KR101903212B1

KR101903212B1 - 자성 결정립계가 조절된 페라이트 코어 재료

Info

Publication number: KR101903212B1
Application number: KR1020137032553A
Authority: KR
Inventors: 야지에 첸; 빈센트 지. 해리스
Original assignee: 메타마그네틱스, 인코포레이티드.
Priority date: 2011-05-09
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2018-10-01
Also published as: JP6150303B2; CA2835115A1; EP2707883A1; JP2014516207A; CA2835115C; WO2012154741A1; CN103765524B; EP2707883B1; EP2707883A4; CN103765524A; KR20140082597A; US20120286920A1; US9117565B2

Abstract

복합 재료는 결정립 요소 및 나노 구조의 결정립계 요소를 포함할 수 있다. 복합 재료의 자화의 더 높은 연속성을 제공하기 위해 나노 구조의 결정립계 요소는 절연성 및 자성일 수 있다. 결정립 요소는 약 0.5 내지 50 마이크로미터의 평균 결정립 크기를 가질 수 있다. 결정립계 요소는 약 1 내지 100 나노미터의 평균 결정립 크기를 가질 수 있다. 나노 구조의 자성 결정립계 재료는 적어도 약 250 mT의 자속 밀도를 갖는다. 결정립 요소는 MnZn 페라이트 입자들을 포함할 수 있다. 나노 구조의 결정립계 요소는 NiZn 페라이트 나노입자들을 포함할 수 있다. 이들의 코어 요소들 및 시스템들은 복합 재료로부터 제조될 수 있다.

Description

자성 결정립계가 조절된 페라이트 코어 재료{MAGNETIC GRAIN BOUNDARY ENGINEERED FERRITE CORE MATERIALS}

본 출원은 2011년 5월 9일에 출원하여 동시 계속 중인 미국특허 가출원 제61/483,922호의 우선권 및 이익을, 양 출원에 공통적인 모든 대상에 대하여, 청구한다. 상기 가출원의 개시는 참고함으로써 전체로서 본 명세서에 포함된다.

　　　본 발명은 코어 요소들로서의 용도에 적합한, 예를 들어 스위칭 모드 전력 공급장치(switched mode power supplies)를 이용하는 장치들 및 기타 전자 디바이스들 및 적용체에 적합한 재료들에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 유도 코어 요소들에 대해 구현될 수 있는 나노 구조의 자기성 결정립계 재료를 갖는 복합 재료에 관한 것이다.

유도 코어들 및 코어 요소들은 다수의 전자 적용체에 이용된다. 하나의 대표적인 구현예는 당업자에 의해 알려진 바와 같이, 광범위한 전자 디바이스들에 이용되는 일반적인 형태의 전력공급장치인 스위칭 모드 전력 공급장치(SMPS)이다. 다른 적용예는 트랜스포머, 전력 컨버터, 발전기(power generator), 전력 조정 요소(power conditioning components), 및 인덕터를 포함하고, 예를 들어 이들은 전자 주사 위상 어레이들(Electronically Scanned Phased Array, ESPA) 및 전자전(electronic warfare, EW) 시스템들, 무선 통신 및 위성 통신을 위한 조정 요소들, 레이더 시스템들, 전력 전자장치들, 유도 디바이스들, 및 스위칭 모드 전력 공급을 이용하는 시스템들, 디바이스들, 또는 전자장치들에 사용될 수 있다.

SMPS의 예는 코어 요소들에 대한 요건들 및 필요 사항들 중 일부를 설명하는데 유용될 수 있다. 일반적으로, SMPS는 풀-온 및 풀-오프 간의 입력 전력 공급의 반복된 스위칭을 포함한다. 스위칭 속도는 주파수로서 측정된다. 당업자에 의해 인식될 수 있는 것처럼, 이러한 시스템을 통해 흐르는 입력 전력은 특히 바람직한 출력 신호를 생성하기 위해 많은 방법으로 변할 수 있다. 예를 들어, 입력 전력은 AC-AC 전력 공급장치(AC-to-AC power supplies), AC-DC 전력 공급장치(AC-to-DC power supplies), DC-DC 전력 공급장치(DC-to-DC power supplies) 및 DC-DC 전력 공급장치와 관련된 진폭 또는 위상에서의 많은 다른 변화들이 있을 수 있을 뿐만 아니라, 정류, 전환, 사이클로전환, 변압, 반전될 수 있다. 이러한 모든 변화들은 특히 바람직한 전압 및/또는 전류 특성을 갖는 출력 전력값을 생산하기 위하여 특정 방식들로 제어될 수 있다.

SMSP는 “코어”에서 에너지를 캡쳐하고 저장함으로써 다른 경쟁 전력 공급장치, 예를 들어 선형 전력 공급장치(linear power supply)보다 우수한 효율을 달성한다. 코어는 자성 재료(들)로 이루어지고 시스템에 의해 발생된 에너지를 저장할 수 있는 구조 요소(SMPS 시스템들 및 광범위한 다른 시스템들에도 이용됨)이다. 자성 재료는 자기장, 즉 편리하고 사용가능한 형태의 에너지를 이러한 적용체들에 저장하기 위한 고 정전용량을 갖기 때문에, 자성 재료는 코어를 만드는데 사용된다. 코어는 연질 페라이트들과 같은 재료들로 종종 만들어지는데, 이는 이 재료들이 고 자화성(magnetization), 저 전도율, 및 저 보자성(coercivity)(저 잔류 자화성)을 나타내기 때문이다.

SMPS의 예를 계속하여 살펴보면, SMPS의 고(higher) 스위칭 주파수들은 고전력 효율과 같은 다수의 알려진 장점들과 관련되어 있다. 또한 스위칭 주파수들을 증가시킴으로 인해 SMPS 시스템들에서의 크기 감소가 가능케 되는데 이는 스위칭 기간들이 짧을수록 저장 요건들이 더 적어지기 때문이다. 달리 말하면, 고 스위칭 주파수는 코어에서 자기장이 유도되는(즉, 저장되는) 시간을 더 짧게 만들어(그것은 코어에서의 자기장을 더 작게 만든다), 코어 자체의 크기가 감소될 수 있게 한다.

그러나, 최대 스위칭 주파수는 고 주파수들에서 더욱 현저해지는 코어에서의 특정 타입들의 전력 손실들에 의해 제한된다. 특히, 동작 주파수가 증가하면, 전력 효율이 더 크게 “와전류 손실(eddy current loss)”(즉, 코어 내의 와전류들의 형성에 의한 손실)에 종속된다. 전형적으로 와전류들의 존재와 효과들을 최소화하는 것은, 특히 고 주파수 전력 페라이트에 대한 코어 특성을 개선시키는 가장 중요한 인자가 된다. 페라이트 재료에서 와전류들의 출현으로 인한 코어 손실을 감소시키는 공지된 하나의 방법은 코어 재료의 비저항을 증가시키는 것이며, 이는 비저항이 일반적으로 전류 흐름을 방해하고, 특히 와전류 흐름을 방해하기 때문이다. 당업자는 전자의 이동을 제한함으로써 와전류들이 유도되기 점점 더 어렵게 됨에 따라 관련된 손실들을 제한한다는 것을 인식할 수 있다.

따라서, 절연체들 및 코어를 통한 전자의 흐름을 방해하기 위하여, 와전류 손실들을 제한하려는 일부 시도들은 코어의 결정립재(grain material)의 결정립계에 하나 이상의 고 저항 절연 재료들을 배치하는 것을 포함한다. 그러나, 이러한 시도들은 극고주파수(예를 들어, > 1 MHz)에서 작동할 수 있는 코어를 제공하는데 종종 미치지 못한다. 와전류 손실들을 감소시키기 위한 다른 시도들은 고 비저항을 갖는 페라이트 재료들을 구현하는 것을 포함한다. 이 시도들은 극고주파수에서 더 높은 전력 손실들의 유사한 단점뿐 아니라, 코어 재료의 전체 투과도에서의 감소를 보여준다.

많은 경우에, 고 주파수들에서의 불만족스러운 성능은 사양 요건이 코어에 서로 모순되는 물리적 요건들을 부여하는 경향이 있다는 점 때문이다. 자기 특성들의 상호의존성 때문에, 몇몇 자기 특성들을 동시에 최적화하는 것은 종종 어렵거나 불가능하다. 따라서, 하나의 특성을 개선시키는 것은 여러 다른 특성들의 저하로 이어질 수 있다. 결과적으로, 기존의 코어 재료들은 아주 엄격한 고 주파수 요건들을 충족시킬 수 없었다.

