Absorption Properties of Thin Permalloy-Rubber Absorbers in Mobile Telecommunication Frequency Bands

−

115

⁻

Permalloy

를 이용한 이동통신주파수 대역용 박형 전파흡수체의 제조 및 특성 연구

김문석·민의홍·고재귀^*

숭실대학교 자연과학대학 물리학과, 서울시 동작구 상도5동 1-1, 156-743 (2008년 4월 25일 받음, 2008년 6월 9일 최종수정본 받음)

Permalloy

^를

30

^{시간볼밀 한후주사전자현미경으로형상및입경을분석하였으며}

,

^{볼밀가공한}

Permalloy

^{의입자들이편편한}

상을 가짐을 확인하였다

. Permalloy

를 실리콘 고무와 혼합하여 박형 전파흡수체를 제조하고

Network Analyzer

을 이용하여

permalloy-

고무전파흡수체의재료정수및전파흡수특성을측정하였으며

,

그들의상관관계를비교조사하였다

.

가공한

permalloy-

고무복합재료는높은복소유전율및복소투자율을가지며미가공한

permalloy-

^{고무복합재료보다 전파흡수특성이우수하였다}

.

또한전파흡수체두께에따라서정합주파수가낮은주파수대역으로

shift

^{됨을알수있고}

, 1.3 mm

^{의두께로제조한전파흡수체}

에서는이동통신주파수대역인

1.65 GHz~1.86 GHz

에서 가장우수한전파흡수특성을나타내었다

.

주제어

: permalloy,

전파흡수체

,

전자파장해

(EMI),

이동통신

I. 서 론

최근 이동통신단말기와 같은 디지털 전자기기는 양적으로 나질적으로 실로 대단한 급성장을 하고 있다

.

그러나 전파

의이용이 증가하는추세에 따라전자파 장해

(EMI)

및전자

파환경양립성

(EMC)

이심각한기술적문제로대두되고있다

.

이에따라이동통신단말기에서전자파의누설을방지하고인 체유해 영향을 최소화하기위한 여러 가지 방안들이 검토되 고있다

.

국내외적으로 전자파장해에관한 효과적인대책수 단으로서전파 감쇠 기능 및반사 억제 기능을동시에 겸한 전파흡수체에대한 중요성및필요성이인식되고있다

[1- 6].

이동통신단말기에 들어가는 전자파 흡수체에서 요구되는 가장중요한 특성은통신주파수

(

셀룰러폰

: 800 MHz, PCS : 1.8 GHz, IMT-2000 : 2.2 GHz)

에서 전자파 흡수율이커야함 은물론

,

무엇보다도두께가박형이어야 한다

.

현재의전파흡

수체 경우 상기 주파수 대역에서 두께가

4 mm

이상이므로

박형화에필요한새로운소재의개발이 검토되어야한다

[7, 8].

따라서

,

본연구에서는

permalloy

를흡수손실재료로 선정하 고

,

박형 전파흡수체를제조하였으며

,

이들 재료의 이동통신 주파수대역에초점을맞추어고주파전자기특성및전파흡 수특성을조사하였다

.

II. 실험 방법 및 측정

본실험에 사용된 분말은 니켈과 철의 합금인

Fe

50

Ni

50의

조성비를 갖는

permalloy

를 출발원료로 사용 하였으며

(sample A

용

),

출발원료를

30

시간 동안볼밀한분말

(sample B

용

)

을전파흡수체제조에사용하였다

.

이들두가지미분말의 형상은 주사전자현미경

(SEM : scanning electron microscope)

을이용해 관찰하였으며

,

지지재인 실리콘고무와

5 : 1

의무

게비로 혼합한 뒤

roller

를이용하여 두께에 따른 박형 전파

흡수체를 각각 제조하였다

.

제조된 전파흡수체는

Network analyzer(model : HP/8510C)

를사용하여주파수에따른 재료 정수

(

복소유전율

,

복소투자율

)

와 반사손실을 측정하였다

.

두

sample

의전파흡수체

(Sample A

및

Sample B)

제조 공정을

Fig. 1

에나타내었다

.

III. 결과 및 고찰

Fig. 2

는출발원료로 사용한

permalloy

분말과

30

시간 동

안볼밀 한

permalloy

분말의 형상과 입경을 관찰하기위하

여 측정한

SEM(JSM-6700F, 10 kV)

분석 결과이다

.

출발원 료로 사용한

permalloy

분말은 구형이면서

island

구조인 것 을확인하였고

, 30

시간 동안볼밀 한

permalloy

분말은 구형 이아닌편편한상을 형성하였으며

,

평균

45

µ

m

이하의동일 한입경을확인하였다

.

