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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.29 No.6 pp.363-370
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2019.29.6.363

Electromagnetic Wave Absorber Sheet for 940 MHz Dedicated Short Range Communication Frequency Bands Using Fe Based Alloy Soft Magnetic Metal Powder

ByeongCheol Kim1, ManCheol Seo1, Yeochun Yun2
1Department of Chemical Engineering & Biotechnology, Korea Polytechnic University, 237, Sangidaehak-ro, Siheung-si, Gyeonggi-do 15073, Republic of Korea
2JMC Co., LTD., 345, Cheongneung-daero, Namdong-gu, Incheon 21643, Republic of Korea
Corresponding author E-Mail : zenza8011@naver.com (B. Kim, Korea Polytechnic Univ.)
May 10, 2019 June 13, 2019 June 13, 2019

Abstract


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.



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

김 병철1, 서 만철1, 윤 여춘2
1한국산업기술대학교 생명화학공학과
2㈜제이엠씨

초록


    Ministry of Trade, Industry and Energy
    10063274

    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    현대 사회에서의 주된 이동 수단은 자동차로서 최근 경 제사회가 발전함에 따라서 큰 폭의 증가세가 이루어지 고 있다. 1가구 1 자동차는 기본이며, 1가구 2 자동차 가 보편화 추세에 있다. 이에 따라 폭발적인 자동차 수 요에 전국적인 도로교통 혼잡으로 인한 경제 손실이 2010년에 28.5조 원이며 2015년에는 33.3조 원으로 꾸 준하게 증가하고 있는 추세이며, 국내 총생산액(GDP) 대 비 2.27 %를 나타내고 있다.1) 폭발적인 자동차 수요 증 가 현상이 발생되고 있으며 이러한 교통량 증가 현상을 해결하기 위해서는 교통시설(도로정비, 도로 확충 등)의 공급 위주의 교통정책만으로는 급속하게 증가하는 차량 의 증가를 수용하기 어려운 것이 현실이다. 도로를 새 롭게 건설하기보다는 도로의 교통효율을 높이고 무엇보 다도 도로의 안정성을 확보하는 것이 더욱더 중요한 문 제로 나타나고 있다. 통신기술, 정보기술, 제어기술, 센 서 기술 등을 이용하여 현재보다 더욱더 향상된 운송 효 과를 기대할 수 있을 것으로 기대되며, 이러한 문제점 을 해결하기 위하여 대안으로 제시되고 있으며 검토되 고 있는 대안 중에 한 가지는 지능형 교통 시스템(ITS, intelligent transport system) 방법이다.2-4)

    현재까지의 발전된 정보통신기술을 이용한 지능형 교 통 시스템(ITS, intelligent transport system)인 단거리 전 용 통신(DSRC, dedicated short range communication) 기술이 대안으로 제시되고 있다. 단거리 전용 통신(DSRC, dedicated short range communication) 기술은 통신 거 리가 수 미터부터 수백 미터까지로 도로변에 설치된 기 지국 장치와 차량에 탑재된 장치들이 이 통신영역을 통 과하는 사이에서 이루어지는 점 대 점(point-to-point) 방 식과 점 대 다점(point-to-multi point)의 양방향 고속 무 선통신 기술이다.5,6)

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

    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 시뮬레이 션(computer simulation) 방법에 의해 설계를 진행하여 전파 흡수체의 두께에 변화를 주어서 이에 따른 전파 흡 수 특성에 관한 연구를 진행하였다.

    2. 실험 방법

    2.1 전파 흡수체 재료의 선정 및 원료 분말(Filer) 준비

    일반적으로 알려진 전파 흡수 성능을 파악하기 위해서 는 전자계에서 감쇄 특성이 있는 재료로서 산화철인 페 라이트(ferrite) 계열과 Fe-계 연자성 금속분말 등이 사용 되고 있다. 구형의 연자성 금속분말을 습식의 attrition mill을 이용하여 AD(apparent density) 4.0 g/cc에서 1.0 g/cc로 감소시켰으며, 입자 사이즈는 구형 분말을 평균 크기(size) 약 50 μm에서 Flake 형상의 넓이 약 50 μm 두께 3 μm 정도로 가공되었으며, Fig. 1에 구형 분말과 flake 분말의 SEM 이미지를 나타내었다.

    또한 Fig. 2에 구형분말과 flake 분말의 입도 분포를 나타내었으며, 두 분말의 전체적인 입도는 크게 변화하 지 않았다. 이는 구형의 분말이 attrition mill에서 flake 化 되면서 늘어나면서, 분쇄되는 과정을 거친다는 것을 알 수 있다.

