KR101123145B1 - 자성체 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

자성체 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 자성체는, 조성이 BaAMBFeCOD 인 W형 자성체에 있어서, 메탈 사이트(MB)가 Mn, Zn, Cu, 및 Co 중 하나 이상의 원소를 포함한다.
자성체, 투자율, 주파수, 스넉스 한계

Description

자성체 및 그 제조방법{MAGNETIC MATERIAL AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명의 실시예들은 고 주파수 대역에서도 높은 투자율을 유지할 수 있는 자성체 기술에 관한 것이다.
일반적으로 자성체는 소정의 유전율과 투자율을 가지고 있다. 이러한 자성체의 유전율과 투자율은 주파수에 따라 가변되는 특성을 보인다. 구체적으로, 상기 자성체의 투자율은 낮은 주파수 대역에서는 높은 투자율을 가지나, 주파수가 높아질수록 투자율이 점차 감소하고 투자 손실이 높아지는 경향이 있으며, 이를 스넉스 한계(Snoek's Limit)라고 한다.
도 1은 W형 자성체(BaMxFe16O27)에서 x 값의 변화에 따른 각 자성체의 스넉스 한계(Snoek's Limit)를 나타낸 그래프로서, 도 1a는 W형 자성체의 투자율 중 실수부 값(μ')을 나타낸 그래프이고, 도 1b는 W형 자성체의 투자율 중 허수부 값(μ '')을 나타낸 그래프이다.
도 1을 참조하면, W형 자성체가 100 MHz까지는 일정한 투자율을 가지다가 100 MHz를 벗어나 주파수가 증가할수록 투자율이 급격히 감소하는 것을 볼 수 있으며, 특히 주파수가 1GHz를 넘어가는 경우 투자율이 거의 1에 근접하는 것을 볼 수 있다. 이때, 낮은 주파수 대역에서 높은 투자율을 가진 자성체일수록, 주파수가 높아질 때 더욱 급한 경사를 가지고 투자율이 낮아지는 것을 볼 수 있다.
또한, 투자 손실은 투자율의 허수부 값/투자율의 실수부 값(즉, μ''/μ')으로서, 낮은 주파수에서는 높은 투자 손실을 갖다가 주파수가 높아질수록 낮은 투자 손실을 갖는 것을 볼 수 있다.
이러한 스넉스 한계를 뛰어 넘어 고주파 대역에서도 높은 투자율을 가지도록 헥사 타입(Hexa Type)의 자성체에 대한 연구가 이루어지고 있으나, 헥사 타입의 자성체도 1GHz를 넘어가는 고 주파수 대역에서는 투자율이 급격히 감소하고, 2GHz 이후의 주파수 대역에서는 대부분 2 이하의 투자율 값을 가진다.
따라서, 고주파수 대역에서도 높은 투자율 및 낮은 투자 손실을 유지할 수 있는 자성체 및 그 제조 방법이 요구된다.
본 발명의 실시예들은 주파수가 높아질수록 투자율이 급격히 저하되어 낮은 투자율을 갖게 되는 스넉스 한계(Snoek's Limit)를 극복함으로써, 자성체가 고 주파수 대역에서도 높은 투자율을 유지할 수 있도록 한다.
본 발명의 실시예들에 의한 다른 기술적 해결 과제는 하기의 설명에 의해 이해될 수 있으며, 이는 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자성체는, 조성이 BaAMBFeCOD 인 W형 자성체에 있어서, 상기 메탈 사이트(MB)는 Mn, Zn, Cu, 및 Co 중 하나 이상의 원소를 포함하며, 상기 A, C, D는 0.5 ≤ A ≤ 1.5, 14 ≤ C ≤ 18, 24 ≤ D ≤ 30의 범위를 갖는다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 자성체 제조방법은, 조성이 BaAMBFeCOD (여기서, 0.5 ≤ A ≤ 1.5, 14 ≤ C ≤ 18, 24 ≤ D ≤ 30)인 W형 자성체의 제조방법에 있어서, (A) Ba 산화물, Fe 산화물, 및 상기 메탈 사이트(MB)인 Mn, Zn, Cu, Co 산화물 중에서 선택된 하나 이상의 산화물을 소정의 조성이 되도록 혼합하는 단계; 및 (B) 상기 혼합한 산화물을 가공 처리하여 자성체를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 주파수가 높아질수록 투자율이 급격히 저하되어 낮은 투자율을 갖게 되는 스넉스 한계(Snoek's Limit)를 극복함으로써, 자성체가 고 주파수 대역에서도 높은 투자율 및 낮은 투자 손실을 유지할 수 있게 된다.
