KR101253768B1 - 페라이트 재료 - Google Patents
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Abstract
조성식이 x(Li0 .5Fe0 .5)O·yZnO·z(Mn,Fe)2O3이며, 또한 a=Mn/(Mn+Fe)으로 한 경우, 상기 조성식 및 조건에 있어서 x, y, z, a가, 0.18≤x≤0.30, 0.20≤y≤0.30, 0.48≤z≤0.53, 0.01≤a≤0.25, x+y+z=1을 만족하는 재료에 6질량% 이하, 바람직하게는 4질량% 이하의 Bi2O3 를 첨가하여 이루어지는 페라이트 재료. 이 페라이트 재료는, 높은 외부응력하에 있어서의 투자율의 변화가 매우 적고, 압축응력하에서 코어 로스가 적다. 이 페라이트 재료를 사용함으로써 수지 몰딩된 상태에서도 손실이 적은 인덕터, 변압기가 얻어진다.
페라이트 재료, 투자율, 코어 로스
Description
본 발명은, 전원 회로용 등에 이용되는 인덕터(Inductor), 변압기(Transformer) 등의 코어재료(Core material)에 이용되는 페라이트 재료에 관한 것으로, 특히 Li-Zn-(Fe,Mn)페라이트에 소량의 Bi2O3를 첨가함으로써, 초기 투자율이 크고, 압축응력에 대한 투자율의 변화율이 적은 특성을 가지는 페라이트 재료에 관한 것이다.
근년, DC-DC컨버터 등의 전원회로에 사용되는 인덕터, 변압기의 재료에는, 높은 변환 효율을 얻기 위해서 고주파 대진폭 여자(勵磁)로 저손실일 것, 직류 바이어스 자계 인하시에도 소정의 자속밀도 변환량을 얻기 위해서 저전류 자속밀도일 것, 도체와의 전기적인 절연을 확보하기 위해서 고비저항일 것이 요구되고 있다.
특히,부품으로서의 신뢰성을 향상시키기 위해서, 인덕터,변압기를 수지(樹脂) 내에 몰딩하는 것이 일반적으로 이루어지고 있으며, 이와 같은 수지 몰딩 타입 의 소자로는, 수지 경화시에 코어재료에 압축응력이 가해지는 것이 알려져 있다.
즉,코어재료로서 사용되는 페라이트 재료는 압축응력의 크기에 따라서 투자율 및 코어 로스(Core loss)가 변화하기 때문에, 수지 몰딩 전후에서 소자의 인덕턴스 값 및 손실은 변화한다. 그 때문에, 더욱 안정한 소자 성능을 얻기 위해서는, 압축응력에 대한 투자율 및 코어 로스의 변화가 적은 페라이트 재료를 사용할 필요가 있다.
특허문헌1: 일본 특허공개 평11-87126호 공보
특허문헌2: 일본 특허공개 평1-179402호 공보
특허문헌3: 일본 특허공개 2002-60224호 공보
특허문헌4: 일본 특허공개 소60-76107호 공보
특허문헌5: 일본 특허공개 2000-269017호 공보
특허문헌6: 일본 특허공표 평9-505269호 공보
본 발명 이와 같은 사정을 감안하여 안출된 것으로, 코어에 이용되는 페라이트 재료에 있어서, 초기투자율이 200 이상으로 크고, 응력에 의한 초기투자율의 변화가 적으며, 또한 코어 로스가 적은 페라이트 재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, Li페라이트에 있어서의 문제점인 BH루프(B-H Loop)의 각형성(Squareness)을 개선할 수 있는 조성에 대한 연구에 전력한 결과, Li-Zn-Fe페라이트에 Bi2O3를 첨가, 바람직하게는 6질량% 이상의 비교적 다량의 Bi2O3를 첨가함으로써, BH루프의 각형비(Squareness Ratio)가 적어지는 즉, Bs-Br 값이 크게 되는 것을 알았다.
또한, 본 발명자들은, Bi2O3를 첨가한 Li-Zn-Fe페라이트에 있어서, ZnO의 일부를 CuO로 치환하면 소성온도의 저하와 치밀성의 향상의 효과 있다는 것, Fe2O3의 일부를 Mn2O3로 치환하면 비저항의 향상 효과가 있다는 것을 알았다.
