KR20120036536A - 고주파수 비드용 페라이트 조성물과 이를 이용한 칩 비드 - Google Patents

고주파수 비드용 페라이트 조성물과 이를 이용한 칩 비드 Download PDF

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한진우
김정욱
김성룡
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손수환
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Abstract

본 발명은 BaFe12019로 표시되는 M-type 육방정 페라이트에서 Fe의 일부를 2가, 3가, 및 4가 금속으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속으로 치환시킨 고주파 비드용 페라이트 조성물, 및 이를 이용한 칩 비드 재료에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 유전체 조성물은 M-타입의 육방정 바륨페라이트를 구성하는 Fe의 일부를 다른 금속으로 치환함으로써 저온소결용 첨가제를 사용하지 않고도 소결 온도를 920도 이하의 온도로 낮추는 효과를 가진다. 또한, SRF 특성이 높기 때문에 수백 MHz이상의 고주파수용 적층형 칩 비드 및 자성 안테나 등에 적용 가능하다.

Description

고주파수 비드용 페라이트 조성물과 이를 이용한 칩 비드{ferrite composition for high frequency bead and chip bead comprising the same}
본 발명은 고주파수 비드용 페라이트 조성물과 이를 이용한 칩 비드에 관한 것으로서, 상세하게는 별도의 저온 소결용 첨가제를 포함하지 않고도 저온에서 소결가능하고 수백 MHz 대역에서 사용가능한 고주파수 비드용 페라이트 조성물과 이를 이용한 칩 비드에 관한 것이다.
일반적으로 적층형 칩 비드와 같은 자성체 세라믹 부품의 경우　자성재료로 니켈-아연 페라이트, 니겔-아연-동 페라이트 등이 주로 사용되고 있다. 니켈-아연 페라이트에 소결성을 좀 더 증가시키고자 Cu를 첨가하여 니켈-아연-동 페라이트의 3원계 조성으로 주로 제조하고 있으나, 3원계의 주 조성 외에 부조성으로 소결조제인 Bi2O3, 저융점 글래스 등을 첨가하거나 SnO2, Mn3O4등을 첨가하여 페라이트의 특성을 조절하고 있다.
상기 NiZnCu Ferrite는 cubic spinel 구조를 가지며, NiO, ZnO, CuO 및 Fe2O3의 함량을 변화시켜 NiZnCu Ferrite를 제조하고 있으며 재료의 투자율이 작은 재료가 좀 더 고주파수 대역에서 사용가능 하게 된다.
다음 도1은 주파수에 따른 투자율의 상관관계를 나타낸 그래프로서, 고투자율 재료는 저투자율 재료에 비해 낮은 주파수 대역에서 사용 가능한 것을 알 수 있다.
Snoek의 법칙은 다음 수학식 1과 같이 나타낼 수 있는데, 상기 NiZnCu ferrite는 Snoek의 한계에 의한 주파수 특성의 한계가 존재하여 보다 고주파수 대역에서는 사용이 불가능한 문제가 있다.
Figure pat00001
여기서 fr은 회전 자기 공명 주파수, r은 자기정수, ui는 초기 투자율, Ms는 포화 자화값을 나타낸다.
따라서 전자기기의 발전으로 인하여 좀 더 높은 주파수에서 사용 가능한 칩 부품의 수요가 증대되고 있는 반면, 일반적으로 사용되는NiZnCu ferrite는 Snoek의 한계로 인하여 사용이 불가능하여 이를 해결할 수 있는 방법이 요구된다.
또한, 수백 MHz 대역에서 페라이트 조성물을 이용하여 적층형 칩 소자를 제조함에 있어, 상기 적층형 칩 비드는 내부전극으로 Ag을 주로 사용하고 있다. 상기 Ag은 녹는점이 961℃이므로 칩을 구현하기 위해서는 961℃ 이하에서 소성이 되는 페라이트 조성이 필요하게 된다. 적절한 소성온도는 920℃ 이하의 온도에서 소성이 가능한 재료이다.
한편, 상기에서 설명한 Snoek의 한계를 극복할 수 있는 재료로 육방정계 타입(hexagonal type)의 바륨 페라이트(Barium ferrite)가 있다. 바륨 페라이트는 조성에 따라 M, W, Y, Z-type 등이 있으며 M-type은 BaFe12O19, W-type은 BaMe2Fe16O27, Y-type은 Ba2Me2Fe12O22, Z-type은 Ba3Me2Fe24O41 (Me=Co, Ni, Zn, Cu, and Mn)의 화학 조성을 가진다.
상기 각 조성식에서 산소의 화학적 양이 많으면 많을수록 제조가 어렵다고 알려져 있으며, M-type의 경우 보자력이 큰 강자성의 자성특성을 가지므로(hard ferrite) 영구자석으로 많이 이용되고 있다. 이러한 강자성의 성질로 인하여 칩 비드에는 적용이 불가능한 것으로 알려져 있다.
이 중에서 W, Y, Z-type은 연 자성(soft ferrite)적인 성질을 가지므로 고주파수 대역에서 사용 가능한 재료라고 할 수 있지만, M, W, Y, Z-type 모두 1200도 이상에서 합성되므로 적층형 칩 비드 재료로 사용하기에는 적절하지 않다.
다음 도 2는　주파수에 따른 인덕턴스 값을 나타낸 것으로, 자기 공명 주파수(SRF) 보다 앞쪽에 플랫한 부분의 주파수 대역에서 칩 비드로써의 사용가능 영역을 나타내고 있는데, 좀 더 고주파에서 사용가능 하기 위해서는 SRF가 좀 더 고주파 쪽으로 이동하는 것이 바람직하다.
　
