KR20040042214A - Ｆｅ－Ｓｉ 합금분말을 이용한 ＳＭＤ 코아 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 Fe-Si 합금분말을 이용한 SMD 코아 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 Fe-Si 합금분말을 이용한 SMD 코아 제조방법은 Fe 90 ~ 97wt%, Si 3 ~ 10wt%의 조성비를 갖는 Fe-Si 합금분말에 유기용매 또는 물에 용해된 결합제를 혼합하여 상기 합금분말 표면에 상기 결합제를 균일하게 코팅하는 코팅공정; 상기 코팅된 합금분말 15 ton/㎠ 이하의 압력하에 SMD 코아를 성형하는 가압성형공정을 포함하는 것을 특징으로 하며 또한 분말입자 내부응력 완화에 의한 고투자율(높은 인덕턴스)을 발현하기 위하여 상기 가압성형된 SMD 코아를 400~800OC의 온도범위 내에서 열처리하는 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 Fe-Si 합금분말을 이용한 SMD 코아 제조방법에 의하면 고주파 대역에서 우수한 자기적 특성을 나타내며, 기존의 순철 및 센더스트(Sendust) 등의 SMD 코아에 비해 포화자속밀도 및 실효투자율(또는 인덕턴스 값)이 우수한 SMD 코아를 제조할 수 있으며 낮은 원료비 또는 공정비용으로 SMD 코아를 양산할 수 있다.
Description
본 발명은 Fe-Si 합금분말을 이용한 SMD 코아 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 고주파 대역에서 우수한 자기적 특성을 나타내며, 기존의 순철 및 센더스트(Sendust) 등의 SMD 코아에 비해 포화자속밀도 및 실효투자율(또는 인덕턴스 값)이 우수한 SMD 코아를 제조할 수 있으며 낮은 원료비 또는 공정비용으로 SMD 코아를 양산할 수 있는 Fe-Si 합금분말을 이용한 SMD 코아 제조방법에 관한 것이다.
종래의 방법으로 성형 및 열처리하여 제조하는 SMD 코아의 경우 대개 순철 또는 센더스트(Sendust) 합금분말을 사용하여 원하는 자기적 특성을 구현하고 있으나, 순철 분말을 사용하는 경우 제조는 용이하지만 자기적 특성이 열세임에 따라 낮은 투자율 영역에서만 적용이 가능하고, 센더스트(Sendust) 합금분말을 사용하는 경우 연자기 특성은 우수하지만 분말의 취성이 매우 높아 SMD 코아 제조시 쉽게 부서지는 문제점이 있었다. 이를 해결하기 위하여 순철 분말 또는 센더스트(Sendust) 합금분말에 연성 및 연자기 특성이 우수한 High Flux 혹은 MMP 합금분말을 적정비율로 혼합하여 제조하고 있으나 원료가격이 매우 높다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 고주파 대역에서 우수한 자기적 특성을 나타내고, 접합강도가 우수하며 기존의 순철 및 센더스트(Sendust) 등의 SMD 코아에 비해 포화자속밀도 및 실효투자율(또는 인덕턴스 값)이 우수한 SMD 코아를 제조할 수 있으며 낮은 원료비 또는 공정비용으로 SMD 코아를 양산할 수 있는 Fe-Si 합금분말을 이용한 SMD 코아 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
제 1도는 본 발명의 실시예에 따른 Fe-Si 합금분말을 이용한 SMD 코아 제조방법의 공정순서를 도시한 공정절차도이다.
제 2도는 본 발명의 실시예에 의해 제작된 Fe-Si 합금분말을 이용한 SMD 코아 본체의 사시도 및 전개도이다.
제 3도는 본 발명의 실시예에 의해 제작된 Fe-Si 합금분말을 이용한 SMD 코아 커버의 전개도이다.
