WO2020190095A1 - 무선충전용 파우더, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 무선충전용 패드 - Google Patents

무선충전용 파우더, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 무선충전용 패드 Download PDF

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최종학
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Definitions

  • the embodiment relates to a powder for wireless charging, a method for manufacturing the same, and a pad for wireless charging including the same, and in particular, relates to a powder for wireless charging, which is advantageous to be applied to a mobile means such as an electric vehicle or a rechargeable drone.
  • wireless power charging is a method of charging a battery by flowing current through electromagnetic induction.
  • a magnetic field generated by a current flowing through a primary coil of a charger generates an induced current in a secondary coil of a battery, and the induced current recharges chemical energy into the battery.
  • the above method is safe because the contact point is not exposed during charging, and there is little risk of a short circuit, and it is a simple charging method because there is no direct connection of a power line.
  • the heat generated by the wireless power charging system means a loss that lowers charging efficiency and the like.
  • heat is mainly generated from coils and magnetic materials. Therefore, it is necessary to reduce this heat generation problem.
  • An object of the embodiment is to provide a powder for wireless charging with reduced heat generation due to loss, a method for manufacturing the same, and a pad for wireless charging including the same.
  • an embodiment includes a heating step of raising the temperature of the iron-containing raw material particles to a low-temperature heat treatment temperature for 30 minutes to 2 hours in an oxygen-containing atmosphere; And a heat treatment step of maintaining at the low temperature heat treatment temperature for 1 to 10 hours to prepare a powder for wireless charging having an insulating layer formed on the surface of the iron-containing raw material particles; including, the current loss reduction index according to Equation 1 below. It provides a method of manufacturing a powder for wireless charging, for producing a powder for wireless charging having a value of 1.1 to 3;
  • Equation 1 L E is the current loss reduction index, Ru' is the permeability of the iron-containing raw material particles, Ru'' is the investment loss value of the iron-containing raw material particles, and Tu' is the wireless charging powder. Permeability, and Tu'' is the investment loss value of the powder for wireless charging.
  • the low temperature heat treatment temperature does not exceed 600°C.
  • the iron-containing raw material particles may have a D 50 of 300 um or less.
  • the low temperature heat treatment temperature may be 300 to 600 °C.
  • the powder for wireless charging may include an insulating layer containing iron oxide.
  • the iron oxide-containing insulating layer may be located on at least one surface of the iron-containing raw material particles.
  • the iron oxide-containing insulating layer may be located on at least one surface of the cluster of the iron-containing raw material particles.
  • the iron-containing raw material particles may have an iron (Fe) content of 20 mol% or more based on the total iron-containing raw material particles.
  • the iron-containing raw material particles may have a magnetic permeability of 100 or more measured at 100 MHz.
  • Another embodiment provides a powder for wireless charging comprising iron-containing raw material particles and an insulating layer.
  • the insulating layer is located on at least one surface of the iron-containing raw material particles or the cluster containing the iron-containing raw material particles.
  • the current loss reduction index is a value according to Equation 1 below, and the wireless charging powder has the current loss reduction index of 1.1 to 3.
  • Equation 1 L E is the current loss reduction index, Ru' is the permeability of the iron-containing raw material particles, Ru' is the investment loss value of the iron-containing raw material particles, and Tu' is the wireless charging powder. Permeability, and Tu'' is the investment loss value of the powder for wireless charging.
  • the powder for wireless charging may have a magnetic permeability maintenance index (Mu') evaluated by Equation 2 below of 0.5 or more.
  • Equation 2 Mu' is the permeability maintenance index, Ru' is the permeability of the iron-containing raw material particles, and Tu' is the permeability of the powder for wireless charging.
  • the powder for wireless charging may have an investment loss maintenance index (Mu'') of 1 or less evaluated by Equation 3 below.
  • Equation 3 Mu'' is the investment loss maintenance index, Ru'' is the investment loss of the iron-containing raw material particles, and Tu'' is the investment loss of the powder for wireless charging.
  • the iron-containing raw material particles may have a D 50 of 300 um or less.
  • the wireless charging powder may include an insulating layer containing iron oxide positioned on the surface of the iron-containing raw material particles or the cluster of the iron-containing raw material particles.
  • the iron-containing raw material particles may have an iron (Fe) content of 20 mol% or more based on the total iron-containing raw material particles.
  • the iron-containing raw material particles may have a magnetic permeability of 100 or more measured at 100 MHz.
  • the powder for wireless charging may be included in a wireless power charging system applied to a mobile device.
  • the wireless power charging system may be a wireless charging system for an electric vehicle or a wireless charging system for a drone.
  • the mobile device may be an electric vehicle or a drone.
  • the powder for wireless charging includes an iron-containing raw material particle and an insulating layer, the insulating layer is located on at least one surface of the iron-containing raw material particle or a cluster containing the iron-containing raw material particle, and the current loss reduction index is the following formula It is a value according to 1, and the current loss reduction index is 1.1 to 3.
  • Equation 1 L E is the current loss reduction index, Ru' is the permeability of the iron-containing raw material particles, Ru' is the investment loss value of the iron-containing raw material particles, and Tu' is the wireless charging powder. Permeability, and Tu'' is the investment loss value of the powder for wireless charging.
  • Another embodiment provides a pad for wireless charging including a powder for wireless charging, and the powder for wireless charging has a current loss reduction index of 1.1 to 3 according to Equation 1 below.
  • Equation 1 L E is the current loss reduction index, Ru' is the permeability of the iron-containing raw material particles, Ru' is the investment loss value of the iron-containing raw material particle Permeability, and Tu'' is the investment loss value of the powder for wireless charging.
  • the wireless charging powder of the embodiment, the method of manufacturing the same, and the wireless charging pad including the same reduce heat generation due to loss by forming an insulating layer through low temperature heat treatment, and in particular, heat generation by reducing eddy current loss generated between particles. This reduced powder for wireless charging can be provided.
  • the powder for wireless charging and the pad for wireless charging of the embodiment may be included in a wireless power transfer system that transmits power to a mobile device, so that more effective wireless charging efficiency can be obtained.
  • the term "combination of these" included in the expression of the Makushi form means one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of the constituent elements described in the expression of the Makushi form, and the constituent elements It means to include one or more selected from the group consisting of.
  • the permeability, investment loss, etc. that do not specifically mention the measurement frequency are values measured at 3 MHz.
  • a method of manufacturing a powder for wireless charging includes a heating step and a heat treatment step.
  • the heating step is a step of heating the iron-containing raw material particles to a low temperature heat treatment temperature of 600° C. or less for 30 minutes to 2 hours in an oxygen-containing atmosphere.
  • the oxygen-containing atmosphere includes an atmospheric atmosphere, an oxygen-containing atmosphere, and the like, and is not particularly limited as long as it is an atmosphere in which the insulating layer described below is formed.
  • the iron-containing raw material particles are iron-containing particles applied in a wireless charging system.
  • the iron-containing raw material particles may be a FeSi-based alloy (FeSiAl alloy, FeSiCr alloy, FeSi nanocrystal), FeNi-based alloy, and the like.
  • the iron-containing raw material particles may have an iron (Fe) content of 20 mol% or more based on the total iron-containing raw material particles, and may be 20 to 98%.
  • the iron-containing raw material particles may be a material represented by Formula 1 below.
  • X is Al, Cr, Ni, Cu, or a combination thereof; Y is Mn, B, Co, Mo, or a combination thereof; 0.01 ⁇ a ⁇ 0.2, 0.01 ⁇ b ⁇ 0.1, and 0 ⁇ c ⁇ 0.05.
  • the particle diameter (D 50 ) of the iron-containing raw material particles may be about 3 nm to about 1 mm.
  • the iron-containing raw material particles may have a particle diameter (D 50 ) of about 5 to about 300 ⁇ m.
  • the iron-containing raw material particles may have a particle diameter (D 50 ) of about 10 to about 200 ⁇ m, and may be about 10 to about 150 ⁇ m.
  • the particle diameter (D 50 ) of the iron-containing raw material particles is within the above range, it is suitable for application to a magnetic sheet while exhibiting sufficient magnetic properties.
  • the iron-containing raw material particles may have a shape such as a spherical shape, a flake shape, and a rod shape.
  • the iron-containing raw material particles may have a flake shape, and accordingly, magnetic properties may be more effectively exhibited due to a large aspect ratio of the particles, and may be more evenly aligned by thermal pressure required when manufacturing in the form of a sheet. I can.
  • the low temperature heat treatment temperature may be applied to about 600 °C or less.
  • the low temperature heat treatment temperature may be about 200 to about 600°C, about 300 to about 600°C, and about 350 to about 600°C.
