KR20170040282A - 극초단파 안테나에서 사용하기 위한 co2 z-형 페라이트 복합 물질 - Google Patents

극초단파 안테나에서 사용하기 위한 co2 z-형 페라이트 복합 물질 Download PDF

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KR20170040282A
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Abstract

Ba, Co, Fe, 및 Ir을 함유하고 Z-형 헥사페라이트 상 및 Y-형 헥사페라이트 상을 지니는, 페라이트 조성물이 제공된다. 페라이트 조성물은 화학식 Ba3Co(2+x)IrxFe(24-2x)O41(x = 0.05 - 0.20)를 지닌다. 조성물은 낮은 자기 및 유전 손실 인자를 보유하면서 동일하거나 실질적으로 동일한 투과율 및 유전율의 값을 지닌다. 조성물은 극초단파 적용, 예컨대, 고주파수 및 마이크로파 안테나에 적합하다.

Description

극초단파 안테나에서 사용하기 위한 CO2 Z-형 페라이트 복합 물질{CO2 Z-TYPE FERRITE COMPOSITE MATERIAL FOR USE IN ULTRA-HIGH FREQUENCY ANTENNAS}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2014년 7월 31일에 "Low loss factor Co2Z ferrite composites with identical permittivity and permeability for ultra-high frequency applications (.3-1 GHz),"라는 발명의 명칭으로 출원된 미국 가출원 제62/031,369호에 대해 35 § 119(e) 하에 우선권을 주장하며, 본원에서는 상기 출원의 개시 내용을 참조로 포함한다.
연방정부 후원된 연구 또는 개발에 대한 대한 진술
N/A
다양한 상업적 및 방위 관련 산업에서 특히 관심을 받고 있는 극초단파(ultrahigh frequency: UHF), L-밴드, 및 S-밴드 적용에서 사용되는 장치의 점점 더 증가되고 있는 요건을 충족시키기 위해서는 개선된 성능 및 소형화가 필요하다. 레이더 및 현대 무선 통신 시스템에서 중요한 부품으로서, 컴팩트(compact) 크기를 지니는 안테나 엘리먼트(element)가 지속적으로 개발되고 있다. 그러나, 그러한 고주파수 적용에서의 사용을 위한 페라이트 물질을 개발하는 것은 어렵다. 공지된 페라이트 물질은 고주파수에서 비교적 높은 자기 손실을 나타내며, 이는 실제 안테나 설계의 필요성을 충족시키지 못하였다.
본 발명은 극초단파(UHF) 범위로 작동되는 전기 장치에서 자성 물질로서 유용한 페라이트 조성물에 관한 것이다. 페라이트 조성물은 Ba, Co, 및 Ir을 포함하고, Z-형 헥사페라이트 상 및 Y-형 헥사페라이트 상을 포함한다. 본 발명은 또한 페라이트 조성물을 제조하는 방법 및 페라이트 조성물을 포함하는 부품 또는 장치에 관한 것이다.
본 발명의 다른 양태는 하기를 포함한다:
1. Ba, Co, Fe, 및 Ir을 포함하는 페라이트 조성물로서, 상기 페라이트 조성물이 Z-형 헥사페라이트 상 및 Y-형 헥사페라이트 상을 포함하는, 페라이트 조성물.
2. 제 1 항목에 있어서, 화학식 Ba3Co(2+x)IrxFe(24-2x)O41(x = 0.05 - 0.20)을 지니는, 페라이트 조성물.
3. 제 1 항목 또는 제 2 항목에 있어서, x = 0.12 - 0.15인, 페라이트 조성물.
4. 제 1 항목 내지 제 3 항목 중 어느 한 항목에 있어서, Z-형 헥사페라이트 상이 65 vol.% 내지 97.5 vol %의 범위이고, Y-형 헥사페라이트 상이 2.5 vol.% 내지 35 vol.%의 범위인, 페라이트 조성물.
5. 제 1 항목 내지 제 3 항목 중 어느 한 항목에 있어서, Z-형 헥사페라이트 상이 65 vol.% 내지 97.5 vol %의 범위이고, Y-형 헥사페라이트 상이 나머지인, 페라이트 조성물.
6. 제 1 항목 내지 제 4 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 0.2 내지 5.0 wt.% 범위의 Bi2O3를 추가로 포함하는, 페라이트 조성물.
7. 제 1 항목 내지 제 4 항목 및 제 6 항목 중 어느 한 항목에 있어서, Bi2O3가 Z-형 헥사페라이트 상 및 Y-형 헥사페라이트 상의 결정립 경계(grain boundary)에서 존재하는, 페라이트 조성물.
8. 제 1 항목 내지 제 7 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 페라이트 조성물이 약 7 내지 약 8 범위의 실제 유전율(permittivity)을 지니는, 페라이트 조성물.
