KR20190048708A - 무선충전용 자기장 유도소재 및 이의 제조방법 - Google Patents

무선충전용 자기장 유도소재 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

무선충전용 자기장 유도소재 및 이의 제조방법이 제공된다. 구체적으로, 편상 형태의 금속 자성 분말을 자기장 유도 소재와 접촉하는 코일에서 발생되는 플럭스 방향을 따라 배향하고, 3차원 구조를 갖도록 형성하여 높은 인덕턴스와 충전효율을 갖는 자기장 유도소재를 제공할 수 있다.

Description

무선충전용 자기장 유도소재 및 이의 제조방법{MAGNETIC FIELD INDUCTION MATERIALS FOR WIRELESS CHARGING AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 무선충전용 자기장 유도소재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 편상(flake) 형태의 금속 자성 분말의 자화용이방향이 플럭스(flux) 방향으로 배향된, 3차원 구조의 무선충전용 자기장 유도소재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
무선충전 기술은 전기에너지를 특정 주파수의 RF신호로 변환하여 그로부터 발생하는 전자기파를 통해 에너지를 전달하는 무선전력전송(Wireless Power Transmission, WPT) 기술을 이용하여 스마트폰과 같은 개인 휴대용 전자기기 또는 가정용 전자제품, 전기자동차 등에 전력을 공급하거나 충전하는 기술로 상용화를 목적으로 개발되고 있다.
무선전력전송 기술은 전기에너지를 전자기파 형태로 변환하여 전송선 없이 무선으로 에너지를 부하로 전달하는 기술로서 전기에너지를 전자기파로 변환하기 위해 특정 주파수의 RF 신호로 전기에너지를 변환하여 그로부터 발생하는 전자기파를 이용하여 에너지를 전달한다.
이러한 RF 무선전력전송 기술은 자기장을 이용하는 근거리 무선전력전송 기술과 안테나를 이용한 원거리 무선전력전송 기술로 구분된다. 근거리 무선전력전송 기술은 크게 두 가지로, 자기유도 방식과 자기공명 방식이 있다.
자기유도 방식은 코일에 유기되는 자기장을 이용하여 전력을 전달하는 방식으로서 1차 코일에 흐르는 전류로부터 발생하는 자기장의 대부분이 전력수신단의 2차코일을 통과하면서 2차코일에 유도전류가 흘러 부하로 에너지를 공급하는 기술로서 스마트폰 이나 웨어러블 기기 등과 같은 15W급 이하의 무선충전분야에서 상업적으로 채택되어 사용되고 있다. 한편 상대적으로 에너지 전송효율이 떨어지지만 송신단과 수신단의 거리가 좀더 길어야 하는 응용분야나 한 개의 전력송신단(Tx)에 여러 개의 수신(Rx)의 기기를 동시에 무선충전 하는 분야는 자기공진 방식을 활용하는 기술이 개발되어지고 있다.
하지만 전기자동차 등과 같이3kW 이상의 대전력을 필요로 하는 산업 분야의 무선전력전송 기술은 상대적으로 높은 충전효율을 설계하기에 유리한 자기 유도 방식에 의한 무선충전기술로 개발이 되고 있다. 15W급 이하의 휴대폰과 같은 저전력 소형 기기의 무선충전 수신단의 경우 제품의 중량과 두께를 줄이기 위해 자기장 유도소재의 두께를 0.5mm이하로 하고 있으며 자기장 유도소재의 종류는 NiZn페라이트, 비정질 소재, 나노결정소재, 금속/폴리머복합시트 같은 소재들이 사용되어지고 있다. 그러나 이보다 완제품의 크기가 큰 드론이나 전기자동차의 무선충전 수신단의 경우는 주파수범위 20 ~ 100kHz 대역에서 투자율이 높은 MnZn 페라이트 소재가 사용되며 두께도 1mm 이상의 두꺼운 소재를 이용하여 무선충전 송수신 모듈을 개발하는 것이 충전효율 면에서 유리한 부분 때문에 20 ~ 100kHz 주파수 대역에서 MnZn페라이트 보다 투자율이 낮은 소재를 이용하여 개발한 기술은 고려되지 않고 있다. 일정한 형상을 갖는 MnZn페라이트를 제작하기 위해서는 금형을 제작하여 프레스를 실시한 후 성형품을 소결하여 제조한다. 그러나, 이러한 소결방식으로 제조된 MnZn페라이트는 소결 중 성형품의 불규칙한 수축으로 인하여 대면적으로 제조하는 것이 어려운 문제점이 있어 블록형태로 제조하며 여러 개의 MnZn페라이트 블록을 송 수신 모듈의 코일과 인접하게 적절히 배치시켜 자기장을 유도하도록 송수신 모듈을 설계한다.
