NiCuZn 페라이트의 평균입자크기 변화에 따른 전자파 흡수특성에 관한 연구

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

류현욱, 박찬규*, 정대윤, 이상록

동아대학교 화학공학과, 동국산업주식회사*

A Study on the Electromagnetic Wave Absorption Properties

by the Mean Particle Size of NiCuZn Ferrite

Hyun-Wook Ryu, Chan-Kyu Park*, Dae-Yoon Jung, Sang-Rok Lee

Dept. of Chem. Eng., Dong-A Univ., Dongkuk Industries Co., Ltd.*

서론

전자통신기술이 발달하면서 전자기기 사용이 증가하여 전자파 발생요인의 증가와 함께 심화되고 있는 전자파장해(EMI ; Electromagnetic Interference) 및 전자파양립성(EMC ; Electromagnetic Compatibility)에 대한 대책이 사회적으로 큰 관심을 끌고 있다.1) 이와 같은 전자파의 차폐를 위한 기술로서 전자파 흡수재료의 개발이 가장 능률적인 방법으로 인정되고 있다. 전자파 흡수재료는 도전손실형, 유전손실형 및 자성손실형으로 나뉘어지며 이중 자성손실형 전자파 흡수재료의 대표적인 예로서 페라이트가 널리 사용되고 있다.2)

본 연구에서는 대표적인 전자파 흡수재료로서 비교적 높은 투자율 및 전기비저항을 가지고, 1000℃ 부근의 비교적 낮은 온도의 대기 분위기 하에서 소결이 가능한 NiCuZn계 페라이트를 사용하여 페라이트의 전자기적 특성을 제어하여 자기적 손실이 큰 재료를 개발함을 목적으로 페라이트 입자의 크기제어를 통하여 미세조직 및 전자기적 특성을 알아보았다.

이론

자성손실형 재료는 자성을 갖게 하는 스핀운동이 외부로부터의 자계변화에 뒤늦게 추종함으로써 생기는 것이다. 모든 자성재료는 자성손실을 갖고 있다. 자성재료에는 철, 니켈 등의 금속자성재료와 페라이트로 대표되는 산화물 자성재료가 있는데 전자파 흡수재료로는 대부분 산화물자성재료의 소결체나 그것을 분말로 만들어 지지재료와 혼합한 것을 사용한다.3) 자성재료의 전자파 손실은 재료에 작용하는 자장 및 주파수에 의하여 결정되며 페라이트 내부의 공극 및 결정립의 형태에 따라 자기적 특성이 결정될 수 있다. 소결체 결정 내의 기공은 소결밀도를 저하시키고 입계 간의 자벽이동이나 자화회전을 방해하는 반자계 효과(demagnetic effect)를 유발하여 투자율 저하의 원인이 된다.4) 그러므로 입자가 규칙적으로 성장하여 기공의 발생을 최소화함으로서 향상된 투자율을 얻을 수 있다. 즉 소결체의 미세구조를 규칙적으로 만들기 위하여 페라이트 분말의 입자상태를 제어할 필요가 있다.

실험

1. NiCuZn 페라이트의 제조

페라이트 분말을 구성하는 분말상의 원료를 준비하여 Fe2O3 49.0 mol%, NiO 9.0 mol%, CuO 8.0 mol%, ZnO 34.0 mol%의 화학적 조성비로 혼합한 후 900℃의 온도에서 90분 동안 하소하고 자연냉각한 후, 직경 8 □의 쇠볼을 1:5의 무게비로 혼합하고 진동밀로서 고속 건식분쇄하였고 분쇄시간을 조절함으로서 평균입자크기를 조절하였다. 이와같이 준비한 시료를 Table 1에 나타내었다.

Table 1.  Condition of preparation for the NiCuZn ferrite.

Sample No.	Composition [mol%]				Milling Time [min.]	Mean Particle Size[□]	Compressed Density[g/□]
	Fe2O3	NiO	CuO	ZnO
1	49.0	9.0	8.0	34.0	2	1.55	2.99
2						1.27	3.29
					10
3						1.12	3.38
					30
4					90	0.77	3.41

2. NiCuZn 페라이트의 전자기적 특성측정

제조한 페라이트 분말을 5 wt%의 PVA 수용액을 첨가하여 과립화한 후, 제작한 금형을 사용하여 1.5 tons/□의 성형압에 의해 톨로이드형 시편을 제작하였다. 성형한 시편을 1100℃에서 150분간 유지하는 소결온도 스케줄에 따라 소결하였다. 완성된 톨로이드형 시편의 규격은 외경 7.0 □, 내경 3.0 □, 높이 5.0 □이다. 성형체의 미세구조를 분석하여 소결상태를 확인하기 위하여 주사전자현미경(JEOL JSM-5410)을 사용하였다. 제작한 톨로이드형 시편은 네트워크 분석기(Hewlett Packard 8753D)에 연결하여 재료정수를 측정함으로서 페라이트의 전자기적 특성을 구하였다.

결과 및 토론

1. NiCuZn 페라이트의 미세구조

제조한 분말의 미세구조를 확인하기 위하여 주사전자현미경 분석을 하여 그림 1에 나타내었다. 소결체의 미세구조는 전자파 흡수성능을 평가하는 항목인 투자율, 유전율 등에 큰 영향을 미친다. 표면의 입자분포 상태가 조밀하여 기공의 발생을 최소화함으로서 반자계 효과를 최소화할 수 있고 향상된 투자율을 얻을 수 있다. 이 경우 생성된 결정립의 크기는 약 6∼8 □으로 나타나고 있다. 일반적으로 결정립의 크기가 증가함에 따라 투자율은 증가하다가 약 10 □ 이상이 되면 결정립내의 기공의 발생에 의하여 투자율이 감소하는 것으로 보고되었다.5), 6)

(a)                       (b)                      (c)

Fig. 1.  SEM images of NiCuZn ferrites according to mean particle size.

