KR102690071B1

KR102690071B1 - 인덕터

Info

Publication number: KR102690071B1
Application number: KR1020210006316A
Authority: KR
Inventors: 김수민; 김충년폴
Original assignee: 코오롱인더스트리 주식회사
Priority date: 2020-01-16
Filing date: 2021-01-15
Publication date: 2024-07-30
Anticipated expiration: 2041-01-15
Also published as: KR20210092701A

Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 인덕터는, 권선된 코일(coil); 및 상기 코일이 내부에 구비되는 연자성 코어;를 포함하고, 상기 연자성 코어는 Fe, Si, B, P, Cu 및 Y를 조성으로 가지는 합금을 포함하며, Fe를 포함하는 결정립이 비정질상에 분산된 복합조직을 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

인덕터{Inductor}

본 발명의 일 측면은 인덕터에 관한 것으로서, 구체적으로는 연자성 코어와 코일을 포함하는 인덕터에 관한 것이다.

연자성 소재는 각종 변압기, 초크 코일, 인덕터, 모터, 발전기, 자기 스위치, 센서 등 다양한 전자기 소재나 부품 등에 필수적으로 포함되는 재료로서, 규소강과 같은 전기강판, 퍼멀로이(permalloy), 페라이트 등이 종래부터 연자성 재료로 널리 알려져 사용되고 있으며, 비정질 합금 또한 연자성 재료로 널리 사용되고 있다.

연자성 재료로 비정질 합금을 사용하기 위하여 다양한 합금의 조성이 연구되어 왔으며, Fe계 비정질 합금의 우수한 자기적 특성을 활용하기 위한 연구가 최근까지도 지속적으로 이루어지고 있다.

그러나, 종래의 Fe계 비정질 합금은 자속밀도가 높지 않아 특성개선의 한계를 가진다. 와전류에 의한 손실을 감소시키면서도 비정질 합금을 제조하기 위해 단롤법과 같이 박대, 리본 형태로 Fe계 비정질 합금을 제조하기 위한 노력이 많이 이루어져왔으나, 재료 자체의 취약성 및 생산 라인의 자동화 문제가 있어, 다양한 3차원 형태로 성형하기 용이한 연자성 합금분말을 제조 및 상용화하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

한편, 연자성 합금을 분말로 제조하는 경우 단롤법과 같은 합금리본 제조방식에 비해 냉각속도가 떨어져 합금이 냉각되는 과정에서 결정질화가 잘 일어나 비정질 비율이 높게 얻어지지 못하는 문제점이 있어 비정질상을 높은 비율로 포함하는 합금분말을 제조하는 기술 및 비정질 합금 조성에 대한 해결책도 함께 요구되고 있다.

최근에는 비정질 합금의 포화자속밀도와 투자율 등 연자성 특성을 향상시키기 위하여 결정질의 Fe이 나노미터 크기의 입자로 형성된 나노결정 합금을 제조하여 연자성 특성이 특히 우수한 합금 소재에 대한 수요가 증가하고 있으나, 나노 결정 합금에 포함된 나노결정이 불균일하게 형성되거나 나노결정화에 의한 내식성 저하 등 나노 결정 합금의 제조 이후에도 추가적인 문제점들이 나타나고 있는 실정이다.

대한민국 공개특허 0-2020-0006944호

본 발명의 목적은 높은 포화 자속밀도를 가지는 철계 합금을 포함하고, 열처리에 의해 균질한 나노결정립이 분산되며 비정질상을 포함하는 조직을 갖는 연자성 코어 및 이를 포함하는 인덕터를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 일 측면은, 권선된 코일(coil); 및

상기 코일이 내부에 구비되는 연자성 코어;를 포함하고,

상기 연자성 코어는 Fe, Si, B, P, Cu 및 Y를 조성으로 가지는 합금을 포함하며, Fe를 포함하는 결정립이 비정질상에 분산된 복합조직을 가지는 인덕터인 것이 좋고,

또는, 조성으로 Fe, Si, B, P, Cu 및 Y를 가지는 합금을 포함하는 연자성 코어; 및

상기 연자성 코어의 표면에 권선되는 코일(coil);을 포함하고,

상기 연자성 코어는 Fe를 포함하는 결정립이 비정질상에 분산된 복합조직을 가지는 인덕터인 것이 좋다.

이, 상기 연자성 코어는 상기 조성을 가지는 합금분말이 서로 절연되며 소결된 것이 좋고,

상기 합금은 제1결정화온도(T_x1)와 제2결정화온도(T_x2)의 차이가 120 내지 200℃인 것이 좋으며,

상기 합금은 조성식 Fe_aSi_bB_cP_dCu_eY_fC_g으로 표현되며,

상기 a 내지 f는 원자백분율 값으로, 80≤a≤87, 0<b≤9, 3≤c≤14, 1≤d≤8, 0.2≤e≤2.5, 0<f≤3.0, 0≤g≤4.0 및 (e/f)≤4을 만족하는 것이 바람직하다.

또, 상기 조성식이 10≤(c+d+f)≤19를 만족하는 것이 좋고, 0.80<(d/e)≤1.0 및 0.5≤f≤2.5를 만족하는 것이 바람직하다.

또, 상기 합금은 조성식 Fe_aSi_bB_cP_dCu_eY_f로 표현되며,

상기 a 내지 f는 원자백분율 값으로, 80≤a≤87, 0<b≤9, 3≤c≤14, 1≤d≤8, 0.2≤e≤2.5, 0<f≤3.0, 및 (e/f)≤4을 만족하는 인덕터인 것이 좋고,

상기 Fe를 포함하는 결정립은 α-Fe를 포함하는 것이 좋으며,

상기 Fe를 포함하는 결정립의 평균 입경은 25 nm 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 일 측면에 따른 인덕터는 비정질 형성능이 향상된 조성의 연자성 합금으로 이루어지는 연자성 코어를 포함하며, 연자성 합금은 열처리되어 얻어지는 철계 나노결정립이 분산된 복합조직을 포함하여 높은 포화 자속밀도를 가질 수 있다.

