KR101214749B1

KR101214749B1 - 적층형 파워 인덕터

Info

Publication number: KR101214749B1
Application number: KR1020110038604A
Authority: KR
Inventors: 김명기; 송소연; 김익섭; 안성용; 한진우; 손수환
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2011-04-25
Filing date: 2011-04-25
Publication date: 2012-12-21
Also published as: CN102760566A; CN102760566B; US20120268230A1; KR20120120819A; US8576040B2

Abstract

본 발명은 내부 전극을 포함하는 복수의 자성체층이 적층된 본체층, 및 복수의 갭층을 포함하며, 상기 갭층은 비대칭 구조를 가지는 적층형 파워 인덕터에 관한 것이다.
본 발명에 따른 적층형 파워 인덕터는 본체층과 맞닿는 부분은 치밀한 구조의 비다공성 구조를 가지고, 본체층과 맞닿지 않는 부분은 다공성 구조를 가지는 비대칭 구조의 갭층을 형성시킴으로써 코일 내부의 자속 전파 경로를 분산시켜, 고전류에서 자화를 억제하여 전류인가에 따른 인덕턴스 L값의 변화를 개선할 수 있다. 또한, 상기 치밀한 구조가 적층된 본체와 연결시키는 작용을 하여 본체와 갭층 간의 박리(Delamination) 위험성을 낮출 수 있다.

Description

적층형 파워 인덕터 {Multi-layered power inductor}

본 발명은　적층형 파워 인덕터에 관한 것으로서, 상세하게는 비대칭 구조를 가지는 갭층을 포함하여 온도 특성이 향상된 적층형 파워 인덕터에 관한 것이다.

적층형 파워 인덕터는 주로 휴대기기 내 DC-DC 컨버터(converter)와 같은 전원 회로에 사용되며, 개발 방향은 소형화, 고전류화, 낮은 직류저항 등에 맞추어져 있다. DC-DC 컨버터의 고주파화 및 소형화에 따라 기존의 권선형 Choke Coil을 대신하여 적층형 파워 인덕터의 사용이 증대되고 있다.

적층형 파워 인덕터는　재료적/구조적으로 인덕터의 자기 포화를 억제하여 고전류에서 사용하게 한다.　　권선형　파워 인덕터에 비해서는　전류 인가에 따른 인덕턴스　L값의 변화가 큰 단점이 있으나 소형화 및 두께를 낮추는 데 장점이 있고, 또한 직류 저항에서 유리하다.(도 1 참조)

파워인덕터는 사용하는 전류에 대한 인덕턴스 변화율값이 작은 것을 요구하고 있으며, 특허 저온 -55℃~ 고온 +125 ℃에서도 동작이 되고 온도에 대한 인턱턴스 값의 변화가 작은 것을 점점 요구하고 있다.

특히 권선형 파워 인덕터에서는　전류 인가에 따른 인덕턴스 L값의 변화가 작은데, 적층형 파워 인덕터에서도 이를　구현하기 위한 노력이 진행 중이다.　이를 위해서는 재료의 조성과 미세구조 및 구조설계 등의 인자가 중요한 것으로 나타나고 있다.　바꿔 말하면, 적층형 파워 인덕터의 경우 권선형 파워 인덕터에 비해 전류인가에 따른 인덕턴스 L값의 변화가 큰 단점이 있다. 이것은 구조적으로 권선형 파워 인덕터가 개자로 효과를 크게 보기 때문이다.

따라서 적층형 파워 인덕터에서는 이러한 전류인가에 따른 인덕턴스 L값의 변화 특성의 개선이 중요하다. 현재는 부분적으로 갭층을 내부 구조에 포함시켜 자속을 끊어줌으로써 전류인가에 따른 인덕턴스 L값의 변화 특성을 개선하고 있다. 반면에 적층형 파워 인덕터는 구조가 간단하고 소형화, 낮은 두께 및 원가경쟁력 확보에 유리하다.

현재 사용중인 일반적인 적층형 파워 인덕터의 구조를 다음 도 2에 나타내고 있는데, 이를 참조하면, 내부 전극(10)이 형성되며, 페라이트 재료를 이용한 본체(20)의 내부에 갭층(30, gap layer)을 삽입하여 자속을 차단하여 전류인가에 따른 인덕턴스 변화 값을 적게 하고 있다. 그 다음, 900℃ 전후의 온도에서 소성하며 소성 후 외부전극(40)을 형성한 후 도금(50)을 실시한다.

