KR20170027293A

KR20170027293A - 자심 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20170027293A
Application number: KR1020160110685A
Authority: KR
Inventors: 사다아끼 사까모또; 유야 이시다
Original assignee: 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
Priority date: 2015-09-01
Filing date: 2016-08-30
Publication date: 2017-03-09
Also published as: KR101907745B1; US10128041B2; US20170062117A1; CN106486236A; JP2017050390A; JP6443269B2; TW201735064A; TWI632565B; CN106486236B

Abstract

내전압이 더욱 높고 코어 손실이 더 낮은 코일 부품을 위한 자심을 제공한다.
자심은, 연자성 재료의 표면에, 두께가 10㎚ 이상 100㎚ 이하의 범위인 산화물의 절연막을 갖는 연자성 재료 입자와, 연화점이 350℃ 이상 500℃ 이하의 범위인 비규산염 유리를 포함하고, 연자성 재료 입자를 결합시키고 있는 결합제를 포함하며, 연자성 재료는 비결정상을 포함하고, 결정 구조가 변화되는 600℃ 이하의 전이 온도를 가지며, 저항률이 10⁷Ω㎝ 이상이다.

Description

자심 및 그 제조 방법 {MAGNETIC CORE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은, 연자성 재료 입자를 결합제로 결합시킨 자심 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근 들어, 전기 기기 및 전자 기기의 소형화 등에 수반하여, 사용되는 트랜스나 코일에 사용되는 자성 코어에는, 고주파수에서의 고투자율 및 저와전류 손실 등의 특성이 요구되고 있다. 이 때문에, 자심으로서는, 고주파수 대역에서 저와전류 손실로 되도록 고저항일 것이 요구되고 있다. 이러한 자심의 일례로서, 예를 들어 자성 재료를 미세한 입자 분말로 하고, 각 입자의 표면을 절연 피막으로 덮어서 압축 성형한 압분 자심이 있다. 압분 자심에서는, 자성 재료를 벌크체로 사용했을 경우에 비하여 투자율은 저하되지만, 특히 저항값을 대폭 증가시킬 수 있어 와전류 손실을 현저히 감소시킬 수 있다.

종래, 평균 입경이 상이한 2종류 이상의 비정질 연자성 합금 분말과 저융점 유리를 혼합하고, 이어서, 얻어진 혼합물을 결착 절연 수지로 피복하고 가압 성형하여 성형체를 제작하고, 결정화 온도보다 낮은 온도에서 어닐링 처리하여 압분 자심을 얻는 방법이 알려져 있다(예를 들어 특허문헌 1 참조).

또한 코어 셸 구조를 갖는 금속 자성 분말에 대하여 유리 분말을 혼합하여 자성층 재료를 제조하는 방법이 알려져 있다(예를 들어 특허문헌 2 참조).

또한 비규산염 유리를 사용하고 금속 자성분을 포함한 적층 코일 부품이 개시되어 있다(예를 들어 특허문헌 3 참조).

일본 특허 공개 제2010-141183호 공보 일본 특허 공개 제2013-33966호 공보 일본 특허 공개 제2014-236112호 공보

그러나 상기 코일 부품 등에서는, 아직 충분한 내전압이 얻어지지 않으며, 코어 손실에 대해서도 충분치 않았다. 따라서 내전압이 더욱 높고 코어 손실이 더 낮은 코일 부품의 개발이 요망되고 있다.

본 발명의 목적은, 내전압이 더욱 높고 코어 손실이 더 낮은 코일 부품을 위한 자심을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 자심은, 연자성 재료의 표면에, 두께가 10㎚ 이상 100㎚ 이하의 범위인 절연막을 갖는 연자성 재료 입자와,

연화점이 350℃ 이상 500℃ 이하의 범위인 비규산염 유리를 포함하고, 상기 연자성 재료 입자를 결합시키고 있는 결합제를 포함하며,

상기 연자성 재료는 비결정상을 포함하고, 결정 구조가 변화되는 600℃ 이하의 전이 온도를 가지며,

저항률이 10⁷Ω㎝ 이상이다.

본 발명에 따른 자심에 의하면, 연자성 재료로서 비결정상을 가지므로, 고투자율 및 저보자력의 우수한 연자성 특성을 갖는다. 또한 연자성 재료를 사이에 둔 절연막과 결합제 중 절연막의 두께가 10㎚ 이상 100㎚ 이하의 범위이므로, 연자성 재료가 노출되지 않고 또한 연자성 재료의 표면으로부터 절연막이 박리되지 않는다. 이것에 의하여 저항률 10⁷Ω㎝ 이상의 높은 전기 저항을 유지할 수 있다. 그 결과, 저와전류 손실의 효과를 발휘할 수 있다. 또한 결합제로서 비규산염 유리를 포함하므로, 비교적 저온에서 소성할 수 있다.

도 1은 실시 형태 1에 따른 자심을 구성하는 연자성 재료 입자의 미세한 단면 구조를 도시하는 확대 단면도이다.
도 2는 실시 형태 1에 따른 자심의 미세한 단면 구조를 도시하는 확대 단면도이다.

