KR20200105421A - 연자성 합금분 및 그 제조 방법, 그리고 연자성 합금분으로 만들어지는 코일 부품 및 그것을 얹은 회로 기판 - Google Patents
연자성 합금분 및 그 제조 방법, 그리고 연자성 합금분으로 만들어지는 코일 부품 및 그것을 얹은 회로 기판 Download PDFInfo
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Abstract
충전율을 높일 수 있는 연자성 금속분을 제공한다.
구성 원소로서 Fe 및 Si, 그리고 Cr 또는 Al 중 적어도 한쪽을 포함하는 연자성 합금분이며, 합금분을 구성하는 각 입자의 표면에, 구성 원소로서 Si에 추가하여 Cr 또는 Al 중 적어도 한쪽을 포함하고, 함유하는 이들 원소의 질량 비율이 합금 부분에 비하여 높으며, 또한 질량 비율로 나타낸 Si의 함유량이 Cr 및 Al의 합계보다 많은 산화막을 구비하는 연자성 합금분으로 한다.
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Description
본 발명은 연자성 합금분 및 그 제조 방법, 그리고 연자성 합금분으로 만들어지는 코일 부품 및 그것을 얹은 회로 기판에 관한 것이다.
근년, 큰 전류가 통전되는 용도 등의 코일 부품에는, 소형화에 추가하여 한층 더 대전류화가 요구되고 있다. 대전류화를 위해서는, 전류에 대하여 자기 포화되기 어려운 자성 재료를 사용하여 코어를 구성할 필요가 있다는 점에서, 자성 재료로서, 페라이트계 대신에 철계 금속 자성 재료가 사용되어 오고 있다.
특히, 소형의 코일 부품을 형성하기 위해서는, 분말형의 연자성 금속 재료의 충전율을 높게 한다는 점에서, 아토마이즈분이 사용되는 경우가 많다. 이것은, 아토마이즈분이, 용융된 금속의 세류(細流)에 물이나 불활성 가스 등의 유체를 분사하여 비산ㆍ응고시켜 얻어지는 분말이기 때문에, 비교적 구 형상에 가까운 입자이며, 또한 입자의 크기가 작은 것이기 때문이다.
그런데, 분말형의 연자성 금속 재료는, 분말을 구성하는 개개의 입자 자체의 절연 저항이 낮다는 점에서, 절연성을 부여할 목적으로, 이것을 구성하는 각 입자의 표면을 절연막으로 덮어 사용되는 경우가 많다.
연자성 금속분을 구성하는 각 입자의 표면에 절연막을 형성하는 방법으로서는, 입자 표면에 피막으로 되는 재료를 부착시키는 방법이 알려져 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에서는, 티타늄알콕시드류와 실리콘알콕시드류를 포함하는 처리액으로 연자성 금속 분말을 코팅하여, 이들의 중합물을 포함하는 피막을 형성하는 것이 보고되어 있다.
또한, 연자성 금속분을 구성하는 각 입자의 표면에 절연막을 형성하는 다른 방법으로서는, 분말 표면에 산화 처리를 실시하는 것이 알려져 있다(특허문헌 2).
이러한 산화 처리의 구체적인 방법으로서, 평균 입경을 100㎛로 되도록 조제한 Fe-1％ Si 아토마이즈 합금 입자를, 질소 가스에 수증기를 혼입하여 상대 습도 100％(상온)로 한 매우 낮은 산소 농도의 분위기 중에서 450℃로 2시간 산화 반응시켜, 결과로서 입자 표면에 막 두께 5nm의 SiO2 산화막을 형성하는 것이 보고되어 있다(특허문헌 3).
근년, 코일 부품은, 사용되는 주파수가 높아지는 경향이 있다는 점에서, 이것을 구성하는 분말형의 연자성 금속 재료의 미분화가 진행되고 있다. 이 때문에, 평균 입경이 5㎛ 이하와 같은 미분말이 사용되는 일도 증가하고 있다. 이러한 미립자로 구성되는 연자성 금속분에 있어서도, 충전율이 높고, 또한 충전율을 높게 함에 따른 절연 저하를 방지하는 것이 필요해지고 있다.
그러나, 종래의 연자성 금속분은, 상술한 아토마이즈분이라도, 미분화된 경우에 응집하기 쉽고, 이 때문에, 통상의 처리로는 높은 충전율을 얻기가 곤란하였다. 이것을 보충하기 위해, 예를 들어 성형 시에 높은 압력을 가하는 등의 특별한 처리가 필요하여, 자성체의 제조에 손이 많이 가는 문제가 있었다. 또한, 성형 시에 높은 압력을 가한 경우에는, 연자성 금속 입자의 변형에 의해 표면에 형성한 절연막이 파괴되어, 절연성이 저하되는 경우가 있는 것도 문제였다.
그래서 본 발명은 전술한 문제점을 해결하여, 충전율을 높일 수 있는 연자성 금속분을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는, 전술한 문제점을 해결하기 위해 다양한 검토를 행한바, 연자성 금속분의 조성을 특정한 것으로 함과 함께, 해당 금속분을 구성하는 각 입자의 표면에, 특정한 조성을 갖는 산화막을 형성함으로써, 해당 문제점을 해결할 수 있다는 것을 알아내어, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 실시 형태는, 구성 원소로서 Fe 및 Si, 그리고 Cr 또는 Al 중 적어도 한쪽을 포함하는 연자성 합금분이며, 합금분을 구성하는 각 입자의 표면에, 구성 원소로서 Si에 추가하여 Cr 또는 Al 중 적어도 한쪽을 포함하고, 함유하는 이들 원소의 질량 비율이 입자 내의 합금 부분에 비하여 높으며, 또한 질량 비율로 나타낸 Si의 함유량이 Cr 및 Al의 합계보다 많은 산화막을 구비하는 것을 특징으로 하는, 연자성 합금분이다.
또한, 본 발명의 제2 실시 형태는, 구성 원소로서 Fe 및 Si, 그리고 Cr 또는 Al 중 적어도 한쪽을 포함하고, 질량 비율로 나타낸 Si의 함유량이 Cr 및 Al의 합계보다 많은 연자성 합금의 원료분(原料粉)을, 산소 농도가 5ppm 내지 500ppm인 분위기 중에서, 600℃ 이상의 온도로 열처리하는 것을 특징으로 하는, 연자성 합금분의 제조 방법이다.
또한, 본 발명의 제3 실시 형태는, 금속 도체로 구성된 코일부와, 연자성 합금 입자를 포함하는 자성 기체를 포함하는 코일 부품이며, 상기 연자성 합금 입자가, 제1 실시 형태에 관한 연자성 합금분을 구성하는 연자성 합금 입자인 코일 부품이다.
또한, 본 발명의 제4 실시 형태는, 제3 실시 형태에 관한 코일 부품을 얹은 회로 기판이다.
본 발명에 따르면, 충전율을 높일 수 있는 연자성 합금분을 제공할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 관한 연자성 합금분에 있어서의 입자 형상의 예의 설명도.
도 2는, 본 발명의 실시 형태에 관한 컴포지트 코일 부품의 구조예의 설명도.
도 3은, 본 발명의 실시 형태에 관한 권선 코일 부품의 구조예의 설명도((a): 전체 사시도, (b): (a)에 있어서의 A-A 단면도).
도 4는, 본 발명의 실시 형태에 관한 적층 코일 부품의 구조예의 설명도((a): 전체 사시도, (b): (a)에 있어서의 B-B 단면도).
도 5는, 본 발명의 실시 형태에 관한 박막 코일 부품의 구조예의 설명도.
도 6은, 본 발명의 실시 형태에 관한 연자성 합금분(실시예 1) 및 본 발명의 요건을 충족시키지 않는 연자성 합금분(비교예 1)에 있어서의, 각 원소의 농도 분포의 측정 결과(실선: 실시예 1, 점선: 비교예 1).
도 7은, 본 발명의 실시 형태에 관한 연자성 합금분(실시예 1) 및 본 발명의 요건을 충족시키지 않는 연자성 합금분(비교예 1)에 있어서의, Si/Cr 질량비의 분포의 산출 결과(실선: 실시예 1, 점선: 비교예 1).
도 8은, 본 발명의 실시 형태에 관한 연자성 합금분(실시예 1 내지 6) 및 본 발명의 요건을 충족시키지 않는 연자성 합금분(비교예 1 내지 6)에 대하여, 비표면적 S(㎡/g)의 상용 대수 및 평균 입경 D50(㎛)의 상용 대수의 관계를 나타내는 그래프(흑색 원-실선: 실시예 1 내지 6, 백색 삼각형-점선: 비교예 1 내지 6).
도 9는, 본 발명의 실시 형태에 관한 연자성 합금분(실시예 7)에 있어서의, Si/Al 질량비의 분포의 산출 결과(실선: 실시예 7, 점선: 원료분).
도 2는, 본 발명의 실시 형태에 관한 컴포지트 코일 부품의 구조예의 설명도.
도 3은, 본 발명의 실시 형태에 관한 권선 코일 부품의 구조예의 설명도((a): 전체 사시도, (b): (a)에 있어서의 A-A 단면도).
