KR100439782B1 - 1MHz와100MHz사이에서작동하는저상실페라이트및그제조방법 - Google Patents

Abstract

대략 1메가 헤르츠 내지 100메가 헤르츠의 주파수들에서 낮은 자기 상실들이 있고, 대략 1000℃보다 낮은 소성 및 소결 온도를 가진 페라이트 재료가 개시되어 있다. 재료는 자기 코어의 제작, 특히 마이크로 인덕터의 제작에 특히 적합한, 코발트 치환이 있는 니켈-아연-구리 재료이다.

Description

1MHz 와 100MHz 사이에서 작동하는 저상실 페라이트 및 그 제조방법

(발명의 분야)

본 발명의 기술분야는 고주파 또는 초단파(1 메가헤르츠 내지 100 메가헤르츠)에서 사용되는 페라이트 재료에 관한 것으로, 특히 낮은 자성상실 및 낮은 제조온도를 갖는 페라이트 재료에 관한 것이다.

이러한 종류의 재료는 1 메가헤르츠와 100 메가헤르츠사이에서 작동하는 필터링 장치에 사용되는 소형 인덕터의 제조, 특히 보다 일반적으로는 낮은 상실을 갖는 자기 코어의 저온 제조를 위해 매우 많은 수요가 있다.

(종래기술의 설명)

현재, 전자장비의 발전은, 민간뿐만아니라 군용제품에 있어서, 사용되는 능동 및 수동 소자의 소형화와 관련이 있다. 이들 소자 중, 가장 큰 것은 저항, 캐패시터 및 특히 인덕터의 기능을 발휘하는 수동 소자이다.

낮은 전력치를 충족시키는 이른바 "저준위"인덕터를 사용하는 응용제품에 있어서, 소자의 상실은 Q팩터로 표현되고 여기서 Q = Lω/R이고, L은 직렬 인덕턴스, ω는 진동수, R은 직렬 저항이다. 계수 Q보다 크고, 대응하는 전기회로의 양보다 높다.

높은 주파수 제품에 있어서 (100 보다 큰) 높은 Q팩터치를 갖는 페라이트는 일반적으로 복합 니켈- 아연 페라이트이다. 이들은 권선 인덕터를 제조가능하게 하는 다양한 형상(환형, 포트형, 봉형상 등)의 자기코어로서 사용되고, 권선부는 에나멜을 입힌 구리선에 의해 만들어진다. 그러나, 이들 재료는 높은 제조온도를 가진다. 이들의 소성온도(소성은 요구되는 다결정상을 형성할 수 있도록 설계된 열처리임)는 1000℃ 내지 1100℃의 범위에 있다. 이들의 소결온도(소결은 결정상의 완전형성과 이러한 결정상의 자기화를 목적으로 하는 열처리임)는 1200℃ 내지 1350℃의 범위에 있다.

그러므로 이러한 종류의 재료는 권선금속(통상적으로는 은)을 자기코어의 페라이트와 동시 소결(co-sintering)함으로써 자기 코어와 권선부가 집적되는, 또한 마이크로 인덕터라고 불리우는 소형 인덕터의 제작에는 사용할 수 없다.

실제로, 현재, 특히 1 메가헤르츠 내지 100 메가헤르츠사이에서 작동하는 마이크로 인덕터는 금속 특히 은의 화학 반응의 방지를 위해서는 없어서는 안되는 비교적 낮은 소결온도(1000℃ 미만)를 갖는 페라이트로 만들어진다. 이러한 반응은 금속의 전기특성과 페라이트의 전자기특성의 열화를 일으키는 결과를 가져올 수 있다. 이들 응용제품에 사용된 재료는 니켈-아연 페라이트에 가까운 전자기특성을 가지는 니켈-아연-구리계의 일부를 형성한다. 산화물 형태의 구리의 첨가는 900℃ 내지 1000℃의 온도에서 이들 재료의 소결을 가능하게 한다. 그러나, 마이크로 인덕터에 대해서는 20 내지 60으로 떨어지는 Q팩터치를 낮춘다.

(발명의 요약)

이러한 배경에서, 본 발명은 대략 1000℃ 미만의 소성 및 소결온도를 가지는 페라이트계를 제안하여, 대략 100보다 큰 Q팩터치를 갖는 인덕터를 제조가능하게 한다.

그러므로, 본 발명의 목적은 1 메가헤르츠 내지 100 메가헤르츠의 주파수 범위에서 낮은 자성 상실들이 있는 페라이트 재료에 있어서, 상기 페라이트 재료는 다음의 화학식과 일치하는 페라이트 재료를 제공하는 것에 있다.

Ni_xZn_yCu_zCo_εFe_2±δO₄

여기서, x + y + z + ε = 1 ± δ ,

δ ≤ 0.05,

0.02 ≤ ε ≤ 0.04,

0.1 ≤ z ≤ 0.35,

0.05 ≤ y ≤ 0.40 이다.

