전자기 차폐

1. 개요

전자기 차폐는 외부 전자기장의 영향을 줄이거나 막기 위해 도체, 자성체 또는 특수 재료를 사용하여 공간을 둘러싸는 기술이다. 전기장 차폐는 도체 내부에서 전기장이 0이 되는 원리를 이용하여 이루어지며, 자기장 차폐는 높은 투자율을 가진 물질로 자기력선을 끌어당겨 원하는 공간 주위로 지나가게 하여 실현한다. 전자기파 차폐는 도체가 전자기파를 반사하고 자성체가 흡수하는 성질을 이용하며, 금속 얇은 층, 판금, 금속 스크린, 금속 폼 등의 재료가 사용된다. 차폐 케이블, 전자레인지, RFID, 의료 및 군사 장비 등 다양한 분야에 응용되며, 수학적 모델을 통해 차폐 효과를 분석할 수 있다. 또한 접지(그라운드)와 흡수 기술을 활용하여 전자기 차폐 효과를 높일 수 있다.

2. 전기장 차폐

정전기적 평형 상태에서 도체 내부에 전기장이 0이 된다. 도체 내부에 전기장이 0이 아니라면 이 전기장에 의해 도체 내부의 자유 전자가 전류를 형성한다. 전류가 흐르게 되면 전하의 분포가 달라지게 되고 그 분포는 도체 내부의 전기장을 0으로 만들도록 바뀐다. 도체 내부에서 어떠한 가우스면을 잡아도 전기장이 0이므로 총 플럭스 0이 되고 이는 도체 내부에는 항상 알짜 전하가 0임을 알 수 있다. 즉 도체 외부에서 전기장이 바뀌더라도 도체 표면의 전하분포가 바뀔 뿐 내부의 전하분포에는 변화가 없다.

도체로 둘러싸인 동공의 경우, 외부의 전기장은 도체 내부에 영향을 주지 못한다. 그러므로 외부에 전기장이 가해진 상태에서 내부의 도체를 제거하더라도 전하 분포의 변화가 없으므로 전기장의 분포는 변화가 없다. 즉 도체로 둘러싸인 동공은 항상 전기장이 0이 되어버림을 알 수 있다. 그러므로 전기장은 도체로 물체를 둘러싸기만 해도 완벽하게 차폐가 가능하다.

항공기는 도체로 둘러싸여 있기 때문에 번개를 맞더라도 전기장에 대해서 내부가 차폐되어 있어 내부에 아무런 영향을 주지 않고 운행할 수 있다.

3. 자기장 차폐

자기장 차폐는 일반적으로 높은 투자율을 가진 물질로 주위를 둘러싸는 방식으로 이루어진다. 이러한 물질은 자기장을 완전히 막지는 못하지만, 자기력선을 자체적으로 끌어당겨 원하는 공간 주위로 지나가게 한다. 예를 들어, 퍼멀로이 및 뮤메탈 시트나 나노결정립 구조의 강자성 금속 코팅으로 만들어진 차폐재를 사용할 수 있다. 최적의 자기 차폐 형태는 차폐된 부피를 둘러싸는 밀폐된 용기이며, 자기 차폐는 종종 여러 개의 인클로저로 구성되어 잔류 자기장을 낮게 유지한다.

솔레노이드나 헬름홀츠 코일을 이용하여 만든 자기장을 사용하여 차폐를 하기도 한다. 정적 또는 저주파수 자기장에 사용되는 능동 차폐는 전자석에 의해 생성된 자기장이 주변 자기장을 상쇄하는 방식이다. 능동 차폐는 수동 차폐와의 전자기 결합을 고려하여 설계될 수 있으며, 이를 하이브리드 차폐라고 한다.

초전도체는 마이스너 효과를 통해 임계 자기장을 넘지 않는 범위 내에서 자기장을 내쫓을 수 있어, 자기 차폐를 실현할 수 있다. 이는 아haranov-bohm 효과의 실증 실험에서 자기장을 완전히 배제한 공간을 만드는 데 이용되었다.