  • the efficiency of heat treatment may be degraded, and when the temperature exceeds about 600° C., the properties of the iron-containing raw material particles may change. Therefore, it is recommended to apply a low-temperature heat treatment temperature of about 300 to about 600 °C in order to manufacture a powder for wireless charging with reduced heat generation while maintaining the properties of the iron-containing raw material particles above the required level. It is better to apply a low temperature heat treatment temperature.
  • the elevated temperature means raising the temperature from room temperature (about 25° C.) to the low-temperature heat treatment temperature, and gradually increasing the temperature for about 30 minutes to about 2 hours is advantageous for surface treatment of the iron-containing raw material particles.
  • the heat treatment step is a step of preparing a powder for wireless charging in which an insulating layer is formed on the surface of the iron-containing raw material particles by maintaining at the low temperature heat treatment temperature for about 1 hour to about 10 hours.
  • the holding time of the low temperature heat treatment temperature is less than about 1 hour, the heat treatment may not be sufficient and thus the formation of the insulating layer may not be sufficient.
  • the holding time of the low-temperature heat treatment temperature exceeds about 10 hours, the efficiency of the process may be degraded.
  • the holding time may be about 1 hour to about 7 hours and about 1.5 hours to about 5 hours. If the holding time is applied in this range, the powder for wireless charging can be efficiently manufactured.
  • the powder for wireless charging includes an insulating layer together with the iron-containing raw material particles.
  • the powder for wireless charging may include an insulating layer containing iron oxide positioned on the surface of the iron-containing raw material particles.
  • the powder for wireless charging may include an insulating layer containing iron oxide located on the surface of the cluster of the iron-containing raw material particles.
  • the powder for wireless charging is characterized in that the current loss reduction index according to Equation 1 below has a value of about 1.1 to about 3.
  • Equation 1 L E is the current loss reduction index, Ru' is the permeability of the iron-containing raw material particles, Ru'' is the investment loss value of the iron-containing raw material particles, and Tu' is the wireless charging powder. Permeability, and Tu'' is the investment loss value of the powder for wireless charging.
  • the current loss reduction index may be about 1.1 to about 3, about 1.2 to about 3, and about 1.7 to about 3.
  • the powder for wireless charging having a current loss reduction index in the above range reduces heat generation for loss by remarkably reducing the eddy current loss that may occur between the powder particles or the insulating layer located on the cluster.
  • Wireless charging powder can be provided.
  • the magnetic permeability or investment loss value of the iron-containing raw material particles may be applied if the characteristics of the iron-containing raw material particles can be confirmed before heat treatment of the wireless charging powder. Otherwise, the magnetic permeability or the investment loss value of the iron-containing raw material particles in Examples can be evaluated by applying the characteristic values measured in the sample from which the insulating layer has been removed from the powder for wireless charging (the following equations 2 and 3 Same for evaluation).
  • the powder for wireless charging may have a magnetic permeability (u') of about 80 or more, about 100 or more, and about 110 or more, measured at about 3 MHz.
  • the powder for wireless charging may have a magnetic permeability (u') measured at about 100 kHz of about 100 or more and about 110 or more.
  • the powder for wireless charging may have a magnetic permeability maintenance index (Mu') evaluated by Equation 2 below of about 0.5 or more.
  • Equation 2 Mu' is the permeability maintenance index, Ru' is the permeability of the iron-containing raw material particles, and Tu' is the permeability of the powder for wireless charging.
  • the magnetic permeability maintenance index of the powder for wireless charging may be specifically about 0.5 to about 1.8, and may be about 0.55 to about 1.2.
  • the powder for wireless charging may have an investment loss maintenance index (Mu'') of about 1 or less evaluated by Equation 3 below.
  • Equation 3 Mu'' is the investment loss maintenance index, Ru'' is the investment loss of the iron-containing raw material particles, and Tu'' is the investment loss of the powder for wireless charging.
  • the powder for wireless charging may have the investment loss maintenance index (Mu") of about 0.1 to about 1, and may be about 0.2 to about 0.9.
  • the powder for wireless charging having such characteristics can further reduce heat generation due to losses caused by magnetic materials, and helps to enable more efficient wireless charging.
  • the powder for wireless charging may be included in a wireless power charging system applied to a power device included in a mobile device.
  • a means of transportation is a broad concept that refers to any means of moving a location by applying electricity as power, and a means of transportation (car, motorcycle, airplane, ship, etc.), goods (objects) that moves the driver and/or passengers.
  • transportation means herein such as trucks, forklifts, airplanes, ships, railways, etc.
  • the moving means includes moving means that are controlled remotely or with a program prepared in advance while the driver is not located within the moving means.
  • Examples of the mobile device include electric vehicles and drones.
  • the powder for wireless charging may be included in a wireless power transmitter or a wireless power receiver of an electric vehicle.
  • the powder for wireless charging may be included in a wireless charging pad included in a wireless power transmitting unit or a wireless power receiving unit of an electric vehicle.
  • the powder for wireless charging may be included in a magnetic sheet included in a wireless power transmitter or a wireless power receiver of an electric vehicle.
  • the powder for wireless charging may be included in a wireless power transmitter or a wireless power receiver of a drone.
  • the powder for wireless charging may be included in a wireless charging pad included in a wireless power transmitting unit or a wireless power receiving unit of a drone.
  • the powder for wireless charging may be included in a magnetic sheet included in a wireless power transmitter or a wireless power receiver of a drone.
  • the magnetic sheet is referred to as a wireless charging pad and will be described in detail later.
  • the above wireless power charging system is applied as an example of an electric vehicle and a drone, but is not limited thereto, and any system that supplies wireless power to a power device for the purpose of movement or transportation or a battery connected thereto can be applied.
  • the powder for wireless charging according to another embodiment includes the iron-containing raw material particles and the insulating layer, and the current loss reduction index according to Equation 1 below has a value of about 1.1 to about 3.
  • Equation 1 L E is the current loss reduction index, Ru' is the permeability of the iron-containing raw material particles, Ru' is the investment loss value of the iron-containing raw material particles, and Tu' is the wireless charging powder. Permeability, and Tu'' is the investment loss value of the powder for wireless charging.
  • Another embodiment is the use of a powder for wireless charging applied to a pad for wireless charging. Since the detailed description of the powder for wireless charging is duplicated with the above description, the description thereof is omitted.
  • the pad for wireless charging according to another embodiment includes the powder for wireless charging described above.
  • the wireless charging pad may contain the wireless charging powder in the magnetic sheet.
  • the wireless charging pad includes the wireless charging powder and a polymer resin.
  • the polymer resin may be a curable polymer resin composition.
  • the polymer resin composition may include a photocurable resin, a thermosetting resin, and/or a high heat-resistant thermoplastic resin, and preferably a thermosetting resin.
  • the polymer resin composition includes a polymer resin, and the polymer resin includes at least one functional group or moiety capable of curing by heat such as a glycidyl group, an isocyanate group, a hydroxy group, a carboxyl group, or an amide group; Or it contains one or more functional groups or moieties that can be cured by active energy such as an epoxide group, a cyclic ether group, a sulfide group, an acetal group or a lactone group. It can be.
  • the polymer resin includes at least one functional group or moiety capable of curing by heat such as a glycidyl group, an isocyanate group, a hydroxy group, a carboxyl group, or an amide group; Or it contains one or more functional groups or moieties that can be cured by active energy such as an epoxide group, a cyclic ether group, a sulfide group, an acetal group or a lactone group. It
  • the polymer resin may specifically include a functional group such as an isocyanate group (-NCO), a hydroxy group (-OH), or a carboxyl group (-COOH).
  • a functional group such as an isocyanate group (-NCO), a hydroxy group (-OH), or a carboxyl group (-COOH).
  • the polymer resin may include a polyurethane-based resin, an acrylic resin, a polyester resin, an isocyanate resin, or an epoxy resin having at least one or more functional groups or moieties mentioned above.
  • the polymer resin composition may include a polyurethane-based resin, an isocyanate-based curing agent, and an epoxy-based resin.
  • the polymer resin composition may include a polyurethane-based resin, an isocyanate-based curing agent, an epoxy-based resin, and an acrylic resin.
  • the polyurethane-based resin may include repeating units represented by Formulas 2a and 2b below.
  • R 1 and R 3 are each independently a C 1 to C 5 (C 1-5 ) alkyl group, a urea group, or an ether group;
  • R 2 and R 4 are each independently an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms (C 1-5 );
  • Each of R 1 to R 4 may independently have one or more substituents selected from the group consisting of halogen, hydroxy, cyano, amino and nitro.
  • the polyurethane-based resin may include the repeating unit represented by Formula 2a and the repeating unit represented by Formula 2b in a molar ratio of about 1:10 to about 10:1.