도 4는, 본 발명의 실시 형태에 관한 적층 코일 부품의 구조예의 설명도((a): 전체 사시도, (b): (a)에 있어서의 B-B 단면도).
도 5는, 본 발명의 실시 형태에 관한 박막 코일 부품의 구조예의 설명도.
도 6은, 본 발명의 실시 형태에 관한 연자성 합금분(실시예 1) 및 본 발명의 요건을 충족시키지 않는 연자성 합금분(비교예 1)에 있어서의, 각 원소의 농도 분포의 측정 결과(실선: 실시예 1, 점선: 비교예 1).
도 7은, 본 발명의 실시 형태에 관한 연자성 합금분(실시예 1) 및 본 발명의 요건을 충족시키지 않는 연자성 합금분(비교예 1)에 있어서의, Si/Cr 질량비의 분포의 산출 결과(실선: 실시예 1, 점선: 비교예 1).
도 8은, 본 발명의 실시 형태에 관한 연자성 합금분(실시예 1 내지 6) 및 본 발명의 요건을 충족시키지 않는 연자성 합금분(비교예 1 내지 6)에 대하여, 비표면적 S(㎡/g)의 상용 대수 및 평균 입경 D50(㎛)의 상용 대수의 관계를 나타내는 그래프(흑색 원-실선: 실시예 1 내지 6, 백색 삼각형-점선: 비교예 1 내지 6).
도 9는, 본 발명의 실시 형태에 관한 연자성 합금분(실시예 7)에 있어서의, Si/Al 질량비의 분포의 산출 결과(실선: 실시예 7, 점선: 원료분).
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 구성 및 작용 효과에 대하여, 기술적 사상을 섞어 설명한다. 단, 작용 기구에 대해서는 추정을 포함하고 있고, 그 정부는, 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 또한, 이하의 실시 형태에 있어서의 구성 요소 중, 최상위 개념을 나타내는 독립 청구항에 기재되어 있지 않은 구성 요소에 대해서는, 임의의 구성 요소로서 설명된다. 또한, 수치 범위의 기재(2개의 수치를 「내지」로 연결한 기재)에 대해서는, 하한 및 상한으로서 기재된 수치도 포함하는 의미이다.
[연자성 합금분]
본 발명의 제1 실시 형태에 관한 연자성 합금분(이하, 간단히 「제1 실시 형태」라고 기재하는 경우가 있음)은, 구성 원소로서 Fe 및 Si, 그리고 Cr 또는 Al 중 적어도 한쪽을 포함한다. 그리고, 합금분을 구성하는 각 입자의 표면에는, 구성 원소로서 Si에 추가하여 Cr 또는 Al 중 적어도 한쪽을 포함하고, 함유하는 이들 원소의 질량 비율이 입자 내의 합금 부분에 비하여 높으며, 또한 질량 비율로 나타낸 Si의 함유량이 Cr 및 Al의 합계보다 많은 산화막을 구비한다. 제1 실시 형태에 관한 연자성 합금분에 있어서의 입자 형상의 예를, 도 1에 모식적으로 도시한다.
본 발명자의 검토에 의해, 종래의 연자성 금속분에서는, 이것을 구성하는 각 입자의 표면이, 절연층의 형성 내지 자연 산화에 의해 미세한 요철을 갖고 있을 가능성이 발견되었다. 이 때문에, 입자 형상이 구형이라도, 해당 요철에 기인하는 입자간의 큰 마찰에 의해 유동성이 불충분해져, 높은 충전율을 얻기가 곤란하였다고 생각된다.
이에 비해, 전술한 제1 실시 형태에서는, 입자 표면의 산화막이 Si가 풍부함으로써, 유리와 같은 미세 조직을 갖는 매끄러운 표면으로 되어, 유동성이 우수한 것이라고 생각된다. 게다가 해당 산화막 내의 Cr 또는 Al의 질량 비율이 합금 부분에 비하여 높음으로써, 자연 산화가 억제되어 산화막의 구조가 유지되므로, 환경 변화 등이 있어도, 이 표면 상태를 유지할 수 있다.
이에 추가하여, 제1 실시 형태에서는, 전술한 특징을 갖는 산화막에 의해 입자 표면의 정전기가 억제되어, 입자끼리 응집하기 어려워지는 것도, 유동성에 기여하였다고 생각된다.
제1 실시 형태는, 구성 원소로서 Fe 및 Si, 그리고 Cr 또는 Al 중 적어도 한쪽을 포함한다.
연자성 합금분에 있어서의 합금 부분의 조성은, 전술한 요건을 충족시키는 것이라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, Si는 1질량％ 내지 10질량％ 함유되고, Cr을 함유하는 경우 Cr은 0.5 내지 5질량％ 함유되고, Al을 함유하는 경우 Al은 0.2 내지 3질량％ 함유되고, 잔부는 Fe 및 불가피 불순물(산소, 수소, 질소 및 불가피 금속 원소 불순물을 포함)인 것을 들 수 있다. 합금 부분에서의 Cr 또는 Al의 편석을 억제하여 특히 우수한 자기 특성을 얻기 위해서는, Cr 또는 Al의 양은 합계로 4질량％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 2질량％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 합금 부분이 Al을 포함하는 경우에는, Al이 Cr에 비하여 입자 표면에서 산화되기 쉽다는 점에서, 그 함유량을 1질량％ 이하로 하는 것이 특히 바람직하다. 또한, 합금 부분이 상기 이외의 원소를 포함하는 것이어도 됨은 말할 필요도 없다.
연자성 합금분의 입경도 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, 체적 기준으로 측정한 입도 분포로부터 산출되는 평균 입경(메디안 직경(D50))을 0.5㎛ 내지 30㎛로 할 수 있다. 평균 입경은, 1㎛ 내지 10㎛로 하는 것이 바람직하다. 이 평균 입경은, 예를 들어 레이저 회절/산란법을 이용한 입도 분포 측정 장치를 사용하여 측정할 수 있다.
제1 실시 형태는, 합금분을 구성하는 각 입자의 표면에, 구성 원소로서 Si에 추가하여 Cr 또는 Al 중 적어도 한쪽을 포함하고, 함유하는 이들 원소의 질량 비율이 입자 내의 합금 부분에 비하여 높은 산화막을 구비한다. 산화막이 합금 부분보다 Si를 많이 포함함으로써, 막 자체의 절연성을 높일 수 있다. 이에 추가하여, 산화막 표면의 평활성이 높아지기 때문에, 미세한 오목부에 기인하는 절연성의 저하가 생기기 어렵고, 얇은 두께로 충분한 절연성이 얻어짐과 함께, 연자성 합금분의 유동성이 향상된다. 또한, 산화막이 합금 부분보다 Cr 또는 Al을 많이 포함함으로써, 합금 부분에의 산소의 도달에 의한 합금 부분의 한층 더한 산화가 억제되어, 막의 안정성이 향상된다.
이러한 산화막의 존재에 의해, 제1 실시 형태를 사용한 자성체(코어), 권선 부품, 적층 부품의 절연을 높일 수 있다.
여기서, 합금 부분 및 산화막에 있어서의 각 원소의 질량 비율은, 이하의 방법으로 측정한다. X선 광전자 분광 분석 장치(울백-파이 가부시키가이샤제 PHI Quantera II)를 사용하여, 연자성 합금분을 구성하는 입자 표면에 있어서의 철(Fe), 규소(Si), 산소(O), 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al)의 함유 비율(원자％)의 측정과, 해당 입자 표면의 스퍼터링을 반복함으로써, 입자의 깊이 방향(직경 방향)에 있어서의 각 원소의 분포를 얻는다. 각 원소의 함유 비율의 측정은, X선원으로서 단색화한 AlKα선을 사용하고, 검출 영역을 100㎛φ로 하여, 깊이 5nm마다 행한다. 또한, 스퍼터링의 조건은, 스퍼터링 가스로서 아르곤(Ar)을 사용하고, 인가 전압을 2.0kV로 하고, 스퍼터링 속도를 약 5nm/min(SiO2로 환산한 값)으로 한다. 측정에 의해 얻어진 Fe의 농도 분포(원자％)에 있어서, 입자의 표면측에서 보았을 때, 측정점간의 농도차가 비로소 1원자％ 미만으로 된 해당 측정점간을, 합금 부분과 산화막의 경계로 한다. 그리고, 해당 경계보다 얕은 영역인 산화막 및 이것보다 깊은 영역인 합금 부분에 대하여, 각 원소의 질량 비율(mass％)을 산출한다. 또한, 연자성 합금분의 조성이 기지인 경우에는, 당해 기지의 조성에 기초하여 산출된 각 원소의 질량 비율을, 합금 부분에 있어서의 각 원소의 질량 비율로 해도 된다.
제1 실시 형태는, 산화막에 있어서의 질량 비율로 나타낸 Si의 함유량이, Cr 및 Al의 합계보다 많다. 산화막이 Si가 풍부함으로써, 유리와 같은 미세 조직을 갖는 매끄러운 표면으로 되고, 이것을 구비하는 입자로 구성된 연자성 합금분이 유동성이 우수한 것이 된다.