투자율 값이 높은 물질들은 주로 자기장 발생이 강한 트랜스포터 등에 적용된다. 이러한 물질들은 자기장 발생원을 감싸거나 자기장에 영향을 받는 부분을 감싸서 물질 속 자기장 크기를 줄이고 외부 자기장이 차폐재 표면을 타고 흘러가도록 한다. 극히 강한 자기장을 사용하는 의료 기기는 외부로부터 격리될 필요가 있으며, 강철이나 뮤메탈(뮤메탈)과 같이 높은 투자율을 가진 물질을 사용하여 수동적으로 격리할 수 있다. 의료 기기는 능동적으로 자기 차폐를 수행하기도 한다.

4. 전자기파 차폐

도체는 전자기파를 반사하고, 자성체는 전자기파를 흡수하여 열에너지로 변환한다. 금속 얇은 층, 판금, 금속 스크린, 금속 폼 등이 전자기파 차폐에 사용된다. 차폐 효과는 금속의 전도성, 납땜성, 투자율, 두께 및 무게 등 물리적 특성에 따라 달라진다. 예를 들어, 전기적으로 지배적인 파동은 구리, 은, 황동과 같이 전도성이 높은 금속에 의해 반사되고, 자기적으로 지배적인 파동은 강철 또는 스테인리스강과 같이 전도성이 낮은 금속에 의해 흡수된다.

플라스틱 인클로저 내부에는 금속 잉크를 코팅하여 전자기파를 차폐하기도 한다. 이 잉크는 구리나 니켈과 같은 금속 입자를 포함하고 있어, 건조 후 섀시 접지에 연결되어 전도층을 형성한다.

전자기파는 결합된 전기장과 자기장으로 구성된다. 전기장은 도체 내부의 전자와 같은 전하 운반체에 힘을 가하여 전류를 유도하고, 이는 내부의 가해진 전기장을 상쇄시킨다. 마찬가지로, 변동하는 자기장은 와전류를 생성하여 가해진 자기장을 상쇄시킨다. 결과적으로 전자기파는 도체 표면에서 반사된다.

실제 RF 차폐의 경우, 도체의 전기 저항으로 인해 여기된 장이 입사된 장을 완전히 상쇄하지 못한다. 또한, 대부분의 도체는 저주파 자기장에 대해 강자성 반응을 보이며, 차폐에 구멍이 있으면 전류가 구멍 주위로 흘러 차폐 효과가 감소한다. 고주파수 전자기파의 경우, 표피 효과로 인해 방사선 에너지가 표피에 흡수되어 내부에는 전자기장이 존재하지 않게 된다. 방사선이 차폐를 관통할 수 있는 깊이는 표피 깊이로 측정된다.

구리는 전파 및 기타 전자기파를 흡수하기 때문에 무선 주파수(RF) 차폐에 사용된다. 제대로 설계되고 구성된 RF 차폐 인클로저는 대부분의 RF 차폐 요구 사항을 충족한다.

5. 사용 재료

전자기 차폐에는 금속 얇은 층, 판금, 금속 스크린, 금속 폼 등 다양한 재료가 사용된다. 구리, 황동, 니켈, 은, 강철, 주석 등이 차폐에 사용되는 일반적인 판금이다. 차폐 효과는 금속의 전도성, 납땜성, 투자율, 두께, 무게 등 물리적 특성에 따라 달라진다. 예를 들어, 전기적으로 지배적인 파동은 구리, 은, 황동과 같이 전도성이 높은 금속에 의해 반사되고, 자기적으로 지배적인 파동은 강철이나 스테인리스강과 같이 전도성이 낮은 금속에 의해 흡수된다. 차폐하려는 방사의 파장보다 차폐 또는 메쉬의 구멍이 훨씬 작아야 효과적인 차폐가 가능하다.

플라스틱 인클로저의 경우, 구리 또는 니켈 입자가 포함된 금속 잉크를 인클로저 내부에 코팅하여 차폐 효과를 얻을 수 있다. 이 잉크는 섀시 접지에 전기적으로 연결되어 전도성 금속층을 형성한다. 구리는 전파 및 기타 전자기파를 흡수하기 때문에 무선 주파수(RF) 차폐에 사용된다.

6. 응용

차폐 케이블은 내부 코어 도체를 와이어 메쉬로 둘러싸 전자기 간섭을 줄인다. 일부 케이블은 두 개의 별도 동축 스크린을 갖추어 전자기장과 정전기장 차폐를 최대화한다.

