KR102197085B1 - 자성코어, 인덕터 및 이를 포함하는 emi 필터 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터는 토로이달 형상을 가지며, 페라이트를 포함하는 제1 자성체와 제1 자성체의 외주면 또는 내주면에 배치되는 제2 자성체를 포함하고, 제2 자성체는 제1 자성체의 원주 방향을 따라 감겨있는 복수층의 금속 리본 및 수지물질을 포함하고, 수지물질은 복수층의 금속 리본의 외표면을 덮도록 배치된 제1 수지물질과 복수층의 층간 공간 중 적어도 일부에 배치된 제2 수지물질을 포함한다.

Description

자성코어, 인덕터 및 이를 포함하는 EMI 필터{MAGNETIC CORE, INDUCTOR AND EMI FILTER COMPRISING THE SAME}
본 발명은 자성코어, 인덕터 및 이를 포함하는 EMI 필터에 관한 것이다.
인덕터는 인쇄회로기판 상에 적용되는 전자부품 중 하나이며, 전자기적 특성으로 인하여 공진 회로, 필터 회로, 파워 회로 등에 적용될 수 있다.
한편, 파워보드 내에 적용되는 EMI(Electro Magnetic Interference) 필터는 회로 동작에 필요한 신호는 통과시키고, 잡음은 제거하는 역할을 한다.
도 1은 EMI 필터가 적용된 일반적인 파워보드가 전원과 부하에 연결된 블럭도를 나타낸다.
도 1에 도시된 EMI 필터의 파워보드로부터 전달되는 잡음의 종류는 크게 파워보드에서 방사되는 30 ㎒ 내지 1 ㎓의 방사성 잡음과 전원 라인을 통하여 전도되는 150 ㎑ 내지 30 ㎒의 전도성 잡음으로 구분할 수 있다.
전도성 잡음의 전달 방식은 차동 모드(differential mode) 및 공통 모드(common mode)로 구분될 수 있다. 이 중에서, 공통 모드 잡음은 적은 양이더라도 큰 루프를 그리며 되돌아오기 때문에, 멀리 떨어져 있는 전자기기에도 영향을 미칠 수 있다. 이러한 공통 모드 잡음은 배선계의 임피던스 불평행에 의하여 발생하기도 하며, 고주파 환경일수록 현저해진다.
공통 모드 잡음을 제거하기 위하여, 도 1에 도시된 EMI 필터에 적용되는 인덕터는 일반적으로 Mn-Zn 계 페라이트(Ferrite) 소재를 포함하는 토로이달(toroidal) 형상의 자성코어를 사용한다. Mn-Zn 계 페라이트는 100 ㎑ 내지 1 ㎒에서 투자율이 높으므로, 공통 모드 잡음을 효과적으로 제거할 수 있다.
도 2는 일반적인 인덕터(100)의 사시도를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 인덕터(100)는 자성코어(110) 및 자성코어(110) 상에 권선된 코일(120)을 포함할 수 있다.
자성코어(110)는 토로이달(toroidal) 형상일 수 있으며, 코일(120)은 자성코어(110) 상에 권선된 제1 코일(122) 및 제1 코일(122)에 대향하도록 권선된 제2 코일(124)을 포함할 수 있다. 제1 코일(122) 및 제2 코일(124) 각각은 토로이달 형상의 자성코어(110)의 상면(S1), 측면(S2) 및 하면(S3)에 권선될 수 있다.
자성코어(110)는 코일(120)과 절연하기 위한 보빈(미도시)을 더 포함할 수 있으며, 코일(120)은 표면이 절연 소재로 피복된 도선으로 이루어질 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 자성 코어가 보빈을 더 포함하는 경우의 분해 사시도를 나타내고, 도 4는 도 3에 도시된 자성코어의 공정 사시도를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 자성코어(110)는 보빈(130)에 수용될 수 있다. 보빈(130)은 상부 보빈(132) 및 하부 보빈(134)을 포함할 수 있다.
다음으로, 도 4의 (a)를 참조하면, 도 3과 같이 상부 보빈(132), 자성코어(110) 및 하부 보빈(132)이 마련된 상태에서 하부 보빈(132)의 바닥면에 자성코어(110)가 배치될 수 있다. 이후, 도 4의 (b)와 같이 도 4의 (a)에 도시된 결과물에 상부 보빈(131)이 결합될 수 있다. 이때, 각 구성 요소는 접착물질을 통해 서로 접착될 수 있다.
상술한 인덕터의 성능 개선을 위해, 자성코어(110)를 이종 물질로 구성하는 등, 다양한 노력이 있어 왔다. 일례로, 전술한 바와 같은 Mn-Zn 계 페라이트(Ferrite) 소재를 포함하는 토로이달(toroidal) 형상의 자성코어 표면의 적어도 일부에 Fe-Si계열의 금속 리본이 배치될 수 있다. 그런데, 금속 리본은 높은 자성 특성(즉, 높은 투자율)을 얻기 위하여 고온(예컨대, 500℃ 내지 600℃)의 열처리가 수반되는 것이 보통이다. 그러나, 고온의 열처리를 거친 금속 리본은 자성 특성은 향상되나 강도가 지나치게 약해져 작은 충격에도 깨지기 쉬운(Brittle) 상태가 되어, 제작 공정 상 운송과 취급이 매우 어려워지며, 이는 작업성 저하와 완제품의 수율 저하를 야기하는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 자성 특성과 강도가 우수한 자성 코어 부품과 이를 포함하는 인덕터 및 EMI 필터를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 인덕터는 토로이달 형상을 가지며, 페라이트를 포함하는 제1 자성체와 제1 자성체의 외주면 또는 내주면에 배치되는 제2 자성체를 포함하고, 제2 자성체는 제1 자성체의 원주 방향을 따라 감겨있는 복수층의 금속 리본 및 수지물질을 포함하고, 수지물질은 복수층의 금속 리본의 외표면을 덮도록 배치된 제1 수지물질과 복수층의 층간 공간 중 적어도 일부에 배치된 제2 수지물질을 포함한다.