산화막에 존재하는 Si의 비율은, 연자성 합금분의 Si의 조성 비율을 높이거나, 열처리 온도를 낮추거나 함으로써, 높일 수 있다.
전술한 산화막은, 최표면에 있어서의 Cr 및 Al의 합계 질량에 대한 Si의 질량 비율(Si/(Cr+Al))이 1 내지 10인 것이 바람직하다. 상기 비율이 1 이상이면, 미세한 요철이 보다 적은, 보다 매끄러운 표면을 갖는 막이 된다. 한편, 상기 비율이 10 이하이면, 과잉 산화가 억제되고, 산화막은 얇아도 막의 안정성이 보다 향상된다. 상기 비율은, 8 이하인 것이 바람직하고, 6 이하인 것이 보다 바람직하다. 이에 의해, 열처리를 가하는 경우가 있어도, 이 표면 상태를 유지할 수 있다.
여기서, 산화막의 최표면에 있어서의 Cr 및 Al의 합계 질량에 대한 Si의 질량 비율(Si/(Cr+Al))은, 전술한 합금 부분 및 산화막에 있어서의 각 원소의 질량 비율의 측정에 있어서, 스퍼터링을 행하기 전에(첫회에) 측정된 데이터로부터 산출한다.
제1 실시 형태에 있어서는, 비표면적 S(㎡/g)와 평균 입경 D50(㎛)의 관계가 하기 식 (1)을 충족하는 것이 바람직하다.
이 식은, 비표면적 S(㎡/g)의 상용 대수와 평균 입경 D50(㎛)의 상용 대수가 직선 관계로 된다고 하는 경험 법칙에 기초하여 도출된 것이다. 분말의 비표면적의 값은, 이것을 구성하는 입자 표면의 요철에 추가하여, 해당 입자의 입경의 영향도 받기 때문에, 비표면적의 값이 작은 분말이라면 표면의 요철이 적은 매끄러운 입자로 구성되어 있다고는 할 수 없다. 그래서, 제1 실시 형태에서는, 상기 식 (1)에 의해, 비표면적에 대한 입자의 산화막의 표면 상태의 영향과 입경의 영향을 분리하고, 전자의 영향으로 작은 비표면적을 갖는 연자성 합금분을, 요철이 적은 매끄러운 표면을 갖는 것으로 한 것이다. S와 D50의 관계가 상기 식 (1)을 충족함으로써, 보다 유동성이 우수한 분말이 된다.
비표면적 S(㎡/g)는, 입자 표면의 산화막에 존재하는 Si의 비율을 증가시키고, 산화막 표면의 요철을 적게 함으로써, 보다 작게 할 수 있다. 표면 요철이 적은 산화막에 따르면, 얇은 막 두께로 절연을 유지할 수 있기 때문에 바람직하다. 입자 표면의 산화막에 존재하는 Si의 비율은, 전술한 바와 같이, 연자성 합금분의 Si의 조성 비율을 높이거나, 열처리 온도를 낮추거나 함으로써, 높일 수 있다. 구체적으로는 비표면적 S(㎡/g)와 평균 입경 D50(㎛)의 관계는, 하기 식 (2)를 충족하는 것이 보다 바람직하고, 하기 식 (3)을 충족하는 것이 더욱 바람직하다.
여기서, 비표면적 S는, 전자동 비표면적 측정 장치(가부시키가이샤 마운테크제 Macsorb)에 의해, 질소 가스 흡착법을 사용하여 측정ㆍ산출된다. 우선, 히터 내에서 측정 시료를 탈기한 후, 측정 시료에 질소 가스를 흡착ㆍ탈리시킴으로써 흡착 질소량을 측정한다. 이어서, 얻어진 흡착 질소량으로부터, BET 1점법을 사용하여 단분자층 흡착량을 산출하고, 이 값으로부터, 1개의 질소 분자가 차지하는 면적 및 아보가드로수의 값을 사용하여 시료의 표면적을 도출한다. 마지막으로, 얻어진 시료의 표면적을 해당 시료의 질량으로 제산함으로써, 분말의 비표면적 S를 얻는다.
또한, 평균 입경 D50은, 레이저 회절/산란법을 이용한 입도 분포 측정 장치(가부시키가이샤 호리바 세이사쿠쇼제 LA-950)에 의해 측정ㆍ산출한다. 우선, 습식 플로우 셀 내에 분산매로서의 물을 넣고, 사전에 충분히 해쇄한 분말을, 적절한 검출 신호가 얻어지는 농도로 해당 셀 내에 투입하여 입도 분포를 측정한다. 이어서, 얻어진 입도 분포에 있어서의 메디안 직경을 산출하고, 이 값을 평균 입경 D50으로 한다.
제1 실시 형태에 있어서는, 산화막의 최표면에 있어서의 Si의 질량 비율이, 합금 부분의 5배 이상이고, 또한 산화막의 최표면에 있어서의 Cr 또는 Al의 질량 비율이, 합금 부분의 3배 이상인 것이 바람직하다. 이러한 질량 비율로 함으로써, 보다 우수한 유동성이 얻어진다.
또한, 제1 실시 형태에 있어서는, Si, Cr 및 Al 중, 합금 부분에 포함되는 전체 원소가, 산화막 전체에 함유되는 것이 바람직하다. 이들 원소가 산화막 전체에 함유되는 것은, 합금 부분의 성분의 확산에 의해 산화막이 형성되었음을 나타내는 것이라고 할 수 있다. 해당 과정을 거쳐 산화막이 형성된 연자성 합금분은, 이것을 구성하는 입자 내에서, 각 원소의 분포가 입자 내부로부터 입자의 외주면에 걸쳐 연속되어 있기 때문에, 입자 내부에 생기는 응력을 작게 할 수 있다. 이에 의해, 입자 자체의 투자율의 저하를 억제할 수 있다.
여기서, Si, Cr 및 Al 중, 합금 부분에 포함되는 전체 원소가, 산화막 전체에 함유되는 것은, 상술한 합금 부분 및 산화막에 있어서의 각 원소의 질량 비율의 측정에 의해 얻어지는, 깊이 방향(직경 방향)의 각 원소의 분포에 있어서, 산화막으로 된 영역에 위치하는 전체 측정점에서, 해당 각 원소가 모두 검출됨으로써 확인할 수 있다.
Si, Cr 및 Al 중, 합금 부분에 포함되는 전체 원소가, 산화막 전체에 함유되는 연자성 합금 입자를 얻기 위해서는, 후술하는 바와 같이, 연자성 합금의 원료분을 저산소 분위기 중(대략 5ppm 내지 500ppm 이하)에서 열처리하는 것이 유효하다. 이러한 산화 분위기로 함으로써, 급격한 산화 반응은 억제된다. 이에 의해, Fe보다 산화되기 쉬운 원소를 선택적으로 산화시킬 수 있다. 특히, Fe보다 산화되기 쉬운 원소로서, Si의 산화를 진행시킬 수 있다. 또한, 이 이상 낮은 산소 분위기로 한 경우에는, 동일한 산화 반응이 얻어지기는 하지만, 열처리의 시간이 장시간 필요하게 되고, 또한 산소가 공급되는 범위가 한정적으로 되기 쉽고, 입자끼리의 접촉 유무에 의한 산화 반응의 변동 원인이 되어 버린다. 이 때문에도, 전술한 바와 같은 저산소 분위기로 하는 것이 바람직하다.
또한, 제1 실시 형태에서는, 산화막의 두께가 10nm 내지 50nm인 것이 바람직하다. 산화막의 두께를 10nm 이상으로 함으로써, 합금 부분의 미세한 요철을 덮어 평활한 표면을 형성할 수 있다. 또한, 높은 절연성을 얻을 수 있다. 산화막의 두께는, 20nm 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 산화막 표면의 Si의 비율을 보다 높일 수 있다. 또한, 자성체를 형성할 때, 압력을 가하는 압축 성형에서 산화막의 결함이 생긴 경우라도, 절연성을 유지할 수 있다. 한편, 산화막의 두께를 50nm 이하로 함으로써, 막 두께의 불균일에 의한 입자 표면의 평활성의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 자성체를 형성하였을 때, 높은 투자율이 얻어진다. 산화막의 두께는, 40nm 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
여기서, 산화막의 두께는, 연자성 합금분을 구성하는 자성 입자의 단면을 주사형 투과 전자 현미경(STEM)(니혼 덴시 가부시키가이샤제 JEM-2100F)으로 관찰하고, 입자 내부의 합금 부분과의 조성의 차이에 기인하는 콘트라스트(명도)의 차이에 의해 인식되는 산화막에 대하여, 그 두께를, 상이한 입자의 10개소에서, 배율 500,000배로 측정하여, 평균값을 구함으로써 산출한다.
