KR20210072186A - 비정질 분말을 이용한 방열 몰딩재 및 이를 이용한 토로이달 인덕터 - Google Patents

비정질 분말을 이용한 방열 몰딩재 및 이를 이용한 토로이달 인덕터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저렴하게 입수 가능한 비정질 분말을 이용하여 인덕터를 방열시킬 수 있는 비정질 분말을 이용한 방열 몰딩재 및 이를 이용한 인덕터에 관한 것이다.
본 발명의 인덕터용 방열 몰딩재는 방열 필러와 바인더용 폴리머 수지를 포함하며, 상기 방열 필러는 비정질 합금으로 이루어진 금속리본의 분말로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

비정질 분말을 이용한 방열 몰딩재 및 이를 이용한 토로이달 인덕터{Molding Materials Using Amorphous Powder and Toroidal Inductor Using the Same}
본 발명은 인덕터에 관한 것으로, 상세하게는 저렴하게 입수 가능한 비정질 분말을 이용하여 인덕터를 방열시킬 수 있는 비정질 분말을 이용한 방열 몰딩재 및 이를 이용한 토로이달 인덕터에 관한 것이다.
일반적으로, 인덕터는 자기코어에 금속으로 이루어진 코일을 권선하여 인덕턴스를 형성하는 소자로서, 코일에 전류를 흐르게 하여 전자기를 발생하는 소자로 널리 사용되고 있다. 또한, 인덕터는 주파수에 비례하여 임피던스가 높아지는 특성을 이용하여 해당 주파수 대역에 있는 노이즈를 제거하거나, 커패시터와 함께 공진회로를 구성하여 특정 주파수 대역의 신호를 증폭하는 소자로, 저항 및 커패시터와 함께 전기 또는 전자회로의 중요한 구성요소가 되는 수동소자이다.
특히, 코일을 자기코어 내부에 매립하여 일체형으로 구성하는 형태의 인덕터는 자기유효단면적을 극대화하여 높은 인덕턴스를 얻을 수 있고, 전기자동차의 전장회로 등에 유용하게 사용될 수 있다.
상기 언급한 인덕턴스는 인덕터의 특성을 말해주는 지표로서, 인덕턴스는 코일의 길이, 코일의 단면적, 코일의 권선수 등에 의해 결정되지만, 특히 자기코어의 투자율이 중요하다. 투자율은 단위 자화자계 당 자계로 정의되고, 이는 코일에 전류를 인가하였을 때, 자기코어와 자기코어의 주변에 발생하는 자속의 정도를 말해준다. 인덕턴스는 이러한 투자율에 비례하기 때문에, 투자율이 높은 재료를 이용하여 자기코어를 제조하는 것이 좋다.
한편, 자기코어에 특정 방향의 자계를 인가하고, 또한 자계를 제거하였다가 반대방향으로 자계를 인가하는 과정에서, 에너지 손실이 발생할 수 있는데, 이러한 손실을 히스테리시스손실(hysteresis loss)이라고 한다. 또한, 코일에 전류를 인가한 경우, 암페어의 법칙에 의하여 자기코어에 자기장이 유도되었다가, 이 유도된 자기장이 렌츠의 법칙에 따라 자기코어에 전류를 흐르게 할 수 있는데, 이때 자기코어에 흐르는 전류로 인한 에너지 손실을 와전류손실(eddy current loss)이라고 한다.
일반적으로 히스테리시스손실은 저주파 영역에서, 와전류손실은 고주파 영역에서 문제가 되는데, 이러한 히스테리시스손실과 와전류손실은, 다양한 기술분야를 고려할 때, 항상 부정적이라고 볼 수는 없지만, 여기서는 이러한 손실들을 줄이기 위한 방법을 고찰한다.
