Broadband microwave absorbers of Co-Zn substituted SrW-type hexaferrite composites for 5G communication = 5G 통신용 Co-Zn 치환 SrW형 헥사페라이트 복합체 기반 초광대역 마이크로파 흡수체

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The rapid deployment of fifth-generation (5G) communication systems has exacerbated electromagnetic interference (EMI), particularly in the 28 GHz band where highly integrated RF front-end modules demand compact and efficient microwave absorbers. W-type hexaferrites are promising candidates for millimeter-wave absorption due to their intrinsically high ferromagnetic resonance frequencies; however, achieving strong and broadband absorption at sub-millimeter thickness requires simultaneous control of magnetic dynamics and impedance matching in practical polymer composites.
In this thesis, Co–Zn co-substituted SrW-type hexaferrites, SrCoxZn2−xW (0.0 ≤ x ≤ 0.3), were systematically designed and demonstrated as broadband Ka-band absorbers centered near 28 GHz. Single-phase powders were synthesized in air via a conventional solid-state reaction route and subsequently incorporated into polymer matrices to evaluate electromagnetic parameters and reflection loss (RL). Co substitution effectively tuned the natural ferromagnetic resonance frequency (fnFMR) from 34.6 GHz (x = 0.0) to 26.9 GHz (x = 0.3), enabling deliberate positioning of magnetic loss (μ″) relative to the target band.
Epoxy composites with 30–50% filler volume fraction were first investigated to establish composition–property–performance relationships. Among them, SrCo0.3Zn1.7W (fnFMR = 26.9 GHz) at 30 vol.% exhibited deep absorption with RLmin = −65.5 dB at 27.7 GHz and a −20 dB bandwidth of 5.0 GHz (26.2–31.2 GHz) at a thickness of 1.01 mm. These results indicate that broadband absorption is maximized when fnFMR is tuned slightly below the impedance-matching frequency, producing an extended matching window rather than a single-frequency match.
To demonstrate industrial relevance and mechanical flexibility, flexible absorber sheets were fabricated using silicone rubber via paste mixing and tape casting at 70–73 wt.% filler loading. SrCo0.275Zn1.725W (73 wt.%, 0.90 mm) achieved RLmin = −45.5 dB at 27.9 GHz with an ultrabroad −20 dB bandwidth of 8.7 GHz (26.8–35.5 GHz), while SrCo0.3Zn1.7W (72 wt.%, 0.95 mm) showed RLmin =−46.1 dB at 28.0 GHz with a −20 dB bandwidth of 5.5 GHz (26.5–32.0 GHz). Both compositions exhibited robust absorption near 28 GHz against practical thickness deviations.
Overall, this work experimentally establishes a composition-first design strategy for Ka-band absorbers: precise tuning of fnFMR to slightly below the matching frequency, followed by composite-level optimization to realize broadband impedance matching. The proposed Co–Zn substituted SrW-type hexaferrite composites provide a scalable route to ultrathin, flexible, and high-performance EMI absorbers for 5G millimeter-wave applications.

국문 초록 (Abstract)

