KR20150094371A - 직류중첩특성이 우수한 연자성 코어 및 그 제조방법 - Google Patents

직류중첩특성이 우수한 연자성 코어 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

직류중첩특성이 우수한 연자성 코어 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면인 직류중첩특성이 우수한 연자성 코어는 메가 플럭스(Mega Flux) 분말 및 하이 플럭스(High Flux) 분말로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 분말의 성형체로 이루어진 내부 코어; 및 센더스트(sendust) 분말의 성형체로 이루어지고, 상기 내부 코어를 둘러싸는 외부 코어를 포함한다.

Description

직류중첩특성이 우수한 연자성 코어 및 그 제조방법{SOFT MAGNETIC CORE HAVING EXCELLENT DC BIAS CHARACTERISTICS AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 기술은 직류중첩특성이 우수한 연자성 코어 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스위칭 전원공급장치(Switching Mode Power Supply, SMPS)의 2차측 직류 회로의 인덕터로서, 전자노이즈 억제용 또는 평활 초크 코일용 연자성 코어 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 스위칭 전원공급장치의 소형화, 콤팩트(Compact)화, 고신뢰성의 경향에 따라 스위칭 전원공급장치(SMPS)의 전자노이즈 억제용 또는 평활 초크 코일용 연자성 코어 소재에 요구되는 특성이 더욱 까다로워지고 있으며, 특히 가격이 저렴하고, 낮은 코어 손실 값을 가지며, 우수한 직류중첩특성을 가질 것이 요구되고 있다.
여기서, 직류중첩특성이란, 전원장치에서 교류 입력을 직류로 변환시키는 과정에서 발생하는 미약한 교류 전류에 직류 전류가 중첩된 파행에 대한 자성 코어의 특성으로서, 통상 교류 전류에 직류 전류가 중첩된 경우 직류 전류에 비례하여 코어의 투자율이 감소하게 되는데, 이 때 직류를 중첩되지 않은 상태의 투자율 대비 직류중첩의 투자율의 비로 직류중첩특성을 평가하게 된다.
이와 같은 특성을 만족시키는 소재로는 분말로부터 제조된 연자성 코어가 있으며, 현재 연자성 코어 제조용 분말로 가장 널리 사용되고 있는 것으로는 Fe-Si-Al계 센더스트(Sendust) 분말, Fe-Ni계 하이 플럭스(High Flux) 분말, Fe-Si계 메가 플럭스(Mega Flux) 분말 등이 있다.
상기 소재 중 센더스트 합금은 투자율의 안정성이 우수하고, 코어 손실이 낮으며, 가격도 저렴한 편이지만, 고투자율을 얻기 어려우며 직류중첩특성이 낮은 단점이 있다. 또한, 하이 플럭스(High Flux) 합금은 코어 손실이 낮으며, 직류중첩특성이 우수하나, 니켈(Ni)을 50% 이상 포함하기 때문에 가격이 비싼 단점이 있으며, 메가 플럭스(Mega Flux) 합금은 직류중첩특성이 우수하고 가격도 저렴한 편이지만, 코어 손실이 센더스트 합금에 비해 약 3배 정도 높다는 단점이 있다.
한편, 특허문헌 1에서는 센더스트 분말에 하이 플럭스(High Flux) 분말 또는 MPP(Molly Permalloy Powder)를 혼합 후 성형 및 열처리하여 연자성 코어를 제조하는 기술을 개시하고 있다.
한국 공개특허공보 제2000-0046247호
본 발명의 일 측면은, 가격이 저렴하고, 낮은 코어 손실 값을 가지며, 우수한 직류중첩특성을 가지는 연자성 코어 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 메가 플럭스(Mega Flux) 분말 및 하이 플럭스(High Flux) 분말로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 분말의 성형체로 이루어진 내부 코어; 및 센더스트(sendust) 분말의 성형체로 이루어지고, 상기 내부 코어를 둘러싸는 외부 코어를 포함하는 직류중첩특성이 우수한 연자성 코어를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면은, 메가 플럭스(Mega Flux) 분말 및 하이 플럭스(High Flux) 분말로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 분말 100 중량부에 혼합 세라믹 0.1~4중량부를 첨가하여 절연코팅하고, 가압성형 및 열처리하여 내부 코어를 제조하는 단계; 센더스트(sendust) 분말 100 중량부에 혼합 세라믹 0.1~4중량부를 첨가하여 절연코팅하고, 가압성형 및 열처리 하여 외부 코어를 제조하는 단계; 및 상기 내부 코어를 외부 코어의 내부에 압입하는 단계를 포함하는 직류중첩특성이 우수한 연자성 코어의 제조방법을 제공한다.
