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Study on the electromagnetic characteristics of composites with hollow magnetic fibers and their applications for the absorbers = 중공 자성 섬유를 포함한 복합재의 전자기 특성 및 전자파 흡수체 응용 연구
서명 / 저자 Study on the electromagnetic characteristics of composites with hollow magnetic fibers and their applications for the absorbers = 중공 자성 섬유를 포함한 복합재의 전자기 특성 및 전자파 흡수체 응용 연구 / Jin-Woo Yi.
저자명 Yi, Jin-Woo ; 이진우
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2014].
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Ultrafine hollow magnetic fibers were prepared by electroless plating using hydrolyzed polyester fibers as a sacrificial substrate. These hollow fibers can be served for lightweight and efficient electromagnetic (EM) absorbing materials. In order to characterize the surface morphology and composition of the fibers, SEM and EDS analysis were carried out. Hollow structures consisting of Ni inner layer and Fe or Fe-Co outer layer are obtained. By introducing Co onto Fe, oxidation of the Fe layer was successfully prevented making it possible to enhance the magnetic property compared to a case in which only Fe was used. Polymeric composites containing the hollow fibers with different weight fractions and fiber lengths were prepared by a simple mixing process. The electromagnetic properties were investigated, and it was found that the hollow magnetic fibers show a clear resonance peak within the X-band range (5~12 GHz) and the resonance frequency depends strongly on the fiber concentration and length. A possible explanation for the unexpected resonance is that the hollow fibers possess relatively low electron conductivity and a long electron path due to their oxidized phase and hollow structure. Electromagnetic properties of epoxy composites containing hollow Ni/Fe fibers with different weight fraction and 30 wt% of hollow Ni/Fe-Co fibers with different fiber lengths were measured. The simulation results showed the possibility that the composite of 4mm in thickness containing 20wt% of hollow Ni/Fe fiber could have a high reflection loss at 3 GHz. In case of hollow Ni/Fe-Co (7:3) fibers, the composite designed for 13 GHz exhibited multiple absorbance peaks. It is obvious that this multiple absorbance and broad band width are attributed to the resonance characteristic of the composite. The real reflection losses of the composites could be compared to the designed values by attaching a copper tape on the one side of the toroidal specimen and just calculating the S11 parameter. The comparison results showed that the simulated reflection losses of both of the composites with 20wt% of hollow Ni/Fe fiber and 30wt% of hollow Ni/Fe-Co (7:3) fiber in length of 180μm exhibited good agreement with the measured reflection loss. The elemental ratio of Fe to Co in the hollow Ni/Fe-Co fibers was controlled varying the concentration of FeSO4 and CoSO4 salt in the reaction bath during the electroless plating. Composite films containing the hollow fibers were prepared not only to find out proper fabrication conditions, but also to evaluate and compare the EM absorbing property. From several experiments, the optimal heat treatment condition, dispersing method and atomic fraction of Co were confirmed. The composite film containing the hollow fibers with 50% of Co treated at 750℃ for 1 hour were fabricated by a homogenizer and the films showed high power loss. This may be attributed to the high permeability and crystallinity of the fibers. A intra/inter decoupling ratio measurement system complied with IEC standard was established for evaluating a near-field noise suppression ability using a loop antenna. The results showed that the composite films absorbed the magnetic field in the range of frequency of ~4 GHz and the absorption dB increased with the concentration of the magnetic fibers. In addition, they could effectively shield the field generated by signal frequency of 0.1 ~10 GHz. Therefore, it is possible that this absorbers can be also applied for a magnetic shielding film used in cellular phones and wireless charge system and etc.

