1. 서 론

최근 전력기기 및 송전선에서 발생하는 전자파의 인체 건강에 미치는 영향 및 주변의 통신, 전자기기에 오작동 초래 가능성이 이슈가 되고 있다. 특히 전력선과 같이 고전압의 전기를 사용하는 설비에서는 흐르는 전기의 세기도 크기 때문에 발생하는 자기장의 세기도 크므로 송전선로 주변의 자기장 저감 기술 및 차폐재의 개발이 필요한 실정이다 ^[1], ^[2]. 현재까지 국내외에서 진행된 전자파 차폐 소재에 대한 연구개발 사례는 대부분 휴대형 단말기나 전자·정보통신기기에 사용되는 GHz 대역의 준마이크로파 대역의 차폐재에 대한 연구가 대부분으로 극저주파(60Hz)에 적용 가능한 차폐재에 대한 연구는 매우 적은 편이다 ^[3]-^[5]. 또한, 기존에 극저주파 대역의 자기장 차폐 소재는 규소강판(Fe-Si 합금), Al 판재, 퍼멀로이 판재 등이 적용되어 왔으나 이들 소재는 가격이 높고 무거우며 부식에도 비교적 취약하다는 결점이 있었다.

본 연구에서는 고전기전도도 금속층/고투자율 자성층의 적층 구조로 이루어지며, 총 두께가 1mm 이하로 얇은 필름 형태의 새로운 극저주파 자기장 차폐 소재의 개발을 목표로 하여, IES 사의 전자장 해석 소프트웨어인 Faraday 3D v.11.1을 사용하여 적층 구조의 두께, 차폐재의 비투자율, 도전율과 같은 물질값을 변화시켜 가면서 차폐 효과를 해석하여 최적의 차폐재 구조를 얻고자 하였다.

2. 해석 모델 및 방법

해석 모델은 그림 1과 같이 도선을 절연체가 4mm 두께로 감싸고 있고 그 위에 차폐층이 원통형으로 둘러싸고 있는 형상이다 ^[6], ^[7]. 표 1에 해석 모델의 크기를 나타내었다.

그림 1. 원통형 차폐 해석 모델

Fig. 1. Cylindrical shielding analysis model

해석 조건은 표 2와 같이 자성층은 비투자율 100 이상으로부터 permalloy와 같은 고투자율 물질의 값까지, 고전도성 금속층(이하, ‘도전층’이라 한다)은 도전율 1×10⁵(S/m)부터 Cu와 같은 고전도성 물질의 값까지 사용하였고 차폐층은 단층, 2층 및 3층으로 모델링하였다.

차폐효과의 계산을 위한 자속밀도는 그림 2에서 볼 수 있는 화살표로 표시된 도선의 중심에서 수직으로 500mm 거리까지 계산하였다.

그림 2. 계산점의 위치

Fig. 2. Location of the calculation point

차폐효과 계산을 위한 차폐율은 다음과 같은 수식으로 계산하였다.

$S =\dfrac{B_{0}-B_{i}}{B_{0}}\times 100(\%)$

여기서 S는 차폐율, B0는 차폐를 하지 않았을 때의 자속밀도이고, Bi는 차폐를 했을 때의 자속밀도이다.

3. 단일 차폐의 경우

단일 차폐 즉, 차폐층이 도전층 또는 자성층의 단일층일 때 차폐재의 두께 변화에 따른 해석을 수행하였다. 해석에 적용한 물질값은 표 3과 같다.

차폐재의 두께는 0.1에서 1mm까지 변화시켰고 그림 3에 도전체로 차폐했을 때 도선으로부터 거리에 따른 자속밀도와 차폐율의 변화를, 그림 4에 자성체로 차폐했을 때 거리에 따른 자속밀도와 차폐율의 변화를 나타내었다. 그림에서 세로로 표시한 점선은 차폐율을 계산하기 시작하는 거리(원점으로부터 15mm)를 나타낸다.

그림 3. 도전체 두께에 따른 자속밀도와 차폐율 변화

Fig. 3. Changes of magnetic flux density and shielding efficiency with conducting layer thickness

그림 4. 자성체 두께에 따른 자속밀도와 차폐율 변화

Fig. 4. Changes of magnetic flux density and shielding efficiency with magnetic layer thickness

표 4의 차폐율 결과를 보면 도전체로 차폐할 경우 두께 1mm에서 1.29%의 최대 차폐율을 보이나 1mm 이하의 두께로는 차폐 효과는 매우 적었다. 한편, 자성체로 차폐할 경우 두께 0.2mm에서 56.8%의 최대 차폐율을 보이고 있다. 따라서, 1mm 이하의 얇은 차폐재를 사용할 경우에는 도전체 보다는 자성체로 차폐하는 것이 좋다는 것을 알 수 있다. 비투자율이 100으로 비교적 낮지만 자성체 차폐시 상당한 차폐 효과를 나타내고 있다.