덧붙여, 상기한 과제의 해결 수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점 및 효과는 하기의 구체적인 구현예를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명이 제공하는 연자성 코어는 낮은 코어 손실 값을 가지면 우수한 직류중첩특성을 가져, 스위칭 전원공급장치(SMPS)의 전자노이즈 억제용 또는 평활 초크 코일용 연자성 코어 소재 등에 바람직하게 적용될 수 있다.
나아가, 제조공정을 단순화함으로써 가격경쟁력이 우수한 장점이 있다.
본 발명자들은 스위칭 전원공급장치(SMPS)의 전자노이즈 억제용 또는 평활 초크 코일용 연자성 코어 소재에 요구되는 특성 중 낮은 코어 손실, 우수한 직류중첩특성을 확보하기 위하여 연구하던 중, 코어의 내부에 플럭스(flux)가 집중됨을 밝혀내고, 코어 손실이 낮은 센더스트 코어 내에 우수한 직류중첩특성을 가지는 ㅎ하이 플럭스(High Flux) 코어 또는 메가 플럭스(Mega Flux) 코어를 삽입할 경우 포화 자속 밀도를 높여 직류중첩특성을 보다 향상시킬 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
나아가, 위와 같은 연자성 코어 소재를 제조하기 위한 한가지 수단으로서, 센더스트 분말의 성형체인 외부 코어, 메가 플럭스(Mega Flux) 분말 및 하이 플럭스(High Flux) 분말로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 분말의 성형체인 내부 코어를 각각 별도로 제조하고, 이들을 단순 조립함으로써 제조공정을 단순화하고 이를 통해 경제성을 확보할 수 있음을 추가로 발견할 수 있었다.
이하, 본 발명의 일 측면인 직류중첩특성이 우수한 연자성 코어의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
내부 코어를 제조하는 단계
먼저, 메가 플럭스(Mega Flux) 분말 및 하이 플럭스(High Flux) 분말로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 분말 100 중량부에 혼합 세라믹 0.1~4중량부를 첨가하여 상기 분말을 절연코팅한다.
여기서, 메가 플럭스(Mega Flux) 분말은 중량%로, Si: 5~8%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 포함하는 합금 분말을 의미하며, 하이 플럭스(High Flux) 분말은 중량%로, Ni: 45~55%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 합금 분말을 의미한다.
상기 혼합 세라믹은 소듐 실리케이트(Sodium Silicate) 또는 포타슘 실리케이트(Potassium Silicate)를 기본으로 하는 세라믹 혼합물을 의미하며, 상기 세라믹 코팅은 개개의 분말을 서로 분리시킴으로써 연자성 코어 재료의 와전류 손실(Pev)를 줄이기 위한 것이다. 본 발명에서 상기와 같은 효과를 얻기 위해서는 상기 혼합 세라믹을 분말 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 이상 첨가함이 바람직하다. 다만, 4 중량부를 초과할 경우, 효과가 포화될 뿐만 아니라 경제적으로 불리하므로, 상기 혼합 세라믹의 함량은 분말 100 중량부에 대하여 0.1~4 중량부를 첨가하는 것이 바람직하다.
이후, 절연코팅이 이루어진 분말을 성형 다이에서 프레스에 의해 가압성형 및 열처리하여 내부 코어를 제조한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 가압성형시 분말 입자 간 마찰을 감소시켜 코어의 성형성을 향상시키고, 프레스의 금형을 보호하기 위하여, 상기 절연 코팅이 이루어진 분말에 윤활제를 더 첨가할 수 있다. 상기 윤활제의 종류 및 함량은 특별히 한정하지 아니하나, 아연(Zn), 아크로왁스(Acrowax), 아연-스테아레이트(Zn-Stearate) 또는 알루미늄-스테아레이트(Al-Stearate) 등을 사용할 수 있으며, 분말 100 중량부에 대하여 2 중량부 이하를 첨가할 수 있다.
