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공침법으로 제조한 NiCoZn Ferrite의 조성 및 소결온도에 따른 자기적 특성 및 전파흡수특성
김문석·민의홍·고재귀*
숭실대학교 자연과학대학 물리학과, 서울시 동작구 상도5동 1-1, 156-743 (2008년 3월 30일 받음, 2008년 4월 16일 최종수정본 받음)
여러가지다른조성의 NiCoZn ferrite를공침법으로제조한후소결온도를변화시켜 NiCoZn ferrite 미분말을제조하였다. 제
조된 미분말의미세조직, 결정구조 및전기적 특성을분석하였고, 복합형 NiCoZn ferrite 전파흡수체를제작하여 전파흡수특성 을분석하였다. 합성한미분말들은 전형적인 NiCoZn spinel 구조를지니고 있음을확인하였고, 입자크기가평균 40 nm의나노 분말을가짐을 알수있었다. NiCoZn ferrite를소결온도를 달리하여제조한결과, 1250oC에서 소결된 NiCoZn ferrite가불순물
이 적고 초투자율 및 Q 값이 가장 낮게 나왔다. 또한 S-parameter를 측정하여 반사 감쇠율을 계산한 결과 두께 2 mm인
(Ni0.4Co0.1Zn0.5)Fe2O4조성의시트형전파흡수체는 6 GHz의주파수대역에서 −3.1 dB의반사감쇠율을보여주었다. 이런측정결
과 6 GHz 이상의 고주파영역에서복합 ferrite 전파흡수체로서응용이가능할 것으로사료된다.
주제어 :복합형전파흡수체, 페라이트, 공침법, 전자파장해(EMI)
I. 서 론
현대전자통신산업의발달로전파의이용이증가하는추
세에따라 전자파장해(EMI) 및전자파환경양립성(EMC)이
심각한기술적 문제로대두되고있다. 이러한 문제를최소화 하기 위해서 전파흡수체에관한 연구가 활발히 진행되고 있
다[1-6]. 전파흡수체는전파를 흡수하여열에너지로변환시켜
반사파가생기지않도록하는재료이다. 이와같은연구는주 로자성 손실을 이용한 페라이트계전파흡수체가 기초로 하 여이루어지고 있다[7-9]. Ferrite 전파흡수체는 소결형과 복 합형으로 구성되며 일반적으로 소결형 ferrite는 수십 MHz~
수백 MHz 영역의저주파대역에서주로사용되어지고있고,
복합형 ferrite는 GHz 영역에서 전파흡수능이 우수하여
microwave용전파흡수체로서사용된다[10-12]. Ferrite의공명 주파수는초투자율과밀접한관계가있으며 초투자율이낮을 수록 공명주파수는 높아지는 경향이 있다. 또한 ferrite는조 성에 따라서각기 다른 초투자율을갖기 때문에 ferrite 조성
에따라서 ferrite 전파흡수체의 흡수특성이 변하게 된다[13-
16].
본연구는 조성이다른 NiCoZn ferrite를공침법으로미분
말제조 및소결온도를 변화시키면서물리적 특성을 조사하 고 sheet형전파흡수체를 제조하여 복합형 NiCoZn ferrite의 전파흡수특성을 알아보고자한다.
II. 실험 방법 및 측정
본 실험에 사용된 출발원료는 일급 시약인 FeCl3·
6H2O(99.9 %), NiSO4·6H2O(99.9 %), CoCl2·6H2O(99.9 %), ZnSO4·7H2O(99.9 %)을 사용하였으며, 시편의 조성은 mol
%비로 Table I과 같고 NiCoZn ferrite 시편은 공침법으로 제조하였다. 시약들을 칭량하여 수용액을 만든 후 침전제로
NaOH를 사용하여 공침물을 얻었다. 80oC에서 8시간 동안
교반을행하며 pH 10 상태를유지하였다. 전기오븐을이용하
여 100oC에서 24시간동안 건조하였고, 건조된분말을 증류 수로 세척한 후 200 mesh로분쇄하고 700oC에서 4시간 가 소하였다. 가소된 분말을 325 mesh로분쇄하고 5 ton/cm2의 성형압으로 toroial 형태의 코아를 만들었다. 성형된 시편을 전기로에서승온속도 2oC/min으로승온하여 1150oC, 1200oC, 1250oC, 1300oC에서 각각 4 시간동안 유지시키고다시하 강속도 2oC/min으로 100oC까지 낮춘 후 노냉시켰다. NiCoZn ferrite 분말의제조공정을 Fig. 1에나타내었다.
