KR100550685B1 - 자성재료 및 인덕터 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 자성재료는 Fe₂O₃ 46.0~51.0mol%, CuO 0.5~15.0mol%, 잔부 NiO로 이루어지는 주성분 100중량%에 대해 첨가물로서 산화비스무트를 Bi₂O₃환산으로 4.0~10.0중량%, 산화마그네슘을 MgO환산으로 1.0~5.0중량%, 산화실리콘을 SiO₂환산으로 2.0~8.0중량%, 산화코발트를 CoO환산으로 0.2~0.5중량% 첨가하여 이루어진다. 인덕터는 상기 자성재료로 이루어지는 코어를 갖고 수지몰드하여 이루어진다. 이에 따라 초투자율의 상대온도계수가 마이너스이고 또한 항응력 특성에 뛰어난 자성재료와 인덕터를 제공할 수 있다.

Description

자성재료 및 인덕터{MAGNETIC MATERIAL AND INDUCTOR}

도 1은 본 발명의 인덕터의 일 실시예를 도시하는 일부 투시사시도.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

1: 코어 2: 권선

3: 단자전극 4: 몰드재

본 발명은 인덕턴스소자의 코어재 등으로서 사용하는 자성재료와 그 자성재료를 이용한 코어를 갖는 인덕터에 관하며, 특히 수지몰드타입의 칩인덕터의 코어재로서 사용하는 데 적합한 페라이트와 그 코어를 이용한 인덕터에 관한 것이다.

인덕턴스소자에 이용되는 페라이트의 투자율의 온도특성은 일반적으로 양의 온도계수를 갖는 것이 종래부터 이용되어왔다. 그 이유는 인덕턴스소자와 회로를 구성하기 위해 조합하여 이용되는 콘덴서의 용량이 통상 음의 온도특성을 갖는 것으로 조합한 것의 특성이 온도변화에 대해 가급적으로 변화하지 않도록 하기 위함 이다.

그러나 인덕턴스소자와 콘덴서와의 단순한 조합이 아닌 회로전체의 온도계수를 고려한 경우, 회로를 구성하는 콘덴서 이외의 다른 부품의 온도계수가 양이기 때문에 회로전체의 온도계수를 작게하기 위해 투자율에 관해 음의 온도계수를 갖는 인덕터가 필요하게 되어 이와같은 요구를 만족하는 투자율의 온도계수가 음인 페라이트가 요구되었다.

한편 최근 TV, VTR, 이동체 통신기기의 분야에서 급속하게 수요가 확대되고 있는 수지몰드타입의 칩인덕터, 고정코일 등의 분야에 있어서 소형, 경량, 고정밀도 등의 요구에 따르기 위해 이들 부품에 대한 협공차화(狹公差化), 고신뢰성화로의 요구가 커지고 있다. 이 수지몰드 타입의 소자에서는 수지몰드함으로써 발생하는 압축응력에 의해 인덕턴스값이 변화하기 때문에 인덕턴스공차가 작은 고품질의 부품을 얻는 것이 곤란하다. 그래서 외부응력에 대한 인덕턴스의 변화가 작은 즉 항응력특성이 뛰어난 페라이트가 요구되었다.

따라서 이들 요구에 대응하기 위해서는 투자율에 관해 음의 온도계수를 갖고, 항응력 특성이 양호한 자성재료 및 이를 이용한 인덕턴스소자가 필요하게 된다.

투자율의 온도계수가 음의 페라이트로서 일본국 특개소 59-121803호, 일본국 특개소 59-121804호, 일본국 특개소 59-121806호, 일본국 특개소 59-121155호, 일본국 특개소 59-121156호 공보에는 모두 초투자율의 온도계수가 0~80℃의 범위에서 한결같이 음인 페라이트가 개시되고 있다. 또 이들 공보의 실시예에서는 소결체 밀도가 향상하고 있는 것이 도시되어, 제품강도의 향상에 효과가 있다고 하고 있다. 그러나 외부응력이 걸렸을 때의 인덕턴스의 변화에 대한 문제를 해결할 수 있는 것은 아니다.

