KR101053431B1

KR101053431B1 - ＭｎＺｎＬｉ계 페라이트

Info

Publication number: KR101053431B1
Application number: KR1020090089864A
Authority: KR
Inventors: 이사오 나카하타; 자오롱 리; 도모후미 구로다; 쉥레이 체; 겐타로 모리; 다쿠야 아오키
Original assignee: 티디케이가부시기가이샤
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2009-09-23
Publication date: 2011-08-03
Also published as: KR20100035113A; TW201022177A; JP2010076962A; CN101684044A; JP4623183B2; TWI393692B; CN101684044B

Abstract

고포화 자속 밀도 특성, 자기 손실(코어 로스)값의 온도 의존성을 저감하는 특성이 뛰어나고, 또한, 항절 강도의 향상을 도모할 수 있고, 제품 수율의 향상을 더욱 도모할 수 있으며, 또한 코어의 내열 충격성이 뛰어난 새로운 MnZnLi계 페라이트를 제공한다. 주성분으로서, 산화철을 Fe₂0₃ 환산으로 54.0 내지 58.0몰%, 산화아연을 ZnO 환산으로 3.0 내지 1O.0몰%, 산화리튬을 LiO_0.5 환산으로 0.3 내지 1.5몰%, 산화망간을 잔부(殘部)(MnO 환산) 함유하고, 주성분에 대하여, 부성분으로서 Co를 CoO 환산으로 500 내지 2000중량ppm 함유하는 MnZnLi계 페라이트.

포화 자속 밀도, 자기 손실, MnZnLi계 페라이트, 정현파 교류 자계, 트랜스용 철심

Description

ＭｎＺｎＬｉ계 페라이트{MnZnLi Ferrite}

본 발명은 MnZnLi계 페라이트에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 스위칭 전원 등의 전원 트랜스 등의 철심에 사용할 수 있는 MnZnLi계 페라이트이며, 특히, 넓은 온도대역에 있어서 자기 손실(코어 로스)이 작고, 또한, 소결체 강도, 특히 항절 강도(굴곡 강도)의 향상이 도모되는 MnZnLi계 페라이트에 관한 것이다.

최근, 전자기기의 소형화, 고출력화가 급속하게 진행되고 있다. 이에 따른 각종 부품의 고집적화, 고속처리화가 진행되고, 전력을 공급하는 전원 라인의 대전류화가 요구되고 있다. 트랜스, 초크 코일과 같은 부품에 대해서도 다전력에서의 구동이 요구되고 있고, 또한 자동차 등의 사용 환경의 고온화나, 구동시의 발열에 의한 온도 상승 때문에, 100℃ 부근에서의 안정 구동이 요구되고 있다.

대전류 구동에 대응하기 위해서, 페라이트 철심에 대해서는 고온, 예를 들면 100℃ 이상에서의 온도영역에서의 고포화 자속 밀도가 요구되고 있다. 또, 자기적 안정성이 뛰어나, 고신뢰성을 담보하기 위해서, 100℃ 부근에서의 자기 손실(코어 로스)값을 작게 할 수 있고, 게다가 100℃ 부근에서의 자기 손실(코어 로스)값의 온도 의존성을 작게 할 수 있으며, 게다가, 고온 저장성이 우수한 페라이트의 제안 이 기대되고 있다.

또한 페라이트 철심의 소형·초박형화에 대한 대응으로 고항절 강도화가 요구되고 있다. 그렇지만 트랜스에 주로 사용할 수 있는 MnZn 페라이트는 항절 강도가 낮다는 문제가 있다. 또한 트랜스를 리플로에 침지해 납땜을 행하는 공정이 있는 경우에는 코어의 내열 충격성이 요구된다.

본원과 관련된다고 생각되는 선행 기술로서 이하의 문헌이 있다.

특허 제3487243호에는 포화 자속 밀도가 높고 또한 철심 손실이 최소가 되는 온도를 실용적인 온도로 용이하게 하는 것을 목적으로 하여, 부성분으로서 Li, Ca, Si를 필수 성분으로서 첨가한 MnZn계 페라이트의 개시가 되어 있다.