9. 제 1 항목 내지 제 8 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 페라이트 조성물이 약 7 내지 약 8 범위의 실제 투과율(permeability)을 지니는, 페라이트 조성물.
10. 제 1 항목 내지 제 9 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 페라이트 조성물의 실제 유전율이 10% 이내로 페라이트 조성물의 실제 투과율(permeability)과 동일한, 페라이트 조성물.
11. 제 1 항목 내지 제 10 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 페라이트 조성물이 3% 이내로 자유 공간(free space)의 임피던스(impedance)에 매칭(matching)하는 특유의 임피던스를 지니는, 페라이트 조성물.
12. 제 1 항목 내지 제 11 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 페라이트 조성물이 0.65 내지 0.85 GHz의 주파수 범위에 걸쳐 0.05 내지 0.07 범위의 유전 손실 탄젠트(tanδε)를 지니는, 페라이트 조성물.
13. 제 1 항목 내지 제 12 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 페라이트 조성물이 0.65 내지 0.85 GHz의 주파수 범위에 걸쳐 0.07 내지 0.29 범위의 자기 손실 탄젠트(tanδμ)를 지니는, 페라이트 조성물.
14. 제 1 항목 내지 제 13 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 페라이트 조성물이 0.8 GHz의 주파수에서 0.008 ± 20%의 유전 손실 인자(tanδε/ε')를 지니는, 페라이트 조성물.
15. 제 1 항목 내지 제 14 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 페라이트 조성물이 0.8 GHz의 주파수에서 0.037 ± 10%의 자기 손실 인자(tanδμ/μ')를 지니는, 페라이트 조성물.
16. 제 1 항목 내지 제 15 항목 중 어느 한 항목의 페라이트 조성물을 포함하는 부품.
17. 제 1 항목 내지 제 16 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 부품이 안테나, 필터, 인덕터(inductor), 서큘레이터(circulator), 또는 상 변환기(phase shifter)인, 부품.
18. 제 1 항목 내지 제 17 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 부품이 마이크로파 안테나인, 부품.
19. 제 1 항목 내지 제 18 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 부품이 0.1 GHz 또는 그 초과의 주파수에서 작동가능한 안테나인, 부품.
20. 제 1 항목 내지 제 19 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 부품이 0.3 GHz 또는 그 초과의 주파수에서 작동가능한 안테나인, 부품.
21. 제 1 항목 내지 제 18 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 부품이 0.1 내지 1.5 GHz에서 작동가능한 안테나인, 부품.
22. 제 1 항목 내지 제 18 항목 및 제 21 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 부품이 0.3 내지 1.0 GHz에서 작동가능한 안테나인, 부품.
23. 페라이트 조성물을 제조하는 방법으로서,
(a) Fe, Ba, Co, 및 Ir을 포함하는 헥사페라이트 상 전구체 화합물을 제공하는 단계, 및
(b) 공기 중에 헥사페라이트 상 전구체 화합물을 하소시켜 Z-형 헥사페라이트 상 및 Y-형 헥사페라이트 상을 포함하는 물질을 형성시키는 단계를 포함하는 방법.
24. 제 23 항목에 있어서, 헥사페라이트 상 전구체 화합물이 Fe, Ba, Co, 및 Ir의 산화물을 포함하는 방법.
25. 제 23 항목 또는 제 24 항목에 있어서, 헥사페라이트 상 전구체 화합물이 IrO2, BaCO3, Co3O4, 및 Fe2O3를 포함하는 방법.
26. 제 23 항목 내지 제 25 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 헥사페라이트 상 전구체 화합물이 0.2 내지 2 wt.%의 IrO2, 20-25 wt.%의 BaCO3, 5-7 wt.%의 Co3O4, 및 68-74 wt.%의 Fe2O3를 포함하는 방법.
27. 제 23 항목 내지 제 26 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 단계 (b)에서 전구체 화합물이 1000 내지 1200℃에서 2 내지 10시간 동안 하소되는 방법.
28. 제 23 항목 내지 제 27 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 단계 (b) 후에 Bi2O3을 첨가함을 추가로 포함하는 방법.
29. 제 23 항목 내지 제 28 항목 중 어느 한 항목에 있어서, Bi2O3가 0.2 내지 5.0 wt.%의 범위인 방법.
30. 제 23 항목 내지 제 29 항목 중 어느 한 항목에 있어서,
(c) 단계 (b)에서 형성된 물질을 파쇄하여 분말 혼합물을 형성시키는 단계, 및
(d) 분말 혼합물을 소결시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
31. 제 23 항목 내지 제 30 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 분말 혼합물이 1250 내지 1280℃에서 소결되는 방법.
32. 제 23 항목 내지 제 31 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 분말 혼합물이 2 내지 10시간 동안 소결되는 방법.
33. 제 23 항목 내지 제 32 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 분말 혼합물이 산소 분위기에서 소결되는 방법.
