임피던스의 굴절률 조정

Jul 30, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 15818(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

2부분 및 3부분으로 구성된 페라이트 복합재의 자기 및 전기적 특성에 대한 독립적인 제어는 페라이트 개재물의 입자 크기 및 부피 분율의 변화를 통해 입증됩니다. 이는 맞춤형 고굴절률 값으로 광대역 임피던스 매칭 복합재를 생성하는 경로를 제공합니다. 대략 동일한 값의 비유전율과 최대 100MHz의 투자율을 갖는 PTFE 유전체 호스트에 NiZn 페라이트를 포함하는 두 부분으로 구성된 복합재가 제조됩니다. 20MHz에서 측정한 NiZn-PTFE 복합재의 굴절률은 NiZn 부피 비율이 50%vol인 경우 6.1입니다. NiZn 부피 분율이 70%vol인 경우 6.9입니다. 마찬가지로, 우리는 약 16~60MHz의 굴절률을 갖는 세 부분으로 구성된 복합재를 특성화했습니다. 3부분으로 구성된 복합재는 각각 65%: 15%: 20%의 부피 비율로 PTFE 유전체 호스트 매트릭스에 NiZn 및 MnZn 페라이트로 구성됩니다.

상업적으로 이용 가능한 소프트 페라이트는 투자율의 실제 부분이 높고 MHz 주파수 범위에서 자기 손실이 낮기 때문에 통신 및 안테나 시스템에 광범위하게 사용되었습니다1. 투자율의 높은 실수 부분은 복합 재료의 굴절률을 증가시켜 소형화에 도움이 될 뿐만 아니라 Z \(=1\)의 임피던스 정합 케이스에 대한 특성 임피던스를 증가시킵니다. 투자율의 주파수 의존성은 잘 알려져 있습니다. 자벽 이완 및 자이로자기 이완으로 인해 더 높은(GHz) 주파수에서 감소합니다. 이 현상은 Snoek의 법칙2에 의해 설명됩니다. Snoek의 원본 기사가 1948년에 나온 이후로 이 개념을 얇은 자기 필름 및 복합 재료에 적용하도록 확장하는 많은 연구가 있었습니다3,4,5. 페라이트를 분말화하여 모재와 혼합하면 자성입자의 크기나 형상이 원법상 고려되지 않는다. 입자의 크기와 모양, 그리고 생성된 복합재의 충전 비율은 자기 응답의 주파수 의존성을 조정할 수 있는 추가적인 자유를 제공합니다. 예를 들어, 자기 조각을 사용하여 자기 함유물의 모양 이방성을 증가시켜 강한 자기 반응이 관찰될 수 있는 주파수를 증가시킬 수 있습니다6,7. M형 헥사페라이트와 같은 평면 결정 구조를 갖는 재료는 결정 자기 이방성을 증가시켜 자기 성능의 주파수 범위를 확장합니다8. 물론 이러한 동일한 자유도는 복합재의 유전(유전율) 응답에도 영향을 미칩니다. 이 연구에서 우리는 비유전율(\(\varepsilon = \varepsilon^{\prime} - i\varepsilon^{\prime\prime}\))과 투자율(\(\mu = \mu^{\prime) } - 복합재의 i\mu^{\prime\prime}\))은 페라이트 개재물의 입자 크기에 영향을 받습니다. 복합재 내 자성 입자의 특성을 주의 깊게 제어하면 임피던스 정합(\(Z=\sqrt{\mu /\varepsilon)되는 고굴절률(\(n=\sqrt{\varepsilon \mu }\)) 재료가 생성됩니다. }\)) 여유 공간을 제작할 수 있습니다. 높은 굴절률과 자유 공간에 대한 임피던스 매칭을 갖춘 이러한 재료는 안테나의 소형화에 중요합니다.

NiZn 및 MnZn 페라이트는 낮은 자기 보자력으로 인해 자기적으로 '부드럽습니다'. 즉, 자기 바이어스를 받은 후에도 자성을 유지하지 않는다는 의미입니다. 스피넬 페라이트의 일반적인 화학식은 MFe2O4이며, 여기서 'M'은 2가 금속입니다. 산소 이온으로 둘러싸인 금속 이온의 입방형 밀집 배열로 이루어진 스피넬 결정 구조는 전자 스핀의 순서로 인해 높은 자기결정 이방성을 초래합니다9. 유전체 기반 복합재의 결과적인 복합 투자율에 대한 복합재의 페라이트 입자 크기 및 백분율 부피 부하 효과에 대한 연구는 새로운 것이 아닙니다. 예를 들어, Dosoudil et al.10은 폴리염화비닐(PVC) 매트릭스에 상업적으로 이용 가능한 MnZn 및 NiZn 페라이트 분말 세라믹을 사용하여 세 세트의 복합 샘플을 제작했습니다. 그들의 논문에서 그들은 페라이트 분말의 부피 로딩(65% vol.)과 MnZn:NiZn 비율(80%:20%)을 고정하여 입자 크기가 투자율에 미치는 영향을 탐구했습니다. 입자 크기가 증가함에 따라 더 높은 주파수로 이동하는 투자율의 허수 성분의 공진 피크를 특징으로 하는 전형적인 Snoek의 법칙 의존성이 관찰되었습니다. 20MHz에서 상대 투자율(\(\mu^{\prime }\))의 실제 부분은 약 16(< 40 µm 크기 입자의 경우)에서 약 20(80–250 µm 크기 입자의 경우)으로 증가했습니다. 입자 크기의 증가에 따른 투자율의 증가는 페라이트 입자 내부의 자구 수의 증가와 관련이 있으며 이에 대해서는 후술한다.