KR20100048250A - 초박형 파워 인덕터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초박형 파워 인덕터에 관한 것으로, 자기 경로를 따라 분말의 위치가 최적화된 연자성 금속 합금분말이 충전된 시트에 전도성 재료를 이용하여 제작된 패턴 회로가 형성된다.

또한, 초박형 파워 인덕터의 상부에 자성 시트를 추가로 설치하여, 누설자속을 최소화할 수 있는 폐자로형 초박형 파워 인덕터를 제공한다.

인덕터를 통하여, 높은 자화 밀도를 가진 금속 연자성 분말이 충전된 시트는 자기 경로를 따라 형상이 최적화된 분말들 사이에 미세한 간격이 존재하므로, 높은 직류 중첩 특성과 고주파 영역까지 안정적인 인덕턴스를 확보할 수 있다.

또한, 얇은 두께를 유지하면서도 면적이 넓은 파워 인덕터의 제공이 가능하다.

파워 인덕터, 초박형, 자성 시트.

Description

초박형 파워 인덕터{ULTRA THIN TYPE POWER INDUCTOR}

본 발명은 초박형 파워 인덕터에 관한 것으로, 더 상세하게는 자성 시트와 전도성 재료를 이용한 회로를 이용하여, 기계적인 특성과 포화 자화 특성을 향상시킨 초박형 파워 인덕터에 관한 것이다.

전자 기기의 소형화에 따라 이들에 사용되는 전자 부품의 소형화 및 경량화가 진행되고 있다.

예를 들어, 각종 전자 회로에 사용되는 CPU 를 비롯한 각종 소자가 고속화, 고주파화를 지향하며, 그 크기를 줄이려는 시도가 많이 이루어지고 있으나, 전자 회로의 필수 회로 소자인 인덕터 및 변압기와 같은 수동 소자는 소형화가 어려운 것이 현실이다.

통상적으로, 인덕터 및 변압기와 같은 수동 소자를 소형화하는 경우, 자성체의 용적이 감소하게 되면, 자성체가 자기 포화를 일으키고, 전체적으로 취급할 수 있는 전류량이 감소하는 문제가 발생한다.

따라서, 이러한 문제점을 개선하기 위하여, 인덕터 및 변압기를 적층형으로 형성하고자 하는 시도가 있어 왔다.

그러나, 종래의 적층형 파워 인덕터의 자성체 재료로 주로 사용되는 산화물 페라이트는 투자율과 전기저항이 높은 반면 포화자속밀도가 낮아, 자기 포화에 의한 인덕턴스의 저하가 크고, 직류 중첩 특성이 나쁜 단점이 있다.

도 1 은 이러한 종래의 권선형 페라이트계 파워 인덕터 (50) 를 예시한 것이다.

이러한 페라이트를 사용하는 인덕터는 페라이트 판상 (52) 에 회로 (53) 를 설치한 후 소결과정을 거쳐야 하는데, 고온 소결과정 중 뒤틀림의 현상으로 인하여 부피의 변화가 발생한다.

이러한 뒤틀림 현상으로 인한 부피의 변화를 보정하기 위해, 정확한 인덕터 자심체 (51) 를 제조하기 위해서는 추가적으로 부피 변화로 인한 자심체 (51) 를 다시 가공하여야 하는 추가적인 가공 공정이 필요하며, 일정 이상의 인덕턴스나 직류 중첩 특성을 확보하는데 제약이 있어, 그 넓이를 크게 할 수 없고, 특히, 최근 인덕터가 소형화되어 두께 1mm 이하의 제품이 양산되는 가운데 그 넓이가 더욱 제한될 수 밖에 없다. 따라서, 다양한 형태의 인덕턴스 및 직류 중첩 특성을 제공할 수 없다는 문제점이 있다.

또한, 산화물 페라이트계는 투자율과 전기저항이 높은 반면 포화 자속 밀도가 낮으므로 자기포화에 의한 인덕턴스의 저하가 크고, 직류 중첩 특성이 나쁘다는 문제점이 있다.

또한, 산화물 페라이트계 자성물질을 가공하여 제작하는 경우, 강도가 약하여 충분한 넓이와 슬림화에 큰 제약이 있었다.

