JP2010135567A

JP2010135567A - 電波吸収材料

Info

Publication number: JP2010135567A
Application number: JP2008310174A
Authority: JP
Inventors: Ken Takahashi; 高橋　　研; Tomoyuki Ogawa; 智之小川; Daiji Hasegawa; 大二長谷川; Jun Matsuura; 準松浦; Kenji Kono; 健二河野
Original assignee: Tohoku University NUC; Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Tohoku University NUC; Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2008-12-04
Filing date: 2008-12-04
Publication date: 2010-06-17

Abstract

【課題】高周波で広帯域の電磁波を吸収する電波吸収材料を得る。
【解決手段】電波吸収材料は、超常磁性及び単磁区構造を示す粒径を含むような粒度分布を有する磁性ナノ粒子を、非磁性絶縁体中に分散させることで得られる。超常磁性かつ単磁区構造の磁性ナノ粒子を用いることにより、強磁性共鳴周波数を超えた周波数に磁気共鳴を持たせることができる。また、これらの磁性ナノ粒子に粒度分布を付与することにより、共鳴周波数が分布をもつため広帯域での磁気損失を生じさせる。更に、磁性ナノ粒子を非磁性絶縁体中に分散させることにより、高電気抵抗が得られるため渦電流損失を抑制することが可能となり、低周波での損失を抑制することが可能となる。よって、高周波で広帯域の電磁波を吸収する電波吸収材料を得ることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波の反射や侵入を防ぐための電波吸収材料に関するものである。

情報通信機器の高度化・小型化に伴い、ＧＨｚ帯での電波の使用が増えている。携帯電話，無線ＬＡＮ，船舶・航空・自動車等に用いられるレーダーなどがその一例であり、このような機器の使用とともに電波の干渉による障害が懸念されている。その対策として、電波吸収体により電波の反射及び侵入を防ぐことが必要となっている。電波吸収体としては、フェライトに代表される酸化物磁性材料，純鉄，センダスト，アモルファス合金などの金属磁性材料が用いられている。

また、単磁区粒径以下の磁性粒子を集合体とすることで、磁気的な相互作用により集合体として透磁率の共鳴周波数が高周波化することが知られている。更に、磁性体を超常磁性となる粒径以下にナノ粒子化すると、ブロッキング共鳴周波数は強磁性共鳴周波数以上となるため高周波まで高い透磁率を示し、優れた高周波特性を示すことが知られている（例えば特許文献１）。
特開２００２−１５８４８４公報

しかしながら、以上のような背景技術には次のような不都合がある。まず、電波吸収体としてフェライトを用いた場合、伝導性が低く渦電流による損失は小さいが、磁化が低いため電波吸収体を薄型とすることは難しい。また、金属磁性体の場合は、高い電磁波吸収能を有するものの、渦電流による磁化損失が生じ、高透磁率化のために扁平化処理を行った場合には、磁気的な異方性を持つため電波吸収体としても異方性を持ち、等方的に電波を吸収することが難しくなる。更に、電子機器で用いられる周波数は高周波化しているが、フェライト及び金属磁性体の強磁性共鳴周波数は数ＧＨｚ以下であり、これ以上の高周波で広帯域な電波吸収体は実用化されていない。

本発明は、以上の点に着目したもので、その目的は、高周波で広帯域の電磁波を吸収する電波吸収材料を得ることである。

前記目的を達成するため、本発明の電波吸収材料は、超常磁性及び単磁区構造を示す粒径を含むような粒度分布を有する磁性ナノ粒子を、非磁性絶縁体中に分散させたことを特徴とする。主要な形態の一つは、前記粒度分布は、異なる複数の粒径を離散的に含むこと，あるいは、粒径の連続的な変化を示すこと，を特徴とする。他の形態は、前記磁性ナノ粒子の表面を、高絶縁体で被覆したことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

本発明によれば、超常磁性及び単磁区構造を示す粒径を含むような粒度分布を有する磁性ナノ粒子を、非磁性絶縁体中に分散させることで、高周波で広帯域の電磁波を吸収する電波吸収材料が得られるという効果がある。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

最初に、図１を参照しながら本発明の実施例１を説明する。本発明の電波吸収材料は、非磁性絶縁体中に、超常磁性及び単磁区構造を示す粒径を含むような粒度分布を有する磁性ナノ粒子を分散させることにより、電気的効率を高め、渦電流損失を抑制したものである。磁性ナノ粒子は、それぞれの粒径に応じたブロッキング周波数において磁気共鳴をもつことが知られている。例えば、Ｆｅ粒子で粒径が１０ｎｍのときに１００ＭＨｚ，５ｎｍのときに１ＧＨｚ，３ｎｍのときに５ＧＨｚ，２．５ｎｍのときに１２ＧＨｚ，１ｎｍのときに１２５ＧＨｚに共鳴のピークをもつという具合である。本実施例では、このような異なる粒径の磁性粒子を混合することにより、電波吸収材料を高周波まで広帯域化することが可能となる。

