KR20220085776A - 나노결정질 코발트 도핑된 니켈 페라이트 입자, 이의 제조 방법 및 용도 - Google Patents

나노결정질 코발트 도핑된 니켈 페라이트 입자, 이의 제조 방법 및 용도 Download PDF

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Abstract

화학식 Ni1-x-yMyCoxFe2+zO4를 갖는 나노결정질 페라이트가 본 명세서에 기재되어 있으며, 상기 화학식에서, M은 Zn, Mg, Cu 또는 Mn 중 적어도 하나이고, x는 0.01 내지 0.8이며, y는 0.01 내지 0.8이고, z는 -0.5 내지 0.5이며, 상기 나노결정질 페라이트의 평균 입자 크기는 5 내지 100 nm이다. 상기 나노결정질 페라이트를 형성하는 방법은 고에너지 볼 밀링을 포함할 수 있다.

Description

나노결정질 코발트 도핑된 니켈 페라이트 입자, 이의 제조 방법 및 용도
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2019년 10월 17일에 출원된 미국 가특허출원 제62/916,425호의 이익을 주장한다. 관련 출원은 본원에 그 전문이 참조로 포함되어 있다.
다양한 상업 및 방위 관련 산업에서 특히 관심을 받고 있는 초고주파(ultrahigh frequency, UHF), L-대역 및 S-대역 응용 분야에 사용되는 장치에 대한 계속 증가되는 요구를 충족하려면 향상된 성능과 소형화가 필요하다. 레이더(radar) 및 최신 무선 통신 시스템의 중요한 구성요소로서 소형 크기의 안테나 소자가 지속적으로 개발되고 있다. 그러나, 대부분의 페라이트 재료가 고주파에서 상대적으로 높은 자기 손실을 나타내기 때문에 이러한 고주파 응용 분야에 사용하기 위한 페라이트 재료를 개발하는 것은 어려운 일이었다. 따라서, 고주파 응용 분야에 사용하기 위한 개선된 페라이트 재료가 요망된다.
본 명세서에서는 나노결정질 코발트 도핑된 니켈 페라이트 입자, 이의 제조 방법 및 용도가 개시되어 있다.
본 명세서에서는 하기 화학식을 갖는 나노결정질 페라이트가 개시되어 있으며: Ni1-x-yMyCoxFe2+zO4, 상기 화학식에서, M은 Zn, Mg, Cu 또는 Mn 중 적어도 하나이고, x는 0.01 내지 0.8이며, y는 0.01 내지 0.8이고, z는 -0.5 내지 0.5이며, 상기 나노결정질 페라이트의 평균 입자 크기는 5 내지 100 nm, 바람직하게는 10 내지 40 nm이다.
또한, 상기 기재된 나노결정질 페라이트 및 폴리머를 포함하는 복합재가 개시되어 있다.
상기 기재된 나노결정질 페라이트를 형성하는 방법은 니켈 페라이트 상을 갖는 밀링된 분말을 제공하기에 충분한 시간 동안 및 온도에서 Ni, M, Co 및 Fe 전구체 분말을 고에너지 볼 밀링(high energy ball milling)하는 단계, 및 평균 입자 크기가 5 내지 100 나노미터인 나노결정질 구조를 갖는 나노결정질 페라이트를 생성하기에 충분한 시간 동안 및 온도에서 밀링된 분말을 가열하는 단계를 포함한다.
상기 기재된 나노결정질 페라이트를 형성하는 대안적인 방법은 니켈 페라이트 상을 갖는 혼합된 분말을 제공하기에 충분한 시간 동안 및 온도에서 Ni, M, Co 및 Fe 전구체 분말을 혼합 및 가열하는 단계; 무질서한 원자 스케일 구조(disordered atomic-scale structure)를 갖는 밀링된 분말을 제공하기 위해 혼합된 분말을 일정 시간 동안 고에너지 볼 밀링하는 단계; 및 평균 입자 크기가 5 내지 100 nm인 나노결정질 구조를 발달시키기에 충분한 시간 동안 및 온도에서 밀링된 분말을 가열하는 단계를 포함한다.
상기 기재된 특징 및 기타 특징은 하기 도면, 상세한 설명, 및 청구범위에 의해 예시된다.
하기 도면은 예시적인 측면으로, 본 발명을 예시하기 위해 제공된다. 도면은 본 발명에 따라 제조된 장치를, 본 명세서에 기재된 재료, 조건 또는 공정 파라미터로 제한하도록 의도되지 않은 예시를 설명하는 것이다.
도 1a는 본 발명에 따른 나노결정질 구조를 갖는 구형 입자의 개략도이다.
도 1b는 본 발명에 따른 나노결정질 구조를 갖는 소판형(platelet shaped) 입자의 개략도이다.
도 1c는 본 발명에 따른 나노결정질 구조를 갖는 소판형 입자의 단면의 개략도이다.
도 2는 실시예 1에서 제조된 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2O4 입자(구형)의 XRD 패턴을 나타낸다.
도 3은 실시예 1에서 제조된 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2O4 입자-파라핀 왁스 복합재의 복소 투자율(complex permittivity)을 나타낸다.
도 4는 실시예 1에서 제조된 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2O4 입자-파라핀 왁스 복합재의 복소 유전율(complex permittivity)을 나타낸다.
도 5는 실시예 2에서 제조된 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2O4 입자-파라핀 왁스 복합재의 복소 투자율을 나타낸다.
도 6은 실시예 2에서 제조된 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2O4 입자-파라핀 왁스 복합재의 복소 유전율을 나타낸다.
도 7은 실시예 3에서 제조된 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2O4 입자-파라핀 왁스 복합재의 복소 투자율을 나타낸다.
도 8은 실시예 3에서 제조된 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2O4 입자-파라핀 왁스 복합재의 복소 유전율을 나타낸다.
도 9는 실시예 4에서 제조된 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe1.95O4 입자(구형)의 XRD 패턴을 나타낸다.
도 10은 실시예 4에서 제조된 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe1.95O4 입자의 복소 투자율을 나타낸다.
도 11은 실시예 4에서 제조된 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe1.95O4 입자의 복소 유전율을 나타낸다.
도 12는 실시예 5에서 제조된 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe1.95O4 입자의 복소 투자율을 나타낸다.
도 13은 실시예 5에서 제조된 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe1.95O4 입자의 복소 유전율을 나타낸다.
도 14는 실시예 6에서 제조된 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe1.95O4 입자의 복소 투자율을 나타낸다.
도 15는 실시예 6에서 제조된 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe1.95O4 입자의 복소 유전율을 나타낸다.
고에너지 볼 밀링은 5 내지 100 나노미터(nm)의 나노결정질 입자 크기를 갖는 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2O4와 같은 Ni1-x-yMyCoxFe2+zO4 페라이트를 제공한다는 것이 발견되었다. 이러한 페라이트는 본 명세서에서 나노결정질 페라이트로 지칭된다. 본 발명에 따른 나노결정질 페라이트는, 폴리머와 혼합되는 경우, 낮은 자기 손실, 높은 자기 투자율, 낮은 유전 상수, 또는 낮은 유전 손실 중 적어도 하나를 갖는 복합재를 제공한다. 본 명세서에 기재된 복합재는 광범위한 주파수(0.1 내지 6 GHz)에 걸쳐 안테나 기판(antenna substrate), 인덕터 코어(inductor core), 및 EMI 억제기(EMI suppressor)와 같은 응용 분야에서 특히 유용하다.
나노결정질 페라이트는 화학식 Ni1-x-yMyCoxFe2+zO4를 가지며, 상기 화학식에서, M은 Zn, Mg, Cu 또는 Mn 중 적어도 하나이고, x는 0.01 내지 0.8이며, y는 0.01 내지 0.8이고, z는 -0.5 내지 0.5이다. 나노결정질 페라이트는, 예를 들어, Scherrer 방정식을 사용하여 X-선 회절에 의해 측정될 때, 평균 입자 크기(예를 들어, 결정자(crystallite) 크기)가 5 내지 100 nm, 바람직하게는 10 내지 40 nm이지만, 입자 크기는 일반적으로 TEM으로 측정될 수 있다.
