KR20040042088A - 평면 인덕터 - Google Patents

Abstract

에폭시수지로 코팅된 인쇄회로기판을 사용하는 평면 인덕터에 관한 것으로서, 그 목적은 부피를 줄여 소형화시키면서도 절연내압 특성이 우수한 평면 인덕터를 제공하는 데 있다. 이를 위해 본 발명에서는, 자성체로 이루어진 상부 코아와 자성체로 이루어진 하부 코아의 사이에 적어도 2층 이상의 인쇄회로기판을 위치시키고 상부 코아와 하부 코아를 결합한 일체형의 평면 인덕터에 있어서, 인쇄회로기판을 에폭시수지로 코팅하는 것을 특징으로 한다.

Description

평면 인덕터 {Planar inductor}

본 발명은 평면 인덕터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에폭시수지(epoxy resin)로 외면이 코팅된 인쇄회로기판을 사용하여 절연내압 특성이 우수하면서도 소형화에 유리한 평면 인덕터에 관한 것이다.

인덕터(inductor)는 텔레비전, 라디오, 통신기 등에서 전력변환장치 등에 사용되는 장치로서, 기본적인 구성은 구리선과 같은 선재(線材)를 나선 모양으로 감은 코일이다. 이 때 내부에 아무것도 넣지 않은 공심 코일도 있지만, 공심 코일보다는 철심에 감거나 또는 철분말을 응고시킨 코어에 감는 것이 보다 큰 코일의 성질을 얻을 수 있다. 이러한 코일은 하나일 수도 있고 두 개가 쌍을 이룰 수도 있다.

대표적인 인덕터 구성으로서, 두 개의 철심 또는 코어에 각각 구리선을 감아서 만든 1차 코일 및 2차 코일로 이루어진 한 쌍의 코일에서는 코일의 권선수(捲線數)를 바꿈으로써 1차 코일에서의 전압과 2차 코일에서의 전압을 바꿀 수가 있다.

이러한 인덕터(inductor)의 일종인 트랜스포머는 전압을 오르내리게 하는 변압기로서, 최대의 전력을 전송하기 위한 목적으로 사용되는 전력 트랜스포머와, 노이즈 제거를 위한 트랜스포머, 통신장비에서 펄스 신호를 전송하는 트랜스포머 등 다양한 종류가 있다. 특히 스위치모드 전원 공급장치, 직류-직류 변환기 등에 이용되는 트랜스포머는 고전압 구형파의 신호를 왜곡없이 저전압 구형파로 전송하기 위해 사용된다.

최근 정보통신, 디지탈기기의 소형화 추세에 따라서 내부 부품 역시 실장밀도를 높이기 위해 작고, 가볍고, 얇은 초박형 패키지에 대한 요구가 급속히 진행되고 있다. 이런 추세에 따라, 트랜스포머의 소형화를 위해 구동주파수가 높아지게 되었고, 고주파에서 스위칭 손실이 적고, 발열특성제어가 우수한 평면 트랜스포머(planar transformer)가 사용되었다.

평면 트랜스포머는 연자성체인 페라이트 코아와, 구리권선 대신 사용하는 인쇄회로기판으로 구성되며, 인쇄회로기판 각 층마다 몇 턴의 도선을 인쇄하고 각 층의 홀(hole)을 통하거나 외부 컨덕터를 통하여 전류가 흐르게 한 것이다.

이와 같이 인쇄회로기판을 이용한 평면 트랜스포머는 기존의 방식인 코일을 이용한 트랜스포머에 비해, 전력변환 효율이 높아 크기 면에 있어서 소형화가 가능하고, 발열특성이 우수하며, 또한 한 번의 설계로 여러 번 인쇄회로기판을 제작할 수 있으므로 동일한 특성의 트랜스포머를 제조하는 재현성이 매우 우수한 장점이 있다.