예를 들어, 제1 자성체는 Mn-Zn 계 페라이트를 포함하고, 제2 자성체는 Fe-Si계 금속 리본을 포함하고, 제2 수지물질은 제2 자성체의 전체 높이 대비 하면에서부터 상면 방향으로 0% 내지 5% 사이 및 95% 내지 100% 사이에 배치될 수 있다.
예를 들어, 제 1 자성체의 직경 방향 두께는 제2 자성체의 직경 방향 두께보다 두껍고, 제2 자성체의 직경 방향 두께는 제1 수지물질의 직경 방향 두께보다 두꺼울 수 있다.
예를 들어, 제1 수지물질의 두께는 20㎛ 내지 30㎛일 수 있다.
예를 들어, 제1 수지 물질층 높이는 제2 자성체의 높이보다 높을 수 있다.
예를 들어, 제2 수지물질은 복수 층의 층간 공간대비 15% 내지 30% 배치될 수 있다.
예를 들어, 제2 수지물질은 복수 층의 층간 공간대비 20% 내지 25% 배치될 수 있다.
실시예에 따른 EMI 필터는, 인덕터 및 캐패시터를 포함하고, 인덕터는 토로이달 형상을 가지며, 페라이트를 포함하는 제1 자성체와 제1 자성체의 외주면 또는 내주면에 배치되는 제2 자성체를 포함하고, 제2 자성체는 제1 자성체의 원주 방향을 따라 감겨있는 복수층의 금속 리본 및 수지물질을 포함할 수 있다. 여기서 수지물질은 복수층의 금속 리본의 외표면을 덮도록 배치된 제1 수지물질과 복수층의 층간 공간 중 적어도 일부에 배치된 제2 수지물질을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 자성체는 Mn-Zn 계 페라이트를 포함하고, 제2 자성체는 Fe-Si계 금속 리본을 포함하고, 제2 수지물질은 제2 자성체의 전체 높이 대비 하면에서부터 상면 방향으로 0% 내지 5% 사이 및 95% 내지 100% 사이에 배치될 수 있다.
예를 들어, 제2 수지물질의 일부는 복수 층의 층간 공간대비 15% 내지 30% 배치될 수 있다.
실시 예에 의한 인덕터 및 이를 포함하는 EMI 필터는 권취된 복수 층의 금속 리본 형상의 자성 코어가 수지물질에 의해 코팅되므로 강도가 향상되면서도 우수한 자성 특성을 갖는다.
도 1은 EMI 필터가 적용된 일반적인 파워보드가 전원과 부하에 연결된 블럭도를 나타낸다.
도 2는 일반적인 인덕터의 사시도를 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 자성 코어가 보빈을 더 포함하는 경우의 분해 사시도를 나타낸다.
도 4는 도 3에 도시된 자성코어의 공정 사시도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성코어의 사시도 및 단면도이다.
도 6은 도 5의 자성코어의 공정도이다.
도 7 내지 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자성코어의 사시도 및 단면도이다.
도 10은 페라이트 소재 및 금속리본 소재의 투자율 및 인덕턴스를 나타내는 그래프이다.
도 11은 실시 예에 따른 에폭시 코팅액의 희석 비율에 따른 층간 공간의 에폭시 비율을 나타내는 단면 이미지이다.
도 12는 실시예에 따른 샘플 측정 영역을 설명하기 위한 도면이며, 도 13은 도 12의 영역에 따른 측정 결과를 나타낸다.
도 14는 실시예에 의한 인덕터를 포함하는 EMI 필터의 일 례이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조들이 기판, 각층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 또한, 도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 자성코어는 서로 다른 물질로 구성된 제1 자성체와 제2 자성체를 포함할 수 있다. 여기서 제2 자성체는 제1 자성체의 적어도 일부 표면에 배치될 수 있으며, 권취된 복수 층의 금속 리본을 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 제2 자성체는, 권취된 복수 층의 금속 리본의 열처리 후의 강도 약화 문제를 해소하기 위해 수지물질을 포함할 수 있다. 수지물질은 권취된 복수 층의 금속 리본의 외표면을 덮는 수지물질과, 복수 층의 층간 공간의 적어도 일부에 배치된 수지물질을 포함할 수 있다. 여기서 층간 공간이라 함은, 금속 리본이 권취됨에 따라 원심 방향으로 서로 인접한 두 리본 층에서, 상대적으로 원심에 가까운 층의 외주면과 상대적으로 원심에서 먼 층의 내주면 사이에 형성된 공간을 의미할 수 있다. 수지물질의 형성 방법과 특성은 보다 상세히 후술하기로 하고, 먼저 도 5 내지 8을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 이종의 자성체들이 자성 코어를 구성하는 다양한 형태를 설명한다. 설명의 편의를 위하여, 도 5 내지 도 7에서 수지물질의 도시는 생략되었다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성코어의 사시도 및 단면도이고, 도 6는 도 5의 자성코어의 공정도이고, 도 7 내지 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자성코어의 사시도 및 단면도이다.
