KR20180025592A

KR20180025592A - 코일 부품

Info

Publication number: KR20180025592A
Application number: KR1020160112453A
Authority: KR
Inventors: 김휘대; 박민철; 이동환; 윤찬
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2016-09-01
Filing date: 2016-09-01
Publication date: 2018-03-09
Also published as: KR102632366B1; CN107799268A

Abstract

내부에 코일부가 배치된 바디를 포함하는 코일 부품으로써, 상기 코일부는 복수개의 스파이럴 형상의 권선 코일을 포함하며, 상기 복수개의 권선 코일 각각은 적어도 2층 이상으로 구비되고, 각 층의 권선 코일은 층간 연결부에 의해 연결되며, 각 층에 구비된 상기 복수개의 권선 코일은 동일한 코일 축을 가지고, 상기 코일 축에 수직한 평면 상에 서로 교번하여 배치된 코일 부품이 개시된다.

Description

코일 부품 {COIL COMPONENT}

본 발명은 코일 부품에 관한 것이다.

파워 인덕터(Power Inductor)는 전류 평활, 전류 안정화, 임피던스 매칭 등의 기능을 하는 핵심 수동 소자로서 제작 방식에 따라 박막형, 권선형, 적층형 파워 인덕터로 구분될 수 있다. 이중 권선형 파워 인덕터는 낮은 직류저항(Rdc, Direct Current Resistance) 특성 구현에 장점이 있어 고전류 특성이 요구되는 디스플레이, 차량, 전장 등 비 IT(Non-IT) 분야 어플리케이션에 주로 사용되고 있다.

한편, 고전류 조건 하 파워 인덕터의 안정적인 동작을 위해서는 초기 인덕턴스 대비 -30%가 되는 전류를 의미하는 정격허용전류(Isat, Saturation Current) 특성이 커야만 한다. 이러한 Isat 특성은 기본적으로 자성체 포화 정도에 관계되기 때문에, 높은 Isat 특성을 얻기 위해서는 바디의 사이즈를 키우는 것이 가장 쉬운 방법이다. 그런데, 바디의 사이즈가 지나치게 커질 경우 초기 인덕턴스가 상승하여 저용량 기종을 설계하는데 어려움이 따른다.

본 발명의 여러 목적 중 하나는, 낮은 직류저항 특성 및 높은 정격허용전류 특성을 갖는 저용량 코일 부품을 제공하는 것이다.

본 발명을 통해서 제안하는 여러 해결 수단 중 하나는, 복수개의 스파이럴 형상의 권선 코일에 의해 코일부를 구성하되, 상기 복수개의 권선 코일이 서로 교번하여 배치되도록 하는 것이다.

예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 부품은, 내부에 코일부가 배치된 바디를 포함하는 코일 부품으로써, 상기 코일부는 복수개의 스파이럴 형상의 권선 코일을 포함하며, 상기 복수개의 권선 코일 각각은 적어도 2층 이상으로 구비되고, 각 층의 권선 코일은 층간 연결부에 의해 연결되며, 각 층에 구비된 상기 복수개의 권선 코일은 동일한 코일 축을 가지고, 상기 코일 축에 수직한 평면 상에 서로 교번하여 배치되어 있을 수 있다.

본 발명의 여러 효과 중 하나로서, 본 발명에 따른 코일 부품은 낮은 직류저항 특성 및 높은 정격허용전류 특성을 가지면서도 저용량을 갖는 장점이 있다.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 코일 부품의 사시도이다.
도 2는 도 1의 코일 부품의 코일부가 나타나도록 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1의 I-I'면 절단 단면도이다.
도 4는 도 1의 코일 부품의 등가회로도이다.
도 5는 도 1의 코일 부품의 코일부를 확대한 확대도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 코일 부품의 상면도이다.
도 7은 발명 예와 종래 예의 직류저항특성을 비교하여 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 상세히 설명한다. 본 실시 예들은 다른 형태로 변형되거나 여러 실시예가 서로 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 예를 들어, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