; (a) 1.27 □, (b) 1.12 □, (c) 0.77 □

2. 재료정수의 주파수 의존특성

소결한 톨로이드형 시편을 사용하여 네트워크 분석기로부터 복소투자율을 측정하였다. 측정한 투자율에 대한 주파수 의존특성은 그림 2 및 그림 3에 나타내었다. 그림 2는 0.1 MHz ∼ 10 GHz의 주파수 대역에서 주파수에 따른 복소투자율의 실수부(□′)의 의존특성이고, 그림 3은 동일 주파수 대역에서 허수부(□″)의 의존특성이다. 그 결과 평균입자크기 1.12 □의 경우 가장 큰 초기투자율 및 자기손실이 측정되었다.

Fig. 2.  Permeability of real part by the

mean particle size.

Fig. 3.  Permeability of imaginary part by

the mean particle size.

투자율의 측정결과로부터 전자파 흡수의 주파수 대역을 검토할 수 있다. 그림 4는 평균입자크기의 변화에 따른 손실탄젠트의 변화이다. 손실탄젠트(tan□=□″/□′)가 1 이상의 값을 가지는 주파수 대역이 전자파의 흡수가 발생하는 대역이며 이 그림으로부터 가장 우수한 전자파 흡수특성을 갖는 경우는 평균입자크기가 1.12 □의 경우로서 전자파 흡수가 진행되는 주파수 대역은 2.4 MHz∼7.5 GHz이다. 그리고 그림 5에 복소유전율의 주파수 의존특성을 나타내었다. 측정된 복소투자율 및 복소유전율은 페라이트의 전자파 흡수특성을 나타내는 중요한 특성으로서 전자파 흡수재료의 선정에 중요한 요인이다. 측정된 복소투자율 및 복소유전율로부터 손실계수를 구하여 NiCuZn 페라이트의 전자파 흡수성능을 다음의 식으로부터 평가할 수 있다.7)

Fig. 4.  Frequency dependence of loss

tangent by the mean particle size.

Fig. 5.  Permittivity of real part by the

mean particle size.

[eqn: rm Z`=` SQRT{mu_r / epsilon_r} `times` tanh (j {2 pi` d} over lambda `SQRT{mu_r ` epsilon_r} `)``]

[eqn: GAMMA = ( Z -1) / ( Z +1)}`]

[eqn: rm Return```Loss`[dB] `=`-20`log LEFT | GAMMA`` RIGHT | `]

Fig. 6.  Frequency dependence of return

loss by the mean particle size.

이 식은 전자파 흡수재료를 두께 d의 판상으로 제작한 후 금속판 위에 올려놓은 경우에서 평면파의 수직 입사에 대한 반사계수 □로부터 전자파흡수성능을 구하는 식이다. 여기서 □r는 복소비투자율(□/□0), □r는 복소비유전율(□/□0), □는 입사한 평면파의 파장이다.

그림 6은 평균입자크기에 따른 전자파 흡수량을 위 식에 도입하여 구한 결과를 1∼ 1000 MHz의 주파수대역에서 나타낸 결과이다. 투자율 및 손실탄젠트의 결과와 유사하게 1.12 □의 평균입자크기를 갖는 시료의 경우 가장 우수하여 100∼300 MHz의 주파수 대역에서 약 13 dB의 전자파 흡수가 진행되었다.

결론

전자파 흡수용 재료로서 NiCuZn 페라이트의 전자파 흡수특성을 제어하기 위하여 평균입자크기를 조절하여 자기적 특성을 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

1. NiCuZn 페라이트의 평균입자크기를 약 1.1 □로 제조하여 소결 후 결정립 내 기공의 발생을 최소화함으로서 향상된 투자율을 얻었다.

2. 평균입자크기가 1.12 □의 경우 가장 우수한 손실탄젠트 및 전자파 흡수특성을 나타내었다.

3. NiCuZn 페라이트는 입자크기를 조절함으로서 자기손실을 향상하여 보다 우수한 전자파 흡수재료로서의 특성을 갖게 되어 전자파 흡수용 제품의 설계 및 제작에 중요한 소재로서 사용될 수 있을 것으로 기대한다.

참고문헌

1. 淸水康敬, 杉浦行, 石野建, 電磁波□吸收□遮蔽, 日經技術圖書株式會社, (1989)

2. 內藤喜之, 電波吸收體, □□□社, 104 (1987)

3. 平賀貞太郞 外, 電子材料□□□□ □□□□□, 丸善株式會社, 100 (1987)

4. 近角總信, 太田惠造, 安違健五, 津屋昇, 石川義和, 磁性體□□□□□□, 朝倉, (1987)

5. W. Heiser, Magnetic properties and grain structure of Mn-Zn Ferrites, J. Appl. Phys., 30(4), 22 (1959)

6. H. Igarshi and K. Okazaki, Effect of porosity and grain size on the magnetic properties of NiZn ferrite, J. American Ceramic Society, 60(1), 51, (1977)

7. H.M. Musal, Jr. and D.C. Smith, Universal Design Chart for Specular Absorbers, IEEE Transactions on Magnetics, 26(5), 1462 (1990)