KR100727478B1 - 복합형 자심 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내산화성이 뛰어나며 소형화에도 충분히 대응할 수 있는 복합형 자심 및 그 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 복합형 자심은, 연자성 금속 분말과, 상기 연자성 금속 분말보다 도전성이 낮은 절연성 결착재를 포함하며, 상기 자심에 대해서 10ppm 내지 500ppm의 산화나트륨과 50ppm 내지 3000ppm의 산화붕소를 함유하고, 상기 산화나트륨 및 산화붕소는, 상기 자심의 표면 부근의 내층에 편재한다.

자심, 산화나트륨, 산화붕소, 트랜스, 초크 코일, 필터, 내산화성

Description

복합형 자심 및 그 제조 방법{COMPOSITE-TYPE MAGNETIC CORE AND METHOD OF MANUFACTURING SAME}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합형 자심의 제조 공정의 흐름을 나타낸 플로우 차트이다.

도 2는, 도 1의 제조 공정의 특정한 공정으로 제조되는 대상물의 상태를 모식적으로 나타낸 도면이다. (A)는 연자성 금속 분말과 절연성 결착재가 결합한 복합재 상태를 나타낸 도면이다. (B)는 복합재를 원통형 코어의 형상으로 성형한 성형체(좌측은 "평면도"를, 우측은 "측단면도"를 나타냄.)를 나타낸 도면이다. (C)는 산화붕소 및 산화나트륨을 포함하는 산화막을 가진 복합형 자심을 나타낸 도면이다.

[부호의 설명]

1 연자성 금속 분말 2 절연성 결착재 5 복합형 자심

본 발명은, 연자성 금속 분말과 절연성 결착재를 포함하는 복합형 자심 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근의 전자 기기의 고성능화 및 소형화에 따라, 소형이며 고성능인 트랜스, 초크 코일, 필터 등이 요구되고 있다. 또한, 최근에는 대전류화의 경향도 있다. 현재까지, 비용이 낮은 자성 재료로서, 페라이트가 많이 사용되어 왔지만, 페라이트는 포화 자속 밀도가 낮은 결점이 있어서, 높은 전류에 대응할 수 없다.

한편, 연자성 금속 재료는 페라이트에 비해 포화 자속 밀도가 높고, 높은 전류에 대응할 수 있지만, 전기 저항이 낮고, 와전류 손실이 크며, 철을 주성분으로 하므로 내산화성이 약한 결점이 있다. 이러한 결점을 극복하기 위해서, 연자성 금속 분말을 에폭시 또는 페놀 수지와 같은 절연성 유기 재료로 절연한 복합형 자심이 개발되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).

[특허 문헌 1] 일본 특개 2003-318014(특허 청구의 범위, 요약서 등)

상기 복합형 자심 자체에 높은 내산화성을 부여하기 위하여, 자심을 에폭시 수지 또는 불소계 수지 등으로 수지 코팅하는 방법이 채용되고 있다. 그러나, 수지 코팅의 두께가 충분히 두껍지 않으면, 자심의 내산화성이 충분하지 않다. 한편, 코팅층을 두껍게 하면, 그에 따라 자심이 대형화하므로, 소형화의 요구를 만족시키기 어렵다. 또한, E형 자심을 조합하여 사용하는 경우, E형 자심 상호 간의 접합면에 유기 재료를 피복하면 자기 갭이 커지고, 높은 인덕턴스를 얻지 못하며, 또한 유기 재료의 막 두께가 불균일함에 따라서, 인덕턴스도 불균일해진다. 이러한 문제를 해소하기 위해, 접합면을 마스킹해서 접합면 이외의 부분을 수지 코팅하 는 방법도 있지만, 접합면의 내산화성을 저하시키는 문제가 있다.