나노결정질 페라이트는 화학식 Ni1-x-yZnyCoxFe2+zO4를 가질 수 있으며, 상기 화학식에서, x는 0.1 내지 0.3이고, y는 0.2 내지 0.4이며, z는 -0.5 내지 0.1이다. 나노결정질 페라이트는 화학식 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2+zO4를 가질 수 있으며, 상기 화학식에서, z는 -0.5 내지 0이다. 나노결정질 페라이트는 화학식 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2O4 또는 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe1.95O4를 가질 수 있다.
나노결정질 페라이트는 도 1a에 예시된 바와 같이 나노크기의 입자를 포함하는 구형 입자를 포함할 수 있다. 나노결정질 페라이트는 도 1b(넓은 표면) 및 도 1c(단면)에 예시된 바와 같이 나노크기의 입자를 포함하는 소판 입자를 포함할 수 있다. 입자 크기는 Horiba LA-910 레이저 광산란 PSD 분석기를 사용하여 결정되거나 ASTM D4464-15에 따라 결정될 수 있다. 구형 입자는 평균 입자 직경이 0.2 내지 100 마이크로미터일 수 있다. 소판형 입자는 0.5 내지 100 마이크로미터, 또는 5 내지 100 마이크로미터의 가장 긴 치수(longest dimension)(길이) 또는 0.05 내지 1 마이크로미터, 또는 0.05 내지 0.5 마이크로미터의 소판 두께(platelet thickness) 중 적어도 하나를 가질 수 있으며, 단, 가장 긴 치수는 소판 두께보다 크다.
나노결정질 페라이트는 0.1 내지 6 GHz에서 1.5 내지 5의 투자율, 및/또는 0.1 내지 6 GHz에서 3 내지 8의 유전율을 가질 수 있으며, 이때 투자율 및 유전율은 0.1 내지 8.5 GHz의 주파수 범위에서 Nicholson-Ross-Weir(NRW) 방법으로 동축선(coaxial line)이 있는 Vector Network Analyzer(VNA)를 사용하여 파라핀 왁스 복합재의 총 부피를 기준으로 전자기 특성을 측정하기 위해 3x7x2.8 밀리미터 토로이드(toroid)로 압축된 복합재의 총 부피를 기준으로 60 부피%(vol.%)의 나노결정질 페라이트 입자를 포함하는 파라핀 왁스 복합재로 결정된다. 유전율 및 투자율은 25℃의 온도 및 50±5%의 상대 습도에서 결정될 수 있다.
나노결정질 페라이트를 형성하는 방법은 밀링된 분말을 제공하기에 충분한 시간 동안 및 온도에서 Ni, M, Co 및 Fe 전구체 분말의 화학량론적 또는 비화학량론적 양을 고에너지 볼 밀링하는 것을 포함한다. 고에너지 볼 밀링은 2 내지 100시간 동안 발생할 수 있다. 고에너지 볼 밀링 동안 바이알 회전 속도는 400 내지 600 분당 회전수(rpm)일 수 있다. 밀링된 분말은 평균 입자 크기가 5 내지 100 nm, 바람직하게는 10 내지 40 nm인 나노결정질 구조를 갖는 나노결정질 페라이트를 생성하기에 충분한 시간 동안 및 온도에서 가열될 수 있다. 가열은 섭씨 300 내지 1000도(℃)의 온도에서 발생할 수 있다. 가열은 0.5 내지 30시간 동안 발생할 수 있다.
나노결정질 페라이트를 형성하는 방법은 혼합된 분말을 제공하기에 충분한 시간 동안 및 온도에서 화학량론적 또는 비화학량론적 양의 Ni, M, Co 및 Fe 전구체 분말을 혼합하는 단계 및 니켈 페라이트 상을 갖는 혼합된 페라이트를 생성하기에 충분한 시간 동안 및 온도에서 혼합된 분말을 가열하는 단계를 포함한다. 혼합된 분말의 가열은 800 내지 1,200℃의 온도에서 일어날 수 있다. 혼합된 분말의 가열은 2 내지 4시간 동안 일어날 수 있다. 혼합된 페라이트는 무질서한 원자 스케일 구조를 갖는 밀링된 분말을 제공하기 위해 일정 시간 동안 고에너지 볼 밀링을 거칠 수 있다. 고에너지 볼 밀링은 2 내지 100시간 동안 발생할 수 있다. 고에너지 볼 밀링 동안 바이알 회전 속도는 400 내지 600 분당 회전수(rpm)일 수 있다. 밀링된 분말은 평균 입자 크기가 5 내지 100 nm, 바람직하게는 10 내지 40 nm인 나노결정질 구조를 발달시키기에 충분한 시간 동안 및 온도에서 형성되도록 가열될 수 있다. 가열은 섭씨 300 내지 1000도(℃)의 온도에서 발생할 수 있다. 가열은 0.5 내지 30시간 동안 발생할 수 있다.
고에너지 볼 밀링은 당 업계에 알려져 있다. 고에너지 볼 밀의 예로는 SPEX 밀, 진동 밀, 극저온 그라인더(cryogenic grinder), 및 마멸 밀(attrition mill)이 포함된다. 바람직하게는, 고에너지 볼 밀링은 3 내지 20 밀리미터(mm), 보다 바람직하게는 3 내지 10 mm의 직경을 갖는 볼(ball)이 있는 상태에서 수행된다. 예시적인 볼로는 경화 크롬강 볼(hardened chrome steel ball)이 포함되며, 밀링을 위한 예시적인 용기에는 경화 크롬강 용기가 포함된다.
고에너지 볼 밀링 공정에서, 볼 대 총 분말(예를 들어, 전구체 분말 또는 소성 페라이트)의 질량비는 20:1 내지 40:1 또는 30:1일 수 있다.
나노결정질 페라이트를 생성하기 위한 전구체는 Ni, M, Co 및 Fe 전구체 산화물 또는 탄산염 분말을 포함한다. 예시적인 전구체로는 산화철(예를 들어, α-Fe2O3), 산화니켈(예를 들어, NiO), 산화코발트(Co3O4), 및 산화아연(예를 들어, ZnO)이 포함된다. 추가적인 철 전구체로는 Fe(NO3)3ㆍ9H2O, FeCl3ㆍ6H2O, Fe2(SO4)3ㆍH2O가 포함되고; 추가적인 니켈 전구체로는Ni(CH3COO)2ㆍ4H2O, Ni(NO3)2ㆍ6H2O, NiCl2ㆍ6H2O가 포함되며; 추가적인 코발트 전구체로는 Co(CH3COO)2ㆍ4H2O, Co(NO3)2ㆍ6H2O, CoCl2ㆍ6H2O가 포함되고; 추가적인 아연 전구체로는 Zn(NO3)2ㆍ6H2O, ZnCl2, ZnSO4ㆍ7H2O가 포함된다.
각각의 가열 단계는, 예를 들어, 공기, 아르곤, 질소 또는 산소 중 적어도 하나에서 수행될 수 있다. 가열 단계는 입자 크기 및 페라이트 상 형성을 제어하는 것 외에도 내부 응력을 해제할 수 있다.
