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윤영 우
6 years ago
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1 연자성재료의 EMC 활용 창성중앙연구소 이경섭

2 Contents I. Basic Theory II. EMC/Debugging II. EMC Application III. EMI Absorber

3 자성재료개요및용어정의 I. Basic Theory 자성의근원 : 3d orbital 전자의회전운동과궤도운동에의한자기모멘트 자기이력곡선 (Hysteresis loop) : 외부자장에대한자성재료의비가역적인 자화거동 ( 이력현상 ) 을나타낸곡선 자화 (Magnetizaion ; M) : 단위부피당자기모멘트 [emu/cm 3 ; Wb/m 2 ] 또는, 자장에의해재료가자성을띄는과정 자장세기, 자력 (Magnetizing Force ; H) : 자장에의해받는힘의세기 [Oe ; A/m] 자속밀도, 자기유도 (Magnetic Induction ; B) : 자력선 ( 자속 ) 의밀도 [Gauss ; Wb/m 2 ] Hc : 보자력 (Coercive Force) Bs : 포화자속밀도 (Saturation Induction) Br : 잔류자속밀도 (Remenant Induction)

4 자성재료의분류및응용분야 I. Basic Theory 강자성강자성재료재료 최대자속밀도 (B M ) 는작고보자력 (H C ) 이큼 Application : - Motors, Linear motors, Headphone, Balances, Microwave tubes, laser, Separators 연자성연자성재료재료 최대자속밀도 (B M ) 가크고보자력 (H C ) 이작음 Application : - Transformers, EMI Absorber, Choke coil for noise suppression, Magnetic Shield, Flux keeper for relays, Printer, Motors, Watches, and other magnetic system

5 투자율 I. Basic Theory 투자율투자율 (Permeability (Permeability ; ; μ) μ) 의정의의정의 외부에서재료에인가된자장의세기 (H) 에대한, 재료에서발생하는자속밀도 (B) 의비 외부자장에대한재료의자화능력을나타내며, 값이클수록재료의자화가용이함을뜻함 Permeability μ = B / H, B-H 곡선의기울기 투자율의투자율의종류종류 초기투자율 (Initial Perm. ;μ I ) B-H 곡선의원점에서접선의기울기를말하며, 피크교류자속밀도 10G 에서측정한다. 최대투자율 (Maximum Perm. ; μ max ) : B-H 곡선의원점을지나는접선의최대기울기 증분투자율 (Incremental Perm. ; μ Δ ) : μ Δ = ΔB / ΔH : 외부자장이인가된경우재료의투자율

6 교류자계에서의 Mechanism (2/2) I. Basic Theory Magnetization Magnetization Process Process H Magnetic domain AC Domain Wall Movement Frequency

7 Loss Tangent 와교류복소투자율 I. Basic Theory 전자파와전자파와교류교류복소투자율복소투자율 Loss Loss Tangent Tangent 교류자계 : H o e i w t M = M o e i (wt-σ) Euler Equation i( wt σ ) Me 0 M 0 μ = iwt = e He 0 H0 iσ M 0 M 0 = cosδ i sinδ H H 0 0 μ δ = μ iμ μ andμ μ" μ' Frequency μ μ r tan δ = μ r tan δ = D ( 손실 Factor) 1 = Q (Inverse Quality Factor)

8 연자성재료의종류및특징 I. Basic Theory MATERIAL Initial Permeability (μ 0 ) B max (kg) Curie Temp. ( ) Resistivity (Ω cm) Operating Frequency Fe Х10-6 ~ 1 khz STRIP Fe-Si (unoriented) Fe-Si (oriented) Х10-6 ~ 1 khz 1, Х10-6 ~ 1 khz Ni-Fe 2, Х10-6 ~ 1 khz 79 Permalloy 12,000 ~100,000 8~ Х10-6 ~ 75 khz Permalloy 14 ~ ~ 1,000 khz POWDER CORE High-Flux 14 ~ ~ 1,000 khz Sendust 26 ~ ~ 10 MHz Iron 5 ~ ~ 100 MHz FERRITE Mn-Zn 750 ~15,000 3 ~ ~ ~ 100 ~ 2 MHz Ni-Zn 10 ~ 1,500 3 ~ ~ ~ 100 MHz

9 연자성재료의손실특성 손실특성 (1/2) I. Basic Theory Legg s equation ( 코아손실 ) R ac / μl = ab max f ( 이력손실 ) + Cf ( 잔류손실 ) + ef 2 ( 와전류손실 ) 와전류손실 (Eddy current loss) : 유도기전력에의해생기는맴돌이전류에의한전력손실 (Joule heat) 이력손실 (Hysteresis loss) : 자기이력곡선면적만큼의손실 (pore, impurity 에의해발생 ) 잔류손실 (Residual loss) : 자벽공명, 자연공명에의해서생기는손실

