한국재료연구원(이하 재료연)의 분말재료연구본부 자성재료연구실 백연경, 이정구 박사 연구팀이 네오디뮴(Nd) 자석과 동등한 수준의 고 보자력으로 밀리미터파 흡수능을 가진 입실론 산화철을 연속 제조하는 기술을 세계 최초로 개발하는 데 성공했습니다.
기술개발 배경
2030년경 상용화될 전망인 6G 이동통신은 극고주파(extremely high frequency, EHF) 대역을 사용하여 5G통신보다 50배 빠른 전송속도와 실시간 데이터 처리, 전송지연 해소를 통해 방대한 데이터를 공간의 한계 없이 빠르게 주고받을 수 있을 것으로 예상됩니다. 이러한 6G 기술의 핵심은 빠르고 지연이 없는 초고용량 데이터 전송기술에 있습니다. 이를 위해서는 작동주파수 대역인 밀리미터파(millimeter-wave, 30~300GHz) 전자기 신호의 제어가 선행되어야 합니다. 또한 전자기기의 극박화 및 소형화 및 극 고주파수 전자기 신호의 사용으로 인하여 발생하는 노이즈 문제가 더욱 심화할 것이 예상되는데, 극 고주파수 전자파를 흡수할 수 있는 소재의 개발이 시급한 상황입니다.
6G 대역에 해당하는 초고주파를 흡수하는 자성소재는 고 보자력을 나타내는 입실론 결정상을 가진 산화철 소재가 거의 유일한데요. 하지만 현재까지 이는 50나노미터 이하의 나노 크기 입자 형태로만 발현될 수 있었습니다. 일본은 습식공정을 통해 순수 입실론 산화철을 제조했지만, 저수율 다단계 공정의 한계로 상용화는 어려운 상황입니다.
연구팀은 에어로졸 공정을 통해 저수율 제조 문제를 해결했습니다. 철과 규소 전구체 용액을 핫 챔버에 분무 건조 및 열처리하는 과정을 통해, 입실론 산화철 나노입자가 실리카 입자에 매립된 복합 분말을 제작하는 데 성공했습니다. 원료 용액을 연속 주입하고 분무 용액을 순간적으로 건조하면, 철 원료가 제로겔 입자에 갇혀 열처리 시 입자의 성장이 제한되는데요. 이는 마이크로미터 크기 규모의 분말 제조공정을 활용해 입실론 산화철 나노입자의 연속 제조를 가능케 한 것으로, 밀리미터파 흡수 소재의 상용화 가능성을 보여줬다는 데 큰 의미가 있습니다.
기존 전자파 흡수 소재가 고주파 대역에서 흡수능이 감소하거나 주파수 대역의 제어가 어려운 한계를 가지는 데 비해, 극고주파(30~200GHz) 대역에서 흡수능을 가진 입실론 산화철은 미래 통신부품 소재로의 가능성이 높습니다. 밀리미터파 흡수능을 가진 입실론 산화철 연속 제조기술은 밀리미터파를 기반으로 하는 5G/6G 무선통신 및 저궤도 위성통신 부품, 스텔스, 레이더 센서 등에 사용이 가능하며, 고 보자력 자성 소재인 만큼, 미래 모빌리티의 전장부품 분야에도 활용할 수 있습니다.
밀리미터파 흡수가 가능한 자성 소재 기술을 양산해 제품에 적용하고 있는 회사는 현재 없으며, 5G 대역 흡수 차폐 소재는 미국, 일본, 독일 등 2~3곳에 불과합니다. 본 기술개발을 통해 추후 국산화에 의한 수입 대체 효과는 물론, 해외로의 수출도 가능할 것으로 전망됩니다.
연구책임자인 재료연 백연경 책임연구원은 “본 연구를 통해 개발된 입실론 산화철은 광대역(30~200GHz)의 초고주파를 선택적으로 흡수할 수 있으며, 특히 상용화가 가능한 연속 제조공정을 세계 최초로 개발한 것에 의미를 둘 수 있다.”라며 “본 기술이 향후 밀리미터파를 사용하는 무선통신기기, 자율주행차 레이더 및 우주위성 통신용 흡수체 기술의 상용화를 앞당길 수 있게 될 것으로 기대한다.”라고 말했습니다.
□ 본 연구성과는 과기정통부의 지원으로 한국재료연구원 주요사업 ‘성능재단형 복합자기구조 자성분말 소재기술 개발’ 과제를 통해 수행됐다. 또한, 연구 결과는 영국 왕립화학회에서 발행하는 재료과학 분야 저명학술지 케미컬 커뮤니케이션즈(Chemical Communications)誌에 9월 22일자로 게재됐다. 현재 연구팀은 다수의 기업과 산화철 흡수 소재의 양산화 기술에 대한 기술이전을 논의하고 있으며, 100기가헤르츠(GHz) 이상의 테라헤르츠파 흡수능 증진 방안에 관한 추가 연구를 진행 중이다.
#용어설명
1. 보자력
자연적으로 자기화가 되지 않은 천연 강자성 물질에 외부에서 자기장을 걸어 자기화를 포화시킨 후 외부 자기장을 반대 방향으로 걸어주어 자기화를 없애는데 필요한 자기장
2. 저수율 다단계 공정
계면활성제를 이용해 철 미셀(micelle)을 만든 후 이를 산화규소 제로겔로 만드는 단계를 포함하며, 이러한 전구체를 만드는 단계에 보통 12~24시간이 소요되어 낮은 수율의 제조공정임
3. 핫 챔버
열 가압실(hot chamber)