  • the polyurethane-based resin may have a number average molecular weight in the range of about 500 to about 50,000 g/mol, about 10,000 to about 50,000 g/mol, or about 10,000 to about 40,000 g/mol.
  • the isocyanate-based curing agent may be an organic diisocyanate.
  • the isocyanate-based curing agent may be an aromatic diisocyanate, an aliphatic diisocyanate, an alicyclic diisocyanate, or a mixture thereof.
  • the aromatic diisocyanate may be specifically an aryl diisocyanate having 6 to 20 (C 6 to 20 ) carbon atoms, and 1,5-naphthylene diisocyanate, 4,4'-diphenylmethane diisocyanate, 4,4' -Diphenyl-dimethylmethane diisocyanate, 4,4'-benzyl isocyanate, dialkyl-diphenylmethane diisocyanate, tetraalkyl-diphenylmethane diisocyanate, 1,3-phenylene diisocyanate, 1,4-phenylene It may be any one selected from the group consisting of diisocyanate, tolylene diisocyanate, xylene diisocyanate, and combinations thereof.
  • the alicyclic diisocyanate may specifically be a cycloalkyl diisocyanate having 6 to 20 carbon atoms (C 6 to 20 ), and cyclohexane-1,4-diisocyanate, isophorone diisocyanate, dicyclohexylmethane-4, It may be any one selected from the group consisting of 4'-diisocyanate, 1,3-bis(isocyanatemethyl)cyclohexane, methylcyclohexane diisocyanate, and combinations thereof.
  • the isocyanate-based curing agent may be an alicyclic diisocyanate, and in particular, may include isophorone diisocyanate.
  • the epoxy resin is a bisphenol type epoxy resin such as bisphenol A type epoxy resin, bisphenol F type epoxy resin, bisphenol S type epoxy resin, tetrabromobisphenol A type epoxy resin, and the like; Spiro-cyclic epoxy resin; Naphthalene type epoxy resin; Biphenyl type epoxy resin; Terpene type epoxy resin; Glycidyl ether type epoxy resins such as tris(glycidyloxyphenyl)methane and tetrakis(glycidyloxyphenyl)ethane; Glycidyl amine type epoxy resins such as tetraglycidyl diaminodiphenylmethane; And novolac-type epoxy resins such as cresol novolac-type epoxy resin, phenol novolac-type epoxy resin, ⁇ -naphthol novolac-type epoxy resin, brominated phenol novolac-type epoxy resin, and the like. These epoxy resins may be used alone or in combination of two or more.
  • epoxy resin when considering adhesiveness and heat resistance, it is preferable to apply a bisphenol A type epoxy resin, a cresol novolac type epoxy resin, or a tetrakis (glycidyloxyphenyl) ethane type epoxy resin to the polymer resin. .
  • the epoxy resin having an epoxy equivalent of about 80 to about 1,000 g/eq, or about 100 to about 300 g/eq to obtain the physical properties of the cured sheet to be described later.
  • the wireless charging pad may include about 50% by weight or more, or about 70% by weight or more of the powder for wireless charging.
  • the wireless charging pad may contain less than about 98% by weight of the wireless charging powder.
  • the pad for wireless charging has the characteristics of the insulating film and the magnetic sheet at the same time, and may have more excellent magnetic characteristics by including about 70% by weight or more of the powder for wireless charging.
  • the wireless charging pad may have improved loss characteristics and a low magnetic permeability, while at the same time having stable insulation and impact resistance of the polymer sheet.
  • the pad for wireless charging may include about 70 to about 95% by weight of the powder for wireless charging, and about 5% to about 30% by weight of a polymer resin.
  • the pad for wireless charging may include about 80 to about 95% by weight of powder for wireless charging, and about 5 to about 20% by weight of a polymer resin.
  • the pad for wireless charging may include about 85 to about 95% by weight of the powder for wireless charging, and about 5 to about 15% by weight of the polymer resin.
  • the polymer resin may include about 5 to about 25 parts by weight of the isocyanate-based curing agent, and about 3 to about 20 parts by weight of the epoxy-based resin based on 100 parts by weight of the polyurethane-based resin.
  • the polymer resin may include about 8 to about 21 parts by weight of the isocyanate-based curing agent, and about 5 to about 12 parts by weight of the epoxy resin, based on 100 parts by weight of the polyurethane-based resin.
  • the powder for wireless charging is sufficiently dispersed in the polymer numerical layer, while at the same time, sufficient impact resistance for the wireless charging pad , Strength, and insulation.
  • the polymeric resin may include about 6 to about 12 parts by weight of a polyurethane-based resin, about 0.5 to about 2 parts by weight of an isocyanate-based curing agent, and about 0.3 to about 1.5 parts by weight of an epoxy resin.
  • the pad for wireless charging may further include a rust inhibitor.
  • the rust inhibitor may be specifically an organic rust inhibitor or an inorganic rust inhibitor.
  • the organic rust inhibitors include amines, urea, mercaptobenzothiazole (MBT), benzotriazole, tolyltriazole, aldehydes, heterocyclic nitrogen compounds, sulfur-containing compounds, acetylenic compounds, ascorbic acid, These include succinic acid, tryptamine, and caffeine.
  • the rust inhibitor is N-benzyl-N,N-bis[(3,5-dimethyl-1H-pyrazol-1-yl)methyl]amine, 4-(1-methyl-1-phenylethyl)-N-[4 -(1-methyl-1-phenylethyl)phenyl]aniline, tris(benzimidazol-2-ylmethyl)amine, N-(2-perfuryl)-p-toluidine, N-(5-chloro-2- Perfuryl)-p-toluidine, N-(5-nitro-2-furfuryl)-p-toluidine, N-(5-methyl-2-perfuryl)-p-toluidine, N-(piperidinomethyl) -3-[(pyridylidene)amino]isatin, tetrakis[ethylene-3-(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl)propionate]methane, or a mixture thereof have.
  • the rust inhibitor may be applied in about 1 to about 10 parts by weight, about 1 to about 8 parts by weight, or about 3 to about 7 parts by weight based on 100 parts by weight of the sum of the content of the polymer resin composition and the powder for wireless charging. .
  • the method of manufacturing a wireless charging pad includes a slurry manufacturing step of preparing a slurry by mixing a composition containing a wireless charging powder and a polymer resin; And a molding step of forming the slurry into a sheet.
  • the forming step may be performed in a drying method of manufacturing the sheet into an uncured sheet or a reaction method of manufacturing the sheet into a cured sheet.
  • the slurry may further contain a solvent to an extent suitable for molding, and as the solvent, any one selected from the group consisting of 2-butanone, n-butyl acetate, toluene, and combinations thereof may be applied. It is not limited.
  • Powder 1 FeSiAl powder
  • powder 2 FeSiCr powder
  • Table 1 The properties of each powder are shown in Table 1 below.
  • Main ingredient D 50 (um) Permeability (1MHz) Powder 1 FeSiAl 50 to 80 160 or more Powder 2 FeSiCr 20 to 30 40 or more
  • Comparative Example 1-1 the powder 1 presented above was applied as it is, and in Comparative Example 1-2, the epoxy resin as organic material 1 and the powder 1 were mixed in a weight ratio of 3: 97 and then cured to obtain organic material 1 A coated sample was prepared and applied.
  • Comparative Example 1-3 an epoxy resin, which is an organic substance 1, and the powder 1 were mixed in a weight ratio of 3: 97 and then cured to prepare and apply a sample coated with an organic substance 1.
  • Comparative Example 1-4 a sample in which an Al 2 O 3 filler and the powder 1 were mixed in a weight ratio of 3: 97 was applied, and in the case of Comparative Example 1-5, a SiO 2 filler was used in a weight ratio of the powder 1 and 3: 97. The sample mixed with was applied.
  • Example 1-1 as a sample to which the low-temperature oxidation treatment of the present invention was applied, specifically, a sample having a low-temperature oxidation treatment on the surface of the particles was applied by raising the temperature to about 400° C. for 1 hour in an air atmosphere and then maintaining it for 2 hours or more. .
  • Comparative Examples 1-1 to 1-4 and Example 1-1 were all mixed with an epoxy resin to be prepared in a sheet shape, and the permeability and loss were measured.
  • the sheet had a solid content of 78% by weight, and the same was applied to both the powders of Examples and Comparative Examples.
  • the resultant permeability and investment loss were measured at 3 MHz using an impedance meter (4294A Precision Impedance Analyzer + 42942A Terminal Adapter, Agilent).
  • Low-temperature oxidation treatment was performed using the powder 1 prepared above. Specifically, heat treatment was performed at the temperature [°C] shown in Table 3 below in an atmospheric atmosphere, but the heating time to each indicated temperature was about 1 hour, and the heat treatment holding time after heating was applied for 1 to 5 hours.