또한, 연자성 코어는 제1 결정화 온도와 제2 결정화 온도의 차이가 큰 장점이 있어, 균질한 나노결정립을 포함하는 복합조직을 쉽게 얻을 수 있다.

도 1 내지 도 3은 일부 실시예 및 비교예의 합금 조성물의 XRD 분석 결과를 도시한 그래프이다.
도 4 내지 도 6은 일부 실시예 및 비교예의 합금 조성물의 성형과 열처리 후 제조된 합금리본의 XRD 분석 결과를 도시한 그래프이다.
도 7 내지 도 9는 일부 실시예 및 비교예의 DSC 분석 결과를 도시한 그래프이다.

이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.

본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.

한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다.

도면들에 있어서, 구성 요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 구성요소가 다른 구성요소 "위에/아래에" 또는 "상에/하에" 있다고 할 때, 이는 다른 구성요소 "바로 위에/바로 아래에" 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다.

본 명세서에서 비정질이란 비결정질과 동일한 의미하며, 고체 내 결정이 이루어지지 않은, 즉 규칙적인 구조를 가지지 않는 상을 의미하는 비정질상을 포함하는 조직의 성질을 뜻한다.

본 발명의 제1측면은 연자성 합금 조성물로, 합금 조성물은 Fe, Si, B, P, Cu 및 Y를 포함하는 FeSiBPCuY 또는 FeSiBPCuYC계의 합금 조성물이다.

더욱 구체적으로는 합금 조성물은 원자 백분율(atomic percent)로 표현하여 Fe_aSi_bB_cP_dCu_eY_fC_g 로 표현될 수 있으며, 여기에서 80≤a≤87, 0<b≤9, 3≤c≤14, 1≤d≤8, 0.2≤e≤2.5, 0<f≤3.0 및 0≤g≤4.0을 만족하고, a, b, c, d, e, f, g의 총합은 100을 만족한다.

또는, 합금 조성물은 원자 백분율(atomic percent)로 표현하여 Fe_aSi_bB_cP_dCu_eY_f 로 표현될 수 있으며, 여기에서 80≤a≤87, 0<b≤9, 3≤c≤14, 1≤d≤8, 0.2≤e≤2.5 및 0<f≤3.0을 만족하고, a, b, c, d, e, f의 총합은 100을 만족한다.

이 때, (c+d+f)의 값은 10 내지 19인 것이 바람직하며, (e/f)의 값이 4 이하인 것이 바람직하다.

여기에서, Fe는 합금 조성물의 주(主)원소이며, 자성을 담당하는 필수 원소이다. Fe의 함량은 80 내지 87 원자%, 바람직하게는 80.5 내지 86 원자%, 더욱 바람직하게는 81 내지 85 인 것이 좋다. Fe가 해당 범위보다 낮은 경우 합금용 조성물의 포화 자속밀도가 낮아 연자성 특성이 높지 않으며, 제조 단가가 상승하게 되고, 해당 범위 보다 높은 경우, 비정질상이 형성되지 않거나 비정질상의 비율이 낮아질 수 있고, 열처리시 균질한 나노 결정 조직이 얻어지지 않아 합금 조성물로부터 얻어지는 연자성 재료의 연자성 특성이 열화되는 문제가 있을 수 있다.

이하에서 연자성 재료란, 연자성 합금 조성물을 냉각 및 열처리하여 얻어진 상태의 물건을 말하는 것으로, 연자성 소재 및 원하는 형태로 성형된 연자성 부품을 포함하는 의미이다.

연자성 합금 조성물에 있어서, Si 원소는 비정질 형성을 담당하는 원소이며, 연자성 합금 조성물의 나노 결정화 시 나노 결정의 안정화에 기여한다. Si의 함량은 0 원자%를 초과하는 것이 좋고, 9 원자% 이하인 것이 좋으며, 바람직하게는 1 내지 7 원자% 인 것이 좋다. Si의 함량이 해당 범위보다 낮은 경우 합금 조성물의 비정질 형성능이 저하되어 비정질 합금의 형성이 어려울 수 있으며, 나노 결정 조직 형성시 균질한 나노 결정 조직이 얻어지지 않아 연자성 재료의 연자성 특성이 좋지 않을 수 있다. Si의 함량이 해당 범위보다 높은 경우 포화 자속밀도와 비정질 형성능이 오히려 저하되는 문제가 발생할 수 있다.

연자성 합금 조성물이 해당 범위의 Si를 포함함으로써 연자성 합금 조성물에서 제1 및 제2 결정화온도의 차이인 △T가 증가할 수 있고, 균질한 나노 결정립을 포함하는 연자성 재료를 얻을 수 있다. 이하에서 연자성 재료란, 연자성 합금 조성물을 냉각 및 열처리하여 얻어진 상태의 물건을 말하는 것으로, 연자성 소재 및 원하는 형태로 성형된 연자성 부품을 포함하는 의미이다.

연자성 합금 조성물에 있어서, B는 비정질 형성능을 향상시키는 역할로 주로 포함될 수 있다.

B의 함량은 3 내지 14 원자%, 바람직하게는 3.5 내지 13 원자%인 것이 좋다.

B의 함량이 해당 범위보다 낮은 경우, 비정질 형성능이 낮아져 비정질상이 얻어지지 않거나 낮은 비율로 얻어져 연자성 특성이 좋지 않을 수 있으며, 해당 범위보다 높은 경우, 합금의 △T가 감소하여 균질한 나노결정립을 얻기 어려워 연자성 특성이 좋지 않을 수 있다.