제1 형태에 관한 자심은, 연자성 재료의 표면에, 두께가 10㎚ 이상 100㎚ 이하의 범위인 절연막을 갖는 연자성 재료 입자와,

저항률이 10⁷Ω㎝ 이상이다.

상기 구성에 의하면, 연자성 재료로서 비결정상을 가지므로, 고투자율 및 저보자력의 우수한 연자성 특성을 갖는다. 또한 연자성 재료를 사이에 둔 절연막과 결합제 중 절연막의 두께가 10㎚ 이상 100㎚ 이하의 범위이므로, 연자성 재료가 노출되지 않고 또한 연자성 재료의 표면으로부터 절연막이 박리되지 않는다. 이것에 의하여 저항률 10⁷Ω㎝ 이상의 높은 전기 저항을 유지할 수 있다. 그 결과, 저와전류 손실의 효과를 발휘할 수 있다. 또한 결합제로서 비규산염 유리를 포함하므로, 비교적 저온에서 소성할 수 있다.

제2 형태에 관한 자심은, 상기 제1 형태에 있어서, 상기 전이 온도는 결정화 온도여도 된다.

상기 구성에 의하면, 비결정상이 결정화되는 온도 미만의 저온에서 소성함으로써, 비결정상을 유지하면서 가공 변형에 기인하는 자기 변형을 제거할 수 있다.

제3 형태에 관한 자심은, 상기 제1 형태에 있어서, 상기 연자성 재료는, 비결정성의 매트릭스 중에 나노 결정이 분산된 헤테로 아몰퍼스 구조이며, 상기 전이 온도는 결정화 온도여도 된다.

상기 구성에 의하면, 헤테로 아몰퍼스 구조의 연자성 재료를 사용하고 있으므로, 더욱 우수한 연자성 특성을 얻을 수 있다.

제4 형태에 관한 자심은, 상기 제1 형태에 있어서, 상기 연자성 재료는, 나노 크기의 α-Fe상을 주상으로 하고 비결정상을 입계에 갖는 나노 결정 구조이며, 상기 전이 온도는 결정화 온도여도 된다.

상기 구성에 의하면, 나노 결정 구조의 연자성 재료를 사용하고 있으므로, 더욱 우수한 연자성 특성을 얻을 수 있다.

제5 형태에 관한 자심은, 상기 제1 내지 제4 중 어느 한 형태에 있어서, 상기 비규산염 유리는, 알칼리 금속의 함유량이 합계 0.1중량% 이하여도 된다.

상기 구성에 의하면, 알칼리 금속의 함유량이 적으므로, 절연막과의 반응을 억제할 수 있어 절연 특성의 열화를 억제할 수 있다.

제6 형태에 관한 자심은, 상기 제1 내지 제5 중 어느 한 형태에 있어서, 상기 비규산염 유리는, Bi-B-O 유리, V-Ba-Zn-O 유리, P-Sn-O 유리, V-Te-O 유리, Sn-P-O 유리의 군에서 선택되는 적어도 하나여도 된다.

상기 구성에 의하면, 비교적 저온에서의 소성에 의하여 연자성 재료 입자를 결합시킬 수 있다.

제7 형태에 관한 전자 부품은, 상기 제1 내지 제6 중 어느 한 형태의 상기 자심을 포함해도 된다.

상기 구성에 의하면, 상기 자심을 사용한 전지 부품을 제공할 수 있다.

제8 형태에 관한 자심의 제조 방법은, 비결정상을 포함하는 연자성 재료와, 금속 알콕시드와, 수용성 고분자와, 용매를 혼합하여 분산액을 준비하고,

상기 분산액으로부터 상기 용매를 제거하여, 상기 연자성 재료의 표면에, 상기 수용성 고분자를 포함하는 절연막을 갖는 연자성 재료 입자를 형성하고,

이어서, 상기 연자성 재료 입자와, 연화점의 범위가 350℃ 이상 500℃ 이하인 비규산염 유리를 혼합하여 혼합물을 형성하고,

상기 혼합물을 소성하여 자심을 얻는다.

상기 구성에 의하면, 먼저, 자심의 성형 시에 연자성 재료 입자의 절연막 중에 유연한 수용성 고분자가 존재하므로, 압축 성형 시의 응력을 완화할 수 있어 낮은 압력에서 성형할 수 있다. 그로 인하여, 자심의 제조 시의 압축 성형 시에도 연자성 재료 입자의 절연막의 파괴, 박리, 균열 등을 발생시키지 않아, 절연막 및 결합제의 파손을 발생시키지 않는다. 그 결과, 이 자심에 있어서, 저항률 10⁷Ω㎝의 고저항을 실현할 수 있어 저와전류 손실의 효과를 발휘할 수 있다. 또한 비결정상을 포함하는 Fe계의 연자성 재료를 사용함으로써 고투자율 및 저보자력의 우수한 연자성 특성을 갖는 자심을 얻을 수 있다. 또한 결합제로서 비규산염 유리를 포함하므로, 비교적 저온에서 소성할 수 있다. 또한 알칼리 금속의 함유량이 0.1중량% 이하로 적어, 절연막(2)과의 반응을 억제할 수 있어 절연 특성의 열화를 억제할 수 있다.

