KR102344888B1 - 자기장 차폐용 페라이트 조성물 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선 전력 송신기의 자기장 차폐제로 사용되는 페라이트 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 Mg; Ni; Zn; Cu; 희토류 원소 및 Bi로부터 선택되고, La를 필수적으로 포함하는 1종 이상의 원소인 A; Fe; Mn 및 Co로부터 선택되고, Mn을 필수적으로 포함하는 1종 이상의 원소인 B; 및 Al;를 필수 원소로 하며, 상기 Mg, Ni, Zn, Cu, A, Fe, B 및 Al의 조성비가 하기 화학식1로 표시되고,
[화학식 1]
Figure 112017043016332-pat00004

상기 (1-a-b-c), a, b, c, d (2-d-x―y), x 및 y 각각은,
Mg, Ni, Zn, Cu, A, Fe, B 및 Al의 몰 비를 나타내고, 하기 조건:
0.03≤a≤0.2, 0.45≤b≤0.65, 0.15≤c≤0.28, 0.01≤d≤0.08, 0.01≤x≤0.08, 0.01≤y≤0.09을 만족하는 것을 특징으로 하는 페라이트 조성물을 제공한다. 본 발명에 따른 페라이트 조성물은 종래 페라이트 조성물보다 얇은 두께에서도 우수한 차폐 성능을 가진다. 이를 활용하면, 무선 전력 송신기의 무게 및 두께를 줄일 수 있게 된다.

Description

자기장 차폐용 페라이트 조성물 및 그 제조 방법{FERRITE COMPOSITION FOR SHIELDING MAGNETIC FIELD AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 무선 전력 송신기의 자기장 차폐제로 사용되는 페라이트 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
전자장치에 사용되는 배터리는 충전을 필요로 한다. 배터리의 충전 방법은 유선 충전과 무선 충전으로 구분될 수 있다. 현재는 유선 충전 방법이 보편화 되어있지만 최근 전자기 유도 현상을 이용한 무선 충전 시스템이 개발되고 있다. 이러한 무선 충전 시스템은 내부에 코일을 포함하는 무선 전력 송신기에 전원을 인가하고, 코일에서 발생하는 자기장으로 인하여 전자장치 또는 배터리에 포함된 코일에 발생 되는 유도 전류를 이용하여 배터리를 충전하는 방식으로 유도 결합 방식과 공진 결합 방식이 있다. 즉, 무선 충전 시스템은 자기장을 발생하는 무선 전력 송신기에 전자장치를 위치시킴으로써 손쉽게 배터리의 충전이 가능하게 한다.
다만, 무선 전력 송신기에서 발생된 자기장은 전자장치뿐 아니라, 무선 전력 송신기 주변 도체에도 영향을 줄 수 있다. 이는, 무선 전력 송신기의 안정성을 저하시키는 요인이 될 뿐 아니라, 무선 전력 송신기의 효율을 감소시키는 요인이 된다.
종래에는, 무선 전력 송신기의 안정성 및 전력 전송 효율을 높이기 위해, 자기장 차폐제가 사용되어 왔다. 자기장 차폐제가 일정 수준의 자기장 차폐능을 가지기 위해서는 일정 두께 이상으로 형성되어야 하는데, 이로 인하여, 무선 전력 송신기의 무게 및 두께가 증가하는 문제가 있었다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하고자 무선 전력 송신기의 전력 전송 효율을 높일 수 있는 자기장 차폐제를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 무선 전력 송신기의 무게 및 두께를 감소시킬 수 있도록 하는 자기장 차폐제를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 낮은 소결 온도에서도 제조가능한 자기장 차폐제를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 Mg; Ni; Zn; Cu; 희토류 원소 및 Bi로부터 선택되고, La를 필수적으로 포함하는 1종 이상의 원소인 A; Fe; Mn 및 Co로부터 선택되고, Mn을 필수적으로 포함하는 1종 이상의 원소인 B; 및 Al;를 필수 원소로 하며, 상기 Mg, Ni, Zn, Cu, A, Fe, B 및 Al의 조성비가 하기 화학식 1로 표시되고,
[화학식 1]
Figure 112017043016332-pat00001
상기 (1-a-b-c), a, b, c, d, (2-d-x―y), x 및 y 각각은,
Mg, Ni, Zn, Cu, A, Fe, B 및 Al의 몰 비를 나타내고, 하기 조건:
0.07≤a≤0.09, 0.49≤b≤0.58, 0.20≤c≤0.26, 0.01≤d≤0.03, 0.01≤x≤0.03, 0.05≤y≤0.08을 만족하는 것을 특징으로 하는 페라이트 조성물을 제공한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 페라이트 조성물은 100kHz에서 800 이상의 투자율을 가지고, 1.0X105 Ω·m 이상의 비저항을 가질 수 있다.