[연자성 합금분의 제조 방법]
본 발명의 제2 실시 형태에 관한 연자성 합금분의 제조 방법(이하, 간단히 「제2 실시 형태」라고 기재하는 경우가 있음)은, 구성 원소로서 Fe 및 Si, 그리고 Cr 또는 Al 중 적어도 한쪽을 포함하고, 질량 비율로 나타낸 Si의 함유량이 Cr 및 Al의 합계보다 많은 연자성 합금의 원료분을, 산소 농도가 5ppm 내지 500ppm인 분위기 중에서, 600℃ 이상의 온도로 열처리하는 것을 특징으로 한다.
제2 실시 형태에서 사용하는 원료분은, 구성 원소로서 Fe 및 Si, 그리고 Cr 또는 Al 중 적어도 한쪽을 포함하고, 질량 비율로 나타낸 Si의 함유량이 Cr 및 Al의 합계보다 많다.
원료분이 Cr 또는 Al 중 적어도 한쪽을 포함함으로써, 후술하는 열처리에 있어서, 산화막의 과잉 형성을 억제할 수 있다. 이에 의해 산화막의 막 두께를 안정화하는 것이 가능하게 된다.
또한, 원료분이 Cr 및 Al의 합계보다 Si를 많이 포함함으로써, 후술하는 열처리에 의해, 합금분을 구성하는 각 입자의 표면에 형성되는 산화막을, Cr 및 Al의 합계에 대한 Si의 함유량의 질량 비율이 높은 것으로 할 수 있어, 산화막의 두께가 얇아도 절연을 확보할 수 있다. 이에 추가하여, 후술하는 가열 처리 시의 Cr 및 Al의 산화를 억제할 수 있기 때문에, 산화막의 두께를 얇게 할 수도 있다. 또한, 해당 산화막을 미세한 요철이 적은 것으로 할 수 있어, 유동성이 우수한 분말이 얻어진다.
Cr 및 Al의 합계 질량과 Si의 질량의 관계는, 양자의 비율(Si/(Cr+Al))을 2보다 크게 하는 것이, Cr 혹은 Al, 또는 Fe의 산화를 억제할 수 있는 점에서 바람직하다. 이에 의해, Fe의 비율이 매우 적고, Si의 비율이 높은 산화막을 형성할 수 있다.
사용하는 원료분의 조성으로서는, 전술한 요건을 충족시키는 것이면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어, Si는 1질량％ 내지 10질량％ 함유되고, Cr을 함유하는 경우 Cr은 0.5 내지 5질량％ 함유되고, Al을 함유하는 경우 Al은 0.2 내지 3질량％ 함유되고, 잔부는 Fe 및 불가피 불순물(산소, 수소, 질소 및 불가피 금속 원소 불순물을 포함)인 것을 들 수 있다. 입자 표면에 형성되는 산화막을, Cr 및 Al의 합계에 대한 Si의 함유량의 질량 비율을 높은 것으로 하기 위해서는, Cr 또는 Al의 양은 합계로 4질량％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 이에 의해, 요철이 보다 적고 매끄러운 것으로 할 수 있다. 이에 추가하여, 합금 부분에서의 Si의 산소와의 반응에 대하여, Cr 또는 Al의 산소와의 반응을 상대적으로 억제하여 특히 우수한 자기 특성을 얻기 위해서는, Cr 또는 Al의 양은 합계로 2질량％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 합금 부분이 Al을 포함하는 경우에는, Al이 Cr에 비하여 입자 표면에 확산되기 쉽다는 점에서, 그 함유량을 1질량％ 이하로 하는 것이 특히 바람직하다. 또한, 합금 부분이 상기 이외의 원소를 포함하는 것이어도 됨은 말할 필요도 없다.
원료분의 입경도 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 체적 기준으로 측정한 입도 분포로부터 산출되는 평균 입경(메디안 직경(D50))을 0.5㎛ 내지 30㎛로 할 수 있다. 평균 입경은, 1㎛ 내지 10㎛로 하는 것이 바람직하다. 이 평균 입경은, 예를 들어 레이저 회절/산란법을 이용한 입도 분포 측정 장치를 사용하여 측정할 수 있다.
제2 실시 형태에서는, 원료분을, 산소 농도가 5ppm 내지 500ppm인 분위기 중에서 열처리한다. 열처리 분위기 중의 산소 농도를 5ppm 이상으로 함으로써, 원료분을 구성하는 개개의 입자 표면이 산화되어, 매끄러운 표면을 갖는 산화막이 충분한 두께로 형성된다. 한편, 열처리 분위기 중의 산소 농도를 500ppm 이하로 함으로써, Cr 및 Al의 과도한 산화가 억제되고, 원료분을 구성하는 개개의 입자 표면에 Si가 풍부한 매끄러운 산화막이 형성되어, 유동성이 우수한 연자성 합금분이 얻어짐과 함께, 해당 합금분으로 제조되는 자성체가 자기 특성이 우수한 것으로 된다. 열처리 분위기 중의 산소 농도는, 400ppm 이하로 하는 것이 바람직하고, 300ppm 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 원료분이 Al을 포함하는 경우에는, Al이 Cr에 비하여 산화되기 쉽다는 점에서, 열처리 분위기 중의 산소 농도를 50ppm 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
열처리 온도는, 600℃ 이상으로 한다. 열처리 온도를 600℃ 이상으로 함으로써, 원료분을 구성하는 개개의 입자 표면에 Si, Cr 및 Al의 각 원소가 충분히 확산되어, 표면이 매끄럽고 안정성이 높은 산화막을 형성할 수 있다. 열처리 온도는, 700℃ 이상이 바람직하고, 750℃ 이상이 보다 바람직하다. 열처리 온도의 상한은 특별히 한정되지 않지만, Fe의 산화, 그리고 Cr 및 Al의 과도한 산화를 억제하여 자기 특성이 우수한 자성체를 얻는 점에서, 900℃ 이하로 하는 것이 바람직하고, 850℃ 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 800℃ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 특히, Si의 산화를 진행시키면서, Fe의 산화를 억제할 수 있는 점에서, 700℃보다 높고, 850℃보다 낮은 온도가 바람직하다. 이 경우, 절연성을 확보하면서, 가장 산화막을 얇게 할 수 있다.
열처리 온도에서의 유지 시간은 특별히 한정되지 않지만, 산화막을 충분한 두께로 하는 점에서는, 30분 이상으로 하는 것이 바람직하고, 1시간 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, 열처리를 단시간에 끝내 생산성을 향상시키는 점에서는, 열처리 시간을 5시간 이하로 하는 것이 바람직하고, 3시간 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
제2 실시 형태에 따르면, 연자성 합금분을 구성하는 각 입자의 최표면에 있어서, 함유하는 Si, Cr 및 Al의 농도가 열처리 전에 비하여 증가한다. 이때, 연자성 합금 원료분을 구성하는 각 입자의 최표면에 있어서의, 질량％로 표시한 Si, Cr 및 Al 농도를 각각 [Si 원료분], [Cr 원료분] 및 [Al 원료분]이라고 하고, 연자성 합금분을 구성하는 각 입자의 최표면에 있어서의, 질량％로 표시한 Si, Cr 및 Al 농도를 각각 [Si 합금분], [Cr 합금분] 및 [Al 합금분]이라고 한 경우에, {([Cr 합금분]+[Al 합금분])/[Cr 원료분]+[Al 원료분])}>([Si 합금분]/[Si 원료분])으로 되도록, 즉 열처리에 의한 입자 최표면의 Cr과 Al의 합량의 증가 비율이, Si의 증가 비율보다 커지도록, 열처리를 행하는 것이 바람직하다. 이와 같이 열처리를 행함으로써, 보다 안정성이 높은 산화막을 구비한 연자성 합금분을 얻을 수 있다.
여기서, 원료분 및 연자성 합금분을 구성하는 입자의 최표면에 있어서의 각 원소의 농도는, 상술한 X선 광전자 분광 분석 장치에 의한 입자 최표면의 분석 결과로 한다.
제2 실시 형태에 있어서의 열처리는, 배치 처리여도 플로우 처리여도 된다. 플로우 처리의 예로서는, 연자성 합금의 원료분을 넣은 복수의 내열 용기를 터널로 내에 단속적 내지 연속적으로 투입하고, 소정의 분위기 및 온도로 유지한 영역을 소정 시간에 통과시키는 방법을 들 수 있다.
제2 실시 형태에서는, 상기 열처리에 앞서, 상기 연자성 합금의 원료분을 구성하는 입자의 표면에, Si 함유 화합물을 부착시켜도 된다. Si 함유 화합물의 부착에 의해, 열처리하였을 때 Si가 풍부한 산화막이 두껍게 형성되기 때문에, 자성체를 형성하였을 때 인접하는 연자성 합금 입자간의 절연성이 향상되고, 코어 손실을 저감할 수 있다.
사용하는 Si 함유 화합물의 종류 및 그 부착 방법은 특별히 한정되지 않지만, 원료분의 분산액에 테트라에톡시실란(TEOS)을 포함하는 용액을 혼합ㆍ교반한 후, 고액 분리 및 건조를 행하는 방법이, Si 함유 화합물을 균일하게 부착할 수 있고, 열처리에 의해 매끄러운 표면의 입자가 얻어지는 점에서 바람직하다.
