FERRITE의 이해 (소재부문) February 2004. 11.12. 2007 SAMWHA ELECTRONICS 자기특성의 온도의존성 Contents 1. FERRITE의 결정구조 2. 자기특성의 온도의존성 3. μ 와 관련된 grain 내부 4. Hysteresis loop의 이해 5. 결정결함과 자벽이동 6. 초투자율의 자화곡선 7. 투자율의 주파수 특성 8. 소성 전후 입자비교 9. 소결입자의 성장과정 및 온도에 따른 소결입자의 변화 10. Grain의 제어 11. 초투자율과 손실의 관계 12. Mn-Zn재 재질 조합 13. 첨가물의 역할 및 첨가물 변화에 따른 ferrite core특성의 변화 February 2004. 11.12. 2007 SAMWHA ELECTRONICS FERRITE 결정구조 1. 반지름 1.4A의 산소이온, 32개 반지름 0.4~1A의 금속이온 24개로 구성 2. 기본적인 결정 모티브(motive), 즉 최소결정단위인 ‘단위포’로 구성 3. Grain 1개 안에 이온화한 56개의 원자로된 단위포가 2천억개 들어있음 February 2004. 11.12. 2007 SAMWHA ELECTRONICS 자기특성의 온도의존성 화살표는 자기모멘트. 절대온도 근처에서 완전한 반평행관계 온도상승에 따라 원자의 진동이 활발해져 반평행관계 파괴됨 Curie온도에 도달하면 상자성(자성이 없는 상태)으로 변함 February 2004. 11.12. 2007 SAMWHA ELECTRONICS μ와 관련된 grain 내부 초투자율(μi)에 영향을 주는 인자들 결정구조에 생긴 구멍(hole) 자벽의 너비 입자(GRAIN)의 크기 GRAIN사이의 입계(Boundary) 수백Å의 넓은 영역에 발생. 에너지 장벽 구축하여 자벽의 움직임 저해 자화방향이 서로 반대일 때의 경계면(자벽). 1개 grain내에 수개 존재가능 Grain의 크기이며 grain이 균일하고 클수록 투자율이 높아짐 Grain과 grain의 사이에 의도적으로 생성되는 유리질의 고저항물 물질층 February 2004. 11.12. 2007 SAMWHA ELECTRONICS Hysteresis Loop의 이해 Hysteresis loop 각 부분의 이해 처음 전류가 인가되었을 때(초투자율) ‘- ‘로 전류의 방향이 전환되었을 때 ‘-’방향으로 계속 전류가 흐를 때 ‘+’방향으로 전류 방향이 전환될 때 ‘+’방향으로 계속 전류가 흐를 때 Hysteresis loop 내 전체면적이 core loss가 됨 February 2004. 11.12. 2007 tanδ= tanδh + tanδe + tanδr SAMWHA ELECTRONICS 결정결함과 자벽이동 원형의 흰색 원은 공공 또는 결정 격자의 비틀림의 장소를 나타냄 청색의 띠는 자계 zero시점의 안정 된 자계의 모습. 전류 인가 시 소멸 자계 H의 힘이 강해지면 황색의 1차 장벽까지 도약적으로 이동 하여 자벽의 장벽을 넘어선다 자계의 힘이 계속해서 강해지면 2차 황색의 장벽까지 도달함. 추가 자계가 가해지면 완전소실됨 February 2004. 11.12. 2007 SAMWHA ELECTRONICS 초투자율의 자화곡선 처음 전류(H)를 인가 했을 때 작은 전류(H)에도 B가 급격히 증가 최대투자율(B/H) 을 넘어 서는 지점 자속(B)이 최대로 포화(Bm)되는 지점 February 2004. 11.12. 2007 SAMWHA ELECTRONICS 투자율의 주파수 특성 교류자계에서는 자계가 +, - 방향으로 계속 변환(10kHz->10,000회 변환) 교류자계 변화(‘+’ -> ‘-’, ‘-’ -> ‘+’)에 자속(B)의 변화가 지연되는 현상 발생(손실) February 2004. 11.12. 2007 SAMWHA ELECTRONICS 소성 전후 입자비교 성형품 단면 소성품 단면 성형품 성형밀도: 2.9~3.5g/㎤, 입경:0.5~2.0㎛, 성형압력: 1.5~2kg/㎠ 소성품 소결밀도: 4.8~5.0g/㎤, 입경:5~15㎛, 수축비: 12~19% February 2004. 11.12. 2007 SAMWHA ELECTRONICS 소결입자의 성장과정 성형입자가 소성로에서 온도의 영향으로 점점 성장하여 소결체로 변하는 과정 February 2004. 11.12. 2007 SAMWHA ELECTRONICS 온도에 따른 소결입자의 변화 재질별 소결 방식 Mg-Zn : 대기중 소결 Ni-Zn : 대기중 소결 Mn-Zn : 분위기 소결 February 2004. 11.12. 2007 SAMWHA ELECTRONICS GRAIN의 제어 Grain의 순도가 높고 결함이 미세할 때 높은 초투자율 특성(High μi)가능 각 Grain의 조성이 균일할 경우 Hysteresis 손실(Ph) 저하 Grain의 크기가 적절할 때 Hysteresis(Ph)와 Eddy current( Pe) 손실 저하 입계의 저항층이 얇고 균일할 때 Eddy current 저하, High μi, High Bm 가능 기공은 결정입계사이에 존재. 작을수록 High μi, High Bm, 손실 저하 February 2004. 11.12. 