이러한 과제를 고려하여, 본 발명은 내산화성이 뛰어나서 소형화 요구에도 충분히 대응할 수 있는 복합형 자심 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 연자성(軟磁性) 금속 분말과, 상기 연자성 금속 분말보다 도전성이 낮은 절연성 결착재를 포함하는 복합형 자심(磁芯)으로서, 상기 자심에 대해서 10ppm 이상, 500ppm 이하의 산화나트륨과 50ppm 이상, 3000ppm 이하의 산화붕소를 함유하고, 상기 산화나트륨 및 산화붕소는, 상기 자심의 표면 부근의 내층에 편재하는 복합형 자심이다. 그러므로, 복합형 자심의 내산화성을 현저하게 향상시킬 수 있다. 게다가, 산화나트륨 및 산화붕소는, 자심의 표면에만 존재하는 것이 아니라, 주로 자심의 표면 부근의 내층에 존재하므로, 자심에 수지를 코팅하는 경우와 비교하여, 자심의 표면 코팅층이 두껍게 되지 않는다. 따라서, 자심의 소형화를 도모할 수 있다.

여기서, 산화나트륨을 10ppm 이상 500ppm 이하로, 또한 산화붕소를 50ppm 이상 3000ppm 이하로 하는 이유는 아래와 같다. 산화나트륨을 1Oppm 미만으로 하고, 산화붕소를 50ppm 미만으로 하면 충분한 내산화성을 얻을 수 없다. 또한, 산화나트륨을 500ppm보다 많이 하고, 산화붕소를 3000ppm보다 많이 하면, 자심의 표면으로부터 산화나트륨 및 산화붕소가 베어나와서 벗겨지기 쉬워지므로, 외관 및 내산화성을 저하시킬 뿐만 아니라, 자기 특성의 열화를 초래하는 요인이 된다.

또한, 본 발명의 또 다른 형태는, 상기 발명에 있어서의 연자성 금속 분말이, 상기 분말에 대해서 500ppm 이하의 탄소를 포함하는 복합형 자심으로 이루어진다. 이와 같이, 탄소의 함유율이 500ppm 이하의 연자성 금속 분말을 사용함으로써, 자심의 내산화성을 더욱 향상시킬 수 있다.

본 발명의 또 다른 형태는, 연자성 금속 분말과, 상기 연자성 금속 분말보다 도전성이 낮은 절연성 결착재를 혼합시킨 혼합물을 성형, 경화시킨 경화물을, 붕소 및 나트륨을 포함하는 무기 화합물 함유 처리액에 접촉시킨 후, 80℃ 이상 250℃ 이하의 온도로 열처리하는 단계를 포함하는 복합형 자심의 제조 방법이다. 이에 따라서, 내산화성이 뛰어나서 소형화에 대응할 수 있는 복합형 자심을 제공할 수 있다. 특히, 경화물을 붕소 및 나트륨을 포함하는 무기 화합물 함유 처리액에 접촉시킴으로써, 용이하게 산화붕소와 산화나트륨을 자심의 표면 부근의 내층에 편재시킬 수 있으므로, 낮은 비용으로 전술한 우수한 특성을 가지는 복합형 자심을 얻을 수 있다.

여기에서, 열처리 온도를 80℃이상 250℃ 이하로 하는 이유는 아래와 같다. 열처리 온도가 80℃보다 낮으면, 산화나트륨 및 산화붕소가 산화 방지 효과를 발휘하기 어렵다. 또한, 열처리 온도가 250℃보다 높으면, 산화나트륨 및 산화붕소의 열팽창율과 연자성 금속 분말의 열팽창율의 차이에 의하여, 산화나트륨 및 산화붕소로 이루어지는 반응물이 자심에서 박리됨으로써 내산화성이 악화된다.

이하, 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

(A) 제조 방법

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합형 자심의 제조 공정의 흐름을 나타낸 플로우 차트이다. 또한, 도 2는, 도 1의 제조 공정의 특정한 공정으로 제조되는 대상물 상태를 모식적으로 나타낸 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 복합형 자심은, 연자성 금속 분말(1)과 상기 연자성 금속 분말(1)보다 도전성이 낮은 절연성 결착재(2)를 결합시키는 원료 결합 공정(스텝 S1), 결합 후의 원료 분말(3)을 성형하는 성형 공정(스텝 S2), 성형체(4)를 경화시키는 경화 공정(스텝 S3), 얻어진 경화물(4)과 나트륨 성분 및 붕소 성분을 접촉시키는 접촉 공정(스텝 S4), 그 후의 가열 공정(스텝 S5)을 거쳐서 제조된다.

