JP4709994B2

JP4709994B2 - Ｌｉ−Ｚｎ系フェライト粉末を使用した電波吸収体

Info

Publication number: JP4709994B2
Application number: JP2004075714A
Authority: JP
Inventors: 尚行橋本; 美喜男出射; 功重松; 禅坪井; 真一末永
Original assignee: Dowa Electronics Materials Co Ltd; Dowa F Tec Co Ltd
Current assignee: Dowa Electronics Materials Co Ltd; Dowa F Tec Co Ltd
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2024-03-17
Also published as: JP2005268368A

Description

本発明は、１〜４ＧＨz帯域の電波吸収特性に優れたＬi−Ｚn系フェライト粉末を使用した電波吸収体に関する。

近年、携帯電話，無線ＬＡＮなど、１〜４ＧＨz帯域の電波を使用した通信機器が急速に普及し、また、コンピュータのＣＰＵもクロック周波数１ＧＨz以上で駆動するものが広く普及するに至っている。これらの電子機器の誤動作や相互干渉を効果的に防止する上で、１〜４ＧＨz帯域の電波吸収性能を顕著に改善した電波吸収体の出現が強く望まれている。

一般に電波吸収体には、合成ゴム等の高分子マトリックス中に電波吸収性の粉末を混ぜて成形したシート素材が使用される。その電波吸収性粉末としてはフェライト粉末が広く用いられ、周波数帯域に応じて種々の電波吸収性フェライトが実用化されている。例えば、５ＧＨz以上の周波数帯域用としては、元素置換型のＴi−Ｃo系（５〜１５ＧＨz）やＴi−Ｍn系（８〜１８ＧＨz）、Ｗ型のＺn−Ｓn−Ｍn系（５〜１９ＧＨz）、Ｙ型のＣo−Ｚn系（９〜１７ＧＨz）などが知られている。一方、０.１〜２ＧＨz帯域で使用可能なフェライトとしてはＭn−Ｚn系，Ｃu−Ｚn系，Ｎi−Ｚn系などのソフトフェライトが知られている。

下記特許文献１には、一般式ＭＦe₂Ｏ₄（ＭはＭn，Ｎi，Ｃu，Ｚn，Ｍg，Ｃo）を有するフェライト粉末を使用したマイクロ波吸収体が記載されている。このうち、１〜４ＧＨz帯域に使用可能なフェライト粉末は粒径が数十μｍ〜１.６５ｍｍとかなり大きいものに限られる。このような粒径の大きい粉末は高分子マトリックス中に均一に分散させることが難しく、薄型で高性能の電波吸収体を得るには適していない。また、前記一般式のＭの部分を単にＭn，Ｎi，Ｃu，Ｚn，Ｍg，Ｃo等の２価金属で構成したフェライトでは、１〜４ＧＨz帯域で優れた電波吸収能を有する微細粒径の粉末を得ることは困難である。事実、特許文献１の開示によれば粒径が４３μｍ未満と小さいものは使用可能な周波数帯域が６〜１２ＧＨzにシフトしている。

下記特許文献２には、Ｍn−Ｚn系フェライト粉末を使用したフェライト・ゴム系電波吸収体が記載されている。これは８００ＭＨz〜１ＧＨz帯用の電波吸収体であり、１〜４ＧＨz帯域で高性能を発揮するものではない。また、これに用いるフェライト粉末として粒径５〜２０μｍのものが開示されているが、高分子マトリックス中への分散性を考慮すると更なる微細粒のものが望まれる。

特公昭５５−３５００２号公報特開平５−２９９８７２号公報

上記のように、従来開発されてきた電波吸収性フェライト粉末の多くは５ＧＨz以上の帯域、あるいは１ＧＨz以下の帯域で高性能を呈するタイプであり、１〜４ＧＨz帯域については基本的にこれらのタイプのものを流用せざるを得ない状況である。これら従来のフェライト粉末は、１〜４ＧＨzの周波数帯域において昨今のニーズに十分対応できる電波吸収性能を発揮するものとは言い難い。
本発明は、このような現状に鑑み、１〜４ＧＨz帯域での使用に照準を合わせ、この周波数帯域において電波吸収性能を大幅に改善し得る新たなフェライト粉末を開発し提供すること、およびそのフェライト粉末を用いた電波吸収体を提供することを目的とする。

発明者らは種々検討の結果、特定組成のＬi−Ｚn系のソフトフェライトを用いたとき、１〜４ＧＨz帯域の電波吸収性能が大幅に向上することを見出した。また、そのフェライト粉末は粒径２μｍ以下の微細粒の状態で１〜４ＧＨz帯域の電波吸収性能を向上させる特性を有することがわかった。このような微細なフェライト粉末は高分子マトリックス中への分散性向上に有利となる。本発明はこれらの知見に基づいて完成したものである。

