KR101429207B1 - 저손실 페라이트 및 이를 사용한 전자 부품 - Google Patents

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Abstract

주성분으로서 47.1∼49.3mol%의 Fe2O3, 20∼26mol%의 ZnO, 6∼14mol%의 CuO, 및 잔부(NiO)를 함유하고, 또한 상기 주성분 100질량%에 대하여, SnO2 환산으로 0.1∼2질량%의 Sn, 및 Mn3O4 환산으로 0.05∼2질량%의 Mn을 함유하고, 평균 결정 입경이 0.5∼3㎛인 것을 특징으로 하는 저손실 페라이트.

Description

저손실 페라이트 및 이를 사용한 전자 부품{LOW-LOSS FERRITE AND ELECTRONIC COMPONENT USING THE SAME}
본 발명은, 저온 소결(燒結) 가능하며, 응력(stress) 하에서도 넓은 온도 범위에서 특성 변동이 적은 저손실 페라이트, 및 이를 사용하여 인덕터를 구성한 전자 부품에 관한 것이다.
각종 휴대형 전자 기기[휴대폰, 휴대 정보단말기(PDA), 노트형 PC, DVD 플레이어, CD 플레이어, MD 플레이어, 디지털 카메라, 디지털 비디오 카메라 등]는, 내장 전지의 전압을 동작 전압으로 변환하는 전력 변환 장치로서, 복수의 DC/DC 컨버터를 구비하고 있다. 예를 들면 노트형 PC에서, DC/DC 컨버터는 DSP(Digital Signal Processor), MPU(Micro Processing Unit) 등의 근처에 배치되어 있다.
DC/DC 컨버터의 하나의 예로서, 도 6은, 입력 콘덴서(Cin), 출력 콘덴서(Cout), 출력 인덕터(Lout), 및 스위칭 소자 및 제어 회로를 포함하는 반도체 집적 회로(IC)를, 프린트 기판 상에 디스크리트(descrete) 회로로서 배치하여 이루어지는 강압형 DC-DC 컨버터(step-down type DC-DC converter)를 나타낸다. 제어 회로로부터의 제어 신호에 기초하여 스위칭 소자를 스위칭함으로써, 직류 입력 전압(Vin)으로부터 Vout = Ton/(Ton + Toff)×Vin[다만, Ton은 스위칭 소자가 온(on) 된 시간을 나타내고, Toff는 오프(off)된 시간을 나타냄]으로 나타낸 출력 전압(Vout)이 얻어진다. 입력 전압(Vin)이 변동하더라도, Ton과 Toff의 비율을 조정함으로써 안정된 출력 전압(Vout)이 얻어진다. 전류 에너지의 축적과 방출을 행하는 출력 인덕터(Lout)와, 전압 에너지의 축적과 방출을 행하는 출력 콘덴서(Cout)로 이루어지는 LC 회로는, 직류 전압을 출력하기 위한 필터 회로(평활 회로)로서 기능한다.
출력 인덕터(Lout)로서 현재 널리 사용되고 있는 것은, 도 8 및 9에 도시한 바와 같이 자심(220)에 도선(230)을 감은 권선형(卷線型)이다. 자심(220)에는, 직접 권선 가능한 Ni-Zn계 페라이트, Ni-Cu-Zn계 페라이트 등의 고저항 페라이트가 사용되고 있다.
최근, DSP 및 MPU를 구성하는 LSI(Large Scale Integration)는, 전지 수명을 연장하기 위해 동작 전압의 저하가 가속화되고 있다. MPU 및 DSP와 같은 고속 동작이 요구되는 부품에 대하여, 동작 전압은 2.5V, 더 나아가서는 1.8V까지 저하되고 있다. 이러한 동작 전압의 저하에 의해, DC/DC 컨버터의 출력 전압의 변동[리플(ripple)]에 대한 LSI 측의 전압 마진이 감소하고, 노이즈의 영향을 쉽게 받게 되었다. 그 대책으로서, DC/DC 컨버터의 스위칭 주파수를 종래의 500kHz로부터 1MHz이상으로 향상시켜서, 리플을 억제하고 있다.
