KR100593676B1 - 극세선을 이용한 인덕터 코아 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전자기제품에 필수 부품으로 사용되는 인덕터(inductor)의 제조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 극세선의 철(Fe) 또는 철-닉켈(Ni) 합금선을 사용하여 저항이 크고 투자율이 큰 인덕터제조에 관한 발명이다.
상세하게는 기존의 메탈 파우더를 사용하여 제조하던 인덕터 코아(core), 또는 판재를 적층한 후 가공하여 토로이드형(toroid)으로 제조하는 코아, 또는 비정질의 얇은 스트립(strip)을 사용하여 제조된 토로이드형 코아를 대신할 수 있는 철 또는 퍼멀로이 조성(Fe-Ni 합금)의 선재(wire)를 가공, 성형하여 직경 10~100 마이크론의 극세선으로 제조한 후 간단히 권선처리(coiling)에 의해 토로이드형의 코아를 제작하여 고주파용 인덕터를 사용하는 기술에 관한 것이다.
전자기 제품, 인덕터, 토로이드형 코아, 극세선 와이어, 철-니켈 합금 조성
Description
도1은 퍼멀로이 또는 철 극세선을 사용한 인덕터 코아의 사시도,
도2는 극세선을 사용한 인덕터 코아의 단면도이다.
본 발명은 전자기제품에 필수 부품으로 사용되는 인덕터(inductor)의 제조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 극세선의 철(Fe) 또는 철-닉켈(Ni) 합금선을 사용하여 저항이 크고 투자율이 큰 인덕터 제조에 관한 발명이다.
상세하게는 기존의 메탈 파우더를 사용하여 제조하던 인덕터 코아(core), 또는 판재를 적층한 후 가공하여 토로이드형(toroid)으로 제조하는 코아, 또는 비정질의 얇은 스트립(strip)을 사용하여 제조된 토로이드형 코아를 대신할 수 있는 철 또는 퍼멀로이 조성(Fe-Ni 합금)의 선재(wire)를 가공, 성형하여 직경 10~100 마이크론의 극세선으로 제조한 후 간단히 권선처리(coiling)에 의해 토로이드형의 코아를 제작하여 고주파용 인덕터를 사용하는 기술에 관한 것이다.
인덕터(inductor)는 도선을 감는 코일로서, 전류의 변화에 따른 자기장(magnetic field)에 의한 노이즈(noise)를 제거하는데 쓰이고, 저항, 콘덴서(condenser)와 같이 가장 기본적인 회로부품이며, 회로 소자이다.
종래 각종 전지전자 부품에 사용되는 Inductor는 수 100 마이크로미터 입도의 연자성 금속분말(Fe), Fe-Ni(퍼멀로이), Fe-Al-Mo-Si(샌더스트)을 사용하여 토로이드(toroid)형의 형상을 프레스성형으로 제조하거나, 고급형으로 전량 수입된 비정질 리본을 틀(bobbin)에 감아 사용하며, 보급형으로 마이크로미터 결정입도의 산화철(ferrite)을 소결 성형하여 토로이드(ring)형상으로 만드는 고주파용 인덕터 등이 있다.
전기제품의 인덕터는 요구조건이 (1) 저 철손(Low core loss), (2) 고 투자율(high permeability), (3) 저렴한 가격 등이 우선조건으로 취급되는데, 상기 (1) 및 (2)의 조건을 만족하려면 와류(eddy current)발생이 될수록 작아야 하고, 이를 위해서는 인덕터 자성체 내의 저항이 커야 한다.
