Special 국가 전략소재 희토류 기술 개발 및 공급망 확보 동향(2)

6G 주파수대역 흡수체로서의 산화철 자성소재 연구동향

백연경_한국재료연구원 분말재료연구본부 책임연구원
이정구_한국재료연구원 분말재료연구본부 실장

1. 서 론

2030 년경 상용화될 전망인 6G 이동통신은 산업과 사회의 모든 분야가 네트워크에 연결되어 산업간 융합 및 실시간 상호연결을 가능하게 함으로써 초고속/초공간/지능화/고신뢰성이 확보된 스마트공장, 자율주행차. 디지털 헬스케어, 실감콘텐츠. 스마트시티 등의 4차산업 융합서비스가 실현될 것으로 기대되고 있다. 이러한 6G 기술의 핵심은 빠르고 지연이 없는 초고용량 데이터 전송기술에 있으며, 이를 위해서는 기존 5G 통신의 3.5GHz 대역이 가진 용량 한계와 28GHz 커버리지 한계 극복이 가능한 고주파수 대역 기술개발이 필요하다. 특히 입체 영상을 이용한 통신과 촉각 인터넷을 원활하게 제공하기 위해서는 적어도 1테라비트(Tbps)의 피크 데이터 전송률이 필요하므로 테라헤르츠(THz) 대역이 핵심 역할을 할 것으로 예상된다. 다만 THz 대역 신호는 파장이 짧고 직진성이 강하여 장애물이 막히는 등의 문제로 낮은 전송거리를 극복해야하는 과제를 안고 있다.
  최근에는 이보다 주파수대역이 낮은 밀리미터파(millimeter wave) 및 중대역 (mid wave range) 또한 작동주파수 대역으로 논의되고 있다. 6G 이동통신 후보 주파수에 대한 세계전파통신회의(WRC)를 앞두고 어퍼미드(upper-mid)밴드(7 GHz ~ 24 GHz) 대역 및 sub-6 GHz가 재조명 받고 있는데, 이는 기존5G 통신망을 활용할 수 있으며, 시장초기 전국망 커버리지를 안정적으로 확보할 수 있기 때문이다. 전 세계적으로도 6G 주파수 선점을 위한 물밑 경쟁에 돌입하여 중국은 6.525 GHz ~ 7.125 GHz 대역을, 미국은 12.7 GHz ~ 13.25 GHz 대역을 6G 표준 주파수로 제시하였고, 국내에서도 어퍼미드밴드 (7 GHz ~ 24 GHz) 대역을 논의 중이다. 그러나 중·저대역 주파수의 경우 기존 네트워크 연속성과 재활용 측면에서는 유리하나 밀리미터파 대비 초고속·저지연·대용량 통신이 가능한 전송속도를 구현하기 어려운 한계가 있다.
  삼성전자 및 에릭슨에서 발표한 6G 주파수 백서에서는 어퍼미드 밴드와 더불어 고대역으로 밀리미터파를 24 GHz ~ 92 GHz 대역, 92 GHz부터 300GHz까지를 서브THz 대역으로 구분하면서 사용 주파수 영역의 확장을 강조하였다.[1,2] 이와 더불어 짧은 전파 도달거리 문제를 해결하기 위하여 고대역을 활용하여 통신신호를 안정적으로 전달하기 위한 무선통신용 초고주파 칩 또는 전력증폭기 등의 부품개발도 함께 진행되고 있다.
  2027년 최종 결정되는 6G 주파수 선정을 앞두고 앞으로 2회 더 개최될 국제회의 결과를 주목해야 하지만, 각 주파수 대역별로 뚜렷한 장단점이 존재하므로 각 대역별 전파 신호의 한계를 극복하고자 하는 연구가 전 세계적으로 진행되고 있다. 특히 6G 이동통신의 핵심인 초고속·저지연·대용량 네트워크가 가능하려면 결국에는 고주파 대역의 전파를 이용해야만 하며 다양한 주파수 대역을 동시에 활용 가능할 수 있으므로, 넓은 범위 대역의 전자파에 대응이 가능한 전자기 신호 제어소재의 개발이 선행되어야 한다.
  전자파 흡수체는 크게 전도 손실(conduction loss), 유전 손실(dielectric loss) 및 자성 손실(magnetic loss) 재료로 나누어지며 입사된 전자파를 감쇄시키는 역할을 한다. 그중에서도 자성손실 재료는 투자율의 허수부 성분에 의한 자기적 손실로 다른 전자파 흡수체보다 고주파 대역 흡수가 가능하고, 특정대역의 전자기 신호를 선택적으로 흡수 가능하다는 장점이 있다. 즉 소재 및 조성을 제어하면 흡수 대역을 제어할 수 있다는 점에서, 6G 이동통신에 가용할 다양한 주파수 대역에 실용적으로 대응할 수 있는 전천후 흡수체로서의 가능성을 보여주고 있다. 그러므로 본고에서는 현재 어퍼미드 대역부터 서브THz 까지 넓은 대역에서 흡수체로서 연구되고 있는 경자성 산화철계 자성소재 (그림 1, 표 1)에 대해 알아보고, 전자파 흡수대역 제어를 위한 자기특성 인자에 대해서도 고찰하고자 한다.

