2.1 시료 제조 방법

고상법을 사용하여 W-형 육방정 페라이트인 BaZnCoFe₁₆O₂₇과 페롭스카이트인 BaTiO₃ 분말을 각각 합성하였다. BaZnCoFe₁₆O₂₇ 분말은 BaCO₃, ZnO, CoO, Fe2O₃ 분말을 원료로 사용하여 1차 하소로 공기 중 900 °C에서 6시간, milling 후 2차 하소로 공기 중 1250 °C에서 6시간 하소하여 제조하였다. BT 분말은 BaCO₃와 TiO₂ 원료 분말을 사용하여 1차 하소 공기 중 1200 °C에서 4시간, 2차 하소로 공기 중 1300 °C에서 2시간 하소하여 제조하였다. 합성된 BaZnCoFe₁₆O₂₇와 BaTiO₃에 대해 X-선 회절 분석(XRD, D8 Advance, Bruker)을 통해 결정상을 확인하고 전자현미경 분석을 통해 미세구조를 관찰하였다. 합성된 BaZnCoFe₁₆O₂₇와 BaTiO₃ 각각의 분말 90wt%와 epoxy 바인더 (YD-014, 국도화학) 10 wt%를 혼합하여 성형체는 가압 성형, curing 및 후 가공을 통해 내경 3.03 mm, 외경 7.00 mm, 두께 2~3 mm 범위의 toroid 형태로 성형하였다. 본 연구에서는 BaZnCoFe₁₆O₂₇ 분말-epoxy (10 wt%) 복합체를 BZCFO, BaTiO₃ 분말-epoxy (10 wt%) 복합체를 BT로 각각 명명한다.

2.2 물성 측정 및 HFSS 모델링

백터 네트워크 분석기 (Vector Network Analyzer, E50356A, Keysight)의 2개 port로 서로 연결된 airline에 이들 toroid 형태 시료들 장착하여 0.1 ~ 18 GHz 주파수 범위에서 복소 유전율 및 복소 투자율을 측정하였다. 또한 반사손실 (Reflection Loss, RL)의 실측정은 백터 네트워크 분석기 1-port airline 끝에 시료와 Cu-end socket 밀착하여 장착하여 S11 parameter 측정을 통해 얻었다[¹⁸]. 측정하여 얻은 복소 유전율과 투자율 (ε′, ε″, μ′, μ″) 및 tanδ_e와 tanδ_m 값들은 3D High Frequency Structure Simulation (HFSS, Ansys)를 통한 RL 계산에 물성 data로 사용된다. HFSS를 통해 BZCFO를 하부층에 두고, 그 위에 다양한 패턴을 갖는 BT를 두는 2층 구조를 설계하였다. 여기서는 전자기파가 입사되는 면을 상부층으로 정의한다.

그림 1에서 제시된 바와 같이 상부층 BT의 형태에 따라 크게 3가지 구조 (P_A, P_B, P_C)로 분류한다. 첫 번째 구조 P_A는 BT도 BZCFO와 같이 패턴이 없는 연속층 구조이며, 두 번째 P_B는 BT를 폭 w를 갖는 십자형 패턴으로 형성하는 것이며, 마지막 P_C 구조는 한 변의 길이 l을 갖는 정사각형 패턴이 간격 s를 갖고 배열된 island 구조 설계하였다. 해당 구조는 x-y 평면에서 무한 반복된다. RL spectra 계산은 BZCFO 및 BT 층의 두께 t와 함께 패턴의 치수 w, l, d를 변수들로 두고 전자기파가 x-y 평면에 수직 (-z 방향)으로 입사되는 조건에서 계산하였다.

3.1 흡수체 소재의 결정상 및 미세구조 분석

그림 2 (a)는 2차 하소 후 각각 합성된 BaZnCoFe₁₆O₂₇와 BaTiO₃ 분말 시료의 XRD 회절패턴을 보여준다. 각각의 회절 패턴 아래 W-type hexaferrite 및 페롭스카이트 tetragonal 구조의 BaTiO₃의 International Center for Diffraction Data (ICDD) peak 패턴과 잘 매칭되어 두 상 모두 단상으로 합성된 것을 확인할 수 있다. 그림 2 (a, b)는 2차 하소 및 분쇄 후 epoxy 바인더와 복합화 직전 단계의 BaZnCoFe₁₆O₂₇, BaTiO₃ 분말의 미세구조를 각각 보여준다. BaZnCoFe₁₆O₂₇는 10 μm 정도의 육각 넓은 판형 hexaferrite 결정립과 분쇄된 입자들이 혼재하는 것이 확인되며 BaTiO₃ 분말의 경우 1~2 μm 수준의 균일하고 미세한 입자들로 존재하는 것을 알 수 있다.