그러나, 온도 변화에 따라 전류 인가에 따른 인덕턴스 값의 변화가 커서 온도 안정성이 떨어지는 단점이 있다. 이것은 갭층으로 사용하고 있는 비자성체가 구리(Cu) 치환된 Zn-ferrite를 사용함으로 인해, 온도에 따른 확산에 의해서 온도 특성이 달라지기 때문이다.

적층형 파워인덕터 설계의 기본 개념은 코일 효율을 감소시키는 한이 있더라도, 전류인가에 따른 인덕턴스 변화율 특성(이하 DC bias 특성)을 좋게 하여, 전류에 따른 인덕턴스 L값의 변화를 최소한으로 억제하는 것이다.

DC bias 특성은 전류에 따른 인덕턴스 L의 변화율이 작을수록 좋다. L이 낮을수록 출력 전압의 ripple이 커지고 효율이 떨어지게 된다. 직류 저항이 낮을수록 효율이 좋으며, 특히 고전류에서 효율이 좋다. 각 온도에서의 전류 인가에 따른 인덕턴스 L값의 변화를 측정하고 각각의 온도에서의 L값의 변화가 작을수록 좋다.

칩 인덕터의 DC-bias 특성은 재료의 특성과 coil 구조의 함수이다. 먼저 같은 투자율의 재료에서는 재료의 포화자화 Ms가 높을수록 우수한 DC-bias 특성을 얻을 수 있다. 따라서 조성의 선택에서부터 기본적으로 DC-bias 특성이 좋은 재료를 선택해야 한다. 또 한 가지는 Grain size이다. 일반적으로 작은 grain size에서 우수한 DC-bias 특성이 나타나고 있다. 재료 자체의 밀도와 전자 spin의 밀도가 비례하므로 재료의 기공을 줄이는 것도 DC-bias 특성 개선에 필요하다.

한편, 투자율에 따라서 재료의 DC-bias 특성이 변할 수 있다. 즉, 투자율이 낮을수록 DC-bias 특성은 더 좋아질 수 있다. 그러나, 동일 인덕턴스를 구현하려면 코일 턴 수를 높여야 한다. 이러한 경우 코일에 흐르는 자속이 증가하기 때문에 재료의 자기포화가 지연되는 효과가 반감한다.

이러한 경우에 과연 merit가 있는지 여부를 자기회로 식으로부터 예측할 수 있다. 편의상 자기 포화에 따른 재료의 변화율은 자속의 함수로 일치한다고 가정하였다. 자기회로 식으로부터 다음 수학식 1의 관계를 얻었다.

(수학식 1)

수학식 1에서, L은 인덕턴스 값, N은 coil의 감은 수, Rf는 페라이트의 저항이다.

투자율이 다르면 Rf가 증가하기 때문에 감은 수 N을 늘려 용량을 맞추어야 한다.

다음 도 3의 구조를 가지는 각각 고투자율 coil (Coil 1)과 저투자율 coil (Coil 2)에서 자기저항과 구조의 변화에 따른 변수를 R₁, N₁ 및 R₂, N₂로 표현하면 다음 수학식 2의 관계가 성립한다.

(수학식 2)

반면, 재료 자체에 흐르는 자속은 감은 수와 자기저항의 함수이다. 따라서 각각 구조에서 자속의 크기를 다음 수학식 3으로부터 비교할 수 있다.　　

(수학식 3)

N₁<N₂ 이므로 실제 coil 2에 흐르는 자속이 더 작게 된다. 따라서 투자율의 변화율은 더 작아지고 DC-bias 특성이 더 우수할 것으로 예측된다.

현재 다음 도 4와 같이 내부에 갭층(gap layer)을 삽입한 적층형 파워 인덕터에서, 상기 갭층의 효과를 설명하면 다음과 같다. 자기 회로의 자성체 구조가 비자성체 또는 에어 갭(Air Gap)에 의하여 끊기게 되면, 자기 저항의 증가로 인하여 흐르는 자속의 크기가 작아지게 된다. 따라서 유효 투자율이 감소하고, 인덕턴스도 따라서 감소한다. 그러나, 반면 인덕턴스 L값의 변화율은 매우 작아지게 된다. 이 영향은 다음 수학식 4와 같다.