상기 열처리는 가압성형된 분말의 잔류응력과 변형(stress)를 제거하기 위함으로, 열처리시 조건은 특별히 한정하지 아니하나, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 수소, 질소 또는 수소와 질소의 혼합가스 분위기 하에서 500~900℃의 온도에서 20~180분 동안 열처리할 수 있다.
열처리 온도가 500℃ 미만인 경우에는 히스테리시스 손실(Hysteresis Loss)가 크며, 900℃를 초과하는 경우에는 혼합 세라믹이 손상될 우려가 있다. 또한, 열처리 시간이 20분 미만인 경우 분말의 잔류응력과 변형(stress) 제거 효과가 충분하지 않으며, 180분을 초과하는 경우에는 그 효과가 포화될 뿐만 아니라 경제적으로 불리하다.
한편, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 내부 코어의 표면에 폴리에스테르 또는 에폭시 수지 등으로 코팅 처리할 수 있다. 이는 수분이나 외기(External Atmosphere)로부터 상기 내부 코어의 특성을 보호하기 위함이다.
외부 코어를 제조하는 단계
먼저, 센더스트(Sendust) 분말 100 중량부에 혼합 세라믹 0.1~4중량부를 첨가하여 상기 분말을 절연코팅한다.
여기서, 센더스트(Sendust) 분말은 중량%로, Si: 8~10%, Al: 4~6%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 포함하는 합금 분말을 의미한다.
상기 혼합 세라믹은 소듐 실리케이트(Sodium Silicate) 또는 포타슘 실리케이트(Potassium Silicate)를 기본으로 하는 세라믹 혼합물을 의미하며, 상기 세라믹 코팅은 개개의 분말을 서로 분리시킴으로써 연자성 코어 재료의 와전류 손실(Pev)를 줄이기 위한 것이다. 본 발명에서 상기와 같은 효과를 얻기 위해서는 상기 혼합 세라믹을 분말 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 이상 첨가함이 바람직하다. 다만, 4 중량부를 초과할 경우, 효과가 포화될 뿐만 아니라 경제적으로 불리하므로, 상기 혼합 세라믹의 함량은 분말 100 중량부에 대하여 0.1~4 중량부를 첨가하는 것이 바람직하다.
이후, 절연코팅이 이루어진 센더스트(Sendust) 분말을 성형다이에서 프레스에 의해 가압성형 및 열처리하여 외부 코어를 제조한다.
이 때, 상기 센더스트(Sendust) 분말을 위한 프레스의 금형은 내부 코어와 외부 코어 사이에 간격(gap)이 없도록 제조함이 바람직하다. 이는 내부 코어 및 외부 코어 간 밀착성을 확보하기 위함이다.
한편, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 가압성형시 센더스트(Sendust) 분말 입자 간 마찰을 감소시켜 코어의 성형성을 향상시키고, 프레스의 금형을 보호하기 위하여, 상기 절연 코팅이 이루어진 센더스트(Sendust) 분말에 윤활제를 더 첨가할 수 있다. 상기 윤활제의 종류 및 함량은 특별히 한정하지 아니하나, 아연(Zn), 아크로왁스(Acrowax), 아연-스테아레이트(Zn-Stearate) 또는 알루미늄-스테아레이트(Al-Stearate) 등을 사용할 수 있으며, 센더스트(Sendust) 분말 100 중량부에 대하여 2 중량부 이하를 첨가할 수 있다.
상기 열처리는 가압성형된 센더스트(Sendust) 분말의 잔류응력과 변형(stress)를 제거하기 위함으로, 열처리시 조건은 특별히 한정하지 아니하나, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 수소, 질소 또는 수소와 질소의 혼합가스 분위기 하에서 500~900℃의 온도에서 20~180분 동안 열처리할 수 있다.
열처리 온도가 500℃ 미만인 경우에는 히스테리시스 손실(Hysteresis Loss)가 크며, 900℃를 초과하는 경우에는 혼합 세라믹이 손상될 우려가 있다. 또한, 열처리 시간이 20분 미만인 경우 분말의 잔류응력과 변형(stress) 제거 효과가 충분하지 않으며, 180분을 초과하는 경우에는 그 효과가 포화될 뿐만 아니라 경제적으로 불리하다.
한편, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 외부 코어의 표면에 폴리에스테르 또는 에폭시 수지 등으로 코팅 처리할 수 있다. 이는 수분이나 외기(External Atmosphere)로부터 상기 외부 코어의 특성을 보호하기 위함이다.
