ITO박막/세라믹유전체 구조의 이동통신 주파수대역용 박형 전파흡수체의 설계 및 제조 Design and Fabrication of Thin Microwave Absorbers of ITO/Dielectric Structures Used for Mobile Telecommunication Frequency Bands원문보기
For the aim of thin microwave absorbers used in mobile telecommunication frequency band, this study proposed a high permittivity dielectrics(λ/4 spacer) coated with ITO thin films of 377 $\Omega$/sq(impedance transformer). High frequency dielectric properties of ferroelectric ceramics, el...
For the aim of thin microwave absorbers used in mobile telecommunication frequency band, this study proposed a high permittivity dielectrics(λ/4 spacer) coated with ITO thin films of 377 $\Omega$/sq(impedance transformer). High frequency dielectric properties of ferroelectric ceramics, electrical properties of ITO thin films and microwave absorbing properties of ITO/dielectrics were investigated. Ferroelectric materials including $BaTiO_3$(BT), 0.9Pb($Mg_{1}$3/Nb$_{2}$3/)$O_3$-0.1 $PbTiO_3$(PMN-PT), 0.8 Pb (Mg$_{1}$3/$Nb_{2}$3/)$O_3$-0.2 Pb($Zn_{1}$3$_Nb{2}$3/)$O_3$(PMN-PZN) were prepared by ceramic processing for high permittivity dielectrics,. The ferroelectric materials show high dielectric constant and dielectric loss in the microwave frequency range. The microwave absorbance (at 2 ㎓) of BT, 0.9PMN-0.1PT, and 0.8PMN-0.2PZN were found to be 60%(at a thickness of 3.5 mm), 20% (2.5 mm), and 30% (2.5 mm), respectively. By coating the ITO thin films on the ferroelectric substrates with λ/4 thickness, the microwave absorbance is greatly improved. Particularly, when the surface resistance of ITO films is closed of 377 $\Omega$/sq, the reflection loss is reduced to -20 ㏈(99% absorbance). This is attributed to the wave impedance matching controlled by ITO thin films at a given thickness of high permittivity dielectrics of λ/4 (3.5 mm for BT, 2.5 mm for PMN-PT and PMN-PZN at 2 ㎓). It is, therefore, successfully proposed that the ITO/ferroelectric materials with controlled surface resistance and high dielectric constant can be useful as a thin microwave absorbers in mobile telecommunication frequency band.
For the aim of thin microwave absorbers used in mobile telecommunication frequency band, this study proposed a high permittivity dielectrics(λ/4 spacer) coated with ITO thin films of 377 $\Omega$/sq(impedance transformer). High frequency dielectric properties of ferroelectric ceramics, electrical properties of ITO thin films and microwave absorbing properties of ITO/dielectrics were investigated. Ferroelectric materials including $BaTiO_3$(BT), 0.9Pb($Mg_{1}$3/Nb$_{2}$3/)$O_3$-0.1 $PbTiO_3$(PMN-PT), 0.8 Pb (Mg$_{1}$3/$Nb_{2}$3/)$O_3$-0.2 Pb($Zn_{1}$3$_Nb{2}$3/)$O_3$(PMN-PZN) were prepared by ceramic processing for high permittivity dielectrics,. The ferroelectric materials show high dielectric constant and dielectric loss in the microwave frequency range. The microwave absorbance (at 2 ㎓) of BT, 0.9PMN-0.1PT, and 0.8PMN-0.2PZN were found to be 60%(at a thickness of 3.5 mm), 20% (2.5 mm), and 30% (2.5 mm), respectively. By coating the ITO thin films on the ferroelectric substrates with λ/4 thickness, the microwave absorbance is greatly improved. Particularly, when the surface resistance of ITO films is closed of 377 $\Omega$/sq, the reflection loss is reduced to -20 ㏈(99% absorbance). This is attributed to the wave impedance matching controlled by ITO thin films at a given thickness of high permittivity dielectrics of λ/4 (3.5 mm for BT, 2.5 mm for PMN-PT and PMN-PZN at 2 ㎓). It is, therefore, successfully proposed that the ITO/ferroelectric materials with controlled surface resistance and high dielectric constant can be useful as a thin microwave absorbers in mobile telecommunication frequency band.