공개특허공보 특개2007-238429호에는 100℃에서 더욱 높은 포화 자속 밀도를 갖고, 또한 100℃에서의 코어 손실이 낮은 페라이트 재료를 제공하는 것을 목적으로 하여, 부성분으로서 Li를 첨가한 MnZn 페라이트의 개시가 되어 있다.

특허 제3924272호에는 고온도 대역에 있어서 코어 로스가 작아지고, 또한 고온도의 저장하에 두어도 코어 로스의 열화가 적은 페라이트 재료를 제공하는 것을 목적으로 하여, 부성분으로서 Co를 첨가한 MnZn계 페라이트의 개시가 되어 있다.

특허공보4-3089호에는 리튬-아연-망간 페라이트가 Co를 함유하여 이루어지는 페라이트 재료의 개시가 되어 있다. 그렇지만, 리튬 함유량은 아연, 망간의 각각의 함유량보다도 많아, 본원발명의 범위와는 전혀 다르다. 또, 이 선행 기술에서의 Fe₂0₃량은 화학량론 조성보다도 적다.

상기한 고포화 자속 밀도 특성, 자기 손실(코어 로스)값의 온도 의존성을 저감하는 특성 등의 요구에 끝이 없어, 새로운 특성 향상이 도모되는 MnZnLi계 페라이트의 제안이 요구되고 있다.

또한, 상기한 각 선행 기술은 높은 포화 자속 밀도, 100℃ 근방에서의 코어 손실의 저하, 및 고온 저장하에서의 코어 로스의 열화 등의 효과에 주목하여 조성 배합된 것이며, 특히 항절 강도의 향상을 목적으로 하여 조성 배합된 것은 아니다. 따라서, 종래의 MnZnLi계 페라이트 제품에서의 항절 강도는 결코 충분한 것이라고는 할 수 없고, 예를 들면, 트랜스용 철심의 제조과정 및 트랜스 조립 공정에서의 붕괴, 결손 등의 발생을 지극히 유효하게 방지하고, 제품 수율의 향상을 더욱 도모할 수 있으며, 또한 코어의 내열 충격성이 뛰어난 새로운 MnZnLi계 페라이트의 제안이 요구되고 있다.

본 발명은 이러한 실상을 감안하여 창안된 것이며, 그 목적은 고포화 자속 밀도 특성, 자기 손실(코어 로스)값의 온도 의존성을 저감하는 특성이 뛰어나고, 또한, 항절 강도의 향상을 도모할 수 있고 제품 수율의 향상을 도모할 수 있으며, 또한 코어의 내열 충격성이 뛰어난 새로운 MnZnLi계 페라이트를 제공하는 것이다.

이러한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 MnZnLi계 페라이트는 주성분으로서, 산화철을 Fe₂0₃ 환산으로 54.0 내지 58.0몰%, 산화아연을 ZnO 환산으로 3.0 내지 10.0몰%, 산화리튬을 LiO_0.5 환산으로 0.3 내지 1.5몰%, 산화망간을 잔부(殘部)(MnO 환산) 함유하고, 상기 주성분에 대하여, 부성분으로서 Co를 CoO 환산으로 500 내지 2000중량ppm 함유하도록 구성된다.

또한, 본 발명의 MnZnLi계 페라이트의 바람직한 형태로서, 100kHz, 200mT의 정현파 교류 자계를 MnZnLi계 페라이트에 인가하고, 측정 온도를 여러가지로 바꾸어 얻어진 자기 손실(코어 로스) Pcv의 값을, 측정 온도와의 관계로 나타낸 그래프에 있어서, 그래프의 최하점에 상당하는 보텀 온도 Tb에서의 자기 손실(코어 로스)의 값을 Pcv_b, 보텀 온도 Tb로부터 20℃ 높은 온도(Tb+20℃)에서의 자기 손실(코어 로스)의 값 Pcv_b ₊ ₂₀로 한 경우, 이 20℃ 사이에서의 자기 손실 변화율의 값 δ2=〔(PCV_b ₊₂₀-PCV_b)/PCV_b×100〕이 15% 이하이도록 구성된다.

또한, 본 발명의 MnZnLi계 페라이트의 바람직한 형태로서, 100℃에서의 포화 자속 밀도 Bs가 430mT 이상이도록 구성된다.

