[논문]NFC의 자기차폐용 Ni-Zn-Cu 페라이트의 자기특성에 미치는 소결온도의 영향

류요한; 김성수

doi:10.4150/kpmi.2016.23.2.132

NFC의 자기차폐용 Ni-Zn-Cu 페라이트의 자기특성에 미치는 소결온도의 영향
Influence of Sintering Temperature on Magnetic Properties of Ni-Zn-Cu Ferrites Used for Mangetic Shielding in NFC 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.23 no.2, 2016년, pp.132 - 135

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This study investigates the influence of sintering temperature on the magnetic properties and frequency dispersion of the complex permeability of Ni-Zn-Cu ferrites used for magnetic shielding in near-field communication (NFC) systems. Sintered specimens of $(Ni_{0.7}Zn_{0.3})_{0.96}Cu_{0.04}Fe_2O_4$ are prepared by conventional ceramic processing. The complex permeability is measured by an RF impedance analyzer in the range of 1 MHz to 1.8 GHz. The real and imaginary parts of the complex permeability depend sensitively on the sintering temperature, which is closely related to the microstructure, including grain size and pore distribution. In particular, internal pores within grains produced by rapid grain growth decrease the permeability and increase the magnetic loss at the operating frequency of NFC (13.56 MHz). At the optimized sintering temperature ($1225-1250^{\circ}C$), the highest permeability and lowest magnetic loss can be obtained.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

모바일 기기의 자기차폐용 고투자율 페라이트 자성체의 제조 및 고주파 자기특성에 대해 조사하였다. Ni-Zn-Cu 페라이트를 고상소결법으로 제조하고, 소결온도를 변화시켜 13.
본 실험은 모바일 기기(RF-ID, NFC)의 자기 차폐용 고투자율 페라이트 자성체의 제조를 목표로 하고 있다. 기본 소재로는 투자율과 소결성이 우수한 Ni-Zn-Cu 페라이트를 선정하였다[8-10].

제안 방법

기본 소재로는 투자율과 소결성이 우수한 Ni-Zn-Cu 페라이트를 선정하였다[8-10]. Ni-Zn-Cu 페라이트 소결체에서 소결 온도 변화에 따른 자기적 특성과 복소투자율의 주파수분산 특성을 조사하였으며, NFC 동작주파수(13.56 MHz)에서 자기차폐재 제작에 가장 적합한 Ni-Zn-Cu 페라이트의 소결 조건을 제시하였다.
모바일 기기의 자기차폐용 고투자율 페라이트 자성체의 제조 및 고주파 자기특성에 대해 조사하였다. Ni-Zn-Cu 페라이트를 고상소결법으로 제조하고, 소결온도를 변화시켜 13.56 MHz에서 우수한 자기차폐 특성을 보이는 소성 조건을 알아보았다. RF 임피던스 분석 결과, 1250°C에서 소결한 Ni-Zn-Cu 페라이트의 투자율 실수값이 가장 높게 나왔으며 (µ_r' =108), 허수부는 1225°C에서 값이 가장 낮은 값을 보였다 (µ_r'' = 1.
포화자화(M_s)와 보자력(H_c)를 vibrating sample magnetometer (VSM)으로 측정하였다. RF 임피던스 분석기를 이용하여 복소투자율을 측정하였다. 측정 주파수대역은 1 MHz ~ 1.
하소 후 분쇄한 분말을 소결체와 똑같은 조건하에서 열처리한 후 알루미나 유발에서 미세분말로 재분쇄한 다음 결정상을 분석한다. 소결체의 파면 조직을 scanning electron microscope (SEM)으로 관찰하였다. 포화자화(M_s)와 보자력(H_c)를 vibrating sample magnetometer (VSM)으로 측정하였다.
페라이트 granule을 내경 3 mm, 외경 7 mm 인 환형 mold에 충진시킨 후 성형 mold를 진동시켜 granule의 충진이 균일하게 일어나게 한 다음, 80 MPa의 압력으로 가압하여 환형의 성형체를 제조한다. 이때 소결 후 최종 시편의 두께가 2 mm 내외가 되도록 길이 수축율을 감안하여 두께 2.3~2.4 mm의 성형체를 제조하였다. PVA 바인더를 제거하기 위하여 산소 가스를 흘려주며 600°C에서 3 시간 동안 유지한 후, 1200-1300oC 범위에서 2 시간 동안 소결하여 Ni-Zn-Cu 페라이트 시편을 제조하였다.
바인더가 첨가된 분말을 50 mesh 체를 통과시켜 약 30 µm 크기의 granule을 제조하였다. 페라이트 granule을 내경 3 mm, 외경 7 mm 인 환형 mold에 충진시킨 후 성형 mold를 진동시켜 granule의 충진이 균일하게 일어나게 한 다음, 80 MPa의 압력으로 가압하여 환형의 성형체를 제조한다. 이때 소결 후 최종 시편의 두께가 2 mm 내외가 되도록 길이 수축율을 감안하여 두께 2.
소결체의 파면 조직을 scanning electron microscope (SEM)으로 관찰하였다. 포화자화(M_s)와 보자력(H_c)를 vibrating sample magnetometer (VSM)으로 측정하였다. RF 임피던스 분석기를 이용하여 복소투자율을 측정하였다.
합성한 Ni-Zn-Cu 페라이트 분말의 결정상을 확인하기 위하여 X-선 회절 분석을 하였다. 하소 후 분쇄한 분말을 소결체와 똑같은 조건하에서 열처리한 후 알루미나 유발에서 미세분말로 재분쇄한 다음 결정상을 분석한다. 소결체의 파면 조직을 scanning electron microscope (SEM)으로 관찰하였다.
합성된 Ni-Zn-Cu 페라이트의 결정상을 알아보기 위해 XRD 분석을 하였고, 상대적인 강도를 비교하여 그림 1에 나타내었다. 제조한 시편의 피크를 기존 논문에 나와 있던 Ni-Zn 페라이트의 XRD 패턴과 비교한 결과 Ni-Zn-Cu 페라이트 소결체의 XRD 패턴이 모두 spinel 상을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
합성한 Ni-Zn-Cu 페라이트 분말의 결정상을 확인하기 위하여 X-선 회절 분석을 하였다. 하소 후 분쇄한 분말을 소결체와 똑같은 조건하에서 열처리한 후 알루미나 유발에서 미세분말로 재분쇄한 다음 결정상을 분석한다.

