JP2006203233A

JP2006203233A - 電波吸収体

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Publication number: JP2006203233A
Application number: JP2006056291A
Authority: JP
Inventors: Morihiko Matsumoto; 守彦松本; Shigemori Miyata; 恵守宮田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-03-02
Filing date: 2006-03-02
Publication date: 2006-08-03

Abstract

【課題】金属軟磁性体粒子を有機高分子中に高密度に均一分散させ、高複素透磁率、高複素誘電率を得ると同時に、金属軟磁性体粒子表面の電気抵抗を大きくし、ＵＨＦ帯域において整合する薄い電波吸収体を提供する。
【解決手段】有機基を有する分子からなる電気的絶縁層１１を表面に形成した金属軟磁性体粒子１２が、有機高分子１３中に高密度に充填された軟磁性複合体を、反射体で裏打ちして構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばＵＨＦ帯において２０ｄＢ以上の反射減衰量を有する電波吸収体で、厚さを従来のものより薄くすることが可能な電波吸収体に関する。

現在、ＵＨＦ帯で実現されている電波吸収体は、立方晶フェライトの焼結体やその粉砕粒子を樹脂中に分散した複合体である。
これら焼結体や複合体の厚さは６〜８ｍｍと厚く、重いためその適用箇所は電波暗室などに限られていた。またカルボニル鉄粒子を有機高分子中に分散した複合体は、厚さが２ｍｍ程度と上記の立方晶フェライト系に比べ薄いが、この厚さで適用できる周波数範囲が４ＧＨｚ以上の高周波数域に限られていた。ところで、平面波が自由空間から導電体に裏打ちされた物体へ垂直入射した時の反射減衰量Гは下記の[数１]により表現できる。

[数１]

また、[数１]中の伝搬定数γは以下の通り表わされる。

[数２]

つまり、物体の複素透磁率と複素誘電率との比を１に近づけるのが望ましい。さらに、吸収体を薄く設計するためには物体内における電波の減衰を大きくする必要がある。これには物体の伝搬定数の実数部（減衰定数）を大きくすること、すなわち所望の周波数において、物体の複素透磁率、複素誘電率を大きくする必要がある。

現状ではＵＨＦ帯用の電波吸収体に立方晶フェライトが用いられている。この物質の複素透磁率は、図７に示すように、スネーク（Ｓｎｏｅｋ）の限界に従い、周波数の増加とともに減少する（強磁性体の物理、近角聡信、掌華房、１９９１）。また複素誘電率は周波数に依存せず一定値を示す。
従って、この系を吸収体に用いたときの整合厚さは６〜８ｍｍとほぼ一定である。
一方、カルボニル鉄など金属軟磁性体の複素透磁率のＵＨＦ帯における周波数存在性は、図７に示すように、スネーク（Ｓｎｏｅｋ）の限界には従わず、主に表皮効果に基づく挙動を示す。したがって、サイズの小さい粒子（３〜４μｍ）を用いることで、立方晶フェライトよりも複素透磁率の限界線を高周波数側に伸ばすことができ、吸収体の整合厚さも２ｍｍ程度となっている。

カルボニル鉄は金属であるため、粒子の集合体がバルク内まで磁化させるには、粒子を有機高分子中へ分散させ、粒子間を流れる渦電流を防ぐ構造にするのが普通である。完全球形粒子が有機高分子中に均一分散した軟磁性複合体の複素透磁率を検討してみる。

図８に示すような磁性粒子１，２間に有機高分子相が介在する構造を単位構造とする時、図中の点線で囲まれた円筒形の領域の磁気抵抗Ｒｍは[数３]で近似的に表現される。

[数３]

ここでＲは粒子の半径、ｄは粒子間平均距離、μ_A は粒子自身の複素透磁率、μ_B は有機高分子の複素透磁率である。（式中のμをεにすれば磁気抵抗の逆数Ｒｍ^-1は電気容量Ｃになる。）この式から磁気抵抗を小さくする（複素透磁率を大きくする）には、粒子間平均距離ｄを小さくすること、すなわち粒子充填率を大きくすることと、粒子や有機高分子の複素透磁率を大きくすることが有効であるといえる。電気容量を大きくする（複素誘電率を大きくする）のも同様で、粒子充填率を大きくすることと、粒子や有機高分子の複素誘電率を大きくすることが有効である。軟磁性複合体の複素透磁率μは以下の[数４]で表わせる。

