2022.11.23 - [상식+] - 전자부품, 전자회로에 필요한 배경지식
전자부품, 전자회로에 필요한 배경지식
https://www.youtube.com/watch?v=YxAkE3QMfyE EMC 전자파 적합성 EMI(Electromagnetic Interference) 전자파 장해(간섭) EMS(Electromagnetic Susceptibility) 전자파 내성 - 외부 noise에 견디는 능력 전자제품 --> 전자기파 (noise) 전
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전자파 차폐는 왜 필요한가?
- 전자파가 발생하니까.
- 전자파가 고유의 기능을 교란시킬 수 있으니까.
- 전자파가 센서의 기능을 교란할 수 있으니까.
등등
EMI shielding
자파 차폐 기술은 주로 금속을 사용하거나 전도성 도장이 주를 이루었지만, 금속은 무게가 많이 나가며, 가공이 어렵고, 전자파의 난반사를 일으키는 단점이 있습니다. 또한, 전도성 도장은 가공비용이 비싸고 스크래치에 취약한 단점이 있습니다.
반면에 고분자 복합재료를 이용한 전자파 차폐(EMI Shielding) 소재는 경량화뿐만 아니라 성형성과 생산가격을 낮출 수 있어 활발한 연구가 진행
- 반사 - 기존 금속재
금속 재료는 비저항에 비례하는 전자파 임피던스가 공기의 전자파 임피던스 (337Ω)보다 매우 작아, 반사에 의한 전자파 차폐(EMI Shielding) 효과가 매우 큽니다.
- 흡수 - 추구하는 방향
탄소섬유(Carbon Fiber), 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT), 카본블랙 (Carbon Black), 그래핀(Graphene) 등과 같은 탄소소재는 전기전도성이 뛰어나므로 전자파 차폐소재의 충진제
전자파는 주파수 및 파장에 따라 분류됩니다. 주파수가 높은 순서대로 분류하면 감마선, X선, 자외선, 가시광선, 적외선, 전파(초고주파, 고주파, 저주파)가 있으며, 가정용 교류전기는 1초에 60번씩 극성이 바뀌기 때문에 60 Hz의 전자파입니다. 일본 후쿠시마 원전 사고로 발생한 해로운 방사선 역시 주파수가 높고 파장이 짧은 에너지가 강한 전자파입니다. 우리의 일상생활과 가장 밀접한 극저주파(0 – 1kHz), 초저주파(1 – 500kHz), 라디오파(500kHz – 300MHz), 마이크로파(300MHz – 300GHz) 등은 쉽게 인식되지 않아 간과되지만, 전자파에 의한 장해는 바로 낮은 주파수에서 발생하는 일이 많습니다.
같은 전자기기도 전자파의 영향에서 안전하지 않다.
전자파는 전기를 이용하는 모든 전자기기에서 필수적으로 발생합니다. TV를 비롯한 모든 가정용 전자제품에서 전자파가 발생하는데, 가정용 전자제품 가운데 비교적 많은 전자파를 발생시키는 전자레인지는 60Hz의 저주파 성분과 2.45GHz의 마이크로파를 동시에 냅니다. 60Hz의 저주파는 전자레인지의 전원으로, 높은 에너지의 2.45GHz의 마이크로파는 음식물을 데우는 데 사용 합니다. 그뿐만 아니라, 스마트폰 등의 통신기기는 통신의 매체로 전자파를 이용하기 때문에 기기 자체가 전자파 발생장치를 가지고 있습니다. 비록 통신기기에서 발생되는 전자파는 의도적으로 발생시킨 것이지만, 주변에 발생 된 전자파는 의도하지도 않은 전자파입니다.
누출된 전자파는 다른 전자기기에 오작동 및 전자파 장해를 일으킵니다. 예전보다 전자기기를 더욱 밀접하게 사용하는 현대에서는 전자파로 인한 기기장해 위험도가 높을 뿐만 아니라, 장해의 가능성도 커져 가 고 있습니다. 전자파 장해 현상은 일상생활에서도 흔히 관찰할 수 있는데, TV 근처에서 전기청소기 등을 사용할 때 화면이 떨리는 현상이 일례입니다. 항공기가 관제탑과의 교신 불량으로 항로를 이탈하고, 고속 열차가 선로를 벗어나는 대형 참사로 이어질 수 있는 가능성도 있습니다. 단순한 기기에서 또 하나의 전자 제품으로 변모하고 있는 자동차 역시 전자파의 장해에서 예외는 아닙니다. 시동이 켜진 차 안에서 이동전화를 사용하면 통화의 잡음이 심한데, 이 역시 자동차의 전자장치에서 나오는 전자파 때문입니다. 또한 전기자동차 등 향후에도 전기적으로 제어하는 자동차 부품들이 증가할 것으로 예상되면서 전자파 방사로 차량의 오작동 및 급발진 등 의 안전사고 발생이 큰 문제가 될 것입니다. 이는 2010년 발생한 Toyota Recall 사태와도 같은 국제적인 문제를 야기 할 수도 있습니다.
