KR20180081386A - 편상 나노결정립 합금 분말 및 이를 포함하는 복합 시트와 전자 기기 - Google Patents

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Abstract

나노결정립 구조를 포함하고, 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 제1 원소; 실리콘(Si), 붕소(B), 알루미늄(Al) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 제2 원소; 및 크롬(Cr), 구리(Cu), 망간(Mn), 니오븀(Nb) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 제3 원소의 합금이며, 식 1에 의한 값이 10 초과, 60 미만인 편상 나노결정립 합금 분말을 제공한다.

Description

편상 나노결정립 합금 분말 및 이를 포함하는 복합 시트와 전자 기기 {FLAKE NANOCRYSTALLINE ALLOY POWDER AND COMPOSITE SHEET COMPRISING THE SAME AND ELECTRIC DEVICE COMPRISING THE SAME}
편상화된 나노결정립 구조의 합금 분말과 이를 포함하는 복합 시트 및 전자 기기에 관한 것으로, 구체적으로, 무선 충전 및 근거리 통신용 안테나 효율 개선을 위한 합금 분말 및 복합 시트와 이를 포함하는 전자 기기에 관한 것이다.
최근 휴대용 전자기기에는 별도의 물리적인 접촉 없이 충전 또는 근거리 통신이 가능한 기능이 도입되고 있다. 이때, 전자기기의 도체부에 의하여 교류 자기장의 손실이 일어나게 되어 충전 효율 및 신호 전송 효율이 감소하기 때문에 자기장을 차폐할 수 잇는 자성 소재의 사용이 필요하다. 기존의 무선 충전 및 근거리 통신 용도의 자성 시트는 각 기능에 효율적인 자성 소재를 적층하여 적층 시트의 형태로 제조되거나, 연자성 금속 분말을 특정 수지와 함께 혼합하여 복합재 형태로 제조되었다.
기존의 적층 시트 형태의 자성 시트의 경우, 일반적으로 비정질 금속 리본(ribbon)과 페라이트 소결체를 적층하여 제조된다. 이때, 비정질 금속 리본(ribbon)은 용융 방사(melt spinning) 공정으로 제조되며, 높은 투자율을 갖고 있어 무선 충전 기능에 유리하나, 전도체이므로 교류 자기장에 의하여 발생하는 와전류(eddy current) 손실이 주파수에 따라 급격하게 증가하여 근거리 통신 기능에는 불리하다. 또한, 페라이트 소결체는 주로 니켈-구리-아연(Ni-Cu-Zn), 마그네슘-구리-아연(Mg-Cu-Zn) 등의 산화철 기반 소재를 소결 처리하여 제조되며 근거리 통신 기능의 구현은 가능하나, 포화 자속 밀도가 낮기 때문에 무선 충전 기능에는 불리하다. 따라서, 무선 충전 기능 및 근거리 통신 기능을 모두 확보하기 위하여 자성 시트를 제조할 때 이들을 적층하여 적층 시트 형태로 제조하게 되는 것이다. 다만, 자성 시트가 적층 시트의 형태로 제조되는 경우, 비정질 금속 리본 및 페라이트 소결체 모두 물리적 충격에 취약하여 각 자성 소재의 깨짐 또는 부식으로 인해 자성 시트의 취급 및 가공이 어려우며, 장기적인 신뢰성을 확보하기 어려운 문제가 있다.
또한 자성 시트가 연자성 금속 분말을 포함하는 복합재 형태로 제조되는 경우, 일반적으로, 샌더스트(Sendust, Fe-Si-Al), 철-실리콘-크롬(Fe-Si-Cr) 등의 연자성 합금을 분말화하여 가공한 후 고분자 수지와 혼합하여 시트 형태로 제조된다. 이와 같은 복합재 형태의 자성 시트는 적층 시트 형태의 자성 시트에 비하여 유연성 및 내부식성 측면에서 유리할 수 있으나, 연자성 금속 분말의 자기적 물성 한계로 인하여 무선 전력 전송 및 무선 신호 전송의 효율이 좋지 못하다. 또한, 이러한 한계를 극복하기 위해서는 자성 시트의 두께를 두껍게 형성해야 하기 때문에 최근의 소형화 및 박형화 경향성을 갖는 전자기기에 적용하기 어려운 단점이 있다.
나아가, 최근에는 전자기기 및 통신 기술이 발전함에 따라 대전력, 고주파수 영역의 기기 및 신호에 적용할 수 있는 자성 시트에 대한 필요성이 커지고 있다.
