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

*준회원, 건국대학교 일반대학원 전자정보통신공학과

**정회원, 서일대학교 정보통신공학과(교신저자)

***정회원, 건국대학교 전기전자공학부

접수일자 2019년 2월 27일, 수정완료 2019년 3월 27일 게재확정일자 2019년 4월 5일

Received: 27 February, 2019 / Revised: 27 March, 2019 / Accepted: 5 April, 2019

**Corresponding Author: Won-Hui Lee([email protected]) Dept. of Information and Communication Engineering, Seoil University, Korea

https://doi.org/10.7236/JIIBC.2019.19.2.59

JIIBC 2019-2-8

근거리장에 놓인 저전도율 차폐막의 차폐 효과 분석

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

이원선

, 이원희

, 허 정

Won-Seon Lee

, Won-Hui Lee

, Jung Hur

요 약 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 안 테나 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.

Abstract

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.

Key Words :

Ⅰ. 서 론

본 논문에서는 시뮬레이션을 통해 노이즈 소스의 근 거리장

에 저전도율 차폐막이 놓여있을 때 차폐막 두께 에 따른 EMI 차폐 효과를 알아보았다. 은 복합재료 (silver paste), 구리 복합재료(copper paste)는 은, 구리의

전도율에 비해 수백분의 일 수준으로 낮은 전도율을 갖

는데, 이러한 복합재료를 이용한 차폐막을 저전도율 차

폐막이라고 표현하기로 한다. 광대역 노이즈 소스를 만

들기 위해 나선형 안테나를 사용하였고, 차폐막은 근거

리장에 저전도율 차폐막을 놓아두고 진행하였다. 최종

목표인 실버 코팅을 통한 EMI 차폐에 사용되는 재료인 금속-레진 복합재료를 시뮬레이션에서 설정 가능한 대 체 물질로써 그래파이트를 선정하였다

. 그래파이트의 도전율은 7×10

S/m이고, 금속-레진 복합재료의 도전율 또한 10

~ 10

S/m 정도이므로 복합재료를 대체하여 시 뮬레이션 하기 위한 물질로 적합하다. 나선형 안테나 두 개를 만들어 송수신 안테나 사이의 거리가 5 cm와 10 cm 인 두 경우의 투과계수를 분석하였다. 그래파이트 차폐 막의 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 사 용하였다.

Ⅱ. 나선형 안테나의 시뮬레이션

(a) 나선형 안테나의 구조

(b) S 파라미터

그림 1. 나선형 안테나의 구조와 반사계수 시뮬레이션 결과 Fig. 1. Simulation results of reflection coefficient of

spiral antenna structure

시뮬레이션은 광대역 노이즈 소스를 구현하기 위해 그림 1(a)와 같은 나선형(spiral) 안테나를 사용하였다.

안테나의 크기는 면적이 약 35.855 cm

, 지름이 9.4 cm이

고 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 시 뮬레이션 한 결과를 그림 1(b)에 나타내었다.

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

차폐막이 없는 상태에서 노이즈 소스인 송신측과 노 이즈를 받아들이는 수신측을 둘 다 동일한 나선형 안테 나로 구성하고 송신측에 포트 1, 수신측에 포트 2를 설정 한 후 송신·수신 상태를 확인하였다. 이때 그림 2(a)와 같 이 송신측 안테나와 수신측 안테나 간격을 한 번은 5 cm 로 하였고 다른 한 번은 10 cm로 하여 시뮬레이션 해 보 았다.

100 MHz부터 6 GHz까지의 결과를 그림 2(b)와 그림 2(c)에 나타내어 나선형 안테나의 특성인 반사계수를 송 신측 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 dB에 서 -7 dB까지 3 dB 폭의 리플이 생기는 것을 확인할 수 있었고 평균은 -4.7 dB였다. 10 cm 위에 수신측 안테나 를 올렸을 때 반사계수 그래프인 그림 2(c)에서는 반사계 수가 1 GHz에서 약 -5.8 dB로 감소폭이 더욱 줄어들었 지만 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 개 만 있을 때와 그 위에 수신측 안테나를 올렸을 때의 반 사계수는 평균적으로 크게 차이가 없었다.

두 결과에서 동일하게 0 GHz부터 6 GHz까지 주파수

별로 흔들림이 나타나는 것은 두 안테나 사이의 공진 때

문에 나온 것이라고 추정되고, 이 현상은 거리를 10 cm

로 늘렸더니 약 1.5배 정도 감소하였다.