磁性粒子としては、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ及びそれらを含む合金，酸化物を用いることができるが、飽和磁化の点からは、Ｆｅ，ＦｅＣｏであることが特に望ましい。本実施例では、磁性ナノ粒子として鉄ナノ粒子（Ｆｅナノ粒子）を用いた。Ｆｅナノ粒子は、熱分解法によりＦｅ（ＣＯ）５を原料として界面活性剤存在下のケロシン中１８０℃で作製した。磁性ナノ粒子の作製方法としては、前記熱分解法のほかにも、還元法などの化学的手法，ガス中蒸発などの物理的手法などが知られているが、本発明では、磁性ナノ粒子の作製方法については限定せず、いずれの方法を用いてもよい。作製したＦｅナノ粒子は、ＴＥＭにより平均粒径が２．２５ｎｍ及び４．５ｎｍ、対数正規分布として求めた粒度分布が１０％であることを確認した。

このようにして得たＦｅナノ粒子を、２．２５ｎｍ粒子：４ｎｍ粒子が、４：３となるように非磁性絶縁体であるＰＶＢ（ポリビニルブチラール）のトルエン溶液中に混合した。そして、作製した混合物の溶媒を揮発させることにより、磁性ナノ粒子／非磁性絶縁材料の複合体のシートを得た。なお、溶媒の揮発は、対象物に混合液の塗布を行った後に行うことも可能である。

図１(A)は、粒径ごと（４．５ｎｍ（白丸）及び２．２５ｎｍ（黒丸））の透磁率の虚数部の周波数特性を示す図であり、図１(B)は、前記複合体の透磁率の虚数部の周波数特性を示す図である。これらの図において、横軸は周波数［ＧＨｚ］を表し、縦軸は透磁率の虚数部を表している。図１(B)を見ると、図１(A)に示す２つのピークを含むように、１〜１０ＧＨｚの範囲で透磁率の虚数部がほぼ平坦となっており、高周波広帯域での磁気的な吸収能を持つことが示されている。

本実施例で用いた４．５ｎｍ及び２．２５ｎｍのＦｅ粒子は、超常磁性を発現しており、かつ、個々の粒子が単磁区構造となっていることから、強磁性共鳴周波数を超えた周波数に、磁気共鳴を持たせることが可能となる。また、２種類の粒径のＦｅナノ粒子を混合して、全体として離散的な粒度分布を付与することにより共鳴周波数が分布を持つため、広帯域での磁気損失を生じさせることができる。更に、前記Ｆｅナノ粒子を非磁性絶縁体中に分散させることにより、高電気抵抗が得られるため、渦電流損失を抑制することが可能となり、低周波での損失を抑制することが可能となる。これらの理由により、本実施例の電波吸収材料では、高周波で広帯域の電磁波を吸収することが可能となる。

なお、本実施例では、１〜１０ＧＨｚの範囲で磁気的損失を生じさせることとしたが、磁性ナノ粒子の粒径及び粒度分布を変化させることで、１００ＭＨｚ〜１２５ＧＨｚの範囲で磁気的損失を生じさせるようにしてもよい。また、これ以下の周波数での吸収が必要な場合には、より大きな粒径の磁性粒子を混合するようにしてもよい。

次に、図２を参照しながら本発明の実施例２を説明する。本実施例は、上述した実施例１よりも広帯域での吸収能力を持たせるようにした例であって、５種類の粒径のＦｅ粒子を利用した例である。前記実施例１と同様の方法によって、１ｎｍ，２．２ｎｍ，５ｎｍ，１１ｎｍ，２５ｎｍのＦｅナノ粒子を作製し、これらを同一の体積比で混合し、前記実施例１と同様の方法で複合体を作製した。１ｎｍ，２．２ｎｍ，５ｎｍのＦｅナノ粒子は、超常磁性かつ単磁区構造を示し、１１ｎｍのＦｅナノ粒子は、単磁区構造を有し（超常磁性の発現なし）、２５ｎｍのＦｅナノ粒子は、単磁区構造を示さない。

