최근 전기전자, 반도체, 자동차, 항공우주 등 다양한 분야에서 EMI/EMC
관련 연구가 활발히 진행되고, 그 중요성이 더욱 커지고 있다. 본고에서는
점점 더 중요성이 커지고 있는 EMI/EMC 문제에 대한 전산 해석적인
접근(1회에서는 머리말, 전자파 적합성, 전자파 간섭, 전자파 내성,
2회에서는 정전기 방전, EMC의 전산 해석, 맺음말)에 대하여 소개한다.

머리말

반도체 기술의 발달에 따라 각종 전자기기, 컴퓨터 및 통신 기기 관련 산업이 급속하게 발전하고 있으며, 특히 4차 산업혁명, 자동차의 자율주행과 통신 시장에 5G가 도입되면서 전파의 사용이 급격하게 증가하고 있다. 전파는 전자파의 일종이다. 우리 주변에 생활필수품처럼 사용되는 수많은 전기·전자기기들이 전자파를 발생시키고, 영향을 받고 있다. 수많은 전기·전자기기에서 발생하는 전자파는 전기·전자기기의 이용을 위해 의도적으로 발생시키는 것도 있지만, 의도하지 않은 전자파가 발생되고 우리 생활에 직간접적으로 영향을 주고 있다. 이러한 산업 분야의 발전은 최신의 고용량 메모리 등 차세대 반도체 기술이 포함되어 있으며, 전력변환장치에 적용되는 전력 반도체의 대전력화, 소형화와 고성능화에 대한 요구가 커지고 있다.

또 시장에서는 산업에 적용되는 기기에 대하여 소형화 및 고성능을 요구한다. 이러한 전자파 장해를 극복하기 위한 문제는 무선 통신의 발달, 디지털 신호 처리의 고속화, 메모리 및 로직 반도체 기술의 발달, 중대전력 반도체 사용의 확대와 수많은 산업의 자동화 등이 가속화될수록 전자파 적합성(EMC)은 더욱더 중요도가 증가할 것이다. 다시 말해, 전자파 적합성(EMC) 문제는 전자기기의 발달과 함께 모든 산업 부문에 걸쳐 그 중요성이 커질 것이다.

전자파 적합성(EMC)은 실제 측정 설비에서 특수한 환경을 구축하고, 환경 내에서 측정 조건에 맞추어 측정을 한다. 설비 구축에 상당히 많은 비용을 투자하여야 하기에 개별 기업에서 모두 구축하기 어려워 전자파 적합성(EMC) 측정을 전문으로 하는 업체나 국가에서 비용을 들여 설립한 기관을 통해 측정을 진행한다. 무엇보다 전자파 적합성(EMC)에 많은 시간과 비용을 들이고 있다.

이러한 이유 때문에 전기·전자기기의 개발 과정에 전산 해석을 통한 전자파 적합성(EMC) 평가를 도입하려는 기업이 늘어나는 추세다. 그림 1은 전기·전자기기 개발 과정에 전자파 적합성(EMC) 평가를 전산 해석을 통해 사전에 실시할 경우의 효과를 표시한 것이다. 기본적인 전산 해석을 통해서도 전기·전자기기 개발 과정에 반드시 검토해야 하는 많은 전자파 적합성(EMC) 문제를 개발 과정 초기에 효과를 얻을 수 있다.

전자파 적합성
(EMC : Electromagnetic Compatibility)

일반적으로 전자파 간섭 또는 전자파 장해라고 하면 전기·전자기기가 불필요한 전자파를 발생시켜 다른 전기·전자기기의 정상적인 작동을 방해하는 전자파 간섭(EMI : Electromagnetic Inter ference)을 말한다. 이는 전자파 장해의 좁은 의미 또는 일부에 해당한다. 전자파 적합성(EMC)은 전자파 환경에서 전기·전자기기 및 부품의 정상적인 작동 여부를 의미하며, 전기·전자기기에서 의도하지 않은 불필요한 전자파를 최소한으로 발생시키는 전자파 간섭(EMI)과 전자기기는 외부의 전자파 환경에서 작동에 방해를 받지 않고, 정상적으로 동작하는가를 의미하는 전자파 내성(EMS : Electromagnetic Susceptibility)을 포함한다.

전자파 적합성(EMC)은 일반적으로 그림 2와 같이 분류되며, 대표적인 것은 전자파 간섭(EMI), 전자파 내성(EMS), 정전기(ESD)와 전자기 펄스(EMP)이다.

예전에는 전자파 장해가 단순하게 방송을 시청하거나, 라디오를 청취할 때 잡음이 섞여 불편하거나, 유무선 통화 시 혼신이나 잡음으로 음성이 잘 안 들리는 정도였다. 하지만 일상생활에 전기·전자기기가 증가하여 거의 필수품처럼 되어가는 현재는 불편함을 넘어 생활에 영향을 주며, 심지어 우리의 생명을 위협하는 경우도 발생할 수 있다.