연자성 물질은 대표적으로 투자율이 높고, 히스테리시스손실(hysteresis loss)이 작은 물질로, 특히 이상적인 연자성 물질은 포화자속밀도 및 투자율이 매우 높고, 보자력과 히스테리시스손실이 0으로 간주된다. 그러나, 연자성 물질이 와전류손실(eddy current loss)의 감소까지 보장해주지는 않기 때문에, 연자성 물질을 이용하여 인덕터를 제조하되, 연자성분말을 폴리머수지와 결합하거나, 연자성분말에 세라믹코팅을 하는 등의 방식으로 자기코어를 제조함으로써, 연자성 물질로 된 자기코어에 절연성을 부여하여 와전류손실을 감소시키는 방법이나, 연자성분말과 폴리머수지를 혼합하여 시트를 제조하고, 이러한 시트를 적층하여 와전류가 각 시트 내에서만 맴돌게 하는 방법 등을 이용하고 있다.
연자성 물질을 이용하고 소정의 방식으로 와전류 발생을 저하시키는 방법으로 인덕터를 제조하는 경우, 인덕터에서 발생하는 열이 문제된다. 코일에 전류를 인가하면, 코일에 흐르는 전류로 인하여, 코일에서 줄열(Joule heating)이 발생하는 것은 물론이고, 자기코어에 와전류(eddy current)가 흐를 경우, 와전류로 인하여 줄열이 발생하게 된다. 인덕터에 상기와 같은 줄열이 발생할 경우, 인덕터의 특성이 열화되어, 인덕터를 포함하는 시스템의 효율이 저하될 수 있다.
연자성 금속 분말에 알루미늄(Al) 등을 포함하는 절연막을 형성하면 높은 투자율, 낮은 히스테리시스손실 및 저감된 와전류손실을 가질 수 있으나, 코일이나 자기코어에서 발생하는 줄열을 줄일 수는 없다.
또한, 연자성 금속 분말을 수직으로 가압하여 제조할 경우, 절연막이 파손되어 연자성 금속 분말의 저항이 저하됨으로써, 와전류손실(eddy current)이 증대될 수 있으며, 절연막이 파손될 경우, 절연막의 유동성이 떨어져 자기코어를 제조하기 위해 충전할 때의 작업성 및 충전성이 좋지 않게 되고, 이로 인해 성형체의 밀도가 낮아질 수 있다.
한국 등록특허공보 제10-1759168호(특허문헌 1)에는 자기코어 및 코일로 구성되고, 자기코어에 코일의 일부가 매립되어 있는 형태이며, 자기코일은 방열층과 연자성층이 교대로 적층되어 있는 코일매립형 방열인덕터가 개시되어 있다.
특허문헌 1은 코일을 몰드(mold)에 고정시킨 상태에서 방열분말페이스트를 몰드(mold)에 주입하고 경화시킴으로써 방열층을 형성하고, 연자성분말페이스트를 몰드(mold)에 주입하여 경화시킴으로써 방열층 상에 연자성층을 형성하며, 코일매립형 방열인덕터의 전체 형상이 완성될 때까지 이를 반복하고 있다.
특허문헌 1은 평균입경과 열전도도를 고려한 세라믹 분말 및 밀도를 고려한 방열분말페이스트를 이용하여 방열층을 구성함으로써, 방열층에서 연자성층 및 코일에서 발생한 줄열(Joule heating)을 방출하면서도 연자성층 사이에서 안정되게 존재할 수 있고, 외부 물리적 충격에 쉽게 부서지지 않는 정도의 강도를 가질 수 있는 기술을 개시하고 있다.
그러나, 특허문헌 1의 방열분말페이스트는 2-100㎛의 세라믹 분말과 유기비히클을 혼합하여 구성된 것으로, 알루미나, 질화알루미늄(AlN) 및 질화붕소(BN) 중 하나를 사용하는 세라믹 분말은 방열 필러로서 열전도도가 높지 않은 단점이 있다.
또한, 특허문헌 1은 자기코일의 외주에 방열층과 연자성층이 1:3 내지 1:5의 두께비로 교대로 적층되어 있는 것이므로, 제조공정이 복잡하고 공정시간이 길게 소요되는 문제가 있다.
한편, 인덕터는 인쇄회로기판 상에 적용되는 전자부품 중 하나이며, 전자기적 특성으로 인하여 공진 회로, 필터 회로, 파워 회로 등에 적용될 수 있다.
SMPS와 같은 전원장치에는 역률보상을 위해 PFC(Power Factor Correction) 회로를 채용하고 있으며, PFC 회로에는 PFC 코일을 포함하고 있다.
