博 士 （ 工 学 ） 阿 部 一 智
学 位 論 文 題 名
電磁波吸収用 NiZn フェライト基複合セラミックスの 作製と評価
学位論文内容の要旨
近 年、スイッチング電源や携帯 電話をどの発展により、電磁波を発する電子機器が多く教り、そ れに 伴い電子機器間において誤動 作を引き起こす電磁波干渉が多発している。これらの電磁波干渉 を阻 止あるいは低滅するために用 いられるのが電磁波吸収体であり、これまでに多様を材料が開発 さ れて きているが、利用す る電磁波の周波数帯に応じた 材料組成や電磁気特性をチ ューニングし た材 料作りが不可欠とをっている 。本論文では、まず高速のスイッチング電源から放出される0．1
−10 MHzの電磁波に対して 、吸収体表面で反射されず高 効率教電磁波吸収を実現す るために必要 教 条件 である比誘電率と比 透磁率が等しい電磁気特性を 有する材料作りを目的とし て、NiZnフェ ライ トとチタン酸バリウムから成 る複合体セラミックスに着目し、作製した複合材料の特異教誘電 的性 質の解明と、目的とする電磁 気特性を付与するための複合材料作製法を詳細に検討した。さら に、 より高い周波数帯域(0.5−1.0 GHz)においてさらをる吸収電磁波の広帯域化が可能誼吸収体と し てNiZnフェライトーNiZnCuフェライト‐シリカ系ガラ スの複合体セラミックスに 着目し、異誼 る 焼 成 挙 動 を 示 す 材 料 の 一 体 焼 結 に よ る 積 層 型 吸 収 体 の 作 製 法 の 確 立 を 目 指 し た 。 第 一章は序論であり、電磁波ノ イズの発生や電磁波吸収に関する基本的誼考え方およびこれまで に実 用されている吸収体について 概説し、この分野の研究開発の背景と課題に基づき本論文で着目 し た 複 合 セ ラ ミ ッ ク ス を 用 い た 電 磁 波 吸 収 体 作 製 の 意 義 と 重 要 性 に つ い て 述 べ た 。 第二 章では、スイッチン グ電源用の電磁波吸収体とし て着目したNiZnフェライト ‐チタン酸バ リ ウム(BT)の 複合 セラ ミ ック スに おい て、 少 量のBT混 合比率の複合体で現れた急 峻教比誘電率 増 大の 原 因を 検討 した 。 焼結 後の生成相と微構造解析 から、3 ‑ 15 vol%のBT混合 比率の複合体 に おい て は焼 結中 に液 相 が生 成すること、さらにその 液相が関与してBaFe204固溶 体と六方晶BT 固溶 体が新たに生成することが確 認された。しかし、これらの化合物相の生成や微構造変化からは 比誘 電率の増大は説明でき教かっ た。これに対し、複合体の電圧―電流特性やNiZnフェライト中の Ti濃度 に伴う直流抵抗変化 から、焼結中にNiZdフェライ トのFe3゛サイトヘのTi4゛ イオンの置換 固溶 が起こること、さらに固溶に より生成したFe2゛とFe3゛の間で生じる電子ホッピングが複合セ ラ ミ ッ ク ス に お け る 急 峻 教 比 誘 電 率 の 増 加 の 主 要 因 で あ る こ と を 明 ら か に し た 。 第三 章 では 、ス イッ チ ング 電源 用のNiZaフ ェラ イト ・BT複合体の比誘電率の制 御を目的とし て 、複 合体の比誘電率に及 ばすフウライト組成中のFe含 有量の影響を検討した。焼 結中に生成す る化 合物相の影響は、化学量論組成（Fe＝2．0）のフウライトを含有する複合セラミックスの場合と 同様 認められをかった。しかし各 複合体の比誘電率変化は直流抵抗変化と密接に関連すること、さ ら に直 流抵抗の強いFe含有 量依存性が示された。す隷わ ち、フェライト組成におけ るFe量が化学
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量論組 成より も少誼 い複合 体(Fe=1.8，1.9)では、置換固溶したTj4+イオンが陽イオン電荷の不足 を補償 する役 割を果 たすた めに高 抵抗化 して比 誘電率は 低下す るのに対し、Fe含有量の多い組成 (Fe=2.1，2.2)の場合には、Tj4゛イオンの固溶は、フェライト組成におけるFe過剰の効果と相まっ てFe2+の 生成を 促進するために複合体の直流抵抗を著しく低下させる（比誘電率は増大する）こと が明らかと次った。
第四 章では、NiZnフェ ライト −BT複合 セラミ ックス の作製時 における新規化合物の生成や固溶 の 抑制 を 目 的 とし て 、BT粒 子 の 顆 粒化 とSi02、Si02‐BaO、Zr02橡ど の 酸 化 物ナ ノ 粒 子 のBT 顆粒表 面への 被覆を 行い、 複合体 の電磁 気特性 に及ばす 酸化物 被覆の効果について調べた。検討 し た酸 化 物 の 中で は 、Zr02に よ り被 覆 し たBT顆粒 から得 られた 複合体 では、BaFe204や六 方晶 BT教 ど の 化 合物 の 生 成 が認 め ら れ ず、 そ の比 透磁率 の値は80から270へ と大き く増加 した。 一 方、フ ェライ ト中へのTi成分の固溶に起因する大きを比誘電率の低減は不十分であった。しかし、