3.2 각 재료의 복소 유전율과 투자율과 전자기파 흡수 특성

그림 3 (a–f)는 BT와 BZCFO 복합체들의 복소 유전율의 실수부 (ε′) 및 허수부 (ε″), 복소 투자율의 실수부 (μ′) 및 허수부 (μ″), 그리고 유전 및 자기 손실 탄젠트 (tan δ) spectra (0.1 ≤ f ≤ 18 GHz)을 나타낸다. 그림 3 (a, b)에서 볼 수 있듯이, BT 시료는 전체 주파수 범위에서 BZCFO보다 월등히 높은 ε′ 와 ε″ 값을 나타낸다. BT는 1 GHz 이하에서 ε′의 값이 약 36로 나타나고 7.7 GHz에서 공진 형태의 신호가 나타났다. BaTiO₃의 이온 분극에 의한 공진은 THz 대역이므로, 여기서 나타나는 공진 신호는 BaTiO₃와 epoxy 계면에서 전하 축적 및 완화(relaxation)과 관련된 Maxwell–Wagner–Sillars (MWS) 분극[¹⁹, ²⁰]에 의한 작용으로 추정할 수 있다. 이러한 현상은 BT 결정 입자의 크기, 고분자 바인더 내 충진제의 함량 등 여러 요인에 따라 달라진다 [²¹]. BT 시료는 10 GHz 부근의 높은 유전적 손실 기구를 가지고 있음을 알 수 있다. 한편 BZCFO는 전체 주파수 대역에서 ε′ = 8 정도로 일정한 값을 유지하며, ε″도 1 이하로 일정하게 유지되는 것을 알 수 있다. 그림 3 (c, d)의 μ′, μ″ spectra에서는 자성을 띄는 BZCFO 시료가 BT보다 전체적으로 높은 값을 가지며 자기적 손실 기구를 가지고 있음을 알 수 있다. BZCFO의 μ″ 스펙트럼은 1 GHz 이상에서 피크가 나타나고 이는 강자성 공명현상에 의한 자기적 손실 기구를 갖기 때문이다. BT는 자성의 띄지 않는 반자성(diamagnetic) 물질로[²²], μ′의 값은 1에 가깝고 μ″의 값은 0에 가까워진다. 그림 3 (e, f)에 나타난 유전 및 자기 손실 탄젠트는 각각 tan δ_e = ε″/ε′, tan δ_m = μ″/μ′을 의미하며 GHz 주파수 대역에서 BT는 유전 손실이, BZCFO는 자기손실이 중요한 전자기파 흡수기구로 작용할 수 있음을 알 수 있다.

전자기파 흡수 성능을 나타내는 RL을 그림 3 (a−d)에 표시된 ε′, ε″, μ′ 와 μ″의 spectra을 사용하여 아래 전송선 이론식 [²³]을 통해 계산하였다.

여기서 Z_in 흡수체의 입사 임피던스, Z o = μ 0 ε 0 는 자유 공간의 특성 임피던스이며, c는 빛의 속도, f는 입사 전자기파의 주파수, d는 흡수체의 두께, 그리고 μ_r = μ' -jμ″, ε_r = ε' -jε″ 로 복소수이다. RL 값은 VNA 측정에 의해 얻어진 ε′, ε″, μ′ 와 μ″ 값을 식(2)에 대입해서 얻은 Z i n Z o 을 다시 식(1)에 대입하여 얻을 수 있다. 이러한 계산에 의해 얻어진 RL 값은 그림 3 (g, h)와 같이 두께(d)와 주파수 (f)의 함수인 RL map으로 plot할 수 있다. 높은 유전율을 갖는 BT의 경우 임피던스 부정합에 의한 전반적인 반사 특성이 우세하여 RL map에서 흡수 영역은 좁고 국지적으로 나타난다. 반면 BZCFO의 경우는 f = 5.29 GHz, d = 3.41 mm에서 RL = -58 dB로 최대 흡수 특성을 가지며 임피던스 정합 조건에서 매우 강한 전자기파 흡수가 발생한다. 두께가 2.33 mm일 때는 RL < -10 dB 조건을 만족하는 주파수 대역폭 Δf = 12.52 GHz로 우수한 광대역 흡수 특성을 보인다.