삭제
일 실시 예에 있어서, 상기 페라이트 조성물은 100kHz에서 1300 이상의 투자율을 가지고, 1.5X105Ω·m 이상의 비저항을 가질 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 페라이트 조성물은 Cubic 구조를 갖는 Spinel상을 주상으로 할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 페라이트 조성물의 평균 결정 입도는 1.0 내지 5.0㎛일 수 있다.
또한, 본 발명은 무선 전력 송신기에 사용되는 자기장 차폐시트를 제공한다. 구체적으로, 상기 자기장 차폐시트는 상기 페라이트 조성물로 이루어지는 차폐층 및 상기 차폐층 상에 적층되는 보호층을 포함한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 자기장 차폐시트는 상기 차폐층 하면에 배치되고, 접착물질로 이루어지는 점착층을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 차폐층은 상기 페라이트 조성물로 이루어지는 복수의 조각들을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 Mg 산화물; Ni 산화물; Zn 산화물; Cu 산화물; 희토류 원소 및 Bi로부터 선택되고, La를 필수적으로 포함하는 1종 이상의 원소의 산화물; Fe 산화물; Mn 및 Co로부터 선택되고, Mn을 필수적으로 포함하는 1종 이상의 원소의 산화물; 및 Al 산화물을 분쇄하여 혼합 후 가소(calcination)시키는 제1단계, 상기 제1단계를 통해 제조된 가소체를 분쇄 시키는 제2단계, 상기 제2단계를 통해 제조된 가소체 분말에 소정 용액을 혼합한 후, 소정 형상으로 성형하는 제3단계, 상기 제3단계에서 제조된 성형체를 건조시키는 제4단계 및 상기 건조된 성형체를 950℃이하에서 소결시키는 제5단계를 포함하는 페라이트 조성물의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 가소체 분말의 평균 입경은 0.3 내지 0.8㎛일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 페라이트 조성물의 평균 결정 입도는 1.0 내지 5.0㎛일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 페라이트 조성물은 종래 페라이트 조성물보다 얇은 두께에서도 우수한 차폐 성능을 가진다. 이를 활용하면, 무선 전력 송신기의 무게 및 두께를 줄일 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 페라이트 조성물은 종래 페라이트 조성물보다 차폐로 인한 와전류 손실이 적다. 이를 활용하면, 무선 전력 송신기의 전력 전송 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 페라이트 조성물은 그 제조를 위한 소결 온도가 종래 페라이트 조성물보다 낮고, 대기 중 소결을 통해 제조가 가능하기 때문에, 종래 페라이트 조성물보다 제조가 용이하다는 장점이 있다.
도 1은 무선 전력 송신기에 포함된 구성요소들을 나타내는 개념도이다.
도 2는 차폐제의 히스테리시스 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 페라이트 조성물의 자기 이력 곡선이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 페라이트 조성물의 SEM 이미지이다.
도 5 및 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기장 차폐시트의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 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.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 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.
본 발명에 따른 페라이트 조성물은 무선충전을 위한 무선 전력 송신기에 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 페라이트 조성물에 대하여 설명하기에 앞서, 무선 충전을 위한 무선 전력 송신기에 대하여 설명한다.
전력을 대기를 통해 무선으로 전송하여 전자장치에 내장된 배터리를 충전하는 방식을 무선충전이라 한다. 무선충전 방식은 크게, 세 가지로 자기유도 방식, 자기공명 방식, 전자기파 방식이 있으나, 일반적으로는 자기유도 방식과 공진유도 방식으로 나뉜다.
상술한 두 방식 모두, 무선 전력 송신기 내에 포함된 코일에서 형성된 자기장을 활용한다. 다만, 상기 코일에서 형성된 자기장은 전력을 공급하고자 하는 전자장치 뿐 아니라, 다른 외부 물체에도 영향을 줄 수 있다.
구체적으로, 상기 코일 주변에는 무선 전력 송신기를 구성하기 위한 여러가지 부품들이 배치될 수 있다. 상기 코일 주위에 형성되는 자기장은 코일 상측 뿐 아니라, 코일 하측에도 형성되는데, 코일 하측에 형성되는 자기장은 여러가지 부품들에 영향을 줄 뿐만 아니라, 전력 송신 효율을 감소시키는 요인이 된다.
상술한 문제를 해결하기 위해, 무선 전력 송신기는 도 1에 도시된 구성요소들을 포함한다. 구체적으로, 코일(110) 하측에는 코일(110)에 의하여 형성되는 자기장을 차폐시키기 위한 자기장 차폐시트(120)가 배치되며, 자기장 차폐시트 하측에는 금속판(130)이 배치된다.
상기 자기장 차폐시트(120)에 포함된 차폐층은 코일(110)에 의하여 형성되는 자기장을 차폐시키기 위한 핵심적인 역할을 한다. 구체적으로, 도 2에 도시된 히스테리시스 곡선을 참고하면, 차폐층1의 자속밀도는 코일 주위로 형성되는 자기장(외부 자기장)의 세기가 증가함에 따라 증가한다. 이를 통해, 차폐층1은 차폐기능을 수행하는데, 특히, 외부 자기장에 대하여 자속밀도가 선형(linear)으로 증가하는 구간(10)에서 차폐 효율이 가장 높다.