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 920℃ 이하의 온도에서 소성 가능하고, 고주파수용 적층형 칩 비드에 사용 가능한 페라이트 조성물을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 페라이트 조성물을 이용하여 고주파수용 적층형 칩 비드를 제공하는 데도 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 고주파수 비드용 페라이트 조성물은 BaFe12019로 표시되는 M-type 육방정 페라이트에서 Fe의 일부를 2가, 3가, 및 4가 금속으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속으로 치환시킨 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 조성물은Ba 1몰%를 기준으로 Fe과 이를 치환시킨 2가, 3가, 및 4가 금속은 12몰%로 포함될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 조성물은Ba 1몰%를 기준으로 Fe 8.0~10.5%, 2가 금속 0.05~4몰%, 3가 금속 0.05~2.0%, 및 4가 금속 0.05~4.0% 로 포함될 수 있다.
상기 2가 금속은 Zn, Cu, Ni, Co, Mg 및 Mn 으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 3가 금속은 V, Ga, Al, In, 및 Sc로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 4가 금속은 Ti, Sn, Zr, Hf, Ce, 및 Ru로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 페라이트 조성물은 920℃ 이하의 온도에서 소결되는 것일 수 있다.
상기 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상기 페라이트 조성물로 되는 것을 특징으로 하는 고주파 칩 비드 재료를 제공할 수 있다.
상기 추가의 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상기 페라이트 조성물로 되는 것을 특징으로 하는 토로이달 코어(toroidal core)를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 유전체 조성물은 M-타입의 육방정 바륨페라이트를 구성하는 Fe의 일부를 다른 금속으로 치환함으로써 저온소결용 첨가제를 사용하지 않고도 소결 온도를 920도 이하의 온도로 낮추는 효과를 가진다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, SRF 특성이 높기 때문에 수백 MHz이상의 고주파수용 적층형 칩 비드 및 자성안테나 등에 적용가능한 효과를 가진다.
도 1은 주파수에 따른 투자율의 상관관계를 나타낸 그래프이고,
도 2는 주파수에 따른 인덕턴스 그래프이다.
이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 발명은 고주파수용 적층형 칩 비드에 사용되는 페라이트 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 페라이트 조성물은 BaFe12O19로 표시되는 M-type의 정방정계 페라이트로서, 상기 Fe 금속 대신에 2가, 3가 및 4가 금속으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속으로 치환시킨 것이다.
BaFe12O19로 표시되는 M-type의 정방정계 페라이트에서 BaO:Fe2O3 = 1 : 6 몰%를 기본 조성(Fe이 2가 금속이므로, 실질적으로는 1:12)으로 하고, Fe2O3의 일부를 다른 금속 원소로 치환시킨 것이며, 다른 금속 원소를 치환하더라도 기본적으로 Ba:(Fe+Fe 치환 금속)의 몰%는 1:6 비율을 유지하도록 하였다.
즉, Ba 1몰에 Fe 12몰이 되는 것을 기본 조성으로 하고, 여기에 상기 Fe 12몰 중의 일부를 상기 2가, 3가 및 4가 금속으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속으로 치환시킨다.
구체적으로는 Ba 1몰%를 기준으로 Fe 8.0~10.5%, 2가 금속 0.05~4몰%, 3가 금속 0.05~2.0%, 및 4가 금속 0.05~4.0% 로 포함될 수 있다.
상기 Fe 대신에 치환될 수 있는 2가 금속은 Zn, Cu, Ni, Co, Mg 및 Mn로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 Fe 대신에 치환될 수 있는 상기 3가 금속은 V, Ga, Al, In, 및 Sc로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 Fe 대신에 치환될 수 있는 상기 4가 금속은 Ti, Sn, Zr, Hf, Ce, 및 Ru로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 금속들은 그 금속염으로서 조성물 내에 포함될 수 있는데, 그 염은 산화물(oxide), 질화물(nitrate), 수산화물(hydroxide), 염화물(chloride), 탄산화물(carbonate) 및 아세테이트(acetate)로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있으며, 특별히 한정되지 않는다.
상기와 같은 조성으로 이루어진 본 발명에 따른 페라이트 조성물은 920℃ 이하의 온도에서 소성 가능한 특징을 가진다.