도 5를 참조하면, 자성코어(800)는 제1 자성체(810) 및 제2 자성체(820)를 포함하고, 제1 자성체(810) 및 제2 자성체(820)는 이종이며, 제2 자성체(820)는 제1 자성체(810)의 적어도 일부 표면에 배치될 수 있다. 이때, 제2 자성체(820)는 제1 자성체(810)보다 높은 포화자속밀도를 가질 수 있다.
여기서, 제1 자성체(810)는 페라이트를 포함하고, 제2 자성체(820)는 금속리본을 포함할 수 있다. 여기서, 페라이트의 투자율(μ)은 2,000내지 15,000일 수 있으며, 금속리본의 투자율(μ)은 100,000 내지 150,000일 수 있다. 예를 들어, 페라이트는 Mn-Zn 계 페라이트일 수 있으며, 금속리본은 Fe계 나노결정질 금속리본일 수 있다. Fe계 나노결정질 금속리본은 Fe 및 Si를 포함하는 나노결정질 금속리본일 수 있다. 금속 리본의 두께는 15㎛ 내지 20㎛일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이때, 제1 자성체(810) 및 제2 자성체(820)는 각각 토로이달 형상이며, 제2 자성체(820)는 제1 자성체(810)의 외주면(S2)에 배치되는 제2 외측자성체(822) 및 제1 자성체(810)의 내주면(S4))에 배치되는 제2 내측자성체(824)를 포함할 수 있다.
이때, 제2 외측자성체(822) 및 제2 내측자성체(824)의 두께는 각각 제1 자성체(810)의 두께보다 얇다. 제2 외측자성체(822)의 두께와 제1 자성체(810)의 두께 간 비율 및 제2 내측자성체(824)의 두께와 제1 자성체(810)의 두께 간 비율 중 적어도 하나를 조절하면, 자성코어(800)의 투자율을 조절할 수 있다.
이와 같은 자성코어를 제작하기 위하여, 도 6에서와 같이 두 개의 제2 자성체(822, 824)가 각각 준비된다. 각 제2 자성체(822, 824)는 복수 층으로 권취된 금속 리본에 수지물질이 형성된 것일 수 있다. 준비된 제2 자성체(822, 824) 중 토로이달 형상의 제1 자성체(810)의 내주면(S4)에 대응되는 제2 내측자성체(824)는 제1 자성체(810)의 중공에 삽입될 수 있으며, 제1 자성체(810)는 다시 외주면(S2)에 대응되는 제2 외측자성체(822)의 중공에 삽입될 수 있다. 물론, 제2 자성체들간의 제1 자성체(810)에 대한 상대적인 결합 순서는 변경되어도 무관하다.
이때, 제1 자성체(810)의 외주면(S2)과 제2 외측자성체(822) 및 제1 자성체(810)의 내주면(S4)과 제2 내측자성체(824)는 접착제에 의하여 접착될 수 있다. 이때, 접착제는 에폭시계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘계 수지 및 니스 중 적어도 하나를 포함하는 접착제일 수 있다. 이와 같이, 접착제를 이용하여 이종의 자성체를 접합시키면, 물리적인 진동 시에도 성능 저하가 발생하지 않게 된다.
여기서, 제2 자성체(822, 824) 각각은 도 5에서 도시된 바와 같이, 복수 회 와인딩되어 복수 층으로 적층된 금속리본을 포함할 수 있다. 적층된 금속리본의 층 수에 따라 제2 자성체(822, 824)의 두께 및 투자율이 달라질 수 있으며, 이에 따라 자성코어(800)의 투자율이 달라질 수 있고, 자성코어(800)가 적용된 EMI 필터의 노이즈 제거 성능이 달라질 수 있다.
즉, 제2 자성체(822, 824)의 두께가 클수록 노이즈 제거 성능이 높아질 수 있다. 이러한 원리를 이용하여, 코일이 권선되는 영역에 배치되는 제2 자성체(822, 824)의 두께가 코일이 권선되지 않는 영역에 배치되는 제2 자성체(822, 824)의 두께보다 두껍도록 적층된 금속리본의 층 수를 조절할 수 있다.
금속리본의 층 수는 와인딩 횟수, 와인딩 시작 지점 및 와인딩 종료 지점에 의하여 조절될 수 있다. 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 제1 자성체(810)의 외주면(S2)에 배치된 제2 외측자성체(822)를 기준으로 와인딩의 시작점과 종료 지점의 관계를 설명하면 다음과 같다. 물론, 제2 외측자성체(822)는 제1 자성체(810)와 결합되기 이전에 와인딩은 물론 수지물질(미도시)의 형성까지 완료된 상태임은 전술한 바와 같으나, 설명의 편의를 위해 제1 자성체(810)의 외주면 일 지점을 기준으로 와인딩이 시작되는 것으로 가정한다.