그림 4에서는 HFSS를 통한 RL spectra 계산의 신뢰성을 검증하기 위해 위 식(1)과 식(2)의 전송선 이론으로 계산한 것, 실측정을 통해 얻어진 것들과 비교하여 보였다. 그림 4(a)는 두께 2.5 mm BZCFO sample 대한 RL spectra를 전송선 이론으로 계산한 것과 HFSS 시뮬레이션을 통해 얻어진 것과 함께 나타내었고, 그림 4(b)에서는 두께 3.35 mm의 BZCFO sample 샘플에 대해 전송선 이론, HFSS 시뮬레이션 및 실측정에 의한 결과를 모두 동시에 plot하여 나타내었다. HFSS 시뮬레이션 결과가 이미 잘 알려진 전송선 이론이나 실측정의 결과와 매우 유사하게 일치함을 알 수 있다.

3.3 BZCTO/BT 2층 구조 설계에 따른 전자기파 흡수 특성

먼저 그림 1(a)의 구조 (P_A) BZCTO 위 BT 패턴이 없는 연속층으로 적층했을 때 각 층에 두께에 따른 전자기파 흡수 특성의 변화를 연구하고자 하였다. 그림 3(h)의 단일층의 BZCFO의 RL map에서 보이는 바와 같이 RL <-10 dB을 가장 광대역으로 만족하는 BZCFO 두께(t_BZCFO)는 2.33 mm으로 확인된다.

이를 바탕으로 그림 5 (a-b)는 BZCFO/BT 구조에서 각 층의 두께의 합을 2.25 mm와 2.5 mm 한 두께로 고정시킨 후 BT 층의 두께 (t_BT)를 0.5 mm씩 증가시킨 경우로 곧, BZCFO (t_Total–t_BT) / BT (t_BT) mm (t_BT = 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 mm)에서의 RL spectra 변화를 나타내었다. t_BT가 증가할수록 전자기파 흡수 대역폭 (Δf)은 점차적으로 감소하였고 RL_min이 발생하는 주파수가 낮은 주파수 대역으로 이동하며, RL_min의 절댓값이 감소하였는데 이는 그림 3 (g)에서 보이는 바와 같이 전자기파의 흡수 주파수 폭이 상대적으로 좁은 BT 층에 의해 전반적 대역의 전자기파 반사가 두드러지기 때문으로 판단된다. 특히 Δf는 단일층의 BZCFO에서 각각 11.75 GHz (t_BZCFO = 2.5 mm)와 11.55 GHz (t_BZCFO = 2.25 mm)으로 나타났는데, t_BT가 증가하면서 점진적으로 감소하여 t_BT = 1.5 mm부터는 Δf = 0 된다.

그림 5 (c, d)는 t_BZCFO를 각각 2.5 mm와 2.25 mm로 고정하고 t_BT를 0.3 mm에서 1.5 mm까지 0.3 mm간격으로 증가시킬 때의 RL spectra 변화를 보여준다. t_BT가 증가할수록 f_RLmin은 4 GHz 부근에서 2.3 GHz 부근으로 감소하고, RL_min의 절댓값도 감소하였다. 또한 t_BT가 증가하면서 RL <-10 dB을 만족하는 주파수 대역이 저주파 방향으로 이동하며 Δf 값은 점점 감소한다. t_BT ≥ 0.6에서는 Δf > 0인 흡수 대역이 S-band (2-4 GHz)까지 이동하였다.