BT顆 粒 の 調 製時 の噴 霧乾燥 後の熱 処理工 程にお いて残 存する 微小顔BT粒子を 除去す ることに よ り、Ti成分のフ ェライト中への固溶が抑制され、複合体において誘電体本来の性質が発現できる可 能性が示唆された。
第五 章は、電 磁波吸収帯域の広帯域化を目指して、低透磁率材料と高透磁率材料から成る積層型 構造を 有する 電磁波 吸収体 の作製 につい て検討 した。ま ず低透 磁率のNiZnCuフウライトとシリカ 系ガラ スを90：10（molワ。）の比率で混合し、1100゜Cで焼結することにより1GHzで作動する低透 磁率複 合電磁 波吸収 体を得 た。ま た高透 磁率のNiZnフェラ イトと低温焼成用フェライトを複合化 して60：40（m01ワ。）組成とすることにより、低透磁率材料との一体焼結が可能と叔り積層型電磁波 吸収体が得られた。この積層体の接合界面にはNi−Z．n拡散層とガラス拡散層が存在し、各層が拡散 接合し ている ことが明らかとをった。作製した積層型複合セラミックスにおける電磁波吸収特性は 10MHz‐1．8GHz帯 域 で の反 射 損 失 が10dB以上 あ る こ とか ら 、 高 透磁率 材料と 低透磁 率材料 を 組 み 合 わ せ る こ と に よ り 広 帯 域 電 磁 波 吸 収 体 が 実 現 で き る こ と を 示 し た 。 第六 章は総括 である 。本論 文では 、まず スイッ チング 電源か ら発生す る0．1−10MHzの電磁波 ノイズ の吸収 体としてNiZnフェライトーチタン酸バリウム複合セラミックスに着目し、その特異教 誘電特性を生じる原因としてフェライト中へのTi4゛イオンの置換固溶であることを明らかにした。
さらに 、複合 体中の フェラ イト組 成にお けるFe比 率の制 御やチ タン酸バリウム粒子の顆粒化と酸 化物に よる表 面被覆により、複合セラミックスの電磁気特性の制御が可能であることを示した。ま た、広 帯域の 電磁波吸収を目的として、高透磁率材料と低透磁率材料とを複合化した積層型電磁波 吸収体の作製法を確立した。以上、誘電体‐磁性体または高透磁率材料‐低透磁率材料教ど電気的・
磁気的 性質の 異改るセラミックスを複合化して実用的改電磁波吸収体を作製する場合に必要を工学 的教材料設計指針および科学的知見を明示した。
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学位論文審査の要旨 主 査 教授 高橋順 一 副 査 教授 嶋田志 郎 副 査 教授 吉川信 一 副査 准教授 樋口幹雄
学 位 論 文 題 名
電磁波吸収用NiZn フェライト基複合セラミックスの 作製と評価
近年、スイッチング電源や携帯電話誼どの発展により、電磁波を発する電子機器が多くをり、そ れに伴い電子機器間において誤動作を引き起こす電磁波干渉が多発している。これらの電磁波干 渉を阻止あるいは低滅するために用いられるのが電磁波吸収体であり、これまでに多様教材料が 開発されてきているが、利用する電磁波の周波数帯に応じた材料の種類・組成および電磁気特性を チューニングした材料作りが不可欠とをっている。本論文では、まず高速のスイッチング電源から 放出される0.1‑10 MHzの電磁波に対して、吸収体表面で反射されず高効率放電磁波吸収を実現す るために必要教条件である比誘電率と比透磁率が等しい電磁気特性を有する材料作りを目的とし て、NiZnフウライトとチタン酸バリウムから成る複合体セラミックスに着目し、作製した複合材 料の特異社誘電的性質の解明と、目的とする電磁気特性を付与するための複合材料作製法を詳細に 検討した。さらに、通信用のより高い周波数帯域(0.5‑1.0 GHz)において吸収電磁波の広帯域化が 可能顔吸収体としてNiZnフェライト‑NiZnCuフェライト‐シリカ系ガラスの複合セラミックスに 着目し、異教る焼成挙動を示す材料の一体焼結による積層型吸収体の作製法の確立を目指した。
第一章は序論であり、電磁波ノイズの発生や電磁波吸収に関する基本的を考え方およびこれまで に実用されている吸収体について概説し、この分野の研究開発の背景と課題に基づき本論文で着目 し た 複 合 セラ ミ ッ クス を 用 いた 電 磁 波吸 収 体 作 製の 意 義 と重 要 性 につ い て 述べ た 。 第二章では、スイッチング電源用の電磁波吸収体として着目したNiZnフェライト―チタン酸バリ ウム(BT)の複合セラミックスにおいて、少量のBT混合比率の複合体で現れた急峻教比誘電率増 大の原因を検討した。焼結後の生成相と微構造解析から、3‑15 volワ。のBT混合比率の複合体にお いては焼結中に液相が生成すること、さらにその液相が関与してBaFe204固溶体と六方晶BT固 溶体が新たに生成することが確認された。しかし、これらの化合物相の生成や微構造変化からは比 誘電率の増大は説明できをかった。これに対し、複合体の電圧．電流特性やNiZnフウライト中の Ti濃度に伴う直流抵抗変化から、焼結中にNiZnフェライトのFe3+サイトヘのTj4゛イオンの置換 固溶が起こること、さらに固溶により生成したFe2+とFe3+の間で生じる電子ホッピングが複合セ ラ ミ ッ ク ス に お け る 急 峻 を 比 誘 電 率 の 増 加 の 主 要 因 で あ る こ と を明 ら か にし た 。
