JP2011529436A - 低透磁損失を有するニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトの製造方法およびこれにより製造されたニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライト - Google Patents

低透磁損失を有するニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトの製造方法およびこれにより製造されたニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライト Download PDF

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Abstract

高周波（ＭＨｚ）において電子部品の素材として様々に使用可能に低透磁損失および低誘電損失を有するスピネルフェライトの製造方法およびこの方法により製造されたスピネルフェライトが開示される。本発明によるスピネルフェライトの製造方法によれば、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化鉄を提供するステップと、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化鉄をメタノールを用いて湿式混合するステップと、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化鉄の混合物から粉体をとって粉体を乾燥するステップと、乾燥された粉体を粉砕するステップと、粉体を熱処理するステップと、を含んで、低透磁損失および低誘電損失を有するニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトを製造する。本発明により製造されたニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトは、ＲＦ用電子部品の素材として様々に使用することができ、この素材をアンテナに採用すればアンテナの短縮効果が増大され、且つ、アンテナの帯域幅および効率性能が向上するという効果がある。

Description

本発明はフェライトの製造方法およびこれにより製造されたフェライトに係り、さらに詳しくは、低透磁損失および低誘電損失を有するニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトの製造方法およびこれにより製造されたニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトに関する。
フェライトは、９００℃以下で安定な体心立方結晶の鉄に合金元素または不純物が固溶した固溶体である。鉄鋼の金属組織学上の用語であり、α（アルファ）鉄に基づく固溶体であるため外観は純鉄と同じであるが、固溶した元素の名前を付けてシリコンフェライトまたは珪素鉄ともいう。顕微鏡による観察によれば、単相であり、炭素がやや固溶しているフェライトの白い部分とパールライトの黒い部分とが混ざって現れる。フェライトは、高周波用変圧器、ピックアップ、テープレコーダなどの磁気ヘッドなどに用いられる。
この種のフェライトのうち、スピネルフェライトは、一般に、ＥＭＣコア、低出力高インダクタンス共鳴回路、広帯域変圧器など低周波において用いられる素材であり、ＭＨｚ以上の高周波帯域においては高い透磁損失に起因して主として吸収体として用いられるフェライトである。
具体的に、スピネルフェライトは、ＭＨｚ周波数以下では高透磁率を有するものの、これに伴う透磁損失も高い。このような特性に起因して、ＲＦ電子部品の素材としては高い損失により採用し難いため、主として吸収体として用いられている。
かようなスピネルフェライトの製造方法としては、ボールミルによる製造、共沈、ゾル−ゲルによる製造、水熱合成法などがある。
ゾル−ゲルとは、流動性を帯びたゾルから半固体などの粘弾性特性を示すゲルへの転移を含む一連の過程をいい、水熱合成法とは、金属塩、酸化物、水和物若しくは金属粉末を溶液状態や懸濁状態において物質の溶解度、温度、圧力および溶媒の濃度に依存する特性を用いて合成したり結晶を成長させる方法をいう。共沈とは、化学的性質が互いに類似する両物質が共存する溶液においていずれか一方の物質が沈殿するときに他方の物質も一緒に沈殿する現象をいう。
しかしながら、ゾル−ゲルまたは水熱合成法によるスピネルフェライトの製造方法は、合成条件が温度、圧力、ＰＨなどに依存するため、再現性および製造方法が煩雑であるため量産し難いという不都合がある。
また、共沈を用いたスピネルフェライトの製造方法は、ゾル−ゲルまたは水熱合成法に比べて単純な製造工程を有するため量産にも使用することができるというメリットを有する一方、洗浄過程における廃水と廃棄物の発生量が多く、製造原料である金属塩のうち金属が占める質量比が低いため製造コストが高価であるという欠点を有する。
したがって、本発明の目的は、高周波（ＭＨｚ以上）において電子部品の素材として採用するために、低透磁損失および低誘電損失が確保されるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトの製造方法およびこれにより製造されたニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトを提供するところにある。
