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지난호





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특집

재료 세상의 슈퍼히어로

밀리미터파 흡수체로서의 산화철 자성소재

작성자 : 백연경·이정구 ㅣ 등록일 : 2021-10-21 ㅣ 조회수 : 535 ㅣ DOI : 10.3938/PhiT.30.032

저자약력

백연경 박사는 아모레퍼시픽 중앙연구소에 재직하다 KAIST 생명화학공학과에서 박사학위를 취득 후 2011년부터 한국재료연구원에서 재직 중이다. 고성능 고부가가치 자성재료 설계 및 신공정 기술 연구를 수행하고 있다. (ykbaek@kims.re.kr)

이정구 박사는 성균관대학교 금속공학 학사학위, 오사카대학 재료공학 석사, 박사학위를 취득하였다. 이후, 특임연구원, 조수, 특임조교수로 근무하다가 귀국하여 2006년부터 한국재료연구원에서 자성재료를 연구 중이다. (jglee36@kims.re.kr)

Iron-Oxide Magnetic Materials for Millimeter-Wave Absorption

Youn-Kyoung BAEK and Jung-Goo LEE

High-performance electromagnetic-wave absorbers are required for the control of millimeter-wave spectra, which will play a big role in future 5G and 6G wireless networks. Traditional absorbing materials comprised of metals or soft ferrites have been developed but their lack of ability to absorb at extremely high frequencies continues to hinder their practical applications. Thus, this article briefly introduces several iron-oxide magnetic materials with millimeter-wave absorbing capability.

들어가며

2030년경 상용화될 전망인 6G 이동통신은 극고주파 대역을 사용하여 5G 통신보다 50배 빠른 전송속도와 실시간 데이터 처리, 전송지연 해소를 통해 방대한 데이터를 공간의 한계 없이 빠르게 주고받을 수 있을 것으로 예상되고 있다. 특히 이는 산업과 사회의 모든 분야가 네트워크에 연결되어 산업 간 융합 및 실시간 상호연결이 가능해지므로 지능형 비대면 서비스 및 우주로의 통신범위 확장 및 새로운 융합산업 창출이 기대된다. 이러한 6G 기술의 핵심은 빠르고 지연이 없는 초고용량 데이터 전송기술에 있으며, 이를 위해서는 작동주파수 대역인 밀리미터파(millimeter-wave, 30 GHz~300 GHz) 전자기신호의 제어가 선행되어야 한다. 또한 전자기기의 극박화 및 소형화 및 극고주파수 전자기신호의 사용으로 인하여 발생되는 노이즈 문제가 더욱 심화될 것이 예상되므로, 극고주파수 전자파를 흡수할 수 있는 소재의 개발이 시급하다.

전자파 흡수체는 크게 유전 손실 재료와 자성 손실 재료로 나눌 수 있다. 수 GHz 주파수 대역에서 높은 유전율을 가지고 유전손실에 의한 흡수로 전자파를 흡수하는 유전 손실 소재는 그 이상의 대역에서는 한계가 있는 것으로 알려져 있다. 이에 반해 자성 손실 소재는 투자율의 허수부 성분에 의한 자기적 손실로 고주파 전자기신호의 흡수능이 우수하여 극고주파 흡수체로의 가능성을 보여주고 있다. 그러나 수십 GHz 이상 sub terahertz 주파수 대역의 밀리미터파의 흡수할 수 있는 자성 손실 재료는 아직 상용화되지 않고 있다. 그러므로 본고에서는 현재 밀리미터파 흡수체로서 연구되고 있는 다양한 산화철 자성소재에 대해 알아보고, 밀리미터파 흡수능 및 흡수대역 제어 인자에 대해서도 고찰하고자 한다.