또한 기존의 방식인 코일을 이용한 트랜스포머에서 1차 코일에서 유도된 자속이 2차 코일에 완전하게 결합되지 못하고 일부 외부로 누설되면서 발생하는 누설 인덕턴스를 감소시키기 위해서, 평면 트랜스포머에서는 1차측 인쇄회로기판과 2차측 인쇄회로기판을 교대로 적층하는 방법을 적용하여 누설 인덕턴스를 효과적으로 감소시킨다.

일반적으로 사용되는 범용 교류-직류 변환장치의 경우 10mA하의 측정조건에서 3.75kV의 교류 전압을 1차측과 2차측에 인가하였을 경우 1분 이상동안 절연성이 파괴되지 않고 견디는 절연내압 특성을 보유하여야 한다. 이를 위해서 기존의 방식인 코일을 이용한 트랜스포머는 코팅이 된 도선과 1, 2차 코일 간의 이격을 통하여 절연내압을 유지하나, 평면 트랜스포머의 경우는 각각의 인쇄회로기판 층 사이에 절연체판을 삽입하여 회로를 분리하고, 인쇄회로기판과 코아와의 절연내압을 위해서 플라스틱 재질의 보빈을 사용한다.

도 1은 보빈을 사용한 종래 평면 트랜스포머를 도시한 층별 분해사시도이다. 이에 도시된 바와 같이, 상부 코아(11)와 하부 코아(12) 사이에는 4층의 인쇄회로기판(13a, 13b, 13c, 13d)이 적층되어 있고, 각 층의 인쇄회로기판 상부 및 하부에는 절연내압을 위해 총7장의 절연체판(14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g)과 총2장의 보빈(15a, 15b)이 삽입되어 있다.

그러나, 이러한 종래 평면 트랜스포머에서는 절연체판 및 보빈을 여러장 적층하기 때문에 부피가 지나치게 커지는 단점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 부피를 줄여 소형화시키면서도 절연내압 특성이 우수한 평면 인덕터를 제공하는 데 있다.

도 1은 보빈을 사용한 종래 평면 트랜스포머를 도시한 층별 분해사시도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 인덕터의 구조를 나타낸 각 층별 분해사시도이다.

도 3은 구리동판을 적용한 경우를 도시한 본 발명의 다른 실시예에 따른 평면 인덕터의 분해사시도이다.

도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조한 평면 인덕터의 완성품을 도시한 평면도이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 인쇄회로기판을 에폭시수지로 코팅하는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명에 따른 평면 인덕터는, 자성체로 이루어진 상부 코아와 자성체로 이루어진 하부 코아의 사이에 적어도 2층 이상의 인쇄회로기판을 위치시키고 상부 코아와 하부 코아를 결합한 일체형의 평면 인덕터에 있어서, 인쇄회로기판이 에폭시수지로 코팅된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상부 코아 또는 하부 코아에는 홈이 형성되고, 인쇄회로기판은 홈 내에 삽입되는 것이 바람직하며, 일 예로서, 하부 코아에는 두 개의 홈이 형성되고 인쇄회로기판의 중앙부에는 홀이 형성되어, 두 개의 홈 사이의 돌출부분이 홀을 관통하는 것에 의해 인쇄회로기판이 하부 코아의 홈 내에 삽입될 수 있다.

에폭시수지는, 인쇄회로기판과 외부단자와의 연결부인 패드를 제외한 인쇄회로기판의 전면(全面)에 에폭시 페인트를 스프레이한 후 건조하는 것에 의해 코팅될 수 있으며, 에폭시수지의 코팅두께는 0.1mm 이상인 것이 바람직하다.

상부 코아와 하부 코아 사이에는 절연물질로 이루어진 갭(gap)층이 추가로 삽입될 수 있다.