표 4에 단일 차폐의 경우에 차폐재의 두께에 따른 자속밀도 및 차폐율의 변화를 정리하여 나타내었다.

다음에 도전체의 두께를 0.2mm로 고정하고 도전율을 1×10⁵, 1×10⁶, 1×10⁷, 5.8×10⁷(S/m)로 변화시키며 해석을 수행하였다. 그림 5에 도전체로 차폐했을 때 거리에 따른 자속밀도와 차폐율의 변화 결과를 나타내었다.

그림 5. 도전체의 도전율 변화에 따른 자속밀도와 차폐율 변화

Fig. 5. Changes of magnetic flux density and shielding efficiency with conductivity of conducting layer

표 5에 도전체 차폐의 경우에 차폐재의 도전율 변화에 따른 자속밀도 및 차폐율의 값을 정리하여 나타내었다.

표 5와 같이 도전체 차폐의 경우 도전체의 도전율이 증가함에 따라 차폐율은 미미하지만 약간씩 증가하며 Cu와 같이 높은 도전율 5.8×10⁷(S/m)일 때 1.87%의 차폐율을 보인다. 한편, 차폐재의 두께를 8.5mm, 도전율 5.8×10⁷ (S/m)로 계산했을 때의 차폐효과는 88.6%였다. 즉, 도전체 단일 차폐의 경우에는 차폐재의 두께가 두꺼워야만 차폐효과가 나타난다고 할 수 있다.

다음에 자성체의 두께를 0.5mm로 고정하고 비투자율을 100, 1000, 2000, 5000으로 변화시키며 해석을 수행하였다. 그림 6에 자성체로 차폐했을 때 거리에 따른 자속밀도와 차폐율의 변화 결과를 나타내었다. 표 6에는 자성체 차폐의 경우에 차폐재의 비투자율 변화에 따른 자속밀도 및 차폐율의 값을 정리하여 나타내었다. 0.5mm 두께의 자성체를 이용한 차폐에서 비투자율을 높이면 차폐율이 감소하는 경향을 보였고 비투자율 100으로 낮을 때 평균차폐율 55.4%로 가장 높게 나타났다.

그림 6. 자성체의 비투자율 변화에 따른 자속밀도와 차폐율 변화

Fig. 6. Changes of magnetic flux density and shielding efficiency with relative magnetic permeability of magnetic layer

이상의 단일 차폐의 경우를 요약하면, 도전체를 차폐재로 사용할 경우 도전율이 높을수록 차폐효과가 높아지나 1mm 이하의 얇은 두께의 차폐재로는 차폐효과가 크지 않으며 차폐재의 두께 0.2mm에서 도전율 5.8×10⁷(S/m) 일 때 1.87%의 차폐율을 나타냈다. 한편, 자성체를 차폐재로 사용할 경우 동일 두께의 도전체 차폐보다 수십 배 높은 차폐율을 나타냈다. 차폐재의 두께가 얇고 투자율이 높아지면 차폐효과가 낮아지는 경향을 보이나 두께 0.5mm, 비투자율 100일 때 55.4%의 최대 차폐율을 보이다가 낮아지고 있어 두께와 투자율 변화에 대한 최적 지점이 있을 것으로 보인다.

4. 이중 차폐의 경우

4.1 도전체가 1차 차폐재일 경우

먼저 도전체가 1차 차폐재인 경우, 즉 그림 1에서 도선으로부터 가까운 안쪽에 도전층이 있고 바깥쪽에 자성층이 있는 경우에 대하여 해석하였다. 해석에 사용된 차폐재의 도전율과 투자율 값은 앞의 표 3과 같고 차폐재 각 층의 두께를 0.1, 0.2, 0.5mm로 변화시켰다. 그림 7에 이중 차폐시 1차 차폐재를 도전체로 했을 때 각 차폐층 두께에 따른 자속밀도와 차폐율의 변화를 나타내었다.

그림 7. 도전체가 1차 차폐재일 경우 각 차폐층 두께에 따른 자속밀도와 차폐율 변화

Fig. 7. Changes of magnetic flux density and shielding efficiency with layer thickness when the first layer is conducting layer

표 7에 이중 차폐시 1차 차폐재를 도전체로 했을 때 각 차폐층의 두께 변화에 따른 자속밀도 및 차폐율의 값을 나타내었다.