34. 제 23 항목 내지 제 33 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 단계 (d) 전에 분말 혼합물을 컴팩트(compact)로 형성시킴을 추가로 포함하는 방법.
35. 제 23 항목 내지 제 34 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 분말 혼합물에 결합제를 첨가함을 추가로 포함하는 방법.
36. 제 23 항목 내지 제 35 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 결합제가 폴리비닐 알코올, 메틸 셀룰로오스, 폴리에틸렌 글리콜, 및 폴리(알킬렌 카보네이트)로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
37. 제 23 항목 내지 제 36 항목 중 어느 한 항목에 있어서, 폴리비닐 알코올이 분말 혼합물의 8중량% 내지 12중량%인 방법.
본 발명은 첨부된 도면과 함께 기재된 하기 상세한 설명으로부터 더 충분히 이해될 것이다.
도 1a는 M-형 상 헥사페라이트의 개략적 결정 구조 다이어그램이다.
도 1b는 Z-형 상 헥사페라이트의 개략적 결정 구조 다이어그램이다.
도 1c는 Y-형 상 헥사페라이트의 개략적 결정 구조 다이어그램이다.
도 2는 본 발명에 따른 페라이트 조성물의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 3은 다양한 이리듐 농도(x)에서 복합 페라이트 샘플의 X-선 회절 패턴을 도시한 그래프이다.
도 4는 다양한 이리듐 농도(x)에서 Z-형 및 Y-형 상의 상 비율을 도시한 그래프이다.
도 5는 계산된 근사치 및 실험 데이터를 보여주는 다양한 Co2Z 부피 분율에서의 실제 유전율 및 투과율의 그래프이다.
도 6a는 0.8 GHz에서 다양한 이리듐 농도에서의 복합 페라이트의 실제 유전율 및 투과율을 보여주는 그래프이다.
도 6b는 0.8 GHz에서 다양한 이리듐 농도에서의 투과율과 유전율 및 유전 손실 탄젠트(tan δε)와 자기 손실 탄젠트(tan δμ)의 비율 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7은 0.3 내지 1.0 GHz에 걸친 세 개의 샘플, 즉, 샘플 A, B, 및 C의 실제 유전율과 실제 투과율 및 유전 및 자기 손실 탄젠트의 그래프이다.
본 출원은 2014년 7월 31일에 "Low loss factor Co2Z ferrite composites with identical permittivity and permeability for ultra-high frequency applications (.3-1 GHz)"라는 발명의 명칭으로 출원된 미국 가출원 제62/031,369호의 전체 개시 내용을 참조로 포함한다.
육방정계 페라이트, 또는 헥사페라이트는 육방정계 결정 구조를 지니고 자성 특성을 나타내는 철-산화물 세라믹 화합물의 유형이다. Z-형 페라이트인 Ba3Me2Fe24O41, 및 Y-형 페라이트인 Ba2Me2Fe12O22(Me는 작은 2+ 양이온, 예컨대, Co, Ni, 또는 Zn일 수 있음)를 포함하는 여러 유형 또는 계열의 헥사페라이트는 공지되어 있다. Sr은 Ba로 치환될 수 있다. 다른 헥사페라이트 유형은 M-형 페라이트 ((Ba,Sr)Fe12O19), W-형 페라이트 ((Ba,Sr)Me2Fe16O27), X-형 페라이트 ((Ba,Sr)2Me2Fe28O46), 및 U-형 페라이트 ((Ba,Sr)4Me2Fe36O60)를 포함한다.
높은 투과성 및 낮은 차단 주파수(cut-off frequency)를 지니는 스피넬 페라이트에 비해, 일부 헥사페라이트, 예컨대, 코발트-치환된 바륨 Y-형 (Co2Y) 및 Z-형 (Co2Z) 헥사페라이트는 훨씬 더 높은 강자성 공명 주파수 및 투과성을 지닌다. 이러한 자성 특성은 이러한 육방정계 페라이트가 안테나, 필터, 인덕터, 및 서큘레이터와 같은 고주파수 적용 및 장치에서 주목을 끌게 한다. 극초단파 (UHF) 범위는 0.3 GHz 내지 3 GHz이다. 마이크로파 주파수 범위는 0.3 GHz 내지 300 GHz이다. 그러나, 낮은 자기 및 유전 손실 탄젠트(tanδμ, tanδε) 및 손실 인자(tanδμ/μ, tanδε/ε)뿐만 아니라 같거나 실질적으로 같은 값의 상대 투과율(μ) 및 상대 유전율(ε)을 지니는 고주파수 및 마이크로파 장치를 설계하는 것은 어려웠다. (본원에 사용되는 투과율 및 유전율 값은 각각 상대 투과율 및 상대 유전율이다.)
