전자파는 전기와 자기의 시간적 변화량에 따른 방사(Radiation)가 일어나면서 공기와 같은 경계조건(Boundary Condition)에 따라 전파해 나가는 파동현상으로 Figure 1과 같이 전기력과 자기력이 파동을 그리면서 일정한 방향으로 전파된다[5].

이 때 전기의 힘이 미치는 공간을 전계(Electric Field)라 하고, 자기의 힘이 미치는 공간을 자계라고 하는데 전계강도는 단위거리당의 전위차로 표현될 수 있으며, 자계강도는 전선에 전류가 흐를 때 단위 길이당 전류의 양으로 표현한다[5].

그러므로 전자파는 전계와 자계의 시간적 변화에 따라 발생할 수 있기 때문에 통신용 등으로 인위적으로 발생하는 전자파도 있으나 부수적으로 발생된 전자파가 그 자체의 장비 또는 타 장비의 동작에 영향을 주어 뜻하지 않는 오동작으로 일이키는 경우도 있다. 이와 같이 “전기, 기계적인 이유로 시스템에서 발생하는 불필요한 신호”를 전자파노이즈라고 하며 대부분의 전기, 전자기기에 영향을 주게 된다.

이와 같이 타 기기에 전자기적 영향을 주는 것을 전자파간섭(Electro-Magnetic Interference, EMI)이라 하며 전자파에 의하여 영향을 받는 것을 전자파민감성(Electro-Magnetic Susceptibility, EMS)이라고 한다. 또한 전자파 환경 내에서 전자기적 교란을 초래하지 않고 주어진 기본 성능을 정상적으로 발휘할 수 있는 능력을 전자기적합성(Electro-Magnetic Compatibility, EMC)이라 부른다[6].

노이즈는 발생 원인이 다양하게 존재하며, 발생원에 의해 발생한 노이즈를 식별하는 것이 첫 번째로 수행할 일이 되며 특히 전원선에 의해 발생하는 노이즈는 회로의 기생성분(parasitic inductance & capacitance)에 의한 노이즈 성분이다. 노이즈필터의 경우도 노이즈 제거용으로 인덕턴스와 초크 부품을 사용하기 때문에 인덕턴스 노이즈가 발생하게 되며 노이즈 필터 앞단의 SMPS(Switching Mode Power Supply)와 같은 디바이스에서 발생하는 스위칭 전류의 급격한 변화는 큰 전압 발생을 야기하며 이것이 노이즈 발생 원인이 된다[5].

이상적인 회로선의 임피던스는 0Ω이나 실제 회로는 Figure 2와 같이 인덕턴스와 커패시턴스가 존재하게 되며 이로 인해 공진(resonance)가 일어날 수 있다[6].

노이즈의 전달 경로는 공중에서 전달되는 복사 노이즈(Radiated Noise)와 전송 선로(Transmission Line)를 통해 전달되는 전도 노이즈(Conducted Noise)로 구분된다[2]. 복사 노이즈는 전자파를 방사하는 다른 전자 장비에 의해 발생하는 경우가 일반적이며 공기를 통해 전달된다. 전도 노이즈는 일반적으로 전원선(Power Line)에서 발생하며 Figure 3 과 같이 LINE과 접지 간을 전달하는 비대칭잡음(Common Mode noise, CM noise)과 LINE 간을 왕복하는 대칭잡음(Normal Mode noise, NM noise)가 있으며 특수한 경우를 제외한 두 가지 종류의 노이즈가 항상 존재한다[2].

전도 노이즈가 발생하는 가장 큰 원인은 전원 입력부를 제어하는 트랜지스터의 스위칭에 기인하며 스위칭으로 발생하는 노이즈는 10㎑이상으로 통상적인 교류 전원 주파수 60㎐에 비해 고주파 신호의 특성을 가지고 있으므로 고주파 신호 제거를 위해 노이즈 필터는 low-pass filter의 형태를 가지게 된다[3].

스위칭으로 인해 발생하는 전도 노이즈는 디지털 회로의 Clock 신호의 간섭을 일으키고 주파수를 변화시켜 기기의 오작동을 초래할 수 있으므로 세계 각국에서는 국제무선장애특별위원회(International Special Committee on Radio Interference, CISPR) 규격에 준하여 각국의 상황에 맞게 규격을 제정하고 있으며 전도성 노이즈에 대한 대표적인 규격으로는 미국 연방통신위원회(Federal Communication Committee, FCC)의 part 15와 독일의 전기기술협회(Verband Deutscher Elektrotechnicker, VDE) 규격이 있다[8][9].

