WO2015009050A1 - 대전류 직류중첩특성 및 코어손실 특성이 우수한 연자성 코어 및 그의 제조방법 - Google Patents

대전류 직류중첩특성 및 코어손실 특성이 우수한 연자성 코어 및 그의 제조방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a soft magnetic core and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a soft magnetic core and a method of manufacturing the same having excellent DC overlapping characteristics at a large current and a very excellent core loss characteristic.
  • Fe-based amorphous soft magnetic material generally used as a high frequency soft magnetic material has a high saturation magnetic flux density (Bs) but low permeability, large magnetostriction, and poor high frequency characteristics.
  • Co-based amorphous soft magnetic material has a disadvantage of low saturation magnetic flux density and high price.
  • the amorphous soft magnetic alloy is difficult to be processed into a strip shape and is restricted in the shape of a product such as a toroidal shape, and the ferrite soft magnetic material has a small high frequency loss, but it is difficult to miniaturize due to the small saturation magnetic flux density, and the amorphous and ferrite All of the soft magnetic materials have a problem that reliability is poor in terms of thermal stability due to low crystallization temperature.
  • the soft magnetic core used for the suppression or smoothing choke coil of the electronic noise is generally pure iron, Fe-Si-Al alloy (hereinafter referred to as “sanddust”), Ni-Fe-Mo-based permalloy (hereinafter "Mag metals such as MPP (Moly Permally Powder)), Ni-Fe-based permalloy (hereinafter referred to as “high flux”), Fe-based amorphous powder core, or nano-crystalline powder core
  • MPP Moly Permally Powder
  • high flux Ni-Fe-based permalloy
  • Fe-based amorphous powder core Fe-based amorphous powder core
  • nano-crystalline powder core Fe-based amorphous powder core
  • the powder was coated with a ceramic insulator and then molded by adding a molding lubricant, followed by pressing, molding and heat treatment.
  • a pure iron powder core is used to suppress electromagnetic noises in which high frequency currents overlap in a choke coil of a switching mode power supply (SMPS) with a switching frequency of 50 kHz or less, and a sand dust core is a switching mode having a switching frequency of 100 kHz to 1 MHz. It is used as a secondary choke coil core and noise suppression core of power supply.
  • SMPS switching mode power supply
  • 'direct current overlapping characteristic' is a characteristic of a magnetic core for a waveform in which a direct current is superimposed on a weak alternating current generated in the process of converting an AC input of a power supply device into a direct current.
  • the permeability of the core is lowered.
  • the DC superposition characteristic is evaluated as the percent permeability (%) of the DC superposition relative to the permeability of the DC superposition.
  • MPP and high flux cores are also used in the same frequency range as sand dust cores, and have higher DC overlapping characteristics and lower core loss characteristics than sand dust cores, but they are expensive. Therefore, there is still a need for developing low-cost cores with characteristics equivalent to those of MPP and high flux.
  • the soft magnetic core used in these applications is more difficult to meet the characteristics required by the miniaturization, integration, high reliability of the switching mode power supply, and in the case of the conventional metal powder core only at a frequency of 1MHz or less It is usable and has been restricted to use in the high frequency band of 1MHz or more.
  • the present applicant considers that if the soft magnetic core is manufactured using nanocrystalline powder having excellent high frequency characteristics and core loss characteristics, the problem of the existing soft magnetic core can be compensated.
  • the core for the smooth choke coil has a suitable inductance (L), low core loss, and excellent DC overlapping characteristics. Proposed in -0531253.
  • the Korean Patent No. 10-0531253 is 15-65% by weight of -100 ⁇ + 140mesh (107-140 ⁇ m), 35-85% by weight of -140 ⁇ + 200mesh (74 ⁇ 107 ⁇ m)
  • a method for producing a nanocrystalline soft magnetic core using a mixed powder in which the particle size distribution of the powder is controlled is proposed.
  • the powder having a large size exceeding 100 ⁇ m occupies a large proportion, thereby increasing the size of the space between the powders excessively.
  • amorphous powder in the case of nanocrystalline grains, most of them have an amorphous phase before the heat treatment is performed. This is not reduced, and this limits the DC overlapping characteristics.
  • excessive porosity between the powder and powder lowers the strength of the molded article, which adversely affects the handling and workability of the product.
  • the core loss can be divided into hysteresis loss and eddy current loss
  • the hysteresis loss represents the loss of the area of the magnetic hysteresis curve
  • the eddy current loss represents the power loss due to the eddy current generated by the induced electromotive force. .
  • This eddy current loss is represented by Equation 1 below.
  • B Flux Density
  • f Frequency
  • d Thickness
  • ⁇ Specific Resistance (m ⁇ -m).
  • Equation 1 it can be seen that the eddy current loss Pe is proportional to the square of the core thickness (diameter). Therefore, if the particle size of the powder is reduced as a whole, the eddy current loss can be reduced, but on the contrary, the hysteresis loss increases due to the decrease of permeability and the coercive force (Hc) of the magnetic hysteresis curve, so that the content of the fine powder of less than 50 ⁇ m is limited. Should be used.
  • the present inventors have made intensive studies on the manufacturing method of the Fe-based nanocrystalline soft magnetic core in the background as described above. As a result, the molding density of the core molded body is improved by efficiently controlling and optimizing the particle size distribution of the powder constituting the soft magnetic core.
  • the present invention has been completed by discovering that the DC overlapping characteristics may be improved and the core loss characteristics may be improved at a large current.
  • the present invention has been made in view of the above, and its object is to provide a mixed powder obtained by combining Fe-based nanocrystalline alloy powders having three types of sizes so as to have a uniform air gap and a good particle size distribution.
  • the present invention provides a soft magnetic core capable of improving a large current DC overlapping characteristic and a core loss characteristic by mixing with a binder and compression molding.
  • RSP rapid solidification method
  • the alloy powder is mixed and mixed so that the particle size distribution becomes 75 to 100 ⁇ m: 10 to 85 wt%, 50 to 75 ⁇ m: 10 to 70 wt%, and 5 to 50 ⁇ m: 5 to 20 wt%.
  • the binder is preferably contained 0.5 to 3% by weight relative to the total weight of the mixed powder.
  • the preliminary heat treatment is performed at a temperature of 300 to 600 ° C. for 0.2 hour to 1 hour, and the annealing treatment is preferably performed at 0.2 to 1.5 hours at a temperature of 400 to 600 ° C. under a nitrogen atmosphere.
  • the Fe-based nanocrystalline alloy powder and the binder is a compression molded core
  • the Fe-based nanocrystalline alloy powder has a particle size distribution of 75 ⁇ 100 ⁇ m: 10 ⁇ 85% by weight, 50 ⁇ 75 ⁇ m : 10 to 70% by weight, 5 to 50 ⁇ m: Provides a soft magnetic core excellent in the high current DC overlapping characteristics and core loss characteristics, characterized by using a mixed powder made by mixing 5 to 20% by weight.
  • the soft magnetic core has a density of 82 to 84% and a DC overlapping characteristic (%) of 51 or more when the measured magnetization strength is 100 Oe.
  • a soft magnetic core is manufactured from a nanocrystalline alloy powder obtained by using a Fe-based amorphous metal ribbon as a starting material, and has a superior DC overlapping characteristic and a lower core at a higher current than a conventional nanocrystalline soft magnetic core. Indicates a loss.
  • the switching mode power supply (SMPS) Smooth choke cores also have the advantage of being widely used.
  • FIG. 1 is a schematic process chart showing a manufacturing process of a soft magnetic core using nano-grain alloy powder according to the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing a change in DC overlapping characteristics of a soft magnetic core manufactured according to the present invention in comparison with a conventional material.
