KR100962782B1 - 비자성 나노 알루미나 분말 절연층으로 코팅된 자성분말코어 제조 방법 - Google Patents

비자성 나노 알루미나 분말 절연층으로 코팅된 자성분말코어 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비자성 나노 알루미나 분말 절연층으로 코팅된 자성분말 코어 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 철계 금속 염화물을 금속 Na 또는 CaO와 함께 볼 밀링하여, 미케노케미컬(mechanochemical) 반응에 의해 밀링 중에 금속초미립자+산화물초미립자+NaCl(또는 CaCl2)이 생성되도록 한 후, 상기 NaCl 또는 CaCl2를 물에 녹여 내어 철계 금속 나노 분말이 만들어지도록 한 공정과; 5~20nm 알루미나 분말을 알코올과 에틸렌 글리콜(Ethylene Gltcol:EG)(5:5비율)로 된 용액에 1~10중량% 첨가하고, 스핀 코터를 이용하여 24시간 동안 2000RPM으로 저어주어 잘 혼합된 용액을 만들어주는 공정과; 비활성 기체(아르곤)로 된 챔버 안으로 상기 알루미나 분말이 잘 혼합된 용액을 수평방향으로 스프레이(SPRAY)법으로 분사시키고, 동시에 상기 철계 나노분말을 챔버안으로 나노 알루미나의 분사 방향과 수직방향으로 분사시켜서, 서로간의 터블런트 흐름 형성에 의하여 상기 알루미나 나노 분말이 철계 나노 분말에 코팅되도록 한 공정과; 상기 알루미나 나노 분말이 코팅된 철계 나노 분말로부터 유기물질을 제거시키고자 20℃/sec의 급냉속도로 급냉시켜, 비자성 나노 알루미나 분말 절연층으로 된 철계나노분말로 제조하는 공정과; 상기 알루미나 나노 분말이 코팅된 철계나노분말을 원하는 형상의 금형에 넣은 후, 가압 성형과 열처리를 통해 원하는 형상의 코어로 제조하는 공정; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비자성 나노 알루미나 분말 절연층으로 코팅된 자성분말 코어 제조 방법을 제공한다.
비자성, 나노 알루미나 분말, 절연층, 자성분말 코어, 제조 방법

Description

비자성 나노 알루미나 분말 절연층으로 코팅된 자성분말 코어 제조 방법{Magnetism powder core coating insulation layer of nano alumina powder and method for manufacturing the same}
본 발명은 비자성 나노 알루미나 분말 절연층으로 코팅된 자성분말 코어 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 펜슬형 점화코일 어셈블리 코어용으로 적용할 수 있도록 기존 방향성 규소강판 대신 형상 자유도가 높은 비자성 나노 알루미나 절연층으로 코팅된 자성분말 코어를 제공함으로써, 비자성 나노 알루미나 절연층은 높은 내열성으로 코어 제작 공정 중 높은 열처리를 가능케 하여 와전류 손실없이 원하는 자기특성 향상과 높은 밀도를 향상시킬 수 있고, 나노 두께 코팅을 통해 높은 밀도 구현과 단일 자기쌍극자를 지닌 나노 자성 분말과의 상호 교환 작용으로 높은 자속밀도 구현을 가능케 하는 비자성 나노 알루미나 분말 절연층으로 코팅된 자성분말 코어 제조 방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 기본 연자성 특성을 갖는 재료에는 순철(pure iron), 규 소강판(silicon steel), 스핀넬 소프트 페라이트(spinnel soft ferrite), 펌알로이(permalloy), 센더스트(sendust, Fe-Al-Si alloy)등이 있으며, 최근에는 비정질재료가 기존 시장에 빠른 속도로 파급되고 있다.
