JP4372118B2

JP4372118B2 - 高周波磁性材料

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Publication number: JP4372118B2
Application number: JP2006139286A
Authority: JP
Inventors: 史彦相賀; 誠一末永; 麻紀米津
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-05-18
Filing date: 2006-05-18
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2026-05-18
Also published as: JP2007311562A; US20070269681A1

Description

本発明は、人工媒質を用いた新規な高周波磁性材料に関する。

高周波磁性材料として、従来フェライトなどが用いられてきたが、使用する周波数がギガヘルツ帯になると、いわゆる「Snookeの限界」が問題となりより大きな透磁率が得られないという問題がある。

一方、特許文献１および非特許文献１には、使用する電磁波の波長程度かそれ以下の大きさの金属等からなる単位粒子およびその単位粒子の並べ方を工夫することにより材料本来の物性値とは異なる性質を持つ人工媒質を実現でき、左手系媒質や共振器、人工誘電体への応用が可能であることが開示されている。
特開２００２−３７４１０７ IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques Vol.47, 2075 (1999)

本発明は、従来の高周波磁性材料では得られない大きな透磁率を実現した高周波磁性材料を提供することを目的とする。

本発明によると、母体媒質中に複数の単位粒子を並べて配置してなる人工媒質で構成された高周波磁性材料であって、
前記単位粒子は、スプリットリング型の導体、または同型の導体および誘電体の組合せにより構成され、かつ
前記母体媒質は、磁性粒子と酸化物絶縁体の複合材料を含むことを特徴とする高周波磁性材料が提供される。

本発明によれば、人工媒質を構成する母材媒質が磁性体を含むことによって大きな透磁率を実現した高周波磁性材料を提供することができる。

以下、本発明に実施形態に係る高周波磁性材料を図面を参照して説明する。

図１は、実施形態に係る高周波磁性材料の応用の１つである共振器の基本構成を示す概観図である。この共振器は、スプリットリング共振器１をほぼ等間隔に２次元的に周期的に配置した構成を有する。スプリットリング共振器１は、導体損の小さな金属、例えば銅からなる単位粒子であるスプリットリング２を母体媒質３に嵌め込み等により取り付けた構造を有する。

前記スプリットリング２は、金属に限らず、超電導材料を用いることも可能である。

前記スプリットリング２は、図１に示す形状に限定されず、ｘｚ面内にリング状の形状をもつ導体片であればよく、例えば図２および図３に示すようにメアンダオープンループ形状のスプリットリング２であってもよい。

前記スプリットリング共振器１は、図１に示す周期的配置に限定されず、スプリットリング間の距離やｘ方向およびｙ方向のスプリットリングの個数を適宜変更することができる。一般にスプリットリング共振器は、周期的に多数配置することが好ましいが、一方向に最低２つのスプリットリング共振器を配置しても動作させることができる。

なお、図４の（ａ），（ｂ）［（ａ）は前述した図１の−ｘ方向から見た図、（ｂ）は前述した図１の＋ｘ方向から見た図］に示すように前記単位粒子であるスプリットリング２は、母体媒質と接する側（接する面）に誘電体層４を形成し、前記母体媒質に含まれる磁性体と電気的に絶縁することが好ましい。この誘電体は、誘電体損が小さいものを用いることが好ましい。

また、前記スプリットリングと母体媒質の組合せ構造は、スプリットリングの周囲の空間を前記母体媒質が覆っていることが好ましいが、前記母体媒質はスプリットリングにより囲われる空間の内部にのみ存在していても良い。

具体的には、板状、棒状の母体媒質の外周部からスプリットリングを嵌め込んだ構造でも良い。

前記母体媒質は、磁性体を含む。磁性体を含む母体媒質は、透磁率に異方性を有し、最大の透磁率方向がスプリットリングの作る面の法線ベクトル方向と一致する構成にすることが好ましい。

前記母体媒質は、具体的にはＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏから選ばれる少なくとも一種の磁性金属または磁性合金とＭｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｃａ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｚｎ，Ｍｎ，Ｈｆ、及び希土類元素から選ばれる少なくとも１つの金属元素の酸化物、窒化物、炭化物、フッ化物から選ばれる少なくとも１つの絶縁材料との複合材料を含む。前記母材媒質は、磁性粒子が前記絶縁材料に分散された複合材料から作られることが好ましい。