표 7 차폐층 두께에 따른 자속밀도 및 차폐율의 변화

Table 7 Changes in magnetic flux density and shielding efficiency with layer thickness

1차 도전체 / 2차 자성체	두께 (mm)	0.1	0.2	0.5
	최대자속밀도(G)	44.5	32.4	31.8
	최소자속밀도(G)	0.62	0.47	0.47
	평균자속밀도(G)	4.44	3.33	3.28
	평균차폐율(%)	42.0	56.4	56.8

표 7에서 나타낸 바와 같이, 이중 차폐의 경우 차폐재의 두께 변화에 따른 결과는, 앞서 계산한 단일 차폐와는 달리 0.5mm에서 평균차폐율 56.8%로 최대를 보였고 차폐재의 두께가 얇아질수록 차폐율이 낮아졌다. 또한 2중 차폐의 경우 전체 두께가 동일한 경우의 도전체 단일 차폐에 비해 현저히 높은 차폐 효과를 나타내었다.

이중 차폐시 도전체가 1차 차폐층인 경우 1차 차폐층의 도전율 변화에 따른 차폐 효과 변화에 대하여 해석하였다. 이 때 각 차폐층의 두께는 0.5mm로 고정하고 1차 차폐층의 도전율을 1x10⁷ 부터 5.8x10⁷(S/m)까지 변화시켰으며, 2차 차폐층인 자성체의 도전율은 0(S/m), 비투자율은 2,000으로 고정하여 해석하였으며 그 결과를 그림 8에 나타내었다.

그림 8. 도전체가 1차 차폐재일 경우 도전체의 도전율에 따른 자속밀도와 차폐율 변화

Fig. 8. Changes of magnetic flux density and shielding efficiency with conductivity when the first layer is conducting layer

표 8에 이중 차폐시 1차 차폐재를 도전체로 했을 때 도전체의 도전율 변화에 따른 자속밀도 및 차폐율의 값을 나타내었다.

표 8 2중 차폐시 1차 차폐층인 도전층의 도전율 변화에 따른 자속밀도 및 차폐율의 변화

Table 8 Changes in magnetic flux density and shielding efficiency with conductivity of first conductive layer

1차 도전체 / 2차 자성체	도전율(x107, S/m)	1.0	3.0	5.8
	최대자속밀도(G)	53.7	43.2	36.5
	최소자속밀도(G)	0.66	0.54	0.46
	평균자속밀도(G)	4.97	4.0	3.41
	평균차폐율(%)	36.9	48.9	56.1

예상한 대로 1차 차폐층인 도전체의 도전율이 높을 수록 차폐 효과가 높아지는 경향을 보이고 있으며, 1차 차폐재의 도전율이 5.8×10⁷(S/m), 2차 차폐재의 투자율이 2,000일 때 평균차폐율 56.1%로 최대를 나타내었다.

4.2 자성체가 1차 차폐재일 경우

앞서 계산은 이중 차폐 구조일 때 도전체가 1차 차폐재로 사용된 경우를 보였고 이번에는 자성체를 1차 차폐재로 사용한 경우를 해석하였다. 각 차폐재의 물질값은 표 3과 동일하다. 차폐재 두께에 따른 차폐 효과를 알아 보기 위하여 각 차폐재의 물질값을 일정하게 하고 각 층의 두께를 0.1, 0.2, 0.5mm로 변화시키며 해석하였다. 그림 9에 이중 차폐시 1차 차폐재가 자성체일 때 각 차폐층 두께에 따른 자속밀도와 차폐율의 변화를 나타내었다.

그림 9. 자성체가 1차 차폐재일 경우 각 차폐층 두께에 따른 자속밀도와 차폐율 변화

Fig. 9. Changes of magnetic flux density and shielding efficiency with layer thickness when the first layer is magnetic layer

표 9에 이중 차폐시 1차 차폐재를 자성체로 했을 때 각 차폐층의 두께에 따른 자속밀도와 차폐율의 변화를 정리하여 나타내었다.

표 9 차폐층 두께에 따른 자속밀도 및 차폐율의 변화

Table 9 Changes in magnetic flux density and shielding efficiency with layer thickness

1차 자성체 / 2차 도전체	두께 (mm)	0.1	0.2	0.5
	최대자속밀도(G)	40.5	8.35	3.87
	최소자속밀도(G)	0.59	0.16	0.01
	평균자속밀도(G)	4.27	1.07	0.15
	평균차폐율(%)	44.2	85.3	98.9

이중 차폐시 1차 차폐재가 자성체, 2차 차폐재가 도전체로 했을 경우에는 1차 차폐재의 비투자율이 100, 2차 차폐재의 도전율이 1.0×10⁵(S/m) 일 때 표 9에서 보듯이 0.5mm 두께에서 99%의 높은 차폐효과를 나타냈으며 두께가 얇아질수록 차폐율은 점차 감소하는 경향을 보였다.

