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자성복합시트 재료의 기본 개념

복합시트 재료의 기본 개념과 그 응용에 관하여- EMC Japan 2009.11. Hiroshi KURIHRA, TDK-EPC Corporation- 번역 변인호 2009.12.16초록전자파 환경 정비, 대책은 방사선 전자파가 통신 기기 등에 방사되는 것에 EMC (전자기 호환성)을 달성하는데 있다. EMC에 적합한 전자파 환경을 구성하기 위하여 불필요한 전자파를 억제하고 반사파를 제거하는 전파 흡수체 및 자성 시트 재료가 주목을 끌고 있다.본고에서는 자성 시트 재료의 시장 동향을 언급뿐만 아니라 자성 시트 재료의 기본 특성과 그 응용 사례 그리고 자성시트 재료의 개발 동향을 소개한다.1. 소개자성 손실을 가지는 자성 시트 재료는 옛부터 일반 가전에 적용되어 왔다.1960년대 후반 페라이트 분말을 수지에 복합화한 자성 시트 재료가 전자 레인지의 문 부분으로부터 누설되는 전자파를 억제하는 목적으로 실용화되고 있다. 이후 1980년대에는 BS 안테나의 변환 장치 회로내의 전자 간섭을 방지하는 목적으로 금속계 연자기 성분을 혼합한 자성 시트재료가 실용화 되고 있다. 최근에는, 금속계 연자성 재료를 평편화한 자기성분을 이용한 노이즈 억제 시트가 휴대전화나 각종 전가기기 등에 넓게 채용되고 있다. 이 노이즈 억제 시트는, 평편화한 자기성분을 일정방향으로 배열시키는 것으로, 페라이트계 자성 시트 재료와 비교하고, 저주파로부터 큰 자성손실을 얻을 수 있는 것부터, 전기 전자기기의 회로 내 전자 간섭, 공진 현상, 회로 기판으로부터의 불요복사파 및 회로 기판 같은 종류의 전자 결합 대책으로서 주목받고 있다. 또, 전기 전자기기의 고속화·고집적화에 수반해, 마이크로파·밀리미터의 전파 영역에 있어서의 노이즈가 염려되고 있어 이 영역에 있어서의 자성 시트 재료의 연구를 하고 있다. 한편 휴대폰으로 대표되는 13.56MHz대 Radio Frequency ID (RFID)의 통신 개선으로서, 코일 모양 안테나에 장착하는 자성 시트 재료도 주목받고 있다.본고에서는, 자성 시트 재료의 Si4.54 at% Al, Fe합금)이나 퍼말로이 (35 at%-80 at%NiFe 합금)등의 철계연자성 재료들이 있다. 여기서, 합금계고투자율 재료로 잘 알려져 있는 센더스트나 퍼말로이 등은 1920연대로부터 1940년대에 활발히 연구가 이루어져 왔다.[그림 1] 각종 자성 재료의 보자력과 초기투자율 관계각종 자성 재료의 보자력과 초투자율의 관계를 그림 1에 나타낸다. 한편, 이것들 합금을 분말상(초기는 구상에 가깝다)으로 만들어 수지에 복합화한 자성 시트 재료는 1970년대에 실용화되었지만, 높은 투자율(투자율을 크게 하면 자성 손실도 커진다)을 얻을 수 없었다. 그러나, 1980년대에 반자계를 저감 시키는 선평분이 나와, 큰 투자율을 가지는 자성 시트 재료가 개발되었다. 추가로, 금속계연자성 재료는, 도전율이 작고 MHz대로의 표피 두께가 수 미크론이 되어 표면전류에 의한 투자율의 저하를 생각할 수 있어 이로부터, 의 입자는 미세한 것(선평분에서는 얇은 것)이 요구된다.[그림 2] 자성 입자 모델 [그림 3] 자성 입자의 종횡비 변화에 대한자성 재료 자체의 침투성과 외관 침투성 관계여기서, 그림 2에 나타내는 자성 입자 모델로, 장경을 a, 단경을 C, 어스펙트비를 m(=C/a)로서, 자성 재료자체의 투자율과 외관의 투자율의 관계를 그림 3에 나타낸다.어스펙트비율을 1, 10, 50 이상으로 변화를 시켜 보여주었다. 투자율을 증가시키기 위해서 자성 입자의 어스펙트 비율(m) 을 늘릴 필요가 있다는 것을 알 수 있다. 한편 연자성판상형 분말을이용한 자성 시트 재료의 외관의 투자율은 입자모양을 그림 4에 나타내는 직방체 형상과 가정해 식(1)에서 표현 되는 것을 MazaleyTat 등이 제안하고 있다.[그림 4] 자성 입자를 직육면체 모양으로 가정할 경우D 및 t는 정육면체 모양의 장변과 두께를 d는 수직간격식 (1)에서 D》d 조건, 입자 간격 d와 두께 t가 작은 경우 자성 재료 자체의 투자율이 작은 것을 알고 실제 자성 시트에서 큰 투자율을 얻기 위해변의 전자파 환경은 지극히 복잡화 하고 있는 상황에서 기기로부터의 방사 노이즈나 기기 간 혹은 기기 내부에 존재하는 전자파 간섭 등의 원인이 되는 MHz 대역에서 GHz대까지의 노이즈를 제거하는 목적으로 개발, 실용화된 것이 노이즈 억제 시트이다. 여기서 금속 연자성판상형분말을 적용한 노이즈 억제 시트의 노이즈 억제효과의 기본 특성 및 그 응용 예에 대해 소개한다. 또한 노이즈 억제 시트의 개발 동향에 대해 소개하려 한다.4-1 억제 효과에 대한 기본 특성각종 장치의 작동 환경이 바람직하지 않은 경우 ? 전계와 자계을 주체로 한 전자파 노이즈 간섭현상이 발생한다. 이 노이즈 발생원을 억제 시트를 배치해야 리스크와 잡음의 일부를 시트 내부에서 흡수 감쇄시켜 발생원 주변에 확산을 억제 할 수 있다. 노이즈 억제 효과 R[dB]는 일반적으로 식 (2)에서 보여진다.t는 노이즈 억제 시트의 두께, λ는 파장 이고 복소 투자율의 허수부가 크고 두께t가 두꺼울수록 노이즈 억제효과가 큰 것을 알수 있다.기기의 신호 라인 및IC에서 발생하는 고주파 자기장 성분의 라인 근접의한 유도 결합(디커플링 효과)신호라인의 임피던스 부가 효과에 의한 고주파 성분 제거(필터효과)고속회로를 연결하는 FFC 등 중첩하는 코먼모드전류 성분 억제(a) 디커플링 효과(b) 필터(c) 코먼 모드 억제효과[그림 7]노이즈 억제 시트 적용방법[그림 8] 억제 효과 간이 평가 방법여기서, 노이즈 억제 시트를 적용하는 경우, 그림 7 과 같은 잡음 발생 요인은 3가지로 분류된다?① 디커플링 효과- 기기의 신호 라인 및 IC에서 발생하는 고주파자성 성분의 라인 근접에 의한 유도 결합 억제② 필터 효과- 신호 라인의 임피던스 부가 효과에 의한 고주파 성분 억제③ 코먼 모드 억제 효과- 고속 회로를 연결하는 FFC 케이블 등 에 중첩하는 공통 모드 전류 성분 억제노이즈억제시트의 억제 효과를 파악하는 방법은 IEC 62333-2로 표준화되고 있다. 여기에서는 그림 8에 간단하고 쉬운 방법 그리고 노이즈 억제 효과감쇠비를 얻을 수 있는 주파수가 고주파로부터 저주파로 이동해 가는 것을 알 수 있다.각각의 효과는 감쇠 특성이나 전송 특성의 경향을 나타낸 예이며, 현재 시판 되고 있는 여러가지 노이즈 억제 시트에 의해 경향파악이 가능하다.[그림 10] 억제 시트의 기본 특성 예(u' = 100 억제시)4-2 노이즈 억제 시트의 응용예[그림 11] DSC 내부 회로 IC 주변 자기장 [그림 12] 2 종류의 노이즈 억제 시트의 두께 변화에 대한 자기장본절에서는, DSC의 내부 회로 IC부에 노이즈 억제 시트의 적용을 검토한 일례에 대해 소개하는 그림 11에 나타내는 DSC의 내부 회로 IC부의 근방 전자계 분포를 이미지 슬라이드 동작 상태로 전자계 프로브를 이용한 측정을 실시하였다. IC의 동작 주파수는 132 MHz로 주파수 1.5 GHz내에서 제10 고조파 이상까지의 존재를 확인했다. 