特に、前記複合材料は前記磁性粒子と絶縁材料からなる複合粒子の形態を取ることがより好ましい。この複合粒子の形態において、表面に磁性粒子が析出している場合には複合粒子同士をポリスチレン、ポリエチレン、ポリエチルテレフタレート（ＰＥＴ）、エポキシ系樹脂のような合成樹脂、またはガラスにより一体成型することが好ましい。この一体成型母材媒質は、絶縁抵抗が室温で１×１０²μΩ・ｃｍ以上、より好ましくは１×１０⁹μΩ・ｃｍ以上であることが望ましい。

このような複合材料を構成する磁性粒子および絶縁材料を以下に詳述する。

（磁性粒子）
１）磁性粒子の組成
磁性粒子は、Ｆｅ粒子，Ｃｏ粒子，Ｆｅ−Ｃｏ合金粒子，Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金粒子，Ｆｅ基合金粒子，Ｃｏ基合金粒子の群から選ばれる少なくとも１つを挙げることができる。この磁性粒子の中でＦｅ基合金粒子は、ＣｏあるいはＮｉが一部含まれることが耐酸化性の観点から好ましく、特にＦｅ−Ｃｏ基粒子が飽和磁化の観点から好ましい。

前記磁性粒子は、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏから選ばれる少なくとも１つの磁性金属に非磁性金属元素を合金化してもよい。ただし、非磁性金属元素の量が多過ぎると、飽和磁化が下がり過ぎるため、非磁性金属元素を１０原子％以下の量で合金化することが好ましい。この磁性合金粒子としては、例えばアモルファス状態のＦｅ−Ｃｏ−Ｂ磁性合金粒子を挙げることができる。

なお、非磁性金属は複合材料中に単独で分散していてもよい。この場合、非磁性金属の量は体積比で２０％以下にすることが好ましい。

２）磁性粒子の粒径
磁性粒子は、１〜１０００ｎｍ、より好ましくは１〜１００ｎｍの粒径を有することが望ましい。特に好ましい磁性粒子の粒径上限（１００ｎｍ）を超えると、電子通信機器などに用いる場合において渦電流損が発生する虞がある。その上、磁性粒子の粒径が１００ｎｍを超えると、単磁区構造よりもエネルギ的に安定な多磁区構造をとる。しかしながら、多磁区構造の透磁率の高周波特性は単磁区構造の透磁率の高周波特性よりも低下する。したがって、実施形態の母材媒体に用いられる複合材料では磁性金属粒子（または磁性合金粒子）を単磁区粒子として存在させることが重要である。単磁区構造を安定的に保つ磁性粒子の粒径限界は、５０ｎｍ程度であるため、その粒径は５０ｎｍ以下にすることがより好ましい。一方、磁性粒子の粒径を１ｎｍ未満にすると、超常磁性を示して飽和磁束密度が小さくなる虞がある。このような磁性粒子とそれによる性質の関係から、磁性粒子の粒径は１〜１００ｎｍ、特に１０〜５０ｎｍにすることが望ましい。

（絶縁材料）
絶縁材料は、既述したようにＭｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｃａ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｚｎ，Ｍｎ，Ｈｆ、及び希土類元素から選ばれる少なくとも１つの金属元素の酸化物、窒化物、炭化物、フッ化物から選ばれる少なくとも１つの材料であるが、中でも前記金属元素の酸化物が好ましい。特に、Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉの酸化物が好ましい。

（磁性粒子の分散状態）
母材媒体中の磁性粒子は、スプリットリングとの組み合せにおいて、前記絶縁材料中への分散状態が高周波磁性材料の特性（特に透磁率）の向上の観点から重要である。

１）磁性粒子の分散例１
この分散例１では、複数の磁性粒子が絶縁材料中に磁気的に独立、つまり磁気的に等方的に存在する例である。磁性粒子間の距離は、磁気的に独立する距離であれば特に規定されるものでない。例えば磁性粒子が絶縁材料中に５ｎｍ以上、より好ましくは１０ｎｍ以上の間隔で存在することが望ましい。一方、母材媒体を構成する複合材料中に占める磁性粒子の体積百分率は、磁性粒子同士の磁気的結合が断つ条件の下で、可能な限り大きいことが体積当りの磁化を大きくとれるために好ましい。具体的には、複合材料中に占める磁性粒子の体積百分率は、３０％以上５０％以下、より好ましくは４０％以上５０％以下であることが望ましい。