강자성공명현상

자성재료의 극고주파 전자기신호의 흡수는 강자성 공명(ferromagnetic resonance) 현상에 의해 발생되는데 이는 자기장 내의 강자성체가 특정 주파수를 선택적으로 흡수하는 현상이다. 전자기파에 강자성체를 노출하면 강자성체의 자화인 총 자기 모멘트가 자기장의 방향을 축으로 하여 세차 운동을 하기 시작한다. 이때 세차 운동 주파수와 같은 진동수의 전자파를 흡수하게 되며, 이때 자연공명 주파수(\(\small f_r\))는 아래의 식 (1)에 따라서 이방성자계(\(\small H_a\))에 비례하게 된다.1)(\(\small \nu\,\): 자이로 자기정수비)

\[ f_{r} =( \nu /2 \pi ) \times H_{a} \tag{1} \]

즉 밀리미터파를 흡수하려면 자성소재의 \(\small H_a\)가 높아야 하며, 시료가 랜덤배향한 일축이방성의 자성입자인 경우 \(\small H_a\)는 보자력(\(\small H_c\))에 비례하므로 \(\small H_c\)이 높은 자성소재가 적합하다. 고로 강자성 공명 현상을 보이는 산화철 자성소재에 대해 살펴보고, 흡수하는 주파수 대역 및 제어 방법에 대해서 다음과 같이 살펴보고자 한다.

육방정 페라이트소재

일반적으로 페라이트는 구조에 따라 스피넬(spinel, AFe2O4), 육방정(hexagonal, AFe12O19) 타입 및 가넷(garnet, RE3Fe5O12) 타입 등으로 분류된다. 그중에서도 육방정 페라이트(hexaferrite)는 페리 자성을 띠는 자성 재료로 1950년대 초반에 세상에 알려진 이후 다양한 물리적 특성으로 인해 자기기록 매체, 그리고 고주파 소자 등의 폭넓은 응용성으로 인해 수십 년간 많은 연구가 되어 왔다.2)3)4)5)6) 제일 작은 단위로 S (Me6O8, spinel block), R (AMe6O11)2, T (A2Me8O14) 등의 3종의 블록으로 구성되어 있는 육방정 페라이트는 S, R, T 블록의 적층 순서 및 구성 원소에 따라 M, W, Y, X, Z, U형 페라이트로 구분된다.3)6) 여기에서 A는 주로 Ba, Sr, Pb이고,7) Me는 Fe2+, Zn2+, Co2+, Ni2+, Mn2+ 등의 전이금속원소이다.3)6) 이러한 결정구조에 따라 육방정 페라이트는 각각 다른 \(\small H_a\)을 나타내며 이에 따라 다양한 범위의 주파수 대역에서 강자성 공명에 의한 전자파 흡수능을 발현한다.

Fig. 1. The structure of M-type hexaferrite.[15]Fig. 1. The structure of M-type hexaferrite.15)

U, X, Y, Z형의 육방정 페라이트는 c축에 수직인 면 내에 자화용이 축을 가지므로 spinel 구조의 페라이트의 주파수 한계를 넘는 주파수 영역대까지 투자율을 유지하는 것으로 알려져 있다. 일례로 A2Me2Fe28O46의 화학식을 갖는 X형은 M형과 W형의 혼합상이며 실온에서 c축에 대해 74° 틀어진 일축 이방성을 가지고 있다. A2Me2Fe12O22 구조를 갖는 Y형 페라이트는 c축에 수직한 방향으로 자화용이 축을 가지며, \(\small H_c\) 또한 낮아서 대응되는 \(\small f_r\)은 수 GHz인 것으로 알려져 있다.8) Z형은 일반적으로 A3Me2Fe24O41 구조를 가지며, 그중 가장 많이 알려진 Me가 Co인 Z형(Co2Z)은 실온에서 적어도 4개의 다른 이방성 상태를 갖는 복잡한 자기 이방성을 가진다. 마지막으로 A4Me2Fe36O60의 화학식을 갖는 U형은 Z형과 M형 또는 2개의 M형과 1개의 Y형이 혼합된 구조로 알려져 있으며 단상을 얻기 어려운 것으로 알려져 있다. Co가 치환된 U, X, Y, Z 상(Co2U, Co2X, Co2Y, Co2Z)의 경우 각각 7.5 GHz, 1 GHz, 5.7 GHz, 3.5 GHz에서 최대 흡수를 나타내는 것으로 보고되었다.4)

