KR20200061979A - 자성 분말, 압축 분말 코어 및 이의 제조 방법 - Google Patents

자성 분말, 압축 분말 코어 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

자성 분말, 압축 자성 분말 및 이들의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 자성 분말은 각형비가 4 이상인 판상형 입자를 포함하여 저비용으로 제조할 수 있으며 자속밀도가 향상된 효과가 있다.

Description

자성 분말, 압축 분말 코어 및 이의 제조 방법{MAGNETIC POWDER, COMPRESSED POWDER CORE AND METHOD OF PREPARATION THEREOF}
본 발명은 자성 분말, 압축 자성 분말 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 자성 물질은 인덕터, 모터 코어 및 변압기 코어와 같은 다양한 장치에 사용되고 있다.
전기장치 내에 포함되는 회전자 및 고정자와 같은 자성 코어는 가공된 강판을 여러 층으로 적층하고 고정하여 일체화 되도록 하는 것에 의해 제조되었다.
최근에는. 자성 분말들을 고압 성형하여 코어를 제조하고 있다. 자성 분말을 고압 성형하여 코어를 제조하는 방법은 매우 용이하게 다양한 형상의 코어를 제조할 수 있다는 장점을 갖는다.
이때 사용되는 자성 분말은 전기를 인가하면 자성을 가지는 분말을 의미한다. 자성 분말은 일반적으로 철계(Fe-based)의 연자성 입자들을 기초로 한다. 자성 분말은 철계 재료를 분사법 또는 분쇄법 등을 통해 분말 형태로 만들고 상기 분말을 적절히 가공하여 제조할 수 있다.
자성 분말의 형상은 통상적으로 균일한 입경을 갖는 구상형으로 제조된다.
하지만, 자성 분말을 구상형으로 만들기 위해서는 까다로운 조건과 복잡한 공법이 필요하다. 이처럼, 자성 분말을 구상형으로 만들기 위한 공정은 번거롭고 많은 비용이 소요되는 문제점이 있다.
아울러, 구상형 분말을 이용한 코어는 조직이 치밀하지 못해 내구도가 떨어지는 문제점이 있다.
아울러, 결정질 분말과 비정질 분말을 혼합한 혼합 분말 코어에 관한 기술이 잘 알려져 있다. 상기 혼합 분말 코어는 인덕터와 같은 전기 전자 부품에 사용될 수 있다. 그러나, 상기 혼합 분말 코어에 포함된 결정질 분말과 비정질 분말이 갖는 고온 물성의 차이 때문에 혼합 분말 코어에는 고온의 소결 공정을 적용할 수가 없다. 이에 따라 상기 혼합 분말 코어는 진동에 대한 내성 등 강한 내구성이 요구되는 모터에는 적용하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 저비용으로 제조할 수 있으며 자속밀도가 향상된 신규의 자성 분말을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 조직이 치밀하고 강도가 우수한 모터 코어를 제조할 수 있는 신규의 자성 분말을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 저비용으로 용이하게 신규의 자성 분말을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
기존의 자성 분말과 비교하여 자속밀도가 향상되고 저비용으로 제조가 가능한 신규의 자성 분말을 제공하기 위해, 본 발명에 따른 자성 분말은 하기 관계식 1로 정의되는 각형비(aspect ratio)가 4 이상인 판상형 입자를 포함한다.
[관계식 1]
각형비 = 판상형 입자의 장축 길이 / 판상형 입자의 단축 길이
또한, 고치밀도 및 고강도를 갖는 모터 코어를 제조할 수 있는 신규의 자성 분말을 제공하기 위해, 본 발명에 따른 자성 분말은 직경이 1 ㎛ 이하인 구상형 입자를 더 포함할 수 있다.
아울러, 적은 비용으로 용이하게 신규의 자성 분말을 제조할 수 있는 방법을 제공하기 위해, 본 발명에 따른 자성 분말의 제조방법은 자성을 갖는 원재료를 포함하는 슬러리를 액적(droplet) 방울로 만들고, 상기 액적 방울을 분사하는 단계; 및 상기 액적 방울을 회전하는 플레이트에 분사하여 판상형 입자를 제조하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 자성 분말은 특정 각형비를 갖는 판상형 입자를 포함하여 저비용으로 제조할 수 있으며 자속밀도가 향상된 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 자성 분말은 직경이 1 ㎛ 이하인 구상형 입자를 더 포함할 수 있어 고치밀도 및 고강도를 갖는 모터 코어의 제조가 가능한 효과가 있다.
더 나아가 본 발명에 따른 자성 분말의 제조방법은 비교적 간단한 방법으로 판상형 입자를 제조할 수 있어 저비용으로 용이하게 신규의 자성 분말을 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 자성 분말에 포함되는 판상형 입자가 도시된 SEM 사진이다.
도 2는 본 발명의 판상형 입자를 제조하는 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 압축 분말 코어를 제조하는 과정에서 압축 및 소결 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 이하, 본 발명에 따른 자성 분말, 압축 분말 코어 및 이의 제조방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