금속리본인 제2 외측자성체(822)를 와인딩하는 경우, 와인딩 시작 지점으로부터 한바퀴 와인딩할 경우 제2 외측자성체(822)는 1층의 금속리본을 포함할 수 있고, 와인딩 시작 지점으로부터 두바퀴 와인딩할 경우 제2 외측자성체(822)는 2층의 금속리본을 포함할 수 있다. 한편, 와인딩 시작 지점과 와인딩 종료 지점이 상이한 경우, 예를 들어 와인딩 시작 지점으로부터 한바퀴 반 와인딩할 경우 제2 외측자성체(822)는 1층으로 금속리본이 적층된 영역과 2층으로 금속리본이 적층된 영역을 포함하게 된다. 또는, 와인딩 시작 지점으로부터 두바퀴 반 와인딩할 경우 제2 외측자성체(822)는 2층으로 금속리본이 적층된 영역과 3층으로 금속리본이 적층된 영역을 포함하게 된다. 이러한 경우, 적층된 층 수가 더 많은 영역에 코일을 배치하면, 본 발명의 실시예에 따른 자성코어(800)가 적용된 EMI 필터의 노이즈 제거 성능을 더욱 높일 수 있다.
예를 들어, 자성코어(800)가 토로이달 형상이고, 자성코어(800) 상에 제1 코일(122) 및 제2 코일(124)이 서로 대칭하도록 권선되는 경우, 제1 자성체(810)의 외주면에 배치되는 제2 외측자성체(822)의 적층된 층 수가 많은 영역에 제1 코일(122)을 배치하고, 제1 자성체(810)의 내주면에 배치되는 제2 내측자성체(824)의 적층된 층 수가 많은 영역에 제2 코일(124)을 배치할 수 있다. 이에 따라, 제1 코일(122) 및 제2 코일(124) 모두 제2 자성체(822, 824)에서 적층된 층 수가 많은 영역에 배치될 수 있고, 적층된 층 수가 적은 영역에는 제1 코일(122) 및 제2 코일(124)이 배치되지 않으므로, 높은 노이즈 제거 성능을 얻을 수 있다.
제2 외측자성체(822) 및 제2 내측자성체(824)가 동일한 소재 및 두께를 가지는 것으로 예시되어 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 제2 외측자성체(822) 및 제2 내측자성체(824)는 상이한 소재 또는 상이한 투자율을 가질 수 있으며, 상이한 두께를 가질 수 있다. 이에 따라, 자성코어(800)의 투자율은 다양한 범위를 가질 수 있다.
한편, 도 7과 같이, 제1 자성체(810)의 높이(h1)가 제2 자성체(820)의 높이(h2)보다 높을 수 있다. 이를 위하여, 제2 자성체(820)의 제조 공정 상에서, 제1 자성체(810)의 높이(h1)보다 폭이 짧은 금속리본을 권취하면 된다. 이에 따르면, 제2 외측자성체(822)는 제1 자성체(810)의 상면(S1)과 외주면(S2) 간의 경계 및 제1 자성체(810)의 하면(S3)과 외주면(S2) 간의 경계에 배치되지 않으며, 제2 내측자성체(824)는 제1 자성체(810)의 상면(S1)과 내주면(S4) 간의 경계 및 제1 자성체(810)의 하면(S3)과 내주면(S4) 간의 경계에 배치되지 않을 수 있다. 이에 따라, 제1 자성체(810)의 상면(S1)과 외주면(S2) 간의 경계, 제1 자성체(810)의 하면(S3)과 외주면(S2) 간의 경계, 제1 자성체(810)의 상면(S1)과 내주면(S4) 간의 경계 및 제1 자성체(810)의 하면(S3)과 내주면(S4) 간의 경계 등에서 제2 외측자성체(822)의 크랙을 방지할 수 있다.
또는, 도 8과 같이, 제2 자성체(820)가 제1 자성체(810)의 외주면(S2)에만 배치되거나, 도 9와 같이, 제2 자성체(820)가 제1 자성체(810)의 내주면(S4)에만 배치될 수도 있다.
이와 같이, 자성코어(800)가 투자율이 상이한 이종의 자성체를 포함하면, 광범위한 주파수 대역의 노이즈 제거가 가능하다. 특히, Mn-Zn 계 페라이트로만 이루어진 토로이달 형태의 자성코어에 비하여, 표면에 자속이 몰리는 현상이 방지되므로 고주파 노이즈 제거 효과가 크고, 내부 포화도가 낮아지므로 고전력 제품에 적용이 가능하다. 또한, 제1 자성체(810) 및 제2 자성체(820)의 투자율, 부피비 등을 조절하면, 자성코어(800)의 성능 조절이 가능하다.
한편, 도 10을 참조하면, 주파수 별 투자율이 상이한 페라이트 소재와 금속리본 소재를 모두 포함하는 자성코어는 소정 주파수 영역에서 인덕턴스가 높게 나타나며, 이에 따라 높은 노이즈 제거 성능을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
지금까지 실시예들에 따른 제1 자성체와 제2 자성체의 상호 배치 관계에 대하여 설명하였다. 이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 자성체의 수지물질을 보다 상세히 설명한다.
일 실시예에 의하면, 수지물질은 복수의 층으로 권취된 금속 리본을 열처리 후, 열처리 결과물을 코팅액에 함침시킨(dipping) 후 건조시키는 방법으로 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 건조 과정은 60도 내지 150도의 환경에서 열건조 과정을 포함할 수 있다.