범용적인 코일 제품이나 PFC 코일의 경우 전류에 따른 열 문제가 항상 문제시 되어왔으며 EV(Electric Vehicle), ESS(Energy Storage System; 에너지저장장치) 등의 고전류 소자는 코일의 발열에 따른 방열 문제가 대두되고 있다.
종래에는 인턱터의 방열 문제를 해결하고자 방열 실리콘 등을 몰딩재료로 사용하고 있으나 고가의 재료로 적용이 쉽지 않은 문제가 있다.
: 한국 등록특허공보 제10-1759168호
본 발명은 이러한 종래 문제점을 감안하여 고안된 것으로, 그 목적은 저렴하게 입수 가능한 비정질 분말을 이용하여 인덕터를 방열시킬 수 있는 비정질 분말을 이용한 방열 몰딩재 및 이를 이용한 토로이달 인덕터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 폐 비정질 금속리본 조각을 분쇄하여 얻어지는 비정질 분말을 활용하여 바인더용 폴리머 수지와 섞어 코일의 발열을 저렴한 재료를 사용하여 해결하고, 비정질 분말과 케이스를 활용하여 EMI 차폐 효과까지 얻을 수 있는 비정질 분말을 이용한 방열 몰딩재 및 이를 이용한 토로이달 인덕터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 인덕터의 인덕턴스에는 영향을 미치지 않으면서 전류가 흐름에 따라 발생되는 열을 효율적으로 방출하여 열적 안정과 함께 DCB(Direct Current Bias Characteristic; 직류중첩 특성) 이득도 같이 수반되는 비정질 분말을 이용한 방열 몰딩재 및 이를 이용한 토로이달 인덕터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 비정질 분말과 바인더용 폴리머 수지의 조성비를 조절하여 고객이 원하는 절연특성을 만족시키고 방열 및 EMI 쉴드 효과까지 같이 도모할 수 있는 비정질 분말을 이용한 방열 몰딩재 및 이를 이용한 토로이달 인덕터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 인덕터용 방열 몰딩재는 방열 필러와 바인더용 폴리머 수지를 포함하며, 상기 방열 필러는 비정질 합금으로 이루어진 금속리본의 분말로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 비정질 합금은 Fe계 또는 Co계 비정질 합금을 사용할 수 있다. 상기 Fe계 비정질 합금은 Fe-Si-B 합금 또는 Fe-Si-B-Co 합금을 사용할 수 있고, 상기 Co계 비정질 합금은 Co-Si-B-Fe, Co-Fe-Ni-Si-B 또는 Co-Fe-Cr-Si-B 합금을 사용할 수 있다.
또한, 상기 방열 필러는 270메쉬(mesh) 이상의 Fe계 비정질 분말일 수 있다.
더욱이, 상기 방열 필러와 바인더용 폴리머 수지는 90wt%:10wt% 비율로 혼합될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 인덕터용 방열 몰딩재는 상기 방열 필러와 바인더용 폴리머 수지를 혼합하여 방열 슬러지를 준비할 때, 바인더용 폴리머 수지를 용해하고 희석시키기 위한 희석제를 더 포함할 수 있다.
또한, 케이스에 내장된 토로이달 인덕터를 방열시키기 위해 상기 방열 슬러지를 케이스에 몰딩할 때, 방열 슬러지의 충진율은 10~40vol%로 설정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 토로이달 인덕터는 케이스; 상기 케이스에 내장되며 토로이달 형상을 갖는 자성코어; 상기 자성코어에 권선된 코일; 및 상기 케이스에 충진되어 자성코어와 코일을 둘러싸는 방열몰딩부;를 포함하며, 상기 방열 몰딩부는 상기 방열 몰딩재를 사용하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 자성코어는 페라이트 코어 또는 리본 코어일 수 있으며, 상기 리본 코어는 비정질 합금 또는 나노결정립 합금으로 이루어진 금속리본을 토로이달 형태로 권선될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 저렴하게 입수 가능한 비정질 분말을 이용하여 인덕터를 방열시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서는 사용불가 폐 비정질 금속리본 조각을 분쇄하여 얻어지는 비정질 분말을 활용하여 바인더용 폴리머 수지와 섞어 코일의 발열을 저렴한 재료를 사용하여 해결하고, 비정질 분말과 케이스를 활용하여 EMI 차폐 효과까지 얻을 수 있다.