인쇄회로기판은, 외부단자와 전기적으로 연결된 1차 구리도선이 절연체 기판에 인쇄되고, 1차 구리도선 및 절연체 기판의 외부에 에폭시수지가 코팅된 1차 인쇄회로기판과, 1차 인쇄회로기판의 하부에 위치하고, 1차 구리도선에 의해 유도된 전류가 흐르는 2차 구리도선이 절연체 기판에 인쇄되며, 2차 구리도선 및 절연체 기판의 외부에 에폭시수지가 코팅된 2차 인쇄회로기판으로 구성될 수도 있고, 이러한 1차 인쇄회로기판과 2차 인쇄회로기판이 적어도 2회 이상 교대로 적층되고, 교대로 적층된 1차 인쇄회로기판들이 서로 전기적으로 연결되며, 교대로 적층된 2차 인쇄회로기판들이 서로 전기적으로 연결된 것으로 구성될 수도 있다.

이러한 인쇄회로기판 중에는 외면이 에폭시수지로 코팅된 구리동판을 적어도 하나 이상 포함할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 평면 인덕터에 대해 상세히 설명한다.

평면 인덕터는 상부의 자성체 코아와 하부의 자성체 코아 사이에 적어도 2층 이상의 인쇄회로기판이 위치하는 구성이며, 여기서 본 발명은 인쇄회로기판이 에폭시수지에 의해 코팅된 것에 그 특징이 있다.

즉, 종래에는 평면 인덕터의 절연내압 조건을 만족시키기 위해 인쇄회로기판 층 사이에 절연체판 및 보빈을 삽입하지만, 본 발명에서와 같이 인쇄회로기판을 에폭시수지로 코팅하면 절연체판 및 보빈을 사용하지 않고도 요구하는 절연내압 조건을 만족시킬 수 있으므로 평면 인덕터의 전체 부피를 최소화할 수 있는 것이다.

코아로 사용되는 자성체로서 특별히 한정되는 것은 없으며, 일반적인 자성체라면 모두 사용이 가능하다. 예를 들면, 페라이트, 탄소강, 규소강, 퍼멀로이, 또는 수퍼멘더(super-mendur) 등을 사용할 수 있다. 이러한 재료 중에서 평면 인덕터의 구동 주파수와 채용회로에 적당한 재료를 선택하여 사용한다.

보통 코아 내에 홈을 형성하고 그 홈 내에 인쇄회로기판이 삽입되도록 설치하며, 따라서 코아의 형상은 홈 형성 여부에 따라서 I형, E형 등 다양하게 제작가능하며, 평면 인덕터의 구동주파수와 채용회로에 따라서 적당한 코아 형상으로 결정한다.

본 발명에서 인쇄회로기판을 코팅하는 데 사용한 에폭시수지는 통상적인 에폭시 페인트를 스프레이한 후 건조시키는 과정에 의해 코팅된다. 예를 들면, 에폭시 페인트에 에폭시의 경화를 위해 통상적으로 첨가하는 경화제와 점성 조절을 위한 희석제로서 통상적으로 첨가하는 시너(thinner)를 넣은 후, 이를 인쇄회로기판과 외부단자와의 연결부인 패드를 제외한 인쇄회로기판의 전면(全面)에 스프레이하고, 그 후에 150?? 온도의 오븐 내에서 건조시킴으로써 인쇄회로기판을 에폭시수지로 코팅할 수 있다.

에폭시수지는 3.75kV의 전압을 견딜 것을 요구하는 절연내압 조건을 만족시키기 위해서는 적어도 0.1mm 이상의 두께로 코팅해야 하며, 코팅두께의 상한치는 없으나 다만 상, 하부 코아를 서로 결합시켰을 때 인쇄회로기판이 코아의 내부에완전히 삽입될 수 있는 정도의 두께이면 된다.

인쇄회로기판을 이루는 절연체는 평면 인덕터가 사용되는 온도에서 변형이 일어나지 않는 재료로 선택해야 하며, 상, 하부 코아를 서로 결합시켰을 때 인쇄회로기판이 코아의 내부에 완전히 삽입될 수 있도록 절연체의 두께를 결정하여야 한다.

이와 같이 에폭시수지에 의해 외면이 감싸지도록 코팅되는 인쇄회로기판은 절연체에 나선모양의 구리도선이 인쇄된 것으로서, 에폭시수지는 구리도선의 외부에 코팅되므로 구리도선은 에폭시수지에 의해 외부로 노출되지는 않는다.