すなわち、上記目的を達成するため、Ｚn_XＬi_(1-X)0.5Ｆe_(1-X)0.5・Ｆe₂Ｏ₄（Ｘは０.１〜０.８）の構造式で表されるフェライトからなる平均粒径が２μｍ以下のＬi−Ｚn系フェライト粉末が使用される。
ここで「平均粒径」は、フランフォーファー回折理論を用いたレーザー回折式粒度分布測定装置で測定される「ＨＥＬＯＳ５０％粒子径」が採用できる。

本発明では、Ｚn_XＬi_(1-X)0.5Ｆe_(1-X)0.5・Ｆe₂Ｏ₄（Ｘは０.１〜０.８）の構造式で表されるＬi−Ｚn系フェライトの粉末を高分子マトリックス中に分散させた電波吸収体が提供される。この電波吸収体は、前記粉末を６０〜９５質量％の割合で含有し、残部は高分子マトリックスからなる。
ここで「高分子マトリックス」とは高分子化合物で組成される物質をいう。

本発明の１〜４ＧＨz帯域用電波吸収体は、１〜４ＧＨzの周波数帯域で使用される電子部品の近傍に設置される。
ここで「電子部品の近傍に設置される」とは、i) 当該電子部品から漏れる１〜４ＧＨzの電波を吸収して他の電子部品や筐体外部の機器等への悪影響を防止すること、または、ii) １〜４ＧＨzの外部電波を吸収して当該電子部品への悪影響を防止すること、という目的が果たせるように電子部品に近接して設置されることを意味する。

本発明によれば、１〜４ＧＨz帯域の電波の吸収性能を大幅に改善した電波吸収体が得られる。しかも、平均粒径２μｍ以下の微細フェライト粉末を用いてそのような改善が可能となるため、高分子マトリックス中での均一な分散が得られやすく、薄肉化した電波吸収体においても安定した性能が確保される。
したがって本発明は、携帯電話（１.５ＧＨz帯域），ＰＨＳ（１.９ＧＨz帯域），無線ＬＡＮ（例えば２.４５ＧＨz帯域），１ＧＨz以上のクロック周波数で駆動するパソコン用ＣＰＵをはじめとする、昨今普及が目覚ましい１〜４ＧＨz帯域の周波数で使用される各種電子機器の電波障害防止に寄与し得るものである。

電波吸収体には「磁性体粉末混合型」や「導電性粉末混合型」などがあるが、本発明の対象は前者の「磁性体粉末混合型」タイプである。このタイプは、フェライトなどの磁性体粉末を高分子化合物と混合して一体化した成形品が、複素透磁率の虚数部μ''（磁気損失項）の働きにより電波の磁界成分に作用して電波エネルギーを熱に変換するものである。このため、複素透磁率の虚数部μ''が大きいものほど電波吸収量が大きくなる。

本発明では、高分子化合物と混合するための磁性粉として、Ｚn_XＬi_(1-X)0.5Ｆe_(1-X)0.5・Ｆe₂Ｏ₄（Ｘは０.１〜０.８）の構造式で表されるＬi−Ｚn系のソフトフェライトを採用する。これは、Ｚn系ソフトフェライトのＺnの一部をＬiで置換した形態を有し、その置換により電波吸収性能のピークを１〜４ＧＨz帯域に合わせることを可能にしたものである。すなわち、このフェライト粉末を高分子化合物と混合してなる成形体は、１〜４ＧＨzの周波数帯域において複素透磁率の虚数部μ''が高い値を示し、この帯域の電波吸収性能に優れるのである。

前記構造式において、Ｘの値が０.１未満だと必要な磁性が得られなくなる。一方、０.８を超えると１〜４ＧＨz帯域での複素透磁率の虚数部μ''が低下し、十分な電波吸収性能が確保できなくなる。したがって、Ｘの値が０.１〜０.８の範囲に組成調整されたフェライトを使用する必要がある。
種々検討の結果、Ｘの値が概ね０.５の付近において１〜４ＧＨz帯域の電波の吸収性能は最も高くなる傾向があることがわかった。したがって、Ｘの値は０.３〜０.７の範囲とすることが好ましく、０.４〜０.６の範囲とすることが一層好ましい。

発明者らは、上記Ｌi−Ｚn系フェライト粉末の粒子径の影響についても検討を行ってきた。その結果、平均粒径が２μｍ以下の微細粉末において１〜４ＧＨz帯域でのμ''を大幅に上昇させることができた。ただし、平均粒径が１μｍ未満になると１〜４ＧＨz帯域でのμ''は若干低下傾向になる。したがって、高分子マトリックス中への分散性と電波吸収性能をバランス良く両立させるには、平均粒径を１〜２μｍに調整することが望ましい。

