는데, 낮은 농도에서는 계면 에 흡착하여 계면 특성을 크게 변경시키나 임계농도 이 상에서는 미셀이 형성되므로 투입량 대비 분산성 특성에 비선형성이 나타나므로 유의해야 한다. 계면활성제가 갖 는 소수성 분자단은 지방산 및 그 유도체인 탄화수소계 와 폴리실록산계 등이 있고 친수성 분자단은 음이온, 양 이온, 비이온성 등으로 분류해 반응 시스템과의 적합성을 검토하며, 계면활성제가 미셀 형태로 물에 용해되는 최저 온도인 크래프트 점 및 그보다 고온에서 용액내 상분리 가 발생하는 최저 온도인 흐림점 거동을 고려해야 한다.

입자 코팅시 사전 작업으로 효과적인 분산 공정이 필 요한데, 이를 위해서는 계면의 정전기적 하전상태, 비평 형적 분산 특성, 분산제 등을 검토하게 된다. 코팅하려는 물질의 전구체는 주로 염으로서 수용액 내에서 이온화하 게 되고, 코팅 모재 표면은 이온을 흡착하려는 특성이 있 으므로 그 고·액 계면은 순전하를 띄게 되고 이로인해 용액 내부의 전하밀도와는 다른 전기이중층 영역이 입자 주변에 형성된다. 표면의 순전하는 pH 환경에 큰 영향을 받는데, 표면의 순전하가 0이 되는 pH인 등전점 거동, 용액 내부에서 표면층까지 전하를 이동하는데 필요한 제 타전위 거동 등을 고려해 적절한 분산성을 갖는 pH 수준 을 선정한다. 한편 분산제 농도, 용액내 존재하는 이온 농도, 용액 온도 등도 분산 제어시 중요한 인자가 된다.

강한 분산력을 가진 계면활성제인 분산제는 고·액 계면 의 계면장력을 낮춰 용액의 입자 젖음성을 높여 주므로 응집된 입자를 분리하고 재응집을 차단하는 역할을 하는 데, 적절한 분산성을 갖도록 투입 농도를 최적화하고 용

액내 존재하는 다른 이온 농도 또한 입자의 분산성 관점 에서 최적화되어야 하며 코팅하려는 물질의 물리·화학 적 흡착반응 특성을 고려해 용액 온도를 설정해야 한다.

다음은 주요한 코팅물질 3개에 대한 관련 문헌들을 요약 하여 해당 코팅기술을 간단히 소개하고자 한다.

2.2.

실리카 코팅

Sol-gel법을 이용해 금속표면에 치밀한 산화물 층을

코팅하는 공정은 내화학성, 내산화성, 내부식성, 내구성, 절연성 등을 요구하는 응용분야에 보편적으로 적용되고 있다. Sol-gel법 이외에 PVD, CVD, 전기화학적 도금, 플라즈마 분사법 등이 있으나 낮은 공정온도, 복잡한 모 재 형상에 대한 코팅성, 친환경적 특성으로 인해 Sol-gel 공정이 산업적으로 환영받고 있다.

이번 장에서는 Sol-

물질을 코팅하는 기술을 설명한 문헌 을

요약한다.

실리카는 내산화성, 내부식성 등의 특성을 가져 금속 표면 코팅물질로 광범위하게 응용되고 있다. 실리카 코 팅은 1960년대 개발된 Stöber 방법에 기초하는데,

콜로 이드 입자에 코팅하기 위해서는 용액 환경 (수용액 또는 유기용매)에 따라 사용 가능한 분산제를 선정하여 안정 된 분산성을 확보한 후 진행한다. 실리카 합성을 위한 전 구체로는 TEOS (tetraethylorthosilicate) 등과 같은 금속 계 알콕사이드가 사용되는데, 다음과 같은 가수분해 및 중합반응을 통해 실리카 코팅층이 형성된다.

Si(OC2H5)4 + nH2O → Si(OC2H5)4-n(OH)n + nC2H5OH

≡Si-OC

≡Si-OH + HO-Si≡ → ≡Si-O-Si≡ + H

이들 반응은 알카리 환경에서 촉진되므로 주로 암모니

아수를 통해 pH 수준을 조정하여 용액 내 입자 표면에만

선택적으로 핵생성시키며 그 성장속도 및 코팅두께를 조

절하게 된다. 실리카 형성 반응의 용매로는 에탄올과 물

을 적당량 혼합해 사용하는데 물이 과다하면 가수분해가

촉진되어 얇고 균일한 코팅층을 형성하기 어렵고 한편

에탄올이 과다하면 반응속도가 매우 느려지므로 목적한

코팅층에 적합하도록 최적화되어야 한다. Stöber 방법의 전체적인 순반응은 다음과 같고 실리카가 코팅된 나노크 기의 은입자 TEM 사진을 Fig. 1에 나타낸다.