구리도선을 따라서는 외부 전류 또는 2차 전류가 흐르며, 이러한 구리도선의 두께 및 개수는 평면 인덕터의 사용 용량에 따라서 결정한다.

인쇄회로기판은 외부 입력 전류가 흐르는 1차 인쇄회로기판과 그 외부 전류에 의해 유도된 2차 전류가 흐르는 2차 인쇄회로기판이 쌍을 이루어 구성하며, 이러한 1차 및 2차 인쇄회로기판의 쌍을 둘 이상의 복수개로 사용하여 2회 이상 교대로 적층할 수도 있다. 이들 1차 및 2차 인쇄회로기판의 개수는 평면 인덕터의 사용용량에 따라서 결정한다.

1차 인쇄회로기판과 2차 인쇄회로기판을 2회 이상 교대로 적층할 경우, 교대로 적층된 1차 인쇄회로기판들끼리 서로 전기적으로 연결되고, 마찬가지로 교대로 적층된 2차 인쇄회로기판들끼리 서로 전기적으로 연결된다.

이 때 외부 입력 전류가 흐르는 1차 인쇄회로기판의 구리도선의 두께는 입력 전류의 용량에 따라서 결정되는데, 통상적으로는 1차 인쇄회로기판 구리도선의 두께를 30-150㎛ 으로 하고, 구리도선의 단면적 1㎟당 10A 이하의 전류가 인가되도록 한다.

이러한 외부 입력 전원에 의해 유도된 2차 전원이 흐르는 2차 인쇄회로기판의 구리도선은 변환되는 전압, 전류에 따라서 두께 및 턴 수 등을 결정한다.

한편, 상부 코아와 하부 코아 사이에 절연물질인 갭지를 삽입하여 초크 소자를 제작할 때에도 본 발명을 적용할 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 인덕터의 구조를 나타낸 각 층별 분해사시도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 상부 페라이트 코아(101)와 하부 페라이트 코아(102) 사이에는 4장의 인쇄회로기판(103a, 103b, 103c, 103d)이 적층되는데, 이 때 하부 페라이트 코아(102)에는 두 개의 홈을 형성하고 각 층의 인쇄회로기판(103a, 103b, 103c, 103d)의 중앙부에는 하부 페라이트 코아(102)의 두 홈 사이의 돌출부(108)가 관통할 수 있는 중앙홀(107)을 형성하여, 4장의 인쇄회로기판(103a, 103b, 103c, 103d)을 하부 페라이트 코아(102)의 홈 내에 삽입한 형태로 제작하였다. 따라서 여기서의 상, 하부 페라이트 코아는 각각 I형 및 E형으로 제작한 것이다.

여기서, 최상층에서 하부로 내려가면서 오름차순으로 층 수를 매겨 표기할 때, 제1층 인쇄회로기판(103a)은 외부단자와 전기적으로 연결되어 외부입력전류가 흐르는 1차 구리도선(104a)이 인쇄된 1차 인쇄회로기판이며, 그 하부에 위치한 제2층 인쇄회로기판(103b)은 1차 구리도선(104a)에 흐르는 외부입력전류에 의해 유도된 전류가 흐르는 2차 구리도선(104b)이 인쇄된 2차 인쇄회로기판에 해당한다.

이와 마찬가지로 제2층 인쇄회로기판(103b)의 하부에 위치한 제3층 인쇄회로기판(103c)은 비아홀(V1)을 통해 제1층 인쇄회로기판(103a)과 전기적으로 연결된 1차 인쇄회로기판이며, 그 하부에 위치한 제4층 인쇄회로기판(103d)은 제3층 인쇄회로기판(103c)에 의해 유도된 전류가 흐르며 비아홀(V2)을 통해 제2층 인쇄회로기판(103b)과 전기적으로 연결된 2차 인쇄회로기판에 해당한다.