이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 자성체 및 그 제조 방법의 구체적인 실시예를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시적 실시예에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
또한, 본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하 실시예는 진보적인 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
본 발명의 실시예들은 W형 자성체 물질 즉, 조성이 BaAMBFeCOD 인 물질에서 메탈 사이트(MB)에 들어갈 원소들의 조성비를 조절하여, 고 주파수 대역(예를 들어, 1GHz 이상)에서도 높은 투자율 및 낮은 투자 손실을 유지하는 자성체를 제공하고자 한다. 여기서, A, C, D는 0.5 ≤ A ≤ 1.5, 14 ≤ C ≤ 18, 24 ≤ D ≤ 30 의 범위를 갖는다.
즉, 조성이 BaAMBFeCOD 인 W형 자성체 물질을 주상으로 하여 메탈 사이트(MB)에 들어갈 원소들의 조성비를 조절함으로써, 상기 W형 자성체가 고 주파수 대역에서도 높은 투자율 및 낮은 투자 손실을 가지도록 한다.
상기 메탈 사이트(MB)에 들어가는 원소로는 Mn, Zn, Cu, 및 Co 중 하나 이상의 원소를 포함하는 것으로 한다. 여기서, 상기 메탈 사이트(MB)에 들어가는 원소들의 조성 비율은 다음과 같다.
예를 들어, MB = MnxZnyCuzCov 으로 이루어질때, 상기 메탈 사이트(MB)에 들어가는 원소들의 조성 비율이 1.9 ≤ x+y+z+v ≤ 2.1 이 되도록 하며, 특히 v ≥ 1.0 이 되도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 W형 자성체 물질에서 메탈 사이트(MB)에 들어갈 원소들의 조성 비율에 따른 자성체의 투자율을 나타낸 도면이다. 여기서, 조성이 BaMBFe16O27인 W형 자성체 물질을 주상으로 하였고, 주파수 200 MHz, 1GHz, 2.4 GHz 대역에서 각 조성체 물질의 투자율(μr) 및 투자 손실을 나타내었다.
도 2를 참조하면, 표본 WMZO1 내지 WMZ03은 메탈 사이트(MB)에 Mn 및 Zn이 들어간 자성체로서, 구체적으로 표본 WMZO1은 BaMn0.5Zn1.5Fe16O27의 조성을 갖고, 표본 WMZ02는 BaMn1.0Zn1.0Fe16O27의 조성을 갖으며, 표본 WMZ03은 BaMn1.5Zn0.5Fe16O27의 조성을 갖는다. 상기 표본 WMZO1 내지 WMZ03은 200 MHz에서 투자율이 각각 1.9, 1.8, 1.7이고, 1GHz 및 2.4 GHz에서는 투자율이 거의 1에 근접하는 것을 볼 수 있다.
상기 표본 WMZO1 내지 WMZ03은 상기 메탈 사이트(MB)에 들어가는 원소들의 조성 비율이 1.9 ≤ x+y+z+v ≤ 2.1 의 범위를 만족하며, 주파수가 높아질수록 투자율이 저감되는 정도가 낮은 것을 볼 수 있다. 즉, 상기 표본 WMZO1 내지 WMZ03은 주파수가 높아질수록 투자율이 완만한 경사를 가지고 감소하는 것을 볼 수 있다.
표본 WMC01 및 WMC02는 메탈 사이트(MB)에 Mn 및 Cu가 들어간 자성체로서, 구체적으로 표본 WMC01은 BaMn0.5Cu1.5Fe16O27의 조성을 갖고, 표본 WMC02는 BaMn1.0Cu1.0Fe16O27의 조성을 갖는다. 상기 표본 WMC01 및 WMC02는 200 MHz에서 투자율이 4 이상(각각 4.9, 4.1)으로 투자율이 높으나, 1GHz에서는 투자율이 각각 1.9, 1.8로 낮아지고, 2.4 GHz에서는 투자율이 각각 1.4, 1.5로 낮아지는 것을 볼 수 있다.