  • the powder subjected to oxidation treatment on the heat-treated surface was mixed with an epoxy or urethane resin to form a sheet, and the permeability and loss were measured.
  • the sheet had a solid content of 85% by weight, and the same was applied to the powders of Examples and Comparative Examples.
  • both the permeability and loss rate were measured at 3 MHz, and the same measuring equipment as above was applied to the measurement.
  • Example 2-1 Do not apply 201 18 11.1 - - - Example 2-1 300 °C 193 15 12.6 1.14 0.96 0.83
  • Example 2-2 500 °C 116 4 29 2.61 0.58 0.22
  • the permeability/investment loss value is higher than the heat treatment temperature is higher, and the loss reduction index value is also higher. This is because of the hysteresis loss and eddy current loss that affect heat generation in magnetic materials, the eddy current loss has a greater effect, and by performing low-temperature oxidation treatment on the powder, the oxide layer is sufficiently formed for the powder particles while minimizing the change in the crystal structure itself. It is thought that this is because the eddy current loss between the powders is minimized even if the formation does not prevent the eddy current loss in the powder particles.
  • the magnetic permeability and the investment loss of the particles subjected to the low-temperature oxidation treatment and the particles without the oxidation treatment were measured at 100 kHz and the results were compared.
  • the permeability/investment loss value measured at 100 kHz was also higher than that without the heat treatment.

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Abstract

실시예의 무선충전용 파우더의 제조방법 등은 산소 함유 분위기에서 철 함유 원료입자를 600 ℃ 이하의 저온열처리온도까지 30분 내지 2시간 동안 승온하는 승온단계; 그리고 상기 저온열처리온도에서 1 내지 10시간 동안 유지하여 상기 철 함유 원료입자의 표면에 절연층이 형성된 무선충전용 파우더를 마련하는 열처리단계;를 포함하여, 발명의 상세한 설명에서 정의한 식 1에 따른 전류손실저감지수가 1.1 내지 3의 값을 갖는 무선충전용 파우더를 제조하며, 손실을 줄여 전기자동차, 드론 등의 무선충전용으로 활용될 수 있다.

Description

무선충전용 파우더, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 무선충전용 패드
실시예는 무선충전용 파우더, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 무선충전용 패드에 관한 것으로, 특히 전기자동차, 충전식 드론 등의 이동수단에 적용하기 유리한 무선충전용 파우더 등에 대한 것이다.
[연관된 출원과의 상호참조]
본 출원은 2019년 03월 21일에 출원된 대한민국 특허출원번호 10-2019-0032622에 의한 우선권의 이익을 가지며, 상기 우선권의 기초 출원의 내용 모두는 본 출원의 내용으로 포함된다.
일반적으로 무선전력충전은 전자기 유도(Electromagnetic Induction)를 통해 전류를 흐르게 하여 배터리를 충전하는 방식이다. 상기 방식은, 충전기의 1차 코일에 흐르는 전류에 의해 발생한 자기장이 배터리의 2차 코일에 유도전류를 발생시키고, 유도전류가 다시 화학적 에너지를 배터리에 충전시킨다. 상기 방식은 충전시에 접점이 노출돼 있지 않아 누전 등의 위험이 거의 없어 안전하고 전력선의 직접 연결이 없어 간편한 충전 방식이다.
최근 들어 전기자동차 등 충전식 전동이동수단이 대중화되면서 충전 인프라 구축에 대한 관심이 증대되고 있으며, 다양한 충전방식이 등장하고 있다.
전기자동차의 보급이 점차 늘어날 것으로 예상되고, 드론 등의 활용도 점차 활발해질 것으로 예상됨에 따라 충전시간을 단축시키고 편의성을 증대시킨 안전하고 빠른 충전방식이 요구되고 있다. 이에 따라, 콘센트에 플러그를 꽂아 사용하는 유선충전방식의 불편함을 해소할 수 있는 무선전력충전방식도 다양하게 제시되고 있다.
무선전력충전시스템에서 발생하는 열은, 충전 효율 등을 낮추는 손실을 의미한다. 무선전력충전시스템에서 발열은 주로 코일과 자성 재료에서 발생된다. 따라서 이러한 발열 문제를 저감시키는 것이 필요하다.
전술한 배경기술은 발명자가 실시예의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 실시예의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 명세서의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
관련 선행기술로는 국내공개특허 제10-2018-0082512호, 국내공개특허 제10-2016-0033996호 등을 들 수 있다.
실시예의 목적은 손실에 따른 발열을 감소시킨 무선충전용 파우더, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 무선충전용 패드를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 일 실시예는 산소 함유 분위기에서 철 함유 원료입자를 저온열처리온도까지 30분 내지 2시간 동안 승온하는 승온단계; 그리고 상기 저온열처리온도에서 1 내지 10시간 동안 유지하여, 상기 철 함유 원료입자의 표면에 절연층이 형성된 무선충전용 파우더를 마련하는 열처리단계;를 포함하여, 아래 식 1에 따른 전류손실저감지수가 1.1 내지 3의 값을 갖는 무선충전용 파우더를 제조하는, 무선충전용 파우더의 제조방법을 제공한다;
[식 1]
Figure PCTKR2020003879-appb-img-000001
상기 식 1에서, L E는 전류손실저감지수이고, 상기 Ru'은 철 함유 원료입자의 투자율이고, 상기 Ru''은 철 함유 원료입자의 투자손실 값이며, 상기 Tu'은 무선충전용 파우더의 투자율이고, 상기 Tu''은 무선충전용 파우더의 투자손실 값이다.
상기 저온열처리온도는 600 ℃를 넘지 않는다.
상기 철 함유 원료입자는 D 50이 300 um 이하일 수 있다.
상기 저온열처리온도는 300 내지 600 ℃일 수 있다.
상기 무선충전용 파우더는 산화철 함유 절연층을 포함할 수 있다.
상기 산화철 함유 절연층은, 상기 철 함유 원료입자의 적어도 일 표면에 위치할 수 있다.
상기 산화철 함유 절연층은, 상기 철 함유 원료입자의 클러스터의 적어도 일 표면에 위치할 수 있다.
상기 철 함유 원료입자는 상기 철 함유 원료입자 전체를 기준으로 철(Fe) 함량이 20 몰% 이상일 수 있다.
상기 철 함유 원료입자는 100 MHz에서 측정한 투자율이 100 이상일 수 있다.
다른 일 실시예는 철 함유 원료입자 및 절연층을 포함하는 무선충전용 파우더를 제공한다. 상기 절연층은 상기 철 함유 원료입자 또는 상기 철 함유 원료입자를 포함하는 클러스터의 적어도 일 표면에 위치한다. 전류손실저감지수는 아래 식 1에 따른 값이고, 상기 무선충전용 파우더는 상기 전류손실저감지수가 1.1 내지 3이다.
[식 1]
Figure PCTKR2020003879-appb-img-000002
상기 식 1에서, L E는 전류손실저감지수이고, 상기 Ru'은 철 함유 원료입자의 투자율이고, 상기 Ru''은 철 함유 원료입자의 투자손실값이며, 상기 Tu'은 무선충전용 파우더의 투자율이고, 상기 Tu''은 무선충전용 파우더의 투자손실 값이다.
상기 무선충전용 파우더는 아래 식 2로 평가하는 투자율유지지수(Mu')가 0.5 이상일 수 있다.
[식 2]
Figure PCTKR2020003879-appb-img-000003
상기 식 2에서, Mu'는 투자율유지지수이고, 상기 Ru'은 철 함유 원료입자의 투자율이고, 상기 Tu'은 무선충전용 파우더의 투자율이다.
상기 무선충전용 파우더는 아래 식 3으로 평가하는 투자손실유지지수(Mu'')가 1 이하일 수 있다.
[식 3]
Figure PCTKR2020003879-appb-img-000004
상기 식 3에서, Mu''는 투자손실유지지수이고, 상기 Ru''은 철 함유 원료입자의 투자손실이고, 상기 Tu''은 무선충전용 파우더의 투자손실이다.
상기 철 함유 원료입자는 D 50이 300 um 이하일 수 있다.
상기 무선충전용 파우더는 상기 철 함유 원료입자 또는 상기 철 함유 원료입자의 클러스터의 표면에 위치하는 산화철 함유 절연층을 포함할 수 있다.
상기 철 함유 원료입자는 상기 철 함유 원료입자 전체를 기준으로 철(Fe) 함량이 20 몰% 이상일 수 있다.
상기 철 함유 원료입자는 100 MHz에서 측정한 투자율이 100 이상일 수 있다.
상기 무선충전용 파우더는 이동장치에 적용되는 무선전력충전시스템에 포함될 수 있다.