このような磁性粒子の分散例１により、１Ω・ｃｍ以上と大きな電気抵抗を有する複合材料、つまり母材媒体を実現でき、結果として高周波磁性材料の共鳴周波数を大きくとることが可能になる。この共鳴周波数は、磁性粒子の形状、粒径、粒子間距離等を調節することによって制御することが可能である。Ｆｅ，Ｃｏ，ＦｅＣｏ等の磁性粒子を用いた場合には、共鳴周波数は１〜２０ＧＨｚの範囲になる。

２）磁性粒子の分散例２
この分散例２は、磁性粒子同士が絶縁材料中に磁気的に結合して存在する例である。この場合は、磁性粒子間に数ｎｍ厚さの薄い絶縁材料の層が存在することが好ましい。このような薄い絶縁材料の層を磁性粒子間に存在させることによって、磁性粒子間の電気的な抵抗を大きくできる。さらに、磁性粒子間の磁気的な結合も維持することにより、得られた複合材料、つまり母材媒体の透磁率を向上することが可能である。

前記１）、２）の磁性粒子の分散例１、２において、複合材料が磁性粒子の結晶、形状、または磁性粒子同士の結合から決まる磁気的な異方性を有することにより、その複合材料（母材媒体）の共鳴周波数を大きくとることが可能になる。

例えば、磁性粒子が柱状構造のような形状異方性を有することが挙げられる。この柱状磁性粒子同士は、前記絶縁材料の層で絶縁されていることが好ましい。この絶縁は、電気的に絶縁することが効果的である。柱状構造の磁性粒子において、柱状晶の長手方向に柱状晶を構成する磁性金属結晶の磁化容易軸が配向していることが好ましい。

前記柱状構造の磁性粒子において、前記磁性粒子の分散例１のように磁性柱状粒子同士が磁気的に独立している場合には磁性粒子間の磁気的結合が生じないため、複合材料（母材媒体）は透磁率の虚部に代表される損失成分を低減することが可能である。

前記柱状構造の磁性粒子において、前記磁性粒子の分散例２のように磁性粒子同士が磁気的結合している場合には結合方向を柱状構造が直交する複合材料の平面内で一方向に磁気異方性（一軸異方性）を有することが好ましい。このような構成の複合材料（母材媒体）は、透磁率の実部を高くすることが可能である。

前記複合材料の一軸異方性の大きさは、Ｈａ（異方性磁界）の値で１００Ｏｅ以上、より好ましくは２００Ｏｅ以上であることが望ましい。

特に、面内で異方性を有する複合材料から構成される母体媒質を用いる場合、異方性の方向が磁界と直交するように配置することが好ましい。

前述した図１に示す高周波磁性材料の透磁率の評価装置の一例を図５に示す。方形導波管２１は、その両端がＲＦケーブル２２、２３を通してネットワークアナライザ２４に接続されている。前記方形導波管２１の内部には、高周波磁性材料（共振器）２５が配置されている。このとき、前述した図１に示す高周波磁性材料（共振器）のスプリットリング共振器１のｚ軸を図５に示す方形導波管２１の長手方向（ｚ軸方向）と一致させる。ネットワークアナライザ２４の出力端からマイクロ波を一方のＲＦケーブル２２を通して方形導波管２１に出力し、他方のＲＦケーブル２３を通してネットワークアナライザ２４でＳパラメータの周波数応答を求める。得られたＳパラメータから透磁率を算出する。この透磁率の算出は、"IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques" Vol. 62, 33 (1974)に記載された（９）式を用いる。

このような図５の測定装置で高周波磁性材料のＳパラメータの周波数応答を測定し、前記（９）式から求めた透磁率を図６に示す。図６の実線は、透磁率テンソルのスプリットリングの作る面での法線ベクトル方向の実部ｙｙ成分の典型的な周波数依存性を示し、点線は母体媒質のみの特性を示している。

図６から明らかなように図１に示す構造の高周波磁性材料は、周波数Ｆ_０の近傍でμyyが点線で示される母体媒質のみに比較して飛躍的に大きくなることがわかる。すなわち、この高周波磁性材料はＦ０の近傍周波数で使用することにより、高透磁率材料として機能することがわかる。