FCC part 15에서는 450㎑~ 30㎒의 범위에서 노이즈 레벨을 제한하고 있으며 군사용 규격으로는 표준서 MIL-STD-461C에서 전도성 방사 기준치인 CE03을 명시하여 노이즈 레벨 기준을 표현하고 있다. 주파수 대역별로 10㎑ ~ 150㎑ 사이는 NM이 그 이상은 150㎑는 CM이 주된(dominant) 영향을 미치게 된다. MIL-STD-461C를 살펴보면 CE03에서 15㎑에서 50㎒까지의 전도 방사 허용 기준치를 명시하고 있다[8][10]. MIL-STD-461F의 경우는 보다 세분화하여 CE101(30㎐ ~ 10㎑), CE102(10㎑ ~ 10㎒), CE106(10㎑ ~ 40㎓)의 세 분야에 걸쳐 전원선 뿐만 아니라 안테나 터미널에 대해서도 허용 기준치를 명시하여 요구하고 있다[11].

NM 노이즈 필터링 원리는 권선에 전류가 흐르게 되면 페라이트 코어에 magnetic flux가 발생하게 된다. 그 결과 페라이트 코어의 고주파에 대한 높은 임피던스 값을 가지게 되어 NM noise가 감소되는 효과가 발생한다[1][2].

CM 노이즈는 두 개의 coil이 같은 방향으로 페라이트 코어에 감겨 있을 때, CM 전류에 의해 발생된 magnetic flux가 축적되고 그 결과 임피던스 값이 증가하여 CM 노이즈에 대한 필터링 효과를 가지게 된다[1][2]. 페라이트 코어는 산화철계의 자성체 세라믹의 총칭이며 자기특성에 따라 소프트, 하드 페라이트로 나눈다[12]. 페라이트 코어는 저주파의 경우 투자율이 높아 잘 통과하고 고주파의 경우 높은 임피던스를 가져 잘 통과시키지 않는 특성을 가지고 있으며 저주파용으로는 망간-아연계 페라이트가, 고주파용으로는 구리-아연계 또는 니켈-아연계 페라이트가 적합하다[12].

노이즈 필터는 일반적으로 Figure 6와 같은 등가회로로 표현된다. Cx1과 Cx2는 NM 노이즈를 제거하기 위해 사용되며 Lc는 Common mode choke로 하나의 코어에 서로 다른 방향으로 winding된 형태로 CM 노이즈를 제거하는 기능을 수행한다[7]. Ld는 Ferrite core에 전선을 winding한 인덕터로 페라이트 코어의 임피던스에 의해 NM 노이즈를 제거한다. Cy는 NM과 CM 노이즈 모두를 감소시키나 다른 부품에 비해 효과는 크지 않으며 고주파 신호를 제거하기 위해 사용되는 Bypass Capacitor와 동일한 기능을 수행한다.

노이즈 필터에 의해 감쇠(attenuation)되는 양은 Insertion Loss(IL)로 표현될 수 있으며 IL은 회로에서 필터를 연결할 때 측정된 출력 전압과 필터를 연결하지 않고 측정한 출력 전압의 비로 정의된다[13].

E1 = 필터를 설치하고 측정한 회로의 출력 전압

E2 = 필터를 제거하고 측정한 회로의 출력 전압

IL(또는 감쇠)은 필터의 감쇠특성을 표현하는 주요한 지표로서 Figure 7과 같은 형태를 가진다[14]. Figure 7과 같이 고주파 신호를 감쇠하고 저주파 신호를 통과하는 전형적인 low pass filter 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있다[15].

자료명이 노이즈 필터인 19종의 도면을 국방표준정보체계에서 검색하여 검토한 결과, 노이즈 필터 특성을 기술한 주기란이 상이하게 작성되어 있으며 표준화된 양식은 존재하지 않는 것으로 파악되었다. 이는 규격작성기관이 국방품질관리소, 국방과학연구소, 소요군 등 작성기관과 작성자에 따라 기술방법이 다르기 때문인 것으로 판단된다. 감쇠 특성 등 비교적 상세하게 나열한 도면이 있는 가 하면 Figure 10과 같이 제작업체 주소 등만 표기되어 해당 제품의 성능과 품질을 파악하는 것이 불가능한 수준의 도면도 있는 것으로 나타났다.

