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Design and analysis of high frequency properties for magnetic composites

Title
Design and analysis of high frequency properties for magnetic composites
Other Titles
자성 복합체의 고주파 특성 설계 및 분석: 전자파 흡수 재료의 투자율 계산
Author
Choi, Moosung
Alternative Author(s)
최무성
Advisor(s)
김종렬
Issue Date
2019. 8
Publisher
한양대학교
Degree
Doctor
Abstract
디지털 시스템의 발전에 따라, 전자기기 내 전자파 간섭을 차단하기 위한 전자파 흡수체의 필요성이 점차 증가하고 있다. 전자파 흡수체의 성능은 재료의 전기적, 유전적, 전기적 특성에 의해 결정되며, 특히 고주파 대역에서 전자파 흡수율을 높이기 위해서는 자성재료의 활용이 필수적이다. 이러한 자성 재료의 고주파 흡수 특성은 재료의 강자성 공명 거동에 지배되기에, 고주파 흡수용 자성재료는 높은 포화 자화 및 이방성 자기장을 가져야 한다. 따라서, 강자성체로 제조된 중공형 섬유 입자를 함유한 복합 시트는 GHz 대역에서 높은 흡수 성능을 가질 것으로 기대되며, 이와 함께 이들 중공형 섬유 입자 및 이를 함유하는 복합체 (특히 높은 입자 함유율을 가지는 복합 시트)의 고주파 투자율 거동을 이해하기 위한 정밀 해석 모델의 필요성이 커지고 있다. 본 연구에서는 고 분율 자성 입자를 함유하는 복합시트의 투자율 거동을 이해하기 위한 계산 방법을 제시하였다. 특히, 중공형 섬유 입자에서의 와전류 손실 및 높은 입자 분율에서의 클러스터링 효과에 대한 이론적 접근이 논의되었다. 이를 위해, Landau-Lifshitz-Gilbert 방정식 및 유효 매질 이론 (effective medium theory)을 기반으로 입자의 형상 및 재료의 고유 특성을 고려하였으며, 시트내 입자의 와전류 손실, 입자 함유율에 따른 정자기 에너지 변화, 클러스터링 효과 등을 고려하기 위한 여러 보정 인자들을 제시하였다. 이 후 계산 결과의 검증을 위해 Fe-Co 중공형 섬유를 함유하는 시트를 제조하여 실제 투자율 측정 결과와의 비교 및 해석을 수행하였다. 그 결과, 본 논문에서 제시된 해석모델은 입자의 고유 특성 (포화자화, 기하학적 형상, 전기전도도 등) 및 복합시트에서의 분포 특성 (입자 함량, 클러스터 효과)에 따른 복합시트의 고주파 투자율 거동 예측 및 해석에 적합함이 확인되었다.; Electromagnetic wave absorbers have been considered as a critical issue for the development of digital systems in order to suppress the electromagnetic interference (EMI) in electronic devices and their component. The absorption effectiveness of materials depends on their conductive, dielectric, and magnetic loss properties. Especially, magnetic materials have been widely used to effectively absorb the EMI in high frequency region. The magnetic absorbing properties are affected by their ferromagnetic resonance behaviors in high frequency region. In order to increase the absorption frequency, the magnetic materials require to have a high saturation magnetization (Ms) as well as a high anisotropy field (Han). This indicates that ferromagnetic hollow fibers with high shape Han should be a good candidate material for fabricating high frequency absorber. However, the details of the frequency dependent magnetic permeability behavior of these fibers and their composite sheets have not been fully understood particularly the sheets with high particle volume fraction. This means that the development of practical and precise computation methods in the magnetic permeability calculation is an urgent issue to develop efficient EM absorbers working in high frequency region. In this thesis, a new calculation method was suggested to understand the effective permeability behaviours of composite sheets containing high concentration of magnetic particles. The theoretical approach was carried out to calculate the eddy current loss of hollow fibers including their clustering effect in composite sheets with high particle fraction. The calculation method was developed based on the Landau-Lifshitz-Gilbert equation and the effective medium theory with the consideration of the intrinsic material parameters and the shape effects of the particles. The modification terms, such as eddy current loss, magnetostatic correction with particle fraction, and clustering effect, were also proposed. The validity of these modification terms was proven by the measured results of manufactured composite sheets with Fe-Co hollow fibers. As a result, it was confirmed that the changes in frequency dependent magnetic permeability behaviours of composite sheets according to the intrinsic properties of the particle (saturation magnetization, geometric shapes, electrical conductivity, and so on) or the distribution of particles in the composite (volume fraction and clustering) were well predicted and analysed by the proposed calculation methods.
URI
https://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/109136http://hanyang.dcollection.net/common/orgView/200000435706
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GRADUATE SCHOOL[S](대학원) > MATERIALS SCIENCE AND CHEMICAL ENGINEERING(재료화학공학과) > Theses(Ph.D.)
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