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第 三 章で は、 スイ ッチ ン グ電 源用 のNiZnフウ ライ トーBT複 合 体の比誘電率 の制御を目的とし て、 複 合体 の比 誘電率 に及ばすフェライト組成中のFe含有量の影響を検討した 。焼結中に生成す る化合物相の影響 は、化学量論組成（Fe＝2．0）のフウライトを含有する複合セラミックスの場合と 同様認められ斑か った。しかし各複合体の比誘 電率変化は直流抵抗変化と密接に関連すること、さ らに 直 流抵 抗の 強いFe含有量依存性が示された。す 誼わち、フェライト組成に おけるFe量が化学 量論組成よりも少 をい複合体(Fe=l．8，1.9)で は、置換固溶したTj4+イオンが陽イオン電荷の不足 を補 償 する 役割 を果た すために高抵抗化して比誘電 率は低下するのに対し、Fe含有量の多い組成 (Fe=2.1，2．2）の 場合には、Tj4゛イオンの固溶は、フェライト組成におけるFe過剰の効果と相まっ てFe2+の生成を促 進するため、複合体の直流抵 抗を著しく低下させる（比誘電率は増大する）こと が明らかと顔った 。
第 四 章で は、NiZnフェ ラ イト‑BT複合 セラミック スの作製時における新規化 合物の生成や固溶 の 抑 制 を 目 的 と し て 、BT粒子 の顆 粒化 とSi02、Si02‑Ba0、2r02を どの 酸化 物ナ ノ 粒子 のBT顆 粒表面への被覆を 行い、複合体の電磁気特性に 及ばす酸化物被覆の効果について調べた。検討した 酸 化 物 の 中 で は 、2r02に よ り 被 覆 し たBT顆 粒 から 得 られ た複 合体 で は、BaFe204や六 方晶BT 顔ど の 化合 物の 生成 が認 め られ ず、 その 比透磁率 の値は80から270へと大きく 増加した。一方、
フェ ラ イト 中へ のTi成 分の固溶に起因する大きを比 誘電率の低滅は不十分であ った。しかし、BT 顆粒 の 調製 や2r02ゾル 被覆におけるプロセスの改善 により、Ti成分のフェライ ト中への固溶が抑 制 さ れ 、 複 合 体 に お い て 誘 電 体 本 来 の 性 質 が 発 現 で き る 可 能 性 が 示 唆 さ れ た 。 第五章は、より 高い周波数帯域での通信用電 磁波ノイズに対し、吸収する電磁波の広帯域化を目 指し て 、低 透磁 率材料 と高透磁率材料から成る積層 型構造を有する電磁波吸収 体の作製について 検討した。まず低 透磁率のNiZnCuフェライトと シリカ系ガラスを90:10(molu/o)の比率で混合し、
1100°Cで焼 結 すること により1 GHzで作動する低透 磁率複合電磁波吸収体を得 た。また高透磁率 のNiZnフェライト と低温焼成用フェライトを複 合化して60:40(molo/o)組成 とすることにより、低 透磁率材料との一 体焼結が可能と誼り積層型電 磁波吸収体が得られた。この積層体の接合界面には Ni‑Zn拡散層とガラ ス拡散層が存在し、各層が 拡散接合していることが明ら かとをった。作製した 積層 型 複合 セラ ミッ クス に おけ る電 磁波 吸収特性 として10 MHzー1．8GHz帯域 での反射損失が10 dB以 上 ある こと から、 高透磁率材料と低透磁率材料 を組み合わせることにより 広帯域電磁波吸収 体が実現できるこ とを示した。
第六章は本論文 の総括である。
これを要するに 、著者は、スイッチング電源 から発生する電磁波ノイズ吸収用の新規叔複合セラ ミックスを作製し 、その特異趣誘電特性を生じ る原因を明らかにするとともに、粒子表面の化学修 飾により複合セラ ミックスの電磁気特性の制御 が可能であることを示した。また、より高い周波数 域での通信用電磁 波ノイズに対して、吸収する 周波数の広帯域化に有効誼積層型複合セラミックス の作製法を確立し た。これらの成果は、電磁波 吸収複合セラミックスの高機能化に対する新た教材 料設計指針を提案 しており、無機材料工学の発 展に貢献するところ大である。よって著者は、北海 道大学博士（工学 ）の学位を授与される資格あ るものと認める。
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