KR100302070B1 - 연자성페라이트의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면 실장부품의 일종인 칩인덕터에 사용되는 연자성 페라이트의 제조방법에 관한 것으로, 연자성 페라이트의 출발재료의 성분 및 그 함량, 그리고 첨가제를 적절히 제어하므로서 소성온도가 내부전극인 Ag의 융점보다 낮을 뿐만 아니라 950℃에서 3시간 소성시 500㎑의 주파수에서 투자율:600-650, Q:70-80의 전자기적 특성을 갖는 연자성 페라이트를 제조하는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

상기한 목적달성을 위한 본 발명은 철산화물(Fe₂O₃)과 필요에 따른 금속산화물(MO)로 조성되는 출발재료를 파쇄, 하소, 파쇄, 성형 및 소성하는 것을 포함하여 이루어지는 연자성 페라이트의 제조방법에 있어서, 상기 출발재료가 몰%로, Fe₂O₃:49.0-49.6%, NiO:10.01-10.5%, ZnO:30.0-30.5% 및 CuO:10.0-10.5%로 조성되거나, 또는 출발재료를 상기와 같이 조성하고 첨가제로 CuO:0.5-3.0중량% 및 SiO₂:500-1000ppm을 단독 또는 복합으로 첨가하여 이루어지는 연자성 페라이트의 제조방법을 제공함을 그 요지로 한다.

Description

연자성 페라이트의 제조방법

본 발명은 표면실장부품(이하, “SMD”라 한다)의 일종인 칩인덕터에 사용되는 연자성 페라이트의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 1000℃ 이하의 온도에서 소성이 가능할 뿐만 아니라 고주파 대역에서 인덕터용 코일에서 요구되는 높은 Q값을 갖는 Fe-Ni-Cu-Zn계 연자성 페라이트의 제조방법에 관한 것이다.

최근 전자부품에 있어서 소형 경박화의 일환으로 부품의 SMD화가 급속히 진행되고 있으며, 그 분야는 콘덴서, 저항, 코일등과 같은 단순부품에서 부터 복합부품에 까지 적용되어 실용화되고 있다.

이와같은 SMD 전자부품들중, 칩 인덕터는 전자기 회로에서 높은 손실과 우수한 노이즈 제거특성으로 인하여 각종 전자회로에 적용되고 있다. 그 적용분야는 휴대용 전화기, 사무자동화(OA), 마이콤 가전기기, 자동차 콘트롤러, A/V 시스템등으로 그 범위는 매우 광범위하다.

칩인덕터의 구조는 인출력 단자인 양 단자를 연결하는 내부전극이 자성체 내부에서 원형의 자로장을 형성시키는 형태이며, 이때 발생되는 인덕턴스를 이용하여 특정주파수에의 노이즈를 제거한다.

상기와 같은 구조를 갖는 칩인덕터는 일반적으로 내부전극으로는 고주파 대역에서 손실이 적은 Ag 페이스트(Paste)를, 외부의 자성체로는 연자성 페라이트를 사용한다. 때문에 칩인덕터를 제품화하여 목적하는 특성을 얻기 위한 최종 단계인 소성은 내부전극인 Ag 페이스트의 손상이 없고 외부의 자성체인 연자성 페라이트가 전자기적 특성을 충분히 발휘할 수 있는 조건에서 행해져야 한다.

즉, 칩인덕터가 목적하는 전자기적 특성을 갖도록 제품화하기 위해서는 내부 전극인 Ag(순도 100%)의 용융점보다 40-50℃ 이하의 온도 범위에서 칩인덕터를 소성해야만 한다는 것이며, 이때 외부의 자성체인 연자성 페라이트 또한 충분한 스피넬화가 진행되어 목적하는 전자기적 특성을 가질 수 있어야만 한다는 것이다.

그러나 기존에 개발되거나 제안되어 사용되어지는 연자성 페라이트는 기본 소성온도가 1050-1350℃ 범위이기 때문에 칩인덕터에 사용하였을 경우에는 다음과 같은 문제점이 있어, 칩인덕터에 적용이 곤란하다.