제9 형태에 관한 자심의 제조 방법은, 상기 제8 형태에 있어서, 상기 혼합물의 소성 온도는, 상기 연자성 재료의 결정 구조가 변화되는 전이 온도 미만의 온도여도 된다.

상기 구성에 의하면, 결정 구조가 변화되는 전이 온도 미만의 온도에서 소성하므로, 가공 변형에 기인하는 자기 변형을 제거할 수 있다. 이것에 의하여 코어 손실(코어 로스)을 저감시킬 수 있다.

제10 형태에 관한 자심의 제조 방법은, 상기 제8 형태에 있어서, 상기 혼합물의 소성 온도는 상기 연자성 재료의 결정화 온도 미만의 온도여도 된다.

제11 형태에 관한 자심의 제조 방법은, 상기 제8 형태에 있어서, 상기 연자성 재료는, 비결정성의 매트릭스 중에 나노 결정이 분산된 헤테로 아몰퍼스 구조이며, 상기 혼합물의 소성 온도는 상기 연자성 재료의 결정화 온도 미만의 온도여도 된다.

제12 형태에 관한 자심의 제조 방법은, 상기 제8 형태에 있어서, 상기 연자성 재료는, 나노 크기의 α-Fe상을 주상으로 하고 비결정상을 입계에 갖는 나노 결정 구조이며, 상기 혼합물의 소성 온도는 상기 연자성 재료의 결정화 온도 미만의 온도여도 된다.

제13 형태에 관한 자심의 제조 방법은, 상기 제8 내지 제12 중 어느 한 형태에 있어서, 상기 비규산염 유리는, 알칼리 금속의 함유량이 합계 0.1중량% 이하여도 된다.

제14 형태에 관한 자심의 제조 방법은, 상기 제8 내지 제13 중 어느 한 형태에 있어서, 상기 비규산염 유리는, Bi-B-O 유리, V-Ba-Zn-O 유리, P-Sn-O 유리, V-Te-O 유리, Sn-P-O 유리의 군에서 선택되는 적어도 하나여도 된다.

이하, 실시 형태에 따른 자심 및 그 제조 방법에 대하여 첨부 도면을 참조하면서 설명한다. 또한 도면에 있어서 실질적으로 동일한 부재에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 있다.

(실시 형태 1)

<자심>

도 1은, 실시 형태 1에 따른 자심을 구성하는 연자성 재료 입자(10)의 단면 구조를 도시하는 단면도이다. 도 2는, 실시 형태 1에 따른 자심(압분 자심)(20)의 구성을 도시하는 확대 단면도이다.

실시 형태 1에 따른 자심(20)은, 연자성 재료(1)의 표면에 절연막(2)을 갖는 연자성 재료 입자(10)가, 비규산염 유리를 포함하는 결합제(12)에 의하여 결합되어 있다. 절연막(2)의 두께는 10㎚ 이상 100㎚ 이하의 범위이다. 또한 비규산염 유리는, 연화점이 350℃ 이상 500℃ 이하의 범위이다. 이 자심(20)은 저항률 10⁷Ω㎝ 이상의 고저항을 갖는다. 또한 이 연자성 재료는 비결정상을 포함하고, 결정 구조가 변화되는 600℃ 이하의 전이 온도를 갖는다.

이 자심(20)은, 연자성 재료(1)로서 비결정상을 가지므로, 고투자율 및 저보자력의 우수한 연자성 특성을 갖는다.

이 자심(20)에 의하면, 절연막(2)과 결합제(12)에 의하여 연자성 재료(1)가 사이에 놓여 있다. 절연막(2)의 두께가 10㎚ 이상 100㎚ 이하의 범위이므로, 연자성 재료(1)가 노출되지 않고 또한 연자성 재료(1)의 표면으로부터 절연막(2)이 박리되지 않는다. 이것에 의하여, 절연막(2)과 결합제(12)에 의하여 저항률 10⁷Ω㎝ 이상의 높은 전기 저항을 유지할 수 있다. 그 결과, 저와전류 손실의 효과를 발휘할 수 있다. 또한 연자성 재료(1)를 덮는 절연막(2)이 비교적 얇으므로, 자심(20)에 있어서도 절연막(2)을 얇게 할 수 있다. 그 결과, 연자성 재료(1)를 고밀도로 할 수 있어 높은 투자율을 얻을 수 있다.

또한 이 자심(20)은 결합제로서 비규산염 유리를 포함하므로, 비교적 저온에서 소성할 수 있다. 또한 알칼리 금속의 함유량이 0.1중량% 이하로 적어, 절연막(2)과의 반응을 억제할 수 있어 절연 특성의 열화를 억제할 수 있다.

더욱이 또한 결정 구조가 변화되는 전이 온도 미만의 온도에서 소성하므로, 가공 변형에 기인하는 자기 변형을 제거할 수 있다. 특히 결정화 온도 미만에서 소성하는 경우, 비결정상을 유지하면서 가공 변형에 기인하는 자기 변형을 제거할 수 있다. 이것에 의하여 코어 손실(코어 로스)을 저감시킬 수 있다. 코어 손실은 1000㎾/㎥ 이하가 바람직하다. 또한 내전압은 5×10⁴V/m 이상이 바람직하다.