또한, 본 발명의 MnZnLi계 페라이트의 바람직한 형태로서, 보텀 온도 Tb가 70℃ 이상이도록 구성된다.

본 발명의 트랜스용 철심은 상기 MnZnLi계 페라이트로 구성된다.

본 발명의 트랜스는 상기 트랜스용 철심을 사용하여 구성된다.

본 발명에 따른 MnZnLi계 페라이트는 주성분으로서, 산화철을 Fe₂0₃ 환산으로 54.0 내지 58.0몰%, 산화아연을 ZnO 환산으로 3.0 내지 10.0몰%, 산화리튬을 LiO₀ _.5 환산으로 O.3 내지 1.5몰%, 산화망간을 잔부(Mn0 환산) 함유하고, 상기 주성분에 대하여, 부성분으로서 Co를 CoO 환산으로 500 내지 2000중량ppm 함유하도록 구성되어 있기 때문에, 고포화 자속 밀도 특성, 자기 손실(코어 로스)값의 온도 의존성을 저감하는 특성이 뛰어나고, 또한, 항절 강도의 향상을 도모할 수 있고, 제품 수율의 향상을 더욱 도모할 수 있으며, 또한 코어의 내열 충격성이 우수하다는 효과가 발현된다.

이하, 본 발명의 MnZnLi계 페라이트에 대해서 상세하게 설명한다.

〔본 발명의 MnZnLi계 페라이트의 설명〕

(주성분 조성에 관한 설명)

본 발명의 MnZnLi계 페라이트는 주성분으로서, 산화철을 Fe₂0₃ 환산으로 54.0 내지 58.0몰%(바람직하게는 54.5 내지 57.5몰%, 더욱 바람직하게는 55.0 내지 57.0몰%), 산화아연을 ZnO 환산으로 3.0 내지 10.0몰%(바람직하게는 3.5 내지 9.0몰%, 더욱 바람직하게는 4.0 내지 8.0몰%), 산화리튬을 LiO_0.5 환산으로 O.3 내지 1.5몰%(바람직하게는 0.35 내지 1.45몰%, 더욱 바람직하게는 0.4 내지 1.4몰%), 산화망간을 잔부(Mn0 환산) 함유하고 있다.

상기한 주성분 조성에 있어서, Fe₂0₃량이 58.0몰%를 넘으면, 코어 로스가 증대한다는 부적당함이 생기는 경향이 있다. 또한, Fe₂0₃량이 54.0 미만이 되면 포화 자속 밀도가 저하된다는 부적당함이 생기는 경향이 있다.

또한, 상기한 주성분 조성에 있어서, ZnO량이 3.0몰% 미만이면, 코어 로스의 온도 특성이 높아진다는 부적당함이 생기는 경향이 있다. 또한 ZnO량이 1O.0몰%를 넘으면, 포화 자속 밀도가 낮아진다는 부적당함이 생기는 경향이 있다.

상기한 주성분 조성에 있어서, LiO₀ _.5량이 O.3몰% 미만이 되면, 항절 강도가 낮아진다는 부적당함이 생기는 경향이 있다. 또한, LiO₀ _.5량이 1.5몰%를 넘으면, 코어 로스가 높아진다는 부적당함이 생기는 경향이 있다. 또한, 이 LiO₀ _.5량은 후술하는 CoO량과의 관계로, 코어의 내열 충격성의 향상에 관한 상승 효과를 발휘한다.

(부성분 조성에 관한 설명)

본 발명의 MnZnLi계 페라이트는 부성분으로서, Co를 필수 성분으로서 함유한다. 부성분의 원료로서는 산화물, 또는 가열로 의해 산화물이 되는 화합물의 분말을 채용할 수 있다. 구체적으로는 첨가시의 형태로, Co0을 사용할 수 있다.

이러한 부성분은 상기 주성분에 대하여, Co를 CoO 환산으로 500 내지 2000중량ppm(바람직하게는 600 내지 1800중량ppm, 더욱 바람직하게는 700 내지 1500중량ppm) 함유하고 있다.