<자성 분말>
본 발명에 따른 자성 분말은 하기 관계식 1로 정의되는 각형비(aspect ratio)가 4 이상인 판상형 입자를 포함한다.
[관계식 1]
각형비 = 판상형 입자의 장축 길이 / 판상형 입자의 단축 길이
판상형 입자를 포함하는 자성 분말은 구상형 입자와 비교하여 형상 자기이방성을 갖는다. 이에 따라, 판상형 입자를 포함하는 자성 분말은 면 방향으로 정렬시에 자속 밀도의 개선이 가능하다.
본 발명에 따른 판상형 입자는 각형비가 약 4 이상으로 정의된다. 상기 판상형 입자의 각형비가 4 미만인 경우에는 입자 입경의 균일도가 높아져 원하는 형상 자기이방성을 부여할 수 없는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 자성 분말의 재료가 특별히 한정되는 것은 아니다. 다만, 본 발명에 따른 자성 분말이 모터 코어에 적용될 수 있도록 상기 판상형 입자는 결정질 재료를 포함하는 것이 바람직하다.
바람직하게는 상기 판상형 입자는 순철, 카르보닐철, Fe-Si-Cr계 합금, Fe-Ni계 합금, Fe-Co계 합금, Fe-V계 합금, Fe-Al계 합금, Fe-Si계 합금 및 Fe-Si-Al계 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 재료를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 자성 분말은 치밀한 조직 및 고강도를 갖는 모터 코어를 제공할 수 있도록, 작은 직경을 갖는 구상형 입자를 일정량 포함하는 것이 바람직하다.
상기 구상형 입자는 판상형 입자가 면방향으로 쌓일 때 일부 빈 공간을 채울 수 있다.
상기 구상형 입자는 직경이 1 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.5 ㎛ 이하일 수 있다. 상기 구상형 입자의 직경이 1 ㎛를 초과하는 경우에는 오히려 판상형 입자의 면방향 정렬을 방해할 수 있다.
<자성 분말의 제조방법>
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 자성 분말은 판상형 입자를 포함한다. 본 발명은 이와 같은 판상형 입자를 저비용으로 용이하게 제조하는 방법을 제공한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 자성 분말의 제조방법은, 자성을 갖는 원재료를 포함하는 슬러리(10)를 액적(droplet) 방울(11)로 만들고, 상기 액적 방울(11)을 분사하는 단계; 및 상기 액적 방울(11)을 회전하는 플레이트(130)에 분사하여 판상형 입자를 제조하는 단계;를 포함한다.
먼저, 본 발명에 따른 자성 분말의 제조방법은 자성을 갖는 원재료를 포함하는 슬러리(10)를 액적(droplet) 방울(11)로 만들고, 상기 액적 방울(11)을 분사하는 단계를 포함한다.
상기 원재료의 성분이 특별히 제한되는 것은 아니지만, 상술한 바와 같이 순철, 카르보닐철, Fe-Si-Cr계 합금, Fe-Ni계 합금, Fe-Co계 합금, Fe-V계 합금, Fe-Al계 합금, Fe-Si계 합금 및 Fe-Si-Al계 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 재료를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 일 실시예에서, 퍼니스(110)에 슬러리(10)를 투입하고, 상기 슬러리(10)를 토출구(120)를 통해서 액적 방울(11)로 분사시킬 수 있다.
물론, 원재료를 포함한 슬러리의 제조 방법, 상기 슬러리를 액적 액적화 하는 방법 및 분사하는 방법이 특별히 제한되는 것은 아니고, 다양한 공지의 방법을 사용하여 수행할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 자성 분말의 제조방법은 상기 액적 방울(11)을 회전하는 플레이트(130)에 분사하여 판상형 입자를 제조하는 단계;를 포함한다.
상기 액적 방울(11)은 회전하는 플레이트(130)에 분사된다. 상기 액적 방울(11)은 상기 플레이트(130) 상에서 응고되고 판상형 입자로 형상이 변환된다.
상기 플레이트(130)는 회전하고 있으며, 임의의 경사를 가지고 있는 것이 바람직하다. 경사의 정도는 필요에 따라 적절히 선택할 수 있다.
<압축 분말 코어>
다음으로, 본 발명에 따른 압축 분말 코어는 상술한 판상형 입자를 포함하는 자성 분말이 가압 성형되고 소결된 것이다. 상기 판상형 입자는 상술한 바와 같이 하기 관계식 1로 정의되는 각형비가 4 이상이다.
[관계식 1]
각형비 = 판상형 입자의 장축 길이 / 판상형 입자의 단축 길이
본 발명에 따른 압축 분말 코어는 판상형 입자가 면 방향으로 적층된 상태로 가압 성형되고 소결되기 때문에, 매우 치밀한 조직을 가지고 강도가 우수하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자성 분말의 재료가 특별히 한정되는 것은 아니다. 다만, 본 발명에 따른 압축 분말 코어는 모터 코어에 적용될 수 있도록 상기 판상형 입자가 결정질 재료를 포함하는 것이 바람직하다.
바람직하게는 상기 판상형 입자는 순철, 카르보닐철, Fe-Si-Cr계 합금, Fe-Ni계 합금, Fe-Co계 합금, Fe-V계 합금, Fe-Al계 합금, Fe-Si계 합금 및 Fe-Si-Al계 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 재료를 포함할 수 있다.