Si(OC2H5)4 + 2H2O → SiO2 + 4C2H5OH

2.3.

알루미나 코팅

이번 장에서는 Sol-gel법에 의해 Al

물질을 316L 스 레인리스강 표면에 코팅하는 기술을 설명한 문헌을

요 약하고자 한다. 알루미나의 전구체로 Al isopropoxide를 사용하는데, 낮은 pH를 갖는 고온의 증류수에 상기 물질 을 투입하여 다음과 같은 가수분해 반응을 유도한다.

2[(CH3)2CHO]3Al + (3+n)H2O → Al2O3·nH2O + 6(CH3)2CHOH

반응이 진행되면서 Al 수산화물 입자가 석출되고 응집 되면서 용액이 탁해지는데 이때 강산을 추가로 투입하여

pH 수준을 낮춘다. 이는 반응 중간에 생성되는 Al(OH)3·

nH2O

콜로이드의 등전점에서 벗어나 입자간 응집을 막 고 제타전위를 높이기 위한 것이다. 상온으로 온도를 낮 춰 형성된 무색의 젤을 특정 코팅함량에 맞추어 칭량한 후 일정량을 증류수에 용해시켜 적절한 점도를 갖는 용 액이 되도록 한다. 이 용액을 금속 표면에 필름 형태로 도포시켜 건조한 후 적절한 온도에서 열처리하여 치밀한 알루미나 코팅층이 형성되도록 한다. Fig. 2는 상기와 같 은 공정을 적용한 후 알루미나 코팅품질을 정성적으로 평가하기 위해 코팅표면에 스크래치를 낸 SEM 사진이다.

2.4.

페라이트 코팅

대표적인 연자성 소재로 널리 사용되는 MnZn ferrite,

크게 확대될 가능성이 있다. 즉 낮은 비저항을 갖는

코팅할 경우 와전류손을 크게 낮춰 에너지 효율을 높일 수 있기 때문이다. 상기의 페라이트는 분자식 (MO

Fe2O3, M: Mn, Zn, Ni)에 따른 구성 금속의 산화물과 탄

산염을 1100도 전후의 고온에서 고상 반응시키는 전통 적인 세라믹 상합성 공정으로 제조된다. 그러나 페라이 트 코팅 공정에서는 Sol-gel법을 통해 고상 반응법의 한 계를 극복하고 수용액 내에서 구성 금속염을 사용해 균 일하고 미세한 상을 얻게 된다. 이번 장에서는 Sol-gel 법에 의해 Fe 입자에 MnZn ferrite 물질을 코팅하는 기 술을 설명한 문헌을

요약하고자 한다.

MnZn ferrite 코팅물질의 전구체로 구성금속의 질산염

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Fig. 1. Silica 코팅된 나노은 입자.²⁾

Fig. 2. Surface micrograph of Al2O3 coating after scratching.⁴⁾ Fig. 3. 철분말 표면에서 측정한 산소, 망간, 아연, 철 성분 지도.⁵⁾

과 적당량의 구연산을 증류수에 용해시키고 암모니아수 를 통해 수용액의 pH를 6 정도로 높인다. 60도 온도에서 수시간 동안 교반하여 높은 점도를 갖는 Sol 용액이 되 면, 120도 온도에서 12시간 보관하여 Gel 형태로 만든 후, 대기 중 연소반응을 통해 나노크기의 미세한 Ferrite 분말을 얻는다. 이렇게 제조한 분말은 코팅두께를 고려 하여 적정량을 칭량한 후 Fe 분말과 혼합하는데, 이때 용 매로 아세톤과 같은 휘발성 유기용매를 사용하며 이 용 매가 모두 휘발하여 분말만 남을 때까지 혼합기를 가동 한다. Ferrite 코팅 여부를 평가하기 위해 Fig. 3와 같이 각 구성물질에 대한 성분을 측정한다.

3. 자성재료 코팅

3.1.

자성재료 코팅의 필요성

자성재료를 특성이 다른 자성재료 및 유전재료로 코팅 하는 주된 이유는 연자성 소재의 경우 와전류 손실을 억 제하기 위함이고 경자성 소재의 경우 교환자기력 현상을 강화하려는 목적이 있다.

3.1.1.

와 와전 전류 류 손 손실 실 억 억제 제

자성소재에 교류 자기장을 인가하면 자성소재는 그에 반응하여 자화 현상이 나타나는데, 인가한 교류 자기장 대비 자화벡터의 크기와 위상을 통해 소재의 손실 특성 을 정량화할 수 있다. 이러한 자성손실은 다양한 자성소 재를 특정 부품에 적용하는데 있어 그 적합성 여부를 판 단하는 중요한 기준이 된다. 자성손실은 크게 자구 이동 에 의한 자기이력 손실과 자기유도 현상에 의한 와전류 손실로 분류할 수 있으며 다음의 수식을 통해 나타나듯이 고주파 대역에서 자성소재를 사용할 경우, 와전류 손실이 대부분을 차지한다. 여기서 K

는 상수이고 d 자성소 재 내 높은 전도도를 갖는 영역의 크기, B 자성소재의 자 속밀도, freq 동작주파수, ρ 비저항을 각각 의미한다.