비정질 재료는 Fe, Co계 합금들이 대부분을 차지하며, 이 비정질 재료는 우수한 연자기 특성 때문에 펌알로이와 스핀넬 페라이트(spinnel ferrite) 재료의 대체 및 틈새 영역을 차지해가고 있고, Mn-Zn 페라이트 재료는 대표적인 고주파 연자성 소재로 사용되고 있으며, 제품의 형태도 단순한 분말로부터 소결체 및 단결정에 이르기까지 그 용도가 광범위하고 가격도 비교적 저렴한 편이다.
그러나 포화자화(saturation magnetization)가 Bm≤0.3 T 정도로 매우 낮고, 투과율이 낮아서 안정된 고주파 특성에도 불구하고 제품의 크기를 줄일 수 없는 한계가 있다.
비정질 재료는 높은 포화자화 및 투자율을 나타내지만 고주파에서 급격히 투자율이 감소되고 자심손실이 증가하는 문제점을 안고 있으며, 이 때문에 수년 전부터 나노구조 연자성체에 관심이 점차 증가되고 있고, 상용화에 매우 근접한 상태에 있다.
특히, 상기 나노구조 연자성체는 비정질을 능가하는 투자율과 자심손실이 낮은 특성을 갖고 있다.
연자성체는 투자율(μ), 포화자화(Bs), 전기저항(ρ)이 높고, 보자력(Hc)과 자심손실(W)이 낮을수록 바람직하다. 특히, 고주파 영역에서는 투자율과 전기저항이 높아야 한다.
Co계 비정질재료나 나노 결정재료는 1 kHz에서 투자율과 포화자화가 Mn-Zn 페라이트에 비해 높은 수준이다. 이와 같이 나노 구조 연자성체가 우수한 연자기적 특성을 갖고 있지만 더욱 개선되어야 할 성질로 저항이 낮고, 고주파 손실이 비교적 높으며, 기계적으로 취약하다는 점이다.
지금까지의 연구 개발 추세로 볼 때 약 300 kHz 대역 이하에서는 자심 소재(high power harmonic filter, magneticamplifier, SMPS 등)로써 Co계 비정질과 나노구조 연자성체 재료가 사용가능하며, 수 MHz 내지 수십 MHz 전후에서는 나노구조 연자성체가 적용될 것으로 예측된다.
종래에는 수백 kHz부터 약 10 MHz 대역까지는 (MnO, ZnO)Fe2O3 스핀넬소프트 페라이트(spinnel soft ferrite), 그 이상에서는 (NiO, ZnO)Fe2O3 스핀넬 페라이트(spinnel ferrite)가 고주파 자성부품으로 널리 사용되어 왔다.
기존 펜슬형 점화코일에 사용되는 코어는, 첫째 높은 자속밀도와 낮은 철손을 지니고 있는 방향성 규소강판을 적용하거나, 둘째 연자성체와 영구자석의 조합을 통하여 자속밀도가 향상된 코어를 적용하여 왔다.
그러나, 방향성 규소강판은 워낙 가격이 비싸고 타발공정과 적층을 통해 버려지는 규소강판 소재가 많아 자원낭비와 원가상승 요인이 되고 있다.
첨부한 도 4의 모식도에서 설명하고 있는 바와 같이, 상기 규소강판은 2D자속형성 및 적층 구조만 가능하므로, 성형에 자유롭지 못하는 문제점을 가지고 있고, 특히 공극길이가 길어 플럭스가 감소될 수 밖에 없는 구조를 갖는 문제점이 있다.
상기 연자성체와 영구자석 조합은 규소강판의 비싼 원가를 낮추는 방법으로서, 연자성체는 3D 자속밀도 형성이 가능하고, 형상 자유도가 높아 원하는 형상으로 제조가 가능한 장점을 지니고 있다.
그러나, 연자성체의 구조는 철계 자성분말과 그것을 둘러싸고 있는 절연층으로 되어 있는 바, 연자성체의 자속밀도를 결정짓는 핵심요소는 절연층 물질과 방법인데 기존에는 낮은 내열성을 지니고 있는 인산염계로 사용되고 있었으며, 이로 인해 연자성체 코어 제작 중 가압성형 및 열처리 과정 중에 낮은 내열성으로 인해 절연물질의 확산을 통해 악영향을 주는 와전류가 증가되는 등 원하는 열처리 온도를 유지하는데 어려움이 있어 연자성체 코어의 자기특성을 올리는데 한계가 있다.