더욱이, 본 발명에서는 인덕터의 인덕턴스에는 영향을 미치지 않으면서 전류가 흐름에 따라 발생되는 열을 효율적으로 방출하여 열적 안정과 함께 DCB 이득도 같이 수반될 수 있다.
본 발명은 비정질 분말과 바인더용 폴리머 수지의 조성비를 조절하여 고객이 원하는 절연특성을 만족시키고 방열 및 EMI 쉴드 효과까지 같이 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 토로이달 인덕터의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 토로이달 인덕터의 제조공정을 사진으로 나타낸 공정도이다.
도 3은 본 발명에 따른 토로이달 인덕터의 제조공정을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 인덕터의 시간에 따른 인덕턴스 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 인덕터 표면의 시간에 따른 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
본 발명의 인덕터는 SMPS와 같은 전원장치의 PFC 회로에 사용될 수 있다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 토로이달 인덕터는 케이스(12), 상기 케이스(12)에 내장되는 자성코어(14), 상기 자성코어(14)에 권선된 코일(16), 및 상기 케이스(12)에 충진되어 자성코어(14)와 코일을 둘러싸는 방열몰딩부(20)를 포함한다.
상기 케이스(12)는 사각형 통 형태로 이루어질 수 있으며, 그러나 이에 제한되지 않고 원통형으로 이루어질 수 있다.
자성코어(14)는 예를 들어, 저주파 특성이 우수하나 저투자율 재료의 페라이트 코어와, 가격이 저렴하고 투자율이 높고 고주파 특성이 우수한 리본 코어를 사용할 수 있다.
자성코어(14)는 토로이달(toroidal) 형상일 수 있으며, 코일(16)은 토로이달(toroidal) 형상의 자성코어(14)를 절연하기 위한 보빈(15)이나 케이싱 상에 권선될 수 있다.
코일(16)은 표면이 절연 소재로 피복된 도선으로 이루어질 수 있다. 도선은 표면이 절연 물질로 피복된 구리, 은, 알루미늄, 금, 니켈, 주석 등일 수 있고, 도선의 단면은 원형 또는 각형을 가질 수 있다.
상기 리본 코어는 투자율이 크고 고주파 특성이 우수한 금속리본으로 이루어질 수 있고, 페라이트 코어는 리본 코어보다 투자율은 낮고 가격이 저렴하며 저주파 특성이 우수한 페라이트계 자성 재료로 이루어질 수 있다.
상기 금속리본은 예를 들어, 비정질 합금 또는 나노결정립 합금으로 이루어질 수 있다. 상기 비정질 합금은 Fe계 또는 Co계 비정질 합금을 사용할 수 있으며, 재료비용을 고려할 때 Fe계 비정질 합금을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 Fe계 비정질 합금으로서 Fe-Si-B 합금, 필요에 따라 Fe-Si-B-Co 합금을 사용할 수 있고, Co계 비정질 합금으로서 Co-Si-B-Fe, Co-Fe-Ni-Si-B 또는 Co-Fe-Cr-Si-B 합금을 사용할 수 있다.
또한, 상기 금속리본에 사용되는 나노 결정립 합금은 예를 들어, Fe-Si-B-Cu-Nb 합금을 사용할 수 있으며, 이 경우, Fe가 73-80 at%, Si 및 B의 합이 15-26 at%, Cu와 Nb의 합이 1-5 at%인 것이 바람직하다. 이러한 조성 범위가 리본 형태로 제작된 비정질 합금이 열처리에 의해 나노상의 결정립으로 쉽게 석출될 수 있다.
상기 금속리본은 15 내지 35㎛ 두께를 가진 것을 사용하며, 금속리본의 투자율은 두께에 비례하여 증가한다.