이 때 각 층의 인쇄회로기판(103a, 103b, 103c, 103d)의 가장자리는 외부단자와의 연결부인 패드(105a, 105b, 105c, 105d)에 해당하며, 이 패드에는 구리도선과 외부단자를 전기적으로 연결하는 도체를 부착하기 위한 관통홀이 형성되어 있어서, 이 관통홀(P1)을 통해 제1층 인쇄회로기판(103a)의 구리도선(104a)이 외부단자와 연결되어 제1층 구리도선(104a)으로 외부 전원이 입력되고, 또한, 관통홀(P2)을 통해 제2층 인쇄회로기판(103b)의 구리도선(104b)으로부터 유도 전원이 출력된다.

이러한 4층의 인쇄회로기판(103a, 103b, 103c, 103d) 각각은, 패드(105a, 105b, 105c, 105d)를 제외한 전면에 에폭시 페인트를 스프레이한 후 오븐에서 150??의 온도로 건조시킴으로써 에폭시수지로 코팅하였다. 따라서, 각각의 인쇄회로기판에 인쇄된 구리도선(104a, 104b, 104c, 104d)은 에폭시수지 코팅층 하부에 위치하여 외부로 노출되지 않는다.

에폭시수지에 의해 코팅된 4층의 인쇄회로기판을 하부 페라이트 코아의 홈 내에 삽입한 상태에서 그 위에 상부 페라이트 코아(101)를 위치시키고 상, 하부 코아를 결합하여 일체형으로 만들며, 이로써 평면 인덕터를 완성하였다.

상, 하부 코아를 결합할 때에는 통상적인 에폭시수지 접착제를 사용할 수 있으며, 에폭시수지에 자성체 분말을 분산시킨 것을 접착제로 사용하면 누설 인덕턴스를 최소화할 수 있으므로 더욱 바람직하다.

한편, 제조된 평면 인덕터의 한계 전원 용량보다 외부 입력전원이 커서 인쇄회로기판의 구리도선으로는 제조가 불가능할 경우에는, 입력전원이 유입되는 도선으로서 절연층에 인쇄된 구리 도선을 사용하지 않고, 높은 전원에서도 사용 가능한 구리 동판을 이용할 수 있으며, 이 경우 각 층별 절연내압 특성을 위해서 각 구리 동판으로 구성된 회로는 에폭시수지로 코팅된다.

도 3은 이러한 구리동판을 적용한 경우를 도시한 본 발명의 다른 실시예에 따른 평면 인덕터의 분해사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따라 제조한 평면 인덕터의 완성품을 도시한 평면도이다.

여기서는 상부 코아(201)와 하부 코아(202) 사이에서, 구체적으로는 하부 코아(202)에 형성된 홈 내에 에폭시수지로 외면을 코팅한 구리동판(204a, 204b, 204c, 204d, 204e, 204f)을 삽입하였다. 이 때 에폭시수지는 구리동판(204a, 204b, 204c, 204d, 204e, 204f)의 가장자리에 위치하고 관통홀이 형성되어 외부단자와의 연결부 역할을 하는 패드(205a, 205b, 205c, 205d, 205e, 205f)를 제외하고 나머지 모든 면에 0.1mm 두께로 코팅하였다. 또한, 관통홀은 서로 3mm 이상의 간격을 유지하도록 제작하였다.

최상층에서 하부로 내려가면서 오름차순으로 층 수를 매겨 표기할 때, 제1층구리동판(204a) 및 제2층 구리동판(204b)은 관통홀이 형성된 패드(205a, 205b)를 통해 외부단자와 전기적으로 연결되어 외부입력전류가 흐르는 1차 구리동판이고, 그 하부에 위치한 제3층 구리동판(204c) 및 제4층 구리동판(204d)은 1차 구리동판(204a, 204b)에 흐르는 외부입력전류에 의해 유도된 전류가 흐르다가 관통홀이 형성된 패드(205c, 205d)를 통해 외부로 출력되는 2차 구리동판이다. 다시 더 하부에 위치한 제5층 구리동판(204e) 및 제6층 구리동판(204f)은 패드(205e, 205f)를 통해 제1층 및 제2층 구리동판(204a, 204b)과 전기적으로 연결되어 외부입력전류가 흐르는 1차 구리동판에 해당한다.