또한, B는 가벼운 원소로써 합금 조성물의 제조 시 휘발되거나 합금화가 어려워 타겟 조성보다 실제 얻어진 합금에서 낮은 함량으로 포함될 수 있다.

P는 합금 조성물의 비정질 형성능을 향상시킬 수 있으며, Si 또는 B와 함께 합금에 포함되는 경우 비정질 형성능 및 나노결정립의 안정성을 향상시킬 수 있다.

P의 함량은 1 내지 8 원자%, 바람직하게는 1.5 내지 7.5 원자% 인 것이 좋다. P의 함량이 해당 범위보다 낮은 경우, 비정질 형성능이 낮아져 비정질상을 충분히 얻기 어려워지는 문제가 있으며, 해당 범위보다 높은 경우, 연자성 합금이나 연자성 재료의 포화 자속 밀도가 저하되어 연자성 특성이 나빠지는 문제가 있을 수 있다.

C는 연자성 합금 조성물에 선택적으로 포함될 수 있는 원소로서, 원자의 반지름이 상대적으로 작아 붕소와 유사한 원리에 의해 비정질 형성능의 향상에 기여할 수 있다. 탄소는 0 내지 4 원자%인 것이 좋다. 단, 탄소의 함량이 4 원자%를 초과하는 경우 Fe계 합금이 취성을 가져 취화되기 쉬우므로 연자성 특성의 열화가 발생할 수 있다.

연자성 합금 조성물에 있어서, Cu는 합금의 나노 결정화에 기여하는 원소로 작용한다. Cu의 함량은 0.2 내지 2.5 원자%, 바람직하게는 0.3 내지 2.0 원자%, 더욱 바람직하게는 0.4 내지 1.7 원자% 인 것이 좋다.

Cu의 함량이 해당 범위보다 낮은 경우, 나노 결정화가 잘 이루어지지 않으므로 나노결정화에 의한 연자성 재료의 연자성 특성의 향상 효과가 나빠지는 문제가 있을 수 있으며, 해당 범위보다 높은 경우 비정질상 합금이 불균일해질 수 있고, 균질한 나노 결정 조직이 얻어지지 않아 연자성 재료의 연자성 특성이 나빠지는 문제가 있을 수 있다.

P 원자와 Cu 원자 사이에는 강한 인력이 있다. 따라서, 합금 조성물이 특정 비율의 P 원소와 Cu 원소를 포함하고 있으면, 나노미터 사이즈의 클러스터(cluster)가 형성되며, 이 나노 사이즈의 클러스터에 의해 Fe계 합금의 열처리시에 결정질의α-Fe 은 나노결정립의 미세 구조를 갖게 된다. 보다 구체적으로는, 본 실시형태에 따른 연자성 재료는 Fe계 나노결정질 합금으로서, 평균 입경이 25㎚ 이하인 α-Fe(α-철, Alpha-iron) 결정립을 포함하고 있다. 본 실시형태에 있어서, P의 함량(d)과 Cu의 함량(e)의 비율(d/e)은, 0.05 이상, 1.0 이하이며, 바람직하게는 0.80을 초과하고 1.0 이하일 수 있다.

(d/e) 값이 해당 범위 밖인 경우, 균질한 나노 결정 조직을 얻을 수 없으므로, 합금 조성물을 이용하여 제조한 제품에서 연자성 특성이 좋지 않을 수 있다.

Y는 희토류 원소로서, 원자반지름이 큰 원자로서 합금 조성물의 비정질 형성능을 향상시킬 수 있으며, 합금 조성물 내에서 철 원자의 확산성이나 이동성을 낮추어 합금을 이루는 원자들이 결정화되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 이트륨이 합금 조성물에 포함되는 경우 열처리시 Fe계 합금의 나노결정화 과정에서 Fe원자의 이동을 방해하여 나노결정립의 과도한 성장을 억제할 수 있고, 나노결정립의 입경을 작게 유지할 수 있도록 하며, Fe계 나노결정질 합금의 안정성을 향상시킬 수 있다.

또, 이트륨은 산소와의 결합력이 우수하여 합금 조성물 내의 용존산소와 반응할 수 있어 합금조성물 내의 산소농도를 낮추어 다른 금속의 산화물이 형성되는 것을 방지해 합금의 내구성, 내마모성 등 기계적 특성을 향상시켜 수명을 연장시킬 수 있다.

Y의 함량은 3.0 원자% 이내로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 0.3 내지 2.8 원자%, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 2.5 원자% 범위로 포함되는 것이 좋다.

Y의 함량이 해당 범위보다 낮은 경우, 비정질 형성능이 낮아져 비정질상을 충분히 얻기 어려워지는 문제가 있으며, 해당 범위보다 높은 경우, 생산 비용이 증가하며, 연자성 합금 및 연자성 재료의 포화 자속밀도가 저하되어 연자성 특성이 나빠지는 문제가 있을 수 있다.

본 발명의 합금 조성물은 Cu, Y 및 P를 모두 포함하며, 이 때, B, P 및 Y의 원자백분율은 합하여 10 원자% 이상이고 19 원자% 이하로 이루어지는 것이 바람직하다. B, P 및 Y의 함량을 합한 (c+d+f)의 값이 10 원자% 보다 낮은 경우에는 합금 조성물의 비정질형성능이 저하되어 합금의 제조 시 비정질상이 형성되지 않는 문제점이 있을 수 있으며, 19 원자% 보다 높은 경우에는 합금 조성물에서 Fe의 함량이 상대적으로 낮아져 합금 조성물의 열처리시 나노결정질화가 잘 이루어지지 않거나, 최종적으로 얻어지는 연자성 재료의 포화 자속밀도가 낮게 얻어져 연자성 특성이 나빠지는 문제점이 발생할 수 있다.