  • Figure 3 is a graph showing the core loss at 100kHz of the soft magnetic core prepared according to the present invention in comparison with the prior art.
  • the soft magnetic core according to the present invention has a structure in which an insulating resin is coated on a surface of a molded body obtained by compression molding a mixed powder containing 0.5 to 3 wt% of binders in a Fe-based nanocrystalline alloy powder to a total weight. Have.
  • the Fe-based nanocrystalline alloy powder may be obtained by grinding a ribbon of a thin plate made of Fe-based nanocrystalline alloy.
  • element A is used to improve the corrosion resistance of the alloy, to prevent coarsening of crystal grains, and to improve magnetic properties such as iron loss and permeability of the alloy. If the content of element A is too small, it is difficult to obtain the effect of suppressing coarsening of crystal grains. On the contrary, when there is too much content of A element, magnetic property will deteriorate. Therefore, it is preferable to make content of element A into the range of 0.01-8 at%.
  • D element is an element effective for uniformizing the grain diameter and reducing the magnetic strain. It is preferable to make content of D element into the range of 0.01-10 at%.
  • the element E is an element effective for improving the soft magnetic properties and the corrosion resistance of the alloy. It is preferable to make content of E element into 10 at% or less.
  • Si and B are elements which form amorphousization of the alloy at the time of magnetic sheet manufacture. It is preferable to make content of Si into the range of 10-25 at%, and it is preferable to make content of B into the range of 3-12 at%.
  • Z element may be included in the alloy as an amorphous compositional element of alloys other than Si and B. In that case, it is preferable to make the total content of Si, B, and Z elements into the range of 15-35 at%.
  • the Fe-based nano-grain alloy for example, can be used Fe-Si-B-Cu-Nb alloy, in this case, Fe is 73-80at%, the sum of Si and B 15-26at%, It is preferable that the sum of Cu and Nb is 1-5 at%.
  • This composition range of the amorphous alloy produced in the form of a ribbon can be easily precipitated into the crystal grains of the nano phase by the heat treatment described later.
  • the Fe-based nanocrystalline alloy powder used in the preparation of the soft magnetic core is prepared by preparing an amorphous metal ribbon and preheating the above-described Fe-based alloy by the RSP method, and then pulverizing the obtained nanocrystalline ribbon and classifying the pulverized powder. It is used by combining what was classified into powder which has three types of particle sizes of 75-100 micrometers, 50-75 micrometers, and 5-50 micrometers.
  • the preferred particle size distribution of the nanocrystalline alloy powder used in the present invention is 75 to 100 ⁇ m: 10 to 85 wt%, 50 to 75 ⁇ m: 10 to 70 wt%, 5 to 50 ⁇ m: 5 to 20 wt%. This is a particle size ratio for obtaining the optimum physical and magnetic properties of the soft magnetic core to obtain a core having an excellent molding density of 82-84% relative density.
  • the eddy current loss is small but part of the powder is crystallized during the ribbon crushing process, so that the hysteresis loss is increased and the overall core loss property is worsened. In this case, the molded body density is lowered, so that the effect of improving the DC overlapping characteristics is insignificant.
  • the soft magnetic core according to the present invention uses a mixed powder in which 0.5 to 3 wt% of the binder is mixed with the Fe-based nanocrystalline alloy powder, and the content of the insulating material is less than 0.5 wt%. If the amount is not enough, the high frequency permeability (10MHz, 1V) is lowered, on the contrary, if it contains more than 3wt%, the density of the nanocrystalline alloy powder is reduced due to the excessive addition of an insulating material, there is a problem that the permeability falls.
  • FIG. 1 is a schematic process chart showing a manufacturing process of a soft magnetic core according to the present invention.
  • an Fe-based amorphous ribbon for example, a 30um thick ultra-thin amorphous ribbon made of an Fe-Si-B-Cu-Nb alloy was prepared by quench solidification (RSP) by melt spinning. After (S11), the amorphous metal ribbon is preheated at 0.2 to 1 hour at 300 to 600 ° C in the air (S12).
  • the heat treatment temperature is increased to produce nano grains from 300 °C
  • the inductance value (permeability is proportional to the inductance value) of the heat-treated amorphous ribbon increases with temperature, from 580 °C to At 600 ° C, the inductance value of the ribbon increases to the maximum. Thereafter, when overheated at a temperature exceeding a temperature of 580 ° C to 600 ° C, the inductance value of the ribbon shows a sharply reduced value in inverse proportion to the heat treatment temperature.
  • the amorphous ribbons have individual deviations resulting in maximum inductance values between 580 ° C and 600 ° C.
  • the lower limit of the preliminary heat treatment temperature is set to 300 ° C., and nanocrystallization is possible when heat treatment is performed at a temperature of 300 ° C. or higher.
  • desired nanocrystal grains are produced by a heat treatment (annealing) process (S18) performed for 0.2 to 1.5 hours in a nitrogen atmosphere at 400 to 600 ° C. after core molding. .
  • annealing annealing
  • nanocrystalline alloy powder can be obtained.
  • powders having various shapes and particle size ranges can be prepared.
  • the pulverized alloy powder is classified into a powder having a particle size of 75 to 100 ⁇ m, 50 to 75 ⁇ m, and 5 to 50 ⁇ m through a classification process, and weighed so as to be combined at a desired particle size composition ratio (S14). ).
  • the particle size ratio of the nanocrystalline alloy powder having a particle size distribution is preferably 75 to 100 ⁇ m: 10 to 85 wt%, 50 to 75 ⁇ m: 10 to 70 wt%, and 5 to 50 ⁇ m: 5 to 20 wt%. .
  • This is a particle size ratio for obtaining optimum physical and magnetic properties, thereby obtaining a core having an excellent molding density of 82-84% relative density during molding.
  • the density of the molded core is less than 82%, there is a problem that cracks are generated on the surface of the core to deteriorate the DC overlapping characteristics and core loss characteristics of the core, and the higher the density, the better and the particle size of the powder is 75 to 100 ⁇ m. As the powder content increases, the density increases, but in this case, the DC overlapping characteristics deteriorate, and it is appropriate to limit the density of the molded core to 84% due to excessive force in the molding apparatus.
  • the nanocrystalline alloy powder prepared as described above with a soft magnetic core 0.5 wt% to 3 wt% of the ceramic insulator such as phenol, polyimide, epoxy or low melting point glass or water glass is mixed with a binder (S15). ), To dry. The drying process is to remove the solvent used when mixing the binder.
  • the ceramic insulator such as phenol, polyimide, epoxy or low melting point glass or water glass
  • the agglomerated powder is milled again into a powder.
  • the milled powder is mixed by adding any one of the lubricants selected from Zn, ZnS, stearic acid, zinc-stearate (Zn-Stearate) (S16), forming pressure of about 20 ⁇ 26ton / cm 2 using a press Molding to produce a toroidal (toroidal) core (S17).
  • Lubricants are used to reduce friction between the powder and the powder or between the molded body and the mold, and for example, it is preferable to mix zinc-stearic acid (Zn-Stearate) at 2 wt% or less with respect to the whole.
  • the completed toroidal core is heat-treated (annealed) for 0.2 to 1.5 hours in a nitrogen atmosphere at 400 to 600 ° C. to remove residual stress and deformation (S18), and then to protect core properties from moisture and air.
  • S18 residual stress and deformation
  • S19 polyester or epoxy resin
  • S20 various properties
  • An amorphous metal ribbon of Fe 73.5 Si 13.5 B 9 Nb 3 Cu 1 composition prepared by the RSP method was preheated at 300 ° C. for 40 minutes in an air atmosphere to obtain an amorphous metal ribbon in which nanoparticles were partially formed.
