CN112712957A - 一种无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于磁性材料技术领域，公开了一种无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片及其制备方法。对纳米晶带材进行热处理后覆保护膜，然后进行纵向辊剪处理，得到具有均匀纵向条状纹路割裂的纳米晶导磁薄片；对获得的纳米晶导磁薄片标记出中心区域和外围屏蔽区域，然后对外围屏蔽区域进行二次模压破碎以获得低于中心区域导磁薄片的磁导率，得到所述无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片。本发明实现了在同一纳米晶导磁薄片上获得两种不同磁导率性能，中心区域为高磁导率区实现无线充电功能，外围屏蔽区域为低磁导率区实现近场通讯功能。采用一种磁屏蔽材料来实现无线充电和近场通讯功能最优化解决方案。

Description

一种无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片及其制备方法
技术领域
本发明属于磁性材料技术领域，具体涉及一种无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片及其制备方法。
背景技术
近年来，随着无线充电技术(Wireless Power Charging，WPC)和近场通讯技术(Near Field Communication，NFC)在消费电子领域尤其是手机端的普及，越来越多的手机产品开始标配这两种功能，特别地，三星电子从Galaxy S6手机开始就在手机模组端就集成这两种功能，除此外还集成了手机支付功能(MST)，即市场熟知的3-Combo技术，此后三星手机的旗舰机型(S系列和Note系列)就一直延用这一技术。由于无线充电(WPC)功能和近场通讯(NFC)功能的工作频率不同，其中WPC的工作频率为100-200kHz，NFC的工作频率为13.56MHz，这就决定了这两种应用对磁性材料的性能要求不尽相同。WPC功能侧重于磁性材料的磁导率越高越好，这样可以最大限度的束缚电磁场，尽可能的提高充电效率和屏蔽磁场对外界的干扰。NFC功能侧重于磁性材料的磁损耗越低越好，这样在信号高频传输的过程中的衰减会越少，信号感应的灵敏度会得到增强。实际应用中，磁性材料的磁导率和磁损是相对矛盾的一组性能，即材料的磁导率越高，磁损就越大，要降低材料的磁损就会相应的减少材料的磁导率。所以在实际的无线充电和近场通讯中的应用，往往需要选择不同的两种磁性材料来满足上述两种功能，三星电子最初在3-Combo技术中，采用了非晶材料来实现无线充电的功能，而采用了铁氧体材料来实现近场通讯功能。而后三星电子更新了磁屏蔽材料技术，只采用纳米晶一种磁屏蔽材料同时实现无线充电和近场通讯功能，但实际上由于这两种功能应用的频率差异，这种纳米晶材料的方案只是一种妥协折中的实现方案，即：牺牲了部分无线充电和近场通讯功能，也就是说在纳米晶的方案中，无线充电功能和近场通讯功能都没有得到最优的实现方案。
在以往公开的专利中，例如专利CN 105336465 A公开了一种无线充电和近场通讯用复合导磁片及其制备方法，提到了采用在磁性金属薄片中间填充粉末吸波材料来实现上述两种功能复合的导磁片制备方法。具体地，专利中提到复合导磁片包括最上层材料、中间层材料和最下层材料，其中，所述最上层材料及最下层材料均为软磁粉末与树脂材料合成的复合薄片；所述中间层材料至少是一层磁性金属薄片或由磁性金属薄片和软磁粉末与树脂材料合成的复合薄片的组合体，所述磁性金属薄片其中一面或两面粘附有双面胶；所述最上层材料、所述中间层材料和所述最下层材料经过热压后一次成型。该专利提到在进行NFC通讯功能时，提供足够的磁导率，从而保证足够的通讯距离，满足近场通讯的要求；同时，防止NFC通讯功能对其他处理器造成干扰，相应地，防止其他处理器对NFC天线自身的干扰。但这一制备方法仍然只是对纳米晶材料方案的补充优化，还是采用了两种磁屏蔽材料来应对WPC和NFC两种不同频段的工作要求，依然无法采用一种磁屏蔽材料来实现无线充电和近场通讯功能最优化解决方案，并没有从根本上解决两种不同应用频率的功能如何在各自应用频段实现最佳的性能。
专利CN 109243755 A公开了一种宽频段复合隔磁片及其制备方法。通过纳米晶薄片与Y2Co17-xMx薄片多层交替结构，所得隔磁片截止频率高于8GHz，起始磁导率大于20，可以同时兼容KHz到GHz的无线应用。但该专利仍然采用的是纳米晶薄片与Y2Co17-xMx薄片这两种材料的组合，无法采用一种磁屏蔽材料来实现无线充电和近场通讯功能最优化解决方案。