당업자는 SMPS에 관하여 본 명세서에서 기술된 코어들과 관련된 문제들이, SMPS를 이용하지 않는 다른 시스템들 및 적용체에 적용되는 경우에도, 코어들에 유사하게 존재한다는 것을 알 수 있다. 일반적으로, 기존의 유도 코어들은 특히 높은 주파수들에서 바람직한 사양 요건을 충족시킬 수 없다.

　　　고 주파수 작동 요건들을 더 잘 충족시킬 수 있는 코어 재료가 이 분야에서 요구된다. 또한, 이러한 재료를 구현하는 코어 요소들, 예를 들어 유도 코어들 및 장치들 및 그 시스템들이 이 분야에서 요구된다. 본 발명은 본 명세서를 읽는 당업자에 의해 인식될 수 있는 다른 바람직한 특성들을 갖는 것 외에도, 이러한 요건들을 해결하기 위한 해법들에 대한 것이다.

본 발명의 실시 형태들에 따르면, 복합 재료는 자성 페라이트 상(phase)을 갖는 결정립(grain) 요소를 포함할 수 있다. 자성 및 절연성을 둘 다 가진 나노 구조의 자성 결정립계 요소가 포함될 수 있다. 나노 구조의 자성 결정립계 요소는 약 250 mT 이상의 자속 밀도(magnetic flux density)를 가질 수 있다.

본 발명에 따른 추가 실시 형태들에 따르면, 나노 구조의 자성 결정립계 요소는 약 10⁸ 내지 10¹² Ω·㎝의 전기 비저항을 가질 수 있다. 나노 구조 자성 결정립계 요소는 주로 Ni, Zn, Fe, 및 O 원소들로 이루어지는 자성 페라이트 상을 가진 NiZn 페라이트 나노입자들을 포함할 수 있다. 결정립 요소는 MnZn 페라이트 재료를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 추가 실시 형태들에 따르면, 장치는 복합 재료를 포함할 수 있고, 복합 재료는 자성 페라이트 상을 가진 결정립 요소를 포함할 수 있다. 자성 및 절연성을 둘 다 가진 나노 구조의 자성 결정립계 요소가 포함될 수 있다. 나노 구조의 자성 결정립계 요소는 약 250 mT 이상의 자속 밀도를 가질 수 있다.

본 발명에 따른 추가 실시 형태들에 따르면, 장치는 코어 요소일 수 있다. 장치는 페라이트 토로이드(toroid), 페라이트 플레이트, 페라이트 디스크, 페라이트 C 코어, 페라이트 CI 코어, 평면 E 코어, EC 코어, EFD 코어, EP 코어, ETD 코어, ER 코어, 평면 ER 코어, U 코어, RM/I 코어, RM/LP 코어, P/I 코어, PT 코어, PTS 코어, PM 코어, PQ 코어, 갈라진 토로이드(gaped toroid), 보빈 코어(bobbin core), 페라이트 E-코어, 및 페라이트 EI-코어로 이루어진 군에서 선택된 코어 요소일 수 있다. 장치는 코어 요소를 포함하는 디바이스일 수 있고, 코어 요소는 복합 재료를 포함할 수 있다. 장치는 코어 요소를 포함하는 디바이스일 수 있고, 코어 요소는 복합 재료를 포함할 수 있고, 디바이스는 SMPS 조정 요소를 가진 트랜스포머, 전자 디바이스, 인덕터, 전력 전자 디바이스, 전력 컨버터, 인덕터 디바이스, 송수신 소자(transmit and receive module, TRM), 전자 주사 위상 어레이(Electronically Scanned Phased Array, ESPA) 시스템, 전자전(electronic warfare, EW) 시스템, 및 통신 디바이스로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

본 발명의 추가 실시 형태들에 따르면, 복합 재료를 제조하는 방법은 자성 페라이트 상을 가진 제1 요소를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 자성 및 절연성 모두를 갖는 제2 요소가 제조될 수 있다. 제1 요소 및 제2 요소 혼합물이 제조될 수 있다. 혼합물에서, 제2 요소는 제1 요소의 결정립의 결정립계에 배치되며, 나노 구조 자성 결정립계 요소를 형성할 수 있다. 나노 구조의 자성 결정립계 요소는 약 250 mT 이상의 자속 밀도를 가질 수 있다.

본 발명의 추가 실시 형태들에 따르면, 나노 구조의 자성 결정립계 요소는 NiZn 페라이트 나노입자들을 포함할 수 있다. 제1 요소는 MnZn 페라이트 입자들을 포함할 수 있다. 혼합물을 제조하는 것은 제1 요소와 제2 요소를 혼합하는 단계; 제1 요소와 제2 요소의 혼합물을 형성하는 단계; 혼합물을 건조하는 단계; 및 입자 크기에 따라 혼합물을 분리하는 단계를 포함할 수 있다. 혼합물은 성형체(green body)로 형성될 수 있다. 성형체는 소결될 수 있다. 성형체는 성형체를 소결하기 전에 가열될 수 있다. 성형체는 페라이트 토로이드, 페라이트 플레이트, 페라이트 디스크, 페라이트 E-코어, 및 페라이트 EI-코어로 이루어진 군에서 선택된 코어 요소로 성형될 수 있다. 장치가 제공될 수 있고, 성형체는 장치에 배치될 수 있고, 장치는 SMPS 조정 요소를 가진 트랜스포머, 전자 디바이스, 인덕터, 전력 전자 디바이스, 전력 컨버터, 송수신 소자(TRM), 전자 주사 위상 어레이(ESPA) 시스템, 전자전(EW) 시스템, 및 통신 디바이스로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

본 발명의 여러 가지 특성들은 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 참조하여 보다 완전히 이해될 것이다:
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른, 결정립계에 배치된 NiFz 페라이트 나노 입자들을 갖는 MnZn 페라이트 분말의 예시적 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태들에 따른, 여러 코어 요소들의 예시적 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시형태들에 따른, 전자 적용, 디바이스 적용, 및 시스템 적용예의 예시적 도면이다.
도 4는 본 발명의 측면들에 따른, MnZn 페라이트 분말을 제조하기 위한 공정의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 측면들에 따른, NiFz 페라이트 나노입자들을 제조하기 위한 공정의 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 측면들에 따른, MnZn 페라이트 분말 및 NiFz 페라이트 나노입자들로 이루어진 코어를 형성하기 위한 공정의 흐름도이다.
　　　도 7은 본 발명의 측면들에 따른, 도 6의 단계 (432)를 수행하기 위한 방법들의 실시예를 나타내는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 측면들에 따른, NiZn 페라이트 나노입자 농도의 함수로서의 평균 결정립 크기의 테스트 결과들을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 측면들에 따른, NiZn 페라이트 나노입자 농도의 함수로서 4 개의 성능 특성들의 테스트 결과들을 나타내는 4 개의 중첩 그래프들을 나타낸다.
　　　도 10은 본 발명의 실시형태들에 따른, 예시 복합 재료들의 3 개의 SEM 이미지들을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 측면들에 따른, 다양한 작동 주파수들에 대한 NiZn 페라이트 나노입자 농도의 함수로서 전력 손실들의 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 측면들에 따른, 상이한 NiZn 페라이트 나노입자 농도들을 가진 다양한 샘플들에 대해 적용된 자기장의 함수로서 포화 자속(saturation magnetic flux)의 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 측면들에 따른, 2 중량%의 NiZn 페라이트 나노입자 농도를 가진 샘플에 대해 다양하게 적용되는 자기장들에 대한 작동 주파수의 함수로서 전력 손실의 테스트 결과들을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 측면들에 따른, 5 중량%의 NiZn 페라이트 나노입자 농도를 가진 샘플에 대해 다양하게 적용되는 자기장들에 대한 작동 주파수의 함수로서 전력 손실의 테스트 결과들을 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 측면들에 따른, 7 중량%의 NiZn 페라이트 나노입자 농도를 가진 샘플에 대해 다양하게 적용되는 자기장들에 대한 작동 주파수의 함수로서 전력 손실의 테스트 결과들을 나타내는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 측면들에 따른, 다양한 온도에 대한 작동 주파수의 함수로서 전력 손실의 테스트 결과들을 나타내는 그래프이다.

본 발명의 예시적인 실시 형태는 절연성뿐 아니라 자성을 갖는 결정립계 재료를 구현하는 것이 고주파수들(예를 들어 약 0.1 내지 10 MHz)에서 작동하는 페라이트 코어들에 아주 유리할 수 있다는 과학적 발견에 근거한다. 특히, 자성의 결정립계 재료들을 이용하는 것은 최종 코어 재료의 결정립들 간의 자성 연속성을 제공함으로써 성능을 매우 개선할 수 있다는 것을 알게 되었다. 이것은 결정립계 재료와 같은 복합 재료의 순(net) 자속 밀도를 유의적으로 개선시킬 수 있고, 따라서 이러한 복합 재료들을 구현하는 코어 요소들의 성능을 개선시킬 수 있다. 본 명세서에서 제공되는 테스트 결과들은 고 주파수들에서 고 효율을 갖는 코어들을 제조하기 위해, 결정립계에 절연성, 자성 재료들을 제공하는 것의 효율성을 입증한다. 본 발명에 따른 실시 형태들은 결정립계에서 절연성, 자성 요소를 포함하는 인공 복합 재료에 대한 설계를 이용하고, 그것은 방대한 양의 이 기술 분야의 기존 교시들 및 종래의 사고에 반한다. 본 발명의 추가 형태에서, 절연성, 자성 요소는 적어도 약 250 mT의 자속 밀도를 가진다.

