본 연구는 이중 노즐 재료 압출(MEX) 3차원(3D) 프린팅 기술과 후속 스파크 플라즈마 소결(SPS) 공정을 결합하여 Fe-6.5 wt. %Si(Fe-6.5Si) 연자성 코어를 제조하기 위한 새로운 접근법을 제안한다. Fe-6.5Si 층들 사이에 SiO2 절연체를 프린팅하여 금속–절연체–금속(MIM) 구조의 코어를 제작하였다. SPS를 사용하여 Fe-6.5Si의 취성(brittle) 특성 때문에 발생하는 소결 문제를 해결함으로써, 치밀화된 Fe-6.5Si 연자성 코어(99% 초과)를 얻었다. 0.2 mm 프린팅된 절연체를 갖는 자기 코어(MC0.2)는 약 85 µm의 균일한 절연체 두께를 달성하였다. MC0.2가 자성 코어 단일층(magnetic core single layer, MCS)인 단일 Fe-6.5Si 층보다 약 3배 두껍지만, MC0.2 및 MCS의 코어에 사용된 SiO2 절연체는 1 kHz에서 유사한 와전류 손실을 나타냈다. 이는 와전류를 억제하는 데 있어 MIM 구조의 효과를 부각시켰다. 따라서 본 제안된 접근법은 기존 프레스(스탬핑) 공정의 기하학적 한계를 극복하기 위한 유망한 해결책을 제공하며, 적층 제조에서의 고급 자기 코어 응용을 위한 길을 열어준다.

본 연구는 이중 노즐 재료 압출(MEX) 3차원(3D) 프린팅 기술과 후속 스파크 플라즈마 소결(SPS) 공정을 결합하여 Fe-6.5 wt. %Si(Fe-6.5Si) 연자성 코어를 제조하기 위한 새로운 접근법을 제안한다. Fe-6.5Si 층들 사이에 SiO2 절연체를 프린팅하여 금속–절연체–금속(MIM) 구조의 코어를 제작하였다. SPS를 사용하여 Fe-6.5Si의 취성(brittle) 특성 때문에 발생하는 소결 문제를 해결함으로써, 치밀화된 Fe-6.5Si 연자성 코어(99% 초과)를 얻었다. 0.2 mm 프린팅된 절연체를 갖는 자기 코어(MC0.2)는 약 85 µm의 균일한 절연체 두께를 달성하였다. MC0.2가 자성 코어 단일층(magnetic core single layer, MCS)인 단일 Fe-6.5Si 층보다 약 3배 두껍지만, MC0.2 및 MCS의 코어에 사용된 SiO2 절연체는 1 kHz에서 유사한 와전류 손실을 나타냈다. 이는 와전류를 억제하는 데 있어 MIM 구조의 효과를 부각시켰다. 따라서 본 제안된 접근법은 기존 프레스(스탬핑) 공정의 기하학적 한계를 극복하기 위한 유망한 해결책을 제공하며, 적층 제조에서의 고급 자기 코어 응용을 위한 길을 열어준다.

환경 친화적 기술에 대한 수요가 증가함에 따라, Fe-Si 연성(soft) 자성 합금이 우수한 자기적 특성으로 인해 고주파 모터 및 변압기에 대한 연구가 강화되고 있다. 그러나 전통적인 제조 방법은 기하학적 자유도를 제한하고 합금의 성능 발현 능력을 저하시켜 고도화된 응용 분야의 발전을 저해한다. 이러한 문제를 극복하기 위해 레이저 분말 베드 융합(laser powder bed fusion, L-PBF)은 복잡한 형상을 가능하게 하며 유망한 경로를 제공하지만, 고주파에서 와전류 손실을 완화하는 일은 여전히 도전적이다. 본 예비 연구에서는 L-PBF로 제조한 Fe-Si 합금에서 레이저 빔 프로파일을 조정(가우시안 대 링)했을 때의 와전류 손실과 자기적 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 미세조직 분석 결과, 링 빔은 더 넓고 얕은 용융 풀을 형성하여 더 조대한 입자와 빌드 방향을 따라 뚜렷한 < 100 > 결정학적 텍스처를 유도함이 확인되었다. 이러한 미세구조적 특징은 재료의 항자력 및 코어 손실을 유의하게 감소시키며, 와전류와 관련된 앞서 언급한 과제에 대한 효과를 강하게 부각한다. 또한 링 빔은 약 108%의 빌드 속도 증가를 보였으며, 이는 품질을 저하시키지 않으면서 생산성을 향상시켰음을 명확히 보여준다. 본 연구는 레이저 빔 프로파일을 변경하는 것이 와전류 손실을 효과적으로 제어하여, 적층 제조로 제작된 Fe-Si 연성 자성 합금의 자기적 성능을 향상시킨다는 점을 확인한다.