共振周波数Ｆ０は、スプリットリングの形状、配置方法、母体媒質の誘電率、透磁率により調節することができ、所望の動作周波数を得ることができる。

なお、高周波磁性材料の透磁率の評価は図５に示す装置を用いる他に、例えば"IEEE Transactions on Magnetics" Vol. 38 3174 (2002)に記載された方法で行うことができる。また、高周波磁性材料の透磁率の評価は材料の誘電率、透磁率、表面抵抗などが既知であれば電磁界シミュレーションにより予測することができる。

以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

（実施例１）
アルカリ水溶液としては、２５％水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液を用意した。酸水溶液としては、Ｃｏ（ＮＯ₃）₂・６Ｈ₂ＯとＭｇ（ＮＯ₃）₂・６Ｈ₂ＯをＣｏ：Ｍｇ＝４：１の組成（モル比）になるように調整した水溶液を用意した。

アルカリ水溶液に酸水溶液を３ｍＬ／分の速度で滴下した。この滴下時に溶液のｐＨが十分に塩基性であることを確認した。滴下終了後、１時間攪拌、１時間静置して完全に沈殿させた。その後、真空濾過によって粉末を採取し、大気中で１１０℃、１２時間乾燥させ、（Ｃｏ_4/5，Ｍｇ_1/5）（ＯＨ）₂の前駆体粉末を得た。

前記前駆体粉末をＸ線回折法により評価した。その結果、酸化マグネシウムと酸化コバルトの固溶体のブロードなピークが観察され、低結晶性固溶体微粉末が合成されていた。

得られた固溶体微粉末を水素雰囲気下で８００℃まで加熱して還元し、コバルト微粒子と酸化マグネシウムの複合粉末を合成し、アルゴン雰囲気のグローブボックス内で回収した。透過電子顕微鏡による複合粒子の組織観察の結果、コバルト微粒子の平均粒径は約２０ｎｍであった。

回収したコバルトと酸化マグネシウムの複合粉末を有機系のバインダーであるポリビニルブチラールと混練してスラリーを調製した。つづいて、このスラリーをシート状に成型しプレスすることによりシート状母体媒質を作製した。このシート状母体媒質は、平均径２０ｎｍのコバルト粒子が酸化マグネシウムに３０％の体積率で含まれていることが確認された。また、前記シート状母体媒質について高周波特性を評価した。その結果、共鳴周波数が約９ＧＨｚであり、５ＧＨｚまでの透磁率の実部（μ′）が１．５、虚部（μ″）が０．１以下であることがわかった。

次いで、前記シート状母体媒質から切り出した短冊状のシート片の表面を平滑化し、このシート片の表面にスプリットリング形状の溝を周期的に加工して形成した。この後、シート状母体媒質の各溝にＣｕリングをそれぞれ嵌め込むことによって図７に示す構造のスプリットリング共振器１を作製した。なお、図７中の２はスプリットリング、３は母体媒質である。つづいて、図７に示すスプリットリング共振器１の周りをエポキシ系樹脂で覆った構造を４つ用意し、それらを並べることにより前述した図１と同様の人工媒質（共振器）を製造した。

得られた人工媒質は、共振周波数が４ＧＨｚで、３．５ＧＨｚ付近での透磁率が約８であった。

（実施例２）
実施例１と同様なスラリーを１０ｋＯｅの磁場中でシート状に成型し、プレスすることによりシート状母体媒質を作製した。このシート状母体媒質は、平均径２０ｎｍのコバルト粒子が酸化マグネシウムに３０％の体積率で含まれていることが確認された。また、前記シート状母体媒質について高周波特性を評価した。その結果、一軸方向に異方性を有し、容易軸方向に約１０ＧＨｚの共鳴周波数であり、５.５ＧＨｚまでの透磁率の実部（μ′）が１．３、虚部（μ″）が０．１以下であることがわかった。

次いで、前記シート状母体媒質から磁化容易軸方向が長手方向に向くように切り出した短冊状のシート片の表面を平滑化し、このシート片の表面にスプリットリング形状の溝を周期的に加工して形成した。この後、シート状母体媒質の各溝にＣｕリングをそれぞれ嵌め込むことによって、前述した図１と同様の人工媒質（共振器）を製造した。