상기의 수식에서 나타나듯이 높은 주파수 대역에서 자

성소재를 사용할 경우 와전류 손실을 줄이기 위한 효과 적인 방법은 자성소재의 크기를 줄이고 투자율을 낮추며 비저항을 높이는 것이다. 이때 자속밀도를 줄이기 위한 투자율 감소는 응용분야에 의존해 제한을 받기 때문에, 크기 감소 및 비저항 증가는 고주파수 대역에서 고투자 율, 저손실 특성을 구현하는데 필수 요건이 된다.

이와 같이 고투자율 자성소재의 동작주파수를 상향·

확대시키기 위해, 연자성 소재분말의 입도를 낮추고 연 자성 분말 입자를 얇고 치밀한 절연층으로 감싸는 코팅기 술을 통해 Core-shell 구조로 제조할 필요가 있다. Fig. 4 는 Fe, Si, Al 전구체를 수용액 상에서 용해시킨 후 자전 연소하고, 이를 수소환원하여 얻은 연자성 분말에 대한 코팅전 (얇은 선)과 코팅후 (두꺼운 선)의 투자율 거동

및 Core-shell 구조를 가진 입자에 대한 모식도 (b)로, 산화물로 구성된 절연층을 코팅하면 낮은 자성손실을 얻

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Fig. 4. Fe

입자의 절연성 코팅 전·후의 투자율 거동(a) 과 코팅 모식도

(a)

(b)

게 되어 높은 주파수 대역에서 고투자율을 구현할 수 있 게 된다.

3.1.2.

교 교환 환자 자기 기력 력 강 강화 화

대표적인 경자성 소재인 영구자석은 높은 자기에너지 적 값을 갖고 있어 외부에 강한 세기의 자기장을 발산하 므로 기계에너지, 전기에너지로 효과적인 변환이 가능하 다. 영구자석의 주요 응용 분야인 모터는 전기자동차의 태동과 함께 최근들어 크게 주목받고 있다. 높은 부하의 모터에 사용되는 영구자석의 주요 소재는 희토류 물질인 데, 매장량이 특정 지역에 편중되어 있어 수급문제가 주 기적으로 나타나게 되므로 희토류 물질을 절감하거나 사 용하지 않는 영구자석 개발이 필요하다. 이런 요구로부 터 교환자기력 현상을 이용한 나노복합체 영구자석 개발 이 지속적으로 시도되고 있다.

1991년 독일 과학자 Kneller가 발표한 교환자기력 개

념은

나노크기의 연자성상과 경자성상이 균일하게 혼 재된 복합체 내에서 연·경자성상 계면에서 자기모멘텀 의 상호작용에 의해 발생하는 현상으로, 연자성상의 높 은 포화자화값과 경자성상의 높은 보자력을 동시에 얻어 최대 자기에너지적이 증가한다는 것이다. 국내 연구진이

연자성상으로는 NiZn fer-

으로, 구성 원소의 질산염으로 수용액을 만들고 동시 자

전연소 공정을 통해 연·경자성상으로 구성된 나노복합 체를 제조하여 교환자기력 현상을 확인한 바 있다. Fig. 5 에서 나노복합체의 연자성 함유량을 10 vol% 제조한 분 말이 가장 큰 보자력을 얻고 있음을 나타내고 있다.

3.2.

자성재료 코팅 사례

이번 장에서는 금속 및 세라믹 분말에 대한 코팅 전문 기업인 문무에서 구현한 자성분말 및 유전분말에 대한 실제 코팅 사례, 그 효과에 대해 측정결과를 위주로 정리 하고자 한다.

3.1장에서 설명한 교환자기력 현상을 강화하고자 M- type Ba ferrite 경자성 입자에 포화자화값이 2.4T 수준

으로 매우 높다고 알려진 FeCo 합금을 코팅하기 위한 실 험들이 진행되었다. Ba ferrite 분말을 수시간 동안 고에너 지 볼밀을 통해 마이크로 크기로 파쇄한 후 Fe 및 Co 질 산염이 용해된 수용액에 투입시켜 통상적인 습식코팅 공 정을 적용해 개발하였다. Fig. 6은 FeCo 물질을 코팅한

코팅층을 구현한 사례를 나타낸다. Fig. 7은 FeCo 물질 이 Ba ferrite 입자 표면에 고르게 분포하고 있는지를 평

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Fig. 5. NiZn ferrite 연자성상과Ba ferrite 경자성상으로 구성된 나노

복합체 분말의 자기이력곡선

Fig. 6. FeCo

물질이 코팅된

사진

Fig. 7. FeCo

물질이 코팅된

가하기 위해 주요 원소의 함량을 측정한 조성분석 결과 를 나타내며, Fe 및 Co 원소가 경자성 입자 표면에 균일 하게 존재하고 있음을 보여준다.

