KR20170065353A - 무선충전모듈용 고밀도 자성소재의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 무선충전모듈용 고밀도 자성소재 및 이를 구비하는 무선충전모듈 - Google Patents

무선충전모듈용 고밀도 자성소재의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 무선충전모듈용 고밀도 자성소재 및 이를 구비하는 무선충전모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선충전모듈용 고밀도 자성소재의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 무선충전모듈용 고밀도 자성소재 및 이를 구비하는 무선충전모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연자성 금속분말을 소정 크기와 형상을 갖도록 제어하는 단계, 각각의 입자의 표면에 절연막을 형성하는 절연 처리하는 단계, 상기 절연 금속분말을 가압하여 소정의 형상으로 가공하는 성형 단계, 성형 단계로부터 제조되는 자성소재를 열처리하는 단계를 포함하여 이루어지는 자성소재의 제조방법을 제공하며, 본 발명에 따라 제조되는 자성소재는 금속분말의 체적분율이 55 내지 75%이고, 두께 50㎛ 이상으로 제조되며, 무선충전모듈의 작동 주파수 대역인 100 내지 200 ㎑의 주파수 대역에서 투자율이 250 이상 인 것을 특징으로 한다.

Description

무선충전모듈용 고밀도 자성소재의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 무선충전모듈용 고밀도 자성소재 및 이를 구비하는 무선충전모듈{Manufacturing method of magnetic materials for wireless charging module, and magnetic materials, and wireless charging module using the same}
본 발명은 무선충전모듈용 고밀도 자성소재를 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 40W 이상의 전력을 무선으로 전송하는 무선충전모듈의 주파수 대역에서 포화되지 않고 무선전력전송 효율이 우수한 무선충전모듈용 고밀도 자성소재의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 무선충전모듈용 고밀도 자성소재 및 이를 구비하는 무선충전모듈에 관한 것이다.
무선충전 방식은 자기유도 방식과 자기공진 방식, 마이크로파 방식으로 나눌 수 있으며, 이중 자기유도 방식은 이미 스마트폰과 같은 휴대용 전자기기에 채택되어 상용화가 진행되었고, 충전효율을 높이기 위한 기술개발이 진행되고 있다.
자기유도 방식의 경우, 100 내지 200㎑ 대역의 주파수를 사용하며, 근접 전송효율이 높고, 인체에 유해성 문제가 낮아 스마트폰과 같은 휴대용 기기의 무선충전에 적용하여 사용되고 있으며, 여기에 사용되는 자성재료는 전력을 전송하는 Tx 용과 전력을 수신하는 Rx용 소재로 구분된다.
상업적으로 Rx용 자성소재는 Fe-Si-B계 비정질 리본을 열처리하여 크랙킹하고 적층함으로써 소재의 비저항을 줄여 주파수 성능을 개선한 소재가 사용되고 있으며, Tx용 소재로는 초기에는 편상 센더스트 입자와 고무의 복합자성시트가 사용되었으나, 최근에는 100 내지 200kHz 대역에서 투자율이 높고 손실 탄젠트가(loss tangent) 낮아 충전효율 및 방열 특성에 있어서 유리한 Mn-Zn 페라이트 소재가 사용되고 있는 추세이다.
이와 관련하여 대한민국 등록특허 제 10-1534542호(발명의 명칭: 무선 충전 및 근거리 통신 동시 구현용 하이브리드 자성시트 및 이를 포함하는 하이브리드 전자부품 모듈, 이하 종래기술 1이라고 한다.)는 무선 충전 및 근거리 통신을 동시에 구현할 수 있는 하이브리드 자성시트에 관한 것으로, 무선 충전용 제1자성시트로써 망간-아연계 페라이트 소결체를 포함하고, 제1자성시트를 둘러싼 근거리 통신용 제2자성시트로써 니켈-아연계 페라이트 소결체를 포함하여 무선충전 및 근거리 통신 동시 구현이 가능한 것을 특징으로 하는 하이브리드 자성시트에 관하여 개시하고 있다.
또한, 일본 등록특허 제3807791호(발명의 명칭: 복합자성시트의 제조방법, 이하, 종래기술 2라고 한다.)는 연자성 금속분말을 편상 형태로 가공한 후, 바인더를 사용하여 인쇄 적층법에 따라 시트를 제조하고 이 시트들을 적층하여 열간 프레스로 가압 성형하는 방식으로 시트를 제조하는 방법에 관하여 개시한 바 있다.
KR 10-1534542 JP 3807791