전술한 조건을 최대한 만족하는 방법으로 분말을 사용하여 와류를 적게 하는 방법을 택하고 있으나, 분말의 제조비용이 높고, 분말을 성형하고 열처리하는 공정에 따라 생산비가 증가하는 문제가 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위한 방안으로 초 극세선의 자성체를 제조하여 용이하게 권선(winding) 작업에 의한 인덕터를 제조함으로써 생산비가 저렴하고, 초 극세선에 의한 저항이 커서 인덕터 전체의 와류손실에 의한 철손(core loss)의 절대적인 감소를 유발하여 초특성의 인덕터 제품을 생산할 수 있고, 특히 나노 크기의 결정입자를 원료로 할 경우 최대의 저항치를 유발하여 예상치 못하는 초특성을 갖는 인덕터 코아 및 그 제조방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 직경이 0.01~0.10mm 이고, 미세구조가 100~500 나노미터의 결정입자로 된 Fe-Ni계 퍼멀로이 합금의 극세선을 권선하여서 된 인덕터 코아를 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 극세선의 Fe-Ni계 퍼멀로이 합금을 특정 형상의 토로이드로 권선하여 인덕터 코아를 제조하는 단계와, 상기 인덕터 코아를 950~1050℃의 온도에서 1~2시간 소둔하는 단계와, 상기 소둔된 인덕터 코아를 시간당 100℃로 로냉하여 600℃에서 1시간 머물다가 공냉처리하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 인덕터 코아의 제조방법을 특징으로 한다.
이하 발명의 구성을 도면을 사용하여 상세히 설명한다.
도면 1은 퍼멀로이(Permalloy) 또는 철(Fe)의 극세선(10)을 사용하여 감은 인덕터 코아(core)의 형상(11)을 보여준다.
이렇게 제조된 코아에 1차 및 2차 전도선 코일(coil)을 감아 인덕터로서 사용하게 된다.
이때 사용하는 퍼멀로이 또는 철 극세선의 직경은 작을수록 극세선간의 전기저항이 커져 각 세선의 표면에 발생하는 와류전류(eddy current)의 발생이 극소화되어 전체적으로 코아(11) 자체의 전기 및 열손실(core loss)이 최소화된다. 따라서 인덕터로서의 기능이 향상하게 된다.
이렇게 제조된 코아에 1차 및 2차 전도선 코일(coil)을 감아 인덕터로서 사용하게 된다.
이때 사용하는 퍼멀로이 또는 철 극세선의 직경은 작을수록 극세선간의 전기저항이 커져 각 세선의 표면에 발생하는 와류전류(eddy current)의 발생이 극소화되어 전체적으로 코아(11) 자체의 전기 및 열손실(core loss)이 최소화된다. 따라서 인덕터로서의 기능이 향상하게 된다.
이러한 현상을 유발할 수 있는 근거를 도면 2에 코아의 단면적(20)을 통해 설명한다.
단면적에 극세선 퍼멀로이 또는 철 세선의 단면(22)이 보이는데, 각 세선의 표면을 따라 와류전류(21)가 발생하며 이 와류전류(21)는 각 세선의 영역에 국한하게 되어 극세선의 표면을 따라 발생하므로 세선의 직경이 작고 그 갯수(number of turning)가 많을수록 코아 전체의 저항이 커서 인덕터로서의 기능이 향상된다.
따라서 직경이 0.01~0.10mm 이고, 미세구조가 100~500 나노미터의 결정입자인 극세선이 유리하다.
물론, 사용된 퍼멀로이 또는 철 극세선의 조성과 열처리 조건에 따라 조립된 인덕터 코아의 고주파 특성은 다르겠으나, 기본적으로 극세선을 사용한 인덕터 코아의 장점은 전술한대로 (1) 각 세선에 인한 코아 전체의 저항증가, (2) 와전류의 극소화, (3) 조립공정의 단순화에 따른 제조비용 절감, (4) 극세선의 직경과 열처리 조건에 따라 코아의 고주파특성 극대화, 등의 잇점을 살릴 수 있다.
단면적에 극세선 퍼멀로이 또는 철 세선의 단면(22)이 보이는데, 각 세선의 표면을 따라 와류전류(21)가 발생하며 이 와류전류(21)는 각 세선의 영역에 국한하게 되어 극세선의 표면을 따라 발생하므로 세선의 직경이 작고 그 갯수(number of turning)가 많을수록 코아 전체의 저항이 커서 인덕터로서의 기능이 향상된다.