図２(A)は、粒径ごと（２５ｎｍ（黒丸），１１ｎｍ（白丸），５ｎｍ（黒三角），２．２ｎｍ（白三角），１ｎｍ（黒四角））の透磁率の虚数部の周波数特性を示す図であり、図２(B)は、複合体の透磁率の虚数部の周波数特性を示す図である。これらの図において、横軸は周波数［ＧＨｚ］を表し、縦軸は透磁率の虚数部を表している。図２(B)を見ると、図２(A)に示す５つのピークを含むように、１０ＭＨｚ〜１００ＧＨｚの広帯域での磁気吸収を有することが確認できた。このように、実施例１よりも粒径の大きい磁性粒子を加えることで、低い帯域（１０ＭＨｚ〜１ＧＨｚ）における吸収をカバーし、粒径の小さい磁性粒子を加えることで、高い帯域（１０ＧＨｚ〜１００ＧＨｚ）の吸収をカバーできるため、前記実施例１よりも更なる広帯域化の実現が可能となる。

次に、図３を参照しながら本発明の実施例３を説明する。上述した実施例１及び２では、平均粒径の異なる粒子を混合することにより、広い周波数帯域での吸収を実現することとしたが、本実施例は、粒子合成時に任意の連続的な粒度分布を与えることにより、同様の効果を得るようにした例である。粒度分布を与える方法としては、例えば、熱分解法による粒子合成時に界面活性剤の量を減らす方法や、高温で合成を行う方法が挙げられる。このような方法によって合成したＦｅナノ粒子を用いた磁性ナノ粒子／非磁性絶縁材料の複合体の透磁率虚数部の周波数特性が、比較例とともに図３に示されている。

図３に示した複合体（図の黒丸）における前記Ｆｅナノ粒子の平均粒径は３．５ｎｍであり、粒子の６０％は、３．５±１．５ｎｍの領域に入っている。また、比較例（図の白丸）は、平均粒径３．５ｎｍであり、粒子の６０％が３．５±０．３ｎｍの領域に入っている。これらの結果の比較から、粒度分布の幅が広いほど、渦電流損失の周波数が広帯域化していることが明らかである。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例において、磁性ナノ粒子の表面をＳｉＯ_２などの高絶縁体で被覆することにより、電気抵抗率を高めるとともに、磁性ナノ粒子の酸化を抑制するようにしてもよい。
(2)前記実施例で示した材料も一例である。例えば、前記実施例１では、非磁性絶縁体としてＰＶＢを用いたが、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂，ナイロンなどの熱可塑性樹脂，エラストマーなどのゴム，ＳｉＯ_２やＴｉＯ_２などの非磁性酸化物中に分散させるようにしてもよい。
(3)前記実施例１では２種類の粒径，実施例２では５種類の粒径の磁性ナノ粒子を利用したが、これも一例であり、粒径の種類は必要に応じて適宜変更してよい。
(4)実施例３に示した粒度分布も一例であり、同様の効果を奏するように適宜変更してよい。
(5)前記実施例で示した磁性ナノ粒子の作製方法も一例であり、公知の各種の手法を用いてよい。
(6)前記実施例ではＦｅナノ粒子のみを使用したが、これも一例であり、他の磁性ナノ粒子を混合してもよい。例えば、超常磁性ナノ粒子としてＦｅ粒子を用い、単磁区ナノ粒子としてＦｅＣｏ粒子を用いるというように、２種類以上の粒子を用いるようにしてもよい。

本発明によれば、超常磁性及び単磁区構造を示す粒径を含むような粒度分布を有する磁性ナノ粒子を、非磁性絶縁体中に分散させることで、高周波で広帯域の電磁波の吸収が可能になるため、電波吸収材料の用途に適用できる。特に、船舶・航空用レーダーを吸収するステルス材料や電子機器で生じる高周波のノイズを高周波まで広帯域に吸収する電波吸収材料の用途に好適である。

図１(A)は、粒径（４．５ｎｍ，２．２５ｎｍ）ごとの透磁率の虚数部の周波数特性を示す図，図１(B)は、実施例１の複合体の透磁率の虚数部の周波数特性を示す図である。図２(A)は、粒径（２５ｎｍ，１１ｎｍ，５ｎｍ，２．２ｎｍ，１ｎｍ）ごとの透磁率の虚数部の周波数特性を示す図，図２(B)は、実施例２の複合体の透磁率の虚数部の周波数特性を示す図である。実施例３及び比較例の複合体の透磁率の虚数部の周波数特性を示す図である。

Claims

超常磁性及び単磁区構造を示す粒径を含むような粒度分布を有する磁性ナノ粒子を、非磁性絶縁体中に分散させたことを特徴とする電波吸収材料。
前記粒度分布は、異なる複数の粒径を離散的に含むことを特徴とする請求項１記載の電波吸収材料。
前記粒度分布は、粒径の連続的な変化を示すことを特徴とする請求項１記載の電波吸収材料。
前記磁性ナノ粒子の表面を、高絶縁体で被覆したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電波吸収材料。