금속리본이 비정질 합금인 경우, Fe계 금속리본, 예를 들어, Fe-Si-B 합금으로 이루어진 30㎛ 이하의 극박형 금속리본을 멜트 스피닝에 의한 급냉응고법(RSP)으로 제조하며, 원하는 투자율을 얻을 수 있도록 금속리본을 300℃ 내지 600℃의 온도범위에서 30분 내지 2시간 동안 열처리가 이루어질 수 있다.
이 경우, 열처리 분위기는 질소 분위기 또는 대기 중에서 열처리를 진행하여도 무방하다.
또한, 금속리본이 나노결정립 합금으로 이루어진 경우, Fe계 금속리본, 예를 들어, Fe-Si-B-Cu-Nb 합금으로 이루어진 30㎛ 이하의 극박형 금속리본을 멜트 스피닝에 의한 급냉응고법(RSP)으로 제조하며, 원하는 투자율을 얻을 수 있도록 금속리본을 300℃ 내지 700℃의 온도범위에서 30분 내지 2시간 동안 열처리를 행함으로써 나노 결정립이 형성된 나노 결정립 리본을 형성한다.
상기 리본 코어는 상기 비정질 합금 또는 나노결정립 합금으로 이루어진 금속리본을 멜트 스피닝에 의한 급냉응고법(RSP)으로 제조한 후, 일정한 폭과 길이로 슬리팅 및 컷팅하여 토로이달 형태로 권선되어 제조된다. 토로이달 형태로 권선된 금속리본 권선체는 에폭시 등에 함침되거나 선단부가 스폿 용접으로 권선체에 고정될 수 있다.
상기 페라이트 코어를 형성하는 페라이트계 자성 재료로서는, 망간 아연(Mn-Zn)계 페라이트, 마그네슘 아연(Mg-Zn)계 페라이트, 니켈 아연(Ni-Zn)계 페라이트, 구리 아연(Cu-Zn)계 페라이트, 자철광 등의 스피넬형 결정 구조를 가지는 스피넬 페라이트, 바륨계 페라이트, 스트론튬계 페라이트 등의 육방정 페라이트, 이트륨철 가닛 등의 가닛 페라이트를 들 수 있다. 이들 페라이트계 자성 재료 중에서도 투자율이 높고, 고주파수 영역에서의 와전류 손실이 작은 연자성 페라이트인 스피넬 페라이트가 바람직하다.
상기 페라이트계 자성코어는 페라이트 분말을 세라믹 또는 고분자 바인더로 코팅한 후 절연시키고, 고압에서 성형하거나, 또는 페라이트 분말을 세라믹 또는 고분자 바인더로 코팅한 후 절연시키는 방법에 의하여 형성된 복수의 페라이트 시트를 적층하는 방법으로 제조될 수도 있다.
상기 리본 코어는 예를 들어, Fe-Si-B의 비정질 합금 또는 Fe-Si-B-Cu-Nb의 나노 결정립 합금으로 이루어진 금속리본을 토로이달 형상으로 권선하여 얻어진 금속리본 자성코어를 사용할 수 있으며, 페라이트계 자성코어는, 예를 들어, Mn-Zn계, Mg-Zn계, Ni-Zn계 등의 페라이트 코어를 사용할 수 있다. 이 경우, 금속리본 자성코어의 투자율(μ)은 20,000 내지 150,000이고, 페라이트 자성코어의 투자율(μ)은 2,000 내지 15,000일 수 있다.
상기 케이스(12)에 충진되어 자성코어(14)와 코일을 둘러싸는 방열몰딩부(20)는 방열 필러와 바인더용 폴리머 수지를 혼합하여 얻어진 방열 슬러지(sludge)를 케이스(12)에 충진하여 경화시켜서 얻어진다.
상기 방열 필러는 비정질 합금으로 이루어진 금속리본의 분말로 이루어질 수 있다. 상기 비정질 합금은 Fe계 또는 Co계 비정질 합금을 사용할 수 있으며, 재료비용을 고려할 때 Fe계 비정질 합금을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 Fe계 비정질 합금으로서 Fe-Si-B 합금, 필요에 따라 Fe-Si-B-Co 합금을 사용할 수 있고, Co계 비정질 합금으로서 Co-Si-B-Fe, Co-Fe-Ni-Si-B 또는 Co-Fe-Cr-Si-B 합금을 사용할 수 있다.