또한, 파워 인덕터는 상대적으로 높은 전류가 인가되므로 높은 직류 중첩 특성이 요구되는데, 종래의 산화물 페라이트계 파워 인덕터의 경우, 낮은 직류 중첩 등으로 인하여 효과적이지 못하였다.

또한, 파워 인덕터에 발생하는 누설 자속은 회로를 구성하는 전도물질을 유도 가열하여 손실이 발생시키는 문제점이 많은데, 종래 적층형 파워 인덕터의 경우에는 직류 중첩 특성을 확보하기 위하여, 별도의 비자성체층을 갭으로서 층간에 삽입하여 누설자속에 의한 노이즈가 발생하는 문제점이 있다.

한편, 페라이트계 자성 물질인 Ni 계, Ni-Zn 계, Ni-Zn-Cu 계 재질의 경우 작동 주파수가 2 ∼ 3 MHz 이하에서만 안정적으로 작동되어 그 용도가 크게 제한적이라는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 누설 자속 없이 자기 포화에 따른 전류의 제약이 없는 초박형 파워 인덕터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 넓이에 제약이 없이 수십 ∼ 수백㎛ 두께의 대용량 초박형 파워 인덕터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 누설 자속이 없는 구조의 폐자로를 가진 초박형 파워 인덕터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 일정 수준의 연성 및 강성을 보유하고 있어, 기계적 특성이 우수한 초박형 파워 인덕터를 제공하는 것으로 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 분말이 분산된 자성 시트의 상하면에 각각 회로를 형성하고, 상기 상면 회로와 상기 하면 회로는 비어홀을 통해 도통되는 초박형 파워 인덕터로서, 상기 자성 시트의 분말은 연자성 금속 합금분말인 것을 특징으로 하는 초박형 파워 인덕터를 제공한다.

또한, 본 발명은 전술한 초박형 파워 인덕터의 상부에 추가로 자성 시트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초박형 파워 인덕터를 제공한다.

또한, 본 발명은 연자성 금속 합금분말이 이방성을 가지고, 이러한 금속 합금 분말이 자성 시트면에 평행 또는 수직하게 배열되는 것을 특징으로 하는 초박형 파워 인덕터를 제공한다.

종래의 적층형 파워 인덕터가 구현할 수 없었던 높은 사용 주파수와 대용량의 포화 전류를 얻을 수 있으며, 연자성 금속 합금분말 시트를 사용하여, 얇으면서도 넓이의 제약을 받지 않는 인덕터를 경제적으로 제공할 수 있다.

따라서, 슬림형 노트북, 핸드북, 디스플레이 장치 등의 전자 제품의 소형화에 효과적으로 사용될 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.

도 2 는 본 발명의 초박형 파워 인덕터의 개략도이다.

동일한 부위에 대하여는 장황함을 피하기 위하여 도면부호를 생략하기로 한다.

본 발명에 의해 제조된 자성 시트 (10) 의 상하면에 별도로 제작된 패턴 회로 (20, 30) 가 부착되어 하나의 층을 이룬다.

이 때, 자성 시트 (10) 는 연자성 금속 합금분말을 사용하여 형성된다.

상기 연자성 금속 합금분말은 납작한 플레이크 형태의 이방성이거나, 등방성인 분말을 사용할 수 있다.

또한, 합금분말의 소재로는 몰리브덴 퍼멀로이 (Mo-permalloy), 퍼멀로이 (Permalloy), 샌더스트 (Fe-Si-Al 합금), 철-규소 합금 등이 사용될 수 있다.

상기 패턴 회로 (10) 는 동이나 전도성 재료를 이용하여 구현할 수 있으며, 통상의 방법으로 별도로 제작 가능하다.

이 때, 일정면적에 많은 수의 패턴 회로가 구현되기 때문에 경제적으로 크게 유리하다.

미리 제작된 자성 시트 (10) 와 미리 제작된 패턴 회로 (20, 30) 는 등방향 열압착을 통해 자성 시트 (10) 의 상하면에 패턴 회로 (20, 30) 를 부착한다.

이 때, 자성시트와 패턴 회로의 부착력을 개선하기 위하여 용매에 커플링제를 희석한 용액, 고분자용 접착제 또는 용매에 희석된 고분자를 스프레이 코팅한다.