상기 무선전력충전시스템은 전기자동차의 무선충전시스템 또는 드론의 무선충전시스템일 수 있다.
상기 이동장치는 전기자동차 또는 드론일 수 있다.
다른 일 실시예는 무선충전용 패드에 적용되는 무선충전용 파우더의 용도일 수 있다. 상기 무선충전용 파우더는 철 함유 원료입자 및 절연층을 포함하고, 상기 절연층은 상기 철 함유 원료입자 또는 상기 철 함유 원료입자를 포함하는 클러스터의 적어도 일 표면에 위치하고, 전류손실저감지수는 아래 식 1에 따른 값이고, 상기 전류손실저감지수가 1.1 내지 3이다.
[식 1]
Figure PCTKR2020003879-appb-img-000005
상기 식 1에서, L E는 전류손실저감지수이고, 상기 Ru'은 철 함유 원료입자의 투자율이고, 상기 Ru''은 철 함유 원료입자의 투자손실값이며, 상기 Tu'은 무선충전용 파우더의 투자율이고, 상기 Tu''은 무선충전용 파우더의 투자손실 값이다.
다른 일 실시예는 무선충전용 파우더를 포함하는 무선충전용 패드를 제공하고, 상기 무선충전용 파우더는 아래 식 1에 따른 전류손실저감지수가 1.1 내지 3의 값을 갖는다.
[식 1]
Figure PCTKR2020003879-appb-img-000006
상기 식 1에서, L E는 전류손실저감지수이고, 상기 Ru'은 철 함유 원료입자의 투자율이고, 상기 Ru''은 철 함유 원료입자의 투자손실값이며, 상기 Tu'은 무선충전용 파우더의 투자율이고, 상기 Tu''은 무선충전용 파우더의 투자손실 값이다.
실시예의 무선충전용 파우더, 이의 제조방법, 이를 포함하는 무선충전용 패드 등은 저온열처리를 통한 절연층 형성 등의 방법으로 손실에 따른 발열을 감소시키고, 특히 입자간 발생하는 와전류 손실을 감소시켜 발열이 저감된 무선충전용 파우더 등을 제공할 수 있다.
실시예의 무선충전용 파우더, 무선충전용 패드 등은 이동장치에 전력을 전달하는 무선전력전달시스템에 포함되어 보다 효과적인 무선충전효율을 가져올 수 있다.
이하, 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 실시예는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구체 실시예에 한정되지 않는다.
본 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본 명세서 전체에서, “제1”, “제2” 또는 “A”, “B”와 같은 용어는 동일한 용어를 서로 구별하기 위하여 사용된다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 단수 표현은 특별한 설명이 없으면 문맥상 해석되는 단수 또는 복수를 포함하는 의미로 해석된다.
명세서 전체에서, 어떤 구성이 다른 구성과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐 아니라, '그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성이 어떤 구성을 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 그 외 다른 구성을 제외하는 것이 아니라 다른 구성들을 더 포함할 수도 있음을 의미한다.
명세서 전체에서, 특별히 측정 주파수를 언급하지 않은 투자율, 투자손실 등은 3 MHz에서 측정한 값이다.
이하, 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 일 실시예에 따른 무선충전용 파우더의 제조방법은, 승온단계 그리고 열처리단계를 포함한다.
상기 승온단계는 산소 함유 분위기에서 철 함유 원료입자를 600 ℃ 이하의 저온열처리온도까지 30분 내지 2시간 동안 승온하는 단계이다.
상기 산소 함유 분위기는 대기분위기, 산소가 함유된 분위기 등을 포함하며, 이하 설명하는 절연층이 형성되는 분위기라면 특별히 제한되지 않는다.
상기 철 함유 원료입자는, 무선 충전 시스템에서 적용되는 철 함유 입자이다.
구체적으로 상기 철 함유 원료입자는 FeSi계 합금 (FeSiAl 합금, FeSiCr합금, FeSi나노크리스탈), FeNi계 합금 등이 적용될 수 있다.
상기 철 함유 원료입자는 상기 철 함유 원료입자 전체를 기준으로 철(Fe) 함량이 20 몰% 이상일 수 있고, 20 내지 98%일 수 있다.
상기 철 함유 원료입자는 아래 화학식 1로 표시되는 재료일 수 있다.
[화학식 1]
Fe 1-a-b-c Si a X b Y c
상기 화학식 1에서, 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 철 함유 원료입자의 입경(D 50)은 약 3nm 내지 약 1mm일 수 있다. 상기 철 함유 원료입자는 그 입경(D 50)이 약 5 내지 약 300 ㎛일 수 있다. 상기 철 함유 원료입자는 그 입경(D 50)이 약 10 내지 약 200㎛일 수 있고, 약 10 내지 약 150 ㎛일 수 있다. 상기 철 함유 원료입자의 입경(D 50)이 상기 범위 내일 때에는 충분한 자성 특성을 나타내면서도 자성 시트에 적용하기에 좋다.
상기 철 함유 원료입자는 구상, 플레이크상, 막대상 등의 형상을 가질 수 있다. 바람직하게는, 상기 철 함유 원료입자는 플레이크 형상을 가질 수 있고, 이에 따라 입자의 종횡비가 커서 자성 특성이 보다 효과적으로 발휘될 수 있으며, 시트의 형태로 제조할 때에 필요한 열가압 등에 의해 보다 고르게 정렬될 수 있다.
상기 저온열처리온도는 약 600 ℃ 이하로 적용될 수 있다. 상기 저온열처리온도는 약 200 내지 약 600 ℃일 수 있고, 약 300 내지 약 600 ℃ 일 수 있고, 약 350 내지 약 600 ℃일 수 있다. 상기 저온열처리 온도가 약 200 ℃ 미만일 경우에는 열처리의 효율성이 떨어질 수 있고, 약 600 ℃ 초과일 경우에는 철 함유 원료입자 자체의 성질이 변할 가능성이 있다. 따라서, 철 함유 원료입자의 특성을 필요한 수준 이상으로 유지하면서 발열이 저감된 무선충전용 파우더를 제조하기 위해서 약 300 내지 약 600 ℃의 저온열처리온도를 적용하는 것이 좋으며, 약 350 내지 약 600 ℃의 저온열처리온도를 적용하는 것이 더 좋다.
상기 승온은 상온(약 25 ℃)에서 상기 저온열처리온도까지 온도를 올리는 것을 의미하며, 약 30 분 내지 약 2 시간 동안 서서히 승온하는 것이 철 함유 원료입자의 표면처리에 유리하다.
상기 열처리단계는, 상기 저온열처리온도에서 약 1 시간 내지 약 10시간 동안 유지하여 상기 철 함유 원료입자의 표면에 절연층이 형성된 무선충전용 파우더를 마련하는 단계이다.
상기 저온열처리온도의 유지시간이 약 1 시간 미만인 경우에는 열처리가 충분하지 못하여 절연층 형성이 충분하지 않을 수 있다. 상기 저온열처리온도의 유지시간이 약 10 시간 초과로 실시하는 경우에는 공정의 효율성이 떨어질 수 있다. 상기 유지시간은 약 1 시간 내지 약 7시간일 수 있고 약 1.5 시간 내지 약 5시간 일 수 있다. 이러한 범위로 유지시간을 적용하는 경우 효율적으로 무선충전용 파우더를 제조할 수 있다.
상기 무선충전용 파우더는 상기 철 함유 원료입자와 함께 절연층을 포함한다.
상기 무선충전용 파우더는 상기 철 함유 원료입자의 표면에 위치하는 산화철 함유 절연층을 포함할 수 있다. 또는, 상기 무선충전용 파우더는 상기 철 함유 원료입자의 클러스터의 표면에 위치하는 산화철 함유 절연층을 포함할 수 있다.
상기 무선충전용 파우더는 아래 식 1에 따른 전류손실저감지수가 약 1.1 내지 약 3의 값을 갖는 것을 하나의 특징으로 한다.
[식 1]
Figure PCTKR2020003879-appb-img-000007
상기 식 1에서, L E는 전류손실저감지수이고, 상기 Ru'은 철 함유 원료입자의 투자율이고, 상기 Ru''은 철 함유 원료입자의 투자손실 값이며, 상기 Tu'은 무선충전용 파우더의 투자율이고, 상기 Tu''은 무선충전용 파우더의 투자손실 값이다.
구체적으로, 상기 전류손실저감지수는 약 1.1 내지 약 3일 수 있고, 약 1.2 내지 약 3 일 수 있으며, 약 1.7 내지 약 3 일 수 있다. 상기한 범위의 전류손실저감지수를 갖는 무선충전용 파우더는 파우더 입자 또는 클러스터 상에 위치하는 절연층에 의하여 입자 사이에 발생할 수 있는 와전류 손실을 현저히 저감시키는 등의 방법으로 손실에 대한 발열을 감소시킨 무선충전용 파우더를 제공할 수 있다.