5세대(5G) 통신 기술의 급속한 확산으로 인해, 고집적 RF 모듈에서 전자기 간섭(EMI) 문제가 심화되고 있으며 특히 28 GHz 대역에서 얇고(서브-밀리미터급), 경량이며, 광대역 성능을 갖는 마이크로파 흡수체의 요구가 크게 증가하고 있다. W형 헥사페라이트는 본질적으로 높은 강자성 공명 주파수를 가지므로 고주파수 대역의 밀리미터파 흡수 소재로 유망하지만, 실제 폴리머 복합체에서 28 GHz 부근의 강한 흡수와 광대역 임피던스 정합을 동시에 달성하기 위해서는 자성 동역학과 정합 조건을 함께 설계해야 한다.
본 학위논문에서는 Co–Zn 공동치환 SrW형 헥사페라이트 SrCoxZn2−xW (0.0 ≤ x ≤ 0.3)를 체계적으로 설계하여 28 GHz 중심의 Ka-band 초광대역 흡수체로 구현하였다. 고상반응법을 통해 단일상 분말을 합성하였고, 복합체 제조를 통해 전자기적 파라미터와 반사손실(Reflection Loss, RL)을 평가하였다. Co 치환에 따라 고유 강자성 공명 주파수(fnFMR)는 34.6 GHz(x=0.0)에서 26.9 GHz(x=0.3)로 조절되었으며, 이를 통해 28 GHz 근방에서의 자성 손실(μ″) 분포를 목표 대역에 맞게 정렬할 수 있었다.
우선, 에폭시 수지 기반 복합체(충전제 체적분율 30–50%)를 통해 조성–특성–흡수 성능의 상관관계를 확립하였다. 그 결과 SrCo0.3Zn1.7W (fnFMR=26.9 GHz)는 체적분율 30%, 두께 1.01 mm에서 27.7 GHz에서 RLmin =−65.5 dB의 매우 강한 흡수와 −20 dB 대역폭 5.0 GHz(26.2–31.2 GHz)의 광대역 흡수를 나타냈다. 또한 fnFMR 를 정합 주파수보다 약간 낮게 위치시키는 경우, 단일 주파수 정합이 아니라 “정합 창(matching window)”이 넓어지면서 광대역 흡수가 극대화됨을 확인하였다.
나아가 산업적 적용 가능성과 기계적 유연성을 확보하기 위해 실리콘 고무 기반의 유연 흡수체 시트를 페이스트 혼합 및 테이프 캐스팅 공정으로 제조하였다(충전제 70–73 wt.%). SrCo0.275Zn1.725W (73 wt.%, 0.90 mm)는 27.9 GHz에서 RLmin=−45.5 dB 및 −20 dB 대역폭 8.7 GHz(26.8–35.5 GHz)의 초광대역 흡수를 달성하였고, SrCo0.3Zn1.7W (72 wt.%, 0.95 mm)는 28.0 GHz에서 RLmin=−46.1 dB 및 −20 dB 대역폭 5.5 GHz(26.5–32.0 GHz)의 광대역 흡수를 나타냈다. 두 조성 모두 실제 제조 공정에서 발생 가능한 두께 편차에 대해서도 28 GHz 부근 흡수 성능의 안정성이 우수하였다.
결론적으로, 본 연구는 fnFMR를 정합 주파수 이하로 정밀 조절한 뒤 복합체 조성과 충전제 조건을 최적화함으로써 28 GHz 중심의 광대역 임피던스 정합 및 강한 흡수를 구현하는 조성-기반(Composition-first) 설계 전략을 실험적으로 확립하였다. 제안된 Co–Zn 치환 SrW형 헥사페라이트 복합체는 5G 밀리미터파 환경에서 적용 가능한 초박형·유연·고성능 EMI 흡수체로서의 확장 가능성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. General background 14
• 2.1 Electromagnetic interference and microwave absorbers 14
• 2.2 Impedance matching theory 18
• 2.3 Microwave-absorbing materials 24
• 2.4 W-type hexaferrites 27
• Chapter 3. Synthesis and intrinsic magnetic properties of Co–Zn co-substituted SrW hexaferrites 35
• 3.1 Introduction 35
• 3.2 Experimental 40
• 3.3 Results and discussion 43
• 3.3.1 Phase formation and crystal structure 43
• 3.3.2 Magnetic properties and morphology 48
• 3.4 Summary 54
• Chapter 4. Microwave absorption properties of Co–Zn substituted SrW hexaferrite–epoxy composites in the Ka-band 56
• 4.1 Introduction 56
• 4.2 Experimental 59
• 4.2.1 Fabrication of SrCoxZn2-xW/epoxy composites 59
• 4.2.2 Measurement of complex permittivity and permeability 59
• 4.3 Results and discussion 63
• 4.3.1 Complex permittivity and permeability spectra 63
• 4.3.2 Microwave absorption properties 76
• 4.3.3 Impedance matching analysis 88
• 4.3.4 Bandwidth optimization 95
• 4.3.5 Thickness tolerance near 28 GHz 102
• 4.4 Summary 105
• Chapter 5. Microwave absorption properties of Co–Zn substituted SrW hexaferrite-silicone rubber composites in the Ka-band 108
• 5.1 Introduction 108
• 5.2 Experimental 111
• 5.3 Results and discussion 115
• 5.3.1 Complex permittivity and permeability spectra 115
• 5.3.2 Microwave absorption properties 118
• 5.3.3 Impedance matching behavior and bandwidth optimization 126
• 5.3.4 Comparison with reported 28 GHz microwave absorbers 135
• 5.4 Summary 145
• Chapter 6. Conclusion 148
• References 152
• Abstract in Korean 172