KR20150083352A

KR20150083352A - 절연코팅층을 갖는 파워인덕터용 비정질 합금분말 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20150083352A
Application number: KR1020140002990A
Authority: KR
Inventors: 이성재; 서정욱; 마쯔모토 히로유키; 윤종식; 안성용
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2014-01-09
Filing date: 2014-01-09
Publication date: 2015-07-17
Also published as: JP2015132010A

Abstract

본 발명은 절연코팅층을 갖는 파워인덕터용 비정질 합금분말 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 건식공정에 산화인(P2O5) 분말유리를 사용함으로써, 파워인덕터용 비정질 합금분말의 표면에 얇고 균일하며, 치밀한 절연코팅층이 형성되도록 할 수 있다. 또한, 절연 코팅에 의해 분말의 비저항을 증가시키고, 분말과 분말 간의 와전류(eddy current)에 의한 손실을 최소화할 수 있다. 이는 파워인덕터로 제조된 경우에도 전류의 손실을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Description

절연코팅층을 갖는 파워인덕터용 비정질 합금분말 및 이의 제조방법{Amorphous powder for power inductor having insulation layer and method for manufacturing the same}

본 발명은 절연코팅층을 갖는 파워인덕터용 비정질 합금분말 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

최근 모바일 디바이스의 사양이 높아짐에 따라, 사용되는 부품의 스펙 또한 높아지고 있다. 칩 파워 인덕터의 경우, 경박단소화에 대한 요구와 함께 고주파수 영역에서도 동작이 가능한 제품이 요구되고 있다. 즉, 현재의 주파수 대역인 1~2 MHz 보다 높은 9 MHz 이상의 주파수 대역에서도 적용가능한 특성이 요구되고 있다.

재료적인 측면에 있어서는, 페라이트보다 2배 이상 자기 모멘트(magnetic moment(Ms))가 높아 고전류에서도 작동이 가능하고, 보자력(coercive force (Hc))이 낮아 코어손실을 최소화할 수 있는 비정질 합금분말을 적용하는 노력이 계속되고 있다. 하지만, 페라이트에 비해 고주파수 영역에서 동작 특성이 좋지않은 비정질 합금분말의 단점이 있어, 이를 개선하고자 하는 연구가 필요한 더 실정이다.

일반적으로, 가용주파수가 높아질수록 와전류 손실로 인한 코어손실이 증가하므로 전력효율이 나빠진다. 고주파수 영역에서 작동하는 파워인덕터에 비정질 합금분말을 사용하기 위해서는 코어손실(core loss)을 보다 낮추어야 한다. 이를 위해서는 비정질 합금분말 간 고저항의 전기절연특성이 요구된다. 또한, 높은 투자율(permeability)을 유지해야 하므로, 일정 수준 이상의 충진율(fill factor)을 갖추어야 하므로, 상기 비정질 합금분말에는 보다 얇은 절연코팅층이 적용되어야 한다. 인덕터 제조 공정의 고압성형시에는 비정질 합금분말 간 마찰이 일어나므로, 절연코팅층의 훼손을 최소화하기 위해서는 보다 치밀한 절연코팅층이 요구된다.

한국등록특허 10-0671952

이와 같은 기술적 배경 하에서 본 발명자들은 예의 노력한 결과 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 결국 본 발명의 목적은 얇고 균일하며, 치밀한 절연코팅층을 갖는 파워 인덕터용 비정질 합금분말을 제공하는데 있다. 본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 비정질 합금분말을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 분말유리와 비정질 합금분말을 준비하는 단계; 기계적 마찰을 통해 상기 분말유리 및 합금분말 간 마찰열을 발생시켜 승온시키는 단계; 상기 승온된 온도를 통해 분말유리를 연화시키고, 비정질 합금분말의 표면에 균일하게 코팅되도록 하는 단계를 포함하는 절연코팅층을 갖는 파워인덕터용 비정질 합금분말의 제조방법이 제공될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 승온시키는 단계는 분말유리의 유리전이온도 이상 ~ 비정질 합금분말의 결정화 온도 미만의 온도 범위로 승온시키는 것일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 분말유리는 산화인을 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 산화인을 함유하는 유리가 10~20nm 범위의 균일한 두께로 공극이 없이 치밀하게 코팅된 절연코팅층을 갖는 파워인덕터용 비정질 합금분말이 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 건식공정에 산화인(P2O5) 분말유리를 사용함으로써, 파워인덕터용 비정질 합금분말의 표면에 얇고 균일하며, 치밀한 절연코팅층이 형성되도록 할 수 있다. 또한, 절연 코팅에 의해 분말의 비저항을 증가시키고, 분말과 분말 간의 와전류(eddy current)에 의한 손실을 최소화할 수 있다. 이는 파워인덕터로 제조된 경우에도 전류의 손실을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 건식공정의 모식도를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 비정질 합금분말의 단면 이미지이다.
도 3은 종래기술에 따라 제조된, 치밀하지 않은 비정질 합금분말의 단면 이미지이다. 스케일바의 길이는 10μm를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 절연코팅 전후의 분체저항을 나타낸다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 비정질 합금은 합금을 만드는 과정에서 용해한 금속을 급랭시켜 형성된 것으로서, 보통의 합금에는 없는 성질을 갖는다.