得られた人工媒質は、共振周波数が４．２ＧＨｚで、３．８ＧＨｚ付近での透磁率は約８であった。

（実施例３）
共沈法により酸化マグネシウム、酸化鉄、酸化コバルトの混合粉末を合成した後、乾燥した。この混合粉末（前駆体粉末）をＸ線回折法により評価した。その結果、酸化マグネシウムと酸化鉄、酸化コバルトの固溶体のブロードなピークが観察され、低結晶性固溶体微粉末が合成されていた。

得られた固溶体微粉末を水素雰囲気下で８００℃まで加熱して還元し、鉄−コバルト微粒子と酸化マグネシウムの複合粉末を合成し、アルゴン雰囲気のグローブボックス内で回収した。透過電子顕微鏡による複合微粒子の組織観察の結果、鉄−コバルト微粒子の平均粒径は約３０ｎｍであった。

回収した鉄−コバルトと酸化マグネシウムの複合粉末を有機系のバインダーであるポリビニルブチラールと混練してスラリーを調製した。つづいて、このスラリーをシート状に成型しプレスすることによりシート状母体媒質を作製した。このシート状母体媒質は、平均径３０ｎｍの鉄−コバルト粒子が酸化マグネシウムに３０％の体積率で含まれていることが確認された。また、前記シート状母体媒質について高周波特性を評価した。その結果、共鳴周波数が約８ＧＨｚであり、４ＧＨｚまでの透磁率の実部（μ′）が２．０、虚部（μ″）が０．１以下であることがわかった。

次いで、前記シート状母体媒質から切り出した短冊状のシート片の表面を平滑化し、このシート片の表面にスプリットリング形状の溝を周期的に加工して形成した。この後、シート状母体媒質の各溝にＣｕリングをそれぞれ嵌め込むことによって、前述した図１と同様の人工媒質（共振器）を製造した。

得られた人工媒質は、共振周波数が３．５ＧＨｚで、３ＧＨｚ付近での透磁率が約１０であった。

（実施例４）
平均径２０ｎｍのＣｏ粒子の表面を平均厚さ２ｎｍのＳｉＯ₂層で被覆したコアシェル型の粒子を前駆体として、１０ｋＯｅの磁場中で異方性を付与しながらシート状に加熱し緻密化することによりシート状母体媒質とした。このシート状母体媒質は、コバルト粒子がＳｉＯ₂中に体積率で５０％含まれていることがわかった。また、前記シート状母体媒質について高周波特性を評価し。その結果、共鳴周波数が約２．５ＧＨｚであり、透磁率の実部（μ′）が５０、虚部（μ″）が５以下であることがわかった。

得られた人工媒質は、共振周波数が１．５ＧＨｚで、１．２ＧＨｚ付近での透磁率は約２００であった。

本発明の実施形態に係る高周波磁性材料（共振器）の基本構成を示す概観図。実施形態に係る高周波磁性材料（共振器）に用いる単位粒子の別の形態を示す図。実施形態に係る高周波磁性材料（共振器）に用いる単位粒子のさらに別の形態を示す図。実施形態に係る高周波磁性材料（共振器）に用いる単位粒子のさらに別の形態を示す図。実施形態に係る高周波磁性材料（共振器）の透磁率の評価装置を示す概略図。実施形態に係る高周波磁性材料（共振器）の透磁率テンソルの実部のyy成分の周波数依存性を示す図。本発明の実施例１で製造された高周波磁性材料（共振器）を示す概観図。

符号の説明

１…スプリットリング共振器、２…スプリットリング、３…母材媒質、２１…方形導波管、２２，２３…ＲＦケーブル、２４…ネットワークアナライザ、２５…高周波磁性材料（共振器）。

Claims

母体媒質中に複数の単位粒子を並べて配置してなる人工媒質で構成された高周波磁性材料であって、
前記単位粒子は、スプリットリング型の導体、または同型の導体および誘電体の組合せにより構成され、かつ
前記母体媒質は、磁性粒子と酸化物絶縁体の複合材料を含むことを特徴とする高周波磁性材料。
前記母体媒質は、透磁率に異方性を有し、最大の透磁率方向がスプリットリングの作る面の法線ベクトル方向と一致することを特徴とする請求項１記載の高周波磁性材料。
前記磁性粒子が形状異方性を有することを特徴とする請求項１記載の高周波磁性材料。
前記単位粒子は、スプリットリング型の導体と誘電体の組合せで構成され、前記導体は前記母体媒質と接する側に前記誘電体が形成されていることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の高周波磁性材料。