また、本発明の他の目的は、製造工程が単純であり、しかも、再現性が十分に確保可能なニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトの製造方法およびこれにより製造されたニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトを提供するところにある。
さらに、本発明のさらに他の目的は、量産可能であり、製造コストが安価なニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトの製造方法およびこれにより製造されたニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトを提供するところにある。
上記の目的を達成するために、本発明によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトの製造方法は、低透磁損失および低誘電損失を有するスピネルフェライトの製造方法において、酸化ニッケルと、酸化コバルトと、酸化マンガンと、酸化鉄を提供するステップと、前記酸化ニッケルと、前記酸化コバルトと、前記酸化マンガンと、前記酸化鉄をメタノールを用いて湿式混合するステップと、前記酸化ニッケルと、前記酸化コバルトと、前記酸化マンガンと、前記酸化鉄の混合物から粉体をとって前記粉体を乾燥するステップと、前記乾燥された粉体を粉砕するステップと、前記粉体を熱処理するステップと、 を含む。
前記酸化ニッケルと、前記酸化コバルトと、前記酸化マンガンと、前記酸化鉄は、０．６〜０．８：０．００５〜０．００７：０．０５２〜０．０５４：１.０４〜１.０６のモル比で提供されることを特徴とし、好ましくは、前記モル比が０．７：０．００６：０．０５３：１.０５である。
前記酸化ニッケルと、前記酸化コバルトと、前記酸化マンガンと、前記酸化鉄は、０．６〜０．８：０．００５〜０．００７：０．０５７〜０．０５９：１.１３〜１.１５のモル比で提供されることを特徴とし、好ましくは、前記モル比が０．７６：０．００６：０．０５８：１.１４である。
前記湿式混合するステップは、前記ボールミルにより４５〜５０時間行われ、好ましくは、約４８時間行われる。
前記粉体を乾燥するステップは、１１０〜１３０℃で１１〜１３時間行われ、好ましくは、約１２０℃で１２時間行われる。
前記粉体を熱処理するステップにおいて、１次熱処理は７５０〜８５０℃で行われ、好ましくは、約８００℃で行われる。
前記１次熱処理後に、２次熱処理は１１５０〜１２５０℃で行われ、好ましくは、約１２００℃で行われる。
前記１次熱処理後に、２次熱処理は１０５０〜１１５０℃で行われ、好ましくは、約１１００℃で行われる。
前記２次熱処理後に、３次熱処理は１２００〜１３００℃で行われ、好ましくは、約１２５０℃で行われる。
前記２次熱処理後に、３次熱処理は１１００〜１２００℃で行われ、好ましくは、約１１５０℃で行われる。
また、本発明によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトは、前記製造方法により製造されることを特徴とする。
本発明によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトの製造方法およびこれにより製造されたニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトは、低透磁損失および低誘電損失を有することから、高周波においても電子部品の素材として採用することができるという効果がある。
また、本発明によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトの製造方法およびこれにより製造されたニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトは、製造工程が単純であるだけではなく、再現性が十分に確保されるという効果がある。
さらに、本発明によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトの製造方法およびこれにより製造されたニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトは、量産可能であるだけではなく、安価に製造可能であるという効果がある。
本発明によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトの製造方法を示すブロック図である。 本発明の第１の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトの製造方法を示すブロック図である。 本発明の第１の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトの１０ＭＨｚ〜１ＧＨｚの帯域における複素誘電率の変化を示すグラフである。 本発明の第１の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトの１０ＭＨｚ〜１ＧＨｚの帯域における複素透磁率の変化を示すグラフである。 本発明の第１の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトを採用したアンテナと、誘電率４０の素材を採用したアンテナとの性能を示すグラフである。 本発明の第１の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトを採用したアンテナと、誘電率４０の素材を採用したアンテナとの性能を示す表である。 本発明の第２の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトの製造方法を示すブロック図である。 本発明の第２の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトの１００ＭＨｚ〜４００ＭＨｚの帯域における複素透磁率の変化を示すグラフである。