도 2을 참조하면, 외부 자기장의 세기가 일정 수준을 넘어서는 경우, 선형 구간(10)을 벗어나게 되는데, 이러한 경우, 차폐 효율이 떨어질 뿐 아니라, 차폐층이 포화(11)된다. 차폐층이 포화(11)되는 경우, 차폐층의 자기적 성질이 변하는데, 이로 인하여, 무선 전력 송신기가 오작동을 일으킨다. 따라서, 외부 자기장의 세기는 차폐층이 포화되기전 까지만 증가되어야 하며, 바람직하게는, 차폐층의 히스테리시스 곡선이 선형성을 띠는 범위까지 만 증가되어야 한다.
한편, 도 2에 도시된 차폐제 1 및 2의 히스테리시스 곡선을 비교하면, 포화자화 값이 큰 차폐제2의 선형 구간(20)이 차폐제 1보다 넓으며, 차폐층이 포화(21)에 도달하는 외부 자기장 세기가 차폐제 1보다 크다.
포화자화 값을 높이기 위해 차폐층의 두께를 증가시키는 방안이 있지만, 이러한 경우, 무선 전력 송신기의 효율이 떨어지고, 두께가 두꺼워지며, 제품의 무게가 증가하는 단점이 있다.
종래에는 무선 전력 송신기용 자기장 차폐제로 Mn-Zn페라이트 소재가 사용되어 왔다. Mn-Zn 페라이트 조성물로 이루어지는 차폐층은 그 두께를 일정 수준 이하로 줄이는 경우, 자기장 차폐성능이 떨어져, 무선 전력 송신기의 전력 송신 효율이 낮아진다는 문제가 있었다.
한편, Mn-Zn 페라이트 조성물의 제조를 위해서는 1200℃ 이상에서의 소결 공정이 필요하다. 1200℃ 이상에서 소결을 수행할 경우, 소결체의 수축으로 인하여 1mm이하의 두께를 가지는 소결체를 제조하기 어렵다. 이로 인하여, Mn-Zn 페라이트로 이루어지는 차폐층은 그 두께를 일정 수준 이하로 낮추는 것이 어려웠다.
본 발명은 무선 전력 송신기의 전력 전송 효율을 향상시키고, 무선 전력 송신기를 경량화 시킬 수 있는 자기장 차폐용 페라이트 조성물을 제공한다. 또한, 본 발명은 낮은 소결 온도에서 제조할 수 있어, 박형으로 제조 가능한 자기장 차폐용 페라이트 조성물을 제공한다.
이하에서는 본 발명에 따른 페라이트 조성물에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 페라이트 조성물은 Mg; Ni; Zn; Cu; 희토류 원소 및 Bi로부터 선택되고, La를 필수적으로 포함하는 1종 이상의 원소인 A; Fe; Mn 및 Co로부터 선택되고, Mn을 필수적으로 포함하는 1종 이상의 원소인 B; 및 Al;를 필수 원소로 하며, 상기 Mg, Ni, Zn, Cu, A, Fe, B 및 Al의 조성비가 하기 화학식1로 표시된다.
Figure 112017043016332-pat00002
상기 화학식 1에서 상기 (1-a-b-c), a, b, c, d, (2-d-x―y), x 및 y 각각은, Mg, Ni, Zn, Cu, A, Fe, B 및 Al의 몰 비를 나타내고, 하기 조건: 0.07≤a≤0.09, 0.49≤b≤0.58, 0.20≤c≤0.26, 0.01≤d≤0.03, 0.01≤x≤0.03, 0.05≤y≤0.08을 만족한다.
이하에서는, 본 발명에 따른 페라이트 조성물을 구성하는 원소들 각각에 대하여 구체적으로 설명한다.
Mg는 본 발명에 따른 페라이트 조성물을 소결을 통해 제조할 때, 비정상적인 입자성장을 억제하여, 소결 밀도를 높이고, 비저항을 높이는 역할을 한다.
Ni의 몰 비(a)가 0.07 미만인 경우, 페라이트 조성물의 포화 자화 값이 낮아져, 페라이트 조성물을 자기장 차폐제로 사용하기 어렵게 된다. 한편, a가 0.09를 초과하는 경우, 소결 온도가 높아진다.
Zn의 몰 비(b)가 0.49 미만인 경우, 페라이트 조성물의 투자율이 낮아지는 경향이 있으며, 0.58를 초과하는 경우, 큐리 온도(curie Temperature)가 낮아져 소결 중 페라이트 조성물이 자성을 잃을 수 있다.