(수학식 4)

따라서, 비자성체 갭층(Gap)에 의하여 유효 투자율이 떨어지면, 그 자승으로 DC bias특성이 개선된다.

갭층이 있는 경우 인덕턴스는 다음 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.

(수학식 5)

수학식 5에서, Rg는 갭층의 자기저항이며, Rf는 페라이트의 자기저항이다.

이때, Coil의 설계가 완벽하여, 자속 경로에서의 단면적이 일정할 때, ferrite의 자기저항과 투자율의 관계는 다음 수학식 6과 7로 나타낼 수 있다.

(수학식 6)

(수학식 7)

수학식 6과 7에서, le는 자속의 유효경로, Se는 자속의 유효단면적이며, A는 상수이다.

따라서 일반 인덕터에서 인덕턴스의 변화가 투자율에 직접 비례하는 것에 반해, 갭층이 있는 경우는 Rg가 Rf에 비해 매우 크므로, 투자율의 변화에 따른 인덕턴스의 영향이 크게 억제된다

상기에서 자세히 살펴본 바와 같이, 갭층을 삽입함으로써 파워 인덕터의 DC-bias 특성을 크게 개선시킬 수 있다.

그러나, 실질적으로 사용함에 있어서도 실온(room temperature)에서의 DC-bais 특성뿐만 아니라 온도변화에 따른 DC-bais 특성 (이하 Bias-TCL)이 좋아야 한다.

다음 도 5에서 보여지듯이 각각의 온도에서 측정한 전류를 인가한 후의 인덕턴스 변화율 값의 변화가 매우 적은 것(a)과 온도에 따른 bias-TCL 특성이 나빠지는 예(b)를 나타내고 있다. 도 5의 (b) 그래프와 같이 DC-bias 특성이 나빠지면 DC-DC 컨버터에 사용되는 파워 인덕터로써 사용하기가 어렵다.

이러한 온도에 따른 bias-TCL은 사용하는 갭층의 종류와 상관이 있게 되는데, 기존의 갭층의 재료는 Zn-ferrite (ZnFe₂O₄)에 ZnO 대신 CuO를 약간 치환한 ZnCu-ferrite를 사용하게 된다. 비자성체이므로 Curie 온도가 매우 낮아서 실온에서 비자성을 띠는 페라이트가 좋은데, ZnFe₂O₄ 페라이트(Zn-ferrite)는 Curie 온도가 35 K 이하로 매우 낮아서 사용하기에 적절하다.

그러나 Zn-ferrite는 900℃ 이하의 온도에서 소결하기 힘들다는 단점이 있다. 통상적으로 적층형 파워 인덕터는 내부 전극을 은(Ag)을 사용하며, Ag의 녹는점이 961℃ 이므로 900℃ 전후에서 소결이 가능해야 한다. 하지만 Zn-ferrite는 900℃ 전후에서 소결이 잘 되지 않으므로 소결성을 개선하기 위하여 CuO를 ZnO 대신 치환하여 900℃ 전후에서 소결이 가능하도록 하여 사용하고 있다.

또한 본체(body) 재료로 사용되는 NiZnCu ferrite와 격자 불일치(lattice mismatch)가 없는 같은 스피넬(spinel) 구조를 가지므로 적층형 파워 인덕터 소결시 발생할 수 있는 박리(delamination) 발생을 줄일 수 있는 장점이 있다.

그러나 ZnCu ferrite는 완전 비자성체가 아니며, Curie 온도가 상온 이하의 상태로 상온에서 비자성체 특성을 나타낸다. 그러나, 소성 중 Ni 및 Cu의 확산에 의하여 비자성체의 두께가 감소하게 된다.(도 6 참조)

또한, 도 6과 마찬가지로 소성시 Ni이 갭층으로 확산하여 들어가게 되고, Ni이 확산된 곳은 자성을 띠게 되어 전체적인 비자성체 갭층의 두께는 감소하게 된다. 이렇게 감소하게 된 두께는 온도에 따라서 각각의 curie 온도가 다른 곳이 발생하게 되어 도 7에서와 같이 온도에 따른 비자성체 갭층의 두께가 달라지게 되는 것이다.

