KR102647243B1 - 연자성 분말, 자심 및 전자 부품 - Google Patents

연자성 분말, 자심 및 전자 부품 Download PDF

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Abstract

(과제) 고온 환경 하에 노출된 후에 있어서도, 높은 절연 저항을 유지할 수 있는 연자성 분말 및 압분 자심, 또한 이것을 구비하는 전자 부품을 제공하는 것이다.
(해결 수단) 표면이 무기 절연 피막에 의해 덮여 있는 연자성 금속 입자를 포함하는 연자성 분말로서, 무기 절연 피막은, 연자성 금속 입자의 표면에 접하고 있는 제1 피복부와, 제1 피복부의 외측에 형성되어 있는 제2 피복부를 가지고, 제1 피복부는 인 및 산소를 포함하며, 제2 피복부는 규소 및 산소를 포함하고 있다.

Description

연자성 분말, 자심 및 전자 부품
본 발명은, 연자성 분말, 자심 및 전자 부품에 관한 것이다.
트랜스, 초크 코일, 인덕터 등의 전자 부품에서는, 소정의 자기 특성을 발휘하는 자심(코어)의 주위 혹은 내부에, 전기 전도체인 코일(권선)이 배치되어 있다.
자심에 이용되는 자성 재료로서는, Fe계 합금 등의 연자성 금속 재료가 예시된다. 자심은, 예를 들어, 연자성 금속으로 구성되는 입자를 포함하는 연자성 분말을, 수지와 함께 압축 성형함으로써, 압분 자심으로서 얻을 수 있다. 이와 같은 압분 자심에 있어서, 자성 성분의 비율(충전율)을 높이면, 자기 특성이 향상되는 것을 기대할 수 있다. 단, 연자성 금속은, 페라이트 재료에 비해 전기 저항이 낮기 때문에, 압분 자심에 있어서의 자성 성분의 충전율을 높게 하면, 연자성 금속 입자들이 접촉하여, 비저항이 저하될 우려가 있다.
그래서, 연자성 금속 입자의 표면에 절연 피막을 형성하는 기술이 제안되어 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에서는, Fe를 포함하는 금속 입자의 표면에 인산 화합물로 이루어지는 절연 피막을 형성한 예가 기재되어 있다. 또, 특허문헌 2에서는, 인산 화합물 대신에, Fe를 포함하는 금속 입자의 표면에 실리카 피막을 형성한 예가 기재되어 있다.
그러나, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 기재된 기술에서는, 연자성 분말을 고온 환경 하에 노출시킨 경우, 분말의 절연 저항이 급격하게 저하될 우려가 있다. 즉, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 기재된 연자성 분말로 압분 자심을 구성한 경우에는, 고온 환경 하에 있어서의 내열성이 낮다는 문제가 있었다.
일본 특허공개 2009-120915호 공보 일본 특허공개 2009-231481호 공보
본 발명은, 이와 같은 실정을 감안하여 이루어지며, 그 목적은, 고온 환경 하에 노출한 후에 있어서도 높은 절연 저항을 유지할 수 있는 연자성 분말 및 자심, 또한 이것을 구비하는 전자 부품을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 연자성 분말은,
표면이 무기 절연 피막에 의해 덮여 있는 연자성 금속 입자를 포함하며,
상기 무기 절연 피막은, 상기 연자성 금속 입자의 표면에 접하고 있는 제1 피복부와, 상기 제1 피복부의 외측에 형성되어 있는 제2 피복부를 가지고,
상기 제1 피복부는, 인 및 산소를 포함하며,
상기 제2 피복부는, 규소 및 산소를 포함하고 있다.
본 발명자들은, 예의 검토한 결과, 연자성 금속 입자의 표면에, P계의 제1 피막과 Si계의 제2 피막을 가지는 다층 구조의 무기 절연 피막을 형성함으로써, 연자성 분말의 고온 환경 하에 있어서의 절연성이 양호해지는 것을 발견했다. 즉, 본 발명에 따른 연자성 분말은, 고온 환경 하에 장시간 노출되었다고 해도, 절연 저항이 저하되기 어려워, 높은 절연성을 유지할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 피복부의 두께(T1)와 상기 제2 피복부의 두께(T2)의 합이, 10nm≤T1+T2≤150nm이며,
상기 제2 피복부의 두께(T2)와, 상기 제1 피복부 및 상기 제2 피복부의 두께의 합(T1+T2)의 비율이, 20%≤T2/(T1+T2)≤90%, 보다 바람직하게는 50%≤T2/(T1+T2)≤80%이다.
상기와 같이, 제1 피복부의 막두께와 제2 피복부의 막두께를 소정의 조건으로 제어함으로써, 높은 절연성과, 높은 투자율을 양립하여 얻을 수 있다. 즉, 고온 환경 하에 장시간 폭로한 후에 있어서, 연자성 분말의 절연 저항의 저하를 보다 억제할 수 있음과 함께, 높은 투자율을 얻을 수 있다.
바람직하게는, 상기 무기 절연 피막에 있어서, 상기 제1 피복부와 상기 제2 피복부의 사이에는, 인 및 규소를 포함하는 중간층이 형성되어 있다. 인 및 규소를 포함하는 중간층을 형성함으로써, 제1 피복부와 제2 피복부의 결착성이 높아져, 고온 환경 하에 있어서의 절연성이 더 양호해진다.
또, 바람직하게는, 상기 무기 절연 피막의 총 두께(S1)가, 200nm 이하이며, 상기 중간층의 두께(M1)와, 상기 무기 절연 피막의 총 두께(S1)의 비율이, 0.05＜M1/S1≤0.2이다. 이와 같이, 무기 절연 피막의 총 두께와 중간층의 두께(M1)를 소정의 범위로 제어함으로써, 높은 절연성과, 높은 투자율을 양립하여 얻을 수 있다. 즉, 고온 환경 하에 장시간 폭로한 후에 있어서, 연자성 분말의 절연 저항의 저하를 보다 억제할 수 있음과 함께, 높은 투자율을 얻을 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 피복부는, 알칼리 금속(Li, Na, K, Rb, Cs) 및 알칼리 토류 금속(Mg, Ca, Sr, Ba)으로부터 선택되는 1종 이상의 원소 (α)를 포함한다. 보다 바람직하게는, 상기 제1 피복부에 포함되는 상기 원소 (α)는, Na이다. 또, 상기 제1 피복부에 있어서의 상기 원소 (α)와 인(P)의 함유 비율 α/P는, 몰분율로 0.05≤α/P≤0.5인 것이 바람직하고, 0.1≤α/P≤0.3인 것이 보다 바람직하다.
또, 바람직하게는, 상기 제1 피복부는, Zn 및 Al로부터 선택되는 1종 이상의 원소 (β)를 포함한다. 보다 바람직하게는, 상기 제1 피복부에 포함되는 상기 원소 (β)는, Zn이다. 상기 제1 피복부에 있어서의 상기 원소 (β)와 인(P)의 함유 비율 β/P는, 몰분율로 0.5≤β/P≤0.8인 것이 바람직하고, 0.5≤β/P≤0.7인 것이 보다 바람직하다.
상기 대로, 제1 피복부에 원소 (α) 혹은 원소 (β)가 소정의 비율로 포함됨으로써, 내열 시험 후의 절연 저항의 저하가 더 억제되어, 연자성 분말의 고온 환경 하에 있어서의 절연성이 더 향상된다.
본 발명에 따른 연자성 분말은, 자심에 이용하는 자성 재료로서 이용함으로써, 자심의 고온 환경 하에 있어서의 내열성을 향상시킬 수 있다. 또, 본 발명에 따른 연자성 분말을 포함하는 자심은, 트랜스, 초크 코일, 인덕터, 리액터 등의 전자 부품에 적용할 수 있으며, 특히 인덕터로서 적합이다.
도 1은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 인덕터 소자의 개략단면도이다.
도 2는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 연자성 분말의 단면 모식도이다.
도 3은, 도 2에 나타내는 영역 III를 확대한 단면 모식도이다.
도 4는, 도 3에 나타내는 측정선 IV을 따라, TEM-EDS에 의한 막 해석을 행한 결과를 나타내는 개략도이다.
도 5는, 제2 실시 형태에 따른 연자성 분말의 주요부 단면을 확대한 모식도이다.
도 6은, 도 5에 나타내는 측정선 VI을 따라, TEM-EDS에 의한 막 해석을 행한 결과를 나타내는 개략도이다.
도 7은, 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 압분 자심의 미세 구조를 일부 확대하여 나타내는 단면 모식도이다.
이하, 본 발명을 도면에 나타내는 실시 형태에 의거하여 설명하지만, 본 발명은 하기의 실시 형태에 한정되지 않는다.
제1 실시 형태
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 일실시 형태에 따른 인덕터 소자(100)는, 코일(120)과 압분 자심(110)으로 구성되며, 압분 자심(110)의 내부에 코일(120)이 매설되어 있는 구성을 가진다.
도 1에 나타내는 압분 자심(110)의 형상은, 임의이며 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 원기둥 형상, 타원 기둥 형상, 각기둥 형상 등의 형상이 예시된다. 그리고, 압분 자심(110)은, 연자성 분말(1)과 결합재로서의 수지를 포함하며, 도 2에 나타내는 연자성 분말(1)을 구성하는 복수의 연자성 금속 입자(4)가 수지를 개재하여 결합함으로써, 소정의 형상으로 성형되어 있다. 이하, 본 실시 형태에 따른 연자성 분말(1)의 특징에 대해서 설명한다.
(연자성 분말)
도 2에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 연자성 분말(1)은, 연자성 금속 입자(4)의 표면에 무기 절연 피막(10)이 형성된 피복 입자(2)를 복수 포함하고 있다. 연자성 분말(1)에는, 피복 입자(2) 이외의 입자가 혼재하고 있어도 되고, 연자성 분말(1)에 포함되는 모든 입자의 질량 비율을 100%로 한 경우, 피복 입자(2)의 질량 비율이 5% 이상인 것이 바람직하다. 또한, 연자성 금속 입자(2)의 형상은 특별히 제한되지 않지만, 통상은 구체이다.
본 실시 형태에 있어서, 연자성 분말(1)의 입도 분포는, 200μm 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 비피복 입자를 포함하지 않는 피복 입자(2) 만의 입도 분포에 대해서도, 상기 범위로 할 수 있지만, 특히 바람직하게는, 피복 입자(2)의 입도 분포가, 0.1~10μm의 범위 내이다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 입자경(d)의 측정 방법은, 특별히 제한되지 않지만, 분말 상태에서 측정하는 경우에는, 레이저 회절 산란법을 이용하는 것이 바람직하고, 압분 자심 및 자성 부품의 상태에서 측정하는 경우에는, SEM 등에 의한 단면 관찰에 의해 화상 해석하는 것이 바람직하다.
화상 해석에 의해 입자경을 측정하는 경우, 구체적으로는, 시야각 400μm 사방의 영역에 있어서, 각 금속 입자의 면적을 계산한다. 그리고, 얻어진 면적값으로부터, 각 금속 입자의 원상당경을 산출한다. 상기의 측정은, 적어도 30개소의 영역에서 행하여, 연자성 분말(1)의 입도 분포를 구하는 것이 바람직하다.
본 실시 형태에서는, 연자성 금속 입자(4)의 재질은, 연자성을 나타내는 재료이면 특별히 제한되지 않는다. 연자성을 나타내는 재료로서는, 예를 들어, 순철, Fe-Si계 합금(철-실리콘), Fe-Al계 합금(철-알루미늄), 퍼멀로이계 합금(Fe-Ni), 센더스트계 합금(Fe-Si-Al), Fe-Si-Cr계 합금(철-실리콘-크롬), Fe-Si-Al-Ni계 합금, Fe-Ni-Si-Co계 합금, Fe계 아몰퍼스 합금, Fe계 나노 결정 합금 등이 예시된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 연자성 분말(1)의 피복 입자(2)는, 모두 동일한 재질로 구성되어 있어도 되고, 재질이 상이한 복수의 입자군을 혼재시켜 구성되어 있어도 된다.