또한, 이트륨의 함량(f) 와 Cu의 함량 (e)의 관계인 (e/f)의 값은 4 이하로 얻어지는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 (e/f)의 값이 3 이하인 것이 좋다. (e/f)의 값이 해당범위보다 큰 경우, 합금 조성물의 비정질 형성능이 저하되어 결정질 합금이 얻어지거나, 나노 결정립의 Fe를 얻기 위한 열처리시 나노 결정립의 입경이 증가하거나 불규칙적인 나노 결정질 합금이 얻어지는 문제가 발생할 수 있다.

또한, Y에 의해 원자의 이동도가 저하됨으로 인하여 결정상이 형성되기 위하여 외부로부터 흡수하는 에너지가 증가하므로 제1결정화온도 또는 제2결정화온도가 증가할 수 있다.

본 측면의 합금 조성물은, 다양한 형상을 가지도록 제조, 성형될 수 있다. 예를 들면, 합금 조성물은 냉각되어 연자성 재료로 얻어질 수 있고, 연자성 재료는 연속 스트립(strip) 또는 리본 형상을 가질 수 있으며, 구형에 가까운 분말 형상을 가질 수 있다.

연속 스트립 형상의 연자성 재료는, 비정질 스트립 등의 제조에 사용되고 있는 단롤 제조 장치나 쌍롤 제조 장치와 같은 종래의 장치를 사용하여 형성될 수 있다. 분말 형상의 연자성 재료는 물 아토마이즈(water atomize)법이나 가스 아토마이즈(gas atomize)법에 의해 제작될 수 있으며, 스트립 형상의 연자성 재료를 분쇄 또는 파쇄함으로써 얻어질 수 있으나, 구형도가 우수한 분말을 제조하기 위하여는 아토마이즈법을 사용하여 분말형태의 연자성 재료를 제조하는 것이 바람직하다.

본 실시형태에 따른 합금 조성물 또는 연자성 재료를 성형하여, 권자심(卷磁芯), 적층자심, 압분(壓粉)자심 등의 자기 코어를 형성할 수 있다. 또한, 그 자기 코어를 이용하여, 트랜스, 인덕터, 모터나 발전기 등의 부품을 제공할 수 있다.

본 실시형태에 따른 합금 조성물은 주(主)상으로서 비정질상을 가지고 있다. 따라서, 냉각된 합금 조성물을 Ar 가스 분위기와 같은 불활성 분위기 중에서 열처리하면, 2회 이상 결정화가 진행될 수 있다. 최초로 결정화가 개시되는 온도를 합금의 제 1 결정화 개시 온도(T_x1)라 하고, 2번째의 결정화가 개시되는 온도를 제 2 결정화 개시 온도(T_x2)라 한다.

또한, 제 1 결정화 개시 온도(T_x1)와 제 2 결정화 개시 온도(T_x2) 사이의 온도차를 △T=T_x2-T_x1라 하고, 단순히 '결정화 개시 온도'라는 용어를 사용하는 경우, 제 1 결정화 개시 온도(T_x1)를 의미하는 것으로 이해된다.

전술한 합금의 결정화 온도는, 예를 들면, 시차 주사 열량 분석(DSC) 장치를 이용하여 측정될 수 있으며, 20 ℃/min 수준의 승온(昇溫) 속도로 열분석을 행함으로써 평가 가능하다.

본 발명의 합금 조성물은 Y을 조성으로 포함함으로 인하여 △T 가 증가될 수 있으며, △T 가 증가함으로 인하여 합금의 열처리 또는 나노 결정질화 시 안정적인 나노결정질화가 가능하며, α-Fe를 균일하게 얻을 수 있어 높은 포화 자속 밀도를 얻을 수 있는 장점이 있다.

합금 조성물의 △T는 120 내지 200 ℃일 수 있고, 바람직하게는 130 내지 200 ℃ 인 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 170 ℃ 이상이고, 190 ℃ 이하인 것이 좋다. △T 가 해당 범위보다 작은 경우에는 열처리 후의 연자성 재료의 연자기 특성 열화 문제가 있을 수 있다.

본 측면에 따른 Fe계 합금 조성물은 나노결정질화 되어 우수한 포화 자속밀도, 보자력을 가지는 연자성 재료를 형성하므로 이를 이용하여 연자성 특성을 가지는 자기 코어를 제조하는데 활용할 수 있다. 또한, 그 자기 코어를 이용하여, 트랜스, 인덕터, 모터, 센서 또는 발전기 등의 부품을 구성할 수 있다.

합금 조성물은 인덕터, 모터 등의 부품에 구비되는 경우 냉각 및 열처리되거나, 원하는 형태로 성형될 수 있다. 일 예시로서, 합금 조성물은 연자성 코어로 활용될 수 있다.

보다 구체적으로는, 합금 조성물로부터 제조되는 연자성 코어는 비정질상의 합금 매트릭스에 Fe를 포함하는 미세한 결정립들이 분산되는 복합조직을 가지며, 비정질상의 함급 매트릭스는 전술한 조성의 비정질 합금인 것이 좋고, Fe를 포함하는 결정립은 입경이 나노미터 단위인 균질한 α-Fe(α-철, Alpha-iron) 결정질 입자인 것이 좋다.

본 발명의 제2측면은 전술한 연자성 합금 조성물로부터 제조되는 연자성 합금 분말이다.