本発明で採用するＬi−Ｚn系フェライト粉末は、一般的なソフトフェライトの製造方法に準じて製造することができる。例えば、酸化鉄，酸化亜鉛，炭酸リチウムを酸化物換算で所定のフェライト組成となるように秤量し、攪拌混合した後、これを焼成し、得られた焼成品をミルで解砕する手法で粉末を製造すれば良い。その際、焼成温度はＬiが揮発しないよう、８５０〜１０００℃の範囲とすることが望ましい。

得られたＬi−Ｚn系フェライト粉末を所定割合で高分子化合物と十分に混練した後、例えば一定の厚さを有するシートに成形すれば、１〜４ＧＨz帯域で高性能を有する電波吸収体とすることができる。その際、平均粒径が２μｍ以下に調整された粉末を使用すると有機高分子との良好な混練性が確保され、フェライトの分散状態を均一化する上で有利となる。特に平均粒径が１〜２μｍの範囲に調整されたフェライト粉末を使用すると電波吸収性能をできるだけ高い状態に維持することができ効果的である。

前記粉末としては、平均粒径が２μｍ以下のＬi−Ｚn系フェライト粉末を使用し、かつフェライト粉末を６０〜９５質量％の割合で高分子マトリックス中に分散させる。Ｌi−Ｚn系フェライト粉末の割合が６０質量％より少ないと複素透磁率の実数部μ'，虚数部μ''とも低下し、十分な電波吸収性能が得られない。逆に９５質量％より多くなると有機高分子との混練が難しくなる。なお、特に好ましいＬi−Ｚn系フェライト粉末の混合割合は８０〜９５質量％であり、一層好ましい混合割合は８５〜９５質量％である。

Ｌi−Ｚn系フェライト粉末と混合する高分子化合物は、使用環境に応じて、耐熱性，難燃性，耐久性，機械的強度，電気的特性を満足する各種のものが使用できる。例えば、樹脂（ナイロン等），ゲル（シリコーンゲル等），熱可塑性エラストマー，ゴムなどから適切なものを選択すれば良い。また２種以上の高分子化合物をブレンドした組成物で高分子マトリックスを構成することもできる。

高分子化合物との相溶性や分散性を改善するために、フェライト粉末には予めシランカップリング剤，チタネートカップリング剤等による表面処理を施すことができる。
また、フェライト粉末と高分子化合物との混合に際し、可塑剤，補強剤，耐熱向上剤，熱伝導性充填剤，粘着剤などの各種添加剤を添加することができる。

ところで、電子部品の基板近傍は、一般に電磁界成分のうち磁界成分が強い領域であると言われている。本発明で対象とする「磁性体粉末混合型」の電波吸収体は前述のように複素透磁率の虚数部μ''（磁気損失項）を大きくすることによって電波の磁界成分への作用を増大させ電波吸収性能を高めている。したがって、電波吸収体を設置する場所はできるだけ磁界成分の強い電子部品の近くとすることが効果的である。電子機器の小型化により電波吸収体を設置する場所には制約が大きいが、本発明の電波吸収体は１〜４ＧＨzの周波数帯域で使用される電子部品にできるだけ近付けて設置することが望ましい。

酸化鉄（Ｆe₂Ｏ₃），酸化亜鉛（ＺnＯ），炭酸リチウム（ＬiＣＯ₃）を、酸化物換算でＺn_0.5Ｌi_0.25Ｆe_0.25・Ｆe₂Ｏ₄の組成となるように秤量し、これらをよく混合した。混合手法は、ハイスピードミキサーを用いて混合し、その後更に、１０Ｌ振動ミルを用いて混合する２段階混合プロセスとした。得られた混合物を電気炉（ローラーハウス炉）に入れ９２０℃で焼成した。焼成品をミル（協立理工株式会社製、ＳＫ−Ｍ１０）を用いて解砕し、ＨＥＬＯＳ５０％粒子径が１.５７μｍのＬi−Ｚn系フェライト粉末（構造式：Ｚn_0.5Ｌi_0.25Ｆe_0.25・Ｆe₂Ｏ₄）を得た。これを「粉末Ａ」と呼ぶ。

次に粉末Ａの一部を更に乾式振動ミル（中央化工機社製、３Ｌ−ＶＭ）を用いて微粉砕してＨＥＬＯＳ５０％粒子径が０.９７μｍのＬi−Ｚn系フェライト粉末を得た。これを「粉末Ｂ」と呼ぶ。
なお、粒子径の測定には、日本電子株式会社製、ＨＥＬＯＳ＆ＲＯＤＯＳレーザー回折式粒度分布測定装置を用いた。

