서 론

13.56 MHz 대 NFC(IC 태그, IC 카드에 의한 무선통신) 시 스템을 휴대전화, PDA 등의 소형 휴대기기에 탑재하려는 시도가 본격적으로 진행되고 있다. 휴대전화에 무선 태그, 리더/라이터의 탑재는 지금까지 경험하지 못했던 정보활 용 문화(결제, 정보수집, 관리)를 가능케 하고 있다[1,2]. 13.56 MHz 대 NFC 시스템은 리더/라이터와 무선태그에 탑재된 spiral 안테나(평면 코일 loop) 간의 전자유도 방식 에 의해 양 기기 간의 전력 공급과 교신을 동작시킨다. 교 신에 자계를 이용하는 13.56 MHz 대 NFC 시스템에서 안 테나 가까이에 금속 차폐재가 존재할 때 통신기능이 현저 히 떨어지는 문제가 발생한다. 이러한 문제의 해결방안으 로 자속을 집중하는 투자율이 큰 자성체의 사용이 제안되 었다[3-7]. 금속 면과 리더/라이터 모듈 사이에 고투자율 페라이트를 삽입하면 spiral 안테나에서 발생하는 자계를 하부에 위치한 페라이트 판에 집속시켜 상부 방향으로 자 기 폐회로를 형성하여 자계의 누설을 방지한다.

본 실험은 모바일 기기(RF-ID, NFC)의 자기 차폐용 고 투자율 페라이트 자성체의 제조를 목표로 하고 있다. 기본 소재로는 투자율과 소결성이 우수한 Ni-Zn-Cu 페라이트 를 선정하였다[8-10]. Ni-Zn-Cu 페라이트 소결체에서 소결 온도 변화에 따른 자기적 특성과 복소투자율의 주파수분 산 특성을 조사하였으며, NFC 동작주파수(13.56 MHz)에 서 자기차폐재 제작에 가장 적합한 Ni-Zn-Cu 페라이트의 소결 조건을 제시하였다.

실험방법

화학조성이 (Ni_0.7Zn_0.3)_0.96Cu_0.04Fe₂O₄인 Ni-Zn-Cu 페라 이트 분말을 고전적인 세라믹 공정인 고상소결 방법으로 제조하였다. 분말 합성에 사용된 출발원료는 NiO, ZnO, CuO, Fe₂O₃로 고순도 화학의 99% 이상의 고순도 분말이 었다. 혼합된 원료를 스테인레스 볼, 에탄올과 함께 무게 비로 1:1:1의 비율로 폴리에틸렌 용기에 넣고 볼밀에서 12 시간 혼합하였다. 혼합분말을 110°C 오븐에서 24 시간 건 조한 다음 알루미나 유발을 사용하여 분쇄하였다. 분쇄 분 말을 공기 분위기 하에서 5°C/min 의 승온속도로 가열한 다음, 900°C에서 2 시간 동안 하소하였다. 하소된 분말을 알루미나 유발에서 1 시간 동안 재분쇄하여 약 1 μm 크 기의 페라이트 분말을 제조하였다. 바인더로 5% PVA (polyvinyl alchohol) 수용액을 무게비로 3% 정도 페라이 트 분말에 첨가한 후 알루미나 유발에서 다시 재분쇄하였 다. 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 성 형 mold를 진동시켜 granule의 충진이 균일하게 일어나게 한 다음, 80 MPa의 압력으로 가압하여 환형의 성형체를 제조한다. 이때 소결 후 최종 시편의 두께가 2 mm 내외 가 되도록 길이 수축율을 감안하여 두께 2.3~2.4 mm의 성 형체를 제조하였다. PVA 바인더를 제거하기 위하여 산소 가스를 흘려주며 600°C에서 3 시간 동안 유지한 후, 1200- 1300°C 범위에서 2 시간 동안 소결하여 Ni-Zn-Cu 페라이 트 시편을 제조하였다.

합성한 Ni-Zn-Cu 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. 소결 체의 파면 조직을 scanning electron microscope (SEM)으 로 관찰하였다. 포화자화(M_s)와 보자력(H_c)를 vibrating sample magnetometer (VSM)으로 측정하였다. RF 임피던 스 분석기를 이용하여 복소투자율을 측정하였다. 측정 주 파수대역은 1 MHz ~ 1.8 GHz이었다.

결과 및 고찰

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 페 라이트 소결체의 XRD 패턴이 모두 spinel 상을 나타내는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 1

X-ray diffraction patterns of (Ni_0.7Zn_0.3)_0.96Cu_0.04Fe₂O₄ ferrites sintered at 1200~1300°C.

그림 2는 1200~1300°C의 온도에서 소결한 Ni-Zn-Cu 페 라이트의 SEM 사진이다. 소결온도가 증가함에 따라 기공 율은 감소하며, 입자크기는 증가함을 볼 수 있다. 소결밀 도는 그림 3(a)에서와 같이 1225°C까지 4.7 g/cc로 증가하다 가 이상의 온도에서는 거의 일정한 값을 보인다. 입자크기는 1250°C까지는 약 2 μm으로 거의 균일하나, 1275°C 이상이 되면 입자성장이 급격히 일어나면서 입자 내에 기공이 발생 하는 것을 볼 수 있다. 당초 기공은 입계에 위치하나, 소결 온도 증가에 따라 입자성장 속도가 빨라지면 입계의 이동속 도를 기공이 따라가지 못한다. 이 때 입계에서 기공이 떨어 져 입자 내에 남게 된다(그림 2(d) 및 그림 2(e)).

