서 론

현대 정보통신 사회의 빠른 급속한 발전에 따라 정보의 이용량이 급증하고 다양한 종류의 매체를 통한 정보통신 의 이용량이 급속히 늘어나고 있다. 이에 따라 스마트 기 기의 사용이 전 세계적으로 급격히 증가하고 있으며, 디지 털 카메라, 전화기, 캠코더, GPS 수신기 등 복합 기능이 스마트폰 하나에 내장되어 있다. 여기에 근거리 무선통신 기술인 NFC(Near Field Communication)를 스마트폰과 결 합하여 스마트폰의 다양한 인터페이스 및 어플리케이션 활용을 목전에 두고 있다[1, 2].

NFC는 13.56 MHz의 주파수를 이용하는 RFID의 유형 으로 약 10 cm 거리에서 데이터를 전송한다. 기존의 RFID와 다른 점은 태그와 리더의 기능을 같이 가지고 있어 P2P(Point to Point) 정보 교환이 가능하다는 장점 이 있다. 그러나 RFID의 루프안테나에 전기전도도를 갖 는 금속이 가까이 있을 경우 통신이 이루어지지 않거나, 통 신거리가 매우 짧아지는 문제점이 발생한다. 단말기의 경우 뒷면의 배터리가 금속성분이기 때문에 자속 변화에 따른 와전류 손실에 의해 인식이 안 되거나 통신거리가 짧아지게 된다. 따라서 13.56 MHz에서 자기차폐 특성 이 우수한 sheet 또는 판재를 배터리와 루프안테나 사 이에 설치하여 태그 인식거리를 안정화시키는 기술이 필요하다[3-7].

이에 본 연구에서는 NFC의 자기차폐용 고투자율 페라 이트 자성체를 제조하고, 고주파 자기특성에 대하여 조사 하였다. 13.56 MHz NFC 시스템에서 와전류의 억제능력 을 높이기 위해서는 저손실, 고투자율 특성의 자성체가 요 구된다. 일반적인 Ni-Zn계 페라이트나 Mn-Zn계 페라이트 는 저손실 특성을 만족할 수 없기 때문에, Ni-Zn-Co ferrite에서 Co 함량 변화에 따른 포화자화와 초기투자율을 분석하고, Co 함량에 따른 복소투자율의 주파수 분산특성 을 조사하였다.

실험방법

㈜고순도화학에서 제조한 시약급(순도 99% 이상)의 원 료 분말인 NiO, ZnO, Co₃O₄, Fe₂O₃를 사용하여 화학조성 이 (Ni_0.7Zn_0.3)_1-xCo_xFe₂O₄인 Ni-Zn-Co 페라이트 분말을 그림 1의 실험 개략도를 따라 제조하였다. Co 함량을 x = 0~0.1 범위에서 변화시켜 총 5개의 시편을 제조하였다. 혼합된 원료를 스테인레스 볼, 에탄올과 함께 무게비로 1:1:1의 비율로 폴리에틸렌 용기에 넣고 볼밀에서 12 시 간 혼합하였다. 혼합분말을 110°C 오븐에서 24 시간 건 조한 다음 알루미나 유발을 사용하여 분쇄하였다. 분쇄 분말을 공기 분위기 하에서 5°C/min의 승온속도로 가열 한 다음, 900°C에서 2 시간 동안 하소하였다. 하소된 분 말을 알루미나 유발에서 1 시간 동안 재분쇄하여 약 1 μm 크기의 페라이트 분말을 제조하였다. 바인더로 5% PVA(polyvinyl alchohol) 수용액을 무게비로 3% 정도 페 라이트 분말에 첨가한 후 알루미나 유발에서 다시 재분 쇄하였다. 바인더가 첨가된 분말을 50 mesh 체를 통과 시켜 약 30 μm 크기의 granule을 제조하였다. 페라이트 granule을 내경 3 mm, 외경 7 mm인 환형 mold에 충진 시킨 후 성형 mold를 진동시켜 granule의 충진이 균일하 게 일어나게 한 다음, 80 MPa의 압력으로 가압하여 환 형의 성형체를 제조한다. 이때 소결 후 최종 시편의 두 께가 2 mm 내외가 되도록 길이 수축율을 감안하여 두 께 2.3~2.4 mm의 성형체를 제조하였다. PVA 바인더를 제거하기 위하여 산소가스를 흘려주며 600°C에서 3 시 간 동안 유지한 후, 1250°C에서 2 시간 동안 소결하여 Ni-Zn 페라이트 시편을 제조하였다.

Fig. 1.

Procedure for preparation of sintered Ni-Zn-Co ferrite.