FeCo 코팅 Ba ferrite 분말의 자기이력 특성을 측정한

결과, 보자력이 30% 이상 크게 증가하는 것이 관찰되었 고 (Fig. 8, Table 1) 이는 연·경자성상 계면에서 자기모 멘텀의 상호작용에 의해 발생하는 교환자기력 현상에 의 한 것으로 추정하고 있다.

다음은 일본 A사의 요청에 의해 경자성 소재인 Sr fer-

rite에 La, Co 원소를 표면에 코팅한 분말에 관한 사례로

자성소재 뿐만 아니라 고체산화물 연료전지 (SOFC)의 동작온도를 낮추기 위한 음극제로 사용되는 물질이다.

Fig. 9는 LaCo 코팅 후 보자력 및 잔류자속밀도가 증가

한 측정결과를 일본 A에서 전문학술지에 게재한 것으로, 코팅법이라고 명명된 부분이 문무에서 제조한 코팅분말 의 측정결과이고 종래법은 일본 A사에서 자체적으로 진 행한 혼합분말에 대한 결과를 나타낸다. La, Co 원소의 전구체와 Sr ferrite 분말을 고에너지 볼밀 공정으로 수시 간 혼합한 후 열처리한 혼합분말 대비 코팅 후 열처리한 코팅분말이 Fig. 9에 나타나듯이 우수한 자성특성을 보 이고 있다.

다음은 160 nm 크기의 Ni 자성분말에 고유전률을 갖 는 BaTiO

물질을 코팅한 사례로서, 일본 T사 및 M사에 서 요청하여 개발한 분말에 관한 것이다. Fig. 10에서 Ni 입자 표면에 얇고 치밀한 BaTiO

코팅층이 형성된 것이 관찰되고 있으며, Fig. 11에서 표면 조성분석을 통해 균일

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Fig. 8. FeCo

물질이 코팅된

분말의 자기이력곡선

물질의 코팅전·후

분말의 자기적 특성

Fig. 9. LaCo

코팅 전·후

Fig. 10. 2 wt% BaTiO3

코팅된

분말의

및

사진

Fig. 11. 2 wt% BaTiO3

코팅된

분말표면의 성분분석

한 코팅을 정성적으로 확인할 수 있다.

Ni 분말은 MLCC 전극용 소재로도 사용되는데, MLCC

소자의 소결 시 승온 과정에서 수축률 거동이 유전체 소 재와는 달리 600도 미만에서 급격히 수축이 발생하여 전 극품질에 심각한 잠재적 위험요인이 되고 있다. 승온 과 정에서 발생하는 수축률 거동을 제어하기 위해 BaTiO

물질을 Ni 분말에 코팅하면 Fig. 12에 측정된 결과에서 보듯이 급격한 수축이 시작되는 온도를 300도 정도 높이 기 때문에 유전체 수축 거동에 근접하여 상기 문제를 해 결하게 된다.

다음은 대표적인 연자성 소재인 MnZn ferrite 입자에 분무열분해법 및 용액법으로 알루미나를 코팅한 사례를 나타낸다. MnZn ferrite 소결체는 높은 포화자화 및 높은 투자율의 장점을 가지고 있으나 비저항이 100 Ω ·cm 수 준으로 낮아 와전류 손실에 의해 동작주파수가 제한되는 단점을 갖고 있다. 이를 해결하고자 우수한 절연특성을 갖는 Al

물질을 코팅하여 입자간 발생하는 와전류를 차단하고자 하였다. Fig. 13은 분무열분해법, 용액법에 의해 형성된 알루미나 물질로 코팅된 MnZn ferrite 입자 의 TEM 사진으로, 절연성 알루미나 코팅층이 균일하게 표면 석출된 것을 나타낸다.

다음은 NiZn ferrite 입자에 열전도도가 우수한 MgO 물질을 코팅하여 방열기능을 갖춘 연자성 소재를 개발한 사례이다. Fig. 14는 MgO 코팅층이 비교적 균일하게

는 페라이트 입자 표면에 코팅된 MgO 물질의 코팅품질 을 정량적으로 평가하기 위해 입자 내부 및 코팅층에 대 한 성분분석을 진행한 결과로 정상적으로 코팅되었음을 나타내고 있다.