[数４]

[数４]中の１／ＲｍをＣにすれば複合体の複素誘電率εについての式となる。ところで、現状のカルボニル鉄系吸収体は粒子の充填率が小さいため、その軟磁性複合体の複素透磁率、複素誘電率は小さく、１ＧＨｚの値が比透磁率値で約５．５以下、比誘電率値で約２２以下である。よって吸収体として整合する周波数は４ＧＨｚ以上の高周波数に限られている。そこでカルボニル鉄粒子の充填率を増大させようとすると、有機高分子中における粒子の均一分散がすすまず、強度ある複合体の成形はむずかしい。また仮に成形できても、金属粒子同士の接触により大きく誘電性を生じてしまう。これにより物体の複素誘電率、特に虚数部が必要以上に大きくなり、上述したとおり物体のインピーダンス値と自由空間のそれとの間に大きなずれを生じ、いずれの厚さにおいても入射電波はほとんど反射し、吸収体の設計は不可能になる。

図９にカルボニル鉄粒子を５７．５ｖｏｌ％充填させた複合体（粒子に表面処理をしていない系としては最高の充填率）のさまざまな厚さにおける吸収体の反射減衰量を周波数の関数で表わす。いずれの厚さにおいても吸収ピークが認められない。そこでこの系の複素透磁率値（実験値）を[数１]に入力し、２ＧＨｚにおいて２ｍｍで整合する吸収体の複素誘電率値の範囲を図１０に示す。これによると、反射減衰量を例えば２０ｄＢ以上にするには比誘電率虚数部の値を少なくとも７程度以下にする必要がある。この系の２ＧＨｚにおける比透電率虚数部の実験値は２０で（図３参照）２０ｄＢ以上の反射減衰量を得ることはできないことがわかる。

本発明はこのような現状に鑑みてなされたものであり、その目的はカルボニル鉄などの金属軟磁性体粒子表面に有機基を含む電気的に絶縁性の分子からなる層を設けることで、この粒子を有機高分子中に高密度に均一分散させ、高複素透磁率、高複素誘電率を得ると同時に、金属軟磁性体粒子表面の電気抵抗を大きくし、ＵＨＦ帯域において整合する従来よりも薄い電波吸収体を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の電波吸収体は、有機基を有する分子からなる電気的絶縁層を表面に形成した金属軟磁性体粒子が、有機高分子中に高密度に充填された軟磁性複合体を、反射体で裏打ちして構成することを特徴とするものである。

また本発明の電波吸収体は、有機基を有する分子からなる電気的絶縁層を表面に形成した金属軟磁性体粒子が、有機高分子中に粒子の体積分率で５５ｖｏｌ％以上充填された軟磁性複合体を、反射体で裏打ちして構成することを特徴とするものである。

また本発明の電波吸収体は、前記金属軟磁性体粒子がカルボニル鉄粒子であることを特徴とするものである。
また本発明の電波吸収体は、前記有機基を有する分子がカップリング剤の分子であることを特徴とするものである。また本発明の電波吸収体は、前記カップリング剤がシラン系カップリング剤であることを特徴とするものである。

本発明によれば、カルボニル鉄などの金属軟磁性体粒子表面にカップリング剤分子など有機基を有する分子からなる電気的絶縁層を形成することで、この粒子を有機高分子中に高密度に充填し、高複素透磁率、高複素誘電率の軟磁性複合体を実現でき、同時にカップリング剤分子等の被覆による金属軟磁性体粒子の表面絶縁化により、高充填しても電気抵抗が大きく、特性インピーダンスが整合したＵＨＦ帯域で薄型の電波吸収体を実現できる。