스위칭의 고주파수화에 의해 출력 인덕터(Lout)에 요구되는 인덕턴스가 저하되므로, 인덕터의 소형화가 가능하게 되어, 전원 회로를 소형화할 수 있다. 그러나 스위칭의 고주파수화는, 스위칭 소자 및 인덕터에서 발생하는 손실에 의한 변환 효율 저하의 요인이 된다. 인덕터에 의한 전력 손실은, 저주파수에서는 도체선로의 직류 저항 및 출력 전류가 지배적이지만, 고주파수에서는, 교류 저항(도체선로의 교류 저항 및 페라이트의 코어 손실)을 무시할 수 없다. 따라서, 1MHz를 초과하는 고주파수로 스위칭하는 DC/DC 컨버터를 효율적으로 동작시키기 위해서는, 인덕터를 구성하는 페라이트의 코어 손실을 저감시켜야만 한다. 페라이트의 코어 손실은, 히스테리시스 손실(hysteresis loss), 와전류 손실(eddy current loss) 및 잔류 손실(net loss)에 의해 결정된다. 이들 손실은, 페라이트의 보자력(coercive force), 포화자화(saturation magnetization), 자벽 공명(磁壁共鳴) 등의 자기 특성이나, 결정 입자 직경, 비저항(比抵抗)등에 의존하는 것으로 알려져 있다.
일본 특허 공개번호 2002-289421호는, 46∼50mol%의 Fe2O3, 2∼13mol%의 CuO, 24∼30.5mol%의 ZnO, 3.5mol%이하의 Mn2O3, 및 잔부(殘部)(NiO)로 이루어지고, 고포화 자속 밀도로 저손실의 Ni-Cu-Zn계 페라이트를 공개하고 있다. 이 페라이트는, Mn2O3의 첨가에 의해, 150mT의 자속 밀도 및 50kHz의 주파수에서의 손실이 저하된다. 그러나 전술한 문헌에서는, 고주파수에서의 손실의 저감, 및 응력에 의한 특성 열화나 온도 특성의 변화 등에 대한 대책이 행해지지 않고 있다. 전술한 특허는, B, C, Al, Si, P, S, Cl, As, Se, Br, Te, I나, Li, Na, Mg, Al, K, Ca, Ga, Ge, Sr, Cd, In, Sn, Sb, Ba, Tl, Pb, Bi 등의 전형 금속 원소, Sc, Ti, V, Cr, Co, Y, Zr, Nb, Mo, Pd, Ag, Hf, Ta, W 등의 천이 금속 원소 등의 불가피 불순물을 포함해도 된다고 기재하고 있지만, 부성분으로서 Mn과 Sn을 복합 첨가하는 것에 대 해서 전혀 논의하지 않고 있다.
인덕터에는, 응력에 대한 안정성(응력에 대하여 인덕턴스의 변동이 작으며, 손실의 증가가 적은 성질)도 요구된다. 응력에는, 프린트 기판과의 선팽창 계수 차이에 의한 응력, 프린트 기판의 변형에 의한 응력, 인덕터를 수지로 밀봉할 경우에는 몰드 수지의 경화에 의해 생기는 응력, 적층 인덕터의 경우에는 내부 도체와 페라이트를 동시에 소결할 때의 수축 차이에 의한 응력, 외부 단자의 도금 피막에 기인한 응력 등이 있다. 또한, DC/DC 컨버터는 반도체 집적 회로(IC) 등의 열에 노출되므로, 거기에 사용되는 인덕터는 사용 온도에서 안정된 특성을 발휘할 것, 즉 온도에 대하여 인덕턴스의 변동이 작을 것도 요구된다.
응력에 대한 안정성이나 온도 특성이 개선된 페라이트로서, 일본 특허 공개번호 평05-326243호는, 46.5∼49.5mol%의 Fe2O3, 5.0∼12.0mol%의 CuO, 2.0∼30.0mol%의 ZnO, 및 잔부(NiO)로 이루어지는 주성분 100질량%에 대하여, 0.05∼0.6질량%의 Co3O4, 0.5∼2질량%의 Bi2O3, 및 합계 0.1∼2질량%의 SiO2 및 SnO2로 이루어지는 부성분을 첨가한 Ni-Cu-Zn계 페라이트를 공개하고 있다. 그러나, 이 Ni-Cu-Zn계 페라이트는 SnO2를 함유하지만, Mn(Mn203)을 함유하지 않고 있다. 그러므로, Mn 및 Sn의 복합 첨가에 의한 고주파수에서의 손실의 저하, 대응력 안정성 및 온도 특성은 개선될 수 없다. 또한, 융점이 820℃인 Bi2O3를 0.5∼2질량%로 다량으로 함유하므로, 결정 성장이 촉진되고, 평균 결정 입경이 5㎛이상인 결정 조직이 되어, 고주파수에서의 코어 손실이 크다.