예를 들어, 연자성 분말(1)에 있어서의 연자성 금속 입자(4) 중 일부는, 순철 입자로 구성되고, 다른 일부는, Fe-Si계 합금 등으로 구성해도 된다. 재질이 상이하다는 것은, 금속 또는 합금을 구성하는 원소가 상이한 경우, 구성하는 원소가 동일해도 그 조성이 상이한 경우, 결정계가 상이한 경우 등이 예시된다. 또, 연자성 분말(1)에 피복 입자(2) 이외의 비피복 입자가 포함되는 경우에는, 피복 입자(2)와 비피복 입자에서, 재질이 동일해도 되고, 상이해도 된다.
(무기 절연 피막)
다음에, 연자성 금속 입자(4)의 표면을 덮는 무기 절연 피막(10)에 대해서 설명한다. 이 무기 절연 피막(10)은, 연자성 금속 입자(4)의 표면의 적어도 일부를 덮고 있으면 되고, 표면의 전부를 덮고 있어도 된다. 즉, 연자성 금속 입자(4)의 표면에 대한 무기 절연 피막(10)의 피복률은, 바람직하게는 60% 이상, 보다 바람직하게는 80% 이상이다. 또한, 무기 절연 피막(10)은, 연자성 금속 입자(4)의 표면을 연속적으로 덮고 있어도 되고, 단속적으로 덮고 있어도 된다.
도 3은, 도 2에 나타내는 영역 III를 확대한 단면 모식도이다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 무기 절연 피막(10)은, 제1 피복부(12)와 제2 피복부(14)를 가지며, 적어도 2층으로 나누어져 있다. 제1 피복부(12)는, 연자성 금속 입자(4)의 최표면에 접하여, 입자 표면을 덮고 있으며, 제2 피복부(14)는, 연자성 금속 입자(4)쪽에서 볼 때, 제1 피복부(12)의 외측에 형성되어 있다.
도 4는, 도 3에 나타내는 측정선 IV을 따라, 투과형 전자현미경(Transmission Electron Microscope; TEM)를 이용한 에너지 분산형 X선 분광법(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy; EDS)에 의해, 막 해석을 행한 결과를 개략적으로 나타내고 있다.
도 4에서는, 횡축이 측정선 IV의 길이 방향으로 대응하고 있으며, 종축이 검출된 각 원소의 원자분율(atom%)이다. 즉, 도 4에 있어서, 그래프의 우측은 연자성 금속 입자(4)의 표면 근방에 있어서의 성분 비율을 나타내고, 그래프의 중앙은 무기 절연 피막(10)의 성분 비율을 나타내고, 그 외측(즉 그래프의 좌측)은 TEM 관찰용 수지의 성분 비율을 나타내고 있다. 단, 도 4에서는, TEM-EDS에 의한 막 해석의 원 데이터에서 탄소(C) 등의 여분의 원소의 정보를 삭제하고, 주요한 원소(즉 본 발명의 해석에 필요한 원소)의 원자분율 거동 만을 나타내고 있다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 연자성 금속 입자(4)의 최표면에 접하고 있는 제1 피복부(12)에서는, 인(P) 및 산소(O)가 주성분으로서 포함되어 있다. 즉, 제1 피복부(12)는, 인산 화합물계의 피막이다. 보다 구체적으로, 본 실시 형태에서는, 제1 피복부(12)는, 피막에 포함되는 주요 원소(O, P, Si)의 총량을 100atom%로 한 경우에 있어서, 인(P)의 원자분율이 5% 이상이며, 또한, 인(P)의 원자분율이 규소(Si)의 원자분율에 비해 5배 이상인 범위를 의미한다.
또, 도 4에 나타내는 제1 피복부(12)에는, 인 및 산소 외에, 예시로서 Na가 포함되어 있다. 이와 같이, 본 실시 형태에 있어서, 제1 피복부(12)에는, 알칼리 금속(Li, Na, K, Rb, Cs), 알칼리 토류 금속(Mg, Ca, Sr, Ba), Zn 및 Al로부터 선택되는 1종 이상의 원소가 포함되어 있는 것이 바람직하고, 특히 Na 또는 Zn을 포함하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 본 실시 형태에서는, 알칼리 금속(Li, Na, K, Rb, Cs), 및 알칼리 토류 금속(Mg, Ca, Sr, Ba)으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 첨가 원소 (α)로 하고, Zn 및 Al로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 첨가 원소 (β)라고 표기한다.
제1 피복부(12)에 첨가 원소 (α)가 포함되는 경우, 제1 피복부(12)에 포함되는 원소의 총량을 100mol%로 하면, 첨가 원소 (α)와 인(P)의 함유 비율 α/P는, 몰분율로 0.05≤α/P≤0.5인 것이 바람직하고, 0.1≤α/P≤0.3인 것이 보다 바람직하다.
한편, 제1 피복부(12)에 첨가 원소 (β)가 포함되는 경우, 제1 피복부(12)에 포함되는 원소의 총량을 100mol%로 하면, 첨가 원소 (β)와 인(P)의 함유 비율 β/P는, 몰분율로 0.5≤β/P≤0.8인 것이 바람직하고, 0.5≤β/P≤0.7인 것이 보다 바람직하다.
또한, 도 4에 나타내는 바와 같이, 첨가 원소 (α)로서 포함되는 Na 원소는, 제2 피복부(14)측보다 연자성 금속 입자(4)측으로 치우쳐 존재하는 경향이 된다. 다른 첨가 원소 (α)(Li, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba) 혹은 첨가 원소 (β)(Zn, Al)가 포함되는 경우도, Na 원소와 동일한 원자분율 거동을 나타낸다.
제2 피복부(14)에 대해서는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 규소(Si) 및 산소를 주성분으로서 포함하고 있다. 즉, 제2 피복부(14)는, Si의 산화물 피막이다. 보다 구체적으로, 본 실시 형태에서는, 제2 피복부(14)는, 피막에 포함되는 주요 원소(O, P, Si)의 총량을 100atom%로 하면, 규소(Si)의 원자분율이 10% 이상이며, 또한, 규소(Si)의 원자분율이 인(P)의 원자분율에 비해 5배 이상인 범위를 의미한다.
또한, 도 3에서는 도시를 생략하고 있지만, 제1 피복부(12)와 제2 피복부(14)의 사이에는, 중간층(16)이 존재하고 있어도 된다. 중간층(16)으로서는, 예를 들어, 인 및 규소가 쌍방 모두 포함되는 확산층이 형성될 수 있다. 본 실시 형태에서는, 중간층(16)이란, 인 및 규소의 원자분율이 모두 5% 이상이며, 또한 인의 원자분율이 규소의 원자분율에 비교하여 0.7~1.5배인 범위를 의미한다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 중간층(16)의 두께가 0.4nm 이하로 얇다. 이와 같이 제1 피복부(12)와 제2 피복부(14)의 사이의 층이 0.4μm 이하인 경우에는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 중간층(16)은 존재하지 않는 것으로 간주하기로 한다. 또한, 중간층(16)이 존재하는 경우, 후술하는 제1 피복부(12)의 두께(T1) 및 제2 피복부(14)의 두께(T2)에는, 중간층(16)의 두께가 포함되지 않는다. 또, 중간층(16)이 존재하는 경우에 대해서는, 제2 실시 형태에 있어서 상세히 서술한다.
이상, 무기 절연 피막(10)의 성분 구성에 대해서 설명했지만, 제1 피복부(12) 및 제2 피복부(14)에서는, 상기한 원소 외에, 다른 원소 (γ)를 더 포함하고 있어도 된다. 예를 들어, 제1 피복부(12)에는, 철(Fe)이나 붕소(B) 등이 포함되어 있어도 되고, 제2 피복부(14)에서는, 철, 붕소, 마그네슘(Mg) 등이 포함되어 있어도 된다. 이들 다른 원소 (γ)의 함유 비율은, 원자분율 환산으로, 인의 함유량에 대해 0.01 이하(γ/P≤0.01), 혹은 Si의 함유량에 대해 0.1 이하(γ/Si≤0.1)인 것이 바람직하다.
본 실시 형태에서는, 도 3에 나타내는 제1 피복부(12)의 두께(T1)와, 제2 피복부의 두께(T2)가 소정의 범위로 제어되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 제1 피복부(12)와 제2 피복부(14)의 두께의 합(T1+T2)은, 10nm≤T1+T2≤150nm로 하는 것이 바람직하고, 30nm≤T1+T2≤80nm로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 제1 피복부(12)의 두께와 제2 피복부(14)의 두께의 합(T1+T2)에 대한, 제2 피복부(14)의 두께(T2)의 비율은, 20%≤T2/(T1+T2)≤90%로 하는 것이 바람직하고, 50%≤T2/(T1+T2)≤80%로 하는 것이 보다 바람직하다.
제1 피복부(12)와 제2 피복부(14)의 막두께는, 상술한 TEM-EDS에 의한 막 해석에 의해 측정할 수 있다. 막두께의 측정에 있어서는, 입자 표면 부근에서 임의의 해석 영역을 10점 추출하고, 각각의 해석 영역에 있어서, 각 층의 두께를 측정한다. 그리고, 얻어진 데이터의 평균값을 산출하고, 그 평균값을 각 층의 막두께(T1, T2)로 한다.
또한, 본 실시 형태에서는, 상기 대로, TEM-EDS에 의해 무기 절연 피막(10)에 포함되는 성분을 분석할 수 있다. 또, 압분 자심(110)의 상태에서 무기 절연 피막(10)에 포함되는 성분 및 각 층의 막두께를 측정하는 경우에는, 집속 이온 빔(Focused Ion Beam: FIB)를 이용한 마이크로 샘플링법에 의해 TEM 관찰용의 시료를 제작하여, 상술한 방법과 동일한 막 해석을 행하면 된다.
이어서, 본 실시 형태에 따른 연자성 분말(1), 압분 자심(110), 및 인덕터 소자(100)의 제조 방법에 대해서 설명한다. 또한, 제조 방법은 하기 방법에 한정되지 않는다.
(연자성 분말의 제조 방법)
우선, 연자성 분말(1)을 구성하는 복수의 연자성 금속 입자(4)를 제작한다. 연자성 금속 입자(4)는, 공지의 분말 제조 방법에 의해 제작할 수 있지만, 예를 들어, 가스 아토마이즈법, 물 아토마이즈법, 회전 디스크법, 카르보닐법 등을 이용하여 제조할 수 있다. 또, 단롤법에 의해 얻어지는 박대(薄帶)를 기계적으로 분쇄하여 제조해도 된다. 이들 중에서는, 원하는 자기 특성을 가지는 연자성 금속 입자를 얻기 쉽다는 관점에서, 카르보닐법을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 얻어진 연자성 금속 입자(4)의 입자경에 대해서는, 체분급, 기류분급 등에 의해 입도 조정이 가능하다.
다음에, 얻어진 연자성 금속 입자(4)에 대해, 제1 피복부(12) 및 제2 피복부(14)로 이루어지는 무기 절연 피막(10)을 형성하여, 피복 입자(2)를 얻는다. 인 및 산소를 포함하는 제1 피복부(12)는, 인산염 처리에 의해 형성할 수 있다. 구체적으로는, 우선, 인산 또는 소정의 원소 (α, β)를 포함하는 인산염을 물이나 알코올 등의 용매에 용해하여, 인산염 용액을 제작한다. 그리고, 당해 용액에 연자성 금속 입자(4)를 침투시키거나, 혹은, 당해 용액을 연자성 금속 입자(4)에 분무하여, 건조시킴으로써, 연자성 금속 입자(4)의 표면에 제1 피복부(12)를 형성한다. 또한, 제1 피복부(12)의 두께는, 인산염 용액에 포함되는 전구체(인산 또는 인산염)의 농도, 침투 처리 시간, 분무량 등에 의해 제어할 수 있다.