그림 1. 주파수 대역별 전파흡수 자성소재

2. 강자성공명현상

자성재료의 극고주파 전자기신호의 흡수는 강자성 공명(ferromagnetic resonance)현상에 의해 발생되는데 이는 자기장 내의 강자성체가 특정 주파수를 선택적으로 흡수하는 현상이다. 전자기파에 강자성체를 노출하면 강자성체의 자화인 총 자기 모멘트가 자기장의 방향을 축으로 하여 세차 운동을 하기 시작한다. 이때 세차 운동 주파수와 같은 진동수의 전자파를 흡수하게 되며 이때 자연공명 주파수(fr)는 아래의 식(1)에 따라서 이방성자계(Ha)에 비례하게 된다.[3] (ν는 자이로 자기정수비)

  즉 흡수대역을 조정하려면 자성소재의 이방성 자계값을 제어할 수 있어야 하며, 시료가 랜덤배향한 일축이방성의 자성입자인 경우 Ha는 보자력(Hc)에 비례하므로 Hc가 높은 자성소재가 적합하다. 고로 강자성 공명 현상을 보이는 산화철 자성소재에 대해 살펴보고, 흡수하는 주파수 대역 및 제어 방법에 대해서 다음과 같이 살펴보고자 한다.
  일반적으로 페라이트는 구조에 따라 스피넬(spinel, AFe2O4), 육방정(hexagonal, AFe12O19) 타입 및 가넷(garnet, RE3Fe5O12) 타입 등으로 분류된다. 그중에서도 육방정 페라이트(hexaferrite)는 페리 자성을 띠는 자성재료로 1950년대 초반에 세상에 알려진 이후 다양한 물리적 특성으로 인해 자기기록 매체, 그리고 고주파 소자 등의 폭넓은 응용성으로 인해 수십 년간 많은 연구가 되어 왔다.[4-8] 제일 작은 단위로 S(Me6O8, spinel block), R(AMe6O11)2, T(A2Me8O14) 등의 3종의 블록으로 구성되어있는 육방정 페라이트는 S, R, T 블록의 적층 순서 및 구성 원소에 따라 M, W, Y, X, Z, U형 페라이트로 구분된다.[5,8] 여기에서 A는 주로 Ba, Sr, Pb이고,[9] Me는 Fe2+, Zn2+, Co2+, Ni2+, Mn2+ 등의 전이금속원소이다.[5,8] 이러한 결정구조에 따라 육방정 페라이트는 각각 다른 Ha을 나타내며 이에 따라 다양한 범위의 주파수 대역에서 강자성 공명에 의한 전자파 흡수능을 발현한다.
  U, X, Y, Z 형의 육방정 페라이트는 c축에 수직인 면내에 자화용이 축을 가지므로 spinel 구조의 페라이트의 A2Me2Fe12O22 구조를 갖는 Y형 페라이트는 c축에 수직한 방향으로 자화용이 축을 가지며, Hc 또한 낮아서 대응되는 fr은 수 GHz인 것으로 알려져 있다.[10] Z형은 일반적으로 A3Me2Fe24O41 구조를 가지며, 그중 가장 많이 알려진 Me가 Co인 Z형(Co2Z)은 실온에서 적어도 4개의 다른 이방성 상태를 갖는 복잡한 자기 이방성을 가진다. 마지막으로 A4Me2Fe36O60의 화학식을 갖는 U형은 Z형과 M형 또는 2개의 M형과 1개의 Y형이 혼합된 구조로 알려져 있으며 단상을 얻기 어려운 것으로 알려져 있다. Co가 치환된 U, X, Y, Z 상(Co2U, Co2X, Co2Y, Co2Z)의 경우 각각 7.5 GHz, 1 GHz, 5.7 GHz, 3.5 GHz에서 최대 흡수를 나타내는 것으로 보고되었다.[6]
  이와 비교하여 SrFe12O19와 BaFe12O19 화학조성을 갖는 M형 페라이트는 대표적인 산화물 영구자석으로 활용되고 있는데 이는 일축 자기 이방성과 높은 자화 값에 기인한다. 이는 RSR*S*(*는 c축에 대하여 180o 회전한 상태) 순서로 블록들이 적층되고, 단위격자에서 3개의 octahedral(12k, 2a, 4f2), 1개의 tetrahedral(4f1)과 trigonal bipyramidal(2b)의 중앙에 위치하는 구조 때문이다. Fe3+이온의 스핀은 산소 이온을 매개로 초교환 상호작용을 하여 12k, 2a, 2b는 c축과 평행한 상향스핀 방향을, 4f1, 4f2는 c축과 반 평행한 하향 스핀 방향을 나타내며 총 스핀방향은 c축에 평행한 방향이 되게 된다.[8] 즉, 결정의 c축으로 자화용이 축을 가지게 되므로 인해 높은 Ha = 1.7 T ~ 2.0 T를 갖게 되며 이에 대응되는 강자성 공명 주파수는 40 GHz ~ 50 GHz로 보고되었다.[5,11]
  W형 육방정 페라이트는 M형 페라이트보다 약 10% 정도의 높은 포화자화(Ms) 값을 가지며 유사한 수준의 Ha = 1.9 T를 나타내는 것으로 알려져 있다.[5] 또한 W형 페라이트는 블록들이 R*S*S*RSS 순서로 적층된 구조를 갖는데 M형 육방정 페라이트보다 2개의 S블록을 더 포함하고 있으므로 총 4개의 자기모멘트를 더 갖게 되어 M형보다 더 높은 자화값을 나타내게 된다.[12] 또한 W형 육방정 페라이트는 M형과 비슷한 크기의 Ha를 가지므로 30GHz~60GHz의 fr을 나타내므로 밀리미터파 흡수체로의 활용이 가능할 것으로 기대된다.[13,14]
  이렇듯 육방정 페라이트 소재라 할지라도 결정구조에 따라 흡수대역의 차이가 날 수 있으며 또한 같은 결정구조를 갖는다 하더라도 상이한 흡수대역을 나타낼 수 있는데 이는 이방성자계의 차이로 나온 결과이다. Ha는 식(2)에 따라 결정자기이방성 상수 (K1)에 비례하고 포화자화(Ms)에 반비례하는 것으로 알려져 있다.