합성한 Ni-Zn-Co 페라이트 분말의 결정상을 확인하기 위하여 X-선 회절 분석을 하였다. 하소 후 분쇄한 분말을 소결체와 똑같은 조건하에서 열처리한 후 알루미나 유발 에서 미세분말로 재분쇄한 다음 결정상을 분석한다. 사용 한 장치는 JOEL사 회절분석기이며 2θ는 20~70 deg이다. 소결체의 단면 조직을 scanning electron microscope(SEM)으 로 관찰하였다. 포화자화(M_s)와 보자력(H_c)를 vibrating sample magnetometer(VSM)으로 측정한다. RF 임피던스 분석기(HP4291A)를 이용하여 복소투자율을 측정한다. 측 정 주파수대역은 1 MHz~1.8 GHz이었다.

결과 및 고찰

그림 2는 합성된 Ni-Zn-Co 페라이트의 결정상에 대한 X-선 회절분석 결과이다. 모든 조성에서 스피넬 결정구조 의 회절 peak가 나타남을 확인할 수 있다. 따라서 제조된 페라이트는 모두 스피넬 단일상임을 확인하였다. 그림 3 은 Ni-Zn-Co 페라이트 소결체의 단면을 SEM으로 관찰한 미세조직 사진이다. 평균입도가 약 3 μm인 균일한 미세조 직을 보이고, 약간의 기공이 관찰되고 있다. Co 첨가량 변 화에 따른 미세조직의 차이는 발견되지 않았다.

Fig. 2.

X-ray diffraction patterns of Ni-Zn-Co ferrites.

Fig. 3.

SEM microstructure of sintered Ni-Zn-Co ferrites.

그림 4는 Co 함량 증가에 따른 5가지 시료의 히스테리 곡선을 비교한 그래프이다. 이로부터 구한 Co 치환량 증 가에 따른 보자력 (H_c)과 포화자화 (M_s)의 값을 그림 5에 나타내었다. Co를 0.02% 첨가했을 때 Co를 첨가하지 않 은 Ni-Zn 페라이트보다 보자력 값이 작았지만, Co가 0.04% 첨가한 후부터는 Ni-Zn 페라이트보다 보자력 값이 커짐을 알 수 있고, Co의 양이 증가할수록 보자력 값이 점차 증가함을 알 수 있다. Co=0.02%에서 보자력이 감소 하는 것은 Ni-Zn 페라이트의 결정자기이방성과 Co 페라 이트의 결정자기이방성이 상쇄되기 때문이고, 이후 Co 함량 증가에 따라 보자력이 증가하는 것은 Co 페라이트 의 결정자기이방성이 더 크게 작용하기 때문이다[8]. Co 함량이 증가할수록 포화자화는 감소하는 경향을 보인다. 이는 스피넬 구조의 팔면체 빈자리에 위치하는 Co²⁺이온 의 영향으로 해석된다. 8면체 Fe³⁺ 위치에 이온자기모멘 트가 보다 작은 Co²⁺이온이 치환되면서 전체 분자자기 모 멘트를 감소시켰기 때문에 Co 함량이 증가할수록 포화자 화는 감소한다.

Fig. 4.

Hysteresis curve of Ni-Zn-Co ferrites.

Fig. 5.

The variation of (a) coercive force (Hc) and (b) saturation magnetization (M_s) with increasing Co substitution in Ni-Zn-Co ferrites.

그림 6는 Co 함량 증가에 따른 Ni-Zn-Co 페라이트 5개 시 편의 복소투자율 측정결과를 보여준다. 그림 6(a)는 Co 함량 에 따른 복소투자율의 실수부 (μ_r′)를 나타낸 것이다. 초기투 자율은 Co가 첨가되지 않은 (Ni_0.7Zn_0.3)Fe₂O₄ 조성에서 가장 큰 투자율 (_r′=72)을 나타내었고, Co 함량 증가에 따라 점차 감소하여 Co가 0.1 mol 첨가된 (Ni_0.7Zn_0.3)_0.9Co_0.1Fe₂O₄ 조성에 서 가장 작은 투자율 (_r′ = 14)을 나타내었다. 이는 Co가 첨 가될수록 결정자기이방성이 증가하고 포화자화가 감소하기 때문이다 [8, 9]. 특히 Co 함량이 0.06 mol에서 0.1 mol로 증가 할 때 μ_r′ 이 급격히 감소하는 것은 그림 5(a)에서와 같이 이 구간에서의 보자력의 증가가 크기 때문이다. 그림 3(b)는 Co 함량에 따른 복소투자율의 허수부 (μ_r″)를 나타낸 것이다. μ_r″ 피크 값은 Co가 첨가되지 않은 (Ni_0.7Zn_0.3)Fe₂O₄ 조성에서 가 장 큰 값을 나타내고, Co가 첨가될수록 점차 낮아짐을 볼 수 있다. 이 역시 Co가 첨가될수록 결정자기이방성이 증가하고, 포화자화가 감소함에 기인한다[8, 9].

Fig. 6.

Frequency dispersion of complex permeability of (Ni_0.7Zn_0.3)_1-xCo_xFe₂O₄ ferrites: (a) real part (μ_r′) and (b) imaginary part (μ_r″).