X-선회절분석기(XRD)를 통하여 결정구조를 조사하여분
*Tel: (02) 820-0421, E-mail: [email protected]
Table I. Chemical composition ratio of ferrite powders (mol%).
NiSO4·6H2O CoCl2·6H2O ZnSO4·7H2O FeCl3·6H2O
A 20.4 0. 30.6 49
B 20.4 05.1 25.5 49
C 20.4 10.2 20.4 49
D 20.4 20.4 10.2 49
말크기를 계산하였고, SEM(Scanning Electron Microscope)
으로 ferrite 분말의미세구조를관찰하였다. 소결시킨시료를
LCR meter로초투자율과 품질 상수(Q-factor)를측정하였다.
그후복합형 전파흡수체를제조하기위하여 NiCoZn ferrite
분말을실리콘고무와 혼합비(F : R = Ferrite : Rubber)를 5 : 1
비율로 혼합하여외경 7 mm, 내경 3 mm의 ring형으로 성형
하였다. Fig. 2와 같은 공정을 통하여 복합형 전파흡수체를
제조하였고 제조된 복합형 전파흡수체를 Network Analyzer (Model: HP/8753ES)로전파흡수특성을측정하였다.
III. 결과 및 고찰
Fig. 3은 X-선 회절분석기(Cu; 40 kV, 200 mA)를 사용하 여 소결온도 1300oC 일 때 NiCoZn ferrite 시편을 측정한
결과인데, 전형적인 NiCoZn spinel 상이 나타나 있음을 알 수 있었다. 평균 입자 크기를 Debye-Scherrer formula식을
사용하여 계산하였고, 제조된 미분말이 평균 40 nm의 나노
크기 분말을가짐을 알수있었다[17].
Fig. 4는 소결 온도 1150oC~1300oC에서 제조한 분말을
SEM(JSM-6700F, 10 kV)으로 관찰한 결과이다. 제조된
NiCoZn ferrte 미분말이소결온도가낮을수록입자성장에참
여하지못하고불순물상태로입계층에잔존함을확인할수 있었다. 또한 SEM에의한 입자의 크기가 승온 속도와냉각 속도를 2oC/min로하고유지시간을 4시간으로하였을때평
균입경이 5µm임을 알수있었다.
제조된미분말의주파수특성과품질 상수(Q-factor)를측정
하기 위하여 시편들을 toroid 형태로 준비하여, 시편에 직경
0.2 mm의코일을균일하게 10 회씩감아초투자율및 Q값을 측정하였다. 초투자율과 손실을 분석하기위해 LF-Impedance Analyzer(Hewlett. Packard, 4182A)를 사용하여 1 kHz~13
MHz에서 다음과 같은 식에 의하여 계산한 결과를 Fig. 5~
Fig. 7에나타내었다[18].
µs' : Serial mode에서 측정한복소 투자율의실수 성분 µs'' : Serial mode에서측정한 복소 투자율의허수성분 lt : 시료의 평균자로[m]
L : 시료의자기 inductance[H]
µs' = lt⋅L
µ0⋅ ⋅ ⋅A ω N2
---
µs'' = lt⋅(Reff − Rω)
µ0⋅ ⋅ ⋅A ω N2
---
Fig. 1. Experimental procedure for sintered NICoZn ferrite.
Fig. 2. Preparation of sheet-type NiCoZn ferrite microwave absorbers.
Fig. 3. X-ray diffraction pattern of NiCoZn ferrite.