또한, MnZn페라이트의 경우 20~100kHz범위의 주파수대역에서 높은 투자율을 갖는 장점은 있으나 취성이 커 주행 중 차체의 진동이 큰 전기자동차의 수신단에 무선 충전용 소재로 사용하기 위해서는 취약한 내충격성을 보완하기 위한 대체의 모듈설계가 수반되어야 하는 문제점이 있다. 이를 보완하기 위한 기술로서 선행기술(대한민국 공개특허 제10-2017-0051571호)은 MnZn 페라이트 시트에 자성금속/폴리머 복합 시트를 접합하여 페라이트의 취성을 개선한 다층형 복합시트에 대해 개시하고 있다. 이와 같은 기술에 의해 페라이트 자성체의 취성은 개선되지만 MnZn페라이트와 접합된 복합시트의 낮은 투자율로 인하여 전체적으로 투자율이 저하하여 수신단의 2차 코일의 인덕턴스가 낮아지게 되고, MnZn 페라이트 소재를 자기장 유도소재로 사용한 것 보다 충전효율이 저하되는 문제를 피할 수 없다. MnZn 페라이트의 문제점인 취성과 금속/폴리머 복합시트의 문제점인 낮은 투자율로 인한 수신단의 낮은 인덕턴스를 동시에 개선할 수 있는 소재의 개발 또는 수신단의 인덕턴스를 향상시킬 수 있는 소재와 코일의 결합기술이 필요하다.
대한민국 공개특허 제10-2017-0051571호
상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 높은 투자율을 갖는 3차원 구조의 무선 충전용 자기장 유도 소재 및 이의 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면은, 편상(flake) 형태의 금속 자성 분말 및 바인더를 포함하는 3차원 구조의 자기장 유도 소재로, 상기 금속 자성 분말의 자화용이 방향이 상기 자기장 유도 소재와 접촉하는 코일에서 발생되는 플럭스(flux) 방향을 따라 배향된 것을 특징으로 하는 무선충전용 자기장 유도 소재를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 금속 자성 분말의 자화용이방향은 상기 금속자성분말의 평편한 면과 평행한 방향인 것일 수 있다.
상기 자기장 유도 소재는 상기 소재의 일면에 길이 방향 또는 폭 방향을 따라 내측으로 일정깊이까지 함몰된 두 개의 코일장착홈이 배치된 3차원 구조를 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 편상(flake) 형태의 금속 자성 분말을 준비하는 단계, 상기 금속 자성 분말에 바인더를 혼합하여 원료 혼합물을 형성하는 단계, 상기 원료 혼합물로 성형 공정을 수행하여 3차원 구조의 원료 혼합물 구조체를 형성하는 단계, 상기 원료 혼합물 구조체를 열압착하는 단계 및 상기 열압착된 원료 혼합물 구조체를 코일설계에 맞도록 한 개 혹은 그 이상을 조립하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선충전용 자기장 유도 소재의 제조방법을 제공할 수 있다.
이 때, 상기 원료 혼합물 구조체에 포함된 금속 자성 분말의 자화용이 방향은 상기 자기장 유도 소재와 접촉하는 코일에서 발생되는 플럭스(flux) 방향을 따라 배향되는 것일 수 있다.
상기 편상(flake) 형태의 금속 자성 분말을 준비하는 단계는, 볼 밀링(ball milling), 비드 밀링(bead milling), 초음파 밀링(ultrasonic milling) 및 어트리션 밀링(attrition milling) 중에서 선택되는 어느 하나의 밀링 공정을 이용하여 상기 금속 자성 분말을 편상화 처리하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 성형 공정은 일면에 길이 방향 또는 폭 방향을 따라 내측으로 일정깊이까지 함몰된 두 개의 홈이 배치된 구조를 갖는 금형에 상기 원료 혼합물을 장입하는 것일 수 있다.
상기 금형에 상기 원료 혼합물을 장입시, 상기 금속 자성분말의 편평한 면이 상기 금형의 하부면과 수평한 방향으로 배향되도록 장입하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 성형 공정은 상기 원료 혼합물을 일 방향에서 배향시켜 상기 원료 혼합물 내 금속 자성 분말을 수평으로 배향하는 배향 공정, 상기 배향된 원료 혼합물을 건조시켜 원료 혼합물 도막을 형성하는 도막 제조 공정, 상기 원료 혼합물 도막을 3차원 구조의 정면 모양으로 타발하는 타발 공정 및 상기 타발된 원료 혼합물 도막을 다층으로 적층하는 적층 공정, 고밀도, 고배향을 위한 열압착 공정을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 무선충전용 자기장 유도 소재는 접촉하는 코일을 감싸는 형상의 3차원 구조로 형성되어 이를 적용한 무선충전 기기의 충전효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 자기장 유도 소재를 구성하는 금속 자성 분말의 자화용이방향을 코일에서 발생되는 플럭스 방향으로 배향시킨 자기장 유도 소재를 활용하여 높은 충전효율을 갖는 무선충전 패드(PAD)를 설계할 수 있다.
