KR20030070389A - 마이크로파 자성체 조성물 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고주파에서 공명 손실이 매우 작은 마이크로파용 자성 재료로 사용되는 조성물 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 마이크로파용 자성체에 적합한 조성물은, 순수한 다결정 이트륨철가네트(YIG)의 금속 물질을 공명 손실을 작게 하기 위한 첨가물로 치환하고, 희토류 원소 Y2O3를 원소 CaCO3로 치환하여 마이크로파용 자성체를 형성한다. 상기 조성물은 Y3-xCaxFe5-xMxO12로 표시되는 조성계에서 치환 첨가량이 0.2 내지 0.8 이며, M이 Zr, In 또는 Sn이다. 따라서 본 발명에 의하면, 순수한 다결정 YIG에 첨가물을 치환하여 공명 손실을 작게 한다. 그리고 고가의 희토류 원소 대신에 저렴한 비용의 원소를 치환함으로써, 제조 단가를 낮추었다.

Description

마이크로파 자성체 조성물 및 그의 제조 방법{MAGNETIC MATERIALS FOR MICROWAVE AND PRODUCTION METHOD THEREOF}

본 발명은 마이크로파용 자성 재료에 사용되는 조성물 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 고주파에서 공명 손실이 매우 작은 마이크로파용 자성 재료로 사용되는 조성물 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

최근 통신 분야의 발달과 함께 마이크로파용 자성 재료와 이를 이용한 소자의 중요성이 매우 높아지고 있는 실정이다.

마이크로파용 소재로 널리 사용되어지는 단결정 이트륨철가네트(Yttrium Iron Garnet : YIG)는 고주파에서 공명 손실이 매우 적으나, 제조 단가가 높아 제조 비용이 저렴한 다결정 YIG를 이용하고 있는 추세이다.

그러나 순수한 다결정 YIG는 고주파에서 공명 손실이 크기 때문에 마이크로파용 소재로 이용하기에 부적당하다. 즉, 다결정 YIG의 경우, 결정 자기 이방성 정수와 기공율이 크기 때문에, 단결정 YIG에 비하여 고주파수에서 공명 손실이 큰 단점을 가지고 있다.

따라서 다결정 YIG의 이러한 특성을 향상시키기 위하여 분말 처리 및 소결 기술을 이용하여 치밀한 소결체를 얻기 위한 노력과 금속 이온을 치환 첨가하여 자기 모우먼트(magnetic moment)를 크게 하고, 결정 자기 이방성 상수를 작게 하여 자기적 성질을 향상시켜야 한다.

본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고주파에서 공명 손실이 매우 작은 마이크로파용 자성 재료로 사용되는 조성물 및 그의 제조 방법을 제공하는데 있다.

이를 위해서 본 발명에서는 순수한 다결정 YIG에 첨가물을 치환하여 공명 손실을 작게 한다. 그리고 고가의 희토류 원소 대신에 저렴한 비용의 원소를 치환함으로써, 제조 단가를 낮추었다.

도 1은 본 발명에 따른 마이크로파용 자성 조성물의 치환 첨가량과 소결 온도 변화에 따른 초기 투자율을 나타낸 파형도;

도 2는 본 발명에 따른 마이크로파용 자성 조성물의 치환 첨가량에 의한 포화자화와 큐리 온도의 변화를 나타내는 파형도; 그리고

도 3은 본 발명에 따른 마이크로파용 자성 조성물의 치환 첨가량에 의한 강자성 공명 흡수선폭의 변화를 나타내는 파형도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

X : 치환 첨가량

4πMs : 포화자화

Tc : 큐리 온도

ΔH : 강자성 공명 흡수 선폭

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 특징에 의하면, 마이크로파용 자성체에 적합한 조성물은, 순수한 다결정 이트륨철가네트(YIG)의 금속 물질을 공명 손실을 작게 하기 위한 첨가물로 치환하고, 희토류 원소 Y2O3를 원소 CaCO3로 치환하여 마이크로파용 자성체를 형성한다.

이 특징의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 조성물은 Y3-xCaxFe5-xZrxO12로 표시되는 조성계에서 치환 첨가량이 0.2 내지 0.8 인 마이크로파용 자성체로 형성된다.