µ0 : 진공투자율[H/m]
A : 시료의 단면적 N : 권선수
Reff : 시료를 포함한 coil의손실저항[Ω]
Rω : coil만의 저항[Ω]
ω : 각주파수[rad/s]
Fig. 5와 Fig. 6은소결온도에 따른 초투자율과 품질 상수
를각각 측정한 데이터이다. 위의 식을이용하여소결온도에
따른 초투자율 변화를 Fig. 5에 나타내었다. 모든 주파수에
따른초투자율 값은거의 일정하지만, 소결온도가 1250oC에
서가장낮은 초투자율을가짐을 확인할수있었다. Ferrite
의초투자율이낮을수록공명주파수는높아지는경향으로미 루어소결온도 1250oC에서 NiCoZn ferrite 전파흡수체가더 욱더 높은 주파수영역(> 6 GHz)에서 사용되어 질 수 있다.
Fig. 6은품질 상수변화를 주파수마다 측정한 데이터값으
로, 1150oC에서 소결된 경우는 가장 높은 Q 값을 가지고, Q값이 최대값을 갖는 주파수 영역도 가장 넓게 분포하였다.
Fig. 4. SEM photographs of NiCoZn ferrite powders prepared at (a) 1150oC (b) 1250oC (c) 1300oC.
Fig. 5. Frequency dependance of initial permeability of NiCoZn ferrite powders after sintering at 1150oC, 1200oC, 1250oC and 1300oC.
반면에 1250oC에서 소결된 ferrite는 가장 낮은 Q 값을 가 지며, Q 값이 최대값을 갖는 영역도 가장 좁게 분포하였다.
이와 같이 나타나는 이유는 온도가 1250oC인 경우에는 불순물이 적어지고 입자의 크기가 증가하여 손실에 영향을 준 것으로 사료된다. 결국, 소결 과정 중에 입자의 균일화 와 불순물 첨가가 주파수 손실에 중요한 변수임을 알 수 있다. 그결과 변화에 따른 손실이 많으면 그만큼 흡수 능 력도 좋으므로소결온도가 1250oC 일때제작한 분말이 복
합형 전파흡수체로고주파영역에서 사용 할수있음을 확인 하였다.
Fig. 7은 NiCoZn ferrite 조성이다르고소결온도가 1250oC
일경우품질상수를주파수에따라측정한데이터이며조성에 따른 A, B, C, D는 Table I에 나타내었다. (Ni0.4Zn0.6)Fe2O4
(A)인경우가장높은 Q 값을가지고, Q 값이최대값을갖는주
파수영역도가장넓게분포하였다. 반면에 (Ni0.4Co0.1Zn0.5)Fe2O4
(B)인조성일 때가장 낮은 Q 값 및최대값을 갖는 영역도
가장좁게 분포하였으며 1 MHz 이상에서낮은 Q 값을가짐
을확인 할수있다. 아울러 Q 값이 낮다는것은 손실이많
다는 것으로 전파흡수체 재료가 전파를 흡수하기위한 조건 이다.
Ferrite 전파흡수체는반사파가생기지 않도록후면에금속
판을부착하고그것에서의반사영향과전파흡수체전면의반 사를 제어하여야한다. 자유공간에서 임피던스를고려한규격 화입력임피던스는식 (1)과같다.
(1)
여기서, µr은복소투자율(µr'− jµr''), εr은복소유전율(εr'− jεr''), λ 는자유공간에서 마이크로파의 파장이며 d는 흡수체의두께 이다. ZIN= 1 일때전자파를완전히 흡수하며이경우정합 조건을 만족시켰다고한다. 정합조건을만족시키기 위하여는
µr', µr'', εr', εr'', λ, d 등 6가지의 변수를 충분히 고려해야함을 식 (1)로부터 알수있다. 반사감쇠량은 의함수로서 식 (2)
로나타내어지며, 식 (1)의 6가지변수를알경우반사감쇠량
의계산이가능하다[19].