다만, 발명의 효과는 상기에서 언급한 효과로 제한되지 아니하며, 언급되지 않은 또 다른 효과들을 하기의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선충전용 자기장 유도 소재의 구조를 를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선충전용 자기장 유도 소재의 제조방법을 설명하기 위해 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전용 자기장 유도 소재의 제조방법을 나타낸 이미지이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 충전용 자기장 유도 소재의 제조방법을 나타낸 이미지이다.
도 5는 본 발명의 비교예1 내지 비교예2 및 실시예1에서 제조된 자기장 유도 소재의 구조에 따른 플럭스의 흐름을 나타낸 모식도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시 예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참고번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
무선충전용 자기장 유도 소재
본 발명의 일 측면은, 편상(flake) 이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시 예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참고번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
무선충전용 자기장 유도 소재
본 발명의 일 측면은, 편상(flake) 형태의 금속 자성 분말 및 바인더를 포함하는 3차원 구조의 자기장 유도 소재로, 상기 금속 자성 분말의 자화용이방향이 상기 자기장 유도 소재와 접촉하는 코일에서 발생되는 플럭스(flux) 방향을 따라 배향된 것을 특징으로 하는 무선충전용 자기장 유도 소재를 제공할 수 있다. 구체적으로, 상기 금속 자성 분말의 자화용이방향은 상기 금속 자성분말의 평편한 면과 평행한 방향일 수 있다.
자성소재는 형상자기이방성 특성이 있어서 형상에 의해 투자율의 특성이 달라진다. 형상자기이방성은 자성소재가 타원형의 형상을 갖는 경우 장축과 단축 방향에 따라 투자율 특성이 다른 것을 의미하며, 장축 방향으로 더 높은 투자율을 갖는다. 이에, 본 발명은 상기 금속 자성 분말의 자화용이방향을 장축 방향으로 배향시켜, 상기 플럭스가 흐를 때 높은 투자율을 가질 수 있도록 형성된 자기장 유도 소재를 제공하고자 한다.
구체적으로, 본 발명의 무선충전용 자기장 유도 소재는 상기 자기장 유도 소재를 구성하는 금속 자성 분말의 자화용이방향을 코일에서 발생되는 플럭스 방향을 따라 배향시킨 것으로, 상기 플럭스 방향으로 배향된 금속 자성 분말로 인해 상기 자기장 유도 소재에 장착되는 코일(송신코일 및 수신 코일 등)에서 발생되는 자기장을 효과적으로 집속시킬 수 있다. 또한, 이를 적용한 무선충전 기기와 접촉하는 배터리 등의 휴대 단말기에 미치는 자기장 영향을 차폐하는 기능도 수행할 있다. 더불어, 본 발명의 자기장 유도 소재는 코일을 감싸는 형상의 3차원 구조를 통해 인덕턴스를 높일 수 있어, 하기 식 1 및 식 2와 같이, 상기 자기장 유도 소재가 적용된 무선 충전기기의 유도기전력 및 충전효율을 향상시킬 수 있다. 하기 식 1은 인덕턴스와 유도기전력에 대한 관계식이며, 하기 식 2는 유도기전력과 충전효율에 대한 관계식이다.
Figure pat00001
....... 식 1
충전효율(%)＝
Figure pat00002
...... 식 2
본 발명의 일 실시예에서, 상기 자기장 유도 소재는 상기 소재의 일면에 길이 방향 또는 폭 방향을 따라 내측으로 일정깊이까지 함몰된 두 개의 코일장착홈이 배치된 3차원 구조를 갖는 것일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선충전용 자기장 유도 소재의 구조를 를 나타낸 모식도이다. 도 1을 참조하면, 상기 자기장 유도 소재의 상부 영역에 내측으로 길이방향을 따라 일정한 깊이로 함몰된 홈이 두 개가 구비될 수 있다. 일 실시예에서, 두 개의 홈을 일정 간격을 두고 평행하게 배치될 수 있으나, 실시예에 따라 다양하게 적용될 수 있다. 상기 두 개의 홈은 상기 자기장 유도 소재를 무선충전 기기에 적용시, 상기 자기장 유도 소재와 접촉하는 코일이 장착되는 홈으로 사용하기 위한 것일 수 있다.
도 1에서, 상기 자기장 유도소재는 상기 바인더에 혼합된 상기 금속 자성 분말이 평면에 평행하게 배향이 되도록 제조한 후, 이를 세워 상기 금속 자성 분말의 평편면이 3차원 자기장 유도 소재의 정면을 바라볼 수 있도록 하는 것일 수 있다. 이에, 상기 금속 자성 분말의 자화용이방향과 무선 충전용 코일에서 발생되는 플럭스(flux)의 방향이 동일하게 되어 인덕턴스와 충전효율의 향상이 가능해 질 수 있다.