또한 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자성 분말은 치밀한 조직 및 고강도를 갖는 모터 코어를 제공할 수 있도록, 작은 직경을 갖는 구상형 입자를 일정량 포함하는 것이 바람직하다.
상기 구상형 입자는 판상형 입자가 면방향으로 쌓일 때 일부 빈 공간을 채울 수 있다.
상기 구상형 입자는 직경이 1 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.5 ㎛ 이하일 수 있다. 상기 구상형 입자의 직경이 1 ㎛를 초과하는 경우에는 오히려 판상형 입자의 면방향 정렬을 방해할 수 있다.
<압축 분말 코어의 제조방법>
다음으로, 본 발명에 따른 압축 분말 코어의 제조방법은, 하기 관계식 1로 정의되는 각형비(aspect ratio)가 4 이상인 판상형 입자를 포함하는 자성 분말을 가압하여 성형 제조물을 제조하는 단계; 및 상기 성형 제조물을 소결하는 단계;를 포함한다.
[관계식 1]
각형비 = 판상형 입자의 장축 길이 / 판상형 입자의 단축 길이
본 발명에 따른 압축 분말 코어의 제조방법은 상기 자성 분말을 가압하여 성형 제조물을 제조하는 단계;를 포함한다. 상기 성형 제조물은 압축 분말 코어일 수 있다.
도 3의 (a)를 참조하면, 상기 판상형 입자들이 면 방향으로 정렬되어 있고 이를 가압 성형하여 성형 제조물을 제조하는 것을 확인할 수 있다.
상기 자성 분말은 상술한 본 발명에 따른 자성 분말을 동일하게 사용할 수 있다. 상기 자성 분말은 바람직하게는 결정질 재료를 포함할 수 있고, 1 ㎛ 이하의 직경을 갖는 구상형 입자를 더 포함할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 압축 분말 코어의 제조방법은 상기 성형 제조물을 소결하는 단계;를 포함한다.
도 3의 (b)를 참조하면, 가압 성형된 성형 제조물에 대해 고온의 열을 가하여 소결할 수 있다. 고온 소결 단계는 1 내지 3시간에서 1100 ~ 1400 ℃의 온도 범위 내에서 수행될 수 있고, 소결 시간이나 온도가 특별히 제한되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 고온 소결 방식은 공지의 소결 방식이 이용될 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명의 구체적인 태양을 살펴보기로 한다.
<실시예>
1. 실시예 1
(1) 자성 분말의 제조
카르보닐철로 이루어지는 결정질 자성 재료를 준비하고, 상기 자성 재료를 97 질량부, 아크릴 수지 및 페놀 수지로 이루어지는 절연성 결착재를 2.5 질량부, 및 스테아르산아연으로 이루어지는 윤활제 0.5 질량부를, 용매로서의 물에 혼합하여 슬러리를 얻었다.
얻어진 슬러리를 가지고, 도 2에 도시된 장치(100)를 이용하여, 판상형 입자를 얻었다. 판상형 입자의 각형비는 5~6 이다. 각형비는 SEM 사진에서 무작위로 추출한 5개 입자의 각형비의 평균값으로 측정하였다.
(2) 압축 성형
얻어진 자성 분말을 금형에 충전하고, 면압 1∼2 GPa로 가압 성형하여, 외경 20 mmХ내경 12 mmХ두께 3 mm의 링 형상을 갖는 성형체를 얻었다.
(3) 열처리 및 소결
얻어진 성형체를, 질소 기류 분위기의 노 내에 배치하고, 상온에서부터 분당 2 ℃의 속도로 승온하여 600 ℃에서 2시간 동안 유지하여 열처리를 수행하였다. 이후 다시 분당 2 ℃로 승온하여 온도를 상승시켜 1300 ℃에서 2시간 동안 고온 소결을 수행하여, 압축 분말 코어를 얻었다.
2. 실시예 2
실시예 1의 상기 슬러리에 대해 80%는 판상형 입자로 제조하고 20%는 구상형 입자로 제조하여 판상형 입자와 구상형 입자가 혼합된 자성 분말을 얻었다. 상기 혼합물을 가지고 실시예 1과 동일한 성형, 열처리 및 소결 공정을 통해 실시예 2에 따른 압축 분말 코어를 얻었다.
상기 구상형 입자는 카르보닐철로 이루어지는 결정질 자성 재료로부터 얻어진 것이고, 스프레이 드라이어 장치를 이용하여 제조되었다.
3. 비교예 1
실시예 1의 상기 슬러리를 가지고 모두 구상형 입자로 된 자성 분말을 얻었다. 상기 자성 분말을 가지고 실시예 1과 동일한 성형 및 소결 공정을 통해 비교예 1에 따른 압축 분말 코어를 얻었다.
상기 구상형 입자는 카르보닐철로 이루어지는 결정질 자성 재료로부터 얻어진 것이고, 스프레이 드라이어 장치를 이용하여 제조되었다.
<자기적 물성 측정>
얻어진 실시예 1, 2와 비교예 1에 따른 압축 분말 코어에 대해 자속 밀도를 측정하였다. 각 코어의 자속 밀도는 이력곡선 측정기(AE TECHRON B­H curve tracer)를 사용하여 자기이력 곡선(hysteresis curve) 값을 측정하였고, 자기이력 곡선으로부터 자속밀도 값을 평가하여 측정하였다.
실시예 1 및 2는 자속밀도가 1.8 T(tesla)로 측정되었고 비교예 1은 자속밀도가 1.7 T(tesla)로 측정되었다. 이에 따라, 본 발명에 따른 자성 분말을 이용한 코어는 기존의 자성 분말을 이용한 코어 대비 자속밀도가 개선되었음을 확인할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
10 : 슬러리
11 : 액적 방울
100 : 판상형 입자 제조 장치
110 : 퍼니스
120 : 토출구
130 : 플레이트