이와 비교하여 SrFe12O19와 BaFe12O19 화학조성을 갖는 M형 페라이트는 대표적인 산화물 영구자석으로 활용되고 있는데 이는 일축 자기 이방성과 높은 자화 값에 기인한다. 이는 RSR*S*(*는 c축에 대하여 180o 회전한 상태) 순서로 블록들이 적층되고, 단위격자에서 3개의 octahedral (12k, 2a, 4f2), 1개의 tetrahedral (4f1)과 trigonal bipyramidal (2b)의 중앙에 위치하는 구조 때문이다. Fe3+ 이온의 스핀은 산소 이온을 매개로 초교환 상호작용을 하여 12k, 2a, 2b는 c축과 평행한 상향스핀 방향을, 4f1, 4f2는 c축과 반 평행한 하향 스핀 방향을 나타내며 총 스핀방향은 c축에 평행한 방향이 되게 된다.6) 즉, 결정의 c축으로 자화용이 축을 가지게 됨으로 인해 높은 \(\small H_a\) = 1.7~2.0 T를 갖게 되며 이에 대응되는 강자성 공명 주파수는 40 GHz~50 GHz로 보고되었다.3)

W형 육방정 페라이트는 M형 페라이트보다 약 10% 정도의 높은 포화자화(Ms) 값을 가지며 유사한 수준의 \(\small H_a\) = 1.9 T를 나타내는 것으로 알려져 있다.3) 또한 W형 페라이트는 블록들이 R*S*S*RSS 순서로 적층된 구조를 갖는데 M형 육방정 페라이트보다 2개의 S블록을 더 포함하고 있으므로 총 4개의 자기모멘트를 더 갖게 되어 M형보다 더 높은 자화값을 나타내게 된다.9) 또한 W형 육방정 페라이트는 M형과 비슷한 크기의 \(\small H_a\)를 가지므로 30~60 GHz의 \(\small f_r\)을 나타내므로 밀리미터파 흡수체로의 활용이 가능할 것으로 기대된다.13)

치환형 육방정 페라이트소재

전자 기기 및 차세대 통신 기기의 발달에 따라 동작 주파수가 V band(40 GHz~75 GHz) 및 W band(75 GHz~100 GHz)에 해당하는 고주파 대역으로 증가하고 있으며 이 대역의 전자파를 흡수할 수 있는 자성손실소재는 이에 상응하는 높은 \(\small H_a\)를 가져야 한다. \(\small H_a\)는 식 (2)에 따라 결정 자기 이방성 상수(K1)에 비례하고, Ms 값에 반비례하는 것으로 알려져 있다. 고로 이 같은 소재 고유 인자(intrinsic factor)를 조정하기 위한 양이온 치환을 통해 \(\small f_r\) 대역을 올리는 것이 하나의 제어방법이 될 수 있다.

\[H_{a} =2K_{1} /(4 \pi M_{s} ) \tag{2}\]

최근 M형 페라이트에 La, Co 공동치환을 통하여 \(\small H_a\)를 1.76 T에서 2.3 T까지 높였고, 49 GHz에서 64 GHz 대역으로 공명 주파수를 증가한 사례가 보고되었다.16) 이는 La-Co 치환 정도에 따라 4\(\small \pi M_s\)는 3.78 kG에서 3.17 kG로 감소하며 이에 따라 \(\small H_a\) 또한 2.0~2.3 T로 증가되었기 때문이다.

Fig. 2. Saturation magnetization(4πMs), remanent mangetization (Mr), magnetocrystalline anisotropy constant(K1) and anisotropy magnetic field(Ha) of Sr0.7-xLaxCa0.3Fe11.85Co0.15O19.[17]Fig. 2. Saturation magnetization (4πMs), remanent mangetization (Mr), magnetocrystalline anisotropy constant (K1) and anisotropy magnetic field (\(\small H_a\)) of Sr0.7-xLaxCa0.3Fe11.85Co0.15O19.17)