종래기술 1은 망간-아연계 페라이트 소결체 및 니켈-아연계 페라이트 소결체를 포함하여 제조되는 무선충전모듈 및 근거리 무선통신용 하이브리드 자성시트에 관한 기술을 개시하고 있으나, 무선충전모듈에 적합한 두께로 제조되는 망간-아연계 페라이트 소결체 및 니켈-아연계 페라이트 소결체는 초기 투자율은 높지만 포화 자화(Bs)가 낮아 적용되는 제품의 사용전력이 높은 경우 특히, 소비전력이 40W급 이상인 경우에는 쉽게 포화되기 때문에 차폐재로 사용할 시 투자율이 현저하게 감소되어 소재의 두께를 증가시켜야 함으로, 차폐재를 사용할 수 있는 공간의 제약이 있거나 무게의 제한이 있는 무선충전모듈에서는 충전효율을 크게 저하시키는 문제점이 있었다.
또한, 종래기술 2는 자성시트 내에 다량의 바인더를 사용하기 때문에 연자성 금속분말의 체적분율을 55% 이상 높게 제조하는 것이 곤란하고, 시트 형상으로 가공하면서 시트에 가해지는 잔류응력에 의한 성능저하 문제, 아울러, 잔류응력을 제거하기 위한 열처리 공정이 곤란한 소재이기 때문에 무선충전모듈의 충전효율을 향상시키면서도 고밀도의 자성시트를 제조하기에는 곤란한 구성을 갖추고 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 소비전력 40W급 이상의 높은 전력을 전송하는 무선충전 모듈의 자기장 차폐에 적합한 고밀도 자성소재에 관한 기술을 제공하는 것이다. 구체적으로 본 발명은, 무선충전모듈용 자성소재에 있어서, 연자성 금속분말의 크기 및 형상을 제어하여 높은 투자율을 확보하고, 최종적으로 제조되는 소재 내 자성분말의 체적분율이 55% 이상인 고밀도 및 고투자율 자성시트에 관한 기술을 제공하고자 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예는 무선충전모듈용 고밀도 자성소재의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 있어서, 자성소재는 연자성 금속분말을 편상화시키는 편상화 단계, 편상화 단계에서 수득된 편상 금속분말의 표면을 절연코팅제로 코팅하여 편상 금속분말 각각의 표면에 절연막을 형성하는 절연처리 단계, 절연처리 단계에서 얻어진 절연 금속분말을 가압하여 소정의 형상을 갖도록 가공하는 성형 단계, 성형단계에서 제조된 자성소재 내에 축적된 잔류응력을 제거하기 위한 열처리 단계를 포함하여 제조될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 열처리 단계 이후에, 열처리된 자성소재의 표면에 절연재료를 피복하여 전기 절연층을 형성하는 절연재료 피복 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 절연재료 피복 단계의 이후에, 절연재료가 피복된 자성소재를 절연재료로 진공함침하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 연자성 금속분말은 Fe-Si-Al 합금 분말, Fe-Ni 합금 분말 및 Ni-Fe-Mo 합금 분말, Fe-Si 합금 분말, Fe-Co-Ni 합금 분말, Fe-Cr-Si, Fe-Cr 및 Fe-Al 합금 분말로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 편상화 단계의 이전에 연자성 금속분말을 분급하여 7 내지 15㎛로 분말의 평균입도를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 편상화 단계에서 수득되는 편상 금속분말의 겉보기 밀도는 0.3 내지 2.0g/cc이고, 종횡비는 10 내지 200일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 편상화 단계와 절연처리 단계의 사이에 편상화 단계에서 수득된 편상 금속분말을 분급하여 40 내지 80㎛로 편상 금속분말의 평균 입도를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 절연처리 단계의 절연코팅제는 실란계 커플링제, 티타늄계 커플링제, 폴리실라잔(polysilazane), 실리카 졸, 티타니아 졸, 마그네시아 졸, 알루미나 졸, 분말 글래스로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 절연처리 단계는 절연코팅제를 용매와 소정의 비율로 혼합하여 희석된 절연코팅제를 제조하는 단계, 희석된 절연코팅제 중 용매를 제외한 절연코팅제 1 내지 6wt%에 해당하는 희석된 절연코팅제와 편상 금속분말 94 내지 99wt% 를 혼합하고 소정의 시간 동안 교반하는 단계, 희석된 절연코팅제와 편상 금속분말의 혼합물을 70 내지 130℃의 온도로 가열하여 용매를 제거하는 단계를 포함하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 성형 단계는 절연 금속분말을 8 내지 16 ton/cm2 의 압력으로 상온 가압하여 소정의 형상으로 성형 가공하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 성형 단계는 절연 금속분말을 1 내지 7 ton/cm2 의 압력으로 열간 가압하여 소정의 형상으로 성형 가공하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 열처리 단계는 자성소재를 비활성기체 분위기하에서 500 내지 900℃의 온도로 열처리하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 상기 제조방법으로 제조되는 무선충전모듈용 고밀도 자성소재를 제공한다. 