노이즈 소스 근거리장에 위치한 금속 차폐막의 차폐효과 분석

Analysis for Shielding Effectiveness of Metal Shielding Layer within Near-Field of Noise Source

Abstract

마그네틱 프로브와 노이즈 소스의 근거리장에 금속 차폐막이 놓여있을 때 차폐막 두께에 따른 EMI 차폐효과를 분석하였다. 노이즈 소스로는 마이크로스트립 라인을 이용하였으며, 금속 차폐막 재료로는 그래파이트와 페라이트를 선정하였다. 마그네틱 프로브는 IEC 61967-6 방식을 적용하여 마그네틱 프로브를 이용한 전자기 방사 측정 방법을 사용하였다. 마이크로스트립 라인과 마그네틱 프로브 사이의 투과계수를 분석하였고, 둘 사이의 거리는 단일 차폐막일 경우 1 mm, 다중 차폐막일 경우 5 mm로 수행하였다. 차폐막의 두께는 5 um, 10 um, 30 um, 50 um 으로 변화시켰다. 주파수를 150 kHz에서 1 GHz까지 변화시켰을 경우 최대 44.9 dB의 SE(Shielding Effectiveness)를 얻었다.

The EMI shielding effectiveness of the shielding layer thickness was analyzed when the metal shielding layer was placed in the near field of the magnetic probe and the noise source. Microstrip lines were used as noise source, and graphite and ferrite were selected as metal shielding materials. The magnetic probe uses the electromagnetic radiation measurement method using the magnetic probe by applying the IEC 61967-6 method. The transmission coefficient between the microstrip line and the magnetic probe was analyzed. The distance between the two was 1 mm for a single shielding layer and 5 mm for a multiple shielding layer. The thickness of the shielding layer was changed to 5 um, 10 um, 30 um, and 50 um. When the frequency was changed from 150 kHz to 1 GHz, a maximum shielding effectiveness (SE) of 44.9 dB was obtained.

Ⅰ. 서론

노이즈 소스의 근거리장 ^[1]에 금속 차폐막이 놓여있을 때 차폐막 두께에 따른 EMI 차폐효과를 분석하였다. 측정방식은 마그네틱 프로브를 이용한 전자기 방사 측정 방법을 사용하였고, 마그네틱 프로브는 IEC(International Electro-technical Commission) 국제 표준 규격인 IEC 61967-6 방식을 적용하였다. 노이즈 소스로는 마이 크로스트립 라인을 사용하였고, 차폐막은 마그네틱 프로브와 마이크로 스트립 라인 사이에 금속 차폐막을 놓아 두고 진행하였다. 금속 차폐막을 통한 EMI 차폐에 사용되는 재료로는 그래파이트와 페라이트를 선정하여 시뮬레이션 하였다. 그래파이트의 도전율은 7×10 ⁴ S/m, 비투자율은 1이고 페라이트의 도전율은 10 ^-2 S/m, 비투자율은 10 3 이므로 그래파이트는 전기적 차폐, 페라이트는 자기 차폐에 적용하여 분석하였다. 마이크로스트립 라인과 마그네틱 프로브 사이의 거리가 1 mm 일 때 그래파이트 또는 페라이트만 사용한 단일 차폐막의 두께는 각각 1 um, 5 um, 10 um, 50 um, 100 um, 200 um로 진행하였고, 그래파이트와 페라이트를 겹쳐 올린 다중 차폐막에서는 마이크로스트립 라인과 마그네틱 프로브 사이의 거리를 5 mm로 늘린 후 금속 차폐막의 두께를 각각 5 um, 10 um, 30 um, 50 um로 진행하여 투과 계수를 분석하였다. 주파수는 150 kHz부터 1 GHz까지 해석하였다.

Ⅱ. 마이크로스트립 라인의 시뮬레이션

상용 고주파 시뮬레이터인 Ansys의 HFSS를 이용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 그림 1(a)에는 마이크로스트립 라인을 사용하여 노이즈 소스를 구현하였다. FR4의 유전율은 4.7로 설정하였고, 기판의 크기는 가로 약 106.58 mm, 세로 50 mm, 높이 0.6 mm이며, 마이크로스트립 라인의 폭과 높이는 1 mm, 0.01 mm로 설계하였다. 마이크로스트립 라인 양 끝단에 가로 1 mm, 세로 0.61 mm 인 포트 1과 2를 설정하였고, 기판의 상단 중앙부에서 1 mm 위에 IEC 61967-6 규격의 마그네틱 프로브 하단 중앙부가 오도록 포트 3을 설정하였다. 마이크로스트립 라인의 150 kHz부터 1 GHz까지의 특성을 시뮬레이션 한 결과를 그림 1(b)에 나타내었다.

