Analysis of Shielding Effectiveness of Low Conductivity Shield Layers within Near-field Region

근거리장에 놓인 저전도율 차폐막의 차폐 효과 분석

Abstract

The EMI shielding effectiveness of shielding layers thickness was analyzed when the low conductivity shielding layers was placed in the near field of the noise source. A spiral antenna with broadband characteristics was used as the noise source, and graphite was selected as the low conductivity shielding material. Two spiral antennas were constructed to analyze the transmission coefficient between two antennas, and the distances between the transmitting and receiving antennas were 5 cm and 10 cm. The thickness of the shielding layers was changed from 1 um to 200 um. The frequency was changed from 100 MHz to 6 GHz to obtain a maximum SE(Shielding Effectiveness) of 70 dB. In this simulation, electronic shielding was used due to the nature of graphite, which is a shielding film material. Based on these results, we will study how to improve the shielding performance by implementing magnetic shielding in the future.

노이즈 소스의 근거리장에 저전도율 차폐막이 놓여있을 때 차폐막 두께에 따른 EMI 차폐효과를 분석하였다. 노이즈 소스로는 광대역 특성을 갖는 나선형 안테나를 이용하였으며, 저전도율 차폐 재료로는 그래파이트를 선정하였다. 나선형 안테나 두 개를 만들어 두 안테나 사이의 투과계수를 분석하였고, 송수신 안테나 사이의 거리는 5 cm와 10 cm인 두 경우에 대해 수행하였다. 차폐막의 두께는 1 um에서 200 um까지 변화시켰다. 주파수는 100 MHz에서 6 GHz까지 변화시켜 최대 70 dB의 SE(Shielding Effectiveness)를 얻었다. 본 시뮬레이션에서는 차폐막 재료인 그래파이트의 특성상 전기적 차폐(electronic shielding)를 이용하였다. 이 결과를 바탕으로 향후 자기 차폐를 구현하여 차폐 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 연구할 예정이다.

Ⅰ. 서론

본 논문에서는 시뮬레이션을 통해 노이즈 소스의 근거리장^[1]에 저전도율 차폐막이 놓여있을 때 차폐막 두께에 따른 EMI 차폐 효과를 알아보았다. 은 복합재료 (silver paste), 구리 복합재료(copper paste)는 은, 구리의 전도율에 비해 수백분의 일 수준으로 낮은 전도율을 갖는데, 이러한 복합재료를 이용한 차폐막을 저전도율 차폐막이라고 표현하기로 한다. 광대역 노이즈 소스를 만들기 위해 나선형 안테나를 사용하였고, 차폐막은 근거리장에 저전도율 차폐막을 놓아두고 진행하였다. 최종목표인 실버 코팅을 통한 EMI 차폐에 사용되는 재료인 금속-레진 복합재료를 시뮬레이션에서 설정 가능한 대체 물질로써 그래파이트를 선정하였다^[2]. 그래파이트의 도전율은 7×10⁴ S/m이고, 금속-레진 복합재료의 도전율 또한 10^{4 ~} 10⁵ S/m 정도이므로 복합재료를 대체하여 시뮬레이션 하기 위한 물질로 적합하다. 나선형 안테나 두개를 만들어 송수신 안테나 사이의 거리가 5 cm와 10 cm인 두 경우의 투과계수를 분석하였다. 그래파이트 차폐막의 두께는 각각 1 um, 5 um, 10 um, 20 um, 30 um, 40 um, 50 um, 100 um, 200 um로 진행하였고 주파수는 100 MHz부터 6 GHz까지 변화시켜 해석하였으며 시뮬레이 션은 HFSS(High-Frequency Structure Simulator)를 사용하였다.

Ⅱ. 나선형 안테나의 시뮬레이션

시뮬레이션은 광대역 노이즈 소스를 구현하기 위해 그림 1(a)와 같은 나선형(spiral) 안테나를 사용하였다. 안테나의 크기는 면적이 약 35.855 cm², 지름이 9.4 cm이고 라인의 폭과 간격은 약 0.156 cm이며, 끝으로 갈수록 폭이 0이 되도록 설계하였다. 안테나의 중앙부에 가로, 세로 약 0.679 cm인 정사각형의 포트 1을 설정하였고, 이 나선형 안테나의 100 MHz부터 6 GHz까지의 특성을 시뮬레이션 한 결과를 그림 1(b)에 나타내었다.