CoO량이 500중량ppm 미만이 되면, 코어 로스의 온도 특성이 커진다는 부적당함이 생기는 경향이 있다. 또한 CoO량이 2000중량ppm을 초과하면, 코어 로스가 높아진다는 부적당함이 생기는 경향이 있다. 이 CoO량은 LiO₀ _.5량과의 관계로, 코어의 내열 충격성의 향상에 관한 상승 효과를 발휘한다.

또한, 본 발명의 작용 효과를 일탈하지 않는 범위에서, 상기한 부성분에 덧붙여, ZrO₂, SiO₂, CaCO₃, Nb₂0₅, V₂0₅, Ta₂0₅, NiO, TiO₂, SnO₂ 등의 다른 부성분을 첨가할 수 있다.

페라이트 소결체의 소결 밀도는 4.70g/㎤ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 상한에 특별히 제한은 없지만, 통상, 5.00g/㎤ 정도로 한다. 소결 밀도가 4.70g/㎤ 미만이 되면, 포화 자속 밀도가 저하되는 동시에, 항절 강도가 저하된다는 부적당함이 생기는 경향이 있다.

(본 발명의 페라이트 소결체의 물성에 관한 설명)

본 발명의 페라이트는 이하의 물성을 구비하고 있다.

(1) 항절 강도

본 발명에서의 항절 강도는 이하의 요령으로 구해진다. 파인 세라믹스의 상온에서의 3점 굴곡시험으로, JIS R1601에 준해서 구한다. 수치가 클수록 항절 강도가 높다.

본 발명에서의 굴곡 강도의 목표치는 14.0Kgf/mm² 이상이다.

(2) 자기 손실(코어 로스)값의 온도 의존성

본 발명에서의 자기 손실값의 온도 의존성은 이하의 요령으로 구해진다. 100kHz, 200mT의 정현파 교류 자계를 페라이트에 인가하고, 측정 온도를 여러가지로 바꾸어 얻어진 자기 손실(코어 로스) Pcv의 값을, 측정 온도와의 관계로 그래프로 한다.

이 그래프에 있어서, 그래프의 최하점에 상당하는 보텀 온도 Tb에서의 자기 손실(코어 로스)의 값 Pcv_b, 및 보텀 온도 Tb로부터 20℃ 높은 온도(Tb+20℃)에서의 자기 손실(코어 로스)의 값 Pcv_b ₊ ₂₀를 각각 구한다. 본 발명에서의 보텀 온도 Tb는 70℃ 이상인 것이 바람직하다.

본 발명에서의 보텀 온도 Tb에서의 자기 손실(코어 로스)의 값 PCV_b의 목표치는 450KW/㎥ 이하이다.

이러한 값을 사용하여, 20℃ 사이에서의 자기 손실 변화율의 값 δ2=[(PCV_b+20-PCV_b)/PCV_b×100〕을 산출한다. 본 발명에 있어서는 20℃ 사이에서의 자기 손실 변화율의 값 δ2는 15% 이하이다.

(3) 포화 자속 밀도 Bm

100℃에서의 포화 자속 밀도 Bs는 430mT 이상이다.

(4) 내열 충격성

평가기준은 이하와 같다.

○ … 400℃의 리플로에 침지해 코어에 크랙이 생기지 않는다.

× … 400℃의 리플로에 침지해 코어에 크랙이 생긴다.

〔MnZnLi계 페라이트의 제조 방법〕

이어서, 본 발명의 MnZnLi계 페라이트의 적절한 제조 공정의 일례에 관하여 설명한다.

(1) 목표로 하는 페라이트를 얻을 수 있도록 금속이온의 비율이 소정 성분이 되도록 칭량하는 공정

주성분의 원료로서, 산화물 또는 가열에 의해 산화물이 되는 화합물, 예를 들면 탄산염, 수산화물, 옥살산염, 질산염 등의 분말을 사용할 수 있다. 각 원료 분말의 평균 입경은 0.1 내지 3.0㎛ 정도의 범위에서 적당하게 선정하면 좋다. 또한, 상기한 원료 분말에 한하지 않고, 2종 이상의 금속을 포함하는 복합 산화물의 분말을 원료 분말로 해도 된다. 원료 분말은 소정의 조성이 되도록, 각각 칭량된다.