연자성 합금 분말은 전술한 연자성 합금 조성물을 유도가열로에서 제조한 뒤, 아토마이즈법으로 분말화하여 제조할 수 있다. 여기에서 아토마이즈 방법은 본 기술분야에서 통상적으로 활용가능한 기술이라면 제한되지 않고, 통상의 기술자가 채택할 수 있는 다양한 기술이 활용될 수 있다.

아토마이즈법에 의해 냉각된 합금분말은 비정질상을 포함하는 비정질 합금 분말이며, 해당 비정질 합금 분말은 추가적인 열처리에 의해 결정질화 되어 나노결정질상을 내부에 포함하는 나노 결정질 연자성 합금 분말로 제조된다.

구체적으로는, 비정질 합금 분말을 열처리하여 나노결정질화 하는 단계로, 합금의 제1 결정화 개시 온도 근처의 온도 또는 그 이상의 온도로 처리하는 단계를 포함한다.

열처리 단계는 아르곤 분위기 중에서 α-Fe 나노결정립을 석출할 수 있는 온도 이상 즉, 합금의 제1 결정화 개시 온도보다 높은 온도에서 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, α-Fe 나노결정립 이외의 연자기 특성을 열화시키는 금속산화물의 형성을 방지하고, 균질한 나노결정 조직을 얻기 위해서는 제2 결정화 개시 온도보다 낮은 △T 범위 내에서 열처리하는 것이 바람직하다.

열처리단계에서는 비정질상으로 포함되어 있던 합금 조성물의 Fe원자가 합금에 분산된 핵(nuclear)를 중심으로 체심입방결정구조(bcc)를 가지는 결정상 α-Fe 이 형성될 수 있다. 이 때, 나노결정립의 응결핵 역할을 하는 원자로 Cu 또는 Y 이 활용될 수 있다.

열처리에 의해 형성되는 결정립의 평균 입경은 25 nm 이하인 것이 좋다. 나노결정립의 평균 입경이 해당 범위보다 큰 경우, 보자력과 자기손실이 증가하는 문제가 발생할 수 있다.

위와 같은 입경의 나노결정립을 얻기 위하여 열처리시 온도 및 시간이 제어될 수 있으며, 열처리 시간은 30초 내지 1시간 동안 수행될 수 있다. 열처리 시간은 온도에 따라 변경될 수 있으나, 30초 미만으로 수행될 경우 목적하는 나노결정립의 입경에 도달하지 못할 수 있으며 열처리시간이 1시간을 초과하면 나노결정립의 입경이 필요 이상으로 조대화하여 보자력 및 자기손실이 증가할 수 있다.

본 발명은 제3측면으로 전술한 합금 조성물 및 합금 분말으로부터 제조된 인덕터를 포함한다.

인덕터(Inductor)란, 전기회로를 이루는 부품 중의 하나로서, 전류의 변화량에 비례해 전압을 유도하는 코일(권선)을 일반적으로 지칭하며, 전기회로에서 전류를 안정시키려는 특징을 가지는데, 전류를 안정시키려는 특성을 효과적으로 가지게 하기 위하여 연자성 소재를 활용하는 것이 좋다.

본 측면의 인덕터의 종류 및 형태는 제한되지 않으나, 토로이달(Toroidal) 인덕터, 액시얼(Axial)인덕터 또는 칩인덕터 등이 포함될 수 있고, 바람직하게는 토로이달 인덕터 또는 칩형 인덕터(이하, 칩인덕터)인 것이 좋다.

본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터는 도전체로 이루어지는 코일과 상기 코일의 내부 또는 코일의 사이에 구비되는 연자성 코어를 포함한다.

코일은 전기회로와 연결되는 전도체로서, 인덕터의 외부로 돌출되어 전기회로와 연결되거나, 인덕터의 외부와 전기적으로 연결가능한 전극과 접촉되며, 전기회로에 의해 전류가 흐르는 부분이다.

코일은 인덕터의 형태, 종류에 따라 다른 형태 및 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 구리선과 같은 전기전도성 도선이 연자성 코어의 외부에 회전하며 감긴 형태일 수 있고, 자성체 시트에 전도성 페이스트(paste)를 코일 패턴으로 인쇄하여 적층하는 적층형이나, 권선장비로 나선형 (spiral)으로 코일을 감고 그 내·외부에 연자성 코어를 채우는 형태일 수 있다.

인덕터 코어 또한 인덕터의 형태, 종류에 따라 다른 형태 및 구조를 가질 수 있다. 예를 들어 토로이달 인덕터의 경우 링 또는 원환체(Torus) 형태의 코어가 포함되고, 액시얼 인덕터의 경우 원통형 코어가 포함되며, 이러한 코어의 외부에 코일이 권선되는 형태가 사용될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인덕터는 칩인덕터로서, 권선된 코일의 내부 및 외부를 둘러싸고 코일을 내부에 포함하며 구비되는 코어가 포함된다.

본 실시예에 따른 칩인덕터는 전자회로에 사용되는 경우 1 ~ 10 MHz 수준의 주파수영역에서 투자율이 일정 수준 이상으로 유지되는 장점이 있으며, 1 ~ 10 MHz 수준의 고주파수 대역에서 활용될 수 있고, 차지하는 부피 및 크기가 작게 제조될 수 있으므로 공간효율 및 소형화가 중요하며, 낮은 전류를 이용하는 스마트폰, 태블릿PC, 노트북 등에 활용될 수 있는 장점이 있다.

구체적으로는, 칩형 인덕터 형태를 가지도록 준비된 몰드에 대하여, 몰드의 내부에 구비되는 전도성 코일을 포함하고, 전도성 코일의 주변부 및 사이 공간에 구비되며 연자성 합금 분말을 포함하는 연자성 코어가 몰드의 내부에서 코일과 절연되면서 코어를 내부에 포함하는 인덕터를 구성할 수 있다.

