KR20200022996A - 자성 블록, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 안테나 소자 - Google Patents

자성 블록, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 안테나 소자 Download PDF

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Abstract

일 구현예에 따른 자성 블록은 롤 형태로 감긴 자성 시트를 포함하고 상기 롤의 직경 대 높이 비가 20 이상이다. 상기 자성 블록은 기존의 적층 형태의 자성 블록에 비해 동등 이상의 자성 특성을 가지면서 내충격성 등의 특성이 향상되었다. 따라서 상기 자성 블록은 전기자동차 또는 모바일기기의 무선 충전 등의 분야에서 다양하게 적용될 수 있다.

Description

자성 블록, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 안테나 소자{MAGNETIC BLOCK, PREPARATION METHOD THEREOF AND ANTENNA DEVICE COMPRISING SAME}
구현예는 자성 블록, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 안테나 소자에 관한 것이다. 구체적으로, 구현예는 전기자동차 및 무선충전 분야에서 사용될 수 있는 대면적의 자성 블록, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 안테나 소자에 관한 것이다.
오늘날 정보통신 분야는 매우 빠른 속도로 발전하고 있으며, 전기, 전자, 통신, 반도체 등이 종합적으로 조합된 다양한 기술들이 지속적으로 개발되고 있다. 또한 전자기기의 모바일화 경향이 증대함에 따라, 통신분야에서도 무선 통신 및 무선 전력전송 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 전자기기 등에 무선으로 전력을 공급하는 방안에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
상기 무선 전력전송은 전력을 공급하는 기기와 전력을 공급받는 기기 간에 물리적인 접촉 없이 자기 결합(inductive coupling), 용량 결합(capacitive coupling) 또는 안테나 등의 전자기장 공진 구조를 이용하여 공간을 통해 전력을 무선으로 공급(전송)하는 것이다. 상기 무선 전력전송은 대용량의 배터리가 요구되는 휴대용 통신기기, 전기자동차 등에 적합하며, 접점이 노출되지 않아 누전 등의 위험이 거의 없으며 유선 방식의 충전불량 현상을 막을 수 있다.
한편, 최근 들어 전기자동차에 대한 관심이 급증하면서 충전 인프라 구축에 대한 관심이 증대되고 있다. 이미 가정용 충전기를 이용한 전기자동차 충전을 비롯하여 배터리 교체, 급속 충전장치, 무선 충전장치 등 다양한 충전방식이 등장하였고, 새로운 충전사업 비즈니스 모델도 나타나기 시작했다(대한민국 공개특허 제 2011-0042403 호 참조).
또한, 유럽에서는 시험 운행중인 전기차와 충전소가 눈에 띄기 시작했고, 일본에서는 자동차제조업체와 전력회사들이 주도하여 전기자동차 및 충전소를 시범적으로 운영하고 있다.
대한민국 공개특허 제 2011-0042403 호
최근 전기자동차의 무선 충전 등의 다양한 분야에서 자성 블록의 대면적화가 요구되고 있다. 그러나 자성 블록의 재료로 주로 사용되는 페라이트는 대면적이나 두꺼운 두께로 제작이 어렵고 충격에 약한 문제가 있었다.
예를 들어 Mn-Zn계 페라이트 블록은 100mm x 100mm의 사이즈 이상의 대면적 제작이 용이하지 않고, 그 외 나노결정형, 무정형 또는 고분자형 자성 재료도 대면적의 자성 블록으로 제작이 용이하지 않았다. 또한 자성 블록의 두께를 증가시키기 위해 다수의 자성 시트를 제조한 뒤 적층시키더라도 총 두께가 10 mm를 넘기 어려운 문제가 있었다.
따라서 이하 구현예에서 대면적이면서 두꺼운 두께로 제작 가능한 자성 블록, 이를 간단하고도 효과적으로 제조하는 방법, 및 이를 포함하는 안테나 소자를 제공하고자 한다.
일 구현예에 따르면, 롤 형태로 감긴 자성 시트를 포함하고, 하기 수학식 1에 따른 직경 대 높이 비가 20 이상인, 자성 블록이 제공된다:
[수학식 1]
직경 대 높이 비 = 롤의 밑면과 동일한 면적의 원의 직경 / 롤의 높이.
다른 구현예에 따르면, 자성 시트를 롤 형태로 감는 단계를 포함하고, 상기 수학식 1에 따른 직경 대 높이 비가 20 이상인, 자성 블록의 제조방법이 제공된다.
또 다른 구현예에 따르면, 자성 블록 및 도전성 패턴을 포함하고, 상기 자성 블록이 롤 형태로 감긴 자성 시트를 포함하고, 상기 수학식 1에 따른 직경 대 높이 비가 20 이상인, 안테나 소자가 제공된다.
상기 구현예에 따른 자성 블록은 기존에 구현하기 어려웠던 대면적 및 두꺼운 두께를 현저한 수준으로 구현할 수 있다. 또한 상기 자성 블록은 기존의 적층 형태의 자성 블록에 비해 동등 이상의 자성 특성을 가지면서 내충격성 등의 특성이 향상될 수 있다.
아울러 상기 자성 블록은 기존과 동일한 방식으로 제조된 자성 시트를 롤 형태로 감는 간단한 방식에 의해 용이하게 제조될 수 있다. 더욱이 상기 자성 블록은 자성 시트의 폭과 롤 제작에 사용되는 코어 등의 조건을 변경하여 다양한 치수 및 형태로 제작될 수 있다.
따라서 상기 자성 블록은 전기자동차 또는 모바일기기의 무선 충전 등의 분야에서 다양하게 적용될 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 자성 블록을 제조하는 방법을 나타낸 것이다.