본 발명의 일 구현예는 전술한 종래의 기술적 문제를 해결하기 위한 것으로, 구체적으로, 투자율 및 포화 자속 밀도가 높으며, 무선 전력 전송 및 무선 신호 전송 효율이 높아 무선 충전 및 근거리 통신의 용도에 적합하며, 소형화 및 박형화 경향성에 부합할 수 있는 편상 나노결정립 합금 분말을 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 편상 나노결정립 합금 분말을 포함하는 복합 시트로서, 무선 충전 기능 및 근거리 통신 기능의 용도에 적합하며, 우수한 무선 전력 전송 및 무선 신호 전송 효율을 나타내는 자성 시트의 기능을 구현할 수 있는 복합 시트를 제공한다.
본 발명의 또 다른 구현예는 상기 편상 나노결정립 합금 분말을 포함하는 복합 시트를 포함하는 전자 기기로서, 우수한 무선 충전 기능 및 근거리 통신 기능을 구현할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 나노결정립 구조를 포함하고, 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 제1 원소; 실리콘(Si), 붕소(B), 알루미늄(Al) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 제2 원소; 및 크롬(Cr), 구리(Cu), 망간(Mn), 니오븀(Nb) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 제3 원소의 합금이며, 하기 식 1에 의한 값이 10 초과, 60 미만인 편상 나노결정립 합금 분말 제공한다.
[식 1]
Figure pat00001
상기 식 1에서, μ′은 상기 편상 나노결정립 합금 분말의 투자율 실수부이고, Ms는 상기 편상 나노결정립 합금 분말의 포화 자속 밀도(T)이며, 상기 dC는 나노결정립의 입도(㎚)이다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 편상 나노결정립 합금 분말; 및 바인더 수지를 포함하는 복합 시트를 제공한다.
본 발명의 또 다른 구현예에서, 무선 전력 전송 수신부 안테나; 배터리; 및 상기 편상 나노결정립 합금 분말 및 바인더 수지를 포함하는 복합 시트를 포함하는 전자 기기를 제공한다.
상기 편상 나노결정립 합금 분말은 투자율 및 높은 포화 자속 밀도가 높으며, 무선 전력 전송 및 무선 신호 전송 효율이 높아 무선 충전 및 근거리 통신의 용도에 적합하며, 소형화 및 박형화 경향성에 부합할 수 있다.
상기 복합 시트는 상기 편상 나노결정립 합금 분말을 포함하는 시트로서, 무선 충전 기능 및 근거리 통신 기능의 용도에 적합하며, 우수한 무선 전력 전송 및 무선 신호 전송 효율을 나타내는 자성 시트의 기능을 우수하게 구현할 수 있다.
상기 전자 기기는 상기 편상 나노결정립 합금 분말을 포함하는 복합 시트를 포함하는 것으로서, 소형화, 박형화, 집적화된 특징을 가지면서도 우수한 무선 전력 전송 및 무선 신호 전송 효율을 바탕으로, 개선된 무선 충전 기능 및 근거리 통신 기능을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 편상 나노결정립 합금 분말의 형상을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 전자 기기의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 후술하는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 일 구현예에서, 편상(flake type) 나노결정립 합금 분말을 제공하며, 상기 편상 나노결정립 합금 분말은 나노결정립 구조를 포함하고, 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 제1 원소; 실리콘(Si), 붕소(B), 알루미늄(Al) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 제2 원소; 및 크롬(Cr), 구리(Cu), 망간(Mn), 니오븀(Nb) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 제3 원소의 합금으로 이루어진다. 또한, 상기 편상 나노결정립 합금 분말은 하기 식 1에 의한 값이 10 초과, 60 미만인 것을 특징으로 한다.
[식 1]
Figure pat00002
상기 식 1에서, μ′은 상기 편상 나노결정립 합금 분말의 투자율 실수부이고, Ms는 상기 편상 나노결정립 합금 분말의 포화 자속 밀도(T)이며, 상기 dC는 나노결정립의 입도(㎚)이다.
상기 편상 나노결정립 합금 분말은 나노결정립 구조를 갖는다. 이때, 나노결정립 구조를 갖는다는 것은 합금을 이루는 2 종 이상의 원소들이 비정질(amorphous) 상태로 혼합되어 있으면서, 이 중 일부 원소들이 부분적으로 나노미터 단위 크기의 결정 구조를 형성한 것을 의미한다. 즉, 상기 편상 나노결정립 합금 분말은 상기 제1 원소, 제2 원소 및 제3 원소 중 일부 원소들이 결정 구조를 이루어 형성된 나노결정립 구조를 갖는다.
상기 편상 나노결정립 합금 분말은 상기 식 1의 조건을 만족하며, 이로써 무선 충전 기능 및 근거리 통신 기능을 모두 우수하게 구현할 수 있다.