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문제 정의
면저항 조절이 매우 중요함을 알 수 있다. 2/4두께를 갖는 강유전체와 377 Q의 면저항 을 갖는 ITO 박막의 조합에 의해 2/4형 전파흡수체의 설계가 가능하고, 이 원리에 의해 박형의 전파흡수체 구현이 가능함을 제시해 주고 있다.
따라서 본 연구에서는 박형화 방안의 하나로 ITO 박막 세라믹유전체 구조의 전파흡수체를 제안하고, 이동통신 주 파수대역에 초점을 맞추어 전파흡수특성을 조사하였다. 고 유전율 세라믹 유전체는 두께를 줄이기 위한 λ/4 spacer 역할을 하고, ITO 박막은 임피던스 정합을 유도하는, 저항막 기능을 부여함으로써 박형의 전파흡수체를 구현한다는 것이 본 연구의 기본 발상이다.
따라서 본 연구에서는 박형화 방안의 하나로 ITO 박막 세라믹유전체 구조의 전파흡수체를 제안하고, 이동통신 주 파수대역에 초점을 맞추어 전파흡수특성을 조사하였다. 고 유전율 세라믹 유전체는 두께를 줄이기 위한 λ/4 spacer 역할을 하고, ITO 박막은 임피던스 정합을 유도하는, 저항막 기능을 부여함으로써 박형의 전파흡수체를 구현한다는 것이 본 연구의 기본 발상이다.
제안 방법
5 wt.% 첨가한 후 toroidal 형태(내경 3mm, 외경 9mm)의 성형체를 제조하였다. PVA 결합재를 500℃에서 2시간 동안 제거한 후 1300℃에서 2시간 동안 소결하였다.
ITO박막/세라믹 유전체로 구성되는 새로운 방식의 전파흡수체를 제안하고, 이 구조에서 무반사 조건을 구현할 수 있는 강유전체의 유전상수 및 두께/주파수, 박막 저항의 함수관계를 도출하였다. 이러한 설계조건에 부합하는 세라믹 유전체로 유전상수가 l~2GHz 에서 200 이상인 BaTiO3 및 완화형 강유전체 (PMN-PT, PMN-PZN) 를 선정하고, 이들 재료의 고주파 유전특성을 조사한 결과, A/4 spacer 의 두께를 2.
PMN-PT와 PMN-PZN 성형체를 소결할 때 PbO의 휘발을 억제하기 위해 시편을 동일 조성의 분말로 덮고 알루미나 도가니로 다시 밀봉하는 방법을 채택하였다. 소결 후 제조된 PMN-PT, PMN-PZN 시편도 BT와 마찬가지로 APC-7 beadless airline 치구에 맞도록 내경 3 mm, 외경 7 mm로 정밀하게 가공하였다.
PMN-PZN 시편 제조에 사용된 분말은 PbO, MgO, ZnO, Nb2O5 및 TiC)2이었다. 먼저 MgO와 Nb2O5를 혼합하여 MgNb2O6 columbite 상을 합성하고, ZnO와 Nb2O5 를 혼합하여 ZnNb2O6 columbite 상을 합성하였다. 이때 columbite 상의 형성을 촉진하기 위해서 MgO를 3 wt.
합성한 분말의 결정구조를 조사하기 위해 X-선 회절 분석을 하였다. 소결체의 입자 크기와 형태를 주사전자현미경으로 관찰하였다. 강유전체 시편(BT, PMN-PT, PMN-PZN)의 복소투자율 및 복소유전율을 반사/투과법 (일명 S-parameter법)에 의해 측정하였다.