구체적으로는 연자성 코어는 연자성 합금 분말을 바인더와 혼합한 후 소결시킨 소결체일 수 있으며, 연자성 합금 분말은 소결시 서로 절연되는 것이 바람직하다.

인덕터의 내부에 충전되는 연자성 합금 분말의 입경은 단일한 분포를 가지는 단봉분포 또는 양봉 분포의 분말이 사용될 수 있으며, 서로 다른 평균입경을 가지는 연자성 합금 분말을 서로 혼합하여 사용하는 것도 가능하다.

서로 다른 평균입경을 가지는 연자성 합금 분말을 혼합하는 경우 단일한 평균 입경을 가지는 분말을 사용하는 경우보다 공간의 충진 밀도(packing density)가 향상되어 더 높은 투자율과 포화 자속밀도를 가질 수 있다.

예를 들어, 제1입경을 가지는 제1 연자성 합금분말과 제1입경보다 작은 제2입경을 가지는 제2 연자성 합금분말의 혼합분말이 인덕터에 충전될 수 있으며, 제1입경은 제2입경의 4배 내지 13배의 입경 관계를 가지는 것이 바람직하다.

해당 입경 범위를 벗어나는 경우, 충진 밀도가 저하되어 투자율이 감소하고 자속 밀도가 감소하여 인덕터 효율이 떨어질 수 있다.

또한, 연자성 합금 분말은 전자기 유도에 의한 손실을 막기 위하여 표면에서 절연특성을 가질 수 있다. 연자성 합금 분말의 표면이 절연되지 않는 경우 전기적 연결에 의해 외부 자기장의 변화에 따라 유도전류, 와류가 발생할 수 있으며, 이 경우 투자 손실이 증가하여 인덕턴스 감소, 발열 등의 문제가 발생할 수 있다.

절연특성을 위하여, 예를 들어 연자성 합금 분말은 표면에 절연 코팅을 더 포함하거나, 분말의 혼합시 절연성 바인더 또는 수지와 혼합되어 절연특성을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예의 인덕터에는 연자성 합금 분말과 고분자 수지가 혼합된 혼합물이 인덕터의 내부에 충전될 수 있다.

이 때, 바인더의 조성 및 성분은 제한되지 않으며, 해당 기술분야에서 일반적으로 사용되거나 통상의 기술자가 채택할 수 있는 조성의 바인더 물질이라면 본 발명의 인덕터에 포함될 수 있다.

바인더와 연자성 합금 분말을 서로 혼합하는 경우, 바인더는 연자성 합금분말에 대하여 1.5 내지 5.0 중량% 인 것이 좋다.

바인더의 배합비율이 너무 적은 경우, 연자성 합금 분말이 서로 응집되어 바인더와의 혼합이 어려워질 수 있고, 바인더의 배합비율이 너무 높은 경우 연자성 합금 분말의 양이 줄어들어 투자율 및 자속밀도가 떨어지거나, 분말-바인더 간의 결합 강도가 저하되어 전극 노출, 쇼트(short), 도금 번짐 등의 공정 불량을 유발할 수 있다.

연자성 합금 분말의 함량은 높을수록 코어의 연자성 특성이 우수하여 바람직하지만, 인덕터의 내부에 코일이 포함되는 칩인덕터 구조의 특성상, 그리고 칩인덕터를 제조하는 공정의 특성상, 분말 함량의 한계가 존재한다.

구체적으로는 전체 칩인덕터의 내부 코일을 뺀 연자성 코어 부분에 포함되는 연자성 합금분말의 함량은 70 내지 90 vol% 일 수 있고, 바람직하게는 75 내지 85 vol% 인 것이 좋다.

본 측면에 따른 또 다른 바람직한 실시예로는 토로이달 인덕터를 들 수 있다. 토로이달 인덕터는 연자성 합금 분말을 포함하는 연자성 코어가 토로이달 형태(도넛 또는 링 형태를 포함함)로 성형되고, 전술한 토로이달 코어의 표면에 권선이 감겨 구비되는 코일을 포함한다. 이 때, 코일은 토로이달 코어로부터 절연되며 권선된다.

토로이달 인덕터는 외관과 형태가 전술한 실시예의 칩형 인덕터와 상이하지만, 인덕터로서의 작동 원리 및 세부적인 구성은 동일하게 이루어질 수 있으며, 이하에서는 전술한 실시예의 칩인덕터와 동일한 부분에 대하여는 설명을 생략하고 차이가 있는 부분에 대하여 설명하였다.

토로이달 인덕터는 전자회로에 사용되는 경우 수백 kHz 수준의 주파수영역에서 투자율이 일정 수준 이상으로 유지되는 장점이 있으며, 수십 ~ 수백 kHz 수준의 주파수 대역에서 활용될 수 있고, 상대적으로 큰 부피로 제조되어 소형화가 필수적이지 않은 전자기기에 사용될 수 있고, 높은 전류의 사용이 가능하며, 열방출이 용이한 전자기기 등에 활용될 수 있는 장점이 있다.

토로이달 인덕터는 예를 들어 의료기기, 통신, 악기, 산업 제어, 냉동장비, 에어컨 장비, 전원 공급 장치, 밸러스트, 전자클러치, 전자 브레이크, 우주항공 분야 등에 사용될 수 있으며, 회로에서 발생하는 잡음을 필터링하는 역할을 주로 수행할 수 있다.

토로이달 코어는 단면이 원형이나 사각형 등으로 이루어진 원환체(Torus)로서 회전대칭적인 구조를 가지고, 각진 모서리를 포함하지 않으므로, 코어의 내부에서 형성되는 자기장, 즉, 쇄교(鎖交)자속의 집중 혹은 편중으로 인한 손실이 없고 균일하기 때문에 효율적으로 코어가 활용될 수 있다.