구체적으로, 상기 식 1에서 μ′은 상기 편상 나노결정립 합금 분말의 투자율 실수부이다. 투자율(magnetic permeability)이란, 자기장의 영향을 받아 자화할 때 생기는 자기력선속 밀도와 진공 중에 나타나는 자기장 세기의 비를 의미한다. 투자율은 복소수이며, 실수부와 허수부를 갖는다. 투자율의 실수부를 간단히 '투자율'로 지칭하기도 하며, 투자율의 허수부를 간단히 '손실율'로 지칭하기도 한다.
또한, 상기 식 1에서 μs는 상기 편상 나노결정립 합금 분말의 포화 자속 밀도(T)이며, 포화 자속 밀도(saturated magnetic flux density)란, 자기 포화 상태가 되었을 때의 자속 밀도를 의미한다.
또한, 상기 식 1에서 dC는 나노결정립의 입도(㎚)이며, 나노결정립의 입도란 나노결정립의 최대 지름을 의미한다.
상기 편상 나노결정립 합금 분말의 투자율 실수부 및 포화 자속 밀도는 VSM(Vibrating Sample Magnetometer)을 이용하여 도출 가능하며, 상기 나노결정립의 입도는 XRD (X-ray Powder Diffraction) 및 Scherrer Equation/Williamson-Hall Plot 도출, 또는 TEM (Transmission Electron Microscope) 단면 관찰 및 입도 측정/통계 분석을 이용하여 도출할 수 있다. 또한, 별도로 특정하지 않는 이상, 모든 물성은 상온 및 상압에서 측정 및 도출된다.
상기 편상 나노결정립 합금 분말은 이의 투자율 실수부, 포화 자속 밀도 및 나노결정립의 입도로 정의되는 상기 식 1에 의한 값이 10 초과, 60 미만의 범위를 만족하며, 구체적으로, 약 25 내지 약 57.5의 범위를 만족할 수 있고, 보다 구체적으로, 약 40 내지 약 55의 범위를 만족할 수 있다. 상기 식 1에 의한 값은 상기 편상 나노결정립 합금 분말의 자기적 특성과 밀접한 연관이 있으며, 그 값이 상기 범위를 만족하는 경우에 무선 충전 기능 및 근거리 통신 기능을 동시에 목적하는 수준으로 구현할 수 있다.
상기 편상 나노결정립 합금 분말은 상기 제1 원소, 제2 원소 및 제3 원소의 합금으로 이루어진다. 상기 제1 원소, 제2 원소 및 제3 원소로서 각각 전술한 종류의 금속 원소를 사용함으로써, 상기 편상 나노결정립 합금 분말이 높은 투자율 및 포화 자속 밀도를 구현할 수 있고, 상기 식 1에 따른 값이 전술한 범위를 만족하도록 가공하기 용이한 이점을 가질 수 있다. 또한, 상기 편상 나노결정립 합금 분말이 원하는 크기와 형상을 갖는 편상 구조(flake structure)로 제조되기에 유리할 수 있다.
일 구현예에서, 상기 제1 원소는 철(Fe)을 포함할 수 있고, 상기 제2 원소는 실리콘(Si) 및 붕소(B)를 포함할 수 있고, 상기 제3 원소는 구리(Cu) 및 니오븀(Nb)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 편상 나노결정립 합금 분말에 있어서, 상기 제1 원소 : 제2 원소 : 제3 원소의 원자비가 약 70~100 : 10~20 : 1~5일 수 있고, 구체적으로, 약 70~90 : 10~15 : 1~3일 수 있다. 이로써, 상기 편상 나노결정립 합금 분말이 상기 식 1에 따른 값을 전술한 범위로 갖도록 나노결정립 구조를 제어하기 용이할 수 있고, 상기 편상 나노결정립 합금 분말이 원하는 크기 및 형상의 편상 구조(flake structure)로 제조되기에 유리할 있다.
상기 편상 나노결정립 합금 분말은 나노결정립 구조를 포함하며, 구체적으로, 상기 나노결정립(nanocrystalline) 구조는 결정립의 입도가 100㎚ 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 식 1에서, 나노결정립의 입도(dC)는 0㎚ 초과, 20㎚ 이하일 수 있고, 예를 들어, 0㎚ 초과, 10㎚ 이하일 수 있다. 상기 나노결정립의 입도가 상기 범위를 만족함으로써 상기 편상 나노결정립 합금 분말의 투자율 및 포화 자속 밀도가 목적하는 수준으로 구현될 수 있다.