그림 1(b)를 보면 마이크로스트립 라인에서 포트 1, 2의 투과계수가 0 dB 정도로 나타나 반사·손실 없이 잘 전송됨을 확인할 수 있으며, 마이크로스트립 라인과 마그네틱 프로브 사이의 투과계수는 최대 약 -30 dB로 나타났다.

그림 1. 마이크로스트립 라인 및 마그네틱 프로브 구조와 반사 계수 시뮬레이션 결과

Fig. 1. Simulation results of reflection coefficient of microstrip line and magnetic probe structure

Ⅲ. 단일 차폐막 시뮬레이션

기판과 마그네틱 프로브 사이의 중간높이 0.5 mm를 중심으로 가로 약 106.58 mm, 세로 50 mm인 금속 차폐막의 두께를 1um, 5 um, 10 um, 50um, 100 um, 200 um로 변경하여 시뮬레이션 하였다. 금속 차폐막은 그래파이트와 페라이트 두 가지 재료로 변경하여 분석하였다. 그림 2는 마이크로스트립 라인과 마그네틱 프로브 사이에 금속 차폐막을 놓은 시뮬레이션 구조와 금속 차폐 막의 재료에 따른 투과계수를 두께별로 나타낸 그래프이다.

그림 2. 금속 차폐막을 놓은 시뮬레이션 구조 및 두께별 투과계수 그래프

Fig. 2. Simulation structure with metal shielding layer and graph of transmission coefficient by thickness

그림 2(b)는 차폐막 재료를 그래파이트로 하였을 때 두께 별 투과계수 그래프이다. 차폐막을 올리지 않았을 경우를 0 um로 표현했을 때, 1 GHz에서 1 um부터 200 um까지 두께가 증가할수록 약 -32.7 dB부터 약 -65.5 dB까지 투과계수가 점차적으로 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 그림 2(c)는 차폐막 재료가 페라이트일 때 두께별 투과계수 그래프이다. 투과계수는 차폐막 재료가 그래파이트일 때와 마찬가지로 1 GHz에서 1 um부터 200 um까지 두께가 증가할수록 약 -34.8 dB부터 약 -69.7 dB까지 점차적으로 낮아지는 것을 확인할 수 있다.

그림 3은 금속 차폐막 재료가 그래파이트와 페라이트일 때 차폐막 두께에 따른 각각의 차폐효과(SE; shielding effectiveness)^[2]∼[6]를 나타낸 그래프이다. 200 um 두께의 그래파이트 차폐막을 사용하였을 때 10 MHz에서 약 1.2 dB의 차폐효과가 나타나고, 이후 최대 34.1 dB까지 증가한다. 반면 200 um 두께의 페라이트 재료를 사용하였을 때 10 MHz에서 41.7 dB의 차폐효과가 나타나고 이후 28.3 dB까지 감소한다. 이는 도전율이 높은 그래파이트가 저주파 대역보다는 고주파 대역에서 차폐효과가 잘 나타나고, 반면 투자율이 높은 페라이트는 저주파 대역에서 차폐효과가 잘 나타나기 때문으로 추측할 수 있다.

그림 3. 금속 차폐막을 놓았을 때 두께별 차폐효과 그래프

Fig. 3. Shielding effectiveness graph by thickness when metal shielding layer is placed

Ⅳ. 다중 차폐막 시뮬레이션

마이크로스트립 라인과 마그네틱 프로브 사이에 그래 파이트 차폐막과 페라이트 차폐막을 하나 씩 겹쳐 두 재료의 성질을 모두 이용한 다중 차폐막을 시뮬레이션 하였다. 두께는 그래파이트와 페라이트를 각각 5 um, 10 um, 30 um, 50 um로 하였다. 두 차폐막을 겹침으로써 공진현상이 발생하여 마이크로스트립 라인과 프로브 사이의 거리를 5 mm로 늘린 후 마이크로스트립 라인 위 2.5 mm를 중심으로 다중 차폐막을 놓고 150 kHz부터 1 GHz까지 시뮬레이션을 진행하였다. 그림 4는 그래파이트 차폐막과 페라이트 차폐막을 겹쳐 놓은 다중 차폐 막을 시뮬레이션 한 투과계수 그래프이다.

