[논문]자성재료를 이용한 광대역 전자파 흡수체 설계 연구

김동영; 윤석수

doi:10.4283/jkms.2012.22.6.210

초록
AI-Helper

단층형 전자파 흡수체의 흡수 성능은 입사파의 반사 손실(return loss)이 최대가 되는 두께 정합 조건 및 주파수 정합 조건에서 최적화 된다. 본 연구에서는 재료의 복소 투자율과 복소 유전율에 의존하는 전송선 이론을 적용하여 광대역 흡수체의 정합 조건을 계산하였다. 그 결과 주파수에 따른 복소 투자율 감소 특성이 두께 정합 조건을 광대역으로 확대하는 효과를 지니기 때문에 광대역 전자파 흡수체에 자성 재료가 이용될 수 있다는 것을 알 수 있었다. 따라서 향후 확대될 EMC(Electromagnetic compatibility) 규격을 대비한 차세대 광대역 전자파 흡수체를 만들기 위하여 현재 사용되고 있는 NiZn 페라이트 소결체 보다 포화 자화량이 크고 유전율 값이 작은 자성 재료들을 사용하여야 한다는 것을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The absorption performance of a metal-backed single layered electromagnetic wave absorber is optimized at matching conditions of thickness and frequency indicating the maximum returns loss of incidence electromagnetic wave in the contour map. These matching conditions are obtained by applying the el...

The absorption performance of a metal-backed single layered electromagnetic wave absorber is optimized at matching conditions of thickness and frequency indicating the maximum returns loss of incidence electromagnetic wave in the contour map. These matching conditions are obtained by applying the electromagnetic impedance to the transmission line theory, which depend on the complex permeability and complex permittivity of absorber material. The magnetic materials with high permeability can enhance the matching thickness condition to the wide frequency range based on the decrease of permeability with frequency and it can be used as a wideband electromagnetic wave absorber material. Therefore, the magnetic materials with higher saturation magnetization and lower permittivity than NiZn ferrite can be applied to the wideband electromagnetic wave absorber in order to satisfy the newly enforcing the electromagnetic compatibility regulation in the future.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

페라이트 자성재료는 재료의 성분에 따라서 K와 f_r이 서로 다르며, 이들 자성재료의 투자율 특성을 나타내는 K와 f_r은 재료에 첨가되는 성분을 조절하여 그 특성을 향상시킬 수 있다. 따라서 본 연구에서는 광대역 흡수체에 적합한 페라이트 자성 재료의 K와 f_r의 특성을 분석하였다.
본 연구에서는 전자파 무반사실에서 요구하는 30 MHz~1 GHz의 EMC 측정 주파수대역에서 20 dB 이상의 반사손실을 갖는 흡수체에 사용되는 흡수 재료가 가져야 하는 유전율 및 복소 투자율 특성을 분석하였다. 이때 절연체 특성을 갖는 페라이트 재료의 전자기 물성인 유전율은 실수부만 있고, 복소 투자율은 식(3)의 이완 특성을 갖는 자성 재료를 도입하였다.
본 연구에서는 전자파 흡수체의 기본원리를 바탕으로 투자율 스펙트럼이 자기 이완(magnetic relaxation) 특성을 보이는 자성재료의 전자파 흡수 성능을 분석하였으며, 이들 결과로부터 차세대 광대역 흡수체 개발에 필요한 자성재료의 초기투자율 및 이완 주파수 특성을 제시하였다.
이러한 금속판과 흡수 재료로 구성된 단층형 흡수체에 TEM(Transverse electromagnetic) mode의 전자파가 수직으로 입사(normal incidence)하는 경우에 대하여 전송선(transmission line) 이론을 적용하여 흡수체의 흡수성능을 구한다. 본 연구에서도 단층형 흡수체의 흡수 성능에 대한 분석을 통하여 차세대 EMC 규격 변화에 대응할 수 있는 광대역 흡수체 개발에 부합되는 자성재료의 특성을 제시하고자 한다.

제안 방법

단층형 전자파 흡수체 재료의 복소 유전율과 복소 투자율의 주파수 특성을 이용하여 재료의 두께와 주파수에 따른 흡수 성능을 계산한 반사 손실은 등고선 형태를 보이며, 이러한 등고선에서 반사 손실이 최대가 되는 조건을 만족하는 정합 두께 및 정합 주파수를 흡수체 설계에 이용한다. 따라서 흡수 특성이 최대가 되는 정합 조건은 흡수 재료의 복소 유전율과 복소 투자율의 주파수 특성에 의존하며, 흡수체를 설계하는 초기 과정에서는 흡수 재료의 복소 투자율과 복소 투자율로부터 정합두께를 먼저 구한 후, 정합 두께를 갖는 흡수체의 주파수에 따른 반사손실 특성을 계산할 수 있었다.
진공에서의 유전율(ε₀) 및 투자율(µ₀)을 고려하면 진공의 전자파 임피던스 #이다. 이때 계산을 간단하게 하기 위하여 공기의 유전율 및 투자율을 1로 두고, 재료의 상대 복소 유전율과 상대 복소 투자율을 고려하여 흡수체의 흡수 성능을 구한다. 뒷면에 금속판을 갖는 단층형 흡수체는 흡수 재료를 투과한 전자파가 금속판에 의하여 차단되므로 흡수체를 투과하지 못한다.