비자성체 갭층의 두께가 커지면 DC-bias 특성이 우수하게 되고, 두께가 얇아지면 DC-bias 특성이 나빠지게 되는 것이다. 그러므로 페라이트 비자성체를 사용하려면 이러한 확산을 억제할 수 있는 갭층이 필요하게 된다. 자성체 페라이트 본체(body)와 비자성체 페라이트 간의 상호 확산이 발생하여 파워 인덕터의 특성을 저하시키는 요인이 되기도 한다.

한편, 이러한 파워 인덕터의 종래 방식은 도 4와 같은 구조의 적층형 파워 인덕터이며, 페라이트 시트(sheet)로 제작되며 이때 본체(body) 재료는 페리 자성을 갖는 NiZnCu ferrite가 사용된다.

갭층 재료에는 파라 자성을 갖는 비자성체 페라이트(통상 ZnCu ferrite)가 전면 시트 갭, 혹은 open 시트 갭으로 사용된다. 900℃ 전후의 온도에서 소성하며 소성 후 외부전극을 형성한 후 도금을 실시한다.

그러나, ZnCu ferrite 재료를 이용하여 갭층을 형성시킨 종래의 적층형 파워 인덕터의 경우 다음과 같은 문제들을 가진다.

(1)본체 재료인 NiZnCu ferrite 속에 포함된 Ni 성분이 갭층으로 확산되고, 갭층의 Zn 성분이 본체로 확산되어 비자성체 갭층의 두께가 얇아지는 문제가 생긴다. 비자성체 갭층이 얇아지면 DC-bias 특성이 나빠질 수 있어 바람직하지 못하다.

따라서, DC-bias 특성을 향상시키려면 비자성체 갭층을 두껍게 해야 하므로 소결 전에 투입되는 갭 시트의 두께가 두꺼운 시트를 사용할 수 밖에 없다. 그러나, 이렇게 두꺼운 갭 시트를 사용하게 되면 적층형 파워 인덕터의 두께(t 방향)가 두꺼워지는 문제점이 있다.

(2)일정 수준의 자속은 차단되나, 소결시 본체 페라이트 모재와의 수축률 차이로 인해 박리(delamination)의 위험성이 존재하며, 또한 파워 인덕터 내부에 응력이 발생할 수 있다.

(3)또한, 갭층의 확산에 의한 bias-TCL 특성이 나빠지는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 온도 변화에 따른 bias-TCL 특성을 개선할 수 있고, 갭층과 본체층의 박리(Delamination)의 위험성을 낮출 수 있으며, 전류인가에 따른 인덕턴스 L값의 변화를 개선할 수 있는 적층형 파워 인덕터를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 파워 인덕터는 내부 전극을 포함하는 복수의 자성체층이 적층된 본체층, 및 복수의 갭층을 포함하며, 상기 갭층은 비대칭 구조를 가지는 것일 수 있다.

상기 갭층의 비대칭 구조는 상기 복수의 본체층과 맞닿는 면은 내부에 기공이 없는 비다공성(non-porous) 구조이고, 상기 복수의 본체층과 맞닿지 않는 면은 다공성(porous) 구조를 가지는 것이 바람직하다.

상기 갭층은 비자성체층인 것이 바람직하다.

상기 갭층에서 기공이 없는 비다공성 구조의 두께는 0.1~3㎛인 것이 바람직하다.

상기 내부 전극은 Ag, Sn, Ni, Pt, Au, Cu, 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.

상기 본체층은 NiZnCu ferrite일 수 있다.

추가적으로 본체층은 상기 NiZnCu ferrite 100몰%에 대해 Bi₂O₃, CoO, 및 TiO₂로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 0.2몰% 이내로 포함할 수 있다.

상기 갭층은 4가 금속 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 비자성체 재료를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 4가 금속은 Ti, Zr, 및 Sn으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.

상기 갭층은 추가적으로 첨가제를 더 포함할 수 있다.

상기 첨가제는 4가 금속 산화물 100몰%에 대하여 CuO 0.001~0.05몰%, ZnO 0.001~0.1몰%, Fe₂O₃ 0.001~1 몰%, 및 Bi₂O₃ 0.001 ~ 0.01 몰%로 포함될 수 있다.