(a) 안테나의 거리가 5 cm(좌측) 일 때와 10 cm(우측) 일 때의 구조

(b) 안테나의 거리가 5 cm 일 때 반사계수

(c) 안테나의 거리가 10 cm 일 때 반사계수

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

그림 3은 송신측 안테나와 수신측 안테나의 거리를 5 cm와 10 cm로 변경하며 시뮬레이션 한 투과계수 그래프 이다. 투과계수의 평균값은 두 안테나 사이의 거리가 5 cm 일 때 -32.9 dB이고, 10 cm 일 때 -39.1 dB였다. 거리 를 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 두 께 0.1 cm의 정사각형 차폐 박스를 만들어 각각의 송수 신 안테나가 차폐 박스의 중앙에 오도록 하였다.

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

(a) 차폐 박스를 씌운 시뮬레이션 구조

(b) 안테나의 거리가 5 cm 일 때 차폐 박스를 씌운 투과계수 그래프

(c) 안테나의 거리가 10 cm 일 때 차폐 박스를 씌운 투과계수 그래프

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 두었을 때 투과계수 그래프이다. 투과계수의 평균은 차폐 박스 를 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 향상되 는 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 평 균이 약 16.7 dB 향상되었다.

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

그림 5. 저전도율 차폐막을 씌운 시뮬레이션 구조 Fig. 5. Simulation structure covered with low conductivity shielding Layers

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 확인하였 다. 시뮬레이션은 이전과 마찬가지로 송신측 안테나와 수신측 안테나의 거리가 5 cm 일 때 와 10 cm 일 때, 두 가지 경우로 진행하였다. 진행 결과 차폐막을 씌우지 않 았을 때를 0 um 일 때로 표현하면, 투과계수 그래프는 그 림 6(a)와 그림 6(b)와 같은 결과로 표현된다.

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

(a) 안테나 사이의 거리가 5 cm일 때 차폐막을 씌운 투과계수 그래프

(b) 안테나 사이의 거리가 10 cm일 때 차폐막을 씌운 투과계수 그래프

그림 6. 차폐막 두께 변화에 따른 투과계수 비교 그래프 Fig. 6. Graph of transmission coefficient comparison

by changing shielding layers thickness

차폐막을 씌우지 않았을 때와 씌웠을 때 투과계수가

몇 dB 정도 감소하였는지 차폐효과(SE; shielding

effectiveness)

를 그림 7의 그래프로 나타내었다. 차

폐막 두께별 차폐효과 평균값은 두 안테나 사이의 거리

가 5 cm 일 때 15.6 dB에서 54.7 dB 사이 값으로 나타났

고, 거리가 10 cm 일 때에는 18.7 dB에서 57.2 dB 사이

값으로 나타나 두 안테나 사이의 거리가 10 cm 일 때 차 폐효과가 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.

(a) 안테나 사이의 거리가 5 cm일 때 차폐효과

(b) 안테나 사이의 거리가 10 cm일 때 차폐효과

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 나타냈 다. 그림 8은 그림 7에서 공진 때문에 차폐효과 결과 값 이 흔들리는 것을 스무딩(smoothing) 하여 그린 후 차이 를 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 dB이 고, 그림 8(b)의 영역 폭은 평균적으로 약 40.2 dB로 나타 났다. 이를 통해 도전율이 없는 상태에 비해서 도전율이 7×10

S/m인 전기적 차폐의 성질만 가지고서도 약 41 dB 정도 효과가 있음을 확인하였다.

(a) 안테나 사이의 거리가 5 cm일 때 차폐효과 값 분포 영역

(b) 안테나 사이의 거리가 10 cm일 때 차폐효과 값 분포 영역

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 cm에 서 시뮬레이션 한 투과계수와 차폐효과 값을 구체적인 수치로 읽어 정리한 것이다. 투과계수 감소량을 보면 안 테나의 사이의 거리가 5 cm 일 때와 10 cm 일 때 두 경우 모두 차폐막 두께를 1 um에서 5 um로 4 um를 증가시켰 을 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 주파수

두께(um) 300 MHz 1.5 GHz 2 GHz 3 GHz 5 GHz 0 -77.27 -37.73 -15.21 -4.99 -12.71 1 -104.39 -33.95 -29.69 -31.11 -36.51 5 -110.32 -49.41 -47.94 -42.81 -49.67 10 -113.93 -53.49 -47.4 -53.66 -55.3 20 -118.12 -61.15 -56.27 -56.48 -60.81 30 -121.17 -63.77 -56.94 -59.39 -63.55 40 -123.42 -66.95 -63.77 -59.44 -65.44 50 -125.29 -69.33 -64.51 -61.68 -66.9 100 -130.86 -70.68 -66.54 -69.15 -73.36 200 -134.85 -78.41 -73.79 -75.1 -77.73