상기 금속 자성 분말은 편상(flake) 형태를 갖는 투자율이 높은 금속 자성 분말로, 별도의 편상화 처리를 수행한 것일 수 있다. 상기 편상 형태의 금속 자성 분말은 구형의 형태를 갖는 분말에 비해 형상자기이방성이 향상되어 높은 투자율의 확보가 가능해질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 금속 자성 분말은 Fe-Al 합금분말, Fe-Cr 합금분말, Fe-Si 합금분말, Fe-Si-Al 합금분말, Fe-Ni 합금분말 및 Fe-Ni-Mo 합금분말 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 금속 분말을 포함하는 것일 수 있다.
상기 바인더는 상기 금속 자성 분말을 일 방향으로 배향시켜 유지되도록 상기 금속 자성 분말들을 결합 및 경화시키고, 상기 자기장 유도 소재를 3차원 구조로 용이하게 성형하기 위해 포함된 것일 수 있다. 이에, 상기 바인더는 성형성 또는 탄성이 높은 물질을 사용할 수 있으며, 구체적으로, 열경화성 고분자 물질을 사용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 바인더는 에틸렌프로필렌 고무(ethylene propylene rubber, EPM), 에틸렌프로필렌디엔 고무(ethylene propylene diene rubber, EPDM), 니트릴부타디엔 고무(nitrile butadiene rubber, NBR), 폴리아크릴레이트 고무(polyacylate rubber, ACM), 스티렌부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber, SBR), 염소화폴리에틸렌(chlorinated polyethylene, CPE), 에폭시(epoxy). 페놀(phenol) 및 우레탄(urethane) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 고분자를 포함하는 것일 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 발명의 상기 편상 형태의 금속 자성 분말 및 상기 바인더로 이루어진 3차원 구조의 자기장 유도 소재는 3차원 형상이 갖는 구조적 특징과 상기 금속 자성 분말의 자화용이방향을 플럭스 방향을 따라 배향시켜 구비함으로써, 종래의 2차원 구조의 복합시트에 비해 높은 인덕턴스를 가질 수 있다. 구체적으로 이는, 후술하는 실시예 및 도면을 통해 설명될 수 있다.
무선충전용 자기장 유도 소재의 제조방법
본 발명의 다른 측면은, 편상(flake) 형태의 금속 자성 분말을 준비하는 단계, 상기 금속 자성 분말에 바인더를 혼합하여 원료 혼합물을 형성하는 단계, 상기 원료 혼합물을 성형 공정을 수행하여 3차원 구조의 원료 혼합물 구조체를 형성하는 단계, 상기 원료 혼합물 구조체를 열압착하는 단계 및 상기 열압착된 원료 혼합물 구조체를 코일설계에 맞도록 한 개 혹은 그 이상을 조립하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선충전용 자기장 유도 소재의 제조방법을 제공할 수 있다. 이 때, 상기 원료 혼합물 구조체에 포함된 금속 자성 분말의 자화용이방향은 상기 자기장 유도 소재와 접촉하는 코일에서 발생되는 플럭스(flux) 방향을 따라 배향되는 것일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선충전용 자기장 유도 소재의 제조방법을 설명하기 위해 나타낸 순서도이다.
도 2를 참조하면, 먼저 편상 형태의 금속 자성 분말을 준비할 수 있다(S100). 본 발명의 일 실시예에서, 상기 금속 자성 분말은 Fe-Al 합금분말, Fe-Cr 합금분말, Fe-Si 합금분말, Fe-Si-Al 합금분말, Fe-Ni 합금분말 및 Fe-Ni-Mo 합금분말 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 금속 분말을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 S100 단계는, 금속 자성 분말을 편상화 처리하는 것으로, 편상화 처리는 상기 금속 자성 분말을 다수의 미세조각(플레이크)으로 분리하거나 크랙(crack)이 형성되도록 처리하는 것을 의미할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 편상 형태의 금속 자성 분말을 준비하는 단계는 볼 밀링(ball milling), 비드 밀링(bead milling), 초음파 밀링(ultrasonic milling) 및 어트리션 밀링(attrition milling) 중에서 선택되는 어느 하나의 밀링 공정을 이용하여 금속 자성 분말을 편상화 처리하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 금속 자성 분말의 편상화 처리된 금속 자성 분말은 0.3 내지 0.8g/cc의 겉보기 밀도를 갖는 것일 수 있다. 겉보기 밀도는 상기 금속 자성 분말의 편상화 정도를 나타내는 것으로, 상기 금속 자성 분말의 겉보기 밀도가 0.3g/cc 미만인 경우, 상기 금속 자성 분말 입자의 비표면적이 커져 상기 금속 자성 분말의 함량을 제어하기 어려울 수 있다. 또한, 상기 금속 자성 분말의 겉보기 밀도가 0.8g/cc를 초과하는 경우에는, 상기 금속 자성 분말의 형상 형상자기이방성이 낮아져 소재의 투자율을 저하시킬 수 있어, 상기 범위를 갖도록 금속 자성 분말을 편상화 처리할 수 있다.