Claims (9)

  1. 하기 관계식 1로 정의되는 각형비(aspect ratio)가 4 이상인 판상형 입자를 포함하는 자성 분말.

    [관계식 1]
    각형비 = 판상형 입자의 장축 길이 / 판상형 입자의 단축 길이
  2. 제1항에 있어서,
    상기 판상형 입자는 순철, 카르보닐철, Fe-Si-Cr계 합금, Fe-Ni계 합금, Fe-Co계 합금, Fe-V계 합금, Fe-Al계 합금, Fe-Si계 합금 및 Fe-Si-Al계 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 자성 분말.
  3. 제1항에 있어서,
    직경이 1 ㎛ 이하인 구상형 입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자성 분말.
  4. 자성을 갖는 원재료를 포함하는 슬러리를 액적(droplet) 방울로 만들고, 상기 액적 방울을 분사하는 단계; 및
    상기 액적 방울을 회전하는 플레이트에 분사하여 판상형 입자를 제조하는 단계;를 포함하는 자성 분말의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 원재료는 순철, 카르보닐철, Fe-Si-Cr계 합금, Fe-Ni계 합금, Fe-Co계 합금, Fe-V계 합금, Fe-Al계 합금, Fe-Si계 합금 및 Fe-Si-Al계 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 자성 분말의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 플레이트는 임의의 경사를 갖는 것을 특징으로 하는 자성 분말의 제조방법.
  7. 하기 관계식 1로 정의되는 각형비가 4 이상인 판상형 입자를 포함하는 자성 분말이 가압 성형되고 소결된 압축 분말 코어.

    [관계식 1]
    각형비 = 판상형 입자의 장축 길이 / 판상형 입자의 단축 길이
  8. 제1항에 있어서,
    상기 자성 분말은 직경이 1 ㎛ 이하인 구상형 입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압축 분말 코어.
  9. 하기 관계식 1로 정의되는 각형비(aspect ratio)가 4 이상인 판상형 입자를 포함하는 자성 분말을 가압하여 성형 제조물을 제조하는 단계; 및
    상기 성형 제조물을 소결하는 단계;를 포함하는 압축 분말 코어의 제조방법.

    [관계식 1]
    각형비 = 판상형 입자의 장축 길이 / 판상형 입자의 단축 길이
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