또한, 본 발명자들은, Li-Zn-Fe페라이트에 있어서 Bi2O3의 첨가량을 여러 가지로 검토한 결과, 특정량의 Mn을 포함하는 Li-Zn-(Mn,Fe)페라이트에 있어서, 6질량% 미만, 바람직하게는 5질량% 이하의 Bi2O3를 첨가하면 특히 높은 외부응력 하에 있어서의 투자율의 변화가 매우 적은 페라이트 재료가 얻어지는 것을 알아, 본 발명을 완성하였다.
즉, 본 발명의 페라이트 재료는, 조성식이x(Li0 .5Fe0 .5)O·yZnO·z(Mn,Fe)2O3이며, 또한 a=Mn/(Mn+Fe)으로 한 경우, 조성식 및 조건에 있어서의 x,y,z,a가, 0.18≤x≤0.30, 0. 20≤y≤0.30, 0.48≤z≤0.53,0.01≤a≤0.25,x+y+z=1을 만족하는 재료에 Bi2O3를 0.2질량% 이상 6질량% 이하 첨가하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 구성을 가지는 페라이트 재료에 있어서, Bi2O3 를 0.05질량% 이상 0.5질량% 이하의 V2O5로 치환해도 된다.
또한, 본 발명은, 상기 구성을 가지는 페라이트 재료에 있어서, Bi2O3의 첨가량은, 0.2질량% 이상 4질량% 이하인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 상기 구성을 가지는 페라이트 재료에 있어서, ZnO의 일부를 CuO로 치환해도 된다.
또한, 본 발명은, 상기 구성을 가지는 페라이트 재료에 있어서, ZrO2, ZrSiO4, SiO2의 어느 1종 이상을 5질량% 이하 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 페라이트 재료는, 투자율이 200 이상이며, 압력 35MPa로 가압하였을 때의 투자율의 변화율이 ±10% 이내이다.
또한, 본 발명의 페라이트 재료는, 압력 35MPa로 가압하였을 때의 1MHz, 50mT의 코어 로스가 7000kW/m3 이하이다.
본 발명에서는, 초기투자율이 200 이상으로 높고, 또한 응력에 대한 투자율 변화가 적으며, 또한 코어 로스가 적은 페라이트 재료를 얻는 것이 가능하며, 인덕터 또는 변압기, 특히 수지 몰딩된 인덕터 또는 변압기 등에 적용하는 것이 가능하다.
본 발명에서는, 초기투자율이 크고, 압축응력에 대한 투자율의 변화율이 적은 페라이트를 얻는 것이 가능하며, 그 결과, 반자계 계수의 크기에 의존하지 않고 인덕턴스의 불균일이 적은 인덕터, 변압기를 얻는 것이 가능하게 된다.
본 발명에서는, 압축응력 하에서 코어 로스가 적은 페라이트를 얻는 것이 가능하며, 수지 몰딩된 상태에서도 손실이 적은 인덕터, 변압기를 얻는 것이 가능하게 된다.
[도1]본 발명의 실시예1의 적합예/비교예에 있어서의 조성 및 특성을 나타내는 도표.
[도2]본 발명의 실시예1의 적합예/비교예에 있어서의 조성 및 특성을 나타내는 도표.
[도3]본 발명의 실시예2의 적합예/비교예에 있어서의 조성 및 특성을 나타내는 도표.
[도4]본 발명의 실시예3의 적합예/비교예에 있어서의 조성 및 특성을 나타내는 도표.
본 발명의 페라이트 재료는 특정량의 Mn을 포함하는 Li-Zn-Fe페라이트에, 소량의 Bi2O3를 첨가하는 것을 주요 특징으로 한다. 이하에, 본 발명에 의 한 페라이트 재료의 조성의 한정 이유를 상세히 기술한다.
조성식 x(Li0 .5Fe0 .5)O·yZnO·z(Mn,Fe)2O3에 있어서, x는(Li0.5Fe0 .5)O의 함유율이며, 0.18~0.30(0.18 이상, 0.30 이하, ~의 의미는 이하 마찬가지)의 범위가 바람직하다. 0.18 미만에서는, 큐리(Curie) 온도의 향상을 기대할 수 없으며, 0.30을 넘으면 초기투자율이 적고, 실용적이지 않기 때문이다. 더욱 바람직한 범위는, 0.22~0.27이다.