코어들의 성능은 고 저항성의 자성 결정립계 재료들을 선택하고, 특히 바람직한 코어 재료(예를 들어 결정립) 입자 크기들 및 결정립계 재료 입자 크기들을 이용함으로써 더 개선시킬 수 있다. 그러나, 이러한 특징들, 예를 들어 입자 크기, 자화의 특정 값들, 및 전기 비저항의 특정 값들은 본 발명의 실시형태들을 제한하지 않는다. 그러나, 본 발명은 자성 및 절연성의 결정립계 재료를 가진 재료로 제조된 임의의 코어 재료, 최종 코어 요소, 또는 최종 디바이스/시스템 적용체를 생각할 수 있다.

본 기술 분야의 종래 교시들은 고 주파수들에서 작동하는 코어 재료의 투과도를 증가시키는 것이 더 큰 와전류 손실들을 야기한다는 것을 시사한다. 이것은 수학적으로, 와전류들에 의해 생긴 표면 깊이가 투과도의 제곱근에 반비례하기 때문이다. 더 작은 표면 깊이들은 더 높은 전류 밀도와 관련되며, 이것은 저항 손실들의 효과를 확대하는 경향이 있고 과열을 일으킨다. 또한 표면 깊이가 전류 주파수에 반비례할 경우, 이전에 해당 기술 분야에서의 교시는 고 주파수 작동이 비교적 낮은 투과도를 가진 절연성 코어 재료들을 필요로 한다는 것이다. 예를 들어, 이 교시는 철선이 전선들에 사용되지 않는 이유를 설명한다.

따라서, 절연성 산화물들, 예를 들어 CaO, Si0₂, Ta₂O₅, Nb₂O₅는 고 저항을 갖기 때문에, 고 주파수들에 작동하는 코어들에서 결정립계 재료들로서 전형적으로 이용된다. 이러한 절연체들이 와전류를 방해할 목적으로 저항을 증가시키는데 효율적인 반면에, 본 발명자들은 이러한 절연성 산화물들이 바람직하지 않은 소정의 부작용들과 관련되어있는 것을 알았다. 이러한 하나의 부작용은 복합 재료의 순 자속 밀도의 감소이다. 절연체들이 자화를 갖지 않기 때문에 자속 밀도는 이러한 절연체들에 의해 감소되고, 이것은 복합 재료 내에 자성 불연속성을 생성한다. 반면에, 자화의 연속성은 복합 재료의 자성 효과를 증가시키고, 복합 재료의 Bs 및 μi의 전체 값들을 증가시킨다는 것이 알려져 왔다. 이것은 자성 결정립계 재료가 총 자화에 대한 더 많은 자성 스핀을 제공하고, 또한 결정들 사이의 자성 스핀들의 상호작용으로 인해 스핀들의 내부 결정립 자성 커플링을 개선시킬 수 있기 때문이다. 더 높은 자속 밀도는 자기장의 더 큰 유도를 야기하고, 이것은 본 명세서에서 제공된 테스트 데이터에 의해 직접적으로 확인되었다.

절연성 산화물들, 예를 들어 결정립계 재료들을 이용하는 것의 또 다른 바람직하지 않은 부작용은 이러한 구현들에서 요구되는 결정립계들의 크기들로 인해 전자들의 터널링 효과(tunneling effects)의 가능성이 증가한다는 것이다. 자성을 갖지 않는 산화물 배리어들은 자화의 감소를 야기하기 때문에, 고 자화를 유지하기 위해 배리어의 얇은 두께가 보통 예상된다. 그러나, 거리가 더 작다는 것은 터널링 확률의 증가와 관련되어 있기 때문에, 얇은 배리어들을 사용하는 것은 전자 터널링의 확률 증가의 부작용을 낳는다. 터널링은 전자가 이러한 절연성 재료들 및 산화물들의 존재 하에서도 흐르게 할 수 있기 때문에, 더 높은 레벨의 전자 터널링은 더 낮은 유효 저항을 야기한다. 심지어 터널링의 경우에도, 전자들의 흐름은 저항 가열 및 와전류들로부터 더 큰 손실을 가져온다.

따라서, 이 발견들 및 인식들을 기반으로, 본 발명의 실시 형태들은 절연성 및 자성을 둘 다 가진 결정립계 재료를 포함하는 인공의 복합 재료들을 구현한다. 본 발명의 추가 실시형태들에서, 특정 적용을 위한 특성들을 더 개선시키기 위해, 결정립계 재료는 비교적 높은 전자 저항 및 비교적 높은 자화 값을 가진다. 절연성 및 또한 자성의 이러한 결정립계 재료를 이용하는 것은 고 주파수 범위에서 효과적으로 작동할 수 있게 한다. 본 발명의 일부 실시형태에서, 최종 복합 재료의 작동 주파수들은 약 0.1 MHz 내지 10 MHz이다. 본 발명의 보다 추가적 실시 형태에서, 최종 복합 재료의 작동 주파수들은 약 1 내지 7 MHz이다.

본 명세서에 따르면, 도1 내지 도 16에서 같은 부분들은 전체적으로 같은 참조 번호들에 의해 부여되고, 도 1 내지 16은 자성 및 절연성의 결정립계 재료를 포함하는 인공 복합 재료들로 제조된 페라이트 코어들의 예시적인 실시 형태들을 나타낸다. 본 발명은 도면들에 나타내고 입자 크기 및 특정 재료들(예를 들어, NiZn 및 MnZn 재료들)에 대해 구현된, 예시적인 실시 형태들을 참조하여 기술될지라도, 많은 대안의 형태들이 본 발명에 포함될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 상세하게는, 적절한 재료들의 많은 다른 종류들 및 대응하는 크기들이 가능하다는 것을 본 명세서를 읽음으로써 당업자가 알 수 있을 것이다. 또한, 당업자는 본 발명의 사상 및 범위를 유지하는 방식으로, 개시된 실시 형태들의 파라미터들, 예를 들어 구성요소들 또는 재료들의 크기, 형상, 종류, 결정립 재료의 조성, 결정립계 재료의 조성, 작동 주파수 범위, 재료들의 자기 특성, 최적화 인자 등을 변경하는 상이한 방법들을 추가적으로 인식할 것이다. MnZn 및/또는 NiZn 재료들, 및 대응하는 입자 크기들의 예시적인 사용은 본 발명의 실시 형태를 결코 제한하지 않는다.

도 1은 재료 복합(110)의 결정립 요소의 역할을 하는 다결정 MnZn 페라이트 결정립들(112)에서 복수의 기하학을 갖는 인공 복합 재료(110)를 나타낸다. 복수의 페라이트 결정립들(112)은 모여서 MnZn 페라이트 분말을 형성한다. 인공 복합 재료(110)는 또한 결정립계 요소를 포함한다. 도 1에서 나타난 바와 같이, 영이 아닌 자화 및 전자적 절연성의 NiZn 페라이트 나노입자들(114)이 결정립들(112)의 결정립계에 위치한다. 예시적인 실시 형태들에서, MnZn 페라이트 결정립들(112)은 평균 입자 크기가 약 0.5 내지 50 미크론일 수 있다. 추가 예시적인 실시 형태들에서, 페라이트 결정립 요소의 평균 입자 크기는 약 1 내지 10 미크론이고, 또한 약 3 내지 4 미크론일 수 있다. 예시적인 실시 형태들에서, NiZn 페라이트 나노입자들(114)의 평균 입자 크기는 약 1 내지 100 나노미터일 수 있다. 추가 예시적인 실시 형태들에서, 결정립계 요소의 평균 입자 크기는 약 1 내지 50 나노미터이고, 보다 상세하게는 약 1 내지 20 나노미터일 수 있다. 보다 추가의 예시적인 실시 형태들에서, 결정립계 요소의 평균 입자 크기는 약 10 내지 20 나노미터이다. 복합 재료(110)의 고 주파수 자기 특성들 및 다른 성능 특성을 개선하기 위해, NiZn 페라이트 대 MnZn 페라이트의 비율은 약 1 내지 20 중량% 내에서 조절될 수 있다. 추가 실시 형태들에서, 이 비율은 약 1 내지 15 중량%로 조절될 수 있고, 보다 추가적 실시 형태에서, 약 1 내지 10 중량%로 조절될 수 있다. 결정립 재료 대 결정립계 재료의 특정 비율은 바람직한 성능 특성들 및 의도한 적용예들(예를 들어, 디바이스 종류, 회로 종류, 의도된 시스템 적용예, 등)을 근거하여 선택될 수 있다.