복합재는 나노결정질 페라이트 및 폴리머를 포함할 수 있다. 상기 폴리머는 열가소성 또는 열경화성 폴리머를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용된 "열가소성"이란 용어는 가소성이거나 변형 가능한 재료로, 가열되면 액체로 용융되고, 충분히 냉각되면 취성, 유리질 상태로 동결되는 재료를 지칭한다. 사용될 수 있는 열가소성 폴리머의 예로는 사이클릭 올레핀 폴리머(폴리노르보르넨(polynorbornene), 및 노르보르네닐 단위를 함유하는 코폴리머, 예를 들어, 사이클릭 폴리머(cyclic polymer), 예를 들면 노르보르넨 및 비사이클릭(acyclic) 올레핀, 예를 들어 에틸렌 또는 프로필렌의 코폴리머 포함), 플루오로폴리머(예를 들어, 폴리(비닐 플루오라이드)(PVF), 폴리(비닐리덴 플루오라이드)(PVDF), 플루오르화 에틸렌-프로필렌(FEP), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리(에틸렌-테트라플루오로에틸렌)(PETFE), 또는 퍼플루오로알콕시(PFA)), 폴리아세탈(예를 들어, 폴리옥시에틸렌 및 폴리옥시메틸렌), 폴리(C1-6 알킬)아크릴레이트, 폴리아크릴아미드(치환되지 않은 및 모노-N- 또는 디-N-(C1-8 알킬)아크릴아미드 포함), 폴리아크릴로니트릴, 폴리아미드(예를 들어, 지방족 폴리아미드, 폴리프탈아미드, 또는 폴리아라미드), 폴리아미드이미드, 폴리산 무수물(polyanhydride), 폴리아릴렌 에테르(예를 들어, 폴리페닐렌 에테르), 폴리아릴렌 에테르 케톤(예를 들어, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK) 및 폴리에테르 케톤 케톤(PEKK)), 폴리아릴렌 케톤, 폴리아릴렌 설파이드(예를 들어, 폴리페닐렌 설파이드(PPS)), 폴리아릴렌 설폰(예를 들어, 폴리에테르설폰(PES), 폴리페닐렌 설폰(PPS) 등), 폴리벤조티아졸, 폴리벤조옥사졸, 폴리벤즈이미다졸, 폴리카보네이트(호모폴리카보네이트 또는 폴리카보네이트 코폴리머, 예를 들어 폴리카보네이트-실록산, 폴리카보네이트-에스테르, 또는 폴리카보네이트-에스테르-실록산 포함), 폴리에스테르(예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리아릴레이트, 또는 폴리에스테르 코폴리머, 예를 들어 폴리에스테르-에테르), 폴리에테르이미드(예를 들어, 폴리에테르이미드-실록산 코폴리머와 같은 코폴리머), 폴리이미드(예를 들어, 폴리이미드-실록산 코폴리머와 같은 코폴리머), 폴리(C1-6 알킬)메타크릴레이트, 폴리알킬아크릴아미드(예를 들어, 치환되지 않은 및 모노-N- 및 디-N-(C1-8 알킬)아크릴아미드), 폴리올레핀(예를 들어, 폴리에틸렌, 예를 들어 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 및 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 폴리프로필렌, 및 이들의 할로겐화 유도체(예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌), 및 이들의 코폴리머, 예를 들어, 에틸렌-알파-올레핀 코폴리머, 폴리옥사디아졸, 폴리옥시메틸렌, 폴리프탈리드(polyphthalide), 폴리실라잔, 폴리실록산(실리콘), 폴리스티렌(예를 들어, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 또는 메틸 메타크릴레이트-부타디엔-스티렌(MBS)과 같은 코폴리머), 폴리설파이드, 폴리설폰아미드, 폴리설포네이트, 폴리설폰, 폴리티오에스테르, 폴리트리아진, 폴리우레아, 폴리우레탄, 비닐 폴리머(예를 들어, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 에스테르, 폴리비닐 에테르, 폴리비닐 할라이드(예를 들어, 폴리비닐 클로라이드), 폴리비닐 케톤, 폴리비닐 니트릴, 또는 폴리비닐 티오에테르), 파라핀 왁스 등이 포함된다. 전술한 열가소성 폴리머 중 적어도 하나를 포함하는 조합이 사용될 수 있다.
열경화성 폴리머는 열 또는 방사선(예를 들어, 자외선, 가시광선, 적외선, 또는 전자 빔(e-빔) 방사선) 노출에 의해 유도될 수 있는 중합 또는 경화로 불용성이 되고, 비가역적으로 경화될 수 있는 열경화성 모노머 또는 프리폴리머(prepolymer)(수지)로부터 유래된다. 열경화성 폴리머로는 알키드(alkyd), 비스말레이미드 폴리머, 비스말레이미드 트리아진 폴리머, 시아네이트 에스테르 폴리머, 벤조사이클로부텐 폴리머, 벤즈옥사진 폴리머, 디알릴 프탈레이트 폴리머, 에폭시, 하이드록시메틸푸란 폴리머, 멜라민-포름알데히드 폴리머, 페놀계(phenolic)(노볼락 또는 레졸과 같은 페놀-포름알데히드 폴리머 포함), 벤즈옥사진, 폴리디엔 예를 들어 폴리부타디엔(이의 호모폴리머 및 코폴리머, 예를 들어, 폴리(부타디엔-이소프렌) 포함), 폴리이소시아네이트, 폴리우레아, 폴리우레탄, 트리알릴 시아누레이트 폴리머, 트리알릴 이소시아누레이트 폴리머, 특정 실리콘, 및 중합 가능한 프리폴리머(예를 들어, 불포화 폴리에스테르 및 폴리이미드와 같은 에틸렌성 불포화를 갖는 프리폴리머) 등이 포함된다. 상기 프리폴리머는 반응성 모노머 예를 들어 스티렌, 알파-메틸스티렌, 비닐톨루엔, 클로로스티렌, 아크릴산, (메트)아크릴산, (C1-6 알킬)아크릴레이트, (C1-6 알킬)메타크릴레이트, 아크릴로니트릴, 비닐 아세테이트, 알릴 아세테이트, 트리알릴 시아누레이트, 트리알릴 이소시아누레이트, 또는 아크릴아미드와 중합, 공중합, 또는 가교될 수 있다.
상기 폴리머는 플루오로폴리머(예를 들어, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)), 폴리올레핀(예를 들어, 폴리에틸렌(PE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 또는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)), 폴리(아릴렌 에테르 케톤)(예를 들어, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK)), 폴리 알킬 (메트)아크릴레이트(예를 들어, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)), 또는 폴리(에테르 설폰) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
복합재를 형성하는 방법에는 제한이 없으며, 압축 성형, 사출 성형, 반응 사출 성형, 압출, 압연 등 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 복합재는 상기 복합재의 총 부피를 기준으로 5 내지 95 부피%, 또는 30 내지 70 부피%의 나노결정질 페라이트를 포함할 수 있다. 상기 복합재는 상기 복합재의 총 부피를 기준으로 5 내지 95 부피%, 또는 30 내지 70 부피%의 폴리머를 포함할 수 있다.
나노결정질 페라이트를 포함하는 폴리머 복합재는 1 내지 3 기가헤르츠(GHz)에서 0.05 이하, 또는 0.5 내지 2.5 GHz, 또는 0.5 내지 2 GHz에서 0.001 내지 0.02, 또는 0.001 내지 0.01의 자기 손실 탄젠트(magnetic loss tangent)를 나타낼 수 있다. 바람직하게는, 나노결정질 페라이트를 포함하는 폴리머 복합재는 1 내지 3 GHz에서 0.05 이하 또는 0.02 이하의 자기 손실 탄젠트를 유지하면서 1 내지 3 GHz에서 2 이상 또는 3 이상의 투자율을 유지한다. 이러한 낮은 자기 손실을 나타내는 자기 물질은 안테나 응용 분야에서와 같이 고주파 응용 분야에 유리하게 사용될 수 있다.