대상 데이터

이 경우 30 MHz~1 GHz 대역의 저주파수 대역은 페라이트 타일 흡수체를 사용하여 흡수 손실을 만족시키고, 그 이상의 고주파수 대역은 피라미드형 흡수체를 활용하는 복합형 흡수체(hybrid absorber)를 사용한다[9]. 스텔스 비행기에 사용되는 흡수체는 군용 레이더에서 사용하는 X-band(8~12 GHz)의 전자파를 흡수하는 재료를 사용한다. 비행기에 사용되므로 전자파의 흡수 특성뿐만 아니라 경량화 및 고강도의 기계적인 특성이 만족되어야 한다.

이론/모형

1에서 보인 것과 같이 흡수 재료의 뒷면에 금속판을 갖는 단층형 구조를 갖는다. 이러한 금속판과 흡수 재료로 구성된 단층형 흡수체에 TEM(Transverse electromagnetic) mode의 전자파가 수직으로 입사(normal incidence)하는 경우에 대하여 전송선(transmission line) 이론을 적용하여 흡수체의 흡수성능을 구한다. 본 연구에서도 단층형 흡수체의 흡수 성능에 대한 분석을 통하여 차세대 EMC 규격 변화에 대응할 수 있는 광대역 흡수체 개발에 부합되는 자성재료의 특성을 제시하고자 한다.

성능/효과

식(4)의 Snoek의 한계 법칙에 의하면 자성 재료의 Kf_r 값을 증가 시키기 위해서는 자성재료의 포화 자화량이 커져야 한다. 결국, 자성 재료의 포화 자화량이 크고, 유전율이 작아야 두께가 얇은 광대역 흡수체가 가능함을 알 수 있다. 이러듯 광대역 흡수체가 유전율이 작은 재료에서 가능한 이유는 광대역 흡수 특성이 자성재료의 주파수에 따라 변화되는 복소 투자율의 특성과 관련되고 있음을 알 수 있다.
이러한 흡수 대역폭은 EMC 측정 규격에서 요구하는 30 MHz~1 GHz의 주파수 조건을 만족하지 못한다. 따라서 기존의 페라이트 재료를 대신하는 광대역의 전자파 흡수체의 개발이 필요하다는 결과를 보였다.
단층형 전자파 흡수체 재료의 복소 유전율과 복소 투자율의 주파수 특성을 이용하여 재료의 두께와 주파수에 따른 흡수 성능을 계산한 반사 손실은 등고선 형태를 보이며, 이러한 등고선에서 반사 손실이 최대가 되는 조건을 만족하는 정합 두께 및 정합 주파수를 흡수체 설계에 이용한다. 따라서 흡수 특성이 최대가 되는 정합 조건은 흡수 재료의 복소 유전율과 복소 투자율의 주파수 특성에 의존하며, 흡수체를 설계하는 초기 과정에서는 흡수 재료의 복소 투자율과 복소 투자율로부터 정합두께를 먼저 구한 후, 정합 두께를 갖는 흡수체의 주파수에 따른 반사손실 특성을 계산할 수 있었다.
1 mm의 NiZn 페라이트의 경우 유전율이 7 이하로 작아진다면 30 MHz~1 GHz 대역에서 20 dB의 반사 손실을 갖는 흡수체가 될 수 있으며, 유전율이 같을 경우 Kf_r이 커져야 함을 알 수 있다. 이들 결과로부터 광대역 흡수체 재료는 유전율 값이 작고 Kf_r 값이 커져야 두께가 얇은 광대역 흡수체가 가능함을 보인다. 식(4)의 Snoek의 한계 법칙에 의하면 자성 재료의 Kf_r 값을 증가 시키기 위해서는 자성재료의 포화 자화량이 커져야 한다.
과의 관계로 정합두께 조건을 분석한 결과 상용 전자제품의 EMC 규격인 30 MHz~1 GHz의 광대역에서 반사손실이 20 dB 이상의 전자파 흡수체는 포화 자화량이 크고 유전율 값이 작은 자성재료를 사용하여야 가능하다는 것을 알 수 있었다. 이러한 특성을 갖는 전자파 흡수체를 구현하기 위해서는 기존의 NiZn 페라이트 소결체 또는 MnZn 페라이트 소결체 보다 포화자화량이 크고 유전율 값이 적은 새로운 자성 재료의 개발이 필요하다는 결론을 얻을 수 있었다. 이러한 재료는 절연체 재료와 자성 재료의 혼합 또는 금속 재료를 혼합한 새로운 복합 재료의 개발을 통해 실현될 수 있을 것으로 기대된다.
재료의 실수부 유전율인 ε'과 자기완화 변수인 Kf_r과의 관계로 정합두께 조건을 분석한 결과 상용 전자제품의 EMC 규격인 30 MHz~1 GHz의 광대역에서 반사손실이 20 dB 이상의 전자파 흡수체는 포화 자화량이 크고 유전율 값이 작은 자성재료를 사용하여야 가능하다는 것을 알 수 있었다. 이러한 특성을 갖는 전자파 흡수체를 구현하기 위해서는 기존의 NiZn 페라이트 소결체 또는 MnZn 페라이트 소결체 보다 포화자화량이 크고 유전율 값이 적은 새로운 자성 재료의 개발이 필요하다는 결론을 얻을 수 있었다.