내부 코어를 외부 코어의 내부에 압입하는 단계
상술한 방법에 의해 제조된 내부 코어를 외부 코어의 내부에 압입하여 연자성 코어를 제조한다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 압입은 프레스에 의해 이루어질 수 있으며, 상기 내부 코어 및 외부 코어 간 밀착력을 향상시키기 위하여 압입 후, 추가적인 열처리를 실시할 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 일 측면인 직류중첩특성이 우수한 연자성 코어에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 다른 일 측면인 직류중첩특성이 우수한 연자성 코어는 메가 플럭스(Mega Flux) 분말 및 하이 플럭스(High Flux) 분말로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 분말의 성형체로 이루어진 내부 코어; 및 센더스트(sendust) 분말의 성형체로 이루어지고, 상기 내부 코어를 둘러싸는 외부 코어를 포함한다.
스위칭 전원공급장치(SMPS)의 전자노이즈 억제용 또는 평활 초크 코일용 연자성 코어의 작동 환경에서, 코어의 내부에 플럭스(flux)가 집중되기 때문에, 상기와 같이 코어의 내부에 직류중첩특성이 우수한 하이 플럭스(High Flux) 코어 또는 메가 플럭스(Mega Flux) 코어가 위치할 경우 포화 자속 밀도를 높여 향상된 직류중첩특성을 나타내게 된다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
( 실시예 1)
하이 플럭스(High Flux) 분말 100중량부에 대해 혼합 세라믹 0.1중량부로 절연 코팅된 내부 코어용 분말을 준비하고, 센더스트(Sendust) 분말 100중량부에 대해 혼합 세라믹 0.1중량부로 절연 코팅된 외부 코어용 분말을 준비하였다.
내부 코어용 분말 및 외부 코어용 분말의 성형 전, 프레스 성형을 위한 금형을 제작하였으며, 외부 코어를 위한 금형은 외경 46.74mm, 내경 32.8mm, 높이 18mm인 원기둥 형태로 제작하였으며, 내부 코어를 위한 금형은 외경 32.8mm, 내경 24.13mm, 높이 18mm인 원기둥 형태로 제작하였다.
이어, 상기 내부 코어용 분말 및 외부 코어용 분말을 성형하고, 질소 분위기에서 1시간 동안 열처리 하였다. 열처리 온도는 센더스트(Sendust) 코어의 경우 770℃, 하이 플럭스(High-Flux) 코어의 경우 660℃로 일정하게 하였다. 이후, 내부 코어를 외부 코어 내부에 압입하여 연자성 코어(발명재 1)를 제조하였다.
한편, 비교재(비교재 1)로서 중량%로, 센더스트(Sendust) 분말 70% 및 하이 플럭스(High Flux) 분말 30%를 혼합하고, 혼합 분말 100중량부에 대해 혼합 세라믹 0.1중량부로 절연 코팅된 혼합 분말을 준비하였다. 프레스 성형을 위한 금형은 외경 46.74mm, 내경 24.13mm, 높이 18mm인 원기둥 형태로 제작하였다.
상기 절연 코팅된 혼합 분말을 상기 금형에 장입하여 성형하고, 질소 분위기에서 1시간 동안 열처리 하였다. 열처리 온도는 730℃로 일정하게 하였다.
상기 연자성 코어(발명재 1 및 비교재 1)의 투자율, 코어 손실 값 및 직류중첩특성을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
상기 연자성 코어의 자성 특성 평가는 제조된 코어의 표면에 0.55mm의 에나멜 동선을 36회 권선 후 정밀 LCR 미터(meter)를 사용하여 인덕턱스(L:uH)를 측정한 후, 하기 수학식 1로 나타낸 환형 코어(Toroidal Core)의 관계식에 의하여 투자율(μ)을 구하였다. 측정조건은 주파수 100kHz, 교류전압 1V, 직류를 중첩시키지 않은 상태(IDC=0A)이다.
[수학식 1]
Figure pat00001
(단, L은 인덕턴스(uH), μ는 투자율, N은 권선횟수, A는 코어의 종단면적(cm2), l은 평균자로의 길이(cm)임)
또한, 직류전류를 변화시키며 투자율의 변화를 측정하여 직류중첩특성을 검사하는데, 이 때 측정조건은 주파수 100kHz, 교류전압 1V, 측정자화강도(HDC)= 50 Oe (HDC=0.4πI/l 수식에서 전류계산)이다.