10 연자성재료의손실특성 손실특성 (2/2) I. Basic Theory 금속분말코아금속분말코아 페라이트코아페라이트코아 금속분말코아 : 주파수가증가에따라이력손과잔류손은거의일정, 와전류손은급격히증가 페라이트코아 : 주파수가증가에따라이력손은일정, 잔류손은증가, 와전류손은극히적다

11 Electromagnetic Wave II. EMC/Debugging Dipole Antenna E Direction of propagation Electric field wave H Magnetic field wave Loop Antenna CSC R&D Center

12 Electromagnetic Spectrum II. EMC/Debugging Wave length Frequency Microwaves 100km 10km 1km 100m 10m 1m 10cm 1cm 1mm 3kHz 30kHz 300kHz 3MHz 30MHz 300MHz 3GHz 30GHz 300GHz 주파수대 VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF AM radio Ship to Shore Communication Police FM TV TV 레이더 Mobile Phone 衛星 TV mm Wave Communication CSC R&D Center

13 Surround Electromagnetic Wave II. EMC/Debugging EM wave

(Emitter) Coupling Path Victim (Susceptor) EMI 규제 EMS 규제 EMC 의규격규제에관한국제기관 CISPR ( 국제무선장해특별위원회 )

14 EMC / SAR (1/5) II. EMC/Debugging EMC EMC (Electromagnetic (Electromagnetic compatibility compatibility Source (Emitter) Coupling Path Victim (Susceptor) EMI 규제 EMS 규제 EMC 의규격규제에관한국제기관 CISPR ( 국제무선장해특별위원회 ) IEC( 국제전기표준회의 ) 의하부조직으로전자파장해에관한허용한도측정법및측정기등의규격을국제적으로통일할목적으로설립 전자파장해에관한각국가별규격과규제미국 : FCC part 00 (3m 법 ) 일본 : VCCI 한국 : 정보통신부고시제 0000 호 (10m 법 ) 대만 : CNS 0000 중국 : GB 0000 유럽 : EN 0000

15 EMC / SAR (2/5) II. EMC/Debugging 전자파전자파장해방지장해방지및보호기준보호기준 (EMI/EMS) (EMI/EMS) 시험기준시험항목적용기기 비고 전자파장해방지기준 (EMI) 정보통신부고시제 호 전도잡음방사잡음 산업, 과학, 의료용등고주파이용기기류 자동차및불꽃점화엔진구동기기류 방송수신기기류 가정용전기기기및전동기기류 형광등등및조명기기류 정보기기류 CISPR 22 전자파장해방지기준 (EMS) 정보통신부고시제 호 정전기 (ESD) 방사내성 (RS) 전기적빠른과도현상 (EFT) 서지 (Surge) 전도내성 (CS) 전원주파수자계내성 (MF) 자동차및불꽃점화엔진구동기기류 방송수신기기류 가정용전기기기및전동기기류 정보기기류 고속철도기기류 IEC 전압강하및순시정전내성 (Voltage dips and interruptions) 7 가지를측정

16 EMC / SAR (3/5) II. EMC/Debugging 전자파전자파적합등록 (EMC) (EMC) 을받아야받아야하는하는정보기기 데이타및통신메세지의입력 출력 저장 검색 전송또는제어등의주요기능과정보전송용으로작동되는 1 개이상의터미널포트를갖춘기기로서 600 볼트이하의공급전압을가진기기중무선설비를제외한기기로서컴퓨터와그주변기기, 터미널포트가있는컴퓨터내장구성품및유선통신단말기기류컴퓨터로컴퓨터주변기기류 : 모니터, 프린터, 리더기등저장장치 : 외장형 FDD, HDD, RW 컴퓨터내장기기류 : 보드, 각종카드, 저장장치등유선통신단말기류 : 팩시밀리, 모뎀, 신용카드단말기등

전자파가인체에미치는영향 - 신경자극작용 : 암세포의증식과관련된호르몬인 멜라토닌의감소 유발각종질병유발 - 열적작용 : 1 MHz 이상의고주파가체내의물분자를

17 EMC / SAR (4/5) II. EMC/Debugging SAR SAR (Specific (Specific Absorption Absorption Rate) Rate) 규제규제 전자파가인체에미치는영향 - 신경자극작용 : 암세포의증식과관련된호르몬인 멜라토닌의감소 유발각종질병유발 - 열적작용 : 1 MHz 이상의고주파가체내의물분자를 진동시켜체온을높임 SAR = σ*l E l 2 2ρ σ : Conductivity of human body ρ: density l E l : Electric field strength KOREA America Japan Europe Standard Sample weight g 1g 1g 10g

18 EMC / SAR (5/5) II. EMC/Debugging Cross Cross Talking Talking Control Control - internal Emissions - 장비의소형화로 EMI 발생원과의거리감소하여 EMI 발생가능성증가 - 고집적이동장치에대해발생 - 제품성능에영향을미치게되므로설계단계에서대책이마련되어야함.