다음은 Sendust (Fe-Si-Al) 입자를 판상화한 후 Al

파 차폐시트 개발을 목표로 한 것이다. Fig. 16은 Sendust

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Fig. 12. BaTiO3

코팅 전·후

분말에 대한 열수축 거동

Fig. 13. (a)

분무열분해법

코팅

입자

Fig. 14. 5 wt% MgO 물질이 코팅된NiZn ferrite

입자의

사진

(a)

(b)

판상화 분말에 열전도도가 높은 Al

산화물을 코팅한 TEM 사진으로, 알루미나 물질의 코팅 성이 가장 우수한 것으로 나타나고 있다. 한편 코팅물질 의 두께는 투입하는 전구체의 양과 pH 조절을 통해 정밀 제어가 가능하게 된다. Fig. 17은 코팅두께별 각 코팅 분 말에 대한 자기이력 특성으로, 코팅두께가 증가함에 따 라 포화자화 값이 감소하고 있음을 나타낸다.

이밖에 문무에서는 BaTiO

입자에 Mg, Y, Si, Ba, Cr,

술을 보유하고 있는데, Fig. 18은 그 일례로서 BaTiO

입자에 Y, Mg, Si 비정질 코팅층을 형성한 TEM 사진으 로서, 입자 내부에서 표면 방향으로 상이한 10개의 위치 점을 선정하여 각 위치에서 측정된 원소 함량을 표로 나 타내고 있다. 한편 Fig. 19에서는 Mg, Si, Ca, V, Cr, Y 원

소를 균일하게 코팅한 BaTiO

분말입자의 조성 분석 결 과를 나타내고 있다.

문무는 글로벌 경쟁력을 갖춘 독자적인 코팅기술을 사 용하여 국내외 기업들과 긴밀한 협력을 통해 Core-shell

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Fig. 15. MgO

코팅성 평가를 위한 입자 내부 및 코팅층 조성분석

Fig. 16. (a) Al2O3, (b) MgO, (c) ZnO 물질을 각각 함량별로 코팅한 Sendust flake 입자의TEM

사진

(a)

(b)

(c)

Fig. 17. (Al2O3 (a), MgO (b), ZnO (c) 물질을 각각 함량별로 코팅

한

구조의 분말을 대량 생산함으로써 기능성 분말 산업화를 위해 꾸준히 노력하고 있다.

4. 분말코팅기술 응용분야

4.1.

휴대폰용 안테나

안테나는 무선통신기기의 고주파단 (RF front-end) 끝 에 위치하여, 전자기파 형태의 신호를 고이득으로 수신 하여 전송선로에 전달하거나 이와 반대로 전송선로의 전 압·전류 형태의 신호를 전자기파 형태로 변환해 송신하 는 역할을 담당하는, 구조적 공진을 이용한 분포성 소자 이다. 최근의 4세대 LTE (long term evolution) 스마트폰 은 하드웨어 관점에서 MIMO (multiple-input multiple-

output)

및 OFDM (orthogonal frequency-division multi-

기술을 모바일에 적용한 것으로, 많은 양의 디 지털 정보를 나누어 직교특성을 갖는 다수의 주파수 채 널에 각각 변조하고 이를 다수개 안테나를 이용해 동시 에 송신함으로써 통신속도를 획기적으로 빠르게 개선한 것이다. 즉 최신 스마트폰이 갖는 200 Mbps급 단시간 멀티미디어 전송 기능은 신호압축 등의 디지털 신호처리 기술 이외에 다수의 안테나가 상호간 간섭없이 작은 공 간에 존재하는 폼팩터를 구현해야 가능한 것이다.

휴대폰 안테나의 크기를 줄이기 위해 고전적으로 사용 된 방법으로는, 고유전률 기판을 사용해 동작주파수의 파장을 안테나 내에서 낮추는 재료적인 솔루션과, 분포 성 안테나 회로를 3차원적으로 구부려 (ㄱ자, ㄷ자, ㄹ자 형태) 차지하는 공간을 작게 하는 회로적인 솔루션으로 분류할 수 있다. 그러나 이들 방법으로 안테나를 소형화 하면 방사이득, 방사대역폭 등 중요한 성능이 크게 열화 한다는 문제점을 가진다. 이러한 이유로 스마트폰에서 통신품질에 큰 영향을 미치는 안테나가 가져야 할 소형 화, 고이득, 광대역 등 주요특성을 동시에 해결하는 방법 이 필요하며, 0.7~3 GHz 주파수 대역에서 동작하는 저 손실, 고투자율 자성소재를 안테나 기판에 응용하는 것 이 현실적인 솔루션중 하나이다.

한편 최근에는 스카이 크로스가 단일 안테나에 다수개의 급전부를 두어 다중 안테나 동작을 구현한 기술을 사용하여 600 Mbps급 4x4

기능 시연에 성공하였다.