  • the amorphous metal ribbon thus obtained was pulverized using a grinder to obtain nanocrystalline alloy powder.
  • the mixed powders of Examples 1 to 4 were prepared so as to classify the obtained alloy powder so as to have a particle size distribution composition ratio shown in Table 1 according to the present invention.
  • the obtained mixed powder was mixed with 2.0 wt% of water glass and dried. After drying, the agglomerated powder was pulverized again using a ball mill, mixed with 0.5 wt% zinc-stearic acid, and then molded at a molding pressure of 22 ton / cm 2 using a core mold to prepare a toroidal core molded body. It was.
  • the core molded body was annealed at a temperature of 500 ° C. for 60 minutes under a nitrogen atmosphere, and then the surface of the core molded body was coated with an epoxy resin having a thickness of 100 ⁇ m to prepare soft magnetic cores of Examples 1 to 4, and then the magnetic permeability. , Molding density, direct current overlapping characteristics, and core loss characteristics were measured, and the results are shown in Table 1.
  • Example 1 Example 2
  • Example 3 Example 4 75 ⁇ 100 ⁇ m (wt%) 70 85 40 60 50 to 75 ⁇ m (% by weight) 20 10 50 20 5 to 50 ⁇ m (wt%) 10 5 10 20 Permeability ( ⁇ ) 60 60 60 60 60 Molding density (%) 84 83 83 83 DC overlapping characteristics (%) 53 51 53 52 Core loss (mW / cm 3 ) 400 420 450 430 Surface crack ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • nanoparticles of the same alloy composition as the alloy composition of the embodiment of the present invention in the mixing ratio of the particle size powder proposed in Korean Patent No. 10-0531253 for the comparison with the present invention 100 ⁇ 150 ⁇ m 40wt%, 75 ⁇ 100 ⁇ m 60wt%
  • the magnetic properties were measured under the same conditions as in the embodiment of the present invention, and the results are shown in Table 2.
  • the DC overlap characteristics and core loss of the soft magnetic core according to the present invention are significantly improved compared to the conventional materials. That is, in the present invention, as the powder content of the nanocrystalline alloy powder increases in the relatively small size, the insulating effect by the binder on the powder surface increases, thereby reducing the leakage magnetic flux, and also being formed between the powder and the powder. Since the large pores are filled by the added fine powder, the large pores in the molded body are removed, and the fine pores are uniformly distributed, resulting in the improvement of the core loss characteristics by the DC overlapping characteristics and the reduction of the eddy current loss.
  • Figure 2 is a graph showing the change in permeability (permeability) according to the DC overlap at 100kHz, 1V of Example 1 (invention material) ( ⁇ ) and the conventional material ( ⁇ ) of the present invention shown in Table 2.
  • the soft magnetic core of Example 1 (invention material) prepared according to the present invention exhibits excellent DC overlapping characteristics as compared to the prior art.
  • the soft magnetic core of the present invention has an effect of improving DC overlapping characteristics by about 6 to 8% (100 Oe basis) by changing the particle size distribution of the nanocrystalline alloy powder.
  • the inventive material (Example 1) (dotted line) of the present invention also has a conventional material (straight line) in core loss characteristics. It can be seen that it is significantly improved compared to).
  • the particle size distribution of the nanocrystalline alloy powder was 75-100 ⁇ m; 90 wt%, 50-75 ⁇ ; 5 wt%, 5-50 ⁇ ; A soft magnetic core was prepared in the same manner as in Example 1, except that 5 wt% was used.
  • the particle size distribution of the nanocrystalline alloy powder was 75-100 ⁇ m; 5 wt%, 50-75 ⁇ m; 75 wt%, 5-50 ⁇ ; A soft magnetic core was prepared in the same manner as in Example 1, except that 20 wt% was used.
  • the particle size distribution of the nanocrystalline alloy powder was 75-100 ⁇ m; 20 wt%, 50-75 mu m; 75 wt%, 5-50 ⁇ ; A soft magnetic core was prepared in the same manner as in Example 1, except that 5 wt% was used.
  • the particle size distribution of the nanocrystalline alloy powder was 75-100 ⁇ m; 80 wt%, 50-75 ⁇ ; 5 wt%, 5-50 ⁇ ; A soft magnetic core was prepared in the same manner as in Example 1, except that 15 wt% was used.
  • the particle size distribution of the nanocrystalline alloy powder was 75-100 ⁇ m; 60 wt%, 50-75 ⁇ ; 15 wt%, 5-50 ⁇ ; A soft magnetic core was prepared in the same manner as in Example 1, except that 25 wt% was used.
  • the particle size distribution of the nanocrystalline alloy powder was 75-100 ⁇ m; 60 wt%, 50-75 ⁇ ; 38 wt%, 5-50 ⁇ ; A soft magnetic core was prepared in the same manner as in Example 1, except that 2 wt% was used.
  • Comparative Example 2 in contrast to Comparative Example 1, the permeability of the 75-100 ⁇ m particle size powder was less than 10 wt% and the 50-75 ⁇ m particle size powder exceeded 70 wt%, that is, when the content of the large particle size powder was too low. 53, which is about 12% lower than the permeability of Example 1 of the present invention. Therefore, it can be seen that the desired permeability cannot be obtained when the content of the powder having a large particle size is less than an appropriate amount. In addition, Comparative Example 2 was also found to have a large core loss characteristics as the 50 ⁇ 75 ⁇ m particle size powder of the medium size exceeds 70wt%.
  • Comparative Example 4 in contrast to Comparative Example 3, when the medium size of 50 ⁇ 75 ⁇ m particle size powder is less than 10wt%, the particle size distribution balance of the mixed powder is largely broken, fine cracks are generated on the surface during core molding, and 78% is low Molding density was obtained, resulting in poor DC overlap and core loss characteristics.
  • Comparative Example 6 in contrast to Comparative Example 5, when the particle size of the 5 ⁇ 50 ⁇ m particle size is less than 5wt%, the compaction density decreases due to the decrease in filling properties and the particle size distribution balance of the mixed powder is broken, so that fine cracks are generated on the surface during core molding. As a result, the density of the molded body was 79%, which was lower than that of the embodiment, and thus the DC overlapping characteristics and the core loss characteristics were insignificant.
  • the present invention is obtained by compression molding nanocrystalline alloy powders having three kinds of sizes obtained by heat-treating and pulverizing an Fe-based amorphous ribbon manufactured by a rapid solidification method (RSP), and has excellent DC overlapping characteristics at a large current and a core loss. It can also be applied to the manufacture of soft magnetic cores for smooth choke cores in switching mode power supplies (SMPS) with very good characteristics.
  • RSP rapid solidification method

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Abstract

본 발명은 대전류 직류중첩특성 및 코어손실 특성이 우수한 연자성 코어 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명은 급속응고 방법(RSP)으로 제조된 비정질 리본을 분쇄하여 얻어진 나노 결정립 합금 분말을 분급한 후 입도분포가 75~100㎛: 10~85중량%, 50~75㎛: 10~70중량%, 5~50㎛ :5~20중량%가 되도록 혼합하여 연자성 코어의 제조함에 의해 대전류에서 우수한 직류중첩특성을 가지며 코어손실 특성도 매우 우수한 나노 결정립 합금 분말을 이용한 연자성 코어를 제공한다.

Description

대전류 직류중첩특성 및 코어손실 특성이 우수한 연자성 코어 및 그의 제조방법
본 발명은 연자성 코어 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 특히 대전류에서 우수한 직류중첩특성을 가지며, 코어손실 특성도 매우 우수한 연자성 코어 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
종래 일반적으로 고주파용 연자성체로 사용되는 Fe계 비정질 연자성체는 포화자속밀도(Bs)는 높지만 투자율이 낮고 자기변형이 크며 고주파 특성이 나쁘다. Co계 비정질 연자성체는 포화자속밀도가 낮고, 고가라는 단점이 있다.