한편 일본국 특개평 1-179402호 공보에는 니켈을 필수성분으로서 함유하는 산화물 페라이트재료에 Bi₂O₃, V₂O₅중 최소한 한 종류를 1.5~5wt% 함유시킴으로써 외부응력에 변동이 있어도 인덕턴스변화가 작은 인덕터용 코어가 기재되고 있다. 그러나 이 조성의 것은 투자율의 온도계수를 음으로 한다는 요구에 응할 수 없다.

일본국 특개평 3-93667호 공보에는 25~40mol%의 Fe₂O₃, 0~20mol%의 ZnO, 나머지가 NiO와 CuO로서 NiO의 몰비가 CuO의 몰비보다도 많은 스피넬형 조성물로서, 소량성분으로서 0.1~12wt%의 Bi₂O₃ 및 0.05~4.0wt%의 SiO₂를 포함하고, 1MHz이상에서도 손실이 적은 고주파 자성재료와 또한 여기에 0.01~1.5wt%의 Co₃O₄ 또는 이에 상당하는 양의 코발트 산화물 또는 코발트 탄산화물을 첨가한 고주파 자성재료가 기재되고 있다. 동 공보의 실시예에서는 가압에 의한 인덕턴스의 변화를 측정하여 가압에 대한 인덕턴스의 변화가 작은 것을 나타내고 있다. 그러나 초투자율의 상대온도계수에 대해서는 모두 양이 되고, 투자율의 온도계수를 음으로 한다는 요구에는 대응할 수 없다.

일본국 특개평 3-91209호 공보에는 25~40mol%의 Fe₂O₃, 0~20mol%의 ZnO, 나머지가 NiO와 CuO이고, NiO의 몰비가 CuO의 몰비보다도 많은 스피넬형 조성물로서, 소량성분으로 하여 0.1~5wt%의 Bi₂O₃ 및 0.05~4.0wt%의 SiO₂를 포함하는 페라이트 조성물이 기재되고 있다. 단 실시예에서 도시된 조성은 F₂O₃ : 38.2mol%, NiO : 50.3mol%, ZnO : 8.4mol%, CuO : 3.1mol%의 기체조성에 Bi₂O₃ : 3wt%, SiO₂ : 0.8wt%를 첨가한 것만이 개시되고 있다. 동 공보의 실시예에서는 가압에 의한 인덕턴스의 변화를 측정하고, 그 변화율을 구하고 있지만 이 변화율은 소정의 압력으로 인가했을 때의 변화율이 아닌 수지몰드 전후의 인덕턴스로부터 산출한 값이다. 따라서 예를들면 50kPa의 가압하에서의 인덕턴스가 ±5%이내가 될지 어떨지는 불분명하다. 또 인덕턴스의 온도계수에 대해서도 양의 값을 나타내고 있고, 투자율의 온도계수를 음으로 한다는 요구에 대응할 수 없다.

또 일본국 특개평 11-87126호 공보에는 최소한 산화철 및 산화니켈을 포함하는 주성분에 첨가물로서 산화비스무트, 산화바나듐, 산화인, 산화붕소 중 한 종류 또는 2종류 이상을 포함하고, 또한 제 1부성분과 제 2부성분을 가한 것이 개시되고 있다. 그리고 상기 산화비스무트 등의 첨가물의 주성분에 대한 비율을 0.5~15wt%로 하고 있다. 또 상기 제 1부성분은 산화실리콘으로 주성분에 대한 비율을 0.1~10.0wt%로 하고 있다. 또 상기 제 2부성분은 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화바리움, 산화스트론튬의 한 종류 또는 2종류 이상으로 주성분에 대한 비율을 0.1~10.0wt%포함시키고 있다. 이 페라이트는 50kPa로 가압했을 때 인덕턴스 변화율이 ±5%이내이고, -20~60℃의 온도범위에 있어 초투자율의 상대온도계수가 ±20ppm/℃이다. 그러나 동 공보의 실시예에서는 초투자율의 상대온도계수가 모두 양의 값으로 되어있고, 투자율의 온도계수를 음으로 한다는 요구에는 대응할 수 없다.

