[논문]Cu/Ni80Fe20 코어/쉘 복합 와이어에서 대각(Diagnonal) 자기임피던스

조성언; 구태준; 김동영; 윤석수; 이상훈

doi:10.4283/jkms.2015.25.4.129

Cu/Ni80Fe20 코어/쉘 복합 와이어에서 대각(Diagnonal) 자기임피던스
Diagonal Magneto-impedance in Cu/Ni80Fe20 Core-Shell Composite Wire 원문보기

韓國磁氣學會誌 = Journal of the Korean Magnetics Society, v.25 no.4, 2015년, pp.129 - 137

조성언 (안동대학교 물리학과) , 구태준 (안동대학교 물리학과) , 김동영 (안동대학교 물리학과) , 윤석수 (안동대학교 물리학과) , 이상훈 (가야대학교 방사선학과)

초록
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Cu(반경 $r_a$ = $95{\mu}m$)/$Ni_{80}Fe_{20}$(외경 $r_b$ = $120{\mu}m$)의 코어/쉘 복합 와이어를 전기도금방법으로 제작하였다. 제작 된 복합 와이어에 대해 원통 좌표계에서 임피던스 텐서의 두 대각 성분 $Z_{{\theta}{\theta}}$와 $Z_{zz}$를 10 kHz~10 MHz 범위의 주파수(f)와 0 Oe~200 Oe 범위의 외부 정지 자기장의 함수로 측정하였다. Maxwell 방정식으로부터 코어/쉘 복합 와이어의 두 대각 임피던스 $Z_{{\theta}{\theta}}$와 $Z_{zz}$를 각각 복소 투자율 텐서의 두 대각 성분 ${\mu}^*_{zz}$와 ${\mu}^*_{{\theta}{\theta}}$로 표현하는 식을 유도하였다. 유도된 식을 이용하여 측정된 $Z_{{\theta}{\theta}}$(f)와 $Z_{zz}$(f) 스펙트럼으로부터 ${\mu}^*_{zz}$(f)와 ${\mu}^*_{{\theta}{\theta}}$(f) 스펙트럼을 각각 뽑아낼 수 있었다. 뽑아낸 두 대각 투자율 스펙트럼을 자벽이동과 자화회전의 완화과정으로 해석하면 Cu/NiFe 코어/쉘 복합 와이어의 동적 자화과정을 규명하는 유용한 도구가 될 수 있다는 것을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The Cu(radius ra = $95{\mu}m$)/$Ni_{80}Fe_{20}$(outer radius $r_b$ = $120{\mu}m$) core/shell composite wire is fabricated by electrodeposition. The two diagonal components of impedance tensor for the Cu/$Ni_{80}Fe_{20}$ core/shell composite wire...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