대상 데이터

PVA 바인더를 제거하기 위하여 산소 가스를 흘려주며 600°C에서 3 시간 동안 유지한 후, 1200-1300oC 범위에서 2 시간 동안 소결하여 Ni-Zn-Cu 페라이트 시편을 제조하였다.
본 실험은 모바일 기기(RF-ID, NFC)의 자기 차폐용 고투자율 페라이트 자성체의 제조를 목표로 하고 있다. 기본 소재로는 투자율과 소결성이 우수한 Ni-Zn-Cu 페라이트를 선정하였다[8-10]. Ni-Zn-Cu 페라이트 소결체에서 소결 온도 변화에 따른 자기적 특성과 복소투자율의 주파수분산 특성을 조사하였으며, NFC 동작주파수(13.
바인더가 첨가된 분말을 50 mesh 체를 통과시켜 약 30 µm 크기의 granule을 제조하였다.
04Fe₂O₄인 Ni-Zn-Cu 페라이트 분말을 고전적인 세라믹 공정인 고상소결 방법으로 제조하였다. 분말 합성에 사용된 출발원료는 NiO, ZnO, CuO, Fe₂O₃로 고순도 화학의 99% 이상의 고순도 분말이었다. 혼합된 원료를 스테인레스 볼, 에탄올과 함께 무게 비로 1:1:1의 비율로 폴리에틸렌 용기에 넣고 볼밀에서 12시간 혼합하였다.
하소된 분말을 알루미나 유발에서 1 시간 동안 재분쇄하여 약 1 µm 크기의 페라이트 분말을 제조하였다.
화학조성이 (Ni_0.7Zn_0.3)_0.96Cu_0.04Fe₂O₄인 Ni-Zn-Cu 페라이트 분말을 고전적인 세라믹 공정인 고상소결 방법으로 제조하였다. 분말 합성에 사용된 출발원료는 NiO, ZnO, CuO, Fe₂O₃로 고순도 화학의 99% 이상의 고순도 분말이었다.

성능/효과

RF 임피던스 분석 결과, 1250°C에서 소결한 Ni-Zn-Cu 페라이트의 투자율 실수값이 가장 높게 나왔으며 (µr' =108), 허수부는 1225°C에서 값이 가장 낮은 값을 보였다 (µr'' = 1.2).
2). 소결체의 밀도와 입자크기, 기공의 분포가 투자율의 실수 및 허수에 매우 큰 영향을 미침을 확인할 수 있었다. 소결온도가 높아질수록 밀도와 입자크기는 증가하나, 급격한 입자성장에 따른 입자 내부의 포획 기공이 투자율을 감소시키고, 손실계수를 증가시킨다.
합성된 Ni-Zn-Cu 페라이트의 결정상을 알아보기 위해 XRD 분석을 하였고, 상대적인 강도를 비교하여 그림 1에 나타내었다. 제조한 시편의 피크를 기존 논문에 나와 있던 Ni-Zn 페라이트의 XRD 패턴과 비교한 결과 Ni-Zn-Cu 페라이트 소결체의 XRD 패턴이 모두 spinel 상을 나타내는 것을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	13.56 MHz 대 NFC 시스템의 동작원리는?	13.56 MHz 대 NFC 시스템은 리더/라이터와 무선태그에 탑재된 spiral 안테나(평면 코일 loop) 간의 전자유도 방식에 의해 양 기기 간의 전력 공급과 교신을 동작시킨다. 교신에 자계를 이용하는 13.
	Ni-Zn-Cu 페라이트 분말 합성에 사용된 출발원료는?	04Fe2O4인 Ni-Zn-Cu 페라이트 분말을 고전적인 세라믹 공정인 고상소결 방법으로 제조하였다. 분말 합성에 사용된 출발원료는 NiO, ZnO, CuO, Fe2O3로 고순도 화학의 99% 이상의 고순도 분말이었다. 혼합된 원료를 스테인레스 볼, 에탄올과 함께 무게 비로 1:1:1의 비율로 폴리에틸렌 용기에 넣고 볼밀에서 12시간 혼합하였다.
	13.56 MHz 대 NFC 시스템에서 통신기능이 떨어지는 문제를 해결하는 방법은?	56 MHz 대 NFC 시스템에서 안테나 가까이에 금속 차폐재가 존재할 때 통신기능이 현저히 떨어지는 문제가 발생한다. 이러한 문제의 해결방안으로 자속을 집중하는 투자율이 큰 자성체의 사용이 제안되었다[3-7]. 금속 면과 리더/라이터 모듈 사이에 고투자율 페라이트를 삽입하면 spiral 안테나에서 발생하는 자계를 하부에 위치한 페라이트 판에 집속시켜 상부 방향으로 자기 폐회로를 형성하여 자계의 누설을 방지한다.

참고문헌 (10)

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