5 mm 수준까지 낮출 수 있었다. 임피던스 정합층으로 ITO 박막을 선정하고, 377 X2의 면저항을 갖는 박막의 조성 및 두께, 그리고 이를 구현할 수 있는 증착 조건에 관한 실험결과를 제시하였다.이 두 가지 재료의 접목에 의해 ITO/유전체 구조의 λ/4형 전파흡수의 설계가 가능하였고, 이동통신 주파수 대역에서 두께 2.
측정된 반사산 란계수(S11)와 투과산란계수(S21)로부터 복소투자율 및 복소유전율을 계산하였다. 전파흡수능에 대한 실측은 시편의 배면을 금속 도체로 단락시킨 후 반사계수를 측정함으로써 행하였다. 이때 사용한 장비는 HP(Hewlett Packard) 사의 8722D Vector Network Analyzer이고, 측정 주파수대역은 0.
표면의 오염물질을 제거하기 위해 초음파 세척기를 사용하여 아세톤, 알코올, 증류수에서 각각 5분간 세척하고 건조하였다. 진공은 로터리 펌프를 사용하여 5X lO'Torr까지 배기시킨 후, 터보 펌프를 이용하여 5X W5Torr 이하로 초기진공도를 유지하여 스퍼터링 시 잔류가스의 영향을 최소화하도록 하였다. 타켓의 표면산화 및 오염을 제거하고 플라즈마의 안정화를 위해 예비 스퍼터링을 3분간 행하였다.
강유전체 시편(BT, PMN-PT, PMN-PZN)의 복소투자율 및 복소유전율을 반사/투과법 (일명 S-parameter법)에 의해 측정하였다. 측정된 반사산 란계수(S11)와 투과산란계수(S21)로부터 복소투자율 및 복소유전율을 계산하였다. 전파흡수능에 대한 실측은 시편의 배면을 금속 도체로 단락시킨 후 반사계수를 측정함으로써 행하였다.
진공은 로터리 펌프를 사용하여 5X lO'Torr까지 배기시킨 후, 터보 펌프를 이용하여 5X W5Torr 이하로 초기진공도를 유지하여 스퍼터링 시 잔류가스의 영향을 최소화하도록 하였다. 타켓의 표면산화 및 오염을 제거하고 플라즈마의 안정화를 위해 예비 스퍼터링을 3분간 행하였다. Table 1에 증착 조건을 나타내었다.
기판으로 앞서 설명한 유전체(BT, PMN-PT, PMN-PZN)를 15 mm X 25 mm의 사각 평판(전기전도도 측정용)과 내경 3 mm, 외경 7 mm의 toroidal 형태(전파흡수능 측정 용)의 두 가지로 가공하여 사용하였다. 표면의 오염물질을 제거하기 위해 초음파 세척기를 사용하여 아세톤, 알코올, 증류수에서 각각 5분간 세척하고 건조하였다. 진공은 로터리 펌프를 사용하여 5X lO'Torr까지 배기시킨 후, 터보 펌프를 이용하여 5X W5Torr 이하로 초기진공도를 유지하여 스퍼터링 시 잔류가스의 영향을 최소화하도록 하였다.
합성한 분말의 결정구조를 조사하기 위해 X-선 회절 분석을 하였다. 소결체의 입자 크기와 형태를 주사전자현미경으로 관찰하였다.
대상 데이터
볼밀에서 혼합한 후 750℃에서 2시간 동안 하소하여 MgNb2O6 columbite 상과 ZnNb2O6 columbite 상을 합성하였다. MgNbjOg columbite 와 ZnNb2O6 columbite, 그리고 PbO(과량 1 wt.%) 분말을 볼밀에서 혼합한 후 900℃에서 2시간 하소하여 PMN- PZN 분말을 제조하였다. 이후 성형조건은 PMN-PT 제조 시와 동일하다.