본 발명의 일실시예에 있어서, 무선충전모듈용 자성소재는 소재 내 금속분말의 체적분율이 55 내지 75% 인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서 무선충전모듈용 자성소재는 두께 50 내지 1,200㎛으로 제조되고, 100 내지 200 ㎑의 주파수 대역에서 투자율이 250 내지 370인 것을 특징으로 할 수 있다.
나아가, 본 발명은 상기 무선충전모듈용 자성소재를 구비하는 무선충전모듈을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 높은 포화자화 성능을 가지는 연자성 금속 분말을 사용하고, 이의 투자율을 극대화시킬 수 있도록 연자성 금속 분말의 형상을 제어하고, 형상이 제어된 연자성 금속분말 각각을 전기적으로 절연시킴으로써 고밀도의 자성시트를 제조할 수 있다는 제1효과, 무선충전모듈의 작동 주파수 대역(100 내지 200㎑)에서 쉽게 포화되지 않으면서도 높은 투자율을 가짐으로써 무선충전모듈의 전력전송 효율 향상에 기여할 수 있다는 제2효과를 갖는다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 제조되는 무선충전모듈용 고밀도 자성소재의 단면 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 제조되는 시트형상 자성소재의 주파수에 따른 복수투자율을 나타내는 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은, 소비전력 40W급 이상의 무선충전모듈에 적합한 특성을 가지는 자성소재를 제조하는 방법에 관한 것으로, 크게 연자성 금속분말을 편상화시키는 편상화 단계, 편상화 단계에서 수득된 편상 금속분말의 표면을 절연코팅제로 코팅하여 편상 금속분말 각각의 표면에 절연막을 형성하는 절연처리 단계, 절연처리 단계에서 얻어진 절연 금속분말을 가압하여 소정의 형상을 갖도록 성형하는 성형 단계, 성형 단계에서 제조된 자성소재 내에 축적된 잔류응력을 제거하기 위한 열처리 단계를 주요 제조단계로 할 수 있다.
이하, 각 제조단계별로 상술하는 방식으로 본 발명을 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 연자성 금속분말은 연자성 합금 분말일 수 있으며, 구체적으로는 Fe-Si-Al 합금 분말, Fe-Ni 합금 분말, Ni-Fe-Mo 합금 분말, Fe-Si 합금 분말, Fe-Co 합금 분말, Fe-Cr-Si 합금 분말, Fe-Al 합금 분말 및 Fe-Cr 합금 분말 중에서 선택되는 1종 이상이 될 수 있다. 상기 연자성 합금 분말은 포화 자화(Bs) 성능이 우수하고 특히, 무선충전모듈의 작동 주파수인 100 내지 200 ㎑ 대역에서 쉽게 포화되지 않기 때문에, 무선충전모듈용 자성소재로 적합한 특성을 갖는다.
본 발명은, 편상화 단계를 수행하기 이전에 연자성 금속분말의 초기 입도를 제어하여 투자율 및 성형성을 향상시키기 위하여 연자성 금속분말을 제1분급하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 일실시예에서 제1분급단계는 연자성 금속분말을 체거름하여 평균입도 크기를 7 내지 15㎛로 제어하는 것이 바람직할 수 있다. 제1분급단계를 통해 얻어진 연자성 금속분말의 입도가 7㎛ 미만일 경우, 작은 입도분포로 인하여 이를 가공하여 최종적으로 자성소재를 제조할 시 투자율을 극대화시키기 곤란할 수 있으며, 입도가 15㎛를 초과하는 경우, 편상화 공정 후 큰 입도 분포로 인하여 자성소재를 소정의 형상으로 성형할 때 소재의 결함을 유발할 수 있으며, 얇은 두께의 소재를 제조하는 것이 곤란할 수 있다.