몇 가지 사례를 대표적으로 소개하면 다음과 같다.

국방 관련 도면노이즈 필터 19종의 규격 작성 관리기관은 국방과학연구소, 국방기술품질원, 해군본부, 방위사업청 총 4기관으로 나타났으며, 도면 주기란에 작성된 성능 요구조건의 빈도수를 Figure 12와 같이 파악하였다. 분석 결과, 정격전압과 제안된 공급원의 경우 19종 모두 기재되어 높은 빈도수를 가지는 것으로 나타났으며, 정격전류도 18종에 기재되어 있었다. 그러나, 노이즈 필터의 가장 중요한 특성으로 판단되는 감쇠특성은 6종에만 기재되어 전체 분석대상 도면의 33% 이하만이 성능 요구사항으로 기재되어 있었으며 표기 방식도 그래프의 형태를 띠는 경우도 있었으며 표의 형태로 표기하거나 아예 주파수 범위에서 가장 낮은 값을 기재하는 경우도 있는 등 표기방식이 표준화되어 있지 않은 점이 문제점으로 분석되었다. 또한 노이즈 필터의 품질과 관련되어 있는 내전압도 10회로 전체 도면의 절반 수준에 그쳤으며, 누설전류의 경우 KS C IEC 60936에도 주요 요구사항으로 기재되어 있는데도 불구하고 국방 분야 도면에는 6회 정도로 약 33% 이하만이 성능 요구사항으로 기재하고 있음으로 나타났다.

이상 국방 분야 도면 분석결과, 상대적으로 빈도수가 높은 정격전압이나 정격전류의 경우 주요한 요구사항으로 채택하는 것이 합리적이나, 무조건적으로 높은 빈도수를 가지는 요구사항에 대해서 필수 요구사항으로 선정하는 것은 국내외 규격이나 해외의 민수부품의 사례연구를 통해 판단하는 것이 합리적으로 생각하여 추후 민수분야와 규격에 관한 연구를 수행한 후 최종 성능 요구사항을 결정하였다.

EMI 필터 전문 벤더(vendor)인 애로우 일렉트로닉스(Arrow Electronics)와 마우저(Mauser Inc.) 등에서 공급하는 10 여종의 EMI 필터 기술자료 분석결과 앞의 민수용 사례와 동일한 사양을 제시하고 있는 것으로 나타났다. 몇가지 산업체에서 사용되고 있는 EMI 필터의 성능 사양을 소개하면 다음과 같다[16][17].

USB 포트에 사용되는 EMI 필터로 FCC가 정한 규격을 만족하도록 설계되어 있다. 성능 사양은 감쇠특성 그래프, 측정방법, 차단 주파수, 삽입 손실 및 고주파 억압도로 구성되어 있다. USB 포트는 기본적으로 Differential signaling으로 설계되어 있기 때문에 Common mode noise의 효과가 크지 않기 때문에 수십 pF의 Cy 커패시터가 사용되고 있다.

아래는 Panasonic이 생산한 DC chip EMI filter 성능 사양이다[18].

감쇠특성은 DC bias 유무에 따른 성능 정보를 제공하고 있다. 해당 필터는 L-C타입 형태로 설계되어 토로이드 형태의 common-mode choke가 삽입되지 않기 때문에 소형으로 제작이 가능한 특징이 있다.