최근 모바일 통신 기기의 발달로 보다 빠른 데이터 처리를 위해 고주파수의 전파를 사용하고, 사용 시간을 증가시키기 위해 반도체 소자의 동작 전압을 지속적으로 낮추고 있다. 또한 전기·전자기기의 경량화를 위해 기존에 사용하던 차폐 소재인 금속보다 가벼운 합성수지 계열을 적극 사용하고 있어 상대적으로 전자파 간섭에 약점을 가지고 있다.

전자파 간섭
(EMI : Electromagnetic Interference)

전기·전자기기를 무선 작동을 위해 의도적으로 발생시키는 것도 있지만, 의도하지 않은 전자파가 발생한다. 이때 의도하지 않은 전자파는 다른 전기·전자기기 정상적인 동작에 영향을 준다. 전자파 간섭(EMI) 관련한 규정은 전기·전자기기로부터 방사(RE : Radiated Emission) 또는 전도(CE : Conducted Emission) 되는 전자파가 다른 기기의 기능에 장해를 주는 것을 의미하며, 이러한 간섭으로 이웃한 전기·전자기기의 회로 기능을 악화시키고, 기기가 오동작을 일으킬 수 있는 불필요한 제어 신호를 발생시키지 않도록 하는 규정을 담고 있다. 대부분의 전자파 적합성의 문제는 전자파 간섭을 최소화하는데 큰 비중을 둔다. 전자파 간섭(EMI)는 그림 1과 같이 전도 방출(CE)과 방사 방출(RE)로 나눌 수 있다. 전도 방출(CE)은 주로 30MHz 이하의 회로에서 발생하며, 자유 공간보다 Impedance가 낮은 신호선 또는 전원선 같은 매질을 통해서 전달되고, 방사 방출(RE)은 주로 30MHz 이상의 회로에서 발생하며, 전자파가 공간으로 방사되어 전달된다. 그림 3은 전자파 간섭의 평가 기준 중에 하나인 전자파 발생원으로부터 10m 떨어진 지점에서의 전자기장 크기를 전산 해석한 결과이다. 전자파 간섭에 대한 전산 해석은 전기·전자기기의 설계 및 개발 단계에서 실물이 제작되기 전 측정 설비의 실제 크기 및 환경을 전산으로 구성하였고, 전산 해석을 통해 측정 조건에 맞추어 확인할 수 있다.

또 PCB 전자기장 특성을 전산 해석하는 전문 소프트웨어인 Ansys SIwave™에서는 그림 4와 같이 EMI Scanner 기능을 이용하여 PCB 설계자가 빠르게 설정한 전자파 간섭(EMI) 규칙에 위반 여부를 빠르게 확인할 수 있게 기능을 제공한다.

    

전자파 내성
(EMS : Electromagnetic Susceptibility)

전자파 내성(EMS)은 전기·전자기기가 외부로부터 전자파 간섭을 받을 때 정상 작동이 가능하도록 제작되었는가를 나타낸 것으로, 전자파 감수성 또는 민감성이라고도 한다. 예전에는 전기·전자기기가 발생시키는 전자파 간섭(EMI)에 치중하였으나, 최근에는 전자파 내성의 중요도가 증가하고 있다. 실제 생활에서 사용되는 전기·전자기기가 전자파 간섭의 규격을 만족하였다고는 하나, 무수히 많은 전자파가 일상의 주변을 덮고 있다. 복잡 다양한 전자파 환경에서 전기·전자기기 스스로가 정상 동작을 보장해야 하기 때문에 전자파 내성(EMS)도 갈수록 높은 수준의 규격을 만족하도록 요구한다. 전자파 내성(EMS)은 그림 1과 같이 전도내성(CS : Conducted Susceptibility / Immunity)과 방사내성(RS : Radiated Susceptibility / Immunity)으로 나눌 수 있다. 전도내성(CS)은 외부 케이블, Power Cords, I/O Interconnects 등을 통해 들어오는 전자파 간섭에 견디는 정도를 말하고, 방사내성(RS)은 자유 공간으로부터 전파되어 들어오는 전자파 간섭에 견디는 정도를 말한다.

또 PCB 전자기장 특성을 전산 해석하는 전문 소프트웨어인 Ansys SIwave™에 그림 5와 같이 설계된 PCB 상의 특정 선로와 외부로부터 인가되는
(특정 전자파에 대하여 선로에 유기되는) 표면 전류(Surface Current)를 구하는 방법으로 전자파 내성(EMS)을 해석하는 기능을 제공하고, PCB 설계자가 설계한 PCB의 전자파 내성(EMS)에 대하여 확인할 수 있게 기능을 제공한다.

jwkim@tsne.co.kr