이 특징의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 조성물은 Y3-xCaxFe5-xInxO12로 표시되는 조성계에서 치환 첨가량이 0.2 내지 0.8 인 마이크로파용 자성체로 형성된다.

이 특징의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 조성물은 Y3-xCaxFe5-xSnxO12로 표시되는 조성계에서 치환 첨가량이 0.2 내지 0.8 인 마이크로파용 자성체로 형성된다.

따라서 본 발명에 의하면, 순수한 다결정 YIG에 첨가물을 치환하여 공명 손실을 작게 한다. 그리고 고가의 희토류 원소 대신에 저렴한 비용의 원소를 치환함으로써, 제조 단가를 낮추었다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 마이크로파용 자성 조성물의 치환 첨가량과 소결 온도 변화에 따른 초기 투자율을 나타낸 파형도이다.

상기 마이크로파용 자성 조성물은 예컨대, Y3-xCaXFe5-xZrxO12인 조성물로서, 도면에서는 이들 조성에서 Ca와 Zr의 치환 첨가량과 소결 온도 변화에 따른 초기 투자율을 나타내고 있다.

도면에 나타낸 바와 같이, 치환 첨가량(X)과 소결 온도가 증가함에 따라 초기 투자율이 증가함을 알 수 있다.

YIG에서의 자기 이방성은 주로 팔면체 자리의 Fe3+ 이온에 기인한 것으로 알려져 있다. 따라서 팔면체 자리의 Fe3+ 이온 대신에 비자성 이온을 치환 첨가함으로서, 자기 이방성을 감소시킬 수 있으며, 이로 인하여 초기 투자율이 증가한다.

그리고 소결 온도가 증가함에 따라 초기 투자율의 증가는 입자 크기 즉, 그레인 크기(grain size)가 커지기 때문이다.

도 2는 본 발명에 따른 마이크로파용 자성 조성물의 치환 첨가량에 의한 포화자화와 큐리 온도의 변화를 나타내는 파형도이다.

이는 Y3-xCaXFe5-xZrxO12 조성물에서 치환 첨가량(X)에 따른 포화자화(4πMs)와 큐리 온도(Tc)의 변화를 나타낸 것이다.

도면을 참조하면, 표화자화(4πMs)는 치환 첨가량 X = 0.2에서 최대를 나타낸 후, 그 이상 첨가시에는 감소하였으며, 큐리 온도(Tc)는 치환 첨가량(X)이 증가함에 따라 감소하였다.

YIG 결정 구조 내에서 Y3+ 이온은 c 사이트(dodecahedron site)를 점유하고,Fe3+ 이온은 a 사이트(octahedron site)와 d 사이트(tetrahedron site)에 2 : 3의 비율로 분포하고 있다.

이들의 각 격자점의 자기 모우멘트(magnetic moment)는 초교환 상호 작용에 의해서 결합된다. 그리고 a-d 간의 결합이 보다 강하고, a,d 부격자의 자기 모우멘트응 서로 역방향을 향하고 있다. YIG의 단위 정당 순자기 모우멘트는 다음의 식 1과 같이 계산한다.

여기서 mc는 Y3+ 이온의 자기 모우멘트로써, 0의 값을 갖는다. 따라서 YIG의 순자기 모우멘트는 a 사이트와 d 사이트의 자기 모우멘트의 차이에 해당된다.

Y3-xCaXFe5-xZrxO12 조성물에서 a 사이트의 Fe3+ 이온 대신에 비자성 이온 Zr4+ 이온을 치환시킴에 따라 자기 모우멘트가 증가하나, 치환 첨가량(X)가 0.4 이상에서는 a-d 간의 초교환 상호 작용이 약하게 되어 완전한 반 평행성이 파괴되기 때문에 자기 모우멘트가 감소하여 포화자화(4πMs) 값이 감소하게 된다.

Y3-xCaXFe5-xZrxO12 조성물에서 팔면체 자리의 Fe3+ 이온 대신에 Zr4+ 이온을 치환시킴에 따라 자기 이방성 상수의 감소로 인하여 큐리 온도(Tc)가 감소하게 된다.