한편, 본 명세서에서 사용되는 "일 실시 예(one example)"라는 표현은 서로 동일한 실시 예를 의미하지 않으며, 각각 서로 다른 고유한 특징을 강조하여 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 그러나, 아래 설명에서 제시된 실시 예들은 다른 실시 예의 특징과 결합되어 구현되는 것을 배제하지 않는다. 예를 들어, 특정한 실시 예에서 설명된 사항이 다른 실시 예에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 실시 예에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 실시 예에 관련된 설명으로 이해될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 코일 부품을 설명하되, 편의상 그 일 예로써 파워 인덕터(Power Inductor)로 설명하지만, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 내용이 다른 다양한 용도의 코일 부품에도 적용될 수 있음은 물론이다. 다른 다양한 용도의 코일 부품의 예로는, 고주파 인덕터(High Frequency Inductor), 커먼 모드 필터(Common Mode Filter), 통상의 비드(General Bead), 고주파용 비드(GHz Bead) 등을 들 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 코일 부품의 사시도이고, 도 2는 도 1의 코일 부품의 코일부가 나타나도록 도시한 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 코일 부품(100)은, 코일부(10), 내부에 코일부(10)가 배치된 바디(20), 및 바디(20)의 외부에 배치된 외부 전극(30)을 포함하여 구성될 수 있다.

코일부(10)는 코일로부터 발현되는 특성을 통하여 전자 기기 내에서 다양한 기능을 수행하는 역할을 하며, 예를 들어, 코일 부품(100)이 파워 인덕터인 경우, 코일부(10)는 전기를 자기장 형태로 저장하여 출력 전압을 유지하여 전원을 안정시키는 역할 등을 수행할 수 있다.

코일부(10)는 스파이럴 형상의 권선 코일(11, 12)을 포함한다. 전술한 바와 같이, 본 발명에서는 스파이럴 형상의 권선 코일에 의해 코일부(10)를 구성함으로써, 박막형, 적층형 코일 부품과 비교할 때, 낮은 직류저항(Rdc, Direct Current Resistance) 특성 구현이 용이한 장점이 있다.

스파이럴 형상의 권선 코일(11, 12)은 복수개 구비된다. 이 경우, 단일 도선을 이용하여 제작한 종래의 코일 부품과 비교할 때, 횡방향 자성체 영역 낭비를 줄여 높은 정격허용전류(Isat) 특성을 얻는데 유리하며, 전기적 개념으로 볼 때, 도선의 단면적이 커지기 때문에 직류저항(Rdc) 특성 저감이 가능한 장점이 있다.

이러한 복수개의 권선 코일(11, 12)이 동일한 코일 축을 가지고, 코일 축에 수직한 평면 상에 서로 교번하여 배치된다. 이와 같이 복수개의 권선 코일(11, 12)이 동일 평면 상 서로 교번하여 배치되도록 함으로써, 층 당 턴수가 작은 경우에도 권선 형태 고정이 용이하며, 이를 통해 저용량의 코일 부품을 제공할 수 있는 장점이 있다. 일 예에 따르면, 복수개의 권선 코일 각각은 층 당 1턴 또는 2턴의 턴수를 가질 수 있다.

도 3은 도 1의 I-I'면 절단 단면도이다.

도 3을 참조하면, 복수개의 권선 코일(11, 12) 각각은 적어도 2층 이상으로 구비되고, 각 층의 권선 코일은 층간 연결부(11a, 12a)에 의해 연결된다. 이 경우, 권선 코일의 개수를 k개라 하고, 상기 k개의 권선 코일이 각각 층 당 n턴씩 m층 구비되었다고 할 때, 상기 코일부는 k(2nm+m-1)개의 코일 단면을 가질 수 있다. 여기서, 2knm개의 코일 단면은 각 층에 위치한 스파이럴 형상의 권선 코일의 단면 개수이고, (km-k)개의 코일 단면은 각 층의 권선 코일을 연결하는 층간 연결부의 단면 개수이다. 이와 같이, 복수개의 권선 코일(11, 12) 각각이 2층 이상으로 구비되도록 함으로써, 동일 실장 면적 대비 바디의 면적을 극대화할 수 있는 장점이 있다. 또한, 복수개의 권선 코일(11, 12) 각각의 인출부(11b, 12b)가 코일부의 외곽에 위치되도록 할 수 있으며, 이를 통해 전류 패스를 저감하여 부품 특성을 극대화할 수 있는 장점이 있다. 여기서, 층간 연결부(11a, 12a) 및 인출부(11b, 12b)는 권선 코일(11, 12)의 일부를 구성하는 것으로써, 각 층에 위치한 스파이럴 형상의 권선 코일과 일체화되어 형성되어 있을 수 있다.