    구형의 Fe-계 연자성 금속 분말을 flake 형상으로 바꿈 으로서, 형상 자기 이방성을 높여, 전자파 흡수에 주요 인 자인 투자율 향상을 도모하였다. 또한 습식의 attrition mill을 통해 격자변형이 이루어진 flake를 열처리를 통해 stress relief를 꾀하였다.

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

    2.2 재료 정수 측정 시료 제조

    선정된 재료의 전파 흡수 특성인 반사손실(reflection loss)을 예측하기 위해서는 우선적으로 재료 고유 정수인 복소 투자율 및 복소 유전율에 관한 자료(data)가 필요하 며, 재료 정수(복소 투자율, 복소 유전율)를 측정하기 위 해서 선정된 재료를 일정한 모양으로의 가공이 필요하다.

    선정된 원료 분말(filer)과 열가소성 수지(PVC 계열)를 일정 함량 비율로 균일하게 혼합한 후 내경 3.0 mm, 외 경 7.0 mm의 트로이덜(toroidal) 형태의 몰드(mold)에서 충진 하고, 일축 가압 프레스 설비를 이용하여 1.0 ton/cm2 정도의 압력에서 성형 후 제조된 시편은 APC-7 측정 치 구(beadless airline) 맞도록 내경을 3.0 mm(공차 0.05 mm), 외경을 7.0 mm(공차 0.05 mm)로 가공하였다.

    2.3 재료 정수 측정

    Agilent社의 E8364A 회로망 분석기(vector network analyzer)을 이용하여, 45 MHz~10 GHz의 범위에서 투과 계수(T)와 반사 계수(Γ)를 측정하여 재료 정수를 계산하 였다.7)

    측정된 재료 정수 데이터를 이용하여 전파흡수체 설계 시 반사손실(reflection loss) 값을 계산하였다.

    2.4 재료 정수를 이용한 반사손실(Reflection Loss) 컴퓨터 시뮬레이션(Computer Simulation)

    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. 컴퓨터 시 뮬레이션에서 형상제어기법에 따른 수치제어 조건은 각 재료마다 두께 0.2 mm~2.0 mm로 변화시켜가며 각 형상 제어기법에 따른 전파 흡수 특성이 측정되었다.

    2.5 전파 흡수체 Sheet 제조

    컴퓨터 시뮬레이션(computer simulation) 방법에 의해 전파흡수특성이 우수한 시트(sheet)를 제작하여 반사손실 (reflection loss) 특성을 측정하였다.

    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 ºC~100 ºC)와 압력(6 kgf/cm2~8 kgf/cm2)을 가하여 컴 파운드(compound) 형태로 제조한다. 이렇게 제조된 컴파 운드(compound)를 더블 롤(double roll) 설비를 적용해서 원하는 두께로 조절하여 시트 타입(sheet type) 형태로 제 조한다.

    3. 실험 결과 및 고찰

    940 MHz 단거리 전용 통신(DSRC) 대역용 전파흡수체 를 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 제 작하여 Agilent社의 E8364A 회로망 분석기(vector network analyzer)에서 재료 정수를 측정하였다.

    측정된 재료 정수 값은 Table 2에 나타내었다.

    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 증가하 였다. 이러한 현상은 원료 분말(filer)인 Fe-Si-Al Alloy Powder가 연자성 물질로서 합성물(composite) 내에 함량 이 증가하여 자성 물질로서의 성질이 나타나는 현상으 로 해석이 된다. 이때에 복소 유전율인 εr도 같이 증가 하게 되므로 이것은 원료 분말(filer)인 Fe-Si-Al Alloy Powder의 형상이 판상(flake)으로 되어있으므로 전기적 특 성인 정전용량이(C = d/A, ε∝ C) 증가되는데 기인한다. Fig. 3은 판상(flake)의 Fe-Si-Al alloy Powder가 열가소 성 수지에 혼합되어 컴파운드(compound)형태를 시트상태 로 성형 후 단면을 SEM을 통해 관찰한 사진이다. 여기 에서 볼 수 있듯이 판상(flake)의 Fe-Si-Al alloy powder 가 열가소성 수지에 잘 배열되어 있는 것을 볼 수 있 으며, 형상자기 이방성이 증가되어 전파흡수능에 영향을 미치는 투자율 성능도 증가되는 것을 확인하였다.

    Fe-Si-Al Alloy Powder의 구형과 판상(Flake) 일때의 XRD (X-ray diffraction)를 측정한 결과를 Fig. 4에 나타 내었다. 구형일 때 주요 peak이 Attrition Mill을 거쳐 판상(flake)으로 형상이 변하면서 격자변형이 이루어져 peak이 감소하였으나, 열처리(annealed) 과정을 통해 변 형되었던 격자구조가 회복되었음을 확인하였다.