또한 이 자심(20)은 코일 부품, 인덕터 등의 전자 부품에 사용해도 된다. 여기서, 자심(20)이란, 코일 부품에 있어서 코일 형상의 도체가 감긴 부재이면 된다. 또는 자심(20)이란, 코일 부품에 있어서 코일 형상의 도체가 내부에 배치되어 있는 부재여도 된다. 코일 형상의 도체란, 코일 형상으로 감긴 선이어도 되고, 코일 형상으로 형성된 패턴화 도체여도 된다.

이하에, 이 자심(20)을 구성하는 부재에 대하여 설명한다.

<연자성 재료>

연자성 재료(1)로서는, 비결정성(아몰퍼스)으로 되는 연자성 재료, 예를 들어 FeSiBCr, FeCoB, FeCoSiB, FeSiBPCu 등의 Fe계의 금속 자성 재료이다. 이 연자성 재료는 불순물을 더 포함하고 있어도 된다.

이 연자성 재료(1)는 비결정상을 포함한다. 또한 결정 구조가 변화되는 600℃ 이하의 전이 온도를 갖는다. 결정 구조가 전이되는 온도란, 예를 들어 결정화 온도이다. 또한 연자성 재료는, 비결정성의 매트릭스 중에 나노 결정이 분산된 헤테로 아몰퍼스 구조여도 된다. 또한 연자성 재료는, 나노 크기의 α-Fe상을 주상으로 하고 비결정상을 입계에 갖는 나노 결정 구조여도 된다. 상기 나노 결정 구조는, 헤테로 아몰퍼스 구조 중에 수 ㎚의 α-Fe 입자를 핵으로 하는 나노 결정이 석출되며, 10㎚ 이상 20㎚ 이하의 입경의 α-Fe상을 주상으로 하고 비결정상을 입계에 약간 포함하는 균질한 조직으로 자기 조직화된 구조이다. 상기 자기 조직화된 구조는 매우 우수한 연자성 특성을 나타낸다.

예를 들어 FeSiBCr에서는, 조성에 대응하여, 예를 들어 550℃, 600℃ 등의 결정화 온도를 갖는 경우가 있다. FeCoB에서는, 470℃의 결정화 온도를 갖는 경우가 있다. FeCoSiB에서는, 조성에 대응하여, 예를 들어 500℃, 520℃ 등의 결정화 온도를 갖는 경우가 있다.

<절연막>

절연막(2)은 연자성 재료 입자(10)의 절연막(2)에서 유래한다. 즉, 절연막(2)은 무기 산화물 및 수용성 고분자를 포함한다. 단, 가열 소성 또는 가열 어닐링을 행하여 형성된 자심(이하, 어닐링형 자심이라고도 함)의 절연막(2)은 수용성 고분자를 포함하지 않는 경우가 있으며, 또한 어닐링형 자심의 절연막(2)이 포함하는 무기 산화물은, 상술한 금속종 M의 산화물 외에 Fe의 산화물을 포함하는 경우가 있다. 또한 연자성 재료로서 Fe와 Cr을 포함하는 합금(예를 들어 FeSiBCr)을 사용한 어닐링형 자심의 절연막(2)이 포함하는 무기 산화물은, 금속종 M의 산화물 및 Fe의 산화물 외에 Cr의 산화물을 더 포함하는 경우가 있다. 절연막(2)에서는, Cr보다 Si를 많이 포함하는 무기 산화물을 함유하는 것이, 내전압성이 높기 때문에 바람직하다.

절연막의 두께는 10㎚ 이상 100㎚ 이하의 범위이다. 10㎚ 미만의 경우에는, 지나치게 얇아져 연자성 재료가 노출될 우려가 있다. 100㎚을 초과하는 경우에는, 지나치게 두꺼워진 개소가 연자성 재료의 표면으로부터 박리될 우려가 있다. 절연막이 10㎚ 이상 100㎚ 이하의 범위인 두께를 가짐으로써, 10⁷Ω㎝ 이상의 저항률을 가져 높은 절연성이 얻어진다.

<결합제>

결합제(12)는 자심 제조 시에 첨가되는 결합제이다. 결합제(12)는 비규산염 유리를 포함하고 있으면 되며, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어 V-Te-O, Sn-P-O, Bi-B-O이며, 연화점이 350℃ 이상 500℃ 이하인 것을 사용할 수 있다. 이들은 단독, 또는 그들 중 2종류 이상의 조합으로부터 선택해도 된다. 또한 결합제에는 열경화성 수지를 더 포함해도 된다. 열경화성 수지로서는, 예를 들어 에폭시 수지, 이미드 수지, 실리콘 수지, 불소 수지 등을 사용할 수 있다. 이들은 단독, 또는 그들 중 2종류 이상의 조합으로부터 선택해도 된다. 이 절연막(2)과 결합제(12)에 의하여 연자성 재료(1)끼리가 사이에 놓여 있다.

또한 결합제(12)인 비규산염 유리는, 알칼리 금속의 함유량이 합계 0.1중량% 이하인 것이 바람직하다. 알칼리 금속의 함유량이 0.1중량%를 초과하면, 알칼리 금속이 절연막(2)과 반응함으로써 절연 특성이 열화되어 버릴 우려가 있다. 즉, 종래의 규산염 유리를 결합제로서 사용했을 경우에는, 소성 온도를 500℃ 정도로 억제하기 위해서는 Li, K, Na 등의 다량의 알칼리 금속을 함유시킬 필요가 있었다. 이 경우, 다량으로 포함되는 Li, K, Na 등의 알칼리 금속과 절연막(2)의 SiO₂가 반응하여 절연 특성이 열화되는 경우가 있었다. 실시 형태 1에 따른 자심의 경우에는, 비규산염 유리를 사용함으로써 저온에서의 소성을 실현하고, 알칼리 금속의 함유량을 낮게 억제함으로써 절연막의 절연 특성의 열화를 억제할 수 있다.

결합제(12)로서 비규산염 유리를 사용함으로써, 비교적 저온에서의 소성에 의하여 자심을 제조할 수 있다. 또한 알칼리 금속의 함유량이 0.1중량% 이하로 적으므로, 절연막(2)의 절연 특성의 열화를 억제할 수 있다.

<자심의 제조 방법>

다음으로, 자심(20)의 제조 방법에 대하여 이하에 설명한다.

(1) 연자성 재료와, 금속 알콕시드와, 수용성 고분자와, 용매를 혼합하여 분산액을 준비한다. 예를 들어 수용성 고분자를, 연자성 재료에 대하여 0.01wt% 이상 1wt% 이하의 범위로 되는 양으로 용매에 첨가한다. 또한, 예를 들어 금속 알콕시드로서 실리콘 알콕시드를 사용했을 경우에는, 연자성 재료에 대하여 SiO₂ 환산으로 0.01wt% 이상 5wt% 이하로 되는 양으로 실리콘 알콕시드를 용매에 첨가한다.

(2) 분산액으로부터 용매를 제거하여, 연자성 재료(1)의 표면에, 수용성 고분자를 포함하는 절연막(2)을 갖는 연자성 재료 입자(10)를 형성한다. 용매의 제거는, 예를 들어 건조시킴으로써 용매를 제거해도 된다. 이때, 금속 알콕시드가 가수분해되어, 연자성 재료(1)의 표면에, 금속 알콕시드의 가수분해물인 금속 산화물과 수용성 고분자를 포함하는 절연막(2)이 형성된다.

(3) 연자성 재료 입자(10)와, 연화점의 범위가 350℃ 이상 500℃ 이하인 비규산염 유리를 혼합하여 혼합물을 형성한다. 비규산염 유리는 연자성 재료(1)를 결합시키는 결합제(12)로서 기능한다. 이 비규산염 유리는, 연화점이 350℃ 이상 500℃ 이하의 범위이면 된다. 비규산염 유리로서는, 예를 들어 V-Te-O, Sn-P-O, Bi-B-O 등을 들 수 있다. 이들은 단독, 또는 그들 중 2종류 이상의 조합으로부터 선택된다. 결합제(12)는, 자심 100wt%에 대하여 1wt% 이상 6wt% 이하의 범위로 첨가해도 된다.

또한 자심의 강도를 높이기 위하여 유리 프릿이나 실란 커플링제를 사용할 수도 있다. 또한 압축 성형을 행해도 되며, 압축 성형 시에는 금형을 사용해도 된다. 압축 성형을 행함으로써 연자성 재료(1)의 밀도를 높게 할 수 있다. 또한 압축 성형은 필수는 아니며, 필요에 따라 행하면 된다. 압축 성형을 행하여 얻어진 자심을 압분 자심이라 한다. 한편, 압축 성형을 행하지 않은 자심도 간단히 자심이라 칭해진다. 여기서는, 「자심」이라고 하는 경우에는, 압축 성형의 유무를 막론하고 널리 자심 전체를 포함하는 것으로 한다.

(4) 혼합물을 소성하여 자심(20)을 얻는다. 소성 온도는, 예를 들어 연자성 재료(1)의 결정 구조가 변화되는 전이 온도 미만의 온도이면 된다. 구체적으로는, 연자성 재료(1)가 비결정상을 포함하는 경우에는, 혼합물의 소성 온도는 연자성 재료(1)의 결정화 온도 미만의 온도이면 된다. 연자성 재료(1)가, 비결정성의 매트릭스 중에 나노 결정이 분산된 헤테로 아몰퍼스 구조인 경우에는, 연자성 재료(1)의 결정화 온도 미만의 온도이면 된다. 연자성 재료(1)가, 나노 크기의 α-Fe상을 주상으로 하고 비결정상을 입계에 갖는 나노 결정 구조인 경우에는, 혼합물의 소성 온도는 연자성 재료(1)의 결정화 온도 미만의 온도이면 된다. 소성 온도는, 상기 전이 온도 미만에서 소성함으로써, 비결정상을 유지하면서 가공 변형에 기인하는 자기 변형을 제거할 수 있다. 이것에 의하여 코어 손실(코어 로스)을 저감시킬 수 있다. 이 경우, 소성 온도는 전이 온도 미만의 온도이다. 또한 소성 온도는 전이 온도에 가능한 한 가까운 온도, 예를 들어 전이 온도를 기준으로 하여 (전이 온도-50℃) 이상 (전이 온도-10℃) 이하의 범위가 바람직하다. 이것에 의하여 자기 변형을 더 제거할 수 있어, 코어 손실(코어 로스)을 보다 저감시킬 수 있다.

