NiCuZn 페라이트의 화학적 조성변화에 따른 전자파 흡수특성에 관한 연구

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

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

박찬규, 이영구, 주용수*, 이상록*

동국산업주식회사, 동아대학교 화학공학과*

A Study on the Electromagnetic Wave Absorption Properties

by the Composition Ratio of NiCuZn Ferrite

Chan-Kyu Park, Young-Goo Lee, Yong-Soo Joo*, Sang-Rok Lee*

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

서론

정보통신기술의 발달에 따라 각종 전기 및 전자기기의 사용이 증가하고 있다. 이는 인간의 생활을 더욱 편리하고 윤택하게 하고 있는 반면, 이로 인한 각종 전자파의 폐해가 발생하고 있다. 이와 같은 전자파장해(EMI ; Electromagnetic Interference) 및 전자파양립성(EMC ; Electromagnetic Compatibility)에 대한 방지대책으로서 전자파흡수(Electro- magnetic Absorption) 또는 전자파차폐(Electromagnetic Shielding)에 대한 기술이 사회적으로 큰 관심을 끌고 있고 관련법규에 대한 제개정이 뒤따랐다.1), 2)

전자파흡수 및 차폐를 위한 재료는 도전손실형, 유전손실형 및 자성손실형 재료로 크게 분류할 수 있으며 대표적인 자성손실형 재료로서 페라이트가 있다.3) 본 연구에서는 자성손실형 전자파흡수재료로 알려진 NiCuZn 페라이트의 조성변화에 의한 자기적 특성변화를 검토함으로서 전자파 흡수소재로서의 특성을 검토하였다.

이론

페라이트는 실온에서 자발자화(spontaneous magnetization)를 나타내는 강자성체적 특성 및 비교적 큰 전기저항에 의하여 고주파용 자성재료로서 산업상의 중요성을 지니고 있다. 페라이트는 일반적으로 스피넬 구조를 갖는 이온화합물로서 M·Fe2O4의 조성식으로 나타내며, M으로는 Mn, Zn, Mg, Cu, Ni, Co 등의 2가 금속이온이 단독 또는 복합형태로 사용된다. 이와 같은 스피넬 구조의 페라이트를 전자파 흡수소재로서 사용하기 위하여 전자파 흡수특성을 제어하는 방법으로 우선 2가 금속이온의 종류와 사용량의 조절을 들 수 있다. 그리고 2차 금속을 복합형으로 사용하는 경우, 화학적 조성을 조절함으로서 전자파 흡수특성을 제어하는 것이 가능하다.4)

NiZn계 페라이트는 비교적 높은 투자율 및 전기비저항을 가지며 대기 중에서 소결할 수 있는 장점을 가진 전자파 흡수재료이다. 또한 NiCuZn계 페라이트는 소결조제로서 Cu가 첨가되어 NiZn계 페라이트에 비해 낮은 온도에서 소결이 가능하며 고주파대역에서 우수한 자기적 특성을 갖는다.5)

페라이트의 자기적 특성을 나타내는 인자로서 초기투자율이 있다. 초기투자율은 자기이방성 상수, 자왜상수, 내부응력 및 미세조직 등의 인자에 의하여 제어되며 이들 인자는 페라이트의 조성에 의하여 크게 영향을 받는다. 특히 Ni의 함량은 자왜상수에 영향을 주어 초기투자율을 변화시킨다. 그러므로 화학적 조성을 변화시킴으로서 초기투자율을 조절하고 전자파 흡수특성을 제어할 수 있다.6)

실험

1. NiCuZn 페라이트의 제조

페라이트 분말을 구성하는 분말상의 원료를 준비하여 Table 1의 조성에 따라 배합하였다. 배합한 원료는 진동밀을 사용하여 30분 동안 고속 혼합하였다. 혼합된 시료를 900℃에서 90분 동안 하소하고 자연냉각한 후, 하소분말과 직경 8 □의 쇠볼을 1:5의 무게비로 혼합하고 진동밀로서 고속 건식분쇄하여 평균입자크기를 1.1∼1.2 □로서 제조하였다.

Table 1.  Condition of preparation for the NiCuZn ferrite.

Sample No.	Composition [mol%]				Calcination Temperature [℃]	Mean Particle Size[□]
	Fe2O3	NiO	CuO	ZnO
1	49.0	8.0	9.0	34.0	900	1.13
2	49.0	8.5	8.5	34.0		1.17
3	49.0	9.0	8.0	34.0		1.16
4	49.0	9.5	7.5	34.0		1.17
5	49.0	10.0	7.0	34.0		1.15

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 1080℃에서 150분간 유지하는 소결온도 스케줄에 따라 소결하였다. 완성된 톨로이드형 시편의 규격은 외경 7.0 □, 내경 3.0 □, 높이 5.0 □이다. 그림 1은 이상과 같은 NiCuZn 페라이트의 제조공정 및 실험과정을 나타낸 것이다. 제조한 분말의 페라이트화를 확인하기 위하여 X-선 회절분석(Rigaku D/ MAX2000)하여 스피넬 구조를 관찰하였다. 제작한 톨로이드형 시편은 네트워크 분석기(Hewlett Packard 8753D)에 연결하여 재료정수를 측정함으로서 페라이트의 전자기적 특성을 구하였다.

Fig. 1.  Procedure of preparation for the NiCuZn ferrite.