2007 SAMWHA ELECTRONICS 초투자율과 손실의 관계 초투자율은 온도가 상승하면 같이 상승하다가 1차, 2차 peak 형성 1차 peak를 기점으로 상승이 둔화되다가 다시 상승하여 2차 peak 형성 2차 peak에서는 급격히 특성을 상실하여 자성체의 성질을 잃어버림(Tc) Power Loss 특성은 초투자율 1차 peak 부근에서 가장 낮은 값을 갖게 됨 February 2004. 11.12. 2007 SAMWHA ELECTRONICS Mn-Zn재 재질 조합 1. Mn-Zn 재의 주 조성은 Fe2O3, Mno, ZnO이며 조성비에 따라 재질 특성이 변화함 2. 이상적인 재질 조합비는 도표 가운데 있는 황색 사다리꼴 내에 분포함 3. MnO: Second peak(Ts), ZnO: Curie Temperature(Tc)와 밀접한 연관 있음 February 2004. 11.12. 2007 SAMWHA ELECTRONICS 첨가물의 역할 GROUP 구분 1. CaO, SiO2 저항 및 소결 밀도를 높이는 역할(기본첨가물) 2. V2O5, Bi2O3 Grain의 성장을 촉진시키는 역할(High μ) 3. Ta2O5, ZrO2 Grain의 성장을 억누르는 역할(Low Loss) 4. B2O3 Grain의 성장을 불연속적이게 하는 역할 5. MoO3,Na2O group 4 효과를 제어하는 역할(group 4 불순물연관) 6. SnO2, TiO2, CoO, MgO Spindle 격자(lattice)를 만들어 주는 역할 (Bm, Tc, temperature coefficient 제어) February 2004. 11.12. 2007 SAMWHA ELECTRONICS 첨가물에 따른 저항의 변화 262.5 -- 300.0 225.0 -- 262.5 187.5 -- 225.0 150.0 -- 187.5 112.5 -- 150.0 75.00 -- 112.5 37.50 -- 75.00 0 -- 37.50 Resistivity vs. CaO, SiO2 첨가물의 영향 0.025 300 250 0.020 SiO2 (m/o) Resistivity (Wm) 200 150 100 50 0.025 0.015 0.010 0.020 February 2004. 11.12. 2007 0.08 (m/o ) 0.10 0.010 0.12 0.14 0.005 (m /o C aO ) 0.015 0.06 2 0.04 Si O 0 0.005 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 CaO (m/o) SAMWHA ELECTRONICS 첨가물에 따른 Core Loss 변화 Core Loss vs. CaO, SiO2 첨가물의 영향 0.025 1100 1000 0.020 900 800 SiO2 (m/o) 3 Core Loss (mW/cm ) 1013 -- 1100 925.0 -- 1013 837.5 -- 925.0 750.0 -- 837.5 662.5 -- 750.0 575.0 -- 662.5 487.5 -- 575.0 400.0 -- 487.5 700 600 500 0.025 0.015 0.010 February 2004. 11.12. 2007 (m/o ) 0.010 /o 0.005 2 0.10 0.12 O C aO 0.08 (m 0.015 0.06 0.14 0.005 Si 0.04 ) 0.020 400 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 CaO (m/o) SAMWHA ELECTRONICS 분쇄입경에 따른 Core Loss 변화 630 600 570 540 510 480 450 420 Core Loss vs. Temp., Particle size 분쇄입경의 영향 --------- 660 630 600 570 540 510 480 450 1.4 1.3 600 550 500 1.4 1.3 1.2 1.1 1.2 1.1 Sinte red T February 2004. 11.12. 2007 e 1320 emp o (C 1.0 siz 1300 1340 ) 1.0 le 1280 Pa rti c 1260 (u m ) 450 Particle size (um) Core Loss (mW/cc) 650 1260 1280 1300 1320 1340 o Sintered Temp ( C) SAMWHA ELECTRONICS 가소온도에 따른 Core Loss 변화 645 610 575 540 505 470 435 400 Core Loss vs. Calcined temp. 가소온도의 영향 --------- 680 645 610 575 540 505 470 435 1000 650 o Calcined Temp ( C) 600 550 500 450 February 2004. 11.12. 2007 p ( oC ) 850 ( Co p m Te 1320 d 1300 1340 800 ne re d T em 900 ci S in t e 1280 al 400 1260 900 ) 1000 C Core Loss (mW/cc) 950 800 1260 1280 1300 1320 1340 o Sintered Temp ( C) SAMWHA ELECTRONICS