도 8의 (c)에 도시된 바와 같이, 제2 자성체(820)에서 수지물질(R)은 권취된 금속리본(MR)의 외표면(상면, 하면, 내주면, 외주면)에 배치될 수 있으며, 권취된 금속 리본 사이사이(미도시)에도 배치될 수 있다.
일 실시예에 의하면, 코팅액은 에폭시 수지와 희석제가 소정 비율로 혼합된 혼합액일 수 있다. 희석제는 에폭시 수지를 용해시킬 수만 있다면, 특정 성분에 국한되는 것은 아니다. 아래의 표 1 내지 표 4는 에폭시 수지와 희석제의 비율을 달리하여 인덕턴스 감소율을 측정한 결과의 일례를 나타낸다.
에폭시:
희석제		 샘플 인덕턴스(@16kHz) 감소율(%)
비율 함침 전 함침 후
5:5 #1 65.52 45.16 -31.08
#2 60.43 42.78 -29.2
#3 59.42 41.72 -29.79
#4 65.25 46.03 -29.46
#5 64.23 47.08 -26.7
#6 55.08 41.16 -25.28
#7 62.06 41.94 -32.42
#8 64.57 43.49 -32.64
#9 63.11 43.49 -31.09
#10 72.68 50.88 -29.99
Avg. 63.23 44.37 -29.76
에폭시:
희석제		 샘플 인덕턴스(@16kHz) 감소율(%)
비율 함침 전 함침 후
3:7 #1 60.96 58.96 -3.28
#2 76.36 66.32 -13.15
#3 75.26 64.16 -14.75
#4 64.41 49.25 -23.54
#5 58.02 50.02 -13.79
#6 61.46 45.99 -25.18
#7 51.35 44.05 -14.22
#8 52.56 45.64 -13.15
#9 53.93 46.08 -14.56
#10 49.89 42.64 -14.54
Avg. 60.42 51.31 -15.02
에폭시:
희석제		 샘플 인덕턴스(@16kHz) 감소율(%)
비율 함침 전 함침 후
2:8 #1 60.92 53.93 -11.47
#2 55.4 53.68 -3.1
#3 49.27 44.4 -9.88
#4 45.79 48.19 5.24
#5 58.26 54.78 -5.97
#6 61.64 54.8 -11.1
#7 62.14 56.59 -8.93
#8 53.22 51.44 -3.34
#9 49.35 46.89 -4.98
#10 44.92 43.28 -3.65
Avg. 54.09 50.8 -5.72
에폭시:
희석제		 샘플 인덕턴스(@16kHz) 감소율(%)
비율 함침 전 함침 후
1:9 #1 49.14 46.18 -6.02
#2 44.47 42.21 -5.09
#3 38.33 36.68 -4.3
#4 38.92 36.43 -6.39
#5 40.07 36.93 -7.85
#6 49.13 49.68 1.13
#7 57.5 55.41 -3.63
#8 44.08 42.13 -4.43
#9 41.62 41.4 -0.54
#10 44.62 40.23 -9.84
Avg. 44.79 42.73 -4.7
표 1 내지 표 4를 참조하면, 에폭시 수지의 비율이 높을수록 인덕턴스 감소율이 높으며, 희석제의 비율이 높을수록 인턱턴스 감소율이 적음을 알 수 있다. 구체적으로, 에폭시 수지와 희석제의 비율이 5:5 인 경우 30퍼센트에 가까운 인덕턴스 감소율이 나타났으며, 에폭시 수지와 희석제의 비율이 3:7인 경우 약 15퍼센트에 가까운 인덕턴스 감소율이 나타났다. 다만, 에폭시 수지와 희석제의 비율이 2:8인 경우와 1:9인 경우의 인덕턴스 감소율은 각각 5.72%와 4.7%로 차이는 크지 않되, 비교적 양호한 인턱턴스 감소율을 보였다.
다음으로, 표 5를 참조하여 각 희석제별 강도를 비교한다.
샘플 함침 전 에폭시: 희석제 함량 비율
5:5 3:7 2:8 1:9
#1 75 757 515 386 240
#2 56 806 494 511 297
#3 62 770 544 420 250
#4 68 774 580 583 213
#5 80 857 482 467 222
#6 61 821 543 520 236
#7 88 890 490 478 221
#8 69 874 340 478 234
#9 76 745 422 460 219
#10 63 717 499 425 174
Avg. 69.8 801.1 490.9 472.8 230.6
표 5는 15층(turn)으로 권취된 금속 리본을 열처리 후 외주면의 일 지점을 지름방향으로 가압할 때 파손이 발생하는 외력을 g 단위로 나타낸 것이다. 표 5를 참조하면, 코팅액에 함침하기 전의 금속 리본은 약 70g의 외력이 가해질 때 파손되나, 에폭시 수지와 희석액의 비율에 따라 약 3배에서 10배 이상의 강도 향상이 있음을 알 수 있다.