제1 피복부(12)를 형성한 후, 추가로 그 표면에 규소 및 산소를 포함하는 제2 피복부(14)를 형성한다. 제2 피복부는, Si원이 되는 실란 커플링제를 포함하는 용액을 연자성 금속 입자(4)에 분무시키거나, 혹은 당해 용액에 연자성 금속 입자(4)를 침투시키고, 그 후, 건조 또는/및 열처리함으로써 형성한다.
이 때에 이용하는 실란 커플링제로서는, 예를 들어, 테트라메톡시실란(TMOS), 테트라에톡시실란(TEOS), 헥실트리메틸실란 등이 예시되며, TEOS인 것이 바람직하다. 또, 실란 커플링제를 녹이는 용매로서는, 물, 에탄올, 아세톤, 이소프로필 알코올 등이 예시되며, 특별히 제한은 없다. 또한, 제2 피복부(14)의 두께는, 처리 용액에 포함되는 실란 커플링제의 농도, 분무량, 침투 처리 시간 등에 의해 제어할 수 있다.
또한, 연자성 분말(1)에 피복 입자(2) 이외의 입자가 포함되는 경우에는, 상술한 공정에서 피복 입자(2)를 제작한 후에, 다른 입자를 혼합하여 연자성 분말(1)로 하면 된다. 피복 입자(2) 이외의 다른 입자의 표면에, 인산 화합물계의 피막, 혹은 Si계 산화물의 피막 중 어느 한쪽을 형성하는 경우에는, 피복 입자(2)와 함께 인산염 처리 혹은 졸-겔 코팅을 실시해도 된다.
(압분 자심 및 인덕터 소자의 제조 방법)
다음에, 상기의 연자성 분말(1)을 이용하여 압분 자심을 제조한다. 구체적인 제조 방법은, 특별히 제한되지 않고, 공지의 방법을 채용할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 나타내는 압분 자심(110)은, 이하에 나타내는 방법으로 제작할 수 있다.
우선, 압분 자심(110)의 원료가 되는 과립을 제작한다. 과립은, 무기 절연 피막(10)을 형성한 피복 입자(2)를 포함하는 연자성 분말(1)과, 용매로 희석한 결합재를 혼련하여, 이것을 건조시킴으로써 얻을 수 있다. 얻어진 과립에 대해서는, 체눈 100~400μm의 체로 정립(整粒)해도 된다.
과립의 제작 시에 결합재를 희석하는 용매로서는, 아세톤 등의 케톤류나, 에탄올 등을 이용할 수 있다. 또, 결합재로서는, 특별히 제한은 없지만, 예를 들어, 에폭시 수지, 페놀 수지, 멜라민 수지, 우레아 수지, 푸란 수지, 알키드 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 디알릴프탈레이트 수지, 폴리아미드, 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리프로필렌(PP), 액정 폴리머(LCP), 및 물유리(규산 나트륨), 실리콘 수지 등이 예시된다. 결합재로서 수지를 사용하는 경우에는, 상기의 열강화성 수지 또는 열가소성 수지 중 어느 하나여도 되지만, 열강화성 수지를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 결합재의 함유량에 대해서도, 특별히 제한은 없지만, 예를 들어 연자성 분말(1)을 100중량부로 한 경우, 2~5중량부로 하는 것이 바람직하다. 이 비율로 결합재를 혼련함으로써, 얻어지는 압분 자심에 있어서의 연자성 분말(1)의 체적 충전율은, 70~90vol% 정도가 된다.
상기의 과립은, 인서트 부재로서의 공심 코일과 함께 금형 내에 충전하여, 압축 성형한다. 이것에 의해 제작해야 할 압분 자심의 형상을 가지는 성형체를 얻을 수 있고, 이 성형체에 적절히 열처리를 행함으로써 압분 자심(110)을 얻을 수 있다. 또한, 열처리의 조건은, 사용하는 결합재의 종류에 따라 적절히 결정하면 된다. 이렇게 하여 얻어진 압분 자심(110)은, 내부에 코일(120)이 매설되어 있기 때문에, 코일(120)에 전압을 인가함으로써 인덕터 소자(100)로서 기능한다.
(제1 실시 형태의 정리)
본 실시 형태에서는, 연자성 분말(1)에 포함되는 연자성 금속 입자(4)의 표면을, 인산 화합물계의 제1 피복부(12)와, Si 산화물계의 제2 피복부(14)를 포함하는 다층 구조의 무기 절연 피막(10)으로 덮음으로써, 연자성 분말(1)의 내열성을 향상시킬 수 있다. 본 실시 형태에 있어서, 내열성이 향상된다는 것은, 연자성 분말(1)을 고온 환경 하(150℃이상)에 장시간(2000h 이상) 노출한 후에 있어서도, 연자성 분말(1)의 절연 저항이 저하되기 어려워, 높은 절연성을 유지할 수 있는 것을 의미한다.
또, 제1 피복부(12)의 막두께와 제2 피복부(14)의 막두께를 소정 비율의 범위 내로 제어함으로써, 연자성 분말(1)의 내열성은 보다 향상된다. 구체적으로는, 상술한 바와 같이, 제1 피복부(12)의 두께와 제2 피복부(14)의 두께의 합(T1+T2)에 대한, 제2 피복부(14)의 두께(T2)의 비율이, 바람직하게는 20%≤T2/(T1+T2)≤90%이며, 보다 바람직하게는 50%≤T2/(T1+T2)≤80%이다.
또한, 제1 피복부(12)의 두께와 제2 피복부(14)의 두께의 합(T1+T2)은, 소정의 범위 내로 함으로써 자기 특성의 향상에 기여한다. 구체적으로는, 상술한 바와 같이, 10nm≤T1+T2≤150nm로 하는 것이 바람직하고, 30nm≤T1+T2≤80nm로 하는 것이 보다 바람직하다.
통상, 입자 표면을 피복하는 절연 피막의 두께를 두껍게 하면(예를 들어 200nm 이상), 연자성 분말의 전기 저항은 상승하여, 내열성도 좋아지는 경향이 된다. 단, 절연 피막이 두꺼워지면, 압분 자심을 구성했을 때에 압분 자심의 자기 특성에 악영향이 생겨, 특히, 투자율이 저하되는 경향이 된다. 이에 반해, 본 실시 형태에 따른 연자성 분말(1)로 압분 자심을 형성한 경우에는, 제1 피복부(12)의 막두께와 제2 피복부(14)의 막두께를 소정 비율의 범위 내로 제어함으로써, 무기 절연 피막(10)의 두께를 얇게 했다고 해도, 내열 시험 후에 있어서의 절연 저항을 높은 값으로 유지할 수 있음과 함께, 높은 투자율을 양립하여 얻을 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 제1 피복부(12)에 있어서, 첨가 원소 (α)(알칼리 금속 또는 알칼리 토류 금속), 혹은 첨가 원소 (β)(Zn, Al)가 소정량 포함되는 것이 바람직하다. 이들 첨가 원소가 포함됨으로써, 연자성 분말(1)의 내열성은, 더 향상되는 경향이 된다.
첨가 원소 (α) 혹은 첨가 원소 (β)에 의해 내열성이 더 향상되는 이유는, 반드시 분명하지 않지만, 예를 들어 이하와 같은 사유가 생각된다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 상기의 첨가 원소 (α) 혹은 첨가 원소 (β)는, 제1 피복부(12)에 있어서, 연자성 금속 입자(4)의 표면측으로 치우쳐 존재하고 있다. 이로부터, 이들 원소에는, 고온 분위기 하에 있어서, 연자성 금속 입자(4)의 최표면에 위치하는 Fe 원소가 무기 절연 피막(10) 중에 확산되어 산소와 결합하는 것을 저해하는 작용이 있다고 생각된다. 따라서, 제1 피복부에 첨가 원소 (α) 혹은 첨가 원소 (β)가 포함되는 경우에는, 연자성 금속 입자(4)와 무기 절연 피막(10)의 계면에서, 산화철의 과잉한 생성이 억제되어, 절연 저항의 저하를 방지할 수 있다.
또, 본 발명에 따른 연자성 분말(1)은, 압분 자심(110)에 이용하는 자성 재료로서 이용함으로써, 압분 자심(110)의 고온 환경 하에 있어서의 내열성을 향상시킬 수 있다.
제2 실시 형태
제2 실시 형태에서는, 도 5 및 도 6에 의거하여, 무기 절연 피막(10)에 중간층(16)이 존재하는 경우에 대해서 설명한다. 또한, 제2 실시 형태에 있어서의 제1 실시 형태와 공통의 구성에 관해서는, 설명을 생략하고, 같은 부호를 사용한다.
제2 실시 형태에 따른 연자성 분말(1)은, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 연자성 금속 입자(4)의 표면에 무기 절연 피막(10)이 형성된 피복 입자(2)를 포함하고 있다. 도 5는, 제2 실시 형태에 있어서의 피복 입자(2)의 표면 근방을 확대한 단면 모식도이다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 무기 절연 피막(10)은, 제1 실시 형태에서 설명한 제1 피복부(12)와 제2 피복부(14)를 가지며, 적어도 2층으로 나누어져 있다. 그리고, 제2 실시 형태에서는, 제1 피복부(12)와 제2 피복부(14)의 사이에, 중간층(16)이 형성되어 있다. 즉, 제1 피복부(12)는, 연자성 금속 입자(4)의 최표면에 접하여 입자 표면을 덮고 있으며, 제2 피복부(14)는, 중간층(16)을 개재하여 제1 피복부(12)의 외측에 형성되어 있다.
도 6에서는, 도 5에 나타내는 측정선 VI을 따라, TEM-EDS에 의해 막 해석을 행한 결과를 개략적으로 나타내고 있다. 제1 실시 형태의 도 4와 마찬가지로, 도 6에서는, 횡축이 측정선 VI의 길이 방향에 대응하고 있으며, 종축이 검출된 각 원소의 원자분율(atom%)이다. 즉, 도 6에 있어서, 그래프의 우측은 연자성 금속 입자(4)의 표면 근방에 있어서의 성분 비율을 나타내고, 그래프의 중앙은 무기 절연 피막(10)의 성분 비율을 나타내고, 그 외측(즉 그래프의 좌측)은 TEM 관찰용 수지의 성분 비율을 나타내고 있다. 단, 도 6에서는, TEM-EDS에 의한 막 해석의 원 데이터에서 탄소(C) 등의 여분의 원소의 정보를 삭제하고, 주요한 원소(즉 본 발명의 해석에 필요한 원소)의 원자분율 거동 만을 나타내고 있다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 중간층(16)은, 인(P), 규소(Si), 및 산소를 포함하고 있으며, 제1 피복부(12)의 성분과 제2 피복부(14)의 성분으로 구성되는 확산층이다. 제2 실시 형태에 있어서도, 확산층(16)이란, P 및 Si의 원자분율이 5% 이상이며, 또한 P의 원자분율이 Si의 원자분율에 비해 0.7~1.5배인 범위를 의미한다.
제2 실시 형태에서는, 상기의 중간층(16)이 제1 피복부(12)와 제2 피복부(14)의 사이에 형성되어 있음으로써, 제1 피복부(12)와 제2 피복부(14)의 친화성이 높아져, 무기 절연 피막(10)이 파괴되기 어려워진다. 그 때문에, 제2 실시 형태에 따른 연자성 분말(1), 및, 당해 연자성 분말(1)을 포함하는 압분 자심(110)은, 중간층(16)이 존재하지 않는 경우에 비해, 보다 우수한 내열성을 나타낸다.
다음에, 제2 실시 형태에 있어서의 무기 절연 피막(10)의 막두께에 대해서 설명한다. 제2 실시 형태에서는, 무기 절연 피막(10)의 총 두께(S1)는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 제1 피복부(12)의 두께(T1)와, 제2 피복부(14)의 두께(T2)와, 중간층(16)의 두께(M1)의 총 합으로 나타내어진다. 또한, 도 5 및 도 6에서는 명확히 기재하고 있지 않지만, 무기 절연 피막(10)에는, 상기의 각 층(12~16) 외에 제4층이 형성되어 있어도 된다. 단, 본 실시 형태에서는, 무기 절연 피막(10)의 총 두께(S1)는, 200nm 이하이며, 10nm≤S1≤170nm인 것이 바람직하고, 25nm≤S1≤150nm인 것이 보다 바람직하다.
