사출 성형 강자성 부품의 성능 예측 연구

Abstract

The electric motor market is growing rapidly with the development of the electric vehicle. Following this trend, magnetic materials are becoming more important as a part of the electric motor because they are directly related to conversion efficiency in the motor system to give the driving force with magnetic interactions. Among lots of manufacturing technologies for the anisotropic permanent magnet, powder injection molding is one of the most widely used technique with the main advantages of mass production and near-net shaping. At the same time, the heightened focus on component miniaturization increases the need for advanced technology which can successfully manufacture the complex shaped magnet on an industrial scale, and hence the magnetic powder injection molding can be a good solution for developing the desired magnetic parts accordingly. However, industries still depend on the trial and error method to obtain the desired performance in magnetic injection molding, and there is no simulation tool to predict the magnetic performance in the world magnet industry. The development of anisotropy in magnetic injection molding is a complicated process that contains the hydrodynamic interactions as well as the magnetic interactions during field induced filling. In this research, we developed a systematic method for predicting the magnetic properties of the anisotropic hard magnet in the powder injection molding process, so called the performance prediction platform. It combined the two major phenomenological behaviors in magnetic injection molding consisting of magneto-rheology and particle orientation kinematics in the macro and micro scales, respectively. In addition, the finite element filling simulation was utilized to obtain the mold flow field, together with both the macroscopic and microscopic models. Through the performance prediction platform, the anisotropicity in the molded strontium ferrite magnet was calculated concerning the external magnetic field condition. The predicted result was verified by comparing the experimental results from the B-H hysteresis curve, X-ray diffraction, and electron back scattering diffraction, and consequentially showing well prediction. Furthermore, the experimental investigation of the magneto-rheological behavior and particle alignment established the interrelationship between magnetic response in structural viscosity and degree of particle alignment (anisotropicity). In addition, we show the huge potential of magnetic powder injection molding for future magnetic applications by developing the anisotropic micro-magnetic array with a high aspect ratio. Our approach opens the way to calculate the degree of alignment in the hard magnet and further design the anisotropic flux direction in the complex magnetic components.