도 2는 일 구현예에 따른 자성 블록을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 다양한 형상으로 제조된 자성 블록의 평면도를 나타낸 것이다.
도 4는 일 구현예에 따른 자성 블록을 이용한 안테나 소자의 평면도를 나타낸 것이다.
이하의 구현예의 설명에 있어서, 각 층, 시트 또는 영역 등이 각 층, 시트 또는 영역 등의 "상(on)" 또는 "하(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "하(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여(indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 각 구성요소의 상/하에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에 기재된 구성성분의 물성 값, 치수 등을 나타내는 모든 수치 범위는 특별한 기재가 없는 한 모든 경우에 "약"이라는 용어로 수식되는 것으로 이해하여야 한다.
자성 블록
도 2는 일 구현예에 따른 자성 블록을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2를 참조하여, 일 구현예에 따른 자성 블록(100)은, 롤 형태로 감긴 자성 시트를 포함하고, 하기 수학식 1에 따른 직경 대 높이 비가 20 이상이다:
[수학식 1]
직경 대 높이 비 = 롤의 밑면(110)과 동일한 면적의 원의 직경(d1) / 롤의 높이(h).
롤 치수
상기 자성 블록은 상기 수학식 1에 따른 직경 대 높이 비가 20 이상이다.
구체적으로, 상기 직경 대 높이 비는 30 이상, 40 이상, 50 이상, 80 이상, 100 이상, 또는 120 이상일 수 있다.
이때 상기 직경 대 높이 비의 상한값은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 300 이하, 200 이하, 180 이하, 또는 150 이하일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 직경 대 높이 비는 20 내지 300 범위, 30 내지 200 범위, 40 내지 180 범위, 45 내지 160 범위, 또는 50 내지 150 범위일 수 있다.
상기 일 구현예에 따른 자성 블록은 기존에 비해 대면적으로 제공될 수 있다.
예를 들어, 상기 롤의 밑면(110)의 면적은 100cm2 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 롤의 밑면의 면적은 150cm2 이상, 200cm2 이상, 300cm2 이상, 또는 400cm2 이상일 수 있다.
이때 상기 롤의 밑면의 상한값은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 3000cm2 이하, 2500cm2 이하, 또는 2000cm2 이하인 것이 바람직하다.
보다 구체적으로, 상기 롤의 밑면의 면적은 100cm2 내지 3000cm2 범위, 150cm2 내지 2500cm2 범위, 또는 300cm2 내지 2000cm2 범위일 수 있다.
또한, 상기 일 구현예에 따른 자성 블록은 기존에 비해 두꺼운 두께로 제공될 수 있다.
예를 들어, 상기 롤의 높이(h)는 1mm 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 롤의 높이는 2mm 이상, 3mm 이상, 또는 4mm 이상일 수 있다.
이때 상기 롤의 높이의 상한값은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 10mm 이하, 6mm 이하, 또는 5mm 이하일 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 롤의 높이는 1mm 내지 10mm 범위, 2mm 내지 6mm 범위, 또는 3mm 내지 5mm 범위일 수 있다.
롤 형태
상기 롤은 다양한 형태로 제공될 수 있다.
도 3은 다양한 형상으로 제조된 자성 블록의 평면도를 나타낸 것이다.
도 3에서 보듯이, 상기 롤의 밑면은 원형, 타원형, 다각형, 또는 모서리가 둥근 다각형의 형상을 가질 수 있다.
홀
도 2를 참조하여, 상기 롤은 중심부에 홀(150)을 가질 수 있다.
상기 홀은 롤의 높이 방향으로 롤의 중심부를 관통하므로, 밑면에도 홀이 구비된다.
상기 홀의 평면 형상은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 원형, 타원형, 다각형, 또는 모서리가 둥근 다각형일 수 있다.
상기 홀(150)은 50mm 내지 600mm 범위의 직경(d2)을 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 홀의 직경은 100mm 내지 600mm 범위, 200mm 내지 600mm 범위, 또는 250mm 내지 550mm 범위일 수 있다.
상기 홀이 원형 외의 평면 형상을 가질 경우, 상기 홀의 직경은 상기 홀과 동일한 면적의 원의 직경으로 정해질 수 있다.
자성 시트
일 구현예에 따른 자성 블록에 사용되는 자성 시트는 그 종류 및 소재에 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 자성 시트로서 고분자형 자성 시트(PMS), 페라이트계 소결 시트, Fe계 나노결정질(nanocrystal) 시트, Fe계 비정질(amorphous) 시트 등이 가능하다.
고분자형 자성 시트
일례로서, 상기 자성 시트는 고분자형 자성 시트일 수 있다. 이에 따라 상기 자성 시트는 유연성 자성 시트일 수 있으며, 구체적으로 유연성을 갖는 무소결 경화 시트일 수 있다. 즉, 상기 자성 시트는 바인더 수지 및 상기 바인더 수지 내에 분산된 자성 분말을 포함할 수 있다.
상기 고분자형 자성 시트에 포함되는 자성 분말은 페라이트(Ni-Zn계, Mg-Zn계, Mn-Zn계 페라이트 등)와 같은 산화물 자성 분말; 퍼말로이(permalloy), 샌더스트(sendust), Fe-Si-Cr 합금 및 Fe-Si-나노크리스탈과 같은 금속 자성 분말; 또는 이들의 혼합 분말일 수 있다. 예를 들어, 상기 자성 분말은 Fe-Si-Al 합금 조성을 갖는 샌더스트 분말일 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 자성 분말은 하기 화학식 1의 조성을 가질 수 있다.