소성온도가 1050-1350℃범위인 연자성 페라이트를 사용하여 칩인덕터를 제조할 경우에는 칩인덕터의 최적소성온도범위인 910-920℃에서 완전소성이 어려워 내부전극을 Ag-Pd 성분으로 하고 있다. 그리고 내부 전극으로 Ag만을 단독으로 사용가능한 경우에는 주파수 대비 전자기적 특성이 낮아 내부전극의 권선수가 증가한다. 뿐만 아니라 고주파수에서 높은 Q값을 얻기가 어렵다.

따라서 Ag의 융점보다 40-50℃ 이하의 온도범위에서 소성 가능한 연자성 페라이트에 대한 연구를 행한 결과, 현재에는 주로 기존의 소성온도가 1050-1350℃ 범위인 연자성 페라이트에 소성 촉진제를 첨가하여 소성온도를 900-950℃ 범위로 낮춘 상태에서 칩인덕터에 적용하여 사용하고 있다.

그러나 상기와 같이 소성촉진제를 첨가하여 연자성 페라이트의 소성 온도를 낮추게 되면 연자성 페라이트가 가지고 있는 원래의 전자기적 특성이 50-60% 정도(투자율:30-40%, Q:60-70%) 저하되는 단점이 있다. 이는 상기 소성 촉진제가 소성 반응을 촉진시키는 과정에서 부분적인 결정입자의 조대화를 유발하기 때문이다.

따라서, 소성 촉진제를 첨가하여 소성온도를 낮춘 연자성 페라이트의 경우, 전자기적 특성의 변화가 너무 심하여 그 적용 범위가 극히 제한되고 있다.

아울러 최근에는 전자부품의 다양화에 따라 동일한 부품들 일지라도 그것이 사용되는 주파수 밴드가 각각 틀리므로 각각의 주파수 밴드에 알맞은 특성을 나타내는 연자성페라이트가 요구되고 있는 추세이다.

이에, 본 발명자는 상기한 종래 연자성 페라이트의 문제점을 해결하여 저온에서의 소성이 가능할 뿐만 아니라 사용하고자 하는 각각의 주파수 밴드에서 우수한 전자기적 특성을 나타낼 수 있는 연자성 페라이트를 제공하고자 연구와 실험을 행한 결과, 연자성 페라이트의 소성온도 및 전자기적 특성이 각 성분들의 함량 및 조성비, 특히 재료학적으로 각 성분들의 조성비가 0.02몰%만 특려도 크게 영향을 받는다는 사실을 확인하고, 이에 근거하여 본 발명을 제안하게 되었다.

본 발명은 연자성 페라이트의 출발재료의 성분 및 그함량, 그리고 첨가제를 적절히 제어하므로서 소성온도가 내부전극인 Ag의 융점보다 낮을 뿐만 아니라 950℃에서 3시간 소성시 500㎒에서 투자율:600-650, Q:70-80의 전자기적 특성을 갖는 연자성 페라이트를 제조하는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

제1(a)도 및 제1(b)도는 발명예 (a) 및 비교예 (1)의 주파수 변화에 따른 Q값의 변화를 나타낸 그래프.

제2도는 발명예 (a)의 최종 소성온도별 주파수 변화에 따른 인덕턴스(Ls) 값의 변화를 나타낸 그래프.

제3도는 발명예 (a)에 첨가제로 CuO 및 SiO₂를 각각 첨가한 경우 주파수 변화에 따른 Q값의 변화를 나타낸 그래프.

제4도는 본 실시예에 적용된 열처리 곡선.