그런 다음, 상기 편상 형태의 금속 자성 분말에 바인더를 혼합하여 원료 혼합물을 형성할 수 있다(S200). 상기 바인더는 열경화성 물질을 사용할 수 있으며, 액상의 바인더 또는 고상의 바인더를 용매에 용해 또는 중합시켜 사용하는 것일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 바인더는 에틸렌프로필렌 고무(ethylene propylene rubber, EPM), 에틸렌프로필렌디엔 고무(ethylene propylene diene rubber, EPDM), 니트릴부타디엔 고무(nitrile butadiene rubber, NBR), 폴리아크릴레이트 고무(polyacylate rubber, ACM), 스티렌부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber, SBR), 염소화폴리에틸렌(chlorinated polyethylene, CPE), 에폭시(epoxy), 페놀(phenol) 및 우레탄(urethane) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 고분자를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 용매는 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone, MEK), 아세톤(acetone), 부틸알콜(butyl alcohol), 디에틸에테르(Diethyl ether), 벤젠(benzene), 톨루엔(toluene) 및 사이클로헥산(cyclohexane) 중에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 전체 원료 혼합물에 대하여 상기 금속 자성 분말은 80 내지 97wt%의 범위로, 상기 바인더는 3 내지 20wt%의 범위로 혼합되는 것일 수 있다. 이는, 상기 금속 자성 분말을 80wt%이상 첨가하여 자기장 유도 소재의 밀도를 유지하면서도, 적절한 함량으로 첨가된 상기 바인더에 의해 상기 자기장 유도 소재의 절연성 및 성형 공정의 편의성을 높이기 위함일 수 있다.
전술된 상기 금속 자성 분말과 상기 바인더를 혼합하여 원료 혼합물을 형성할 수 있다. 상기 형성된 원료 혼합물은 후술하는 S300 단계의 성형 공정의 종류에 따라 상기 원료 혼합물의 형태가 달라질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 원료 혼합물은 상기 금속 자성 분말의 표면에 상기 바인더가 코팅된 형태로 혼합된 것일 수 있다. 이를 위하여, 상기 S200단계 수행시 상기 금속 자성 분말과 바인더를 혼합하는 공정 이후에, 상기 혼합물을 건조하는 공정을 추가적으로 수행할 수 있다. 또는, 본 발명의 다른 실시예에서, 상기 원료 혼합물은 상기 액상 형태의 바인더에 상기 금속 자성 분말이 분산되어 혼합된 것일 수 있다.
이 후, 상기 원료 혼합물로 성형 공정을 수행하여 3차원 구조의 원료 혼합물 구조체를 형성할 수 있다(S300). 즉, 상기 원료 혼합물 구조체는 상기 원료 혼합물로 이루어진 3차원 구조를 갖는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 원료 혼합물 구조체는 일면에 길이 방향 또는 폭 방향을 따라 내측으로 일정깊이까지 함몰된 두 개의 홈이 배치된 3차원 구조를 갖는 것일 수 있다. 상기 성형 공정에서, 상기 원료 혼합물 내 금속 자성 분말의 자화용이방향이 상기 자기장 유도 소재와 접촉하는 코일에서 발생되는 플럭스(flux) 방향을 따라 배향되도록 수행하는 것일 수 있다.
상기 원료 혼합물로 상기 3차원 구조를 갖는 원료 혼합물 구조체를 형성하는 성형 공정은 실시예에 따라 달라질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 금형을 이용한 성형 공정과, 다른 실시예에서는 원료 혼합물을 도막 형태로 제조한 후, 최종 형성될 자기장 유도 소재의 3차원 구조의 정면 모양으로 타발하고 이를 다층으로 적층하고 성형 공정을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 S300단계의 성형 공정은 상기 원료 혼합물을 일면에 길이 방향 또는 폭 방향을 따라 내측으로 일정깊이까지 함몰된 두 개의 홈이 배치된 구조를 갖는 금형에 장입하여 수행하는 것일 수 있다. 구체적으로 이는, 도 3을 참조하여 상술한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전용 자기장 유도 소재의 제조방법을 나타낸 이미지이다.