본 연구에서는 x가 0에서 3.5 at.%까지인 FeSUBbal./SUBSUB/SUB BSUB16/SUB(CeLa)SUBx/SUB 비정질 연성 자성 합금 리본을 제조하였으며, Ce 및 La 첨가가 이들의 자기적 및 열적 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 제조된 리본은 375 °C에서 5분간 응력 제거 어닐링을 수행하였고, 전계방출주사전자현미경(EBSD)을 이용하여 미세구조를 비교·분석하였다. FeSUBbal./SUBBSUB16/SUB at.% 리본에서 포화자화는 Fe, B, Ce 및 La 사이의 원자 크기 차이에 의해 감소한 반면, CeLa 함량이 2.0 at.%를 초과하면 보자력은 20.75 A/m에서 안정화되었다. 응력 제거 어닐링 이후에는 보자력이 추가로 감소하였으며, CeLa 3.5 at.% 시료가 12.74 A/m의 가장 낮은 보자력을 나타냈다. CeLa 함량이 1.5 at.%를 초과할 경우 활성화 에너지가 515.41 kJ/mol 이상으로 증가하여 보자력의 안정적 감소와 높은 열 안정성으로 이어졌다. CeLa 함량이 2.0 at.% 이상인 조성에서는 결정화가 일어나지 않았으며, 그 결과 이러한 합금들은 낮은 보자력과 높은 열 안정성을 유지하고 우수한 특성을 보였다.

자기 랜덤 액세스 메모리 소자의 열적 안정성을 측정하는 일은 비(非)자명하다. 최근에는 사용해야 할 적절한 모델에 관해 많은 논의가 있었는데, 단일 도메인 또는 도메인 벽 핵생성 모델 중 어느 것이 적합한지에 대한 것이다. 특히 단일 도메인 모델을 가정할 수 있는 최대 크기를 평가하는 데에는 어려움이 크다. 통상적으로 이는 교환 강성(Aex)에 대해 가정한 값에 근거하여 20–30 nm 범위로 추정되며, 이는 간접 측정을 통해 추정하거나 상당히 더 두꺼운 박막으로부터 유도된 값을 사용하여 이루어진다. 본 연구에서는 이 최대 크기를 자기 점성(magnetic viscosity) 개념에서 유래한 ‘활성화 부피(activation volume, Vact)’ 또는 ‘활성화 직경(activation diameter, Dact)’을 통해 직접 측정할 수 있음을 제안한다. 이는 서로 다른 유효 자기이방성 상수(Keff)와 직경을 갖는 수직 자기 터널 접합(perpendicular magnetic tunnel junction) 필라(pillar)에서, 서로 다른 가해 자기장 조건 하에서의 자화(magnetization) 시간 의존성을 측정함으로써 Dact를 산출한다. Dact의 경향이 임계 공명(공전, coherent) 스위칭 직경에 대한 해석적 모델과 잘 일치하게 1/Keff에 대한 의존성을 따른다는 것이 제시된다. 또한 결정적으로, 공명적 되돌림(coherent reversal)이 일어나는 단일 도메인의 최소 크기가 20 nm임이 확인된다. 따라서 기술적으로 유의미한 Keff 값을 갖는 소자에서는 매크로스핀(macrospin) 모델을 20 nm 또는 그보다 작은 소자에서만 사용할 수 있을 가능성이 있다.