TDK-lambda사에서 제작한 USB나 LVDS 디바이스에 적용되는 노이즈 필터의 성능 사양의 경우는 CM 모드의 임피던스와 DC 저항을 나타내어 다른 제조사와 특징을 보이고 있었으며[19], 해당 필터의 differential signaling에 적용되는 특징으로 series choke가 적용되지 않는 특징을 가지고 있다[20]. International Rectifier 사의 경우는 해당 제품의 데이터 시트에 MIL-STD-461C의 CE03 전류 리플 요구사항을 성능 요구조건으로 규정하고있으며 감쇠 특성은 36dB 이상 @200㎑로 기술되어 있어 주파수 범위 내에서 최소값을 표기한 특징이 있다[21]. Hybrid 형태의 회로 특성 때문에 Pb free 솔더관련 솔더링 온도를 규정하고 있으며 MIL-PRF-38534 규격을 준수하도록 설계되어 있다[21]. On semiconductor의 경우는 타 업체와 유사하나 DC bias 유무에 따른 성능 정보를 제공하고 있으며 차단 주파수(cut-off frequency) 내 삽입손실에 대한 주파수 특성을 그래프 형태로 보여주고 있으며[22] 페라이트 코어를 적용하여 설계하는 통상적인 노이즈 필터와는 달리 L-C 타입 형태로 설계되어 토로이드 형태의 common-mode choke가 삽입되지 않기 때문에 소형으로 제작이 가능한 장점이 있는 것으로 분석되었다. 무라타 공업소의 EMI 필터의 경우는 타업체와 비교시, 성능 요구조건 표기시에 큰 특징을 찾아볼 수는 없었으나 일반적으로 cut-off 주파수는 10㎒ 이상으로 비교적 높은 것으로 나타났다[23].

해외업체의 자료 조사 결과, 국내 업체에서 제시한 성능 요구조건에서 표기법에서 차이가 있으나 몇 가지 사양에 관련해서는 공통된 부분이 있는 것으로 나타났다. 국방 분야에서 빈도수가 높은 요구사양들은 해외 제품에서 공통적으로 나타났으며 특히 감쇠특성, 내전압, 다이오드 누설전류의 경우 모든 업체에서 표기하고 있었으며, 회로도와 부품별 인덕턴스와 캐패시턴스를 표기하여 제작된 부품에 대한 신뢰도가 높은 것을 파악할 수 있었다. 따라서 국방 분야에서 빈도수가 높은 정격전압, 정격전류, 절연저항 등과 해외업체에서 모두 기재된 감쇠특성, 내전압 등의 요구사항 등을 종합하여 도출된 공통된 8가지 사양을 정리하면 아래 Table 1와 같다. 도출된 8가지 요구사항들은 국내에서 가장 널리 활용되고 있는 KS C IEC 60939 규격 적용 여부를 검토한 후 최종 도면 표준안에 반영 여부를 결정하였다.

노이즈 필터는 민수용으로는 현재 지식경제부 산하 기술표준원에서는 IEC 60939 규격을 번역하여 KS C IEC 60939(Complete filter unit for radio interference suppression)를 제정, 노이즈 필터 품질인증 시험절차와 기준으로 사용하고 있다[24]. 본 장에서는 위의 규격을 바탕으로 향후 노이즈 필터 기술검토 요청이 있을 경우 성능 요구사항에 대한 세부 검토기준으로 활용하고자 본 장을 작성하였다.

이상 표준 규격 검토결과와 사례연구를 통하여 아래와 같이 노이즈 필터 도면 표준안을 제안하고자 한다.

❏ 노이즈필터 2장중 1번째 주기

❏ 노이즈필터 2장중 2번째 주기

본문의 세부 검토기준안을 근거로 노이즈 필터에 대한 필수적인 성능 요구조건에 대해 도출할 수 있었으며 특히 감쇠특성은 그래프의 형태로 나타내어야 하나 도면 주기란에 감쇠 특성 그래프를 추가하는 것이 제한된 상황을 고려하여 감쇠 특성 표의 형태로 나타내되 log 스케일로 특성 곡선을 재현할 정도로 충분한 계수 데이터가 제시되어야 하는 것으로 제안하였다. 또한 성능 특성 표기시 CISPR17 또는 MIL-STD-220B 등의 규격을 인용하여 표준 측정법을 명기하는 등 데이터 신뢰성을 유지하도록 하였다.

군수용 도면 및 민수용 사양 검토결과 표준화된 성능 표기 방법은 존재하지 않으나 공통적으로 요구하는 사양이 있음을 확인할 수 있었으며 공통된 요구 사양에 대한 표준 규격 연구를 통해 관련 근거를 확보 할 수 있었다. 위와 같은 연구를 통해 총 8가지의 공통된 성능 요구사항을 도출하였으며 해당 요구사항에 대한 표기법 또한 통일화시켜 위와 같이 도면 주기란에 적용하는 것으로 노이즈 필터 표준화 도면(안)을 제안하였다.