도 3(c)에서와 같이, 상기 원료 혼합물을 금형에 장입할 때, 상기 혼합물의 금속 분말이 금형의 평면과 수평 방향으로 배향이 되도록 장입하여, 상기 원료 혼합물 내 금속 자성 분말의 자화용이방향이 상기 자기장 유도소재와 접촉하는 코일에서 발생되는 플럭스(Flux) 방향을 따라 배향된 3차원 구조의 원료 분말 구조체를 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 S300 단계의 성형 공정은 상기 원료 혼합물을 일 방향에서 배향시켜 상기 원료 혼합물 내 금속 자성 분말을 수평으로 배향하는 배향 공정(S310)과, 상기 배향된 원료 혼합물을 건조시켜 원료 혼합물 도막을 형성하는 도막 제조 공정(S320)과, 상기 원료 혼합물 도막을 3차원 구조의 정면 모양으로 타발하는 타발 공정(S330) 및 상기 타발된 원료 혼합물 도막을 다층으로 적층하는 적층 공정(S340)을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로 이는, 도 4를 참조하여 상술한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 충전용 자기장 유도 소재의 제조방법을 나타낸 이미지이다.
도 4(c)는 상기 배향 공정을 나타낸 것으로, 상기 배향 공정은 상기 편상 형태의 금속 자성 분말 및 상기 바인더가 혼합된 상기 원료 혼합물을 일방향으로 배향시키는 것일 수 있다. 상기 배향 공정을 통해 상기 금속 자성 분말이 상기 원료 혼합물 내에서 일 방향으로 배향될 수 있다.
도 4(d)는 상기 도막 제조 공정을 나타낸 것으로, 상기 배향 공정을 통해 수평으로 고르게 편 형태의 원료 혼합물을 건조시켜 원료 혼합물 도막을 형성할 수 있다. 또한, 상기의 배향 공정은 건식 공정을 통해서도 제조할 수 있다. 상기 원료 혼합물 도막을 형성하는 공정은, 구체적으로 예를 들어, 테이프 캐스팅(tape casting), 스프레이 코팅(spray coating) 또는 스크린 인쇄(screen printing), 압연 (Rolling) 등의 방법으로 이용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 원료 혼합물 도막의 두께는 30 내지 1,000㎛일 수 있다. 상기 원료 혼합물로 상기 원료 혼합물 도막을 형성시에 복수개로 원료 혼합물 도막을 형성할 수 있다.
도 4(e)는 상기 타발 공정 및 상기 적층 공정이 수행된 것으로, 먼저, 타발 공정을 통해 상기 원료 혼합물 도막을 최종성형체인 원료 혼합물 구조체의 3차원 구조의 정면 모양으로 타발하고, 타발된 원료 혼합물 도막들을 복수개의 층으로 적층시킬 수 있다. 이는, 후술하는 열압착 공정 이후에, 3차원 구조로 형성된 원료 혼합물 구조체를 수직으로 세움으로써, 상기 금속 자성 분말의 자화용이방향이 플럭스 방향으로 배향되도록 하기 위함일 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 성형 공정을 수행한 다음, 상기 원료 혼합물 구조체를 열압착할 수 있다(S400). 상기 원료 혼합물 구조체를 열압착하는 것은 상기 원료 혼합물 구조체를 구성하는 원료 혼합물에 포함된 바인더에 유동성을 부여하기 위한 것일 수 있다. 구체적으로, 열압착 공정을 통해 상기 원료 혼합물 내 바인더가 유동성을 가지면서, 상기 편상 형태의 금속 자성 분말 사이사이의 공극을 용이하게 충진시킬 수 있다. 이에, 상기 편상 형태의 금속 자성 분말을 구성하는 복수개의 플레이크를 절연시킬 수 있고, 이러한 금속 자성 분말 및 바인더를 포함하는 자기장 유도 소재는 절연성을 가질 수 있다.
또한, 상기 바인더를 충분히 충진시킨 상태에서 열처리 온도를 더 높이게 되면 상기 바인더가 경화되면서 압축된 원료 혼합물이 다시 회복되어 밀도가 감소하는 것을 방지시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 열압착은 30 내지 2,000kg/㎠ 범위의 압력 및 70 내지 150℃ 범위의 온도에서 수행하는 것일 수 있다. 상기 공정 수행시 압력 및 온도 범위가 상기 범위를 벗어나는 경우, 상기 원료 혼합물 구조체를 구성하는 바인더가 적절하게 유동되거나 경화되지 않을 수 있어, 상기 금속 자성 분말의 배향성이 유지 및 고밀도의 자기장 유도 소재를 제조하기 어려울 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 열압착된 원료 혼합물 구조체에 포함된 금속 자성 분말의 자화용이 방향을 제어할 수 있다(S500). 구체적으로 이는, 상기 열압착된 원료 혼합물 구조체를 수직으로 세우는 것으로, 이를 통해 상기 금속 자성분말의 자화용이방향이 플럭스 방향으로 바뀔 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 원료 혼합물 구조체를 열압착하여 3차원 구조의 자기장 유도 소재를 형성할 수 있다. 상기 자기장 유도 소재는 도 3(e) 및 도 4(g)에 도시된 바와 같이, 상기 자기장 유도 소재의 일면에 길이 방향 또는 폭 방향을 따라 내측으로 일정깊이까지 함몰된 두 개의 홈이 배치된 3차원 구조를 갖는 것일 수 있다. 이에, 도 4(i)와 같이, 상기 자기장 유도 소재의 홈에 코일을 장착할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 무선충전용 자기장 유도 소재의 제조방법은 상기 자기장 유도 소재를 구성하는 금속 자성 분말의 자화용이방향을 코일에서 발생되는 플럭스 방향을 따라 배향시키는 방법을 개시하고 있어, 이를 통해 상기 자기장 유도 소재에 장착되는 코일에서 발생되는 자기장을 효과적으로 집속시킬 수 있으며, 코일을 감싸는 형상의 3차원 구조를 통해 용이하게 자기장을 집속하여 인덕턴스를 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
실시예1: 금속 자성 분말의 자화용이방향이 플럭스 방향으로 배향된, 3차원 구조의 자기장 유도 소재
소재의 일면에 길이 방향 또는 폭 방향을 따라 내측으로 일정깊이까지 함몰된 두 개의 홈이 배치된 3차원 구조로 자기장 유도 소재를 제조하였다. 상기 자기장 유도 소재 제조시, 소재를 구성하는 금속 자성 분말을 자화용이방향이 상기 홈에 장착되는 코일에서 발생되는 플럭스 방향으로 배향되도록 공정을 수행하였다.