(원료 결합 공정: 스텝 S1)

먼저, 연자성 금속 분말(1)을 기체 분사에 의하여 유동시켜서, 그 유동하고 있는 부분에 절연성 결착재(2)를 분무한다. 이렇게 함으로써, 도 2(A)에 나타낸 바와 같이, 연자성 금속 분말(1)의 표면에 절연성 결착재(2)가 부착된다. 연자성 금속 분말(1)의 바람직한 예로서는, Fe-Si-Al 합금, Fe-Al 합금 등의 센더스트(sendust), Fe-Ni 합금으로 대표되는 퍼말로이, Fe-Si 합금의 각 분말을 들 수 있다. 또한, 절연성 결착재(2)의 바람직한 예로서는, 에폭시 수지, 페놀 수지 등의 열경화성 수지를 들 수 있다. 단, 절연성 결착재(2)로서 열경화성 수지 이외의 재료를 사용해도 된다. 예를 들면, 열가소성 수지를 채용하는 것도 가능하다.

(성형 공정: 스텝 S2)

이 공정은, 절연성 결착재(2)가 부착된 연자성 금속 분말(1)을 압축 성형하 는 공정이다. 성형 방법으로는, 금형 성형, 사출 성형 등의 각종 성형법을 채용할 수 있다. 또한, 성형체(4)는 도 2의 (B)에 나타낸 바와 같이, 외경 φ 15mm, 내경 φ 10mm, 높이 3mm의 원통형 코어(트로이드 코어(toroidal coil)로 지칭함)의 형상 이외에도, E 형상으로 하거나, 가운데가 빈 권취된 코일을 복합형 자심의 내부에 일체화시켜 성형한 압분 소자에 적용할 수 있다.

(경화 공정: 스텝 S3)

이어서, 성형체(4)에 열을 가하여 절연성 결착재(2)를 경화시켜서, 연자성 금속 분말(1)을 강하고 부착시킨다. 경화 온도는, 절연성 결착재(2)가 연자성 금속 분말(1)을 제대로 고정시키기에 충분한 온도면 되고, 예를 들면 절연성 결착재(2)로 에폭시 수지를 사용하는 경우에는, 약 150℃가 바람직한 경화 온도이다.

(접촉 공정: 스텝 S4)

이어서, 경화물(4)을, 나트륨 및 붕소를 포함하는 용액을 넣은 용기에 넣어서 용기를 감압한다. 경화물(4)은 나트륨 및 붕소를 포함하는 용액(이하, "무기 화합물 함유 처리액"이라고 칭함.)에 넣을 수 있다. 경화물(4)에는 많은 오픈 포어(open pore)가 존재한다. 그 상태의 경화물(4)을 무기 화합물 함유 처리액에 넣어, 용기를 감압하면, 오픈 포어의 에어가 강제적으로 용액 밖으로 배기되며, 그 포어 내에 무기 화합물 함유 처리액이 들어간다. 나트륨 및 붕소의 함유율이 상이한 무기 화합물 함유 처리액을 준비하고, 각각에 경화물(4)을 넣는다.