일 예에 따르면, 복수개의 권선 코일(11, 12)의 각각의 인출부(11b, 12b)는 코일부(10)의 최외곽에 구비되며, 복수개의 권선 코일(11, 12)의 권선 방향과 반대 방향으로 절곡되어 바디(20)의 외부로 노출될 수 있다. 이와 같이 인출부(11b, 12b)를 권선 코일의 권선 방향과 반대 방향으로 절곡 형성함으로써, 복수개의 권선 코일의 인출부 각각이 모두 바디(20)의 외부로 노출되도록 할 수 있을 뿐 아니라, 각각의 인출부들과 전극부의 접촉 면적 확대로 접촉 저항을 저감할 수 있는 장점이 있다. 만약, 이와 달리, 인출부가 절곡되지 않은 채 비스듬히 절단될 경우, 인출부 모두가 외부로 노출되지 않아, 전기적으로 개방(open)될 위험이 있다.

도 4는 도 1의 코일 부품의 등가회로도이다.

도 4를 참조하면, 복수개의 권선 코일(11, 12)은 회로적으로 병렬 회로를 구성하며, 이로 인해 총 저항과 인덕턴스가 저감되는 장점이 있다.

도 5는 도 1의 코일 부품의 코일부(10)를 확대한 확대도이다.

도 5를 참조하면, 복수개의 권선 코일(11, 12) 각각은 평각 형상의 단면을 갖는 도선을 권회하여 이루어질 수 있다.

일 예에 따르면, 인접한 복수개의 권선 코일(11, 12) 사이에는 절연층(13)이 구비되어 있을 수 있다. 이와 같이, 권선 코일(11, 12) 사이에 절연층(13)을 구비함으로써, 코일 간 쇼트 발생을 방지할 수 있다. 한편, 상기 절연층은 권선 코일(11, 12) 사이뿐만 아니라, 각 권선 코일의 상면 및 하면 모두에 형성되어 각 권선 코일을 피복하고 있을 수 있으며, 이를 통해 각 권선 코일과 바디 간 절연성을 확보할 수 있다.

이 경우, 복수개의 권선 코일(11, 12)은 그 사이에 구비된 절연층(13)에 융착되어 있을 수 있다. 이와 같이 복수개의 권선 코일(11, 12)이 절연층에 융착되어 구비되도록 함으로써 권선 형태의 고정을 용이하게 할 수 있다.

일 예에 따르면, 복수개의 권선 코일 각각의 폭을 w라 하고, 높이를 t라 할 때, t/w는 1.5 이상일 수 있다. 여기서, t/w는 단일 권선 코일의 종횡비(Aspect Ratio)를 의미한다. 만약, t/w가 1.5 미만인 경우에는 인접 코일 간 접촉 면적이 줄어 층간 융착이 잘 되지 않아 권선 형태의 고정이 어려워질 수 있다. 한편, t/w가 클수록 권선 코일의 형태의 고정 및 코일 부품의 특성 구현에 유리한 바, 본 발명에서는 t/w의 상한에 대해서는 특별히 한정하지 않으나, t/w가 지나치게 커질 경우 와이어 제작 단가가 지나치게 상승할 우려가 있다는 점을 고려할 때, t/w의 상한을 2.0으로 한정할 수는 있다.

일 예에 따르면, 코일부(20)는 제1 및 제2 권선 코일(21, 22)을 포함하고, 상기 제1 및 제2 권선 코일 각각의 폭을 w1 및 w2라고 하고, 상기 제1 및 제2 권선 코일의 높이를 t라 할 때, t/(w1+w2)는 1.0 이하일 수 있다. 도 5를 참조할 때, 코일부의 폭은 (w1+w2+d)로 표현할 수 있고, 코일부의 두께는 t로 표현할 수 있다. 그런데, 일반적으로 절연층의 두께(d)는 권선 코일의 폭(w1, w2)에 비해 현저히 작다는 점에서, (w1+w2+d)≒(w1+w2)로 볼 수 있으며, 결과적으로 t/(w1+w2)는 코일부의 종횡비(Aspect Ratio)를 의미할 수 있다.

즉, 본 발명에서는 비교적 높은 종횡비를 가지는 권선 코일(종횡비 1.5 이상)을 복수개 사용하여 등가적으로 낮은 종횡비를 갖는 코일부(종횡비 1.0 이하)를 구현함을 특징으로 하며, 이를 통해 낮은 직류저항 특성 및 높은 정격허용전류 특성을 구현할 수 있으며, 턴수 변경 없이 저용량을 구현할 수 있는 장점을 가진다.