상기 표본 WMC01 및 WMC02는 상기 메탈 사이트(MB)에 들어가는 원소들의 조 성 비율이 1.9 ≤ x+y+z+v ≤ 2.1 의 범위를 만족하며, 주파수가 높아질수록 투자율이 저감되는 정도가 낮은 것을 볼 수 있다. 즉, 도 1의 W형 자성체는 100 MHz에서 1GHz로 갈수록 자성체의 투자율이 매우 급격한 경사를 가지고 감소하나, 상기 표본 WMC01 및 WMC02는 주파수가 증가할수록 투자율이 보다 완만한 경사를 가지고 감소한다.
표본 WCZ01 내지 WCZ03은 메탈 사이트(MB)에 Cu 및 Zn이 들어간 자성체로서, 구체적으로 표본 WCZO1은 BaCu0.5Zn1.5Fe16O27의 조성을 갖고, 표본 WCZ02는 BaCu1.0Zn1.0Fe16O27의 조성을 갖으며, 표본 WCZ03은 BaCu1.5Zn0.5Fe16O27의 조성을 갖는다. 상기 표본 WCZ01 내지 WCZ03은 200 MHz에서 투자율이 각각 2.0, 2.5, 2.7이나, 1GHz 및 2.4 GHz에서는 투자율이 거의 1에 근접하는 것을 볼 수 있다.
상기 표본 WCZ01 내지 WCZ03은 상기 메탈 사이트(MB)에 들어가는 원소들의 조성 비율이 1.9 ≤ x+y+z+v ≤ 2.1 의 범위를 만족하며, 주파수가 높아질수록 투자율이 저감되는 정도가 낮아진 것을 볼 수 있다.
표본 WMCZ01 내지 WMCZ03은 메탈 사이트(MB)에 Mn, Cu 및 Zn이 들어간 자성체로서, 구체적으로 표본 WMCZO1은 BaMn0.7Cu0.8Zn0.5Fe16O27의 조성을 갖고, 표본 WMCZ02는 BaMn0.5Cu1.0Zn0.5Fe16O27의 조성을 갖으며, 표본 WMCZ03은 BaMn0.3Cu1.2Zn0.5Fe16O27의 조성을 갖는다. 상기 표본 WMCZ01 내지 WMCZ03은 200 MHz에서 투자율이 각각 3.6, 3.7. 3.5로 투자율이 높으나, 1GHz에서는 투자율이 각각 1.5, 1.7, 1.6으로 낮아지고, 2.4 GHz에서는 투자율이 각각 1.4로 낮아지는 것을 볼 수 있다.
상기 표본 WMCZ01 내지 WMCZ03은 상기 메탈 사이트(MB)에 들어가는 원소들의 조성 비율이 1.9 ≤ x+y+z+v ≤ 2.1 의 범위를 만족하며, 주파수가 높아질수록 투자율이 저감되는 정도가 낮은 것을 볼 수 있다.
표본 WMOCZ01 내지 WMOCZ06은 메탈 사이트(MB)에 Co를 기본으로 포함하는 자성체로서, 표본 WMOCZ01는 메탈 사이트(MB)에 Co만 포함하나, 표본 WMOCZ02 내지 WMOCZ06은 메탈 사이트(MB)에 Mn, Co, Cu 및 Zn을 포함한다.
구체적으로, 표본 WMOCZ01은 BaCo2Fe16O27의 조성을 갖고, 표본 WMOCZ02는 BaMn0.25Co1.0Cu0.5Zn0.25Fe16O27의 조성을 갖으며, 표본 WMOCZ03은 BaMn0.5Co1.0Cu0.25Zn0.25Fe16O27의 조성을 갖고, 표본 WMOCZ04는 BaMn1.0Co0.5Cu0.25Zn0.25Fe16O27의 조성을 갖으며, 표본 WMOCZ06은 BaMn1.2Co0.3Cu0.25Zn0.25Fe16O27의 조성을 갖는다.
여기서, 표본 WMOCZ01은 상기 메탈 사이트(MB)에 들어가는 원소들의 조성 비율이 1.9 ≤ x+y+z+v ≤ 2.1 의 범위를 만족하며, 200 MHz, 1GHz, 2.4 GHz에서 투자율이 각각 1.6, 1.6, 1.5로, 주파수에 따라 투자율에 큰 차이가 없는 것을 볼 수 있다.
그리고, 표본 WMOCZ04 및 표본 WMOCZ06은 투자율이 200 MHz에서 각각 2.1, 2.0, 1GHz에서 1.5, 1.3, 2.4 GHz에서 1.3, 1.2임을 볼 수 있다. 즉, 주파수가 높아질수록 투자율이 저감되는 정도가 낮아진 것을 볼 수 있다.
