KR20150008652A - 연자성 복합 물질, 이의 제조방법, 및 이를 코어재료로 포함하는 전자 부품 - Google Patents

연자성 복합 물질, 이의 제조방법, 및 이를 코어재료로 포함하는 전자 부품 Download PDF

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KR20150008652A
KR20150008652A KR1020130082852A KR20130082852A KR20150008652A KR 20150008652 A KR20150008652 A KR 20150008652A KR 1020130082852 A KR1020130082852 A KR 1020130082852A KR 20130082852 A KR20130082852 A KR 20130082852A KR 20150008652 A KR20150008652 A KR 20150008652A
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Abstract

본 발명은 연자성 코어 금속 분말의 경계면을 따라 형성된 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 연자성 복합 물질, 이의 제조방법, 및 이를 코어 재료로 포함하는 전자 부품에 관한 것이다.
본 발명에 따른 연자성 복합 물질은 연자성 코어 금속 입자 간의 경계면을 따라 절연층이 형성되어 종래 절연 피막이 형성된 연자성 분말의 성형에 따른 피막 손상을 방지할 수 있고, 이로 인한 와전류 손실을 최소화시킬 수 있다.

Description

연자성 복합 물질, 이의 제조방법, 및 이를 코어재료로 포함하는 전자 부품{Soft magnetic composite, method for preparing thereof, and electronic elements comprising core material the same}
본 발명은　연자성 복합 물질, 이의 제조방법, 및 이를 코어 재료로 포함하는 전자 부품에 관한 것이다.
일반적으로 연자성 물질은 인덕터 내의 코어, 모터와 같은 전기장치의 고정자 및 회전자, 엑츄에이터, 센서 및 변압기 코어와 같은 다양한 용도에 이용되고 있다.
통상, 전기장치 내의 회전자 및 고정자와 같은 연자성 코어는 기존에는 가공된 강판을 여러 층으로 적층한 후, 고정하여 일체화 되도록 하는 것에 의해 제조되었다. 그러나, 이와 같이 강판을 적층하여 제조하는 경우에는 3차원의 복잡한 형상의 제품 제작에 어려움이 많고, 스크랩의 손실이 다량 발생되게 되는 문제점이 있었다.
이에 최근에는 연자성 분말들을 고압 성형하는 것에 의해 매우 용이하면서도 형상 측면에서 보다 높은 자유도(degree of freedom)를 갖는 코어를 제조하고 있다.
이때 사용되는 연자성 분말이라 함은, 전기를 인가하면 자성을 가지는 분말로, 통상 철계(Fe-based)의 연자성 입자들을 기초로 하며, 이러한 연자성 분말들을 이용하여 연자성 코어를 제조하는 것은 통상적인 분말야금학적 과정을 통해 실시하게 된다. 즉, 분사법 또는 분쇄법 등을 통해 분말형태로 만든 후에, 해당 분말에 대한 기계적인 가공 및 열처리 등을 실시하여 코어 재료로써 적절하게 이용될 수 있는 연자성 분말을 제조할 수 있다.
연자성 분말의 형상은 둥근 형상, 편평 형상, 다각 형상 등 여러 형상을 가질 수 있고, 그 크기는 양호한 성형밀도 및 자속밀도를 제공할 수 있는 크기여야 하며, 분급 과정을 통하여 균일한 입경을 가지는 것이 유리하다.
이렇게 제조된 연자성 분말에 보통 혼합 세라믹 혹은 에폭시 코팅을 하여 절연 코팅을 실시하게 된다. 여기서, 절연 코팅을 위해 첨가되는 혼합 세라믹은 인산염, 실리카(SiO2), 소듐 실리케이트(Sodium silicate) 등의 저항이 큰 산화물을 기본으로 하며, 세라믹 코팅은 개개의 분말을 전기적으로 분리시킴으로써 코어 재료의 와전류 손실을 줄이게 된다. 이와 같이 절연 코팅됨에 따라 연자성 분말들은 통상적인 연자성 복합물질(SMC; Soft Magnetic Composite)을 이루게 된다.
이렇게 준비된 연자성 분말들을 압축성형기인 프레스기를 이용하여 가압 성형하게 되며, 이런 공정을 거쳐서 원하는 형상을 가지는 연자성 코어 성형체가 형성된다.