[화학식 1]
Fe1-a-b-c Sia Xb Yc
상기 식에서,
X는 Al, Cr, Ni, Cu, 또는 이들의 조합이고;
Y는 Mn, B, Co, Mo, 또는 이들의 조합이고;
0.01 ≤ a ≤ 0.2, 0.01 ≤ b ≤ 0.1, 및 0 ≤ c ≤ 0.05 이다.
상기 자성 분말의 입경은 약 3 nm 내지 약 1 mm의 범위일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 자성 분말의 입경은 약 1~300 ㎛, 약 1~50 ㎛ 또는 약 1~10 ㎛의 범위일 수 있다.
상기 자성 분말은 구상, 플레이크상, 막대상 등의 형상을 가질 수 있다. 바람직하게는, 상기 자성 분말은 플레이크 형상을 가질 수 있고, 이에 따라 입자의 종횡비가 커서 자성 특성이 보다 효과적으로 발휘될 수 있다. 특히, 상기 안테나 소자의 제조 시에 수행되는 열가압에 의해 상기 플레이크상의 자성 분말이 고르게 정렬될 수 있다.
상기 자성 분말은 기능성 소재로 코팅된 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 자성 분말은 개개의 입자 표면에 절연 코팅된 것일 수 있다. 일례에 따르면, 상기 자성 분말은 유기 성분으로 코팅된 것일 수 있으며, 구체적으로 절연성 고분자 수지로 코팅된 것일 수 있다.
이에 따라 상기 자성 분말의 개개의 입자는 코어 및 상기 코어의 표면을 둘러싸는 쉘로 이루어질 수 있다. 이때 상기 코어는 페라이트와 같은 산화물 자성체; 퍼말로이, 샌더스트, Fe-Si-Cr 합금 및 Fe-Si-나노크리스탈과 같은 금속 자성체; 또는 이들의 혼합 성분을 함유할 수 있다. 또한, 상기 쉘은 절연성 고분자 수지를 함유할 수 있다. 상기 쉘의 두께는 0.1~20 ㎛의 범위, 또는 1~10 ㎛의 범위일 수 있다.
상기 고분자형 자성 시트에 포함되는 바인더 수지로는 경화성 수지를 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 바인더 수지는 광경화성 수지, 열경화성 수지 및/또는 고내열 열가소성 수지를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 열경화성 수지를 포함할 수 있다.
이와 같이 경화되어 접착성을 나타낼 수 있는 수지로서, 글리시딜기, 이소시아네이트기, 히드록시기, 카복실기 또는 아미드기 등과 같은 열에 의한 경화가 가능한 관능기 또는 부위를 하나 이상 포함하거나; 또는 에폭시드(epoxide)기, 고리형 에테르(cyclic ether)기, 설파이드(sulfide)기, 아세탈(acetal)기 또는 락톤(lactone)기 등과 같은 활성 에너지에 의해 경화가 가능한 관능기 또는 부위를 하나 이상 포함하는 수지를 사용할 수 있다. 이와 같은 관능기 또는 부위는 예를 들어 이소시아네이트기(-NCO), 히드록시기(-OH), 또는 카복실기(-COOH)일 수 있다.
구체적으로, 상기 경화성 수지는, 상술한 바와 같은 관능기 또는 부위를 적어도 하나 이상 가지는 폴리우레탄 수지, 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지, 이소시아네이트 수지 또는 에폭시 수지 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 실시예에 따르면, 상기 바인더 수지(120)는 폴리우레탄계 수지, 이소시아네이트계 경화제 및 에폭시계 수지를 포함할 수 있다.
상기 폴리우레탄계 수지는 하기 화학식 2a 및 2b로 표시되는 반복단위들을 포함할 수 있다.
[화학식 2a] [화학식 2b]
Figure pat00001
Figure pat00002
상기 식에서,
R1 및 R3는 각각 독립적으로 C1-5알킬렌기, 우레아기, 또는 에테르기이고;
R2 및 R4는 각각 독립적으로 C1-5알킬렌기이며;
이때, 상기 각각의 C1-5알킬렌기는 할로겐, 시아노, 아미노 및 니트로로 이루어진 군에서 선택된 치환기를 1개 이상 갖거나 갖지 않는다.
상기 폴리우레탄계 수지는 상기 화학식 2a로 표시되는 반복단위와 상기 화학식 2b로 표시되는 반복단위를 1:10 내지 10:1의 몰비로 포함할 수 있다.
상기 폴리우레탄계 수지는 약 500~50,000 g/mol의 범위, 약 10,000~50,000 g/mol의 범위, 또는 약 10,000~40,000 g/mol의 범위의 수평균분자량을 가질 수 있다.
상기 이소시아네이트계 경화제는 유기 디이소시아네이트일 수 있다.
예를 들어, 상기 이소시아네이트계 경화제는 방향족 디이소시아네이트, 지방족 디이소시아네이트, 지환족 디이소시아네이트, 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 방향족 디이소시아네이트는 예를 들어 1~2개의 C6~20아릴기를 갖는 디이소시아네이트일 수 있고, 구체적으로 1,5-나프탈렌 디이소시아네이트, 4,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트, 4,4'-디페닐-디메틸메탄 디이소시아네이트, 4,4'-벤질 이소시아네이트, 디알킬-디페닐메탄 디이소시아네이트, 테트라알킬-디페닐메탄 디이소시아네이트, 1,3-페닐렌 디이소시아네이트, 1,4-페닐렌 디이소시아네이트, 톨릴렌 디이소시아네이트, 크실렌 디이소시아네이트 등일 수 있다.