조성식 x(Li0 .5Fe0 .5)O·yZnO·z(Mn,Fe)2O3에 있어서, y는 ZnO의 함유율이며, 0.20~0.30의 범위가 바람직하다. 0.20 미만에서는 200 이상의 초기투자율을 얻을 수 없어 실용적이지 않으며, 0.30을 넘으면 큐리 온도가 낮다. 즉, 뒤에서 기술하는 것처럼, x+y+z=1이며, 또한, z의 조성범위가 좁기 때문에, y는 실질적으로 x에 역비례 하게 된다. 더욱 바람직한 범위는 0.23~0.28이다. ZnO의 일부를 CuO로 치환함으로써, 더욱 낮은 소성온도에서의 치밀화가 가능하게 된다. 바람직한 치환율은 0~0.5(50%이하)이며, 0.5를 넘으면 투자율이 저하하기 때문에 바람직하지 않다.
조성식 x(Li0 .5Fe0 .5)O·yZnO·z(Mn,Fe)2O3에 있어서, z는Fe2O3 상당의 함유율이고, (Li0 .5Fe0 .5)O에 있어서의 Fe를 제외한 것이며, 0.48~0.53의 범위가 바람직하다. 0.48 미만에서는 높은 초기투자율을 얻을 수 없을뿐더러 코어 로스가 증가하고, 0.53을 넘어서도 높은 투자율을 얻을 수 없을뿐더러 코어 로스가 증가하기 때문에 바람직하지 않다. Fe2O3의 일부를 Mn2O3로 치환하지만, Mn의 함유량이 적으면 응력에 의한 투자율, 코어 로스의 변화가 커지며, Mn의 함유량이 많으면 큐리 온도가 저하함과 함께 코어 로스가 증대하기 때문에, a=Mn/(Mn+Fe)의 조건에서, a는 0.01~0.25가 바람직하다. 더욱 바람직한 범위는 0.04~0.15이다.
위에서 기술한 x,y,z는 조성식 x(Li0 .5Fe0 .5)O·yZnO·z(Mn,Fe)2O3에 있어서, x+y+z=1로 된다.
위에서 기술한 조성식 x(Li0 .5Fe0 .5)O·yZnO·z(Mn,Fe)2O3로 이루어진 페라이트 재료에, 첨가제로서, Bi2O3를 0.2질량% ~ 6질량% 첨가한다. 이 Bi2O3의 첨가가 본 발명의 특징이며, 이 첨가에 의해 본 발명의 효과를 발휘하는 것이 가능하게 된다. Bi2O3는 0.2질량% 미만에서는 자기손실이 증대하기 때문에 바람직하지 않으며, 6질량%를 넘으면 목적으로 하는 높은 초기투자율을 얻는 것과 압축응력에 대한 투자율의 변화율이 적은 특성을 얻는 것의 양립이 곤란하게 된다. 바람직한 범위는 0.2질량% ~ 4질량%이며, 더욱 바람직하게는 0.2 질량%~ 2 질량%이다.
또한, 본 발명에 있어서,첨가한 Bi2O3의 일부를 V2O5로 치환해도 된다. V2O5의 첨가량의 하한은 0.05질량%, 상한은 0.5질량%로 한다. V2O5의 첨가량이 0 .05질량% 미만에서는 자기손실이 증대하며, V2O5의 첨가량이 0.5질량%를 넘으면 투자율이 저하한다.
상기 조성의 페라이트 재료에 있어서, 응력에 의한 초기투자율의 변화를 저감할 목적으로 ZrO2, ZrSiO4, SiO2의 어느 1종 이상을 첨가하는 것이 가능하다. 어느 하나 또는 복합 첨가도 그 첨가량이 5질량%를 넘으면, 높은 투자율을 얻을 수 없을뿐더러 코어 로스가 증대하기 때문에 5질량% 이하의 첨가로 한다.
본 발명에 의한 페라이트 재료는, 투자율이 200 이상이며, 압력35MPa로 가압했을 때의 투자율의 변화율이 ±10% 이내인 특성이 얻어지며, 또한, 압력35MPa로 가압했을 때의 1MHz, 50mT의 코어 로스가 7000kW/m3 이하인 특성이 얻어진다.
본 발명에 의한 페라이트 재료는, 예를 들면 이하와 같은 제조 방법에 의해 얻을 수 있다.