比較のために市販のＺn−Ｃu系ソフトフェライト粉末（構造式：Ｚn_0.5Ｃu_0.5・Ｆe₂Ｏ₄、平均粒径：２３.９μｍ）を用意した。これを「粉末Ｃ」と呼ぶ。

各フェライト粉末８５質量％とＮＢＲゴム系樹脂１５質量％をラボプラストミル（東洋精機株式会社製、Ｒ−６０）により８０℃で１０分間混練し、一旦排出後、再度同条件で混練した。粉末Ａについては粉末の混合割合を９０質量％（残部はＮＢＲゴム系樹脂）としたものも用意した。得られた混練物を６インチ径の電熱圧延ロールにより厚さ２ｍｍに圧延し、計４種類（粉末Ａ；２種、粉末Ｂ，Ｃ；各１種）の電波吸収体シートを得た。
表１に、各シートの構成を示す。

得られた電波吸収体シートについてＳパラメーター法により電波吸収特性を調べた。各シートから切り出した小片を外径７ｍｍ，内径３ｍｍの円筒状測定ピースに成形し、これをφ７ｍｍ×φ３.０４ｍｍの同軸管に挿入し、ネットワークアナライザー（ヒュレットパッカード社製、商品名；ＨＰ８５０７１Ｂ）を用いて１〜１１ＧＨｚにわたって反射・透過係数（Ｓパラメーター）を測定した。
図１〜４に、複素透磁率の実数部μ'と虚数部μ''の周波数依存性を各シート毎に示す。

また、測定されたＳパラメーターに基づいて、厚さ６〜７ｍｍ程度のシートを使用した場合の１.９ＧＨzにおける反射減衰率をシミュレートした。
表２に、そのシミュレート結果を示す。

図１と図４を対比すると、Ｌi−Ｚn系フェライトを使用した本発明例のシート（図１）は平均粒径２μｍ以下の微細粒フェライトを使用したにもかかわらず、従来材（図４）と比べ、１〜４ＧＨz帯域におけるμ''が大幅に上昇していることがわかる。つまり、１〜４ＧＨz帯域での電波吸収性能を大幅に向上させることが可能になった。

図１と図２を対比すると、シート中におけるＬi−Ｚn系フェライト粉末の配合量を９０質量％に高めることによって（図２）、１〜４ＧＨz帯域におけるμ''は更に顕著に上昇することがわかる。

図１と図３を対比すると、Ｌi−Ｚn系フェライト粉末の平均粒径を１μｍ未満に微細化した場合（図３）、特に１〜２ＧＨz帯域においてμ''は若干低下することがわかる。それでも図４の従来材よりかなり高水準を維持している。

また、表２から、Ｌi−Ｚn系フェライト粉末を用いた本発明例のシートは、１〜４ＧＨz帯域中で、比較例（従来材）に比べ非常に優れた電波吸収性能を発揮し得ることがわかる。例えば、厚さ６.０ｍｍのシート２（本発明例）は、厚さ７.０ｍｍのシート４（比較例）に比べ、１.９ＧＨzにおける電波吸収量が大きく、約２０ｄＢ以上を有することになる。

図５に、本発明の前記粉末Ａについて、ＣoＫα線を用いたＸ線回折パターンを示す。このパターンから粉末Ａはスピネル構造を有するフェライトであることがわかる。

本発明のＬi−Ｚn系フェライト粉末を用いた電波吸収体における複素透磁率μ'およびμ''の測定結果の一例を示すグラフ。本発明のＬi−Ｚn系フェライト粉末を用いた電波吸収体における複素透磁率μ'およびμ''の測定結果の一例を示すグラフ。本発明のＬi−Ｚn系フェライト粉末を用いた電波吸収体における複素透磁率μ'およびμ''の測定結果の一例を示すグラフ。従来のＣu−Ｚn系フェライト粉末を用いた電波吸収体における複素透磁率μ'およびμ''の測定結果の一例を示すグラフ。本発明のＬi−Ｚn系フェライト粉末についてのＸ線回折パターンの一例を示すグラフ。

Claims

Ｚn_XＬi_(1-X)0.5Ｆe_(1-X)0.5・Ｆe₂Ｏ₄（Ｘは０.１〜０.８）の構造式で表されるＬi−Ｚn系フェライトからなる平均粒径が２μｍ以下の粉末と、高分子マトリックスからなり、当該粉末が６０〜９５質量％の割合で高分子マトリックス中に分散している１〜４ＧＨz帯域用電波吸収体。