본 발명은 철산화물(Fe₂O₃)과 필요에 따른 금속산화물(MO)로 조성되는 출발재료를 파쇄, 하소, 파쇄, 성형 및 소성하는 것을 포함하여 이루어지는 연자성 페라이트의 제조방법에 있어서, 상기 출발재료가 Fe₂O₃:49.0-49.6몰%, NiO:10.01-10.5몰%, ZnO:30.0-30.5몰% 및 CuO:10.0-10.5몰%로 조성되고, 하소하여 파쇄한 후 이 파쇄된 하소분말에 첨가제로 CuO:0.5-3.0wt% 및 SiO₂:500-1000ppm을 단독 또는 복합으로 첨가하여 이루어지는 연자성 페라이트의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 철산화물(Fe₂O₃)과 필요에 따라 금속산화물(MO)로 조성되는 출발재료를 상기와 같이 조성함이 바람직하며, 그 이유는 다음과 같다.

Fe₂O₃는 연자성 페라이트의 주성분으로서 스피넬(Spinel)격자를 구성하는 모재이며, 이중 Fe⁺³이온은 결정내의 전자확산을 유도하여 자벽의 이동에 영향을 줄 뿐만 아니라 역스피넬 구조를 가짐으로써 강자성을 띄게 하는 역할을 하는 성분으로, 그 함량이 49.0몰%(이하, ‘%’라 한다) 이하일 경우에는 Q특성이 급격히 저하되는 문제점이 있으며, 49.6% 이상일 경우에는 재료의 경도(hardness)가 저하되는 문제점이 있기 때문에, Fe₂O₃의 함량은 49.0-49.6%로 제한함이 바람직하다.

NiO Fe⁺³[Cu⁺²ㆍFe₂ ⁺³O₄] 역스피넬 자기모멘트 구조를 형성시킴으로 고주파 특성을 향상시키는 성분으로서, 그 함량이 10.01% 이하일 경우에는 Q값이 저하되며 소성시 소재의 결정결함인 공극(pore)이 발생되는 문제점이 있으며, 10.5% 이상일 경우에는 Q밴드의 고주파 이동으로 소성온도의 증가 및 재료의 경도의 급격 증가로 가공성이 저하되는 문제점이 있기 때문에, NiO의 함량은 10.01-10.5%로 제한함이 바람직하다.

ZnO는 Fe⁺³[Ni⁺²ㆍFe₂ ⁺³O₄] 정스피넬 자기(磁氣)모멘트 구조로써, 그 함량이 30.0% 이하일 경우에는 투자율의 감소 및 Q특성저하의 문제점이 있으며, 30.5% 이상일 경우에는 소성온도 증가 및 Tc 온도저하의 문제점이 있기 때문에, ZnO의 함량은 30.0-30.5%로 제한함이 바람직하다.

CuO는 Fe⁺³[Ni⁺²ㆍFe₂ ⁺³O₄] 구조로써, 소결을 촉직하는 역할을 하는 성분으로서, 그 함량이 10.0% 이하일 경우에는 소성온도의 상승 및 소결밀도 저하의 문제점이 있으며, 10.5% 이상일 경우에는 입계간 석출등으로 투자율 및 Q값 저하의 문제점이 있기 때문에, CuO의 함량은 10.0-10.5%로 제한함이 바람직하다.

본 발명에서는 출발재료를 상기와 같이 조성한 후, 통상의 방법으로 연자성 페라이트를 제조하게 되는데 이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기 출발재료와 (순수+볼)간의 무게비를 1:5로 유지한 상태에서 4-5시간 볼밀을 실시하여 분산입도가 0.05-0.1㎛ 수준이 되도록 한 다음 350-400℃의 건조 오븐에서 수분을 완전히 제거하고 10-20㎜ 정도의 크기로 분쇄한다.

이와같이 분쇄된 분말을 Al₂O₃또는 지르콘 주발에 장약한 후 전기로에서 최종 소성(본소성)보다 50-100℃ 정도 낮은 온도에서 자성체의 스피넬화가 80-90% 정도 이루어지도록 산화분위기 하에서 하소한다.

하소완료된 자성체를 미반응 산화물의 혼합을 촉진하고 입자크기를 감소시키기 위해 다시 파쇄한다. 이때, 파쇄입도는 0.5-1㎛ 정도가 바람직하다.