Ca-La-Co 치환된 M형 페라이트의 경우 La의 증량에 따라 \(\small H_a\)가 2.4 T까지 증가하였다. [그림 2]를 통해 La가 치환됨에 따라 K1과 4\(\small \pi\)Ms 두 값 모두 증가하다가 감소하지만 K1의 증가폭이 상대적으로 더 크므로 \(\small H_a\)는 증가하게 되었음을 확인할 수 있다. 이에 따라 최대 59 GHz까지 흡수 가능함을 보여주었다.17)

또한 Ca와 Al을 고함량으로 치환함으로써 공명 주파수를 서브테라헤르츠 영역까지 높인 사례도 보고되고 있다.20) M형 육방정 페라이트에서 SrFe12O19와 BaFe12O19는 같은 결정구조를 가지지만 K1의 값에는 차이가 있다. 이는 Fe와 O 사이의 결합 길이 차이로 인해 발생하는데, 결합 길이가 짧을수록 O를 매개로 하는 Fe 사이의 초교환 상호작용이 커져 K1이 증가한다. Sr2+ 이온이 Ba2+ 이온보다 반경이 작기 때문에 SrFe12O19의 Fe와 O 사이 간격이 BaFe12O19보다 더 가깝고 그에 따라 Fe 간의 상호 작용이 증가하여 SrFe12O19는 3.6\(\small \times\)106 erg/cm3, BaFe12O19는 3.25\(\small \times\)106 erg/cm3의 K1 값을 나타낸다.19)

Fig. 3. Bipyramidal site 2b in SrFe8Al4O19 (left) and Sr0.67Ca0.33Fe8Al4O19 (right).[19]Fig. 3. Bipyramidal site 2b in SrFe8Al4O19 (left) and Sr0.67Ca0.33Fe8Al4O19 (right).19)

이와 유사한 방식으로 Sr을 Ca로 치환하여 K1을 증가시킬 수 있다. Sr2+ 이온과 Ca2+ 이온의 반경은 각각 1.44 Å, 1.34 Å이고, Sr2+ 이온보다 Ca2+이온이 더 작기 때문에 Ca 함량이 증가할수록 Fe와 O 사이의 거리는 [그림 3]과 같이 SrFe8Al4O19에서 1.835 Å, Sr0.67Ca0.33Fe8Al4O19에서 1.816 Å와 같이 감소한다. 즉, Ca의 함량이 증가할수록 격자 간 거리, Fe와 O 사이의 거리가 줄어들어 Fe 간의 초교환 상호작용이 증가하고 이로 인해 K1이 증가하여 \(\small H_c\)가 증가한다.20) 또한, Ca은 육방정 페라이트의 반응성과 소결을 향상시켜 고용체의 불균일성을 낮추는 효과가 있다. 각 성분들이 시료 내에 균일하게 분포하도록 조절하는 것 또한 \(\small H_c\)를 향상시킬 수 있는 요인이다.19)

Fig. 4. (a) Aluminum occupancy at iron sublattices vs x of  Sr1-x/12Cax/12Fe12-xAlxO19. (b) FMR frequency vs coercivity(Hc) (c) Spectra of real (top) and imaginary (bottom) parts of magnetic permeability at room temperature for Sr1-x/12Cax/12Fe12-xAlxO19 samples with different x values.[20]Fig. 4. (a) Aluminum occupancy at iron sublattices vs x of Sr1-x/12Cax/12Fe12-xAlxO19. (b) FMR frequency vs coercivity (\(\small H_c\)). (c) Spectra of real (top) and imaginary (bottom) parts of magnetic permeability at room temperature for Sr1-x/12Cax/12Fe12-xAlxO19 samples with different x values.20)