[발명이 해결하고자 하는 과제]
따라서, 본 발명의 목적은, Ag의 융점보다 저온으로 소결 가능하고, 2MHz이상의 고주파수에서도 손실이 적으며, 응력 하에서도 넓은 온도 범위에서 특성 변동이 적은 저손실 페라이트, 및 이 저손실 페라이트를 사용한 전자 부품을 제공하는 것이다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
본 발명의 저손실 페라이트는, 주성분으로서 47.1∼49.3mol%의 Fe2O3, 20∼26mol%의 ZnO, 6∼14mol%의 CuO, 및 잔부(NiO)를 함유하고, 또한 상기 주성분 100질량%에 대하여, SnO2 환산으로 0.1∼2질량%의 Sn, 및 Mn3O4 환산으로 0.05∼2질량%의 Mn을 함유하고, 평균 결정 입경이 0.5∼3㎛인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 저손실 페라이트는, 2MHz의 주파수 및 33mT의 동작 자속 밀도(Bm)에서 2700kW/m3이하, 및 5MHz의 주파수 및 10mT의 동작 자속 밀도(Bm)에서 430kW/m3이하의 코어 손실, 및 4000A/m의 자계에서 390mT이상의 포화 자속 밀도(Bs)를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명이 제1 전자 부품은, 상기 저손실 페라이트를 이용한 자심과, 상기 자심에 감긴 코일을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 전자 부품은, 상기 저손실 페라이트를 이용한 복수의 페라이트층으로 이루어지는 일체로 소결된 적층체와, 상기 적층체의 내부에 설치된 Ag를 포함하는 전극으로 이루어지는 코일을 가지는 것을 특징으로 한다. 이 전자 부품은, 스위치 소자를 포함하는 반도체 소자, 커패시턴스 소자 및 저항 소자가 실장되어 있고, 적어도 상기 반도체 소자는 상기 적층체의 표면에 설치된 전극에 실장되어 있는 것이 바람직하다.
[발명의 효과]
본 발명의 저손실 페라이트는, Ag의 융점인 960℃이하에서 소결 가능하며, 2MHz이상의 고주파수에서도 손실이 적으며, 또한 응력 및 큰 직류 중첩 전류가 작용하는 환경 하에서도 넓은 온도 범위에서 특성 변동이 적다. 그러므로, 본 발명의 저손실 페라이트는 적층 인덕터나 코일을 내장하는 적층 기판 등의 전자 부품에 적합하다.
도 1은 본 발명의 저손실 페라이트를 사용한 적층 인덕터를 나타낸 사시도이다.
도 2는 Sn량이 상이한 저손실 페라이트 샘플에 대해서, 인덕턴스의 응력에 의한 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 Sn량이 상이한 저손실 페라이트 샘플에 대해서, 코어 손실의 응력에 의한 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 Mn량이 상이한 저손실 페라이트 샘플에 대해서, 인덕턴스의 응력에 의한 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 Mn량이 상이한 저손실 페라이트 샘플에 대해서, 코어 손실의 응력에 의한 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 6은 DC/DC 컨버터의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 저손실 페라이트를 이용한 DC/DC 컨버터를 나타낸 사시도이다.
도 8은 페라이트 자심을 가지는 인덕터의 일례를 나타낸 단면도이다.
도 9는 도 8의 인덕터를 나타낸 사시도이다.
[1] 저손실 페라이트
(A) 조성
(1) 주성분
본 발명의 저손실 페라이트(Ni-Cu-Zn계 페라이트)은, 주성분으로서 47.1∼49.3mol%의 Fe2O3, 20∼26mol%의 ZnO, 6∼14mol%의 CuO, 및 잔부(NiO)를 함유한다.
Fe2O3가 47.1mol% 미만에서는 2MHz 및 5MHz에서의 코어 손실(Pcv)이 크고, 또한 충분한 투자율(magnetic permeability)을 얻을 수 없다. 한편, Fe2O3가 49.3mol%를 초과하면, Ag의 융점인 960℃ 이하의 온도에서 충분히 소결되지 않고, 자기 특성 및 기계적 강도가 낮다. Fe2O3는 47.5∼49.0mol%인 것이 바람직하다.
ZnO가 20mol% 미만에서는, 2MHz의 주파수 및 33mT의 동작 자속 밀도에서의 코어 손실이 크고, 투자율이 낮다. 한편, ZnO가 26mol%를 초과하면, 5MHz의 주파수 및 10mT의 동작 자속 밀도에서의 코어 손실이 크다. ZnO의 바람직한 함유량은 21∼26mol%이다.