따라서 직경이 0.01~0.10mm 이고, 미세구조가 100~500 나노미터의 결정입자인 극세선이 유리하다.
물론, 사용된 퍼멀로이 또는 철 극세선의 조성과 열처리 조건에 따라 조립된 인덕터 코아의 고주파 특성은 다르겠으나, 기본적으로 극세선을 사용한 인덕터 코아의 장점은 전술한대로 (1) 각 세선에 인한 코아 전체의 저항증가, (2) 와전류의 극소화, (3) 조립공정의 단순화에 따른 제조비용 절감, (4) 극세선의 직경과 열처리 조건에 따라 코아의 고주파특성 극대화, 등의 잇점을 살릴 수 있다.
이하 실시 예를 통해 더욱 상세히 설명한다.
[실시 예 1]
Fe 15 wt.%-Ni 80 wt.%-Mo5 wt.% 조성의 퍼멀로이 극세선을 직경 0.1 mm로 신선 가공하여 1100 ℃ 에서 환원 분위기중 소둔 처리한 후 인덕터 코아에 적용하였다. 인덕터 코아의 형상은 외경 16.6 mmØ, 내경 8.5 mm Ø, 높이(두께) 9 mm Ø로서 그 무게는 8.5g 이다. 분석을 정확히 하기 위해 퍼멀로이 극세선을 사용한 인덕터 코아의 열처리 전과 참고치로 수입제 비정질 리본을 사용하여 동일한 형상의 인덕터 코아를 제조한 후 비교하여 표 1에 분석하였다.
표 1-1 퍼멀로이(발명재) 극세선을 사용한 인덕터 코아의 고주파 특성
| Frequency (f[kHz]) | 5 | 10 | 20 | 50 |
| Saturation flux density (Bs[T]) | 0.3 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| Residual magnetic flux density (Br[T]) | 0.0259 | 0.0714 | 0.0746 | 0.0808 |
| Corecive force (Hc[A/m]) | 61.19 | 43.0 | 52.06 | 70.35 |
| Core Loss (P[W/kg]) | 42.78 | 16.55 | 41.16 | 144.9 |
| Average permeability(μ) | 3328 | 1605 | 1348 | 1006 |
표1-2 비정질 리본(수입 비교재)을 사용한 인덕터 코아의 고주파 특성
| Frequency (f[kH]) | 5 | 10 | 20 | 50 |
| Saturation flux density (Bs[T]) | 0.3 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| Residual magnetic flux density (Br[T]) | 0.2873 | 0.086 | 0.087 | 0.085 |
| Corecive force (Hc[A/m]) | 47.33 | 31.8 | 47.46 | 78.67 |
| Core Loss (P[W/kg]) | 27.8 | 13.4 | 40.01 | 164.4 |
| Average Permeability(μ) | 5556 | 2191 | 1458 | 865.1 |
[실시 예 2]
다음에는 [실시 예 1]과 동일한 공정으로 인덕터 코아를 제작한 후, 2 단 열처리를 수소 또는 진공분위기에서 실시하였다. 즉, 1000 ℃에서 1 시간 소둔(annealing) 한 후 시간당 100 ℃로 로냉(furnace cooling)하여 600 ℃에서 1 시간 머물다가 공기중에서 냉각처리 한 후 동일한 조건으로 고주파특성을 평가하였다. 그 결과를 아래 표 2 에 정리하였다. 물론 수입재 비정질 리본을 최적 열처리를 통해 실시한 후 고주파특성을 동시에 평가하고 그 결과를 비교하였다(표 2-2). 이때 실시한 비정질의 열처리는 알곤 가스(Ar) 분위기에서 435 ℃/2 hr 조건으로 실시하여 최적의 특성을 얻은 후 비교 평가하였다.
