JP2016092403A - 軟磁性金属複合体 - Google Patents

Abstract

【課題】耐電圧に強く、表面絶縁層の破損を抑制できる軟磁性金属インダクタを提供する。【解決手段】軟磁性金属複合体１００は絶縁層１２０でコーティングされた軟磁性金属粉末１１０、絶縁体ナノパウダー１３１及び高分子樹脂１４０を含み、軟磁性金属粉末１１０と絶縁体ナノパウダー１３１は高分子樹脂１４０内に分散されている構造とすることで、軟磁性金属インダクタの耐電圧特性を向上させることができる。【選択図】図３

Description

本発明は、絶縁性が向上した軟磁性金属複合体に関する。

最近、スマートフォン、タブレットＰＣなどの携帯機器が発展するに伴って、高性能のデュアルコア及びクアッドコアＡＰ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、及び大面積のディスプレイ（Ｄｉｓｐｌａｙ）の需要が増加しており、従来のフェライト（Ｆｅｒｒｉｔｅ）インダクタでは十分な定格電流を有することができない。従って、従来のフェライトインダクタに比べて高い定格電流を有する軟磁性金属粉末（ｐｏｗｄｅｒ）と有機物を複合した様々な軟磁性金属インダクタが登場している。

このような軟磁性金属インダクタは、良好なＤＣ−ｂｉａｓ特性及び低いコアロス（ｃｏｒｅ ｌｏｓｓ）などの様々な長所を有するが、金属粉末の表面の薄い絶縁膜で導体間を絶縁させるため、耐電圧の側面において弱点がある。また、破壊電圧（ＢＤＶ、Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｖｏｌｔａｇｅ）も、フェライトインダクタの１０分の１未満であるため、一般的な携帯電話の電圧を降圧するＢｕｃｋ−ｔｙｐｅ ＤＣ−ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒでは殆ど問題にならないが、ＯＬＥＤなどに用いられるＢｏｏｓｔ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒなどでは瞬間的にインダクタの両端に１０Ｖ以上の高電圧がかかるため、軟磁性金属粉末の表面の絶縁層が破損する恐れがある。

通常、金属インダクタの製造に用いられる金属粉末は、その表面が絶縁コーティングされた状態であるため、当該金属粉末を使用して金属インダクタを製造する場合には、表面絶縁層の破損を最小化するように材料を分散し、エポキシ（Ｅｐｏｘｙ）などの硬化性有機物と混合して所望する形状にしてから加工する方法が主に用いられる。この場合、金属インダクタ内の金属粉末同士が完全に接触しない領域に樹脂（ｒｅｓｉｎ）が位置して、絶縁性にさらに寄与する。

しかし、軟磁性金属インダクタの製造工程中にこのような絶縁層の破損が生じ得るため、フェライトインダクタより信頼性が低い可能性がある。

特に、現在、電子機器にはより小さいサイズ、より薄い部品が継続的に求められているため、透磁率を向上させなければならない。このとき、透磁率は磁性体の充填密度に比例するため、材料内の非磁性体が占める比率を低くし、粒子間の距離もさらに減少させなければならないが、これにより、金属粒子間の距離が近くなり、電場がさらに大きくなるため、絶縁抵抗及び耐電圧においてはさらに不利になる。

よって、インダクタの小型化及び薄型化を達成しながらも、高透磁率と信頼性を確保することが益々重要な課題となっている。

韓国公開特許第２０１３−０１０４８０７号公報

従って、本発明は、従来の金属インダクタに用いられる軟磁性金属複合体における上記課題を解決するためのもので、絶縁体ナノパウダーが含まれた軟磁性金属複合体を提供することを目的とする。

また、本発明は、上記絶縁体ナノパウダーとしてセラミックナノパウダーまたはフェライトナノパウダーが含まれた軟磁性金属複合体を提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、絶縁層でコーティングされた軟磁性金属粉末、絶縁体ナノパウダー、及び高分子樹脂を含み、上記軟磁性金属粉末と絶縁体ナノパウダーは上記高分子樹脂内に分散されている軟磁性金属複合体が提供されることによって達成される。

上記軟磁性金属粉末は、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｏ系、及びＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系の何れか１つ以上であってもよく、非晶質またはナノ結晶系であってもよい。

上記絶縁体ナノパウダーとしては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２などのセラミックナノパウダーを使用してもよいが、ＮｉＺｎ系フェライトまたはＮｉＣｕＺｎ系フェライトのうち何れか１つ以上のフェライトナノパウダーを用いて軟磁性金属粉末の表面に存在する絶縁体ナノパウダーの比率を上げることもできる。