PMN-PT 시편 제조에 사용된 원료분말은 시약급의 PbO, MgO, Nb2O5, TiCb이었다. 먼저 MgO와 NbQs를 혼합하여 MgNb2O6 columbite 상을 형성하였다.
PMN-PZN 시편 제조에 사용된 분말은 PbO, MgO, ZnO, Nb2O5 및 TiC)2이었다. 먼저 MgO와 Nb2O5를 혼합하여 MgNb2O6 columbite 상을 합성하고, ZnO와 Nb2O5 를 혼합하여 ZnNb2O6 columbite 상을 합성하였다.
999%)을 사용하였다. 기판으로 앞서 설명한 유전체(BT, PMN-PT, PMN-PZN)를 15 mm X 25 mm의 사각 평판(전기전도도 측정용)과 내경 3 mm, 외경 7 mm의 toroidal 형태(전파흡수능 측정 용)의 두 가지로 가공하여 사용하였다. 표면의 오염물질을 제거하기 위해 초음파 세척기를 사용하여 아세톤, 알코올, 증류수에서 각각 5분간 세척하고 건조하였다.
여기서 λ0는 자유공간에서의 파장, tana는 유전손실계수(=&7&)이다. 따라서 본 연구에서는 R4 spacer 재료로 고유전율 재료인 BaTiCB와 완화형 강유전체를 선택하였고, 377 4의 저항막으로 ITO를 선정 하였다.
본 실험에 사용된 유전체의 종류는 BaTiCB약칭 BT), 0.9Pb(Mgi/3Nb2/3)C)3-0.1PbTiO3(약칭 PMN-PT), 0.8Pb (Mgu3Nb2/3)O3-0.2Pb(Znu3Nb2/3)C)3(약칭 PMN-PZN)이었다. BT 시편 제조에 사용된 원료분말은 시약급의 BaCO3와 TiC)2이었고, 몰비 1:1로 볼밀에서 24시간 습식 혼합한 분말을 1100℃에서 2시간 하소하였다.
- ITO 박막은 RF magnetron co-sputtering 장치를 이용하여 제작하였다. 스퍼터링 가스는 순도 99.99%의 Ar을 사용하였으며 반응성 가스는 순도 99.99 %의 O2를 사용하였다. 진공조 내부의 음극 타켓으로는 직경이 2 inch 인 InO2 (99.
반면 고유전율 세라믹 유전체(BaTiCh, 완화형 강유전체)의 경우 고주파 대역에서도 높은 유전율을 보이기 때문에, 이들 재료를 이용한다면 박형 전파흡수체의 설계 및 제작이 가능할 것으로 예상된다. 완화형 강유전체로는 PMN-PT, PMN-PZN을 선정하였다. 강유전 특성의 BaTiS에서는 분역 분극에 의해, PMN계 유전체에서는 분극 클러스터의 진동에 의해 마이크로파 대역에서 높은 유전상수와 유전손실을 보이기 때문이다.
99 %의 O2를 사용하였다. 진공조 내부의 음극 타켓으로는 직경이 2 inch 인 InO2 (99.99%)와 Sn (99.999%)을 사용하였다. 기판으로 앞서 설명한 유전체(BT, PMN-PT, PMN-PZN)를 15 mm X 25 mm의 사각 평판(전기전도도 측정용)과 내경 3 mm, 외경 7 mm의 toroidal 형태(전파흡수능 측정 용)의 두 가지로 가공하여 사용하였다.
이론/모형
소결체의 입자 크기와 형태를 주사전자현미경으로 관찰하였다. 강유전체 시편(BT, PMN-PT, PMN-PZN)의 복소투자율 및 복소유전율을 반사/투과법 (일명 S-parameter법)에 의해 측정하였다. 측정된 반사산 란계수(S11)와 투과산란계수(S21)로부터 복소투자율 및 복소유전율을 계산하였다.