Cu는 본 발명에 본 발명에 따른 페라이트 조성물을 소결을 통해 제조할 때, 고체상 반응을 촉진하여, 입계 성장을 제어하고, 소결체의 소결 밀도를 높이는 역할을 한다. 또한, Cu는 950℃ 이하의 온도에서 소결 공정이 가능하도록 한다. Cu의 몰 비(c)가 0.20 미만인 경우, 온도에 따른 투자율 변화가 커지며, 0.26을 초과하는 경우, 본 발명에 따른 페라이트 조성물을 소결을 통해 제조할 때, 입자 성장이 용이 해져 페라이트 조성물의 투자율이 감소하는 경향이 있다.
A는 페라이트 소결 시 치환효과를 촉진하고, 입자의 성장을 조절하기 위해 첨가되는 첨가제이다. A의 몰 비(d)가 0.01 미만인 경우, 0.03을 초과하는 경우, 페라이트 조성물의 포화 자화 및 투자율이 감소하게 된다.
B는 본 발명에 따른 페라이트 조성물을 소결을 통해 제조할 때, 원소들의 치환효과를 촉진하고, 입자의 성장을 조절하는 첨가제의 역할을 한다. B의 몰 비(x)가 0.01 미만인 경우, 첨가제의 역할을 하기 어렵고, 0.03을 초과하는 경우, 페라이트 조성물의 비저항이 급격하게 감소하게 된다.
Al는 상기 B와 같은 첨가제의 역할을 하며, 페라이트 조성물의 투자율 및 비저항을 증가시키는 역할을 한다. Al의 몰 비(y)가 0.05 미만인 경우, 투자율 및 비저항 증가 효과가 미비하고, 0.08을 초과하는 경우, 페라이트 조성물의 포화 자화 값, 소결 밀도 및 투자율이 감소한다.
한편, 상기 페라이트 조성물에는 SiO2 및 H3BO3 중 적어도 하나가 첨가될 수 있다. SiO2 및 H3BO3는 페라이트 조성물에 첨가되는 첨가제로, 가소시 페라이트 반응을 촉진하고, 균일한 입자의 성장을 하도록 한다.
한편, 상기 페라이트 조성물이 연자성을 가지기 위해서는, 상기 페라이트 조성물의 주상은 Cubic 구조를 갖는 Spinel상이어야 한다.
한편, 상술한 페라이트 조성물이 무전 전력 송신기의 차폐제로 사용될 경우, 페라이트 조성물의 투자율은 100kHz에서 800 이상이고, 비저항은 1.0X105 Ω·m 이상인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 페라이트 조성물의 평균 결정 입도는 1 내지 5㎛인 것이 바람직하다. 페라이트 조성물의 평균 결정 입도가 상술한 범위를 벗어나는 경우, 페라이트 조성물의 자기특성(투자율 및 포화자화 값)이 감소할 수 있다.
더욱 상세하게는, 상기 화학식 1이 하기 조건: 0.07≤a≤0.09, 0.49≤b≤0.58, 0.20≤c≤0.26, 0.01≤d≤0.03, 0.01≤x≤0.03, 0.05≤y≤0.08을 만족하는 경우, 상기 화학식 1의 조성을 가지는 페라이트 조성물의 투자율은 100kHz에서 1300 이상이고, 비저항은 1.5X105 Ω·m 이상이 된다.
페라이트 조성물의 투자율 및 비저항과 무선 전력 송신기의 효율 간의 관계에 대해서는 후술한다.
상술한 조성을 가지는 페라이트 조성물은 950℃ 이하의 온도에서 소결을 통해 제조가 가능하기 때문에, 상기 페라이트 조성물을 활용하면 1mm이하의 두께로 소결 자석을 구현하는 것이 가능해진다. 또한, 상술한 조성을 가지는 페라이트 조성물은 질소 등의 분위기가 아닌 대기 중 소결을 통해 제조가 가능하기 때문에, 그 제조가 용이하다는 장점이 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 페라이트 조성물의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 페라이트 조성물은 소결 공정을 통해 제조될 수 있다. 먼저, 소결 재료를 혼합하는 단계가 진행된다.
상기 소결 재료는 상기 화학식 1에 포함된 원소들의 산화물일 수 있다. 예를 들어, 상기 소결 재료는 MgO, NiO, ZnO, CuO, La2O3, Fe2O3 및 MnO2를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 소결 재료 각각의 평균 입경은 1.0㎛ 이하인 것이 바람직하다. 상기 소결 재료의 평균 입경이 1.0㎛를 초과하는 경우, 소결 재료들이 균일하기 혼합되기 어렵다.
한편, 상기 소결 재료의 혼합물에는 가소(calcination) 공정 시 페라이트 반응을 촉진하고 및 입자가 균일하게 성장되도록, SiO2 및 HBO3 중 적어도 하나가 첨가될 수 있다.
상기 소결 재료를 혼합 시킨 후, 소결 재료의 혼합물을 가소(calcination) 시키는 단계가 진행된다.