상기 파쇄된 분말을 건조하고 체분리하여 입도를 균일화시킨 다음 바인더(결합제)를 첨가하여 과립화하고 성형 및 최종 소성하여 연자성 페라이트를 제조한다.

한편, 본발명에서는 연자성 페라이트의 전자기적 특성 및 최종소성시 결정립 입자들간의 반응도를 향상시키기 위하여 하소완료된 분말에 첨가제로 CuO:0.5-3.0중량% 및 SiO₂:500-1000ppm을 단독 또는 복합으로 첨가하여 혼합 분쇄후 상기한 방법으로 연자성 페라이트를 제조할 수도 있다. 이때 첨가제로 첨가되는 CuO와 SiO₂는 Fe₂O₃, NiO, CuO 및 ZnO의 화합물이 최종 소성단계에서 결정화될때 결정입자 표면의 반응도를 증가시키는 촉매역할을 하기 때문에 그 첨가량은 상기 범위로 제한함이 바람직하며, 그 이유는 다음과 같다.

CuO의 경우 그 첨가량이 0.5중량% 이하이면 그 효과가 없고, 3.0중량% 이상이면 석출되어 전자기적 특성(투자율(μi) 및 Q)이 저하되기 때문이다.

SiO₂의 경우 그 첨가량이 500ppm 이하이면 그 효과가 없고, 1000ppm 이상이면 Q밴드가 고주파로 이동하고 투자율(μi)이 급격히 저하되기 때문이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

하기 표 1과 같은 조성을 갖도록 출발재료를 정량하였다.

[표 1]

상기 표 1과 같이 정량된 출발재료를 (순수+볼)과의 무게비를 1:5로 유지한 상태에서 2-3시간 볼밀을 실시하여 분산입도가 1-3㎛ 수준이 되도록 습식파쇄 하였다. 이와같이 습식 파쇄되어 혼합된 원료를 200-250℃의 건조오븐에서 수분을 완전히 제거한 후 2-5㎜의 크기로 분쇄하여 주발에 장약하고 750℃ 온도의 산화분위기의 전기로에서 3시간 하소시켰다.

하소완료된 분말자성체를 습식볼밀하여 0.5-1㎛의 입도로 분쇄하고 건조한 다음 100메쉬의 체로 입도를 균일화시키고 결합제로 5% PVA(poly vinyl alchol) 용액을 8중량% 첨가하여 과립화 시켰다. 이어 과립화된 분말에 성형 윤활제인 스테리아산-Zn을 0.05중량% 첨가하여 5㎏/°㎠의 성형압력 및 2.9-3.3g/㏄의 성형밀도로 환형트로이달 코아를 성형한 후 제4도와 같은 온도구배를 갖는 전기로에 장입하여 소성하였다.

상기와 같이 소성이 완료된 시편에 에나멜 동선(0.6PAI)을 20회 권선하여 10㎑-40㎒의 주파수 범위에서 Q값을 측정하고 그 결과를 제1도에 나타내었다.

제1도에 나타난 바와같이, 본 발명의 범위를 만족하는 발명예 (a)의 경우 200-800㎒의 주파수 대역에서 Q값이 70-80으로 최고치를 나타냄을 알 수 있다. 이에 반하여 본 발명의 범위를 만족하지 못하는 비교예 (1)의 경우 상기 주파수 대역에서 상기한 Q값을 얻을 수 없음을 알 수 있다.

[실시예 2]

최종 소성온도의 변화에 따른 연자성 페라이트의 자기적 특성변화를 확인하기 위해 상기 실시예 1의 발명예 (a)의 연자성 페라이트를, 다른 조건은 상기 실시예 1의 조건과 동일하게 유지한채 하기 표 2와 같이 소성온도만을 변화시켜가면서 최종 소성한 후 시편에 에나멜동선(0.6PAI)을 20회 권선하여 500㎑의 주파수에서 전자기적 특성을 측정하고 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

[표 2]