以下図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。図１は本発明の電波吸収体中の軟磁性複合体の内部構造を摸式的に示す。すなわち、本発明の電波吸収体は、カップリング剤の分子等の有機基を有する分子からなる電気的絶縁層１１を表面に形成した金属軟磁性体粒子１２が、有機高分子１３中に高密度に充填された軟磁性複合体を、反射体で裏打ちして構成される。ここで金属軟磁性体粒子１２として、鉄、ニッケル、コバルトなどの磁性を有する金属単体やこれらの元素を少なくとも一種含む合金が適用可能である。また、金属軟磁性体粒子１２の粒径については、金属軟磁性体粒子１２自身の透磁率が立方晶フェライトのそれを上回るような条件を選べば現状の電波吸収体を上回る特性が期待できる。

ここで、図２のモデル図に示すように、金属軟磁性体粒子１２の透磁率値が表皮効果だけで決まると仮定し、半径Ｒの球形粒子１２が表面から表皮深さδまで磁化された時に、球形粒子１２中で磁化された体積Ｖは以下の[数５]で表わされる。

[数５]

なお、表皮深さδは粒子の比抵抗ρ、透磁率μならびに周波数ｆから下式で表わされる（強磁性体の物理、近角聡信、掌華房、１９９１）。

[数６]

[数７]

１ＧＨｚにおける立方晶フェライトの比透磁率値は約６である（磁性体ハンドブック、朝倉書店、１９９３）。この値を金属軟磁性体、たとえば鉄（比抵抗１×１０^-7Ωｍ、比透磁率５００；磁性体ハンドブック、朝倉書店、１９９３）が上回るための条件は、上述の[数５]〜[数７]から粒子半径Ｒ＜３０μｍと算出される。本実施形態例で用いる金属軟磁性体粒子はカルボニル鉄粒子で、この種類の鉄粒子は通常、半径５μｍ以下である。したがって算出された条件を十分満足する。

さて本発明の吸収体で用いる軟磁性複合体の特徴は、金属軟磁性体粒子１２の表面へ例えばカップリング剤の分子からなる電気的絶縁層１１を形成したことにある。これにより金属軟磁性体粒子１２を高充填しても導電性は小さく、誘電率虚数部が必要以上に大きくならない軟磁性複合体を実現できる。またカップリング剤の分子を用いた場合、軟磁性体粒子１２表面へは無機系の疎水基が、一方有機高分子１３へは有機系の親水基がそれぞれ配位した構造となるため、金属粒子と有機高分子との親和性を高めることができる。これにより、金属粒子１２と有機高分子１３との濡れ性は向上し、大量の粒子を充填できる。よって比複素誘電率は従来よりも大きく、充填率５９．０ｖｏｌ％の系で体積１ＧＨｚの比透磁率値が約９、比誘電率値が約４５であった。（従来は［従来の技術］で言及したとおり１ＧＨｚの値が比透磁率値で約５．５以下、比誘電率値で約２２以下）なお電気的絶縁層に用いるカップリング剤は、シラン系カップリング剤、チタネート系カップリング剤、アルミニウム系カップリング剤、リン酸エステル系カップリング剤などが好適に用いられる。

図３は例えばシラン系カップリング剤で表面処理したカルボニル鉄粒子を、シリコーン中へ分散して得た軟磁性複合体（充填率５７．５ｖｏｌ％）の複素誘電率である。比較として、表面処理していない系もあわせて示す。特に誘電率虚数部に関して、カップリング剤で処理した本発明の系は未処理の系と比較して値が小さく、図１０で示した複素誘電率の条件範囲を満たすことになる。

図４はカップリング剤により表面処理していないカルボニル鉄粒子を充填した軟磁性複合体（厚さ２ｍｍ）からなる電波吸収体の反射減衰量である。
成形可能な最大の充填量は５７．５ｖｏｌ％であった。充填量５５．０ｖｏｌ％では２０ｄＢ以上の反射減衰量を示すが、さらに充填量を増加すると複素透磁率、複素誘電率が向上し、ピークは低周波数へシフトするが、導電性も増加するため特性インピーダンスに不整合が生じ、体積分率５６．０ｖｏｌ％ではすでにピーク強度が２０ｄＢ以下になる。したがって、表面処理を施さない通常の系ではＵＨＦ帯である３ＧＨｚ以下で整合する吸収体は実現できない。
一方、カップリング剤により表面処理した本発明の電波吸収体は金属軟磁性体粒子１２と有機高分子１３との親和性が向上し５９．０ｖｏｌ％まで充填することができる。