가소 공정은 소결 재료의 혼합물에서 페라이트화 반응이 일어나도록 하고, 상기 혼합물이 Spinel 상 구조를 가지도록 한다. 가소 공정은 공기 중에서 수행되며, 750 내지 950℃의 온도에서 수행된다. 또한, 가소 공정은 1 내지 3시간 동안 수행되는 것이 바람직하며, 가소 공정 후 생성된 가소체의 평균 입경은 0.3 내지 2㎛인 것이 바람직하다.
가소 공정 후, 가소체를 분쇄하는 단계가 진행된다. 상기 가소체는 클링커(clinker) 상태이기 때문에, 소결 단계 이전에 상기 가소체를 분쇄하는 단계가 수행되어야 한다. 상기 분쇄 분말의 평균 입도는 0.3 내지 0.8㎛인 것이 바람직하다. 분쇄 분말의 평균 입도가 상기 범위를 벗어나는 경우, 소결 자석의 자기 특성이 저하될 수 있다. 특히, 분쇄 분말의 평균 입도가 0.8㎛를 초과하는 경우, 소결 결과물에서 조대한 결정립의 비율이 증가하게 되어, 소결 자석의 자기특성이 감소할 수 있다.
한편, 상기 분쇄 단계는 습식 볼밀을 통해 5 내지 40시간 동안 수행되거나, 습식 아트리토를 통해 2 내지 20시간 동안 수행될 수 있다.
다음으로, 상기 분쇄 분말은 소정 형태로 성형하는 단계가 진행된다. 구체적으로, 상기 분쇄 분말과 6% 폴리비닐알코올 수용액 10 wt. %를 혼합한 후, 소정 형태로 성형한다. 여기서, 성형 압력은 500 내지 1000 kgf/cm2인 것이 바람직하다.
가압 성형된 성형체는 10 내지 15%의 수분을 포함하고 있기 때문에, 그대로 소결시킬 경우, 탈수 과정에서 균열이 발생될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 상기 성형체를 자연건조 하거나, 50 내지 200℃에서 건조 시킨 후, 소결하는 것이 바람직하다.
마지막으로, 건조된 성형체를 소결 시키는 단계가 진행된다. 소결 조건에 따라 페라이트 조성물의 자기 특성이 조절될 수 있다. 구체적으로, 소결 시간, 승온 속도, 최대 온도 및 최대 온도 유지시간에 따라 페라이트 입자 내의 치환원소 고용농도를 조절할 수 있으며, 페라이트 입자 내의 치환원소 고용농도에 따라 페라이트 조성물의 자기 특성이 달라질 수 있다.
예를 들어, 상기 소결 공정은 25 내지 500℃ 의 온도에서 1시간, 850 내지 1000℃의 온도를 4시간 동안 유지시켜 수행될 수 있다. 바람직하게는, 상기 건조된 성형체는 900 내지 950℃의 온도에서 2 내지 3시간 동안 소결시킬 수 있다. 상술한 실시 예에 따른 페라이트 조성물은 100kHz에서 800 이상의 투자율을 가지고, 1.0X105Ω·m의 비저항을 가진다.
상술한 제조 방법에 따라 페라이트 조성물을 제조한 실시 예는 하기 실시 예 1 및 2와 같다.
실시 예. 소결 공정을 통한 페라이트 조성물의 제조
상기 화학식 1에 따라 배합된 소결 재료를 농도 40%로 하여 12시간 동안 습식으로 순환시키며 혼합하였다. 소결 재료 혼합물을 200℃에서 24시간 동안 건조하고, 850℃에서 2시간 동안 가소하였다.
이후, 가소체의 분쇄를 위해 순환식 아트리토에 가소체의 농도 43%가 되도록 가소체와 물을 혼합하고, 가소체 분말 100 중량부에 대하여 분산제로 글루콘산칼슘(0.3 중량부)을 첨가하여 8시간 동안 평균 입경이 0.65 ㎛가 되도록 분쇄하였다.
이후, 분쇄된 분말에 6% 폴리비닐알코올 용액을 10중량% 첨가하여 측정 샘플 50 mm × 5 mm × 4 mm의 판상 성형체와, 외경 20 mm, 내경 10 mm, 높이 5 mm의 토로이달 성형체를, 각각 성형하였다. 이때 성형압력은 800 kgf/cm2 로 설정하였다. 상기 성형체들을 200℃에서 10시간 동안 건조한 후 대기 중 산화분위기에서 300℃에서 1시간, 950℃에서 2시간 동안 온도를 유지시켜 소결을 수행하였다.
상기와 같은 방법으로 조성이 다른 아홉 종류의 샘플(실시 예 1 내지 9)을 제조하였으며, 각 조성 별로, 판상 소결체 및 토로이달 소결체를 한 개씩 제조하였다.
이하에서는, 실시 예에 따라 제조된 페라이트 조성물의 자성특성 측정 방법에 대하여 설명한다.
투자율 측정을 위해, 토로이달 형태의 소결체에 와이어를 20회 감은 후, LCR 미터로 인덕턴스 값을 측정하고, 100kHz에서 투자율을 측정하였다.