또한, 비정질 연자성 합금은 스트립 형상으로 가공이 어렵고 토로이달(toroidal) 형상과 같은 제품의 형상에 제약이 있고, 페라이트 연자성체는 고주파 손실은 작으나, 포화자속밀도가 작아서 소형화가 어려우며, 비정질 및 페라이트 연자성체는 모두 낮은 결정화 온도로 인하여 열 안정성 측면에서 신뢰성이 떨어진다는 문제가 있다.
현재 연자성 코어로는 RSP로 제조한 비정질 리본을 권취한 것을 사용하고 있는데, 이 경우 직류중첩특성 및 고주파 투자율이 현저히 낮으며, 코어손실도 비교적 크다. 그 이유는 분말코어 제품의 경우, 분말간의 에어 갭(air gap)이 균일하게 분포되어 있는 반면, 권취형 코어의 경우 리본(ribbon) 내에 에어 갭이 존재하지 않기 때문이다. 고주파에서 투자율 및 코어손실이 우수한 코어를 만들기 위해서는 내부에 에어 갭이 존재하는 분말코어가 적합하다.
한편, 전자 노이즈의 억제 또는 평활용 초크코일에 사용되는 연자성 코어는 통상 순철, Fe-Si-Al 합금(이하 “샌더스트(sendust)”라 함), Ni-Fe-Mo계 퍼멀로이(이하 “MPP(Moly Permally Powder)”라 함), Ni-Fe계 퍼멀로이(이하 “하이플럭스(high flux)”라 함), Fe계 비정질 분말 코어, 또는 나노 결정립(Nano-crystalline) 분말 코어 등의 금속 자성분말에 세라믹 절연체를 코팅한 후 성형 윤활제를 첨가하여 가압, 성형 후 열처리하여 제조하였다.
종래에는 이와 같이 연자성 코어 제조 시 분말간 절연층을 형성하여 에어 갭을 균일하게 분포시킴으로써 고주파에서 급격하게 증가하는 와전류 손실(eddy current loss)을 최소화하고, 대전류에서 직류중첩특성을 양호하게 하였다. 예컨대, 순철 분말코어의 경우 스위칭 주파수 50kHz 이하의 스위칭모드 전원공급장치(SMPS)의 초크 코일에서 고주파 전류가 중첩하는 전자 노이즈의 억제에 사용되며, 샌더스트 코어는 스위칭 주파수 100kHz~1MHz 범위의 스위칭모드 전원공급장치의 2차측 평활 초크코일용 코어 및 노이즈 억제용 코어로 사용되고 있다. 여기서‘직류중첩특성’이란 전원장치의 교류 입력을 직류로 변환하는 과정에서 발생하는 미약한 교류에 직류가 중첩된 파형에 대한 자기 코어의 특성으로서 통상적으로 교류에 직류가 중첩된 경우 직류 전류에 비례하여 코어의 투자율이 떨어지게 되는데, 이때 직류가 중첩되지 않는 상태의 투자율에 대한 직류중첩시의 투자율의 비율(%; percent permeability)로 직류중첩특성을 평가한다.
MPP와 하이플럭스 코어도 샌더스트 코어와 동등한 주파수 범위에서 사용되며 샌더스트 코어보다 우수한 직류중첩특성과 낮은 코어손실 특성을 갖고 있지만 가격이 비싸다는 단점이 있다. 이에 MPP와 하이플럭스와 동등한 정도의 특성을 가지면서도 저렴한 가격의 코어 개발의 필요성은 여전히 존재한다.
한편, 이러한 용도에 사용되는 연자성 코어는 스위칭모드 전원공급장치의 소형화, 집적화, 고신뢰성화의 경향에 따라 요구되는 특성이 더욱 까다로워지고 있으며, 상기한 종래의 금속 분말 코어의 경우 1MHz 이하의 주파수에서만 사용 가능하고, 1MHz 이상의 고주파 대역에서는 사용에 제한을 받아 왔다.
이러한 점을 고려하여 본 출원인은 고주파 특성 및 코어 손실(core loss) 특성이 매우 우수한 나노결정립 분말을 이용하여 연자성 코어를 제조 한다면 기존 연자성 코어의 문제점을 보완 가능하다는 점을 고려함과 동시에, SMPS의 평활 초크코일용 코어는 적절한 인덕턴스(L), 낮은 코어손실 및 우수한 직류중첩특성 등을 요구하고 있는 점을 고려하여, 이러한 요구에 부응하고자 나노결정립 연자성 코어의 제조방법을 한국 등록특허 제10-0531253호에 제안하였다.
상기 한국 등록특허 제10-0531253호는 -100~+140mesh(107~140㎛) 통과분을 15~65중량%, -140~+200mesh(74~107㎛) 통과분을 35~85중량%가 되도록 분말의 입도분포를 조절한 혼합분말을 이용하는 나노결정립 연자성 코어의 제조방법을 제안하고 있다.
그러나, 상기 등록특허에서 채택한 입도분포에서는 100㎛를 상회하는 사이즈가 큰 분말이 많은 비율을 차지함으로써 분말간 공극의 크기가 지나치게 증가한다. 특히, 비정질 분말의 경우(나노결정립의 경우도 열처리를 진행하기 전에는 대부분 비정질상을 가지고 있다.) 성형시 성형압력에 의해 소성변형이 거의 이루어지지 않는다는 사실을 고려할 때 성형과정에서도 이러한 공극의 크기는 실질적으로 감소되지 않고 이것이 직류중첩특성 향상에 한계로 작용하게 된다. 또한, 분말과 분말간의 공극이 과다하면 성형품의 강도가 낮아져 제품의 취급성이나 작업성에도 나쁜 영향을 미친다.
상기 등록특허의 또 다른 문제점으로는, 분말의 입도가 커지게 되면 와전류 손실이 증가하기 때문에 전체적으로는 코어손실이 커지게 된다(한국 등록특허 제10-0545849호의 <표 1> 참조).
한편, 분말의 사이즈가 매우 작은 미분이 상대적으로 많은 비율을 차지하게 되면 히스테리시스 손실이 증가하는 문제가 있어 바람직하지 않다. 일반적으로, 코어 손실(core loss)은 히스테리시스 손실과 와전류 손실로 나눌 수 있고, 히스테리시스 손실은 자기이력곡선의 면적만큼의 손실을 나타내며, 와전류 손실은 유도 기전력에 의해 발생하는 와전류에 의한 전력손실을 나타낸다. 이러한 와전류 손실(eddy current loss)은 하기 수학식 1로 표현된다.
수학식 1
Figure PCTKR2014006427-appb-M000001
B = 자속밀도(Flux Density), f = 주파수(Frequency), d = 두께, ρ= 비저항(mΩ-m).
상기 수학식 1과 같이, 와전류 손실(eddy current loss)(Pe)은 코어내부 입자 두께(직경)의 제곱에 비례하는 것을 알 수 있다. 따라서, 전체적으로 분말의 입도를 작게 하면 와전류 손실의 감소는 기대할 수 있으나, 반대로 투자율 감소와 자기이력곡선의 보자력(coercive force: Hc) 증가로 히스테리시스 손실이 증가하므로 50㎛ 미만의 미세한 분말의 함량은 제한적으로 사용되어야 한다.