CuO가 6mol%미만 또는 14mol%를 초과하면, 포화 자속 밀도(Bs)가 390mT미만으로서 낮다. 포화 자속 밀도(Bs)의 감소는 직류 중첩 특성의 열화를 초래하므로 바람직하지않다. 또한, CuO는 소결 온도의 저하에 기여하지만, 6mol%미만이면 소결 밀도가 불충분하게 되기 쉽다. CuO의 바람직한 함유량은 7∼11mol%이다.
NiO량은 주성분의 잔부이다. 원하는 투자율과 함께 높은 포화 자속 밀도(Bs)를 얻기 위해서는, NiO/CuO의 몰비를 1.0∼3.1로 하는 것이 바람직하다.
(2) 부성분
본 발명의 저손실 페라이트는, 주성분 1OO질량%에 대하여, 부성분으로서, SnO2 환산으로 0.1∼2질량%의 Sn, 및 Mn3O4 환산으로 0.05∼2질량%의 Mn을 함유한다.
Sn의 첨가에 의해, 페라이트의 포화 자속 밀도(Bs)는 저하되고, 보자력(Hc)은 증가한다. Sn은 안정된 4가 이온으로서 결정립 내에 고용(固溶)되고, 격자 왜곡(lattice distortion)을 저감시키는 것에 의해 포화 자왜 상수(λs) 및 자기이방성 상수(K1)를 작게 하고, 따라서 응력에 대한 인덕턴스의 변화나 코어 손실의 증가를 억제한다. 온도의 상승에 대응하여 포화 자속 밀도(Bs) 및 자기이방성 상수(K1)가 감소하지만, SnO2 환산으로 2질량% 이하의 Sn의 첨가에 의해, 사용 온도에서의 포화 자속 밀도(Bs) 및 자기이방성 상수(K1)를 조정할 수 있고, 따라서 온도에 대한 초투자율(initial permeability)(μi)의 변화를 저감시킬 수 있다. SnO2가 2질량%를 초과하면, 그 일부가 결정립계(grain boundary)에 들어가서 소결을 저해하고, 960℃이하에서는 소결 밀도가 상승하지 않고, 투자율 등의 자기 특성이 열화한다. 이로 인하여, Ag 전극 등과 일체로 소결을 행하는 적층 부품에는 바람직하지 않다. 또한, SnO2가 0.05질량% 미만이면, SnO2의 충분한 첨가 효과를 얻을 수 없다. Sn의 바람직한 첨가량은, SnO2 환산으로 0.25∼2질량%이다.
본 발명의 저손실 페라이트는, Mn3O4 환산으로 0.05∼2질량%의 Mn을 함유한다. Mn의 첨가에 의해, 격자 왜곡이 저감하고, 초투자율(μi)이 증가하며, BH 루프의 선형성이 개선되고, 마이너 루프에서의 보자력(Hc)이 저하하고, 히스테리시스 손실이 저감한다. 또한 Mn은 Fe3 + 및 Fe2 + 사이에서의 전자의 이동을 억제하므로, 비저항(ρ)을 증가시키고, 와전류 손실을 저감시킨다. 그러나 Mn3O4의 첨가에 의해 코어 손실(Pcv) 및 인덕턴스의 응력 특성이 악화되는 경향이 있다. 그러므로, Mn3O4의 첨가량은 0.1∼1.5질량%가 바람직하다.
첨가된 Mn의 일부는 가수(價數)가 변화되어, Sn의 첨가에 의한 초투자율(μi)의 저하 및 보자력(Hc)의 증가를 해소한다. 따라서, Sn 및 Mn의 복합 첨가에 의해, 우수한 대응력 안정성을 가지면서, 손실이 현저하게 저감된 페라이트를 얻을 수 있다.
(3) 그 외의 성분
본 발명의 저손실 페라이트는, 더 나아가서 Ca를 CaO 환산으로 1.5질량%이 하, Si를 SiO2 환산으로 1.5질량%이하 함유해도 된다. 각각 결정립의 성장을 억제하고, 투자율의 저하 및 비저항의 증대를 초래한다. 또한, Sn 첨가에 의한 소결성의 저하를 완화하기 위해서, Bi를 Bi2O3 환산으로 0.3질량%이하 함유해도 된다.
페라이트 원료 중에 불가피하게 포함되는 Na, S, Cl, P, W, B 등의 불가피 불순물은, 가능한 적은 편이 바람직하지만, 공업적인 허용 범위는 전체에서 0.05질량%이하이다. 특히 Cl을 5ppm미만으로 하고, P를 8ppm미만으로 하면, 저손실화에 유리하다.
주성분 및 부성분의 정량은, 형광 X선 분석 및 ICP 발광 분광 분석을 이용해서 실시한다. 사전에 형광 X선 분석에 의해 함유 원소의 정성 분석(qualitative analysis)을 행하고, 다음으로 함유 원소를 표준 샘플과 비교하는 검량선법에 의해 정량한다.