이에 Al로 Fe를 치환하면 비자성원소인 Al3+ 이온이 주로 c축과 평행한 상향 스핀을 가지는 2a, 12k의 Fe3+ 이온을 대체하므로 이로 인해 Ms가 감소한다. SrFe12O19의 Ms는 59.33 emu/g이지만, Al을 치환한 SrFe8Al4O19의 Ms는 9 emu/g으로 크게 감소하였음을 확인할 수 있다.18) 즉, Ca-Al 공동치환된 페라이트(Sr1-x/12Cax/12Fe12-xAlxO19)에서 Ca와 Al의 치환량이 증가할수록(1.5≤\(\small x\)≤5.5) Ms의 감소 및 K1의 증가가 발생하여 \(\small H_a\)까지 증진하며 이에 비례하는 \(\small H_c\) 역시 3.6 T까지 증가되었다. 그러나, Ca와 Al 함량이 더욱 증가할 경우(\(\small x >\) 5.5)에는 오히려 \(\small H_c\)가 1.83 T까지 감소하게 된다.20) 이는 Al3+ 이온이 Fe3+ 이온의 주로 2a, 12k site를 차지하다가 Al 함량이 증가하면 \(\small H_a\)에 영향을 미치는 Fe3+ 이온의 2b site에 Al3+이 더 많이 치환되어 Fe 간의 초교환 상호작용 또한 감소하여 K1이 감소하기 때문이다.18)20) Ca-Al 치환된 M형 페라이트는 치환원소의 함량에 따라 서브테라헤르츠 대역(160 GHz~250 GHz)까지 흡수가 가능하였다.19) Ca-Al 치환된 M형 페라이트는 치환원소의 함량에 따라 서브테라헤르츠 대역(160 GHz~250 GHz)까지 흡수가 가능하였다.19) 이는 매우 높은 \(\small H_c\)와 sub terahertz 전자파 흡수능을 가진 저비용 재료로 미래대응소재로서의 가능성을 보여준 연구이다.

입실론 산화철 소재

앞서 소개한 육방정 페라이트 외에도 Fe2O3의 네 가지 다형체(polymorph) 중 하나인 \(\small \varepsilon\)-Fe2O3(입실론 산화철)은 강자성 공명을 통해 밀리미터파 영역의 전자기파를 흡수할 수 있어 많은 관심을 받고 있다. 입실론 산화철 결정은 Pna21의 space group을 가지는 사방정계의 구조이다[그림 5]. 입실론 산화철 결정 내에서 Fe 이온은 4개의 site를 가지는데, 3개의 FeAO6, FeBO6, FeCO6 팔면체와 FeDO4 사면체의 중앙에 위치하며 S = 5/2의 스핀을 가진다. Molecular-field theory에 입각한 계산에 따르면 입실론 산화철의 상온에서의 자성은 O에 의해 매개되는 Fe 이온 간의 초교환 상호작용에 의한 것으로 나타나며, FeB와 FeC의 스핀은 a축 방향으로 상향 스핀이고, FeA와 FeD의 스핀은 a축 방향으로 하향 스핀을 가지는 Neel P-type 페리자석이다.21)22)

Fig. 5. Crystal structure of epsilon-Fe2O3.[22]Fig. 5. Crystal structure of epsilon-Fe2O3.22)

입실론 산화철은 상온에서 2 T 이상의 \(\small H_c\)을 나타내며,23) 기존 M형 페라이트의 4배, NdFeB의 거의 2배 정도의 수준에 이른다. 이 같은 초고보자력은 다음과 같은 두 가지 이유로 설명이 가능하다. 첫 번째, 입실론 결정상은 일정 범위(8 nm~ 30 nm)의 입도 조건에서만 형성 가능하며, 이 범위가 보자력이 제일 높게 나타나는 단자구 입도에 해당하기 때문이다. 실제 산화철 결정상은 분말의 크기에 따라 \(\small \gamma \rightarrow \varepsilon \rightarrow \beta \rightarrow \alpha\)상의 순서로 상전이되며, 이는 식 (3)처럼 나노 분말의 자유에너지의 관계에 기인한다. \[G(i)=G _{B} (i)+(6V _{m} /d)G _{s} (i) \tag{3}\]

Fig. 6. Representation of free energy (G) vs particle size(d) curves for four Fe2O3 polymorphs.[24]Fig. 6. Representation of free energy (\(\small G\)) vs particle size(\(\small d\)) curves for four Fe2O3 polymorphs.24)