스카이크로스 측은 다수개 급전부 상호간 신호 격리도를 높이고 단일 안테 나에서 방사되는 공진모드를 급전부와 연계하여 다수개 구현함에 의해 가능하다고 설명하고 있다(Fig. 20). 그러나 이러한 독특한 설계기술만으로 스마트폰 MIMO 안테나 가 요구하는 성능을 완전하게 충족시키지 못하기 때문에 고주파 자성소재 안테나 기판의 개발 필요성은 있으며, 이들간 조합은 더욱 강력한 효과를 발휘하게 될 것이다.

수 GHz 주파수 대역에서 동작하는 스마트폰 안테나 기 판용 자성소재는 높은 포화자화, 낮은 자성손실, 높은 자 기이방성, 높은 투자율, 높은 비저항 특성을 동시에 충족 해야 하고, 물리적 형상 측면에서는 휴대폰의 감각적 디 자인을 수용하면서 안테나 공간을 확보하기 위해 휴대폰

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분말코팅 기술 및 자성재료 다기능화 응용

Fig. 19. Mg, Si, Ca, V, Cr, Y 원소를 균일코팅한BaTiO3

분말입자 의 조성분석.

Fig. 18. BaTiO3

입자표면의

비정질 코팅층과 위치별 조

성분석.

의 형상을 그대로 따라가는 3차원적 곡선 구현이 가능한 구조적 특징을 가져야 한다. 이를 위한 솔루션으로 SMC

팅 기술을 적용해 Fe@oxide 나노복합체 시트를 개발하 여 산업화하려는 시도가 지속되고 있다.

4.2.

전기자동차용 모터

1880년대말 최초의 휘발유 자동차가 등장한 이후 현

재까지, 자동차의 핵심기술은 엔진, 트랜스미션 등으로 구성된 파워트레인으로 여겨지고 있다. 그러나 2003년 실리콘밸리에서 창업한 테슬라 모터스에 의해 대중화되 기 시작한 전기자동차의 파워트레인은 바퀴에 장착된 작 은 전기모터와 배터리가 전부이다. 이렇듯 대표적인 친 환경 산업인 전기자동차의 하드웨어 기술의 핵심중 하나 는 고출력 구동모터이며, 다수의 시장조사 기관들도

전망하고 있다.

주행용 모터의 기술력은 고속화, 소형화, 저소음화 등 으로 분류할 수 있는데, 이를 구현하는 핵심부품으로서 전자석을 대체할 수 있고 원자재 수급이 원활하며 높은 자기에너지적을 갖는 영구자석의 중요성이 커지고 있다

상기의 3.1장에서 소개한 바와 같이 교환자기 력 현상을 강화하여 Dy, Nd 등 희토류 원소를 절감하고 도 높은 자기에너지적을 갖는 나노복합체 영구자석은 경 자성상과 연자성상의 Core-shell 코팅기술을 통해 양산 이 가능하므로, 분말코팅 기술은 전기자동차의 대중화를 앞당기는 주요 소재기술이라고 판단된다.

4.3.

방열소재

전자기기의 고집적화, 고속화, 소형화, 경량화 등 고전 적인 개발 추세와 최근 들어 가속화되고 있는 LED 조명 제품의 대중화로 인해, 발열소자에서 발생한 열을 신속히 주변으로 전달시켜 기기의 성능저하 및 하드웨어 손상을 최소화하는 고방열소재의 수요가 크게 증가하고 있다.

방열소재의 열전도도를 더욱 높이기 위해서는 열확산 계수 뿐만 아니라 밀도, 비열 등과 같은 물리적 요인도 증가되어야 한다. 우수한 방열 특성만을 요구하는 수요 도 많지만, 최근 들어 한 개 이상의 고유한 특정 기능을 수행하면서 추가로 방열기능이 필요한 제품의 수요도 적 지 않다. 이것은 제품 고유의 주 기능을 수행하는 모재 분말에 고방열소재를 코팅하여 복합화하고 단일화함으 로써 가능하게 된다. 즉 분말코팅 기술은 방열소재의 성 능을 더욱 강화하기도 하고, 특정 목적의 소재가 방열특 성을 부가적으로 갖추는데 반드시 필요한 영역이라고 판 단된다.

4.4.

전자파 차폐·흡수제

전자기기의 성능을 저하시키는 주된 요인들 중에는, 전자파 간섭으로 인한 신호 대 잡음비의 하락과 고집 적·고속신호처리 IC 및 전력소자에서 발생하는 열로 인 한 백색잡음 증가 및 오작동 등이 있다. 전자기기의 성능 을 향상시키고 수명을 증가시키기 위해서는 전자파 차폐 및 흡수용 재료를 사용하여 외부에서 유입되는 잡음세기 를 약화시켜 동작신호의 품질을 높이고 다량의 열이 발

특 집 최돈철

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Fig. 20. SkyCross사의iMAT

기술

Fig. 21. GM사의 영구자석이 적용된 전기자동차용 전동모터.¹¹⁾

생하는 발열소자의 열에너지를 효과적으로 Heat sink에 전달하여 온도에 민감한 소자들의 작동온도를 낮추어야 한다. 이렇듯 전자파 차폐·흡수용 소재에 방열기능을 추가하는 것은 전자기기의 신뢰성을 높이는데 있어 필수 요소로 자리잡고 있다.