전자레인지 문에는 금속 스크린이 내장되어 있어 12cm 파장의 마이크로파를 차폐하고, 400nm에서 700nm 파장의 가시광선은 통과시킨다.

RFID 차폐는 생체 인식 여권 등에 내장된 RFID 칩의 데이터를 보호한다.

의료 및 실험 장비는 전자기 간섭으로부터 보호하기 위해 RF 차폐를 사용한다. AM, FM, TV, 긴급 서비스, 발신, 호출기, ESMR, 셀룰러 및 PCS를 포함한 간섭 신호로부터 보호하며, 방송 시설 장비 보호에도 사용된다.

군사 및 방위 분야에서도 전자기 간섭 및 공격으로부터 장비를 보호하기 위해 전자기 차폐를 활용한다. 기술 발전에 따라 전자기 간섭 취약성이 높아지면서, 접지된 전도성 장벽 내부에 케이블을 밀봉하는 방식으로 위험을 완화한다. 북대서양 조약 기구는 컴퓨터와 키보드에 대한 전자기 차폐를 명시하여 비밀번호 캡처를 방지한다.

7. 작동 원리

전자기파는 전기장과 자기장으로 구성된다. 전기장은 도체 내부의 전하 운반체(예: 전자)에 힘을 가하여 전류를 유도하고, 이는 내부에서 가해진 전기장을 상쇄시킨다.

마찬가지로, 변화하는 자기장은 가해진 자기장을 상쇄하는 와전류를 생성한다. 이러한 원리로 전자기파는 도체 표면에서 반사되어 내부와 외부가 분리된다.

그러나 실제 RF 차폐는 도체의 전기 저항, 저주파 자기장에 대한 강자성 반응, 차폐의 구멍 등으로 인해 완벽하게 차폐되지 않는다. 이러한 요인들은 차폐의 장 반사 능력을 감소시킨다.

고주파수 전자기파의 경우, 표피 효과로 인해 방사선 에너지가 표피에 흡수되어 내부에 전자기장이 존재하지 않게 된다. 방사선이 침투하는 깊이는 표피 깊이로 나타낸다.

8. 수학적 모델

선형 등방성 상대 투자율 $\backslash mu\_\backslash text\{r\}$을 갖는 (선형 및 등방성) 반자성 재료의 구형 껍질이 있고, 내부 반지름은 $a$, 외부 반지름은 $b$라고 가정한다. 그런 다음 이 물체를 상수 자기장에 넣는다.
$$\backslash mathbf\{H\}\_0\; =\; H\_0\; \backslash hat\backslash mathbf\{z\}\; =\; H\_0\; \backslash cos(\backslash theta)\; \backslash hat\backslash mathbf\{r\}\; -\; H\_0\; \backslash sin(\backslash theta)\; \backslash hat\backslash boldsymbol\{\backslash theta\}$$
반자성 물질의 경계에서 가능한 결합 전류를 제외하고 이 문제에는 전류가 없으므로 라플라스 방정식을 만족하는 자기 스칼라 전위를 정의할 수 있다.

여기서
$$\backslash mathbf\{B\}\; =\; \backslash mu\_\backslash text\{r\}\backslash mathbf\{H\}$$
이 특정 문제에는 방위각 대칭이 있으므로 구면좌표계에서 라플라스 방정식의 해를 다음과 같이 쓸 수 있다.
$$\backslash Phi\_\{M\}\; =\; \backslash sum\_\{\backslash ell=0\}^\backslash infty\; \backslash left(A\_\{\backslash ell\}r^\{\backslash ell\}+\backslash frac\{B\_\{\backslash ell\}\}\{r^\{\backslash ell+1\}\}\backslash right)\; P\_\{\backslash ell\}(\backslash cos\backslash theta)$$
다음 경계 조건을 일치시킨 후