(B) 조직 및 특성
본 발명의 저손실 페라이트는, 0.5∼3㎛의 평균 결정 입경을 가진다. 평균 결정 입경이 3㎛이하이면, 와전류 손실이 저감하고, 자벽의 감소로 잔류 손실이 저감하고, 고주파수에서의 코어 손실이 저하한다. 그러나, 평균 결정 입경이 0.5㎛미만이면, 입계가 자벽의 피닝점(pinnnig point)으로서 작용하고, 투자율의 저하 및 코어 손실의 증가가 생기기 쉽다. 평균 결정 입경이 3㎛를 초과하면, 와전류 손실이나 잔류 손실의 영향이 커지고, 고주파 (예를 들면 5MHz)에서의 손실의 증가가 현저하게 된다.
평균 결정 입경을 3㎛이하로 하기 위해서는, 소결 시에 제공되는 페라이트 가소 분말(pre-sintering)의 BET(Brunauer,Emmett,Teller) 비표면적(比表面積)을 5∼1Om2/g으로 하는 것이 바람직하다. BET 비표면적이 클수록 반응 활성이 증가하므로, 낮은 소결 온도에서부터 치밀화가 촉진된다. 페라이트 가소 분말의 BET 비표면적이 5∼10m2/g이면, 960℃이하의 낮은 소결 온도에서도 결정 입경이 작고 균일하며 치밀한 페라이트를 얻을 수 있다.
페라이트 가소 분말의 BET 비표면적이 5m2/g미만이면, 페라이트 소결체의 평균 결정 입경이 3㎛을 초과하는 경우가 있다. BET 비표면적이 10m2/g을 초과하면, 페라이트 가소 분말이 응집하기 쉽고, 또한 페라이트 가소 분말 표면에 수분이 흡착되기 쉽다. 그러므로, 폴리비닐부티랄 등의 수용성 수지를 바인더로 한 슬러리를 생성하면, 응집 구조로 되기 쉽고, 얻어진 그린 시트에 공극이 많아진다. 공극은 전자 부품 내부에 수분이 들어가는 경로가 된다. 페라이트 가소 분말의 바람직한 BET 비표면적은 5.5∼8m2/g이다.
페라이트의 초투자율(μi)은 하기식:
μi∝Bs2/(aK1 + bλsσ)
(단 Bs는 포화 자속 밀도, K1은 자기이방성 상수, λs는 자왜 상수, σ는 응력, a 및 b는 상수임)
에 의해 정의된다. Ni-Cu-Zn계 페라이트는 마이너스의 자왜 상수를 가지므로, 초투자율(μi)은 압축 응력에 대응하여 증가하고, 극대값을 거쳐서 감소한다. 직류 중첩 특성을 개선하기 위해서 자기 회로중에 자기 갭이 형성된 인덕터의 경우, 실효 투자율(effective permeability)이 저하하므로, 150 이상의 투자율이 바람직하다.
[2] 전자 부품
도 1은, 본 발명의 저손실 페라이트를 이용한 전자 부품으로서, 내부에 코일(인덕터)을 구비한 적층 인덕터를 나타낸다. 이 적층 인덕터(10)는, 저손실 페라이트로부터 닥터 블레이드법 등에 의해 그린 시트를 형성하고, 여기에 Ag 또는 그 합금 등의 도체 페이스트로 코일 패턴(3)을 형성하고, 거기에 더하여 필요에 따라 페라이트 페이스트 및 비자성 페이스트를 인쇄한 후 적층하고, 일체적으로 소결하고, 도체 패턴이 노출된 적층체(2)의 측면에 외부 단자(200a, 200b)를 형성함으로써 제작할 수 있다.
전자 부품의 다른 예로서, 도 7은, 인덕터를 내장한 적층 기판(10)의 표면에 설치된 실장 전극에, 반도체 집적 회로 부품(IC) 및 콘덴서(Cin, Cout)를 실장하고, 인덕터와 전기적으로 접속한 DC/DC 컨버터 모듈을 나타낸다. 또한, 콘덴서가 내장된 적층 기판에, 인덕터 및 반도체 집적 회로 부품(IC)을 실장하여 모듈로 만들어도 된다. 물론 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 않는 범위 내이면, 이들 외에도 다양한 종류의 태양으로 구성해도 된다.
본 발명을 이하의 실시예에 의해 더 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들로 한정되지 않는다.