이러한 희석 비율별 강도 향상의 차이는, 코팅액(즉, 함침액)의 희석 비율에 따라 에폭시 수지의 점성 차이로 함침 후 금속 리본을 건져올릴 때 금속 리본의 외각에 보다 많은 양의 에폭시가 정착되는 이유도 있으나, 함침액 속에서 권취된 금속 리본의 복수 층의 층간 공간에 침투한 에폭시 수지의 양 또한 커짐에서 기인한다. 또한, 권취된 금속 리본의 복수 층의 층간 공간에서 에폭시 수지가 건조 과정에서 부피가 팽창하여 금속 리본에 미세크랙이 증가하여 인덕턴스 감소 효과가 발생할 수 있다. 이를 도 11 내지 도 13을 참조하여 설명한다. 도시되지 않았지만, 도 11 내지 도 13 에서 권취된 리본의 층간 공간에서 수지물질이 배치되는 위치는 제 2 자성체(820)의 전체 높이를 하면에서부터 상면까지로 정의할 때, 하면으로부터 상면 방향으로 전체 높이 대비0% 내지5% 사이 및 95% 내지 100% 사이에 배치될 수 있다. 바람직하게는 하면으로부터 상면 방향으로 전체 높이 대비 0% 내지 15% 사이 및 85% 내지 100% 사이에 배치될 수 있다. 더욱 바람직하게는 하면으로부터 상면 방향으로 전체 높이 대비 0% 내지 30% 사이 및 70% 내지 100% 사이에 배치될 수 있다. 하면으로부터 상면 방향으로 전체 높이 대비 31% 내지 69% 사이에 배치될 경우 강도 향상 및 인덕턴스 감소율이 미미할 수 있다.
도 11은 실시 예에 따른 에폭시 코팅액의 희석 비율에 따른 층간 공간의 에폭시 비율을 나타내는 단면 이미지이다. 도 11에서는 15층(turn)으로 권취된 금속 리본을 희석 비율을 각각 달리한 에폭시 코팅액에 함침한 제2 자성체를 원주방향으로 절단한 후 단면을 확대한 이미지를 나타낸다. 또한 도 11에서 각 이미지는 공통적으로 하단이 원심 방향이며, 각 희석 비율별로 상단 이미지는 15층의 금속 리본이 모두 나타난 이미지이며, 하단 이미지는 5층의 금속 리본만 나타나도록 더욱 확대한 이미지이며, 각 하단 이미지의 원들은 에폭시 수지가 위치한 영역을 의미한다.
도 11을 참조하면, 에폭시와 희석제의 비율이 1:9인 경우 원심 방향으로 인접한 리본층 사이의 공간, 즉, 층간 공간 전체 대비 약 10% 비율로 에폭시 수지가 위치하며, 에폭시와 희석제의 비율이 2:8인 경우 약 25% 비율로 에폭시 수지가 위치한다. 또한, 에폭시와 희석제의 비율이 3:7인 경우 층간 공간 전체 대비 약 30% 비율로 에폭시 수지가 위치하며, 에폭시와 희석제의 비율이 5:5인 경우 약 50% 비율로 에폭시 수지가 위치한다.
도 11에 나타난 바와 같이, 층간 공간에 에폭시 수지가 차지하는 비율에 따라 강도가 달라짐을 알 수 있다.
이하에서는 표 1내지 4의 인덕턴스 감소량과, 표 5의 강도 향상을 종합적으로 비교한다.
에폭시와 희석액의 비율이 5:5인 경우 가장 강도가 높아지나 인덕턴스 감소율이 너무 높았으며, 에폭시와 희석액의 비율이 1:9인 경우 인덕턴스 감소율이 가장 낮으나, 강도 향상폭이 낮았다.
또한, 에폭시와 희석액의 비율이 각각 2:8인 경우와 1:9인 경우 인덕턴스 감소율 측면에서 유사한 우수성을 보였으며, 강도 향상 측면에서는 에폭시와 희석액의 비율이 각각 2:8과 3:7인 경우 유사한 우수성을 보였다.
종합해보면, 에폭시와 희석액의 비율이 2:8인 경우, 인덕턴스 감소율은 1:9인 경우와 유사할 정도의 우수성을 보였으며, 강도는 3:7인 경우와 유사할 정도의 우수성을 보인 바, 가장 바람직한 비율이라 할 수 있다.
따라서, 이하에서는 에폭시와 희석액의 비율이 2:8인 경우 층간 공간의 에폭시 비율을 도 12 내지 도 13을 참조하여 보다 구체적으로 살펴본다.
도 12는 실시예에 따른 샘플 측정 영역을 설명하기 위한 도면이며, 도 13은 도 12의 영역에 따른 측정 결과를 나타낸다.
도 12를 참조하면, 실시 예에 따른 2:8의 희석비를 갖는 코팅액에 함침된 후 건조된 제2 자성체(820)의 평면도가 도시된다. 층간 공간의 에폭시 비율을 측정하기 위해, 하나의 제 2 자성체(820)가 Area_1 내지 Area_4의 4개 영역으로 분할되며, 각각의 원주방향으로 절단된 단면 영상이 촬영된다. 따라서, 하나의 제2 자성체 샘플에 대하여 층간 공간의 에폭시 비율이 4회 측정되며, 5개의 샘플을 이용하여 총 20회의 측정이 수행되었다.
도 13에서는 이러한 측정 과정에서 촬영된 일부 샘플의 이미지가 도시된다. 도 13에서 15층(turn)으로 권취된 금속 리본을 2:8의 희석비율을 갖는 에폭시 코팅액에 함침한 제2 자성체를 원주방향으로 절단한 후 단면을 확대한 이미지를 나타낸다. 또한, 도 13에서 각 이미지는 공통적으로 하단이 원심 방향이며, 각 상단 이미지는 하단의 이미지가 단면의 어느 부분에 해당하는지를 나타내며, 하단 이미지는 5층의 금속 리본만 나타나도록 더욱 확대한 이미지이며, 각 하단 이미지의 원들은 에폭시 수지가 위치한 영역을 의미한다.