이때, 모든 연자성 분말들은 입자간의 와전류 손실(eddy current loss)를 감소시키기 위하여 분말에 절연코팅을 행하여 성형을 실시하게 되는데, 코어 제조를 위한 성형공정에서 아무리 주의를 한다고 해도, 절연피막의 일부 파괴를 피할 수 없고, 이로 인해 와전류 손실의 증가가 발생하였다.
일본공개특허 2010-209469
이에 본 발명의 목적은 금속 연자성 분말에 절연코팅을 수행하여 연자성 복합 물질을 제조함에 있어 피막이 손상되는 문제가 있고, 이로 인해 와전류 손실이 증가되는 문제를 해결할 수 있는 연자성 복합 물질을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 연자성 복합 물질의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 추가의 다른 목적은 상기 연자성 복합 물질을 코어 재료로 포함하는 다양한 전자 제품을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 연자성 복합 물질은 연자성 코어 금속 분말의 경계면을 따라 형성된 절연층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 연자성 코어 금속 분말은 α-Fe 분말; 또는 Fe-Si, Fe-Al-Si, Fe-Si-Cr 중에서 선택되는 1종 이상의 Fe 합금 분말; 중에서 선택되는 것일 수 있다.
상기 연자성 코어 금속 분말은 평균 입경 D50이 100~200 ㎛ 범위인 것일 수 있다.
상기 절연층은 B2O3을 포함하는 절연 물질로 이루어진 것일 수 있다.
상기 연자성 복합 물질은 융점 100 ~ 180℃의 저융점 윤활 분말을 더 포함할 수 있다.
상기 저융점 윤활 분말은 스테아린산 계열의 분말일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연자성 복합 물질의 제조방법은 연자성 코어 금속 분말, 윤활 분말, 및 절연 분말을 혼합시켜 혼합물을 제조하는 단계, 상기 혼합물을 1차 온간 성형시키는 단계, 및 상기 1차 온간 성형된 성형물을 2차 온간 성형시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연자성 복합 물질은 윤활 분말 0.1 ~ 0.5wt%, 절연 분말 1 ~ 3 wt% 및 잔량의 연자성 코어 금속분말을 포함할 수 있다.
상기 1차 온간 성형은 100 ~ 180 ℃에서 수행되는 것일 수 있다.
상기 1차 온간 성형은 100 ~ 300 MPa의 압력 하에서 수행되는 것일 수 있다. 상기 1차 온간 성형시, 상기 윤활 분말이 용해되어 혼합물을 구성하는 분말들 간의 마찰력을 감소시키는 것일 수 있다.
상기 2차 온간 성형은 400 ~ 500℃에서 수행되는 것일 수 있다.
상기 1차 온간 성형은 900 ~ 1200 MPa의 압력 하에서 수행되는 것일 수 있다.
상기 2차 온간 성형시, 상기 절연 분말이 용해되고, 상기 연자성 코어 금속 분말의 경계면으로 주입되어 상기 연자성 코어 금속 분말 입자 간의 경계면을 따라 절연층이 형성되는 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 연자성 코어 금속 분말의 경계면을 따라 형성된 절연층을 포함하는 연자성 복합 물질을 코어 재료로 포함하는 전자 부품을 제공한다.
상기 전자 부품은 인덕터, 모터, 엑츄에이터, 센서, 변압기, 리액터 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 따르면, 연자성 코어 금속 분말의 절연 코팅 공정을 없애면서, 전체적인 공정도 단순해지고, 고밀도, 저철손의 연자성 복합 물질을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연자성 복합 물질은 연자성 코어 금속 입자 간의 경계면을 따라 절연층이 형성되어 종래 절연 피막이 형성된 연자성 분말의 성형에 따른 피막 손상을 방지할 수 있고, 이로 인한 와전류 손실을 최소화시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 연자성 복합 물질을 코어 재료로 이용하는 경우, 고효율의 모터를 제조하는데 유리하며, 코어 제작시 드는 비용을 낮출 수 있어서, 가격경쟁력 측면에서도 매우 유리하여 다양한 전자 부품의 코어 재료로 이용 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 연자성 복합 물질의 구조를 나타낸 것이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연자성 복합 물질의 제조 공정도이고,
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 연자성 복합 물질의 구조 확인 결과이고,
도 4는 실시예 2와 대조군 1에 따라 제조된 토로이드 샘플의 와전류 손실을 B-H analyzer로 100kHz 부터 700kHz까지 주파수를 변경하면서 측정한 결과이다.