경계에서($\backslash hat\{n\}$은 면 1에서 면 2를 가리키는 표면에 수직인 단위 벡터임) 구형 껍질의 공동 내부의 자기장은 다음과 같다.
$$\backslash mathbf\{H\}\_\backslash text\{in\}=\backslash eta\backslash mathbf\{H\}\_\{0\}$$
여기서 $\backslash eta$는 반자성 물질의 두께와 물질의 자기 투자율에 따라 달라지는 감쇠 계수이다.
$$\backslash eta\; =\; \backslash frac\{9\backslash mu\_\backslash text\{r\}\}\{\backslash left(2\backslash mu\_\backslash text\{r\}\; +\; 1\backslash right)\; \backslash left(\backslash mu\_\backslash text\{r\}\; +\; 2\backslash right)\; -\; 2\backslash left(\backslash frac\{a\}\{b\}\backslash right)^3\; \backslash left(\backslash mu\_\backslash text\{r\}\; -\; 1\backslash right)^2\}$$
이 계수는 외부 자기장을 둘러싸는 공동으로부터 차폐하는 이 재료의 효과를 설명한다. 이 계수는 $\backslash mu\_\backslash text\{r\}\; \backslash to\; 1$일 때 적절하게 1(차폐 없음)로 가는 것을 알 수 있다. $\backslash mu\_\backslash text\{r\}\; \backslash to\; \backslash infty$일 때 이 계수는 0(완벽한 차폐)으로 간다. $\backslash mu\_\backslash text\{r\}\; \backslash gg\; 1$일 때, 감쇠 계수는 더 간단한 형태를 띤다.
$$\backslash eta\; =\; \backslash frac\{9\}\{2\; \backslash left(1\; -\; \backslash frac\{a^3\}\{b^3\}\backslash right)\; \backslash mu\_\backslash text\{r\}\}$$
이는 자기장이 $\backslash mu\_\backslash text\{r\}^\{-1\}$와 같이 감소함을 보여준다.

8.1. 속이 빈 원기둥

자기 투자율이 $\backslash mu$인 물질로 이루어진 속이 빈 원기둥이 자기장 $B\_0$로 균일한 공간에 수직으로 놓여 있을 때, 내부 자기장은 외부 자기장보다 약해진다. 이는 전자기 차폐의 한 예시이다.

자유 전류가 없으므로, $\backslash triangledown\; \backslash times\; H=\; 0$ 이고, $H=-\backslash triangledown\; \backslash Phi$가 되는 스칼라 함수 $\backslash Phi$를 정의할 수 있으며, 이는 라플라스 방정식을 만족한다. 원통 좌표계에서 라플라스 방정식의 일반해는 다음과 같다.

:$\backslash Phi=\backslash sum\_\{m=1\}^\{\backslash infty\}(c\_\{m\}r^m+\backslash frac\{d\_\{m\}\}\{r^m\})(g\_m\backslash cos\{m\backslash theta\}+h\_m\backslash sin\{m\backslash theta\})$

z축(자기장 방향)에 대한 대칭성과 원점에서의 수렴성 때문에, 일반해는 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.

:
:
:$\backslash Phi\_3=\backslash sum\_\{m=1\}^\{\backslash infty\}(c\_\{3m\}r^m+\backslash frac\{d\_\{3m\}\}\{r^m\})\backslash cos\{m\backslash theta\}\backslash ;\backslash ;\backslash ;\backslash ;\backslash ;\backslash ;\backslash ;\backslash ;(r>b)$

경계 조건은 다음과 같다.

* 거리가 멀어졌을 때 원기둥의 존재를 무시할 수 있으므로: $r\backslash rightarrow\; \backslash infty,\; \backslash Phi\backslash rightarrow\; -\backslash frac\{B\_0\}\{\backslash mu\_0\}\backslash cos\{\backslash theta\}$
* 자기장의 발산이 0인 것으로부터:
:$(B\_2-B\_1)\backslash cdot\; \backslash hat\{r\}=0\backslash ;\backslash ;\backslash ;\backslash ;\backslash ;\backslash ;\backslash ;\backslash ;(r=a)$
:$(B\_3-B\_2)\backslash cdot\; \backslash hat\{r\}=0\backslash ;\backslash ;\backslash ;\backslash ;\backslash ;\backslash ;\backslash ;\backslash ;(r=b)$
* 스칼라 함수가 연속인 것으로부터:
:$\backslash Phi\_1=\backslash Phi\_2\backslash ;\backslash ;\backslash ;\backslash ;\backslash ;\backslash ;\backslash ;\backslash ;(r=a)$
:$\backslash Phi\_2=\backslash Phi\_3\backslash ;\backslash ;\backslash ;\backslash ;\backslash ;\backslash ;\backslash ;\backslash ;(r=b)$

이 경계 조건들을 이용하여 계수들을 구하고, 내부(rB_{in}을 구하면 다음과 같다.