상기와 같이 종래의 자성재료에는 초투자율에 관해 음의 온도계수를 갖고, 또한 항응력 특성에 뛰어난 것은 존재하지 않았다. 따라서 본 발명의 목적은 초투자율의 상대온도계수가 음이고 또한 항응력 특성에 뛰어난 자성재료를 제공하는 것이다. 또 본 발명의 다른 목적은 이 자성재료를 이용함으로써 인덕턴스에 관해 음의 온도계수를 갖고, 또한 인덕턴스공차가 작은 수지몰드형 인덕터를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 제1구성특징에 따른 자성재료는 Fe₂O₃ 46.0~51.0mol%, CuO 0.5~15.0mol%, 나머지 NiO로 이루어지는 주성분과, 상기 주성분 100중량%에 대해 산화비스무트를 Bi₂O₃환산으로 4.0~10.0중량%, 산화마그네슘을 MgO환산으로 1.0~5.0중량%, 산화실리콘을 SiO₂환산으로 2.0~8.0중량%, 산화코발트를 CoO환산으로 0.2~0.5중량% 첨가하여 되고, -20~20℃ 및 20~60℃의 온도범위에서의 초투자율의 상대온도계수가 음인 것을 특징으로 한다.

제1구성특징의 자성재료에서는 초투자율의 상대온도계수가 음이 되고 또한 뛰어난 항응력특성이 실현가능하다. 이 때문에 이 자성재료를 이용함으로써 인덕터에 관해 음의 온도계수를 갖고 또한 인덕턴스공차가 작은 수지몰드형 인덕터를 실현할 수 있다.
본 발명의 자성재료에 있어서 초투자율이 -20~60℃의 범위내에 있어서 20℃이하, 이상 각각의 범위에서 초투자율의 온도계수가 음이 되는 조성으로 함으로써 상기 온도범위내의 일부에서 초투자율의 온도계수가 음이 되지 않고 온도계수가 양이 되는 외에 전자부품을 조합시킨 회로에 있어서 온도에 의한 변화가 방지된다.

여기서 각 조성물을 상기와 같은 조성으로 한 이유는 다음과 같다. 주성분중 Fe₂O₃가 46.0mol%미만이면, 소결체 밀도가 저하한다. 그리고 Fe₂O₃ 량이 화학량론 조성을 넘은 범위부터 공기중의 소성에서는 Fe₃O₄의 석출에 의해 소결체 밀도의 저하와, 코어로서의 비저항의 저하가 시작된다. 이 석출이 현저하게 보이는 것은 Fe₂O₃가 51.0mol%를 넘는 범위이다.

또 CuO가 0.5mol%미만에서는 페라이트의 소결성이 열화하고, 소결체 밀도가 저하한다. 한편 15.0mol%를 넘으면 코어의 비저항이 저하한다.

또 본 발명에 있어서는 주성분의 잔여성분으로서 NiO를 함유하지만 이것은 여러특성을 그 외의 성분에 의해 조정하고, 잔여부분을 생성한 것이다. 여기서 NiO를 함유하지 않으면 페라이트의 비저항이 저하한다.

한편 첨가물 중 산화비스무트는 입자계에 퍼지면서 젖기 때문에 특히 항응력특성이 개선된다. 또 산화비스무트의 함유량이 많아지면 온도특성의 개선효과도 향상된다. 산화비스무트의 조성비가 4.0중량%보다도 적으면 항응력 특성의 개선효과가 거의 없어지고, 초투자율의 온도계수를 음으로 하는 온도특성도 악화된다. 한편 산화비스무트의 조성비가 10.0중량%보다도 많아지면 특성의 불균일을 일으키거나 소결시에 소결체로부터 담가 다른 코어와 유착하거나 세터(setter) 등의 소성용구를 오염시킨다.

또 첨가물로서 산화마그네슘을 함유시킴으로써 초투자율의 온도계수를 음으로 하는 온도특성으로 개선할 수 있다. 산화마그네슘의 조성비가 1.0중량%보다도 적으면 상기 온도특성의 개선효과를 얻을 수 없다. 한편 산화마그네슘의 조성비가 5.0중량%를 넘으면 항응력특성이 악화한다.