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 주파수

두께(um) 300 MHz 1.5 GHz 2 GHz 3 GHz 5 GHz

0 -94.7 -26.79 -9.45 -17.15 -31.4

1 -112.2 -41.39 -27.68 -41.68 -44.01 5 -123.48 -50.38 -41.21 -52.42 -56.31 10 -126.73 -60.99 -51.5 -58.58 -61.79 20 -131.68 -62.49 -55.87 -62.8 -72.44 30 -134.75 -69.26 -58.82 -66.87 -70.97 40 -136.26 -70.13 -62.38 -68.44 -72.47 50 -138.68 -76.28 -59.91 -70.61 -73.5 100 -143.38 -83.9 -66.61 -76.33 -80.54 200 -146.49 -83.54 -72.02 -79.37 -90.34

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 주파수

두께(um) 300 MHz 1.5 GHz 2 GHz 3 GHz 5 GHz

1 27.12 -3.78 14.48 26.12 23.8

5 33.05 11.68 32.73 37.83 36.96

10 36.66 15.75 32.19 48.68 42.6

20 40.85 23.42 41.06 51.5 48.1

30 43.9 26.04 41.73 54.4 50.85

40 46.14 29.21 48.56 54.46 52.74

50 48.02 31.59 49.3 56.7 54.19

100 53.59 32.95 51.33 64.16 60.65

200 57.58 40.68 58.57 70.12 65.02

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 주파수

두께(um) 300 MHz 1.5 GHz 2 GHz 3 GHz 5 GHz

1 17.49 14.6 18.23 24.53 12.61

5 28.78 23.59 31.77 35.27 24.9

10 32.03 34.2 42.05 41.44 30.38

20 36.98 35.7 46.43 45.66 41.04

30 40.05 42.47 49.37 49.73 39.56

40 41.56 43.34 52.94 51.29 41.06

50 43.98 49.49 50.46 53.46 42.1

100 48.68 57.1 57.16 59.18 49.13

200 51.79 56.75 62.58 62.23 58.93

Ⅴ. 결 론

본 논문에서는 노이즈 소스의 근거리장에 저전도율 차폐막이 놓여있을 때 차폐막 두께에 따른 EMI 차폐효 과를 분석하였다. 코일 특성인 반사계수는 송신측 안테 나 한 개만 있을 때 평균 약 -4.6 dB였고, 송수신 안테나

사이의 거리가 5 cm 일 때 평균 약 -4.7 dB, 10 cm 일 때 평균 약 -4.8 dB로 나타나 약 0.1 dB 감소로 큰 차이 는 없었다. 투과계수는 기존 5 cm 거리를 두었을 때보다 10 cm 거리를 두었을 때 최소 5.5 dB에서 최대 9.6 dB까 지 감소하는 것을 확인하였다. 차폐 박스와 차폐막을 만 들어 송신측 안테나를 중심으로 씌움으로써 근거리장에 서의 차폐효과를 구현하였다. 차폐막 두께를 1 um에서부 터 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 이용하 지만, 본 시뮬레이션에서는 차폐막 재료인 그래파이트의 특성상 전기적 차폐(electronic shielding)를 이용하였다.

위 연구결과를 바탕으로 향후 자기 차폐를 구현하여 차 폐 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 알아보고자 한다.

References

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DOI: https://doi.org/10.1109/15.59885

저자 소개

이 원 선(준회원)

∙2013년 서일대학교 정보통신공학과 공학사

∙2017년∼현재 건국대학교 전자정보 통신공학과 석사과정 재학

∙주관심분야 : 안테나 및 무선통신시 스템, EMI Shield Coating 등

이 원 희(정회원)

∙2000년 건국대학교 전자정보통신공학 과 공학석사

∙2003년 건국대학교 전자정보통신공학 과 공학박사

∙1998년∼1999년 건국대학교 전자정보 통신공학과 교육조교

∙2002년∼2008년 LG전자 DA연구소 책임연구원

∙2008년∼2009년 포항공과대학교 Post Doc.

∙2009년∼2016년 한국전자통신연구원 선임연구원

∙2016년∼현재 서일대학교 정보통신공학과 조교수

∙주관심분야 : 무선 데이터 및 영상 통신, 이동통신, 무선통신 시스템, 밀리미터파 및 테라헤르츠 응용, EMI Shield Coating 등

허 정(정회원)

∙1981년 2월 서울대학교 전자공학과 공학사

∙1983년 2월 서울대학교 전자공학과 공학석사

∙1991년 2월 서울대학교 전자공학과 공학박사

∙1991년 4월∼현재 건국대학교 전기전 자공학부 교수

∙주관심분야 : 안테나 및 마이크로파 회로, 무선전력전송, EMI Shield Coating 등