Fig. 2

SEM image of fractured surface of (Ni_0.7Zn_0.3)_0.96Cu_0.04Fe₂O₄ ferrites sintered at (a) 1200°C, (b) 1225°C, (c) 1250°C, (d) 1275°C, and (e) 1300°C.

Fig. 3

(a) Density and (b) grain size determined in (Ni_0.7Zn_0.3)_0.96Cu_0.04Fe₂O₄ ferrites sintered at 1200~1300°C.

그림 4에 (Ni_0.7Zn_0.3)_0.96Cu0_.04Fe₂O₄ 페라이트의 소결온도 에 따른 자화곡선의 변화를 나타내었다. 이력곡선으로 부터 구한 (Ni_0.7Zn_0.3)_0.96Cu_0.04Fe₂O₄의 포화자화(M_s), 보 자력(H_c) 값을 정리하여 표 1에 나타내었다. 보자력은 H_c=1 KOe의 거의 비슷한 값을 보이며, 포화자화 값은 1225°C에서 가장 큰 값(77.9 emu/g)을 나타낸다.

Fig. 4

Magnetization curves of (Ni_0.7Zn_0.3)_0.96Cu_0.04Fe₂O₄ ferrite sintered at 1200~1300°C.

Table 1.

Coercive force (H_c) and saturation magnetization (M_s) of (Ni_0.7Zn_0.3)_0.96Cu_0.04Fe₂O₄ ferrites sintered at 1200~1300°C

Sintering temperature (°C)	1200	1225	1250	1275	1300
Hc (kOe)	1.007	1.007	1.007	1.025	1.025
Ms (emu/g)	72.7	77.9	72.6	74.8	71.1

그림 5는 소결온도에 따른 복소투자율의 실수부(μ_r')와 허수부(μ_r'')를 나타낸 것이다. 투자율의 실수는 약 30 MHz까지 일정한 값을 유지하다가 이후 급격히 감소하고, 투자율의 허수는 급격히 증가하여 약 70-90 MHz 대역에 서 피크를 이룬다. 전형적인 강자성 공명 특성을 보이고 있다. 반면 투자율의 실수 및 허수 값은 소결온도에 따라 크게 변화한다.

Fig. 5

Frequency dispersion of complex permeability of (Ni_0.7Zn_0.3)_0.96Cu_0.04Fe₂O₄ ferrites: (a) real part (μ_r') and (b) imaginary part (μ_r'').

그림 5(a)는 소결온도에 따른 복소투자율의 실수부(μ_r') 를 나타낸 것으로 NFC 동작주파수인 13.56 MHz에서 μ_r' 은 소결온도가 1200°C에서 1250°C로 온도가 올라감에 따 라 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 밀도 증가와 입자 크기 증가에 기인하는 것으로 보인다. 그러나 1275°C 이 상으로 온도를 더 올리면 μ_r'은 다시 감소한다. 입자성장이 급격히 일어나지만 입자 내에 포획된 기공에 의해 자구 벽의 이동이 제한을 받고, 이에 따라 투자율이 감소한 것 으로 해석된다. 1250°C에서 소결한 Ni-Zn-Cu 페라이트에 서 μ_r'=108의 가장 큰 투자율을 나타내므로 NFC에 적용하 기에 가장 적합하다고 할 수 있다.

그림 5(b)는 소결온도에 따른 복소투자율의 허수부(μ_r'') 를 나타낸 그래프이다. 소결온도가 증가함에 따라 13.56 NHz에서 μ_r'' 값은 증가하는 경향을 보이고 있다. 13.56 MHz에서의 투자율 값과 손실계수를 표 2에 나타내었다. NFC에 적용하기 위해서는 투자율의 허수부가 0에 가까워 야 한다. 자기손실 측면에서는 μ_r'' = 1.2로 가장 낮은 값 을 보이고, 투자율이 비교적 큰 1225°C의 소결온도가 가 장 적합하다고 할 수 있다. 손실계수는 tanδ = μ_r''/μ_r'로 정 의되는데, 손실계수가 가장 작은 1225°C에서 소결한 시편 이 가장 적합한 것으로 판단된다.

Table 2.

Real and imaginary values of complex permeability of (Ni_0.7Zn_0.3)_0.96Cu_0.04Fe₂O₄ ferrites sintered at 1200~130°C at 13.56 MHz

Sintering temperature (°C)	1200	1225	1250	1275	1300
μr'	53.2	56.1	108.0	64.9	60.2
μr''	1.2	1.2	4.5	9.4	13.3
tanδ	0.02	0.02	0.04	0.14	0.22

결 론

모바일 기기의 자기차폐용 고투자율 페라이트 자성체의 제조 및 고주파 자기특성에 대해 조사하였다. Ni-Zn-Cu 페라이트를 고상소결법으로 제조하고, 소결온도를 변화시 켜 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 낮 은 값을 보였다 (μ_r'' = 1.2). 소결체의 밀도와 입자크기, 기 공의 분포가 투자율의 실수 및 허수에 매우 큰 영향을 미 침을 확인할 수 있었다. 소결온도가 높아질수록 밀도와 입 자크기는 증가하나, 급격한 입자성장에 따른 입자 내부의 포획 기공이 투자율을 감소시키고, 손실계수를 증가시킨 다. 입자와 기공을 포함하는 미세조직의 제어가 자기차폐 용 고투자율, 저손실 페라이트 제조에 매우 중요함을 제시 할 수 있다.

Acknowledgements

감사의 글

이 논문은 2015년도 충북대학교 학술연구지원사업의 교 내연구비 지원과 한국연구재단의 일반연구자지원사업 (과제번호: 2013R1A1A2A10005073)의 지원으로 수행되 었음.

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Figure & Data

References

Citations

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