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 감안하여, 고주파 전자 산업 및 자동차 응용 전자부품에서 요구하는 높은 전기 저항, 높은 투자율, 높은 포화자화 및 낮은 자심손실을 갖는 연자성을 분말로부터 제조하기 위하여 노력한 결과, 나노 알루미나가 고주파 연자성에서 필수적으로 요구되는 전기절연효과를 충분히 제공하여 와전류 손실을 최소화함으로써, 매우 큰 투자율을 갖는 재료가 만들어질 것으로 판단하고 또한 절연층이 지녀야 할 높은 내열성을 지니고 있어 높은 열처리 공정을 통해서도 와전류 손실을 최소화하는 금속/절연체 나노구조를 갖는 연자성을 제조하기에 이르렀다.
따라서 본 발명의 목적은 금속의 고투자율 및 높은 포화자화 특성과 나노알루미나의 높은 저항특성이 복합적 발현되어 내식성과 물리적 특성이 뛰어난 철계 나노분말 코어가 형성되고, 알루미나 절연층으로 상기 코어가 코팅된 것을 특징으로 하는 비자성 나노 알루미나 분말 절연층으로 코팅된 자성분말 코어 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 철계 금속 염화물을 금속 Na 또는 CaO와 함께 볼 밀링하여, 미케노케미컬(mechanochemical) 반응에 의해 밀링 중에 금속초미립자+산화물초미립자+NaCl(또는 CaCl2)이 생성되도록 한 후, 상기 NaCl 또는 CaCl2를 물에 녹여 내어 철계 금속 나노 분말이 만들어지도록 한 공정과; 5~20nm 알루미나 분말을 알코올과 에틸렌 글리콜(Ethylene Gltcol:EG)(5:5비율)로 된 용액에 1~10중량% 첨가하고, 스핀 코터(spincoater)를 이용하여 24시간 동안 2000RPM으로 저어주어 잘 혼합된 용액을 만들어주는 공정과; 비활성 기체(아르곤)로 된 챔버 안으로 상기 알루미나 분말이 잘 혼합된 용액을 수평방향으로 스프레이(SPRAY)법으로 분사시키고, 동시에 상기 철계 나노분말을 챔버안으로 나노 알루미나의 분사 방향과 수직방향으로 분사시켜서, 서로간의 터블런트 흐름 형성에 의하여 상기 알루미나 나노 분말이 철계 나노 분말에 코팅되도록 한 공정과; 상기 알루미나 나노 분말이 코팅된 철계 나노 분말로부터 유기물질을 제거시키고자 20℃/sec의 급냉속도로 급냉시켜, 비자성 나노 알루미나 분말 절연층으로 된 철계나노분말로 제조하는 공정과; 상기 알루미나 나노 분말이 코팅된 철계나노분말을 원하는 형상의 금형에 넣은 후, 가압 성형과 열처리를 통해 원하는 형상의 코어로 제조하는 공정; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비자성 나노 알루미나 분말 절연층으로 코팅된 자성분말 코어 제조 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 코어는 상하에 원판이 배치되고, 이 상하 원판의 중간에는, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 원판의 직경보다 작은 직경의 원통형 바가 일체로 형성된 구조로 제작되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.
나노 두께(20~100nm)의 알루미나 절연층을 분사법을 이용하여 분사시키는 과정을 통해 알루미나 나노 분말이 코팅된 철계나노분말을 제조하고, 이 알루미나 나노 분말이 코팅된 철계나노분말을 원하는 형상의 금형에 넣은 후, 가압 성형과 열처리를 통해 원하는 형상의 코어로 제조할 수 있도록 함으로써, 철계나노분말의 단일 자기쌍극자간의 상호 작용을 통해 높은 자속밀도 구현이 가능하고, 와전류 및 히스테리시스 손실을 억제시킬 수 있어, 자동차 응용 전자부품(특히, 점화코일 코어)에 유용하게 적용할 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 비자성 나노 알루미나 분말 절연층으로 코팅된 자성분말 코어의 모식도이고, 도 2는 본 발명에 따른 비자성 나노 알루미나 분말 절연층으로 코팅된 자성분말 코어 제조 방법을 설명하는 흐름도이다.