예시적인 실시 형태에서, MnZn 페라이트 분말은 Fe-풍부(Fe-rich) 비화학량론적(Mn₀ _.62Zn₀ _.38)Fe_2.25O₄ _±Δ와 첨가물 TiO₂ (약 0.1 내지 1 중량%)로부터 제조될 수 있다. MnZn 페라이트 분말은 약 300 내지 1000의 초기 투과도 μi, 약 400 내지 500 mT의 자속 밀도 Bs, 약 200℃ 초과의 퀴리 온도(curie temperature) Tc, 및 약 500 내지 5000 Ω·㎝의 저항을 가질 수 있다. 당업자는 이 값들이 예시적이고 본 발명의 실시 형태들에 따른 복합 재료들을 결코 제한하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.

예시적인 실시 형태들에서, NiZn 페라이트 나노입자들(114)은 Fe-부족(Fe-deficient), 비화학량론적 Ni(_1-X)Zn_xFe_yO₄(여기에서 x는 약 0.3 내지 0.7과 동일하고, y는 약 1.70 내지 1.95와 동일함)로부터 제조할 수 있다. NiZn 페라이트 나노입자들(114)은 약 5 내지 100의 초기 투과도 μi, 약 250 내지 500 mT의 자속 밀도 Bs, 및 약 10⁸ 내지 10¹² Ω·㎝의 비저항을 가질 수 있다. 추가 예시적인 실시 형태들에서, 자속 밀도는 약 340 mT이고 비저항은 약 10⁸ 내지 10⁹ Ω·㎝이다. 당업자는 이 값들이 예시적이고 본 발명의 실시 형태들에 따른 복합 재료들을 결코 제한하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.

　　　복합 재료(110)의 초기 투과도 μi는 약 300 내지 1000일 수 있고, 복합 재료(110)의 자속 밀도 Bs는 약 450 mT 초과일 수 있고, 복합 재료(110)의 퀴리 온도 Tc는 약 220 내지 300℃일 수 있고, 복합 재료(110)의 비저항은 약 10³ 내지 10⁵ Ω·㎝일 수 있고, 보다 추가적 실시 형태에서 약 10⁴ Ω·㎝일 수 있다.

도 2는 복합 재료(110)를 포함하고 복합 재료(110)로 이루어진 코어 요소(116)를 나타낸다. 코어 요소(116)는 페라이트 플레이트들(118), 페라이트 토로이드들(120), 페라이트 E-코어들(122), 페라이트 EI-코어들(124), 페라이트 디스크(126), 및 다른 코어 요소들과 페라이트 부품들을 포함하는 임의의 알려진 코어 요소 또는 페라이트 부품일 수 있다. 예를 들어, 다른 코어 요소들 및 페라이트 부품들은 페라이트 C 코어들, 페라이트 CI 코어들, 평면 E 코어들, EC 코어들, EFD 코어들, EP 코어들, ETD 코어들, ER 코어들, 평면 ER 코어들, U 코어들, RM/I 코어들, RM/LP 코어들, P/I 코어들, PT 코어들, PTS 코어들, PM 코어들, PQ 코어들, 갈라진 토로이드들, 보빈 코어들, 및 임의의 다른 코어 요소들 또는 페라이트 부품들을 포함한다. 코어 요소(116)의 특정 형상 및 크기는 인자들, 예를 들어 의도된 디바이스 적용예, 작동 주파수의 범위, 입력 신호(AD, DC, 진폭, 위상 등)의 종류, 출력 신호(AD, DC, 진폭, 위상 등)의 종류, 및 다른 조절가능한 인자들에 의해 결정된다. 이 인자들 및 어떻게 인자들이 특정 코어 요소(116)에 영향을 미치는지는 본 기술 분야에 잘 알려져 있다.

일반적으로, 당업자는 본 발명의 실시 형태들에 따른 코어 요소들(예를 들면, 유도성 코어들)이 SMPS 시스템들, 전력 컨디셔너들, 발전기들, 전력 컨버터들, 및 다른 많은 적용예들을 포함하는 많은 적용예들에 사용될 수 있다. 도 3은 본 발명의 실시 형태들에 따른 복합 재료(110) 및/또는 코어 요소들(116)을 이용하는 전자 요소들, 전자 디바이스들, 및 시스템들을 포함하는 여러 예시적인 적용을 나타낸다. 상세하게는, 도 3은 트랜스포머(130), 전자 요소(132), 인덕터/리액터(134), 및 전력 전자 디바이스(136), 예를 들어 SMPS를 이용하는 전력 전자 디바이스를 나타낸다. 추가의 비 제한적인 실시예로서, 전자 요소(132)는 전력 컨버터(138)(예를 들어, AC-AC 컨버터, AC-DC 컨버터, DC-AC 컨버터 및 DC-DC 컨버터), 유도 디바이스(140)(예를 들어, 고 주파수 유도식 가열기, 무정전 전력 공급 시스템(uninterruptible power supply system), 전류 센서, 필터 인덕터, 및 다른 유도 디바이스들), 조정 요소, 및 다른 전자 요소들/디바이스들일 수 있다. 추가 실시예들로서, 전력 전자 디바이스(136)는 송수신 소자(TRM)(142), 전자 주사 위상 어레이들(ESPA) 시스템(144), 전자전(EW) 시스템(146), SMPS 조정 요소(예를 들어 위성 통신 디바이스, 무선 통신 디바이스, 레이더 디바이스, 및 다른 통신 디바이스들)를 갖는 통신 디바이스(148) 및 다른 전력 전자 디바이스들일 수 있다. 이 실시예들은 전자 요소(132) 및 전자 디바이스(136)가 SMPS에서 이용하거나, 이용에 적합하거나, 포함되는 임의의 알려진 전자 요소/디바이스일 수 있다고 설명한다. 따라서, 도 3의 특정 예시적인 실시예는 이러한 적용예로 본 발명의 실시 형태들을 제한하지 않는다.

도 3의 디바이스들, 전자 요소들, 및 시스템들 모두는 당업자에게 잘 알려진 방법에 따라 조립되고 사용될 수 있다. 이 방법들이 본 분야에서 잘 알려지고 널리 보급된 것을 고려하면, 이러한 디바이스들의 제조 및 용도에 관한 추가 세부 사항 및 설명이 쓸모가 없고 불필요하다.

그렇더라도, 명확하게 하기 위해, 본 발명의 예시적 실시 형태들에 따른 코어 요소들(116)을 제조하는 하나의 예시적 방법은 도 4 내지 도 7를 참조하여 본 명세서에서 설명된다. MnZn 페라이트 분말과 관련하여, 생산은 당업자에게 알려진 종래 기술들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 세라믹 가공 기술이 사용될 수 있다. 하나의 예시적인 실시 형태에서, MnZn 페라이트 분말은 다음의 화학 조성을 갖도록 제조된다: Mn₀ _.62Zn₀ _.38Fe₂ _.25O4_±δ. 이 조성을 얻기 위해, 약 53 몰% Fe₂O₃, 약 29 몰% MnO, 및 약 18 몰% ZnO의 중량을 측정하고, 약 0.1 내지 1.0 중량% TiO₂의 첨가제와 함께 유성분쇄기(planetary mill)에서 혼합된다. 그 다음, 혼합된 산화물은 약 900℃에서 약 5 시간 동안 하소된다. 다음으로, 하소된 분말들은 가루로 만들고 하소된 MnZn 페라이트 입자들의 특정 바람직한 입자 크기를 얻기 위해 체로 분류된다. 예를 들어, 입자 크기 범위가 약 0.5 내지 50 μm일 수 있고, 또는 추가 실시 형태들에서 약 1 내지 10 μm, 또는 보다 추가적 실시 형태들에서 약 3 내지 4 μm일 수 있다. 이 크기들, 재료들, 및 다른 관련된 성능들은 이용되는 특정 농도뿐 아니라 의도된 적용 및 바람직한 성능 특성에 따라, 당업자에 의해 알 수 있듯이 변할 수 있다.

