[논문 리뷰] Ferromagnetic Wires Composite Media with Tunable Scattering Spectra at Microwaves

D. P. Makhnovskiy, Л. В. Панина외 3명|arXiv (Cornell University)|2006. 02. 27.

Electromagnetic wave absorption materials참고 문헌 2인용 수 76

한 줄 요약

이 논문은 외부 자기장 또는 기계적 응력에 의해 조절 가능한 마이크로파 산란 스펙트럼을 나타내는 페로자성 와이어 기반 복합재료를 실험적으로 구현한다. CoFeCrSiB 유리 코팅 비정질 와이어의 자화저항 응답을 활용하여, 1–3 Oe의 극히 작은 자기장 또는 0.1 MPa의 응력으로도 전송 스펙트럼에서 최대 10 dB의 변조를 달성하였으며, 1–8 GHz 범위에서 이론 예측을 실험적으로 검증하였다.

ABSTRACT

We demonstrate composite media with ferromagnetic wires that exhibit a frequency region at the microwave regime with scattering spectra strongly dependent on an external magnetic field or stress. These tunable composite materials have recently been proposed theoretically; however, no direct experimental verification has been reported. We used composite materials with predominantly oriented CoFeCrSiB glass-coated amorphous wires having large magnetoimpedance at GHz frequencies. The free space measurements of reflection and transmission coefficients were conducted in the frequency range 1-8 GHz in the presence of an external static magnetic field or stress applied to the whole sample. In general, the transmission spectra show greater changes in the range of 10dB for a relatively small magnetic field of few Oe or stress of 0.1 MPa. The obtained results are quantitatively consistent with the analytical expressions predicted by the effective medium arguments. The incident electromagnetic wave induces an electrical dipole moment in each wire, the aggregate of which forms the effective dipole response of the whole composite structure in the radiative near or far field region. The field and stress dependences of the effective response arise from a field or tensile stress sensitivity of the ac surface impedance of a ferromagnetic wire. In the vicinity of the antenna resonance the variations in the magneto-impedance of the wire inclusions result in large changes of the total effective response. A number of applications of proposed materials is discussed including the field tunable microwave surfaces and the self-sensing media for the remote non-destructive evaluation of structural materials.

연구 동기 및 목표

• 페로자성 와이어 복합재료에서 조절 가능한 마이크로파 산란의 이론 예측을 실험적으로 검증하는 것.
• 외부 자기장과 기계적 응력이 와이어 기반 복합재료의 전자기 응답에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 비정질 와이어의 자화저항을 활용하여 마이크로파 전송 및 반사 스펙트럼의 동적 제어 가능성을 입증하는 것.
• 장영역 조절 가능한 마이크로파 표면 및 구조재료의 비파괴 평가 분야에서의 잠재적 응용을 탐색하는 것.

제안 방법

• GHz 주파수에서 높은 자화저항을 보이는 주로 정렬된 CoFeCrSiB 유리 코팅 비정질 와이어를 사용하여 복합재료를 제작하였다.
• 1–8 GHz 주파수 범위에서 정적 자기장을 또는 축방향 응력을 가한 조건에서 반사계수 및 투과계수의 자유공간 측정을 수행하였다.
• 개별 와이어 포함체가 공명 안테나로 작용하는 집합적 반응을 바탕으로 복합 구조의 효과적 듀얼프 옹호를 분석하였다.
• 효과적 응답의 필드 및 응력 의존성은 자화저항 조절에 의해 유도된 페로자성 와이어의 교류 표면 임피던스 변화에 기인한다.
• 효과적 매질 이론에서 유도된 해석적 표현식을 사용하여 실험 데이터와 정량적으로 비교하였다.
• 복합 시스템의 복사 응답을 평가하기 위해 근거리 및 원거리 영역에서 측정을 실시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적용된 자기장 또는 응력 조건에서 페로자성 와이어 복합재료가 외부로 조절 가능한 마이크로파 산란 스펙트럼을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 개별 와이어의 자화저항이 마이크로파 주파수에서 복합재료의 효과적 전자기 응답에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ3 작은 자기장 또는 낮은 기계적 응력으로 전송 및 반사 스펙트럼을 어느 정도까지 조절할 수 있는가?
• RQ4 관측된 조절 가능성은 효과적 매질 이론의 예측과 정량적으로 일치하는가?
• RQ5 이 조절 가능한 응답은 마이크로파 장치 설계 및 비파괴 평가 분야에 실질적인 의미를 갖는가?

주요 결과

• 상대적으로 작은 자기장 1–3 Oe로도 복합재료의 전송 스펙트럼에서 최대 10 dB의 변화를 관찰하였다.
• 0.1 MPa의 응력으로도 산란 스펙트럼에 측정 가능한 변화가 발생하여 기계적 변형에 대한 높은 민감도를 입증하였다.
• 관측된 조절 가능성은 페로자성 와이어의 교류 표면 임피던스의 필드 및 응력 의존성과 강하게 연관되어 있었다.
• 실험 결과는 효과적 매질 이론에서 유도된 해석적 표현식과 뛰어난 정량적 일치를 보였다.
• 복합 구조의 효과적 듀얼프 응답은 마이크로파 영역에서 공명 안테나로 작용하는 와이어 포함체의 집합적 행동에 의해 주로 결정되었다.
• 이러한 발견은 이러한 복합재료를 활용한 자기장 조절 가능한 마이크로파 표면 및 구조적 건강 모니터링을 위한 자기감지 재료의 실현 가능성을 뒷받침한다.