본 발명은 극초단파 (UHF) 및 마이크로파 적용에서 작동하기에 적합한 페라이트 조성물에 관한 것이다. 특히, Ba, Co, 및 Ir을 함유하고 Z-형 헥사페라이트 상 및 Y-형 헥사페라이트 상을 지니는 페라이트 조성물이 제공된다. Y-형 상은 이리듐의 도핑으로 이차 상으로서 나타나는데, 이는 유전 및 자성 손실을 감소시키는 것을 돕는다. 페라이트 조성물은 하기 화학식을 지닌다:
Ba3Co(2+x)IrxFe(24-2x)O41
일부 구체예에서, x = 0.05 내지 0.2이다. 다른 구체예에서, x = 0.12 내지 0.15이다.
Y-형 및 Z-형 헥사페라이트의 일부 특성은 표 1에 나타나 있다.
표 1:
Figure pct00001
M-형 상, Y-형 상, 및 Z-형 상 헥사페라이트의 개략적 결정 구조 다이어그램은 도 1a-1c에 도시되어 있다. 페라이트 화합물은 R, S, 및 T 층 또는 이러한 층들의 작은 변형으로 제조될 수 있다.
본 발명의 페라이트 조성물의 일부 구체예에서, X-형 상은 65 중량% 내지 97.5 중량%의 범위일 수 있고, 나머지는 Y-형 상이다. 일부 구체예에서, 결정립 크기는 100 내지 200 μm의 범위일 수 있다. 페라이트 조성물의 현미경 사진은 도 2에 도시되어 있다.
페라이트 조성물은 UHF 범위 내에서 낮은 유전 손실 인자 및 자기 손실 인자를 지닌다. 일부 구체예에서, 페라이트 조성물은 0.8 GHz의 주파수에서 0.008 ± 20%의 유전 손실 인자 tanδε/ε' 및 0.037 ± 10%의 자기 손실 인자 tanδμ/μ'를 지닌다.
일부 구체예에서, Bi2O3는 페라이트 조성물에 첨가될 수 있다. Z-형 헥사페라이트 상 및 Y-형 헥사페라이트 상의 결정립 경계에서 존재하는 Bi2O3의 첨가는 낮은 자기 및 유전 손실 인자를 보유하면서 같거나 실질적으로 같은 투과율 및 유전율 값을 지니는 조성물을 달성하는 것을 돕는다. 일부 구체예에서, Bi2O3는 0.2 내지 5.0 wt.%의 범위일 수 있다.
일부 구체예에서, 페라이트 조성물은 약 7 내지 약 8 범위의 실제 유전율, 및 약 7 내지 약 8 범위의 실제 투과율을 지닌다. 한 가지 구체예에서, 실제 유전율은 10% 이내로 페라이트 조성물의 실제 투과율과 같다. 다른 구체예에서, 실제 유전율 및 실제 투과율은 15% 이내, 5% 이내, 2% 이내 또는 1% 이내로 같을 수 있다. 페라이트 조성물은 3% 이내로 자유 공간의 임피던스에 매칭하는 특유의 임피던스를 지닐 수 있다. 다른 구체예에서, 특유의 임피던스는 자유 공간의 임피던스에 5% 이내, 2% 이내 또는 1% 이내로 매칭할 수 있다.
페라이트 조성물은 어떠한 적합한 방식으로 제작될 수 있다. 한 가지 구체예에서, 페라이트 조성물은 Ir, Ba, 및 Co를 포함한 헥사페라이트 상 전구체 화합물을 제공함으로써 제작될 수 있다. 전구체 화합물은 공기 중에서 하소되어 Z-형 헥사페라이트 상 및 Y-형 헥사페라이트 상을 포함하는 물질을 형성시킨다. 생성된 물질은 분말 혼합물을 형성시키도록 파쇄될 수 있고, 분말 혼합물은 고형 바디(body)를 형성시키도록 성형되고 소결될 수 있다.
한 가지 예시적인 구체예에서, IrO2, BaCO3, Co3O4, 및 Fe2O3의 혼합물이 제공된다. 적합한 양은 0.2 내지 2 wt.%의 IrO2, 20-25 wt.%의 BaCO3, 5-7 wt.%의 Co3O4, 및 68-74 wt.%의 Fe2O3이다. 혼합물은 공기 중에서 하소되어 Z-형 및 Y-형 헥사페라이트 상을 형성시킨다. 생성된 물질은 파쇄되고 볼 밀링(ball milling)되어 분말 혼합물을 형성시킨다. 0.2 내지 5.0 wt.% 범위의 Bi2O3는 하소 단계 후에 분말 혼합물에 첨가될 수 있다. 분말 혼합물은 컴팩트 모양을 유지하는 것을 보조하기 위해서 결합제의 첨가와 함께 컴팩트로 형성된다. 적합한 결합제는 폴리비닐 알코올, 메틸 셀룰로오스, 폴리에틸렌 글리콜, 또는 폴리(알킬렌 카보네이트)를 포함한다. 결합제는 분말 혼합물의 8 내지 12 중량%의 범위일 수 있다. 결합제는 후속 소결 동안 소성된다.