또한, 코어 손실 값은 B-H analyzer에서 측정하였으며, 1차 및 2차 권선을 22회하여 주파수 50kHz, 자속밀도 500G에서 측정하였다.
구분 투자율 코어 손실 값
(mW/cm3)		 직류중첩특성
(%)
발명재 1 58 48 86
종래재 1 61 46 80
표 1에 나타난 바와 같이, 발명재 1은 동일 중량의 비교재 1에 비하여 직류중첩특성이 약 6% 향상되었음을 확인할 수 있다.
( 실시예 2)
메가 플럭스(Mega Flux) 분말 100중량부에 대해 혼합 세라믹 0.1중량부로 절연 코팅된 내부 코어용 분말을 준비하고, 센더스트(Sendust) 분말 100중량부에 대해 혼합 세라믹 0.1중량부로 절연 코팅된 외부 코어용 분말을 준비하였다.
내부 코어용 분말 및 외부 코어용 분말의 성형 전, 프레스 성형을 위한 금형을 제작하였으며, 외부 코어를 위한 금형은 외경 46.74mm, 내경 32.8mm, 높이 18mm인 원기둥 형태로 제작하였으며, 내부 코어를 위한 금형은 외경 32.8mm, 내경 24.13mm, 높이 18mm인 원기둥 형태로 제작하였다.
이어, 상기 내부 코어용 분말 및 외부 코어용 분말을 성형하고, 질소 분위기에서 1시간 동안 열처리 하였다. 열처리 온도는 센더스트(Sendust) 분말 및 메가 플럭스(Mega Flux) 분말 모두 770℃로 일정하게 하였다. 이후, 내부 코어를 외부 코어 내부에 압입하여 연자성 코어(발명재 2)를 제조하였다.
한편, 비교재(비교재 2)로서 중량%로, 센더스트(Sendust) 분말 70% 및 메가 플럭스(Mega Flux) 분말 30%를 혼합하고, 혼합 분말 100중량부에 대해 혼합 세라믹 0.1중량부로 절연 코팅된 혼합 분말을 준비하였다. 프레스 성형을 위한 금형은 외경 46.76mm, 내경 24.13mm, 높이 18mm인 원기둥 형태로 제작하였다.
상기 절연 코팅된 혼합 분말을 상기 금형에 장입하여 성형하고, 질소 분위기에서 1시간 동안 열처리 하였다. 열처리 온도는 770℃로 일정하게 하였다.
상기 연자성 코어(발명재 2 및 비교재 2)의 투자율, 코어 손실 값 및 직류중첩특성을 측정하여 그 결과를 표 2에 나타내었으며, 측정조건은 실시예 1과 동일하게 하였다.
구분 투자율 코어 손실 값
(mW/cm3)		 직류중첩특성
(%)
발명재 2 61 75 85
종래재 2 61 71 77
표 2에 나타난 바와 같이, 발명재 2는 동일 중량의 비교재 2에 비하여 직류중첩특성이 약 8% 향상되었음을 확인할 수 있다.

Claims (3)

  1. 메가 플럭스(Mega Flux) 분말 및 하이 플럭스(High Flux) 분말로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 분말의 성형체로 이루어진 내부 코어; 및
    센더스트(sendust) 분말의 성형체로 이루어지고, 상기 내부 코어를 둘러싸는 외부 코어를 포함하는 직류중첩특성이 우수한 연자성 코어.
  2. 메가 플럭스(Mega Flux) 분말 및 하이 플럭스(High Flux) 분말로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 분말 100 중량부에 혼합 세라믹 0.1~4중량부를 첨가하여 상기 분말을 절연코팅하고, 가압성형 및 열처리하여 내부 코어를 제조하는 단계;
    센더스트(sendust) 분말 100 중량부에 혼합 세라믹 0.1~4중량부를 첨가하여 상기 분말을 절연코팅하고, 가압성형 및 열처리 하여 외부 코어를 제조하는 단계; 및
    상기 내부 코어를 외부 코어의 내부에 압입하는 단계를 포함하는 직류중첩특성이 우수한 연자성 코어의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 열처리는 수소, 질소 또는 수소와 질소의 혼합가스 분위기 하에서 500~900℃의 온도에서 20~180분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 직류중첩특성이 우수한 연자성 코어의 제조방법.
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