그림 1. 나선형 안테나의 구조와 반사계수 시뮬레이션 결과

Fig. 1. Simulation results of reflection coefficient of spiral antenna structure

그림 1(b)를 보면 반사계수가 최소 0 dB부터 최대 약 -13.5 dB까지 떨어졌으며, 평균 약 -4.6 dB 정도로 나타나 반사·손실 없이 잘 전송됨을 확인할 수 있다.

차폐막이 없는 상태에서 노이즈 소스인 송신측과 노이즈를 받아들이는 수신측을 둘 다 동일한 나선형 안테나로 구성하고 송신측에 포트 1, 수신측에 포트 2를 설정한 후 송신·수신 상태를 확인하였다. 이때 그림 2(a)와 같이 송신측 안테나와 수신측 안테나 간격을 한 번은 5 cm로 하였고 다른 한 번은 10 cm로 하여 시뮬레이션 해 보았다.

그림 2. 안테나의 거리가 5 cm와 10 cm일 때 구조 및 반사계수

Fig. 2. Structure and reflection coefficient when antenna distance is 5 cm and 10 cm

100 MHz부터 6 GHz까지의 결과를 그림 2(b)와 그림 2(c)에 나타내어 나선형 안테나의 특성인 반사계수를 송신측 안테나 한 개만 단독으로 있을 때와 5 cm, 10 cm 위에 수신측 안테나를 올렸을 때 변화를 비교해 보았다. 송신측 안테나만 단독으로 있을 때의 그래프인 그림 1(b)에 비해 5 cm 위에 수신측 안테나를 올렸을 때 반사계수 그래프인 그림 2(b)에서는 반사계수가 1 GHz에서 -9.5 dB로 감소폭이 줄어들었지만 1.2 GHz 이후부터 -4 dB에서 -7 dB까지 3 dB 폭의 리플이 생기는 것을 확인할 수 있었고 평균은 -4.7 dB였다. 10 cm 위에 수신측 안테나를 올렸을 때 반사계수 그래프인 그림 2(c)에서는 반사계수가 1 GHz에서 약 -5.8 dB로 감소폭이 더욱 줄어들었지만 5 cm 위에 코일을 두었을 때와 동일하게 1.2 GHz 이후부터 리플이 생기는 것을 확인할 수 있었다. 다만 10 cm로 안테나 사이의 거리를 늘렸을 때 리플의 폭은 -4.5 dB에서 -6 dB까지 약 1.5 dB 정도로 줄어들었으며, 반사 계수의 평균은 약 -4.8 dB로 나타나 송신측 안테나 한 개만 있을 때와 그 위에 수신측 안테나를 올렸을 때의 반사계수는 평균적으로 크게 차이가 없었다.

두 결과에서 동일하게 0 GHz부터 6 GHz까지 주파수별로 흔들림이 나타나는 것은 두 안테나 사이의 공진 때문에 나온 것이라고 추정되고, 이 현상은 거리를 10 cm로 늘렸더니 약 1.5배 정도 감소하였다.

그림 3은 송신측 안테나와 수신측 안테나의 거리를 5 cm와 10 cm로 변경하며 시뮬레이션 한 투과계수 그래프이다. 투과계수의 평균값은 두 안테나 사이의 거리가 5 cm일 때 -32.9 dB이고, 10 cm 일 때 -39.1 dB였다. 거리를 2배 증가시킨 결과 투과계수는 평균 약 -6.2 dB 정도 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

그림 3. 안테나의 거리가 5 cm와 10 cm일 때 투과계수 그래프

Fig. 3. Transmission coefficient graph when the antenna distance is 5 cm and 10 cm

Ⅲ. EMI 시뮬레이션

시뮬레이션에서 차폐막을 올리기 위해서 위·아래에 외각 사이즈가 가로 10 cm, 세로 10 cm, 높이 1 cm인 두께 0.1 cm의 정사각형 차폐 박스를 만들어 각각의 송수신 안테나가 차폐 박스의 중앙에 오도록 하였다.