国内其他专利公开信息显示，目前，对无线充电和近场通讯用的磁性材料分别为非晶、纳米晶导磁材料和铁氧体材料的研究，并没有考虑使用同一种材料实现两种功能的复合。如果采用两种材料来解决上述两种功能的复合，一方面没有办法进一步降低材料的成本，另一方面也给后续的组装加工工艺带来一定的难度。
发明内容
针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片的制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的纳米晶导磁薄片。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片的制备方法，包括如下制备步骤：
(1)对纳米晶带材进行热处理，然后在纳米晶带材表面覆保护膜；
(2)将步骤(1)覆保护膜的纳米晶带材进行纵向辊剪处理，得到具有均匀纵向条状纹路割裂的纳米晶导磁薄片；
(3)对步骤(2)获得的纳米晶导磁薄片标记出中心区域和外围屏蔽区域；
(4)对步骤(3)所得纳米晶导磁薄片的外围屏蔽区域进行二次模压破碎以获得低于中心区域导磁薄片的磁导率，得到所述无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片。
进一步地，步骤(1)中所述纳米晶带材为厚度为7～28μm的铁基纳米晶带材。优选成分为Fe-Cu-Nb-Si-B。
进一步地，步骤(1)中所述热处理温度为500～650℃，优选温度范围为560～630℃；热处理气氛为氮气、氢气或者真空。
进一步地，步骤(1)中所述保护膜材料为PET、PE、OPP、PVC、CPP或BOPP中的任意一种。
进一步地，步骤(2)中所述纵向条状纹路割裂的宽度为0.5～2mm(相邻条状纹路割裂之间的距离)，所得纳米晶导磁薄片在100kHz频率的磁导率为3000～6000(相对磁导率)。
进一步地，步骤(3)中所述中心区域的面积为1200～3600mm2，所述外围屏蔽区域的面积为500～3000mm2。
进一步地，步骤(3)中所述中心区域的形状为圆形或矩形，所述外围屏蔽区域的边界为矩形。
进一步地，步骤(4)中所述外围屏蔽区域经二次模压破碎后的磁导率为500以下(@100kHz)。
进一步地，步骤(4)获得的纳米晶导磁薄片进一步进行多层贴合，得到多层纳米晶导磁薄片，并在多层纳米晶导磁薄片最外层贴合散热层。
进一步地，所述散热层为石墨、导热胶或者二者的复合层。
一种无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片，通过上述方法制备得到；所述纳米晶导磁薄片的中心区域实现无线充电功能，外围屏蔽区域实现近场通讯功能。
本发明原理为：利用纳米晶导磁薄片的碎裂程度对磁导率的影响，将纳米晶导磁薄片划分为中心区域和外围屏蔽区域，中心区域具有较低的碎裂程度因而具有更高的磁导率，用于实现WPC功能，具有提高充电效率和屏蔽磁场对外界干扰的效果；外围屏蔽区域经二次模压破碎以获得较高的碎裂程度，因而具有低于中心区域导磁薄片的磁导率，用于实现NFC功能，具有更低的磁损和更强的信号感应灵敏度。实现了在同一种材料上两种功能的复合，显著降低材料的制备成本及简化后续的组装加工工艺。
本发明的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果：
(1)本发明的制备方法实现了在同一纳米晶导磁薄片上获得两种不同磁导率性能，其中纳米晶导磁薄片的中心区域为高磁导率区，无线充电线圈置于该中心区域可以极大地提升无线充电的的效率和最大化屏蔽电磁场对外界的干扰。中心区域的周边屏蔽区域为低磁导率区，可以获得较低的磁损特性，近场通讯线圈置于该屏蔽区域可以提升线圈的感应灵敏度获得极佳的通讯体验。
(2)本发明的制备方法只需对纳米晶带材进行纵向辊剪处理，可以获得中心区域的高磁导率，通过对周边屏蔽区域进行二次模压破碎获得低磁导率从而降低磁屏蔽材料的磁损耗，无需进行横向剪切或多次碾压碎化，显著提高生产效率，提高了纳米晶导磁薄片的性能一致性和稳定性。
(3)本发明纳米晶导磁薄片中心区域和外围屏蔽区域的尺寸及形状的设计能够与配套的FPC线圈进行良好的匹配，使得无线充电和近场通讯功能同时得到最优化体现。
附图说明
图1为本发明实施例1中一种无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片的结构示意图。