컴팩트는 적합한 온도에서 적합한 시간 동안 소결된다. 일부 구체예에서, 컴팩트는 1250 내지 1280℃에서 소결될 수 있다. 일부 구체예에서, 컴팩트는 2 내지 10시간 동안 소결될 수 있다. 컴팩트는 유전 손실을 감소시키는 것을 돕기 위해 산소 분위기 하에서 소결될 수 있다. 예를 들어, O2 가스가 0.5 내지 2 l/m의 속도로 유동될 수 있다.
소결된 부분은 적용에 좌우하여 어떠한 요망되는 방식으로, 예컨대, 절단하고 연마함으로써 다듬어질 수 있다.
다른 구체예에서, 분말 혼합물은 소결 전에 테이프 캐스팅(tape casting) 또는 적층 제조(additive manufacturing)와 같은 메카니즘에 의해 형성될 수 있다.
페라이트 조성물은 UHF 범위 내에서 작동 가능한 다양한 장치, 예컨대, 고주파수 또는 마이크로파 안테나, 필터, 인덕터, 서큘레이터, 또는 상 변환기를 위해 사용될 수 있다. 일부 구체예에서, 장치는 0.1 GHz보다 높은 주파수, 다른 구체예에서 0.3 GHz 초과의 주파수에서 작동가능할 수 있다. 장치는 0.1 내지 1.5 GHz의 주파수 범위에 걸쳐 작동가능할 수 있다. 다른 구체예에서, 장치는 0.3 내지 1.0 GHz의 주파수 범위에 걸쳐 작동가능할 수 있다. 그러한 장치는 상업적 및 방위 적용, 기상 레이더(weather radar), 과학적 통신, 모바일 및 무선 통신, 자율주행차(autonomous vehicle), 항공기 통신, 우주 통신, 위성 통신, 및 감시(surveillance)에서 사용될 수 있다.
실시예 1
Ba3Co2 + xIrxFe24 - 2xO41(x=0, 0.05, 0.10, 0.15 및 0.20)의 조성을 지니는 다결정질 Co2Z 페라이트를 세라믹 공정에 의해 제조하였다. BaCO3, IrO2, Co3O4, 및 Fe2O3의 출발 물질을 1000℃에서 6시간 동안 공기 중에 하소시켜 페라이트 상을 형성시킨 후, 파쇄하고 볼 밀링하였다. 90 vol.%의 페라이트 미세 분말 및 10 vol.%의 폴리비닐 알코올 (PVA) 결합제를 포함하는 혼합물을 제조하고, 7 mm의 외경, 3 mm의 내경, 및 약 2 mm의 폭을 지니는 토로이드(toroid)로 압착하였다. 이러한 샘플 크기는 마이크로파 측정에 충분했다. 페라이트 샘플을 산소 분위기하에 1250-1280 ℃에서 4시간 동안 소결시켰다.
생성된 페라이트 조성물의 결정학적 구조의 X-선 회절(XRD) 특성화로 이리듐 양이 증가함에 따라서 Y-형 상의 양을 증가시킴으로써 달성되는 Z-형 상이 입증되었다. Y-형 상은 이리듐의 도핑으로 이차 상으로서 나타났고, 유전 및 자기 손실을 감소시키는 것을 도와 주었다. 측정된 마이크로파 유전 및 자기 특성은 각각 x가 0.12 내지 0.15인 이리듐의 첨가로 0.8 GHz에서 손실 tanδε 및 손실 tanδμ이 80% 및 90%로 감소되었음을 보여주었다.
CuKα 방사선을 사용함으로써 θ-2θ 기하학적 구조로 실온에서 Philips X'pert PRO 회절계를 사용하여 X-선 회절 측정에 의해 결정학적 구조를 측정하였다. 복합 유전율과 투과율 스펙트럼을 Agilent E864A 45MHz-50GHz PNA 시리즈 네트워크 분석기 및 7 mm HP 85050C 정밀 에어라인(precision airline)으로 0.3-1 GHz의 주파수 범위에 걸쳐 측정하였다.