나노결정질 페라이트를 포함하는 폴리머 복합재는 1 내지 3 GHz에서의 투자율이 2 이상, 3 이상, 또는 5 이상일 수 있다. 나노결정질 페라이트를 포함하는 폴리머 복합재는 0.1 내지 6 GHz의 넓은 주파수 범위에 걸쳐 2 이상 또는 3 이상의 높은 투자율을 나타낼 수 있다.
나노결정질 페라이트를 포함하는 폴리머 복합재는 1GHz, 또는 0.1 내지 6 GHz에서 3, 4, 5, 6, 7 또는 8 이하의 유전율을 나타낼 수 있으며, 이때 유전율은 복합재에서 나노결정질 페라이트의 로딩 비율에 따라 조정될 수 있다.
나노결정질 페라이트를 포함하는 폴리머 복합재는 1 GHz, 또는 0.1 내지 6 GHz에서 유전 손실 탄젠트(dielectric loss tangent)가 0.02 이하일 수 있다.
나노결정질 페라이트를 포함하는 폴리머 복합재는 공진 주파수(resonance frequency)가 1 내지 6 GHz일 수 있다.
폴리머 복합재는 유전체 필러(dielectric filler) 및 난연제(flame retardant)와 같은 추가의 첨가제를 포함할 수 있다. 추가의 첨가제는 복합재의 총 부피의 5 부피% 이하의 양으로 존재할 수 있다.
미립자 유전체 필러는 유전 상수, 소산 계수(dissipation factor), 열팽창 계수(coefficient of thermal expansion) 및 복합재의 기타 특성을 조정하기 위해 사용될 수 있다. 예시적인 유전체 필러로는 이산화티타늄(루틸(rutile) 및 아나타제(anatase)), 바륨 티타네이트, 스트론튬 티타네이트, 실리카(용융된 비정질 실리카 포함), 커런덤(corundum), 울러스토나이트(wollastonite), Ba2Ti9O20, 고체 유리 구체(solid glass sphere), 합성 유리 또는 세라믹 중공 구체, 석영, 질화붕소, 질화알루미늄, 탄화규소, 베릴리아, 알루미나, 알루미나 3수화물, 마그네시아, 운모, 탈크, 나노클레이, 수산화마그네슘, 및 전술한 것들 중 적어도 하나를 포함하는 조합이 포함될 수 있다.
난연제는 할로겐화되거나 할로겐화되지 않을 수 있다. 예시적인 무기 난연제로는 Mg, Ca, Al, Fe, Zn, Ba, Cu, Ni와 같은 금속, 또는 전술한 것들 중 적어도 하나를 포함하는 조합의 수화물과 같은 금속 수화물이 있다. 구체적인 수화물로는 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 수산화칼슘, 수산화철, 수산화아연, 수산화구리 및 수산화니켈; 및 칼슘 알루미네이트, 석고 이수화물, 붕산아연 및 바륨 메타보레이트의 수화물이 포함된다. 유기 난연제는 대안적으로 또는 무기 난연제에 추가하여 사용될 수 있다. 무기 난연제의 예로는, 예를 들어, 멜라민 시아누레이트, 미세 입자 크기 멜라민 폴리포스페이트, 방향족 포스피네이트, 디포스피네이트, 포스포네이트 및 포스페이트와 같은 다양한 기타 인 함유 화합물, 특정 폴리실세스퀴옥산, 실록산, 및 할로겐화 화합물, 예를 들어 헥사클로로엔도메틸렌테트라하이드로프탈산(HET 산), 테트라브로모프탈산 및 디브로모네오펜틸 글리콜이 포함된다.
또한, 나노결정질 페라이트를 포함하는 물품이 본 명세서에 포함된다. 상기 물품은 마이크로파 장치, 예를 들어 안테나 또는 인덕터일 수 있다. 상기 물품은 변압기, 인덕터, 또는 반전자기 인터페이스 물질(anti-electromagnetic interface material)일 수 있다. 상기 물품은 안테나, 예를 들어 패치 안테나(patch antenna), 역-F 안테나(inverted-F antenna), 또는 평면 역-F 안테나(planar inverted-F antenna)일 수 있다. 상기 물품은, 예를 들어, 무선 충전을 위한 자기 버스 바(magnetic bus bar); NFC 차폐(sheilding) 물질; 또는 전자 밴드갭 메타-물질(electronic bandgap meta-material)일 수 있다. 자기 입자는 마이크로파 흡수 또는 마이크로파 차폐 응용 분야에 사용될 수 있다.
나노결정질 페라이트는 하기 화학식을 가질 수 있으며: Ni1-x-yMyCoxFe2+zO4, 상기 화학식에서, M은 Zn, Mg, Cu 또는 Mn 중 적어도 하나이고, x는 0.01 내지 0.8이며, y는 0.01 내지 0.8이고, z는 -0.5 내지 0.5이다. 나노결정질 페라이트의 평균 입자 크기는 5 내지 100 nm, 또는 10 내지 40 nm일 수 있다. 나노결정질 페라이트는 화학식 Ni1-x-yZnyCoxFe2+zO4를 가질 수 있으며, 상기 화학식에서, x는 0.1 내지 0.3이고, y는 0.2 내지 0.4이며, z는 -0.5 내지 0.1이다. 나노결정질 페라이트는 평균 입자 직경이 0.2 내지 100 마이크로미터인 구형 입자를 포함할 수 있다. 나노결정질 페라이트는 가장 긴 치수가 0.5 내지 100 마이크로미터이고, 두께가 0.05 내지 1 마이크로미터인 소판형 입자를 포함할 수 있으며, 단, 가장 긴 치수는 소판 두께보다 크다. 나노결정질 페라이트는 파라핀 왁스 복합재의 총 부피를 기준으로 60 부피%의 나노결정질 페라이트를 포함하는 파라핀 왁스 복합재로 측정된 0.1 내지 6 기가헤르츠에서의 투자율이 1.5 내지 5일 수 있다. 나노결정질 페라이트는 파라핀 왁스 복합재의 총 부피를 기준으로 60 부피%의 나노결정질 페라이트를 포함하는 파라핀 왁스 복합재로 측정된 0.1 내지 6 기가헤르츠에서의 유전율이 3 내지 8일 수 있다.
복합재는 나노결정질 페라이트 및 폴리머를 포함할 수 있다. 상기 폴리머는, 예를 들어, 플루오로폴리머(예를 들어, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)), 폴리올레핀(예를 들어, 폴리에틸렌(PE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 또는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)), 폴리(아릴렌 에테르 케톤)(예를 들어, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK)), 폴리 알킬 (메트)아크릴레이트(예를 들어, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)), 또는 폴리(에테르 설폰) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 복합재는 상기 복합재의 총 부피를 기준으로 5 내지 95 부피%, 또는 30 내지 70 부피%의 나노결정질 페라이트를 포함할 수 있다. 상기 복합재는 상기 복합재의 총 부피를 기준으로 5 내지 95 부피%, 또는 30 내지 70 부피%의 폴리머를 포함할 수 있다. 상기 복합재는 1 내지 3 기가헤르츠에서의 투자율이 2 이상, 3 이상, 또는 5 이상, 또는 2 내지 10일 수 있다. 상기 복합재는 1 내지 3 기가헤르츠에서의 자기 손실 탄젠트가 0.05 이하, 또는 0.02 이하, 또는 0 초과 내지 0.05일 수 있다. 상기 복합재는 0.1 내지 6 기가헤르츠에서의 유전율이 3, 4, 5, 6, 7, 또는 8 이하, 또는 1 내지 8일 수 있다. 상기 복합재는 0.1 내지 6 기가헤르츠에서의 유전 손실 탄젠트가 0.02 이하 또는 0 초과 내지 0.02일 수 있다. 상기 복합재는 공진 주파수가 1 내지 6 기가헤르츠일 수 있다. 상기 복합재는 1 내지 3 기가헤르츠에서의 자기 손실 탄젠트가 0.05 이하, 또는 0.02 이하일 수 있다. 상기 복합재는 1 내지 3 기가헤르츠에서의 투자율이 3 이상, 또는 2 이상일 수 있다. 물품은, 예를 들어, 복합재 형태로 나노결정질 페라이트를 포함하는 것을 포함할 수 있다. 상기 물품은 안테나, 변압기, 반전자기 인터페이스 물질, 또는 인덕터일 수 있고/있거나 상기 물품은 마이크로파 장치이다.