도 13의 (a)에서는 층간 공간에 에폭시 수지가 15% 비율을 차지하며, 도 13의 (b)에서는 20%, 도 13의 (c)에서는 25%, 도 13의 (d)에서는 30%의 비율을 각각 에폭시가 차지하는 것으로 나타나 있다.
종합하면, 희석비가 2:8 인 경우, 층간 공간의 에폭시 비율은 15% 내지 30% 이나, 이는 최대 값과 최소 값을 포함하는 범위로, 20회의 측정 결과는 아래 표 6과 같다.
샘플구분 Area_1 Area_2 Area_3 Area_4 Total
#1 15 25 30 25
#2 25 20 25 20
#3 25 15 25 20
#4 30 30 25 30
#5 25 25 20 25
평균 24 23 25 24 24
표 6을 참조하면, 총 20회 실험에서 15%인 경우가 2회, 20%인 경우가 4회, 25%인 경우가 7회, 30%인 경우가 3회로 각각 나타났다. 따라서, 희석비가 2:8인 경우, 층간 공간의 에폭시 비율은 15% 내지 30%, 바람직하게는 20% 내지 25%, 보다 바람직하게는 23% 내지 25%일 수 있다. 또한, 도시되지는 않았으나 제2 자성체의 외각 코팅층의 두께는 10㎛ 내지 40㎛ 일 수 있으며, 바람직하게는 20㎛ 내지 30㎛일 수 있다. 두께가 10㎛보다 작을 경우 강도가 낮아져 금속 리본이 파손될 수 있으며, 40㎛보다 클 경우 인덕턴스 감소율이 커져서 성능이 감소될 수 있다.
한편, 전술한 실시 예에 의한 인덕터는 라인 필터에 포함될 수 있다. 예를 들어, 라인 필터는 교류/직류 변환기(AC-to-DC converter)에 적용되는 잡음 저감용 라인 필터일 수 있다. 도 14는 실시예에 의한 인덕터를 포함하는 EMI 필터의 일 례이다.
도 14를 참조하면, EMI 필터(2000)는 복수의 X-커패시터(Cx), 복수의 Y-커패시터(Cy) 및 인덕터(L)를 포함할 수 있다.
X-커패시터(Cx)는 라이브 라인(LIVE)의 제1 단자(P1)와 뉴트럴 라인(NEUTRAL)의 제3 단자(P3) 사이 및 라이브 라인(LIVE)의 제2 단자(P2)와 뉴트럴 라인(NEUTRAL)의 제4 단자(P4) 사이에 각각 배치된다.
복수의 Y-커패시터(Cy)는 라이브 라인(LIVE)의 제2 단자(P2)와 뉴트럴 라인(NEUTRAL)의 제4 단자(P4) 사이에 직렬로 배치될 수 있다.
인덕터(L)는 라이브 라인(LIVE)의 제1 단자(P1)와 제2 단자(P2) 사이 및 뉴트럴 라인(NEUTRAL)의 제3 단자(P3)와 제4 단자(P4) 사이에 배치될 수 있다. 여기서, 인덕터(L)는 전술한 실시예에 의한 인덕터(100)일 수 있다.
EMI 필터(2000)는 공통 모드 잡음이 유입될 때, 일차측 인덕턴스(Primary Inductance)와 Y-커패시터(Cy)의 합성 임피던스 특성으로 공통 모드 잡음을 제거한다. 여기서, 라이브 라인(LIVE)의 일차측 인덕턴스는 제3 및 제4 단자(P3, P4)를 오픈(Open)시킨 상태에서 제1 및 제2 단자(P1, P2) 사이의 인덕턴스를 측정하여 획득될 수 있고, 뉴트럴 라인(NEUTRAL)의 일차측 인덕턴스는 제1 및 제2 단자(P1, P2)를 오픈(Open)시킨 상태에서 제3 및 제4 단자(P3, P4) 사이의 인덕턴스를 측정하여 획득될 수 있다.
EMI 필터(2000)는 차동 모드 잡음이 유입될 때, 누설 인덕턴스(leakage Inductance)와 X-커패시터(Cx)의 합성 임피던스 특성으로 차동 모드 잡음을 제거한다. 여기서, 라이브 라인(LIVE)의 누설 인덕턴스는 제3 및 제4 단자(P3, P4)를 단락(short)시킨 상태에서 제1 및 제2 단자(P1, P2) 사이의 인덕턴스를 측정하여 획득될 수 있고, 뉴트럴 라인(NEUTRAL)의 누설 인덕턴스는 제1 및 제2 단자(P1, P2)를 단락시킨 상태에서 제3 및 제4 단자(P3, P4) 사이의 인덕턴스를 측정하여 획득될 수 있다.
실시예에 의한 EMI 필터(2000)의 인덕터가 전술한 실시예들에 의한 인덕터에 해당한다.