본 발명에 따른 적층형 파워 인덕터는 -50 ~ 125℃의 온도 범위에서 인덕턴스 변화율이 No-Bias에서 10% 이내인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 적층형 파워 인덕터에서 본체층과 맞닿는 부분은 치밀한 구조를 가지고, 본체층과 맞닿지 않는 부분은 다공성 구조를 가지는 비대칭 구조의 갭층을 형성시킴으로써 코일 내부의 자속 전파 경로를 분산시켜, 고전류에서 자화를 억제하여 전류인가에 따른 인덕턴스 L값의 변화를 개선할 수 있다. 또한, 상기 치밀한 구조가 적층된 본체층과 연결시키는 작용을 하여 본체층과 갭층 간의 박리(Delamination) 위험성을 낮출 수 있다.

또한, 상기 구조를 가지는 본 발명에 따른 적층형 파워 인덕터는 -50 ~ 125℃의 온도 범위에서, 온도에 따른 bias-TCL 특성을 개선할 수 있다.

또한, 갭층의 다공성 구조는 에어 갭(Air gap)의 역할을 하여 파워 인덕터의 DC-bais 특성을 향상 시킬 수 있다. 기존 ZnCu ferrite 비자성체 갭층의 시트보다 두께가 1/2 감소해도 비슷한 DC-bias 특성을 나타내어 칩의 두께를 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 　

도 1은 적층형(Multilayer type) 파워 인덕터와 권선형(Wire-wound type) 파워 인덕터의 직류 전류 인가에 따른 인덕턴스 값의 변화 그래프이고,
도 2는 일반적인 적층형 파워 인덕터의 구조이고,
도 3은 고투자율 재료 (coil 1)(A)과 저투자율 (coil 2) 재료(B)를 사용한 칩인덕터의 구조의 변화에 따른 변수이고,
도 4는 갭층이 있는 적층형 파워 인덕터의 개념도이고,
도 5는 Bias-TCL 특성 예를 나타낸 것이고,
도 6은 적층형 파워 인덕터 갭 주변의 소성시 확산에 관한 모델링이고,
도 7은 소성시 확산에 의한 Ni 함량의 증가와 온도와의 관계에 대한 모델링이고,
도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 파워 인덕터의 구조이고,
도 9는 비교예 1(A)과 실시예 1(B, C)에 따른 적층형 파워 인덕터에서의 갭층과 본체층의 SEM 사진, 및 이의 모식도이고,
도 10은 상기 도 9(B)를 확대시킨 SEM 사진이고,
도 11은 비교예 1에 따라 제조된 적층형 파워 인덕터의 bias-TCL 특성 그래프이고,
도 12는 실시예 1에 따라 제조된 적층형 파워 인덕터의 bias-TCL 특성 그래프이다.

이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 비대칭 구조를 가지는 갭층을 포함함으로써 온도 변화에 따른 특성이 우수한 적층형 파워 인덕터에 관한 것이다.

다음 도 8은 본 발명에 따른 적층형 파워 인덕터의 구조를 나타낸 것으로서, 내부 전극(10)을 포함하는 복수의 자성체층이 적층된 본체층(20), 및 복수의 갭층(30)을 포함하며, 상기 갭층(30)은 비대칭 구조를 가지는 데 특징이 있다.

본 발명에 따른 적층형 파워 인덕터에 포함되는 갭층(30)은 다음 도 9에서와 같이, 상기 복수의 본체층(20)과 맞닿는 면은 내부에 기공이 없는 비다공성(non-porous, dense) 구조(31)를 가지고, 상기 복수의 본체층(20)과 맞닿지 않는 면은 다공성(porous) 구조(32)를 가지는 것이 바람직하다.

다음 도 9에서와 같이, 본 발명의 갭층(30)에 형성된 상기 비다공 구조(31)는 본체층(20, body)과 갭층(30) 사이에 별도의 구별되는 층으로 작용하여 두 층을 서로 연결하는 결합층의 역할을 하게 된다. 만일, 상기 비다공성 구조(31)가 없다면, 적층된 구조에서 본체층(20)과 갭층(30) 간의 박리(delamination)가 빈번하게 발생되는 문제가 있다.

본 발명에 따른 갭층은 4가 금속 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 비자성체 재료를 포함하여 형성될 수 있다. 여기서 상기 4가 금속은 Ti, Zr, 및 Sn으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.