나노결정질 페라이트를 형성하는 방법은 니켈 페라이트 상을 갖는 밀링된 분말을 제공하기에 충분한 시간(예를 들어, 2 내지 100시간) 동안 및 온도(예를 들어, 800 내지 1200℃)에서 Ni, M, Co, 및 Fe 전구체 분말을 고에너지 볼 밀링하는 단계 - 상기 고에너지 볼 밀링은 선택적으로 400 내지 600 rpm의 바이알 회전 속도에서 발생함 -, 및 평균 입자 크기가 5 내지 100 나노미터인 나노결정질 구조를 갖는 나노결정질 페라이트를 생성하기에 충분한 시간(예를 들어, 0.5 내지 30시간) 동안 및 온도(예를 들어, 300 내지 1,000℃)에서 밀링된 분말을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 나노결정질 페라이트를 형성하는 방법은 니켈 페라이트 상을 갖는 혼합된 분말을 제공하기에 충분한 시간(예를 들어, 2 내지 4시간) 동안 및 온도(예를 들어, 800 내지 1200℃)에서 Ni, M, Co 및 Fe 전구체 분말을 혼합 및 가열하는 단계; 무질서한 원자 스케일 구조를 갖는 밀링된 분말을 제공하기 위해 혼합된 분말을 일정 시간 동안 고에너지 볼 밀링하는 단계 - 상기 고에너지 볼 밀링은 선택적으로 바이알 회전 속도가 400 내지 600 rpm일 수 있음 -; 및 평균 입자 크기가 5 내지 100 nm, 또는 10 내지 40 nm인 나노결정질 구조를 발달시키기에 충분한 시간(예를 들어, 0.5 내지 30시간) 동안 및 온도(예를 들어, 300 내지 1000℃)에서 밀링된 분말을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 전구체 분말은 α-Fe2O3, NiO, Co3O4, 및 ZnO를 포함할 수 있다. 고에너지 볼 밀링 동안 볼 대 총 분말의 질량 비율은 20:1 내지 40:1일 수 있다. 상기 볼은 직경이 3 mm 내지 20 mm일 수 있다. 가열은 공기, 아르곤, 질소 또는 산소 중 적어도 하나에서 수행될 수 있다.
하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위해 제공된다. 실시예는 단지 예시일 뿐이며, 본 발명에 따라 제조된 장치를, 본 명세서에 기재된 재료, 조건 또는 공정 파라미터로 제한하려는 의도가 아니다.
실시예
나노결정질 페라이트의 전자기 특성을 결정하기 위해, 나노결정질 페라이트는 파라핀(페라이트 입자의 60 부피%)과 혼합되고, 0.1 내지 8.5 GHz의 주파수 범위에서 Nicholson-Ross-Weir(NRW) 방법으로 동축선이 있는 Vector Network Analyzer(VNA)를 사용하여 전자기 특성(자기 투자율 및 유전율)을 측정하기 위해 3x7x2.8 밀리미터 토로이드로 압축되었다. 유전율 및 투자율은 25℃의 온도 및 50±5%의 상대 습도에서 결정될 수 있다.
실시예 1: Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2O4의 제조; 아르곤에서 열처리
Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2O4는 유성 볼 밀(planetary ball mill)에 로딩된 α-Fe2O3, NiO, ZnO 및 Co3O4 분말 30 그램(g)의 화학량론적 혼합물로부터 제조되었다. 경화 크롬강 바이알(500 밀리리터(mL) 부피)과 10 mm 경화 크롬강 볼이 밀링 공정에 사용되었다. 볼 대 분말 질량비는 30:1이었다. 밀링은 500 rpm에서 30시간 동안 공기 중에서 수행되었다. 합성된 코발트 도핑된 니켈 아연 페라이트 분말을 600℃에서 2시간 동안 아르곤에서 열처리하여 나노결정질 구조 및 페라이트 상을 제어하였다. 그 다음, 열처리된 입자를 파라핀 왁스와 블렌딩하고, 상기 기재된 바와 같이 NRW 방법을 사용하여 테스트하였다. 도 2는 생성된 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2O4 입자(구형)의 XRD 패턴을 나타낸다. 도 3은 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2O4 입자-파라핀 왁스 복합재의 복소 투자율을 나타낸다. 도 4는 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2O4 입자-파라핀 왁스 복합재의 복소 유전율을 나타낸다. 표 1은 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2O4의 전자기적 특성을 요약한 것이다.
Figure pct00001
실시예 2: Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2O4의 제조; 질소에서 열처리
Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2O4는 유성 볼 밀에 로딩된 α-Fe2O3, NiO, ZnO 및 Co3O4 분말 30 g의 화학량론적 혼합물로부터 제조되었다. 경화 크롬강 바이알(500 mL 부피)과 10 mm 경화 크롬강 볼이 밀링 공정에 사용되었다. 볼 대 분말 질량비는 30:1이었다. 밀링은 500 rpm에서 30시간 동안 공기 중에서 수행되었다. 합성된 코발트 도핑된 니켈 아연 페라이트 분말을 600℃에서 2시간 동안 1 부피% O2 및 99 부피% N2 분위기에서 열처리하여 나노결정질 구조, 페라이트 상, 및 Fe2+를 제어하였다. 그 다음, 열처리된 입자를 파라핀 왁스와 블렌딩하고, 상기 기재된 바와 같이 NRW 방법을 사용하여 테스트하였다. 도 5는 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2O4 입자-파라핀 왁스 복합재의 복소 투자율을 나타낸다. 도 6은 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2O4 입자-파라핀 왁스 복합재의 소합 유전율을 나타낸다. 표 2는 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2O4의 전자기 특성을 요약한 것이다.
Figure pct00002
실시예 3: Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2O4의 제조; 공기 중에서 열처리
Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2O4는 유성 볼 밀에 로딩된 α-Fe2O3, NiO, ZnO 및 Co3O4 분말 30 g의 화학량론적 혼합물로부터 제조되었다. 경화 크롬강 바이알(500 mL 부피)과 10 mm 경화 크롬강 볼이 밀링 공정에 사용되었다. 볼 대 분말 질량비는 30:1이었다. 밀링은 500 rpm에서 30시간 동안 공기 중에서 수행되었다. 합성된 코발트 도핑된 니켈 아연 페라이트 분말을 600℃에서 2시간 동안 공기 중에서 열처리하여 나노결정질 구조, 페라이트 상, 및 Fe2+를 제어하였다. 그 다음, 열처리된 입자를 파라핀 왁스와 블렌딩하고, 상기 기재된 바와 같이 NRW 방법을 사용하여 테스트하였다. 도 7은 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2O4 입자-파라핀 왁스 복합재의 복소 투자율을 나타낸다. 도 8은 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2O4 입자-파라핀 왁스 복합재의 복소 유전율을 나타낸다. 표 3은 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe2O4의 전자기 특성을 요약한 것이다.
