제품개발에서 전자기장 시뮬레이션의 역할

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오늘날 현대 기술은 그 어느 때보다 빠른 속도로 우리의 환경을 변화시키고 있으며 전자 제품과 무선 통신은 우리 생활에 아주 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 자동차를 예로 들면, 차량 내부에 탑재되는 네비게이션에 의한 충돌 및 비상상황 그리고 무선 원격조정, 타이어 압력 모니터링 장치, 블루투스 등과 같은 안테나 시스템들을 모두 고려해야 합니다. 또 다른 예로는 모바일 통신 및 네비게이션, 사물 인터넷(IoT), 그리고 MRI와 같은 의료 애플리케이션에도 무선 통신이 적용되고 있습니다.

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일반적인 자동차 도어 개폐를 위한 무선 자동차 키 시스템 시나리오

전자기장 관점에서 이러한 전체 시스템을 설계하기 위해서 크게 고려해야 할 두 가지 영역이 존재합니다.

  • 기능적 설계 – 안테나 시스템은 환경, 입력 임피던스, 특정 주변장 분포(MRI 시스템), 대역폭 등 방사 패턴에 대해 요구되는 사양을 충족해야 합니다.
  • 전자기장파 적합성(EMC) 측면 – 이 시스템들은 제한된 공간 내에서 문제없이 원할하게 작동해야합니다. 주변의 다른 장치나 케이블에 불필요한 방사나 커플링을 유발할 경우, 시스템의 오작동, 간섭 그리고 인체에 유해한 영향을 미치는 일이 일어날 수 있습니다.
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EMC 내성 시험

장치 또는 시스템의 전자기장 특성을 연구하기 위해, 기능적인 설계, EMC 규정 만족여부 그리고 상호 운용성에 대한 부분들을 사전에 검토해야 합니다. 이것은 일반적으로 시제품 혹은 최종 제품에 대한 측정이 이루어집니다. 전자기장 시뮬레이션의 필요성은 지난 20년간 꾸준히 증가하고 있으며 적용 범위는 넓어지고 있지만 실제 적용도는 다른 공학 분야에 적용되는 시뮬레이션에 비하여 많이 뒤떨어지고 있는 실정입니다. 그렇다면 왜 이런 현상이 발생할까요? 전자기장 현상을 설명하는 맥스웰 방정식이 너무 복잡해서 일까요? 소프트웨어가 아직 충분히 익숙하지 않아서 일까요? 시뮬레이션을 수행하는 방법이 너무 복잡해서일까요? 아니면 단순하게 말해서 시뮬레이션을 위한 모델 구성이 너무 어려워서 일까요?

하지만 이제 설계 엔지니어들은 맥스웰 방정식에 이용한 시뮬레이션을 걱정할 필요가 없습니다. 이 복잡한 방정식들은 전자기장 시뮬레이션 소프트웨어에서 알아서 처리해주기 때문입니다. 지난 수년간 FEKO와 같은 범용 소프트웨어는 복잡하고 다양한 수치해석을 수행함에 있어 효과적인 사용자 인터페이스를 제공하여 이러한 복잡한 문제를 손쉽게 해결할 수 있도록 지원하고 있습니다. 전자기장 시뮬레이션의 가장 큰 문제는 이론 자체가 매우 복잡하고, 실제 발행하는 현상을 그대로 표현할 수 있는 컴퓨터 모델을 구성하는 것이 어렵다는 것입니다. 그러므로 구성된 차량 모델을 이용하여 특정 전자기장 효과를 해석하더라도 최종 제품에서 측정을 통한 검증이 이루어지는 것이 가장 확실한 방법이 될 것입니다.

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낙뢰 전류가 케이블 내로 유입되어 발생하는 커플링

그러나 좋은 소식은, 이런 복잡한 모델 구성이 항상 필요하지는 않다는 것입니다. 잘 알려지지 않은 물질에 대한 파라메터를 적절하게 가정하더라도 대부분의 경우, 특정한 해석을 위해 컴퓨터 모델을 이용하여 신뢰성 있는 결과를 산출하는 것이 가능하기 때문입니다. 만약 검증이 필요하다면 측정을 통한 비교가 가능할 것입니다. 그리고 비교 검증을 통한 신뢰성이 확보된다면 시제품을 이용한 측정 없이 수치해석 만을 통한 최적 설계가 가능할 것입니다. 그러므로 컴퓨터 시뮬레이션을 효과적으로 사용한다면 신속한 설계가 가능하며 시제품을 이용한 실제 측정을 최소화 할 수 있습니다.

EMC 분야에서 우리가 자주 접하는 한 가지 문제점이라면 대부분의 규정이 어떤 특별한 장비를 이용한 측정치로 기술되어 있다는 것입니다. 하지만 분명한 것은 요즘 사용 가능한 컴퓨팅 파워와 최적화된 수치 코드를 이용하여 이러한 시험 장비뿐 아니라 측정 방법까지 컴퓨터 모델에서 아무런 문제없이 구현할 수 있다는 것입니다. 즉 설계를 위해 구성된 수치모델을 이용하여 측정 환경까지 포함한 결과를 한번의 계산으로 산출할 수 있습니다. 아래 예를 한 번 봅시다.

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무반향실 내의 무소음 영역 모델링

요약하자면, 신속한 설계를 위한 요건은 전자기장 시뮬레이션과 측정을 상호 보완적으로 잘 이용하는 것입니다. 전자기장 현상에 대한 수치해석 모델을 제품 개발에 활용함에 있어 어느 정도의 제약이 존재하더라도 이미 사용이 용이한 직관적인 시뮬레이션 코드와 강력한 하드웨어 솔루션를 이용할 수 있는 환경은 이미 무르익고 있습니다. 복잡한 실제 문제를 해결하기 위해서 시뮬레이션이 측정을 완전하게 대체할 수는 없지만 측정을 보완하고 개발 기간을 단축시키기 위해서는 대단히 효과적입니다.

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