한편, 판상의 소결체를 이용하여, 페라이트 조성물의 비저항을 측정하였다.
상기 실시 예에 따른 소결체들의 조성, 투자율 및 비저항 값은 하기 표 1 및 2와 같다.
Al Fe Ni Zn Cu Mg Mn La 투자율 비저항
(Ω·m)
실시 예1 0.02 1.95 0.08 0.55 0.2 0.17 0.02 0.01 1302 2.0x105
실시 예2 0.04 1.93 0.08 0.55 0.2 0.17 0.02 0.01 1624 3.2x105
실시 예3 0.06 1.91 0.08 0.55 0.2 0.17 0.02 0.01 1760 6.8x105
실시 예4 0.08 1.89 0.08 0.55 0.2 0.17 0.02 0.01 1802 9.2x105
실시 예5 0.1 1.87 0.08 0.55 0.2 0.17 0.02 0.01 1526 1.2x106
상기 표 1은 Al 및 Fe 함량에 따른 페라이트 조성물의 투자율 및 비저항 특성을 나타낸다. 상기 표 1을 참조하면, 페라이트 조성물의 투자율 및 비저항은 Al의 몰 비가 증가할수록 증가하는 경향성이 나타나다가, Al의 몰 비가 0.08을 초과하였을 때 감소하는 것을 확인할 수 있다.
상기 표 1에서 Al의 몰 비가 0.08인 샘플(실시 예4)의 경우, 1802의 투자율, 9.2X105 Ω·m의 비저항, 4.9g/cm3 이상의 소결 밀도를 가진다.
Al Fe Ni Zn Cu Mg Mn La 투자율 비저항
(Ω·m)
실시 예1 0.02 1.95 0.08 0.55 0.20 0.17 0.02 0.01 1302 2.0x105
실시 예6 0.02 1.95 0.08 0.53 0.22 0.17 0.02 0.01 1388 1.9x105
실시 예7 0.02 1.95 0.08 0.51 0.24 0.17 0.02 0.01 1452 1.6x105
실시 예8 0.02 1.95 0.08 0.49 0.26 0.17 0.02 0.01 1698 1.5x105
실시 예9 0.02 1.95 0.08 0.47 0.28 0.17 0.02 0.01 1512 1.1x105
상기 표 2는 Zn 및 Cu함량에 따른 페라이트 조성물의 투자율 및 비저항 특성을 나타낸다. 상기 표 2을 참조하면, 페라이트 조성물의 투자율 및 비저항은 Cu의 몰 비가 증가할수록 증가하는 경향성이 나타나다가, Cu의 몰 비가 0.26을 초과하였을 때 감소하는 것을 확인할 수 있다.
상기 표 2에서 Cu의 몰 비가 0.26인 샘플(실시 예8)의 경우, 1698의 투자율, 1.52X105 Ω·m의 비저항, 5.0g/cm3 이상의 소결밀도를 가진다.
한편, 상기 실시 예8에 따른 페라이트 조성물의 자기 이력 곡선은 도 3와 같다. 도 3을 참조하면, 실시 예8에 따른 페라이트 조성물의 포화자화 값은 인가자장이 100 kA/m에서 0.44 Tesla인 것을 확인할 수 있다.
한편, 상기 실시 예8에 따른 페라이트 조성물의 SEM 이미지는 도 4와 같다.
상술한 실시 예에 따른 페라이트 조성물은 무선 전력 송신기 용 자기장 차폐시트에 활용될 수 있다. 이하에서는, 상술한 페라이트 조성물을 포함하는 자기장 차폐시트에 대하여 설명한다.
도 5 및 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기장 차폐시트의 단면도이다.
자기장 차폐시트는 코일 하측에 형성되는 자기장을 차폐함에서 있어서, 가장 중요한 역할을 한다. 도 5를 참조하면, 자기장 차폐시트는 보호층(121), 차폐층(122) 및 점착층(123)을 포함하여 이루어질 수 있다.
도 5를 참조하면, 점착층(123)은 자기장 차폐시트(120)의 최하단에 배치된다. 차폐층(122)은 점착층(123) 상에 배치되고, 점착층(123)의 적어도 일부와 중첩된다. 보호층(121)은 차폐층(122) 상에 배치되고, 차폐층(122)의 적어도 일부와 중첩된다. 이하에서는, 자기장 차폐시트(120)에 포함된 구성요소들에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
보호층(121)은 차폐층(122)을 외부 물질로부터 물리적, 화학적으로 보호하며, 차폐층(122)의 절연특성을 개선한다. 보호층(121)을 이루는 물질에 대해서는 제한이 없다. 일 실시 예에 있어서, 보호층(121)은 폴리 아마이드로 이루어질 수 있다.
한편, 보호층(121) 하측에는 차폐층(122)이 배치될 수 있다. 차폐층(122)은 자기장 차폐시트(120)에서 실질적인 차폐 기능을 수행하며, 코일 하측에 자기장이 형성되는 것을 차단하고, 자기장이 코일 상측에 집중될 수 있도록 한다.