그림 4. 금속 차폐막을 놓았을 때 두께별 투과계수 그래프

Fig. 4. Graph of transmission coefficient by thickness when metal shielding layer is placed

그림 4(a)는 마이크로스트립 라인을 기준으로 2.5 mm위에 차폐막을 그래파이트-페라이트 순서로 겹쳐 놓고 시뮬레이션 한 결과를 두께별로 나타낸 투과계수 그래프이고, 그림 4(b)는 차폐막을 페라이트-그래파이트 순서로 겹쳐 놓고 시뮬레이션 한 결과를 두께별로 나타낸 투과계수 그래프이다. 두 그래프를 비교하였을 때 150 kHz부터 1 GHz 까지 모든 주파수에서 페라이트-그래파이트 순서로 차폐막을 겹쳤을 때의 투과계수가 그래파이트-페라이트 순서로 차페막을 겹쳤을 때의 투과계수보다 더 낮게 나타남을 수 있다.

그림 5는 금속 차폐막이 놓인 순서 변화에 따른 두께별 차폐효과 비교 그래프이다. 차폐막을 그래파이트-페라이트를 순서대로 겹쳐 올린 후 시뮬레이션 한 차폐효과 결과보다 페라이트-그래파이트 순서로 올렸을 때의 차폐효과 결과가 모든 주파수에서 높게 나타났다. 특히 1 GHz에서 50 um두께를 갖는 그래파이트-페라이트 순서 차폐막의 차폐효과는 약 27.9dB이고, 페라이트-그래파이트 순서 차폐막의 차폐효과는 약 44.9 dB로 최대 약 17 dB정도 향상됨을 확인할 수 있다.

그림 5. 금속 차폐막을 놓았을 때 두께별 차폐효과 그래프

Fig. 5. Graph of Shielding effectiveness by thickness when metal shielding layer is placed

Ⅴ. 결과 및 분석

두께 10 um와 100 um의 단일 차폐막과 다중 차폐막의 차폐효과 그래프를 그림 6에 나타내었다. 단일 차폐막의 경우 금속 재료를 그래파이트와 페라이트 두 가지로 나타냈으며, 다중 차폐막의 경우 차폐막 순서를 그래파이트-페라이트와 페라이트-그래파이트로 나누어 두 가지로 나타내었다. 두께 10um의 다중 차폐막의 경우 그래 파이트와 페라이트를 각각 5 um씩 겹쳐 만들었으며, 두께 100 um의 다중 차폐막의 경우 그래파이트와 페라이트를 각각 50 um씩 겹쳐 만들었다. 그림 6(a)를 보면 두께 10 um의 차폐막을 마이크로스트립 라인과 마그네틱 프로브 사이에 놓았을 경우 페라이트, 페라이트-그래파이트, 그래파이트-페라이트, 그래파이트 순으로 차폐효과가 높게 나타났으며 가장 높은 차폐효과를 보이는 페라이트 단일 차폐막과 가장 낮은 차폐효과를 보이는 그래파이트 단일 차폐막의 차폐효과 값은 10 MHz에서 최대 13.4 dB, 1GHz에서 최소 3.9 dB의 차폐효과를 보였다. 또한 0.86 GHz이후에서는 페라이트 차폐막 위에 그래파이트 차폐막을 겹친 페라이트-그래파이트 다중 차폐 막이 고주파 대역으로 갈수록 차폐효과가 높게 나타났다. 그림 6(b)는 두께 100 um의 차폐막을 비교한 그래프이다. 두께 10 um 차폐막일 경우와 마찬가지로 페라이트, 페라이트-그래파이트, 그래파이트-페라이트, 그래파이트 순으로 차폐효과가 높게 나타났다. 페라이트 단일 차폐막과 그래파이트 단일 차폐막의 차폐효과 값은 150 kHz에서 최대 31.6 dB, 1 GHz에서 최소 0.6 dB의 차폐효과를 보였다. 또한 0.61 GHz이후에서는 페라이트 차폐막 위에 그래파이트 차폐막을 겹친 페라이트-그래파이트 다중 차폐막이 고주파 대역으로 갈수록 차폐효과가 높게 나타남을 볼 수 있다.

그림 6. 두께 10 um와 100 um의 단일 차폐막과 다중 차폐막의 차폐효과 비교 그래프

Fig. 6. Comparison graph of shielding effectiveness of single shielding layer and multiple shielding layer at a thickness of 100 um

이를 통해 자기 차폐 성질을 갖는 페라이트 단일 차폐 막이 저주파 대역에서는 차폐효과가 높지만, 고주파 대역으로 갈수록 전기적 차폐 성질과 자기 차폐 성질을 모두 갖는 다중 차폐막, 특히 페라이트-그래파이트 순서의 다중 차폐막의 차폐효과가 높게 나타남을 확인하였다.