상기 방열 필러로 사용되는 비정질 합금으로 이루어진 금속리본의 분말(이하 "비정질 분말"이라 한다)은 멜트 스피닝에 의한 급냉응고법(RSP)으로 제조된 비정질 금속리본을 분쇄하여 얻어질 수 있으며, 또한 비정질 금속리본을 토로이달 형태로 권선하여 인덕터용 코어를 제작하거나 비정질 금속리본을 적층하여 트랜스포머용 자심 등을 제작한 후 버려지는 폐 비정질 금속리본 조각을 분쇄하여 저렴하게 얻어질 수 있다. 물론 스트립형 비정질 금속리본을 분쇄하여 비정질 분말을 얻는 것도 가능하다.
상기 방열 필러로 사용되는 비정질 분말은 예를 들어, 270메쉬(mesh) 이상의 미분을 사용할 수 있다. 이 경우, 비정질 분말의 입경이 270메쉬(mesh) 보다 큰 경우는 열전도성은 높아지나, 전기전도도도 높아지게 되어 와전류(eddy current)가 오히려 증가하는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명에서는 방열 필러로 사용되는 비정질 분말을 270메쉬(mesh) 이상의 미분을 사용함에 따라 인덕터의 인덕턴스 값에 크게 영향을 미치지 않고 단지 인덕터에 대한 방열 기능만을 발휘함에 따라 제품설계가 단순하게 이루어질 수 있다.
상기 바인더용 폴리머 수지는 실리콘수지, 에폭시수지, 아크릴수지 및 우레탄수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.
상기 방열 슬러지는 예를 들어, 방열 필러와 바인더용 폴리머 수지를 90wt%:10wt% 비율로 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 방열 슬러지를 준비할 때 바인더용 폴리머 수지를 용해하고 희석하는 데 사용되는 용매는 방열 슬러지의 점도, 금속리본의 분말의 분산성, 방열 슬러지의 경화속도 및 접착성을 고려하여 선택되며 에탄올이나 톨루엔과 같은 희석제를 사용할 수 있다.
바인더용 폴리머 수지와 용매는 중량비로 1:1로 혼합될 수 있으며, 더욱이 반응개시제, 촉매, 분산제 및 소포제 중 1종 이상의 첨가제가 추가될 수 있다.
상기 케이스(12)에 충진되는 방열 슬러지의 충진율은 10~40vol%로 설정되며, 케이스(12)와 케이스 안에 들어가는 인덕터(즉, 코일 조립체)의 크기에 따라 달라질 수 있다.
이하에 도 2 및 도 3을 참고하여 본 발명에 따른 토로이달 인덕터의 제조방법을 설명한다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 토로이달 인덕터는 먼저 페라이트 코어 또는 리본 코어를 이용하여 토로이달(toroidal)형 자성코어(14)를 제조한다(S11).
상기 리본 코어는 Fe-Si-B의 비정질 합금 또는 Fe-Si-B-Cu-Nb의 나노 결정립 합금으로 이루어진 금속리본을 토로이달 형상으로 권선하여 얻어진 금속리본 자성코어를 사용할 수 있으며, 페라이트계 자성코어는 Mn-Zn계, Mg-Zn계, Ni-Zn계 등의 페라이트 코어를 사용할 수 있다.
그후 토로이달(toroidal) 형상의 자성코어(14)의 외주에 보빈(15)을 조립하여 절연하고 보빈(15)의 외주에 코일(16)을 권선한다(S12).
이어서, 코일(16)이 권선된 자성코어(14)를 베이스(18)에 조립하여 코일 조립체(19)를 형성한 후(S13), 알루미늄(Al) 케이스(12)에 코일 조립체(19)를 삽입하고 방열 슬러지를 케이스(12)에 주입하여 몰딩한다(S14).