그림 5 (e, f)는 t_BT를 0.25 mm, 0.5 mm로 각각 고정하고 t_BZCFO를 2.0 mm에서 3.0 mm까지 0.25 mm씩 증가시킬 때의 RL spectra를 보여준다. 동일한 t_BT 조건에서는 Δf 변화가 크게 나타나지 않았으며 t_BZCFO가 증가할수록 최대 흡수가 일어나는 주파수 f_RLmin가 감소하며 t_BZCFO = 3.0 mm에서 RL_min의 절댓값이 30 dB 이상을 만족시켰다. BZCFO (t_BZCFO)/BT (t_BT) 2층 구조에서 각 층의 두께 변화에 따른 RL_min, f_RLmin, RL < -10 dB를 만족시키는 주파수 범위 (f-range) 및 주파수 폭 (Δf) 등을 표 1에 나타내었다.

패턴이 없는 2층 구조의 BT/BZCFO는 각 층의 두께를 조절함으로써 RL < -10 dB을 만족하는 주파수 대역을 조절할 수 있었다. 다만 전자기파가 반사 특성이 높은 BT층으로 인해 최적화된 단층의 BZCFO보다 넓은 흡수 대역폭을 만족시키는 조건은 찾을 수가 없었다.

다음으로, 그림 1 (b) 구조 (P_B)의 전자파 흡수 특성을 평가하였다. 각 층의 두께와 BT 패턴의 폭 (w_BT)을 조절하여 우수한 전자파 흡수 특성을 가지는 조건을 확보하는 것을 목표로 하였다.

그림 6(a)는 t_BZCFO가 2.25 mm, t_BT가 0.2 mm로 고정된 상태에서 w_BT 값을 1.0 mm에서 5.0 mm까지 1.0mm씩 증가시키며 얻은 RL spectra를 보여준다. w_BT가 증가함에 따라 BZCFO 층을 덮는 총 BT 패턴의 면적 비율(A_BT/A_BZCFO)은 19.0%에서 75.0%로 증가한다. w_BT가 증가할 때 RL_min 값은 -33 dB에서 -14 dB까지 단계적으로 감소하며, RL_min이 발생하는 주파수 (f_RLmin)도 조금씩 저주파 방향으로 이동한다. 흡수 대역폭 (Δf)은 w_BT = 1.0 mm에서 12.51 GHz로 최댓값을 가지고, w_BT ≥ 2.0부터는 점진적으로 감소하면서 Δf > 0을 만족하는 흡수 대역이 두 구간에 걸쳐서 나타났다. w_BT = 1.0 mm일 때 최대 Δf 값을 보였으므로 t_BZCFO가 2.25 mm, t_BT가 0.2mm에서 w_BT 값을 0.2 mm에서 1.0 mm까지 0.2 mm간격으로 얻은 RL spectra를 그림 6(b)에 나타내었다. A_BT/A_BZCFO가 20% 미만인 조건에 해당하고, w_BT ≤ 1.0mm 범위에서는 w_BT에 따른 흡수 특성에 의미 있는 변화는 보이지 않았다.

그림 6 (c, d)는 w_BT를 1.0 mm, t_BZCFO를 각각 2.25mm, 2.5 mm로 고정한 상태에서 t_BT를 0.25, 0.5, 1.5 mm로 변화 시켜 갈 때 RL spectra를 보여준다. t_BT = 0.5mm 이상에서 흡수 대역폭이 두 구간으로 나타났다. RL_min은 t_BZCFO = 2.25 mm인 경우 t_BT가 증가할 때 감소하였으나 t_BZCFO = 2.5 mm인 경우에는 t_BT가 증가할 때 반대로 증가하였다. 추가적으로 w_BT = 1.0 mm, t_BZCFO가 2.25 mm일 때 t_BT가 0.1 mm에서 0.5 mm까지 0.1 mm간격으로 변화시키며 얻은 RL spectra를 Fig 6 (e)에 나타냈다. t_BT = 0.3 mm에서부터 흡수 대역폭이 두 구간으로 나타나기 시작하였고, Δf 크기는 t_BT가 증가할수록 감소하였다.

그림 6(f)는 BT와 BZCFO의 두께의 합 (t_Total)을 2.5 mm 고정하고 두께의 간격을 0.5 mm로 설정해 얻은 RL spectra를 나타낸다. 교차 패턴을 적용한 BZCFO/BT 구조에서 얻어진 RL_min, f_RLmin, RL < -10 dB를 만족시키는 주파수 범위 (f-range 및 Δf) 등의 전자기파 흡수 특성은 표 2에 나타냈다.