상술한 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태에 따르면, 도 1에 예시하는 바와 같은 입자 형상을 갖는, 유동성이 우수한 연자성 합금분이 얻어진다. 해당 연자성 합금분은, 핸들링성이 우수한 것에 추가하여, 벌크 밀도가 크기 때문에, 이것을 성형하여 자성체를 제조할 때의 충전율을 높일 수 있다. 또한, 상기 연자성 합금분은, 표면적이 작기 때문에, 수지 등의 바인더와 혼합한 혼합물의 점도가 낮게 억제되어, 성형성이 우수한 혼합물로 할 수 있다. 또한, 상기 연자성 합금분이 작은 표면적은, 프레스 성형 시의 우수한 압력 전달성으로도 이어진다는 점에서, 프레스 압력을 낮출 수 있어, 특히 내부 도체를 갖는 코일 부품에 있어서의 도체의 손상 방지에 유효하다.
연자성 금속분으로 제조되는 코일 부품 중, 소위 컴포지트 코일 부품, 즉 코일부와, 해당 코일부가 매설된 코어부를 갖고, 해당 코어부가 연자성 금속분과 수지를 포함하는 것은, 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태에 따른 전술한 장점이 크기 때문에, 자기 특성, 내구성 및 신뢰성이 우수한 부품으로 되고, 부품의 소형화도 가능하다. 또한, 이러한 코일 부품을 얹은 회로 기판의 고성능화 및 소형화도 가능하다. 그래서, 본 발명의 바람직한 양태로서의 코일 부품 및 회로 기판에 대하여, 제3 실시 형태 및 제4 실시 형태로서 이하에 각각 설명한다.
[코일 부품]
본 발명의 제3 실시 형태에 관한 코일 부품(이하, 간단히 「제3 실시 형태」라고 기재하는 경우가 있음)은, 금속 도체로 구성된 코일부와, 연자성 합금 입자를 포함하는 자성 기체를 포함하는 코일 부품이며, 상기 연자성 합금 입자가, 제1 실시 형태에 관한 연자성 합금분을 구성하는 연자성 합금 입자인 것을 특징으로 한다.
코일부의 배치에 대해서는, 자성 기체 내에 매설되어 있어도 된다. 또한, 자성 기체의 주위에 권회되어 있어도 된다.
자성 기체는, 제1 실시 형태에 관한 연자성 합금분을 구성하는 연자성 합금 입자를 함유한다. 이 연자성 합금 입자는, 도 1에 예시하는 바와 같은 형상을 갖고, 전술한 바와 같이, 자성 기체 내에 높은 충전율로 존재할 수 있다.
자성 기체의 구조에 대해서는, 연자성 합금 입자에 추가하여 수지를 함유하고, 당해 수지의 작용으로 보형되는 것이어도 된다. 또한, 연자성 합금 입자끼리의 상기 산화막을 통한 결합에 의해 보형되는 것이어도 된다.
제3 실시 형태로서는, 도 2에 도시하는 바와 같은 컴포지트 코일 부품, 도 3에 도시하는 바와 같은 권선 코일 부품, 도 4에 도시하는 바와 같은 적층 코일 부품 및 도 5에 도시하는 바와 같은 박막 코일 부품 등이 예시된다.
제3 실시 형태의 제법으로서는, 예를 들어 컴포지트 코일 부품의 경우, 전형적으로는, 연자성 합금분과 수지를 혼합하여 혼합물을 조제한 후, 미리 공심 코일을 배치한 금형 등의 성형 형에 해당 혼합물을 투입하여, 프레스 성형한 후, 수지를 경화시켜 얻어진다.
사용하는 연자성 합금분에 대해서는, 상술하였기 때문에 설명을 생략한다.
사용하는 수지는, 연자성 금속분의 입자끼리를 접착하여 성형 및 보형할 수 있는 것이라면, 그 종류에 제한은 없고, 에폭시 수지나 실리콘 수지 등의 각종 수지를 사용할 수 있다. 수지의 사용량도 제한되지 않으며, 예를 들어 연자성 합금분 100질량부에 대하여 1 내지 10질량부로 할 수 있다. 제3 실시 형태에서는, 유동성이 우수한 연자성 합금분의 사용에 의해, 수지의 사용량을 저감하여 연자성 합금분의 비율을 많이 할 수 있기 때문에, 수지의 사용량은 연자성 합금분 100질량부에 대하여 3질량부 이하로 하는 것이 바람직하다.
연자성 합금분과 수지의 혼합 및 성형 형에의 혼합물의 투입 방법에 대해서도 제한은 없고, 양자를 혼련한 유동 상태의 혼합물을 성형 형에 투입하는 방법 외에, 표면에 수지를 코팅한 연자성 합금의 조립분을 성형 형에 투입하는 방법 등을 채용할 수 있다. 또한, 상기 혼합물의 성형 형에의 투입과 후술하는 프레스 성형을 함께 행하는 방법으로서, 시트형으로 성형한 상기 혼합물을 프레스에 의해 성형 형 내에 도입하는 방법을 채용해도 된다.
프레스 성형의 온도 및 압력에 대해서도 제한되지 않으며, 형 내에 배치된 공심 코일의 재질 및 형상, 투입된 연자성 금속분의 유동성, 그리고 투입된 수지의 종류 및 양 등에 따라 적절하게 결정하면 된다.
수지의 경화 온도에 대해서도, 사용하는 수지에 따라 적절하게 결정하면 된다.
제3 실시 형태에 관한 자성 기체는, 연자성 합금분과 수지의 혼합물을 프레스 성형한 후, 얻어진 성형체를 수지의 경화 온도보다 높은 온도로 열처리하여 형성해도 된다. 이 경우, 열처리에 의해 수지가 분해됨과 함께, 연자성 합금 입자 표면의 산화막이 성장하고, 당해 산화막에 의해 연자성 합금 입자끼리 결합한다. 또한, 열처리에 의해 수지 성분은 거의 분해되지만, 부분적으로 탄소는 남아 있어도 된다.
이와 같이 하여 얻어진 자성 기체에 권선을 행하면, 권선 코일 부품을 얻을 수 있다. 권선 코일 부품도 제3 실시 형태의 코일 부품의 하나의 예이다.
또한, 코일 부품이 적층 코일 부품인 경우에는, 시트법을 이용하여 제조할 수 있다. 시트법의 수순으로서는, 우선, 연자성 합금분과 수지를 혼합하여 혼합물을 조제한 후, 이것을 닥터 블레이드법 등으로 시트형으로 도공하고, 이것을 재단한 후, 레이저 등으로 소정의 위치에 비어 홀을 작성하고, 소정의 위치에 내부 패턴을 인쇄한다. 이어서, 이들 시트를 소정의 순서로 적층하고, 열압착하여 적층체를 얻는다. 이어서, 필요에 따라, 당해 적층체를, 다이싱기나 레이저 절단기 등의 절단기를 사용하여, 개개의 부품의 크기로 절단한다. 마지막으로, 당해 적층체를 열처리하여, 적층 코일 부품을 얻는다. 적층 코일 부품도 제3 실시 형태의 코일 부품의 하나의 예이다.
또한, 코일 부품이 박막 코일 부품인 경우에는, 포토리소그래피를 채용할 수 있다. 박막 코일 부품도 제3 실시 형태의 하나의 예이다.
이상 예시한 제법 외에, 코일 부품의 형상 등에 따른 공지의 제법을 채용할 수 있음은 물론이다.
전술한 제3 실시 형태의 예인 컴포지트 코일 부품은, 연자성 금속분으로서, 유동성이 우수한 것을 사용하고 있기 때문에, 연자성 금속의 충전율을 높여 투자율이 높은 코어가 얻어진다. 이에 의해, 동일한 인덕턴스를 얻는 데 필요한 소자 체적을 작게 할 수 있기 때문에, 코일 부품을 소형화할 수 있다. 또한, 제3 실시 형태의 예인 컴포지트 코일 부품은, 제조 시에 낮은 프레스 압력으로 성형 가능하게 된다는 점에서, 내부에 매립된 공심 코일이 손상되기 어려워져, 내구성 및 신뢰성이 향상된다.
[회로 기판]
본 발명의 제4 실시 형태에 관한 회로 기판(이하, 간단히 「제4 실시 형태」라고 기재하는 경우가 있음)은, 제3 실시 형태에 관한 코일 부품을 얹은 회로 기판이다.
회로 기판의 구조 등은 한정되지 않고, 목적에 따른 것을 채용하면 된다.
제4 실시 형태는, 제3 실시 형태에 관한 코일 부품을 사용함으로써, 고성능화 및 소형화가 가능하다.
<실시예>
이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 해당 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
(연자성 합금분의 제조)
우선, Fe-3.5Si-1.5Cr(수치는 질량 백분율을 나타냄)의 조성을 갖는, 평균 입경 4.0㎛의 연자성 합금의 원료분을, 지르코니아제 용기에 넣고, 진공 열처리로 내에 배치하였다.