통상 적층형 칩 비드는 내부전극으로 Ag을 주로 사용하고 있으며, 상기 Ag의 녹는점이 961℃ 이므로 칩을 구현하기 위해서는 Ag의 녹는점보다는 낮은 소성 온도가 요구된다. 종래에는 이러한 요구에 부합되는 유전체 조성물의 제조를 위하여, 글래스, Bi2O3와 같은 저온 소결용 첨가제를 별도로 첨가해야만 했다.
그러나, 본 발명에서는 상기와 같이 M-타입의 정방정계 바륨 페라이트 조성에서 Fe 금속을 다른 금속으로 일부 치환함으로써, 별도의 저온 소결용 첨가제 없이도 920℃ 이하의 낮은 온도에서 소결이 가능하게 되었다.
이러한 본 발명에 따른 페라이트 조성물의 제조방법을 설명하면, 먼저 각 원료 성분들을 준비하고, 소정의 함량 범위대로 칭량한다. 상기 원료 성분들은 상기 각 금속의 염으로서, 그 형태는 특별히 한정되지 않는다. 그 다음, 상기 재료를 액상 밀링한 후 건조 오븐에서 건조시킨다. 건조 분말을 분쇄시킨 후 700~800℃ 온도에서 하소시키는데, 상기 하소 온도는 2차상인 헤마타이트(a-Fe2O3) 상이 생성되지 않고 M-type 페라이트 단일상이 생성되는 온도로 설정한다. 하소 분말을 밀링에 의해 분쇄시켜 최종적인 페라이트 분말을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 M-type 의 정방정계 바륨 페라이트 분말은 공지된 고상법, 액상법에 의해 제조될 수 있으며, 그 제조방법에 특별히 한정되지는 않는다.
한편, 본 발명은 상기 페라이트 조성물로 된 적층형 칩 비드를 제공하는 데도 특징을 가진다.
상기 페라이트 조성물을 920℃ 이하의 온도에서 소결시켜 얻어진 토로이달 코어의 경우, SRF 특성이 500 MHz 근방으로 매우 높은 것을 알 수 있다. 상기 SRF 특성이 향상됨에 따라 그 사용 주파수 대역도 수백 MHz대역까지 높아질 수 있음을 의미한다.
따라서, 본 발명에 따른 페라이트 조성물은 저주파수에서 고주파수에 이르기 까지 노이즈 제거에 사용되는 적층형 칩 비드에 적용 가능하다.
또한 본 발명에 의한 페라이트 조성물은 자성안테나에 적용 가능하다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
　
실시예
먼저 페라이트 조성물에 포함되는 각 원료를 준비하였다. 상기 페라이트 원료로서 BaCO3(혹은 BaO), Fe2O3, ZnO,　CuO, V2O5, 및 TiO2를 각각 준비하고 이들을 칭량하였다. 그런 다음, 상기 재료를 액상 밀링한 후 건조 오븐에서 건조시켰다. 건조 분말을 분쇄시킨 후 700~800℃에서 하소시켜 M-type 페라이트 단일상을 제조하였다. 하소 분말을 밀링에 의해 분쇄시켜 최종적인 페라이트 분말을 제조하였다.
이때 제조된 M-type 정방정계 페라이트 조성물은 몰%로 Ba 1몰%, Fe 8.0~10.5%, Zn 0.05~2%, CuO 0.05~2.0%, Ti 0.05~2.0%, V 0.05~2.0% 였고, 구체적으로는 BaFe8CuTiVZnO19이었다.
비교예
몰 %로 Fe2O3: 49.0%, NiO: 18.0, ZnO: 22.0%, CuO: 11.0%로 구성되는종래 NiZnCu계의 페라이트 조성물을 비교예로 사용하였다.
실험예 1 : 주파수에 대한 인덕턴스 측정
상기 실시예에 의해 제조된 M-type 페라이트와 기존의 NiZnCu ferrite의 주파수에 대한 인덕턴스 값을 구하여 다음 도 3에 나타내었다.
비교예에 따른NiZnCu ferrite는 SRF가 100 MHz이하이며 사용대역은 10 Mhz이하임을 알 수 있으나, 본 발명 실시예 1에 의한 M-type 페라이트의 경우 (920도 소성한 토로이달 core 시편) SRF 특성이 500 MHz 근방에 위치하고 있으며 사용대역도 수백 MHz대역에 걸쳐 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 페라이트 조성물은 저주파수에서 고주파수에 이르기까지 노이즈 제거에 사용되는 적층형 칩 비드에 적용가능 할 것이다. 또한 본 발명에 의한 Hexagonal ferrite를 이용하여 자성안테나에 적용 가능할 것이다.
실험예 2 : 투자율, 품질계수, 밀도 측정
본 발명에 따라 제조된 페라이트 조성 분말을 2.5g 칭량한 후 PVA (poly-vinyl alchol)을 페라이트 분말 대비 0.5 wt% 첨가한 후 토로이달 core로 제작하였다. 제조된 core 시편을 920 ℃에서 공기 중 소성하였다. 소성된 토로이달 core의 밀도값을 측정하였으며 토로이달 core에 에나멜선을 10회 감은 후 HP4019B Impedance Analyzer를 이용하여 1 MHz에서 투자율 및 Q 값을 측정하였다.
본 실시예에 나타낸 조성의 920℃ 소성시 투자율은 약 6, Q값은 17, 밀도는 4.87g/㎤으로 측정되었다.
상기와 같은 결과로부터, 본 발명에 따른 페라이트 조성물의 경우 고주파수 대역에서 사용 가능하도록 투자율 값이 낮은 것을 알 수 있다. 또한, Q값은 높을수록 좋은데, 이는 손실이 적기 때문인데 역시 우수한 결과를 나타냈다. 밀도 값은 최소한 4.5 g/㎤ 이상, 바람직하기로는 4.8 g/㎤ 보다 높아야만 저온 소성이 가능한데, 본 발명에 따른 조성물은 밀도 값이 4.87g/㎤으로 920℃의 낮은 온도에서도 소성 가능함을 보여 주는 것이다.
즉, 저온 소결용 조제인 글래스 및 Bi2O3 등을 사용하지 않고도 본 발명의 M-type 페라이트 조성물을 낮은 온도 (920℃ 이하)에서 소성 가능함을 확인하였다.