중간층(16)의 두께(M1)에 대해서는, 적어도 0.4nm 초과이다. 제1 실시 형태에서도 서술한 바와 같이, 두께(M1)가 0.4nm 이하인 경우는, 중간층(16)이 존재하고 있지 않는 것으로 간주한다. 또, 무기 절연 피막(10)의 총 두께(S1)에 대한 중간층(16)의 두께(M1)의 비율은, 0.05＜M1/S1≤0.2인 것이 바람직하고, 0.07≤M1/S1≤0.12인 것이 보다 바람직하다.
통상, 입자 표면을 피복하는 절연 피막의 두께를 두껍게 하면(예를 들어 S1이 200nm 이상), 연자성 분말의 전기 저항은 상승하지만, 한편으로 투자율이 저하되는 경향이 된다. 반대로, 입자 표면을 피복하는 절연 피막의 두께가 얇아지면, 투자율은 높아지지만, 전기 저항이 저하되어 버린다. 즉, 절연 피막의 두께에 대해, 전기 저항과 투자율은, 상반되는 경향을 나타낸다. 제2 실시 형태에서는, 중간층(16)을 상기와 같은 소정의 두께로 형성함으로써, 무기 절연 피막(10)의 총 두께(S1)를 얇게 했다고 해도, 높은 절연성과, 높은 투자율을 양립하여 얻을 수 있다. 즉, 제2 실시 형태에 따른 연자성 분말(1), 및, 당해 연자성 분말(1)을 포함하는 압분 자심(110)은, 고온 환경 하에 장시간 폭로되었다고 해도, 절연 저항이 저하되기 어려워, 높은 투자율을 나타낸다.
또한, 제2 실시 형태에 있어서, 제1 피복부(12)의 두께(T1)와, 제2 피복부(14)의 두께(T2)는, 제1 실시 형태와 동일하게 하는 것이 바람직하다. 즉, 제1 피복부(12)의 두께와 제2 피복부(14)의 두께의 합(T1+T2)에 대한, 제2 피복부(14)의 두께(T2)의 비율은, 20%≤T2/(T1+T2)≤90%로 하는 것이 바람직하고, 50%≤T2/(T1+T2)≤80%로 하는 것이 보다 바람직하다. 제2 실시 형태에 따른 연자성 분말(1) 및 압분 자심(110)은, 당해 구성을 가짐으로써, 내열성이 더 향상됨과 함께, 투자율도 더 향상된다.
또한, 제2 실시 형태에 있어서도, 제1 피복부(12)에는, 첨가 원소 (α) 혹은 첨가 원소 (β)가, 소정량 포함되어 있는 것이 바람직하다. 첨가 원소 (α) 또는 (β)가 제1 피복부(12)에 포함됨으로써, 연자성 분말(1) 및 압분 자심(110)의 내열성이 더 향상되는 경향이 된다.
또한, 제2 실시 형태에 있어서의 각 층(12, 14, 16)의 두께나 성분은, 제1 실시 형태와 마찬가지로, TEM-EDS에 의한 막 해석으로 분석할 수 있다.
이어서, 제2 실시 형태에 따른 연자성 분말(1)의 제조 방법에 대해서 설명한다. 제2 실시 형태에서도, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 제1 피복부(12)는 인산염 처리에 의해 형성하고, 제2 피복부(14)는 실란 커플링제를 이용한 졸-겔 코팅에 의해 형성하면 된다. 단, 제1 피복부(12)와 제2 피복부(14)의 사이에 중간층(16)을 형성하기 위해서는, 졸-겔 코팅에 의해 제2 피복부(14)를 형성한 후에, 연자성 분말(1)을 소정의 조건에 의해 열처리한다.
구체적으로, 열처리에 의해 중간층(16)을 형성하는 경우에는, 제2 피복부(14)를 형성한 연자성 분말(1)에 대해, 질소(N2) 분위기 혹은 진공 분위기 중에 있어서, 400℃~600℃의 온도 범위에서, 10분~30분간 정도 가열한다. 이 때, 승온 속도를 5~10℃/분으로 하는 것이 바람직하다. 혹은, 냉각 속도를 5~10℃/분으로 제어해도 된다. 또한, 2단계 가열에 의해 열처리해도 되고, 그 경우, 한 번 400~500℃의 온도 범위에서 3~5분간 유지한 후, 온도를 더 올려 500~600℃의 온도 범위에서 7~25분간 유지한다.
중간층(16)의 두께(M1)를 두껍게 하기 위해서는, 상기의 열처리에 있어서, 유지 온도를 550℃~600℃정도로 조금 높게 설정하거나, 유지 시간을 25~30분 정도로 길게 하면 된다. 혹은, 승온 속도를 느리게 하여, 5~7℃/분 정도로 하거나, 냉각 속도를 느리게 하여, 5~7℃/분 정도로 해도 된다. 중간층(16)의 두께(M1)를 얇게 하고 싶은 경우에는, 상기와는 반대의 방향으로 각 인자를 제어하면 된다.
또한, 상기의 열처리 공정 이외의 제조 조건은, 제1 실시 형태와 동일하게 하여, 연자성 분말(1)을 제조하면 된다. 또, 압분 자심 및 인덕터 소자도 제1 실시 형태와 같은 방법으로 제조하면 되고, 설명을 생략한다.
제3 실시 형태
이하, 도 7에 의거하여, 본 발명의 제3 실시 형태에 대해서 설명한다. 또한, 제3 실시 형태에 있어서의 제1, 제2 실시 형태와 공통의 구성에 관해서는, 설명을 생략하고, 같은 부호를 사용한다.
도 7은, 제3 실시 형태에 따른 압분 자심(111)에 대해서, 그 미세 구조를 일부 확대하여 나타내는 단면 모식도이다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 제3 실시 형태에 있어서도, 연자성 분말(8)이, 결합재로서의 수지(20)를 개재하여 고정되어 있다. 단, 제3 실시 형태에 있어서는, 연자성 분말(8)이, 입도 분포가 상이한 복수의 분말로 구성되어 있다. 구체적으로, 연자성 분말(8)은, 상대적으로 입경이 큰 대경분(大徑粉)(6)과, 입경이 작은 소경분(小徑粉)(1a)을 포함하고 있다.
대경분(6)은, 입도 분포가, 200μm 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하고, 미디언 직경(D50)이, 20~30μm인 것이 바람직하다. 한편, 소경분(1a)에서는, 입도 분포가, 15μm 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하고, 소경분(1a)의 미디언 직경(D50)은, 대경분(6)의 미디언 직경에 대해 0.1배~0.25배 정도로 작고, 보다 구체적으로 3~5μm인 것이 바람직하다. 또한, 누적 빈도 90%가 되는 소경분(1a)의 입자경(D90)은, 10μm 이하인 것이 바람직하다.
제3 실시 형태에 있어서, 대경분(6) 및 소경분(1a)의 입자경(d)와 입도 분포는, 단면 관찰에 의한 화상 해석에 의해 측정하는 경우, 이하의 순서에 의해 실시한다. 우선, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 시야각 400μm 사방의 영역에 있어서, 각 금속 입자의 면적을 계산한다. 그리고, 얻어진 면적값으로부터, 각 금속 입자의 원상당경을 산출한다. 제3 실시 형태에 있어서도, 상기의 측정을 30개소에서 행하는 것이 바람직하다. 그리고, 제3 실시 형태에서는, 전체 측정 개소부터 얻어진 원상당경에 의거하여, 15μm 미만의 그룹과 15μm 이상의 그룹으로 각 금속 입자를 분류한다. 15μm 미만의 그룹을, 소경분(1a)으로 칭하고, 그 입도 분포와 각 누적 빈도에 있어서의 입자경을 산출한다. 한편, 15μm 이상의 그룹은, 대경분(6)으로 칭하고, 그 입도 분포와 각 누적 빈도에 있어서의 입자경을 산출한다.
또한, 제3 실시 형태의 연자성 분말(8) 전체에서 차지하는 소경분(1a)의 배합 비율은, 중량 비율로, 5~40%인 것이 바람직하고, 10~30%인 것이 보다 바람직하다. 소경분(1a)의 배합 비율은, 제조 과정에서 파악될 뿐만 아니라, 압분 자심(111)이 제작된 후에 있어서도, SEM 관찰 등에 의해 압분 자심(111)의 단면을 관찰함으로써 파악할 수 있다.
이와 같이, 입경이 상이한 분말을 조합함으로써, 압분 자심(111)에 있어서의 연자성 분말(8)의 체적 충전율을 높일 수 있어, 자기 특성이 더 향상되는 경향이 된다.
또, 소경분(1a)을 구성하는 코어 입자(2a)는, 표면에 절연 피막이 형성되어 있으며, 제3 실시 형태에 있어서는, 소경분(1a)의 코어 입자(2a)가, 제1 실시 형태에 있어서의 피복 입자(2) 혹은 제2 실시 형태에 있어서의 피복 입자(2)에 대응하고 있다. 즉, 소경분(1a)을 구성하는 코어 입자(2a)의 표면은, 무기 절연 피막(10)으로 덮여 있고, 이 무기 절연 피막(10)은, 인 및 산소를 포함하는 제1 피복부(12)와, 규소 및 산소를 포함하는 제2 피복부(14)를 포함하는 다층 구조막이다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 압분 자심(111)에서는, 대경분(6)의 입자 간의 극간에, 소경분(1a)이 들어가 존재하고 있다. 입경이 상이한 분말을 조합하는 경우, 압분 자심의 절연성에 관해서는, 대경분(6)의 입자 간에 존재하는 소경분(1a)에 의한 기여가 크다. 그 때문에, 소경분(1a)의 코어 입자(2a)의 표면에, 제1 피복부(12)와 제2 피복부(14)가 존재함으로써, 압분 자심(111)의 절연성을 보다 효율적으로 높일 수 있다.
대경분(6)의 코어 입자(6a)의 표면에 대해서는, 절연 피막을 형성하지 않아도 되고, 인산 화합물계의 피막, 혹은 Si계 산화물 피막 중 어느 한쪽 만을 형성해도 되고, 소경분(1a)와 마찬가지로 다층 구조막을 형성해도 된다.
단, 대경분(6)에 대해서는, 자기 특성에 대한 기여가 크기 때문에, 피막 성분과 같은 비자성물의 개재를 필요 최소한으로 억제하는 편이 좋다. 따라서, 대경분(6)의 코어 입자(6a)의 표면에는, TEOS 유래의 Si계 산화물 피막 만을 형성하는 것이 보다 바람직하다(즉 제2 피복부(14)에 상당하는 피막 만을 형성하는 것이 보다 바람직하다). 이와 같이 구성함으로써, 절연 피막이 자기 특성(예를 들어, 투자율)에 주는 영향을 필요 최소한으로 억제할 수 있어, 압분 자심(111)의 자기 특성이 더 향상된다.
또한, 대경분(6) 및 소경분(1a)을 구성하는 코어 입자의 재질은, 모두, 제1 실시 형태와 마찬가지로, Fe를 포함하는 다양한 연자성 금속 입자를 적용할 수 있다. 대경분(6)의 코어 입자와, 소경분(1a)의 코어 입자는, 동일한 재질로 구성해도 되고, 상이한 재질로 구성해도 된다.
제3 실시 형태에 있어서, 소경분(1a)이, 제1 실시 형태의 피복 입자(2) 혹은 제2 실시 형태의 피복 입자(2)로 구성되어 있기 때문에, 제3 실시 형태에 따른 연자성 분말 및 압분 자심은, 제1 실시 형태 또는 제2 실시 형태와 동일한 작용 효과를 나타낸다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명해 왔지만, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 범위 내에서 다양하게 개변할 수 있다. 예를 들어, 상술한 실시 형태에서는, 압분 자심(110)의 내부에 코일(120)이 매설되어 있는 인덕터 소자(100)를 나타냈지만, 인덕터 소자의 형태는 특별히 한정되지 않고, 소정 형상의 압분 자심의 표면에 와이어가 소정의 권수만큼 감겨진 구조여도 된다. 이 경우, 압분 자심의 형상은, 예를 들어, FT형, ET형, EI형, UU형, EE형, EER형, UI형, 드럼형, 토로이달형, 포트형, 컵형 등을 들 수 있다.