표 1∼4는 마이크로스트립 라인과 마그네틱 프로브 사이에 그래파이트와 페라이트를 이용한 단일 차폐막과 다중 차폐막을 놓고 시뮬레이션 한 차폐효과 값을 구체적인 수치로 읽어 정리한 것이다. 차폐효과 수치 값을 보면 그래파이트 단일 차폐막과 페라이트-그래파이트 다중 차폐막은 고주파 대역으로 갈수록 값이 증가하였지만, 페라이트 단일 차폐막과 그래파이트-페라이트 다중 차폐막의 경우에는 고주파 대역으로 갈수록 값이 감소함을 확인할 수 있다. 또한 모든 주파수에서 금속 차폐막의 두께가 증가할수록 차폐효과 또한 높게 나타남을 확인할 수 있다.

표 1. 그래파이트 단일 차폐막 차폐효과 수치 값

Table 1. Shielding effectiveness numerical value of graphite single shielding layer

표 2. 페라이트 단일 차폐막 차폐효과 수치 값

Table 2. Shielding effectiveness numerical value of ferrite single shielding layer

표 3. 그래파이트-페라이트 다중 차폐막 차폐효과 수치 값

Table 3. Shielding effectiveness numerical value of graphite-ferrite multiple shielding layer

표 4. 페라이트-그래파이트 다중 차폐막 차폐효과 수치 값

Table 4. shielding effectiveness numerical value of ferrite-graphite multiple shielding layer

표 5∼6은 금속 차폐막의 두께를 10 um와 100 um 로 시뮬레이션 한 차폐효과 값을 정리한 것이다. 차폐효과 수치 값을 보면 금속 차폐막 두께를 10 um에서 100 um로 10배 증가시켰을 경우 최대 약 20 dB 증가함을 확인하였다.

표 5. 두께 10 um의 금속 차폐막 차폐효과 수치 값

Table 5. Numerical value of shielding effectiveness of thickness 10um metal shielding layer

표 6. 두께 100 um의 금속 차폐막 차폐효과 수치 값

Table 6. Numerical value of shielding effectiveness of thickness 100 um metal shielding layer

Ⅵ. 결론

본 논문에서는 노이즈 소스의 근거리장에 금속 차폐막이 놓여있을 때 차폐막 두께에 따른 EMI 차폐효과를 분석하였다. 마이크로스트립 라인의 150 kHz부터 1 GHz 까지의 특성을 시뮬레이션 한 결과 포트 1, 2의 투과계수가 0 dB 정도로 나타나 반사·손실 없이 잘 전송됨을 확인할 수 있었다. 마이크로스트립 라인과 마그네틱 프로브 사이의 단일 차폐막 금속 재료를 그래파이트와 페라이트로 변경하며 시뮬레이션을 진행하였다. 그 결과 200 um 두께의 그래파이트 차폐막을 사용하였을 때 10 MHz에서 약 1.2 dB의 차폐효과가 나타나고, 이후 최대 34.1 dB까지 증가 하였으며, 200 um 두께의 페라이트 차폐 막을 사용하였을 경우 10 MHz에서 41.7 dB의 차폐효과가 나타나고 이후 28.3 dB까지 감소하였다. 차폐막 두개를 겹쳐 올려 다중 차폐막의 차폐효과를 알아보았다. 다중 차폐막의 경우 그래파이트와 페라이트의 순서를 위·아래로 바꿔가며 시뮬레이션 하였다. 차폐막을 그래파이트-페라이트를 순서대로 겹쳐 올린 후 시뮬레이션 한차폐효과 결과보다 페라이트-그래파이트 순서로 올렸을 때의 차폐효과 결과가 모든 주파수에서 높게 나타났으며, 특히 1 GHz에서 최대 약 17 dB정도 향상됨을 확인할 수 있었다. 두께 10 um와 100 um의 단일 차폐막과 다중 차폐막의 차폐효과를 수치 값을 통해 비교·분석한 결과 두께를 10 um에서 100 um로 10배 증가시켰을 경우 최대 약 20 dB 증가함을 확인하였다. 또한 자기 차폐 성질을 갖는 페라이트 단일 차폐막이 저주파 대역에서는 차폐효과가 높지만, 고주파 대역으로 갈수록 전기적 차폐 성질과 자기 차폐 성질을 모두 갖는 다중 차폐막, 특히 페라이트-그래파이트 순서의 다중 차폐막의 차폐효과가 높게 나타남을 확인할 수 있었다. 보통 근거리장에서의 차폐는 에너지의 대부분이 자기장에 실려 있기 때문에 자기 차폐의 성질을 이용하지만, 본 시뮬레이션에서는 자기 차폐 뿐만 아니라 전기적 차폐 재료인 그래파이트의 특성을 이용하여 차폐막의 차폐효과를 향상시켰다.

위 연구결과를 바탕으로 향후 차폐 성능을 향상시킬 수 있는 다른 금속 재료와 방법들을 알아볼 예정이다.