전술한 실시 예 각각에 대한 설명은 서로 내용이 상충되지 않는 한, 다른 실시 예에 대해서도 적용될 수 있다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 인덕터
110: 자성코어
120: 코일
800: 자성코어
810: 제1 자성체
820: 제2 자성체

Claims (20)

  1. 제1 상면과 제1 하면을 포함하고, 상기 제1 상면에서 상기 제1 하면을 향하는 수직 방향으로 상기 제1 상면과 상기 제1 하면을 관통하는 관통홀을 포함하는 토로이달 형상의 제1 자성체;
    상기 제1 자성체의 외주면 및 내주면 중 적어도 일부에 배치되고, 제1 자성체의 원심 방향을 따라 복수의 층으로 배치된 금속 리본; 및
    상기 금속 리본의 복수의 층 사이에 상기 원심 방향을 따라 서로 이격되어 배치된 제1 수지부 및 제2 수지부를 포함하고,
    상기 제1 수지부와 상기 제2 수지부의 상기 수직 방향의 길이는 서로 상이한 자기 결합 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 금속 리본은 상기 원심 방향의 최외측에 배치된 최외측면을 포함하고,
    상기 최외측면에 배치된 제3 수지부를 더 포함하는 자기 결합 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 금속 리본은 상기 수직 방향을 따라 서로 마주보는 제2 상면 및 제2 하면을 포함하고,
    상기 제2 상면에 배치된 제4 수지부 및 상기 제2 하면에 배치된 제5 수지부를 더 포함하는 자기 결합 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제3 수지부, 상기 제4 수지부, 및 상기 제5 수지부는 서로 연결된 자기 결합 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 수지부, 상기 제2 수지부, 상기 제3 수지부, 상기 제4 수지부, 및 상기 제5 수지부는 에폭시를 포함하는 자기 결합 장치.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 제3 수지부의 상기 원심 방향의 폭은 10 ㎛ 내지 40 ㎛ 인 자기 결합 장치.
  7. 제3 항에 있어서,
    상기 제4 수지부는 상기 제2 상면에서 상기 수직 방향을 따라 상기 금속 리본의 복수의 층 사이로 연장되고,
    상기 금속 리본의 복수의 층 사이로 연장된 상기 제4 수지부의 상기 수직 방향의 높이는 상기 금속 리본의 상기 수직 방향의 높이 대비 0% 내지 5% 인 자기 결합 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제5 수지부는 상기 제2 하면에서 상기 제2 상면을 향하여 상기 금속 리본의 복수의 층 사이로 연장되고,
    상기 금속 리본의 복수의 층 사이로 연장된 상기 제5 수지부의 상기 수직 방향의 높이는 상기 금속 리본의 수직 방향의 높이 대비 0% 내지 5%인 자기 결합 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제4 수지부, 및 제5 수지부 중 적어도 하나는 상기 복수의 층 사이의 공간 내에서 15% 내지 30% 의 공간을 차지하는 자기 결합 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 자성체는 Mn-Zn 계 물질을 포함하고,
    상기 제1 자성체의 내주면은 상기 관통홀을 형성하는 자기 결합 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 금속 리본은 원주 방향을 따라 연장되고, Fe-Si 계 물질을 포함하는 자기 결합 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 금속 리본은 상기 제1 자성체의 상기 원주 방향을 따라 15회 연장되고,
    상기 금속 리본의 복수의 층은 상기 원심 방향을 따라 15 층으로 구비된 자기 결합 장치.
  13. 제1 항 내지 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자기 결합 장치는 EMI 필터의 부품 또는 인덕터인 자기 결합 장치.
  14. 상면과 하면을 관통하는 관통홀을 포함하는 토로이달 형상의 제1 자성체;
    상기 제1 자성체의 외주면 및 상기 제1 자성체의 관통홀을 형성하는 내주면 중 적어도 일부에 배치된 제2 자성체를 포함하고,
    상기 제2 자성체는 상기 제1 자성체의 원심 방향을 따라 복수의 층으로 배치된 금속 리본 및 상기 금속 리본의 복수의 층 사이에 배치된 수지부를 포함하고,
    상기 수지부는 상기 원심 방향을 따라 서로 이격된 복수의 층간 수지부를 포함하고,
    상기 복수의 층간 수지부의 수직 방향의 높이는 서로 상이한 자기 결합 장치.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 금속 리본은 상기 원심 방향을 따라 상기 제1 자성체에서 가장 멀리 떨어진 최외측면을 포함하고,
    상기 최외측면에 배치된 외측 수지부를 더 포함하는 자기 결합 장치.
  16. 제14 항에 있어서,
    상기 층간 수지부는 상기 상면에서 상기 하면을 향하여 연장된 제1 부 및 상기 하면에서 상기 상면을 향하여 연장된 제2 부를 포함하고,
    상기 제1 부의 높이는 상기 제1 자성체의 높이 대비 0% 내지 5% 이고,
    상기 제2 부의 높이는 상기 제1 자성체의 높이 대비 0% 내지 5% 인 자기 결합 장치.
  17. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 자성체는 Mn 및 Zn 를 포함하고,
    상기 금속 리본은 Fe 및 Si 을 포함하는 자기 결합 장치
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 금속 리본은 상기 제1 자성체의 원주 방향을 따라 연장되고,
    상기 층간 수지부는 에폭시를 포함하는 자기 결합 장치.
  19. 제15 항에 있어서,
    상기 외측 수지부의 상기 원심 방향의 폭은 10 ㎛ 내지 40 ㎛ 인 자기 결합 장치.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 금속 리본은 상기 제1 자성체의 원주 방향을 따라 연장되고, 상기 원심 방향을 따라 15 층으로 구비되고,
    상기 자기 결합 장치는 EMI 필터의 부품 또는 인덕터인 자기 결합 장치.
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