(1)출발원료로 되는 탄산염 분말과 산화물 분말을, 소결 후의 조성이 x(Li0.5Fe0 .5)O·yZnO·z(Mn,Fe)2O3이며, 또한 a=Mn/(Mn+Fe)에 있어서, x, y, z, a가, 0.18≤x≤0.30, 0.20≤y≤0.30, 0.48≤z≤0.53, 0.01≤a≤0.25, x+y+z=1을 만족하도록 칭량해서 혼합한다.
(2)혼합분말을 가소(假燒) 한다. 가소 온도는 800℃~1000℃가 바람직하다. 가소 시간은 2시간~5시간이 바람직하다. 또한, 가소 분위기는 대기 중 또는 산소 분위기 중이 바람직하다.
(3)가소 후의 가소분(粉)에 대해서, Bi2O3 등의 부성분을 소정량 첨가한 후, 미분쇄한다. 미분쇄는, 순수(純水) 또는 에탄올 중에서 행하는 것이 바람직하다. 또한, 분쇄 후의 분쇄분의 평균 입경은 0.5μm~1.5μm가 바람직하다. 또한, Bi2O3 등은, 위에서 기술한 것처럼 가소 후, 미분쇄 전에 첨가하는 것이 바람직하지만, 원료 배합 단계(상기(1)의 공정)또는 미분쇄 후에 첨가해도 된다.
(4)미분쇄 후의 분쇄분을 원하는 성형 수단에 의해 성형한다. 성형 전에, 필요에 따라서 분쇄분을 조립(造粒) 장치에 의해서 조립해도 된다. 성형 압력은 70MPa~150MPa이 바람직하다.
(5)성형체를 소결한다. 소결 분위기는, 대기 중 또는 산소 분위기 중이 바람직하며, 소결온도는 800℃~1050℃, 특히 850℃~1000℃가 바람직하며, 소결시간은 2시간~5시간이 바람직하다.
실시예 1
최종적으로 도1, 도2에 나타내는 여러 가지의 주성분 조성비로 되도록 원료 분말을 혼합하여, 대기 중에서 900℃에서 3시간 가소 하였다. 얻어진 가소분에 대해서, 도1, 도2에 나타내는 부성분의 Bi2O3를 1.0질량% 첨가하며, 볼밀로 습식 분쇄한 후에 건조하였다.
얻어진 분말에 폴리비닐 알코올(Polyvinyl Alcohol) 7wt% 용액을 14w t% 첨가하며, 이어서 조립을 행하여 조립분으로 하여 그 조립분을 외경9mm × 내경 4mm × 두께 3mm의 링 형상과, 장변 30mm × 단변 20mm × 두께5mm의 판형상으로, 성형압력 14.7×104 kPa로 성형하고, 얻어진 성형체에 대기 중에서 930℃ × 3시간의 소결을 실시하였다.
얻어진 링형상 소결체에 코일감기를 실시하고, LCR미터로 초기투자율, BH애널라이저로 코어 로스(1MHz,50mT), 3600A/m의 BH루프를 측정하였다. 또한, 판상 소결체로부터 장변8mm × 단변4mm × 두께2mm의 사진틀 형상의 시료를 잘라내, 그 시료에 코일감기를 실시하고, 투자율μi을 측정하였다. 또한, 일축으로 35MPa으로 가압하여, 가압 전후의 투자율 μi의 변화율과 코어 로스 Pcv를 측정하였다.
도1 및 도2에서 분명한 것처럼, 본 발명의 실시예에서는, 200 이상의 높은 투자율을 가지며, 응력에 대한 투자율의 변화가 적고, 응력하에서의 코어 로스가 적은 페라이트가 얻어진 것을 알 수 있다.
실시예2
최종적으로 도3에 나타내는 특정의 주성분 조성비로 되도록 원료분말을 혼합하여, 대기 중에서 900℃에서 3시간 가소 하였다. 얻어진 가소분에 대해서, 도3에 나타내는 부성분의 Bi2O3 를 0.0질량%~12.0질량%의 여러 가지 첨가량으로 첨가하여, 볼밀로 습식분쇄한 후에 건조하였다.
얻어진 분말에 폴리비닐 알코올 7wt%용액을 14wt%첨가하고, 이어서 조립을 행하여 조립분으로 하여 그 조립분을 외경9mm × 내경4mm × 두께3mm의 링형상과, 장변30mm × 단변20mm × 두께5mm의 판형상으로 성형압력14.7×104 kPa으로 성형하고, 얻어진 성형체를 대기 중에서 930℃~1000℃ × 3시간의 소결을 실시하였다.