本発明による軟磁性金属複合体は、軟磁性金属粉末の間に介在される絶縁体ナノパウダーを含み、軟磁性金属粉末間の絶縁性を向上させることができる。

従って、本発明による軟磁性金属粉末により製造された金属インダクタの破壊電圧（ＢＤＶ、Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ Ｖｏｌｔａｇｅ）が向上して、耐電圧特性と信頼性が向上した金属インダクタを製造することができる。

本発明の一実施形態による軟磁性金属複合体の模式図である。 本発明の一実施形態による軟磁性金属複合体においてセラミックナノパウダーが凝集した状態の模式図である。 本発明の他の実施形態による軟磁性金属複合体の模式図である。

以下では、添付の図面を参照し、本発明の好ましい実施形態について説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲は以下で説明する実施形態に限定されない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張されることがある。

図１は、本発明の一実施形態による軟磁性金属複合体の模式図であり、図２は、本発明の一実施形態による軟磁性金属複合体においてセラミックナノパウダーが凝集した形態の模式図であり、図３は、本発明の他の実施形態による軟磁性金属複合体の模式図である。

図１及び図２を参照すると、本発明の実施形態による軟磁性金属複合体１００は、絶縁層１２０でコーティングされた軟磁性金属粉末１１０、絶縁体ナノパウダー１３０及び高分子樹脂１４０を含み、軟磁性金属粉末１１０と絶縁体ナノパウダー１３０は高分子樹脂１４０に分散されたものであってもよく、軟磁性金属インダクタのコアまたはボディ（ｂｏｄｙ）として用いられてもよい。

軟磁性金属粉末１１０は、インダクタなどの磁性部品において磁路の役割をすることができ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｏ系及びＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系軟磁性金属粉末の何れか１つ以上を使用してもよい。

Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系軟磁性金属粉末のうちＣｒは緻密な酸化膜を形成して軟磁性金属粉末の酸化を抑制する効果があるが、磁性を劣化させる金属であり、Ｃｒの含量は、全体軟磁性金属粉末を１００ｗｔ％としたとき、２．０〜１５．０ｗｔ％であることができ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｏ系及びＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系軟磁性金属粉末のうちＭｏとＡｌの含量も、全体軟磁性金属粉末を１００ｗｔ％としたとき、２．０〜１５．０ｗｔ％であることができる。

上記軟磁性金属粉末に含まれたＣｒ、Ｍｏ、Ａｌの含量が２．０ｗｔ％未満では軟磁性金属粉末の酸化を抑制する効果が低下する恐れがあり、１５．０ｗｔ％を超えると、軟磁性金属の磁気特性が低下して好ましくない。

軟磁性金属粉末１１０は絶縁層１２０でコーティングされて形成され、絶縁層１２０によって交流電場で発生する電気抵抗に因る渦電流損失（Ｅｄｄｙ ｌｏｓｓ）を減少させることができる。

絶縁層１２０は、Ｆｅ_２Ｏ_３などの金属酸化物コーティング、リン酸亜鉛、リン酸鉄、マンガンリン酸塩などのリン酸塩コーティング、及びエポキシなどの高分子樹脂１４０を用いる有機コーティングを施して形成してもよいが、これに限定されない。

絶縁層１２０の厚さ増加は耐電圧特性の側面では有利であるが、透磁率の側面では多少不利である。従って、絶縁層１２０の厚さは金属インダクタが用いられる製品群の用途に合わせて適切に調節することができる。

本実施形態では、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｏ系またはＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系軟磁性金属粉末の酸化物を絶縁層１２０として使用することが、生産工程の簡素化の観点で好ましいが、上述したリン酸塩コーティングや有機コーティングなどで絶縁層１２０を形成することも可能である。

また、軟磁性金属粉末１１０としては、非晶質、ナノ結晶系、金属系ガラス質軟磁性金属粉末を使用してもよい。

本実施形態の絶縁体ナノパウダーはセラミックナノパウダー１３０であってもよく、セラミックナノパウダー１３０としてはＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２を用いることができる。

セラミックナノパウダー１３０は、図１に示したように軟磁性金属粉末１１０の間に介在されて軟磁性金属複合体１００の絶縁抵抗を向上させることができ、これにより軟磁性金属インダクタの耐電圧特性を向上させることができる。

セラミックナノパウダー１３０の平均半径は５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることができ、５ｎｍ未満では軟磁性金属複合体１００の絶縁抵抗が十分に向上せず、５００ｎｍを超えると、軟磁性金属複合体１００の磁気特性が悪化する恐れがあるため、好ましくない。