[실시예 1]
주성분 Fe2O3, ZnO, CuO 및 NiO, 부성분 SnO2 및 Mn3O4를 표 1 및 2에 나타낸 비율로 습식 혼합한 후, 건조시키고, 800℃에서 2시간 동안 가소했다. 얻어진 가소 분말을 이온 교환물과 함께 볼밀(Ball mill)에 투입하고, BET 비표면적이 6.5m2/g이 될 때까지 약 20시간 동안 분쇄했다. 가소 분말에 폴리비닐알코올을 첨가하여 스프레이 드라이어법에 의해 과립화한 후 성형하고, 표 1 및 2에 나타낸 875∼950℃의 범위 내의 온도로 2시간 동안 대기중에서 소결하고, 외경 8mm, 내경 4mm 및 두께 2mm의 링형 샘플과, 외부 치수 8mm×8mm, 내부 치수 4mm×4mm, 두께 2mm인 네모난 환형 샘플을 제작했다.
[표 1]
Figure 112009049221438-pct00001
[표 2]
Figure 112009049221438-pct00002
(주: *본 발명의 범위 외의 샘플)
각 샘플의 밀도, 평균 결정 입경, 초투자율(μi), 포화 자속 밀도(Bs), 잔류 자속 밀도(Br), 보자력(Hc), 저항률, 코어 손실(Pcv), 및 초투자율(μi)의 상대 온 도 계수(αμir)를 하기 방법에 의해 측정했다. 측정 결과를 표 3 및 4에 나타낸다.
(1) 밀도
링형 샘플의 치수 및 중량으로부터 밀도를 산출했다.
(2) 평균 결정 입경
링형 샘플의 전자 현미경 사진(10,000배)에 임의의 길이(L1)의 직선을 긋고, 이 직선 상에 존재하는 입자의 개수(N1)를 계측하고, 길이(L1)를 입자수(N1)로 나눈 값(L1/N1)을 산출했다. (L1/N1)을 복수의 직선에 대해서 구하고 평균을 계산하여, 평균 결정 입경을 구했다.
(3) 초투자율(μi)
링형 샘플에 7턴(turn)의 동선을 감아서 인덕터를 제작하고, LCR 미터를 사용하여 1MHz의 주파수 및 1mA의 전류로 인덕턴스(L)를 측정하고, 하기 식에 의해 초투자율(μi)을 산출했다.
μi= (le×L)/(μ0×Ae×N2)
[단, le는 자로의 길이, L은 인덕턴스, μ0는 진공 투자율=4π×m-7(H/m), Ae는 샘플의 단면적, N은 코일을 감은 횟수임]
(4) 초투자율(μi)의 상대 온도 계수(αμir)
초투자율(μi)의 상대 온도 계수(αμir)는 하기 식에 의해 나타내어진다.
αμir=[(μi2 - μi1)/μi1 2]/(T2 - T1)
[단, T1 및 T2는 측정 온도이며, μi1은 온도(T1)에서의 초투자율이며, μi2는 온도(T2)에서의 초투자율임]
전자 항온조에서 -40℃ ∼ +80℃로 조정한 각 샘플에 대하여, 초투자율(μi)을 측정했다. -40℃ ∼ +20℃의 상대 온도 계수(αμir)의 경우, T1 = +20℃, T2 = -40℃, μi1은 +20℃에서의 초투자율, μi2는 -40℃에서의 초투자율이다. 또한, +20℃ ∼ +80℃의 상대 온도 계수(αμir)의 경우, T1 = +20℃, T2 = +80°C, μi1은 +20℃에서의 초투자율, μi2는 +80℃에서의 초투자율이다.
(5) 포화 자속 밀도(Bs)
B-H 애널라이저에서 의해, 4000A/m의 자장 중에서 10kHz의 주파수로 각각의 링형 샘플의 히스테리시스의 메이저 루프를 구했다. 이 히스테리시스 루프로부터 포화 자속 밀도(Bs)를 측정했다.
(6) 잔류 자속 밀도(Br)
상기 히스테리시스 루프로부터 잔류 자속 밀도(Br)를 측정했다.
(7) 보자력(Hc)
상기 히스테리시스 루프로부터 보자력(Hc)을 측정했다.
(8) 저항률
링형 샘플을 2분할하고, 절단면에 도전성 수지를 도포하고, 건조시켜서 얻은 시험 편에 대하여, 절연 저항계에 의해 직류 전압 50V로 저항률을 측정했다.
(9) 코어 손실(Pcv)
링형 샘플에 1차 측 및 ２차 측에 7턴의 동선을 감고, 실온(25℃)에서, 100kHz 및 50mT의 조건, 2MHz 및 33mT의 조건, 및 5MHz 및 10mT의 조건으로 Pcv를 측정했다.
