[논문]Fe-계 연자성 금속분말을 이용한 940 MHz 단거리 전용 통신 (DSRC) 대역 전파 흡수체

김병철; 서만철; 윤여춘

doi:10.3740/mrsk.2019.29.6.363

Fe-계 연자성 금속분말을 이용한 940 MHz 단거리 전용 통신 (DSRC) 대역 전파 흡수체
Electromagnetic Wave Absorber Sheet for 940 MHz Dedicated Short Range Communication Frequency Bands Using Fe Based Alloy Soft Magnetic Metal Powder 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.29 no.6, 2019년, pp.363 - 370

김병철 (한국산업기술대학교 생명화학공학과) , 서만철 (한국산업기술대학교 생명화학공학과) , 윤여춘 ((주)제이엠씨)

Abstract ▼ AI-Helper

The recent development of information and communication technologies brings new changes to automobile traffic systems. The most typical example is the advancement of dedicated short range communication(DSRC). DSRC mainly consists of an intelligent transportation system(ITS), an electronic toll collection system(ETCS) and an advanced traveler information system(ATIS). These wireless communications often cause unnecessary electromagnetic waves, and these electromagnetic waves, in turn, cause frequent system malfunction. To solve this problem, an absorber of electromagnetic waves is suggested. In this research, various materials, such as powdered metal and iron oxides, are used to test the possibility for an effective absorption of the unnecessary electromagnetic waves. The various metal powders are made into a thin sheet form by compositing through processing. The electromagnetic characteristics(complex permittivity, complex permeability) of the fabricated sheet are measured. As a result, we achieve -6.5 dB at 940 MHz(77.6 % absorption rate) with a 1.0 mm-thickness electromagnet wave absorber, and -9.5 dB at 940 MHz(88.8 % absorption rate) with a 2.0 mm-thickness absorber.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Fe-계 연자성 금속분말을 이용하여 940 MHz 단거리 전용 통신(DSRC, dedicated short range sommunication) 대역에서 통신 오류를 최소화하기 위하여 전파 흡수체의 형태가 시트 타입(sheet type)이며, 두께가 2.0 mm 이하이고, 구조는 단층형일 때 전파 흡수 특성이 우수한(50 % 이상) 전파흡수체 재료의 개발을 목표로 하고 있다. 재료 선정은 전자기학적 측면과 구조 설계, 재료의 전파흡수 특성에 관한 연구 결과를 제시하고자 한다.
0 mm 이하이고, 구조는 단층형일 때 전파 흡수 특성이 우수한(50 % 이상) 전파흡수체 재료의 개발을 목표로 하고 있다. 재료 선정은 전자기학적 측면과 구조 설계, 재료의 전파흡수 특성에 관한 연구 결과를 제시하고자 한다. 또한 기존의 전파흡수체들은 본 연구에서 목적한 940 MHz 대역에서 두께가 두꺼우며(~10 mm), 전파흡수특성이 열악한(50 % 이하) 실정이다.

제안 방법

940 MHz 단거리 전용 통신(DSRC) 대역용 전파흡수체를 설계하기 위하여 원료로 사용되는 Fe-Si-Al Alloy Powder (Fe-10wt%Si-5wt%Al), Fe-50wt%Ni Alloy Powder, 5wt%Mo-Fe-79wt%Ni Alloy Powder, Carbonyl Iron Powder, Mn-Zn, Ni-Zn Ferrite Powder를 열가소성 수지(PVC 계열)와 적정함량으로 혼합 후 컴파운드(compound) 형태로 제조하여 내경 3.0 mm 외경 7.0 mm의 시편을 제작하여 Agilent社의 E8364A 회로망 분석기(vector network analyzer)에서 재료 정수를 측정하였다.
Mn-Zn Ferrite Powder과 Ni-Zn Ferrite Powder를 열가소성 수지(PVC 계열)의 비율이 80 % : 20 %로 합성물 (composite)化 하여 재료 정수를 측정하였다.
또한 습식의 attrition mill을 통해 격자변형이 이루어진 flake를 열처리를 통해 stress relief를 꾀하였다.
선정된 원료 분말(filer)과 열가소성 수지(PVC 계열)를일정 함량 비율로 균일하게 혼합한 후 내경 3.0 mm, 외경 7.0 mm의 트로이덜(toroidal) 형태의 몰드(mold)에서 충진 하고, 일축 가압 프레스 설비를 이용하여 1.0 ton/cm2정도의 압력에서 성형 후 제조된 시편은 APC-7 측정 치구(beadless airline) 맞도록 내경을 3.0 mm(공차 0.05 mm), 외경을 7.0 mm(공차 0.05 mm)로 가공하였다.
열가소성 수지(PVC 계열)를 혼합한 전파흡수체 시트 타입(sheet type)으로 제조하기 위하여 선정된 원료 분말 (Filer)을 열가소성 수지(PVC 계열)와 혼합기(dispersion kneader)에서 균일하게 혼합하여(1~3시간) 일정한 온도 (80℃~100℃)와 압력(6 kgf/cm2~8 kgf/cm2)을 가하여 컴파운드(compound) 형태로 제조한다.
전파흡수체 재료로서는 Fe-Si-Al Alloy Powder, Fe-Ni Alloy Powder, Mo-Fe-Ni Alloy Powder, Carbonyl Iron Powder, Mn-Zn Ferrite Powder, Ni-Zn Ferrite Powder 등의 재료를 사용하였으며, 전파 흡수체의 형태가 시트 타입(sheet type)이며, 두께가 2.0 mm 이하인 단층형의 전파 흡수체를 제조하기 위하여 먼저 컴퓨터 시뮬레이션(computer simulation) 방법에 의해 설계를 진행하여 전파 흡수체의 두께에 변화를 주어서 이에 따른 전파 흡수 특성에 관한 연구를 진행하였다.
컴퓨터 시뮬레이션(computer simulation)방법에 의해 전파흡수특성이 우수한 시트(sheet)를 제작하여 반사손실(reflection loss) 특성을 측정하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 현재 일반적인 전파흡수체 재료로 사용 되고 있는 재료를 선정하였으며, 그 재료들은 Table 1과같다.