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 연자성 복합 물질과 이의 제조방법, 및 이를 코어 재료로 포함하는 다양한 전자 부품을 제공한다.
본 발명에 따른 연자성 복합 물질은 다음 도 1에서와 같이 연자성 코어 금속 분말(110)의 경계면을 따라 형성된 절연층(120)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 일반적인 저철손용 연자성 복합물질(SMC) 코어 제작시 성형밀도를 증가시키면서도, 절연 피막의 파괴를 최소화 하기 위해서 고안된 방법이다. 즉, 본 발명에 따르면, 연자성 코어 금속 분말의 절연 코팅을 분말 상태에서 실시하는 것이 아니고, 2단 코어 성형과 열처리를 통하여 최종적으로 코어 조직 내의 연자성 금속 분말 입자간 계면(inter-particle boundary)을 따라 절연층이 형성되게 하는 것이다.
따라서, 종래와 같이 연자성 코어 금속 분말에 미리 절연 코팅을 수행한 후, 성형함에 따른 절연 피막의 손상을 근본적으로 없앨 수 있고, 이로부터 발생하는 와전류 손실을 최소화시킬 수 있다.
본 발명에 따른 연자성 코어 금속 분말은 고투자율과 성형성, 그리고 상대적으로 저주파 영역에서 사용할 수 있는 α-Fe (ferrite)상으로만 구성되어 있는 금속 분말이 사용될 수 있다.
또한, 고주파에서의 코어 손실(core loss)이 중시되는 곳에 사용되기 위해서는 Fe-Si, Fe-Al-Si, Fe-Si-Cr 등의 Fe 합금 조성도 사용 가능하다.
입자크기의 경우도 가용 주파수에 따라 다르지만 일반적으로 평균 입경 D50이 100~200 ㎛ 범위인 것이 바람직하다.
또한, 상기 절연층은 B2O3을 포함하는 절연 물질로 이루어진 것일 수 있으며, 상기 절연 물질은 온간 성형시 액상으로 변하면서 상기 연자성 코어 금속 분말의 계면을 따라 절연층을 형성한다.
본 발명에 따른 절연 물질은 에너지 밴드갭(energy band gap)이 8.45eV로 매우 높고, 융점이 450℃인 B2O3가 가장 바람직하다.
또한, 본 발명에서는 융점 100 ~ 180℃의 저융점 윤활 분말을 더 포함할 수 있는데, 상기 저융점 윤활 분말은 1차 온간 성형시 용해되어 액상으로 변하면서 혼합물의 마찰력을 감소시키는 역할을 수행한다.
상기 저융점 윤활 분말은 스테아린산 계열의 분말이 바람직하며, 구체 예를 들면, 스테아린산, 스테아린산염, 스테아린산 비누, 에틸렌비스 스테아라마이드 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 연자성 복합 물질의 제조방법은 다음 도 2에 나타낸 바와 같이, 연자성 코어 금속 분말(10), 윤활 분말(30), 및 절연 분말(20)을 혼합시켜 혼합물을 제조하는 단계, 상기 혼합물을 1차 온간 성형시키는 단계, 및 상기 1차 온간 성형된 성형물을 2차 온간 성형시키는 단계를 포함한다.
첫번째 단계는 연자성 복합 물질을 구성하는 연자성 코어 금속 분말, 윤활 분말, 및 절연 분말을 혼합하는 단계로서, 상기 윤활 분말은 0.1 ~ 0.5wt%, 절연분말은 1 ~ 3 wt%, 및 잔량의 연자성 코어 금속 분말을 혼합하여 100중량%로 맞추는 것이 바람직하다.
그 다음, 상기 혼합된 혼합물을 1차 온간 성형시키는 단계를 거치는데, 상기 1차 온간 성형은 상기 혼합물을 일정한 형태의 금형에 넣고 80℃에서 예열시킨 후 수행될 수 있다. 그 후, 윤활 분말이 액상 상태를 유지할 수 있는 온도인 100 ~ 180℃에서 10 ~ 30분 동안 유지하여, 충분한 점성을 유지하도록 한 후에, 성형을 시행하는 것이 금형과 혼합 분말, 및 혼합물을 구성하는 분말과 분말 간의 마찰력을 최소화시킬 수 있는 측면에서 바람직하다. 또한, 이때 100 ~ 300 MPa의 압력을 가하여 성형시킬 수 있다.