교류전류에 사용되는 파워인덕터는 낮은 코어로스와 높은 자속밀도가 요구되는 부품이다. 또한, 높은 투자율의 확보를 위해 충진율 또한 높아야 하므로, 얇고 균일한 절연코팅층이 요구된다.

종래 파워인덕터용 비정질 합금분말에 적용되는 절연코팅층으로는 실리콘 수지, 폴리이미드와 같은 내열성이 우수한 유기 고분자계의 전기 절연성 수지, 또는, SiO₂, 소듐 실리케이트, MgO, Talc 와 같은 전기저항이 큰 무기계 산화물, 또는 유기계 고분자계 수지와 무기계 산화물의 복합체를 적용하는 기술이 개발된 바 있다.

P₂O₅ 등을 포함하는 산화인 화성피막(chemical conversion coatings)의 유리상 화합물을 절연층으로 이용하는 기술도 알려져 있다. 그러나, 성막과정에서 화학적 방법을 통한 습식공정을 이용함으로써, 코팅과 세정공정이 복잡하고 에칭과 석출반응에 의한 피막제(film-forming agent)의 손상이 불가피하다. 또한, 미반응불순물이 생성되어 품질이 저하되는 문제점이 있다.

이에 반해, 본 발명은 상기 분말의 제조를 위해 종래의 습식공정인 화학적 에칭과 석출반응에 의한 인산염 코팅이나 실리카졸을 이용한 방식이 아닌, 미디어가 없는 기계적인 마찰력에 의한 방법, 즉 건식공정을 이용하여 절연코팅층을 형성시킨다.

본 발명에 따른 건식공정은 도 1에 나타나 있다. 도 1을 참조하면, 비정질 합금분말과 산화인 분말유리를 혼합하여 챔버에 넣고, 챔버를 회전시켜 그라인더를 통해 입자들의 기계적인 마찰을 유도하게 된다. 이러한 마찰을 통해 마찰열이 발생하게 되는데, 상기 챔버의 회전속도를 조절하면 이러한 마찰열 및 온도의 상승을 제어할 수 있다. 본 발명은 기타의 미디어가 없는 상태에서 분말들 간의 마찰 에너지에만 의존하여 코팅이 이루어지도록 한다.

분말유리는 종래에도 유리나 금속에 부착시켜 절연성, 기밀성 등의 기능을 발휘하는 것으로 잘 알려진 소재이며, 화학적 내구성이 우수하여 전자재료로 사용되는 재료이다.

본 발명은 분말유리는 마찰열로 인해 코팅이 가능한 물성을 나타낼 수 있도록 연화되어야 하나, 비정질 합금분말의 경우에는 원래의 고체상을 유지하는 것이 필요하다. 따라서, 상기 마찰열에 의한 승온 조건은 비정질 합금분말의 결정화온도보다는 낮으면서도, 절연코팅층을 형성하게 될 분말유리의 유리전이온도보다는 높은 온도 범위로 유지되도록 하는 것이 중요하다.

따라서, 상기 절연코팅층의 재료로는 비정질 합금분말의 결정화 온도에 비해 유리전이온도가 낮을수록 유리하다.

일 실시예에 있어서, 상기 산화인은 오산화인(P₂O₅)일 수 있다.

본 발명에 따른 건식공정에 오산화인 분말유리를 사용함으로써, 얇고 균일하며, 치밀한 절연코팅층이 형성되도록 할 수 있다.

본 발명의 분말유리의 입도는 수μm ~ 20μm 크기가 바람직하다.