데이터처리

또한 재료 정수를 이용하여 컴퓨터 시뮬레이션(computer simulation) 프로그램 의해 reflection loss 값을 두께별로 계산을 하였다.
측정된 재료 정수 데이터를 이용하여 전파흡수체 설계시 반사손실(reflection loss) 값을 계산하였다.
컴퓨터 시뮬레이션(computer simulation)을 통해 얻어진 결과 값으로 940 MHz 대역에서 최대 전파흡수능인 반사손실(reflection loss)을 나타내는 재료를 선정하여 sheet 를 제작하였으며, 제작된 sheet의 반사손실(reflection loss) 을 측정하여 이론값과 실측값을 비교하였으며 이론값과 실측값이 동일하게 잘 일치하였음을 Fig. 8과 Fig. 9에나타내었다.

이론/모형

각각의 재료별로 측정된 재료 정수 값을 구한 후에 각 형상 제어기법에 따라 측정된 등가 재료정수 값 및 전파흡수특성을 계산하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션(computer simulation) 프로그램이 사용되었다.

성능/효과

구형의 Fe-계 연자성 금속 분말을 flake 형상으로 바꿈 으로서, 형상 자기 이방성을 높여, 전자파 흡수에 주요 인자인 투자율 향상을 도모하였다.
구형일 때 주요 peak이 Attrition Mill을 거쳐판상(flake)으로 형상이 변하면서 격자변형이 이루어져peak이 감소하였으나, 열처리(annealed) 과정을 통해 변형되었던 격자구조가 회복되었음을 확인하였다.
본 연구에서 사용한 Fe-계 연자성 재료를 사용하여 940 MHz 대역에서 반사손실(reflection loss)이 우수한 전파흡수체를 설계 할수 있었으며, 아래와 같은 조건의 재료의 선정과 구성이 가장 효과적인 것임을 확인 수 있었다.
여기 에서 볼 수 있듯이 판상(flake)의 Fe-Si-Al alloy powder 가 열가소성 수지에 잘 배열되어 있는 것을 볼 수 있으며, 형상자기 이방성이 증가되어 전파흡수능에 영향을 미치는 투자율 성능도 증가되는 것을 확인하였다.
원료 분말(filer)인 Fe-Si-Al Alloy Powder의 함량을 40 %에서, 50 %, 65 %, 80 %로 증가시킨 결과 합성물 (composite) 내에 원료 분말(filer)인 Fe-Si-Al Alloy Powder 함량이 증가할수록 재료의 고유 정수인 복소 유전율 (εr = εr′ − iεr")과 복소 투자율(μr = μr' − iμr")의 값이 증가하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	단거리 전용 통신 기술이란 무엇인가?	현재까지의 발전된 정보통신기술을 이용한 지능형 교통 시스템(ITS, intelligent transport system)인 단거리 전용 통신(DSRC, dedicated short range communication) 기술이 대안으로 제시되고 있다. 단거리 전용 통신(DSRC, dedicated short range communication) 기술은 통신 거리가 수 미터부터 수백 미터까지로 도로변에 설치된 기지국 장치와 차량에 탑재된 장치들이 이 통신영역을 통과하는 사이에서 이루어지는 점 대 점(point-to-point) 방식과 점 대 다점(point-to-multi point)의 양방향 고속 무선통신 기술이다. 5,6)
	전파흡수체의 재료는 무엇이 있는가?	전파흡수체 재료로서는 Fe-Si-Al Alloy Powder, Fe-Ni Alloy Powder, Mo-Fe-Ni Alloy Powder, Carbonyl Iron Powder, Mn-Zn Ferrite Powder, Ni-Zn Ferrite Powder 등의 재료를 사용하였으며, 전파 흡수체의 형태가 시트 타입(sheet type)이며, 두께가 2.0 mm 이하인 단층형의 전파 흡수체를 제조하기 위하여 먼저 컴퓨터 시뮬레이션(computer simulation) 방법에 의해 설계를 진행하여 전파 흡수체의 두께에 변화를 주어서 이에 따른 전파 흡수 특성에 관한 연구를 진행하였다.
	지능형 교통 시스템이라는 대안은 어떤 문제를 해결하기 위한 대안인가?	27 %를 나타내고 있다. 1) 폭발적인 자동차 수요 증가 현상이 발생되고 있으며 이러한 교통량 증가 현상을 해결하기 위해서는 교통시설(도로정비, 도로 확충 등)의공급 위주의 교통정책만으로는 급속하게 증가하는 차량의 증가를 수용하기 어려운 것이 현실이다. 도로를 새롭게 건설하기보다는 도로의 교통효율을 높이고 무엇보 다도 도로의 안정성을 확보하는 것이 더욱더 중요한 문제로 나타나고 있다.

참고문헌 (1)

Weir, W.B.. Automatic measurement of complex dielectric constant and permeability at microwave frequencies. Proceedings of the IEEE, vol.62, no.1, 33-36.

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