최근 전자기기의 사용이 급격히 증가함에 따라 저주파 대역의 전파가 포화 상태에 이르러 GHz 대역의 사용이 점차 증가하고 있다. 이러한 GHz 대역의 전자파의 최근 이슈를 살펴보면 노이즈 발생에 따른 전자파 장애, 높은 에너지에 의한 인체 유해성 등이 있다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 효과적인 전자파 흡수체 개발 필요하다. 전자파 흡수체는 전자파가 발생되는 source와 victim 사이의 거리에 따라 근접장과 원역장으로 나눌 수 있다. 근접장 흡수체는 도선과 도선 사이에서 발생하는 노이즈를 흡수하거나 억제하는 재료를 말하며 원역장 흡수체는 device와 device 사이 또는 스텔스 기술과 같이 전자파가 발생되는 source와 victim 사이의 거리가 매우 먼 경우에 적용되는 소재를 말한다. 원역장 흡수체의 대표적인 예는 스텔스에 사용되는 소재로서, 금속 동체를 가진 전투기 표면에 전자파 흡수체가 도포된 경우 레이더에서 나온 전자파는 경계면을 만나 표면에서 일부가 반사되고 투과된 것은 내부반사가 일어난다. 원역장 전자파 흡수체는 이 반사파를 최소화 하는 역할을 하며 반사파의 power는 전송선로이론에서 유도된 governing equation에 따르면 반사 손실은 그 흡수체의 유전율, 투자율 그리고 그 두께에 달려있는 것을 알 수 있다. 효과적인 전자파 흡수체는 구조 성능 관점에서 보면 가볍고 얇으며 기계적 성질과 내 화학성이 우수해야 하며, 흡수 성능 관점에서 보면 반사 손실이 커야 되며 넓은 범위 주파수에서 흡수가 일어나야 한다. 효과적인 흡수체를 설계하기 위해 원역장 흡수체의 이론적 반사 손실 계산에 따르면, 단순히 유전성 필러만이 사용된 흡수체보다 자성 필러가 적용된 흡수체가 보다 광대역을 흡수 성능을 나타냄을 알 수 있다. 따라서 우수한 흡수체를 위해서는 반드시 자성 필러가 사용되어야 한다. 기존에 사용되고 있는 자성 재료는 원형이나 편상과 같은 형태가 주류를 이루고 있다. 이러한 자성 재료는 밀도가 매우 높아 투입할 경우, 흡수체의 무게가 급격히 상승하게 되며, 각형비가 낮아 높은 유전율을 기대할 수 없는 단점이 있다. 기존의 자성 재료의 단점을 극복하기 위해서 본 연구에서 중공형 자성 섬유를 제안하였다. 중공형 자성섬유는 내부가 비어있어 가볍고, 섬유 형태이기 때문에 각형비가 커서 유전율과 투자율 높을 것으로 기대하였다. 중공형 자성섬유 제조를 위해 본 연구에서는 Island-in-the-sea PET 섬유를 염 분위기에서 극미세화하고 무전해 도금을 통해 니켈, 철 및 코발트를 코팅하였다. 코팅된 섬유는 열처리를 통해 코팅층을 결정화함과 동시에 내부 PET 섬유를 제거함으로써 중공 형태의 자성 섬유를 제조하였다. 니켈 층은 약 100-200nm 두께를 가졌으며 철 및 철-코발트 층은 약 500-700nm 두께를 나타내었다. 외부 층이 철 단독으로 제조된 중공형 자성 섬유의 경우, XRD와 VSM 분석을 통해 산화철 상이 다량 관찰되어 자성 특성이 저하됨을 확인하였다. 이러한 산화 반응에 대한 저항성을 높이기 위해 코발트를 얼로이 하였다. 철-코발트 얼로이 층은 무전해 도금 시 사용되는 source salt의 함량 비율을 조절함으로써 5:5, 7:3 원소 비율로 조정하였다. 코발트 함량이 증가할수록 산화 상이 감소되었으나 자성 특성이 저하되어 VSM을 통해 원소 비율에 따른 자성 특성을 최적화 하였다. 중공형 자성 섬유의 각형비는 PET 섬유의 길이를 조절함으로써 다양한 각형비를 구현하였다. 다양한 각형비, 소재 및 소재 비율이 조절된 중공형 자성섬유가 포함된 복합재료는 에폭시 수지를 기지로 하여 10wt%, 20wt% 및 30wt%의 중량 분율로 제조하였다. 복합재료의 단면을 분석한 결과, 중공형 자성 섬유가 균일하게 분산되어 심각한 응집이나 침전 현상이 관찰되지 않았다. 제조된 복합재료는 동축관과 벡터 네트워크 분석기를 통해 복소 유전율과 복소 투자율이 측정되었다. 