전자파를 막아라! 전자파 차폐(EMI Shielding) 기술
앞서 설명했듯이 수많은 전자파가 각종 전자 기기뿐만 아니라 인체에까지 큰 영향을 미치고 있습니다. 이러한 현상을 전자파간섭(Electromagnetic Interference, EMI)이라고 하며, 전자파간섭의 영향은 집적회로처럼 밀집도가 크고 정밀한 부품을 많이 사용하는 장비일수록 민감할 수밖에 없기 때문에 소형화, 고집적화, 다기능화를 지향하는 전기 및 전자 산업 등에 있어서 매우 치명적입니다.
따라서 최근에는 각종의 전자기기에 대한 전자파 규제를 통한 국가 차원의 엄격한 시험절차를 시행하고 있으며, 향후에도 규제 수준을 더욱 강화할 계획입니다. 이런 국제적인 추세와 더불어 전자파 차폐가 필수적으로 요구되는 가전제품 및 전기자동차의 수요가 증가되고 있어, 전자파 차폐에 대한 효과적인 대응 능력을 확보하고 품질을 개선하는 것이 시급합니다.
전자파 차폐(EMI Shielding)란 전도체를 이용하여 유해전자파를 차단시켜 장비나 인체를 보호하는 것을 말합니다. 지금까지 전자파 차폐 기술은 주로 금속을 사용하거나 전도성 도장이 주를 이루었지만, 금속은 무게가 많이 나가며, 가공이 어렵고, 전자파의 난반사를 일으키는 단점이 있습니다. 또한, 전도성 도장은 가공비용이 비싸고 스크래치에 취약한 단점이 있습니다.
반면에 고분자 복합재료를 이용한 전자파 차폐(EMI Shielding) 소재는 경량화뿐만 아니라 성형성과 생산가격을 낮출 수 있어 활발한 연구가 진행되고 있으며, 대체에 대한 수요 역시 상당히 증가하고 있습니다. 특히 전자파 차폐(EMI Shielding) 소재를 활용해 전자파 간섭에 영향을 받을 수 있는 자동차용 레이더 센서 및 모듈 등을 보호하기 위한 커버 등으로 주로 응용하고 있습니다.
전자파 차폐(EMI Shielding) 성능은 일반적으로 dB(decibel)로 표현되며, 고분자 복합 소재로는 0~ 70dB까지 다양하게 구현 가능합니다. 탄소섬유(Carbon Fiber), 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT), 카본블랙 (Carbon Black), 그래핀(Graphene) 등과 같은 탄소소재는 전기전도성이 뛰어나므로 전자파 차폐소재의 충진제로 널리 사용되며, 금속 차폐 소재를 대체하기 위한 고분자 복합 소재연구에 큰 영향을 끼치고 있습니다.
내 차에 스텔스 기술이 쓰였다고?
전자파 차폐(EMI Shielding)는 물체 표면에서의 전자파 반사와 물체 내부에서의 전자파 흡수로 나눌 수 있습니다. 전자파 차폐(EMI Shielding)소재로 사용되는 금속 재료는 비저항에 비례하는 전자파 임피던스가 공기의 전자파 임피던스 (337Ω)보다 매우 작아, 반사에 의한 전자파 차폐(EMI Shielding) 효과가 매우 큽니다. 하지만 이 반사파는 또 다른 난반사를 야기시키며, 2차적인 전자파간섭(EMI)의 원인이 되어 다른 부품의 오작동을 유발하게 되는데, 이런 문제점을 해결하기 위해 전자파의 반사되는 양은 줄이고 흡수량은 증대시킨 전자파흡수소재의 수요도 증가하고 있습니다. 전자파 차폐(EMI Shielding) 소재 중에서도 반사보다는 흡수 성능을 이용한 소재를 전자파 흡수(EMI Absorbing) 소재라고 하며, 물체에 닿은 전자파를 붙잡아 물체 내부에서 계속 반사시켜 열에너지 형태로 변환시키는 것이 특징입니다.