의 주파수 스펙트럼(10 kHz~10MHz 주파수 범위)을 길이방향으로 가한 0 Oe~200Oe 범위의 다양한 외부 정지 자기장 하에서 측정하였다. 두 대각 임피던스 스펙트럼으로부터 복소투자율(complex permeability) 텐서의 두 대각성분을 뽑아내는 방법을 제시하고 이 둘을 비교 분석하여 Cu/Ni₈₀Fe₂₀ 코어/쉘 구조에서 동적 자화과정을 규명하고자 한다.
본 연구에서 사용한 임피던스 측정장치의 민감도로는 임피던스 텐서의 두 비대각 성분을 측정할 수 없었기에 본 논문에서는 두 대각 임피던스 Z_zz와 Z_θθ 만 다루고자 한다. Fig.
본 연구에서는 Cu 와이어에 Ni₈₀Fe₂₀를 전기도금하여 코어/쉘 구조의 복합와이어 시편을 제작하고 이 시편에 전극과 코일을 형성하여, 원통 좌표계에서 임피던스 텐서의 대각 성분 Z_zz와 Z_θθ의 주파수 스펙트럼(10 kHz~10MHz 주파수 범위)을 길이방향으로 가한 0 Oe~200Oe 범위의 다양한 외부 정지 자기장 하에서 측정하였다. 두 대각 임피던스 스펙트럼으로부터 복소투자율(complex permeability) 텐서의 두 대각성분을 뽑아내는 방법을 제시하고 이 둘을 비교 분석하여 Cu/Ni₈₀Fe₂₀ 코어/쉘 구조에서 동적 자화과정을 규명하고자 한다.
주파수 스윕동안 시편에 가해지는 교류전류의 진폭은 5 mA로 일정하게 유지하였다. 임피던스 스펙트럼의 자기장 의존성을 측정하기 위해 헬름홀츠 코일을 이용하여 와이어의 길이방향(z축)으로 0 Oe에서 200 Oe 범위의 외부 정지 자기장 H_e를 가하였다.
전기도금으로 제작된 Cu(반경 r_a = 95 μm)/Ni₈₀Fe₂₀(외경 r_b = 120 μm)의 코어/쉘 복합와이어(길이 l = 5 cm) 시편에 대해 임피던스 텐서의 대각성분 Z_θθ와 Z_zz의 주파수 스펙트럼을 와이어의 길이방향으로 가한 다양한 자기장 H_e 하에서 측정하였다. 대각 임피던스 Z_θθ와 Z_zz의 스펙트럼으로부터 상대 복소 투자율 텐서의 대각성분 μ*_zz와 μ*_θθ의 주파수 스펙트럼을 각각 뽑아내는 방법을 제시하였으며 이 방법으로 뽑아낸 μ*_zz와 μ*_θθ의 주파수 스펙트럼은 100 kHz부터 10MHz까지의 주파수 영역에서 자기장 H_e에 민감하게 변하는 완화형 분산을 보여주었다.
6 g/l를 용해시켜 도금용액을 준비하였다. 전기도금은 유리 원통 도금셀 중심에 Cu 와이어 워킹전극, 유리원통 내벽에 백금시트를 원통형으로 감은 카운터 전극, Ag/AgCl 기준전극의 세 전극을 설치하고 이 세 전극을 Potentiostat 장치에 연결하여 Ag/AgCl 기준전극에 대한 Cu 워킹전극의 전위차를 −1.0 V로 일정하게 가하는 방식으로 행하였다. 도금된 NiFe 쉘의 두께는 도금시간으로 조절하였다.

대상 데이터

Cu/NiFe 코어/쉘 복합와이어 시편은 상업적으로 판매되고 있는 약 190 μm 직경의 Cu 와이어에 NiFe를 전기도금으로 증착하여 제작하였다. Ni₈₀Fe₂₀을 전기도금으로 증착하기 위해 탈이 온 수에 NiSO₄ 31 g/l, FeSO₄ 3.
Cu/NiFe 코어/쉘 복합와이어 시편은 상업적으로 판매되고 있는 약 190 μm 직경의 Cu 와이어에 NiFe를 전기도금으로 증착하여 제작하였다. Ni₈₀Fe₂₀을 전기도금으로 증착하기 위해 탈이 온 수에 NiSO₄ 31 g/l, FeSO₄ 3.8 g/l, H₃BO₄ 24.6 g/l를 용해시켜 도금용액을 준비하였다. 전기도금은 유리 원통 도금셀 중심에 Cu 와이어 워킹전극, 유리원통 내벽에 백금시트를 원통형으로 감은 카운터 전극, Ag/AgCl 기준전극의 세 전극을 설치하고 이 세 전극을 Potentiostat 장치에 연결하여 Ag/AgCl 기준전극에 대한 Cu 워킹전극의 전위차를 −1.
대각 임피던스의 Z_zz 성분을 측정하기 위해 Cu/NiFe 코어/쉘 복합와이어 시편 양쪽 끝의 NiFe가 도금되지 않은 Cu 부분에 4단자 전극을 은(Silver) 페이스트로 부착하였으며 Z_θθ성분을 측정하기 위해 Cu/NiFe 코어/쉘 복합와이어에 솔레노이드 코일을 감았다(코일의 길이 lc = 1.6 cm, 감은 횟수 N =60). 임피던스의 실수부 및 허수부 스펙트럼은 HP4192A Impedance Analyzer 장치를 이용하여 10 kHz에서 10 MHz까지 주파수를 스윕하면서 측정하였다.