또한 그 후에 가열 어닐링 처리를 행해도 된다. 코어 손실은 주파수에 의존하기 때문에, 사용하는 자심의 주파수 대역에 따라서는 어닐링 처리를 생략할 수도 있다. 필요에 따라, 자심을 400℃ 이상의 온도에서 어닐링 처리를 행한다. 어닐링 처리는, 구체적으로는, 예를 들어 400℃ 이상 900℃ 이하의 온도 범위, 또한 600℃ 이상 900℃ 이하의 온도 범위의 대기 중, N₂ 또는 N₂+H₂ 분위기에서 열처리해도 된다.

이상에 의하여 자심을 얻을 수 있다. 400℃ 이상의 어닐링 처리를 행한 자심은, 예를 들어 어닐링형 자심이라 칭해진다. 한편, 어닐링 처리를 행하지 않는 자심은, 예를 들어 가열 경화형 자심이라 칭해진다.

이 자심의 제조 방법에 의하면, 먼저, 비결정상을 포함하는 Fe계의 연자성 재료(1)를, 수용성 고분자를 포함하는 절연막(2)으로 덮은 연자성 재료 입자(10)를 얻을 수 있다. 이어서, 이 연자성 재료 입자(10)와 비규산염 유리를 혼합하여 혼합물로 하고 소성함으로써, 자심을 얻고 있다. 자심의 성형 시에 연자성 재료 입자(10)의 절연막(2) 중에 유연한 수용성 고분자가 존재하므로, 압축 성형 시의 응력을 완화할 수 있어 낮은 압력에서 성형할 수 있다. 그 결과, 자심(20)의 제조 시의 압축 성형 시에도 연자성 재료 입자(10)의 절연막(2)의 파괴, 박리, 균열 등을 발생시키지 않아, 절연막(2) 및 결합제(12)의 파손을 발생시키지 않는다. 그 결과, 이 자심에 있어서, 저항률 10⁷Ω㎝의 고저항을 실현할 수 있어 저와전류 손실의 효과를 발휘할 수 있다.

또한 비결정상을 포함하는 Fe계의 연자성 재료(1)를 사용함으로써, 고투자율 및 저보자력의 우수한 연자성 특성을 갖는 자심을 얻을 수 있다.

더욱이 결합제로서 비규산염 유리를 포함하므로, 비교적 저온에서 소성할 수 있다. 또한 알칼리 금속의 함유량이 0.1중량% 이하로 적어, 절연막(2)과의 반응을 억제할 수 있어 절연 특성의 열화를 억제할 수 있다.

더욱이 또한 결정 구조가 변화되는 전이 온도 미만의 온도에서 소성하므로, 비결정상을 유지하면서 가공 변형에 기인하는 자기 변형을 제거할 수 있다. 이것에 의하여 코어 손실(코어 로스)을 저감시킬 수 있다.

이하에, 이 자심의 제조 방법에 있어서의 각 재료에 대하여 설명한다.

<연자성 재료>

연자성 재료(1)는 상기와 마찬가지이므로, 설명을 생략한다.

<절연막>

절연막(2)은 무기 산화물과 수용성 고분자를 포함한다.

<무기 산화물>

무기 산화물을 구성하는 금속종 M으로서는, Li, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Ti, Cu, Sr, Y, Zr, Ba, Ce, Ta, Bi로부터 적어도 1종을 선택할 수 있다. 또한, 예를 들어 얻어지는 산화물의 강도와 고유한 비저항으로부터 Si, Ti, Al, Zr이 적합하다. 이 금속종 M은, 절연막(2)을 형성하는 데 사용되는 금속 알콕시드의 금속이다. 구체적인 무기 산화물로서는 SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, ZrO가 바람직하다. SiO₂가 특히 바람직하다.

또한 무기 산화물은 연자성 재료(1)에 대하여 0.01wt% 이상 5wt% 이하의 범위에서 포함되어 있다.

<수용성 고분자>

수용성 고분자로서는, 폴리에틸렌이민, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에틸렌글리콜, 폴리아크릴산나트륨, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리비닐알코올, 젤라틴으로부터 적어도 1종, 또는 그들 중 2종류 이상의 조합으로부터 선택된다.

수용성 고분자는 연자성 재료(1)에 대하여 0.01wt% 이상 1wt% 이하의 범위에서 포함되어 있다.

<용매>

용매로서는 물을 사용해도 된다. 또한 메탄올, 에탄올 등의 알코올류를 사용해도 된다.