실시예에서 철 함유 원료입자의 투자율 또는 투자손실값 등은 무선충전용 파우더의 열처리 전 철 함유 원료입자의 특성을 확인할 수 있다면 그 특성을 적용할 수 있다. 그렇지 않는다면, 실시예에서 철 함유 원료입자의 투자율 또는 투자손실값 등은 무선충전용 파우더에서 절연층이 제거된 샘플에서 측정된 그 특성값을 적용하여 평가할 수 있다(이하 식 2 및 식 3에 대한 평가에서도 동일함).
상기 무선충전용 파우더는 약 3 MHz에서 측정한 투자율(u')은 약 80 이상일 수 있고, 약 100 이상일 수 있고, 약 110 이상일 수 있다.
상기 무선충전용 파우더는 약 100 kHz에서 측정한 투자율(u')은 약 100 이상일 수 있고, 약 110 이상일 수 있다.
상기 무선충전용 파우더는 아래 식 2로 평가하는 투자율유지지수(Mu')가 약 0.5 이상일 수 있다.
[식 2]
Figure PCTKR2020003879-appb-img-000008
상기 식 2에서, Mu'는 투자율유지지수이고, 상기 Ru'은 철 함유 원료입자의 투자율이고, 상기 Tu'은 무선충전용 파우더의 투자율이다.
상기 무선충전용 파우더의 투자율유지지수는 구체적으로 약 0.5 내지 약 1.8일 수 있고, 약 0.55 내지 약 1.2 일 수 있다.
상기 무선충전용 파우더는 아래 식 3으로 평가하는 투자손실유지지수(Mu'')가 약 1 이하일 수 있다.
[식 3]
Figure PCTKR2020003879-appb-img-000009
상기 식 3에서, Mu''는 투자손실유지지수이고, 상기 Ru''은 철 함유 원료입자의 투자손실이고, 상기 Tu''은 무선충전용 파우더의 투자손실이다.
상기 무선충전용 파우더는 상기 투자손실유지지수(Mu'')가 약 0.1 내지 약 1 인 것일 수 있고, 약 0.2 내지 약 0.9인 것일 수 있다.
이러한 특징을 갖는 무선충전용 파우더는 자성 재료에서 기인하는 손실에 따른 발열 현상을 보다 줄일 수 있고, 더 효율적인 무선충전을 가능하도록 돕는다.
상기 무선충전용 파우더는 이동장치에 포함되는 동력장치에 적용되는 무선전력충전시스템에 포함될 수 있다.
이동수단은 전기를 동력으로 적용하여 위치를 이동하는 모든 수단을 의미하는 광의의 개념으로, 운전자 및/또는 탑승자를 이동시키는 협의의 이동수단(자동차, 오토바이, 비행기, 배 등), 재화(물건)의 물리적 위치 이동을 목적으로 하는 운송수단(트럭, 지게차 등 중장비, 비행기, 배, 철도 등)을 포함한다. 또한, 상기 이동수단은 운전자가 해당 이동수단 내에 위치하지 않은 상태에서 원격으로 또는 미리 준비된 프로그램으로 조정되는 이동수단을 포함한다.
상기 이동장치는 예시적으로 전기자동차, 드론 등이 있다.
상기 무선충전용 파우더는 전기자동차의 무선전력송신부 또는 무선전력수신부에 포함될 수 있다.
상기 무선충전용 파우더는 전기자동차의 무선전력송신부 또는 무선전력수신부에 포함되는 무선충전용 패드에 포함될 수 있다.
상기 무선충전용 파우더는 전기자동차의 무선전력송신부 또는 무선전력수신부에 포함되는 자성시트에 포함될 수 있다.
상기 무선충전용 파우더는 드론의 무선전력송신부 또는 무선전력수신부에 포함될 수 있다.
상기 무선충전용 파우더는 드론의 무선전력송신부 또는 무선전력수신부에 포함되는 무선충전용 패드에 포함될 수 있다.
상기 무선충전용 파우더는 드론의 무선전력송신부 또는 무선전력수신부에 포함되는 자성시트에 포함될 수 있다.
상기 자성시트는 무선충전용 패드라 칭하여 뒤에서 자세히 설명한다
위에서 무선전력충전시스템이 적용되는 것으로 전기자동차, 드론을 예시하나, 이에 한정되지 않고, 이동이나 운반을 목적으로 하는 동력장치 또는 이와 연결된 베터리에 무선전력을 공급하는 시스템이라면 적용될 수 있다.
다른 일 실시예에 따른 무선충전용 파우더는 철 함유 원료입자 및 절연층을 포함하여, 아래 식 1에 따른 전류손실저감지수가 약 1.1 내지 약 3의 값을 갖는다.
[식 1]
Figure PCTKR2020003879-appb-img-000010
상기 식 1에서, L E는 전류손실저감지수이고, 상기 Ru'은 철 함유 원료입자의 투자율이고, 상기 Ru''은 철 함유 원료입자의 투자손실값이며, 상기 Tu'은 무선충전용 파우더의 투자율이고, 상기 Tu''은 무선충전용 파우더의 투자손실 값이다.
상기 무선충전용 파우더에 대한 구체적인 설명은 위에서 한 설명과 중복되므로 그 기재를 생략한다.
다른 일 실시예는 무선충전용 패드에 적용되는 무선충전용 파우더의 용도이다. 상기 무선충전용 파우더에 대한 구체적인 설명은 위에서 한 설명과 중복되므로 그 기재를 생략한다.
다른 일 실시예에 따른 무선충전용 패드는 위에서 설명한 무선충전용 파우더를 포함한다.
무선충전용 패드는 상기 무선충전용 파우더를 자성시트 내에 포함할 수 있다.
상기 무선충전용 패드는 상기 무선충전용 파우더와 고분자 수지를 포함한다.
상기 고분자 수지는 경화성 고분자 수지 조성물이 적용될 수 있다. 예시적으로, 상기 고분자 수지 조성물은 광경화성 수지, 열경화성 수지, 및/또는 고내열 열가소성 수지를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 열경화성 수지를 포함할 수 있다.
상기 고분자 수지 조성물은 경화된 후 금속층 또는 별도의 고분자 수지층(예시: 폴리이미드층)과의 사이에 우수한 접착성을 가지면서도, 우수한 내화학성, 열안정성, 형태안정성 등을 가지는 것을 적용하는 것이 좋다. 또한, 상기 고분자 수지 조성물은 시트 형상으로 성형시에 작업성이 우수한 것을 적용하는 것이 더 좋다.
예시적으로, 상기 고분자 수지 조성물은 고분자 수지를 포함하고, 상기 고분자 수지는 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 것일 수 있다.
예시적으로 상기 고분자 수지는 구체적으로 이소시아네이트기(-NCO), 히드록시기(-OH), 또는 카복실기(-COOH)인 관능기를 포함할 수 있다.
예시적으로 상기 고분자 수지는 위에서 언급한 관능기 또는 부위를 적어도 하나 이상 가지는 폴리우레탄계 수지, 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지, 이소시아네이트 수지 또는 에폭시 수지 등을 포함할 수 있다.
예시적으로, 상기 고분자 수지 조성물은 폴리우레탄계 수지, 이소시아네이트계 경화제 및 에폭시계 수지를 포함할 수 있다.
상기 고분자 수지 조성물은 폴리우레탄계 수지, 이소시아네이트계 경화제, 에폭시계 수지 및 아크릴계 수지를 포함할 수 있다.
상기 폴리우레탄계 수지는 하기 화학식 2a 및 2b로 표시되는 반복단위들을 포함할 수 있다.
[화학식 2a]
Figure PCTKR2020003879-appb-img-000011
[화학식 2b]
Figure PCTKR2020003879-appb-img-000012
상기 화학식 2a 또는 화학식 2b에서, R 1 및 R 3는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 5(C 1-5)인 알킬기, 우레아기, 또는 에테르기이고; R 2 및 R 4는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 5(C 1-5)인 알킬기이며; 상기 R 1 내지 R 4는 각각 독립적으로 할로겐, 히드록시, 시아노, 아미노 및 니트로로 이루어진 군에서 선택된 치환기를 1개 이상 가질 수 있다.
상기 폴리우레탄계 수지는 상기 화학식 2a로 표시되는 반복단위와 상기 화학식 2b로 표시되는 반복단위를 약 1:10 내지 약 10:1의 몰비로 포함할 수 있다.