전자파 흡수 소재(EMI Absorbing) 의 대표적인 예는 군사용으로 사용되는 스텔스 비행기입니다. 스텔스 기는 군용 레이더에서 사용하는 주파수의 전자파를 흡수하여 레이더 상에서 표시되지 않도록 하는 것이 특징입니다. 최근에는 자율주행차량 개발이 진행되면서 자동차에도 민간용 레이더 부품을 적용해 난반사돼 간섭을 일으키는 신호를 흡수하여 실제 필요한 정보를 보다 정확하게 읽을 수 있는 전자파 흡수(EMI Absorbing) 소재의 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 주로 차선 유지 지원시스템(Lane Keeping Assist System, LKAS), 후방 사각지대 감지 시스템(Blind Spot Detection, BSD) 등의 자율주행시스템 자동차 부품에 연구되고 있습니다.
실제로 LG화학은 현대모비스와 공동연구를 통해 자동차 측면사각감지시스템(BSD•Blind Spot Detection)에 전자파 흡수 소재(EMI Absorbing)를 적용해 성능을 개선하기도 했는데요. 자동차의 후측방 사각지대의 차량을 감지해 사이드미러에 경보등을 켜주는 자동차 측면사각감지시스템(BSD)은 차량 후측방에 달린 레이더센서가 전자파를 발사해 다시 회수하는 과정에서 물체를 인식합니다.
하지만 간혹 신호를 다시 흡수하는 과정에서 난반사가 일어나 정보의 정확성이 다소 떨어지는 문제가 있었습니다. 두 회사의 연구팀은 전자파 흡수 소재(EMI Absorbing)를 활용해 난반사돼 간섭을 일으키는 신호를 전부 흡수해 실제 필요한 정보를 보다 정확하고 또렷하게 인식시키도록 성능 향상을 이루어 냈습니다.1)
최첨단 전자기기와 전자파 제어 기술은 ‘불가분의 관계’
전자파는 과거에도 우리 주변에 존재해 왔고, 현재에도 눈에 보이지 않게 존재합니다. 전자기기의 성능이 고도화 될수록 전자파의 영향은 더욱 커지게 될 뿐만 아니라 인체에 미치는 영향도 큰 문제로 대두 될 것입니다. 이에 따라 전자파 피해를 최소화하기 위해 많은 산업체에서는 전담 부서가 생겨나고 있고 필요 설비를 갖추고 있는 중이며, 연구기관에서도 전자파 장해 제어를 위한 준비를 마련하고 있습니다.
이러한 산업 변화에 따라 전자파 차폐/흡수 용도의 소재의 시장 규모가 점차 확대되어 갈 뿐 아니라, 핵심기술 확보를 위한 소재 기술 개발 경쟁이 한창입니다. 전기를 주 동력원으로 하는 전기차 기술이 발전하고 전자기기의 고집적화, 다기능화가 가속화될 수록 전자파에 대한 대책과 제어 기술 확보가 무엇보다 중요해졌습니다. 먼 미래를 내다보는 안목을 가지고 새로운 융합소재 대해 탐색하고 시장 변화에 적극적으로 귀 기울인다면 향후 4차 산업혁명을 선도하는 기업으로 거듭날 수 있을 것입니다.
내용 출처 : LG화학 테크센터 <폴리머 인사이트> 2017 가을호 P28. ’전자파 차폐/흡수 소재의 개발’ (신소재개발팀)
1) 매일경제 2016-06-20 기사 참조, [현대모비스 공학교실] 사각지대에 차 있다면? 알아서 차로변경 중단
EMI shielding
은, 금, 등의 금속 Metal - conductivity high --> EMI shielding 에 사용하기 좋은 특성이 있으나
밀도가 높고, 가격이 비싸고, 부식에 취약하며, 가공이 용이하지 않다는 단점이 있다.
전자파 차폐의 원리와 관련 기술 동향
전자파를 흡수하는 기구 (mechanism)로는 크게 3가지
- 도전적 손실 (conduction loss)
전하가 존재하는 매질 내로 전자기파가 입사될 때 전하가 이에 반 응하여 순간적으로 미세전류가 흐르고 전기 저항 손실에 의해 흡수하는 방법
- 유전적 손실(dielectric loss)
전기쌍극자가 전자기파에 반응하여 감쇠 (damping) 진동하면서 발생하는 손실로 복소 유전율의 허수부 값이 클 때
- 자기적 손실(magnetic loss)에 의한 흡수
강자성 소재가 자기이력손실 및 자기 스핀의 감쇠 진동으로 전자기파의 에너지를 흡수하는 것으로 해당 주파수 대역에서 복소 투자율의 허수부 값이 클수록 유리하다
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