NFC에 적용하기 위한 페라이트 자기 차폐재의 조건은 동작주파수 13.56 MHz에서 실수부가 커야 하며, 허수부가 0에 근접해야 한다. 그림 7은 13.56 MHz에서 페라이트 조 성(Co 함량) 변화에 따른 복소투자율의 실수, 허수 값을 보 여준다. 실수 값은 Co가 첨가되지 않은 (Ni_0.7Zn_0.3)Fe₂O₄에 서 가장 높은 값을 나타내었고 (μ_r″=78.8), Co가 증가함에 따라 점차 감소하여(Ni_0.7Zn_0.3)_0.9Co_0.1Fe₂O₄에서 가장 낮은 값을 보였다(μ_r″=13.9). 손실에 해당하는 허수 값 또한 Co 함량 증가에 따라 점차 증가하다 다시 감소하는 경향을 보 여(Ni_0.7Zn_0.3)_0.9Co_0.1Fe₂O₄ 조성에서 μ_r″=0에 근접한다.

Fig. 7.

Real and imaginary values of complex permeability of Ni-Zn-Co ferrites at 13.56 MHz: (a) real part (μ_r′) and (b) imaginary part (μ_r″).

결 론

NFC의 자기 차폐용 Ni-Zn-Co 페라이트 자성체의 제조 및 고주파 자기특성에 대하여 조사하였다. Ni-Zn-Co 페라 이트를 고상소결법으로 제조하고, Co 함량을 변화시켜 13.56 MHz에서 복소투자율을 조사하였다. 주요 결론은 다음과 같다.

1. Co의 양이 점차 증가할수록 보자력은 증가하고, 포화자 화는 감소하는 경향을 보인다. 이는 Co 함량 증가에 따른 결 정자기이방성의 증가와 분자자기모멘트 감소에 기인한다.

2. 초기투자율은 Co가 첨가되지 않은 (Ni_0.7Zn_0.3)Fe₂O₄ 조성에서 가장 큰 투자율 (μ_r′=72)을 나타내었고, Co 함 량 증가에 따라 점차 감소하여 Co가 0.1 mol 첨가된 (Ni_0.7Zn_0.3)_0.9Co_0.1Fe₂O₄ 조성에서 가장 작은 투자율 (μ_r′= 14)을 나타내었다.

3. 복소투자율의 허수 (μ_r″) 피크 값은 Co가 첨가되지 않 은 (Ni_0.7Zn_0.3)Fe₂O₄ 조성에서 가장 큰 값을 나타내고, Co 가 첨가될수록 점차 낮아짐을 볼 수 있다.

4. NFC 동작주파수인 13.56 MHz에서 페라이트 조성 (Co 함량) 변화에 따른 복소투자율의 실수값은 Co가 첨 가되지 않은 (Ni_0.7Zn_0.3)Fe₂O₄에서 가장 높은 값을 나타내 었고 (μ_r′=79), Co가 증가함에 따라 점차 감소하여 (Ni_0.7Zn_0.3)_0.9Co_0.1Fe₂O₄에서 가장 낮은 값을 보였다. Co 첨가는 복소투자율의 실수를 감소시키는 단점이 있지만, NFC 동작주파수인 13.56 MHz에서 자기손실을 0에 가깝 게 만드는 장점을 보여준다.

Acknowledgements

감사의 글

본 논문은 산학협력 선도대학(LINC) 육성사업 충북대학 교 산학공동기술개발과제(기술상용화)와 한국연구재단의 일반연구자지원사업(과제번호: 2013R1A1A2A10005073) 의 지원으로 수행되었음.

REFERENCES

• 1. J Fisher, IEEE Comm. Mag. (2009) 47 22.
• 2. R Want, IEEE Pervasive Computing. (2011) 10 5958681.
• 3. B Lee, B Kim and S Yang, Inter. J. Antennas Propag. (2014) 2014 187029.
• 4. X Shen, Y Wang, X Yang, L Lu and L Huang, J. Mater. SCi. Mater. Electron. (2010) 21 630.ArticlePDF
• 5. J. K Ji, W. K Ahn, J. S Kum, S. H Park, G. H Kim and W. M Seong, IEEE Magn. Lett. (2010) 1 5000104.Article
• 6. K Chen, L Zia and H Zhang, J. Appl. Phys. (2014) 115 17A520.
• 7. S Bae, Y. K Hong, J. J Lee, W. M Seong, W. M Kum, J. S Ahn, W. K Park and S. H Park, IEEE Trans. Magn. (2010) 46 2361.
• 8. Z Yang, Z Li and Y Yang, IEEE Trans. Magn. (2014) 50 2100104.
• 9. E Hirota and T Mihara, Jpn. J. Appl. Phys. (1966) 5 563.

Figure & Data

References

Citations

Citations to this article as recorded by