데이터처리

도금된 NiFe 쉘의 길이 l은 5 cm가 되도록 Cu 워킹전극이 잠기는 도금용액의 높이를 조절하였다. 전기도금 후 NiFe의 두께는 광학현미경으로 측정하였으며 조성은 EDX(Energy Dispersive X-ray) 분광기를 이용하여 측정하였다.

이론/모형

3(a)는Cu/NiFe 코어/쉘 복합와이어에 양단에 전류소스를 연결하여 i_z = I_oe^j2πft의 교류전류을 흘리면서 교류전위차 v_z를 측정하여 대각 임피던스 Z_zz를 구하는 상황을 보여준다. 이 두 상황에서 두 대각 임피던스는 다음의 Maxwell 방정식을 적용하여 구할 수 있다.

성능/효과

대각 임피던스 Z_θθ와 Z_zz의 스펙트럼으로부터 상대 복소 투자율 텐서의 대각성분 μ*_zz와 μ*_θθ의 주파수 스펙트럼을 각각 뽑아내는 방법을 제시하였으며 이 방법으로 뽑아낸 μ*_zz와 μ*_θθ의 주파수 스펙트럼은 100 kHz부터 10MHz까지의 주파수 영역에서 자기장 H_e에 민감하게 변하는 완화형 분산을 보여주었다. μ*_zz와 μ*_θθ의 주파수 스펙트럼을 자벽이동과 자화 회전의 완화과정을 표현하는 Debye 식이 중첩된 모델로 분석하였으며, 그 결과로 μ*_zz(f)는 자벽이동과 자화회전의 완화성분을 모두 가지나 μ*_θθ(f)는 자화회전의 완화성분만을 가진다는 것을 알 수 있었으며 이로부터 Ni₈₀Fe₂₀쉘은 z축 방향과 가까운 자화용이축을 가지고 있다는 것을 밝힐 수 있었다.
하에서 측정하였다. 대각 임피던스 Z_θθ와 Z_zz의 스펙트럼으로부터 상대 복소 투자율 텐서의 대각성분 μ*_zz와 μ*_θθ의 주파수 스펙트럼을 각각 뽑아내는 방법을 제시하였으며 이 방법으로 뽑아낸 μ*_zz와 μ*_θθ의 주파수 스펙트럼은 100 kHz부터 10MHz까지의 주파수 영역에서 자기장 H_e에 민감하게 변하는 완화형 분산을 보여주었다. μ*_zz와 μ*_θθ의 주파수 스펙트럼을 자벽이동과 자화 회전의 완화과정을 표현하는 Debye 식이 중첩된 모델로 분석하였으며, 그 결과로 μ*_zz(f)는 자벽이동과 자화회전의 완화성분을 모두 가지나 μ*_θθ(f)는 자화회전의 완화성분만을 가진다는 것을 알 수 있었으며 이로부터 Ni₈₀Fe₂₀쉘은 z축 방향과 가까운 자화용이축을 가지고 있다는 것을 밝힐 수 있었다.
본 연구를 통해 Cu/NiFe 코어/쉘 복합와이어에 대해 대각임피던스 스펙트럼으로부터 대각 복소 투자율 스펙트럼을 쉽게 뽑아낼 수 있다는 것을 제시할 수 있었다. 대각 복소 투자율 스펙트럼들은 동적 자화과정에 대한 중요한 정보들을 담고 있기 때문에 대각 임피던스 스펙트럼을 측정하는 것은 복합와이어에서 동적 자화과정을 연구하는 유용한 도구가 될 수 있을 것이다.
지금까지의 결과를 종합하면 전기도금으로 제작된 Cu(r_a =95 μm)/Ni₈₀Fe₂₀(r_b = 120 μm)의 코어/쉘 복합와이어(길이 l = 5 cm)에서 μ*_zz(f)는 자벽이동과 자화회전의 완화성분을 모두 가지나 μ*_θθ(f)는 자화회전의 완화성분을 가진다는 것을 알 수 있었다. 이는 Ni₈₀Fe₂₀쉘의 대부분의 자구들이 z축 방향과 가까운 자기용이축을 가지고 있다는 것을 의미한다.