상기 지환족 디이소시아네이트는 예를 들어 1~2개의 C6~20사이클로알킬기를 갖는 디이소시아네이트일 수 있고, 구체적으로 사이클로헥산-1,4-디이소시아네이트, 이소포론 디이소시아네이트, 디사이클로헥실메탄-4,4'-디이소시아네이트, 1,3-비스(이소시아네이트메틸)사이클로헥산, 메틸사이클로헥산 디이소시아네이트 등일 수 있다.
바람직하게는, 상기 이소시아네이트계 경화제는 지환족 디이소시아네이트일 수 있으며, 특히 이소포론 디이소시아네이트일 수 있다.
상기 에폭시계 수지는, 예를 들어 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 비스페놀 S형 에폭시 수지, 테트라브로모비스페놀 A형 에폭시 수지 등과 같은 비스페놀형 에폭시 수지; 스피로 고리형 에폭시 수지; 나프탈렌형 에폭시 수지; 비페닐형 에폭시 수지; 테르펜형 에폭시 수지; 트리스(글리시딜옥시페닐)메탄, 테트라키스(글리시딜옥시페닐)에탄 등과 같은 글리시딜 에테르형 에폭시 수지; 테트라글리시딜 디아미노디페닐메탄과 같은 글리시딜 아민형 에폭시 수지; 크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 페놀 노볼락형 에폭시 수지, α-나프톨 노볼락형 에폭시 수지, 브롬화페놀 노볼락형 에폭시 수지 등과 같은 노볼락형 에폭시 수지 등을 들 수 있다. 이들 에폭시계 수지는 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합해 이용될 수 있다.
이들 중, 접착성과 내열성을 고려할 때, 비스페놀 A형 에폭시 수지, 크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 또는 테트라키스(글리시딜옥시페닐)에탄형 에폭시 수지를 이용하는 것이 바람직하다.
상기 에폭시계 수지는 약 80~1,000 g/eq, 또는 약 100~300 g/eq의 에폭시 당량을 가질 수 있다. 또한, 상기 에폭시계 수지는 약 10,000~50,000 g/mol의 범위의 수평균 분자량을 가질 수 있다.
상기 고분자형 자성 시트는 자성 분말을 50 중량% 이상, 또는 70 중량% 이상의 양으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자형 자성 시트는 자성 분말을 50~95 중량%, 70~95 중량%, 70~90 중량%, 75~90 중량%, 75~95 중량%, 80~95 중량%, 또는 80~90 중량%의 양으로 함유할 수 있다. 또한, 이때 상기 자성 분말은 상기 화학식 1의 조성을 가질 수 있다.
또한 상기 고분자형 자성 시트는 바인더 수지를 5~40 중량%, 5~20 중량%, 5~15 중량%, 또는 7~15 중량%의 양으로 함유할 수 있다.
또한, 상기 고분자형 자성 시트는 전체 중량을 기준으로, 상기 바인더 수지로서, 6~12 중량%의 폴리우레탄계 수지, 0.5~2 중량%의 이소시아네이트계 경화제 및 0.3~1.5 중량%의 에폭시계 수지를 포함할 수 있다.
구체적인 일례로서, 상기 고분자형 자성 시트는 전체 중량을 기준으로 상기 자성 분말을 70~90 중량%의 양으로 포함하고, 상기 바인더 수지로서, 6~12 중량%의 폴리우레탄계 수지, 0.5~2 중량%의 이소시아네이트계 경화제 및 0.3~1.5 중량%의 에폭시계 수지를 포함할 수 있다. 또한, 이때 상기 자성 분말은 상기 화학식 1의 조성을 갖고, 상기 폴리우레탄계 수지는 상기 화학식 2a 및 2b로 표시되는 반복단위들을 포함하고, 상기 이소시아네이트계 경화제는 지환족 디이소시아네이트이고, 상기 에폭시계 수지는 비스페놀 A형 에폭시 수지, 크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 또는 테트라키스(글리시딜옥시페닐)에탄형 에폭시 수지일 수 있다.
상기 고분자형 자성 시트의 두께는 약 10~3000 ㎛일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 고분자형 자성 시트의 두께는 약 10~500 ㎛, 약 40~500 ㎛, 약 40~250 ㎛, 약 50~250 ㎛, 약 50~200 ㎛, 또는 약 50~100 ㎛일 수 있다.
상기 고분자형 자성 시트는 3 MHz 주파수의 교류 전류에 대하여 100 내지 300의 투자율을 가지고, 6.78 MHz 주파수의 교류 전류에 대하여 80 내지 270의 투자율을 가지고, 13.56 MHz 주파수의 교류 전류에 대하여 60 내지 250의 투자율을 가질 수 있다.
또는, 상기 고분자형 자성 시트는 3 MHz 주파수의 교류 전류에 대하여 약 190~250의 투자율을 가지고, 6.78 MHz 주파수의 교류 전류에 대하여 약 180~230의 투자율을 가지고, 13.56 MHz 주파수의 교류 전류에 대하여 약 140~180의 투자율을 가질 수 있다.
또한, 상기 고분자형 자성 시트는 다양한 기기에 적용될 수 있도록 유연성을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자형 자성 시트는 90° 및 35 RPM 조건 하의 MIT 굽힘테스트(MIT folding test)에서 100회, 1,000회, 또는 10,000회 절곡 후에도 절단되지 않을 수 있다. 또한, 상기 고분자형 자성 시트는 90° 및 35 RPM 조건 하의 MIT 굽힘테스트에서 100회, 1,000회, 또는 10,000회 절곡 후에 투자율 변화가 약 10% 이하, 또는 약 5% 이하일 수 있다.