*도면의 주요부분에 대한 간단한 설명*
10. 합금분말 코팅공정20. 가압성형공정
30. 열처리공정
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시에 따른 Fe-Si 합금분말을 이용한 SMD 코아 제조방법은 Fe 90 ~ 97wt%, Si 3 ~ 10wt%의 조성비를 갖는 Fe-Si합금분말에 유기용매 또는 물에 용해된 결합제를 혼합하여 상기 합금분말 표면에 상기 결합제를 균일하게 코팅하는 코팅공정; 상기 코팅된 합금분말을 15 ton/㎠ 이하의 압력하에 SMD 코아를 성형하는 가압성형공정을 포함하는 것을 특징으로 하며 또한 분말입자 내부응력 완화에 의한 고투자율(높은 인덕턴스)을 발현하기 위하여 상기 가압성형된 SMD 코아를 400~800OC의 온도범위 내에서 열처리하는 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시에 따른 Fe-Si 합금분말을 이용한 SMD 코아 제조방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시에 따른 Fe-Si 합금분말을 이용한 SMD 코아 제조방법의 공정절차도를 도시한 것으로, 상기 SMD 제조방법은 Fe-Si 합금분말 코팅공정(10)과 상기 코팅된 Fe-Si 합금분말을 가압성형하는 가압성형공정(20)과 상기 가압성형공정(20)에 의해 제조된 Fe-Si 합금분말을 이용한 SMD 코아에 우수한 연자기 특성발현 및 결합강도의 증대를 위하여 상기 SMD 코아를 열처리하는 열처리공정(30)을 포함한다.
상기 코팅공정(10)은 Fe-Si 합금분말에 결합제를 코팅하는 공정으로 이루어 진다. 본 발명의 실시에 따른 Fe-Si 합금분말을 이용한 SMD 코아 제조방법에 사용되는 상기 Fe-Si 합금분말은 주로 가스분사법, 수분사법 등에 의해 제조될 수 있으며 본 발명에서는 고압의 수분사법에 의해 제조된 합금분말을 사용한다. Fe-Si 합금분말 제조시 Fe-Si 합금분말의 입경이 150㎛이상이 되면 연자성 특성은 향상되지만 고주파 특성이 떨어지므로 Fe-Si 합금분말의 입경을 150㎛이하로 제조하는 것이 바람직하다. 상기 고압의 수분사법에 의해 제조된 Fe-Si 합금분말의 입자분포는 약 10~150㎛이고 평균입경은 약 20㎛ 이다. 또한 상기 Fe-Si 합금분말의 제조시 Si 함량이 3wt%이하가 되면 연자기 특성이 저하되고 10wt% 이상에서는 취성이 크게 되어 성형시 표면크랙이 빈번하게 발생하므로 상기 Si 함량은 3~10wt%가 바람직하다.
Fe-Si 합금분말입자간의 절연성 및 결합성을 부여하기 위하여 사용되는 결합제의 경우, 결합제의 연화점은 고투자율 발현을 위한 Fe-Si 합금분말의 열처리 온도보다 낮아야 하며 상온에서도 어느 정도 접합강도를 나타내어 상온에서 가압성형시 성형압력에 의해 코아의 형상을 유지하면서 크랙발생을 억제할 수 있는 시료를 사용한다. 바람직하게는 폴리이미드(polyimid)계, 페놀(phenol)계의 열경화성 수지 또는 무기질계인 물유리(Sodium Silicate)가 적당하다.
상기 결합제의 양은 총질량의 0.2~2.0wt%로 제한하는 것이 바람직하다. 0.2wt% 이하에서는 접합강도가 약하여 합금분말의 성형시 표면크랙이 빈번하게 발생하고, 결합제의 양이 너무 많으면 합금분말 입자간의 접합강도는 강해지지만 성형체중에 결합제의 양이 많게 되어 연자기 특성이 저하된다. 상기 총질량이라 함은 제조되는 코아를 구성하는 결합제와 합금분말의 질량을 의미한다.
상기 결합제를 상기 Fe-Si 합금분말표면에 코팅하기 위하여 상기 결합제를 유기용매 또는 물에 용해시켜 결합제 용액을 만든 후 상기 용액에 Fe-Si 합금분말을 혼합함으로써 상기 Fe-Si 합금분말표면에 상기 결합제를 0.1㎛이하의 두께로 균일하게 액상코팅(10)할 수 있다.
상기 합금분말에 코팅이 이루어지면 SMD 코아를 성형하기 위하여 상기 코팅된 합금분말에 성형용 금형에서 압력을 가하는 가압성형작업(20)이 이루어 진다. 상기 성형압력은 15 ton/㎠ 이하로 압력을 가하는 것이 바람직하다. 성형압력이 15 ton/㎠ 이상이 되면 SMD 코아의 자기적 특성은 증대되지만, 성형용 금형의 마모 증대 및 표면흠의 빈번한 발생 등으로 인하여 금형의 교체주기가 빨라져 생산원가가 높아지게 된다.