상기 표 2에서 알수있는 바와같이, 소성온도가 내부전극인 Ag 100%의 융점보다 40-50℃ 낮은 범위에 속하는 경우(900, 950℃) Q값: 84 및 71, 투자율 410 및 600으로 본 발명에서 목적하는 전자기적 특성값(Q값 및 투자율) 범위를 만족함에 반하여, 소성온도가 이보다 낮은 경우(880℃)에는 연자성 페라이트의 스피넬화가 충분히 진행되지 못하여 전자기적 특성중 투자율 값이 열화되고, 소성온도가 높을 경우(1000℃)에는 전자기적 특성중 Q값이 급격히 열화되어 목적하는 Q값을 얻을 수 없음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 연자성 재료의 전자기적 특성(Q값 및 투자율)을 만족하기 위해서는 Ag 100%의 융점보다 40-50℃ 낮은 온도범위에서 소성을 행해야만 한다는 사실을 알 수 있다.

상기 표 2에서 투장율 값은 제2도에 나타낸 바와같은 최종 소성온도의 변화에 따른 인덕턴스(Ls) 값을 하기식에 의해 투자율로 변환시켜 구한 값이다.

(여기서, μ。:투자율, l:자로장, Ls:인덕터턴스, A:자로단면적, N:코일권선수)

[실시예 3]

첨가제의 첨가에 따른 자기적 특성변화 및 반응도 변화를 확인하기 위하여 상기 실시예 1의 방법으로 제조되는 연자성 페라이트중 발명예 (a)를 하소하고 분쇄한 다음, 여기에 각각 CuO:1중량%, SiO₂:600ppm을 첨가하여 본 발명의 연자성 페라이트를 제조한 후, 전자기적 특성을 측정하고 그 결과를 제3도에 나타내었다.

제3도에서 알 수 있는 바와같이, 첨가제를 첨가할 경우 200-800㎑의 주파수 대역에서 상기 실시예 1의 발명예 (a)의 경우보다 CuO의 경우 10, SiO₂의 경우 20 정도 우수한 Q값이 나타남을 알 수 있다.

이와같이, 첨가제 첨가의 경우 그 특성이 보다 우수하게 나타나는 것은 첨가제가 최종소성시 결정입자들간 표면의 반응도를 증가시켜 주는 촉매 역할을 하기 때문으로 추정된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 연자성 페라이트의 제조시 출발재료의 성분 및 그 함량을 적절히 제어하고 첨가제를 적절히 투입하므로서, 소성온도가 1000℃ 이하이며 칩인덕터에 적용시 내부전극인 Ag의 융점보다 낮은 온도에서의 최종소성이 가능하며, 950℃에서 3시간 소성시 500㎑의 주파수에서 70-80의 Q값 및 600-650의 투자율 값을 갖는 연자성 페라이트의 제조가 가능하다. 뿐만 아니라 칩인덕터에 적용시 저온소성이 가능하므로 기존의 귀금속(Ag-Pb 합금) 내부전극이 Ag 단독으로 대체됨으로써 제조원가 감소의 효과가 있다.

따라서 상기한 본 발명의 연자성 페라이트를 이용하여 칩비드(Chip Bead), 칩인덕터(Chip Inductor), 칩엘씨(Chip LC)등과 같은 SMD 부품의 개발 또한 가능한 효과가 있다.

Claims (1)

1. 철산화물(Fe₂O₃)과 필요에 따른 금속산화물(MO)로 조성되는 출발재료를 파쇄, 하소, 파쇄, 성형 및 소성하는 것을 포함하여 이루어지는 연자성 페라이트의 제조방법에 있어서, 상기 출발재료가 몰%로, Fe₂O₃:49.0-49.6%, NiO:10.01-10.5%, ZnO:30.0-30.5%, 및 CuO:10.0-10.5%로 조성되고, 하소하여 파쇄한 후 이 파쇄된 하소분말에 첨가제로 CuO:0.5-3.0중량% 및 SiO₂:500-1000ppm을 단독 또는 복합으로 첨가하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연자성 페라이트의 제조방법.