<금속 알콕시드>

첨가하는 M-OR의 형태를 갖는 금속 알콕시드의 금속종 M으로서는, Li, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Ti, Cu, Sr, Y, Zr, Ba, Ce, Ta, Bi로부터 적어도 1종을 선택할 수 있다. 또한, 예를 들어 얻어지는 산화물의 강도와 고유한 비저항으로부터 Si, Ti, Al, Zr이 적합하다.

또한 금속 알콕시드의 알콕시기 OR으로서는, 메톡시기, 에톡시기, 프로폭시기 등 임의의 것을 선택할 수 있다.

또한 금속 알콕시드는 2종류 이상을 조합해도 된다.

금속 알콕시드의 가수분해 속도를 촉진시키기 위하여, 필요에 따라 산성 촉매로서, 예를 들어 염산, 아세트산, 인산이나, 염기성 촉매로서, 예를 들어 암모니아, 수산화나트륨, 피페리딘, 또는 염 촉매로서, 예를 들어 탄산암모늄, 아세트산 암모늄을 첨가해도 된다.

교반한 후의 분산액을 적당한 방법(오븐, 스프레이, 진공 중 등)으로 건조시켜도 된다. 건조 온도는, 예를 들어 50℃ 이상 300℃ 이하의 온도 범위여도 된다. 건조 시간은 적절히 설정할 수 있다. 예를 들어 10분 이상 24시간 이하의 범위여도 된다.

<비규산염 유리>

비규산염 유리에 대해서는 상기와 마찬가지이므로, 설명을 생략한다.

(실시예)

이하에, 실시예에 따른 자심의 제조 방법 및 얻어진 자심에 대하여 설명한다.

이 자심의 제조 방법에 대하여, 연자성 재료의 절연 처리와 자심의 제작으로 나누어 설명한다.

<연자성 재료의 절연 처리>

(1) 37.2g의 에탄올 중에 연자성 재료로서 평균 입경 30㎛의 FeSiBCr 분말을 20g 첨가한다.

(2) 다음으로, 테트라에틸오르토실리케이트를, SiO₂ 환산으로 연자성 재료에 대하여 1wt%로 되도록 칭량하고, FeSiBCr 분말이 첨가된 에탄올 중에 실온에서 첨가하였다.

(3) 또한 연자성 재료 100wt%에 대하여 0.1wt%로 되도록 수용성 고분자인 폴리비닐피롤리돈을 칭량하고 3.2g의 순수에 용해시켜, FeSiBCr 분말이 첨가된 에탄올 중에 적하하였다. 그 후, 60분 간에 걸쳐 교반 혼합하였다.

이상에 의하여, 절연 처리된 연자성 재료 입자(10)를 얻었다.

<자심의 제작>

(a) 얻어진, 절연 처리된 연자성 재료 입자 95g과, 결합제로서의 평균 입경 1㎛의 유리 5g과 아크릴 수지 5g를 혼합하고, 4t/㎠의 압력으로, 직경 10㎜, 두께 1㎜의 원기둥 시료와, 내경 4㎜, 외경 9㎜, 두께 1㎜의 링 시료의 2종류를 제작하였다.

또한 유리로는, 조성이 비규산염 유리인 V-Te-O, Sn-P-O, Bi-B-O 중 적어도 하나이고, 연화점이 350℃ 내지 500℃인 것을 사용하였다. 유리의 연화점은 TG-DTA 열분석의 흡열 피크로 확인하였다.

(b) 이어서, 원기둥 시료와 링 시료를 공기 중 300℃에서 가열 처리하여 수지 성분을 제거 후, 질소 중 500℃에서 소성하였다.

이상에 의하여 자심(압분 자심)을 얻었다.

<특성 평가>

이하에, 얻어진 자심의 각 특성 평가에 대하여 설명한다.

<코어 손실의 측정>

링 시료에 대하여 BH 애널라이저(Iwatsu SY-8218)로 자기 특성을 평가하고, 1㎒의 코어 손실을 측정하였다.

<전기적 특성의 측정>

또한 고저항 측정기(ADVANTEST R830A ULTRA HIGH REGISTANCE METER)에 의하여, 상하면에 전극을 부착한 원기둥 시료의 전극 간에 전압을 부하하여 저항을 측정하고, 저항률과 내전압을 구하였다.

<절연막의 구조, 조성 및 두께의 측정>

또한 박편 가공한 링 시료를 사용하여 투과형 전자 현미경으로 절연막을 관찰하고, 두께의 측정과 EDX로 절연막의 조성을 분석하였다. 또한 연자성 재료 입자의 전자선 회절을 행하여 아몰퍼스인 것을 확인하였다. 또한 유리 부분의 EDX 분석으로 성분에 변화가 없는지 확인하였다.

또한 박편 가공한 링 시료를 사용하여, 투과형 전자 현미경으로 10만 배 내지 20만 배로 5시야의 관찰 화상에 대하여 각각 5군데의 절연막의 두께를 측장하고 평균하여, 절연막의 두께를 구하였다. 또한 EDX로 절연막의 조성을 분석하였다.