토로이달 코어는 자체적으로 제조가능하며, 표면에 코일을 권선함으로써 인덕터가 될 수 있어 칩형 인덕터 대비 성형이나 제조가 자유로운 장점이 있다. 예를 들어, 칩형 인덕터를 제조하는 경우 코어의 내부에 구비되는 코일과 절연을 유지하면서 코일의 파괴를 막기 위하여 연자성 합금 분말을 가압하는 것이 제한되지만, 토로이달 인덕터의 경우 연자성 합금 분말만으로 코어를 이론 밀도에 가깝게 가압하거나 투자율 및 자속 밀도를 높이기 위하여 열처리하는 것도 가능하다.

즉, 토로이달 코어에 포함되는 연자성 합금 분말은 칩인덕터의 코어 대비 연자성 합금 분말의 함량 또는 부피분율이 더 높을 수 있고, 예를 들어 코어 전체에서 연자성 합금 분말이 차지하는 부피가 95 vol% 내지 99.9 vol% 일 수 있다.

토로이달 인덕터를 제조하는 방법은 칩형 인덕터의 제조방법과 달리 토로이달 코어를 제조하는 단계와 코일을 권선하는 단계로 구분될 수 있다.

토로이달 코어를 제조하는 단계로는 예를 들어, 토로이달 코어 형태의 몰드에 연자성 합금 분말과 바인더를 혼합하여 투입한 후, 칩인덕터의 경우보다 많게는 20 배 이상 높은 압력으로 가압하여 토로이달 형태로 성형한 후 수백 도의 온도에서 열처리하는 방법이 사용될 수 있다.

이때, 열처리는 연자성 분말 제조 및 가압 성형 공정 시 발생한 소재 내부의 응력을 완화하여 줌으로써 투자율, 투자손실, 및 자속밀도 등의 연자성 특성을 크게 개선할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.

실시예

실시예 1 내지 4 - 합금 리본의 제조

아래 표 1과 같은 조성 비율로 합금 조성물을 준비하였으며, 휠스피드 3500 RPM, 가스압 0.5 bar, 노즐과 휠 간격이 1.0mm 인 멜트스피너 장치를 이용하여 합금분말을 비정질 합금리본으로 제조하였다.

이후 제조된 비정질 합금리본을 아르곤 분위기 하에서 420 ℃ 온도로 20분동안 열처리하였다.

실시예 5 내지 8 - 합금 리본의 제조

아래 표 1과 같은 조성 비율로 합금 조성물을 준비하였으며, 합금리본의 열처리를 450 ℃ 온도로 10분동안 진행한 것을 제외하고는 실시예 1 내지 4와 동일한 방법으로 합금리본을 제조하였다.

비교예

비교예 1 내지 5 - 합금 리본의 제조

아래 표 1과 같은 조성 비율로 합금 조성물을 준비하였으며, 실시예와 동일한 장치를 이용하여 동일한 조건으로 합금리본을 제조한 후, 비교예 1, 2의 합금리본은 420 ℃ 온도로 20분동안 열처리하였고, 비교예 4, 5의 합금리본은 450 ℃ 온도로 10분동안 열처리하였다.

	Fe (at%)	Si(at%)	B(at%)	P(at%)	Cu(at%)	Y(at%)	C(at%)	B+P+Y(at%)	Cu/Y 값
실시예 1	83	1.5	8	6	0.5	1	0	15	0.5
실시예 2	82	1.5	8	6	0.5	2	0	16	0.25
실시예 3	83.25	1	10	4	0.75	1	0	15	0.75
실시예 4	82.25	1	10	4	0.75	2	0	16	0.375
실시예 5	82	1.5	8	7	0.5	1	0	16	0.5
실시예 6	82.5	5	4	7	0.5	1	0	12	0.5
실시예 7	81.55	2.25	12	1.7	1.5	1	0	14.7	1.5
실시예 8	81	3.9	9	2.9	2.4	0.8	0	12.7	3.0
비교예 1	84	1.5	8	6	0.5	0	0	14	-
비교예 2	84.25	1	10	4	0.75	0	0	14	-
비교예 3	82.3	7.5	6	1.7	1.5	1	0	8.7	1.5
비교예 4	78.6	1.0	13	5	0.4	2	0	20.0	0.2
비교예 5	82.45	4.0	10	1.7	1.5	0.35	0	12.05	4.29

실험예

실험예 1 : 열처리 전 XRD 분석

실시예 1, 2 및 비교예 1의 합금 리본에 대하여 열처리를 수행하기 전에 XRD 분석을 수행하였으며, 합금 리본의 제조시 빠른 속도로 냉각이 일어나는 휠(Wheel)면과 상대적으로 냉각속도가 낮은 에어(Air)면 에서의 분석결과를 도 1에 도시하였다.

실시예 3, 4 및 비교예 2의 합금리본을 열처리를 수행하기 전에 동일하게 분석하여 결과를 도 2에 도시하였고, 실시예 5 내지 8 및 비교예 3 내지 5의 합금리본을 동일한 방법으로 분석하여 실시예 5 내지 7의 결과를 도 3에 도시하였다.

XRD 분석 결과, 실시예 및 비교예의 조성에 대하여 비정질 상이 관찰되었음을 알 수 있었으며, 도면에 도시되지 않았으나 비교예 3의 경우 Fe의 결정상(알파-철)이 생성되었다.

실험예 2 : 열처리 후의 XRD 분석

420 ℃ 또는 450 ℃ 온도에서 열처리를 수행한 후, 실시예 1 내지 8 및 비교예 1, 2, 4, 5의 합금리본을 XRD 분석 장치로 분석하였으며, 실시예 1 내지 7, 비교예 1 내지 2의 결과를 각각 도 4 내지 도 6에 나타냈다.