図３を参照すると、本発明の他の実施形態による軟磁性金属複合体１００は、絶縁体ナノパウダーとしてフェライトナノパウダー１３１を用いてもよい。

フェライトナノパウダー１３１としては、透磁率と絶縁性の高いＮｉＺｎ系フェライトとＮｉＣｕＺｎフェライトを使用してもよいが、これに限定されない。

フェライトナノパウダー１３１を合成する際、最後の溶剤で溶媒置換し分散された状態でエポキシなどの有機物溶液で金属粒子と分散させることが好ましい。この場合、フェライトナノパウダー１３１が単一磁区（ｓｉｎｇｌｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｄｏｍａｉｎ）を有するため、それ自体で磁性を帯びるようになり、相対的に大きい軟磁性金属粉末１１０の表面に容易に吸着されるため、軟磁性金属粉末１１０の表面に接触して分散されたフェライトナノパウダー１３１の比率を上げることができる。

図２を参照すると、本発明の一実施形態による軟磁性金属複合体１００において、一部のセラミックナノパウダー１３０が凝集した状態で軟磁性金属複合体中に分散されることができるが、絶縁体ナノパウダーとしてフェライトナノパウダー１３１を使用する場合、より効率的に絶縁体ナノパウダーを軟磁性金属粉末の表面に分布させることができる。

よって、同じ含量のフェライトナノパウダー１３１が軟磁性金属複合体１００に含まれても軟磁性金属粉末１１０間の絶縁性を効率的に向上させることができるようになり、軟磁性金属インダクタの耐電圧特性を向上させることができる。

フェライトナノパウダー１３１の平均半径も５ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることができるが、５ｎｍ未満では軟磁性金属複合体１００の絶縁抵抗が十分に向上せず、５００ｎｍを超えると、軟磁性金属複合体１００の磁気特性が悪化する恐れがあるため、好ましくない。

本発明の実施形態による軟磁性金属複合体１００は、エポキシ、ウレタン、シリコンのうち何れか１つ以上の高分子樹脂１４０を含んでもよい。

比較例
平均半径が２０μｍの絶縁層がコーティングされたＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系軟磁性金属粉末をエポキシ樹脂に分散させて、透磁率と絶縁性をテストするため軟磁性金属複合体を用意する。このとき、エポキシの含量は軟磁性金属複合体の１．５ｗｔ％である。

上記軟磁性金属複合体を用いて外径２０ｍｍ、内径１３ｍｍ、厚さ４ｍｍ、巻線数１０回のトロイダル状のインダクタを製造し、Ａｇｉｌｅｎｔ社の４９８２ ＬＣＲ−ｍｅｔｅｒで透磁率を測定する。

また、上記軟磁性金属複合体を用いて直径１ｃｍ、厚さ３ｍｍのディスク状の試料を作製した後、ＩＲ Ａｇｉｌｅｎｔ社の４３３９Ｂ ＩＲ−ｍｅｔｅｒで比抵抗を、Ｋｉｅｔｈｌｅｙ社の２４１０ Ｓｏｕｒｃｅｍｅｔｅｒで破壊電圧を測定する。

実施例１
平均半径が２０μｍの絶縁層がコーティングされたＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系軟磁性金属粉末を用意し、平均半径が２０ｎｍのＳｉＯ_２ナノパウダーとともにエポキシ樹脂に分散させて透磁率と絶縁性をテストするため軟磁性金属複合体を用意する。このとき、ＳｉＯ_２ナノパウダーの含量は軟磁性金属複合体の０．１ｗｔ％であり、エポキシの含量は軟磁性金属複合体の１．５ｗｔ％である。

上記軟磁性金属複合体を用いて外径２０ｍｍ、内径１３ｍｍ、厚さ４ｍｍ、巻線数１０回のトロイダル状のインダクタを製造し、Ａｇｉｌｅｎｔ社の４９８２ ＬＣＲ−ｍｅｔｅｒで透磁率を測定する。

また、上記軟磁性金属複合体を用いて直径１ｃｍ、厚さ３ｍｍのディスク状の試料を作製した後、ＩＲ Ａｇｉｌｅｎｔ社の４３３９Ｂ ＩＲ−ｍｅｔｅｒで比抵抗を、Ｋｉｅｔｈｌｅｙ社の２４１０ Ｓｏｕｒｃｅｍｅｔｅｒで破壊電圧を測定する。

実施例２
平均半径が２０μｍの絶縁層がコーティングされたＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系軟磁性金属粉末を用意し、平均半径が２０ｎｍのＮｉＺｎフェライトナノパウダーとともにエポキシ樹脂に分散させて透磁率と絶縁性をテストするため軟磁性金属複合体を用意する。このとき、ＮｉＺｎフェライトナノパウダーの含量は軟磁性金属複合体の０．１ｗｔ％であり、エポキシの含量は軟磁性金属複合体の１．５ｗｔ％である。