본 발명에서 편상화 단계는, 최종적으로 제조되는 자성소재 내의 연자성 금속분말의 충진율을 극대화시키기 위해 수행되며, 본 발명의 일실시예에서 편상화 단계는 제1분급단계에서 얻어진 금속분말을 소정의 시간 동안 밀링하여 편상 금속분말을 수득할 수 있다. 금속분말을 편상화 시키기 위한 밀링공정은 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 메틸 에틸 케톤(methyl ethyl ketone, MEK) 및 사이클로헥산 등을 용매로 적용하여 금속분말을 어트리션 밀링(attrition milling) 또는 볼 밀(ball milling) 함으로써 수행될 수 있다. 밀링 공정에서 금속분말에 가해지는 응력을 제어하기 위해서는 어트리션 밀링을 통해 편상화하는 것이 보다 바람직할 수 있다. 또한, 연자성 금속분말의 투자율은 편상화된 정도에 따라 달라지는 특성을 가지는데, 겉보기 밀도가 너무 낮을 경우, 연자성 금속분말 입자의 배향성이 낮아서 투자율 특성이 낮아질 수 있으며, 충진율이 저하되어 최종적으로 제조된 자성시트 내의 연자성 금속분말의 체적분율이 낮아지는 문제점이 있을 수 있으며, 겉보기 밀도가 너무 높으면 분말의 이방성이 낮아 투자율이 저하되는 문제점이 있을 수 있다. 이와 같은 이유로, 본 발명의 편상화 단계를 통해 제조되는 편상 금속분말은 겉보기 밀도는 0.3 내지 2.0g/cc이고, 더욱 바람직하게는 0.4 내지 1.0g/cc일 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따른 편상 금속분말은 종횡비가 10 내지 200일 수 있으며, 보다 바람직하게 종횡비는 10 내지 150일 수 있다.
또한, 편상화 단계의 이후에 편상 금속분말을 비활성기체분위기 하에서 소정의 시간 동안 건조시켜 밀링 공정에 사용된 용매 및 수분 등을 제거하는 단계를 수행할 수 있다.
본 발명은, 편상화 단계와 절연처리 단계의 사이에, 보다 높은 투자율을 확보하기 위하여 편상 금속분말의 평균입도를 제어하는 제2분급 단계를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 일실시예에서 제2분급 단계는 200 내지 325 메쉬의 체를 이용하여 체거름하여 분급하는 것을 특징으로 할 수 있다. 구체적으로 일실시예에 따른 제2분급 단계는 200 메쉬의 체로 편상 금속분말을 체거름하여 200 메쉬의 체를 통과하는 분말을 모두 사용할 수 있으나, 고투자율 및 성형성의 확보를 위하여 바람직하게는 200 메쉬의 체를 통과하는 분말 중 325 메쉬의 체를 통과하는 금속분말을 걸러내어, 그 중간의 분말을 사용할 수 있다. 이와 같이 제2분급 단계를 통해 얻어지는 편상 금속분말의 평균입도는 40 내지 80㎛ 일 수 있다. 제2분급 단계는 자성소재를 소정의 형상으로 가공할 시에 스크래치나 결함을 유발할 수 있는 조분과 상대적으로 투자율이 낮은 미분을 제거하는 단계로 이를 수행함으로써 자성시트의 투자율 및 성형성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 절연코팅제는 실란계 커플링제, 티타늄계 커플링제와 같은 유기절연 커플링제, 무기 폴리머인 폴리실라잔, 무기절연재료인 실리카 졸(silica sol), 티타니아 졸(titania sol), 마그네시아 졸(magnesia sol), 알루미나 졸(alumina sol) 및 분말 글래스 중에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다.
본 발명에서 절연처리 단계는, 절연코팅제를 용매와 소정의 비율로 혼합하여 희석된 절연코팅제를 제조하는 단계, 희석된 절연코팅제 중 용매를 제외한 절연코팅제 1 내지 6wt%에 해당하는 희석된 절연코팅제와 편상 금속분말 94 내지 99wt% 를 혼합하고 소정의 시간 동안 교반하는 단계, 희석된 절연코팅제와 편상 금속분말의 혼합물을 70 내지 130℃의 온도로 가열하여 용매를 제거하는 단계를 포함하여 수행될 수 있다.
본 발명에서 절연코팅제와 금속분말의 혼합 비율은 절연코팅제가 금속분말의 표면에 코팅되어 절연막을 형성하여 금속분말의 충진율을 향상시키는 정도로만 포함되는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 절연코팅제는 낮은 온도에서도 제거가 용이한 물 또는 친수성 알코올계 용매 중에서 선택되는 용매를 사용하여 희석시켜 사용할 수 있다. 상기 절연코팅제는 상호 접착특성이 낮은 금속분말의 표면에 코팅되고, 상기 절연코팅제에 포함된 유기기능기간의 상호작용으로 금속분말의 충진율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 성형 단계는 절연 금속분말을 열간가압 혹은 상온가압 중에서 선택되는 방법으로 가압하여 소정의 형상을 갖도록 성형하는 단계이다. 구체적으로 성형 단계에서는 절연 금속분말을 1 내지 7 ton/cm2 의 압력으로 열간 가압하여 소정의 형상을 갖는 자성소재를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에서 성형 단계에서는 절연 금속분말을 8 내지 16 ton/cm2, 보다 바람직하게는 10 내지 12 ton/cm2의 압력으로 상온 가압하여 소정의 형상을 갖는 자성소재를 제조할 수 있다. 또한, 성형 단계는 압력을 가할 시, 일축가압 또는 등방가압 중에서 선택되는 방법으로 가압할 수 있다.