以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施例を詳述するが、本発明がこのような実施例により制限または限定されることはない。参考までに、この明細書において、同じ番号は実質的に同じ要素を示し、上記の規則に踏まえて他の図面に記載された内容を引用して説明することができ、当業者に自明であると判断されたり繰り返される内容は省略可能である。
図１は、本発明によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトの製造方法を示すブロック図である。
図１を参照すれば、本発明のニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトの製造方法は、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化鉄を提供するステップ（Ｓ１１０）と、これらの原料をボールミルによりメタノールを用いて湿式混合するステップ（Ｓ１２０）と、湿式混合により得られた混合物から粉体をとって粉体を乾燥するステップ（Ｓ１３０）と、乾燥後に粉砕するステップ（Ｓ１４０）と、粉砕した粉体を熱処理するステップ（Ｓ１５０）と、を含む。
この具体的な実施例は、下記の通りである。
図２は、本発明の第１の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトの製造方法を示すブロック図である。
本発明の第１の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトを製造するために、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化鉄は約０．７：０．００６：０．０５３：１.０５のモル比で秤量して提供する（Ｓ２１０）。
これらの酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化鉄は、ボールミルにより約４８時間メタノール（ＭｅＯＨ）を用いて湿式混合する（Ｓ２２０）。
これらの酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化鉄の混合物から粉体をとって粉体を約１２０℃で約１２時間乾燥する（Ｓ２３０）。
このようにして乾燥された粉体は、小粒径を有するように粉砕される（Ｓ２４０）。
乾燥され且つ粉砕された粉体は、１次熱処理過程を経る。１次熱処理は、約８００℃で行われる（Ｓ２５０）。
１次熱処理を行うことにより、後続する２次熱処理および３次熱処理においてスピネルフェライトが合成される過程は一層促進される。
１次熱処理が施された粉体は、２次熱処理過程を経る。２次熱処理は、約１２００℃で行われる（Ｓ２６０）。
２次熱処理が施された粉体は、３次熱処理過程を経るが、３次熱処理は、約１２５０℃で行われる（Ｓ２７０）。
これらの過程を経て、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化鉄はスピネルフェライトとして合成される。
ここで、図２は、本発明の第１の実施例であり、本発明を実際に適用する場合にはこれに限定されることはなく、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化鉄のモル比を０．６〜０．８：０．００５〜０．００７：０．０５２〜０．０５４：１.０４〜１.０６にして提供してもよく、湿式混合を４５〜５０時間行ってもよく、粉体を１１０〜１３０℃で１１〜１３時間乾燥してもよい。
また、１次熱処理を７５０〜８５０℃で行ってもよく、２次熱処理を１１５０〜１２５０℃で行ってもよく、３次熱処理を１２００〜１３００℃で行ってもよい。
図３は、本発明の第１の実施例により製造されたニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトの１０ＭＨｚ〜１ＧＨｚ帯域における複素誘電率の変化を示すグラフである。誘電率とは、２つの孤立電荷の間に存在する物理的な力（クーロン力）と、電場中への誘電体の挿入による電場の特性変化（電気変位）との関係式により得られる普遍的な電気定数であり、誘電体、すなわち、不導体の電気的な特性を示す特性値である。
図３から明らかなように、本発明の第１の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトは、２００ＭＨｚにおいて０．０００４以下の誘電損失を有する。なお、誘電率は６〜７の範囲内にある。
図４は、本発明の第１の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトの１０ＭＨｚ〜１ＧＨｚの帯域における複素透磁率の変化を示すグラフである。透磁率とは、物質の磁気的な性質を示す量をいう。換言すれば、磁場の影響を受けて磁化するときに生じる磁気力線束密度と磁界の真空中における強度との割合をいう。
図４から明らかなように、本発明の第１の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトは、２００ＭＨｚにおいて０．０４以下の透磁損失を有する。なお、透磁率は９〜１０の範囲内にある。
本発明の第１の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトは、透磁率と誘電率との割合が１.３〜１.７５の範囲内にある。