上記軟磁性金属複合体を用いて外径２０ｍｍ、内径１３ｍｍ、厚さ４ｍｍ、巻線数１０回のトロイダル状のインダクタを製造し、Ａｇｉｌｅｎｔ社の４９８２ ＬＣＲ−ｍｅｔｅｒで透磁率を測定する。

また、上記軟磁性金属複合体を用いて直径１ｃｍ、厚さ３ｍｍのディスク状の試料を作製した後、ＩＲ Ａｇｉｌｅｎｔ社の４３３９Ｂ ＩＲ−ｍｅｔｅｒで比抵抗を、Ｋｉｅｔｈｌｅｙ社の２４１０ Ｓｏｕｒｃｅｍｅｔｅｒで破壊電圧を測定する。

比較例と実施例１、実施例２の透磁率は２０．１〜２０．８と有意差がないが、耐電圧の程度が分かる比抵抗や破壊電圧（ＢＤＶ）は、絶縁体ナノパウダーのない比較例が最も低く、絶縁体ナノパウダーとしてＳｉＯ_２ナノパウダーを使用した実施例１は比較例より高い耐電圧特性を示しており、ＮｉＺｎフェライトナノパウダーを使用した実施例２が最も高い比抵抗と破壊電圧（ＢＤＶ）の数値を示しているため、耐電圧特性が最もよいことが分かる。

これは、上述したように、絶縁体ナノパウダーが軟磁性金属粉末の間に介在されて絶縁性を高めるためであると判断され、同じ大きさと同じ含量を使用したにもかかわらず、ＳｉＯ_２ナノパウダーを使用した実施例１よりＮｉＺｎフェライトナノパウダーを使用した実施例２の耐電圧特性がよいが、これは、磁性を有するＮｉＺｎフェライトナノパウダーが軟磁性金属粒子の表面に分布する比率が増加するためであると思われる。

よって、少量の絶縁体ナノパウダーを添加して耐電圧特性を向上させ、且つ透磁率を維持することができる軟磁性金属インダクタを提供することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されず、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想から外れない範囲内で多様な修正及び変形が可能であるということは、当技術分野の通常の知識を有する者には明らかである。

１００ 軟磁性金属複合体
１１０ 軟磁性金属粉末
１２０ 絶縁層
１３０ セラミックナノパウダー
１３１ フェライトナノパウダー
１４０ 高分子樹脂

Claims (12)

1. 絶縁層でコーティングされた軟磁性金属粉末と、
   絶縁体ナノパウダーと、
   高分子樹脂と、を含み、
   前記軟磁性金属粉末と前記絶縁体ナノパウダーは前記高分子樹脂内に分散されている、軟磁性金属複合体。
2. 前記軟磁性金属粉末は、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｏ系及びＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系軟磁性合金粉末のうち何れか１つ以上である、請求項１に記載の軟磁性金属複合体。
3. 前記軟磁性金属粉末は非晶質またはナノ結晶系である、請求項１または２に記載の軟磁性金属複合体。
4. 前記絶縁体ナノパウダーはセラミックナノパウダーである、請求項１から３のいずれか１項に記載の軟磁性金属複合体。
5. 前記セラミックナノパウダーはＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２のうち何れか１つ以上である、請求項４に記載の軟磁性金属複合体。
6. 前記絶縁体ナノパウダーはフェライトナノパウダーである、請求項１から３のいずれか１項に記載の軟磁性金属複合体。
7. 前記フェライトナノパウダーは、ＮｉＺｎ系フェライトまたはＮｉＣｕＺｎ系フェライトのうち何れか１つ以上である、請求項６に記載の軟磁性金属複合体。
8. 前記高分子樹脂はエポキシ、ウレタン、シリコンのうち何れか１つである、請求項１から７のいずれか１項に記載の軟磁性金属複合体。
9. 前記絶縁体ナノパウダーは、前記軟磁性金属粉末の表面に接触して分散されている、請求項１から８のいずれか１項に記載の軟磁性金属複合体。
10. 前記絶縁体ナノパウダーの平均半径は５ｎｍ以上５００ｎｍ以下である、請求項１から９のいずれか１項に記載の軟磁性金属複合体。
11. 軟磁性金属粉末及び高分子樹脂を含むパワーインダクタ用軟磁性金属複合体において、前記軟磁性金属粉末の間に介在されて耐電圧性を向上させるための絶縁体ナノパウダーをさらに含む、軟磁性金属複合体。
12. 前記絶縁体ナノパウダーは、セラミックナノパウダーまたはフェライトナノパウダーのうち何れか１つであるか、セラミックナノパウダーとフェライトナノパウダーが混合されたものである、請求項１１に記載の軟磁性金属複合体。

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