이 때, 중첩된 각 패턴 회로 (10) 를 도통하기 위해 자성 시트 (10) 에 구멍을 뚫고, 그 구멍에 도전성 물질을 도포하거나, 내부를 도금하여, 자성 시트 (10) 의 상하면에 형성된 패턴 회로 (20, 30) 가 도통 가능하도록 할 수 있다.

이상과 같이, 형성된 초박형 파워 인덕터를 오픈자로형 초박형 파워 인덕터 (1) 로 명칭한다.

또한, 도 3 에 기재된 바와 같이, 본 발명은 오픈자로형 초박형 파워 인덕터 상부에 추가적으로 자성 시트 (40) 를 적층하여 폐자로를 구성할 수 있다. 도 3 과 같이 형성된 초박형 파워 인덕터는 폐자로형 초박형 파워 인덕터 (2) 로 명칭한다.

폐자로형 초박형 파워 인덕터 (2) 는 누설 자속을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

도 4 및 도 5 는 상기 도 2 의 인덕터를 두께 방향으로 절단한 경우의 단면 도로서 본 발명의 자성 시트 (10) 내의 연자성 금속분말의 배열 형태를 설명하기 위한 설명도이다.

도 4 및 도 5 에 기재된 도면부호 13 은 인덕터에서 발생하는 자기 경로를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 4 에서는 이방성 합금 분말 (12) 이 자성 시트 (10) 에 발생하는 자기 경로 (13) 에 수직하도록 배열되어 있다.

또한, 도 5 에서는 이방성 합금 분말 (12) 이 자성 시트 (10) 에 발생하는 자기 경로 (13) 에 평행하도록 배열되어 있다.

도 4 및 도 5 에 기재된 바와 같이, 연자성 금속분말에 미세한 간격들이 분산되므로, 높은 직류 중첩 특성을 나타낸다.

이하, 본 발명의 제조 방법을 설명한다.

우선, 자기 경로에 따라 인덕터의 최적의 특성이 구현되도록 이방성을 가지게 되는 연자성 금속 분말을 준비한다.

이방성 분말을 준비하기 위해, 연자성 금속 분말을 어트리션밀 (Attrition mill) 에서 밀링하여 플레이크 형태로 제조한다.

상기 분말을 고분자 수지계에 고밀도로 분산시켜 자성 시트를 제조한다.

상기 자성 시트 상면에 전도성 재료를 이용하여 구현된 회로를 올려 형성하고, 이 때 일정면적에 상당수의 인덕터가 제조 가능한 회로를 배열하여 경제성을 확보한다.

패턴 회로가 구성된 자성 시트의 상부에 추가적으로 자성 시트를 적층하여, 폐자로형 초박형 파워 인덕터를 제조할 수도 있다.

층간의 패턴 회로가 도통될 수 있도록 적층이 끝난 인덕터에 비어홀을 형성하여, 도금이나 도전성 페이스트를 이용하여 도통시킨다.

완성된 제품을 필요한 크기로 일정하게 절단한다.

신뢰성 확보를 위해 절단면을 딥핑 (dipping) 이나 롤러를 이용하여 절연제를 도포한다.

이를 통해, 본 발명의 초박형 파워 인덕터는 충분한 열전도도를 갖게 되고, 연성 확보가 가능할 수 있다.

실시예 1

오픈자로형 초박형 인덕터의 경우, 평균입경 70㎛의 샌더스트 분말을 어트리션밀에서 6시간 밀링하여 제조한 샌더스트 플레이크와, 유기고분자 매트릭스재로 적용되는 EPDM를 중량비 8:2로 분산시킨 후 닥터블레이드법에 의해 두께 100㎛의 그린시트를 제조한다.

또한, 제조된 그린 시트 1∼10장과 두께 70um의 동박(Cu foil)을 함께 적층하여 160℃/1시간, 40kgf 압력으로 등방향 열압착한다.

그린시트 표면에 열압착된 두께 70um 동박(Cu foil) 에 드릴을 이용하여 비아홀을 형성한 후 도금을 이용하여 비아홀을 도통한다. 이후, 에칭온도 50℃에서 염화철 용액으로 화학적 에칭하여 회로와 터미날을 구현한다.