[표 3]
Figure 112009049221438-pct00003
[표 3](계속)
Figure 112009049221438-pct00004
[표 4]
Figure 112009049221438-pct00005
[표 4](계속)
Figure 112009049221438-pct00006
주: (1) 평균 결정 입경(㎛)
(2) 초투자율(μi)
(3) 포화 자속 밀도(Bs)(mT)
(4) 잔류 자속 밀도(Br)(mT)
(5) 보자력(Hc)(A/m)
(6) 코어 손실(Pcv)(kW/m3)
(7) 초투자율(μi)의 상대 온도 계수(αμir)
Fe2O3가 47mol%인 샘플 1은 큰 보자력(Hc) 및 코어 손실(Pcv)을 가지고 있고, 또한 Fe2O3가 49.5mol%인 샘플 10은 낮은 소결 밀도 및 현저하게 큰 코어 손실(Pcv)을 가지며, 자기 특성이 현저하게 뒤떨어진다. 부성분을 포함하지 않는 샘플 11은 고주파수이며 큰 코어 손실(Pcv)을 가진다. 부성분 대신 Bi2O3를 포함하는 샘플 12는 큰 평균 결정 입경을 가지며, 코어 손실(Pcv)이 현저하게 뒤떨어진다. Sn 및 Mn과 함께 0.5질량%의 Bi2O3를 포함하는 샘플 5 및 6은, 입경이 30㎛정도의 결정립과 1㎛정도의 결정립이 혼재하는 결정 조직이 되는 이상(異常) 소결의 상태로 되고, 5MHz에서의 코어 손실(Pcv)이 현저하게 뒤떨어지고 있다.
ZnO량을 증가시켜서 NiO량을 감소시키면, 포화 자속 밀도(Bs), 잔류 자속 밀도(Br) 및 보자력(Hc)은 저하하고, 초투자율(μi)은 증가했다. 2MHz에서는 ZnO의 증가에 의해 코어 손실(Pcv)은 감소했지만, 5MHz에서는 ZnO가 23mol%인 샘플 17의 코어 손실(Pcv)이 작으며, ZnO량이 늘어나도 줄어들어도 코어 손실(Pcv)은 증가했다.
Ni의 일부를 치환하는 Cu의 양이 적으면, 소결성이 뒤떨어지고, 초투자율(μ i) 및 포화 자속 밀도(Bs)가 저하되며, 보자력(Hc) 및 코어 손실(Pcv)이 증가했다. 또한, Cu의 양이 많으면 포화 자속 밀도(Bs)가 저하되었다.
Sn을 포함하지 않는 샘플 36은 큰 코어 손실(Pcv)을 가지며, 3.0질량%의 Sn을 포함하는 샘플 40은 소결 부족이며, 현저하게 뒤떨어지는 자기 특성 및 큰 코어 손실을 가진다. SnO량이 증가하면 상대 온도 계수(αμir)는 저하되며, 1질량%를 초과하면 상대 온도 계수(αμir)는 마이너스가 되었다. 따라서, 적정량의 SnO를 함유시키면 인덕턴스의 온도 변화를 저감시킬 수 있음을 알 수 있다. 또한, Mn의 첨가에 의해 코어 손실(Pcv)이 저감하고, 저항률이 증가했다. 상대 온도 계수(αμir)는, Sn과는 반대로 Mn의 첨가량에 대응하여 증가했다.
단면이 사각형인 환형 샘플 2, 13, 36, 37, 39, 44, 47 및 48에 12턴의 동선을 감고, 텐션 미터를 구비한 가압 지그에 배치하고, 실온에서 1축 방향으로 압축력을 인가하고, 1MHz의 주파수 및 1mA의 전류에서의 인덕턴스, 및 2MHz의 주파수 및 33mT의 동작 자속 밀도(Bm)에서의 코어 손실을 연속적으로 측정했다. 이들로부터, 하기 식에 의해 인덕턴스 및 코어 손실의 변화율을 산출하고, 이들의 대응력 안정성을 평가했다. 결과를 도 2∼도 5에 나타낸다.