(2) Fig. 8은 Table I의조성으로 제조한 두께 2 mm 일때복 합형 전파흡수체를 Network Analyzer(HP8753ES)를 이용하 여 반사 손실(reflection loss)을측정한 결과이다. 위에 언급
한(Fig. 5~Fig. 7) 주파수에 따른 초투자율 및 품질 계수의
관계에 따라 (Ni0.4Co0.1Zn0.5)Fe2O4 (B) 조성인 경우가 다른 조성들 보다 가장 흡수능이 뛰어남을 알 수 있었다. 또한
(Ni0.4Co0.1Zn0.5)Fe2O4 (B)가 6 GHz에서 −3.1 dB의 반사 감 쇠율을 보임으로서 더높은 GHz 영역에서 정합주파수를지 니는 복합형전파흡수체로사용 가능하다고판단된다.
ZIN = µr/εrtanh[j(2π/λ) µr/εrd]
Reflection Loss [ ]dB = 20 ZIN − 1
ZIN + 1 --- log
Fig. 6. Q Factor as a function of frequency for NiCoZn ferrite powders after sintering at 1150oC, 1200oC, 1250oC and 1300oC.
Fig. 7. Q Factor as a function of frequency for NiCoZn ferrite powders with variation of cobalt contents at 1250oC.
Fig. 8. Reflectivity as a function of frequency for samples with 2 mm thickness prepared with different cobalt contents.
IV. 결 론
조성이다른 NiCoZn ferrite를공침법으로 제조한후소결
온도를 변화시켜 NiCoZn ferrite 미분말을 제조하였다. 제조 된미분말의 미세조직, 결정구조및전기적 특성을분석하였
고, 시트형복합형 NiCoZn ferrite 전파흡수체를제작하여전 파흡수특성을 분석, 비교하여다음과 같은결론을 얻었다.
1. 합성한 미분말들은 전형적인 NiCoZn spinel 구조를 지 니고 있음을 확인하였고, 입자 크기가 평균 40 nm의나노분
말을가짐을 알수있었다.
2. NiCoZn ferrite를 소결온도를 달리하여 제조한 결과,
1250oC에서 소결된 NiCoZn ferrite가불순물이적고 초투자 율및 Q 값이 가장낮게 나왔다.
3. S-parameter를측정하여 반사 감쇠율을 계산한 결과 두
께 2 mm인 (Ni0.4Co0.1Zn0.5)Fe2O4조성의 시트형 전파흡수체 는 6 GHz의주파수대역에서 −3.1 dB의반사감쇠율을보여 주었다.
이상의결과로부터초투자율이낮을수록공명주파수(6 GHz
이상)는 높아지는 경향이 있고 Q 값이 낮다는 것은 손실이 많다는 것을 확인 할 수 있었으며, (Ni0.4Co0.1Zn0.5)Fe2O4의 조성을 가지고 1250oC로 소결된 복합형 NiCoZn ferrite 전 파흡수체가고주파 영역(> 6 GHz)에서사용이가능할것으로 사료된다.
감사의 글
「본연구는숭실대학교교내연구비지원으로이루어졌음」
이에감사드립니다.
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The Magnetic Properties with the Variation of Sintering Temperature and Microwave Absorbing Characteristics of NiCoZn Ferrite
Composite Prepared by Co-precipitation Method
Moon Suk Kim, Eui Hong Min, and Jae Gui Koh
*Department of Physics Soongsil University, Seoul 156-743, Korea (Received 3 March 2008, in final form 16 April 2008)
In this study, NiCoZn ferrites with the variation of sintering temperature and chemical composition were prepared by the co- precipitation. Microstructures Crystal structure of NiCoZn ferrites were analyzed by XRD and their electric magnetic characteristics were analyzed by LCR meter and their morphology observed by SEM. We identified that these powders have a typical NiCoZn spinel structure and nanoparticles average size of 40 nm. The impurity, the initial permeability and the Q factor value are the lowest of sintered NiCoZn ferrite at 1250oC. Also, we measured S-parameter for (Ni0.4Co0.1Zn0.5)Fe2O4 which showed a maximum reflection loss of −3.1 dB at 6 GHz for the 2 mm thick sample. From this result, we found that the NiCoZn ferrite can be used in ferrite microwave-absorbing application at a higher frequency region (> 6 GHz).
Keywords :microwave absorber, ferrite, co-precipitation, electromagnetic interference(EMI)