또, 압분 자심의 제조 방법으로 대해서, 상술한 실시 형태에서는, 연자성 분말(1)을 결합재가 되는 수지와 함께 혼련했지만, 수지 대신에, 금속 비누 등의 윤활제를 이용해도 된다. 이 경우, 올레인산 아연, 스테아린산 아연 등의 금속 비누를 연자성 분말(1)과 함께 혼련한다. 그리고, 이 혼합물에 열 및 압력을 인가하여 임의 형상의 성형체를 얻고, 이 성형체를 450~600℃정도로 열처리함으로써 압분 자심을 얻을 수 있다.
또, 제3 실시 형태에서는, 입경이 상이한 2종의 분말로 연자성 분말(8)을 구성했지만, 3종의 분말로 연자성 분말을 구성해도 된다. 예를 들어, 대경분(6)과 소경분(1a) 외에, 이들의 중간의 미디언 직경을 가지는 중경분(中徑粉)을 포함시켜 연자성 분말을 구성해도 된다. 이 경우에도, 제3 실시 형태와 마찬가지로, 소경분이 도 2에 나타내는 피복 입자(2)로 구성되어 있는 것이 바람직하고, 중경분은, 피복 입자(2)여도 되고, 비피복 입자여도 된다.
또한, 상술한 실시 형태에서는, 전자 부품의 일례로서 인덕터 소자를 나타냈지만, 내열성의 관점에 의하면, 본 발명은, 트랜스, 초크 코일, 리액터와 같은 전자 부품에도 적용 가능하다.
[실시예]
이하, 본 발명을 더 상세한 실시예에 의거하여 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않는다.
실험 A
실험 A에서는, 제1 피복부(12)와 제2 피복부(14)로 이루어지는 무기 절연 피막(10)을 형성한 금속 입자를 이용하여, 실시예 A1에 따른 연자성 분말 시료 및 압분 자심 시료를 제작하고, 그 성능을 평가했다. 또, 실험 A에서는, 인산염 처리에 있어서, 첨가 원소의 종류나 첨가 원소의 함유량이 상이한 복수의 인산염 용액을 사용하여, 실시예 A2~A28에 따른 연자성 분말 시료 및 압분 자심 시료를 제작했다. 이하, 실험 A에 있어서의 각 실시예의 제조 방법에 대해서 설명한다.
(실시예 A1)
우선, 연자성 분말의 원료로서, 소경분과 대경분의 2종류의 분말을 준비했다. 구체적으로, 소경분으로서는, 재질이 순철이고, 미디언 직경(D50)이 5μm인 분말을 준비하고, 대경분으로서는, 재질이 93.5Fe-6.5Si이고, 미디언 직경(D50)이 25μm인 분말을 준비했다.
그리고, 준비한 소경분에 대해, 이하에 나타내는 순서로 무기 절연 피막을 코팅했다. 우선, 소경분에 인산염 처리를 실시하여, 소경분의 코어 입자의 표면에 제1 피복부를 형성했다. 또한, 이 소경분을, TEOS를 첨가한 에탄올 용액에 침투·교반시키고, 그 후, 소정의 조건에서 건조시킴으로써, 제1 피복부의 외측에 추가로 제2 피복부를 형성했다.
한편, 대경분에 대해서는, TEOS에 의한 졸-겔 코팅 만을 실시하여, 대경분의 코어 입자의 표면에 Si계 산화물 피막을 형성했다.
이렇게 하여 얻어진 소경분과 대경분을, 소정의 배합 비율로 혼합함으로써, 실시예 A1의 연자성 분말 시료를 얻었다. 또한 본 실시예에서는, 소경분의 배합 비율은, 연자성 분말 전체에 대해, 중량 비율로 30%로 했다.
다음에, 실시예 A1의 연자성 분말 시료를 이용하여, 이하에 나타내는 순서로 압분 자심 시료를 제작했다. 우선, 소경분과 대경분을 포함하는 연자성 분말과, 아세톤으로 희석한 에폭시 수지를 혼련하여, 50℃에서 120시간 건조시킨 후, 체눈 400μm의 체로 정립함으로써, 원료가 되는 과립을 얻었다. 이 때, 에폭시 수지의 첨가량은, 연자성 분말 100중량부에 대해, 4중량부로 했다. 그리고, 상기의 과립을 토로이달 형상의 금형에 충전하여, 성형압 6t/cm2(약 6×102MPa)로 가압하여 성형체를 얻었다. 이 성형체에 대해서, 200℃에서 180분간, 대기 분위기 하에서 가열 처리하여, 압분 자심 시료를 얻었다.
또한, 상기 공정에 의해 얻어진 실시예 A1의 압분 자심 시료는, 치수가 외경 17.5mm, 내경 10.5mm, 높이 5.0mm였다.
(실시예 A2~A10)
실시예 A2~A10에서는, 인산염 처리를 할 때에, 첨가 원소 (α)로서 Na를 포함하는 인산염 용액을 사용하여 제1 피복부를 형성하여, 소경분을 얻었다. 또, 실시예 A2~A10에서는, 인산염 용액 중의 Na를 포함하는 인산염의 농도를 변화시켜, 실험을 행하여, 제1 피복부에 포함되는 Na 원소의 함유 비율을 조제했다. 또한, 실시예 A2~A10에 있어서의 상기 이외의 실험 조건은, 실시예 A1과 동일하게 하여, 실시예 A2~A10에 따른 연자성 분말 시료 및 압분 자심 시료를 제작했다.
(실시예 A11~A18)
실시예 A11~A18에서는, 첨가 원소 (α)의 종류를 Na 이외의 원소로 변경하여, 소경분의 코어 입자의 표면에 제1 피복부를 형성했다. 또한, 실시예 A11~A18에 있어서는, 첨가 원소 (α)의 함유 비율(α/P)을, 0.1로 고정했다. 실시예 A11~A18에 있어서의 상기 이외의 실험 조건은, 실시예 A1과 동일하게 하여, 실시예 A11~A18에 따른 연자성 분말 시료 및 압분 자심 시료를 제작했다.
(실시예 A19~A25)
실시예 A19~A25에서는, 인산염 처리를 할 때에, 첨가 원소 (β)로서 Zn을 포함하는 인산염 용액을 사용하여 제1 피복부를 형성하여, 소경분을 얻었다. 또, 실시예 A19~A25에서는, 인산염 용액 중의 Zn을 포함하는 인산염의 농도를 변화시켜, 실험을 행하여, 제1 피복부에 포함되는 Zn 원소의 함유 비율을 조제했다. 실시예 A19~A25에 있어서의 상기 이외의 실험 조건은, 실시예 A1과 동일하게 하여, 실시예 A19~A25에 따른 연자성 분말 시료 및 압분 자심 시료를 제작했다.
(실시예 A26~A28)
실시예 A26~A28에서는, 첨가 원소 (β)로서, Zn 대신에 Al를 첨가하여, 소경분의 코어 입자의 표면에 제1 피복부를 형성했다. 실시예 A26~A28에 있어서의 상기 이외의 실험 조건은, 실시예 A1과 동일하게 하여, 실시예 A26~A28에 따른 연자성 분말 시료 및 압분 자심 시료를 제작했다.
(비교예 A1)
비교예 A1에서는, 소경분의 코어 입자의 표면에, 인산 화합물계의 피막 만을 형성하고, TEOS에 의한 졸-겔 코팅을 실시하지 않았다. 그 이외의 실험 조건은, 실시예 A1과 동일하게 하여, 비교예 A1에 따른 연자성 분말 시료 및 압분 자심 시료를 제작했다.
(비교예 A2)
비교예 A2에서는, 소경분에 대해 인산염 처리를 실시하는 일 없이, TEOS에 의한 졸-겔 코팅 만을 실시하여, 소경분의 코어 입자의 표면에, Si계 산화물 피막 만을 형성했다. 그 이외의 실험 조건은, 실시예 A1과 동일하게 하여, 비교예 A2에 따른 연자성 분말 시료 및 압분 자심 시료를 제작했다.
(비교예 A3)
비교예 A3에서는, 비교예 A1과 마찬가지로, 소경분의 코어 입자의 표면에, 인산 화합물계의 피막 만을 형성했다. 단, 비교예 A3에서는, 인산염 처리에 있어서, 첨가 원소 (α)로서 Na를 포함하는 인산염 용액을 사용했다. 그 이외의 실험 조건은, 실시예 A1과 동일하게 하여, 비교예 A3에 따른 연자성 분말 시료 및 압분 자심 시료를 제작했다.
(비교예 A4)
비교예 A4에서는, 비교예 A1과 마찬가지로, 소경분의 코어 입자의 표면에, 인산 화합물계의 피막 만을 형성했다. 단, 비교예 A4에서는, 인산염 처리에 있어서, 첨가 원소 (β)로서 Zn을 포함하는 인산염 용액을 사용했다. 그 이외의 실험 조건은, 실시예 A1과 동일하게 하여, 비교예 A4에 따른 연자성 분말 시료 및 압분 자심 시료를 제작했다.
상기의 각 실시예 및 각 비교예에 따른 압분 자심에 대해, 이하에 나타내는 평가를 실시했다.
(TEM-EDS에 의한 무기 절연 피막의 해석)
압분 자심 시료에 포함되는 무기 절연 피막의 확인은, TEM 관찰에 의해 행했다. TEM 관찰에서는, 소경분의 코어 입자 표면에 형성되어 있는 무기 절연 피막에 대해서, 적어도 10개소 이상에서 EDS에 의한 선 분석을 행하여, 무기 절연 피막의 성분 및 각 층의 막두께를 측정했다. 또한, TEM 관찰용의 시료는, FIB를 이용한 마이크로 샘플링법에 의해 제작했다.
(내열 시험)
또, 압분 자심 시료에 대해서, 내열 시험을 행했다. 내열 시험에서는, 압분 자심 시료를, 155℃의 고온 환경 하에, 2000시간 노출시킨 후, 절연 저항을 측정했다. 절연 저항은, 토로이달 양측 표면에 In-Ga 페이스트를 도포하여 단자 전극을 형성한 후, HP사의 하이 레지스턴스 미터 4339B에 의해 측정했다.
또한, 모든 실시예 및 비교예에 있어서, 내열 시험 전의 절연 저항은, 1×1014Ω/mm 정도이며, 동일한 정도의 수준에 있었다. 따라서, 본 실험에서는, 시험 후의 절연 저항이 높을수록, 내열성이 우수하다고 판단한다.
비교예 A1~A3 및 실시예 A1~A18의 평가 결과를 표 1에 나타낸다. 또, 비교예 A4 및 실시예 A19~A28의 평가 결과를 표 2에 나타낸다.
TEM-EDS 측정의 결과, 실험 A의 모든 실시예 A1~A28에서는, 소경분의 코어 입자의 표면에, P 및 O를 주성분으로 하는 제1 피복부와, Si 및 O를 주성분으로 하는 제2 피복부가 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 각 실시예 A1~A28에 있어서, 제1 피복부의 두께(T1) 및 제2 피복부의 두께(T2)는, 모두 19nm~31nm의 범위 내였다. 한편, 비교예 A1, A3, A4에서는, 소경분의 코어 입자의 표면에, 인산 화합물의 피막 만이, 약 50nm의 두께로 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 또, 비교예 A2에서는, 소경분의 코어 입자의 표면에, Si 산화물의 피막 만이, 약 50nm의 두께로 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 실험 A의 모든 실시예 및 모든 비교예에 있어서, 소경분의 코어 입자에 형성되어 있는 무기 절연 피막의 총 두께가 동일한 정도인 것을 확인할 수 있었다.