이어서, 노 내를 배기하여 산소 농도를 100ppm으로 한 후, 승온 속도 5℃/min으로 700℃까지 승온하고, 1시간 유지하여 열처리를 행하고, 실온까지 로랭(爐冷)하여, 실시예 1에 관한 연자성 합금분을 얻었다.
(연자성 합금분에 있어서의 원소 분포의 측정)
얻어진 연자성 합금분에 대하여, 상술한 방법에 의해, 합금 부분 및 산화막에 있어서의 각 원소의 질량 비율을 측정한바, 도 6에 실선으로 나타내는 농도 분포가 얻어지고, 합금분을 구성하는 각 입자의 표면에, 합금 부분에 비하여 Si 및 Cr의 질량 비율이 높은 산화막을 구비함이 확인되었다. 또한, 얻어진 농도 분포로부터 Si/Cr 질량비의 분포를 산출한바, 도 7에 실선으로 나타내는 결과가 얻어졌다. 입자의 최표면에 있어서의 Si/Cr 질량비는 3.62였다.
이 도 6의 실선으로부터 알 수 있는 바와 같이, 산화막은, 입자의 내측(합금 부분측)으로부터 외측을 향하여, O의 함유량의 증가와 함께, Cr의 함유량이 연속하여 증가하기 시작하였다. 또한, Si의 함유량은, Cr의 함유량이 증가하기 시작하는 영역보다 내측에서 연속해서 증가하기 시작하였다. 이와 같이 Cr의 존재가, 합금 부분의 과잉 산화를 억제하여, 결과로서, 산화막을 얇게 하는 것을 가능하게 하고 있다. 또한, Cr보다 Si의 함유량이 많은 것이, 절연성을 높이는 것을 가능하게 하고 있다. 이것은 Cr의 산화물보다 Si의 산화물 쪽이 절연 저항이 높은 것에 따른다. 여기서는, 산화막 전체에 걸쳐, Cr보다 Si의 함유량이 많게 되어 있다. 또한, Cr 및 Si는, 산화막 전체에 걸쳐 존재하고 있다. 또한, 이 산화막은, 합금 부분으로부터 외측을 향하여 Fe의 함유량이 연속해서 감소하고 있다. 이것도, 산화막의 절연성이 높으며, 또한 표면의 요철이 작은 것으로 이어진다. 또한, Cr, Si 및 Fe의 연속된 분포로부터, 이 산화막은 합금 부분과의 밀착성이 높음을 알 수 있고, 결과로서 압력 등에 의해 생기기 쉬운 파손을 방지할 수 있다.
(연자성 합금분의 비표면적 및 평균 입경의 측정)
얻어진 연자성 합금분에 대하여, 상술한 방법으로 비표면적 S 및 평균 입경 D50을 측정한바, S=0.45㎡/g 및 D50=4.0㎛로 되었다.
(연자성 합금분의 유동성 평가)
얻어진 연자성 합금분의 유동성을, 탭 밀도 dT에 의해 평가하였다. 탭 밀도의 측정은, 눈금이 있는 유리제 실린더에 소정 질량의 연자성 합금분을 투입하고, 탭핑과 분말의 충전 높이(부피 밀도)의 판독에 의한 부피 밀도의 산출을 반복하여, 탭 횟수 10회당 부피 밀도의 변화가 5％ 이하로 되었을 때의 값을 탭 밀도로 하였다. 얻어진 탭 밀도는 4.5g/㎤였다.
(자성체의 특성 평가)
얻어진 연자성 합금분을 자성체로 하였을 때의 특성을, 토로이달 코일의 비투자율, 그리고 원판형 시료의 체적 저항률 및 절연 파괴 전압에 의해 평가하였다.
평가용 토로이달 코일은, 이하의 수순으로 제작하였다. 우선, 연자성 합금분을, 1.2질량％의 아크릴계 바인더와 함께 교반 혼합하여, 성형용 재료를 조제하였다. 이어서, 이 성형용 재료를, 외경 8mm, 내경 4mm의 토로이달에 대응하는 성형 공간을 갖는 금형에 투입하고, 8t/㎠의 압력으로 1축 가압 성형하여 두께 1.3mm의 성형체를 얻었다. 이어서, 얻어진 성형체를 150℃의 항온조 내에 1시간 넣어 바인더를 경화시킨 후, 과열 수증기로에 의해 300℃로 가열하여, 열분해에 의해 바인더를 제거하였다. 이어서, 석영로에서, 산소 농도 800ppm의 분위기 중, 800℃에서 1시간의 열처리를 행하여, 토로이달형 코어를 얻었다. 마지막으로, 얻어진 토로이달형 코어에, 직경 0.3mm의 우레탄 피복 구리선으로 이루어지는 코일을 20턴 권회하여 평가용 시료로 하였다.
얻어진 평가용 시료에 대하여, 측정 장치로서 LCR 미터(아질렌트 테크놀로지사제 4285A)를 사용하여, 주파수 10MHz로 비투자율의 측정을 행하였다. 얻어진 비투자율은 25였다.
평가용의 원판형 시료는, 이하의 수순으로 제작하였다. 우선, 연자성 합금분을, 1.2질량％의 아크릴계 바인더와 함께 교반 혼합하여, 성형용 재료를 조제하였다. 이어서, 이 성형용 재료를, 내경 7mm의 원판형의 성형 공간을 갖는 금형에 투입하고, 8t/㎠의 압력으로 1축 가압 성형하여 두께 0.5mm 내지 0.8mm의 성형체를 얻었다. 이어서, 얻어진 성형체를 150℃의 항온조 내에 1시간 넣어 바인더를 경화시킨 후, 과열 수증기로에 의해 300℃로 가열하여, 열분해에 의해 바인더를 제거하였다. 이어서, 석영로에서, 산소 농도 800ppm의 분위기 중, 800℃에서 1시간의 열처리를 행하여, 원판형의 시료를 얻었다. 마지막으로, 얻어진 원판형의 시료의 양면 전체에 스퍼터링에 의해 Au막을 형성함으로써 평가용 시료로 하였다.
얻어진 평가용 시료에 대하여, JIS-K6911에 준하여 체적 저항률을 측정하였다. 시료의 양면에 형성된 Au막을 전극으로 하여, 해당 전극간에, 전계 강도가 60V/㎝로 되도록 전압을 인가하여 저항값을 측정하고, 해당 저항값으로부터 체적 저항률을 산출하였다. 평가용 시료의 체적 저항률은 103MΩㆍ㎝였다.
또한, 얻어진 평가용 시료의 절연 파괴 전압은, 시료의 양면에 형성된 Au막을 전극으로 하여, 해당 전극간에 전압을 인가하여 전류값을 측정함으로써 행하였다. 인가 전압을 서서히 올려 전류값을 측정하고, 해당 전류값으로부터 산출되는 전류 밀도가 0.01A/㎠로 된 전압으로부터 산출되는 전계 강도를 파괴 전압으로 하였다. 평가용 시료의 절연 파괴 전압은 0.0047MV/㎝였다.
[비교예 1]
실시예 1에서 사용한 연자성 합금의 원료분을, 비교예 1에 관한 연자성 합금분으로 하였다.
해당 연자성 합금분에 대하여, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로, 합금 부분 및 산화막에 있어서의 각 원소의 질량 비율을 측정한바, 도 6에 점선으로 나타내는 농도 분포가 얻어졌다. 산화막에서는, Si의 질량 비율은 합금 부분에 비하여 높아져 있지만, Cr의 질량 비율은 합금 부분과 동일 정도였다.
또한, 얻어진 농도 분포로부터 Si/Cr 질량비의 분포를 산출한바, 도 7에 점선으로 나타내는 결과가 얻어졌다. 입자의 최표면에 있어서의 Si/Cr 질량비는 10.40이었다. 도 7에 있어서의 실시예 1(실선)과 비교예 1(점선)의 대비로부터, 열처리에 의해 입자 표면의 Si/Cr 질량비가 바람직한 범위로 됨을 알 수 있다.
또한, 이 연자성 합금분에 대하여, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로, 비표면적 S, 평균 입경 D50 및 탭 밀도 dT를 측정한바, S=0.58㎡/g, D50=4.0㎛ 및 dT=3.7g/㎤로 되었다.
또한, 이 연자성 합금분을 자성체로 하였을 때의 특성을, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 평가한바, 비투자율이 22, 체적 저항률이 0.2MΩㆍ㎝, 절연 파괴 전압이 0.0018MV/㎝로 되었다.
[실시예 2]
평균 입경 2.2㎛의 원료분을 사용함과 함께, 열처리 분위기의 산소 농도를 5ppm으로 한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 실시예 2에 관한 연자성 합금분을 얻었다.
얻어진 연자성 합금분에 대하여, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로, 합금 부분 및 산화막에 있어서의 각 원소의 질량 비율을 측정한바, 실시예 1과 마찬가지의 농도 분포를 나타내었다.
또한, 얻어진 연자성 합금분에 대하여, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로, 비표면적 S, 평균 입경 D50 및 탭 밀도 dT를 측정한바, S=0.80㎡/g, D50=2.2㎛ 및 dT=3.9g/㎤로 되었다.