(가열 공정: 스텝 S5)

이어서, 경화물(4)을 인출하여, 80∼250℃의 범위의 소정의 온도로 가열한 다. 오픈 포어 내의 무기 화합물 함유 처리액에는 붕소 및 나트륨이 포함되어 있다. 그러므로, 가열에 의해 용매가 휘발하고 붕소 및 나트륨의 각 산화물이 남는다. 이들 산화물은 그 생성 과정에 있어서, 연자성 금속 분말(1)에 우선하여 산화한 것이다. 이렇게 함으로써, 연자성 금속 분말(1) 자체를 산화시키지 않고, 도 2의 (C)에 나타낸 바와 같은 산화붕소 및 산화나트륨으로 이루어진 산화막(6)이 자심에 코팅된 조직을 가진 복합형 자심(5)을 제조할 수 있다. 이 산화막(6)은, 도 2의 (C)의 A 부분의 확대도에 나타낸 바와 같이, 자심의 표면 부근 내층에 편재하는 동시에, 자심의 표면에도 얇게 존재한다. 도 2의 (C)에 있어서 화살표(B)로 나타낸 부분은, 복합형 자심(5)의 표면의 코팅층과 모재의 경계이다. 그러므로, 복합형 자심(5)의 표층과 표면 부근 내층에 편재하는 산화막(6)은, 연자성 금속 분말(1)로 이루어진 모재의 산화 방지 배리어층의 역할을 한다.

(B) 평가방법

(1) 내산화성 시험

얻어진 복합형 자심(5)을, 온도 60℃-습도 95%R.H의 환경의 항온 고습조에 500시간 동안 넣어서 내산화성 시험을 수행하였다. 산화의 정도는, 육안에 의한 관찰로 평가하는 것 이외에, 사진을 찍어서 화상 해석을 통해서 산화된 면적을 정확하게 정량하는 평가 방법도 채용할 수 있다.

(2) 미량 분석

복합형 자심(5) 중의 나트륨 및 붕소의 함유율은 ICP 발광 분석에 따라서 조사하였다.

산화붕소가 50∼3000ppm이며, 또한 산화나트륨이 10∼500ppm 이하인 경우에는, 산화붕소와 산화나트륨의 상승 효과에 의해, 복합형 자심(5)의 내산화성을 충분히 향상시킬 수 있다. 단, 산화붕소 또는 산화나트륨 중 어느 하나만이 상기 각 범위일의 경우에는, 복합형 자심(5)의 약 50%의 면적에서 녹이 확인되어 내산화성이 충분하지 않다.

또한, 산화붕소와 산화나트륨의 양쪽이 상기 범위인 경우, 탄소의 함유율이 500ppm보다 많아도, 복합형 자심(5)의 10% 미만의 면적밖에 녹슬지 않는다. 여기에서는, 복합형 자심(5)의 면적의 10%가 녹슨 상태를 허용 한계로 한다. 따라서, 산화붕소와 산화나트륨의 함유율의 범위가 매우 중요하다고 생각할 수 있다. 그리고, 탄소 함유율이 500ppm 이하의 조건도 만족하는 경우에는 내산화성이 더욱 향상된다.

실시예

실시예 1

(1) 원료

연자성 금속 분말(1) 및 절연성 결착재(2)로서 각각, 3% Si-Fe 합금 분말(Fe 97중량%와 Si 3중량%로 구성되는 합금 분말) 및 에폭시 수지를 사용했다. 3% Si-Fe 합금 분말은 탄소 함유율 140ppm인 것을 사용했다. 에폭시 수지는, 3% Si-Fe 합금 분말과 에폭시 수지의 총중량에 대해서 2중량%의 양으로 사용했다.

(2) 무기 화합물 함유 처리액

붕소 및 나트륨을 포함하는 수용액을 사용하였으며, 상기 수용액으로서 붕소 및 나트륨의 함유율이 상이한 5종류의 무기 화합물 함유 처리액을 사용했다. 각종 무기 화합물 함유 처리액에는, 붕소 및 나트륨의 함유율이 자심 제조 후의 ICP 발광 분석을 통한 산화물 환산으로, 각각 60∼2500ppm 및 20∼400ppm으로 되는 양을 사용했다.

(3) 성형 조건

2중량% 에폭시 수지와 3% Si-Fe 합금 분말의 복합 분말(3)은, 외경 φ 15mm, 내경 φ 1Omm, 높이 3mm의 트로이드 코어의 형상으로 성형되었다. 성형압은 7t/cm²로 했다.

(4) 경화 조건

성형체(4)를 150℃로 경화했다.