표 2-1 퍼멀로이(발명재) 극세선을 사용한 인덕터 코아의 열처리 후 고주파 특성
| Frequency (f[kHz]) | 5 | 10 | 20 | 50 |
| Saturation flux density (Bs[T]) | 0.3 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| Residual magnetic flux density (Br[T]) | 0.0259 | 0.0714 | 0.0746 | 0.0808 |
| Corecive force (Hc[A/m]) | 11.0 | 13.0 | 22.0 | 30.0 |
| Core Loss (P[W/kg]) | 42.0 | 86.0 | 111.0 | 140.0 |
| Average permeability (μ) | 3500 | 3300 | 3400 | 2500 |
표 2-2 비정질 리본(수입 비교재)을 사용한 인덕터 코아의 열처리 후 고주파 특성
| Frequency (f[kA]) | 5 | 10 | 20 | 50 |
| Saturation flux density (Br[T]) | 0.3 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| Residual magnetic flux density (Br[T]) | 0.0351 | 0.0124 | 0.0197 | 0.0352 |
| Coercive force (Hc[A/m]) | 6.0904 | 2.5111 | 4.1435 | 8.3629 |
| Core Loss (P[W/kg]) | 4.116 | 1.136 | 3.726 | 18.38 |
| Average Permeability (μ) | 4695 | 3933 | 3814 | 3437 |
상기의 결과를 분석할 때, 발명재 퍼멀로이를 사용한 인덕터 코아의 고주파 특성은 기존의 인덕터 소재로서는 최고의 특성을 보이는 철계(Fe bsae) 비정질 리본을 사용한 것과 거의 유사한 고주파특성을 보이고 있다.
따라서 제조원가와 고주파특성을 동시에 고려할 때는 발명재 극세선 인덕터 코아의 장점이 뚜렷함을 알 수 있다.
따라서 제조원가와 고주파특성을 동시에 고려할 때는 발명재 극세선 인덕터 코아의 장점이 뚜렷함을 알 수 있다.
다만, 수입재 비정질 코아를 최적 열처리를 실한 후 발명재 퍼멀로이 극세선 코아와 비교하면 극세선을 사용한 고주파 특성이 열세로 보인다. 이것은 근본적으로 비정질 소재가 현재로서는 최고의 고주파 특성을 보유한 재료이므로 어쩔 수 없는 결과이며, 그러나 발명재 퍼멀로이 극세선의 열처리 조건을 최적화 한다면 앞으로 향상될 기회는 많이 있다고 볼 수 있다.
기존의 메탈 파우더(metal powder)를 사용한 인덕터 코아는 파우더 제조 →열처리 →코팅 →프레스 성형의 공정을 거치며 생산 비용를 증가시키는 요인이었고, 비정질 리본을 사용한 고급형 인덕터 코아는 리본의 급냉 제조 →절단가공 →토로이드 권선 →열처리 등을 거치면서 까다로운 열처리 및 가공에 의한 생산비용의 상승을 피할 수 없는는데 반하여,
본 발명의 극세선을 이용한 인덕터 코아는 자동화 인발(drawing)공정에 의한 극세선의 대량생산 가능 →초미세 직경의 극세화 가능 → 용이한 권선공정 →대량열처리 가능 → 생산비 절감 등의 효과를 기대할 수 있다.
또한, Fe-Ni 퍼멀로이 계통의 모든 조성에 대해 극세선화가 가능하여 고주파 영역의 활용범위가 넓어 활용부품의 선택성이 좋아 생산가의 조절이 용이하고,
최적의 열처리 조건을 확립하면 기존 고주파 특성이 가장 좋은 철계 비정질 코아의 특성에 육박하는 최적의 고주파특성을 얻을 수 있는 장점을 보유한다.
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- 극세선의 Fe-Ni계 퍼멀로이 합금을 특정 형상의 토로이드로 권선하여 인덕터 코아를 제조하는 단계와,상기 인덕터 코아를 950~1050℃의 온도에서 1~2시간 소둔하는 단계와,상기 소둔된 인덕터 코아를 시간당 100℃로 로냉하여 600℃에서 1시간 머물다가 공냉처리하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 인덕터 코아의 제조방법.
- 제4항에 있어서,상기 소둔단계는 수소 또는 진공분위기에서 실시하는 것을 특징으로 하는 인덕터 코아의 제조방법.
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