결과 및 토론

1. 결정구조

제조한 분말을 900℃의 온도에서 하소하기 전 및 후를 X-선 회절분석하여 결정구조를 확인하였다. 이 결과 명확한 스피넬 구조를 확인함으로서 페라이트화가 진행되었음을 확인하였다. 이와 같은 결과를 그림 2에 나타내었다. 일반적으로 NiCuZn 페라이트는 500∼750 ℃에서 ZnO, NiO, CuO + Fe2O3 의 고상반응이 시작되어 스피넬 구조를 가지는 (Zn, Ni, Cu)Fe2O4의 결정상이 형성되기 시작한다. 그림 2 (a)의 하소 전 원료혼합물의 결정구조가 900℃에서 하소한 후에는 그림 2 (b)와 같이 스피넬 단일 구조로 변화됨을 보여 (Zn, Ni, Cu)Fe2O4의 형태로 고용화된 것을 확인하였다. 또한 900℃에서 하소한 분말은 스피넬 결정상이 잘 형성되어 있을 뿐만 아니라 성형밀도가 높으며 성형작업성이 양호한 0.9∼1.2□의 평균입자크기로 비교적 쉽게 조절이 가능하였다.

Fig. 2.  X-ray diffraction patterns of NiCuZn ferrite.

2. 재료정수의 주파수 의존특성

소결한 톨로이드형 시편을 사용하여 네트워크 분석기로부터 복소투자율을 측정하였다. 복소투자율은 실수부 및 허수부로 나누어 나타낼 수 있는데 일반적으로 허수부 항이 전자파의 손실특성을 결정하게 된다. 그림 3 및 그림 4는 0.1 MHz에서 10 GHz의 주파수 범위에서 주파수에 따른 복소투자율의 실수부(□′) 및 허수부(□″)를 각각 나타낸 것이다. 이 결과로부터 NiO의 구성성분비가 8.5∼9.5 mol%의 범위에서 초기투자율 및 허수부의 값이 큰 것으로 나타났고 허수부의 값이 실수부 보다 큰 주파수대역이 넓게 측정되었다. 스피넬 구조를 가지는 페라이트는 초기투자율이 커질 경우 공진 주파수가 낮은 쪽으로 이동하게 됨으로서 낮은 주파수대역에서 주파수 분산이 일어나기 시작하여 보다 넓은 대역에서의 전자파 흡수가 가능함을 알 수 있다.7)

Fig. 3.  Permeability of real part by the

NiO Content.

Fig. 4.  Permeability of imaginary part by

the NiO Content.

그리고 투자율의 허수부가 최대가 되는 주파수는 실수부의 크기에 관계없이 약 2 MHz에서 최대치를 보이며 자벽공명(domain wall resonance loss)8)에 의한 손실을 나타내고 있다.

투자율의 측정결과로부터 전자파 흡수의 주파수 대역을 검토할 수 있다. 전자파 흡수가 발생하는 주파수 대역을 투자율의 허수부와 실수부를 비교하여 손실탄젠트로 나타내었다. 손실탄젠트(tan□=□″/□′)가 1 이상의 값을 가지는 주파수 대역이 전자파의 흡수가 발생하는 대역으로서 NiO의 구성성분비가 9.0 mol%의 경우에 1.7 MHz∼ 8.5 GHz의 주파수 범위에서 1 이상의 손실탄젠트 값을 가져 가장 넓은 대역에서 전자파 흡수가 진행되었다. 이상의 결과를 그림 5에 손실탄젠트의 주파수 의존성으로 나타내었다. 이와 같이 넓은 주파수 대역에서 자기손실을 갖는 페라이트의 특성은 전자부품 및 전자파 흡수용 재료의 설계, 제작에 사용되는 소재로서 요구되는 중요한 특성이다. 실험결과 가장 넓은 주파수 대역에서 사용될 수 있는 전자파 흡수용 재료로서의 NiCuZn 페라이트는 Fe2O3 49.0 mol%, NiO 9.0 mol%, CuO 8.0 mol%, ZnO 34.0 mol%의 화학적 조성으로서 구성할 수 있다.

Fig. 5.  Frequency dependence of loss

tangent by the NiO content.

결론

전자파 흡수용 재료로서 NiCuZn 페라이트의 제조조건 중 구성성분비에 대하여 자기적 특성을 검토하여 다음과 같은 결론을 얻음으로서 최적의 화학적 조성을 구하였다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

1. NiCuZn 페라이트의 복소투자율에 대한 영향으로서 Fe2O3 및 ZnO를 각각 49.0, 34.0 mol%로 고정한 후 NiO 및 CuO의 구성성분비를 변화시킨 결과, NiO의 구성비 8.5∼9.5 mol%의 범위에서 초기투자율(□i) 및 허수부(□")의 값이 가장 크게 나타났다.

2. 전자파 손실특성을 의미하는 1 이상의 손실탄젠트의 값을 나타내는 경우는 NiO의 구성성분비가 9.0 mol%의 경우에 가장 광대역화 된 주파수 대역을 나타내었다.

3. 전자파 흡수용 재료로서의 NiCuZn 페라이트가 가장 넓은 주파수 대역에 적용될 수 있는 화학적 조성비는 Fe2O3 49.0 mol%, NiO 9.0 mol%, CuO 8.0 mol%, ZnO 34.0 mol%이다.

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. 강근덕, 새로운 전자파 장해관련 기준 제/개정, 전파진흥지, 11 (1996)

3. 內藤喜之, 電波吸收體, □□□社, 104 (1987)

4. 石野 健, 橋本康雄, □□□□□□□□□□發展, 91 (1985)

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

6. 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)

7. J.Smit and H.PJ. Wijn, Ferrites, Philips' Tech. Library, 268 (1965)

8. J.K. Watson, Applications of Magnetism, John Wiley & Sons, 232 (1980)