여기서 \(\small G(i)\)는 나노 분말의 자유에너지, \(\small G_B(i)\)는 벌크 상태의 자유에너지, \(\small V_m\)은 molar volume, \(\small d\)는 나노 분말의 지름, \(\small G_S(i)\)는 표면 자유에너지, \(\small i\)는 상의 종류이다. 결정상별로 벌크와 표면 자유에너지의 크기가 달라지므로(\(\small G_B(\gamma) > G_B(\varepsilon) > G_B(\beta) > G_B(\alpha), G_S(\gamma) < G_S(\varepsilon) < G_S(\beta) < G_S(\alpha)\)), 식 (3)을 토대로 나노 분말의 자유에너지 \(\small G(i)\)와 분말의 지름 \(\small d\)의 관계를 [그림 6]과 같이 나타낼 수 있다. 즉 일정한 입도 범위에서 입실론 결정상의 자유에너지 \(\small G(\varepsilon)\)가 가장 낮아지며 이는 단자구 입도 범위(8 nm~30 nm)에서 입실론 상이 고순도로 형성됨을 알 수 있다.

두 번째로는 입실론 산화철의 큰 \(\small H_a\)에서 기인한다. 입실론 산화철의 K1를 계산하면 2\(\times\)106 erg/cm3인데, 이는 \(\small \gamma\)-Fe2O3(감마 산화철)의 K1 값(~104 erg/cm3)과 \(\small \alpha\)-Fe2O3(알파 산화철)의 K1 값(~105 erg/cm3)보다 훨씬 큰 값이다.23)

입실론 산화철의 K1이 큰 이유는 Fe과 O의 강한 오비탈 혼성(orbital hybridization) 때문으로 알려져 있다.25) 일반적으로 Fe3+는 d5 전자 배치를 가져서 오비탈 각운동량(L)이 0이 된다. 그러나, 입실론 산화철의 경우 Fe과 O의 오비탈 혼성으로 인해 철 이온이 d5+q의 전자 배치를 가지고, 이 때문에 Fe의 L이 0이 아니게 되어 스핀-궤도 상호작용의 영향을 받아 큰 \(\small H_c\)를 가지는 것으로 알려져 있다.23)

Fig. 7. Millimeter wave absorption spectra for (a) ε-GaxFe2-xO3, (b) ε-AlxFe2-xO3, and (c) ε-RhxFe2-xO3.[22,29]Fig. 7. Millimeter wave absorption spectra for (a) ε-GaxFe2-xO3, (b) ε-AlxFe2-xO3, and (c) ε-RhxFe2-xO3.22)29)

순수한 입실론 산화철은 높은 \(\small H_a\)로 인해 약 180 GHz에서 강자성 공명현상을 보이는 것으로 보고되었다.26) 밀리미터파 흡수체로의 실용적 활용을 위해서는 \(\small f_r\)의 조정이 용이해야 하며, 이는 자성소재의 \(\small H_a\)를 조정함으로써 가능하다. 일축 이방성의 자성 입자의 경우 \(\small H_a\)는 \(\small H_c\)에 비례하므로 입실론 산화철의 보자력을 조정하여 강자성 공명 주파수를 조정하는 연구들이 진행되어 왔다. S = 5/2인 Fe3+를 S = 0인 비자성 원소이온(Ga3+, Al3+)으로 A site 또는 D site의 Fe3+와 치환하면 \(\small H_c\)가 낮아지고, 따라서 \(\small f_r\)을 낮출 수 있는 것으로 보고되었다. Ga으로 치환할 경우(\(\small \varepsilon\)-GaxFe2-xO3) 함량에 따라(\(\small x\) = 0.10~0.67) \(\small f_r\)을 35 GHz(\(\small x\) = 0.67)에서 147 GHz(\(\small x\) = 0.10)까지 조절할 수 있음이 보고되었다.26) Al으로 치환된 경우(\(\small \varepsilon\)-AlxFe2-xO3) \(\small f_r\)이 182 GHz(\(\small x\) = 0.04)에서 112 GHz(\(\small x\) = 0.4)까지 조정이 가능한 것으로 보고되었다.27) 마찬가지로 In3+를 치환하여 \(\small H_c\)를 0.9 T(\(\small \varepsilon\)-In0.24Fe1.76O3)까지 낮춘 사례도 있다.28) 반면, C site의 Fe3+보다 오비탈 각운동량이 큰 Rh3+으로 치환하여 스핀-궤도 상호작용의 영향을 크게 한 경우에는 \(\small f_r\)이 높아지는 것이 보고되었다.29) Rh 치환을 통해 최대 3.5 T까지 \(\small H_c\)를 증진하였으며,30) \(\small \varepsilon\)-Rh0.14Fe1.86O3의 경우에는 2.7 T의 \(\small H_c\)에 209 GHz의 \(\small f_r\)을 나타내는 것으로 발표되었다. 비자성 이온 치환을 통하여 조절할 수 있는 밀리미터파 흡수대역은 [그림 7]과 같이 수십 GHz에서 sub Terahertz까지 광범위로 조절할 수 있다. 또한, 최근에는 입실론산화철 나노분말 기반 흡수필름을 제조하여 78 GHz에서 ―20.3 dB(99.1%), 80 GHz에서 ―27.2 dB(99.8%)의 전자기파 흡수율을 보여주었다.31)32)