후속연구

이러한 결과는 현재 상용제품의 EMC 규격인 30 MHz~1 GHz 대역에 대한 측정 주파수 대역을 만족하고 있으며, 향후 측정 주파수 폭이 3 GHz까지 넓어지더라도 새로운 규격에 대응할 수 있는 흡수체임을 보인다. 결론적으로 이러한 특성을 갖는 전자파 흡수체를 구현하기 위해서는 기존의 NiZn 페라이트 소결체 또는 MnZn 페라이트 소결체 보다 포화자화량이 크고 유전율 값이 적은 새로운 자성 재료의 개발이 필요하다.
현재까지는 상용 제품에 대한 EMC 규격이 30 MHz~1 GHz 대역을 규제 대상으로 하고 있으나, 이들 상용 제품에 대한 규제 주파수를 3 GHz까지 확대하려고 하는 움직임이 일고 있다. 따라서 향후 전개될 수 있는 상용 전자 제품에 대한 EMC 규격의 변화에 대응하기 위하여 새로운 광대역 전자파 흡수체 개발을 위한 연구가 요구된다.
이러한 특성을 갖는 전자파 흡수체를 구현하기 위해서는 기존의 NiZn 페라이트 소결체 또는 MnZn 페라이트 소결체 보다 포화자화량이 크고 유전율 값이 적은 새로운 자성 재료의 개발이 필요하다는 결론을 얻을 수 있었다. 이러한 재료는 절연체 재료와 자성 재료의 혼합 또는 금속 재료를 혼합한 새로운 복합 재료의 개발을 통해 실현될 수 있을 것으로 기대된다.
비행기에 사용되므로 전자파의 흡수 특성뿐만 아니라 경량화 및 고강도의 기계적인 특성이 만족되어야 한다. 이러한 전자파 흡수 특성 및 기계적인 특성을 고려하여 자성재료와 고강도 섬유재료를 혼합한 복합재료가 사용되고 있을 것으로 예상하고 있다.

참고문헌 (12)

R. B. Schulz, V. C. Plantz, and D. R. Brush, IEEE Trans. Electromagn. Compat. 30, 187 (1988).

상세보기
P. F. Wilson, M. T. Ma, and J. W. Adams, IEEE Trans. Electromagn. Compat. 30, 239 (1988).

상세보기
F. Qin and C. Brosseau, J. Appl. Phys. 111, 061301 (2012).

상세보기
Y. Natio and K. Suetake, IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 19, 65, (1971).

상세보기
H. M. Musal, Jr. and H. T. Hahn, IEEE Trans. Magn. 25, 3851, (1989).

상세보기
H. M. Musal, Jr. and D. C. Smith, IEEE Trans. Magn. 26, 1462, (1990).

상세보기
T. Kagotani, D. Fujiwara, S. Sugimoto, K. Inomata, and M. Homma, J. Magn. Magn. Mater. 272, e1813 (2004).

상세보기
Z. Haijun, L. Zhichao, M. Chengliang, Y. Xi, Z. Liangying, and W. Mingzhong, Mater. Sci. Eng. B 96, 289 (2002).

상세보기
B. K. Chung and H. T. Chuah, Progress In Electromagnetics Research, Symp. (PIERS) 43, 273, (2003).
Y. Naito, H. Anzai, and T. Mizumoto, in Proc. 1993 IEEE Int. Symp. EMC, Dallas, TX, 254 (1993).
Y. Naito and T. Mizumoto, in Proc. 1994 IEEE Int. Symp. EMC, Chicago, IL, 402 (1994).
G. F. Dionne, IEEE Trans. Magn. 39, 3121 (2003).

상세보기

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

자성재료를 이용한 광대역 전자파 흡수체 설계 연구
Design of Wideband Electromagnetic Wave Absorber Using Magnetic Materials 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (12)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

자성재료를 이용한 광대역 전자파 흡수체 설계 연구 Design of Wideband Electromagnetic Wave Absorber Using Magnetic Materials 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (12)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김동영 (27) 윤석수 (35)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

자성재료를 이용한 광대역 전자파 흡수체 설계 연구
Design of Wideband Electromagnetic Wave Absorber Using Magnetic Materials 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper