Study of the Effects of Fe₉₄Si₅Cr₁-Rubber Absorbers with Sheet-Thickness

−

62

⁻

Fe

₉₄

Si

₅

Cr

₁

을 이용한 Sheet 두께에 따른 전파흡수특성 연구

김문석·민의홍·고재귀^*

숭실대학교 자연과학대학 물리학과, 서울시 동작구 상도 5동 1-1, 156-743 (2009년 3월 10일 받음, 2009년 4월 3일 최종수정본 받음, 2009년 4월 3일 게재확정)

연자성금속재료인

Fe

⁹⁴

Si

⁵

Cr

¹을

30

시간볼밀 한후주사전자현미경을 사용하여관찰한 결과볼밀 가공한

FeSiCr

의입자들이 구형에서 편상으로 변함을 확인하였다

. FeSiCr

^{을실리콘 고무와 혼합하여 핸드폰용 전파흡수체를 제조하고}

network analyzer

^을

이용하여두께에따른

FeSiCr-

^{고무전파흡수체의 전파흡수특성및재료정수를측정하였으며}

,

^{그들의상관관계를비교조사하였다}

.

그결과

sheet

형전파흡수체두께에따라서 정합주파수가낮은 주파수대역으로

shift

됨을알수있고

, 1.3 mm

의두께로제조한

전파흡수체에서는이동통신주파수대역인

1.86 GHz

에서 −

8.3 dB

의반사손실을보여주었다

.

주제어

:

연자성

, FeSiCr,

전파흡수체

,

전자파장해

(EMI),

이동통신

I. 서 론

최근디지털전자기기는양적으로나질적으로실로대단한 급성장을하고있으며

,

^{전자파환경의엄격한규제때문에전}

파흡수체의 응용범위도 점차 넓어지고 있다

.

그러나 전자파 장해

(EMI: Electromagnetic Interference)

및 전자파환경 양

립성

(EMC)

이심각한기술적문제로 대두되고있다

.

이에 따

라이동통신단말기에서 전자파의 누설을 방지하고 인체유해 영향을최소화하기위한 여러가지 방안들이검토되고 있다

.

국내외적으로 전자파 장해에 관한 효과적인 대책수단으로서 전파 감쇠기능 및반사 억제 기능을 동시에겸한 전파흡수

체에대한 중요성및필요성이 인식되고있다

[1-4].

전파흡수체는입사한전파를흡수해서 열로변환하여

,

반사 파가생기지않게하는특수재료이다

.

이동통신단말기에들어 가는전파흡수체에서요구되는가장중요한 특성은통신주파 수

(

셀룰러폰

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

에서전자파 흡수율이커야함은물론

,

무엇보다도 두께가박 형이어야한다

.

현재의 전파흡수체경우상기 주파수대역에

서두께가

4 mm

이상이므로박형화에필요한새로운소재의

개발이검토되어야 한다

[5, 6].

그중철계 및센더스트에대

해서는많은연구가이루어진반면에

FeSi

에대한연구는미

비하다

.

이에 부응해서 본 연구에서는 기존 재료

(Fe, FeSiAl)

처럼 고투자율 및 고유전율 특성을 가진 연자성 금속재료인

FeSiCr

을흡수손실재료로선정하고

, sheet

형전파흡수체를 제

조하였으며

,

이들 재료의고주파 전자기특성 및전파흡수특 성을조사하였다

.

II. 실험 방법 및 측정

본 실험에 사용된 분말은 철과 규소의 합금 재료인

Fe

⁹⁴

Si

⁵

Cr

^{1의조성비를 갖는}

FeSiCr

^{을출발원료로 사용 하였}

으며

(sample A),

출발원료를

30

시간 동안 볼밀 한 분말

(sample B)

을 전파흡수체 제조에 사용하였다

.

이들 두가지

미분말의 형상은 주사전자현미경

(SEM: scanning electron

microscope)

을이용해관찰하였으며

,

지지재인실리콘고무와

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

^{Fig. 1.}

Manufacturing process of sheet-type FeSiCr-rubber composite

microwave absorbers. (a) Sample A, (b) Sample B.

5 : 1

^{의무게비로혼합한뒤}

roller

^{를이용하여두께에따른박}

형 전파흡수체를 각각 제조하였다

.

제조된 전파흡수체는

network analyzer(model: HP/8510C)

^{를 사용하여 주파수에}

따른재료정수

(

복소유전율

,

복소투자율

)

와반사손실을측정하 였다

.