완성된 제품은 필용한 크기로 정밀커터로 일정하게 절단한다. 또한, 신뢰성 확보를 위해 절단면에 내열성 에폭시를 딥핑하여 도포한다.

실시예 2

폐자로형 초박형 파워 인덕터의 경우, 평균입경 70㎛의 샌더스트 분말을 어트리션밀에서 6시간 밀링하여 제조한 샌더스트 플레이크와, 유기고분자 매트릭스재로 적용되는 EPDM를 중량비 8:2로 분산시킨 후 닥터블레이드법에 의해 두께 100㎛의 그린시트를 제조한다.

또한, 제조된 그린 시트 1~10장과 두께 70um의 동박(Cu foil)을 함께 적층하여 160℃/1시간, 40kgf 압력으로 등방향 열압착한다.

그린시트 표면에 열압착된 두께 70um 동박(Cu foil) 에 드릴을 이용하여 비아홀을 형성한 후 도금을 이용하여 비아홀을 도통한다. 이후, 에칭온도 50℃에서 염화철 용액으로 화학적 에칭하여 회로와 터미날을 구현한다.

이후, 터미널 반대쪽에 제조된 그린 시트 1~5장을 160℃/1시간, 40kgf 압력으로 등방향 열압착한다.

완성된 제품은 필용한 크기로 정밀커터로 일정하게 절단한다. 또한, 신뢰성 확보를 위해 절단면에 내열성 에폭시를 딥핑하여 도포한다.

실시예 3

우선, 상기 실시예 2 와 같은 방법으로 파워 인덕터를 준비한다.

추가적으로, 초박형 파워 인덕터 상부에 30㎛ 두께의 전도성 박을 추가하여, 열발산을 극대화함으로써 인덕터의 온도 특성을 개선할 수 있다.

상기 전도성 박의 재료는 니켈, 동, 알루미늄, 은, 주석, 텅스텐 등이 사용될 수 있으며, 특별히 상기 재료에 한정되지는 않는다.

실시예4

평균입경 70㎛의 샌더스트 분말을 어트리션밀에서 6시간 밀링하여 제조한 샌더스트 플레이크와, 유기고분자 매트릭스재로 적용되는 EPDM를 중량비 8:2로 분산시킨 후 닥터블레이드법에 의해 두께 100㎛의 그린시트를 제조한다.

또한, 제조된 그린 시트 1∼10장과 두께 70um의 동박(Cu foil)을 함께 적층하여 160℃/1시간, 40kgf 압력으로 등방향 열압착한다.

그린시트 표면에 열압착된 두께 70um 동박(Cu foil)에 드릴을 이용하여 비아홀을 형성한 후 도금을 이용하여 비아홀을 도통한다. 이후, 에칭온도 50℃에서 염화철 용액으로 화학적 에칭하여 회로와 터미날을 구현한다.

각각 제조된 초박형 인덕터 사이에 제조된 100㎛ 그린 시트를 위치시킨 후 160℃/1시간, 40kgf 압력으로 등방향 열압착하여 다층으로 형성한다.

각층의 파워 인덕터를 전기적으로 연결하기 위하여 드릴을 이용하여 비아홀을 형성한 후 도금을 이용하여 비아홀을 도통한다.

완성된 제품은 필용한 크기로 정밀커터로 일정하게 절단한다. 또한, 신뢰성 확보를 위해 절단면에 내열성 에폭시를 딥핑하여 도포한다.

전술한 방법을 기초로 하여, 오픈자로형 초박형 파워 인덕터 (실시예 1), 폐자로형 초박형 파워 인덕터 (실시예 2), 폐자로형 초박형 파워 인덕터 상부에 동박을 추가한 인덕터 (실시예 3) 및 폐자로형 다층 초박형 인덕터 (실시예 4) 를 준비하였다.

또한, 페라이트 자심 주위에 도체를 감아 형성한, 오픈자로형 코아 인덕터 (비교예 1) 및 폐자로형 코아 인덕터 (비교예 2) 를 준비하였다.

상기 실시예 1, 2 와 비교예 1, 2 에 따라 제조된 인덕터를 1 KHz ∼ 100 MHz 의 주파수 대역에서 임피던스 분석기 (HP 4294A) 를 이용하여, 인덕턴스를 측정하였으며, 포화 전류는 LCR meter (HP 4284A) 를 이용하여 측정하였다.