Figure pct00003
실시예 4: Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe1.95O4의 제조
α-Fe2O3, NiO, ZnO, Co3O4 분말을 블렌딩한 후 1,150℃에서 2시간 소성하여 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe1.95O4 조성의 페라이트를 합성하였다. 소성된 페라이트 분말은 고에너지 볼 밀링을 위해 유성 볼 밀에 로딩되었다. 볼 대 분말 질량비는 30:1이었다. 밀링은 500 rpm에서 5시간 동안 공기 중에서 수행되었다. 밀링된 분말을 580℃에서 2시간 동안 공기 중에서 어닐링하여 나노결정질 구조를 발달시키고 제어하였다. 그 다음, 어닐링된 입자를 파라핀 왁스와 블렌딩하고, 상기 기재된 바와 같이 NRW 방법을 사용하여 테스트하였다. 도 9는 생성된 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe1.95O4 입자(구형)의 XRD 패턴을 나타낸다. 도 10은 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe1.95O4 입자-파라핀 왁스 복합재의 복소 투자율을 나타낸다. 도 11은 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe1.95O4 입자-파라핀 왁스 복합재의 복소 유전율을 나타낸다. 표 4는 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe1.95O4의 전자기 특성을 요약한 것이다.
Figure pct00004
실시예 5: Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe1.95O4의 제조
α-Fe2O3, NiO, ZnO, Co3O4 분말을 블렌딩한 후 1,150℃에서 2시간 소성하여 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe1.95O4 조성의 페라이트를 합성하였다. 소성된 페라이트 분말은 고에너지 볼 밀링을 위해 유성 볼 밀에 로딩되었다. 볼 대 분말 질량비는 30:1이었다. 밀링은 500 rpm에서 5시간 동안 공기 중에서 수행되었다. 밀링된 분말을 600℃에서 2시간 동안 공기 중에서 어닐링하여 나노결정질 구조를 발달시키고 제어하였다. 그 다음, 어닐링된 입자를 파라핀 왁스와 블렌딩하고, 상기 기재된 바와 같이 NRW 방법을 사용하여 테스트하였다. 도 12는 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe1.95O4 입자-파라핀 왁스 복합재의 복소 투자율을 나타낸다. 도 13은 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe1.95O4 입자-파라핀 왁스 복합재의 복소 유전율을 나타낸다. 표 5는 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe1.95O4의 전자기 특성을 요약한 것이다.
Figure pct00005
실시예 6: Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe1.95O4의 제조
α-Fe2O3, NiO, ZnO, 및 Co3O4 분말을 블렌딩한 후, 1150℃에서 2시간 소성하여 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe1.95O4 조성의 페라이트를 합성하였다. 소성된 페라이트 분말은 고에너지 볼 밀링을 위해 유성 볼 밀에 로딩되었다. 볼 대 분말 질량비는 30:1이었다. 밀링은 500 rpm에서 5시간 동안 공기 중에서 수행되었다. 그 다음, 밀링된 분말을 700℃에서 5분 동안 공기 중에서 어닐링한 후, 550℃에서 3시간 동안 인발(drawing)하여 나노결정질 구조를 발달시키고 제어하였다. 그 다음, 열처리된 입자를 파라핀 왁스와 블렌딩하고, 상기 기재된 바와 같이 NRW 방법을 사용하여 테스트하였다. 도 14는 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe1.95O4 입자-파라핀 왁스 복합재의 복소 투자율을 나타낸다. 도 15는 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe1.95O4 입자-파라핀 왁스 복합재의 복소 유전율을 나타낸다. 표 6은 나노결정질 Ni0.5Zn0.3Co0.2Fe1.95O4의 전자기 특성을 요약한 것이다.
Figure pct00006
본 발명의 비제한적인 측면이 하기에 기재되어 있다.
측면 1: 하기 화학식을 갖는 나노결정질 페라이트: Ni1-x-yMyCoxFe2+zO4, 상기 화학식에서, M은 Zn, Mg, Cu 또는 Mn 중 적어도 하나이고, x는 0.01 내지 0.8이며, y는 0.01 내지 0.8이고, z는 -0.5 내지 0.5이며, 상기 나노결정질 페라이트의 평균 입자 크기는 5 내지 100 nm, 바람직하게는 10 내지 40 nm이다.
측면 2: 측면 1에 있어서, 상기 나노결정질 페라이트는 화학식 Ni1-x-yZnyCoxFe2+zO4를 가지며, 상기 화학식에서, x는 0.1 내지 0.3이고, y는 0.2 내지 0.4이며, z는 -0.5 내지 0.1인 것인, 나노결정질 페라이트.
측면 3: 측면 1 또는 2에 있어서, 상기 나노결정질 페라이트는 평균 입자 직경이 0.2 내지 100 마이크로미터인 구형 입자, 또는 가장 긴 치수가 0.5 내지 100 마이크로미터이고, 두께가 0.05 내지 1 마이크로미터인 소판형 입자로서, 단, 가장 긴 치수는 소판 두께보다 큰 것인, 소판형 입자 중 적어도 하나의 형태인, 나노결정질 페라이트.
측면 4: 측면 1 내지 3 중 어느 하나에 있어서, 상기 나노결정질 페라이트는 0.1 내지 6 기가헤르츠에서 1.5 내지 5의 투자율, 또는 0.1 내지 6 기가헤르츠에서 3 내지 8의 유전율 중 적어도 하나를 가지며, 이때 투자율 및 유전율은 파라핀 왁스 복합재의 총 부피를 기준으로 60 부피%의 나노결정질 페라이트를 포함하는 파라핀 왁스 복합재로 측정되는 것인, 나노결정질 페라이트.
측면 5: 측면 1 내지 4 중 어느 하나의 나노결정질 페라이트 및 폴리머를 포함하는 복합재.
측면 6: 측면 5에 있어서, 상기 폴리머는 플루오로폴리머(예를 들어, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)), 폴리올레핀(예를 들어, 폴리에틸렌(PE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 또는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)), 폴리(아릴렌 에테르 케톤)(예를 들어, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK)), 폴리 알킬 (메트)아크릴레이트(예를 들어, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)), 또는 폴리(에테르 설폰) 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 복합재.
측면 7: 측면 5 또는 측면 6에 있어서, 상기 복합재는, 상기 복합재의 총 부피를 기준으로 5 내지 95 부피%, 또는 30 내지 70 부피%의 나노결정질 페라이트; 및 상기 복합재의 총 부피를 기준으로 5 내지 95 부피 퍼센트, 또는 30 내지 70 부피 퍼센트의 폴리머를 포함하는, 복합재.
측면 8: 측면 5 내지 7 중 어느 하나에 있어서, 상기 복합재는 1 내지 3 기가헤르츠에서 2 이상, 3 이상, 또는 5 이상, 또는 2 내지 10의 투자율; 1 내지 3 기가헤르츠에서 0.05 이하, 또는 0.02 이하, 또는 0 초과 내지 0.05의 자기 손실 탄젠트; 0.1 내지 6 기가헤르츠에서 3, 4, 5, 6, 7, 또는 8 이하, 또는 1 내지 8의 유전율; 0.1 내지 6 기가헤르츠에서 0.02 이하, 또는 0 초과 내지 0.02의 유전 손실 탄젠트; 또는 1 내지 6 기가헤르츠의 공진 주파수 중 적어도 하나를 가지며; 이때 각각의 특성은 0.1 내지 8.5 기가헤르츠의 주파수 범위에서 Nicholson-Ross-Weir 방법으로 동축선이 있는 Vector Network Analyzer(VNA)를 사용하여 측정된다.
측면 9: 측면 5 내지 8 중 어느 하나에 있어서, 상기 복합재는 1 내지 3기가헤르츠에서 0.05 이하, 또는 0.02 이하, 또는 0 초과 내지 0.05의 자기 손실 탄젠트, 및 1 내지 3 기가헤르츠에서 3 이상, 또는 2 이상, 또는 2 내지 10의 투자율을 갖는, 복합재.
측면 10: 측면 5 내지 9 중 어느 하나의 복합재를 포함하는 물품.
측면 11: 측면 10에 있어서, 상기 물품은 안테나, 변압기, 반전자기 인터페이스 물질, 또는 인덕터이고/이거나 상기 물품은 마이크로파 장치인, 물품.
