Fe 복합재의 전기·자기·열 특성 시너지
순수 Fe 연자성 복합재(SMC)는 저렴한 원료비와 높은 포화 자화 덕분에 10~100 kHz 중저주파 전력 장치에 널리 활용됩니다. 그러나 입자 간 낮은 전기 저항은 교류 자기장 하에서 연속적인 전도 경로를 형성하여 와전류 손실과 국부적인 열 축적을 유발하는 한계가 있습니다. 본 연구는 이러한 문제를 해결하기 위해 γ-머캅토프로필트리에톡시실란(KH580)으로 기능화된 질화규소(Si3N4) 나노시트를 Fe 입자 표면에 적용하여 전기 절연 장벽과 열전도성 네트워크를 동시에 형성하는 다기능 계면 조절층을 개발했습니다. 연구팀은 Si3N4-s 나노시트의 구조적 무결성, 표면 화학적 특성, Fe 입자 위 증착 거동을 체계적으로 분석했습니다. 이를 통해 층상 코팅의 완전성, 계면 결합 견고성, 그리고 복합적인 전기-자기-열 반응 간의 상관관계를 규명했습니다. KH580 실란화는 모체 α-Si3N4 결정 구조를 유지하면서 표면 기능층을 도입하며, XPS 분석 결과 Si3N4-s와 Fe 표면 사이에 국부적인 N-Fe 및 Fe-S 계면 상호작용이 존재할 가능성이 있음을 시사합니다. 특히 4 wt.% Si3N4-s를 첨가했을 때 Fe 입자 표면에 비교적 연속적이고 균일한 층상 코팅이 형성되었습니다. 이 Fe/Si3N4 SMC는 가장 높은 체적 저항률과 약 12.1 W·m−1·K−1의 최대 열전도도를 보였으며, 50 mT 및 100 kHz에서 약 600.2 kW·m−3의 낮은 코어 손실을 유지했습니다. 이는 4 wt.% 조성에서 전기 절연, 자기 반응, 코어 손실 억제 및 열 전달 간의 가장 유리한 균형을 제공함을 의미합니다. 본 연구 결과는 기능화된 층상 계면 엔지니어링 전략이 연자성 복합재의 성능을 향상시키는 효과적인 방법임을 제시합니다. 이는 차세대 전력 장치 개발에 기여할 수 있는 중요한 발견입니다.