본 발명은 연자성(철계) 나노분말과 여기에 비자성 나노 알루미나 분말을 절연층으로 코팅한 연자성체 코어를 제공하고자 한 것으로서, 연자성 나노분말과 나노 알루미나 분말을 가압 성형하고 열처리하여 만든 비자성 나노 알루미나 분말 절연층으로 코팅된 자성분말 코어 제조 방법을 제공하고자 한 것이다.
상기 연자성 나노입자는 철, 코발트 또는 니켈, 또는 그 혼합물로부터 선택되며, 연자성 나노입자를 제조하는 방법은 철계 금속 염화물을 금속 Na 또는 CaO와 함께 볼밀링하면 미케노케미컬(mechanochemical) 반응에 의해 밀링 중에 금속초미립자+산화물초미립자+NaCl(또는 CaCl2)이 생성되고, NaCl 또는 CaCl2를 물에 녹여 내면, 철계 금속 나노 분말이 만들어진다.
여기서, 알루미나 나노 분말 즉, 나노 알루미나 분말을 코팅하는 공정을 설명하면 다음과 같다.
5~20nm 알루미나 분말을 알코올과 에틸렌 글리콜(5:5비율)로 된 용액에 1~10중량% 첨가하고, 하이드로카본(hydrocarbons), 퍼플루오로-폴리에테르(perfluoro-polyethers) 용액과 계면활성제(alkyl ether sulfate)를 첨가한 후, 스핀 코터를 이용하여 24시간 동안 2000RPM으로 저어주어 잘 혼합된 용액이 되도록 한다.
이어서, 비활성 기체(아르곤)로 된 챔버 안으로 상기 알루미나 분말이 잘 혼합된 용액을 수평방향으로 스프레이(SPRAY)법으로 분사시키고, 그와 함께 상기와 같이 구비된 철계 나노분말을 챔버안으로 나노 알루미나의 분사 방향과 수직방향으로 분사시켜서, 결과적으로 알루미나 용액과 철계 나노분말이 터블런트 흐름을 형성하며 혼합시켜, 알루미나 나노 분말이 철계 나노 분말에 코팅되게 한다.
이때, 상기 알루미나 용액과 철계 나노분말의 혼합 시간, 분사압력 및 분사량은, 알루미나의 입자 크기 즉, 20~100nm수준에 따라 조절하며, 바람직하게는 3시간 혼합, 분사압력은 1000BAR로 정하여 실시한다.
다음으로, 500~700℃의 아르곤 분위기인 상기 챔버의 배출 밸브로부터 빠져 나온 철계 나노 분말, 즉 알루미나 나노 분말이 코팅된 철계 나노 분말로부터 유기물질인 하이드로카본(hydrocarbons), 퍼플루오로-폴리에테르(perfluoro-polyethers) 용액과 계면활성제(alkyl ether sulfate)를 제거시키고자 20℃/sec의 급냉속도로 급냉시켜 비자성 나노 알루미나 분말 절연층으로 된 철계나노분말을 제조한다.
이에, 상기와 같이 알루미나 나노 분말이 코팅된 철계나노분말을 원하는 형상의 금형에 넣은 후, 가압 성형과 높은 열처리를 통해 고자속 밀도와 고투자율, 그리고 저와전류를 가지는 코어로 제조하게 되는데, 바람직한 형상은 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이 원판이 상하에 위치하는 동시에 그 중간에는 원통형 바가 위치된 형상으로 제작된다.