상기 4가 금속은 anatase 구조 또는 rutile 구조를 가질 수 있으나, 그 구조에 특별히 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 4가 금속 산화물에 추가적으로 첨가제를 포함할 수 있는데, 구체적으로는 상기 4가 금속 산화물 100몰%에 대하여 CuO 0.001~0.05몰%, ZnO 0.001~0.1몰%, Fe₂O₃ 0.001~1 몰%, 및 Bi₂O₃ 0.001 ~ 0.01 몰%로 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 갭층의 물성을 해치지 않는 범위 내에서, 상기 첨가제들을 글라스 형태로 첨가하거나, 또는 다른 원소를 미량 첨가 할 수 있음은 당업자에게 자명하다.

일반적으로 투자율이 낮을수록 재료의 DC-bias 특성은 더 향상될 수 있기 때문에, 투자율이 낮은 재료를 갭층의 주성분으로 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 투자율이 낮은 재료만을 사용하는 경우 소결성이 저하되는 문제가 있기 때문에 본 발명에서는 투자율과 소결성을 고려하여, 상기와 같은 갭 조성물을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 기존의 비자성적인 특성을 갖는 ZnCu ferrite를 사용하지 않기 때문에, 이러한 구리 포함 페라이트에서 발생되는 문제를 해결할 수 있다.

본 발명에 따른 갭층은 소량의 구리 산화물만을 포함하고 있기 때문에, 종래 갭층 조성물에서 과량의 구리 치환된 Zn-ferrite를 사용함으로 인해 온도 변화에 따라 파워 인덕터의 특성이 떨어지는 문제는 발생되지 않는다.

본 발명에 따른 갭층이 상기와 같은 비대칭 구조를 가지는 것은, 갭층 조성물에 포함된 4가 금속 산화물　및 첨가제 중 일부의 성분과 본체층(body)에 사용된 성분들이 일부 확산되어 비다공성 구조와 다공성 구조를 형성하게 된다.

만일 상기 갭층이 본 발명과 같이 비다공성 구조와 다공성 구조의 비대칭 구조를 가지지 않고, 종래 통상의 경우와 같이 다공성 구조로만 형성된다면, 본체에 사용된 스피넬 구조의 페라이트와 갭층에 사용된 rutile (혹은 anatase) 구조의 4가 금속 간의 격자 상수 및 격자 구조가 달라서 mismatch가 발생하게 되는 문제가 있다. 그러나, 본 발명에서는 비다공성 구조를 갭층에 포함되도록 함으로써, 또한, 이러한 비다공성 구조는 본체로 사용된 스피넬 구조의 페라이트와 유사한 격자 상수 및 구조를 가져 이러한 mismatch 발생 문제를 해결할 수 있다.

따라서, 비대칭 구조를 가지는 갭층을 포함하는 본 발명의 파워 인덕터는 온도 특성을 개선할 수 있고, 파워 인덕터의 용량을 증가시킬 수 있으며, DC-bias 특성을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다. 또한, 전류인가에 따른 인덕턴스 L값의 변화를 적게 하기 위해 coil 내부의 자속을 분산 및 차단 시키고, 갭층으로 인한 박리를 방지할 수 있다.

본 발명에서는 상기 갭층(30)에서 비다공성 구조(31)의 두께가 0.1 ~ 3㎛인 것이 바람직하다. 상기 비다공 구조(31)의 두께가 0.1㎛ 미만의 크기를 가지면 갭층과 본체층과의 결합력이 약해서 박리가 발생할 수 있고, 3㎛를 초과하게 되면 비자성체층인 갭층이 너무 두꺼워져 용량 값과 품질계수 Q값이 작아지는 문제점이 발생되어 바람직하지 못하다.

또한, 본 발명의 갭층(30) 구조에서, 복수의 본체층과 맞닿지 않는 면은 그 내부에 다수의 기공이 형성된 다공성(porous) 구조(32)를 가지는 것을 알 수 있는데, 이러한 기공은 에어 갭(air gap)의 역할을 하여 DC-bias 특성을 개선 시키는 역할을 하게 된다.

본 발명의 내부 전극은 Ag, Sn, Ni, Pt, Au, Cu, 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상을 사용하며, 이 중에서 Ag이 가장 바람직하다.

또한, 본체층(body layer)는 NiZnCu ferrite를 사용하여 형성시킬 수 있다.