도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 코일 부품의 상면도이다.

도 6을 참조하면, 복수개의 권선 코일(11, 12) 각각의 폭을 w1 및 w2라고 할 때, w1과 w2는 서로 상이할 수 있다. 이와 같이, 서로 다른 폭(단면적)을 갖는 권선 코일의 조합을 통해 다양한 굵기의 도선 구현이 가능하며, 이를 통해 설계 및 개발의 자유도를 높일 수 있는 장점이 있다.

바디(20)는 코일 부품(100)의 외관을 이룬다. 바디(20)는 대략 육면체 형상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

바디(20)는 자성 물질을 포함할 수 있다. 자성 물질은 자성 성질을 가지는 것이면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 순철 분말, Fe-Si계 합금 분말, Fe-Si-Al계 합금 분말, Fe-Ni계 합금 분말, Fe-Ni-Mo계 합금 분말, Fe-Ni-Mo-Cu계 합금 분말, Fe-Co계 합금 분말, Fe-Ni-Co계 합금 분말, Fe-Cr계 합금 분말, Fe-Cr-Si계 합금 분말, Fe-Ni-Cr계 합금 분말, 또는 Fe-Cr-Al계 합금 분말 등의 Fe 합금류, Fe기 비정질, Co기 비정질 등의 비정질 합금류, Mg-Zn계 페라이트, Mn-Zn계 페라이트, Mn-Mg계 페라이트, Cu-Zn계 페라이트, Mg-Mn-Sr계 페라이트, Ni-Zn계 페라이트 등의 스피넬형 페라이트류, Ba-Zn계 페라이트, Ba-Mg계 페라이트, Ba-Ni계 페라이트, Ba-Co계 페라이트, Ba-Ni-Co계 페라이트 등의 육방정형 페라이트류, Y계 페라이트 등의 가닛형 페라이트류를 들 수 있다.

자성 물질은 금속 자성체 분말 및 수지 혼합물을 포함하는 것일 수 있다. 금속 자성체 분말은 철(Fe), 크롬(Cr), 또는 실리콘(Si)를 주성분으로 포함할 수 있고, 예를 들면, 철(Fe)-니켈(Ni), 철(Fe), 철(Fe)-크롬(Cr)-실리콘(Si) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 수지는 에폭시(epoxy), 폴리이미드(polyimide), 액정 결정성 폴리머(Liquid Crystal Polymer) 등을 단독 또는 혼합하여 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 금속 자성체 분말은 2 이상의 평균 입경(D₁, D₂)을 갖는 금속 자성체 분말이 충진된 것일 수도 있다. 이 경우 서로 다른 크기의 바이모달(bimodal) 금속 자성체 분말를 사용하여 압착함으로써, 자성체 수지 복합체를 가득 채울 수 있어 충진율을 높일 수 있다.

바디(20)는 금속 자성체 분말 및 수지 혼합물을 포함하는 자성체 수지 복합체가 시트 형태로 성형되어 코일부(10)의 상부 및 하부에 압착 및 경화되어 형성된 것일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 이때, 자성체 수지 복합체의 적층 방향은 코일 부품의 실장 면에 대하여 수직할 수 있다. 여기서 수직하다는 것은 완전한 90°뿐만 아니라 대략 90°인 경우, 즉 60~120° 정도인 것을 포함하는 개념이다.

전극부(30)는 코일 부품(100)이 회로 기판 등에 실장될 때, 코일 부품(100)을 회로 기판 등과 전기적으로 연결시키는 역할 등을 수행하며, 전극부(30)은 복수개의 권선 코일(21, 22)의 양 단부와 각각 접속되는 제1 및 제2 외부 전극(31, 32)을 포함할 수 있다.

전극부(30)는 전기 전도성이 뛰어난 금속을 포함하여 형성될 수 있으며 예를 들어, 은(Ag), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 금(Au), 구리(Cu), 백금(Pt), 주석(Sn)의 단독 또는 이들의 합금 등으로 형성될 수 있다.

표 1은 발명 예와 종래 예의 특성 비교표이고, 도 7은 발명 예와 종래 예의 직류저항특성을 비교하여 나타낸 그래프이다.