또한, 얻어진 연자성 합금분을 자성체로 하였을 때의 특성으로서, 비투자율 및 체적 저항률을 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 평가한바, 비투자율이 22, 체적 저항률이 100MΩㆍ㎝로 되었다.
(산화물의 두께의 측정)
본 실시예에서는, 얻어진 연자성 합금분에 대하여, 상술한 방법으로 산화막의 두께를 측정하였다. 얻어진 산화막의 두께는 30nm였다.
(자성체에 있어서의 충전성 평가)
본 실시예에서는, 전술한 평가에 추가하여, 얻어진 연자성 합금분의 자성체에 있어서의 충전성을, 원판형 시료의 충전율 및 드럼 코어형 시료의 축부에 대한 플랜지부의 밀도비에 의해 평가하였다.
원판형 시료는, 실시예 1에 있어서의 원판형 시료와 마찬가지의 방법으로 제작하였다.
얻어진 원판형 시료에 대하여, 외경 및 두께를 측정하여 체적(실측 체적)을 산출하였다. 또한, 원판형 시료의 제작에 사용한 연자성 합금분에 대하여, 피크노미터법에 의해 진밀도를 측정하고, 해당 진밀도의 값으로 상기 원판형 시료의 질량을 제산함으로써, 원판형 시료 중의 연자성 합금분이 충전율 100체적％인 자성체를 형성한 경우의 체적(이상적인 체적)을 산출하였다. 그리고, 해당 이상적인 체적을 상기 실측 체적으로 제산함으로써, 충전율을 산출하였다. 얻어진 충전율은 80.5체적％였다.
드럼 코어형 시료는, 성형에 사용하는 금형을, 축부 성형용 공간과 플랜지부 성형용 공간을 갖는 것으로 변경한 것 이외에는, 원판형 시료와 마찬가지의 수순으로 제작하여, 축부의 사이즈가 1.6mm×1.0mm×1.0mm이고, 플랜지부의 두께가 0.25mm인 드럼 코어형 시료를 얻었다.
얻어진 드럼 코어형 시료의 축부에 대한 플랜지부의 밀도비는, 해당 시료의 축부 및 플랜지부의 각각으로부터 측정용 시료를 채집하고, 정용적 팽창법에 의해 각 시료의 체적을 측정함과 함께, 해당 각 시료의 질량을 측정하고, 이들 측정값으로부터 각 부의 밀도를 산출하여 비를 취함으로써 산출하였다. 금회의 시료에서는, 플랜지부와 축부는 동종 재료이기 때문에, 밀도비가 충전율의 비에 상당한다. 얻어진 밀도비는 0.93이었다.
[비교예 2]
실시예 2에서 사용한 연자성 합금의 원료분을, 비교예 2에 관한 연자성 합금분으로 하였다.
해당 연자성 합금분에 대하여, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로, 합금 부분 및 산화막에 있어서의 각 원소의 질량 비율을 측정한바, 비교예 1과 마찬가지의 농도 분포를 나타내었다.
또한, 이 연자성 합금분에 대하여, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로, 비표면적 S, 평균 입경 D50 및 탭 밀도 dT를 측정한바, S=1.01㎡/g, D50=2.2㎛ 및 dT=3.2g/㎤로 되었다.
또한, 이 연자성 합금분을 자성체로 하였을 때의 특성으로서, 비투자율 및 체적 저항률을 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 평가한바, 비투자율이 16, 체적 저항률이 0.5MΩㆍ㎝로 되었다.
본 비교예에 관한 연자성 합금분에 있어서의 산화막의 두께를, 실시예 2와 마찬가지의 방법으로 측정한바, 2nm였다.
또한, 연자성 합금분의 자성체에 있어서의 충전성을, 실시예 2와 마찬가지의 방법으로 평가한바, 충전율이 78.8체적％, 밀도비가 0.90이었다.
[실시예 3 내지 6]
입경이 상이한 원료분을 사용한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 실시예 3 내지 6에 관한 연자성 합금분을 얻었다.
얻어진 연자성 합금분에 대하여, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로, 합금 부분 및 산화막에 있어서의 각 원소의 질량 비율을 측정한바, 어느 예에 대해서도 실시예 1과 마찬가지의 농도 분포를 나타내었다.
또한, 얻어진 연자성 합금분에 대하여, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로, 비표면적 S, 평균 입경 D50 및 탭 밀도 dT를 측정하였다. 얻어진 결과를 통합하여 표 1에 나타낸다.
[비교예 3 내지 6]
입경이 상이한 것 이외에는 비교예 1과 마찬가지의 연자성 합금분을 준비하여, 비교예 3 내지 6에 관한 연자성 합금분으로 하였다.
해당 각 연자성 합금분에 대하여, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로, 합금 부분 및 산화막에 있어서의 각 원소의 질량 비율을 측정한바, 어느 예에 대해서도 비교예 1과 마찬가지의 농도 분포를 나타내었다.
또한, 이들 연자성 합금분에 대하여, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로, 비표면적 S, 평균 입경 D50 및 탭 밀도 dT를 측정하였다. 얻어진 결과를 통합하여 표 1에 나타낸다.
실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 6에 관한 연자성 합금분의 비표면적 S, 평균 입경 D50 및 탭 밀도 dT의 측정 결과를 통합하여 표 1에 나타낸다. 또한, 이들 실시예 및 비교예에 대하여, 비표면적 S의 상용 대수를 종축에, 평균 입경 D50의 상용 대수를 횡축에 취한 그래프를 도 8에 나타낸다. 도 8에서는, 흑색 원 및 실선이 실시예를, 백색 삼각형 및 점선이 비교예를 각각 나타내고 있다.
표 1로부터, 실시예에 관한 연자성 합금분은, 동일한 평균 입경 D50을 갖는 비교예보다 비표면적 S가 작고, 또한 탭 밀도 dT가 크게 되어 있음을 알 수 있다. 이 결과로부터는, 각 실시예에 관한 연자성 합금분은, 이것을 구성하는 각 입자의 표면에 존재하는 산화막이, 함유하는 Si, Cr 및 Al의 질량 비율이 합금 부분에 비하여 높으며, 또한 질량 비율로 나타낸 Si의 함유량이 Cr 및 Al의 합계보다 많은 것임으로써, 입자 표면이 요철이 적은 매끄러운 상태로 되어 있고, 이에 의해, 해당 산화막을 갖지 않는 동일한 입경의 연자성 합금분보다 유동성이 우수한 것으로 되었다고 생각된다.
비표면적 S와 평균 입경 D50의 관계를 정리한 도 8에서는, 각 실시예(흑색 원) 및 비교예(백색 삼각형)가, 각각 동일한 직선 상에 있고, 실시예에 관한 직선(실선)의 방정식이 log(S)=-0.98{log(D50)}+0.2455, 비교예에 관한 직선(점선)의 방정식이 log(S)=-0.9812{log(D50)}+0.3491로 되었다. 이 결과로부터, 마찬가지의 처리가 실시되어 마찬가지의 표면 상태를 갖는 연자성 합금분의 측정 결과는, 동일 직선 상에 실린다고 할 수 있다. 또한, 상기 각 직선은, 모두 기울기가 -0.98이며, 또한 실시예의 직선이 비교예의 것보다 하측에 위치하고 있다는 점에서 보아, 입자 표면의 매끄러움은 그래프의 절편에 나타나고, 이것이 작을수록 표면이 매끄럽고 유동성이 우수한 분말이라고 생각된다. 이러한 점에서, 보다 유동성이 우수한 연자성 합금분을 얻기 위해서는, 비표면적 S의 상용 대수와 평균 입경 D50의 상용 대수를 플롯한 경우에, 기울기가 -0.98인 직선 중, 절편이 보다 작은 것 위에 얹히는 분말로 하면 된다고 생각된다.
[비교예 7]
비교예 2에 관한 연자성 합금분을, 대기 중에서 750℃로 1시간 열처리하여, 비교예 7에 관한 연자성 합금분을 얻었다.
얻어진 연자성 합금분에 대하여, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 합금 부분 및 산화막에 있어서의 각 원소의 질량 비율을 측정한바, 산화막 내에 가장 많이 포함되는 원소는 Cr임이 확인되었다.
이 연자성 합금분을 자성체로 하였을 때의 특성으로서, 비투자율 및 체적 저항률을 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 평가한바, 비투자율이 11, 체적 저항률이 2MΩㆍ㎝로 되었다.
또한, 얻어진 연자성 합금분에 대하여, 산화막의 두께를 실시예 2와 마찬가지의 방법으로 측정한바, 100nm였다.
또한, 연자성 합금분의 자성체에 있어서의 충전성을, 실시예 2와 마찬가지의 방법으로 평가한바, 충전율이 77.1체적％, 밀도비가 0.88이었다.