비교예1: 금속 자성 분말이 일 방향으로 배향된, 2차원 구조의 자기장 유도 소재
상기 실시예1과 동일한 금속 자성 분말 및 바인더를 사용하여 평판(plate) 형상의 2차원 구조를 갖는 자기장 유도 소재를 제조하였다.
비교예2: 금속 자성 분말이 일 방향으로 배향된, 2차원 구조의 자기장 유도 소재
상기 실시예1과 동일한 금속 자성 분말 및 바인더를 사용하여 실시예1과 동일한 3차원 구조의 자기장 유도 소재를 제조하였다. 상기 자기장 유도 소재 제조시, 소재를 구성하는 금속 자성 분말은 일 방향(상기 홈에 장착되는 코일과 수평한 방향)으로 배향되도록 공정을 수행하였다.
실험예1: 자기장 유도 소재의 인덕턴스 측정
자기장 유도 소재의 형상에 따른 상기 실시예1, 비교예1 및 비교예2에서 제조된 소재에서의 코일의 인덕턴스를 측정하였다. 측정결과는, 하기 표 1과 같다.
표 1은 실시예1, 비교예1 및 비교예2에서 제조된 소재에서의 코일의 인덕턴스를 나타내었다.
소재의 비투자율 비교예1의 인덕턴스
(uH)		 비교예2 의 인덕턴스
(uH)		 실시예1 의 인덕턴스
(uH)
45 6.14 6.18 6.30
100 6.25 6.27 6.41
150 6.36 6.40 6.49
200 6.44 6.49 6.56
도 5는 본 발명의 비교예1 내지 비교예2 및 실시예1에서 제조된 자기장 유도 소재의 구조에 따른 플럭스의 흐름을 나타낸 모식도이다.
도 5 및 표 1을 참조하면, 비교예1의 평판 형태의 2차원 구조를 갖는 자기장 유도 소재보다 비교예2의 3차원 구조를 갖는 자기장 유도 소재가 구조적 특징으로 인해 인덕턴스를 증가시킬 수 있는 자기장 흐름을 나타내고 있으며, 결과적으로, 자기장 유도 소재의 인덕턴스가 높아진 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예1의 자기장 유도 소재는 비교예2와 동일한 3차원 구조적 특징으로 인덕턴스를 증가시키면서도, 소재를 구성하는 금속 자성 분말의 자화용이방향이 상기 코일의 플럭스 방향으로 배향되어 있어, 비교예2에 비해 자기장 집속효과가 향상된 것을 알 수 있다. 더불어 표 1과 같이, 실시예1의 자기장 유도 소재는 비교예2의 인덕턴스보다 높은 인덕턴스를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 상기와 같이, 본 발명의 자기장 유도 소재는 소재와 접촉하는 코일을 감싸는 형상의 3차원 구조 및 상기 3차원 구조를 이루는 소재에 포함된 금속 자성 분말의 자화용이방향이 상기 코일에서 발생되는 플럭스 방향을 따라 배향되도록 구비하여, 코일의 인덕턴스를 용이하게 높일 수 있다. 이러한 높은 투자율을 갖는 본 발명의 자기장 유도 소재는 충전효율을 향상시킬 수 있어, 관련 분야에 적극 활용될 것으로 기대된다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (12)

  1. 편상(flake) 형태의 금속 자성 분말 및 바인더를 포함하는 3차원 구조의 자기장 유도 소재로,
    상기 금속 자성 분말의 자화용이방향이 상기 자기장 유도 소재와 접촉하는 코일에서 발생되는 플럭스(flux) 방향을 따라 배향된 것을 특징으로 하는 무선충전용 자기장 유도 소재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 자성 분말의 자화용이방향은,
    상기 금속 자성분말의 평편한 면과 평행한 방향인 것을 특징으로 하는 무선충전용 자기장 유도 소재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 자기장 유도 소재는,
    상기 소재의 일면에 길이 방향 또는 폭 방향을 따라 내측으로 일정깊이까지 함몰된 두 개의 코일장착홈이 배치된 3차원 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 무선충전용 자기장 유도 소재.