이렇듯 입실론 산화철은 원소치환을 통해 광대역으로 공명 주파수 제어가 가능함에도 불구하고 수십 nm의 입도 범위에서 생성되는 준안정상으로, 일반적인 산화철 제조방법으로는 고순도의 입실론 결정상을 합성하기 어려웠다. 2004년 일본 도쿄대에서 역미셀-졸겔법을 이용하여 고순도의 입실론 산화철을 합성하였으나, 이 역시 다단계 저수율 공정으로 상업적 활용이 어려운 점이 있다. 고로 차세대 밀리미터파 흡수체로의 활용을 위해서는 고순도 입실론상의 단일 연속 합성법 등의 상용화 가능한 제조공정의 개발이 필요하다.

맺음말

[Table 1] Imaginary permeability, Ha, and fr of iron oxide magnetic materials for millimeter-wave absorption.

Imaginary permeability, Ha, and fr of iron oxide magnetic materials for millimeter-wave absorption.

Imaginary permeability
\(\small H_a\) (T)
\(\small f_r\) (GHz)
M-hexaferrite
0.2~2.411)
1.7~23)
43~503)
W-hexaferrite
0.4~1.712)
1.2~1.93)
30~6013)
La-Co substituted M-hexaferrite
2.2~2.614)
2~2.314)
56~6414)
Al substituted M-type
-
2.1~3.314)
52~10814)
Al-Ca substituted M-hexaferrite
0.01~0.0520)
-
160~25020)
ε-iron oxide
0.234)
4.3~6.529)33)
180~19026)27)28)29)
Ga substituted ε-iron oxide
-
-
35~14726)
Al substituted ε-iron oxide
-
-
112~17227)
Rh substituted ε-iron oxide
-
-
186~20929)

초연결 시대를 여는 6G 통신 시대의 주요 핵심소재로 기대되는 밀리미터파(30~300 GHz) 흡수체의 후보소재로서 다양한 산화철 자성재료에 관해 고찰하였다. 자성 손실 재료는 강자성 공명 현상에 의해 고주파 대역 전자기신호를 흡수할 수 있는데, 이때 고 이방성자계를 가질수록 고주파수 대역의 전자기신호를 흡수할 수 있다. 본고에서는 흡수주파수 대역을 조정하기 위한 다양한 산화철 소재의 자기특성 및 자기공명주파수 특성을 살펴보았고, 조성제어를 통하여 수십 GHz에서 sub terahertz 영역대에 이르는 흡수능을 살펴보았다[표 1]. 이를 기반으로 밀리미터파 흡수능을 증진하기 위한 연구 및 고수율 저비용 생산이 가능한 공정개발까지 종합적으로 이루어진다면 고성능 고부가가치 초고속 무선통신의 핵심소재 확보가 가능할 것으로 기대된다.

각주
1)C. Kittel, Phys. Rev. 71, 270 (1947).
2)Y. Shin and J. Song, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng. 9, 93 (1996).
3)R. C. Pullar, Progress in Materials Science 57, 1191 (2012).
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