또한, 상기 편상 나노결정립 합금 분말은 전체 합금 분말 중에 약 10면적% 내지 약 90면적%의 나노결정립 구조를 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 50면적% 내지 약 70면적%의 나노결정립 구조를 포함할 수 있다. 상기 편상 나노결정립 합금 분말 중의 나노결정립 구조가 상기 범위를 만족함으로써 투자율 및 포화 자속 밀도가 목적하는 수준으로 구현됨과 동시에, 이를 포함하는 복합 시트가 우수한 무선 충전 기능 및 우수한 근거리 통신 기능을 동시에 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 편상 나노결정립 합금 분말(100)의 형상을 개략적으로 도식화한 것이다. 상기 편상 나노결정립 합금 분말(100)의 단면 형상은 제한이 없으며, 도 1은 일 예시로서 단면 형상이 타원형인 경우를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조할 때, 상기 편상 나노결정립 합금 분말(100)은 장축 지름(X)을 입도로 하였을 때 도출되는 평균 입도(D50)가 약 5㎛ 내지 약 90㎛일 수 있고, 구체적으로 약 20㎛ 내지 약 80㎛일 수 있다. 상기 평균 입도(D50)는 상기 편상 나노결정립 합금 분말의 장축 지름(X)을 입도로 하였을 때, 누적 입도 분포의 최고 큰 값에 대하여 50%에 해당하는 크기 값을 나타내며, 통상적으로 사용되는 입도 분석기(Particle size analyzer)를 이용해 도출할 수 있다.
상기 편상 나노결정립 합금 분말의 평균 입도(D50)가 너무 작은 경우에는 응집이 일어나 이를 바인더 수지에 고르게 분산시키기 어렵고, 그 결과 이를 포함하는 복합 시트의 자기적 물성이 저하될 수 있다. 또한, 상기 편상 나노결정립 합금 분말의 평균 입도(D50)가 지나치게 큰 경우에는 소정의 크기의 복합 시트에 분산시킬 수 있는 합금 분말의 양이 제한되어 이를 포함하는 복합 시트가 목적하는 자기적 특성을 구현하지 못하는 문제가 있다.
또한, 도 1을 참조할 때, 상기 편상 나노결정립 합금 분말은 두께(Y)에 대한 장축 지름(X)의 비로 정의되는 종횡비가 약 10 내지 약 40일 수 있고, 예를 들어, 약 25 내지 약 35일 수 있다. 상기 편상 나노결정립 합금 분말의 종횡비가 너무 작은 경우에는 이방성 및 표피 효과(skin effect)가 감소하여 투자율 등의 자기적 특성이 크게 저하되며, 이를 포함하는 복합 시트의 두께를 얇게 구현하기 어려워 박형화 및 소형화 효과를 얻을 수 없다. 또한, 상기 편상 나노결정립 합금 분말의 종횡비가 너무 큰 경우에는 소정의 크기의 복합 시트에 분산시킬 수 있는 합금 분말의 양이 제한되어 이를 포함하는 복합 시트가 목적하는 자기적 특성을 구현하지 못하는 문제가 있다.
상기 편상 나노결정립 합금 분말은 전술한 바와 같이, 상기 식 1에 의한 값이 전술한 범위를 만족하는 것을 특징으로 하며, 이는 상기 편상 나노결정립 합금 분말을 이루는 원소의 종류 및 원자비; 이의 형상 및 구조; 및 이의 제조 방법 및 공정 조건 등을 종합적으로 제어하여 달성될 수 있다.
상기 편상 나노결정립 합금 분말은 기존의 나노결정립 합금 분말에 비하여 상대적으로 높은 투자율과 포화 자속 밀도를 갖는다. 상기 편상 나노결정립 합금 분말은, 예를 들어, 고압 분사의 방법으로 제조될 수 있다.
구체적으로, 상기 편상 나노결정립 합금 분말은 상기 제1 원소, 상기 제2 원소 및 상기 제3 원소를 포함하는 합금 원재료를 진공 용융시키고; 용융된 상기 합금 원재료를 노즐을 통해 액적 형태로 분사하며; 분사된 상기 합금 원재료의 액적을 회전하는 냉각판에 충돌하도록 하여 냉각시킴으로써 편상 합금 분말을 얻고; 상기 편상 합금 분말을 열처리하여 내부에 나노결정립 구조를 형성함으로써 제조될 수 있다.
이때, 상기 제1 원소, 상기 제2 원소 및 상기 제3 원소의 각각의 종류 및 함량비는 전술한 바와 같다. 상기 합금 원재료를 진공 용융시키는 온도는 이의 융점보다 높은 온도이면서, 이들의 물성을 손상시키지 않는 범위에서 적절히 선택될 수 있다.