얻어진 링형상 소결체에 코일감기를 실시하고, LCR미터로 초기투자율, BH애너라이저로 코어 로스(1MHz,50mT), 3600A/m의 BH루프를 측정하였다. 또한, 판상소결체로부터 장변8mm × 단변4mm × 두께2mm의 사진틀 형상의 시료를 잘라내, 그 시료에 코일감기를 실시하고, 투자율μi을 측정하였다. 또한, 일축으로 35MPa으로 가압하여, 가압 전후의 투자율 μi의 변화율과 코어 로스 Pcv를 측정하였다.
도3에서 분명한 것처럼, 본 발명의 실시예에서는 200 이상의 높은 투자율을 가지며, 응력에 대한 투자율의 변화가 적고, 응력하에서의 코어 로스가 적은 페라이트가 얻어진 것을 알 수 있다.
실시예3
최종적으로 도4에 나타내는 특정의 주성분 조성비로 되도록 원료분말을 혼합하여, 대기 중에서 900℃에서 3시간 가소 하였다. 얻어진 가소분에 대해서, 도4에 나타내는 부성분의 Bi2O3를 1.0 질량%과 Bi2O3 이외의 여러 가지 부성분 을 여러 가지 첨가량으로 첨가하여, 볼밀로 습식분쇄한 후에 건조하였다.
얻어진 분말에 폴리비닐 알코올 7wt% 용액을 14wt% 첨가하고, 이어서 조립을 행하여 조립분으로 하여 그 조립분을 외경 9mm × 내경 4mm × 두께3mm의 링 형상과, 장변30mm × 단변20mm × 두께5mm의 판형상으로, 성형압력 14.7×104 kPa으로 성형하고, 얻어진 성형체를 대기 중에서 930℃ × 3시간의 소결을 실시하였다.
얻어진 링형상 소결체에 코일감기를 실시하고, LCR미터로 초기투자율, BH애너라이저로 코어 로스(1MHz,50mT), 3600A/m의 BH루프를 측정하였다. 또한, 판상소결체로부터 장변8mm × 단변4mm × 두께2mm의 사진틀 형상의 시료를 잘라내, 그 시료에 코일감기를 실시하고, 투자율 μi을 측정하였다. 또한, 일축으로 35MPa으로 가압하여, 가압 전후의 투자율 μi의 변화율과 코어 로스 Pcv를 측정하였다.
도4에서 분명한 것처럼, 본 발명의 실시예에서는, 200 이상의 높은 투자율을 가지며, 응력에 대한 투자율의 변화가 적고, 응력하에서의 코어 로스가 적은 페라이트가 얻어진 것을 알 수 있다.
본 발명에 의하면 실시예로부터 분명한 것처럼, 투자율이 200 이상이며, 압력 35MPa으로 가압하였을 때의 투자율의 변화율이 ±10% 이내인 특성이 얻어지며, 또한, 압력 35MPa으로 가압하였을 때의 1MHz, 50mT의 코어 로스가 7000kW/m3 이하인 특성이 얻어지며, 수지 몰딩된 상태에서도 코어손실이 적은 인덕터, 변압기를 제공할 수 있다.
Claims (7)
- 조성식이 x(Li0 .5Fe0 .5)O·yZnO·z(Mn,Fe)2O3이며, 또한 a=Mn/(Mn+Fe)으로 한 경우, 상기 조성식 및 조건에 있어서 x, y, z, a가, 0.18≤x≤0.30, 0.20≤y≤0.30, 0.48≤z≤0.53, 0.01≤a≤0.25, x+y+z=1을 만족하는 재료에 Bi2O3를 0.2질량% 이상 6질량% 이하 첨가하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 페라이트 재료.
- 제1항에 있어서,Bi2O3가 0.05질량% 이상 0.5질량% 이하의 V2O5로 치환되어 있는 페라이트 재료.
- 제1항에 있어서,Bi2O3의 첨가량은 0.2질량% 이상 4질량% 이하인 페라이트 재료.
- 삭제
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,ZrO2, ZrSiO4, SiO2의 어느 1종 이상을 5질량% 이하 포함하는 페라이트 재료.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,투자율이 200 이상이며, 압력 35MPa로 가압하였을 때의 투자율의 변화율이 ±10% 이내인 페라이트 재료.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,압력 35MPa로 가압하였을 때의 1MHz, 50mT의 코어 로스가 7000kW/m3 이하인 페라이트 재료.
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