그림 4는 송수신 안테나에 차폐 박스를 씌운 시뮬레이션 구조와 두 안테나 사이의 거리가 5 cm 및 10 cm 일 때의 투과계수를 나타낸 그래프이다.

그림 4. 두 안테나에 차폐 박스를 씌운 시뮬레이션 구조 및 투과계수 그래프

Fig. 4. Simulation structure and transmission coefficient graph of shielding box about two antennas

그림 4(b)는 두 안테나 사이의 거리를 5 cm로 두었을때 투과계수 그래프이다. 투과계수의 평균은 차폐 박스를 씌우지 않았을 때 약 -32.9 dB였고, 차폐 박스를 씌운 후 평균 약 -27.8 dB로 나타나 5.1 dB 정도 향상되었다. 특히 2 GHz 이후의 투과계수 평균이 약 17.2 dB 향상되는 것을 확인할 수 있다.

그림 4(c)는 안테나의 거리를 10 cm로 늘렸을 때 투과 계수 그래프인데, 차폐 박스를 씌우지 않았을 때 평균은 약 -39.1 dB였고 차폐 박스를 씌운 후 평균은 약 -33.3 dB로 5.8 dB 향상되었으며, 1.5 GHz 이후로 투과계수 평균이 약 16.7 dB 향상되었다.

차폐 박스를 씌우지 않았을 때 투과계수를 나타낸 그래프인 그림 3과 차폐 박스를 씌웠을 때 투과계수를 나타낸 그래프인 그림 4(b), 그림 4(c)를 비교해 보았을 때, 공통적으로 차폐박스를 씌웠을 때 약 17 dB 정도 향상되는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 차폐 박스를 씌움으로써 지향성이 좋아졌기 때문으로 추측할 수 있다.

그림 5와 같이 송신측 차폐 박스에 두께가 각각 1 um, 5 um, 10 um, 20 um, 30 um, 40 um, 50 um, 100 um, 200 um인 차폐막을 단계적으로 올리고 투과계수를 확인하였다. 시뮬레이션은 이전과 마찬가지로 송신측 안테나와 수신측 안테나의 거리가 5 cm 일 때와 10 cm 일 때, 두가지 경우로 진행하였다. 진행 결과 차폐막을 씌우지 않았을 때를 0 um 일 때로 표현하면, 투과계수 그래프는 그림 6(a)와 그림 6(b)와 같은 결과로 표현된다.

그림 5. 저전도율 차폐막을 씌운 시뮬레이션 구조

Fig. 5. Simulation structure covered with low conductivity shielding Layers

그림 6. 차폐막 두께 변화에 따른 투과계수 비교 그래프

Fig. 6. Graph of transmission coefficient comparison by changing shielding layers thickness

그림 6(a)과 그림 6(b)의 그래프를 보면 두 안테나 사이의 거리가 5 cm 일 때와 10 cm 일 때 동일하게 1 um 일 때의 투과계수가 가장 높았으며, 200 um로 두께를 증가시킬수록 투과계수 값이 떨어짐을 확인할 수 있다.

차폐막을 씌우지 않았을 때와 씌웠을 때 투과계수가 몇 dB 정도 감소하였는지 차폐효과(SE; shielding effectiveness)^[3]-[6]를 그림 7의 그래프로 나타내었다. 차폐막 두께별 차폐효과 평균값은 두 안테나 사이의 거리가 5 cm 일 때 15.6 dB에서 54.7 dB 사이 값으로 나타났고, 거리가 10 cm 일 때에는 18.7 dB에서 57.2 dB 사이 값으로 나타나 두 안테나 사이의 거리가 10 cm 일 때 차폐효과가 더 좋다는 것을 알 수 있다. 또한 차폐효과의 전체 평균은 5 cm 거리일 때 약 38.3 dB로 나타났고, 10 cm 거리일 때 약 41.6 dB로 나타나 전체적으로 약 3.3 dB 정도 차폐효과가 향상됨을 확인할 수 있다.