    원료 분말(filer)인 Carbonyl iron Powder와 열가소성 수지(PVC 계열)의 비율이 90 % : 10 %로 Carbonyl iron Powder가 대부분을 차지하는 경우에는 Carbonyl iron Powder가 연자성 재료이기 때문에 자성 특성인 투자율 실수부가 높게(8 at 940 MHz) 나타난다. 형상이 판상 (flake)인 경우 유전율 값이 높은 경향을 나타내었으며, Fe-Si-Al Alloy Powder의 80 % : 20%의 배합보다는 낮 은 유전율 특성 값을 나타낸다. 이는 앞서 언급했듯이 Fe-Si-Al Alloy Powder가 Carbonyl iron Powder보다 입자의 형상부분에서 aspect rati o(판상분말의 장축대 단 축의 비)가 커진데 기인한다.

    Fe-Ni Alloy Powder와 열가소성 수지(PVC 계열)의 비 율이 90 % : 10 % 일 때 투자율 실수부가 8로(at 940 MHz) Carbonyl iron Powder와 유사한 특성 값을 나타 내었다. 유전율 실수는 Carbonyl iron Powder에 비해 높 은 값을 갖고 있으며(Carbonyl iron Powder: 100, Fe- Ni Alloy Powder: 150) 이는 Fe-Ni Alloy Powder의 원료 분말(filler) 표면적이 더 넓게 형성되어 있어 정전 용량 C 값이 증가한데 원인이 있다.

    Mo-Fe-Ni Alloy Powder와 열가소성 수지(PVC 계열) 의 비율이 90 % : 10 %로 투자율 실수부는 940 MHz 대 역에서 약 7 정도의 값을 갖고 있으며 유전율 특성은 상당히 높은 값을 갖는다. Mo-Fe-Ni Alloy Powder는 재료의 연성 특성이 우수하여 원료 분말(filler) 형상이 넓 은 평판상(flake)을 나타낸다. 이것은 원료 분말(filler)의 형상에 영향을 미치는 유전율 실수부 특성이 높으므로 그 원인이 있다고 판단된다.

    Mn-Zn Ferrite Powder과 Ni-Zn Ferrite Powder를 열 가소성 수지(PVC 계열)의 비율이 80 % : 20 %로 합성물 (composite)化 하여 재료 정수를 측정하였다. 투자율과 유 전율은 940 MHz에서 각각 Mn-Zn Ferrite Powder 3.7 과 17 그리고, Ni-Zn Ferrite Powder 3.5와 15를 나타 내었다. Ferrite Powder가 산화철인 관계로 자성 특성이 떨어지고 평판상(flake)이 아닌 구형 분말로 유전율도 하 락한데 기인한다. 또한 재료 정수를 이용하여 컴퓨터 시 뮬레이션(computer simulation) 프로그램 의해 reflection loss 값을 두께별로 계산을 하였다.

    Fig. 5~7는 앞서 소개한 Fe-Si-Al Alloy 편상화 분말 (flake powder)과 Fe-Si-Al Powder의 함량비, Fe-Ni Alloy Powder, Mo-Fe-Ni Alloy Powder 편상화(flake powder) 분말 그리고 Mn-Zn, Ni-Zn Ferrite Powder를 열가소성 수지(PVC 계열)와 혼합한 합성물(composite)을 제작하였 을 때 시트 타입(sheet type)의 두께를 0.2~2.0 mm까지 0.2 mm 간격으로 반사손실(reflection loss) 값을 이론적 으로 계산하여 나타낸 그래프이다.

    Fig. 5은 Fe-Si-Al Alloy 편상화 분말(flake powder)의 함량이 증가할수록 같은 두께의 sheet에서 나타내는 전 파흡수 능인 반사손실(reflection loss) 특성 값이 전 주 파수 대역에서 계속적으로 증가하고 있음을 알 수 있 고, 반사손실(reflection loss) 특성 또한 피크(peak) 주 파수가 저주파 대역으로 움직이고 있음을 알 수 있다. 시트(sheet) 두께는 얇은 두께보다는 좀 더 두꺼운 시트 (Sheet)가 높은 반사손실(reflection loss) 특성 값을 나타 내는 것을 알 수 있다.