또한, Li화합물은 물에 대하여 불용성 내지 난용성의 화합물을 채용하는 것이 바람직하다. 여기에서 본 발명에서의 「물에 대하여 불용성 내지 난용성의 화합물(이하, 단순히 「물 불용성의 화합물」이라고 함」)이란, 물 100g(온도 20℃)에 대한 화합물인 용질의 양(그람수)이 1g 이하의 화합물을 말한다. 이러한 물 불용성의 Li화합물로서는 MnZn계 페라이트용으로 사용되기 때문에, Li와, Fe, Mn, Zn 중에서 선정된 적어도 1종 이상의 성분을 함유하는 산화물로 하는 것이 바람직하다. 바람직하게는 (1) Li와, Fe의 성분을 함유하는 LiFeO₂, LiFe₅O₈, Li₂Fe₃O₅, Li₅FeO₄ 등의 산화물이나, (2) Li와, Mn의 성분을 함유하는 LiMn₂0₄, LiMnO₂ 등의 산 화물이다. 이러한 물 불용성의 Li화합물을 사용함으로써, 제품 로트간의 특성 편차를 억제할 수 있고, 제조 수율의 향상 및 제품 품질의 신뢰성의 향상을 도모할 수 있다.

(2) 칭량물을 습식 내지는 건조에 의해 혼합한 후의 가소(假燒) 공정

원료 분말을 볼밀에 의해 예를 들면 습식 혼합하고, 건조, 분쇄, 선별을 한 후, 700 내지 1000℃의 온도 범위 내에서 소정시간 유지하는 가소가 행하여진다. 가소의 유지시간은 1 내지 5시간의 범위 내에서 적절하게 선정하면 좋다.

(3) 가소 분말의 분쇄 공정

가소 후, 가소체는 예를 들면 평균 입경 0.5 내지 5.0㎛ 정도까지 분쇄된다.

통상, 부성분인 CoO는 이 분쇄 공정으로 소정량 첨가된다. 즉, 가소 분쇄 후에 얻어진 주성분의 분말에, 부성분인 Co0가 소정량 첨가되어 혼합된다. 또한, 배합 공정이 아니라, 이 분쇄 공정에서 Li 성분을 첨가해도 좋다.

(4) 조립·성형 공정

분쇄된 분말은 후의 성형 공정을 원활하게 하기 위해서 과립으로 조립된다. 이때, 분쇄 분말에 적당한 바인더, 예를 들면 폴리비닐알코올(PVA)을 소량 첨가하는 것이 바람직하다. 얻어지는 과립의 입경은 80 내지 200㎛ 정도로 하는 것이 바람직하다. 조립 분말을 가압 성형한 예를 들면 토로이달 형상의 성형체를 형성한다.

(5) 소성 공정

형성된 성형체는 소성 공정에 있어서 소성된다.

소성 공정에 있어서는 소성 온도와 소성 분위기를 제어할 필요가 있다. 소성은 1150 내지 1350℃의 범위에서 소정시간 보유함으로써 행하여진다.

〔실험예 I〕

이하, 구체적인 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 하기표 1의 샘플 NO.I-3에 나타내지는 바와 같이, 최종 조성에서의 산화철이 Fe₂0₃ 환산으로 56.0몰%, 산화망간이 MnO 환산으로 37.1몰%, 산화아연이 ZnO 환산으로 6.0몰%, 산화리튬이 LiO₀ _.5 환산으로 0.9몰%가 되도록 주성분이 되는 주성분 원료를 칭량했다. 또한, Li 원료로서는 LiFeO₂을 사용하여, LiFeO₂ 중의 Fe량을 고려하여, Fe 성분에 대해서 조정했다.

칭량한 원료를, 습식 볼밀을 사용하여 16시간 습식 혼합한 후, 건조시켰다.

이어서, 건조물을 대기 중, 900℃에서 3시간 가소한 후, 분쇄했다.

얻어진 가소 분말에, 부성분의 원료로서, CoO 분말을 첨가하고, 혼합 분쇄해서 얻어진 혼합물 분말에 바인더를 첨가하고, 과립화한 후, 성형해서 토로이달 형상의 성형체를 얻었다. 또한, 부성분 원료는 주성분 원료 대하여, Co0이 1000중량ppm 함유되도록 첨가했다. 또한 Li 성분은 분쇄시에 첨가해도 된다.