또한, 상기 합금 원재료는 노즐을 이용해 액적 형태로 분사되며, 이때 분무를 위한 가스로 질소, 헬륨, 아르곤 등의 불활성 가스를 이용할 수 있다. 노즐에 주입되는 가스의 압력은 예를 들어, 약 5kgf/㎠ 내지 약 300kgf/㎠일 수 있고, 예를 들어, 약 50kgf/㎠ 내지 약 200kgf/㎠일 수 있고, 예를 들어, 약 100kgf/㎠ 내지 약 170kgf/㎠일 수 있다.
또한, 분사된 상기 합금 원재료의 액적은 응결되기 전에 상기 냉각판에 충돌되는 것으로서, 상기 냉각판이 회전하면서 상기 액적에 전달하는 힘과 상기 액적의 유동성으로 인하여, 상기 냉각판에 충돌된 액적은 편상으로 전환된다. 이와 같이 냉각판에 충돌된 합금 원재료의 액적은 충돌 직후 급격히 냉각되면서 본래의 구형의 형태로 돌아가지 못하고 최종적으로 편상의 형태가 유지되어 편상의 합금 분말을 얻을 수 있다.
이때, 상기 회전하는 냉각판의 회전 속도는 약 1000rpm 내지 약 20000rpm일 수 있고, 예를 들어, 약 4000rpm 내지 약 12000rpm일 수 있다.
또한, 상기 편상 합금 분말은 편상 형태로 제조된 후에 열처리를 통하여 나노결정립 구조를 갖게 된다. 이때, 상기 열처리는 약 300℃ 내지 약 1000℃에서 수행될 수 있고, 예를 들어, 약 400℃ 내지 약 700℃에서 수행될 수 있다. 상기 열처리 온도가 약 300℃ 미만인 경우에는 나노결정립 구조의 생성이 어려우며, 약 1000℃를 초과하는 경우에는 나노결정립 구조가 급격하게 성장하여 원하는 미세 구조를 얻기 어렵다.
상기 열처리는 단일 단계로 수행될 수도 있고, 다단계로 수행될 수도 있다. 즉, 상기 온도 범위에서 열처리 단계를 조절함으로써 상기 편상 나노결정립 합금 분말의 형상 및 나노결정립 구조 등을 미세하게 제어할 수 있다. 상기 열처리가 다단계로 수행되는 경우, 각 열처리 단계는 상기 합금 분말이 편상 구조로 제조된 이후에 적절한 시간 간격으로 수행될 수 있다.
기존의 나노결정립 합금 분말은 파쇄 또는 분쇄 방법, 건식 에칭(dry etching) 방법, 습식 에칭(wet etching) 방법 등의 공정을 이용하여 제조되었다. 다만, 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 편상 나노결정립 합금 분말은, 기존의 나노결정립 합금 분말의 제조 방법을 이용해 제조되는 경우에 비하여, 전술한 방법으로 제조됨으로써 자기적 물성, 형상 및 구조를 본 발명에서 목적으로 하는 수준 및 형태로 구현하기 용이하였다.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 편상 나노결정립 합금 분말; 및 바인더 수지를 포함하는 복합 시트를 제공한다. 즉, 상기 복합 시트는 나노결정립 구조를 포함하고, 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 제1 원소; 실리콘(Si), 붕소(B), 알루미늄(Al) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 제2 원소; 및 크롬(Cr), 구리(Cu), 망간(Mn), 니오븀(Nb) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 제3 원소의 합금이며, 상기 식 1에 의한 값이 10 초과, 60 미만인 편상 나노결정립 합금 분말을 포함한다. 상기 편상 나노결정립 합금 분말에 관한 사항은 전술한 바와 같다.
상기 복합 시트는 상기 편상 나노결정립 합금 분말을 포함함으로써 박형화, 소형화, 집적화된 전자 기기에 적용되기 용이하며, 무선 신호 전송 효율 및 무선 충전 효율을 극대화하는 이점을 나타낸다.
상기 바인더 수지는 상기 편상 나노결정립 합금 분말을 시트 내에 고정시키는 역할을 하는 것으로서, 예를 들어, 니트릴 부타디엔 고무(NBR) 수지, 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 수지, 아크릴 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 실리콘 고무 수지, 폴리디메틸실록산(PDMS) 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
상기 복합 시트는 전체 중량 중에 상기 편상 나노결정립 합금 분말을 약 50중량% 내지 약 99중량% 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 80중량% 내지 약 99중량% 포함할 수 있다. 상기 편상 나노결정립 합금 분말의 함량이 상기 범위를 만족함으로써 자기적 물성이 무선 충전 기능 및 근거리 통신 기능에 모두 적합하도록 극대화될 수 있으며, 상기 복합 시트의 제조 과정에서 우수한 코팅성 및 가공성을 나타낼 수 있다.