상기 폴리우레탄계 수지는 약 500 내지 약 50,000 g/mol의 범위, 약 10,000 내지 약 50,000 g/mol의 범위, 또는 약 10,000 내지 약 40,000 g/mol의 범위의 수평균분자량을 가질 수 있다.
상기 이소시아네이트계 경화제는 유기 디이소시아네이트일 수 있다.
구체적으로, 상기 이소시아네이트계 경화제는 방향족 디이소시아네이트, 지방족 디이소시아네이트, 지환족 디이소시아네이트, 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 방향족 디이소시아네이트는, 구체적으로 탄소수 6 내지 20(C 6~20)인 아릴 디이소시아네이트일 수 있고, 1,5-나프틸렌 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 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 지환족 디이소시아네이트는, 구체적으로 탄소수 6 내지 20(C 6~20)인 사이클로알킬 디이소시아네이트일 수 있고, 사이클로헥산-1,4-디이소시아네이트, 이소포론 디이소시아네이트, 디사이클로헥실메탄-4,4'-디이소시아네이트, 1,3-비스(이소시아네이트메틸)사이클로헥산, 메틸사이클로헥산 디이소시아네이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
구체적으로, 상기 이소시아네이트계 경화제는 지환족 디이소시아네이트일 수 있으며, 특히 이소포론 디이소시아네이트를 포함할 수 있다.
상기 에폭시계 수지는, 구체적으로 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.
상기 에폭시계 수지로는, 접착성과 내열성을 고려할 때, 비스페놀 A형 에폭시 수지, 크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 또는 테트라키스(글리시딜옥시페닐)에탄형 에폭시 수지를 상기 고분자 수지에 적용하는 것이 좋다.
상기 에폭시계 수지는 약 80 내지 약 1,000 g/eq, 또는 약 100 내지 약 300 g/eq의 에폭시 당량을 갖는 것을 적용하는 것이 후술하는 경화시트의 물성을 얻기에 좋다.
상기 에폭시계 수지는 약 10,000 내지 약 50,000 g/mol의 범위의 수평균 분자량을 갖는 것을 적용하는 것이 후술하는 경화시트의 물성을 얻기에 좋다.
상기 무선충전용 패드는 무선충전용 파우더를 약 50 중량% 이상, 또는 약 70 중량% 이상으로 포함할 수 있다. 상기 무선충전용 패드는 무선충전용 파우더를 약 98 중량% 이하로 포함할 수 있다. 상기 무선충전용 패드는 절연필름의 특성과 자성시트의 특징을 동시에 갖는 것으로, 무선충전용 파우더를 약 70 중량% 이상으로 포함해서 보다 우수한 자성특성을 가질 수 있다.
상기 무선충전용 패드는 향상된 손실 특성과 함께, 낮은 투자손실율을 부여하면서 안정적인 고분자 시트의 절연성과 내충격성을 동시에 가질 수 있다.
예시적으로, 상기 무선충전용 패드는 무선충전용 파우더를 약 70 내지 약 95 중량%로 포함하고, 고분자 수지를 약 5 중량% 내지 약 30 중량%로 포함할 수 있다.
예시적으로, 상기 무선충전용 패드는 무선충전용 파우더를 약 80 내지 약 95 중량%로, 고분자 수지를 약 5 내지 약 20 중량%로 포함할 수 있다.
예시적으로, 상기 무선충전용 패드는 무선충전용 파우더를 약 85 내지 약 95 중량%로, 고분자 수지를 약 5 내지 약 15 중량%로 포함할 수 있다.
상기 고분자 수지는 상기 폴리우레탄계 수지 100 중량부를 기준으로 상기 이소시아네이트계 경화제를 약 5 내지 약 25 중량부, 및 상기 에폭시계 수지를 약 3 내지 약 20 중량부 포함할 수 있다.
상기 고분자 수지는 상기 폴리우레탄계 수지 100 중량부를 기준으로, 상기 이소시아네이트계 경화제를 약 8 내지 약 21 중량부, 및 상기 에폭시계 수지를 약 5 내지 약 12 중량부 포함할 수 있다.
이러한 함량의 범위로 상기 폴리우레탄계 수지, 이소이사네이트계 경화제 및 에폭시계 수지를 함께 포함하는 경우, 상기 고분자 수치층 내에 무선충전용 파우더가 충분하게 분산되어 있도록 하면서도 동시에 무선충전용 패드에 충분한 내충격성, 강도, 그리고 절연성을 부여할 수 있다.
상기 고분자 수지는 약 6 내지 약 12 중량부의 폴리우레탄계 수지, 약 0.5 내지 약 2 중량부의 이소시아네이트계 경화제 및 약 0.3 내지 약 1.5 중량부의 에폭시계 수지를 포함할 수 있다.
상기 무선충전용 패드는 방청제를 더 포함할 수 있다. 상기 방청제는 구체적으로 유기 방청제 또는 무기 방청제일 수 있다.
상기 유기 방청제는 구체적으로, 아민류, 우레아(urea), 머캅토벤조티아졸(MBT), 벤조트리아졸, 톨릴트리아졸, 알데히드류, 헤테로고리 질소 화합물, 황 함유 화합물, 아세틸렌성 화합물, 아스코르브산, 석신산, 트립타민, 카페인 등이 있다. 상기 방청제는 N-벤질-N,N-비스[(3,5-디메틸-1H-피라졸-1-일)메틸]아민, 4-(1-메틸-1-페닐에틸)-N-[4-(1-메틸-1-페닐에틸)페닐]아닐린, 트리스(벤즈이미다졸-2-일메틸)아민, N-(2-퍼퓨릴)-p-톨루이딘, N-(5-클로로-2-퍼퓨릴)-p-톨루이딘, N-(5-니트로-2-퍼퓨릴)-p-톨루이딘, N-(5-메틸-2-퍼퓨릴)-p-톨루이딘, N-(피페리디노메틸)-3-[(피리딜리덴)아미노]이사틴, 테트라키스[에틸렌-3-(3,5-디-tert-부틸-4-하이드록시페닐)프로피오네이트]메탄, 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 방청제는 상기 고분자 수지 조성물 함량과 상기 무선충전용 파우더의 함량의 합 100 중량부를 기준으로 약 1 내지 약 10 중량부, 약 1 내지 약 8 중량부, 또는 약 3 내지 약 7 중량부로 적용될 수 있다.
무선충전용 패드의 제조방법에 대해 설명한다.
무선충전용 패드의 제조방법은, 무선충전용 파우더 및 고분자 수지를 포함하는 조성물을 혼합하여 슬러리로 제조하는 슬러리제조단계; 그리고 상기 슬러리를 시트로 성형하는 성형단계;를 포함한다.
상기 성형단계는 상기 시트를 미경화 시트로 제조하는 건조 방식으로 또는 경화 시트로 제조하는 반응 방식으로 진행될 수 있다.
상기 슬러리는 성형에 적절할 정도로 용매를 더 포함할 수 있으며, 상기 용매로는 예를 들어 2-부탄온, n-부틸 아세테이트, 톨루엔 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나가 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 구체적인 실험예를 통해 실시예를 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실험예는 실시예의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
1. 금속 함유 파우더의 준비
파우더 1(FeSiAl 파우더)와 파우더 2(FeSiCr 파우더)를 철 함유 파우더로 준비하였다. 각각 파우더의 특성은 아래 표 1과 같다.
주 성분 D 50 (um) 투자율 (1MHz)
파우더 1 FeSiAl 50 내지 80 160 이상
파우더 2 FeSiCr 20 내지 30 40 이상
2. 처리 방법에 따른 투자율 및 손실률 변화 평가
위의 파우더 1을 활용하여 다양한 표면처리 또는 절연처리를 진행하였다.
구체적으로, 비교예 1-1은 위에서 제시한 파우더 1을 그대로 적용했고, 비교예 1-2는 유기물 1인 에폭시 수지와 상기 파우더 1을 3: 97의 중량비로 혼합한 후 경화처리 하여 유기물 1이 코팅된 샘플을 제조하여 적용했다. 비교예 1-3은 유기물 1인 에폭시 수지와 상기 파우더 1을 3: 97의 중량비로 혼합한 후 경화처리 하여 유기물 1이 코팅된 샘플을 제조하여 적용했다.
비교예 1-4는 Al 2O 3 필러와 상기 파우더 1을 3: 97의 중량비로 혼합한 샘플을 적용했으며, 비교예 1-5의 경우에는 SiO 2 필러를 상기 파우더 1과 3: 97의 중량비로 혼합한 샘플을 적용했다.
실시예 1-1의 경우, 본 발명의 저온산화처리를 적용한 샘플로, 구체적으로 대기 분위기에서 약 400 ℃로 1시간동안 승온 한 후 2시간 이상 유지하여 입자 표면이 저온산화처리된 샘플을 적용했다.