측면 12: 예를 들어, 측면 1 내지 4 중 어느 하나의 나노결정질 페라이트를 형성하는 방법으로서, 상기 방법은 니켈 페라이트 상을 갖는 밀링된 분말을 제공하기에 충분한 시간(예를 들어, 2 내지 100시간) 동안 및 온도(예를 들어, 800 내지 1200℃)에서 Ni, M, Co, 및 Fe 전구체 분말을 고에너지 볼 밀링하는 단계 - 상기 고에너지 볼 밀링은 선택적으로 400 내지 600 rpm의 바이알 회전 속도에서 발생함 -, 및 평균 입자 크기가 5 내지 100 나노미터인 나노결정질 구조를 갖는 나노결정질 페라이트를 생성하기에 충분한 시간(예를 들어, 0.5 내지 30시간) 동안 및 온도(예를 들어, 300 내지 1,000℃)에서 밀링된 분말을 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
측면 13: 예를 들어, 측면 1 내지 4 중 어느 하나의 나노결정질 페라이트를 형성하는 방법으로서, 상기 방법은 니켈 페라이트 상을 갖는 혼합된 분말을 제공하기에 충분한 시간(예를 들어, 2 내지 4시간) 동안 및 온도(예를 들어, 800 내지 1200℃)에서 Ni, M, Co 및 Fe 전구체 분말을 혼합 및 가열하는 단계; 무질서한 원자 스케일 구조를 갖는 밀링된 분말을 제공하기 위해 혼합된 분말을 일정 시간(예를 들어, 2 내지 100시간) 동안 고에너지 볼 밀링하는 단계 - 상기 고에너지 볼 밀링은 선택적으로 바이알 회전 속도가 400 내지 600 rpm일 수 있음 -; 및 평균 입자 크기가 5 내지 100 nm, 바람직하게는 10 내지 40 nm인 나노결정질 구조를 발달시키기에 충분한 시간(예를 들어, 0.5 내지 30시간) 동안 및 온도(예를 들어, 300 내지 1000℃)에서 밀링된 분말을 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
측면 14: 측면 12 또는 측면 13에 있어서, 상기 나노결정질 페라이트는 화학식 Ni1-x-yZnyCoxFe2+zO4를 가지며, 상기 화학식에서, x는 0.1 내지 0.3이고, y는 0.2 내지 0.4이며, z는 -0.5 내지 0.1인 것인, 방법.
측면 15: 측면 12 내지 14 중 어느 하나에 있어서, 상기 전구체 분말은 α-Fe2O3, NiO, Co3O4, 및 ZnO를 포함하는 것인, 방법.
측면 16: 측면 12 내지 15 중 어느 하나에 있어서, 상기 고에너지 볼 밀링 동안 볼 대 총 분말의 질량비는 20:1 내지 40:1인 것인, 방법.
측면 17: 측면 16에 있어서, 상기 볼의 직경은 3 mm 내지 20mm인 것인, 방법.
측면 18: 측면 12 내지 17 중 어느 하나에 있어서, 상기 가열은 공기, 아르곤, 질소 또는 산소 중 적어도 하나에서 수행되는 것인, 방법.
측면 19: 측면 12 내지 18 중 어느 하나에 있어서, 상기 나노결정질 페라이트는 평균 입자 직경이 0.2 내지 100 마이크로미터인 구형 입자, 또는 평면 치수가 0.5 내지 100 마이크로미터이고, 두께가 0.05 내지 1 마이크로미터인 소판형 입자 중 적어도 하나의 형태인 것인, 방법.
측면 20: 측면 11 내지 19 중 어느 하나에 있어서, 상기 나노결정질 페라이트는 0.1 내지 6 GHz에서 1.5 내지 5의 투자율, 및/또는 0.1 내지 6 GHz에서 3 내지 8의 유전율을 가지며, 이때 투자율 및 유전율은 파라핀 왁스 복합재의 총 부피를 기준으로 60 부피%의 나노결정질 페라이트를 포함하는 파라핀 왁스 복합재로 측정되는 것인, 방법.
상기 조성물, 방법 및 물품은 본 명세서에 개시된 임의의 적절한 재료, 단계, 또는 구성요소를 대안적으로 포함하거나, 이들로 이루어지거나, 필수적으로 이루어질 수 있다. 상기 조성물, 방법 및 물품은 추가적으로, 또는 대안적으로 상기 조성물, 방법 및 물품의 기능 또는 목적을 달성하는 데 필요하지 않은 임의의 재료(또는 종), 단계 또는 구성요소가 없거나, 또는 실질적으로 없도록 제형화될 수 있다.
용어 "a 및 an"은 수량의 제한을 의미하는 것이 아니라, 언급된 항목 중 적어도 하나가 존재함을 의미한다. 용어 "또는"은 문맥상 달리 명확하게 표시되지 않는 한 "및/또는"을 의미한다. 본 명세서 전체에 걸쳐 "일 측면", "일 구현예", "또 다른 구현예", "일부 구현예" 등의 언급은 측면과 관련하여 기재된 특정 요소(예를 들어, 특징, 구조, 단계 또는 특성)가 본 명세서에 기재된 적어도 하나의 측면에 포함되며, 다른 측면에 존재하거나 존재하지 않을 수 있음을 의미한다. 또한, 기재된 요소들은 다양한 측면에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있음을 이해해야 한다. 본 명세서에서 사용된 용어 "제1(first)", "제2(second)" 등은 임의의 순서, 수량 또는 중요성을 의미하는 것이 아니라, 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위해 사용된다. 용어 "조합(combination)"은 블렌드, 혼합물, 합금, 반응 생성물 등을 포함하는 것이다. 또한, "적어도 하나(at least one of)"는 목록이 각 요소를 개별적으로 포함할 뿐만 아니라 목록의 둘 이상의 요소의 조합, 및 목록의 적어도 하나의 요소와 명명되지 않은 유사한 요소의 조합을 포함하는 것을 의미한다. 달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련가에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
본 명세서에서 달리 명시되지 않는 한, 모든 테스트 표준은 본 출원의 출원일 또는, 우선권이 주장되는 경우, 테스트 표준이 나타나는 최우선 출원의 출원일을 기준으로 유효한 가장 최근의 표준이다. 동일한 구성요소 또는 특성에 대한 모든 범위의 종점은 그 종점을 포함하는 것으로, 독립적으로 조합될 수 있으며, 모든 중간점 및 중간 범위를 포함한다. 예를 들어, "25 부피% 이하, 또는 5 내지 20 부피%"의 범위에는 종점과 10 내지 23 부피% 등과 같은 "5 내지 25 부피%" 범위의 모든 중간 값이 포함되어 있다.
화합물은 표준 명명법을 사용하여 기재된다. 예를 들어, 임의의 표시된 기로 치환되지 않은 임의의 위치는 표시된 바와 같은 결합 또는 수소 원자에 의해 채워진 원자가를 갖는 것으로 이해된다. 두 문자 또는 기호 사이에 있지 않은 대시("-")는 치환체에 대한 부착 지점을 나타내는 데 사용된다. 예를 들어, -CHO는 카보닐 기의 탄소를 통해 부착된다. 본 명세서에 사용된 용어 "(메트)아크릴"은 아크릴 및 메타크릴 기 모두를 포함한다. 본 명세서에 사용된 용어 "(이소)시아누레이트"는 시아누레이트 및 이소시아누레이트 기 모두를 포함한다.