Fig. 3

은

sample A

와

sample B

의 시트형 전파흡수체를

Network Analyzer

를사용하여 투과

/

반사법에 의해 복소유전

율 및 복소투자율을 측정한 결과이다

. Sample A

와

sample B

는 같은 유형의 모양으로 측정되었지만

,

복소유전율에서

sample A

는 ε'

= 14.3,

ε''

= 1.7 sample B

는 ε'

= 159.9,

ε''

= 26.7

로 복소유전율 값이 월등히 차이가 났으며

, sample B

는

*Tel: (02) 820-0421, E-mail: [email protected]

Fig. 1.

Manufacturing process of Permalloy-rubber composite microwave absorbers. (a) Sample A, (b) sample B.

Fig. 2.

SEM photographs of Permalloy particles. (a) Raw permalloy, (b) Ball-mill processed permalloy for 30 hours.

Fig. 3.

Complex permittivity and permeability as a function of

frequency of Permalloy with (a) Sample A, (b) sample B (Thickness :

1.3 mm).

다른강유전체만큼의높은 유전율을보였다

.

^{이는 구형의미}

분말을가공함으로써편상을만들어나타난현상이고

,

와전류

손실이감소하고

(

^{복소투자율의증가}

)

^{편상에의해정전용량이}

증가한 것

(

복소유전율의증가

)

에기인한다

[8, 9].

두전파흡수체의경우투자율실수항

(

^µ'

)

^의값은

sample A

는

3

이고

, sample B

는

14

로현저히 차이가나고

,

투자율허 수항

(

^µ'

')

^{이 투자율 실수항}

(

^µ'

)

^{을 능가하는 주파수 영역은}

sample A

인 경우

1.6 GHz

에서 나타나고

sample B

는

0.8

GHz

^{에서나타나서가공한}

sample B

^{시트형전파흡수체가주}

파수 영역을

shift

한것을 알수있다

.

또한

1 GHz

이상에서 µ''이 증가하는것으로 보아 자성손실이 크게됨을 알수있 었다

.

Fig. 4

^는

permalloy

^{를이용한 전파흡수체를 펀치를 이용하}

여내경

3 mm

외경

7 mm

의형상을만들어두께별로전파흡

수능을 측정한결과이다

.

정합형전파흡수체에서는흡수체두께가 시편내파장의

1/

4(Quater wavelength)

일때최대 흡수능이일어나며 인경우 흡수체의 정합두께는식

(1)

의관계로 표시된다

[10, 11].

(1)

여기서

,

은 의 실수항을 의미한다

.

이 커질수록 d

/

^{λ값은 작아지므로박형전파흡수체의제조가가}

능하며

, Fig. 3

과

Fig. 4

로부터 εr와 µr의증가에 따른 두께 감소를 확인할수있다

.

Fig. 5

은

sample B

의두께별반사손실값을주파수에따라

나타내었다

.

^{두께 d인 전파 흡수체에서반사 손실}

(Reflection loss)

은식

(2)

처럼나타낼 수있다

[12].

(2)

dλ

--- = 1 4

( µ_rε_r)'

---

µ_rε_r

( )' µ_rε_r µ_rε_r

RL =

– log 20

₁₀^{Z −}

1

Z

+ 1 ---

Fig. 4.

Reflection loss as a function of frequency of samples with

different thickness.

^{Fig. 5.}

Reflection loss as a function of frequency of sample B with

different thickness.

여기서

,

^{Z는정규화입력임피던스이다}

.

^{평면파의수직입사에}

대한매질내정규화입력임피던스 Z는식

(3)

처럼주어진다

. (3)

여기서

,

λ는 입사한평면파의자유공간상의파장이며

,

εr는복 소유전율

(

^εr

=

^{ε' − iε''}

),

^{µr는 복소투자율}

(

^µr

=

^{µ' − iµ''}

)

^이다

.

^또

한완벽한전파 흡수체가되기 위해서는 Z가

1

이되는 것으 로전파흡수체의 완전정합 조건은식

(4)

^와같다

.

(4)

Sample B

^{의전파흡수체에서두께가}

0.7 mm

^{인경우반사손}

실은

3 GHz

에서 −

4.8 dB

수준으로 다른 두께

(1.0 mm, 1.3 mm)

^{보다 전파흡수능은낮았지만}

,

^{전파흡수체의두께가 기존}

의전파흡수체보다도박형이다

.

두께가

1.3 mm

일때

1.65~

1.86 GHz

^{에서 −}

6.1 dB

^{의 반사손실을 얻었는데 이는}

PCS

^용

이동통신단말기에서사용하는주파수인

1.75~1.80 GHz

대역 에서충분히 응용가능성이 있다고판단된다

.

^{그리고두께가}

변함으로써 정합주파수영역이

shift

되면서

broad band

를형 성하였고 이것은 이미 보고된 바와 같이 식 d

=

c

/(2

πµr''f

) (

d

:

정합두께

,

c

:

빛의 속도

,

f

:

정합주파수

)

에 의하여 전 파흡수체의 정합두께에따라 변함을 본연구에서도 확인 할

수있었다

[6].