차폐층(122)은 본 발명에 따른 페라이트 조성물로 이루어진다. 무선 전력 송신기의 전력 전송 효율을 높이기 위해서는 차폐율이 높아야 하며, 차폐층에서의 손실이 적어야 한다. 본 명세서에서는 상기 두 가지 관점에서 차폐층을 설명한다.
먼저, 차폐층의 차폐율에 대하여 설명한다. 본 명세서에서, 차폐층에 의하여 자기장 세기가 줄어드는 정도를 표현하는 용어로 차폐율이라는 표현을 사용한다. 예를 들어, 코일과 인접한 차폐층 일면에서 측정되는 자기장 세기가 100이라고 가정하고, 상기 차폐층 일면과 다른 일면에서 측정되는 자기장 세기가 10인 경우, 차폐율이 90%라 한다.
차폐층의 차폐율 관점에서 차폐층의 투자율이 높을수록 유리하다. 하지만, 차폐층의 투자율이 너무 높을 경우, 차폐층의 외부자기장 변화에 대한 자기유도 변화량이 크기 때문에, 낮은 외부 자기장에서도 포화상태에 도달한다. 따라서, 차폐층의 투자율은 100kHz을 기준으로 800 내지 2000인 것이 바람직하다.
한편, 코일에서 발생된 자기장에 의하여 차폐층에서의 손실이 발생하는데, 전력 송신 효율을 최대화하기 위해서는 차폐층에서 손실을 최소화 해야한다. 이하에서는, 차폐층의 손실을 최소화하기 위한 구성에 대하여 설명한다.
무선 전력 송신기의 전력 송신 중, 차폐층에서는 와전류 손실이 일어난다. 와전류 손실이란, 코일에서 발생되는 자기장에 의하여 차폐층에서 발생된 와전류에 의하여 발생되는 손실이다. 와전류 손실은 비저항이 커짐에 따라 감소하다가 다시 증가한다. 따라서, 차폐층은 소정 범위 내의 비저항 값을 가지는 것이 바람직하다. 구체적으로, 와전류 손실을 최소화 하기 위해, 차폐층은 1.0X105 내지 1.0X106 Ω·m의 비저항을 가지는 것이 바람직하다.
한편, 와전류 손실을 최소화하기 위해, 차폐층은 복수의 조각들로 이루어질 수 있다. 차폐층이 하나의 판으로 이루어지는 경우, 차폐층에서의 와전류는 판 전체에서 형성된다. 이와 달리, 차폐층이 복수의 조각들로 이루어지는 경우, 와전류는 조각들 각각에서 발생된다. 와전류가 판 전체에서 발생되는 것과 비교할 때, 조각들 각각에서 발생되는 경우 와전류로 인한 손실이 감소한다. 즉, 차폐층을 이루는 금속 조각의 수가 증가할수록 와전류로 인한 손실이 감소한다. 한편, 차폐층을 복수의 조각들로 구성하는 경우, 페라이트 조성물의 소결과정에서 페라이트 조성물이 일부 파손되더라도 이를 차폐층에 활용할 수 있게 된다는 장점이 있다.
점착층(123)은 자기장 차폐시트(120)와 금속판이 접착될 수 있도록 한다. 점착층(123)의 두께는 제한이 없지만, 차폐층(122)을 금속판 위에 고정시킬 수 있는 접착력을 가질 수 있을 정도의 두께로 이루어져야 한다.
점착층(123)이 열 또는 외력에 의하여 변형가능한 수지로 이루어지는 경우, 점착층(123)이 상기 페라이트 조성물로 이루어지는 조각들 사이로 스며들 수 있다. 이를 통해, 점착층(123)은 상기 조각들 간의 결합력을 상승시키고, 차폐층(120)이 일정한 형태를 가질 수 있도록 하며, 상기 조각들 사이로 외부 물질이 침입하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 점착층(123)은 자기장 차폐시트의 필수적인 구성요소는 아니며, 자기장 차폐시트(120)는, 도 6과 같이, 점착층을 포함하지 않을 수 있다.
이상에서는, 본 발명에 따른 자기장 차폐시트에 대하여 설명하였다. 이하에서는 본 발명에 따른 자기장 차폐시트를 사용한 무선 전력 송신기의 구현 예에 대하여 설명한다.
상기 실시 예 4 및 8 각각에 따른 페라이트 조성물을 이용하여 자기장 차폐시트를 도 5와 같은 형태로 제작하였다. 이때, 차폐층의 두께는 0.5mm이었다. 또한, 자기장 차폐시트 하단에 배치된 금속층은 전기아연도금 강판이었고, 그 두께는 0.8mm이었다.
LCR 미터에 측정 코일(WPC A13 코일)을 연결한 후, 중앙 코일에서 인덕턴스, 자기저항을 측정하여 하기 표 3에 나타내었다. LCR 미터는 100kHz, 1V의 설정 조건으로 측정하였다.