복소 유전율의 경우, 기존의 입자형 또는 편상형 자성재료에 비해 매우 높은 값을 나타내었으며, 특히 8-14GHz 대역에서 유전율의 공명 현상이 관찰되었다. 유전율의 그 공명 주파수는 중공형 자성 섬유의 함량이 증가할수록, 각형비가 증가할수록 낮은 주파수 대역으로 내려왔다. 이러한 공명 현상은 중공형 자성 섬유의 내부 구조에 의해 전자가 외부 전기장에 의해 이동하는 거리가 증가하면서 electronic relaxation time이 증가하면서 GHz 대역의 공명 현상이 관찰된 것으로 사료되었다. 그리고 중공형 자성 섬유의 산화상으로 인해 표면 전기전도도가 감소하여 electronic relaxation time이 증가한 것도 하나의 원인으로 생각되었다. 중공형 자성 섬유가 포함된 복합재료의 전자기 특성을 이용하여 원역장 전자파 흡수체를 위한 소재 설계를 시행하였다. 측정된 복소 유전율 및 투자율을 이용하여 목표로 하는 주파수에서 완전 흡수가 일어나는 흡수체 두께를 계산하고 이를 이용하여 주파수에 따른 반사 손실을 계산하였다. 계산한 결과, 중공형 자성 섬유는 3GHz 및 13GHz 대역에서 얇으면서 우수한 반사 손실을 나타낼 수 있음을 확인하였다. 계산된 반사손실과 실제 반사손실을 비교하기 위해 복합재료 한면에 perfect reflection layer로 구리 테이프를 부착하고 계산된 두께로 가공하여 실제 반사 손실을 측정하였다. 측정된 반사손실과 계산 반사손실을 비교하였을 때 대략적으로 일치하는 것을 확인하였다. 중공형 자성 섬유가 포함된 필름형 복합재료는 근접장 흡수체로 적용하였다. 필름형 흡수체는 IEC standard 62333 규격의 microstrip line 방법을 이용하여 power loss 값을 측정하였다. Power loss 값을 향상시키기 위한 중공형 자성 섬유의 코발트 비율, 열처리 조건 및 분산 조건을 확립하였으며 우수한 전자파 흡수 성능을 확인하였다. Microstrip line 방법은 고분자 필름 흡수체의 power loss를 쉽고 효과적으로 측정할 수 있는 것으로 알려져 있으나, 외부 조건들을 고려하지 않고 하나의 signal line에서 나오는 신호에 대한 흡수능만 평가하기 때문에 일반적인 조건에서의 흡수 성능이라고 하기에는 한계가 있다. 따라서 루프 안테나를 통해 필드를 직접 만들고 이에 따른 성능을 평가 할 수 있는 디커플링 측정 시스템을 구축하고자 하였다. 디커플링 시스템 중, 인트라 커플링 테스트는 흡수체 필름의 평행하게 놓고 한쪽 루프 안테나에서 필드를 만든 후 다른 안테나에서 필드가 얼마나 감소되었나를 평가하는 개념이며, 인터 커플링 테스트는 흡수체 필름을 사이에 두고 필드 차폐 성능을 평가하는 개념이다. 중공형 자성 섬유가 포함된 필름형 흡수체의 인트라 커플링의 경우, 자성 섬유 함량 증가에 따라 흡수 성능이 4GHz 까지 노이즈를 잘 흡수하는 것을 알 수 있으며 인터 커플링 결과를 통해 4GHz 고주파 대역에서는 우수한 자기 차폐 특성을 보임을 확인하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCBE 14008
형태사항 x, 97 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 이진우
지도교수의 영문표기 : O-Ok Park
지도교수의 한글표기 : 박오옥
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 References : p. 87-93
주제 Composites
Hollow magnetic fiber
Electromagnetic wave
Absorption
Far-field
Near-field
Complex permittivity
Complex permeability
복합재료
중공형 자성 섬유
전자파
흡수
원역장
근접장
복소 유전율
복소 투자율
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