图2为本发明实施例2中一种无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例的一种无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片，其结构示意图如图1所示。所述无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片包括实现无线充电功能的中心区域及实现近场通讯功能的外围屏蔽区域。其中中心区域为直径为50mm的圆形，外围屏蔽区域边界为长宽为70mm的矩形。所述中心区域为宽度为1mm的均匀纵向条状纹路割裂，中心区域在100kHz频率的磁导率为4500；外围屏蔽区域为均匀宽度为1mm的网格状碎裂，外围屏蔽区域在100kHz频率的磁导率为450。
本实施例的无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片通过如下方法制备：
(1)对Fe-Cu-Nb-Si-B纳米晶带材(厚度为25μm)在氮气气氛下进行热处理，热处理温度为560℃，然后在纳米晶带材表面覆PET保护膜。
(2)将步骤(1)覆保护膜的纳米晶带材进行纵向(沿带材长度方向)辊剪处理，得到具有1mm宽度的均匀纵向条状纹路割裂的纳米晶导磁薄片。
(3)对步骤(2)获得的纳米晶导磁薄片标记出中心区域和外围屏蔽区域；其中中心区域为直径为50mm的圆形，外围屏蔽区域边界为长宽为70mm的矩形。
(4)对步骤(3)所得纳米晶导磁薄片的外围屏蔽区域进行二次模压破碎为均匀的网格状碎裂，得到所述无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片。
上述方法获得的纳米晶导磁薄片的中心区域在100kHz频率的磁导率为4500；外围屏蔽区域因具有更高的碎裂程度，其磁导率降低为450。
将本实施例获得的纳米晶导磁薄片进行4层贴合，并在最外层贴合石墨片散热层。对所得多层纳米晶导磁薄片进行无线充电及近场通讯性能测试：
其中，无线充电性能测试为充电效率测试，采用15W的Qi标准无线充电模块作为发射端，对比例1是采用已公开的专利方法(201610096632.1一种非接触式充电用柔性导磁薄片及其制备方法)制备的4层纳米晶磁性薄片与接收端线圈组合而成的接收端模组，相关磁片的磁导率为720。将上述实施例1和对比例1的接收端模组与锂离子电池相连，测试向发射装置线圈施加电压时，输入端的电压、电流，以及接收端的输出电压、电流。实施例数据记录与充电效率计算结果见表1。由表1的结果可以看出，实施例1与对比例1的充电效率比较，高出了2.32％，说明本发明涉及的工艺方法获得的高磁导率的纳米晶磁性薄片与已公开的专利方法制备的低磁导率的纳米晶磁性薄片相比，充电效率获得了明显的提升。这主要是因为高磁导率提升了接收端模组的电感，增强了发射线圈和接收线圈的耦合能力，从而增大了接收线圈束缚磁力线的能力，此外纳米晶磁性薄片的外围屏蔽区域因为碎裂程度更明显，磁导率更低，从而降低了磁力线穿过磁片后产生的涡流损耗，综合两方面的因素考虑，本发明涉及的方法制备的高磁导率纳米晶磁性薄片对提升无线充电的效率具有明显的作用。
表1
Figure BDA0002858033140000071
采用NFC-TAG模组测试实施例1的NFC感应距离，对比例2为市场上量产的相同厚度的NFC用铁氧体磁片，其磁导率为180，表2为测试结果。从测试结果看tag 2和tag 4的感应距离显示实施例1的纳米晶方案和铁氧体方案相同，tag 1和tag 3的感应距离显示铁氧体方案感应距离更大，但实施例1的纳米晶方案已可以基本满足NFC性能需求。
表2
tag 1 tag 2 tag 3 tag 4
对比例2 40mm 45mm 40mm 30mm
实施例1 35mm 45mm 35mm 30mm
通过表1和表2的结果可以明显看出，本发明的纳米晶导磁薄片能够在一种纳米晶带材上同时实现优良的无线充电和近场通讯功能。
实施例2
本实施例的一种无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片，其结构示意图如图2所示。所述无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片包括实现无线充电功能的中心区域及实现近场通讯功能的外围屏蔽区域。其中中心区域为长宽为60mm的矩形，外围屏蔽区域边界为长宽为80mm的矩形。所述中心区域为宽度为0.5mm的均匀纵向条状纹路割裂，中心区域在100kHz频率的磁导率为3000；外围屏蔽区域为均匀宽度为0.5mm的网格状碎裂，外围屏蔽区域在100kHz频率的磁导率为300。
本实施例的无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片通过如下方法制备：
(1)对Fe-Cu-Nb-Si-B纳米晶带材(厚度为18μm)在氮气气氛下进行热处理，热处理温度为600℃，然后在纳米晶带材表面覆PVC保护膜。