성형코아의 열처리공정(30)은 분말의 제조 및 성형시에 야기된 응력의 제거, 코아의 미세구조를 제어하여 우수한 연자기 특성의 발현과 결합강도의 증대를 얻기 위한 목적으로 수행한다. 열처리 조건은 코아의 사용용도에 따라 열처리조건이 달라지는데 저투자율재(100㎑에서 AL값 90nH/N2이상)는 열처리를 하지 않으며 반면에 고투자율재(100㎑에서 AL값 110nH/N2이상)는 400~800OC의 범위에서 열처리를 실시하는 것이 바람직하다. 400OC이하에서는 투자율 특성이 저하하며, 800OC이상에서는 결합제가 분해하여 분말입자간 절연성을 저해하게 된다. 열처리 분위기는 질소(N2), 아르곤(Ar) 등의 비산화성 가스 또는 수소(H2) 등의 환원성 가스로 하고, 시간은 10~120분 정도로 하는 것이 바람직하다. 열처리 시간이 너무 짧으면 충분한 응력제거가 이루어지지 않으며 반면 열처리 시간이 너무 길면 생산성이 저하된다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
실시예1
수분사법으로 제조된 Fe93.5Si6.5(wt%) 합금분말(평균입경:20㎛, 입경분포:5~150㎛)에 결합제인 폴리이미드를 Fe-Si 합금분말 총질량의 0.85wt%의 범위에서 메틸렌클로라이드(methylene chloride)에 녹여 제조된 용액을 부어 혼합한 후, 건조처리를 행하여 폴리이미드가 Fe-Si 합금분말의 표면에 0.1㎛이하의 두께로 균일하게 코팅된 복합입자의 분말을 제조하였다.
상기 코팅된 Fe-Si 합금분말을 성형용 금형에서 약 5ton/㎠의 압력으로 성형하고, 질소(N2) 또는 아르곤(Ar) 가스 환경하에 740oC에서 약 60분간 열처리하여 Fe-Si 합금분말 SMD 코아를 제조하였다.
일반적으로 SMD 코아는 본체와 커버로 구성되므로, 본 실시예에서도 상기의 방법을 이용하여 Fe-Si 합금분말을 이용한 SMD 코아의 본체와 커버를 제조하였으며, 각각을 도 2과 도 3에 도시하였다. 도 2는 상기의 방법으로 제조된 SMD코아의 본체를 도시한 것이고, 도 3은 상기의 방법으로 제조된 SMD 코아의 커버를 도시한 것으로 상기 제조된 SMD 코아의 크기는 도면상에 표시하였다. 본 발명의 실시예에 따른 Fe-Si 합금분말을 이용한 SMD 코아 제조방법을 이용하여 제조되는 SMD 코아의 형태 및 크기는 상기 실시예에 한정되지는 않는다.
상기 제조된 SMD 코아에 대해 평균 결정입경, 밀도 및 포화자속밀도, 여러주파수 대역에서의 AL값 계수비(AL1㎒/AL1㎑)를 표 1에 나타내었다.
본실시예에서 분말입경 평균크기는 Laser 입도분석기 및 SEM(Scanning Electron Microscope)에 의해 분석한 평균입경의 값을 나타낸 것이며, 코아의 밀도는 코아의 실제 중량을 코아의 체적으로 나누어 계산된 값이며, 포화자속밀도(Bs)는 VSM(Vibrating Sample Magnetometer)을 이용하여 5,000 Oe의 외부자장하에서 측정된 값이며 AL값은 LCR meter를 이용하여 각각의 주파수 대역에서 10 mOe의 외부자장하에서 측정된 값이다. AL값 계수비(AL1㎒/AL1㎑)는 1㎒와 1㎑에서 각각 측정된 AL값의 비를 나타낸 것이다.
실시예 2
실시예 1에서 사용되는 Fe-Si 합금분말로는 수분사법으로 제조된 Fe96.5Si3.5(wt%) 합금분말(평균입경:23㎛, 입경분포:5~150㎛)을 사용하는 것과 결합제로 폴리이미드의 양을 0.5wt%로 변경한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시한다.
실시예 3
실시예 1에서 사용되는 Fe-Si 합금분말로는 수분사법으로 제조된 Fe92Si8(wt%) 합금분말(평균입경:23㎛, 입경분포:5~150㎛)을 사용하는 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시한다.
실시예 4
실시예 1에서 결합제인 폴리이미드의 양을 1.2wt%로 변경한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시한다.
실시예 5
실시예 1에서 결합제로 물유리(Sodium Silicate) 0.85wt%를 사용한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시한다.