또한, 성형 단계에서는 편상 금속분말이 외압에 의해 소성변형하여 목적하는 형상으로 가공되며, 편상 금속분말의 시편이 자성소재와 나란한 횡방향으로 배향되는 것을 특징으로 할 수 있다. 자성소재 내 시편의 배향으로 인하여 고밀도의 자성소재를 제조할 수 있게 된다. 다만, 성형 단계에서 가해지는 압력이 상기 하한값 미만인 경우, 편상 금속분말을 목적하는 형상으로 성형 및 시편을 배향하기에 불충분하여 고투자율의 자성소재를 제조하기 곤란할 수 있으며, 과도한 압력이 가해지는 경우에는 소재의 파단과 같은 변형을 야기할 수 있고, 시트의 투자율이 저하되는 문제점이 있을 수 있다.
본 발명에서 열처리하는 단계는, 비활성기체 분위기하에서 500 내지 900℃의 온도로 30 내지 120분 동안 수행될 수 있다. 열처리하는 단계는 편상 금속분말의 성형 단계에서 편상 금속분말에 인가된 외력에 의해 발생하는 잔류응력을 제거하기 위하여 수행될 수 있다. 열처리 온도가 500℃ 미만인 경우, 자성소재 내에 존재하는 잔류응력을 제거하기에 충분하지 못하여 고투자율 자성시트를 제조하기에 곤란 할 수 있으며, 900℃를 초과하는 경우, 시트의 안정성을 보장할 수 없기에 바람직하지 않을 수 있으며, 이와 같은 이유로 열처리 온도는 600 내지 800℃인 것이 보다 바람직할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예는, 열처리 단계에서 저하된 소재의 절연 특성 및 기계적 강도를 보강하기 위하여 자성소재의 표면에 절연재료를 피복하여 전기 절연층을 형성하는 절연재료 피복 단계를 더 포함할 수 있으며, 절연재료로는 절연 특성이 우수하면서도 자성소재의 강도를 증강시킬 수 있는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 구체적으로 절연재료는 페놀 수지, 에폭시 수지, 멜라민 수지, 테프론, 실리콘 수지 중에서 선택될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다. 또한, 이러한 고분자 수지는 도포법 및/또는 함침법 등의 방법으로 자성소재의 표면에 피복될 수 있다. 일실시예에서 절연층을 형성하는 단계는 상기와 같은 고분자 수지를 자성소재의 표면에 도포한 후에, 진공 함침 공정을 포함하여 이루어지며, 이와 같은 공정을 수행함으로써 자성소재의 기계적 강도와 절연 특성을 동시에 극대화 시킬 수 있다. 또한, 열처리된 자성소재에 피복되는 절연층은 15 내지 20㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다.
이하, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조되는 무선충전모듈용 자성소재에 관하여 설명하기로 한다.
도 1 (a)를 참조하면, 본 발명의 자성소재(10)는 시트 형상으로 제조될 수 있고, 표면에 절연막(1)이 형성된 편상 금속입자(2)가 조밀하게 충진된 구조를 갖으며, 무선충전모듈의 작동주파수인 100 내지 200㎑의 대역에서 투자율이 250 내지 370인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제조방법에 의해 제조되는 본 발명의 자성시트는 시트 내 자성분말의 체적분율이 55 내지 75%로 고밀도인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 도 1 (b)의 실시예는 시트 형상의 자성소재를 열처리한 뒤, 자성소재의 표면에 절연재료를 피복하여 전기 절연층을 형성하는 단계를 더 포함하여 제조된 자성소재의 단면 모식도이다. 도 1 (b)에 도시된 실시예와 같이 자성소재의 표면에 전기 절연층을 형성하면, 자성소재의 강도 및 절연 특성을 동시에 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
따라서, 본 발명에 따른 자성소재를 무선충전모듈에 적용하는 경우, 무선충전모듈의 작동주파수 대역에서 쉽게 포화되지 않고 효과적으로 안테나 장치로부터 유도되는 와전류에 의한 무선충전효율의 저하를 최소화할 수 있다는 이점을 갖는다. 아울러, 본 발명에 따른 무선충전모듈용 자성소재는 무선충전모듈의 전력 수신부 안테나(Rx 안테나) 및 전력 송신부 안테나(Tx 안테나)에 제한 없이 적용할 수 있음을 명시한다.
이하, 본 발명의 실시예 및 실험예를 기재한다.
무선충전모듈용 자성소재를 제조하는 방법에 있어서, 최적의 조건을 산출하기 위하여 각 제조단계별로 다음과 같은 실험을 수행하였다.
<제1분급 단계>
평균입도 14㎛의 수퍼멀로이(super Permalloy, Ni-Fe-Mo) 분말을 준비하고, 이를 체거름하고, 체거름 전후 시료의 평균 입도를 광산란 입도분포계를 사용하여 측정하였다. 하기 표 1은 제1분급 단계를 통해 분급된 분말의 평균 입도를 나타낸 것이다.