Claims (9)

  1. BaFe12019로 표시되는 M-type 육방정 페라이트에서 Fe의 일부를 2가, 3가, 및 4가 금속으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속으로 치환시킨 고주파 비드용 페라이트 조성물.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 조성물은Ba 1몰%를 기준으로 Fe과 이를 치환시킨 2가, 3가, 및 4가 금속은 12몰%로 포함되는 페라이트 조성물.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 조성물은Ba 1몰%를 기준으로 Fe 8.0~10.5%, 2가 금속 0.05~4몰%, 3가 금속 0.05~2.0%, 및 4가 금속 0.05~4.0%로 포함되는 페라이트 조성물.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 2가 금속은 Zn, Cu, Ni, Co, Mg 및 Mn 으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 페라이트 조성물.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 3가 금속은 V, Ga, Al, In, 및 Sc로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 페라이트 조성물.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 4가 금속은 Ti, Sn, Zr, Hf, Ce, 및 Ru로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 페라이트 조성물.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 페라이트 조성물은 920℃ 이하의 온도에서 소결되는 페라이트 조성물.
  8. 제 1항에 따른 페라이트 조성물로 되는 것인 고주파 칩 비드 재료.
  9. 제 1항에 따른 페라이트 조성물로 되는 것인 토로이달 코어 (toroidal core).
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