상기 복합 시트는 상기 편상 나노결정립 합금 분말, 상기 바인더 수지 및 용매를 혼합하여 슬러리(slurry)를 제조하고; 상기 슬러리를 기재 상에 코팅 후 건조하며; 이후 열-압착(hot-pressing) 하여 자성 박막을 형성하고; 상기 자성 박막과 상기 기재를 분리함으로써 제조될 수 있다.
이때, 상기 용매는 특별히 제한되지 아니하나, 상기 편상 나노결정립 합금 분말과의 상용성 및 코팅성을 고려한 측면에서, 예를 들어, 톨루엔, 메틸에틸케톤(MEK, methyl ethyl ketone), 에탄올(ethanol) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 상기 용매는 상기 슬러리를 기재 상에 코팅 후 건조할 때 제거되어 상기 자성 박막 내에 실질적으로 존재하지 않게 된다.
상기 슬러리는 이 중에 용매를 제외한 성분 100중량%에 대하여, 상기 편상 나노결정립 합금 분말을 약 50중량% 이상 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 55중량% 내지 약 99중량% 포함할 수 있고, 예를 들어, 약 80중량% 내지 약 99중량% 포함할 수 있다. 이로써, 상기 슬러리가 우수한 코팅성 및 가공성을 나타낼 수 있고, 최종 제조된 복합 시트가 우수한 자기적 물성을 나타낼 수 있다.
상기 기재는 상기 자성 박막과 분리 가능한 재질로 이루어지며, 예를 들어, 이형 필름 또는 점착 필름일 수 있다. 상기 이형 필름은 플라스틱 필름 상부에 이형층이 배치된 구조를 가지며, 상기 점착 필름은 플라스틱 필름 상부에 점착층이 배치된 구조를 갖는다. 본 명세서에서 '점착'은 탈/부착이 가능한 물성을 의미한다.
상기 기재가 이형 필름인 경우, 상기 자성 박막은 이형층의 상부에 상기 슬러리를 코팅 및 건조함으로써 형성될 수 있고, 상기 이형층의 성분은 상기 자성 박막의 열-압착 이후에 분리 가능한 재질이면 제한되지 않고 사용 가능하나, 예를 들어, 실리콘계 이형제, 불소계 이형제 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
상기 기재가 점착 필름인 경우, 상기 자성 박막은 상기 점착층의 상부에 상기 슬러리를 코팅 및 건조함으로써 형성될 수 있고, 상기 점착층의 성분은 상기 자성 박막의 열-압착 이후에 분리 가능한 재질이면 제한되지 않고 사용 가능하나, 예를 들어, 아크릴계 점착제, 실리콘계 점착제, 에폭시계 점착제, 우레탄계 점착제 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
상기 슬러리를 기재 중에 코팅 및 건조 한 후, 열-압착(hot-pressing) 함으로써 상기 자성 박막의 밀도가 높아질 수 있다. 예를 들어, 상기 열-압착(hot-pressing)은 약 100℃ 내지 약 200℃의 온도에서, 약 50kgf/㎠ 내지 약 300kgf/㎠의 압력 하에, 약 30분 내지 약 90분 동안 수행될 수 있다. 이와 같은 조건으로 열-압착됨으로써 상기 자성 박막으로 이루어진 복합 시트가 소형화, 박형화 효과를 구현함과 동시에 우수한 근거리 통신 및 무선 충전 기능을 수행할 수 있다.
상기 복합 시트의 두께는 약 10㎛ 내지 약 500㎛일 수 있고, 예를 들어, 약 20㎛ 내지 약 80㎛일 수 있다. 상기 두께 범위를 통하여, 상기 복합 시트는 박형화, 소형화, 집적화된 전자 기기에 적용하기 용이한 이점을 갖게 된다.
또한, 상기 복합 시트는 상기 범위의 두께에서 밀도가 약 3.5g/㎤ 이상일 수 있고, 예를 들어, 약 3.5g/㎤ 내지 약 6.0g/㎤일 수 있다. 상기 밀도 범위를 갖는 경우, 상기 복합 시트는 목적하는 무선 충전 기능 및 근거리 통신 기능을 확보할 수 있는 수준의 자기적 물성을 확보할 수 있다.
구체적으로, 상기 복합 시트의 포화 자속 밀도는 약 0.4T 내지 약 1.0T일 수 있고, 예를 들어, 약 0.6T 내지 약 0.9T일 수 있다. 상기 포화 자속 밀도는 통상적인 측정 방법을 이용해 도출될 수 있으며, 예를 들어, VSM(Vibrating Sample Magnetometer)을 이용하여 상온에서 측정될 수 있다. 상기 복합 시트의 포화 자속 밀도가 상기 범위를 만족함으로써 무선 충전 기능 및 근거리 통신 기능을 동시에 우수하게 구현할 수 있다.