このような本発明の第１の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトは、通常のスピネルフェライトの特性と比較したとき、透磁損失が極めて低いという特性を有する。そして、透磁率が誘電率に比べて高い。
このため、本発明の第１の実施例による製造方法により製造されたニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトは低透磁損失および低誘電損失を有することから、高周波帯域において電子部品の素材として採用することができる。
具体的に、本発明の第１の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトをアンテナ基板の素材として採用することができる。一般に、誘電率６〜７を有する誘電体アンテナは約２．６５の短縮比を有する。これに対し、本発明の第１の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトを採用したアンテナは、高い誘電率および透磁率特性により約８．３７の短縮比を有する。すなわち、アンテナ基板の素材として本発明の第１の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトを採用すれば、アンテナの短縮効果が増大される。
図５は、本発明の第１の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトを電子部品の一種であるアンテナに適用してシミュレーションした例を示す。具体的に、図５は、本発明の第１の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトを採用したアンテナ基板素材と、ニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトと同じ周波数の共振を有する誘電率４０の素材とを比較する際に、共振周波数およびｄＢを比較して示すグラフである。図６は、これらの性能特性を数値化して示す表である。
図５中、共振周波数帯域において、下方にｄＢが下がるのは効率が増大されることを示し、横に広がるのは帯域幅が広くなることを示す。図５から明らかなように、本発明の第１の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトは、誘電率４０の素材と比較したとき、効率および帯域幅において優れた性能を有する。すなわち、本発明のニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトを用いて製造されたアンテナは帯域幅が広くなり、効率も増大することが分かる。これに対し、誘電率４０の素材を採用したアンテナは共振が微々たるものであって、まるで共振が発生しなかったかのように見える。
図６より、本発明の第１の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトを採用したアンテナの方は、誘電率４０の素材を採用したアンテナに比べて、帯域幅、性能および利得特性に優れていることを確認することができた。
図７は、本発明の第２の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトの製造方法を示すブロック図である。
本発明の第２の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトを製造するために、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化鉄は、約０．７６：０．００６：０．０５８：１.１４のモル比で秤量して提供する（Ｓ７１０）。ここで、酸化鉄は、平均粒度が１μｍ未満の酸化鉄を使用することが好ましい。
次いで、これらの酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化鉄は、ボールミルにより約４８時間メタノール（ＭｅＯＨ）を用いて湿式混合する（Ｓ７２０）。
次いで、これらの酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化鉄の混合物から粉体をとって粉体を約１２０℃で約１２時間乾燥させる（Ｓ７３０）。
次いで、このようにして乾燥された粉体は、小粒径を有するように粉砕される（Ｓ７４０）。
乾燥され且つ粉砕された粉体は、１次熱処理過程を経る。１次熱処理は、約８００℃で行われる（Ｓ７５０）。
１次熱処理を行うことにより、後続する２次熱処理および３次熱処理においてスピネルフェライトが合成される過程は一層促進される。
１次熱処理が施された粉体は、２次熱処理過程を経る。２次熱処理は、約１１００℃で行われる（Ｓ７６０）。
２次熱処理が施された粉体は、３次熱処理過程を経るが、３次熱処理は、約１１５０℃で行われる（Ｓ７７０）。
これらの過程を経て、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化鉄はスピネルフェライトとして合成される。
ここで、図７は、本発明の第２の実施例であって、本発明を実際に採用する場合にはこれに限定されることなく、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化鉄のモル比を０．６〜０．８：０．００５〜０．００７：０．０５７〜０．０５９：１.１３〜１.１５にして提供してもよく、湿式混合を４５〜５０時間行ってもよく、粉体を１１０〜１３０℃で１１〜１３時間乾燥してもよい。
また、１次熱処理を７５０〜８５０℃で行ってもよく、２次熱処理を１０５０〜１１５０℃で行ってもよく、３次熱処理を１１００〜１２００℃で行ってもよい。