여기서, 그림 9에 나타낸 2 종류의 노이즈 억제시트를 이용하고, 시트 두께를 0.1mm~0.5 mm로 변화시켰을 경우의 264MHz( 제2 고조파)에 있어서의 자계 강도 분포를 측정하였다.그림 12에 각각의 노이즈 억제 시트에 있어서의 자계 강도 분포를 시트 두께마다 나타내었고 자계의 디커플링(decoupling) 효과는 시트 두께가 두꺼워질수록 자계 강도가 작게 나타났다. 복소 투자율의 실수부가 큰 노이즈억제 시트에서는, 복소 투자율의 실수부가 작은 노이즈 억제 시트와 비교해 자계 강도가 작고, 디커플링 효과가 큰 것을 알 수 있다. 특히, 0.3mm이상의 두께로, 디커플링(decoupling) 효과의 차이가 현저하게 나타나며, 각 고조파의 주파수 마다 발생하는 노이즈의 전계와 자계의 강도는 모든 고조파에 대해서 디커플링 효과를 발휘한다고는 할 수 없다. 문제가 되는 고조파에 대하여 예를 들면 전계가 지배적인 복소 유전율이 큰 노이즈 억제 시트가 유효한 기능에 있어서 노이즈 발생 상태를 파악해 적절한 노이즈 억제 시트를 채용해 가는 것이 바람직하다.4-3 노이즈 억제 시트의 개발 동향각 다. 여기에서는 13.56 MHz대역의 휴대 단말 RFID의 금속에 대한 영향에 대해서 뛰어난 효과를 금속계연자성판상분을 이용한 자성 시트의 개발에 대해 소개한다.5-1. 복소 투자율의 영향자성 시트의 복소비투자율의 실수부 및 허수부는 리더 라이터 또는 RFID 안테나의 성능에 영향을 주는 여기에서는 자성 시트의 복소 투자율의 실수부 및 허수부의 변화에 대해서 리드라이터 또는 RFID 안테나에 발생하는 자계 강도를 파악하는 그림 13에 나타내는 모델에 대해서 자성 시트의 복소 투자율의 실수부를 20, 40,60으로 하고 허수부를 0에서 20으로 변화시켰을 경우의 안테나로부터 100m 떨어진 점에 있어서의 자계 강도를 계산하였다.[그림 13] 코일 안테나의 해석 모델 [그림 14] 자성 시트의 복소 투자율 변화에 따른 자기장 강도여기서 자성 시트의 두께를 250um와 500um, 자성 시트의 복소 유전률 으로 계산했다. 또한 자계 강도의 계산에는 MWSTUDIO를 이용하였고 자계 강도의 계산 결과를 복소 투자율의 허수부 u"을 횡축으로서 그림 14에 나타내었다. 파선이 자성 시트 두께 250um, 실선이 자성 시트 두께 500um를 나타낸다. 그림 14에 대하고, 자성 시트의 복소 투자율의 실수부가 크고, 한편 허수부가 작은 경우에 큰 자계 강도를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 또한 자성 시트 두께가 두꺼운 경우에 더 큰 자계 강도를 얻을 수 있었다. 자성 시트의 허수부가 커지면 자계 강도가 저하하는 것을 알수 있다. 이와 같이 자성 시트의 복소 투자율의 실수부가 크고 허수부가 작아지는 자성 시트가 요구되는 것을 알 수 있다.[그림 15] FeSiCr 합금의 Si 조성 변화에 따른 [그림 16] Si 조성 변화에 따른 자성 시트자성 시트의 복소 투자율 복소 대비 투자율 Cole - Cole 플롯5- 2 연자성판상분의 최적화FeSiCr 합금에서 센더스트나 퍼멀로이에 비해서 허수부u“ 의 그리고 FeSICr 합금의 조성이나 입자 지름에 대해서 자기 공명 주파를 )

공학/기술| 2012.03.08| 13페이지| 20,000원| 조회(397)

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