저주파 대역의 전자파 차폐능은 연자성 소재의 자기력 선 집속능력인 투자율에 의해 구현되고, 전자파 흡수능 은 연자성 소재가 갖는 자성손실 특성을 제어하여 강화 할 수 있다. 전자파 차폐능 및 흡수능은 소재의 형상, 조 성, 결정성 등을 적절히 제어하여 극대화한 후 이들 소재 에 코팅공정을 적용하여 동작주파수 대역을 확대하거나 상향시키고 성능을 강화하는 것은 이미 고전적인 방법이 되었다. 이와 함께 방열 특성을 포함시키는 등 소재의 다 기능화를 위해 코팅기술이 광범위하게 사용되고 있다.

4.5.

무선충전

무선전력전송 기술은 교류전력 상용화 기술을 확립한

족, 인체 안정성 등의 문제로 활성화되지 못하였다. 그러 나 2007년경 MIT Soljacic 교수팀이 2 m 거리에서 60

성공하면서 전세계적으로 개발붐을 일으켰고, 최근 들어 휴대폰을 포함하여 노트북, 가전기기, 전기자동차 및 전 기버스에 이르기까지 적용 분야에 따라 편의성, 안전성, 효율성 등 서로 상충하는 요인들을 적절히 조합시켜 그 필요성이 홍보되고 있다(Fig. 22). 무선전력전송 기술을 신뢰성있게 구현하기 위해서는 송·수신모듈이 상호간 적절한 인지하에 배터리가 필요한 만큼의 전력만 송수신 하도록 제어하는 통신프로토콜이 필수적이므로 자기유 도에 사용하는 주파수를 변조하여 제어 명령어를 전달한 다. 즉 대표적인 RFID 기술인 NFC는 데이터 통신을 주 로 하면서 통신칩 구동에 필요한 전력을 자기유도 현상을 통해 얻는데 비하여, 무선전력전송 기술은 전력 전송을 주로 하면서 부가적으로 통신기능을 수행한다고 볼 수 있 어 저전력 전력전송 측면에서는 유사한 점들이 있다.

상기와 같은 이유와 더불어 무선전력전송 효율을 높이 기 위해 자기유도에 사용되는 주파수는 지속적으로 높아

질 가능성이 있으며 현재의 송신단용 MnZn ferrite 소결 기판으로는 곧 한계가 예상된다. 또한 다수개의 전력수 신부 동시 충전을 가능하게 하는 자기공명형의 경우 주 파수가 7 MHz 대역에 근접하므로 고주파 대역에서 동 작하는 저가의 고투자율, 저손실 연자성 소재솔루션이 필요하다. MnZn ferrite 소재가 갖는 동작주파수의 한계 는 낮은 비저항에 의한 와전류손 증가에 의한 것이므로

특성을 갖는 소재로 코팅하여 Core-shell 구조를 만들고 해당 구조를 유지하면서 높은 밀도의 소결체를 제조하면 강자성공명 한계 내에서 동작주파수를 상향하면서 높은 투자율을 유지할 수 있을 것으로 기대된다.

4.6. EMC (Epoxy Molding Compound)

반도체 봉지재로 사용되는 주요 소재인 EMC는 기존의 실리카, 에폭시 중심의 복합재료가 갖는 열, 습기, 충격, 전하 등의 외부환경에 대한 보호 기능에 추가하여, 성형

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분말코팅 기술 및 자성재료 다기능화 응용

Fig. 22. Delphi사의 자동차 내부 무선충전시스템.¹²⁾

Fig. 23. MCM (multi-chip module) 단면.¹³⁾

성 및 신뢰성을 높이는 기술적 요구 이외에 전자파를 차 폐·흡수하고 적층화된 고집적 IC 소자들에서 발생하는 열을 신속하게 확산시키는 방열 등의 다기능을 필요로 하고 있다.

이를 위한 솔루션으로 전자파 차폐·흡수 기능을 갖는 연자성 분말에 열전도도가 높은 산화물을 코팅하고 이를 기존의 EMC 주요 구성소재와 복합화하는 방법이 있다.

한편 기존 EMC 패키징의 높이를 낮추기 위해 EMC 소 재의 기존 성능을 강화할 목적으로 구성 소재 분말을 코 팅하여 기능화하는 방안도 고려될 수 있다.