또한, 상기 고분자형 자성 시트는 고열 조건에서 견딜 수 있는 내열성을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자형 자성 시트는 약 150℃에서 약 30분 동안 열처리될 때, 약 25% 이하, 15% 이하, 10% 이하, 또는 약 5% 이하의 부피 변화를 가질 수 있다. 또한, 상기 고분자형 자성 시트는 약 150℃에서 약 30분 동안 열처리될 때, 약 25% 이하, 15% 이하, 10% 이하, 또는 약 5% 이하의 투자율 변화를 가질 수 있다.
또한, 상기 고분자형 자성 시트는 200초 동안 일정한 속도로 30℃부터 240℃까지 온도를 상승시킨 후, 100초 동안 240℃부터 130℃까지 일정한 속도로 온도를 하강시키는 조건의 열처리를 상기 고분자형 자성 시트에 2회 반복할 때, 약 5% 이하의 두께 변화 및 약 5% 이하의 투자율 변화를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 열처리 조건이 2회 반복될 때, 상기 고분자형 자성 시트는 약 3% 이하의 두께 변화 및 약 3% 이하의 투자율 변화를 가질 수 있고, 보다 구체적으로 약 1% 이하의 두께 변화 및 약 1% 이하의 투자율 변화를 가질 수 있다.
또한, 상기 고분자형 자성 시트는 높은 항복 전압(breakdown voltage)를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자형 자성 시트는 3 kV 이상, 3.5 kV 이상, 또는 4 kV 이상의 항복 전압을 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 고분자형 자성 시트는 3~6 kV의 범위, 3.5~5.5 kV의 범위, 4~5kV의 범위, 또는 4~4.5 kV의 범위의 항복 전압을 가질 수 있다.
또한, 상기 고분자형 자성 시트는 시트 상에서 서로 500 ㎛ 이상 떨어진 두 지점 간에 전류를 흘려보낼 때 1 x 105 Ω 이상, 1 x 107 Ω 이상, 또는 1 x 109 Ω 이상의 저항 값을 나타낼 수 있다. 바람직하게는, 상기 고분자형 자성 시트는 시트 상에서 서로 500 ㎛ 이상 떨어진 두 지점 간에 전류를 흘려보낼 때 저항값 측정이 불가능하거나 무한대의 저항값을 나타낼 수 있다.
다수의 자성 조각들로 구성된 시트
다른 예로서, 상기 자성 시트는 자성층 및 이의 적어도 일면에 합지된 보호층을 포함할 수 있다.
이때 상기 자성층은 복수의 자성 조각들로 구성될 수 있다.
상기 복수의 자성 조각은 상기 자성 시트의 단위 면적(㎠)당 10개 이상, 50개 이상, 또는 100개 이상으로 형성될 수 있다.
구체적으로 상기 자성층에 복수의 크랙이 형성되어 상기 자성층이 복수의 자성 조각들로 분할된 것일 수 있다.
일례에 따르면, 상기 세라믹 시트에 형성된 복수의 크랙은, 그 방향성과 간격이 전혀 일정하지 않은 비정형 크랙일 수 있다. 다른 예에 따르면, 상기 세라믹 시트에 형성된 복수의 크랙은, 서로 교차하는 적어도 2방향의 크랙을 포함할 수 있다. 또 다른 예에 따르면, 상기 세라믹 시트에 형성된 복수의 크랙은, 서로 직교하는 2방향의 크랙을 포함할 수 있다. 또 다른 예에 따르면, 상기 세라믹 시트에 형성된 복수의 크랙은, 정형 및 비정형의 크랙들이 혼합된 것일 수도 있다.
상기 복수의 크랙은, 서로 평행한 크랙 간의 평균 간격이 5mm 이하, 3mm 이하, 1.5mm 이하, 또는 800㎛ 이하일 수 있다.
상기 자성 조각의 소재는 자성을 나타내는 소재라면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 자성 조각의 소재는 취성(brittleness)을 갖는 자성 소재일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 자성 조각의 소재는 소결 페라이트계 소재, Fe계 나노결정질(nanocrystal) 소재, 또는 Fe계 비정질(amorphous) 소재일 수 있다.
상기 자성 조각의 두께는 0.01mm 내지 5mm일 수 있고, 구체적으로 0.01mm 내지 0.3mm, 또는 0.03mm 내지 0.2mm일 수 있다.
상기 보호층은 복수의 자성 조각들이 서로 흩어지지 않게 보호하는 역할을 할 수 있다.
상기 보호층은 유연성을 갖는 필름일 수 있다. 예를 들어 상기 보호층은 유연성의 고분자 수지를 포함할 수 있으며, 구체적으로 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 또는 이들의 혼합 소재를 포함할 수 있다.
상기 보호층의 두께는 0.002mm 내지 0.5mm일 수 있고, 구체적으로 0.005mm 내지 0.05mm일 수 있다.
자성 블록의 제조방법
일 구현예에 따른 자성 블록의 제조방법은, 자성 시트를 롤 형태로 감는 단계를 포함하고, 상기 수학식 1에 따른 직경 대 높이 비가 20 이상이다.
구체적인 예로서, 상기 자성 블록의 제조방법은 자성 시트를 제조하는 단계; 및 상기 자성시트를 롤 형태로 감는 단계를 포함한다.
보다 구체적인 예로서, 상기 자성 블록의 제조방법은 자성 시트를 제조하는 단계; 코어에 상기 자성시트를 감아서 롤을 제조하는 단계; 및 상기 롤로부터 상기 코어를 제거하는 단계를 포함한다.
상기 자성 블록의 제조방법에서 자성 블록의 구성, 자성 시트의 종류와 특성, 및 롤의 구체적인 형태 등은, 앞서의 일 구현예에 따른 자성 블록에서 예시된 바와 같다.
도 1은 일 구현예에 따른 자성 블록을 제조하는 방법을 나타낸 것이다.
이하에서는, 도 1을 참조하여 상기 자성 블록의 제조방법의 각 단계별로 구체적으로 설명한다.
자성 시트의 제조 단계
상기 자성 블록의 제조방법에서, 자성 시트(101)를 제조하는 공정은 특별히 한정되지 않는다.
일례로서, 상기 자성 시트는 고분자형 자성 시트(PMS)로 제조될 수 있다.
상기 고분자형 자성 시트는 통상적인 무소결 고분자형 자성 시트의 제조 공정에 따라 제조될 수 있다.
일례에 따르면, 상기 고분자형 자성 시트는 자성 분말 및 바인더 수지를 혼합하고 시트상 성형 및 건조하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다.
구체적으로, 상기 고분자형 자성 시트는 (i) 자성 분말을 바인더 수지 및 용매에 분산시켜 슬러리를 제조하는 단계; 및 (ii) 상기 슬러리를 이용하여 시트를 성형한 뒤 건조하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다.
바람직한 일례에 따르면, 상기 고분자형 자성 시트의 제조방법은 (i) 폴리우레탄계 수지, 이소시아네이트계 경화제, 및 에폭시계 수지를 혼합하여 바인더 수지를 제조하는 단계; (ii) 상기 바인더 수지에 자성 분말 및 유기 용매를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계; 및 (iii) 상기 슬러리를 시트상으로 성형하고 건조하는 단계를 포함하는 고분자형 자성 시트의 제조방법으로서, 상기 고분자형 자성 시트는 고분자형 자성 시트의 전체 중량을 기준으로, 상기 바인더 수지로서, 6~12 중량%의 폴리우레탄계 수지; 0.5~2 중량%의 이소시아네이트계 경화제; 및 0.3~1.5 중량%의 에폭시계 수지를 포함한다.
보다 구체적인 예로서, 먼저 자성 분말을 폴리우레탄 수지, 에폭시계 수지 및 이소시아네이트계 경화제와 함께 용매에 가하고, 분산기(planetary mixer, homo mixer, no-bead mill 등)에 의해 분산시켜 약 100~10,000 cPs의 점도를 갖는 슬러리를 제조한다. 이후, 상기 슬러리는 콤마 코터 등에 의해서 캐리어 필름 상에 코팅되어 건조 자성 시트로 형성된다. 상기 건조 자성 시트는 형성하고자 하는 두께에 따라 속도와 온도를 조절하고, 건조기를 통하여 용매를 제거한 뒤 성형된 시트를 권취하여 고분자형 자성 시트로 제조될 수 있다.
상기 건조 자성 시트의 제조공정이 롤투롤 공정으로 수행될 경우, 자성 분말 및 바인더 수지를 포함하는 슬러리를 코터에 의해 캐리어 필름 상에 코팅한 후 건조시켜 건조 자성 시트를 제조할 수 있다. 이때 상기 건조 자성 시트에는 미경화 또는 일부 경화된 상태의 바인더 수지가 포함될 수 있다.
이와 같이 건조 자성 시트는 바인더 수지의 경화가 완료되지 않은 자성 시트일 수 있다.
따라서, 상기 건조 자성 시트를 열가압하여 바인더 수지가 경화된 자성 시트를 얻을 수 있다.
상기 열가압은 1~100 MPa의 압력 및 100~300℃의 온도 조건으로 수행될 수 있다. 또는, 상기 열가압은 5~30 MPa의 압력 및 150~200℃의 온도 조건으로 수행될 수 있다. 또한, 상기 열가압은 약 0.1~5 시간 동안 진행될 수 있다.
다른 예로서, 상기 자성 시트는 자성층 및 이의 적어도 일면에 합지된 보호층을 포함하고, 상기 자성층이 복수의 자성 조각들로 구성되는 형태로 제조될 수 있다.
이때 상기 복수의 자성 조각들은 취성을 갖는 자성 박막에 크랙을 형성하여 얻어질 수 있다.
구체적으로, 상기 자성 시트는, 취성을 갖는 자성 박막의 일면 또는 양면에 보호층을 형성하는 단계; 및 수득한 적층 시트를 가압하여 상기 자성 박막에 복수의 크랙을 형성시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다.
상기 취성을 갖는 자성 박막은 소결 처리를 거친 세라믹계 자성 시트일 수 있으며, 이 경우 통상적인 세라믹 소결 공정을 통해 제조될 수 있다. 예를 들어, 세라믹계 자성 분말과 바인더 성분을 혼합하여 분산시키고 테이프 캐스팅 등에 의해 캐스팅하여 그린 시트(green sheet)를 만든 뒤 이를 고온에서 소결하여 제조할 수 있다
또한 상기 보호층은 유연성 필름일 수 있으며, 이 경우 이미 성형이 완료된 유연성 필름을 자성 박막에 라미네이션할 수도 있고, 또는 유연성 필름의 원료 수지를 자성 박막 상에 코팅한 뒤 건조하는 방법을 이용할 수도 있다.
이후 상기 자성 박막에 크랙을 형성시키는 공정은, 상기 적층 시트에 굴곡 변형력을 가함으로써 수행될 수 있다.
구체적으로, 상기 상기 적층 시트를 가압 롤 하부에 통과시키는 것에 의해 상기 자성 박막에 크랙을 형성할 수 있다.
롤 형태 제작 단계
상기 자성 시트를 감는 단계는, 상기 자성 시트(101)를 코어(300)를 이용해 감아서 롤을 얻는 것일 수 있다.
상기 코어는 원형, 타원형, 다각형, 또는 모서리가 둥근 다각형의 평면 형상을 가질 수 있다.