이 경우, 방열 슬러지는 방열 필러로서 270메쉬(mesh) 이상의 비정질 분말을 사용하고 바인더용 폴리머 수지로서 에폭시수지를 90wt%:10wt% 비율로 혼합하며, 희석제로서 에탄올이나 톨루엔을 적용할 수 있다. 상기 방열 슬러지는 예를 들어, Fe계 비정질 분말:에폭시 수지:희석제의 혼합비율을 중량비로 10:1:1로 설정될 수 있다.
케이스(12)에 주입되는 방열 슬러지는 케이스(12)와 코일 조립체(19)의 크기에 따라 변경될 수 있으며, 케이스(12) 전체 부피의 10-40vol% 범위로 충진되는 것이 바람직하다.
그 후, 몰딩된 방열 슬러지가 경화되어, 자성코어(14)와 코일(16)을 둘러싸는 방열몰딩부(20)가 완성되면, 코일(16)의 양 단자 터미널(16a,16b)이 외부로 돌출되도록 케이스(12)의 상부에 커버를 조립한다(S15).
이하에 본 발명 실시예의 특성을 종래예 및 비교예와 비교하여 시험하고 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
본 발명 실시예는 알루미늄(Al) 케이스에 코일 조립체를 삽입하고 Fe계 비정질 분말과 에폭시 수지를 90wt%:10wt% 비율로 혼합한 방열 슬러지를 케이스에 주입하여 몰딩한 구조이고, 종래예는 방열 슬러지로 몰딩하지 않은 코일 조립체 그 자체이고, 비교예는 알루미늄 케이스에 코일 조립체를 삽입하고 주지된 방열 실리콘을 케이스에 주입하여 몰딩한 구조이다.
상기 코일 조립체는 각각 토로이달 코어에 직경 Ø1.4의 PEW(Polyester Enameled Wire) 와이어를 65턴(turn)한 것이며, 본 발명 실시예와 비교예는 몰딩액에서 차이를 갖는다.
본 발명 실시예와 비교예, 종래예 샘플에 대하여 인덕턴스 값, DC 저항(DC resistance), 무게를 측정하였고, 인덕턴스 값은 초기상태(Inductance @ 10kHz [uH]), 10A, 10min일 때(Inductance @ 10A, 10min [uH]), 그리고 15A, 10min일 때(Inductance @ 15A, 10min [uH]) 값을 측정하여 인덕턴스의 변화 여부를 측정하였다.
인덕턴스 측정을 위한 장비는 Wayne Kerr사의 LCR Meter이고, 주파수(f)=10[kHz], OSCLEVEL=1[V] 조건에서 인덕턴스 측정이 이루어졌다.
항목 종래예 비교예(방열 실리콘) 본 발명 실시예
Inductance @ 10kHz [uH] 502 498 495
Inductance @ 10A, 10min [uH] 319 345 360
Inductance @ 15A, 10min [uH] 208 229 244
DC resistance [mΩ] 53 53 53
Weight [g] 136 237 255
Winding PEW Ø1.4, 65Ts PEW Ø1.4, 65Ts PEW Ø1.4, 65Ts
또한, 테스트 전류 10A일 때, 시간 경과에 따른 인덕턴스 값을 측정하기 위해 각각 샘플의 양 끈단을 LCR Meter의 단자에 연결하고 10A 설정상태에서 DC 바이어스 1V를 인가하여 시간별 인덕턴스 변화율을 측정하고, 그 결과를 도 4에 그래프로 나타내었다.
도 4를 참고하면, 본 발명 실시예와 비교예, 종래예 샘플에 대하여 인덕턴스 값은 모두 시간의 경과에 따라 인덕턴스 값이 미세한 감소만 이루어질 뿐 큰 변화는 없는 것으로 나타났다.
더욱이, 상기 인덕턴스 측정 조건에서 시간에 따른 인덕터의 표면온도를 측정하여 도 5에 그래프로 나타내었다.
도 5를 참고하면, 방열 몰딩이 이루어지지 않은 종래예 샘플은 시간의 경과에 따라 인덕터 표면온도가 큰폭으로 증가하는 것으로 나타났으나, 본 발명 실시예와 비교예는 시간의 경과에 따라 인덕터 표면온도가 증가하는 것으로 나타났으나, 종래예 샘플의 온도의 약 2/3 정도로 상승하는 것으나 나타났다.