또, 표 1 및 표 2에는 결과를 나타내고 있지 않지만, 각 압분 자심 시료에 포함되는 대경분에 대해서도, 소경분과 마찬가지로 TEM-EDS에 의한 막 해석을 행했다. 대경분의 표면에 형성한 Si계 산화물 피막의 막두께는, 모든 실시예 및 비교예에 있어서, 평균 50nm였다.
또한, 표 1 및 표 2에 나타내는 바와 같이, TEM-EDS 측정의 결과, 실시예 A2~A28 및 비교예 A3~A4에서는, 목표로 하는 대로 제1 피복부에 첨가 원소 (α 혹은 β)가 소정의 함유 비율로 포함되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
다음에, 내열 시험의 결과에 대해서 고찰한다. 표 1에 나타내는 바와 같이, 비교예 A1 및 A2에서는, 내열 시험 후의 절연 저항이 4승대까지 저하되어 있어, 내열성이 충분하지 않은 것이 확인되었다. 한편, 본원 발명에 따른 실시예 A1~A18에서는, 비교예 A1 및 A2와 피막의 총 두께가 동일한 정도임에도 불구하고, 비교예 A1 및 A2보다, 시험 후의 절연 저항이 높아져 있다. 따라서, 금속 입자의 표면에 제1 피복부와 제2 피복부를 형성함으로써, 내열성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
또, 제1 피복에 첨가 원소 (α)가 포함되지 않은 실시예 A1과, 첨가 원소 (α)로서 Na가 포함되어 있는 실시예 A1~A10를 비교하면, Na의 함유 비율(α/P)이 0.05~0.5의 범위 내에 있는 실시예 A3~A7에 있어서, 내열 시험 후의 절연 저항의 값이 높고(10승대 이상), 내열성이 실시예 A1보다 향상되어 있었다.
한편, 제1 피복부 만을 형성한 비교예 A3에서는, 함유 비율(α/P) 0.2로 Na가 포함되지만, Na가 포함되지 않은 비교예 A1에 대해, 내열 시험 후의 절연 저항의 값이 그다지 향상되지 않아, 비교예 A1에 대해 내열성의 향상을 확인할 수 없었다.
이 결과로부터, 제1 피복부와 제2 피복부를 가지는 다층 구조막을 형성한 후에, 제1 피복부에 첨가 원소 (α)를 소정의 비율(즉 0.05≤α/P≤0.5)로 함유시킴으로써, 내열성이 더 향상되는 것을 입증할 수 있었다. 또한, Na 이외의 원소를 포함하는 실시예 A11~A18에 있어서도, 실시예 A3~A7과 마찬가지로, 원소 (α)가 소정의 함유 비율로 포함됨으로써, 내열 시험 후의 절연 저항이 실시예 A1보다 높아져 있어, 내열성이 더 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
또, 표 2에 나타내는 바와 같이, 제1 피복부 만을 형성한 비교예 A4에서는, 함유 비율(α/P) 0.5로 Zn이 포함되지만, Zn이 포함되지 않은 비교예 A1에 대해, 내열 시험 후의 절연 저항의 값이 그다지 향상되지 않아, 비교예 A1에 대해 내열성의 향상을 확인할 수 없었다.
이에 반해, 제1 피복부와 제2 피복부를 가지는 본원 발명의 실시예 A19~A25에서는, Zn의 함유 비율(β/P)이 0.5~0.8의 범위 내에 있는 실시예 A21~A23에 있어서, 내열 시험 후의 절연 저항의 값이 높아, 실시예 A1보다 내열성이 향상되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, Zn 대신에 Al를 포함하는 실시예 A26~A28에 있어서도, 실시예 A19~A25와 동일한 경향이 보이며, Al가 함유 비율 0.5~0.8의 범위 내에서 포함됨으로써, 내열 시험 후의 절연 저항이 실시예 A1보다 높아져 있어, 내열성이 더 향상되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 표 2에 나타내는 결과로부터, 제1 피복부와 제2 피복부를 가지는 다층 구조막을 형성한 후에, 제1 피복부에 첨가 원소 (β)를 소정의 비율(즉 0.5≤α/P≤0.8)로 함유시킴으로써, 내열성이 더 향상되는 것을 입증할 수 있었다.
실험 B1
실험 B1에서는, 제1 피복부(12)의 두께(T1) 및 제2 피복부(14)의 두께(T2)가 상이한 복수종의 금속 입자를 제조하고, 당해 금속 입자를 이용하여, 실시예 B1~B28에 따른 연자성 분말 시료 및 압분 자심 시료를 제작했다. 이하, 실험 B1에 있어서의 각 실시예의 제조 방법에 대해서 설명한다.
(실시예 B1~B11)
우선, 연자성 분말의 원료로서, 소경분과 대경분의 2종류의 분말을 준비했다. 구체적으로, 소경분으로서는, 재질이 순철이고, 미디언 직경(D50)이 5μm인 분말을 준비하고, 대경분으로서는, 재질이 93.5Fe-6.5Si이고, 미디언 직경(D50)이 25μm인 분말을 준비했다.
그리고, 준비한 소경분에 대해, 이하에 나타내는 순서로 무기 절연 피막을 코팅했다. 우선, 소경분에 인산염 처리를 실시하여, 소경분의 코어 입자의 표면에 제1 피복부를 형성했다. 또한, 이 소경분을, TEOS를 첨가한 에탄올 용액에 침투·교반시키고, 그 후, 소정의 조건에서 건조시킴으로써, 제1 피복부의 외측에 추가로 제2 피복부를 형성했다.
또한, 이 무기 절연 피막의 코팅 공정에 있어서는, 인산염 용액 농도나 TEOS 농도를 변경하여 실험을 행하여, 제1 피복부의 두께(T1)와 제2 피복부의 두께(T2)의 비율이 상이한 11종류의 소경분을 제작했다. 단, 이 11종류의 소경분에 있어서, 제1 피복부와 제2 피복부의 두께의 합(T1+T2)은, 모두 50±2μm의 범위 내가 되도록 각 층의 두께를 제어했다.
대경분에 대해서는, TEOS에 의한 졸-겔 코팅 만을 실시하여, 대경분의 코어 입자의 표면에 Si계 산화물 피막을 형성했다.
이렇게 하여 얻어진 소경분과 대경분을, 소정의 배합 비율로 혼합함으로써, 실시예 B1~B11의 연자성 분말 시료를 제작했다. 소경분의 배합 비율은, 본 실험 B1의 모든 실시예에서 공통되고 있으며, 연자성 분말 전체에 대해, 중량 비율로, 30%로 했다.
다음에, 각 실시예 B1~B11의 연자성 분말 시료를 이용하여, 실험 A와 같은 제조 조건에서, 실험 A와 같은 치수의 압분 자심을 제작하여, 실시예 B1~B11에 따른 압분 자심 시료를 얻었다.
(실시예 B21~B28)
또, 실험 B1에서는, T2/(T1+T2)를 60%로 고정한 후에, 제1 피복부와 제2 피복부의 두께의 합(T1+T2)이 상이한 8종의 소경분을 제작했다. 그 이외의 실험 조건은, 실시예 B1~B11과 동일하게 하여, 실시예 21~28의 연자성 분말 시료 및 압분 자심 시료를 제작했다.
(비교예 B1)
비교예 B1에서는, 소경분의 코어 입자의 표면에, 인산 화합물계의 피막 만을 형성하고, TEOS에 의한 졸 겔 코팅을 실시하지 않았다. 그 이외의 실험 조건은, 실시예 B1~B11과 동일하게 하여, 비교예 B1에 따른 연자성 분말 시료 및 압분 자심 시료를 제작했다.
(비교예 B2)
비교예 B2에서는, 소경분에 대해 인산염 처리를 실시하는 일 없이, TEOS에 의한 졸-겔 코팅 만을 실시하여, 소경분의 코어 입자의 표면에, Si계 산화물 피막 만을 형성했다. 그 이외의 실험 조건은, 실시예 B1~B11과 동일하게 하여, 비교예 B2에 따른 연자성 분말 시료 및 압분 자심 시료를 제작했다.
(실험 B1에 있어서의 평가)
또한, 실험 B1에서도, 실험 A와 동일하게 하여, TEM-EDS에 의한 무기 절연 피막의 해석, 및, 내열 시험을 실시했다. 무기 절연 피막의 해석에서는, 실험 B1에 있어서의 모든 실시예에 있어서, 소경분의 코어 입자의 표면에, P 및 O를 주성분으로 하는 제1 피복부와, Si 및 O를 주성분으로 하는 제2 피복부가 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 비교예 B1에서는, 소경분의 코어 입자의 표면에 인산 화합물의 피막 만이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있고, 비교예 B2에서는, 소경분의 코어 입자의 표면에 Si 산화물의 피막 만이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 실험 B1의 각 실시예 및 각 비교예에서는, 제1 피복부와 제2 피복부의 사이에 중간층은 형성되어 있지 않았다. 또, 실험 B1의 각 실시예 및 각 비교예에서는, 각 압분 자심 시료에 포함되는 대경분의 표면에, 평균 50nm의 Si 산화물 피막이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
또, 실험 B1에서는, 모든 실시예 및 비교예에 있어서, 내열 시험 전의 절연 저항은, 1×1014Ω/mm 정도이며, 동일한 정도의 수준에 있었다. 따라서, 본 실험 B1에서도, 실험 A와 마찬가지로, 시험 후의 절연 저항이 높을수록, 내열성이 우수하다고 판단한다.
또한, 실험 B1에서는, 각 압분 자심 시료의 초투자율(μi)(단위 없음)를 측정했다. 초투자율(μi)는, 압분 자심에 와이어를 50턴 감은 후, LCR 미터(HP사 LCR428A)에 의해 측정했다. 실험 B1에 있어서, 초투자율(μi)는, 20 이상을 양호한 것으로 판단한다.
비교예 B1~B2 및 실시예 B1~B11의 평가 결과를 표 3에, 실시예 B21~B28의 평가 결과를 표 4에 나타낸다.
표 3에 나타내는 바와 같이, 비교예 B1 및 B2에서는, 내열 시험 후의 절연 저항이 4승대까지 저하되어 있어, 내열성이 충분하지 않은 것이 확인되었다. 한편, 실시예 B1~B11에서는, 비교예 B1 및 B2와 피막의 총 두께가 동일한 정도임에도 불구하고, 비교예 B1 및 B2보다, 시험 후의 절연 저항이 높아져 있다. 따라서, 금속 입자의 표면에 제1 피복부와 제2 피복부를 형성함으로써, 내열성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
또, 제1 피복부와 제2 피복부의 두께에 대해서 고찰하면, T2/(T1+T2)가, 20%~90%인 경우(즉 실시예 B3~B10)에는, 시험 후의 절연 저항이 7승대 이상이며, 그 이외의 경우(즉 실시예 B1, B2, B11)보다 높아져 있다. 또, T2/(T1+T2)가 30%~80%인 경우(실시예 B5~B9)에는, 절연 저항이 8승대 이상으로 보다 높아져 있고, T2/(T1+T2)가 50%~80%인 경우(실시예 B7~B9)에는, 절연 저항이 9승대 이상으로 더 높아져 있다.
이 결과로부터, 제1 피복부와 제2 피복부와의 두께의 비율을 소정 범위 내로 함으로써, 내열성을 보다 향상시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
표 4에 나타내는 바와 같이, 제1 피복부와 제2 피복부의 두께의 합(T1+T2)을 두껍게 해 나감으로써, 내열 시험 후의 절연 저항이 높아지는 경향을 확인할 수 있다. 한편, 초투자율(μi)에 대해서는, 막두께의 증가에 수반하여 저하되어 가는 경향이 된다. 특히, T1+T2가 150nm 이상인 실시예 B28에서는, 초투자율(μi)가 20 미만까지 저하되어 있다.