표 1 및 도 7에서 종래 예는 높이 300μm, 폭 180μm를 갖는 권선 코일 1개를 이용하여 제작한 파워 인덕터의 예이고, 발명 예는 높이 300μm, 폭 160μm를 갖는 권선 코일 2개를 이용하여 제작한 파워 인덕터의 예에 해당한다. 종래 예 및 발명 예에 있어서, 권선 코일의 층수(2층) 및 층 당 턴수(4턴)는 동일하며, 바디(자성체)의 면적 또한 동일하게 제작하였다.

	발명 예	종래 예
Ls (μH)	0.525	0.676
Rdc (mΩ)	7.4	10.7
Isat (A)	10.2	7.82

표 1 및 도 7을 참조할 때, 발명 예는 저용량을 가지면서도 전기적 특성이 개선되었음을 확인할 수 있다.

한편, 본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 표현은 한 구성요소와 다른 구성요소를 구분 짓기 위해 사용되는 것으로, 해당 구성요소들의 순서 및/또는 중요도 등을 한정하지 않는다. 경우에 따라서는 권리범위를 벗어나지 않으면서, 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수도 있고, 유사하게 제 2 구성요소는 제 1 구성요소로 명명될 수도 있다.

본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

10: 코일부
11: 제1 권선 코일
11a: 제1 권선 코일의 층간 연결부
12: 제2 권선 코일
12a: 제2 권선 코일의 층간 연결부
20: 바디
30: 전극부
31, 32: 제1 및 제2 외부 전극
100: 코일 부품

Claims

내부에 코일부가 배치된 바디를 포함하는 코일 부품에 있어서,
상기 코일부는 복수개의 스파이럴 형상의 권선 코일을 포함하며,
상기 복수개의 권선 코일 각각은 적어도 2층 이상으로 구비되고, 각 층의 권선 코일은 층간 연결부에 의해 연결되며,
각 층에 구비된 상기 복수개의 권선 코일은 동일한 코일 축을 가지고, 상기 코일 축에 수직한 평면 상에 서로 교번하여 배치된 코일 부품.
제1항에 있어서,
상기 복수개의 권선 코일의 각각의 인출부는 코일부의 최외곽에 구비되며, 상기 복수개의 권선 코일의 권선 방향과 반대 방향으로 절곡되어 상기 바디의 외부로 노출되는 코일 부품.
제1항에 있어서,
상기 권선 코일의 개수를 k개라 하고, 상기 k개의 권선 코일 각각이 층 당 n턴씩 m층 구비되었다고 할 때, 상기 코일부는 k(2nm+m-1)개의 코일 단면을 갖는 코일 부품.
제1항에 있어서,
상기 복수개의 권선 코일 각각은 층 당 1턴 또는 2턴의 턴수를 갖는 코일 부품.
제1항에 있어서,
상기 복수개의 권선 코일 각각은 평각 형상의 단면을 갖는 도선을 권회하여 이루어지는 코일 부품.
제1항에 있어서,
상기 복수개의 권선 코일 각각의 폭을 w라 하고, 높이를 t라 할 때, t/w는 1.5 이상인 코일 부품.
제1항에 있어서,
상기 코일부는 제1 및 제2 권선 코일을 포함하고,
상기 제1 및 제2 권선 코일 각각의 폭을 w1 및 w2라고 하고, 상기 제1 및 제2 권선 코일의 높이를 t라 할 때, t/(w1+w2)는 1.0 이하인 코일 부품.
제1항에 있어서,
상기 코일 부품은 제1 및 제2 권선 코일을 포함하고,
상기 제1 및 제2 권선 코일 각각의 폭을 w1 및 w2라고 할 때, w1과 w2가 상이한 코일 부품.
제1항에 있어서,
상기 인접한 복수개의 권선 코일 사이에는 절연층이 구비된 코일 부품.
제9항에 있어서,
상기 복수개의 권선 코일은 그 사이에 구비된 절연층에 융착된 코일 부품.
제1항에 있어서,
상기 바디는 자성 물질을 포함하는 코일 부품.
제1항에 있어서,
상기 바디는 금속 자성체 분말 및 수지 혼합물을 포함하는 자성체 수지 복합체가 시트 형태로 성형되어 상기 코일부의 상부 및 하부에 압착 및 경화되어 형성된 것인 코일 부품.
제1항에 있어서,
상기 바디의 외부에 배치되고, 상기 복수개의 권선 코일의 인출부와 각각 접속되는 제1 및 제2 외부 전극을 더 포함하는 코일 부품.
제13항에 있어서,
상기 복수개의 권선 코일은 회로적으로 병렬 회로를 구성하는 코일 부품.