예를 들어, 25분 경과시에 종래예 샘플의 표면온도는 72℃, 비교예 샘플은 52℃, 본 발명 실시예 샘플은 48℃로 나타났다.
한편, 본 발명에서는 토로이달형 자기코어를 포함하는 코일 조립체(19)를 방열 슬러지로 몰딩한 경우와 몰딩 전의 코일 조립체의 인덕턴스 값은 크게 차이가 없다. 예를 들어, 토로이달형 자기코어를 포함하는 코일 조립체(즉, 인덕터)를 방열 슬러지로 몰딩하기 전의 인덕턴스 값이 603μH인 경우, 방열 슬러지로 몰딩한 후의 인덕턴스 값은 605μH로서 나타나 실질적인 변화가 없는 것으로 나타났다. 본 발명의 방열 슬러지는 방열 필러로 270메쉬(mesh) 이상의 비정질 분말 미분을 사용함에 따라 인덕터의 인덕턴스 값에 크게 영향을 미치지 않는다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 방열 몰딩재가 인덕터의 인덕턴스에는 영향을 미치지 않으면서 전류가 흐름에 따라 발생되는 열을 효율적으로 방출하여 열적 안정과 함께 DCB(Direct Current Bias Characteristic; 직류중첩 특성) 이득도 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에서는 저렴하게 입수 가능한 폐 비정질 금속리본 조각을 분쇄하여 얻어지는 비정질 분말을 이용하여 인덕터를 방열시킬 수 있다.
더욱이, 본 발명은 비정질 분말과 케이스를 활용하여 EMI 차폐 효과까지 얻을 수 있다.
본 발명은 방열 기능을 갖는 방열 몰딩재 및 PFC 쵸크 코일 등의 인덕터의 방열에 적용될 수 있다.
10: 인덕터 12: 케이스
14: 자기코어 15: 보빈
16: 코일 16a,16b: 단자 터미널
18: 베이스 19: 코일 조립체
20: 방열 몰딩부

Claims (10)

  1. 방열 필러와 바인더용 폴리머 수지를 포함하며,
    상기 방열 필러는 비정질 합금으로 이루어진 금속리본의 분말로 이루어지는 인덕터용 방열 몰딩재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비정질 합금은 Fe계 또는 Co계 비정질 합금을 사용하는 인덕터용 방열 몰딩재.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 Fe계 비정질 합금은 Fe-Si-B 합금 또는 Fe-Si-B-Co 합금을 사용할 수 있고,
    상기 Co계 비정질 합금은 Co-Si-B-Fe, Co-Fe-Ni-Si-B 또는 Co-Fe-Cr-Si-B 합금을 사용하는 인덕터용 방열 몰딩재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방열 필러는 270메쉬(mesh) 이상의 Fe계 비정질 분말인 인덕터용 방열 몰딩재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 방열 필러와 바인더용 폴리머 수지는 90wt%:10wt% 비율로 혼합되는 인덕터용 방열 몰딩재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 방열 필러와 바인더용 폴리머 수지를 혼합하여 방열 슬러지를 준비할 때, 바인더용 폴리머 수지를 용해하고 희석시키기 위한 희석제를 더 포함하는 인덕터용 방열 몰딩재.
  7. 제6항에 있어서,
    케이스에 내장된 토로이달 인덕터를 방열시키기 위해 상기 방열 슬러지를 케이스에 주입하여 몰딩할 때, 방열 슬러지의 충진율은 10~40vol%로 설정되는 인덕터용 방열 몰딩재.
  8. 케이스;
    상기 케이스에 내장되며 토로이달 형상을 갖는 자성코어;
    상기 자성코어에 권선된 코일; 및
    상기 케이스에 충진되어 자성코어와 코일을 둘러싸는 방열몰딩부;를 포함하며,
    상기 방열 몰딩부는 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 방열 몰딩재를 사용하여 형성되는 토로이달 인덕터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 자성코어는 페라이트 코어 또는 리본 코어인 토로이달 인덕터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 리본 코어는 비정질 합금 또는 나노결정립 합금으로 이루어진 금속리본을 토로이달 형태로 권선된 토로이달 인덕터.
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