후속연구

본 연구를 통해 Cu/NiFe 코어/쉘 복합와이어에 대해 대각임피던스 스펙트럼으로부터 대각 복소 투자율 스펙트럼을 쉽게 뽑아낼 수 있다는 것을 제시할 수 있었다. 대각 복소 투자율 스펙트럼들은 동적 자화과정에 대한 중요한 정보들을 담고 있기 때문에 대각 임피던스 스펙트럼을 측정하는 것은 복합와이어에서 동적 자화과정을 연구하는 유용한 도구가 될 수 있을 것이다. 이러한 도구를 이용하여 Cu/NiFe 코어/쉘 복합와이어에서 자벽이동 및 자화회전으로 인한 완화주파수, 정지투자율 등의 동적자화과정을 결정하는 파라메터들의 자기장 의존성을 구하고 이를 자기이방성 관계에서 해석하는 연구가 진행중에 있으며 대각 임피던스 뿐 아니라 비대각 임피던스를 측정하는 방법에 대한 연구도 진행중에 있다.
대각 복소 투자율 스펙트럼들은 동적 자화과정에 대한 중요한 정보들을 담고 있기 때문에 대각 임피던스 스펙트럼을 측정하는 것은 복합와이어에서 동적 자화과정을 연구하는 유용한 도구가 될 수 있을 것이다. 이러한 도구를 이용하여 Cu/NiFe 코어/쉘 복합와이어에서 자벽이동 및 자화회전으로 인한 완화주파수, 정지투자율 등의 동적자화과정을 결정하는 파라메터들의 자기장 의존성을 구하고 이를 자기이방성 관계에서 해석하는 연구가 진행중에 있으며 대각 임피던스 뿐 아니라 비대각 임피던스를 측정하는 방법에 대한 연구도 진행중에 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연자성 재료에서 자기임피던스 효과란?	연자성 재료에서 자기임피던스(magneto-impedance, MI) 효과는 재료에 부착된 전극 또는 재료를 감싸는 코일에 교류전류를 인가했을 때, 전극 또는 코일 양단간에 발생하는 교류전위차와 인가한 교류전류의 비로 정의되는 임피던스가 외부정지 자기장(static magnetic field)에 민감하게 변하는 현상이다. MI 효과에 대한 연구는 고감도 자기센서로의 응용성과 자성재료의 자화특성을 연구하는 다목적 도구로써의 유용성으로 인해 많은 연구가 이루어지고 있는 분야이다[1-5].
	자기임피던스 효과에 관하여 어떤 연구들이 발표되었는가?	MI 효과에 대한 연구는 고감도 자기센서로의 응용성과 자성재료의 자화특성을 연구하는 다목적 도구로써의 유용성으로 인해 많은 연구가 이루어지고 있는 분야이다[1-5]. 초기에 MI 효과는 연자성 비정질 와이어 또는 리본에서 많이 연구되었으나 최근 들어 고전도성 비자성 금속 코어에 저전도성 연자성 쉘을 형성한 코어/쉘 구조의 와이어 또는 저전도성 연자성 박막 사이에 고전도성 비자성 금속 박막을 형성한 다층박막에서의 MI 효과에 대한 연구결과들이 많이 발표되고 있다[6-12].
	자성재료에서 수십 kHz에서 수십MHz 주파수 영역에서 일어나는 투자율 스펙트럼의 완화형 분산의 원인은?	7과 8의 스펙트럼은 전형적인 완화형 분산(relaxation-type dispersion)을 보여준다. 일반적으로 자성재료에서 수십 kHz에서 수십MHz 주파수 영역에서 일어나는 투자율 스펙트럼의 완화형 분산은 자벽이동과 자화회전이 각각 자신의 고유 주파수 보다 큰 주파수의 교류자기장이 가해졌을 때 그 변화를 따라가지 못하고 뒤쳐지는 현상에 기인한다. 이와 같은 자벽이동과 자화회전의 완화현상으로 인한 투자율 스펙트럼은 기본적으로 Debye 식을 이용하면 다음과 같이 표현할 수 있다[13-16].

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www.originlab.com/index.aspx?goProducts/Origin/DataAnalysis/CurveFitting/Nonlinear-Fitting.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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