도 4는 NiZn 페라이트 나노입자들(114)를 제조하는 방법의 하나의 실시예를 나타낸다. 예시적인 실시 형태들에서, NiZn 페라이트 나노입자들(114)은 다음의 화학 조성을 갖도록 제조될 수 있다:Ni₀ _.6Zn₀ _.4Fe₁ _.9O₄. 먼저, 출발 재료들은 혼합물을 형성하도록 혼합된다(단계 410). 출발 재료들은 다음의 양들에서 적절한 화학량론적 비로 혼합될 수 있다: 약 8.90 중량%의 염화제일철(Ferrous Chloride, FeCl₂·4H₂O), 약 1.7 내지 4.0 중량%의 아연 아세테이트 이수화물(Zinc Acetate Dihydrate, C₄H₆0₄Zn·2H₂O), 약 1.7 내지 4.0 중량%의 니켈 아세테이트 사수화물(Nickel Acetate Tetrahydrate, (C₂H₃0₂)₂Ni·4H₂0), 및 약 85.32 중량%의 수산화 나트륨(NaOH). 이 재료들은 혼합되기 전에 또는 혼합 단계 동안, 분말들의 형태일 수 있다. 다음으로, 하나 이상의 염들 및 하나 이상의 염화물들과 함께 혼합물은, 용액을 형성하기 위해 글리콜을 포함하는 대 용기(larger vessel)에 첨가될 수 있다(단계 412). 글리콜은 약 100 내지 200℃의 온도까지 예열될 수 있고, 보다 바람직한 실시 형태들은 약 160℃의 온도까지 가열될 수 있다. 가열은 임의의 적절한 가열 메커니즘, 예를 들어 핫 플레이트를 이용하여 수행할 수 있다. 예를 들어, 대 용기는 평저 비커(flat bottom beaker)일 수 있다. 글리콜은 본 기술 분야에서 알려진 글리콜의 임의의 적절한 형태일 수 있고, 예를 들어 테트라-에틸렌 글리콜을 사용할 수 있다.

다음으로, 용액은 동력 교반기(motorized stirrer)를 이용하여 혼합될 수 있다(단계 414). 혼합은 300 rpm에서 1 시간 동안 또는 당업자가 알 수 있듯이, 동일한 효과를 얻을 수 있도록 하는 적절한 교반 속도들 및 시간들의 임의의 다른 조합에서 수행될 수 있다. 교반된 용액은 용액의 질량에 따라 입자들의 별개의 군들로 분류할 수 있다(단계 416). 이것은 표준 원심 분리 기술들을 사용하여 수행될 수 있다. 다음으로, 세척(rinse)은 과잉 글리콜을 제거하기 위해 수행될 수 있다(단계 418). 예를 들어, 세척은 메탄올 라이즈(methanol rise)일 수 있고, 또는 다른 알려진 세척제들을 포함할 수 있다. 이러한 세척의 결과로 NiZn 페라이트 나노입자들(114)을 수집한다. NiZn 페라이트 나노입자들(114)의 특정 크기는 최종 코어 요소의 의도된 적용예에 따라 다양할 수 있다. NiZn 페라이트 나노입자들(114)은 약 1 내지 100 nm의 크기일 수 있다. 추가 예시적인 실시 형태들에서, NiZn 페라이트 나노입자들(114)의 크기는 약 1 내지 50 nm이고, 보다 상세하게는 약 1 내지 20 nm이고, 보다 추가의 예시적 실시 형태들에서 NiZn 페라이트 나노입자들(114)의 크기는 약 10 내지 20 nm이다. 이 크기들은 이용된 특정 농도뿐 아니라, 의도된 적용예 및 바람직한 성능 특성들에 따라, 변할 수 있다.

제조된 재료들의 상 순도(phase purity)는 X 선 회절(XRD)과 같은 기술들을 사용하여 확인할 수 있다. 또한, 입자 크기는 주사 전자 현미경(SEM) 및 투과 전자 현미경(TEM)을 사용하여 확인할 수 있다.

도 5는 MnZn 페라이트 입자들(112) 및 NiZn 페라이트 나노입자들(114)로부터 만들어진 복합 재료(110)에 따른 압축형 분말(pressable powder)을 제조하는 하나의 예시적인 방법을 나타낸다. 압축형 분말은 코어 요소들(116)을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 먼저, MnZn 페라이트 입자들(112)은 유성 볼 분쇄기(plenary ball mill)에 의해 4 내지 10 시간 동안 알코올에서 NiZn 페라이트 나노입자들(114)과 혼합된다(단계 420). NiZn 대 MnZn 페라이트 입자들의 비는 약 1 내지 20 중량%로 조절될 수 있다. 여러 예시적인 실시 형태들에서, 비는 약 2 중량%, 약 5 중량%, 및 약 7 중량%에서 유지되었다. 혼합되면, 혼합물은 분말을 형성하기 위해 건조된다(단계 422). 예를 들어 건조는 약 100℃에서 일어날 수 있다. 다음으로, 분말은 입자 크기에 따라 분류된다(단계 424). 이것은 #200 체로 분말을 분류하는 단계를 수반할 수 있다. 바람직한 입자 크기를 얻으면, 분말은 압축형 분말로 바뀐다(단계 426), 이것은 약 5 내지 10 중량%의 결합제(binder)를 첨가하여 수행될 수 있다. 이러한 실시 형태들에서, 약 10 중량% 폴리비닐 알코올(PVA) 용액은 분말과 함께 혼합될 수 있다. 이것은 압축되는 경우 분말에 추가 강도를 제공하는 이점을 제공할 수 있다.

다음에, 압축형 분말은 입자 크기에 따라, 예를 들어 #40 체를 통한 선별(screening)을 통해 분류된다(단계 430). 다이 프레싱(die-pressing)의 후속 단계 동안, 이 과립은 최종 페라이트 분말들의 흐름 특성(flow characteristic)을 개선시킬 수 있다. 상세하게는, 바인더는 압축(compacting)하는 동안 입자 흐름을 용이하게 할 수 있고, 아마도 입자-바인더-입자 형태 결합을 형성함으로써, 입자들 간의 결합을 증가시킨다.

도 6에서 나타낸 바와 같이, 압축형 분말은 성형체로 형성될 수 있다(단계 432). 예를 들면, 이것은 토로이드 형상을 갖는 성형체를 형성하는 것 및 형성된 성형체를 1 내지 2 톤/㎠의 단축 압력(uniaxial pressure)을 받게 하는 것을 포함할 수 있다. 전형적 압축 메커니즘들이 사용될 수 있다. 당업자는 정확한 수량들, 압력 분포, 및 다른 형성 특성이 형성된 성형체의 종류 및 최종 디바이스 또는 형성된 코어 요소(116)의 의도된 적용예에 크게 의존한다는 것을 알 수 있다. 이러한 조건들 모두는 본 발명의 범위 내에서 생각할 수 있다. 토로이드 형상을 가진 본 명세서에서 기술된 예시적인 성형체에서, 성형체는 약 13 내지 18 mm의 외경, 약 5 내지 8 mm의 내경 및 약 1.5 내지 3 mm의 두께를 추가로 가질 수 있다.

다음으로, 압축형 분말의 바인더 요소는 가열 단계를 통해, 예를 들어 공기 또는 다른 적절한 산화 환경에 노출시키면서 연소될 수 있다(단계 434). 도 6의 예시 동작에서, 최대 약 600℃의 가열 속도(heating rates)가 사용된다. 그 다음, 코어 요소(116)는 예를 들어 질소 가스 대기 조건에서 약 1150 내지 1250℃에 약 2 내지 10 시간 정도 소결될 수 있다(단계 436). 바람직한 대기 조건에서 저 산소 분압은 질소 가스의 흐름 속도, 예를 들어 1 내지 5 ml/minute를 증가시킴으로써 조절될 수 있다. 하나의 예시적 소결 계획은 아래의 표 1에 상세히 설명된다.

　　　[표 1]

표 Ⅰ: 예시적 소결 계획

*소결 온도 범위: 약 1200 내지 1250℃

도 7에 나타낸 바와 같이, 상세하게는 압축형 분말이 성형체를 형성하는 단계(432)는 압축형 분말을 다수의 형상들 또는 코어 요소들, 예를 들어 코어 요소들(116)로 성형하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 단계 (432)는 디스크로 성형(432a), 토로이드로 성형(432b), 플레이트로 성형(432c), E-코어로 성형(432d), EI-코어로 성형(432e), 다른 코어 요소로 성형(432f), 또는 당업자에 의해 이해되는 것처럼 다른 바람직한 기하학에 따라 성형하는 것을 포함할 수 있다.

본 명세서에서 기술된 방법은 예시적이고, 본 발명의 범위를 제한할 의도는 아니다. 본 명세서를 읽으면, 당업자는 복합 재료(110)를 제조하는 대안의 방법들의 다양함을 인식할 수 있다. 이러한 방법들 모두는 본 발명의 범위 내에서 고려될 수 있다. 당업자는 본 발명의 실시 형태들이 임의의 적절한 종래 세라믹 방법들을 사용하여 제조될 수 있다는 것을 추가로 인식할 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 알려진 화학 처리들은 직접적인 화학 합성 기술들을 제외하고, 본 발명의 실시 형태들을 제조하는데 적절할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 형태들은 마이크로파 소결에 따라 제조되고, 이것은 압력을 사용하지 않고 압축물을 소결시키기 위하여 마이크로파 에너지를 사용한다. 압력의 적용과 관련된 제조 기술들에서, 압력의 적용은 단축 압, 냉간 등방압(cold isostatic pressure, CIP), 고온 등방압(hot isostatic pressure, HIP), 임의의 다른 압력 적용, 또는 이들의 임의 조합을 사용하여, 이루어질 수 있다.

복합 재료(110)를 구현하는 코어 요소들(코어 요소들(116) 포함)은 임의의 알려진 작동 기술들에 따라 기능할 수 있다. 그러나, 예시를 위해, SMPS에 관계된 하나의 예시적 방법의 작동은 여기에서 기술될 수 있다. 다음과 같은 작동 특징들은 당업자에게 잘 알려져있고, 작동의 특정 세부 사항들, 예를 들어 회로의 종류, 입력 공급 특성, 출력 공급 특성, 및 다른 조절가능한 인자들에 따라 대다수의 방법들에서 달라질 수 있다. 당업자는 SMPS 시스템의 기본 동작이 다음과 같이 발생한다는 것을 인식할 수 있다. 처음에, 컨버터, 정류기, 회로 등으로 들어가는 일부 입력 전력 공급이 있다. “오프(off)” 위치로 스위치를 플리핑하는 것(예를 들어, 스위치 열림)은 입력 전력 공급을 멈추어서, 입력 전력을 빠르게 감소시키게 된다. 입력 전력의 감소는 감소하는 입력 전력 공급에 대응하는데 작용하는 상반되는 EMF(opposing EMF)를 유도한다. 유도된 EMF와 관련된 에너지는 유도된 자기장의 형태에서 페라이트 코어에 저장된다. 유도된 EMF가 입력 전력 신호의 초기 방향(direction)으로 양의 크기(positive magnitude)를 가진다는 점을 고려할 때, 양의 에너지(positive energy)가 코어에 저장된다. 다음으로, 유도된 자기장은 코어 주위를 감은 하나 이상의 코일들 및/또는 와인딩들에서 전류를 유도한다. 유도된 전류는 회로에 추가 입력 전력을 공급하고, 이것은 스위치가 “오프” 위치일 때, 스위치되는 단계(phase)의 부분 동안 출력 신호를 구동하는데 사용된다.

유도된 EMF가 입력 신호의 감소를 막기 때문에, SMPS 시스템들은 스위칭 주기의 모든 시간 동안 출력 전력을 생성하기 위해 코어에 양의 에너지를 저장하고 사용할 수 있다. 달리 말하면, 고 효율 SMPS 시스템들에 대해, 입력 신호를 중단하는 것은 출력 전력을 중단하는 것을 초래하지 않는다. 입력 전력 공급은 중단되는 반면에, 출력 전력 공급은 연속적이다. 이것은 전력을 조절하고 공급하는 고도로 효율적인 방식이다.

이러한 SMPS 작동 동안, 예시적 복합 재료(110)를 포함하는 코어를 이용하는 것은 성능 및 효율을 크게 개선시킨다. 결정들 간의 자성 투과성과 자성 연속성을 개선시키는 동안, MnZn 결정립을을 분리시키는 결정립계들에 위치한 NiZn 입자들은 결정립계를 통해 전자적 투과를 지연시키는 역할을 한다. 이것은 코어의 와전류 손실들 및 자기 누설(magnetic leakage) 둘 다를 감소시켜서 더 큰 효율을 촉진한다. 따라서, 고 주파수 전력 손실은 고 자속성을 희생하지 않고 감소된다.

많은 대안의 실시 형태들이 가능하다. 예시적 실시 형태에 따라 구현되는복합 재료들(110), 코어 요소들(116), 및 전력 전자 디바이스들(136) 및, 전자 시스템들은 MnZn 페라이트 분말 및 NiZn 페라이트 나노입자들(114)로부터 제조된다고 기술되어 있지만, 재료들의 이 선택들은 단지 예시에 불과하다. 본 발명은 이러한 선택들로 제한되지 않는다. 본 명세서를 읽으면, 당업자는 많은 다른 재료들이 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 적절한 자속 밀도를 가진 임의의 절연체는 자성 결정립계로 역할한다. 일부 대안의 실시 형태들은 다른 적절한 자성, 절연성 나노입자들, 예를 들어 LiZn 페라이트 또는 주 양이온이 Fe이면서 Mn, Zn, Ni, Li, 또는 이들의 임의 조합으로 이루어진 페라이트들을 이용한다. 당업자는 결정립계 재료로서 역할할 수 있는 페라이트 분말들 및 자성 재료들의 많은 다른 조성물을 인식할 것이다. 이러한 모든 대체물은 본 발명에 의해 고려된다.

추가 대안의 실시 형태들에서, 다른 재료들이 MnZn 페라이트 분말을 대체한다. 당업자는 의도된 적용에 기해 구현될 수 있는 적절한 결정립 재료들의 넓은 범위를 인식할 것이다. 예를 들어, 코어들에 사용되는 임의의 종래 페라이트 분말이 적절할 수 있다. 보다 상세하게는, 이것은 Li-페라이트들, Ni-페라이트들, Mn-페라이트들, Mg-페라이트들, 및 다른 적절한 결정립 재료들을 포함할 수 있다.

추가 대안의 실시 형태들에서, 자성 결정립계 재료 및 결정립 재료는 상이한 주파수들에서 성능을 최대화하기 위해 조절될 수 있다. 예를 들어, 결정립 재료의 조성 및 결정립계 재료의 조성을 변경함으로써, 그리고 필수적 미세구조를 이루기 위해 고온 소결 공정들을 개선(refining)함으로써 비교적 낮은 주파수(약 2 MHz 미만)에서 낮은 코어 손실을 얻을 수 있다. 이러한 절차들 및 변경들은 본 분야에서 잘 알려져 있다. 하나의 실시예로서, 미세한 결정립 구조를 이용하는 것은 높은 작동 주파수들에 적합하며, 반면에 더 낮은 작동 주파수들에서의 성능은 큰 입자 크기를 가진 결정립 재료를 이용하여 얻을 수 있다.

추가 대안의 실시 형태들에서, 결정립계 재료들 대 결정립 재료들의 상이한 비율들이 구현될 수 있다. 예시적 실시 형태에서 사용된 예시 재료들을 사용하면서, MnZn 페라이트에 대하여 더 높은 농도의 NiZn 페라이트 입자들을 제공하는 것은 MnZn 페라이트 입자 결정립 크기들을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 도 8은 NiZn 페라이트 입자 농도(복합 재료의 중량%)의 함수로서 평균 결정립 크기(마이크로미터)를 그래프로 도시한다. Nizn 페라이트 입자 크기들이 2 중량%의 복합 재료를 형성하는 경우 MnZn 페라이트 입자들의 결정립 크기는 4 μm까지 감소될 수 있고, NiZn 페라이트 입자들의 결정립 크기가 복합 재료의 7 중량%인 경우, MnZn 페라이트 입자들의 결정립 크기는 4 μm까지 감소될 수 있다.

게다가, 결정립 재료들 및 결정립계 재료들의 각각의 비율들/농도들은 다를 수 있다. 이 농도를 변경하는 것은 코어 요소(116)의 의도된 디바이스 또는 적용에 따라 바람직할 수 있다. 도 9는 복합 재료(110)에서 NiZn 페라이트 입자들의 상대적 비율에 따라 다양한 성능 사양의 의존도를 나타낸다. 다양한 y 축들은 다음의 성능 특성을 나타낸다: 투과성, 컷오프 주파수, 최대 주파수, 및 당업자에 의해 μi x fr로 정의되는 스누크 결과(Snoek product). 도 9에서 나타낸 바와 같이, 투과성은 NiZn 페라이트 입자들의 농도에 따라 감소한다. 그러나, 컷오프 주파수 fr는 NiZn 페라이트 입자 농도에 따라 증가된다. 중요하게도, 스누크 결과는 NiZn 페라이트 입자 농도가 0 중량%에서 7 중량%로 증가함에 따라 6,500의 초기 값으로부터 8,400의 최종 값까지 거의 완전히 선형으로 증가한다. 최대 주파수(변수 f _p로 표시)는 투과도가 극대화 되는 주파수로서 본 명세서에서 규정된다. 이 값은 작동 주파수의 상한치를 결정한다. 도 9의 하부 그래프는 최대 주파수가 NiZn 페라이트 입자들 농도가 증가함에 따라 9 MHz까지 증가하는 것을 설명한다. 당업자는 이것이 유의적인 증가이고 실질적인 성능 개선을 야기할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

재료들의 3개의 작동 실시예들이 명확함과 예시를 위해 본 명세서에서 제공된다. 또한, 이 재료들을 포함하는 특정 테스트 결과들은 고 성능, 전력 효율, 및 본 발명의 실시 형태들에 따라 달성할 수 있는 다른 이점들을 보여주는 것을 포함한다. 이 실시예들은 본 발명을 제한하지 않는다. 아래에 제공된 특정 실시예들 및 테스트 데이터는 본 명세서에서 설명한 실시 형태들이 약 1 내지 7 MHz의 범위에 걸쳐 유의적인 이점들 및 개선들을 확인하였다는 점에 주목해야 한다. 당업자는 이 이점들 및 성능 개선들이 또한 약 0.1 내지 10 MHz의 더 넓은 주파수 범위까지 확장될 것이라는 것을 알 수 있을 것이다.

실시예 I 내지 Ⅲ

도 10은 본 발명에 따른 소결된 페라이트 코어들의 3개의 예시적인 실시형태들의 SEM 이미지들을 나타낸다. 가시적 경계 테두리(visible boundary borders)로 나타난 것처럼, 미세 구조들은 나노 크기의 NiZn 페라이트 입자들/클러스트들에 의해 둘러싸인 MnZn 페라이트 결정립들로 이루어진다. 도 10의 상단의 이미지는 2 중량%의 NiZn 입자들의 분포를 가진 실시예 I(본 명세서에서 B40N2로 언급됨)을 나타낸다. 도 10의 중앙의 이미지는 5 중량%의 NiZn 입자들의 분포를 가진 실시예 Ⅱ(본 명세서에서 B40N5로 언급됨)를 나타낸다. 도 10의 하단의 이미지는 7 중량%의 NiZn 입자들의 분포를 가진 실시예 Ⅲ (본 명세서에서 B40N7로 언급됨)을 나타낸다.

실시예 I 내지 Ⅲ의 복합 재료들은 본 명세서에서 기술된 기술들에 따라 제조되었다. 또한, 재료들을 제조한 다음, 에너지 분산형 X선 분석(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDX)를 실시예 I 내지 Ⅲ에 대해 수행하였다. 결정립들의 미세 입자들은 Ni이 풍부한 것이 발견되었고, 이것은 NiZn 페라이트 나노입자들의 존재 및 도 10의 SEM 이미지들의 결과들에서 확인되었다.

도 11은 B40N2, B40N5, 및 B40N7으로부터 형성된 페라이트 토로이드들에 대해 측정한 전력 손실들을 나타낸다. 측정은 약 1 내지 10 MHz의 주파수 범위에 걸쳐 수행되었다. 3 MHz에서, 전력 손실(P_v)은 NiZn 페라이트 입자 농도가 2 중량% 내지 7 중량% 증가함에 따라 20 mW/㎤ 내지 25 mW/㎤로 약간 증가하였다. 4 내지 5 MHz에서, P_v는 증가된 NiZn 페라이트 함량이 증가함에 따라 18% 감소한다. 7 내지 10 MHz에서, 전력 손실은 도 11의 그래프의 위쪽 2개의 곡선들에 의해 나타난 것처럼, NiZn 페라이트와 거의 독립적이라는 것이 발견되었다.

도 12는 B40N2, B40N5, 및 B40N7으로부터 형성된 페라이트 코어들의 포화 자속을 나타낸다. 그래프에서 나타난 것처럼, 본 발명에 따른 도 12에 의해 표현되는 예시적인 페라이트 코어들은, 적용된 장(field)이 2 kA/m보다 큰 경우 약 350 내지 500 mT의 포화 자속 Bs를 갖는다는 특징으로 한다. 당업자는 이 값들이 1 내지 10 MHz의 주파수들에서 작동하는 상업적 페라이트 코어들의 값들보다 현저히 높다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 상업적으로 이용가능한 제품들과의 비교가 아래의 표 Ⅱ에 제공된다.

[표 2]　

표 Ⅱ: 실시예 I 내지 Ⅲ과 상업적 제품의 비교

4F1 및 3F5는 Ferroxcube International Holding B.V라는 이름으로 운영되는 회사에서 판매되는 상업적으로 이용가능한 제품들이다. MN8CX는 Ceramic Magnetics, Inc라는 이름으로 운영되는 회사에서 판매되는 상업적으로 이용가능한 제품이다. 상기 테스트들은 제어된 조건에서 수행되었다. 일반적으로, 전력 손실은 자속 미터법(flux metric method)에 의해 측정되었다. LCR 임피던스 분석기(impedance analyzer)는 투과도의 주파수 의존성을 측정하기 위해 사용되었다.

전체적으로, B40N2, B40N5, 및 B40N7은 1 MHz 이상의 주파수들에서 작동하는 모든 상업적으로 이용할 수 있는 대표 제품들보다 더 낮은 전력 손실들을 보여준다. 또, B40N2, B40N5, 및 B40N7는 더 높은 포화 자속 밀도 B_s(400 내지 500 mT) 및 스누크 결과, (μi x fr) = 7,200 내지 8,400을 가진다. 또한, 약 5 MHz 초과의 작동 주파수들을 제공한 상업적 제품은 없다. 실시예 I 내지 Ⅲ은 더 높은 전력 손실들의 바람직하지 않은 부작용을 야기하지 않고, 100%까지, 5 MHz 내지 10 MHz의 최대 작동 주파수를 효율적으로 확대한다. 당업자는 대역폭 및 성능의 유의적인 증가를 인식할 것이다.

　　　도 13은 실온에서 전력 손실들을 측정하기 위해 B40N2로부터 제조된 코어들의 제어된 테스트들의 결과들을 나타낸다. 결과들은 로그 스케일(log scale)을 이용하여 나타낸다. 도 13의 적층된 곡선들로 나타낸 것처럼, 전력 손실의 주파수 의존성은 자속에 따라 변한다. B = 5 mT에서, 전력 손실은 1 내지 8 MHz의 주파수에 걸쳐 3 내지 200 mW/㎤의 범위이다. B = 10 mT에서, 전력 손실은 1 내지 6 MHz의 주파수 범위에 따라 15 내지 800 mW/㎤의 범위이다. B = 30 mT의 더 높은 자속에서, 1 내지 2 MHz의 작동 주파수인 경우 코어들은 1000 mW/㎤보다 낮은 전력 손실을 얻었다. 이것은 종래 및 알려진 재료들을 넘는 유의적인 개선이다.

　　　도 14는 실온에서 전력 손실들을 측정하기 위해 B40N5로부터 제조된 코어들의 제어된 테스트들의 결과들을 나타낸다. 전력 손실은 B = 5 mT에서 주파수가 8 MHz에 도달할 때까지 400 mW/㎤ 미만이다. f = 1 MHz에서, B40N5 코어들은 P_v = 4 mW/㎤의 저전력 손실을 나타낸다. 또한, 이 예시적인 실시 형태는 1 MHz 및 P_v < 1000 mW/㎤에서 f = 6 MHz까지, P_v = 20 mW/㎤를 산출하는, B =10 mT에서도 낮은 전력 손실을 나타낸다.

　　　도 15는 실온에서 전력 손실들을 측정하기 위해 B40N7로부터 제조된 코어들의 제어된 테스트들의 결과들을 나타낸다. B40N7 코어들은 저 자속에서 비교적 낮은 전력 손실을 나타낸다. B40N2 코어들(도 13) 및 B40N5 코어들(도 14)과 비교하면, B40N7 코어들은 3 내지 10 MHz와 같은 더 높은 주파수들에서, B = 5 또는 10 mT에서, 더 낮은 전력 손실을 발생하였다. 전체적으로, 이 결과들은 코어가 고 투과성, 약 300 내지 400의 μi을 나타내는 경우 작동 주파수가 유의적으로 확장될 수 있다는 현 과학적 발견을 설명한다. 예시적인 실시 형태들 I 내지 Ⅲ에서, 이것은 MnZn 페라이트 결정립들의 결정립계에서 MnZn 페라이트 결정립들 및 NiZn 페라이트 나노입자들로 이루어진 복합 재료들을 제공함으로써 얻을 수 있다.