상술한 바와 같이 제조한 본 발명에 따른 평면 인덕터에 대해 절연내압 시험을 수행한 결과, 3.75kV에서 1분 이상동안 절연성이 파괴되지 않고 견디는 양호한 결과를 나타내었다.

만약, 외부 입력전원의 용량이 작아서 굳이 구리동판을 사용하지 않고 구리배선을 사용한 인쇄회로기판으로도 설계가 가능할 경우에는, 1차 구리동판에 해당하는 제1층(204a) 제2층(204b), 제5층(204e), 제6층(204f) 구리동판은 인쇄회로기판으로 제조하고, 2차 구리동판에 해당하는 제3층(204c) 및 제4층(204d) 구리동판은 그대로 두는 것이 바람직하다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 평면 인덕터 제조 시 인쇄회로기판을 에폭시수지로 코팅함으로써, 절연체판 및 보빈을 추가로 삽입하지 않고도 요구하는 절연내압 특성을 만족시키므로, 부피를 줄여 소형화시키면서도 절연내압 특성이 우수한 평면 인덕터를 제공하는 효과가 있다.

Claims (9)

1. 자성체로 이루어진 상부 코아와 자성체로 이루어진 하부 코아의 사이에 적어도 2층 이상의 인쇄회로기판을 위치시키고 상기 상부 코아와 상기 하부 코아를 결합한 일체형의 평면 인덕터에 있어서,

   상기 인쇄회로기판이 에폭시수지(epoxy resin)로 코팅된 것을 특징으로 하는 평면 인덕터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 상부 코아 또는 상기 하부 코아에는 홈이 형성되고,

   상기 인쇄회로기판은 상기 홈 내에 삽입되는 것을 특징으로 하는 평면 인덕터.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 하부 코아에는 두 개의 홈이 형성되고, 상기 인쇄회로기판의 중앙부에는 홀이 형성되어,

   상기 두 개의 홈 사이의 돌출부분이 상기 홀을 관통하는 것에 의해 상기 인쇄회로기판이 상기 하부 코아의 홈 내에 삽입되는 것을 특징으로 하는 평면 인덕터.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 에폭시수지는, 상기 인쇄회로기판과 외부단자와의 연결부인 패드를 제외한 인쇄회로기판의 전면(全面)에 에폭시 페인트를 스프레이한 후 건조하는 것에 의해 코팅된 것을 특징으로 하는 평면 인덕터.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 에폭시수지는 0.1mm 이상의 두께로 코팅된 것을 특징으로 하는 평면 인덕터.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 상부 코아와 상기 하부 코아 사이에는 절연물질로 이루어진 갭(gap)층이 삽입된 것을 특징으로 하는 평면 인덕터.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 인쇄회로기판은,

   외부단자와 전기적으로 연결된 1차 구리도선이 절연체 기판에 인쇄되고, 상기 1차 구리도선 및 절연체 기판의 외부에 상기 에폭시수지가 코팅된 1차 인쇄회로기판과;

   상기 1차 인쇄회로기판의 하부에 위치하고, 상기 1차 구리도선에 의해 유도된 전류가 흐르는 2차 구리도선이 절연체 기판에 인쇄되며, 상기 2차 구리도선 및절연체 기판의 외부에 상기 에폭시수지가 코팅된 2차 인쇄회로기판으로 구성된 것을 특징으로 하는 평면 인덕터.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 인쇄회로기판은,

   상기 1차 인쇄회로기판과 상기 2차 인쇄회로기판이 적어도 2회 이상 교대로 적층되고,

   상기 교대로 적층된 1차 인쇄회로기판들이 서로 전기적으로 연결되며, 상기 교대로 적층된 2차 인쇄회로기판들이 서로 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 평면 인덕터.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 인쇄회로기판의 적어도 하나 이상이 외면이 에폭시수지로 코팅된 구리동판인 것을 특징으로 하는 평면 인덕터.