이들 재료는 다음과 같은 2중의 이점을 가진다:

- 이들은 소성 및 소결온도를 상당히 감소시키기 위해 고주파와 초단파 자기 코어의 산업적 규모의 제조를 위해 사용될 수 있고;

- 이들은 종래의 마이크로 인덕터 Q팩터치를 개선하기 위해 마이크로 인덕터의 산업적 규모의 제조를 위해 사용될 수 있다.

본 발명의 목적은 또한 본 발명에 따른 페라이트 재료를 포함하는 대략 1 메가헤르츠 내지 100 메가헤르츠의 주파수 범위에서 작동하는 유도소자를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 원료들의 분쇄에 의해 얻어진 분말을 1000℃ 미만의 온도에서 소결하는 다음의 화학식과 일치하는 페라이트 재료의 제조방법을 제공하는 것에 있다.

Ni_xZn_yCu_zCo_εFe_2±δO₄

여기서, x + y + z + ε = 1 ± δ ,

δ ≤ 0.05,

0.02 ≤ ε ≤ 0.04,

0.1 ≤ z ≤ 0.35,

0.05 ≤ y ≤ 0.40 이다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 페라이트 재료의 제조방법은 또한 750℃ 내지 850℃의 온도에서 행해지는 소성공정을 포함한다.

첨부도면을 참조한 비제한적인 예에 의해 주어진 다음의 상세한 설명으로부터 본 발명은 보다 명백하게 이해할 수 있고 다른 특징도 알 수 있을 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 제 1 예의 페라이트 재료의 복합 투자율을 주파수의 함수로서 나타낸 도면.

도 2 는 본 발명에 따른 제 2 예의 페라이트 재료의 복합 투자율을 주파수의 함수로서 나타낸 도면.

도 3 은 각각 코발트 치환이 있고 코발트 치환이 없는 2개의 Ni-Zn-Cu 페라이트에 대해 주파수의 함수로서 복합 투자율을 나타낸 도면.

일반적으로, 본 발명에 따른 페라이트 재료는 다음의 주요 동작을 포함하는 종래의 산업 규모기술을 사용하여 만들어져도 된다.

- 다음 원료의 계량

니켈 산화물(NiO), 아연 산화물(ZnO), 철 산화물(Fe₂O₃), 구리 산화물(CuO) 및 코발트 산화물(Co₃O₄).

철 산화물의 계량중, 일반적으로 강구 또는 봉(rod)인 분쇄요소의 마모로 인한 철의 첨가를 보정할 필요가 있다.

- 원료의 분쇄

이러한 동작은 상이한 소자를 혼합하고 이들의 입경을 감소시킴으로써 보다 반응을 좋게 하기 위한 이중 목적을 가지고 있다.

- 분말의 소성

이러한 열처리는 원하는 결정상을 부분적으로 형성하기 위한 목적이 있다. 이러한 동작은 본 발명의 페라이트의 원하는 속성에 의존하여 750℃ 내지 850℃사이에서 통상적으로 행해져도 된다. 이것은 대기중에서 2시간동안 행해진다.

- 소성 제품의 재분쇄

이러한 동작은 소성 처리에 의해 발생되는 분말입경의 확대에 의해 필요하게 된다. 이것은 제 1 분쇄동작과 유사한 조건하에서 행해진다.

- 분말의 가압

이것은 스틸 몰드와 1 t/cm²범위내의 압력을 가할 수 있는 축방향 메카니컬 프레스에 의해 행해진다.

- 소결

이러한 열처리는 원하는 결정상의 완전한 형성뿐만아니라 다결정 세라믹의 자기화를 목적으로 하고 있다. 본 발명의 대상인 페라이트 재료에 대해, 이러한 처리는 2시간 내지 15시간에 걸쳐 플래토를 사용하여 대략 900℃ 내지 1000℃의 온도에서 행해도 된다.

예 1 : 1 메가헤르츠 내지 30 메가헤르츠의 주파수 범위에서 낮은 자성 상실을 갖는 페라이트 재료.

코발트 치환이 있고, 화학조성 Ni_0.35Zn_0.35Cu_0.28Co_0.02Fe₂O₄을 가진 니켈-아연-구리 페라이트 재료는 소결동작을 930℃에서 2시간 동안 행하면서 상기 산업적인 방법을 이용하여 만들어진다.

이러한 재료는 73 uem/g와 동일한 포화상태 σ_sat와 4800 가우스와 동일한 포화상태에서의 자기모멘트를 가진다.

그 밀도 ρ는 4.95 g/cm³와 동일하다. 주파수의 함수로서의 복합 초기 투자율 스펙트럼(저진폭 자기장용 자기장에 대한 유도비에 대응함)이 도 1에 주어졌다.

허수부μ"로 나타낸 자성상실은 매우 작다(μ"은 대략 10 메가헤르츠까지는 0.1보다 작다).

투자율μ'의 실수부는 항상 20메가헤르츠에서 최대 155를 가지며 대략 130의 값보다 크게 유지된다.