(5) 산화붕소 및 산화나트륨의 표면 처리 조건

경화시킨 경화물을 유리 용기 내의 각종 무기 화합물 함유 처리액에 가라앉혀서, 유리 용기의 일단에 접속된 펌프를 구동하여, 해당 처리액의 수면 위쪽의 공간을 감압했다. 일정 시간 후, 자심을 각종 무기 화합물 함유 처리액으로부터 꺼내어서, 탈수한 후, 140℃로 열처리했다.

(6) 평가 조건

상기 조건에서 제조한 각종 복합형 자심(5)을, 온도 60℃-습도 95%의 환경 하에서 500시간 동안 노출시키는 항온 고습 시험을 수행하였다. 그 후, 복합형 자심(5)의 표면의 녹의 상황을 관찰하는 동시에, 산화나트륨 및 산화붕소의 함유율을 ICP 발광 분석을 통하여 조사했다.

비교예 1

무기 화합물 함유 처리액으로서 붕소 및 나트륨의 함유율이, 자심 제조 후의 ICP 발광 분석에 의한 산화물 환산으로, 각각 30ppm 및 8ppm으로 되는 양과, 붕소 및 나트륨의 함유율이, 자심 제작 후의 ICP 발광 분석에 의한 산화물 환산으로, 각각 4000ppm 및 700ppm으로 되는 양을 사용했다. 게다가, 무기 화합물 함유 처리액에 가라앉히지 않고, 성형 후에 경화된 상태인 것도 준비하여 평가했다. 그 이외의 조건, 구체적으로는 원료, 성형 조건, 경화 조건, 산화붕소 및 산화나트륨의 표면 처리 조건 및 평가 조건은 실시예 1과 동일한 조건으로 하였다.

[결과·고찰]

표 1에 실시예 1 및 비교예 1의 평가 결과를 나타내었다.

[표 1]

처리액 No.	탄소 (ppm)	산화붕소 (ppm)	산화나트륨 (ppm)	평가 결과	비고
미처리품	140	0	0	전면에 붉은 녹 발생	비교예 1
1	140	30	8	전면에 붉은 녹 발생	비교예 1
2	140	60	20	약 5%의 면적에 붉은 녹 발생	실시예 1
3	140	200	30	약 5%의 면적에 붉은 녹 발생	실시예 1
4	140	900	150	붉은 녹 발생하지 않음	실시예 1
5	140	2000	300	붉은 녹 발생하지 않음	실시예 1
6	140	2500	400	붉은 녹 발생하지 않음	실시예 1
7	140	4000	700	붉은 녹 발생하지 않음 열처리후의 표면에 휜 석출물 발생	비교예 1

표 1에 나타낸 바와 같이, 무기 화합물 함유 처리액(간단하게, "처리액"으로 지칭함.) No. 2∼6을 사용하여 제조한 각 복합형 자심(5)은, 전체의 약 5% 이하의 면적밖에 녹슬지 않았다. 특히, 처리액 No. 4, No. 5 및 No. 6을 사용하여 제조한 각 복합형 자심(5)에서는 녹이 발생하지 않았다. 한편, 처리액을 사용하지 않은 것("미처리품") 및 처리액 No. 1을 사용하여 제조한 각 복합형 자심(5)은, 자심 전체 면에 녹이 슬었다. 또한, 처리액 No. 7을 사용하여 제조한 복합형 자심(5)에서는, 녹은 발생하지 않았지만, 열처리 후에 자심 표면에 흰 석출물이 발생했다.

상기 결과로부터, 산화붕소 60∼2500ppm, 산화나트륨 20∼400ppm을 모두 상기 범위 내로 함유하는 복합형 자심(5)에서는, 산화붕소 및 산화나트륨이 자심 표면을 만족스럽게 덮어서, 내산화성의 향상에 기여하는 것으로 생각할 수 있다. 한편, 산화붕소 30ppm 이하, 산화나트륨 8ppm 이하로 함유하는 복합형 자심(5)에서는, 산화붕소 및 산화나트륨 함유율이 내산화성의 향상에 충분하지 않은 것으로 생각할 수 있다.