5. 결언

수용액 환경에서 처리하는 분말코팅 기술은 모재 입자 를 코팅하여 Core-shell 구조로 복합화시키고 단일화함 으로써 모재와 코팅물질의 특성을 조합하여 다기능화 및 고성능화를 구현하는 것이다. 이를 위해서는 코팅하려는 물질의 전구체를 화학적으로 적절히 처리하여 모재 표면 에 균일하게 흡착시키는 공정, 목표한 코팅물질 상을 열 역학적으로 안정한 상태에서 반응속도론적으로 신속하 게 형성시키는 공정, 이러한 기구들이 효과적으로 작동 하도록 용액 내 모재의 계면 특성을 파악하고 물리·화 학적으로 표면개질하는 공정, 그리고 분산성 제어 등의 기술이 필요하다.

분말코팅 기술은 자성소재, 유전소재 등 기능성 전자 소재를 포함해 초경분말 등 기계소재, 구조용 소재, 의료 용 생체적합성 소재 등 많은 분야의 고부가가치 소재 개 발에 응용할 수 있다. 자성소재가 분말 형태일 경우

및 산화물계 각각이 가진 고유 특성을 결합시켜 복합화 할 수 있고, 경자성 및 연자성 소재의 고유한 특성을 일 정수준 이상 동시에 가진 높은 자기에너지적 (BH

소재 개발이 가능하게 된다. 이와 같이 분말에 대한

코팅기술은 모재 물질의 응용분야를 크게 확 대하고 그 특성을 보완하게 되므로 소자 소형화, 동작주 파수 증대, 에너지 밀도 증대, 높은 열전도도, 희토류 절감 등의 가치를 자성소재에 부여하게 되며, 스마트폰 안테

나 기판, 전기자동차 전동모터, 방열소재, 전자파 차폐·

흡수제, 무선충전코일 기판, EMC 등 산업적으로 수요가 높은 소재의 다기능화, 고성능화를 가능하게 한다.

끝으로 국내 자성소재 전문가들이 의욕적으로 활동할 수 있도록 자성소재 산업이 크게 활성화 되고, 자성소재 응용기술이 발전하며, 코팅기술 및 이를 적용한 나노복 합체와 같은 원천적 소재기술이 산업화에 성공하기를 기 원한다.

참고문헌

1. D. Wang and G. P. Bierwagen, “Sol-gel Coatings on Metals for Corrosion Protection,” Prog. Org. Coat., 64 [4] 327-38 (2009).

2. C. Graf, D. L. J. Vossen, A. Imhof, and A. V. Blaaderen, “General Method to Coat Colloidal Particles with Silica,” Langmuir, 19 [17]

6693-700 (2003).

3. W. Stöber, A. Fink, E. Bohn, “Controlled Growth of Monodisperse Silica Spheres in the Micron Size Range,” J. Colloid Interface Sci.

26, 62-69 (1968).

4. J. Masalski, J. Gluszek, J. Zabrzeskia, K. Nitschb, and P. Gluszeka,

“Improvement in Corrosion Resistance of the 316L Stainless Steel by Means of Al2O3Coatings Deposited by the Sol-gel Method,” Thin Solid Films, 349 [1-2] 186-90 (1999).

5. S. Wu, A. Sun, W. Xua, Q. Zhanga, F. Zhaia, P. Loganb, and A.

A. Volinskyb, “Iron-based Soft Magnetic Composite with Mn-Zn Ferrite Nanoparticles Coating Obtained by Sol-gel Method,” J. Magn.

Magn. Mater., 324 [22] 3899-905 (2012).

6. D. Choi, M. Choi, and J. Kim, “Magnetic Properties of Fe@FeSiAl Oxide Nanoparticles and Magneto-dielectric Properties of Their Composite Sheets,” IEEE Trans. Magn., Accepted May 15, 2004.

7. E. F. Kneller and R. Hawig, “Exchange-couping Magnet: A New Material Principle for Permanent Magnets,” IEEE Trans. Magn., 27 3588-600 (1991).

8. K. W. Moon, S. G. Cho, Y. H. Choa, K. H. Kim, and J. Kim, “Synthe- sis and Magnetic Properties of Nano Ba-hexaferrite/NiZn Ferrite Composite,” Phys. Status Solidi A, 204 [12] 4141-44 (2007).

9. 배석, 최돈철 등, “휴대단말기 무선전력 전송모듈용 전자기파 차폐

소재,” 한국자기학회지 23 68-76 (2013).

10. www.skycross.com 11. www.gm.com 12. delphi.com 13. sdimaterials.com

특 집 최돈철

CERAMIST

최 돈 철

1997년 한국과학기술원 재료공학과 석사 2004년 삼성전기 CAE 책임연구원 2008년 정보통신산업진흥원 RUC 설계지원실

수석연구원

2011년 한양대학교 자성재료연구실 박사과정 수료 2012년 LG이노텍 응용소재랩 수석연구원 2014년 문무㈜ 개발부장 ([email protected])