인용된 모든 특허, 특허 출원, 및 기타 참고문헌은 그 전문이 본원에 참조로 포함된다. 그러나, 본 출원의 용어가 포함되어 있는 참고문헌의 용어와 모순되거나 상충되는 경우, 본 출원의 용어가 포함되어 있는 참고문헌의 상충되는 용어보다 우선한다. 특정 측면들이 설명되었지만, 현재 예상되지 않거나 예상되지 않을 수 있는 대안, 수정, 변형, 개선 및 실질적인 동등물이 출원인 또는 당업자에게 발생할 수 있다. 따라서, 출원되고 보정될 수 있는 첨부된 청구범위는 이러한 모든 대안, 수정, 변형, 개선 및 실질적인 동등물을 포함하도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 하기 화학식을 갖는 나노결정질 페라이트로서,
    화학식
    Ni1-x-yMyCoxFe2+zO4
    상기 화학식에서, M은 Zn, Mg, Cu 또는 Mn 중 적어도 하나이고, x는 0.01 내지 0.8이며, y는 0.01 내지 0.8이고, z는 -0.5 내지 0.5이며,
    상기 나노결정질 페라이트의 평균 입자 크기는 5 내지 100 nm, 바람직하게는 10 내지 40 nm인 것인, 나노결정질 페라이트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 나노결정질 페라이트는 화학식 Ni1-x-yZnyCoxFe2+zO4를 가지며, 상기 화학식에서, x는 0.1 내지 0.3이고, y는 0.2 내지 0.4이며, z는 -0.5 내지 0.1인 것인, 나노결정질 페라이트.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 나노결정질 페라이트는,
    평균 입자 직경이 0.2 내지 100 마이크로미터인 구형 입자, 또는
    가장 긴 치수가 0.5 내지 100 마이크로미터이고, 두께가 0.05 내지 1 마이크로미터인 소판형(platelet shaped) 입자로서, 단, 가장 긴 치수는 소판 두께보다 큰 것인, 소판형 입자; 중 적어도 하나의 형태인, 나노결정질 페라이트.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노결정질 페라이트는 0.1 내지 6 기가헤르츠에서 1.5 내지 5의 투자율(permeability), 또는 0.1 내지 6 기가헤르츠에서 3 내지 8의 유전율(permittivity) 중 적어도 하나를 가지며, 이때 투자율 및 유전율은 파라핀 왁스 복합재의 총 부피를 기준으로 60 부피%의 나노결정질 페라이트를 포함하는 파라핀 왁스 복합재로 측정되는 것인, 나노결정질 페라이트.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 나노결정질 페라이트 및 폴리머를 포함하는 복합재.
  6. 제5항에 있어서, 상기 폴리머는 플루오로폴리머(예를 들어, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)), 폴리올레핀(예를 들어, 폴리에틸렌(PE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 또는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)), 폴리(아릴렌 에테르 케톤)(예를 들어, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK)), 폴리 알킬 (메트)아크릴레이트(예를 들어, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)), 또는 폴리(에테르 설폰) 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 복합재.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 복합재는, 상기 복합재의 총 부피를 기준으로 5 내지 95 부피%, 또는 30 내지 70 부피%의 나노결정질 페라이트; 및 상기 복합재의 총 부피를 기준으로 5 내지 95 부피 퍼센트, 또는 30 내지 70 부피 퍼센트의 폴리머를 포함하는, 복합재.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복합재는,
    1 내지 3 기가헤르츠에서 2 이상, 3 이상, 또는 5 이상의 투자율;
    1 내지 3 기가헤르츠에서 0.05 이하, 또는 0.02 이하의 자기 손실 탄젠트(magnetic loss tangent);
    0.1 내지 6 기가헤르츠에서 3, 4, 5, 6, 7, 또는 8 이하의 유전율;
    0.1 내지 6 기가헤르츠에서 0.02 이하의 유전 손실 탄젠트(dielectric loss tangent); 또는
    1 내지 6 기가헤르츠의 공진 주파수(resonance frequency) 중 적어도 하나를 가지며;
    이때 각각의 특성은 0.1 내지 8.5 기가헤르츠의 주파수 범위에서 Nicholson-Ross-Weir 방법으로 동축선(coaxial line)이 있는 Vector Network Analyzer(VNA)를 사용하여 측정되는 것인, 복합재.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복합재는,
    1 내지 3 기가헤르츠에서 0.05 이하, 또는 0.02 이하의 자기 손실 탄젠트, 및
    1 내지 3 기가헤르츠에서 3 이상, 또는 2 이상의 투자율을 갖는 것인, 복합재.
  10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항의 복합재를 포함하는 물품.
  11. 제10항에 있어서, 상기 물품은 안테나, 변압기, 반전자기 인터페이스 물질(anti-electromagnetic interface material), 또는 인덕터이고/이거나 상기 물품은 마이크로파 장치인, 물품.
  12. 예를 들어, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 나노결정질 페라이트를 형성하는 방법으로서, 상기 방법은,
    니켈 페라이트 상을 갖는 밀링된 분말을 제공하기에 충분한 시간(예를 들어, 2 내지 100시간) 동안 및 온도(예를 들어, 800 내지 1200℃)에서 Ni, M, Co, 및 Fe 전구체 분말을 고에너지 볼 밀링하는 단계 - 상기 고에너지 볼 밀링은 선택적으로 400 내지 600 rpm의 바이알 회전 속도에서 발생함 -, 및
    평균 입자 크기가 5 내지 100 나노미터인 나노결정질 구조를 갖는 나노결정질 페라이트를 생성하기에 충분한 시간(예를 들어, 0.5 내지 30시간) 동안 및 온도(예를 들어, 300 내지 1,000℃)에서 상기 밀링된 분말을 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 예를 들어, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 나노결정질 페라이트를 형성하는 방법으로서, 상기 방법은,
    니켈 페라이트 상을 갖는 혼합된 분말을 제공하기에 충분한 시간(예를 들어, 2 내지 4시간) 동안 및 온도(예를 들어, 800 내지 1200℃)에서 Ni, M, Co 및 Fe 전구체 분말을 혼합 및 가열하는 단계;
    무질서한 원자 스케일 구조를 갖는 밀링된 분말을 제공하기 위해 혼합된 분말을 일정 시간(예를 들어, 2 내지 100시간) 동안 고에너지 볼 밀링하는 단계 - 상기 고에너지 볼 밀링은 선택적으로 바이알 회전 속도가 400 내지 600 rpm일 수 있음 -; 및
    평균 입자 크기가 5 내지 100 nm, 바람직하게는 10 내지 40 nm인 나노결정질 구조를 발달시키기에 충분한 시간(예를 들어, 0.5 내지 30시간) 동안 및 온도(예를 들어, 300 내지 1000℃)에서 상기 밀링된 분말을 가열하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 나노결정질 페라이트는 화학식 Ni1-x-yZnyCoxFe2+zO4를 가지며, 상기 화학식에서, x는 0.1 내지 0.3이고, y는 0.2 내지 0.4이며, z는 -0.5 내지 0.1인 것인, 방법.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전구체 분말은 α-Fe2O3, NiO, Co3O4, 및 ZnO를 포함하는 것인, 방법.
  16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고에너지 볼 밀링 동안 볼 대 총 분말의 질량비는 20:1 내지 40:1인 것인, 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 볼의 직경은 3 mm 내지 20 mm인 것인, 방법.
  18. 제12항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열은 공기, 아르곤, 질소 또는 산소 중 적어도 하나에서 수행되는 것인, 방법.
  19. 제12항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노결정질 페라이트는,
    평균 입자 직경이 0.2 내지 100 마이크로미터인 구형 입자, 또는
    평면 치수가 0.5 내지 100 마이크로미터이고, 두께가 0.05 내지 1 마이크로미터인 소판형 입자 중 적어도 하나의 형태인 것인, 방법.
  20. 제11항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노결정질 페라이트는 0.1 내지 6 GHz에서 1.5 내지 5의 투자율, 및/또는 0.1 내지 6 GHz에서 3 내지 8의 유전율을 가지며, 이때 투자율 및 유전율은 파라핀 왁스 복합재의 총 부피를 기준으로 60 부피%의 나노결정질 페라이트를 포함하는 파라핀 왁스 복합재로 측정되는 것인, 방법.
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