上述したように、本発明の第２の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライト、すなわち、本発明の第１の実施例とは異なり、モル比が１.１３〜１.１５である酸化鉄を用い、且つ、２次熱処理および３次熱処理の温度を１００℃に下げて製造したニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトは、図８に示すように、２３０ＭＨｚにおいて０．０２以下の透磁損失を有する。
換言すれば、本発明の第２の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトは、本発明の第１の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトに比べて、０．０２以上下がった透磁損失を有することにより、アンテナの素材として採用したときにアンテナの効率を高めることができる。ここで、本発明の第２の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトの誘電率および透磁率は６〜７および９〜１０であり、本発明の第１の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトの誘電率および透磁率と同様である。
以上述べたように、本発明の第１の実施例および第２の実施例によるニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトは低透磁損失および低誘電損失を有することから、高周波帯域において電子部品の素材、具体的に、アンテナ基板の素材などとして採用することができる。
以上、本発明の好適な実施の形態による低透磁損失を有するニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトの製造方法およびこれにより製造されたニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトを添付図面に基づいて説明したが、当該技術分野における当業者であれば、特許請求の範囲に記載の本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内において本発明を様々に修正および変更させることができるということが理解できるであろう。

Claims (13)

  1. 低透磁損失および低誘電損失を有するスピネルフェライトの製造方法において、
    酸化ニッケルと、酸化コバルトと、酸化マンガンと、酸化鉄を提供するステップと、
    前記酸化ニッケルと、前記酸化コバルトと、前記酸化マンガンと、前記酸化鉄をメタノールを用いて湿式混合するステップと、
    前記酸化ニッケルと、前記酸化コバルトと、前記酸化マンガンと、前記酸化鉄の混合物から粉体をとって前記粉体を乾燥するステップと、
    前記乾燥された粉体を粉砕するステップと、
    前記粉体を熱処理するステップと、
    を含む、ニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライトの製造方法。
  2. 前記粉体を熱処理するステップにおいて、前記熱処理は、複数回行われることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
  3. 前記酸化ニッケルと、前記酸化コバルトと、前記酸化マンガンと、前記酸化鉄は、０．６〜０．８：０．００５〜０．００７：０．０５２〜０．０５４：１.０４〜１.０６のモル比で提供されることを特徴とする、請求項２に記載の製造方法。
  4. 前記酸化ニッケルと、前記酸化コバルトと、前記酸化マンガンと、前記酸化鉄は、０．６〜０．８：０．００５〜０．００７：０．０５７〜０．０５９：１.１３〜１.１５のモル比で提供されることを特徴とする、請求項２に記載の製造方法。
  5. 前記酸化鉄の平均粒度は１μｍ未満であることを特徴とする、請求項４に記載の製造方法。
  6. 前記湿式混合するステップは、前記ボールミルにより４５〜５０時間行われることを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の製造方法。
  7. 前記粉体を乾燥するステップは、１１０〜１３０℃で１１〜１３時間行われることを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の製造方法。
  8. 前記粉体を熱処理するステップにおいて、１次熱処理は７５０〜８５０℃で行われることを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の製造方法。
  9. 前記１次熱処理後に、１１５０〜１２５０℃で２次熱処理が行われることを特徴とする、請求項８に記載の製造方法。
  10. 前記１次熱処理後に、１０５０〜１１５０℃で２次熱処理が行われることを特徴とする、請求項８に記載の製造方法。
  11. 前記２次熱処理後に、１２００〜１３００℃で３次熱処理が行われることを特徴とする、請求項９に記載の製造方法。
  12. 前記２次熱処理後に、１１００〜１２００℃で３次熱処理が行われることを特徴とする、請求項１０に記載の製造方法。
  13. 請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の製造方法により製造されたニッケル−マンガン−コバルト系スピネルフェライト。
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