또한, 상기 복합 시트는 주파수 100kHz 내지 200kHz 대역에서 투자율 실수부가 약 250 이상이고, 예를 들어, 약 250 내지 약 350이며, 동시에, 주파수 13MHz 내지 14MHz 대역에서 투자율 실수부가 약 100 이상이고, 예를 들어, 약 100 내지 약 200일 수 있다. 각각의 주파수 대역에서 투자율 실수부가 상기 범위를 만족함으로써 무선 충전 기능 및 근거리 통신 기능을 동시에 우수하게 구현할 수 있다.
상기 복합 시트의 포화 자속 밀도 및 투자율 실수부는, 상기 편상 나노결정립 합금 분말 자체의 물성뿐만 아니라, 상기 복합 시트 중의 상기 편상 나노결정립 합금 분말의 함량, 상기 복합 시트의 두께 및 밀도 등이 종합적으로 조절되어, 상기 조건에 해당하도록 제어될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에서, 무선 전력 전송 수신부 안테나; 배터리; 및 상기 편상 나노결정립 합금 분말 및 바인더 수지를 포함하는 복합 시트를 포함하는 전자 기기를 제공한다. 상기 편상 나노결정립 합금 분말과 상기 복합 시트에 관한 사항은 모두 전술한 바와 같다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 전자 기기(200)에 있어서, 상기 무선 전력 전송 수신부 안테나(10)와 상기 배터리(20) 및 상기 복합 시트(30)의 상대적인 위치를 나타내는 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2를 참조할 때, 상기 복합 시트(30)는 상기 무선 전력 전송 수신부 안테나(10) 및 상기 배터리(20) 사이에 배치될 수 있다. 이로써, 상기 복합 시트(30)는 상기 무선 전력 전송 수신부 안테나(10)를 통하여 수신되어 상기 배터리(20)까지 전달되는 교류 자기장 신호를 차폐하여 무선 충전 효율 및 무선 신호 전송 효율을 극대화할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
< 실시예 및 비교예 >
실시예 1
철(Fe), 실리콘(Si), 붕소(B), 구리(Cu) 및 니오븀(Nb)를 각각 Fe:Si:B:Cu:Nb = 85:10:3:1:1의 원자비로 혼합하여 합금 원재료를 제조하였다. 이어서, 상기 합금 원재료를 1500℃에서 용융시키고, 120bar 압력의 질소 분사 공정을 이용해 액적 형태로 분사하였다. 분사된 액정 형태의 합금 원재료는 10000rpm의 속도로 회전하는 10℃의 표면 온도를 갖는 원추형 냉각 회전체에 충돌하여 급격히 냉각되면서 편상 형태로 전환되었다. 이로써 최종 응결된 편상 합금 분말이 형성되었다. 상기 편상 합금 분말은 500℃에서 1시간 동안 열처리되어 나노결정립 구조를 갖는 편상 나노결정립 합금 분말로 제조되었다. 상기 나노결정립 합금 분말의 상기 식 1에 의한 값은 25이고, 평균 입도(D50)가 60㎛이며, 나노결정립의 입도(dC)는 10㎚이고, 종횡비가 30이었다.
상기 편상 나노결정립 합금 분말, 니트릴 부타디엔 고무(NBR) 수지 및 톨루엔 용매를 혼합하여 슬러리(slurry)를 제조하였다. 이때, 상기 슬러리 중의 용매를 제외한 성분 100중량%에 대하여, 상기 편상 나노결정립 합금 분말의 함량이 90중량%가 되도록 하였다. 상기 슬러리를 1500rpm의 속도로 20분 동안 교반하고, 완성된 슬러리를 실리콘계 이형층이 표면에 배치된 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 이형 필름 상에 코팅하여 100℃에서 30분 동안 건조하였다. 이어서, 열-압착(hot-pressing) 장비(CARVER, Auto Series NE)를 이용하여 150℃에서 250kgf/㎠의 압력으로 60분 동안 가공하여 자성 박막을 제조하였고, 상기 이형 필름으로부터 상기 자성 박막을 분리하여 복합 시트를 제조하였다.
비교예 1
상기 편상 합금 분말을 900℃에서 1시간 동안 열처리하여, 상기 식 1에 의한 값은 5이고, 평균 입도(D50)가 60㎛이며, 나노결정립의 입도(dC)는 30㎚이고, 종횡비가 30인 나노결정립 합금 분말을 제조한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 복합 시트를 제조하였다.