각 층의 두께가 조절에 따라 RL spectra에 큰 변화가 발생하는 것이 관찰되었다. t_BT = 0.2 mm 및 t_BZCFO = 2.25 mm에서 w_BT = 1.0 mm일 때, Δf = 12.51 GHz로 가장 우수한 흡수 특성이 나타났다. 패턴이 없는 2층 구조(P_A)에서는 광대역 전자기파 흡수능의 확보가 어려웠으나, BT 층을 교차형 패턴으로 설계하였을 때 특정 조건에서 Δf > 12 GHz를 초과하며 단일 BZCFO 층보다 우수한 흡수능을 얻는 것이 가능해졌다.

그림 7 (a–i)에서는 그림 1 (c)에 제시된 구조 (P_C)에서의 RL spectra를 보여 준다. 앞선 교차 패턴 구조 (P_B) 연구에서 t_BZCFO = 2.25 mm일 때 Δf = 12.51 GHz로 가장 우수하게 나타났고 t_BT가 증가할수록 흡수 특성이 급격히 저하되었기 때문에 이를 참고로 하여, t_BZCFO = 2.0 mm, 2.25 mm, 2.5 mm로 설정하였고, t_BT 값을 1.0 mm 이하의 범위에서 계산을 진행하였다. BT 패턴의 한 변의 길이 (ℓ_BT), 패턴 간 거리 (s), 그리고 t_BT와 t_BZCFO를 조절하면서 얻은 RL spectra를 얻었으며 그림 7. (a–i)는 다음과 같은 조건에 따라 분류하였다. 각 경우에 ℓ_BT + s = 2.0 mm를 만족한다.

- 그림 7(a–c): ℓ_BT = 0.5 mm로 고정, t_BZCFO = 2.0 ~ 2.5 mm 범위 내 변화

- 그림 7(d–f): t_BZCFO = 2.25 mm로 고정, ℓ_BT = 0.25 ~ 1.5 mm 범위 내 변화

- 그림 7 (g): t_BZCFO = 2.25 mm, ℓ_BT = 0.75 mm로 고정, t_BT = 0.1 ~ 0.5 mm 범위 내 변화

이상의 과정에서 얻은 정량적인 전자기파 흡수 특성은 표 3에 제시하였다. A_BT/A_BZCFO의 비율은 각각 1.56%, 6.25%, 14.06% 25.0%, 56.25%으로 BZCFO 표면을 BT 패턴으로 덮는 비율을 의미한다.

추가적으로 우수한 광대역 흡수 특성이 얻어진 조건 t_BZCFO = 2.25 mm에서 사각 패턴의 한 변의 길이 ℓ_BT = 0.75 mm로 유지한 체, 10 mm × 10 mm 면적 당 패턴의 수를 1개에서부터 4, 16, 25, 64, 100개씩 일정한 간격으로 배치하여 두었을 때 RL spectra를 각각 계산하여 그림 7(h)에 나타내었다. 흥미로운 결과는 1개에서부터 64개까지는 모두 Δf > 11 GHz로 큰 차이 없이 우수하다가 BZCFO의 56% 정도를 덮는 100개에서부터 급격히 흡수 특성이 저하된다는 것이다. 여기서 흡수폭은 A_BT/A_BZCFO = 14% 정도되는 25개 패턴이 있을 때 Δf = 12.41 GHz로 가장 높은 값을 얻었다. 그리하여 마지막 단계로 BT가 BZCFO를 덮는 면적 비율을 14.06%로 고정하고 ℓ_BT 값을 변화시켜 25개였던 패턴의 수를 1개에서부터 4, 16, 25, 64, 100 개로 나누는 모델링을 했을 때 계산된 RL 특성을 그림 7(i)에 제시하였다. 여기서 패턴 세분화 방식은 그림 8에 나타내었다.

그림 7 (h, i)의 RL spectra에서 확인된 정량적인 전자기파 흡수 특성 값은 표 4에 제시하였다. Δf 값은 여전히 25개 일 때 가장 큰 값을 유지했으나 RL_min 값은 64개로 조절했을 때 기존 25개에서 얻어진 RL_min = -28.6 dB 보다 우수한 RL_min = -45.6 dB 값을 얻을 수 있었다.