19 분말자성 Core 의 EMC 응용 응용 (1/2) III. EMC Application DeskTop DeskTop PC PC용 - 300W 급 PC Power Supply 에서온도상승억제및효율을증가시킴 LCD LCD Back Back Light Light 용인버터용인버터 - Note PC 및 PDA 등의표시소자로 사용되는 LCD Back Light 용압전 인버터에사용되는 choke coil ( 전류제한및고주파제거를위한코일 )

20 분말자성 Core 의 EMC 응용 응용 (2/2) III. EMC Application Note Note PC PC의 CPU CPU 전원전원 - CPU 전원공급용 DC-DC 컨버터 choke coil - 최대사용전류가 35A 까지가능하며, 대부분의 누설자속을제거 Digital Digital Audio Audio Amp. Amp. 용 Filter Filter - Noise 제거에의해전류의변화량에 따라인덕턴스가거의일정함

21 Ferrite Bead (1/2) III. EMC Application Ferrite Ferrite Bead Bead - 신호가진행하는선로가 Ferrite Core 를통과하면고주파잡음성분을 Ferrite 특유의자기감쇄효과를이용하여걸러내는부품으로서필터의역할을겸할수있음. - RF 에선고주파를막는필터역할로인해 RF choke 의역할을수행하기도하지만, EMI Filter 로서의역할이가장널리알려져있다. 소스 / 부하측임피던스에 따른페라이트비드의효과 R S R Ferrite R L

22 Ferrite Bead (2/2) III. EMC Application Ferrite Ferrite Bead Bead의개수개수 // 길이에길이에따른따른변화 Chip Chip Bead Bead b a c 특성 - Noise 제거에효율적 - 소형으로높은 Inductance 값을지님 - 높은 Q값과낮은온도계수를지님 L 0 = 2 X 10-7 μ s ln (b/a) X c μ s = μ s - μ s, L = μ s L 0 - μ s L 0 Z = jωμ s L = j ωμ s L 0 Xf + ωμ s L 0 [Ω] Rf

침투또는방출되지않도록하는기능성재료 자속 자속 자속 고투자율자성재료 자기차폐도자기차폐도 원통형원통형차폐 t db =

23 자기장차폐및차폐재 차폐재 (1/2) III. EMC Application 자기장자기장차폐재 - 자기장발생원에근접부착하여자계를흡수또는경로를변경함으로써자기장이 침투또는방출되지않도록하는기능성재료 자속 자속 자속 고투자율자성재료 자기차폐도자기차폐도 원통형원통형차폐 t db = 20log 10 (H 1 /H 2 ) (H 1 : 내부자계강도, H 2 : 외부자계강도 ) db = 20log 10 (μt/d) μ : 재료의투자율 d : 차폐재지름 t : 차폐재두께 d

24 4. 자기장차폐및차폐재 차폐재 (2/2) III. EMC Application 자기차폐재료자기차폐재료 - 어멀퍼스시트, 퍼멀로이, 규소강판, 철재후판등의고투자율재료 자기차폐원칙자기차폐원칙 - 투자율이높은재료로가능한자계를발생시키는전선에원형의자기폐회로로 구성하는것이중요함. 자기자기차폐재의차폐재의응용응용예 퍼멀로이포일 자기장차폐시트 CRT 의 DY 를자기 차폐재로처리

25 Noise Attenuation IV. EMI Absorber Free space Er Electro Magnetic Absorber E( d) = Ere αd μr = μr jμr ε = ε jε r r r Incident waves Reflected waves Transmitted waves d μ = μ - i μ STORAGE LOSS λ = 2π β P = 1 2 w Heat Conversion ε oε E + wμoμ H P : 단위체적당전자파흡수에너지 [W/m 3 ] w : 전자파의각주파수 (2pf) E : 전자파의전계강도 H : 전자파의자계강도 ε 0 : 진공의유전율 ε : 복소비유전율의허수성분 ( 유전손실 ) μ o : 진공의투자율 μ : 복소비유전율의허수성분 ( 자기손실 ) 2