또 산화마그네슘에 가해져 산화실리콘을 함유시킴으로써 더욱 상기 온도특성이나 항응력특성이 개선되며, 산화마그네슘 단독으로 첨가한 경우보다도 개선효과가 현저하게 된다. 산화실리콘의 조성비가 2.0중량%보다도 적으면 상기 온도특성의 개선효과를 거의 얻을 수 없다. 한편 산화실리콘의 조성비가 8.0중량%를 넘으면 항응력특성이 악화된다.

또 첨가물로서 산화코발트를 함유시킴으로써 상기 온도특성을 개선할 수 있고 Q값도 향상시킬 수 있다. 산화코발트의 조성비가 0.2중량%보다 적으면 상기 온도특성의 개선효과를 거의 얻을 수 없고 Q값도 향상되지 않는다. 한편 산화코발트의 조성비가 0.5중량%를 넘으면 Q값은 향상되지만 온도특성이 악화된다.

또 본 발명의 제2구성특징에 따른 자성재료는 제1구성특징에서, 상기 첨가물의 산화마그네슘과 산화실리콘이 탈크〔Mg₃Si₄O₁₀(OH)₂〕로 환산하여 상기 주성분 100중량%에 대해 3.0~10.0중량% 첨가되는 것을 특징으로 한다.

제2구성특징의 자성재료는 산화마그네슘과 산화실리콘을 탈크로서 동시에 가하는 것이다. 탈크로서 첨가함으로써 소량으로 초투자율의 온도계수를 음으로 하는 온도특성을 얻을 수 있고 또한 항응력 특성이 개선된다. 탈크의 조성비가 3.0중량%보다도 적으면 온도특성의 개선효과를 거의 얻을 수 없다. 한편 탈크의 조성비가 10.0중량%를 넘으면 항응력 특성이 악화된다.

본 발명의 제3 구성특징에 따른 자성재료는 제1 내지 제2 구성특징에서, 50kPa의 압력으로 가압했을 때의 인덕턴스의 변화율이 ±5%이내인 것을 특징으로 한다.

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제3 구성특징의 자성재료는 50kPa의 압력으로 가압했을 때의 인덕턴스의 변화율이 ±5%이내로 함으로써 실용상 충분한 항응력 특성으로 할 수 있다.

본 발명의 제4 구성특징의 인덕터는 제1내지 제3 구성특징의 자성재료로 이루어지는 코어를 갖고 또한 이 코어가 수지몰드되어 있는 것을 특징으로 한다.

이와같이 본 발명의 자성재료로 이루어지는 코어를 수지몰드하는 인덕터에 적용한 경우 인덕턴스에 대해 음의 온도계수를 갖고 항응력 특성이 높아 인덕턴스공차가 작은 수지몰드형 인덕터가 실현가능하다.

본 발명에 의한 자성재료는 상기의 주성분 및 첨가물로 이루어지는 것으로 다음과 같이 제조된다. 주성분의 원료에는 산화철 α- Fe₂O₃, 산화니켈 NiO 및 산화구리 CuO를 이용한다. 첨가물로서 예를든 산화비스무트, 산화마그네슘, 산화실리콘, 산화코발트는 소성에 의해 이들의 산화물이 되는 각종 화합물을 이용할 수 있지만 바람직하게는 산화물, 특히 조성비 산출의 설명에 있어 예를든 상기 각종 산화물을 이용하는 것이 바람직하다. 각 원료는 최종조성으로서 상기한 조성비가 되도록 혼합된다.

이어서 혼합물을 가소성한다. 가소성은 통상은 공기중에서 행하면 좋고 가소성 온도는 800~1100℃, 가소성온도는 1~3시간으로 하는 것이 바람직하다.

다음에 얻어진 가소성물을 볼밀 등에 의해 소정의 입자지름이 될 때 까지 분쇄한다. 가소성물을 분쇄한 후 폴리비닐알콜 등의 적당한 바인더를 적정량 가하여 소정의 형상으로 성형한다.