비교예 3의 경우 열처리 전에 Fe의 결정상이 형성된 것으로 관찰되어 열처리를 수행하지 않았다.

실험예 1과 비교할 때, 열처리 후 각 실시예 및 비교예에서 결정상의 알파-철이 검출된 것을 확인하였다.

실험예 3 : DSC 분석

실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 5의 합금리본을 시차주사열량분석(DSC) 장비를 이용하여 20 °C/분의 승온 속도로 열분석하였으며, 실시예 1 내지 7, 비교예 1 내지 2의 결과를 도 7 내지 도 9에 도시하였다.

DSC 분석 결과, 실시예 및 비교예에서 Fe 외의 다른 성분 조성을 유지하며 Y의 함량을 증가시킴에 따라 제1결정화온도(T_x1) 과 제2결정화온도(T_x2)가 증가하였으며, 제2결정화온도의 증가율이 더 높아 (T_x2- T_x1) 로 계산되는 △T 또한 증가함을 관찰할 수 있다.

또한, 실시예 7에서 △T 의 값이 179℃ 정도로 크게 나타남을 알 수 있다.

실험예 4 : VSM 분석

실시예 1 내지 8 및 비교에 1 내지 5의 합금 시료에 대하여 포화 자속밀도 (Bs)는 진동 시편 자력계(VSM)를 이용하여 800 kA/m의 자장에서 측정하였으며, 그 결과를 표 2에 정리하여 나타내었다. 전반적으로 열처리 이후 포화 자속밀도가 증가하였으며, 이는 열처리시 내부에서 Fe이 나노미터 단위의 결정립을 형성하여 더 높은 포화 자속밀도를 가지는 것으로 예상된다.

추가적으로, 전술한 실험예들의 결과를 정리하여 아래 표 3에 나타냈다.

	Bs(T)
	As-spun	열처리 후
실시예 1	1.34	1.64
실시예 2	1.27	1.56
실시예 3	1.47	1.56
실시예 4	1.41	1.52
실시예 5	1.31	1.5
실시예 6	1.28	1.48
실시예 7	1.24	1.58
실시예 8	1.22	1.56
비교예 1	1.38	1.77
비교예 2	1.53	1.55
비교예 3	1.44	1.63
비교예 4	1.21	1.49
비교예 5	1.44	1.63

	XRD분석	포화자속밀도, Bs (T)		결정화온도 (℃)
	결정상태	as-spun	열처리 후	Tx1	Tx2	△T
실시예 1	비정질	1.34	1.64	398	516	118
실시예 2	비정질	1.27	1.56	402	524	122
실시예 3	비정질	1.47	1.56	392	527	135
실시예 4	비정질	1.41	1.52	394	532	138
실시예 5	비정질	1.31	1.5	398	510	112
실시예 6	비정질	1.28	1.48	369	513	144
실시예 7	비정질	1.24	1.58	355	534	179
실시예 8	비정질	1.22	1.56	396	507	111
비교예 1	비정질	1.38	1.77	395	511	116
비교예 2	비정질	1.53	1.55	383	515	132
비교예 3	결정질	1.44	1.63	-	527	-
비교예 4	비정질	1.21	1.49	406	526	120
비교예 5	비정질	1.44	1.63	410	512	102

전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

권선된 코일(coil); 및
상기 코일이 내부에 구비되는 연자성 코어;를 포함하고,
상기 연자성 코어는 Fe, Si, B, P, Cu 및 Y를 조성으로 가지는 합금을 포함하며, Fe를 포함하는 결정립이 비정질상에 분산된 복합조직을 가지는 인덕터로서,
상기 합금은 제1결정화온도(T_x1)와 제2결정화온도(T_x2)의 차이가 170℃ 내지 190℃이고,
상기 합금은 조성식 Fe_aSi_bB_cP_dCu_eY_f로 표현되며,
상기 a 내지 f는 원자백분율 값으로, 80≤a≤87, 0<b≤9, 3≤c≤14, 1≤d≤8, 0.2≤e≤2.5, 0<f≤3.0, 및 (e/f)≤4을 만족하고,
상기 조성식이 10≤(c+d+f)≤19를 만족하는 인덕터.
조성으로 Fe, Si, B, P, Cu 및 Y를 가지는 합금을 포함하는 연자성 코어; 및
상기 연자성 코어의 표면에 권선되는 코일(coil);을 포함하고,
상기 연자성 코어는 Fe를 포함하는 결정립이 비정질상에 분산된 복합조직을 가지는 인덕터로서,
상기 합금은 제1결정화온도(T_x1)와 제2결정화온도(T_x2)의 차이가 170℃ 내지 190℃이고,
상기 합금은 조성식 Fe_aSi_bB_cP_dCu_eY_f로 표현되며,
상기 a 내지 f는 원자백분율 값으로, 80≤a≤87, 0<b≤9, 3≤c≤14, 1≤d≤8, 0.2≤e≤2.5, 0<f≤3.0, 및 (e/f)≤4을 만족하고,
상기 조성식이 10≤(c+d+f)≤19를 만족하는 인덕터.
제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연자성 코어는 상기 조성을 가지는 합금분말이 서로 절연되며 소결된 소결체인 인덕터.
삭제
삭제
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 조성식이 0.80<(d/e)≤1.0를 만족하는 인덕터.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 조성식이 0.5≤f≤2.5를 만족하는 인덕터.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 Fe를 포함하는 결정립은 α-Fe를 포함하는 인덕터.
제10항에 있어서,
상기 Fe를 포함하는 결정립의 평균 입경은 25 nm 이하인 인덕터.