図５はカップリング剤により表面処理したカルボニル鉄粒子を充填した複合体（厚さ２ｍｍ）からなる電波吸収体の反射減衰量である。充填量を増加しても２０ｄＢ以上の吸収強度を維持し、充填量５５．４ｖｏｌ％では２．８ＧＨｚ、充填量５７．８ｖｏｌ％では２．２ＧＨｚ、充填量５９ｖｏｌ％では１．８ＧＨｚまで吸収ピークを低周波数側へシフトする。すなわち、本発明のカップリング剤による処理効果は体積分率約５５．０ｖｏｌ％以上の高充填系で効果を発揮する。

図６は本実施形態例で最大充填量（５９．０ｖｏｌ％）の軟磁性複合体からなる電波吸収体の、さまざまな厚さにおける反射減衰量である。厚さ１．５ｍｍで２．１ＧＨｚ、厚さ２．０ｍｍで１．８ＧＨｚ、厚さ２．５ｍｍで１．５ＧＨｚ、厚さ３．０ｍｍで１．１ＧＨｚにそれぞれ２０ｄＢ以上の吸収ピークを有する。これらの整合厚さは立方晶フェライト系の６〜８ｍｍと比較して十分薄い。

本発明の一実施形態例に係る電波吸収体中の軟磁性複合体の内部構造を摸式的に示す説明図である。本発明の電波吸収体に用いる粒子径の適用条件を算出する際に用いるモデルの一例を示す説明図である。本発明の電波吸収体中の充填粒子がカップリング剤により処理された軟磁性複合体と処理がなされていない軟磁性複合体との複素誘電率を比較した例を示す特性図である。充填粒子がカップリング剤により処理されていない軟磁性複合体からなる電波吸収体のさまざまな充填量における反射減衰量を示す特性図である。本発明の充填粒子がカップリング剤により処理された軟磁性複合体からなる電波吸収体のさまざまな充填量における反射減衰量の一例を示す特性図である。本発明の電波吸収体（複合体の粒子充填量５９．０ｖｏｌ％）のさまざまな厚さにおける反射減衰量の一例を示す特性図である。スネーク（Ｓｎｏｅｋ）の限界、ならびにカルボニル鉄粒子が有機高分子中に分散した材料の複素透磁率の周波数特性を示す特性図である。軟磁性粒子が有機高分子中に分散した複合体の磁気抵抗を算出する際に用いるモデル図である。充填粒子がカップリング剤により処理されていない軟磁性複合体（粒子充填量５７．５ｖｏｌ％）のさまざまな厚さにおける吸収体の反射減衰量を示す特性図である。図９の軟磁性複合体が２ＧＨｚにおいて吸収体が整合するための複素誘電率の範囲を示す特性図である。

符号の説明

１磁性粒子
２磁性粒子
１１電気的絶縁層
１２金属軟磁性体粒子
１３有機高分子

Claims

カップリング剤の分子からなる電気的絶縁層を表面に形成した金属軟磁性体粒子が、有機高分子中に粒子の体積分率で５５ｖｏｌ％以上充填された軟磁性複合体を、反射体で裏打ちして構成され、
前記軟磁性複合体は、複素誘電率の虚数部値が７以下となる程度に、前記カップリング剤によって前記金属軟磁性体粒子にカップリング処理を施した後に有機高分子中に充填して生成されることを特徴とする電波吸収体。
前記吸収体の厚さが１．５ｍｍ〜３．０ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の電波吸収体。
ＵＨＦ帯域で２０ｄＢ以上の反射減衰量を有することを特徴とする請求項１又は２記載の電波吸収体。