토로이달 형상의 성형물을, 1350℃의 온도에서 산소 분압을 제어하면서 소성하고, 하기표 1에 나타내지는 샘플 NO.I-3의 페라이트 소성체를 제작했다.

이 샘플 NO.I-3의 페라이트 소성체의 제작 수법을 베이스로 하여, 이것에 준해서 하기표 1에 나타내지는 여러가지의 샘플을 제작했다.

이 표 1에 나타내지는 각 샘플에 대해서,

(1) 보텀 온도 Tb

(2) 보텀 온도 Tb에서의 자기 손실(코어 로스) Pcv_b

(3) 보텀 온도 Tb로부터 20℃ 높은 온도(Tb+20℃)에서의 자기 손실(코어 로스)의 값 PCV_b ₊₂₀

(4) 코어 로스 온도 의존성 δ2

(5) 항절 강도(3점 굴곡 강도)

(6) 포화 자속 밀도 Bm

(7) 내열 충격성

을 각각 측정했다.

또한, 각 측정 요령은 상술한 바와 같다. 결과를 하기표 1 중에 나타냈다.

[표 1] (그의 1)

표 1(그의 2)

상기 표1에 나타내지는 실험예 I의 결과로부터, 본 발명의 효과는 명확하다. 즉, 본 발명의 MnZnLi계 페라이트는 주성분으로서, 산화철을 Fe₂0₃ 환산으로 54.0 내지 58.0몰%, 산화아연을 ZnO 환산으로 3.0 내지 10.0몰%, 산화리튬을 LiO_0.5 환산으로 O.3 내지 1.5몰%, 산화망간을 잔부(Mn0 환산) 함유하고, 상기 주성분에 대하여, 부성분으로서 Co를 CoO 환산으로 500 내지 2000중량ppm 함유하도록 구성되어 있기 때문에, 고포화 자속 밀도 특성, 자기 손실(코어 로스)값의 온도 의존성을 저감하는 특성이 뛰어나고, 또한, 항절 강도의 향상을 도모할 수 있고, 제품 수율의 새로운 향상을 도모하는 것이 가능하며, 또한 코어의 내열 충격성이 우수하다는 효과가 발현된다.

본 발명의 MnZnLi계 페라이트의 제조 방법은 폭 넓게 각종의 전기부품산업에 이용할 수 있다.

Claims

주성분으로서, 산화철을 Fe₂0₃ 환산으로 54.0 내지 58.0몰%, 산화아연을 ZnO 환산으로 3.0 내지 10.0몰%, 산화리튬을 LiO_0.5 환산으로 0.3 내지 1.5몰%, 산화망간을 잔부(殘部)(MnO 환산) 함유하고, 상기 주성분에 대하여, 부성분으로서 Co를 CoO 환산으로 500 내지 2000중량ppm 함유하는 것을 특징으로 하는 MnZnLi계 페라이트.
제 1 항에 있어서,

100kHz, 200mT의 정현파 교류 자계를 상기 MnZnLi계 페라이트에 인가하고, 측정 온도를 여러가지로 바꾸어 얻어진 자기 손실 Pcv의 값을, 측정 온도와의 관계로 나타낸 그래프에 있어서, 그래프의 최하점에 상당하는 보텀 온도 Tb에서의 자기 손실의 값을 Pcv_b, 보텀 온도 Tb로부터 20℃ 높은 온도(Tb+20℃)에서의 자기 손실의 값 PCV_b+20로 한 경우, 이 20℃ 사이에서의 자기 손실 변화율의 값 δ2=〔(PCV_b+20-PCV_b)/PCV_b×100〕이 15% 이하인, MnZnLi계 페라이트.
제 1 항에 있어서,

100℃에서의 포화 자속 밀도 Bs가 430mT 이상인, MnZnLi계 페라이트.
제 2 항에 있어서,

보텀 온도 Tb가 70℃ 이상인, MnZnLi계 페라이트.
제 1 항에 기재된 MnZnLi계 페라이트로 구성되는 트랜스용 철심.
제 5 항에 기재된 트랜스용 철심을 이용한 트랜스.