(2)将步骤(1)覆保护膜的纳米晶带材进行纵向辊剪处理，得到具有0.5mm宽度的均匀纵向条状纹路割裂的纳米晶导磁薄片。
(3)对步骤(2)获得的纳米晶导磁薄片标记出中心区域和外围屏蔽区域；其中中心区域为长宽为60mm的矩形，外围屏蔽区域边界为长宽为80mm的矩形。
(4)对步骤(3)所得纳米晶导磁薄片的外围屏蔽区域进行二次模压破碎为均匀的网格状碎裂，得到所述无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片。
上述方法获得的纳米晶导磁薄片的中心区域在100kHz频率的磁导率为3000；外围屏蔽区域因具有更高的碎裂程度，其磁导率降低为300。
将本实施例获得的纳米晶导磁薄片进行4层贴合，并在最外层贴合石墨片散热层。对所得多层纳米晶导磁薄片进行无线充电及近场通讯性能测试：
其中，无线充电性能测试为充电效率测试，采用15W的Qi标准无线充电模块作为发射端，对比例1是采用已公开的专利方法(201610096632.1一种非接触式充电用柔性导磁薄片及其制备方法)制备的4层纳米晶磁性薄片与接收端线圈组合而成的接收端模组，相关磁片的磁导率为720。将上述实施例2和对比例1的接收端模组与锂离子电池相连，测试向发射装置线圈施加电压时，输入端的电压、电流，以及接收端的输出电压、电流。实施例数据记录与充电效率计算结果见表3。由表3的结果可以看出，实施例2与对比例1的充电效率比较，高出了2.52％，说明本发明涉及的工艺方法获得的高磁导率的纳米晶磁性薄片与已公开的专利方法制备的低磁导率的纳米晶磁性薄片相比，充电效率获得了明显的提升。这主要是因为高磁导率提升了接收端模组的电感，增强了发射线圈和接收线圈的耦合能力，从而增大了接收线圈束缚磁力线的能力，此外纳米晶磁性薄片的外围屏蔽区域因为碎裂程度更明显，磁导率更低，从而降低了磁力线穿过磁片后产生的涡流损耗，综合两方面的因素考虑，本发明涉及的方法制备的高磁导率纳米晶磁性薄片对提升无线充电的效率具有明显的作用。
表3
Figure BDA0002858033140000091
采用NFC-TAG模组测试实施例2的NFC感应距离，对比例2为市场上量产的相同厚度的NFC用铁氧体磁片，其磁导率为180，表4为测试结果。从测试结果看tag 2和tag 4的感应距离显示实施例1的纳米晶方案和铁氧体方案相同，tag 1，tag 3的感应距离显示铁氧体方案感应距离更大，但实施例2的纳米晶方案也同样可以基本满足NFC性能需求。
表4
tag 1 tag 2 tag 3 tag 4
对比例2 40mm 45mm 40mm 30mm
实施例2 35mm 45mm 33mm 30mm
通过表3和表4的结果可以明显看出，本发明的纳米晶导磁薄片能够在一种纳米晶带材上同时实现优良的无线充电和近场通讯功能。
实施例3
本实施例的一种无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片，包括实现无线充电功能的中心区域及实现近场通讯功能的外围屏蔽区域。其中中心区域为直径为40mm的圆形，外围屏蔽区域边界为长宽为50mm的矩形。所述中心区域为宽度为2mm的均匀纵向条状纹路割裂，中心区域在100kHz频率的磁导率为6000；外围屏蔽区域为均匀宽度为2mm的网格状碎裂，外围屏蔽区域在100kHz频率的磁导率为500。
本实施例的无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片通过如下方法制备：
(1)对Fe-Cu-Nb-Si-B纳米晶带材(厚度为14μm)在氮气气氛下进行热处理，热处理温度为630℃，然后在纳米晶带材表面覆BOPP保护膜。
(2)将步骤(1)覆保护膜的纳米晶带材进行纵向辊剪处理，得到具有2mm宽度的均匀纵向条状纹路割裂的纳米晶导磁薄片。
(3)对步骤(2)获得的纳米晶导磁薄片标记出中心区域和外围屏蔽区域；其中中心区域为直径为40mm的圆形，外围屏蔽区域边界为长宽为50mm的矩形。
(4)对步骤(3)所得纳米晶导磁薄片的外围屏蔽区域进行二次模压破碎为均匀的网格状碎裂，得到所述无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片。
上述方法获得的纳米晶导磁薄片的中心区域在100kHz频率的磁导率为6000；外围屏蔽区域因具有更高的碎裂程度，其磁导率降低为500。
将本实施例获得的纳米晶导磁薄片进行5层贴合，并在最外层贴合导热胶散热层。对所得多层纳米晶导磁薄片进行无线充电及近场通讯性能测试：