5~18GHz이었다. 또한 ITO 박막의 면저항은 창민테크사의 CMT-1000으로 4단자 법을 이용하여 측정되었고, 박막의 두께는 Tencor사의 a-step 500 surface profiler를 사용하여 측정하였다.
성능/효과
정합형 전파흡수체에서 전파흡수율은 두께가 파장(2)의 1/4일 때 최대가 되고, 이 정합두께는 구성 재료의 투자율 및 유전율의 제곱근에 반비례한다.3)스피넬 페라이트 자성체의 경우, Snoek 한계주파수를 넘어서면 투자율이 급격히 감소하여 1GHz 이상에서 2~3 정도 밖에 되지 않는다" 고주파대역용 흡수재로 사용되고 있는 육방정 페라이트의 경우에도 1GHz 이상에서 투자율은 10정도에 불과하다.5) 따라서 페라이트 자성체를 가지고 이동통신 주파수 대역용 박형 전파흡수체를 제작하는 것은 근본적으로 불가능하다.
5 GHz에서 최대치(약 150)를 보인다. PMN-PZN 시편 의 초기유전율은 300으로 세 가지 시편 중 가장 큰 값을 보였으며, &"의 최대치는 3 GHz에서 최대치(약 180)가 관찰되고 있다(Fig. 4(c)).
유리 기판에 증착된 ITO 박막의 경우, 일반적으로 I112O3에 5~10%의 SnO2가 포함되어 있을 때 가장 낮은 비저항(약 10-3~10-4#)이 얻어지는 것으로 보고되고 있다.9) 박막의 조성에 대한 분석은 하지 못하였으나, 상기 조성에 근접했을 때 가장 낮은 비저항을 보인 것으로 추정된다. 유리 기판에 비해 비저항이 커진 결과는 소결체 기판 내의 기공(약 6~8%)과 같은 결함 등이 영향을 준 것으로 보인다.
5 mm 수준에서 99% 이상의 흡수능을 최 종결과물로 제시하였다. 기존의 페라이트에 비해 흡수체의 두께를 1/2 수준으로 줄일 수 있다는 것이 본 연구의 주요 결실이다.
임피던스 정합층으로 ITO 박막을 선정하고, 377 X2의 면저항을 갖는 박막의 조성 및 두께, 그리고 이를 구현할 수 있는 증착 조건에 관한 실험결과를 제시하였다.이 두 가지 재료의 접목에 의해 ITO/유전체 구조의 λ/4형 전파흡수의 설계가 가능하였고, 이동통신 주파수 대역에서 두께 2.5 mm 수준에서 99% 이상의 흡수능을 최 종결과물로 제시하였다. 기존의 페라이트에 비해 흡수체의 두께를 1/2 수준으로 줄일 수 있다는 것이 본 연구의 주요 결실이다.
ITO박막/세라믹 유전체로 구성되는 새로운 방식의 전파흡수체를 제안하고, 이 구조에서 무반사 조건을 구현할 수 있는 강유전체의 유전상수 및 두께/주파수, 박막 저항의 함수관계를 도출하였다. 이러한 설계조건에 부합하는 세라믹 유전체로 유전상수가 l~2GHz 에서 200 이상인 BaTiO3 및 완화형 강유전체 (PMN-PT, PMN-PZN) 를 선정하고, 이들 재료의 고주파 유전특성을 조사한 결과, A/4 spacer 의 두께를 2.5 mm 수준까지 낮출 수 있었다. 임피던스 정합층으로 ITO 박막을 선정하고, 377 X2의 면저항을 갖는 박막의 조성 및 두께, 그리고 이를 구현할 수 있는 증착 조건에 관한 실험결과를 제시하였다.
참고문헌 (15)
K. Akita, Ferrites: Proceed. of ICF, 1980, pp. 885-889
?S. S.Kim, D. H. Han and S. B. Jo, IEEE Trans. Mag., 30, 4554 (1994)
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