상기 코어의 형태에 따라, 이에 감겨지는 롤의 형태가 달라지게 된다.
예를 들어, 상기 코어가 원통형일 경우 원형의 롤이 얻어지게 되고, 이와 달리 상기 코어가 사각기둥 형태일 경우 사각형 내지 모서리가 둥근 사각형의 밑면을 갖는 롤이 얻어지게 된다.
이후 롤이 완성되면, 상기 코어를 상기 롤로부터 제거할 수 있다.
안테나 소자
일 구현예에 따른 안테나 소자는 자성 블록 및 도전성 패턴을 포함하고, 상기 자성 블록이 롤 형태로 감긴 자성 시트를 포함하고, 상기 수학식 1에 따른 직경 대 높이 비가 20 이상이다.
상기 안테나 소자에 포함되는 자성 블록은 앞서 예시된 일 구현예에 따른 자성 블록과 실질적으로 동일한 구성 및 효과를 가질 수 있다.
도전성 패턴의 구성
상기 도전성 패턴은 도전성 물질을 포함한다. 예를 들어, 상기 도전성 패턴은 도전성 금속을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 도전성 패턴은 구리, 니켈, 금, 은, 아연 및 주석으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함할 수 있다.
상기 도전성 패턴의 형상은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 라인 형태 또는 코일 형상 등이 가능하다. 구체적인 예로서, 상기 도전성 패턴은 평면 코일 형상을 가질 수 있다.
이와 같은 도전성 패턴은 도전성 패턴을 흐르는 전류로 인해 전자기 신호를 발생시킬 수 있다. 상기 전자기 신호는 안테나 소자와 외부 단말기 간의 신호 송수신을 가능하게 한다.
상기 도전성 패턴은 안테나 패턴을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 도전성 패턴은 하나의 안테나 패턴 또는 둘 이상의 안테나 패턴을 포함한다. 보다 구체적으로, 상기 도전성 패턴은 1종 내지 3종의 안테나 패턴을 포함할 수 있다. 상기 안테나 패턴의 종류는 무선충전용 안테나 패턴, 근거리통신용 안테나 패턴, 마그네틱보안전송용 안테나 패턴 등일 수 있다.
상기 도전성 패턴의 두께는 6㎛ 내지 200㎛일 수 있고, 보다 구체적으로 10㎛ 내지 150㎛, 10㎛ 내지 100㎛, 10㎛ 내지 50㎛, 또는 10㎛ 내지 30㎛일 수 있다.
도전성 패턴의 배치
상기 안테나 소자에서, 상기 도전성 패턴의 배치되는 위치는 특별히 한정되지 않으나, 안테나 성능을 위해 상기 자성 블록과 인접하여 배치되는 것이 좋다.
일례로서, 상기 도전성 패턴은 상기 롤의 밑면 상에 배치될 수 있다.
다른 예로서, 상기 도전성 패턴은 상기 롤의 옆면 상에 배치될 수 있다.
또 다른 예로서, 상기 도전성 패턴은 상기 롤의 밑면 및 옆면 상에 모두 배치될 수 있다.
또한 상기 도전성 패턴은 상기 자성 블록과 직접 또는 간접적으로 부착될 수 있다.
일례로서, 상기 도전성 패턴은 절연층 또는 접착층을 매개로 하여 상기 자성 블록에 부착될 수 있다. 즉 상기 안테나 소자는 상기 도전성 패턴과 상기 자성 블록 사이에 절연층 또는 접착층을 추가로 포함할 수 있다.
상기 절연층 또는 접착층은 바인더 수지를 포함할 수 있고, 바람직하게는 열경화성의 바인더 수지를 포함할 수 있다. 예를 들어 상기 바인더 수지는 폴리우레탄계 수지, 이소시아네이트계 경화제, 에폭시계 수지 등을 포함할 수 있고, 보다 구체적으로, 상기 절연층은 상기 자성 시트의 바인더 수지와 유사하거나 동일한 성분의 바인더 수지를 포함할 수 있다. 상기 절연층 또는 접착층의 두께는 약 1~20 ㎛의 범위, 또는 약 1~10 ㎛의 범위일 수 있다.
다른 예로서, 상기 도전성 패턴은 상기 자성 블록의 표면에 직접 접촉하여 부착될 수 있다.
상기 안테나 소자는 대면적 및 두꺼운 두께가 가능한 자성 블록을 포함하므로, 고성능을 요구하는 전기자동차 또는 모바일기기의 무선 충전 등의 분야에서 다양하게 적용될 수 있다.
이하 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명하나, 이들 실시예의 범위로 한정되는 것은 아니다.
제조예 1: 고분자형 자성 시트의 제조
42.8 중량부의 샌더스트 분말, 15.4 중량부의 폴리우레탄계 수지 분산액(폴리우레탄계 수지 25 중량%, 2-부탄온 75 중량%), 1.0 중량부의 이소시아네이트계 경화제 분산액(이소시아네이트계 경화제 62 중량%, n-부틸 아세테이트 25 중량%, 2-부탄온 13 중량%), 0.4 중량부의 에폭시계 수지 분산액(에폭시 수지 70 중량%, n-부틸 아세테이트 3 중량%, 2-부탄온 15 중량%, 톨루엔 13 중량%), 및 40.5 중량부의 톨루엔을 플래너터리 믹서(planetary mixer)에서 40 rpm의 속도로 2 시간 동안 혼합하여, 자성 분말 슬러리를 제조하였다.