본 발명에 따른 건식공정은 기계적인 마찰을 사용하므로, 코팅하려는 분말유리의 크기에 특별한 제한은 없으나, 최소치와 최대치의 크기의 편차는 100배 미만인 것이 바람직하다. 즉, 최초 투입된 분말은 마찰에 의해 적당한 크기로 분쇄가 이루어져 소정의 수준으로 크기가 감소하게 될 것이나, 지나치게 큰 분말유리가 투입될 경우에는 파쇄시간이 불필요하게 길어질 수 있어 바람직하지 않다. 또한, 입자간의 크기의 편차가 상기 범위를 넘을 경우에는 분말유리 입자간의 연화의 시점에 차이가 발생할 수 있어 코팅의 품질이 균일하지 않을 수도 있기 때문에 바람직하지 않다.

상기에 제시된 본 발명의 분말유리의 입도를 이용할 경우에는, 상기 투입된 분말유리가 비슷한 시기에 연화가 진행되고, 코팅하고자하는 비정질 합금분말의 표면에 고른 두께로 공극이 없이 골고루 입혀지게 되므로 치밀한 코팅층이 형성된다.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다만, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다 할 것이다.

실시예

1. 다양한 유리전이온도를 갖는 유리성분들을 이용한 절연코팅층의 형성

평균입경이 3~10μm인 Fe계 비정질합금 분말을 이용하여 도 1의 모식도 및 상기 기재된 건식공정으로 다양한 유리전이온도를 갖는 유리성분들을 사용하여 절연코팅층을 형성하였다.

구분	성분	유리전이온도(Tg)℃	부착력	전자기 특성
비교예 1	B₂O₃-ZnO-SiO₂-Al₂O₃	450~480	나쁨	나쁨
비교예 2	BaO-ZnO-B₂O₃-SiO₂-Al₂O₃	450~480	나쁨	나쁨
비교예 3	Bi₂O₃-ZnO-B₂O₃-SiO₂-Al₂O₃	380~480	나쁨	나쁨
실시예 1	P₂O₅-ZnO-SiO₂-Al₂O₃	300~360	양호	양호

상기 표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 건식공정을 이용하였을 때의 각 예에 따른 결과를 비교할 수 있다. 즉, 유리전이온도가 상대적으로 높은 비교예 1~3의 분말유리로 절연코팅층을 형성시킨 경우에는 코팅층의 부착력이 떨어지고, 전자기적 특성에서도 좋지않은 결과를 나타냄을 확인하였다.

상기에서 전자기 특성 측정을 위한 시편제작은 절연코팅층이 형성된 비정질 합금 분말에 에폭시계 바인더 2.5wt% 를 분산 및 혼합한 후, 외경 20mm, 내경 13mm 의 몰드에 장입하여 3ton/cm² 로 성형, 160℃ 에서 경화하여 비정질 합금분말과 바인더의 도넛형(toroidal)의 컴포짓(composite)으로 제작하였다.

완성된 시편은 IWATSU 사의 B-H 분석기(analyzer)를 이용하여 주파수 300kHz, 자속밀도 B 가 50mT인 상태에서 코어손실을 측정하였다. 코어손실은 히스테리시스손(hysteresis loss)과 맴돌이손실(eddy current loss)으로 구분되는데 이중 맴돌이손실은 금속분말간 또는 금속분말 내부의 전기저항에 반비례하기 때문에 비전도성 물질은 분말유리의 절연코팅 후 금속분말 간의 저항변화에 따른 코어손실 측정으로 자기적 특성을 평가할 수 있다. 다음은 분말유리의 성분에 따른 코어손실을 나타내었다.

구분	성분	절연코팅 작업온도	코어손실 (mW/cc) 300kHz-50mT
코팅 전			1980
비교예 1	B₂O₃-ZnO-SiO₂-Al₂O₃	450~480	2560
비교예 2	BaO-ZnO-B₂O₃-SiO₂-Al₂O₃	450~480	2894
비교예 3	Bi₂O₃-ZnO-B₂O₃-SiO₂-Al₂O₃	450~480	2098
실시예 1	P₂O₅-ZnO-SiO₂-Al₂O₃	300~360	1254

비교예 1~3은 450~500℃의 온도조건에서 절연코팅층을 형성시킨 것이며, 실시예 1은 300~360℃ 조건에서 절연코팅층을 형성시킨 결과를 나타낸다.