그림 7. 차폐막 두께 변화에 따른 차폐효과 비교 그래프

Fig. 7. Graph of shielding effectiveness result of comparison by changing shielding layers thickness

Ⅳ. 결과 및 분석

차단막의 두께별 차폐효과의 차이를 그림 8에 나타냈다. 그림 8은 그림 7에서 공진 때문에 차폐효과 결과 값이 흔들리는 것을 스무딩(smoothing)하여 그린 후 차이를 보기 쉽도록 두께별로 차폐효과 결과 값이 분포하고 있는 영역을 1 GHz에서 6 GHz까지 1 GHz마다 표시한 것이다. 그림 8(a)의 영역 폭은 평균적으로 약 41.7 dB이고, 그림 8(b)의 영역 폭은 평균적으로 약 40.2 dB로 나타났다. 이를 통해 도전율이 없는 상태에 비해서 도전율이 7×10⁴ S/m인 전기적 차폐의 성질만 가지고서도 약 41 dB 정도 효과가 있음을 확인하였다.

그림 8. 차폐막 두께 변화에 따른 차폐효과 분포 영역

Fig. 8. Shielding effectiveness distribution area according to change of shielding layers thickness

표 1∼4는 두 안테나 사이의 거리를 5 cm와 10 cm에서 시뮬레이션 한 투과계수와 차폐효과 값을 구체적인 수치로 읽어 정리한 것이다. 투과계수 감소량을 보면 안테나의 사이의 거리가 5 cm 일 때와 10 cm 일 때 두 경우 모두 차폐막 두께를 1 um에서 5 um로 4 um를 증가시켰을 때 각각 10.5 dB와 11.6 dB 감소하며 상대적으로 가장 큰 차폐효과를 보였으며, 이후 200 um까지 두께를 증가 시킬수록 차폐효과가 증가함을 확인할 수 있다.

표 1. 안테나 사이의 거리가 5 cm일 때 투과계수 수치 값

Table 1. Numerical values of transmission coefficient when the istance between antennas is 5 cm

표 2. 안테나 사이의 거리가 10 cm일 때 투과계수 수치 값

Table 2. Numerical values of transmission coefficient when the distance between antennas is 10 cm

표 3. 안테나 사이의 거리가 5 cm일 때 차폐효과 수치 값

Table 3. Numerical values of shielding effectiveness when the distance between antennas is 5 cm

표 4. 안테나 사이의 거리가 10 cm일 때 차폐효과 수치 값

Table 4. Numerical values of shielding effectiveness when the distance between antennas is 10 cm

Ⅴ. 결론

본 논문에서는 노이즈 소스의 근거리장에 저전도율 차폐막이 놓여있을 때 차폐막 두께에 따른 EMI 차폐효과를 분석하였다. 코일 특성인 반사계수는 송신측 안테나 한 개만 있을 때 평균 약 -4.6 dB였고, 송수신 안테나 사이의 거리가 5 cm 일 때 평균 약 -4.7 dB, 10 cm 일때 평균 약 -4.8 dB로 나타나 약 0.1 dB 감소로 큰 차이는 없었다. 투과계수는 기존 5 cm 거리를 두었을 때보다 10 cm 거리를 두었을 때 최소 5.5 dB에서 최대 9.6 dB까지 감소하는 것을 확인하였다. 차폐 박스와 차폐막을 만들어 송신측 안테나를 중심으로 씌움으로써 근거리장에 서의 차폐효과를 구현하였다. 차폐막 두께를 1 um에서부터 200 um까지 증가시켜가며 시뮬레이션 하였으며 그 결과 차폐효과의 전체 평균은 두 안테나 사이의 거리가 5 cm 일 때 보다 10 cm 거리일 때 전체적으로 약 3.3 dB 정도 향상됨을 확인하였다. 보통 근거리장에서의 차폐는 에너지의 대부분이 자기장(magnetic field)에 실려 있기 때문에 자기 차폐(magnetic shielding)의 성질을 이용하지만, 본 시뮬레이션에서는 차폐막 재료인 그래파이트의 특성상 전기적 차폐(electronic shielding)를 이용하였다. 위 연구결과를 바탕으로 향후 자기 차폐를 구현하여 차폐 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 알아보고자 한다.