상기 비교예 1-1 내지 1-4, 실시예 1-1의 샘플들은 모두 에폭시 수지와 혼합되어 시트 형상으로 제조하여 투자율, 손실 등의 측정을 진행했다. 시트는 고형분의 함량을 78 중량%로 실시예와 비교예의 파우더들에 모두 동일하게 적용했다.
그 결과물의 투자율과 투자손실을 임피던스 측정기(4294A Precision Impedance Analyzer + 42942A Terminal Adapter, Agilent社)를 활용하여 3 MHz에서 측정했다.
또한, 미처리 파우더 1의 투자율/투자손실 값을 기준으로 위의 식 1 내지 3에 따른 값을 측정하고 그 결과를 아래 표 2에 함께 나타냈다.
물질 투자율(u’) 투자손실(u”) 투자율/투자손실 손실저감지수 투자율유지지수 투자손실유지지수
비교예 1-1 파우더 1 141 15.4 9.1 - - -
비교예 1-2 유기물 코팅1 180.3 17.1 10.5 1.15 1.28 1.11
비교예 1-3 유기물 코팅 1 79 5.2 15.1 1.66 0.56 0.34
비교예 1-4 Al 2O 3 필러 혼합 157.8 13.8 11.4 1.25 1.12 0.90
비교예 1-5 SiO 2 필러 혼합 121.7 9.6 12.6 1.38 0.86 0.62
실시예 1-1 저온산화처리 125.4 7.5 16.7 1.84 0.89 0.49
상기 표 2의 결과를 참고하면, 유기물 코팅이나 알루미나 필러 또는 실리카 필러를 적용한 경우와 비교해서 저온산화처리를 한 경우가 손실저감지수가 상당히 우수하게 나타난다는 점을 확인할 수 있다. 비교예 1-3의 경우 유기물 2를 코팅하여 손실저감지수는 1.5 이상인 값으로 나타나나 투자율이 상당히 떨어진다는 점을 확인할 수 있었다.
3. 저온 산화 처리 온도에 따른 투자율 및 손실 변화 평가
위에서 준비한 파우더 1을 이용해 저온 산화처리를 진행했다. 구체적으로, 대기 분위기 하에서 아래 표 3에 제시된 온도[℃]로 열처리를 하되, 각각 표시된 온도까지의 승온시간은 약 1시간을, 그리고 승온 후 열처리 유지시간은 1 내지 5시간을 적용했다. 열처리가 완료된 표면에 산화처리가 된 파우더는 에폭시 또는 우레탄수지와 혼합되어 시트 형상으로 제조하여 투자율, 손실 등의 측정을 진행했다. 시트는 고형분의 함량을 85 중량%로 실시예와 비교예의 파우더들에 모두 동일하게 적용했다. 또한, 투자율과 손실율은 모두 3 MHz에서 측정한 결과를 나타냈으며 측정에는 위와 동일한 측정기기를 적용했다.
또한, 식 1 내지 3에 따른 지수도 평가하여 표 3에 함께 나타냈다.
열처리 온도 투자율(u’) 투자손실(u”) 투자율/투자손실 손실저감지수 투자율유지지수 투자손실유지지수
비교예 2-1 적용 안함 201 18 11.1 - - -
실시예 2-1 300 ℃ 193 15 12.6 1.14 0.96 0.83
실시예 2-2 500 ℃ 116 4 29 2.61 0.58 0.22
상기 표 3의 결과를 참고하면, 열처리 온도가 높을 보다 투자율/투자손실 값이 높아지고, 손실저감지수 값도 더 커진다는 점을 확인할 수 있다. 이는 자성 재료에서 발열에 영향을 미치는 히스테리시스 손실과 와전류 손실 중에서 와전류 손실이 보다 큰 영향을 미치며, 파우더에 저온 산화 처리를 진행하여, 입자의 결정구조 자체의 변화는 최소화하면서 파우더 입자에 충분한 정도로 산화층을 형성하여 파우더 입자 내의 와전류 손실은 막지 못하더라도 파우더간 와전류 손실을 최소화하였기 때문이라 생각된다.
4. 100 kHz 이하 주파수에서 투자율 및 손실 변화 평가
위와 유사하게, 저온산화처리를 진행한 입자와 산화처리를 진행하지 않은 입자의 투자율과 투자손실을 100 kHz에서 측정하고 그 결과를 비교하였다.
물질 투자율 투자손실 투자율/투자손실 손실저감지수 투자율유지지수 투자손실유지지수
비교예 3-1 열처리 안함 180 14 12.86 - - -
실시예 3-1 저온산화처리 117 3.5 33.43 2.6 0.65 0.25
상기 표 4를 참고하면, 본 발명의 저온산화처리를 한 철 함유 파우더의 경우100 kHz에서 측정한 투자율/투자손실 값 역시 열처리를 하지 않은 것과 비교하여 높게 나타났다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (11)

  1. 산소 함유 분위기에서 철 함유 원료입자를 저온열처리온도까지 30분 내지 2시간 동안 승온하는 승온단계; 그리고
    상기 저온열처리온도에서 1 시간 내지 10시간 동안 유지하여 상기 철 함유 원료입자의 표면에 절연층이 형성된 무선충전용 파우더를 마련하는 열처리단계;를 포함하고,
    상기 저온열처리온도는 600 ℃를 넘지 않고,
    아래 식 1에 따른 전류손실저감지수가 1.1 내지 3의 값을 갖는 무선충전용 파우더를 제조하는, 무선충전용 파우더의 제조방법;
    [식 1]
    Figure PCTKR2020003879-appb-img-000013
    상기 식 1에서, L E는 전류손실저감지수이고, 상기 Ru'은 철 함유 원료입자의 투자율이고, 상기 Ru''은 철 함유 원료입자의 투자손실 값이며, 상기 Tu'은 무선충전용 파우더의 투자율이고, 상기 Tu''은 무선충전용 파우더의 투자손실 값이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 철 함유 원료입자는 D 50이 300 um 이하인, 무선충전용 파우더의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저온열처리온도는 300 내지 600 ℃인, 무선충전용 파우더의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 무선충전용 파우더는 산화철 함유 절연층을 포함하고,
    상기 산화철 함유 절연층은, 상기 철 함유 원료입자의 적어도 일 표면에 위치하거나 상기 철 함유 원료입자의 클러스터의 적어도 일 표면에 위치하는, 무선충전용 파우더의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 철 함유 원료입자는 상기 철 함유 원료입자 전체를 기준으로 철(Fe) 함량이 20 몰% 이상인, 무선충전용 파우더의 제조방법.
  6. 철 함유 원료입자 및 절연층을 포함하고,
    상기 절연층은 상기 철 함유 원료입자 또는 상기 철 함유 원료입자를 포함하는 클러스터의 적어도 일 표면에 위치하고,
    전류손실저감지수는 아래 식 1에 따른 값이고,
    상기 전류손실저감지수가 1.1 내지 3인, 무선충전용 파우더;
    [식 1]
    Figure PCTKR2020003879-appb-img-000014
    상기 식 1에서, L E는 전류손실저감지수이고, 상기 Ru'은 철 함유 원료입자의 투자율이고, 상기 Ru''은 철 함유 원료입자의 투자손실값이며, 상기 Tu'은 무선충전용 파우더의 투자율이고, 상기 Tu''은 무선충전용 파우더의 투자손실 값이다.
  7. 제6항에 있어서,
    투자율유지지수(Mu')는 아래 식 2로 평가되고,
    상기 투자율유지지수(Mu')가 0.5 이상인, 무선충전용 파우더;
    [식 2]
    Figure PCTKR2020003879-appb-img-000015
    상기 식 2에서, Mu'는 투자율유지지수이고, 상기 Ru'은 철 함유 원료입자의 투자율이고, 상기 Tu'은 무선충전용 파우더의 투자율이다.
  8. 제6항에 있어서,
    투자손실유지지수(Mu'')는 아래 식 3으로 평가되고,
    상기 투자손실유지지수(Mu'')가 1 이하인, 무선충전용 파우더;
    [식 3]
    Figure PCTKR2020003879-appb-img-000016
    상기 식 3에서, Mu''는 투자손실유지지수이고, 상기 Ru''은 철 함유 원료입자의 투자손실이고, 상기 Tu''은 무선충전용 파우더의 투자손실이다.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 철 함유 원료입자는 100 MHz에서 측정한 투자율이 100 이상인, 무선충전용 파우더.
  10. 제6항에 있어서,
    이동장치에 적용되는 무선전력충전시스템에 포함되고,
    상기 이동장치는 전기자동차와 드론을 포함하는, 무선충전용 파우더.
  11. 제6항에 따른 무선충전용 파우더를 포함하는, 무선충전용 패드.
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