코어손실의 결과, 비교예 1~3의 코어손실이 코팅 전에 비해 오히려 증가한 것이 확인되었다. 이는 기계적인 코팅에 의한 마찰열이 비정질 분말의 결정화 온도보다 높아지면서 결정화되었기 때문이다. 반면에 실시예 1은 비정질 분말의 결정화 온도보다 낮은 안정적인 온도 범위에서 절연코팅이 이루어지면서 코어손실이 감소한 것이 확인되었다.

실시예 1은 비교에 1~3에 비해 낮은 온도조건으로 수행되었지만, 산화인(P₂O₅) 분말유리의 유리전이온도(Tg)가 매우 낮아, 마찰열에 따른 온도조건으로 분말유리의 부착력을 충분히 높일 수 있었다.

상기 실시예 1에서 사용된 산화인(P₂O₅) 분말유리의 유리전이 온도는 300~360℃로 비정질 합금분말의 결정화 온도인 450~550℃ 보다 크게 낮다. 따라서, 비정질 합금분말이 결정화되지 않으면서도, 분말유리의 절연코팅이 가능한 것이다. 또한, 실시예 1의 경우에는 코팅의 품질 또한 균일한 것으로 나타났다. 결국, 상기 실시예 1과 같이 산화인 분말유리를 사용하여 비정질 분말의 장점인 낮은 보자력(Hc)을 유지하면서도 균일한 품질로 절연코팅층을 형성시킬 수 있음을 확인하였다.

상기 실시예 1에 사용된 산화인 분말유리의 원소 조성은 하기 표 3과 같다.

성분	O	P	Zn	Al	Si	기타
중량%	56.5	20.5	9.5	3.7	2.72	7.1

표 2에 나타나 있는 바와 같이, 상기 분말유리의 조성은 산화물 형태로써, 주요성분이 P₂O₅이고, P 성분이 20 wt% 이상 함유되어 있다.

2. 산화인 분말유리를 이용한 절연코팅층의 전자현미경적 관찰

상기 실시예 1을 통해 절연코팅된 Fe-P-B 계 비정질합금 분말의 단면이 도 2에 나타나 있다.

도 2를 참고하면, 절연코팅층의 두께는 약 15nm 수준이며, 치밀하고 균일한 코팅층이 형성되어 있음을 확인할 수 있다.

도 3에는, 본 발명에 따른 코팅방법이 아닌 종래의 습식공정에 의해 제조된, 절연코팅층의 치밀성과 균일성이 낮은 절연코팅층을 볼 수 있다. 도 2 및 도 3을 비교하면, 본 발명의 코팅방법의 우수성과, 치밀하게 구성되어 있는 코팅층의 형상을 확인할 수 있다.

3. 산화인 분말유리를 이용한 절연코팅층의 분체저항 측정

다음은 Fe-P-B 계 비정질 합금분말의 절연코팅 전과 산화인 분말유리로 절연 코팅 후의 분체저항을 측정하였다. 분체저항은 MITSUBISHI사의 분체저항 측정기 MCP-PD51 모델을 사용하였다.

도 4는 본 발명의 실시예 1과 같이 절연코팅된 전후의 분체저항을 나타낸다.

도 4에서 보는 바와 같이, 실시예 1과 같은 절연코팅 후의 저항값은 절연 전에 비해 최대 104에서 최소 102 배 증가한 것을 확인할 수 있다. 절연 코팅에 의해 분말의 비저항을 증가시키고, 분말과 분말 간의 와전류(eddy current)에 의한 손실을 최소화할 수 있다. 이는 파워인덕터로 제조된 경우에도 전류의 손실을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항 들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

분말유리와 비정질 합금분말을 준비하는 단계;
기계적 마찰을 통해 상기 분말유리 및 합금분말 간 마찰열을 발생시켜 승온시키는 단계;
상기 승온된 온도를 통해 분말유리를 연화시키고, 비정질 합금분말의 표면에 균일하게 코팅되도록 하는 단계를 포함하는 절연코팅층을 갖는 파워인덕터용 비정질 합금분말의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 승온시키는 단계는 분말유리의 유리전이온도 이상 ~ 비정질 합금분말의 결정화 온도 미만의 온도 범위로 승온시키는 것인 절연코팅층을 갖는 파워인덕터용 비정질 합금분말의 제조방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 분말유리는 산화인을 포함하는 것을 특징으로 하는 절연코팅층을 갖는 파워인덕터용 비정질 합금분말의 제조방법.
산화인을 함유하는 유리가 10~20nm 범위의 균일한 두께로 공극이 없이 치밀하게 코팅된 절연코팅층을 갖는 파워인덕터용 비정질 합금분말.