상기 표본 WMOCZ04 및 표본 WMOCZ06은 상기 메탈 사이트(MB)에 들어가는 원소들의 조성 비율이 1.9 ≤ x+y+z+v ≤ 2.1 의 범위를 만족하며, 또한 Co의 조성이 각각 0.5 및 0.3으로 1이하의 조성을 갖는다.
한편, 표본 WMOCZ02 및 WMOCZ03 200 MHz에서 투자율이 각각 6.7, 7.8 로 높은 투자율을 갖으며, 1GHz에서는 투자율이 각각 3.7, 4.2 로 투자율이 줄어들었으나 여전히 높은 투자율을 가지는 것을 볼 수 있다. 그리고, 2.4 GHz에서는 투자율이 각각 3.1, 2.8 로 투자율이 줄어들었으나 3에 근접하는 높은 투자율을 유지하는 것을 볼 수 있다.
상기 표본 WMOCZ02 및 WMOCZ03은 상기 메탈 사이트(MB)에 들어가는 원소들의 조성 비율이 1.9 ≤ x+y+z+v ≤ 2.1 의 범위를 만족하며, 또한 Co의 조성이 모두 1 이상의 조성을 갖는다.
이에 의하면, 상기 메탈 사이트(MB)에 들어가는 원소들의 조성 비율이 1.9 ≤ x+y+z+v ≤ 2.1 및 v ≥ 1.0 의 범위를 모두 만족할 때, 200 MHz에서 높은 투자율을 가지고, 1GHz 이상의 고 주파수 대역에서도 여전히 3에 근접하는 투자율을 유지하며, 또한 주파수가 증가함에 따라 투자율의 줄어드는 저감 정도도 낮은 것을 볼 수 있다.
정리하면, 위에서 언급한 모든 표본들은 메탈 사이트(MB)가 MB = MnxZnyCuzCov 로 이루어지며, 이때 상기 메탈 사이트(MB)에 들어가는 원소들의 조성 비율이 1.9 ≤ x+y+z+v ≤ 2.1 의 범위를 만족한다. 이 경우, 주파수가 높아질수록 완만한 경사를 가지고 투자율이 줄어들게 된다. 특히, 상기 표본들 중 표본 WMOCZ02 및 WMOCZ03 1GHz 이상의 고 주파수 대역에서도 3에 근접하는 높은 투자율을 유지한다.
여기서, 상기 표본 WMOCZ02 및 WMOCZ03을 살펴보면, 상기 메탈 사이트(MB)에 들어가는 원소들의 조성 비율이 1.9 ≤ x+y+z+v ≤ 2.1 의 범위를 만족하며, 특히 Co의 조성인 v가 v ≥ 1.0 을 만족한다.
한편, 도 2에 도시된 표본들은 상기 메탈 사이트(MB)에 들어가는 원소들의 조성 비율을 일정한 값으로 특정한 하나의 실시예일 뿐이며, 상기 메탈 사이트(MB)에 들어가는 원소들의 조성 비율이 1.9 ≤ x+y+z+v ≤ 2.1 의 범위를 만족하는 한도에서, x, y, z, v 값을 각각 적절히 조절하여 스넉스 한계(Snoek's Limit)를 극복하는 자성체를 구현할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 자성체의 주파수에 따른 투자율 변화를 나타낸 그래프이다. 여기서, 자성체의 투자율 중 실수부(μ')는 실선으로 표시하였고, 자성체의 투자율 중 허수부(μ'')는 점선으로 표시하였으며, 표본 WMOCZ01 내 지 WMOCZ06의 주파수에 따른 투자율 변화를 나타내었다.
도 3을 참조하면, 표본 WMOCZ01은 주파수가 증가하여도 투자율이 거의 일정한 값을 유지하는 것을 볼 수 있고, 표본 WMOCZ04 및 표본 WMOCZ06은 주파수가 증가할수록 투자율이 서서히 낮아지다가 일정한 값을 유지하는 것을 볼 수 있다. 즉, 상기 표본 WMOCZ04 및 표본 WMOCZ06은 주파수가 높아질수록 투자율이 급속하게 감소하지 않고 완만한 경사를 가지고 감소하는 것을 볼 수 있다.