  SrFe12O19와 BaFe12O19는 같은 결정구조를 가지지만 K1의 값에는 차이가 있다. 이는 Fe와 O 사이의 결합 길이 차이로 인해 발생하는데, 결합 길이가 짧을수록 O를 매개로 하는 Fe 사이의 초교환 상호작용이 커져 K1이 증가한다. Sr2+이온이 Ba2+이온보다 반경이 작기 때문에 SrFe12O19의 Fe와 O 사이 간격이 BaFe12O19보다 더 가깝고 그에 따라 Fe간의 상호작용이 증가하여 SrFe12O19는 3.6×106 erg/cm3, BaFe12O19는 3.25×106 erg/cm3의 K1 값을 나타낸다.[15]
  그러므로 순수한 BaFe12O19의 경우, SrFe12O19보다는 비교적 낮은 대역의 주파수를 흡수하는데, 그림 2(a)에서처럼 6.8 GHz 주파수에서 -19.4 dB(98.9%) 수준의 흡수능을 보였다. 이에 산화물 유전체인 CeO2를 0.31 wt.% 첨가 시 강자기공명주파수는 거의 변하지 않았으나 BaFe12O19가 가지는 자성손실 특성과 CeO2가 가지는 유전 손실 특성의 결합으로 최대 흡수 -51.2 dB(99.999%)를 달성하여 반사되는 전자기파를 약 1500배 감소시킬 수 있다는 결과가 보고되었다.[16]

그림 2. 페라이트소재의 전자기파 흡수대역 및 흡수능 (a) CeO2를 0.31% 첨가한 BaFe12O19의 두께별 반사율 손실 스펙트럼[16], (b) SrFe12-2xCoxTixO19의 반사율 손실 스펙트럼 (x=1.1~1.3)[24], (c) SrFe12-2xCoxTixO19 (x=0.55, 0.8)[23] 및 (d) SrFe12-xAlxO19 (x=0.5, 1.5) 의 차폐 효율[23]

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