^두

sample

^{의 전파흡수체}

(sample A

^및

Sample B)

^제

조공정을

Fig. 1

에나타내었다

.

III. 결과 및 고찰

Fig. 2

는 출발원료로 사용한

Fe

94

Si

5

Cr

1 분말과

30

시간 동 안볼밀 한

Fe

⁹⁴

Si

⁵

Cr

^{1분말을 주사 전자 현미경으로관찰한}

결과이다

.

출발원료로 사용한

FeSiCr

분말은 일반적으로 구 형인 것을 확인하였고

, 30

^{시간 동안 볼밀 한}

FeSiCr

^분말은

구형이아닌 편상을 형성하였으며

,

평균

45

µ

m

이하의 동일 한 입경을 확인하였다

.

^또한

, sub-sieve sizer(Model 95)

^를

이용하여 평균 입자 크기와 공극률

(porosity)

을 측정한 결과

,

가공하지않은

FeSiCr

와가공한

FeSiCr

은평균 입자크기가

각각

7.95

µ

m

와

9.30

µ

m

이었으며

,

공극률은 각각

0.71

과

Fig. 2.

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

Fig. 3.

Complex permittivity and permeability as a function of frequency of FeSiCr with (a) Sample A, (b) Sample B. (Thickness: 1.3 mm).

0.55

^였다

.

Fig. 3

은

sample A

와

sample B

의 시트형 전파흡수체를

network analyzer

^{를사용하여투과}

/

^{반사법에의해복소유전율}

및복소투자율을 측정한 결과이다

. sample A

와

sample B

는 동일한 그래프형태로측정되었지만

,

^{복소유전율에서}

sample A

는 ε'

= 20.95,

ε''

= 2.21, sample B

는 ε'

= 124.74,

ε''

=

15.65

로 복소유전율 값이 크게 차이가 났으며

, sample B

는

sample A

보다 상대적으로 높은 유전율을보였다

.

또한유전

손실계수

(tan

δε

=

ε''

/

ε'

)

가

sample A, B

에서 작은유전손실을 가짐을알수있었다

.

이는구형의미분말을가공함으로써편 상을 만들어나타난 현상이고

,

편상에 의해전기전도도가증 가하여복소유전율이커진다고판단된다

[7, 8].

또한복소투자 율도복소유전율과같은추세로

sample A

는 µ'

= 4.67,

µ''

= 1.15, sample B

는 µ'

= 16.66,

µ''

= 4.39

로 측정되었고

,

주 파수가증가함에따라전파흡수체의 투자율실수항이감소하 였다

.

그리고투자율허수항이고유주파수에서 최대값을가지 는데

,

이와 같은 현상은 입자들의 편상화에 따른 전파의 입

사 방향에 수직으로 배열된

FeSiCr-

고무 전파흡수체의전류

감소로 사료되고

,

자성손실

tan

δµ

=

µ''

/

µ'은 두 샘플 모두

약

1 GHz

^{이상에서 증가하는것을 알수있었다}

.

Fig. 4

는

FeSiCr-

고무전파흡수체를내경

3 mm

외경

7 mm

의형상을 만들어두께별로 전파흡수능을측정한결과이다

.

정합형전파흡수체에서는흡수체두께가시편내 파장의

1/

4(quater wavelength)

^{일 때 최대 흡수능이 일어나며 µr''}

>

^µr'

일때

tan

δε

<< 1

인경우 흡수체의 정합두께는 식

(1)

의관계 로표시된다

[9, 10].

(1)

여기서

,

^{d는정합두께}

,

^{c는빛의속도그리고 λ는정합주파}

수를의미하며고주파수일수록 d값은작아지므로얇은전파 흡수체의제조가가능할뿐아니라 복소투자율과복소유전율

이클수록정합 두께도 작아지는것을 알수있다

. Fig. 3

과

Fig. 4

^{로부터 εr와 µr의 증가에 따른 두께 감소를 확인할 수}

있다

. Fig. 5

^는

sample B

^{의두께별반사손실값을주파수에따라}

나타내었다

.

두께 d인 전파 흡수체에서반사 손실

(Reflection

λd

--- = 1 4 ---

( µ_rε_r)'

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.

loss)

^은식

(2)

^{처럼 나타낼수있고}

[11, 12],

(2)

여기서

,

^{Z는정규화입력임피던스이다}

.