참고로, 규소 강판으로는 그 재질 특성상 상하에 원판, 그리고 그 중간에 원통형 바가 일체로 된 형상을 만들 수 없다.
첨부한 도 4는 기존의 규소 강판으로 만들어진 코어로서, 여러개가 적층되어 원통형 코어를 이루고 있는 바, 이 기존의 코어는 극간의 길이 즉, 공극이 커서 극으로 가는 플럭스량이 감소할 수 밖에 없고, 다시 말해서 코어에서 발생하는 플럭스량은 극에서 극으로 이동하는 바, 그 공극이 길기 때문에 플럭스량이 감소(도 1의 작은 화살표는 본 발명의 코어에 비하여 플러스량이 감소되는 것을 지시함)할 수 밖에 없는 단점이 있다.
반면에, 본 발명의 코어는 첨부한 도 3에 도시된 바와 같이, 비자성 알루미나 절연층으로 코팅된 나노분말 자성체를 이용하여 상하에 원판, 그리고 그 중간에 원통형바가 일체로 된 구조로 제작되어 극에서 극으로 가는 공극이 기존의 규소 강판 코어에 비하여 짧게 구현할 수 있어 플럭스량 감소를 방지할 수 있고, 결국 높은 자속밀도 및 저와전류를 지닌 코어 형상을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 비자성 나노 알루미나 분말 절연층으로 코팅된 자성분말 코어의 모식도,
도 2는 본 발명에 따른 비자성 나노 알루미나 분말 절연층으로 코팅된 자성분말 코어 제조 방법을 설명하는 흐름도,
도 3은 본 발명에 따른 비자성 나노 알루미나 분말 절연층으로 코팅된 자성분말로 제조되는 점화코일용 코어를 설명하는 개략도.
도 4는 기존의 규소 강판으로 만들어진 점화코일용 코어를 설명하는 개략도.

Claims (2)

  1. 철계 금속 염화물을 금속 Na 또는 CaO와 함께 볼 밀링하여, 미케노케미컬(mechanochemical) 반응에 의해 밀링 중에 금속초미립자+산화물초미립자+NaCl(또는 CaCl2)이 생성되도록 한 후, 상기 NaCl 또는 CaCl2를 물에 녹여 내어 철계 금속 나노 분말이 만들어지도록 한 공정과;
    5~20nm 알루미나 분말을 알코올과 에틸렌 글리콜(5:5비율)로 된 용액에 1~10중량% 첨가하고, 스핀 코터를 이용하여 24시간 동안 2000RPM으로 저어주어 혼합된 용액을 만들어주는 공정과;
    비활성 기체로 된 챔버 안으로 상기 알루미나 분말이 혼합된 용액을 수평방향으로 스프레이(SPRAY)법으로 분사시키고, 동시에 상기 철계 나노분말을 챔버안으로 나노 알루미나의 분사 방향과 수직방향으로 분사시켜서, 서로간의 터블런트 흐름 형성에 의하여 상기 알루미나 나노 분말이 철계 나노 분말에 코팅되도록 한 공정과;
    상기 알루미나 나노 분말이 코팅된 철계 나노 분말로부터 유기물질을 제거시키고자 20℃/sec의 급냉속도로 급냉시켜, 비자성 나노 알루미나 분말 절연층으로 된 철계나노분말로 제조하는 공정과;
    상기 알루미나 나노 분말이 코팅된 철계나노분말을 원하는 형상의 금형에 넣은 후, 가압 성형과 열처리를 통해 원하는 형상의 코어로 제조하는 공정;
    을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비자성 나노 알루미나 분말 절연층으로 코팅된 자성분말 코어 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 코어는 비자성 알루미나 절연층으로 코팅된 나노분말 자성체를 이용하여 상하에 원판, 그리고 상기 원판의 중간에 원통형 바가 일체로 된 구조로 제작되는 것을 특징으로 하는 비자성 나노 알루미나 분말 절연층으로 코팅된 자성분말 코어 제조 방법.
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