도 3을 참조하면, 회절 라인 모두는 Z-형이나 Y-형 헥사페라이트 결정학적 상으로 색인되었다. 도 3에서, Z-형 상은 실선으로 나타나 있고, Y-형 상은 피크에서 점으로 나타나 있다. Z-형 상은 1200℃ 보다 높은 온도에서 열-처리하는 경우에 지배적인 상이다. 이리듐 양은 x = 0, 0.05, 0.1, 0.15, 및 0.2로 나타나 있다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 이리듐이 존재하지 않는, 즉, x=0인 경우, 결과는 소량의 Y-형 상과 함께 거의 오로지 Z-형 상을 보여주고 있다. 이리듐이 증가하면, Y-형 피크의 양이 증가할 뿐만 아니라 피크 세기가 증가하는 것으로 보여질 수 있다. Z-형 및 Y-형 상의 양은 XRD 데이터를 기초로 하여 계산하였고, 비율은 도 4에 나타나 있다. 이리듐의 양, 즉, x가 0.2로 증가하면 Z-형 상의 중량 비율은 97.5%에서 65.1%로 감소되었다. 이리듐으로의 도핑은 결정 구조를 준-단일 상에서 두 개의 상 시스템으로 변화시킨다는 것을 알 수 있다.
복합 페라이트의 마이크로파 특성에 대한 영향을 연구하기 위해, 효과적인 중간 근사치가 사용되었다. 거의 일반적인 이론은 Maxwell-Garnet (MG) 및 Bruggeman 식이다. MG 모델은 일반적으로 낮거나 높은 충전 인자에 대하여 유효한 것으로 예상되지만, Bruggeman 모델에서 두 개의 상은 동일하게 기여한다. 따라서, Bruggeman 모델은 흔히 중간의 충전 인자로 사용된다. 본 발명의 경우에, Z-형 상이 지배적이고, 따라서 MG 근사치가 적용된다. 복합 페라이트가 무작위 분포로 구형 함유물을 포함한다고 가정해 볼 때, 페라이트 조성물의 효과적인 유전율(εe) 및 투과율(μe)은 하기로 주어진다:
Figure pct00002
상기 식에서, εZ, εY, μY 및 μZ는 각각 Z-형 및 Y-형 상의 상대 유전율 및 상대 투과율이고, p는 Z-형 상의 부피 분율이다. 다양한 부피 분율을 지니는 페라이트 조성물의 효과적인 실제 유전율 및 투과율 부분은 도 5에 나타나 있다. 점 및 정사각형 부호는 실험 데이터를 나타내고, 실선은 식 (1) 및 (2)을 적용한 결과의 가장 우수한 피트이다. Y-형 및 Z-형 페라이트는 거의 동일한 부피 밀도, 즉, ~5.3 g/cm3를 지니기 때문에, 계산된 상 비율(중량)은 부피 분율로 용이하게 변환될 수 있으며, 이는 도 3의 x 축을 따라 나타나 있다. 실험과 이론 사이의 관계는 MG 근사치를 이용하여 우수하게 일치하였다.
0.8 GHz에서 이리듐으로 도핑됨으로써 영향을 받은 복합 페라이트의 실제 유전율 및 실제 투과율의 값은 도 6a에 나타나 있다. 도 6a에서 4개의 곡선은 실제 유전율, 실제 투과율, 유전 손실 및 자기 손실을 나타낸다. 약간 도핑된 샘플의 경우, 4개의 파라미터는 유의하게 감소되었다. 이리듐 함량이 추가로 증가되면, 이러한 파라미터는 더욱 서서히 감소된다. 손실 tan δε 및 손실 tan δμ의 값은 x가 0.12 및 이후 증가하면 이들의 최소값을 충족시키는데, 이는 도 6b에서 알 수 있다. 다양한 이리듐 양으로의 파라미터의 비율 변화는 도 6b에 나타나 있다. 이리듐 양 x가 각각 0.12 및 0.15인 경우에, 손실 tan δε 및 손실 tan δμ 값은 감소되지만, 실제 유전율 및 실제 투과율은 각각 30% 및 50%로 감소되었다. 유전 및 자기 손실의 감소는 실제 유전율 및 투과율의 거의 2배 만큼 많다.
실시예 2
복합 페라이트의 실제 및 복합 유전율 및 투과율에 대한 첨가제 Bi2O3의 영향을 또한 연구하였다. 마이크로파 측정을 위해 다양한 양의 Bi2O3(0.2 내지 5.0 wt.% 범위) 및 이리듐 양(x=0.12-0.15)을 지니는 A, B 및 C로 표시된 샘플을 제조하였다. Bi2O3 및 Ir의 양은 표 2에 나타나 있다.