또한, 상기 본체층은 추가적으로 상기 NiZnCu ferrite 100몰%에 대해 Bi₂O₃, CoO, 및 TiO₂로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 0.2몰% 이내로 포함할 수 있다.

본 발명에 따라 제조된 적층형 파워 인덕터는 -50 ~ 125℃의 온도 범위에서 인덕턴스 변화율이 No-Bias에서 10% 이내인 특징을 가진다.

다음에서, 본 발명에 따른 적층형 파워 인덕터를 이하의 실시예에 의해 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것이 아니다.

실시예 1

TiO₂ 원료 100 몰%에 대해서 CuO 0.001몰%, 0.001 몰%, Fe₂O₃ 0.001 몰%, 및Bi₂O₃ 0.001몰%를 첨가하여 본 발명에 따른 갭층 조성물을 제조하였다.

상기 갭층 조성물을 이용하여 형성된 갭층을 포함하며, 다음 도 8과 같은 같은 구조를 가지는 적층형 파워 인덕터를 제조하였다.

내부 전극은 Ag을 사용하였고, 본체층은 NiZnCu ferrite 100몰%에 대해 Bi₂O₃, CoO, 및 TiO₂로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 0.2몰% 이내로 첨가하여 형성시켰다.

본 발명에 따른 적층형 파워 인덕터는 상기 본체층 사이에 갭층(15㎛)을 3장 형성시킨 구조를 가진다.

비교예 1

갭층으로서 ZnCu ferrite를 주성분으로 사용하여 갭층 조성물을 제조하였다.

또한, 본체층은 상기 실시예 1과 동일한 성분을 사용하였으며, 상기 본체층 사이에 ZnCu ferrite 갭층(20㎛)을 3장 형성시킨 구조를 가진다.

실험예 1 : 구조 확인

상기 실시예 1과 비교예 1에 따라 제조된 적층형 파워 인덕터에서 갭층과 본체층의 구조를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였으며, 그 결과를 다음 도 9~10에 나타내었다.

기존의 ZnCu ferrite를 갭층으로 사용한 비교예 1에 따른 도 9(A)의 경우, 갭층과 본체층을 별도로 형성시킨 것이지만, 실제 SEM 사진에서는 갭층(30)과 본체층(20)이 거의 구별되지 않는 것으로 확인되었다.

그러나, 다음 도 9(B)에서와 같이, 본 발명에 따라 형성된 갭층(30)은 본체층(20, body)와 맞닿는 부분에서는 비다공성 구조(31)를 가지며, 본체(body)와 맞닿지 않는 부분에서는 porous(32)한 비대칭 구조를 가지는 것을 알 수 있다. 또한, 이를 구조적으로 모식한 도 9(C)에서와 같이, 본체층(20)과 비대칭 구조를 가지는 갭층(30)이 명확하게 구분됨을 확인할 수 있다. 또한, 상기 비다공성 구조는 약 3㎛의 두께를 가지는 것으로 확인되었다.

또한, 상기 도 9(B)를 확대시킨 도 10에서 보면, 본 발명에 따른 갭층(30)이 비다공성 구조(31)와 다공성 구조(32)의 비대칭 구조를 가지며, 본체층(20)과 명확하게 구분되는 것을 확인할 수 있다.

실험예 2 : bias - TCL 특성 확인

상기 실시예 1과 비교예 1에 따라 제조된 적층형 파워 인덕터의 bias-TCL 특성을 확인하였으며, 그 결과를 다음 도 11~12에 나타내었다.

각 실시예 1과 비교예 1에 따라 제조된 적층형 파워 인덕터의 Bias- TCL의 인덕턴스 값 상한치는 약 6 uH 이며, 0.5A 에서의 인덕턴스 값은 2.25uH를 기준으로 각 bias-TCL 특성을 확인하였다.

비교예 1에 따라 제조된 적층형 파워 인덕터의 경우, 다음 도 11에서 보는 바와 같이, bias-TCL 특성이 온도에 따라 매우 다르게 나타나는 것을 알 수 있다. 즉, 온도에 따라 초기 인덕턴스 값이 많이 벌어지는 것을 알 수 있다. 또한, DC-bias를 인가함에 따라 인덕턴스 값이 급격하게 변화하는 것을 알 수 있으며, 특히 온도가 낮은 -30℃에서는 이러한 현상이 더 심하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이는 종래 갭층 조성물에 사용된 성분들과 본체에 사용된 성분들이 상호 확산되어 온도 특성을 떨어뜨린 결과로 볼 수 있다.