한편, 비교 예로, 상기 자기장 차폐시트를 제거한 후 인덕턴스 및 자기저항을 측정(비교 예1)하였다. 또한, 1.5mm 두께의 Mn-Zn 페라이트 차폐층을 포함하는 자기장 차폐시트(비교 예2)를 제조한 후, 인덕턴스 및 자기저항을 측정하였다.
페라이트 페라이트 두께
(mm)		 인덕턴스
(μH)		 자기저항
(mOhm)
비교예 1 (페라이트 없음) - 4.6 1070
비교예 2 (MnZn) 1.5 11.6 81
실시예 4 0.5 11.5 79
실시예 8 0.5 11.6 78
상기 표 3을 참조하면, 본 발명에 따른 페라이트 조성물을 활용할 경우, 종래 페라이트 조성물(Mn-Zn 페라이트)보다 3배 얇은 두께의 차폐층을 구현할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명에 따르면 무선 전력 송신기의 무게 및 두께를 줄이는 것이 가능해진다.
한편, 상기 비교 예2, 실시 예4 및 실시 예 8에 따른 페라이트 조성물을 포함하는 무전 전력 송신기의 효율을 측정하였다. 구체적으로, 무선 전력 송신기의 코일에서 출력되는 전압(V)과 전류(A), 외부장치의 코일에 입력되는 전압(V)과 전류(mA)를 측정하여 무선 충전 효율을 산출하였다. 이때, 무전 전력 송신기의 코일 및 외부장치의 코일 간의 공극은 8mm로 설정하였다. 측정 결과는 하기 표 4과 같다.
페라이트 페라이트 두께
(mm)		 무선충전효율
(%)
출력전류
(A) 		출력전압
(V)		 입력전류
(A) 		입력전압
(V)
비교예 2 (MnZn) 1.5 1.3 11.8 1.8 11.9 70.3
실시 예 4 0.5 1.3 11.8 1.8 11.9 70.3
실시 예 8 0.5 1.3 12.2 1.9 11.9 70.7
상기 표 4를 참조하면, 본 발명에 따른 페라이트 조성물은 종래 페라이트 조성물(Mn-Zn 페라이트)보다 3배 얇은 두께에서도, 종래 페라이트 조성물과 동일한 효과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
상기 표 3 및 4를 참조하면, 본 발명에 따른 페라이트 조성물은 종래 페라이트 조성물(Mn-Zn 페라이트)보다 우수한 차폐 성능을 가지는 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 페라이트 조성물은 종래 페라이트 조성물보다 얇은 두께에서도 우수한 차폐 성능을 가진다. 이를 활용하면, 무선 전력 송신기의 무게 및 두께를 줄일 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 페라이트 조성물은 종래 페라이트 조성물보다 차폐로 인한 와전류 손실이 적다. 이를 활용하면, 무선 전력 송신기의 전력 전송 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
이와 더불어, 본 발명에 따른 페라이트 조성물은 그 제조를 위한 소결 온도가 종래 페라이트 조성물보다 낮고, 대기 중 소결을 통해 제조가 가능하기 때문에, 종래 페라이트 조성물보다 제조가 용이하다는 장점이 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
또한, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (12)

  1. Mg; Ni; Zn; Cu; 희토류 원소 및 Bi로부터 선택되고, La를 필수적으로 포함하는 1종 이상의 원소인 A; Fe; Mn 및 Co로부터 선택되고, Mn을 필수적으로 포함하는 1종 이상의 원소인 B; 및 Al;를 필수 원소로 하며, 상기 Mg, Ni, Zn, Cu, A, Fe, B 및 Al의 조성비가 하기 화학식1로 표시되고,
    [화학식 1]
    Figure 112021104717175-pat00003

    상기 (1-a-b-c), a, b, c, d, (2-d-x―y), x 및 y 각각은,
    Mg, Ni, Zn, Cu, A, Fe, B 및 Al의 몰 비를 나타내고, 하기 조건:
    0.07≤a≤0.09, 0.49≤b≤0.58, 0.20≤c≤0.26, 0.01≤d≤0.03, 0.01≤x≤0.03, 0.05≤y≤0.08을 만족하는 것을 특징으로 하는 페라이트 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 페라이트 조성물은 100kHz에서 800 이상의 투자율을 가지고, 1.0X105 Ω·m 이상의 비저항을 가지는 것 특징으로 하는 페라이트 조성물.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 페라이트 조성물은 100kHz에서 1300 이상의 투자율을 가지고, 1.5X105 Ω·m 이상의 비저항을 가지는 것을 특징으로 하는 페라이트 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 페라이트 조성물은 Cubic 구조를 갖는 Spinel상을 주상으로 하고,
    상기 페라이트 조성물의 평균 결정 입도는 1.0 내지 5.0㎛인 것을 특징으로 하는 페라이트 조성물.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
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