최근 전기 자동차와 로봇 산업이 발전함에 따라 전기 모터 시장이 각광받고 있다. 전기 모터는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 변환 시스템 중 95%를 차지하고 있는 만큼 그 중요성이 높다고 할 수 있다. 전기 모터의 효율을 단 1%만 올리더라도 전세계적으로 720억 Watt의 에너지 저감, 3000만톤의 CO2 저감 효과를 낼 수 있다. 전기 모터의 효율을 올릴 수 있는 방법 중 하나는 바로 전기모터의 핵심 소재인 영구자석의 효율을 향상시키는 것이다. 영구자석을 제작하는 대표적인 공정 중 하나로 자석 분말사출성형 기술을 꼽을 수 있다. 자석 분말사출성형은 복잡한 형상의 3차원 자기회로를 갖는 자석 제품 제작이 가능한 공정 기술이며 마이크로 부품 제작에도 유용한 공정인 만큼 미래 지향적 어플리케이션에 최적화된 공정이라고 할 수 있다. 하지만 자석 분말사출성형 공정은 여전히 시행착오법에 의존하여 제품생산이 이루어지고 있으며 이는 생산원가를 높이는 주요 원인이 되고 있다. 따라서 자석 분말사출성형의 공정 과정에 대한 이해도를 높이고 더 나아가 이방성 제품의 성능을 예측하는 연구가 요구된다. 본 연구에서는 자석 분말사출성형을 통해 제작된 이방성 영구자석의 성능을 예측하는 플랫폼을 개발하였다. 자석 분말사출성형 공정에서 이방성 자석을 제작하기 위해서는 사출 금형에 외부 자기장을 가하여 사출시 분말들이 외부자기장 방향으로 배향되도록 이방화시키는 공정이 필요하다. 그러나 사출시 이방화되는 공정은 사출 유동, 외부 자기장의 영향, 분말 간의 쌍극자 상호작용 등 여러가지 메커니즘들이 복합적으로 얽혀있어 본 공정을 이해하기 위해서는 체계적인 연구 분석이 요구된다. 따라서 본 연구에서는 다중규모 모사 연구의 일환으로 매크로 스케일에서의 유변학적 거동과 마이크로 스케일에서의 분말 배향 운동학에 대해 체계적인 실험적 연구를 진행하고 이를 토대로 유변학 모델과 오리엔테이션 모델을 사출 시뮬레이션과 결합함으로써 영구자석의 이방성을 예측하는 플랫폼을 개발하였다. 본 연구에서는 Single domain을 가지는 Strontium ferrite 자석 분말과 WAX 기반의 바인더 시스템을 활용하여 피드스탁을 제작하였으며, 자석 분말과 피드스탁의 특성 분석을 진행하였다. 다음으로 매크로 스케일에서의 유변학적 거동을 파악하기 위해 i) 정상 상태 점도 분석과 ii) 동적 상태 점도 분석을 함께 진행하였다. 전단 속도, 온도, 외부 자기장 조건의 영향에 따른 정상 상태 및 동적 상태에서의 점도 분석을 통해 자기 유변학적 특성과 분말의 배향상태와의 상관 관계를 파악하였으며, 또한 자기 유변학적 변화가 간접적으로 분말들의 배향 상태 (이방화 상태)를 예측할 수 있는 지표로 활용될 수 있다는 점을 밝혀내었다. 자기 유변학적 모델은 Power-law 모델과 Arrhenius 모델, 자기적 경험 모델을 통합하여 개발되었으며 전단 속도, 온도, 외부 자기장 조건에 따라 점도를 예측토록 하였다. 사출 자석의 배향도를 실험적으로 측정하기 위해서 B-H 분석, X-ray diffraction (XRD) 분석, Electron back scattering diffraction (EBSD) 분석을 진행하였으며 제품의 평균 배향도 뿐만 아니라 두께 방향으로의 배향도 분포까지 분석을 진행하였다. 이를 통해, 자석 분말 사출 성형의 배향도에 영향을 미치는 요소인 외부 자기장, 사출 유동장, 수원 흐름 등에 대한 메커니즘적 현상 규명을 완료하였다. 자석 분말 사출 성형의 이방성 플랫폼은 다음과 같이 3가지 요소를 포함하고 있다. i) 매크로 스케일에서의 자기 유변학적 모델, ii) 마이크로 스케일에서의 분말 오리엔테이션 모델, iii) 유한 요소 기반 Filling simulation. 자기 유변학적 모델은 Hele-shaw 기반의 유한요소 Filling simulation에 적용되었으며, Filling simulation을 통해 외부 자기장 등의 사출 조건에 따른 두께방향으로의 속도장, 점도장 등을 추출하였다. 다음으로 속도장, 점도장, 외부 자기장 분포 등을 오리엔테이션 모델에 적용하여 최종 배향도를 계산해 내었다. 마이크로 스케일에서의 분말 배향 오리엔테이션 모델은 정임두 박사의 Jeffery 모델 기반의 단일 입자 배향 모델을 활용하였다. 본 모델은 분말 입자와 외부 자기장의 상호작용, 분말 입자와 유체장과의 상호작용, 분말들의 쌍극자 상호작용을 모두 고려한 수학적 모델이다. 이를 이방성 예측 플랫폼에 적용시키기 위해서 Mason number, Ratio λ 등을 통해 상호작용들 간의 중요도를 평가하였으며 자석 분말사출성형공정의 전제조건 평가를 기반으로 쌍극자 상호작용을 배제한 단순화 모델을 활용하여 사출 자석의 배향도를 예측하였다. 플랫폼의 배향 예측도 평가는 XRD 분석 결과와의 비교 검증을 통해 진행하였으며, 실제 자석 분말사출성형 조건에서 높은 예측도를 보였다. 또한 X-ray micromachining과 자석 분말사출성형 공정을 결합하여 이방성 Micro array를 제작하는데 성공하였으며, 이를 통해 분말사출성형 공정이 Electromagnetic energy harvester나 bio-medical system 등 미래 어플리케이션에 적용될 수 있다는 가능성을 보였다. 본 연구를 통해 세계 최초로 이방성 사출 자석의 배향도를 예측하는 플랫폼을 개발하였으며 실제 제조 분야에서 시행착오 없이 공정 최적화가 가능토록 하였다. 본 연구는 자석 분말사출성형뿐만 아니라 스마트 소재의 일환인 Ferrofluids에서도 활용이 가능할 것으로 예상되며 자석 입자 서스펜션을 활용한 여러 어플리케이션에도 입자 배향 상태를 분석하는데 활용이 가능할 것으로 예상된다.