  4. 제1항에 있어서, 상기 금속 자성 분말은,
    Fe-Al 합금분말, Fe-Cr 합금분말, Fe-Si 합금분말, Fe-Si-Al 합금분말, Fe-Ni 합금분말 및 Fe-Ni-Mo 합금분말 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 금속 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선충전용 자기장 유도 소재.
  5. 제1항에 있어서, 상기 바인더는,
    에틸렌프로필렌 고무(ethylene propylene rubber, EPM), 에틸렌프로필렌디엔 고무(ethylene propylene diene rubber, EPDM), 니트릴부타디엔 고무(nitrile butadiene rubber, NBR), 폴리아크릴레이트 고무(polyacylate rubber, ACM), 스티렌부타디엔 고무(styrene-butadiene rubber, SBR), 염소화폴리에틸렌(chlorinated polyethylene, CPE), 에폭시(epoxy), 페놀(phenol) 및 우레탄(urethane) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상의 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선충전용 자기장 유도 소재.
  6. 편상(flake) 형태의 금속 자성 분말을 준비하는 단계;
    상기 금속 자성 분말에 바인더를 혼합하여 원료 혼합물을 형성하는 단계;
    상기 분말 형태의 원료 혼합물 또는 상기 원료 혼합물을 시트형태로 성형하여 3차원 구조체를 형성하기 위해 금형에 넣는 단계;
    상기 원료 혼합물 구조체를 금형내에서 열압착하는 단계; 및
    상기 열압착된 원료 혼합물 구조체 한 개 혹은 그 이상의 구조체를 모듈 설계에 맞게 조립하는 단계를 포함하는 것으로,
    상기 원료 혼합물 구조체에 포함된 금속 자성 분말의 자화용이방향은 상기 자기장 유도 소재와 접촉하는 코일에서 발생되는 플럭스(flux) 방향을 따라 배향되도록 조립하는 것을 특징으로 하는 무선충전용 자기장 유도 소재의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 편상(flake) 형태의 금속 자성 분말을 준비하는 단계는,
    볼 밀링(ball milling), 비드 밀링(bead milling), 초음파 밀링(ultrasonic milling) 및 어트리션 밀링(attrition milling) 중에서 선택되는 어느 하나의 밀링 공정을 이용하여 상기 금속 자성 분말을 편상화 처리하는 것을 특징으로 하는 무선충전용 자기장 유도 소재의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 성형 공정은,
    일면에 길이 방향 또는 폭 방향을 따라 내측으로 일정깊이까지 함몰된 두 개의 홈이 배치된 구조를 갖는 금형에 표면이 바인더로 코팅된 분말형태의 원료혼합물을 장입하는 것을 특징으로 하는 무선충전용 자기장 유도 소재의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 금형에 상기 원료 혼합물을 장입시, 상기 금속 자성 분말의 편평한 면이 상기 금형의 하부면과 수평한 방향으로 배향되도록 장입하는 것을 특징으로 하는 무선충전용 자기장 유도 소재의 제조방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 성형 공정은,
    상기 원료 혼합물을 일 방향에서 배향시켜 상기 원료 혼합물 내 금속 자성 분말을 수평으로 배향하는 습식 배향 공정;
    상기 배향된 원료 혼합물을 건조시켜 원료 혼합물 도막을 형성하는 도막 제조 공정;
    상기 원료 혼합물 도막을 3차원 구조의 정면 모양으로 타발하는 타발 공정; 및
    상기 타발된 원료 혼합물 도막을 다층으로 적층하는 적층 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선충전용 자기장 유도 소재의 제조방법.
  11. 제6항에 있어서, 상기 성형 공정은,
    상기 원료 혼합물을 일 방향에서 배향시켜 상기 원료 혼합물 내 금속 자성 분말을 수평으로 배향하는 건식(Rolling) 배향 공정;
    상기 원료 혼합물 도막을 3차원 구조의 정면 모양으로 타발하는 타발 공정; 및
    상기 타발된 원료 혼합물 도막을 다층으로 적층하는 적층 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선충전용 자기장 유도 소재의 제조방법.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 열압착은 30 내지 2,000kg/㎠ 범위의 압력 및 70 내지 150℃ 범위의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 무선충전용 자기장 유도 소재의 제조방법.
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