상기 1차 온간 성형시, 혼합물 내에 포함된 상기 윤활 분말(30)이 용해되어 혼합물의 마찰력을 감소시키는 역할을 한다. 따라서, 다음 도 2에서와 같이, 1차 온간 성형시 윤활 분말(30)이 용해되어 용매 역할을 하고, 여기에 연자성 코어 금속 분말(10)과 절연 분말(20)이 분산된 형태를 가진다.
그 다음, 상기 1차 온간 성형된 성형물을 2차 온간 성형시키는 단계로서, 상기 2차 온간 성형은 400 ~ 500℃에서 10 ~ 30분 동안 수행되는 것이 절연 물질이 연자성 코어 금속 분말의 경계면을 따라 효과적으로 주입(infiltration)될 수 있는 측면에서 바람직하다. 또한, 이때 고밀도 충진을 위해서 적어도 900 ~ 1200MPa 의 압력을 가하여 성형시킬 수 있다.
상기 2차 온간 성형시, 상기 절연 분말(20)이 용해되면서 상기 연자성 코어 금속 분말(10)의 경계면을 따라 절연층이 형성된다.
즉, 2차 온간 성형시, 상기 절연 분말(20)이 용해되어 액상을 띄고, 상기 액상의 절연재료인 B2O3가 상기 연자성 코어 금속의 입자간 경계면(particle boundary)으로 주입(infiltration)되어 상기 연자성 코어 금속 입자와 입자 간의 경계면을 따라 절연층을 형성하여 와전류를 차단함으로써, 고주파에서의 와전류를 절감할 수 있는 코어 성형이 가능하다.
기존의 절연코팅이 분말에 미리 되어 있는 경우에는 성형시 피막의 손상을 완전하게 피할 수 있는 방법이 없으나, 이 방법을 사용하게 되면, 코어 성형 공정 중에 자연스럽게 입자 간 경계면에 절연피막이 형성되기 때문에 이러한 부작용을 피할 수 있다.
따라서, 최종 제조된 연자성 복합 물질은 다음 도 1에서와 같이 연자성 코어 금속 분말(110)의 경계면을 따라 절연 분말로 된 절연층(120)이 형성된 구조를 가지게 된다.
상기 구조를 가지는 본 발명에 따른 연자성 복합 물질은 기존의 절연코팅이 이미 되어 있는 철분말 혹은 철계 합금분말로 제조한 코어에 비해서, 코어의 밀도를 증가시키면서, 와전류 손실을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 연자성 복합 물질을 코어 재료로 포함하는 전자 부품을 제공할 수 있다.
상기 전자 부품은 인덕터, 모터, 엑츄에이터, 센서, 변압기, 리액터 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 이하의 실시예에서는 특정 화합물을 이용하여 예시하였으나, 이들의 균등물을 사용한 경우에 있어서도 동등 유사한 정도의 효과를 발휘할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
실시예 1
평균 입경 D50이 100 ㎛인 α-Fe 분말 10g, 윤활 분말로서 스테아린산 아연 0.3중량%, 및 절연 분말인 B2O3를 1.5중량%가 되도록 혼합하여 100중량%로 맞추어 혼합물을 제조하였다.
상기 혼합물을 유압프레스가 장착된 샘플 제작을 위한 금형에 장입하고, 130Mpa 의 압력하에서 150℃에서 20분 동안 1차 온간 성형시켰다.
또한, 상기 1차 온간 성형된 성형물을 1000Mpa 의 압력하에서 500℃에서 30분 동안 2차 온간 성형시켜 최종 연자성 복합 물질을 제조하였다.
실험예 1 : 구조 확인
상기 실시예 1에 따라 제조된 연자성 복합 물질의 구조를 SEM으로 측정하였으며, 그 결과를 다음 도 3에 나타내었다.
다음 도 3을 참조하면, 실제 성형한 코어의 단면을 SEM으로 관찰한 사진으로 Back scattered image mode로 관찰하여 Fe와 B의 질량 차이에 의한 명암(contrast)이 분말 입계면을 따라서 명확히 관찰된다. B의 경우 낮은 원자번호로 인해서 EDS로 인한 원소의 정성분석이 힘들기 때문에 이와 같은 방식으로 확인할 수 있었다.