더욱이, 최근 스위칭 전원장치 산업은 서버 PC, 텔레콤 파워(Telecom Power) 등이 주도하고 있고, 주요 메이커는 IBM, DELL, HP 등이며, PC의 대용량화 및 고급화, 슬림화에 따라 전원장치의 설계사양에도 큰 변화가 일어나고 있다. 우선, CPU 사양이 고주파수화, 대전류화 되고 있으며, 이에 따른 전원의 안정적 공급이 이슈화되고 있다. 또한, PC의 다기능화에 따라, 전원장치의 용량이 증가하고 있어, 이에 따른 역률 개선회로 추가가 의무적으로 채택되고, 역률 개선회로 추가에 따른 전원장치 부피 증가를 최소화하기 위해 고성능의 PFC용 초크로서 대전류 안정성, 주파수 안정성, 저손실 분말 코어가 요구되고 있다.
본 발명자들은 상술한 바와 같은 배경에서 Fe계 나노 결정립 연자성 코어의 제조방법에 대해 예의 연구를 한 결과, 연자성 코어를 구성하는 분말의 입도분포를 효율적으로 제어하여 최적화함으로써 코어 성형체의 성형밀도가 증가하고, 대전류에서 직류중첩특성이 향상되고, 코어손실 특성이 개선될 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하게 되었다.
또한, 비정질 금속분말의 경우, 큰 자기변형(자왜)값에 따른 신뢰성 문제가 가장 큰 단점으로 알려져 있으나, 나노 결정립 합금 분말을 이용하여 제조된 코어의 경우,‘0’에 가까운 작은 자기변형 값을 갖기 때문에 노이즈 및 신뢰성 문제가 해결 가능하다는 점을 인식하였다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 그 목적은 균일한 에어갭을 가지며 성형성이 우수한 입도분포를 갖도록 3종류의 사이즈를 갖는 Fe계 나노 결정립 합금 분말을 조합하여 얻어진 혼합분말을 바인더와 혼합하여 압축성형함에 의해 대전류 직류중첩특성 향상 및 코어손실 특성 개선이 가능한 연자성 코어 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 급속응고 방법(RSP)으로 제조된 Fe계 비정질 금속리본을 예비 열처리하는 단계; 상기 금속리본을 분쇄하여 나노결정립 합금 분말을 얻는 단계; 상기 합금 분말을 분급한 후 입도분포가 75~100㎛: 10~85중량%, 50~75㎛: 10~70중량%, 5~50㎛: 5~20중량%가 되도록 합금 분말을 혼합하여 혼합분말을 얻는 단계; 상기 혼합분말에 바인더를 첨가하고 압축성형하여 코어 성형체를 얻는 단계; 및 상기 코어 성형체를 소둔 처리한 후 절연수지로 코팅하여 연자성 코어를 얻는 단계를 포함하는 대전류 직류중첩특성 및 코어손실 특성이 우수한 연자성 코어의 제조방법이 제공된다.
상기 바인더는 혼합분말 전체 중량 대비 0.5~3중량% 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 예비 열처리는 300~600℃의 온도로 0.2시간 내지 1시간 범위에서 행해지며, 상기 소둔 처리는 질소 분위기 하에서 400~600℃의 온도로 0.2시간 내지 1.5시간 범위에서 행해지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 의하면, Fe계 나노 결정립 합금 분말과 바인더를 혼합하여 압축성형된 코어로서, 상기 Fe계 나노결정립 합금 분말은 입도분포가 75~100㎛: 10~85중량%, 50~75㎛: 10~70중량%, 5~50㎛: 5~20중량%를 혼합하여 이루어진 혼합분말을 사용하는 것을 특징으로 하는 대전류 직류중첩특성 및 코어손실 특성이 우수한 연자성 코어가 제공된다.
상기 연자성 코어는 밀도가 82 내지 84%이고, 측정자화강도가 100 Oe일 때 직류중첩특성(%)이 51 이상인 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 Fe계 비정질 금속리본을 출발물질로 하여 얻어진 나노 결정립 합금 분말로 연자성 코어를 제조하는 것으로, 종래의 나노 결정립 연자성 코어에 비해 대전류에서 우수한 직류중첩특성과 낮은 코어손실을 나타낸다.
또한, 본 발명에서는 특정의 입도분포를 가지도록 나노 결정립 합금분말을 혼합하여 연자성 코어를 제조함으로써 사용조건이 가혹한 대전류에서의 직류중첩특성이 요구되는 범위뿐만 아니라, 스위칭모드 전원공급장치(SMPS)의 평활 초크코어에도 광범위하게 활용될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 나노 결정립 합금 분말을 이용한 연자성 코어의 제조공정을 나타낸 개략 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조한 연자성 코어의 직류중첩특성 변화를 종래재와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따라 제조한 연자성 코어의 100kHz에서의 코어 손실을 종래재와 비교하여 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 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.
이하, 본 발명에 따른 Fe계 나노 결정립 합금 분말을 이용한 연자성 코어에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 연자성 코어는 Fe계 나노 결정립 합금 분말에 전체 중량 대비 0.5 내지 3중량%의 바인더가 혼합된 혼합분말을 토로이달 형상으로 압축 성형하여 얻어진 성형체의 표면에 절연수지가 코팅된 구조를 가지고 있다.
상기 Fe계 나노 결정립 합금 분말은 Fe계 나노 결정립 합금으로 이루어진 박판의 리본을 분쇄하여 얻어질 수 있다.
상기 Fe계 나노 결정립 합금은, 다음 수학식 2를 만족하는 합금을 사용하는 것이 바람직하다.
수학식 2
Figure PCTKR2014006427-appb-M000002
상기 수학식 2에서, A는 Cu 및 Au로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를, D는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ni, Co 및 희토류 원소로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를, E는 Mn, Al, Ga, Ge, In, Sn 및 백금족 원소로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를, Z는 C, N 및 P로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 나타내고, c, d, e, f, g 및 h는 관계식 0.01≤c≤8at%, 0.01≤d≤10at%, 0≤e≤10at%, 10≤f≤25at%, 3≤g≤12at%, 15≤f+g+h≤35at%를 각각 만족하는 수이며, 상기 합금 구조의 면적비로 20% 이상이 입경 50㎚ 이하의 미세구조로 이루어져 있다.
상기한 수학식 2에 있어서, A 원소는 합금의 내식성을 높이고, 결정 입자의 조대화를 방지함과 함께, 철손이나 합금의 투자율 등의 자기 특성을 개선하기 위해 사용된다. A 원소의 함유량이 너무 적으면, 결정립의 조대화 억제 효과를 얻기 곤란하다. 반대로, A 원소의 함유량이 지나치게 많으면, 자기 특성이 열화된다. 따라서, A원소의 함유량은 0.01 내지 8at%의 범위로 하는 것이 바람직하다. D 원소는 결정립 직경의 균일화 및 자기 변형의 저감 등에 유효한 원소이다. D 원소의 함유량은 0.01 내지 10at%의 범위로 하는 것이 바람직하다.
E 원소는 합금의 연자기 특성 및 내식성의 개선에 유효한 원소이다. E 원소의 함유량은 10at% 이하로 하는 것이 바람직하다. Si 및 B는 자성 시트 제조 시에 있어서의 합금의 아몰퍼스화를 조성하는 원소이다. Si의 함유량은 10 내지 25at%의 범위로 하는 것이 바람직하고, B의 함유량은 3 내지 12at%의 범위로 하는 것이 바람직하다. 또한, Si 및 B 이외의 합금의 아몰퍼스화 조성 원소로서 Z 원소를 합금에 포함하고 있어도 된다. 그 경우, Si, B 및 Z 원소의 합계 함유량은 15 내지 35at%의 범위로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 Fe계 나노 결정립 합금은, 예를 들어, Fe-Si-B-Cu-Nb 합금을 사용할 수 있으며, 이 경우, Fe가 73-80at%, Si 및 B의 합이 15-26at%, Cu와 Nb의 합이 1-5at%인 것이 바람직하다. 이러한 조성 범위가 리본 형태로 제작된 비정질 합금이 후술하는 열처리에 의해 나노상의 결정립으로 쉽게 석출될 수 있다.