이상의 이중 차폐의 경우를 요약하면, 단일 차폐와 마찬가지로 차폐재의 두께가 클 수록 차폐 효과는 높아지는 경향을 보였다. 도전체 단일 차폐에 비하여 1차 차폐재가 도전체인 이중 차폐의 경우 동일 또는 유사한 두께에서 수십 배 향상된 차폐 효과를 보였다. 이중 차폐의 경우 1차 차폐재인 도전체의 도전율이 높을 수록 차폐 효과는 증가하였으며, 도전층의 도전율이 1x10⁵(S/m), 자성층의 투자율이 100이고, 각 층의 두께가 0.2mm 이상일 때 56% 이상의 차폐율을 나타내었다. 이중 차폐시 자성체가 1차 차폐재일 때도 마찬가지로 동일 또는 유사한 두께의 자성체 단일 차폐에 대비하여 향상된 차폐 효과를 보였으며, 각 층의 두께가 0.5mm이고 자성체의 투자율이 100, 도전층의 도전율이 1x10⁵(S/m)일 때 최대 98.9%로 매우 높은 차폐율을 나타내었다.

5. 3중 차폐의 경우

3중 차폐의 경우 1차 차폐재를 도전체로 하였을 경우에 도전율 변화에 따른 차폐 효과에 대하여 해석하였다. 이 때 각 층의 두께는 0.2mm로 하였으며 해석에 사용된 차폐재의 도전율과 투자율을 표 10에 나타내었다. 2차 자성체의 물질값으로는 고투자율 물질인 permalloy의 값을 적용하였다.

3중 차폐시 1차 차폐층의 도전율 변화에 따른 자속밀도와 차폐율 그래프를 그림 10에 나타내었고, 계산 결과를 표 11에 정리하여 나타내었다.

3중 차폐시 1차 차폐재가 도전체인 경우, 단층 차폐나 이중 차폐와 달리, 도전체의 도전율이 증가할수록 오히려 차폐효과는 감소하는 경향을 보였다. 도전체의 도전율이 2.0×10⁶(S/m)이고 자성체의 도전율 2.0×10⁶(S/m)과 비투자율 100,000 일 때 표 11에서 보듯이, 각 층의 두께가 0.2mm 즉 총 두께가 0.6mm에서 96.6%의 높은 차폐효과를 나타내었다. 또한, 3중 이상의 다층 적층 구조에서는 차폐율이 포화되는 값을 보여 더 이상 차폐 효과가 증가하지 않는 것을 알 수 있었다.

그림 10. 도전체가 1차 차폐재일 경우 도전율 변화에 따른 자속밀도와 차폐율 변화

Fig. 10. Changes of magnetic flux density and shielding efficiency with conductivity when the first layer is conductive layer

6. 결 론

고전기전도 금속층/고투자율 자성층의 다층 박막의 적층 구조로 이루어진 총 두께 1mm 이하의 유연 필름 형태의 새로운 극저주파 자기장 차폐 소재의 개발을 목표로, 원통형 차폐 모델을 적용하여 차폐 효과를 해석하였다. 단층형 차폐의 경우에 도전체 차폐에서는 차폐재의 두께와 도전율이 높을수록 차폐 효과가 커졌으나 1mm 이하의 두께에서는 차폐율 수 % 이하로 충분한 차폐 효과가 얻어지지 않았다. 단층형 차폐의 경우 자성체 차폐에서는 투자율 100, 두께 0.2mm에서 56.8%의 차폐율로 최대를 나타냈으며 도전체 차폐보다 차폐 효과가 우수하였다. 1차 차폐재가 도전체인 도전체/자성체 이중 차폐에서는 총 두께 0.4mm에서 차폐율 56.4%로 동일 또는 유사한 두께의 단층 차폐에 비해 수십 배나 향상된 차폐 효과를 나타냈으며 도전체의 도전율이 높을수록 차폐율은 증가하였다. 1차 차폐재가 자성체인 총 두께 0.4mm의 자성체/도전체 이중 차폐에서는 차폐율 85.3%로 유사한 두께의 단층 차폐에 비해 향상된 차폐 효과를 나타내었다. 이 때 도전체의 도전율은 1x10⁵(S/m), 자성체의 비투자율은 100으로 그리 높지 않은 값으로도 충분하므로, 예를 들어 Cu와 같은 고전도성 분말이나 FeSiAl(Sendust)과 같은 Fe계 고투자율 자성합금 분말을 고분자 수지 내에 혼합, 분산시킨 유연하고 얇은 필름을 적층한 구조를 적용할 수 있을 것으로 보인다. 한편, 3층 이상의 다층 적층 구조에서는 차폐율이 포화되는 값을 보여 이중 차폐에 비하여 차폐 효과는 크게 증가하지 않음을 알 수 있었다.