표 2:
Figure pct00003
도 5는 0.3 GHz 내지 1 GHz의 주파수 범위에서의 세 개의 샘플의 상대적 실제 유전율 ε' 및 실제 투과율 μ' 스펙트럼 및 유전 및 자기 손실을 나타낸 것이다. 실제 유전율 ε'의 값은 세 개의 샘플 모두에서 실제 투과율 μ'의 값에 매우 가까웠다. 샘플 C는 실제 유전율 ε' 및 실제 투과율 μ'의 거의 같은 값으로 자유 공간에 매칭하는 우수한 임피던스 성능을 나타냈다. 유전 및 자기 손실의 경우, 세 개의 샘플 모두는 바륨 Z-형 페라이트의 보고된 데이터(예를 들어, 0.8 GHz에서 0.5 내지 1.0의 자기 손실 tan δμ)에 비해 0.5 GHz 내지 0.9 GHz의 주파수에서 비교적 더 낮은 손실 tan δε 및 손실 tan δμ를 가졌다. 샘플 A는 0.6-1.0 GHz의 고주파수 범위에서 샘플 B 및 C보다 낮은 자기 손실을 나타냈다. 다섯 개의 상이한 주파수에서 실제 유전율 ε', 실제 투과율 μ', 손실 tan δε 및 손실 tan δμ, 및 손실 인자 tanδε/ε' 및 tanδμ/μ'의 상세한 결과는 표 3에 요약되어 있다. μ'/ε'의 값은 샘플 C에 대한 0.65 GHz 내지 0.85 GHz의 주파수 범위에 걸쳐 1.0과 실질적으로 같은 것으로 밝혀졌는데, 이는 특유의 임피던스가 자유 공간 임피던스의 것과 동일하다는 것을 나타낸다. 전체 주파수 범위에 걸친 모든 샘플의 손실 tan δε는 0.65 내지 0.85 GHz의 주파수 범위에 걸쳐 0.05 내지 0.09의 범위로 약 0.07로 낮게 유지되었다. 손실 tan δμ는 0.65 GHz 내지 0.85 GHz의 주파수로 0.07에서 0.29로 증가되었다. 이는 샘플의 FMR 주파수에 근접한 주파수의 결과이다. 또한, 손실 인자(tanδε/ε' 및 tanδμ/μ')는 또한 페라이트 물질의 포괄절인 성능 평가를 하기 위해서 각각 0.8 GHz에서 0.008 및 0.037인 것으로 계산되었다. 상기 나타나 있는 바와 같이, 본 발명의 페라이트 조성물의 0.8 GHz에서의 0.2인 자기 손실과 0.8 GHz에서의 0.037인 손실 인자 둘 모두는 UHF에서 상기 보고된 페라이트 중에서 가장 낮은 값을 나타냈다.
표 3: 다섯 개의 상이한 주파수에서 샘플 A, B 및 C의 ε', μ', tan δε, tan δμ, 및 손실 tan δε 및 손실 tan δμ
Figure pct00004
본원에 기재된 구체예들의 다양한 특징은 다양한 방식으로 조합될 수 있음이 인지될 것이다. 예를 들어, 한 가지 구체예와 함께 기재된 특징은 그러한 구체예와 함께 명확하게 기재되지 않을 지라도 또 다른 구체예에 포함될 것이다.
본 발명은 특정의 바람직한 구체예와 함께 기재되었다. 본 발명은 나타나 있고 기재된 구성, 작동, 정확한 물질 또는 구체예의 정확한 세부 사항으로 제한되지 않으며, 다양한 변형, 등가물의 대체, 조성의 변경, 및 본원에 개시된 구체예에 대한 다른 변화가 당업자에게 명백할 것임을 이해해야 한다.

Claims (37)

  1. Ba, Co, Fe, 및 Ir을 포함하는 페라이트 조성물로서, 상기 페라이트 조성물이 Z-형 헥사페라이트 상 및 Y-형 헥사페라이트 상을 포함하는, 페라이트 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서, 화학식 Ba3Co(2+x)IrxFe(24-2x)O41(x = 0.05 - 0.20)을 지니는, 페라이트 조성물.
  3. 제 2 항에 있어서, x = 0.12 - 0.15인, 페라이트 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서, Z-형 헥사페라이트 상이 65 vol.% 내지 97.5 vol %의 범위이고, Y-형 헥사페라이트 상이 2.5 vol.% 내지 35 vol.%의 범위인, 페라이트 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서, Z-형 헥사페라이트 상이 65 vol.% 내지 97.5 vol %의 범위이고, Y-형 헥사페라이트 상이 나머지인, 페라이트 조성물.
  6. 제 1 항에 있어서, 0.2 내지 5.0 wt.% 범위의 Bi2O3를 추가로 포함하는, 페라이트 조성물.
  7. 제 6 항에 있어서, Bi2O3가 Z-형 헥사페라이트 상 및 Y-형 헥사페라이트 상의 결정립 경계(grain boundary)에서 존재하는, 페라이트 조성물.
  8. 제 1 항에 있어서, 페라이트 조성물이 약 7 내지 약 8 범위의 실제 유전율(permittivity)을 지니는, 페라이트 조성물.
  9. 제 1 항에 있어서, 페라이트 조성물이 약 7 내지 약 8 범위의 실제 투과율(permeability)을 지니는, 페라이트 조성물.
  10. 제 1 항에 있어서, 페라이트 조성물의 실제 유전율이 10% 이내로 페라이트 조성물의 실제 투과율과 동일한, 페라이트 조성물.