연자성 코어의 제조에 사용되는 Fe계 나노 결정립 합금 분말은 상기한 Fe계 합금을 RSP 방법으로 비정질 금속리본을 제조하고 예비 열처리한 후, 얻어진 나노 결정립 리본을 분쇄하고, 분쇄된 분말을 분급 공정을 거쳐 75~100㎛, 50~75㎛, 5~50㎛의 3종류의 입도를 가지는 분말로 분급한 것을 조합하여 사용한다.
본 발명에서 사용되는 나노 결정립 합금 분말의 바람직한 입도분포는 75~100㎛: 10~85wt%, 50~75㎛: 10~70wt%, 5~50㎛: 5~20wt%이다. 이는 연자성 코어의 최적의 물리적 특성과 자기적 특성을 얻기 위한 입도 구성비로서 성형 시 상대밀도 82~84%의 우수한 성형밀도를 갖는 코어를 얻을 수 있다.
이하에 본 발명에서 상기와 같은 입도분포를 설정한 이유에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 75~100㎛ 분말을 85wt% 초과 사용할 경우, 와전류 손실(eddy current loss)의 증가로 코어손실 특성이 저하되고 성형체 밀도가 82% 이하로 낮아져 직류중첩특성 개선을 기대하기 어렵고, 반대로 10wt% 미만일 경우 원하는 투자율을 얻을 수 없다.
50~75㎛ 분말이 70wt% 초과할 경우, 와전류 손실은 작아지나 리본의 분쇄과정에서 분말의 일부가 결정화되어 히스테리시스 손실(hysteresis loss)이 증가하여 전체적인 코어손실 특성이 나빠지며, 반대로 10wt% 미만 사용할 경우, 성형체 밀도가 낮아져 직류중첩특성의 개선 효과가 미미하다.
5~50㎛ 분말을 20wt% 초과 사용할 경우, 히스테리시스 손실의 증가로 코어손실 특성이 현저히 나빠지고, 원하는 투자율을 얻을 수 없다. 반대로 5wt% 미만 사용할 경우 성형 후 코어 표면에 미세한 크랙이 발생하고, 성형체 밀도가 낮아져 직류중첩특성 개선을 기대할 수 없다.
본 발명에 따른 연자성 코아는 전체 중량 대비 0.5 내지 3wt%의 바인더가 Fe계 나노 결정립 합금 분말에 혼합된 혼합분말을 사용하며, 상기 바인더의 함량이 0.5wt% 미만으로 함유하는 경우에는 절연물질의 양이 충분하지 못하여 고주파 투자율(10MHz, 1V)이 낮아지게 되며, 이와 반대로 3wt%를 초과하여 함유하는 경우에는 절연물질의 과다 첨가로 인하여 나노 결정질 합금 분말의 밀도가 줄어들어 투자율이 떨어지는 문제가 있다.
이하에 본 발명의 Fe계 나노결정립 합금 분말을 이용한 연자성 코어의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 연자성 코어의 제조공정을 나타낸 개략 공정도이다.
도 1을 참고하면, 먼저, Fe계 비정질 리본으로서, 예를 들어, Fe-Si-B-Cu-Nb 합금으로 이루어진 30um 두께의 극박형 비정질 리본을 멜트 스피닝에 의한 급냉응고법(RSP)으로 제조한 후(S11), 비정질 금속리본을 대기 중에서 300~600℃에서 0.2시간 내지 1시간 예비 열처리한다(S12).
Fe계 비정질 리본을 열처리하는 경우, 열처리 온도가 증가하여 300℃에서부터 나노 결정립이 생성되며, 열처리된 비정질 리본의 인덕턴스 값(투자율은 인덕턴스 값에 비례한다)은 온도 증가에 따라 증가하며, 580℃ 내지 600℃일 때 리본의 인덕턴스 값은 최대로 증가한다. 그 후, 580℃ 내지 600℃ 온도를 초과하는 온도에서 과열처리하면, 리본의 인덕턴스 값은 열처리 온도에 반비례하여 급격하게 감소된 값을 나타낸다. 상기 비정질 리본은 개별적인 편차가 있어 580℃ 내지 600℃ 사이에서 최대의 인덕턴스 값을 나타내고 있다.
상기 예비 열처리 온도의 하한값을 300℃로 설정한 것은 300℃ 이상의 온도에서 열처리하면 나노결정화가 가능하다.
또한, 나노 결정립이 충분히 생성되지 않은 분말을 사용하는 경우에도 코어 성형 후에 이루어지는 400~600℃의 질소 분위기하에서 0.2~1.5 시간 동안 이루어지는 열처리(소둔 처리) 공정(S18)에 의해 원하는 나노 결정립이 생성된다.
이어서, 예비 열처리한 나노 결정 금속리본을 분쇄기를 사용하여 분쇄하면(S13), 나노 결정립 합금 분말을 얻을 수 있다. 분쇄 시 속도 및 시간을 적절히 선정함으로써 다양한 형태 및 입도범위를 갖는 분말을 제조할 수 있다. 이어서, 상기 분쇄된 합금 분말은 분급공정을 거쳐, 75~100㎛, 50~75㎛, 5~50㎛의 입도를 가지는 분말로 분급한 후, 소망하는 입도 구성비로 조합될 수 있도록 칭량한다(S14).
본 발명에서 바람직한 입도분포를 갖는 나노 결정립 합금 분말의 입도 구성비는 분말의 입경이 75~100㎛: 10~85wt%, 50~75㎛: 10~70wt%, 5~50㎛: 5~20wt%이다. 이는 최적의 물리적 특성과 자기적 특성을 얻기 위한 입도 구성비로서 성형시 상대밀도 82~84%의 우수한 성형밀도를 갖는 코어를 얻을 수 있다.
성형된 코어의 밀도가 82% 미만인 경우, 코어 표면에 크랙이 발생되어 코어의 직류중첩특성과 코어손실 특성이 열화되는 문제가 있고, 밀도는 높을수록 바람직하며 분말의 입경이 가장 큰 75~100㎛ 분말의 함량이 증가할수록 밀도가 증가하나 이러한 경우는 직류중첩특성이 나빠지며, 성형장치에도 무리가 가게 되어 성형된 코어의 밀도는 84%로 제한하는 것이 적절하다.
이어서 상기와 같이 제조된 나노 결정립 합금 분말을 연자성 코어로 제조하기 위해서 바인더로 페놀, 폴리이미드, 에폭시 혹은 저융점 유리나 물유리와 같은 세라믹 절연체를 전체 중량 대비 0.5wt%~3wt% 혼합한 후(S15), 건조한다. 건조과정은 바인더를 혼합할 때 사용된 용매를 제거하기 위함이다.
건조 후 응집된 분말은 밀링을 수행하여 분말로 다시 분쇄한다. 밀링 후 분쇄된 분말에 Zn, ZnS, 스테아린산, 아연-스테아린산(Zn-Stearate) 중에서 선택된 어느 하나의 윤활제를 첨가하여 혼합한 후(S16), 프레스를 이용하여 약 20~26ton/cm2의 성형압력으로 성형하여 토로이달(toroidal) 형상의 코어를 제조한다(S17). 윤활제는 분말과 분말 사이 또는 성형체와 금형 간의 마찰력을 저감하기 위하여 사용하며, 예를 들어, 아연-스테아린산(Zn-Stearate)을 전체에 대해 2wt% 이하로 혼합하는 것이 바람직하다.