구분
입도 [㎛]

D10
D50
D90

체가름 전
4
20
80

체가름 후
3
10
60
자성소재를 제조하기 위한 raw 금속분말의 평균입도는 7 내지 15㎛ 인 것이 바람직할 수 있으며, 상기와 같은 입도를 가지는 raw 금속분말을 얻기 위하여 제1분급단계는 유효입경 D50의 체를 사용하는 것이 바람직할 수 있음을 알 수 있다.
<편상화 단계>
제1분급 단계를 통해 수득된 분말을 어트리션 밀링하여 편평상 형태로 편상화 공정을 수행하였다. 이때 어트리션밀은 톨루엔을 용매로 사용하였고, 어트리션 밀링 시간을 4 내지 10시간으로 달리하여 제조된 편상 분말의 겉보기 밀도(apparent density, AD) 및 투자율을 측정하였으며, 이의 결과를 표 2에 나타내었다.

편상화 시간 [시간]
AD [g/cc]
투자율 [200㎑]

4
2.06
150

6
1.02
210

8
0.53
280

10
0.31
240
상기 표 2를 참조하면, 연자성 금속분말은 편상화된 정도에 따라 투자율이 다른 특성을 나타내는 것을 볼 수 있다. 겉보기 밀도는 편상화된 정도를 나타내는 지표로, 겉보기 밀도가 0.5g/cc일 때, 가장 높은 투자율을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 또한, 겉보기 밀도를 0.5g/cc로 제어하기 위해서 어트리션 밀링 시간은 8시간 동안 수행하는 것이 바람직함을 확인할 수 있다.
<제2분급 단계>
편상화 단계를 통해 편상화된 분말을 200 메쉬, 325 메쉬의 체를 이용하여 체거름하여 40㎛ 이하, 40 내지 80㎛, 80㎛ 이상의 3가지 크기로 분급하였다. 각각의 크기로 분급된 분말의 투자율을 측정하였으며, 이의 결과를 표 3에 나타내었다.

구 분
투자율 [200㎑]

40㎛ 이하
270

40 내지 80㎛
290

80㎛ 이상
200
상기 표 3을 참조하면, 200 메쉬의 체는 통과하지 못하고, 325 메쉬의 체는 통과하는 40 내지 80㎛의 편상 분말이 투자율이 가장 높은 것을 확인할 수 있다.
<절연처리 단계>
절연코팅제의 종류 및 함량을 달리하여 편상 금속 분말의 표면에 절연코팅제를 코팅하여 절연막을 형성하였다. 여러 가지 절연코팅제를 사용할 수 있으나, 대표적으로 실란계 커플링제 및 티타늄계 커플링제를 사용하여 편상 금속분말의 표면에 절연막을 형성하였다. 이때, 실란계 커플링제의 함량은 0.5 내지 6wt%로 달리하여 절연 처리하였으며, 티타늄계 커플링제는 2wt%로 첨가하여 절연 처리하였다. 또한, 각각의 커플링제를 물 또는 에탄올에 10wt%의 농도로 희석시켰다. 절연코팅제의 종류 및 함량을 하기 표 4와 같이 달리하여 편상 금속분말과 절연코팅제를 혼합하고, 30분 동안 교반하며 절연막을 코팅하였다. 교반이 끝난 후, 혼합물을 70 내지 130℃로 가열하여 용매를 증발시켜 절연처리 단계를 수행하였다. 절연 처리된 금속 분말을 가압성형한 후의 투자율을 측정하였으며, 이의 결과를 표 4에 나타내었다.