    Fig. 6(a)는 Carbonyl Iron Powder는 Fe-Si-Al Alloy 편상화 분말(flake powder)과 유사한 특성을 나타낸다. 특 히 반사손실(reflection loss) 특성 값이 다른 재료보다 뛰 어났다(-12 dB at 1.1 GHz 2.0 mm).

    Fig. 6(b)는 Fe-Ni Alloy Powder도 위의 데이터들과 유사한 경향의 특성 값을 나타내고 있으며, 반사손실 (reflection loss) 특성은 Carbonyl Iron Powder 특성보다 는 낮은 특성 값을 나타내었다.

    Fig. 6(c)는 Mo-Fe-Ni Alloy Powder는 재료 정수 중 에 유전율 부분이 상당히 커서 흡수체로서의 기능이 약 화된 것으로 판단된다. 유전율 특성 값이 크게 되면 재 료 내부의 전자들의 숫자가 많아지게 되는데, 이러한 현 상은 전자들이 전자구름을 형성하게 되어 전파들의 움 직임을 방해하여 반사되게 한다.

    Fig. 7은 Mn-Zn Ferrite와 Ni-Zn Ferrite는 재료 정수 중에 투자율 부분이 낮으며 유전율도 작아서 전파흡수 체의 정합 주파수(matching frequency)를 결정짓는 FT (frequency·thickness∝ 유전율 실수·투자율 실수) 값이 작은데 기인한다. 따라서 ferrite powder는 0.2~2.0 mm 의 두께에서는 높은 반사손실(reflection loss)을 기대할 수 없을뿐더러 반사손실(reflection loss)의 피크(peak) 주 파수도 고주파 쪽으로 이동되어 있다.

    컴퓨터 시뮬레이션(computer simulation)을 통해 얻어진 결과 값으로 940 MHz 대역에서 최대 전파흡수능인 반 사손실(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. 9에 나타내었다.

    4. 결 론

    기존에 사용되어온 전파흡수체들은 대부분 940 MHz 대 역에서 전파흡수능이 50 %를 넘지 못하고, 두께도 두꺼 워 사용하는데 있어서 제약이 많았다. 본 연구에서 사 용한 Fe-계 연자성 재료를 사용하여 940 MHz 대역에서 반사손실(reflection loss)이 우수한 전파흡수체를 설계 할 수 있었으며, 아래와 같은 조건의 재료의 선정과 구성 이 가장 효과적인 것임을 확인 수 있었다.

    ACKNOWLEDGEMENT

    This work was supported by the Technology Innovation Program(10063274) funded By the Ministry of Trade, Industry & Energy(MOTIE, Korea).

    Figure

    MRSK-29-6-363_F1.gif

    Scanning electron microscopy(SEM) observation of soft-magnetic powder. [(a) : Spherical type, (b) : Flake type].

    MRSK-29-6-363_F2.gif

    Particle Size Distribution of Fe-Si-Al Spherical Powder and Flake Powder.

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    Scanning electron microscopy(SEM) observation of compound Sheet. (Mixed Fe-Si-Al flake and thermoplastic rubber)

    MRSK-29-6-363_F4.gif

    X-ray diffraction(XRD) graph of Fe-Si-Al Flake Powder(Annealed)(a), Flake Powder(Attrition Mill)(b) and Spherical Powder(c).

    MRSK-29-6-363_F5.gif

    Reflection Loss simulation graph of Fe-Si-Al flake and thermoplastic rubber weight ratio (a) 40 % : 60 %, (b) 50 % : 50 %, (c) 65 % : 35 %, (d) 80 % : 20 %.

    MRSK-29-6-363_F6.gif

    Reflection Loss simulation graph of [(a) Carbonyl Iron flake, (b) Fe-Ni alloy flake, (c) Mo-Fe-Ni alloy flake] and thermoplastic rubber weight ratio 90 % : 10 %.

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    Reflection Loss simulation graph of [(a) Mn-Zn Ferrite powder (b) Ni-Zn Ferrite powder] and thermoplastic rubber weight ratio 80 % : 20 %.

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    Comparison of the simulated and measured reflection loss graph of a sheet made of Fe-Si-Al flakes at a weight ratio of 80 % : 20 % with thermoplastic rubber (Thickness 1.0 mm).

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    Comparison of the simulated and measured reflection loss graph of a sheet made of Fe-Ni flakes at a weight ratio of 90 % : 10 % with thermoplastic rubber (Thickness 2.0 mm).

    MRSK-29-6-363_IMG1.gif

    - Optimum condition of electromagnetic wave absorber sheet for 940 MHz dedicated short range communication frequency range

    Table

    Electromagnetic wave absorber material selection.

    Results of material constants measurement. (at 940 MHz)

    Reference

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