실시예 2 : 자성특성을 위한 토로이드 ( toroid ) 샘플 제조
상기 실시예 1에 따라 제조된 연자성 복합 물질을 사용하여 토로이드(toroid) 샘플을 제조하였다. 상기 샘플은 통상의 방법에 따라 제조하였다.
대조군 1
아무 것도 처리하지 않은 α-Fe 분말을 코어 재료로 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 2에서와 동일한 방법으로 토로이드(toroid) 샘플을 제조하였다.
실험예 2 : 와전류 손실 측정
상기 실시예 2와 대조군 1에 따라 제조된 토로이드(toroid) 샘플의 와전류 손실을 B-H analyzer로 100kHz 부터 700kHz까지 주파수를 변경하면서 측정하였으며, 그 결과를 다음 도 4에 나타내었다.
다음 도 4에 나타난 바와 같이 모든 주파수 영역에서 대조군 1이 실시예 2에 비해서 와전류 손실을 나타내는 코어 손실(core loss)가 더 큼을 알 수 있다. 즉, 코어 안에 형성된 분말 입자 간에 절연이 되어 있지 않은 대조군 1의 경우 입자와 입자간에 형성되는 와전류의 크기가 실시예 2에 비해서 큼을 보여주고 있으며, log scale 함수임을 감안하면 주파수가 증가함에 따라서 와전류 손실 정도도 증가함을 알 수 있다.
10, 110 : 연자성 코어 금속 분말
20 : 절연 분말
30 : 윤활 분말
120 : 절연층

Claims (16)

  1. 연자성 코어 금속 분말의 경계면을 따라 형성된 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 연자성 복합 물질.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연자성 코어 금속 분말은 α-Fe 분말; 또는 Fe-Si, Fe-Al-Si, Fe-Si-Cr 중에서 선택되는 1종 이상의 Fe 합금 분말; 인 연자성 복합 물질.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연자성 코어 금속 분말의 평균 입경 D50이 100~200 ㎛ 범위인 연자성 복합 물질.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은 B2O3을 포함하는 절연 물질로 이루어진 것인 연자성 복합 물질.
  5. 제1항에 있어서,
    융점 100 ~ 500℃인 저융점 윤활 분말을 더 포함하는 연자성 복합 물질.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 저융점 윤활 분말은 스테아린산 계열의 분말인 연자성 복합 물질.
  7. 연자성 코어 금속 분말, 윤활 분말, 및 절연 분말을 혼합시켜 혼합물을 제조하는 단계,
    상기 혼합물을 1차 온간 성형시키는 단계, 및
    상기 1차 온간 성형된 성형물을 2차 온간 성형시키는 단계를 포함하는 연자성 복합 물질의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연자성 복합 물질은 윤활 분말 0.1 ~ 0.5wt%, 절연 분말 1 ~ 3 wt% 및 잔량의 연자성 코어 금속분말을 포함하는 것인 연자성 복합 물질의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 1차 온간 성형은 100 ~ 180℃에서 수행되는 것인 연자성 복합 물질의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 1차 온간 성형은 100 ~ 300 MPa의 압력 하에서 수행되는 것인 연자성 복합 물질의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 1차 온간 성형시, 상기 윤활 분말이 용해되어 상기 혼합물을 구성하는 각 분말들 간의 마찰력을 감소시키는 것인 연자성 복합 물질의 제조방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 2차 온간 성형은 400 ~ 500℃에서 수행되는 것인 연자성 복합 물질의 제조방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 2차 온간 성형은 900 ~ 1200MPa 의 압력하에서 수행되는 것인 연자성 복합 물질의 제조방법.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 2차 온간 성형시, 상기 절연 분말이 용해되고, 상기 연자성 코어 금속 분말의 경계면으로 주입되어 상기 연자성 코어 금속 분말 입자 간의 경계면을 따라 절연층이 형성되는 것인 연자성 복합 물질의 제조방법.
  15. 제1항에 따른 연자성 복합 물질을 코어 재료로 포함하는 전자 부품.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전자 부품은 인덕터, 모터, 엑츄에이터, 센서, 변압기, 리액터 중에서 선택되는 어느 하나인 전자 부품.
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