다음에, 성형을 완료한 토로이달 코어를 400~600℃의 질소 분위기하에서 0.2~1.5 시간 동안 열처리(소둔 처리)하여 잔류응력 및 변형을 제거한 후(S18), 습기 및 대기로부터의 코어 특성 보호를 위하여 코어 표면에 폴리에스테르나 에폭시 수지 등을 코팅하여(S19), 연자성 코어를 제조하고 각종 특성을 검사한다(S20). 이때, 에폭시 수지 코팅층의 두께는 일반적으로 50~200㎛ 정도가 바람직하다.
이하에서는 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 아래의 실시예는 본 발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1~4]
RSP 방법으로 제조된 Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1 조성의 비정질 금속리본을 대기 분위기 하에서 300℃, 40분 예비 열처리하여 부분적으로 나노 결정립이 생성된 비정질 금속리본을 얻었다. 이렇게 얻어진 비정질 금속리본을 분쇄기를 이용하여 분쇄하여 나노 결정립 합금 분말을 얻었다. 얻어진 합금 분말을 분급하여 본 발명에 따라 표 1에 나타낸 입도분포 구성비가 되도록 실시예 1 내지 4의 혼합분말을 제조하였다.
얻어진 혼합분말을 물유리 2.0wt%와 혼합하고 건조를 실시하였다. 건조 후 뭉친 분말은 볼밀을 이용하여 다시 분쇄한 다음, 아연-스테아린산을 0.5wt% 첨가하여 혼합한 후, 코어 금형을 사용하여 22ton/cm2의 성형압력으로 성형하여 토로이달 형상의 코어 성형체를 제조하였다.
이후, 상기 코어 성형체를 질소 분위기 하에 500℃의 온도에서 60분 동안 소둔 처리한 다음, 코어 성형체 표면을 100㎛ 두께의 에폭시 수지로 코팅하여 실시예 1 내지 4의 연자성 코어를 제조한 후, 투자율, 성형밀도, 직류중첩특성, 코어손실 특성을 각각 측정하고 그 결과를 표 1에 나타냈다.
표 1 본 발명에 따른 연자성 코어의 자기적 특성
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4
75~100㎛(중량%) 70 85 40 60
50~75㎛(중량%) 20 10 50 20
5~50㎛(중량%) 10 5 10 20
투자율(μ) 60 60 60 60
성형밀도(%) 84 83 83 83
직류중첩특성(%) 53 51 53 52
코어손실(mW/cm3) 400 420 450 430
표면크랙 유,무 × × × ×
표 1에서 투자율(μ)은 에나멜 동선을 30회 권선한 다음에 정밀 LCR 미터기를 사용하여 인덕턴스(L; )를 측정한 후, 환형 코어(Toroidal Core)의 관계식(L=(0.4πμN2A×10-2)/ℓ)에 의하여 구하였으며(여기서, N은 턴수, A는 코어 단면적, ℓ은 평균 자로길이), 측정 조건은 주파수 100kHz, 교류전압 1V, 직류를 중첩시키지 않은 상태(IDC=0 A)에서 측정하였다.
또한, 직류 전류를 변화시키면서 투자율 변화를 측정하여 직류중첩특성을 검사하였고, 이때 측정조건은 100kHz, 교류전압 1V, 측정자화강도(HDC) 100 Oersted(HDC=0.4πNI/ℓ 수식에서 피크자화전류(I)를 대입하여 계산)이다. 코어 손실(mW/cm3)은 B-H 분석기(Analyzer)에서 측정하며, 1차, 2차 권선을 각각 30회, 5회 권선하여 측정하였다.
표 1에 나타낸 본 발명의 실시예 1 내지 4의 결과로부터, 나노 결정립 합금 분말의 입도분포를 본 발명에서 특정한 범위로 한정하여 연자성 코어를 제조할 경우, 코어의 표면 상태의 개선은 물론, 직류중첩특성의 향상 및 코어손실의 감소 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
한편, 본 발명과의 비교를 위해 한국특허 제10-0531253호에 제안된 입도 분말이 100~150㎛ 40wt%, 75~100㎛ 60wt%의 혼합비로 본 발명 실시예의 합금 조성과 동일한 합금 조성의 나노 결정립 합금 분말을 혼합하여 제조한 코어를 종래재로 하여 본 발명의 실시예와 동일한 조건에서 자기적 특성을 측정하여 그 결과를 표 2에 나타내었다.
표 2 본 발명과 종래재의 특성비교
투자율(μ)(100kHz, 1V) 직류중첩특성(%) (100 Oe) 코어 손실(mW/cm3)(100kHz, 0.1T)
종래재 60 45 550
실시예 1 60 53 400
실시예 2 60 51 420
실시예 3 60 53 450
실시예 4 60 52 430
표 2에서 보는 바와 같이, 종래재에 비해 본 발명에 따른 연자성 코어의 직류중첩특성과 코어손실이 월등히 개선된 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명에서는 나노 결정립 합금 분말의 입도분포에서 상대적으로 작은 사이즈의 분말함량을 증가시킴에 따라 분말표면의 바인더에 의한 절연효과가 증가하여 누설자속이 감소하고, 또한 분말과 분말 사이에 형성되는 큰 공극들은 첨가된 미분으로 인해 채워지므로 성형체 내부의 큰 공극은 제거되며, 미세 공극이 균일하게 분포되어 직류중첩특성 개선과 와전류손의 감소로 코어손실 특성이 향상되는 결과를 얻었다.
도 2는 표 2에 제시된 본 발명의 실시예 1(발명재)(■)과 종래재(●)의 100kHz, 1V에서의 직류중첩에 따른 투자율(Permeability)의 변화를 각각 나타내는 그래프이다. 도 2와 같이, 본 발명에 따라 제조된 실시예 1(발명재)의 연자성 코어는 종래재에 비하여 우수한 직류중첩특성을 나타낸다는 사실을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 연자성 코어는 나노 결정립 합금 분말의 입도분포의 변화를 통해 직류중첩특성이 종래재보다 6 ~ 8%(100 Oe 기준) 정도 개선된 효과를 나타내는 것을 알 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연자성 코어의 100kHz에서의 코어손실을 종래재와 함께 나타낸 도 3의 그래프로부터, 코어손실 특성에 있어서도 본 발명의 발명재(실시예 1)(점선)가 종래재(직선)에 비해 상당히 개선되었음을 알 수 있다.
한편, 혼합분말의 입도분포에 따른 특성 변화를 알아보기 위해 입도분포를 본 발명의 범위를 벗어나도록 조성하여 실험을 수행하였다.
[비교예 1]
나노 결정립 합금 분말의 입도분포를 75~100㎛; 90wt%, 50~75㎛; 5wt%, 5~50㎛; 5wt%로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 연자성 코어를 제조하였다.
[비교예 2]
나노 결정립 합금 분말의 입도분포를 75~100㎛; 5wt%, 50~75㎛; 75wt%, 5~50㎛; 20wt%로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 연자성 코어를 제조하였다.
[비교예 3]
나노 결정립 합금 분말의 입도분포를 75~100㎛; 20wt%, 50~75㎛; 75wt%, 5~50㎛; 5wt%로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 연자성 코어를 제조하였다.
[비교예 4]
나노 결정립 합금 분말의 입도분포를 75~100㎛; 80wt%, 50~75㎛; 5wt%, 5~50㎛; 15wt%로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 연자성 코어를 제조하였다.