커플링제 종류
커플링제 함량 [wt%]
투자율 [200㎑]






실란계
0.5
210

1
250

2
290

4
280

6
260

티타늄계
2
220
상기 표 4를 참조하면, 실란계 커플링제를 사용하여 절연 처리하는 경우, 티타늄계 커플링제를 사용하는 경우 보다 더 높은 투자율을 가지는 것을 확인할 수 있고, 커플링제의 함량은 2 내지 4 wt%인 것이 높은 투자율을 확보하는데 있어 유리한 것을 알 수 있다. (또한, 실란계 커플링제는 티타늄계 커플링제 대비 높은 투자율 확보가 가능하면서도 단가가 더 저렴하기 때문에 실란계 커플링제를 사용하면 자성시트의 제조단가를 절감하는데 있어서 이점이 있다.)
<금속분말의 성형 단계>
절연 처리된 금속 분말을 시트 형상으로 가공하기 위하여, 내경 6mm, 외경 20mm인 도넛형태의 금형에 절연 처리된 금속 분말 2g을 넣고, 압력을 하기 표 5와 같이 달리하여 프레스로 압력을 가함으로써 시트를 제조하였다.

성형압력 [ton/cm2]
투자율 [200㎑]

8
170

10
260

12
270

16
230
상기 표 5를 참조하면, 10 내지 14 ton/cm2의 압력을 가할 경우, 보다 높은 투자율을 가지는 시트 형상의 자성소재를 제조할 수 있음을 알 수 있다.
<열처리 단계>
상기 금속분말의 성형 단계에서 성형한 시트를 600 내지 750℃의 온도로 열처리하여 자성시트를 제조하였다. 제조된 자성시트의 열처리 온도에 따른 투자율을 측정하였으며, 이의 결과를 표 6에 나타내었다.

열처리 온도 [℃]
투자율 [200㎑]

600
210

650
250

700
300

750
280
상기 표 6을 참조하면, 700℃의 온도로 열처리 하는 경우, 보다 높은 투자율을 가지는 시트형상의 자성소재를 제조할 수 있음을 알 수 있다.
[실시예 1]
상기와 같은 실험을 통하여 산출된 최적의 조건을 적용하여 자성시트를 제조하였으며, 제조방법 및 조건은 다음과 같다.
평균입도 14㎛의 의 슈퍼멀로이(Ni-Fe-Mo) 분말을 유효입경 D50로 체거름하여 평균 입도가 10㎛인 분말을 수득하였다.
상기 제1분급 단계를 통해 수득된 분말을 상기와 동일한 조건으로 8시간 동안 어트리션 밀링한 뒤, 질소분위기하에서 건조시켜 편상 금속분말을 제조하였다.
상기 편상 금속분말을 200메쉬, 325메쉬의 체를 이용하여 체거름하여 40 내지 80㎛의 분말을 수득하였다.
실란계 커플링제인 KBM603을 물 또는 에탄올에 10wt%의 농도로 희석시키고, 상기에서 수득된 금속분말 대비 실란계 커플링제를 2wt%의 비율로 혼합하고, 30분 동안 교반하여 절연 처리하였다. 교반이 끝난 후, 혼합물을 130℃로 가열하면서 용매를 증발시켜 절연된 금속분말을 수득하였다.
상기 절연된 금속분말 2g을 내경 6mm, 외경 20mm인 도넛형태의 금형에 넣고, 프레스로 12 ton/cm2의 압력을 가하여 시트형상의 자성소재를 제조하였다.
상기에서 제조된 시트형상의 자성소재를 질소분위기하에 700℃의 온도로 30분 동안 열처리하여 자성시트를 제조하였다. 상기 실시예 1에 따라 제조되는 자성시트의 밀도를 측정한 결과 4.9 내지 5.1g/cm3인 것으로 확인되었다.
[실험예 1]
실시예 1에 따라 제조된 자성시트의 투자율을 10㎑ 내지 100㎒의 주파수 대역에서 임피던스 분석기(HP 4294A)를 이용하여 측정하였으며, 이의 결과를 도 2에 도시하였다. 도 2를 참조하면, 실시예 1에 따라 제조되는 자성시트는 무선충전모듈의 작동주파수 대역인 100 내지 200㎑에서 투자율이 325로 유지되는 우수한 자성특성을 가지는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 자성시트를 무선충전모듈의 안테나 장치에 적용할 시, 무선충전모듈의 작동주파수 대역에서 쉽게 포화되지 않으면서 와전류에 의한 충전효율 저하문제를 해소할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 자성소재
1: 절연막
2: 편상 금속입자
3: 전기 절연층