실시예 6
실시예 1에서 결합제로 페놀계 수지 0.85wt%를 사용한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시한다.
실시예 7
실시예 1에서 SMD 코아 성형공정에서 열처리 과정을 수행하지 않은 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시한다.
실시예 8
실시예 1에서 열처리 온도를 400OC로 한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시한다.
실시예 9
실시예 1에서 열처리 온도를 800OC로 한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시한다.
실시예 10
실시예 1에서 성형압력을 10 ton/㎠으로 한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시한다.
비교예 1
종래의 고투자율재용 SMD 코아 원료로 일반적으로 사용되고 있는 Sendust(Fe84.1Si10.1Al5.8) 합금분말(평균입경:28㎛, 입경분포:5~150㎛)을 고압의 수분사법에 의해 제조하여 사용하는 것 이외에는 실시예1과 동일하게 실시한다.
비교예 2
종래의 저투자율재용 SMD 코아 원료로 일반적으로 사용되고 있는 순철(Fe) 분말(평균입경:75㎛, 입경분포:10~150㎛)을 사용하는 것 이외에는 실시예7과 동일하게 실시한다.
상기 실시예들에 의해 제작된 SMD 코아의 특성 및 상기 비교예들에 의한 결과는 표 1.에 정리하였다.
표 1.을 참조하여 분석결과를 살펴보면 다음과 같다.
모든 실시예의 경우에 있어서, 3.0~6.5wt% Si을 함유하는 Fe-Si계 합금분말에 고강도의 결합제(폴리이미드, 페놀, 또는 물유리)를 혼합하여 복합분말을 제조한 후 15ton/㎠ 이하의 압력으로 성형하였을 때 성형밀도가 6.3이상을 나타내며, 이에 따라 포화자속밀도가 1.5T 이상이며 100㎑에서 AL값이 열처리를 하지 않았을 때는 90 nH/N2이상, 열처리를 하였을 때는 100nH/N2이상을 보여주고 있다. 특히 6.5wt% Si을 함유한 Fe-Si계 합금분말 코아의 경우 5ton/㎠의 압력으로 성형하여 740OC에서 열처리하였을 때 100㎑에서 AL값이 125nH/N2이상이며 AL값 계수비(AL㎒/AL㎑)도 0.98이상을 나타낸다. 이는 현 상용화되고 있는 우수한 Sendust 합금분말을 이용한 SMD 코아 제품에 비해 훨씬 우수한 AL값이며 포화자속밀도도 1.5배 이상 높게 나타나는 것을 볼 수 있다.
[표 1]
본 발명에 따른 Fe-Si 합금분말을 이용한 SMD 코아 제조방법에 의하면, 고주파 대역에서 우수한 자기적 특성을 나타내고, 접합강도가 우수하며 기존의 순철 및 Sendust 등의 SMD 코아에 비해 포화자속밀도 및 실효투자율(또는 인덕턴스 값)이 우수한 SMD 코아를 제조할 수 있으며 낮은 원료비 또는 공정비용으로 SMD 코아를 양산할 수 있다.
Claims (5)
- Fe 90~97wt%, Si 3~10wt%의 조성비를 갖는 Fe-Si 합금분말에 유기용매 또는 물에 용해된 결합제를 혼합하여 상기 합금분말 표면에 상기 결합제를 균일하게 코팅하는 코팅공정;상기 코팅된 합금분말을 15 ton/㎠ 이하의 성형압력으로 가압하여 SMD 코아를 성형하는 가압성형공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 Fe-Si 합금분말을 이용한 SMD 코아 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 가압성형된 SMD 코아를 400~8000C 의 범위에서 열처리 하는 열처리공정을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 Fe-Si 합금분말을 이용한 SMD 코아 제조방법.
- 제 2항에 있어서,상기 열처리 공정이 비산화성 또는 환원성 가스 환경하에 이루어 지는 것을 특징으로 하는 Fe-Si 합금분말을 이용한 SMD 코아 제조방법.
- 제 2항 또는 제 3항에 있어서,상기 열처리 공정에서 열처리 시간은 10분 내지 120분으로 하는 것을 특징으로 하는 Fe-Si 합금분말을 이용한 SMD 코아 제조방법.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 결합제로는 폴리이미드, 페놀 또는 물유리를 사용하고 그 함량이 결합제와 Fe-Si 합금분말의 총질량을 기준으로 0.2 내지 2.0wt%인 것을 특징으로 하는 Fe-Si 합금분말을 이용한 SMD 코아 제조방법.
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