[비교예 5]
나노 결정립 합금 분말의 입도분포를 75~100㎛; 60wt%, 50~75㎛; 15wt%, 5~50㎛; 25wt%로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 연자성 코어를 제조하였다.
[비교예 6]
나노 결정립 합금 분말의 입도분포를 75~100㎛; 60wt%, 50~75㎛; 38wt%, 5~50㎛; 2wt%로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 연자성 코어를 제조하였다.
상기 비교예에서 얻어진 각 연자성 코어의 투자율, 직류중첩특성, 코어손실, 및 표면 크랙 유무 등을 검사하고, 그 결과를 실시예 1의 결과와 함께 표 3에 나타내었다.
표 3 (본 발명과 비교예 사이의 특성비교)
비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4 비교예 5 비교예 6 실시예 1
75~100㎛(%) 90 5 20 80 60 60 70
50~75㎛(%) 5 75 75 5 15 38 20
5~50㎛(%) 5 20 5 15 25 2 10
투자율(μ) 60 53 60 60 51 60 60
성형밀도(%) 79 80 82 78 78 79 84
직류중첩특성(%) 48 51 50 48 52 52 53
코어손실(mW/cm3) 640 580 450 660 600 440 400
표면크랙유,무 0 × × 0 × 0 ×
표 3으로부터, 50~75㎛ 입도 분말이 10wt% 미만이거나, 75~100㎛ 입도 분말이 85wt%를 초과하는 경우, 코어 성형체 표면에 미세한 크랙이 발생하거나, 직류중첩특성 및 코어손실 특성 저하가 발생하며 이를 통해 자기적 특성의 개선 효과를 얻을 수 없다는 것을 알 수 있다.
또한, 5~50㎛ 입도 분말이 20wt%를 초과하는 경우, 충진성 저하에 따른 성형밀도 감소가 발생하였으며, 이를 원인으로 원하는 투자율을 얻을 수 없으며, 직류중첩특성 개선의 효과가 미미하다는 것을 알 수 있다.
구체적으로, 비교예 1과 같이 75~100㎛ 입도 분말이 85wt%를 초과하고, 50~75㎛ 입도 분말이 10wt% 미만인 경우, 즉, 입도 사이즈가 큰 분말의 함량이 높은 경우 코어 표면에 미세 크랙이 발생하였으며, 코어 손실특성 개선이 없었고, 성형밀도가 낮아 직류중첩특성의 개선이 이루어지지 않았다.
비교예 2는 비교예 1과 반대로 75~100㎛ 입도 분말이 10wt% 미만이고, 50~75㎛ 입도 분말이 70wt%를 초과하는 경우, 즉, 입도 사이즈가 큰 분말의 함량이 너무 낮은 경우 투자율이 53 정도로 나타났는데, 이는 본 발명 실시예 1의 투자율보다 약 12% 정도 낮은 값이다. 따라서, 입도 사이즈가 큰 분말의 함량이 적정량 미만일 경우 원하는 투자율을 얻을 수 없다는 것을 알 수 있다. 또한, 비교예 2는 중간 사이즈의 50~75㎛ 입도 분말이 70wt%를 초과함에 따라 코어손실 특성도 큰 것으로 나타났다.
또한, 비교예 3과 같이 중간 사이즈의 50~75㎛ 입도 분말만이 70wt%를 초과하는 경우, 투자율과 코어손실 특성은 어느 정도 만족하나, 직류중첩특성 개선을 실질적으로 기대하기 어렵다.
비교예 4는 비교예 3과 반대로 중간 사이즈의 50~75㎛ 입도 분말이 10wt% 미만인 경우, 혼합분말의 입도분포 밸런스가 크게 깨져서 코어 성형시 표면에 미세 크랙이 발생함과 동시에, 78%의 낮은 성형밀도가 얻어져 직류중첩특성 및 코어손실 특성 모두 나쁘게 나타났다.
비교예 5와 같이 작은 사이즈의 5~50㎛ 입도 분말이 20wt%를 초과하는 경우, 충진성 저하에 따른 성형밀도 감소와 혼합분말의 입도분포 밸런스가 깨져서 투자율이 51 정도로 나타났는데, 이는 본 발명의 실시예 1의 코어의 투자율보다 약 15% 정도 낮은 값이다. 또한, 코어손실 특성 역시 결정화가 진행된 분말의 함량이 증가하여 종래 조건보다 열화된 600mW/cm3 특성을 나타내었다. 따라서, 이러한 합금 분말의 입도분포에서는 원하는 투자율과 자기적 특성을 얻을 수 없다는 것을 알 수 있다.
비교예 6은 비교예 5와 반대로 작은 사이즈의 5~50㎛ 입도 분말이 5wt% 미만인 경우, 충진성 저하에 따른 성형밀도 감소와 혼합분말의 입도분포 밸런스가 깨져서 코어 성형시 표면에 미세 크랙이 발생하여 성형체 밀도가 79%로 실시예 대비 낮게 구현되었으며, 이로 인해 직류중첩특성 및 코어손실 특성 개선이 미미한 것을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 제시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 목적에 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명은 급속응고 방법(RSP)으로 제조된 Fe계 비정질 리본을 열처리하고 분쇄하여 얻어진 3종류의 사이즈를 갖는 나노 결정립 합금 분말을 압축성형하여 얻어지는 것으로, 대전류에서 우수한 직류중첩특성을 가지며, 코어손실 특성도 매우 우수한 스위칭모드 전원공급장치(SMPS)의 평활 초크코어용 연자성 코어의 제조에 적용될 수 있다.

Claims (6)

  1. 급속응고 방법(RSP)으로 제조된 Fe계 비정질 금속리본을 예비 열처리하여 나노결정화 하는 단계;
    상기 금속리본을 분쇄하여 나노결정립으로 이루어진 합금 분말을 얻는 단계;
    상기 합금 분말을 분급한 후 입도분포가 75~100㎛: 10~85중량%, 50~75㎛: 10~70중량%, 5~50㎛: 5~20중량%가 되도록 합금 분말을 혼합하여 혼합분말을 얻는 단계;
    상기 혼합분말에 바인더를 첨가하고 압축성형하여 코어 성형체를 얻는 단계; 및
    상기 코어 성형체를 소둔 처리한 후 절연수지로 코팅하여 연자성 코어를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대전류 직류중첩특성 및 코어손실 특성이 우수한 연자성 코어의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바인더는 혼합분말 전체 중량 대비 0.5~3중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 대전류 직류중첩특성 및 코어손실 특성이 우수한 연자성 코어의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 예비 열처리는 300~600℃의 온도로 0.2시간 내지 1시간 범위에서 행해지는 것을 특징으로 하는 대전류 직류중첩특성 및 코어손실 특성이 우수한 연자성 코어의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 소둔 처리는 질소 분위기 하에서 400~600℃의 온도로 0.2시간 내지 1.5시간 범위에서 행해지는 것을 특징으로 하는 대전류 직류중첩특성 및 코어손실 특성이 우수한 연자성 코어의 제조방법.
  5. Fe계 나노 결정립 합금 분말과 바인더를 혼합하여 압축성형된 코어로서,
    상기 Fe계 나노결정립 합금 분말은 입도분포가 75~100㎛: 10~85중량%, 50~75㎛: 10~70중량%, 5~50㎛: 5~20중량%를 혼합하여 이루어진 혼합분말인 것을 특징으로 하는 대전류 직류중첩특성 및 코어손실 특성이 우수한 연자성 코어.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연자성 코어는 밀도가 82 내지 84%이고, 측정자화강도가 100 Oe일 때 직류중첩특성(%)이 51 이상인 것을 특징으로 하는 대전류 직류중첩특성 및 코어손실 특성이 우수한 연자성 코어.
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