그러므로 이러한 페라이트 재료는 1 내지 30 메가헤르츠의 범위에서 적용하는 것이 특히 적합하다. 페라이트 재료는 이러한 주파수 영역에서 높은 Q팩터를 갖는 권선 코어에 의해 인덕터를 만드는 데 사용될 수 있고 특히 150 이상의 Q팩터를 갖는 2 내지 3 메가헤르츠의 주파수에서 사용될 수 있다.

예 2 : 30 메가헤르츠 내지 100 메가헤르츠 범위의 초단파에서 낮은 자성상실을 갖는 페라이트 재료.

코발트 치환이 있고, 화학조성 Ni_0.747Zn_0.83Cu_0.15Co_0.02Fe₂O₄을 가진 니켈-아연-구리 페라이트 재료는 소결동작을 950℃에서 5시간 동안 행하면서 상기 산업적인 방법을 이용하여 만들어진다.

이러한 재료는 55 uem/g와 동일한 포화상태 σ_sat와 3600 가우스와 동일한 포화상태에서의 자기모멘트를 가진다.

그 밀도 ρ는 4.80 g/cm³와 동일하다. 주파수의 함수로서의 투자율 스펙트럼이 도 2에 주어졌다.

허수부μ"로 나타낸 자성상실은 매우 작고(대략 100 메가헤르츠까지μ"≤ 0.1임) 한편 투자율μ'의 실수부는 항상 125 메가헤르츠에서 최대 35를 가지며 26보다 크게 유지된다.

이러한 종류의 페라이트 재료는 초단파에서 상실없이 작동하는 장치에 특히 적합하다.

코발트 치환이 있고 코발트 치환이 없는 매우 유사한 조성의 2개의 Ni-Zn-Cu 페라이트 재료의 비교

이들 재료는 다음의 화학식과 각각 일치한다:

Ni_0.747Zn_0.083Cu_0.15Co_0.02Fe₂O₄

및 Ni_0.763Zn_0.085Cu_0.152Fe₂O₄

이들은 동일 조건하에서 소결된다(대기중에서 온도 970℃에서 2시간 동안 소결).

도 3은 이들 2개의 페라이트 재료에 대한 주파수의 함수로서의 투자율을 나타낸다.

곡선 3a,3b는 각각 치환된 그리고 치환되지 않은 페라이트의 투자율μ'의 실수치를 나타낸다.

곡선 3a' ,3b' 는 각각 치환된 그리고 치환되지 않은 페라이트의 투자율μ"의 허수치를 나타낸다.

본 발명에 따라 제조된 코발트 치환이 있는 페라이트는 1 메가헤르츠와 100 메가헤르츠사이에서 보다 큰 투자율μ'과 보다 낮은 자성 상실μ"을 가지는 2중의 이점이 있다.

Claims (7)

1. 약 1 메가헤르츠 내지 100 메가헤르츠의 주파수들의 범위에서 낮은 자성 상실들(low magnetic loses)이 있는 페라이트 재료에 있어서, 상기 페라이트 재료는 다음의 화학식과 일치하는 페라이트 재료.

   Ni_xZn_yCu_zCo_εFe_2±δO₄

   여기서, x + y + z + ε = 1 ± δ,

   δ ≤ 0.05,

   0.02 ≤ ε ≤ 0.04,

   0.1 ≤ z ≤ 0.35,

   0.05 ≤ y ≤ 0.40 이다.
2. 약 1 메가헤르츠 내지 30 메가헤르츠의 주파수들의 범위에서 낮은 자성상실들이 있는 페라이트 재료에 있어서, 상기 재료는 다음의 화학식과 일치하는 페라이트 재료.

   Ni_0.35Zn_0.35Cu_0.28Co_0.02Fe₂O₄
3. 약 30 메가헤르츠 내지 100 메가헤르츠의 주파수들의 범위에서 낮은 자성상실들이 있는 페라이트 재료에 있어서, 상기 재료는 다음의 화학식과 일치하는 페라이트 재료.

   Ni_0.75Zn_0.08Cu_0.15Co_0.02Fe₂O₄
4. 제 1 항에 따른 재료를 포함하는 약 1 메가헤르츠 내지 100 메가헤르츠의 주파수들의 범위에서 작동하는 유도소자(inductive component).
5. 페라이트 재료로 만들어지는 자기 코어와 자기 코어에 집적되는 은과 같은 전도성 재료로 만들어지는 권선을 포함하는 마이크로 인덕터에 있어서, 페라이트 재료는 제 1 항에 따른 재료인 마이크로 인덕터(micro-inductor).
6. 제 1 항에 따른 페라이트 재료의 제조방법에 있어서, 원료들의 분쇄에 의해 얻어진 분말의 소결(sintering)을 위한 공정을 포함하고, 상기 소결공정은 약 1000℃ 보다 낮은 온도에서 행해지는 페라이트 재료의 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서, 약 750℃ 내지 850℃의 온도에서 행해지는 소성공정(firing step)을 포함하는 페라이트 재료의 제조방법.

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