다음 성형체를 소성한다. 소성은 통상 공기중에서 행하면 좋고 소성온도는 900~1200℃정도로 소성온도는 2~5시간으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 페라이트는 소정 형상의 코어로서 가공되고 필요한 권선이 권회된 후 수지몰드되며, 고정인덕터, 칩인덕터 등으로서 TV, VTR, 휴대전화나 자동차 전화 등의 이동체 통신기기 등의 각종기기에 사용된다. 코어형상은 특별히 한정되지 않지만 예를들면 외경, 길이가 모두 2mm이하(예를들면 1.8mm * 1.5mm)의 드럼형 코어 등을 들 수 있다.

몰드재(피복재)로서 이용되는 수지는 특별히 한정되지 않지만 예를들면 열가 소성 수지, 열경화성 수지로서 구체적으로는 폴리올레핀수지, 폴리아미드수지, 폴리카보네이트수지, 폴리우레탄수지, 페놀수지, 요소수지, 에폭시수지, 폴리에스테르 등을 들 수 있다. 몰드재를 몰드하는 수단으로서는 딥핑, 도포, 분무 등을 이용할 수 있고 또 사출성형, 유입성형 등을 이용해도 좋다.

도 1은 본 발명의 페라이트를 이용한 칩인덕터의 구성예를 도시한 일부투시 사시도이다. 이 예의 칩인덕터는 본 발명의 페라이트를 이용하고, 양단에 지름이 큰 턱부를 갖는 드럼형 코어(1)와, 이 코어(1)의 몸통부에 권회된 권선(2)과, 권선(2)의 단부와 외부전기회로를 접속하며 또한 코어(1)를 수지(몰드재)내에 고정하기 위한 단자전극(3)과, 이들의 외부를 피복하도록 배치된 몰드재(4)를 갖는다.

칩인덕터의 구성으로서는 도시예에 한정되는 것은 아니고 여러가지의 양태를 취할 수 있다. 예를들면 리드선을 코어의 원통축의 중심부로부터 축방향으로 접속하는 구성으로 해도 좋다. 또 상자모양의 수지케이스안에, 코어에 권선, 리드선 등을 배치한 코일소체를 삽입하고 개구부를 몰드재로 밀봉하는 구성으로 해도 좋다.

(실시예)

각 주성분 원료 및 첨가물 원료를 표 1A에 도시한 조성비가 되도록 칭량하고, 볼밀로 5시간 혼합했다. 또한 표 1A에 있어 각 첨가물의 조성비는 주성분 100중량%에 대한 것이다. 샘플 1 ~ 7은 본 발명의 조성범위에 있는 실시예로서 샘플 8~10은 본 발명의 조성범위밖에 있는 비교예이다.

상술과 같이 하여 얻어진 혼합물을 공기중에 있어 900℃에서 2시간 가소성한 후 볼밀로 20시간 혼합, 분쇄했다. 분쇄 후의 혼합물을 건조하여 폴리비닐 알콜을 1.0wt%가한 후 100kPa의 압력으로 가압 성형하여 치수가 50mm X 10mm X 7mm의 각형성형체와, 외경 20mm, 내경 10mm, 높이 5mm의 트로이달모양 성형체를 얻었다. 이들의 성형체를 공기중에 있어서 표 1A에 도시하는 온도로 2시간 소성하여 페라이트로 이루어지는 각형 코어샘플 및 트로이달 코어샘플을 얻었다.

상기 각형 코어샘플의 중앙부에 와이어를 14회 감은 후 이에 일정속도로 일축 압력축을 인가하고, 이 때의 인덕턴스값을 연속적으로 측정하여 얻어진 측정치로부터 인덕턴스 변화율을 산출했다. 표 1B에 50kPa의 일축 압축력을 인가했을 때의 인덕턴스값 변화율 △L/L을 나타낸다. 여기서 L은 가압전의 인덕턴스, △은 가압에 의한 인덕턴스의 변화량 즉 가압시의 인덕턴스로부터 가압전의 인덕턴스를 뺀 값이다.

또한 일축 가압은 아이코 엔지니어링사제품 하중시험기(계측 스탠드 MODEL 1321, 계측앰프 MODEL 1011 CREEP, 로드셀 MODEL 3800)로 행하고, 인덕턴스값의 측정은 HP사제품 프리시젼 LCR메터 4284A로 행했다.