　　　도 13 내지 도 15에서 알 수 있는 바와 같이, B40N2 코어들 및 B40N5 코어들과 비교하면, B40N7 코어들은 약 3 내지 10 MHz의 더 높은 주파수에서 B = 5 또는 10 mT의 더 낮은 전력 손실을 갖는다. 당업자는 도 13 내지 도 15의 그래프에 포함된 정보가 나노입자 재료들의 바람직한 상대 농도를 선택하기 위해, 예를 들어 특정 작동 상황들에 대한 최종적인 코어의 성능을 최적화하기 위해 사용될 수 있다는 것을 쉽게 인식할 것이다. 하나의 비 제한적 실시예로서, 예상되는 작동 주파수가 약 3 내지 10 MHz라면, 본 발명의 예시적인 실시 형태에 따라 제조된 코어들은 약 7 중량%의 NiZn 페라이트 나노입자들을 가질 수 있다.

　　　추가로, B40N2(실시예 I)에 대해, 고온 전력 손실이 측정되고 저온 손실과 비교되었다. B40N2에 대한 결과들의 대표적인 샘플은 도 16에 나타나고, 이것은 23 ℃ 및 80 ℃ 모두에서 전력 손실을 나타낸다. 실온에서 전력 손실과 비교하면, 주파수가 2 MHz 초과인 경우 고온 전력 손실이 20% 증가한다는 것이 데이터에 나타난다. 그러나, 약 2 MHz 미만의 주파수에서, 고온에서의 전력 손실은 저온에서의 전력 손실보다 10 내지 20% 더 낮다.

　　　3개의 실시예들 및 상기 설명에 의해 설명된 바와 같이, 예시적인 실시 형태들에 따른 코어 요소들은 종래의 코어 요소들보다 많은 이점들을 나타낸다. 다결정 구조 기하학의 높은 입도 및 균질성을 고려하면, 복합 재료(110)는 감소된 스트레스, 자기 변형(magnetostriction), 및 입계 공극율을 나타낸다. 이 결과는 감소된 이력(hysteretic) 감소를 초래한다.

　　　또한, 결정립계에 배치된 자성 재료들의 존재는 결정립계에 걸쳐 불연속적인 와전류들을 초래한다. 이것은 고 전류 밀도 및 이와 관련된 일반적 문제들(예를 들어, 과열)을 발생시키지 않고, 와전류 손실을 크게 감소시킨다. 또한, 작동 주파수의 선택이 피크로부터 멀어질 수 있기 때문에, 높은 컷오프 주파수를 제공하는 것은 잔류 손실을 감소시킨다. 이것은 가역 자벽 이동(reversible domain wall displacement) 및 스핀 회전과 관련된 공명 이완에서의 기여를 없앤다.

　　　따라서, 본 발명의 실시 형태들에 따른 복합 재료(110)의 작동 확장(operational extension)을 고려하면, 더 높은 작동 주파수들은 전력 손실을 크게 감소시키는 동안 얻어질 수 있다. 이것은 매우 바람직한 더 작고 더 가벼운 중량 사양을 얻기 위해 복합 재료(110)를 구현한 장치들, 시스템들, 및 전자장치들을 가능하게 한다.

　　　본 발명의 많은 변형들 및 대안의 실시 형태들은 상기 설명을 고려하면 당업자에게 명확할 것이다. 따라서, 이 설명은 단지 예시적인 것으로 해석되어야 하며, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태를 당업자에게 교시할 목적이다. 구조의 세부 사항들은 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 한 실질적으로 다를 수 있고, 첨부된 청구항들의 범위 내에 있는 모든 변경들의 배타적 사용(exclusive use)을 갖는다. 본 발명은 오직 첨부된 청구항들 및 적용 가능한 법의 규정에 의해 요구되는 범위내로 제한되는 것으로 의도된다.

　　　또한, 다음의 청구항들은 본 명세서에서 기술된 발명의 일반적 특징과 특정한 특징을 포함하는 것으로 이해되고, 언어의 문제로서 본 발명의 범위의 모든 표현들은 그 사이에 속할 수 있다.

Claims

자성 페라이트 상을 갖는 결정립 요소; 및
자성 및 절연성을 둘 다 갖는 나노 구조의 자성 결정립계 요소를 포함하고,
상기 나노 구조의 자성 결정립계 요소는 분말 입자의 혼합물로부터 얻어진 조성을 가지며 250 mT 초과의 자속 밀도를 갖는 복합 재료.
제1항에 있어서,
상기 나노 구조의 자성 결정립계 요소는 10⁸ 내지 10¹² Ω·㎝의 전기 비저항을 가지는, 복합 재료.
제1항에 있어서,
상기 나노 구조의 자성 결정립계 요소는 Ni, Zn, Fe, 및 O 원소들을 포함하는 자성 페라이트 상을 갖는 NiZn 페라이트 나노입자들을 포함하는, 복합 재료.
제1항에 있어서,
상기 결정립 요소는 MnZn 페라이트 재료를 포함하는, 복합 재료.
복합 재료를 포함하는 장치로서, 상기 복합 재료는
자성 페라이트 상을 갖는 결정립 요소; 및
자성 및 절연성을 둘 다 갖는 나노 구조의 자성 결정립계 요소를 포함하고,
상기 나노 구조의 자성 결정립계 요소는 분말 입자의 혼합물로부터 얻어진 조성을 가지며 250 mT 이상의 자속 밀도를 갖는, 장치.
제5항에 있어서,
상기 장치는 코어 요소인, 장치.
제5항에 있어서,
상기 장치는 페라이트 토로이드, 페라이트 플레이트, 페라이트 디스크, 페라이트 C 코어, 페라이트 CI 코어, 평면 E 코어, EC 코어, EFD 코어, EP 코어, ETD 코어, ER 코어, 평면 ER 코어, U 코어, RM/I 코어, RM/LP 코어, P/I 코어, PT 코어, PTS 코어, PM 코어, PQ 코어, 갈라진 토로이드(gaped toroid), 보빈 코어(bobbin core), 페라이트 E-코어, 및 페라이트 EI-코어로 이루어진 군에서 선택된 코어 요소인, 장치.
제5항에 있어서,
상기 장치는 코어 요소를 포함하는 디바이스이고, 추가로 상기 코어 요소는 복합 재료를 포함하는, 장치.
제5항에 있어서,
상기 장치는 코어 요소를 포함하는 디바이스이고, 추가로 상기 코어 요소는 복합 재료를 포함하고, 추가로 상기 디바이스는 트랜스포머, 전자 디바이스, 인덕터, 전력 전자 디바이스, 전력 컨버터, 인덕터 디바이스, 송수신 소자(TRM), 전자 주사 위상 어레이(ESPA) 시스템, 전자전(electronic warfare, EW) 시스템, 및 SMPS 조정 요소를 갖는 통신 디바이스로 이루어진 군에서 더 선택되는, 장치.
복합 재료를 제조하는 방법으로서,
자성 페라이트 상을 갖는 제1 요소를 제공하는 단계; 및
자성 및 절연성을 둘 다 갖는 제2 요소를 제공하는 단계;
제1 요소와 제2 요소의 혼합물을 제조하는 단계를 포함하고,
상기 혼합물에서 상기 제2 요소는 상기 제1 요소의 결정립의 결정립계에 배치되며, 나노 구조의 자성 결정립계 요소를 형성하고; 및
상기 나노 구조의 자성 결정립계 요소는 분말 입자의 혼합물로부터 얻어진 조성을 가지며 250 mT 이상의 자속 밀도를 갖는, 방법.
제10항에 있어서,
상기 나노 구조의 자성 결정립계 요소는 NiZn 페라이트 나노입자들을 포함하는, 방법.
제10항에 있어서,
상기 제1 요소는 MnZn 페라이트 입자들을 포함하는, 방법.
제10항에 있어서,
상기 혼합물을 제조하는 단계는
상기 제1 요소와 상기 제2 요소를 혼합하는 단계;
상기 제1 요소와 상기 제2 요소의 혼합물을 형성하는 단계;
상기 혼합물을 건조하는 단계; 및
입자 크기에 따라 상기 혼합물을 분리하는 단계를 포함하는, 방법.
제10항에 있어서,
상기 혼합물을 성형체로 형성하는 단계; 및
상기 성형체를 소결하여 소결체를 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제14항에 있어서,
상기 성형체를 소결시키기 전에 상기 성형체를 가열하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제14항에 있어서,
상기 성형체는 페라이트 토로이드, 페라이트 플레이트, 페라이트 디스크, 페라이트 E-코어, 및 페라이트 EI-코어로 이루어진 군에서 선택된 코어 요소로 성형되는, 방법.
제14항에 있어서,
장치를 제공하는 단계 및 상기 장치에 상기 소결체를 배치하는 단계를 추가로 포함하고,
상기 장치는 트랜스포머, 전자 디바이스, 인덕터, 전력 전자 디바이스, 전력 컨버터, 인덕터 디바이스, 송수신 소자(TRM), 전자 주사 위상 어레이(ESPA) 시스템, 전자전(EW) 시스템, 및 SMPS 조정 요소를 갖는 통신 디바이스로 이루어진 군에서 선택되는, 방법.