한편, T1+T2가 10nm 이상 150nm 이하인 실시예 B22~B27에서는, 시험 후의 절연 저항이 8승대로 높은 데다가, 투자율이 20 이상으로, 절연성과 자기 특성의 양쪽 특성을 만족하고 있다. 특히, T1+T2가 30nm 이상 80nm 이하인 실시예 B23~B25에서는, 시험 후의 절연 저항이 9승대로 보다 높은 데다가, 투자율도 24 이상으로 보다 향상되어 있었다. 이 결과로부터, 제1 피복부와 제2 피복부의 막두께를 소정 비율의 범위 내로 제어함으로써, 무기 절연 피막의 총 두께를 얇게 했다고 해도, 내열 시험 후에 있어서의 절연 저항을 높은 값으로 유지할 수 있음과 함께, 높은 투자율을 양립하여 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
실험 B2
실험 B2에서는, 무기 절연 피막의 형성 시에, T1 및 T2를 최적의 범위 내로 제어한 후에, 제1 피복부에 첨가 원소 (α) 혹은 첨가 원소 (β)를 첨가하여, 실시예 B31~B61에 따른 연자성 분말 시료 및 압분 자심 시료를 제작했다.
(실시예 B31~B46, B51~B61)
실시예 B31~B61에서는, 인산염 처리를 할 때에, 첨가 원소 (α) 혹은 첨가 원소 (β)를 포함하는 인산염 용액을 사용하여 제1 피복부를 형성하여, 소경분을 얻었다. 구체적으로, 실시예 B31~B46에서는, 소경분의 제1 피복부에, 알칼리 금속 또는 알칼리 토류 금속으로부터 선택되는 첨가 원소 (α)가 포함되어 있다. 각 실시예 B31~B46에 있어서의 첨가 원소 (α)와 그 함유 비율(α/P)을 표 5에 나타낸다. 또, 실시예 B51~B61에서는, 소경분의 제1 피복부에, Zn 또는 Al로부터 선택되는 첨가 원소 (β)가 포함되어 있다. 각 실시예 B51~B61에 있어서의 첨가 원소 (β)와 그 함유 비율을 표 6에 나타낸다.
또한, 실험 B2에서는, 모든 실시예에 있어서, 제1 피복부의 두께(T1)를 20±1nm로 하고, 제2 피복부의 두께(T2)를 30±1nm로 했다. 즉, 실험 B2의 모든 실시예에서는, T1+T2가 50±2nm이며, T2/(T1+T2)가 60±2%이다. 상기 이외의 실험 조건은, 실험 B1과 동일하게 하여, 실시예 B31~B46, B51~B61의 압분 자심 시료를 제작하여, 그 성능을 실험 B1과 동일하게 평가했다. 각 실시예의 평가 결과를 표 5 및 6에 나타낸다.
표 5에 나타내는 바와 같이, 실시예 B31에서는, 제1 피복부에 첨가 원소 (α)가 포함되지 않았다. 이에 반해, 실시예 B32~B38에서는, 첨가 원소 (α)로서 Na가 포함되어 있다. 내열 시험 후의 절연 저항을 비교하면, Na의 함유율(α/P)이 0.05~0.5의 범위 내에 있는 실시예 B33~B36에 있어서, 절연 저항의 값이 높고(11승대 이상), 내열성이 실시예 B31보다 향상되어 있다. 한편, Na의 함유율이 적은 실시예 B32, 및, Na의 함유율이 많은 실시예 B37, B38에서는, 시험 후의 절연 저항이 Na를 포함하지 않는 실시예 B31과 동등한 수준이었다.
이 결과로부터, T1 및 T2를 최적의 범위 내로 제어한 후에, 제1 피복부에 첨가 원소 (α)가 소정의 함유율로 포함됨으로써, 내열성이 더 향상되는 것을 입증할 수 있었다. 또한, 실시예 B39~B46에서는, 첨가 원소 (α)의 종류를 변경하고 있다. 어느 원소에 있어서도, 소정 함유량의 범위 내이면, 내열성이 더 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
또 표 6에서는, 제1 피복부에 첨가 원소 (β)가 포함된 경우의 결과를 나타내고 있다. 표 6에 나타내는 바와 같이, 실시예 B51에서는 제1 피복부에 첨가 원소 (β)가 포함되지 않았다. 이에 반해, 실시예 B52~B58에서는, 첨가 원소 (β)로서 Zn이 포함되어 있다. 내열 시험 후의 절연 저항을 비교하면, Zn의 함유율(β/P)이 0.5~0.8의 범위 내에 있는 실시예 B54~B56에 있어서, 절연 저항의 값이 높고(11승대 이상), 내열성이 실시예 B51보다 향상되어 있다. 한편, Zn의 함유율이 적은 실시예 B52, B53, 및 Zn의 함유율이 많은 실시예 B57, B58에서는, 절연 저항이 Zn을 포함하지 않는 실시예 B51과 동등한 수준이었다.
이 결과로부터, T1 및 T2를 최적의 범위 내로 제어한 후에, 제1 피복부에 첨가 원소 (β)가 소정의 함유율로 포함됨으로써, 내열성이 더 향상되는 것을 입증할 수 있었다. 또한, 실시예 B59~B61에서는, 첨가 원소 (β)로서 Zn 대신에 Al를 첨가하고 있다. 실시예 B59~B61에 있어서도, 함유율이 0.5~0.8의 범위 내에 있기 때문에, 실시예 B51보다 내열 시험 후의 절연 저항이 향상되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
실험 C1
실험 C1에서는, 제1 피복부(12)와 제2 피복부(14)의 사이에 중간층(16)을 형성한 금속 입자를 제조하고, 당해 금속 입자를 이용하여, 실시예 C1~C18에 따른 연자성 분말 시료 및 압분 자심 시료를 제작했다. 이하, 실험 C1에 있어서의 각 실시예의 제조 방법에 대해서 설명한다.
(실시예 C1~C9)
우선, 연자성 분말의 원료로서, 소경분과 대경분의 2종류의 분말을 준비했다. 구체적으로, 소경분으로서는, 재질이 순철이고, 미디언 직경(D50)이 5μm인 분말을 준비하고, 대경분으로서는, 재질이 93.5Fe-6.5Si이고, 미디언 직경(D50)이 25μm인 분말을 준비했다.
그리고, 준비한 소경분에 대해, 이하에 나타내는 순서로 무기 절연 피막을 코팅했다. 우선, 소경분에 인산염 처리를 실시하여, 소경분의 코어 입자의 표면에 제1 피복부를 형성했다. 또한, 이 소경분을, TEOS를 첨가한 에탄올 용액에 침투·교반시키고, 그 후, 소정의 조건에서 건조시킴으로써, 제1 피복부의 외측에 추가로 제2 피복부를 형성했다.
또한, 이 무기 절연 피막의 코팅 공정에 있어서는, 후술하는 열처리를 가하기 전의 상태에 있어서(즉 중간층을 형성하기 전의 상태), 제1 피복부의 두께(T1)가 18~25nm 정도가 되도록, 인산염 용액의 농도를 조제했다. 한편, 졸-겔 코팅에 대해서는, 후술하는 열처리를 가하기 전의 상태에 있어서(즉 중간층을 형성하기 전의 상태), 제2 피복부의 두께(T2)가 25~35nm가 되도록, TEOS 용액의 농도를 조제했다.
제2 피복부를 형성한 소경분에 대해서는, 소정의 조건에서 열처리를 행함으로써, 제1 피복부와 제2 피복부의 사이에 중간층을 형성했다. 구체적으로, 질소 분위기 중에 있어서, 500~600℃의 온도 범위에서, 10~30분간 유지하고, 소경분을 가열 처리했다. 이 때, 유지 시간을 변경하여 실험을 행하여, 중간층의 두께가 상이한 9종류의 소경분을 제작했다.
또한, 대경분에 대해서는, TEOS에 의한 졸-겔 코팅 만을 실시하여, 대경분의 코어 입자의 표면에 Si계 산화물 피막을 형성했다.
이렇게 하여 얻어진 소경분과 대경분을, 소정의 배합 비율로 혼합함으로써, 실시예 C1~C9의 연자성 분말 시료를 제작했다. 소경분의 배합 비율은, 본 실험의 모든 실시예에서 공통되고 있으며, 연자성 분말 전체에 대해, 중량 비율로, 30%로 했다.
다음에, 각 실시예 C1~C9의 연자성 분말 시료를 이용하여, 실험 A와 같은 제조 조건에서, 실험 A와 같은 치수의 압분 자심을 제작하여, 실시예 C1~C9에 따른 압분 자심 시료를 얻었다.
(실시예 C11~C18)
또, 실험 C1에서는, M1/S1이 0.08 정도가 되도록 피막 형성 조건을 제어한 후에, 무기 절연 피막의 총 두께(S1)가 상이한 8종의 소경분을 제작했다. 또한, 무기 절연 피막의 총 두께(S1)는, 인산염 처리 시 및 TEOS에 의한 졸-겔 코팅 시의 용액 농도를 조제함으로써 제어했다. 그 이외의 실험 조건은, 실시예 C1~C9와 동일하게 하여, 실시예 C11~C18의 압분 자심 시료를 제작했다.
(비교예 C1)
비교예 C1에서는, 소경분의 코어 입자의 표면에, 인산 화합물계의 피막 만을 형성하고, TEOS에 의한 졸 겔 코팅을 실시하지 않았다. 그 이외의 실험 조건은, 실시예 C1~C9와 동일하게 하여, 비교예 C1에 따른 연자성 분말 시료 및 압분 자심 시료를 제작했다.
(비교예 C2)
비교예 C2에서는, 소경분에 대해 인산염 처리를 실시하는 일 없이, TEOS에 의한 졸-겔 코팅 만을 실시하여, 소경분의 코어 입자의 표면에, Si계 산화물 피막 만을 형성했다. 그 이외의 실험 조건은, 실시예 C1~C9와 동일하게 하여, 비교예 C2에 따른 연자성 분말 시료 및 압분 자심 시료를 제작했다.
(실험 C1에 있어서의 평가)
또한, 실험 C1에서도, 실험 B1과 동일하게 하여, TEM-EDS에 의한 무기 절연 피막의 해석, 초투자율의 측정, 및, 내열 시험을 실시했다. 무기 절연 피막의 해석에서는, 실험 C1에 있어서의 모든 실시예에 있어서, 소경분의 코어 입자의 표면에, P 및 O를 주성분으로 하는 제1 피복부와, Si 및 O를 주성분으로 하는 제2 피복부가 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 실시예 C2~C9, C11~C18에서는, 제1 피복부와 제2 피복부의 사이에, P 및 Si를 포함하는 중간층이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 비교예 C1에서는, 소경분의 코어 입자의 표면에 인산 화합물의 피막 만이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있고, 비교예 C2에서는, 소경분의 코어 입자의 표면에 Si 산화물의 피막 만이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 실험 C1의 각 실시예 및 각 비교예에서는, 각 압분 자심 시료에 포함되는 대경분의 표면에, 평균 50nm의 Si 산화물 피막이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
또, 실험 C1에서는, 모든 실시예 및 비교예에 있어서, 내열 시험 전의 절연 저항은, 1×1014Ω/mm 정도이며, 동일한 정도의 수준에 있었다. 따라서, 본 실험 C1에서도, 실험 A와 마찬가지로, 시험 후의 절연 저항이 높을수록, 내열성이 우수하다고 판단한다.
비교예 B1~B2 및 실시예 C1~C9의 평가 결과를 표 7에, 실시예 C11~C18의 평가 결과를 표 8에 나타낸다.
표 7에 나타내는 바와 같이, 비교예 C1 및 C2에서는, 내열 시험 후의 절연 저항이 4승대까지 저하되어 있어, 내열성이 충분하지 않은 것이 확인되었다. 한편, 실시예 C1~C9에서는, 비교예 C1 및 C2와 피막의 총 두께가 동일한 정도임에도 불구하고, 비교예 C1 및 C2보다, 시험 후의 절연 저항이 높아져 있다. 따라서, 금속 입자의 표면에 제1 피복부와 제2 피복부를 형성함으로써, 내열성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
또, 중간층의 두께에 대해서 고찰하면, 중간층이 형성되어 있지 않다(즉 M1=0.4nm 이하) 실시예 C1보다, 중간층이 형성되어 있는 실시예 C2~C9 쪽이, 내열 시험 후의 절연 저항이 높아져 있는 것을 알 수 있다. 이 결과로부터, 제1 피복부와 제2 피복부의 사이에 중간층을 형성함으로써, 내열성이 보다 향상되는 것을 입증할 수 있었다.