다결정 YIG의 강자성 공명 흡수 선폭(ΔH)은 다음 식 2에 의해서 얻을 수 있다.

여기서 우변 제 1 항은 동일 조성의 단결정의 ΔH 이고, 제 2 항은 이방성 자성에 의한 증가분, 그리고 제 3 항은 기공 등 비자성 물질에 의한 증가분이다.

상기 식 2에서와 같이, 자기 이방성 정수(K1)를 작게 하고, 포화자화(4πMs) 값을 크게 하며 기공율은 적게 하므로서, 좁은 공명 흡수 선폭(ΔH)을 얻을 수 있다.

그리고 자기 이방성 상수(K1)와 포화자화(4πMs) 값은 조성에 의하여 제어가 가능하고, 기공율과 같은 미세 구조는 제조 조건에 의하여 제어가 가능하다.

그리고 도 3은 본 발명에 따른 마이크로파용 자성 조성물의 치환 첨가량에 의한 강자성 공명 흡수 선폭의 변화를 나타내는 파형도이다.

도면을 참조하면, 치환 첨가량(X)이 0.2 ~ 0.4 에서는 비교적 소결 밀도가 높고, 포화자화(4πMs) 값이 크기 때문에 Ca 이온과 Zr 이온의 치환 첨가량(X)에 따른 강자성 공명 흡수 선폭(ΔH)은 좁게 나타난다.

그리고 치환 첨가량(X)가 0.6 이상에서는 소결 밀도가 낮고, 포화자화(4πMs) 값이 작아 순수한 YIG에 비하여 오히려 증가하는 것을 나타낸다.

그리고 본 발명에 의한 Y3-xCaXFe5-xZrxO12 조성물을 1,400 ℃ 8 시간 소결하였을 때, 치환 첨가량(X)의 변화에 따른 특성을 종합하여 아래의 표 1에 나타내었다.

상기 표 1은 본 발명에 의한 Y3-xCaXFe5-xZrxO12 조성물을 1,400 ℃ 8 시간 소결하였을 때, 치환 첨가량(X)에 따른 소결 밀도(bulk density), 초기 투자율(initial permeablility), 포화자화(saturation magnetization), 큐리 온도(curie temperature), 강자성 공명 흡수 선폭(FMR line width) 등의 특성을 나타낸 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 자성체 조성물은 기존에 순수한 다결정 YIG(Y3Fe5O12)에 비해 마이크로파 대역에서 자기적 손실의 척도가 되는 강자성 공명 흡수 선폭(ΔH)이 좁고, 포화자화 값이 우수하며, 온도의 안전성에 척도가 되는 큐리 온도(Tc)가 높아 X 밴드 대역에서 공명기(resonator), 오실레이터, 절연자 또는 산술기 등의 마이크로파용 소자로 응용할 수 있다.

또한 순수한 다결정 YIG(Y3Fe5O12)에 비하여 소결 온도가 낮고, 고가의 희토류 원소 대신 저렴한 비용의 원소를 치환함으로써, 제조 단가를 낮출 수 있다.

Claims (4)

1. 마이크로파용 자성체에 적합한 조성물에 있어서:

   순수한 다결정 이트륨철가네트(YIG)의 금속 물질을 공명 손실을 작게 하기 위한 첨가물로 치환하고, 희토류 원소 Y2O3를 원소 CaCO3로 치환하여 마이크로파용 자성체를 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로파용 자성체 조성물.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 조성물은 Y3-xCaxFe5-xZrxO12로 표시되는 조성계에서 치환 첨가량이 0.2 내지 0.8 인 마이크로파용 자성체로 형성되는 것을 특징으로 하는 조성물.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 조성물은 Y3-xCaxFe5-xInxO12로 표시되는 조성계에서 치환 첨가량이 0.2 내지 0.8 인 마이크로파용 자성체로 형성되는 것을 특징으로 하는 조성물.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 조성물은 Y3-xCaxFe5-xSnxO12로 표시되는 조성계에서 치환 첨가량이 0.2 내지 0.8 인 마이크로파용 자성체로 형성되는 것을 특징으로 하는 조성물.