^{평면파의수직입사}

에대한 매질내정규화입력임피던스 Z는식

(3)

처럼주어 진다

.

(3)

여기서

,

^{λ는입사한평면파의자유공간상의파장이며}

,

^εr는

복소유전율

(

εr

=

ε' − iε''

),

µr는 복소투자율

(

µr

=

µ' − iµ''

)

이다

.

^{또한 완벽한전파흡수체가되기위해서는 Z가}

1

^이되

는것으로전파흡수체의완전정합조건은식

(4)

와같고

,

전 파흡수체는식

(4)

^{를만족하여야한다}

.

(4)

Sample B

^{의전파흡수체에서두께가}

0.7 mm

^{인경우반사손}

실은

3.2 GHz

에서 −

5.5 dB

이고

, 1.0 mm

일 때는

2.7 GHz

에 서 −

6.4 dB, 1.3 mm

^일때

1.86 GHz

^{에서 −}

8.3 dB

^의반사손

실을 얻었는데 이와 같은 측정값은

PCS

휴대폰용에서 사용

하는주파수인

1.65~1.86 GHz

^{대역에서응용이가능하다}

.

^그

리고 두께가 얇아짐으로써 정합주파수 영역이

shift

되면서

broad band

를형성하였고

,

식

(1)

에의하여 전파흡수체의 정 합두께는 µr와 εr이 커질수록 감소함을 본 연구에서도 확인 할수있었고

,

정합주파수및정합두께가반비례관계임을알 수있었다

.

IV. 결 론

본연구는

Fe

94

Si

5

Cr

1을이용하여 이동통신용

FeSiCr-

고무 전파흡수체를제조하고

,

반사손실및재료정수를측정하였다

.

SEM

을사용하여가공하지않은

FeSiCr

분말은구형

,

가공한

FeSiCr

분말은편상임을 확인하였다

.

Network Analyzer

을이용하여재료정수를측정한결과

,

재 료정수들은

sample B

가

sample A

보다상대적으로높은 증

가율을얻었고또한

sheet

^{두께별로전파흡수체의반사손실을}

측정한결과 정합주파수와두께가반비례하고두께가얇아짐 으로써정합주파수영역이

shift

^{됨을 확인하였다}

.

^{기존의전파}

흡수체의경우

2 GHz

에서두께가

4 mm

이상이되어야 하는

점을 감안하면

FeSiCr

^{응용 가능성은충분하며}

,

^{기존의 전파}

흡수체보다

1.3 mm

일 때 더 좋은 반사손실

(

흡수능

)

을 보여 이동통신주파수대역

(PCS

^대역

: 1.65 GHz~1.86 GHz)

^에서사

용가능함을알수있다

.

감사의 글

「본연구는숭실대학교교내연구비지원으로이루어졌음」

이에 감사드립니다

.

참고문헌

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⁴¹

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[12] Y. Kotsuka and H. Yamazaki, IEEE Trans. Electromagn. Com.,

42

(2), 116 (2000).

RL

=

⁻

20log

^{Z −}

1

Z

+ 1 ---

10

Z

=

^µ_ε^r

--- h

r ^j

2

^π

---

λ ^ε_r^µ_r^d

⎝ ⎠

⎛ ⎞

tan

µ_r ε_r

--- h

^j

2

^π

---

λ ^ε_r^µ_r^d

⎝ ⎠

⎛ ⎞

tan = 1

Study of the Effects of Fe

94

Si

5

Cr

1

-Rubber Absorbers with Sheet-Thickness Moon Suk Kim, Eui Hong Min, and Jae Gui Koh

^*

Department of Physics Soongsil University, Seoul 156-743, Korea

(Received 10 March 2009, Received in final from 3 April 2009, Accepted 3 April 2009)

The soft magnetic FeSiCr were processed the ball-mill for 30 hours and the shape of FeSiCr 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 FeSiCr-rubber composite was measured using Network Analyzer in order to investigate the relationship between the microwave absorption and the material constants. The matching frequency shifted toward lower frequency range with microwave absorber thickness, and microwave absorber with FeSiCr-rubber composite showed a maxium reflection loss of

−

8.3 dB at 1.86 GHz for a 1.3 mm thickness.

Keywords :

soft magnetic materials, FeSiCr, microwave absorber, electromagnetic interference (EMI), mobile telecommunication