:$\backslash overrightarrow\{B\_\{in\}\}=\backslash frac\{4\backslash mu\backslash mu\_0\backslash ,\; a^2\}\{a^2(\backslash mu+\backslash mu\_0)^2-b^2(\backslash mu-\backslash mu\_0)^2\}\backslash overrightarrow\{B\_0\}$

결과를 바탕으로 자기장을 그려보면 그림 2와 같다. $\backslash frac\{\backslash mu\}\{\backslash mu\_0\}\backslash rightarrow$ 1이면 차폐가 거의 일어나지 않고, $\backslash frac\{\backslash mu\}\{\backslash mu\_0\}\backslash rightarrow\; 0,\backslash infty$ 이면 차폐가 완벽하게 일어난다.

8.2. 속이 빈 구

자기 투자율이 $\backslash mu$인 물질로 이루어진 속이 빈 구가 균일한 자기장 $\backslash overrightarrow\{B\_0\}$ 속에 수직으로 놓여 있을 때, 내부 자기장 $\backslash overrightarrow\{B\_\{in\}\}$은 다음과 같이 외부 자기장보다 약해진다.

:$\backslash overrightarrow\{B\_\{in\}\}=\backslash frac\{9\backslash mu\backslash mu\_0\}\{(2\backslash mu+\backslash mu\_0)(\backslash mu+\backslash mu\_0)-2\backslash left(\backslash frac\{a\}\{b\}\backslash right)^\{3\}(\backslash mu-\backslash mu\_0)^2\}\backslash overrightarrow\{B\_0\}$

여기서 a는 구의 내부 반지름, b는 외부 반지름이다. 이 자기장은 구면좌표계에서 라플라스 방정식을 풀어 계산할 수 있다.

내부 자기장은 외부 자기장에 영향을 미치는데, 자기 투자율의 변화에 따라, 차폐가 거의 일어나지 않거나, 혹은 완벽하게 일어날수 있다.

* $\backslash frac\{\backslash mu\}\{\backslash mu\_0\}\backslash rightarrow$ 1 이면 차폐가 거의 일어나지 않는다.
* $\backslash frac\{\backslash mu\}\{\backslash mu\_0\}\backslash rightarrow\; 0,\backslash infty$ 이면 차폐가 완벽하게 일어난다.

이는 자기장이 $\backslash mu\_\backslash text\{r\}^\{-1\}$와 같이 감소함을 보여준다.

9. 접지(그라운드)

그라운드에는 크게 신호 그라운드와 프레임 그라운드가 있다. 신호 그라운드는 신호원으로부터 부하 측으로 신호가 전달되고 다시 귀환 패턴으로 되돌아오는 경로를 말하며, 직류 전원의 기준 전위도 신호 그라운드라고 한다. 프레임 그라운드는 장비의 케이스(함체)를 접지하는 것을 말한다.

신호 그라운드와 프레임 그라운드를 서로 연결하는 것이 가장 좋은 차폐 방법이다. 노이즈 강도에 따라 신호 그라운드의 패턴 크기와 연결선의 굵기를 설정해야 하며, 가급적 신호 그라운드의 패턴은 넓게, 연결선은 굵게 하는 것이 바람직하다.

10. 흡수

전자파가 흡수체에 입사하면 침투파를 포함한 여러 파가 발생한다. 침투파는 전자파 에너지를 열에너지로 변환시킬 수 있는데, 열에너지는 제어가 쉽기 때문에 전자파를 제거하는 데 사용된다. 이러한 방식을 흡수라고 하며, 전자파 에너지를 열에너지로 바꾸기 위해 유전체나 자성체 등으로 구성된 흡수체를 사용한다. 흡수체는 전자파 발생 근원지나 외부 전자파의 영향을 받는 부품, 혹은 그 주변에 부착하여 흡수가 용이하도록 한다.