其中，无线充电性能测试为充电效率测试，采用15W的Qi标准无线充电模块作为发射端，对比例3是采用已公开的专利方法(201610096632.1一种非接触式充电用柔性导磁薄片及其制备方法)制备的5层纳米晶磁性薄片与接收端线圈组合而成的接收端模组，相关磁片的磁导率为750。将上述实施例3和对比例3的接收端模组与锂离子电池相连，测试向发射装置线圈施加电压时，输入端的电压、电流，以及接收端的输出电压、电流。实施例数据记录与充电效率计算结果见表5。由表5的结果可以看出，实施例3与对比例3的充电效率比较，高出了1.82％，说明本发明涉及的工艺方法获得的高磁导率的纳米晶磁性薄片与已公开的专利方法制备的低磁导率的纳米晶磁性薄片相比，充电效率获得了明显的提升。这主要是因为高磁导率提升了接收端模组的电感，增强了发射线圈和接收线圈的耦合能力，从而增大了接收线圈束缚磁力线的能力，此外纳米晶磁性薄片的外围屏蔽区域因为碎裂程度更明显，磁导率更低，从而降低了磁力线穿过磁片后产生的涡流损耗，综合两方面的因素考虑，本发明涉及的方法制备的高磁导率纳米晶磁性薄片对提升无线充电的效率具有明显的作用。
表5
Figure BDA0002858033140000111
采用NFC-TAG模组测试实施例3的NFC感应距离，对比例4为市场上量产的相同厚度的NFC用铁氧体磁片，其磁导率为150，表6为测试结果。从测试结果看tag 1，tag 2和tag 4的感应距离显示实施例1的纳米晶方案和铁氧体方案相同，tag 3的感应距离显示铁氧体方案感应距离稍大，实施例3的纳米晶方案的NFC性能已基本接近铁氧体性能。
表6
tag 1 tag 2 tag 3 tag 4
对比例4 40mm 45mm 40mm 30mm
实施例3 40mm 45mm 38mm 30mm
通过表5和表6的结果可以明显看出，本发明的纳米晶导磁薄片能够在一种纳米晶带材上同时实现优良的无线充电和近场通讯功能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片的制备方法，其特征在于包括如下制备步骤：
(1)对纳米晶带材进行热处理，然后在纳米晶带材表面覆保护膜；
(2)将步骤(1)覆保护膜的纳米晶带材进行纵向辊剪处理，得到具有均匀纵向条状纹路割裂的纳米晶导磁薄片；
(3)对步骤(2)获得的纳米晶导磁薄片标记出中心区域和外围屏蔽区域；
(4)对步骤(3)所得纳米晶导磁薄片的外围屏蔽区域进行二次模压破碎以获得低于中心区域导磁薄片的磁导率，得到所述无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片。
2.根据权利要求1所述的一种无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述纳米晶带材为厚度为7～28μm的铁基纳米晶带材。
3.根据权利要求1所述的一种无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述热处理温度为500～650℃，热处理气氛为氮气、氢气或者真空。
4.根据权利要求1所述的一种无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述保护膜材料为PET、PE、OPP、PVC、CPP或BOPP中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述纵向条状纹路割裂的宽度为0.5～2mm，所得纳米晶导磁薄片在100kHz频率的磁导率为3000～6000。
6.根据权利要求1所述的一种无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述中心区域的面积为1200～3600mm2，所述外围屏蔽区域的面积为500～3000mm2。
7.根据权利要求1所述的一种无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述中心区域的形状为圆形或矩形，所述外围屏蔽区域的边界为矩形。
8.根据权利要求1所述的一种无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述外围屏蔽区域经二次模压破碎后的磁导率为500以下。
9.根据权利要求1所述的一种无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片的制备方法，其特征在于：步骤(4)获得的纳米晶导磁薄片进一步进行多层贴合，得到多层纳米晶导磁薄片，并在多层纳米晶导磁薄片最外层贴合散热层；所述散热层为石墨、导热胶或者二者的复合层。
10.一种无线充电及近场通讯用纳米晶导磁薄片，其特征在于：通过权利要求1～9任一项所述的方法制备得到；所述纳米晶导磁薄片的中心区域实现无线充电功能，外围屏蔽区域实现近场通讯功能。
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