(1) 인덕턴스의 변화율
(L1 - L0)/L0×100(%)
L1: 1축 방향으로 압축했을 때의 인덕턴스
L0: 1축으로 압축하지 않을 때의 인덕턴스
(2) 코어 손실의 변화율
(Pcv1 - Pcv0)/Pcv0×100(%)
Pcv1: 1축 방향으로 압축했을 때의 2MHz 및 33mT에서의 코어 손실
Pcv0: 1축으로 압축하지 않을 때의 2MHz 및 33mT에서의 코어 손실
Sn량이 상이한 샘플 2, 13, 36, 37 및 39에 대하여, 도 2는 인덕턴스의 대응력 안정성을 나타내고, 도 3은 코어 손실의 대응력 안정성을 나타낸다. Sn량이 많아짐에 따라, 응력에 대한 인덕턴스 및 코어 손실의 변화율이 저하되었다.
Mn량이 상이한 샘플 2, 44, 47 및 48에 대하여, 도 4는 인덕턴스의 대응력 안정성을 나타내고, 도 5는 코어 손실의 대응력 안정성을 나타낸다. Mn량이 많아짐에 따라, 응력에 대한 인덕턴스 및 코어 손실의 변화율이 증가했다. Mn3O4가 2.1질량%인 샘플 48에서는 Sn 미첨가의 경우보다 더욱 대응력 안정성이 떨어지는 결과가 되었다.
[실시예 2]
샘플 2 및 13의 각각의 페라이트 분말을, 폴리비닐부티랄을 주성분으로 한 바인더 및 에탄올과 함께 볼 밀 분쇄하고, 얻어진 슬러리의 점도를 조정한 후, 폴리에스테르 필름 상에 닥터 블레이드법으로 도포하고, 건조 두께가 30㎛인 그린 시트를 제작했다. 각각의 페라이트 그린 시트에 Ag 페이스트로 복수의 코일형 도체 패턴을 형성했다. 또한, 필요에 따라 페라이트 페이스트 및 비자성 페이스트를 인쇄했다. 도체 패턴을 가지는 복수의 그린 시트를 압착하여, 얻어진 적층체를 소결 후의 치수가 3.2mm×1.6mm×1.0mm가 되도록 절단하고, 탈바인더 후, 대기중에 900℃에서 3시간 동안 소결했다. 도체 패턴이 노출된 측면에, Ag 페이스트를 도포하고, 600℃에서 연소시켜서 눌어붙게 하여 외부 단자(200a, 200b)를 형성했다. 이렇게 하여 적층체(2)에 코일(3)을 내장한 적층 인덕터(10)를 제작했다. 도 1은 그 외관을 나타낸다.
적층 인덕터(10)를, 2MHz의 스위칭 주파수(fs), 3.6V의 입력 전압(Vin) 및 1.5V의 출력 전압(Vout)을 가지는 도 6에 나타낸 강압형 DC/DC 컨버터와 조립하고, DC/DC 변환 효율을 측정했다. 샘플 2는 샘플 13보다 변환 효율이 1%정도 높았다. 샘플 2은 저손실이며, 응력에 대한 Pcv의 변화율이 대단히 작으므로, DC/DC 변환 효율이 높은 것으로 여겨진다.

Claims (5)

  1. 47.1∼49.3mol%의 Fe2O3, 20∼26mol%의 ZnO, 6∼14mol%의 CuO, 및 잔부(NiO)를 함유하는 주성분 100질량%에 대하여, SnO2 환산으로 0.1∼2질량%의 Sn, 및 Mn3O4 환산으로 0.05∼2질량%의 Mn을 부성분으로 함유하고, 평균 결정 입경이 0.5∼3㎛인 저손실 Ni-Cu-Zn계 페라이트.
  2. 제1항에 있어서,
    코어 손실이, 2MHz의 주파수 및 33mT의 동작 자속 밀도(Bm)에서 2700kW/m3이하이며, 5MHz의 주파수 및 10mT의 동작 자속 밀도(Bm)에서 430kW/m3이하이며,
    4000A/m의 자계에서의 포화 자속 밀도가 390mT이상인, 저손실 Ni-Cu-Zn계 페라이트.
  3. 제1항 또는 제2항에 기재된 저손실 Ni-Cu-Zn계 페라이트를 이용한 자심; 및
    상기 자심에 감긴 코일
    을 포함하는 전자 부품.
  4. 제1항 또는 제2항에 기재된 저손실 Ni-Cu-Zn계 페라이트를 이용한 복수의 페라이트층으로 이루어지는 일체로 소결(燒結)된 적층체; 및
    상기 적층체의 내부에 구비된 Ag를 포함하는 전극으로 이루어지는 코일
    을 포함하는 전자 부품.
  5. 제4항에 있어서,
    스위치 소자를 포함하는 반도체 소자, 커패시턴스 소자 및 저항 소자가 실장되어 있고, 적어도 상기 반도체 소자는 상기 적층체의 표면에 설치된 전극에 실장되어 있는, 전자 부품.
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