또 트로이달 코어샘플에 와이어를 40회 권회한 후 상기 LCR메터에 의해 인덕턴스값을 측정하고, 100kHz에 있어 초투자율(μi), -20~20℃ 및 20~60℃에 있어 상대온도계수 αμir를 수식 1에 의해 구했다. 단 수식 1에 있어서 T₁, T₂는 각각 투자율을 측정한 저온측, 고온측 온도 , μi₁, μi₂는 각각 온도 T₁, T₂에서의 초투자율이다.

[수식 1]

또 일부의 샘플에 대해서는 와이어를 3회 감고, 200MHz에 있어 Q를 HP사제품 네트워크/스펙트럼 애널라이저 4195A로 측정하여 Q₂₀₀을 구했다. 이들의 결과를 표 1A 표 1B 나타낸다.
여기서, Q는 품질계수 또는 전압 확대율이라고도 불리우고, 다음 식에 의해 구해지는 tanδ의 역수입니다. (tanδ는 손실계수)

여기서 f: 측정주파수, L, R_eff: 각각 코일의 인덕턴스, 실효저항, R_d: 권선의 직류저항.
"OHM"사 발행 (쇼와 39년 1월 10일)
"페라이트와 그 응용"(카라사와 다다요시 저) 25페이지 참조

(표 1A)

(표 1B)

표 1A 및 1B에서 알 수 있는 것과 같이 본 발명의 조성범위에 있는 샘플 1 ~ 7에 있어서는 -20~20℃, 20~60℃의 온도범위에 있어서 인덕턴스의 상대온도계수 αμir은 모두 음이 된다. 또 인덕턴스값 변화율 △L/L은 -5.0이하로서 양호한 항응력 특성을 얻을 수 있었다. 한편 샘플 8의 비교예와 같이 Bi₂O₃, MgO, SiO₂의 조성비가 본 발명의 범위이하이고 또한 CoO가 없는 경우는 인덕턴스의 상대온도계수 αμir는 양이 되고 또한 그 값이 큰 데다가 인덕턴스값 변화율 △L/L도 매우 커지게 되어 항응력 특성이 좋지 않다. 또 CoO이 조성비가 본 발명의 범위이상이 되는 샘플 9,10에 있어서는 인덕턴스의 상대온도계수 αμir는 양이 된다.

상술한 발명과 같이 항응력 특성이 양호하게 되고, 인덕턴스의 압축력에 의한 변화가 적은 것으로 수지몰드에 의한 인덕턴스의 변화가 작아지게 되어 인덕턴스 공차가 작은 인덕터를 얻을 수 있다.

Claims (8)

1. Fe₂O₃ 46.0~51.0mol%, CuO 0.5~15.0mol%, 나머지 NiO로 이루어지는 주성분 100중량%에 대하여,

   첨가물로서 산화비스무트를 Bi₂O₃환산으로 4.0~10.0중량%, 산화마그네슘을 MgO환산으로 1.0~5.0중량%, 산화실리콘을 SiO₂환산으로 2.0~8.0중량%, 산화코발트를 CoO환산으로 0.2~0.5중량% 첨가하여 되고,

   -20~20℃ 및 20~60℃의 온도범위에서의 초투자율의 상대온도계수가 음인 것을 특징으로 하는 자성재료.
2. Fe₂O₃ 46.0~51.0mol%, CuO 0.5~15.0mol%, 나머지 NiO로 이루어지는 주성분 100중량%에 대하여,

   첨가물로서 산화비스무트를 Bi₂O₃환산으로 4.0~10.0중량%, 산화마그네슘 및 산화실리콘을 탈크로 하여 3.0~10.0중량%, 산화코발트를 CoO환산으로 0.2~0.5중량% 첨가하여 되고,

   -20~20℃ 및 20~60℃의 온도범위에서의 초투자율의 상대온도계수가 음인 것을 특징으로 하는 자성재료.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   50kPa의 압력으로 가압했을 때의 인덕턴스의 변화율이 ±5% 이내인 것을 특징으로 하는 자성재료.
4. 제 1항 내지 제 3항의 어느 것인가의 자성재료로 되는 코어를 갖고 또한 이 코어가 수지몰드 되어 있는 것을 특징으로 하는 인덕터.
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