한편, 표본 WMOCZ02 및 표본 WMOCZ03은 주파수가 증가할수록 투자율이 낮아지나, 1GHz 이상의 고 주파수 대역에서도 투자율이 3에 근접하는 높은 투자율을 유지하는 것을 볼 수 있다. 특히, 표본 WMOCZ02는 2.8GHz 까지 투자율이 3 이상의 값을 유지하면서도 낮은 투자 손실을 갖는 것을 볼 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성체 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 4를 참조하면, Ba 산화물, Fe 산화물, 및 메탈 산화물(예를 들어, Mn, Zn, Cu, Co의 산화물)을 소정의 조성이 되도록 칭량한 후 혼합한다(S 100).
여기서, 상기 산화물들을 통해 조성이 BaAMBFeCOD 인 자성체를 제조하게 되는데, 이때 A, C, D는 0.5 ≤ A ≤ 1.5, 14 ≤ C ≤ 18, 24 ≤ D ≤ 30 의 범위가 되도록 상기 Ba 산화물, Fe 산화물, 및 메탈 산화물을 칭량한다.
그리고, MB = MnxZnyCuzCov 으로 이루어질때, 상기 메탈 산화물들을 1.9 ≤ x+y+z+v ≤ 2.1 이 되도록 칭량하며, 또한 v ≥ 1.0 이 되도록 칭량한다. 그 후, 상기 산화물들을 볼 밀(Ball Mill) 등과 같은 장비를 이용하여 혼합한다.
상기 혼합한 산화물들을 건조시킨 후(S 110), 상기 소정의 온도에서 일정 시간 하소(Calcination)하여 하소체를 얻는다(S 120).
상기 하소체를 일정 직경(예를 들어, 0.5 ~ 10 ㎛)이 될 때까지 분쇄하여 분체를 얻는다(S 130). 상기 하소체는 일반적으로 과립상이기 때문에 진동 밀, 제트 밀, 볼 밀 등의 장치를 이용하여 일정 직경이 될 때까지 분쇄한다.
상기 분체에 일정한 성형 압력(예를 들어, 100 ~ 2000kg/cm2)을 가하여 일정한 형상의 성형체를 얻은 후(S 140), 소정의 온도에서 일정 시간 소결(Sintering)하여 자성체를 얻는다(S 150).
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 W형 자성체(BaMxFe16O27)에서 x 값의 변화에 따른 각 자성체의 스넉스 한계(Snoek's Limit)를 나타낸 그래프.
도 2는 W형 자성체 물질에서 메탈 사이트(MB)에 들어갈 원소들의 조성 비율에 따른 자성체의 투자율 및 유전율을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 자성체의 주파수에 따른 투자율 변화를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성체 제조방법을 나타낸 순서도.

Claims (7)

  1. 조성이 BaAMBFeCOD 인 W형 자성체에 있어서,
    상기 메탈 사이트(MB)는 Mn, Zn, Cu, 및 Co 중 하나 이상의 원소를 포함하며, 상기 A, C, D는 0.5 ≤ A ≤ 1.5, 14 ≤ C ≤ 18, 24 ≤ D ≤ 30의 범위를 가지며,
    상기 메탈 사이트(MB)는.
    MB = MnxZnyCuzCov (1.9 ≤ x+y+z+v ≤ 2.1)의 조성을 갖는, 자성체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    v ≥ 1.0 인, 자성체.
  4. 조성이 BaAMBFeCOD (여기서, 0.5 ≤ A ≤ 1.5, 14 ≤ C ≤ 18, 24 ≤ D ≤ 30)인 W형 자성체의 제조방법에 있어서,
    (A) Ba 산화물, Fe 산화물, 및 상기 메탈 사이트(MB)인 Mn, Zn, Cu, Co 산화물 중에서 선택된 하나 이상의 산화물을 소정의 조성이 되도록 혼합하는 단계; 및
    (B) 상기 혼합한 산화물을 가공 처리하여 자성체를 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 메탈 사이트(MB)는.
    MB = MnxZnyCuzCov (1.9 ≤ x+y+z+v ≤ 2.1)의 조성을 갖는, 자성체 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    v ≥ 1.0 인, 자성체 제조방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 (B) 단계는,
    (B-1) 상기 혼합한 산화물을 건조시킨 후, 소정 온도에서 하소(Calcination)하여 하소체를 얻는 단계;
    (B-2) 상기 하소체를 소정 직경이 될 때까지 분쇄하여 분체를 얻는 단계;
    (B-3) 상기 분체에 압력을 가하여 성형체를 얻는 단계; 및
    (B-4) 상기 성형체를 소정 온도에서 소결(Sintering)하여 자성체를 얻는 단계를 포함하는, 자성체 제조방법.
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