표 1에는, 실시예로서 절연막의 두께를 변화시킨 것(실시예 1 내지 4)과, 비교예로서 절연막의 두께가 범위 외인 것(비교예 1, 2)의 제조 조건 및 측정 결과를 나타낸다.

또한 표 2에는, 다른 실시예로서 상이한 조성을 갖는 비규산염 유리를 사용한 것(실시예 5, 6)과, 다른 비교예로서 규산염 유리를 사용한 것(비교예 3, 4)의 제조 조건 및 측정 결과를 나타낸다.

더욱이 표 3에는, 다른 실시예로서 상이한 전이 온도를 갖는 연자성 재료를 사용한 것(실시예 7)과, 다른 비교예로서 결정성의 연자성 재료를 사용한 것(비교예 5)의 제조 조건 및 측정 결과를 나타낸다.

더욱이 또한 표 4에는, 다른 비교예로서 절연막의 형성 시에 수용성 고분자인 폴리비닐피롤리돈을 첨가하지 않은 것(비교예 6)과, 다른 실시예로서 상이한 연화점을 갖는 비규산염 유리를 사용한 것(실시예 8, 9)의 제조 조건 및 측정 결과를 나타낸다.

또한 본 개시에 있어서는, 상술한 다양한 실시 형태 중 임의의 실시 형태를 적절히 조합하는 것을 포함하는 것이며, 각각의 실시 형태가 갖는 효과를 발휘할 수 있다.

1: 연자성 재료
2: 절연막
10: 연자성 재료 입자
12: 결합제
20: 자심(압분 자심)

Claims

연자성 재료의 표면에, 두께가 10㎚ 이상 100㎚ 이하의 범위인 절연막을 갖는 연자성 재료 입자와,
연화점이 350℃ 이상 500℃ 이하의 범위인 비규산염 유리를 포함하고, 상기 연자성 재료 입자를 결합시키고 있는 결합제를 포함하며,
상기 연자성 재료는 비결정상을 포함하고, 결정 구조가 변화되는 600℃ 이하의 전이 온도를 가지며,
저항률이 10⁷Ω㎝ 이상인 자심.
제1항에 있어서,
상기 전이 온도는 결정화 온도인 자심.
제1항에 있어서,
상기 연자성 재료는, 비결정성의 매트릭스 중에 나노 결정이 분산된 헤테로 아몰퍼스 구조이며, 상기 전이 온도는 결정화 온도인 자심.
제1항에 있어서,
상기 연자성 재료는, 나노 크기의 α-Fe상을 주상으로 하고 비결정상을 입계에 갖는 나노 결정 구조이며, 상기 전이 온도는 결정화 온도인 자심.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 비규산염 유리는, 알칼리 금속의 함유량이 합계 0.1중량% 이하인 자심.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 비규산염 유리는, Bi-B-O 유리, V-Ba-Zn-O 유리, P-Sn-O 유리, V-Te-O 유리, Sn-P-O 유리의 군에서 선택되는 적어도 하나인 자심.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 상기 자심을 포함하는 전자 부품.
비결정상을 포함하는 연자성 재료와, 금속 알콕시드와, 수용성 고분자와, 용매를 혼합하여 분산액을 준비하고,
상기 분산액으로부터 상기 용매를 제거하여, 상기 연자성 재료의 표면에, 상기 수용성 고분자를 포함하는 절연막을 갖는 연자성 재료 입자를 형성하고,
이어서, 상기 연자성 재료 입자와, 연화점의 범위가 350℃ 이상 500℃ 이하인 비규산염 유리를 혼합하여 혼합물을 형성하고,
상기 혼합물을 소성하여 자심을 얻는, 자심의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 혼합물의 소성 온도는, 상기 연자성 재료의 결정 구조가 변화되는 전이 온도 미만의 온도인, 자심의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 혼합물의 소성 온도는 상기 연자성 재료의 결정화 온도 미만의 온도인, 자심의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 연자성 재료는, 비결정성의 매트릭스 중에 나노 결정이 분산된 헤테로 아몰퍼스 구조이며, 상기 혼합물의 소성 온도는 상기 연자성 재료의 결정화 온도 미만의 온도인, 자심의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 연자성 재료는, 나노 크기의 α-Fe상을 주상으로 하고 비결정상을 입계에 갖는 나노 결정 구조이며, 상기 혼합물의 소성 온도는 상기 연자성 재료의 결정화 온도 미만의 온도인, 자심의 제조 방법.
제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 비규산염 유리는, 알칼리 금속의 함유량이 합계 0.1중량% 이하인, 자심의 제조 방법.
제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 비규산염 유리는, Bi-B-O 유리, V-Ba-Zn-O 유리, P-Sn-O 유리, V-Te-O 유리, Sn-P-O 유리의 군에서 선택되는 적어도 하나인, 자심의 제조 방법.
제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수용성 고분자는, 폴리에틸렌이민, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에틸렌글리콜, 폴리아크릴산나트륨, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리비닐알코올, 젤라틴의 군에서 선택되는 적어도 하나인, 자심의 제조 방법.
제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수용성 고분자는 폴리비닐피롤리돈인, 자심의 제조 방법.