실시예 1, 2 및 비교예 1, 2, 7에 대하여, 연자성 합금분으로 제작한 자성체의 비투자율, 체적 저항률 및 절연 파괴 전압의 측정 결과를, 통합하여 표 2에 나타낸다. 또한, 실시예 2 및 비교예 2, 7에 대하여, 연자성 합금분을 구성하는 입자 표면의 산화막의 두께, 평판형 시료에 있어서의 연자성 합금분의 충전율 및 드럼 코어형 시료에 있어서의 축부와 플랜지부의 밀도비의 측정 결과를, 통합하여 표 3에 나타낸다.
표 2로부터, 유동성이 우수한 연자성 합금분으로 제작한 실시예의 자성체는, 비교예의 것에 비하여 자기 특성 및 절연성이 우수함을 알 수 있다. 특히, 표 3을 포함한 실시예 2와 비교예 7의 대비로부터는, 실시예에 있어서 입자 표면에 형성되는 산화막은, 작은 두께로 우수한 절연성을 발휘함을 알 수 있다.
또한, 표 3으로부터, 유동성이 우수한 실시예의 연자성 합금분은, 비교예의 것에 비하여 연자성 합금 입자가 균일하게, 또한 고밀도로 충전된 자성체를 제작할 수 있음을 알 수 있다. 이로부터, 본 발명의 연자성 합금분은, 코일부를 코어부에 매설한 컴포지트 코일 부품으로 하였을 때, 연자성 합금 입자가 균일하게, 또한 고밀도로 충전된, 자기 특성이 우수한 코일 부품으로 된다고 할 수 있다.
[실시예 7]
연자성 합금분의 원료분으로서, Fe-3.5Si-0.5Al(수치는 질량 백분율을 나타냄)의 조성을 갖는, 평균 입경 5.0㎛의 것을 사용하고, 열처리 분위기의 산소 농도를 50ppm으로 한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여, 실시예 7에 관한 연자성 합금분을 얻었다.
얻어진 연자성 합금분에 대하여, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 합금 부분 및 산화막에 있어서의 각 원소의 질량 비율을 측정한바, 실시예 1과 마찬가지의 농도 분포가 얻어지고, 합금분을 구성하는 각 입자의 표면에, 합금 부분에 비하여 Si 및 Al의 질량 비율이 높은 산화막을 구비함이 확인되었다. 또한, 얻어진 농도 분포로부터 Si/Al 질량비의 분포를 산출한바, 도 9에 실선으로 나타내는 결과가 얻어졌다. 도면 중에는, 비교를 위해, 열처리 전의 원료분에 있어서의 Si/Al 질량비의 분포도 점선으로 나타낸다. 이 결과로부터, 열처리에 의해 입자 표면의 Si/Al 질량비가 바람직한 범위로 됨을 알 수 있다. 열처리 후의 입자의 최표면에 있어서의 Si/Al 질량비는 3.13이었다.
또한, 이 연자성 합금분에 대하여, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로, 비표면적 S, 평균 입경 D50 및 탭 밀도 dT를 측정한바, S=0.49㎡/g, D50=5.0㎛ 및 dT=4.6g/㎤로 되었다.
비표면적 S와 평균 입경 D50의 관계가, 상기 식 (1)을 충족한다는 점에서, 본 실시예에 관한 연자성 합금분은, 요철이 적은 매끄러운 표면을 갖는 입자로 구성되어 있다고 할 수 있다. 또한, 상기 탭 밀도 dT가, 열처리를 행하지 않은 것(dT=4.0g/㎤)에 비하여 크다는 점에서, 본 실시예에 관한 연자성 합금분은, 유동성이 우수한 것이라고 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 유동성이 우수한 연자성 합금분이 제공된다. 해당 연자성 합금분은, 자성체의 제조 공정에 있어서의 반송이나 금형에의 충전이 용이하고, 또한 수지와의 친화성도 양호하기 때문에, 핸들링이 용이한 점에서 본 발명은 유용한 것이다. 또한, 본 발명의 바람직한 형태에 따르면, 연자성 합금분을 높은 충전율로 포함하는 코일 부품을, 낮은 성형 압력으로 형성할 수 있기 때문에, 자기 특성, 내구성 및 신뢰성이 높은 코일 부품이 제공되고, 또한 코일 부품 및 이것을 얹은 회로 기판의 소형화가 가능하게 되는 점에서도, 본 발명은 유용한 것이다.
Claims (16)
- 구성 원소로서 Fe 및 Si, 그리고 Cr 또는 Al 중 적어도 한쪽을 포함하는 연자성 합금분이며,
합금분을 구성하는 각 입자의 표면에,
구성 원소로서 Si에 추가하여 Cr 또는 Al 중 적어도 한쪽을 포함하고,
함유하는 이들 원소의 질량 비율이 입자 내의 합금 부분에 비하여 높으며, 또한
질량 비율로 나타낸 Si의 함유량이 Cr 및 Al의 합계보다 많은
산화막을 구비하는
것을 특징으로 하는 연자성 합금분. - 제1항에 있어서,
비표면적 S(㎡/g)와 평균 입경 D50(㎛)이 하기 식 (1)을 충족하는, 연자성 합금분.
- 제1항에 있어서,
상기 산화막의 최표면에 있어서의 Si/Cr 질량비 또는 Si/Al 질량비가 1 내지 10인, 연자성 합금분. - 제1항에 있어서,
상기 합금 부분의 조성이, Si를 1 내지 10질량％, Cr 또는 Al을 합계로 0.2 내지 2질량％ 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물인, 연자성 합금분. - 제1항에 있어서,
구성 원소로서 Fe, Si 및 Al을 포함하고,
상기 합금 부분의 조성이, Si를 1 내지 10질량％, Al을 0.2 내지 1질량％ 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물인,
연자성 합금분. - 구성 원소로서 Fe 및 Si, 그리고 Cr 또는 Al을 포함하고, 질량 비율로 나타낸 Si의 함유량이 Cr 및 Al의 합계보다 많은 연자성 합금의 원료분을, 산소 농도가 5ppm 내지 500ppm인 분위기 중에서, 600℃ 이상의 온도로 열처리하는 것을 특징으로 하는 연자성 합금분의 제조 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 원료분의 조성이, Si를 1 내지 10질량％, Cr 또는 Al을 합계로 0.2 내지 2질량％ 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물인, 연자성 합금분의 제조 방법. - 제6항에 있어서,
상기 원료분의 조성이, Si를 1 내지 10질량％, Al을 0.2 내지 1질량％ 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물이고,
상기 열처리 분위기 중의 산소 농도가 50ppm 이하인, 연자성 합금분의 제조 방법. - 제6항에 있어서,
상기 열처리를,
원료분을 구성하는 각 입자의 최표면에 있어서의, 질량％로 표시한 Si, Cr 및 Al 농도를 각각 [Si 원료분], [Cr 원료분] 및 [Al 원료분]이라고 하고,
연자성 합금분을 구성하는 각 입자의 최표면에 있어서의, 질량％로 표시한 Si, Cr 및 Al 농도를 각각 [Si 합금분], [Cr 합금분] 및 [Al 합금분]이라고 한 경우에,
{([Cr 합금분]+[Al 합금분])/([Cr 원료분]+[Al 원료분])}>([Si 합금분]/[Si 원료분])
으로 되도록 행하는, 연자성 합금분의 제조 방법. - 제6항에 있어서,
상기 열처리에 앞서, 상기 연자성 합금의 원료분을 구성하는 입자의 표면에, Si 함유 화합물을 부착시키는 것을 더 포함하는, 연자성 합금분의 제조 방법. - 금속 도체로 구성된 코일부와, 연자성 합금 입자를 포함하는 자성 기체를 포함하는 코일 부품이며,
상기 연자성 합금 입자가,
구성 원소로서 Fe 및 Si, 그리고 Cr 또는 Al 중 적어도 한쪽을 포함함과 함께,
그 표면에,
구성 원소로서 Si에 추가하여 Cr 또는 Al 중 적어도 한쪽을 포함하고,
함유하는 이들 원소의 질량 비율이 입자 내의 합금 부분에 비하여 높으며, 또한
질량 비율로 나타낸 Si의 함유량이 Cr 및 Al의 합계보다 많은
산화막을 구비하는
것을 특징으로 하는 코일 부품. - 제11항에 있어서,
상기 자성 기체가, 추가로 수지를 포함하고,
상기 코일부가, 당해 자성 기체 내에 내장되어 이루어지는,
코일 부품. - 제11항에 있어서,
상기 자성 기체가, 추가로 수지를 포함하고,
상기 코일부가, 당해 자성 기체에 권회되어 이루어지는,
코일 부품. - 제11항에 있어서,
상기 자성 기체가, 상기 연자성 합금 입자끼리의 상기 산화막을 통한 결합에 의해 형성되어 있고,
상기 코일부가, 당해 자성 기체 내에 내장되어 이루어지는,
코일 부품. - 제11항에 있어서,
상기 자성 기체가, 상기 연자성 합금 입자끼리의 상기 산화막을 통한 결합에 의해 형성되어 있고,
상기 코일부가, 당해 자성 기체에 권회되어 이루어지는,
코일 부품. - 제11항에 기재된 코일 부품을 얹은, 회로 기판.
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