그리고정합두께와정합주파수가반비례관계임

을알수있었다

.

IV. 결 론

본연구는

permalloy

를이용하여이동통신주파수대역용박

형 전파흡수체를 제조하고

,

고주파 전기특성 및반사손실을 측정하였다

. SEM

을사용하여

sample A

용

permalloy

분말은 구형

, sample B

용

permalloy

분말은 편상임을확인하였다

.

Network Analyzer

을이용하여재료정수를측정한결과

,

주 파수가증가함에따라전파흡수체의투자율 실수항이감소하 였고

,

투자율허수항이고유주파수에서최대값을 가지는데이 와같은 현상은입자들의편상화에따른전파의입사 방향에

수직으로 배열된

permalloy

전파흡수체의전류 감소로 사료

되고

,

또한 재료정수들은

sample B

가

sample A

보다 상대

적으로 높은증가율을 얻었다

.

두께별로 전파흡수체의 반사손실을 측정한 결과 정합주파 수와 두께가반비례함을확인하였고

0.7 mm

^{두께를가진전}

파흡수체가 전파흡수율이 다소 하락하였으나 기존의 전파흡

수체의 경우

2 GHz

^{에서 두께가}

4 mm

^{이상이 되어야 하는}

점을 감안하면

permalloy

의응용 가능성은 충분하며

,

기존의

전파흡수체의 두께보다 매우 얇은

1.3 mm

^{일때 이동통신주}

파수 대역

(PCS

대역

: 1.65 GHz~1.86 GHz)

에서 사용 가능 한전파흡수체를제조한 것이본연구의주요 결실이다

.

감사의 글

「본연구는숭실대학교교내연구비지원으로이루어졌음」

이에 감사드립니다

.

참고문헌

[1] S. Sugimoto, S. Kondo, K. Okayama, D. Book, T. Kagotani, and M. Homma, IEEE Trans.,

35

, 3154 (1999).

[2] M. R. Meshram, N. K. Agrawal, B. Sinha, and P. S. Misra, J.

Magn. Magn. Mater.,

271

, 207 (2004).

[3] M. S. Kim and J. G. Koh, J. of Kor. Mag. Soc.,

15

(5), 282 (2005).

[4] C. M. Choi, D. I. Kim, S. H. Je, and Y. S. Choi, Cur. App. Phy.,

7

, 586 (2007).

[5] E. H. Min, M. S. Kim, and J. G. Koh, J. of Kor. Mag. Soc.,

17

(6), 238 (2007).

[6] M. S. Kim and J. G. Koh, J. of Kor. Mag. Soc.,

15

(5), 282 (2005).

[7] S. S. Kim, D. H. Han, and S. B. Jo, IEEE Trans. Mag.,

30

(6), 4554 (1994).

[8] Y. J. Lee, Y. C. Yoon, and S. S. Kim, J. of Kor. Mat. Rec.,

12

(2), 160 (2002).

[9] S. T. Kim, S. K. Kim, S. S. Kim, Y. C. Yoon, K. S. Lee, and K.

B. Choi, J. of Kor. Mag. Soc.,

14

(4), 131 (2004).

[10] M. B. Amin and J. R. James, Radio Electro Eng.,

51

(5), 209 (1981).

[11] H. D. Im, K. T. Youn, and C. G. Lee, J. Kor. Mat. Rec.,

9

(2), 1234 (1999).

[12] Y. Natio,

Electromagnetic Wave Absorbers

, Tokyo : New Ohm, p. 86 (1987).

Z

=

^µ_ε^r

---tanh

r j

2

π

---

λ ε_rµ_rd

⎝ ⎠

⎛ ⎞

µ_r ε_r

---tanh

^j

2

^π

---

λ ^ε_r^µ_r^d

⎝ ⎠

⎛ ⎞

= 1

Absorption Properties of Thin Permalloy-Rubber Absorbers in Mobile Telecommunication Frequency Bands

Moon Suk Kim, Eui Hong Min, and Jae Gui Koh

^*

Department of Physics Soongsil University, Seoul 156-743, Korea (Received 25 April 2008, in final form 9 June 2008)

The raw materials of permalloy were processed the ball-mill for 30 hours and the shape of permalloy particles was changed from sphere to flake type, which was observed using scanning electron microscope. The complex permittivity and permeability spectra and reflection loss of permalloy-rubber composite was measured using Network Analyzer in order to investigate the relationship between the microwave absorption and the material constants. The flake type permalloy-rubber composite showed high reflection loss, which was due to the high complex permittivity and permeability. Also, the matching frequency shifted toward lower frequency range with microwave absorber thickness, and the maximum reflection loss of

⁻

6.1 dB was observed in 1.65 GHz~1.86 GHz for a 1.3 mm thickness.

Keywords :

permalloy, microwave absorber, electromagnetic interference(EMI), mobile telecommunication