  11. 제 1 항에 있어서, 페라이트 조성물이 3% 이내로 자유 공간(free space)의 임피던스(impedance)에 매칭(matching)하는 특유의 임피던스를 지니는, 페라이트 조성물.
  12. 제 1 항에 있어서, 페라이트 조성물이 0.65 내지 0.85 GHz의 주파수 범위에 걸쳐 0.05 내지 0.07 범위의 유전 손실 탄젠트(tanδε)를 지니는, 페라이트 조성물.
  13. 제 1 항에 있어서, 페라이트 조성물이 0.65 내지 0.85 GHz의 주파수 범위에 걸쳐 0.07 내지 0.29 범위의 자기 손실 탄젠트(tanδμ)를 지니는, 페라이트 조성물.
  14. 제 1 항에 있어서, 페라이트 조성물이 0.8 GHz의 주파수에서 0.008 ± 20%의 유전 손실 인자(tanδε/ε')를 지니는, 페라이트 조성물.
  15. 제 1 항에 있어서, 페라이트 조성물이 0.8 GHz의 주파수에서 0.037 ± 10%의 자기 손실 인자(tanδμ/μ')를 지니는, 페라이트 조성물.
  16. 제 1 항의 페라이트 조성물을 포함하는 부품(part).
  17. 제 16 항에 있어서, 부품이 안테나, 필터, 인덕터(inductor), 서큘레이터(circulator), 또는 상 변환기(phase shifter)인, 부품.
  18. 제 16 항에 있어서, 부품이 마이크로파 안테나인, 부품.
  19. 제 18 항에 있어서, 부품이 0.1 GHz 또는 그 초과의 주파수에서 작동가능한 안테나인, 부품.
  20. 제 18 항에 있어서, 부품이 0.3 GHz 또는 그 초과의 주파수에서 작동가능한 안테나인, 부품.
  21. 제 18 항에 있어서, 부품이 0.1 내지 1.5 GHz에서 작동가능한 안테나인, 부품.
  22. 제 18 항에 있어서, 부품이 0.3 내지 1.0 GHz에서 작동가능한 안테나인, 부품.
  23. 페라이트 조성물을 제조하는 방법으로서,
    (a) Fe, Ba, Co, 및 Ir을 포함하는 헥사페라이트 상 전구체 화합물을 제공하는 단계, 및
    (b) 공기 중에 헥사페라이트 상 전구체 화합물을 하소시켜 Z-형 헥사페라이트 상 및 Y-형 헥사페라이트 상을 포함하는 물질을 형성시키는 단계를 포함하는, 페라이트 조성물을 제조하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서, 헥사페라이트 상 전구체 화합물이 Fe, Ba, Co, 및 Ir의 산화물을 포함하는 방법.
  25. 제 23 항에 있어서, 헥사페라이트 상 전구체 화합물이 IrO2, BaCO3, Co3O4, 및 Fe2O3를 포함하는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서, 헥사페라이트 상 전구체 화합물이 0.2 내지 2 wt.%의 IrO2, 20-25 wt.%의 BaCO3, 5-7 wt.%의 Co3O4, 및 68-74 wt.%의 Fe2O3를 포함하는 방법.
  27. 제 23 항에 있어서, 단계 (b)에서 전구체 화합물이 1000 내지 1200℃에서 2 내지 10시간 동안 하소되는 방법.
  28. 제 23 항에 있어서, 단계 (b) 후에 Bi2O3을 첨가함을 추가로 포함하는 방법.
  29. 제 28 항에 있어서, Bi2O3가 0.2 내지 5.0 wt.%의 범위인 방법.
  30. 제 23 항에 있어서,
    (c) 단계 (b)에서 형성된 물질을 파쇄하여 분말 혼합물을 형성시키는 단계, 및
    (d) 분말 혼합물을 소결시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  31. 제 30 항에 있어서, 분말 혼합물이 1250 내지 1280℃에서 소결되는 방법.
  32. 제 30 항에 있어서, 분말 혼합물이 2 내지 10시간 동안 소결되는 방법.
  33. 제 30 항에 있어서, 분말 혼합물이 산소 분위기에서 소결되는 방법.
  34. 제 30 항에 있어서, 단계 (d) 전에 분말 혼합물을 컴팩트(compact)로 형성시킴을 추가로 포함하는 방법.
  35. 제 30 항에 있어서, 분말 혼합물에 결합제를 첨가함을 추가로 포함하는 방법.
  36. 제 35 항에 있어서, 결합제가 폴리비닐 알코올, 메틸 셀룰로오스, 폴리에틸렌 글리콜, 및 폴리(알킬렌 카보네이트)로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  37. 제 36 항에 있어서, 폴리비닐 알코올이 분말 혼합물의 8중량% 내지 12중량%인 방법.
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