더 상세하게 고찰하면, 실시예 C4~C8은, 특히 내열 시험 후의 절연 저항이 높고, 11승대가 되어 있다. 이 실시예 C4~C8은, 무기 절연 피막의 총 두께(S1)에 대한 중간층의 두께(M1)의 비율이 0.05＜M1/S1≤0.2의 범위 내에 있다. 이 결과로부터, 중간층의 두께(M1)가 무기 절연 피막의 총 두께(S1)에 대해 소정의 비율로 있음으로써, 내열성이 특히 양호해지는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 본 실험 C1에 있어서는, 중간층의 두께가 0.07≤M1/S1≤0.12의 범위 내에 있는 실시예 C5 및 C6에서, 가장 내열성이 양호해져, 5×1011Ω/mm 이상이었다.
또, 표 8에 나타내는 바와 같이, 무기 절연 피막의 총 두께(S1)를 두껍게 해 나감으로써, 내열 시험 후의 절연 저항이 높아지는 경향을 확인할 수 있다. 한편, 초투자율(μi)에 대해서는, 막두께의 증가에 수반하여 저하되어 가는 경향이 된다. 특히, 무기 절연 피막의 총 두께(S1)가 200nm 이상인 실시예 C18에서는, 초투자율(μi)가 20 이하까지 저하되어 있다.
중간층이 형성되어 있는 경우, S1이 200nm 이하인 실시예 C11~C17에서는, 내열 시험 후의 절연 저항이 11승대로 높은 데다가, 초투자율(μi)가 20 이상으로, 절연성과 자기 특성의 양쪽 특성을 만족하고 있다. 이 결과로부터, 중간층의 막두께를 소정 비율의 범위 내로 제어함으로써, 무기 절연 피막의 총 두께를 얇게 했다고 해도, 내열 시험 후에 있어서의 절연 저항을 높은 값으로 유지할 수 있음과 함께, 높은 투자율을 양립하여 얻을 수 있는 것을 입증할 수 있었다.
실험 C2
실험 C2에서는, 무기 절연 피막의 형성 시에, 각 층의 막두께(T1, T2, M1, 및 S1)를 최적의 범위 내로 제어한 후에, 제1 피복부에 첨가 원소 (α) 혹은 첨가 원소 (β)를 첨가하여, 실시예 C21~C51에 따른 연자성 분말 시료 및 압분 자심 시료를 제작했다.
(실시예 C21~C36, C41~C51)
실시예 C21~C51에서는, 인산염 처리를 할 때에, 첨가 원소 (α) 혹은 첨가 원소 (β)를 포함하는 인산염 용액을 사용하여 제1 피복부를 형성하여, 소경분을 얻었다. 구체적으로, 실시예 C21~C36에서는, 소경분의 제1 피복부에, 알칼리 금속 또는 알칼리 토류 금속으로부터 선택되는 첨가 원소 (α)가 포함되어 있다. 각 실시예 C21~C36에 있어서의 첨가 원소 (α)와 그 함유 비율(α/P)을 표 9에 나타낸다. 또, 실시예 C41~C51에서는, 소경분의 제1 피복부에, Zn 또는 Al로부터 선택되는 첨가 원소 (β)가 포함되어 있다. 각 실시예 C41~C51에 있어서의 첨가 원소 (β)와 그 함유 비율을 표 10에 나타낸다.
또한, 실험 C2에서는, 모든 실시예에 있어서, 제1 피복부의 두께(T1)가 18±1nm이며, 제2 피복부의 두께(T2)가 28±1nm이며, 중간층의 두께(M1)가 4.0±0.5nm가 되도록 피막 형성 조건을 제어했다. 즉, 실험 C2의 모든 실시예에서는, 무기 절연 피막의 총 두께(S1)가 50±2nm이며, M1/S1이 0.08 정도이다. 상기 이외의 실험 조건은, 실험 C1과 동일하게 하여, 실시예 C21~C36, C41~C51의 연자성 분말 시료 및 압분 자심 시료를 제작하고, 그 성능을 실험 C1과 동일하게 평가했다. 각 실시예의 평가 결과를 표 9 및 10에 나타낸다.
표 9에 나타내는 바와 같이, 실시예 C21에서는, 제1 피복부에 첨가 원소 (α)가 포함되지 않았다. 이에 반해, 실시예 C22~C28에서는, 첨가 원소 (α)로서 Na가 포함되어 있다. 내열 시험 후의 절연 저항을 비교하면, Na의 함유율(α/P)이 0.05~0.5의 범위 내에 있는 실시예 C23~C26에 있어서, 절연 저항의 값이 높고(11승대 이상), 내열성이 실시예 C21보다 향상되어 있다. 한편, Na의 함유율이 적은 실시예 C22, 및, Na의 함유율이 많은 실시예 C27, C28에서는, 절연 저항이 Na를 포함하지 않는 실시예 C21과 동등한 수준이었다.
이 결과로부터, 중간층을 형성한 후에, 제1 피복부에 첨가 원소 (α)가 소정의 함유율로 포함됨으로써, 내열성이 더 향상되는 것을 입증할 수 있었다. 또한, 실시예 C29~C36에서는, 첨가 원소 (α)의 종류를 변경하고 있다. 어느 원소 종류에 있어서도, 소정 함유량의 범위이면, 내열성이 더 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
또 표 10에서는, 제1 피복부에 첨가 원소 (β)가 포함된 경우의 결과를 나타내고 있다. 표 10에 나타내는 바와 같이, 실시예 C41에서는 제1 피복부에 첨가 원소 (β)가 포함되지 않았다. 이에 반해, 실시예 C42~C48에서는, 첨가 원소 (β)로서 Zn이 포함되어 있다. 내열 시험 후의 절연 저항을 비교하면, Zn의 함유율(β/P)이 0.5~0.8의 범위 내에 있는 실시예 C44~C46에 있어서, 절연 저항의 값이 높고(11승대 이상), 내열성이 실시예 C41보다 향상되어 있다. 한편, Zn의 함유율이 적은 실시예 C42, C43, 및 Zn의 함유율이 많은 실시예 C47, C48에서는, 절연 저항이 Zn을 포함하지 않는 실시예 C41과 동등한 수준이었다.
이 결과로부터, 중간층을 형성한 후에, 제1 피복부에 첨가 원소 (β)가 소정의 함유율로 포함됨으로써, 내열성이 더 향상되는 것을 입증할 수 있었다. 또한, 실시예 C49~C51에서는, 첨가 원소 (β)로서 Zn 대신에 Al를 첨가하고 있다. 실시예 C49~C51에 있어서도, 함유율이 0.5~0.8의 범위 내에 있기 때문에, 실시예 C41보다 내열 시험 후의 절연 저항이 향상되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 상기의 실험 A~C에서는, 평가의 간편함을 고려하여, 압분 자심 시료를 이용하여 내열 시험 및 투자율의 측정을 행했다. 단, 연자성 분말의 상태여도 압분 자심과 동일한 평가를 실시하고 있으며, 내열성 및 자기 특성에 대해서, 압분 자심의 상태와 동일한 경향을 확인할 수 있었다.
또, 상기의 본 실시예에서는, 어느 샘플에 있어서도, 대경분과 소경분의 배합비를 동일하게 하고 있지만, 소경분의 배합 비율을 5%~40%로 바꾼 실험도 실시했다. 소경분의 배합 비율을 바꾼 경우에 있어서도, 내열성 및 자기 특성에 대해서, 상기의 본 실시예와 동일한 경향을 확인할 수 있었다. 따라서, 배합 비율을 바꾼 경우에도, 본 발명에 따른 연자성 분말(도 2에 나타내는 피복 입자(2))이 압분 자심 중에 포함되어 있으면, 본 발명의 효과를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
1, 8 연자성 분말 1a 소경분
2 피복 입자 4 연자성 금속 입자
6 대경분 10 무기 절연 피막
12 제1 피복부 14 제2 피복부
16 중간층 20 수지
100 인덕터 소자 110, 111 압분 자심
120 코일

Claims (12)

  1. 표면이 무기 절연 피막에 의해 덮여 있는 연자성 금속 입자를 포함하는 연자성 분말로서,
    상기 무기 절연 피막은, 상기 연자성 금속 입자의 표면에 접하고 있는 제1 피복부와, 상기 제1 피복부의 외측에 형성되어 있는 제2 피복부를 가지고,
    상기 제1 피복부는, 인 및 산소를 포함하며,
    상기 제2 피복부는, 규소 및 산소를 포함하고,
    상기 무기 절연 피막에 있어서, 상기 제1 피복부와 상기 제2 피복부의 사이에는, 인 및 규소를 포함하는 중간층이 형성되어 있고,
    상기 무기 절연 피막의 총 두께(S1)가 200nm 이하이며,
    상기 중간층의 두께(M1)와, 상기 무기 절연 피막의 총 두께(S1)의 비율이, 0.05＜M1/S1≤0.2인, 연자성 분말.
  2. 표면이 무기 절연 피막에 의해 덮여 있는 연자성 금속 입자를 포함하는 연자성 분말로서,
    상기 무기 절연 피막은, 상기 연자성 금속 입자의 표면에 접하고 있는 제1 피복부와, 상기 제1 피복부의 외측에 형성되어 있는 제2 피복부를 가지고,
    상기 제1 피복부는, 인 및 산소를 포함하는 인산 화합물의 피막이며,
    상기 제2 피복부는, 규소 및 산소를 포함하는 Si 산화물의 피막이고,
    상기 무기 절연 피막에 있어서, 상기 제1 피복부와 상기 제2 피복부의 사이에는, 인 및 규소를 포함하는 중간층이 형성되어 있는, 연자성 분말.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 피복부의 두께(T1)와 상기 제2 피복부의 두께(T2)의 합이, 10nm≤T1+T2≤150nm이며,
    상기 제2 피복부의 두께(T2)와, 상기 제1 피복부 및 상기 제2 피복부의 두께의 합(T1+T2)의 비율이, 20%≤T2/(T1+T2)≤90%인, 연자성 분말.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 피복부의 두께(T2)와, 상기 제1 피복부 및 상기 제2 피복부의 두께의 합(T1+T2)의 비율이, 50%≤T2/(T1+T2)≤80%인, 연자성 분말.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 무기 절연 피막의 총 두께(S1)가 200nm 이하이며,
    상기 중간층의 두께(M1)와, 상기 무기 절연 피막의 총 두께(S1)의 비율이, 0.05＜M1/S1≤0.2인, 연자성 분말.
  6. 청구항 1, 청구항 2, 및 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 피복부는, Li, Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba로부터 선택되는 1종 이상의 원소 (α)를 포함하며,
    상기 제1 피복부에 있어서의 상기 원소 (α)와 인(P)의 함유 비율 α／P가, 몰분율로 0.05≤α／P≤0.5인, 연자성 분말.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 피복부에 포함되는 상기 원소 (α)가 Na인, 연자성 분말.
  8. 청구항 1, 청구항 2, 및 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 피복부는, Zn 및 Al로부터 선택되는 1종 이상의 원소 (β)를 포함하며,
    상기 제1 피복부에 있어서의 상기 원소 (β)와 인(P)의 함유 비율 β／P가, 몰분율로 0.5≤β／P≤0.8인, 연자성 분말.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 피복부에 포함되는 상기 원소 (β)가 Zn인, 연자성 분말.
  10. 청구항 1, 청구항 2, 및 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 연자성 분말을 포함하는, 자심.
  11. 청구항 10에 기재된 자심을 구비하는, 전자 부품.
  12. 삭제
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