실시예 2

(1) 원료

연자성 금속 분말(1) 및 절연성 결착재(2)로서 각각 3% Si-Fe 합금 분말(Fe 97중량%와 Si 3중량%로 구성되는 합금 분말) 및 에폭시 수지를 사용했다. 3% Si-Fe 합금 분말로서 탄소 함유율이 50∼450ppm의 범위인 6종류의 합금 분말을 사용했다. 에폭시 수지는 3% Si-Fe 합금 분말과 에폭시 수지의 총중량에 대해서 2중량%의 양으로 했다.

(2) 무기 화합물 함유 처리액

붕소 및 나트륨을 포함하는 수용액을 사용했다. 상기 수용액으로서 붕소 및 나트륨의 함유율이 자심 제저 후의 ICP 발광 분석에 의한 산화물 환산으로, 각각 1000ppm 및 200ppm으로 되는 양의 것을 사용했다.

성형 조건, 경화 조건, 산화붕소 및 산화나트륨의 표면 처리 조건, 평가 조건은 실시예 1과 동일한 조건으로 했다.

비교예 2

3% Si-Fe합금 분말로서 탄소 함유율이 720ppm인 합금 분말을 사용했다. 그 이외의 조건은, 실시예 2와 동일한 조건으로 했다.

[결과]

표 2에 실시예 2 및 비교예 2의 평가 결과를 나타내었다.

[표 2]

샘플 No.	산화붕소 (ppm)	산화나트륨 (ppm)	탄소 (ppm)	평가 결과	비고
1	1000	200	50	붉은 녹 발생하지 않음	실시예 2
2	1000	200	80	붉은 녹 발생하지 않음	실시예 2
3	1000	200	140	붉은 녹 발생하지 않음	실시예 2
4	1000	200	220	붉은 녹 발생하지 않음	실시예 2
5	1000	200	310	붉은 녹 발생하지 않음	실시예 2
6	1000	200	450	붉은 녹 발생하지 않음	실시예 2
7	1000	200	720	약 30%의 면적에서 붉은 녹 발생	비교예 2

표 2에 나타낸 바와 같이, 3% Si-Fe 합금 분말(여기에서는, "샘플"이라고 칭함.) No. 1∼6을 사용하여 제조한 각 복합형 자심(5)은 자심 표면에 녹이 슬지 않았다. 한편, 샘플 No. 7을 사용하여 제조한 복합형 자심(5)은 자심의 약 30%에 녹이 슬었다.

본 발명에 의하면, 내산화성이 뛰어나서 소형화 추세에 충분히 대응할 수 있는 복합형 자심을 제공할 수 있다. 본 발명은 트랜스, 초크 코일, 필터 등의 전자 부품의 산업에 이용할 수 있다.

Claims (3)

1. 연자성(軟磁性) 금속 분말과, 상기 연자성 금속 분말보다 도전성이 낮은 절연성 결착재를 포함하는 복합형 자심(磁芯)으로서,

   상기 자심에 대해서 10ppm 내지 500ppm의 산화나트륨과 50ppm 내지 3000ppm의 산화붕소를 함유하고, 상기 산화나트륨 및 산화붕소는, 상기 자심의 표면 부근의 내층에 편재하는 것을 특징으로 하는 복합형 자심.
2. 제1항에 있어서,

   상기 연자성 금속 분말은 상기 분말에 대해서 500ppm 이하의 탄소를 포함하는 것임을 특징으로 하는 복합형 자심.
3. 연자성 금속 분말과, 상기 연자성 금속 분말보다 도전성이 낮은 절연성 결착재를 혼합시킨 혼합물을 성형, 경화시킨 경화물을, 붕소 및 나트륨을 포함하는 무기 화합물 함유 처리액에 접촉시킨 후, 80℃ 내지 250℃의 온도에서 열처리하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합형 자심의 제조 방법.

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