Claims (14)

  1. 무선충전모듈용 고밀도 자성소재의 제조방법에 있어서,
    i) 연자성 금속분말을 편상화시키는 편상화 단계;
    ii) 상기 편상화 단계에서 수득된 편상 금속분말의 표면을 절연코팅제로 코팅하여 상기 편상 금속분말 각각의 표면에 절연막을 형성하는 절연처리 단계;
    iii) 상기 절연처리 단계에서 얻어진 절연 금속분말을 가압하여 소정의 형상을 갖도록 성형하는 성형 단계;
    iv) 상기 성형 단계에서 제조된 자성소재 내에 축적된 잔류응력을 제거하기 위한 열처리 단계; 를 포함하고,
    상기 단계를 통해 제조되는 자성소재는 금속분말의 체적분율이 55 내지 75% 인 것을 특징으로 하는 무선충전모듈용 고밀도 자성소재의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열처리 단계의 이후에,
    열처리된 자성소재의 표면에 절연재료를 피복하여 전기 절연층을 형성하는 절연재료 피복 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선충전모듈용 고밀도 자성소재의 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 절연재료 피복 단계의 이후에, 상기 절연재료가 피복된 자성소재를 상기 절연재료로 진공함침하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선충전모듈용 고밀도 자성소재의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 연자성 금속분말은 Fe-Si-Al 합금 분말, Fe-Ni 합금 분말 및 Ni-Fe-Mo 합금 분말, Fe-Si 합금 분말, Fe-Co 합금 분말, Fe-Cr-Si 합금 분말, Fe-Al 합금 분말, Fe-Cr 합금 분말로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선충전모듈용 고밀도 자성소재의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 편상화 단계의 이전에 상기 연자성 금속분말을 분급하여 7 내지 15㎛로 분말의 평균입도를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선충전모듈용 고밀도 자성소재의 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 편상화 단계에서 수득된 편상 금속분말의 겉보기 밀도는 0.3 내지 2.0g/cc이고, 종횡비는 10 내지 200인 것을 특징으로 하는 무선충전모듈용 고밀도 자성소재의 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 편상화 단계와 상기 절연처리 단계의 사이에,
    상기 편상화 단계에서 수득된 편상 금속분말을 분급하여 40 내지 80㎛로 상기 편상 금속분말의 평균입도를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선충전모듈용 고밀도 자성소재의 제조방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연처리 단계는,
    ii-a) 상기 절연코팅제를 용매와 소정의 비율로 혼합하여 희석된 절연코팅제를 제조하는 단계;
    ii-b) 상기 절연코팅제를 1 내지 6wt%로 포함하는 희석된 절연코팅제와 상기 편상 금속분말 94 내지 99wt%를 혼합하고, 소정의 시간 동안 교반하는 단계;
    ii-c) 상기 ii-b) 단계의 혼합물을 70 내지 130℃의 온도로 가열하여 용매를 제거하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선충전모듈용 고밀도 자성소재의 제조방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연코팅제는 실란계 커플링제, 티타늄계 커플링제, 폴리실라잔(polysilazane), 실리카 졸, 티타니아 졸, 마그네시아 졸, 알루미나 졸, 분말 글래스로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 무선충전모듈용 고밀도 자성소재의 제조방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 성형 단계는 상기 절연 금속분말을 8 내지 16 ton/cm2 의 압력으로 상온 가압하거나 상기 절연 금속분말을 1 내지 7 ton/cm2 의 압력으로 열간 가압하여 소정의 형상으로 성형 가공하는 것을 특징으로 하는 무선충전모듈용 고밀도 자성소재의 제조방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 열처리 단계는 상기 자성소재를 비활성기체 분위기하에서 500 내지 900℃의 온도로 열처리하는 것을 특징으로 하는 무선충전모듈용 고밀도 자성소재의 제조방법.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 선택되는 어느 한 항에 따른 제조방법으로 제조되는 무선충전모듈용 고밀도 자성소재.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 자성소재는 100 내지 200㎑의 주파수 대역에서 투자율이 250 내지 370인 것을 특징으로 하는 무선충전모듈용 고밀도 자성소재.
  14. 청구항 12에 따른 고밀도 자성소재를 구비하는 무선충전모듈.
KR1020150171671A 2015-12-03 2015-12-03 무선충전모듈용 고밀도 자성소재의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 무선충전모듈용 고밀도 자성소재 및 이를 구비하는 무선충전모듈 KR101778644B1 (ko)

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