그러나, 본 발명 실시예 1에 의해 제작된 적층형 파워 인덕터의 bias-TCL 특성 그래프(도 12)를 보면 온도를 변화시킴에 따라 그 특성의 차이 값을 보이지 않고 있음을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 적층형 파워 인덕터는 -50 ~ 125℃의 온도 범위에서 인덕턴스 변화율이 No-Bias에서 10% 이내로 매우 적은 것을 알 수 있다. 이는, 본 발명에서 갭층의 구조를 비대칭 구조를 가지도록 그 구조를 변경함으로써, 갭층과 본체층 상호 간에 원치 않는 성분들이 확산되는 것을 효과적으로 제한한 결과라 할 수 있다.

아울러, 본 발명 실시예 1과 비교예 1은 동일한 적층수(3층)를 가지나, 비교예 1의 경우 ZnCu ferrite 20㎛ 시트를 3장 사용하였고, 실시예 1에서는 TiO₂ 포함 갭층을 15㎛ 시트를 3장을 사용한 것으로, 전체 갭층의 두께는 본 발명의 실시예 1이 더 얇은 것을 알 수 있다. 통상 비자성층인 갭층의 두께가 얇아짐에 따라 bias-TCL 특성이 나빠지는 것으로 알려져 있으나, 다음 도 12에서 확인할 수 있는 바와 같이, 갭층의 두께가 더 얇더라도 bias-TCL 특성은 더 우수함을 알 수 있다. 이것은 적층형 파워 인덕터의 bias-TCL 특성을 개선함과 동시에 칩의 두께를 감소시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.

10 : 내부전극
20 : 본체층(body layer)
30 : 갭층(gap layer)
31 : 갭층에 형성된 비다공성 구조
32 : 갭층에 형성된 다공성 구조
40 : 외부단자
50 : 도금층

Claims

내부 전극을 포함하는 복수의 자성체층이 적층된 본체층(body layer), 및
복수의 갭층(gap layer)을 포함하며,
상기 갭층은 상기 본체층과 맞닿는 면과 맞닿지 않는 면이 비대칭 구조를 가지는 것인 적층형 파워 인덕터.
제1항에 있어서,
상기 갭층의 비대칭 구조는 상기 복수의 본체층과 맞닿는 면은 내부에 기공이 없는 비다공성(non-porous) 구조이고, 상기 복수의 본체층과 맞닿지 않는 면은 다공성(porous) 구조를 가지는 것인 적층형 파워 인덕터.
제1항에 있어서,
상기 갭층은 비자성체층인 적층형 파워 인덕터.
제2항에 있어서,
상기 갭층에서 기공이 없는 비다공성 구조의 두께는 0.1~3㎛인 적층형 파워 인덕터.
제1항에 있어서,
상기 내부 전극은 Ag, Sn, Ni, Pt, Au, Cu, 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 적층형 파워 인덕터.
제1항에 있어서,
상기 본체층은 NiZnCu ferrite인 적층형 파워 인덕터.
제6항에 있어서,
추가적으로 상기 NiZnCu ferrite 100몰%에 대해 Bi₂O₃, CoO, 및 TiO₂로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 0.2몰% 이내로 포함하는 적층형 파워 인덕터.
제1항에 있어서,
상기 갭층은 4가 금속 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 비자성체 재료를 포함하는 적층형 파워 인덕터.
제8항에 있어서,
상기 4가 금속은 Ti, Zr, 및 Sn으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 것인 적층형 파워 인덕터.
제8항에 있어서,
상기 갭층은 추가적으로 첨가제를 더 포함하는 적층형 파워 인덕터.
제10항에 있어서,
상기 첨가제는 4가 금속 산화물 100몰%에 대하여 CuO 0.001~0.05몰%, ZnO 0.001~0.1몰%, Fe₂O₃ 0.001~1 몰%, 및 Bi₂O₃ 0.001 ~ 0.01 몰%로 포함하는 적층형 파워 인덕터.
제1항에 있어서,
상기 적층형 파워 인덕터는 -50 ~ 125℃의 온도 범위에서 No-Bias에서 인덕턴스 변화율이 10% 이내인 것인 적층형 파워 인덕터.