비교예 2
상기 편상 합금 분말을 300℃에서 1시간 동안 열처리하여, 상기 식 1에 의한 값은 125이고, 평균 입도(D50)가 60㎛이며, 나노결정립의 입도(dC)는 1㎚이고, 종횡비가 30인 나노결정립 합금 분말을 제조한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 복합 시트를 제조하였다.
<평가>
상기 실시예 1 및 상기 비교예 1-2의 복합 시트 각각에 대하여, 임피던스 분석 장치(Impedance Analyzer, KEYSIGHT, E4991B)를 이용하여 상온 및 상압 조건 하에서 주파수 100kHz 내지 200kHz의 평균 투자율 실수부(A)와, 주파수 13.56MHz의 투자율 실수부(B)와, 포화 자속 밀도(C)를 측정하였다. 또한, 하기 표 1의 평가 기준에 따라, ◎: 매우 우수, ○: 우수, △: 보통, ×: 부적합으로 근거리 통신 기능 및 무선 충전 기능을 평가하였고, 그 결과는 표 2에 기재된 바와 같다.
무선 충전 기능 250≤A 200≤A<250 100≤A<200 A<100
◎ ○ △ ×
0.8T≤C 0.6T≤C<0.8T 0.4T≤C<0.6T C<0.4T
◎ ○ △ ×
근거리 통신 기능 100≤B 80≤B<100 50≤B<80 B<50
◎ ○ △ ×
A B C 근거리 통신 기능 무선 충전 기능
실시예 1 300 120 0.8T ◎ ◎
비교예 1 150 40 0.6T X △
비교예 2 220 80 0.5T △ △
상기 표 1 및 표 2의 결과를 참조할 때, 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 실시예 1의 편상 나노결정립 합금 분말을 포함하는 복합 시트의 경우, 상기 비교예 1 및 2의 편상 나노결정립 합금 분말을 포함하는 복합 시트에 비하여, 근거리 통신 기능 및 무선 충전 기능에 있어서 우수한 물성을 구현함을 알 수 있다.
100: 편상 나노결정립 합금 분말
200: 전자 기기
10: 무선 전력 전송 수신부 안테나
20: 배터리
30: 복합 시트
X: 장축 지름
Y: 두께

Claims (13)

  1. 나노결정립 구조를 포함하고,
    철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 제1 원소; 실리콘(Si), 붕소(B), 알루미늄(Al) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 제2 원소; 및 크롬(Cr), 구리(Cu), 망간(Mn), 니오븀(Nb) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는 제3 원소의 합금이며,
    하기 식 1에 의한 값이 10 초과, 60 미만인 편상 나노결정립 합금 분말;
    [식 1]
    Figure pat00003

    상기 식 1에서, μ′은 상기 편상 나노결정립 합금 분말의 투자율 실수부이고, Ms는 상기 편상 나노결정립 합금 분말의 포화 자속 밀도(T)이며, 상기 dC는 나노결정립의 입도(㎚)이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 원소 : 상기 제2 원소 : 상기 제3 원소의 원자비가 70~100 : 10~20 : 1~5인
    편상 나노결정립 합금 분말.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 나노결정립의 입도(dC)가 0㎚ 초과, 20㎚ 이하인
    편상 나노결정립 합금 분말.
  4. 제1항에 있어서,
    평균 입도(D50)가 5㎛ 내지 90㎛인
    편상 나노결정립 합금 분말.
  5. 제1항에 있어서,
    종횡비가 10 내지 40인
    편상 나노결정립 합금 분말.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 편상 나노결정립 합금 분말; 및 바인더 수지를 포함하는 복합 시트.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 바인더 수지는 니트릴 부타디엔 고무(NBR) 수지, 스티렌 부타디엔 고무(SBR) 수지, 아크릴 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 실리콘 고무 수지, 폴리디메틸실록산(PDMS) 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는
    복합 시트.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 편상 나노결정립 합금 분말을 50중량% 내지 99중량% 포함하는
    복합 시트.
  9. 제6항에 있어서,
    포화 자속 밀도가 0.6T 내지 0.9T인
    복합 시트.
  10. 제6항에 있어서,
    주파수 100kHz 내지 200kHz 대역에서 투자율 실수부가 250 내지 350이고,
    주파수 13MHz 내지 14MHz 대역에서 투자율 실수부가 100 내지 200인
    복합 시트.
  11. 제6항에 있어서,
    두께가 10㎛ 내지 500㎛인
    복합 시트.
  12. 무선 전력 전송 수신부 안테나; 배터리; 및 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 편상 나노결정립 합금 분말 및 바인더 수지를 포함하는 복합 시트를 포함하는 전자 기기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복합 시트는 상기 무선 전력 전송 수신부 안테나 및 상기 배터리 사이에 배치되는
    전자 기기.
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