앞서 제조된 자성 분말 슬러리를 캐리어 필름 상에 콤마 코터에 의해서 코팅하고, 약 110℃의 온도로 건조하여 건조 자성 시트를 형성하였다. 상기 건조 자성 시트를 약 170℃의 온도에서 약 9 MPa의 압력으로 약 30분 간 열가압(hot press) 공정으로 압축 경화시켜 두께 0.2mm의 자성 시트를 최종적으로 얻었다.
비교예 1: 적층 형태의 자성 블록의 제조
상기 제조예 1에서 얻은 자성 시트를 동일 치수를 갖는 다수의 사각형 자성 시트로 재단하였다. 상기 재단된 자성 시트 250매를 쌓은 뒤, 170℃의 온도 및 9 MPa의 압력으로 30 분간 열가압(hot press)하여 적층체를 얻었다. 상기 적층체의 밑면은 가로 250mm x 세로 250mm의 사각형이고, 높이는 5mm이었다.
실시예 1: 롤 형태의 자성 블록의 제조
상기 제조예 1에서 얻은 자성 시트를 일정 폭으로 재단하고, 권취기를 이용해 원통형의 코어에 감아서 원형 롤을 제작하였다. 이후 상기 롤로부터 코어를 제거하였다. 수득된 롤의 밑면은 직경 250mm인 원형이었고, 롤의 높이는 5mm이었다. 또한, 롤의 중심부에는 직경 100mm인 원형의 홀이 구비되었다.
시험예 1: 충전 효율
상기 비교예 1과 실시예 1의 자성 블록에 대해 송-수신 모듈을 제작하고, 입력 및 출력 전압-전류 조건에서 충전 효율을 측정하였다.
구 분 비교예 1 실시예 1
충전 효율 79% 79%
상기 표 1에서 보듯이, 비교예 1에 따른 적층 형태의 자성 블록과 비교하여, 실시예 1에 따른 롤 형태의 자성 블록은 실제 크기가 더 작음에도 충전 효율 면에서 동등하게 평가되었다.
특히 상기 실시예에 따르면, 롤 형태로 감는 간단한 방식에 의해 원하는대로 대면적 및 두꺼운 두께를 구현할 수 있고, 그 결과 기존에 구현하기 어려웠던 보다 높은 수준의 자성 특성까지 제공할 수 있다. 또한 상기 실시예에 다른 자성 블록은 자성 시트의 폭과 롤 제작에 사용되는 코어 등의 조건을 변경하여 다양한 치수 및 형태로 제작될 수 있다.
더욱이 상기 실시예에 따른 자성 블록은 롤 형태로 감긴 구조로 인해, 기존의 적층 형태의 자성 블록에 비해 내충격성 면에서 현저히 향상될 수 있다.
100: 일 구현예에 따른 자성 블록,
101: 자성 시트, 110: 롤의 밑면,
120: 롤의 옆면, 150: 중심부 홀,
200: 도전성 패턴, 300: 코어,
d1: 롤의 밑면의 직경, d2: 홀의 직경,
h: 롤의 높이.

Claims (15)

  1. 롤 형태로 감긴 자성 시트를 포함하고,
    하기 수학식 1에 따른 직경 대 높이 비가 20 이상인, 자성 블록:
    [수학식 1]
    직경 대 높이 비 = 롤의 밑면과 동일한 면적의 원의 직경 / 롤의 높이.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수학식 1에 따른 직경 대 높이 비가 50 이상인, 자성 블록.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 롤의 밑면의 면적이 100cm2 이상이고,
    상기 롤의 높이가 1mm 이상인, 자성 블록.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 롤의 밑면이 원형, 타원형, 다각형, 또는 모서리가 둥근 다각형의 형상을 갖는, 자성 블록.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성 시트가 바인더 수지 및 상기 바인더 수지 내에 분산된 자성 분말을 포함하는, 자성 블록.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성 시트가 자성층 및 이의 적어도 일면에 합지된 보호층을 포함하는, 자성 블록.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 자성층이 복수의 자성 조각들로 구성되는, 자성 블록.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 롤이 중심부에 홀을 갖고,
    상기 홀이 50mm 내지 600mm 범위의 직경을 갖는, 자성 블록.
  9. 자성 시트를 롤 형태로 감는 단계를 포함하고,
    하기 수학식 1에 따른 직경 대 높이 비가 20 이상인, 자성 블록의 제조방법:
    [수학식 1]
    직경 대 높이 비 = 롤의 밑면과 동일한 면적의 원의 직경 / 롤의 높이.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 자성 시트를 감는 단계가 상기 자성 시트를 코어를 이용해 감아서 롤을 얻는 것이고, 상기 코어가 원형, 타원형, 다각형, 또는 모서리가 둥근 다각형의 평면 형상을 갖는, 자성 블록의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 자성 시트를 감는 단계 이후에, 상기 코어를 상기 롤로부터 제거하는, 자성 블록의 제조방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 자성 시트가 자성층 및 이의 적어도 일면에 합지된 보호층을 포함하고,
    상기 자성층이 복수의 자성 조각들로 구성되며,
    상기 복수의 자성 조각들이 취성을 갖는 자성 박막에 크랙을 형성하여 얻어지는, 자성 블록의 제조방법.
  13. 자성 블록 및 도전성 패턴을 포함하고,
    상기 자성 블록이 롤 형태로 감긴 자성 시트를 포함하고,
    하기 수학식 1에 따른 직경 대 높이 비가 20 이상인, 안테나 소자:
    [수학식 1]
    직경 대 높이 비 = 롤의 밑면과 동일한 면적의 원의 직경 / 롤의 높이.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 도전성 패턴이 상기 롤의 밑면 상에 배치되는, 안테나 소자.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 도전성 패턴이 평면 코일 형상을 갖는, 안테나 소자.
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