26 Snoek s s Limit IV. EMI Absorber Limit Limit of of Spinel Spinel Type Type Ferrite Ferrite 편상화편상화연자성연자성금속금속복합체의복합체의투자율 S = μ f = i r (max) 5.6( GHz ) μ 1 f r 투자율허수가스누크한계를초과함. 60 CNS-L 50 PERMEABILITY ( μ r ) μ r ' μ r '' ,000 10,000 FREQUENCY [MHz]

27 전자파흡수체의종류및특징 IV. EMI Absorber Ferrite Ferrite 전파흡수체전파흡수체 - 소결체 : 고투자율, 저주파특성우수, 가공, 적용방법이어렵고부피와중량이큰단점 Application : 30MHz-1GHz ; 전파암실용페라이트타일, 하이브리드전파흡수체 종류 : Mn-Zn Ferrite, Ni-Zn Ferrite - 복합체 : 소결체에비해가공성과적용방법이우수, 투자율이낮음, 저주파에서전파흡수특성이나쁨. Application : 4GHz-40GHz ; 종래의전파흡수체, 군사용, RF-ID 용 종류 : 육방정페라이트 (M, Z, Y type) 편상화편상화연자성연자성금속분말금속분말복합체 - 고투자율, 전기저항높음, 고집적정밀기기에서얇은두께로우수한특성을발휘함. Application : 40MHz-4GHz ; 휴대폰, 디지털카메라와같은고집적정밀기기 종류 : SENDUST, Fe-Cr, Ni-Fe, Fe-Si, Carbonyl Iron 등의편상화분말을이용한복합체 종래의전파흡수체 주파수대역 1GHz 이하의전파암실용, 레이더 허상, 반사파방지용, TV 고스트대책용 주로원역장 (far field) 전자계를가정한설계방식과응용 노이즈차단재두께 > 1mm 새로운 EMI Absorber 근역장에서의노이즈억제필요 근역장전자계해석 주파수의고주파화 - 2GHz ~ 6GHz의광대역전파흡수체필요 두께0.1mm 이하의복합필름형

28 금속분말편상화의목적 Low Electric Resistivity => Eddy Current Loss IV. EMI Absorber W = 2 2 π M d 6 ρ Ρ : 전기저항 d : 두께 M : 포화자화 f : 주파수 2 f 2 Material constant can be controlled. H k μ ε W

29 Structure & Manufacturing IV. EMI Absorber Structure High Anisotropic Field(H k ) Permeability (μ) Permitivity (ε) Manufacturing Process

30 Flexible Sheet Type IV. EMI Absorber 1.0 CNF-L POWER LOSS ( X 100 %) μm 100μm 25μm 50μm ,000 FREQUENCY [MHz] 6,000

31 전파흡수체성능평가방법 IV. EMI Absorber Reflection Reflection Loss Loss Method Method Reflection Loss (db) = 20 log Z refl / Z in S11 = 20 log Γ, S21 = 20 log T Microstrip Microstrip Line Line Method Method Power Loss (%) = [ 1- ( Γ 2 + T 2 ) ] X 100 Γ : 반사계수 T: 투과계수

32 연자성금속흡수체의응용분야 응용분야 (1/2) (1/2) IV. EMI Absorber

33 Illustrations of Noise suppression IV. EMI Absorber VCCI Result (3m) : Before debugging Not Clear [dbμv/m] [dbμv/m] Frequency [MHz] VCCI Result (3m) : after attaching absorber Clear Frequency [MHz] CSC R&D Center

34 Absorber Sheet for RF-ID ID (1/2) IV. EMI Absorber RFID reader Contact less data carrier transponder Host computer Coupling element (coil, microwave antenna)

of Mobile Phone Battery Pack Loop Antenna Distance[d(cm)] RF Absorber

35 Absorber Sheet for RF-ID ID (2/2) IV. EMI Absorber 휴대폰의휴대폰의RF-ID sheet sheet Loop Ant. of Receiver Loop Ant. of Mobile Phone Battery Pack Loop Antenna Distance[d(cm)] RF Absorber Receiver Mobile Phone Sheet None Applied Sheet Distance contact 8~10cm Battery Pack (Aluminum) Magnetic Sheet

- 2 -

- 2 - - 2 - - 3 - - 4 - - 5 - - 6 - - 7 - - 8 - - 9 - 가 ) 가 ) 가 ) 가 ) - 10 - - 11 - 길이 피시험기기 주전원 절연지지물 케이블지지용절연물 접지면 발생기 - 12 - 길이 가능한경우 절연지지물 절연지지물 접지면 전자계클램프 감결합장치 - 13 - - 14 - - 15 - - 16 - - 17 - - 18 -