또한, 포화 전류는 DC 바이어스를 인가하였을 때 30% 줄어들었을 때의 전류값을 의미하고, 허용주파수는 스위칭 주파수를 증가시켰을 때 초기값 대비 20% 이내로 허용되는 스위칭 주파수 영역을 의미한다.

상기 측정 방법에 따라 나타난 결과를 표 1 및 도 6, 도 7 의 그래프로 나타내었다.

동일 면적대비 비교 (10mm X 10mm X 1.0mm HT)	인덕턴스	포화전류	허용주파수	상승온도
비교예 1	10 uH	1 A	10 MHz	40℃
비교예 2	10 uH	2 A	5 MHz	40℃
실시예 1	10 uH	4 A	50 MHz	40℃
실시예 2	10 uH	3 A	50 MHz	40℃
실시예 3	10 uH	4 A	50 MHz	32℃
실시예 4	10 uH	4 A	50 MHz	40℃

표 1 및 도 7 에 나타난 바와 같이, 주파수가 증가할 때, 비교예 1 및 비교예 2 는 최대 10MHz 이내에서 인덕턴스가 갑자기 증가하는 반면, 실시예 1 및 실시예 2 는 10MHz 주위에서는 인덕턴스의 변화가 없었으며, 최대 100MHz 주위에서 인덕턴스가 변화하였다.

실시예 1 및 실시예 2 는 10MHz 를 크게 초과한 상태에서 인덕턴스가 증가하므로 허용 주파수가 매우 높게 나타난다.

또한, 도 8 에 기재된 바와 같이, 비교예 1 및 비교예 2 는 1.0 A 주위에서 이미 포화되었으나, 실시예 1 및 실시예 2 는 그 이상의 포화 전류를 나타냄을 알 수 있다.

또한, 실시예 3 에서는 동일한 포화 전류에 대하여, 상승 온도가 32℃ 로 현저하게 나타남을 알 수 있다.

초박형 파워 인덕터 상부에 동박이 추가로 형성되는 경우, 열발산 효과가 커져 파워 인덕터에서 요구되는 온도 특성을 개선할 수 있으므로, 인덕터의 신뢰성이 크게 향상될 수 있다.

도 1 은 종래의 권선형 파워 인덕터의 사시도이다.

도 2 는 본 발명에 따른 오픈자로형 초박형 파워 인덕터의 사시도이다.

도 3 은 본 발명에 따른 폐자로형 초박형 파워 인덕터의 사시도이다.

도 4 는 본 발명에 따른 자성 시트의 이방성 분말이 자로 방향에 수직하게 배열되는 경우의 설명도이다.

도 5 는 본 발명에 따른 자성 시트의 이방성 분말이 자로 방향에 수평하게 배열되는 경우의 설명도이다.

도 6 은 본 발명에 따른 초박형 파워 인덕터를 여러층으로 적층한 다층 초박형 파워 인덕터의 사시도이다.

도 7 는 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 파워 인덕터의 주파수에 따른 인덕턴스의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 8 은 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 파워 인덕터의 전류에 따른 인덕턴스의 변화를 나타내는 그래프이다.

Claims (6)

1. 분말이 분산된 자성 시트의 상하면에 각각 회로를 형성하고,

   상기 상면 회로와 상기 하면 회로는 비어홀을 통해 도통되는 초박형 파워 인덕터로서,

   상기 자성 시트의 분말은 연자성 금속 합금분말인 것을 특징으로 하는 초박형 파워 인덕터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 초박형 파워 인덕터의 상부에 추가로 자성 시트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초박형 파워 인덕터.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 연자성 금속 합금분말은 이방성이며, 자성 시트면에 평행하게 배열되는 것을 특징으로 하는 초박형 파워 인덕터.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 연자성 금속 합금분말은 이방성이며, 자성 시트면에 수직하게 배열되는 것을 특징으로 하는 초박형 파워 인덕터.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 초박형 파워 인덕터 상부에는 전도성 박을 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초박형 파워 인덕터.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 초박형 인덕터를 다수 적층하여 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 초박형 파워 인덕터.

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