[논문]와전류에 의한 저주파 자기장 차폐 성능 평가

최학윤

doi:10.5207/jieie.2010.24.9.124

와전류에 의한 저주파 자기장 차폐 성능 평가
Performance Evaluation of Low Frequency Magnetic Field Shielding by Eddy-Current 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.24 no.9, 2010년, pp.124 - 128

최학윤 (김포대학 IT학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the shielding effectiveness of aluminum shielded room with using eddy-current is calculated and measured after fabricated. The size and thickness of shielded room are decided as $2.4{\times}2.4{\times}2.4[m^3]$ and 12[mm] after AC shielding characteristics by eddy-current of conductive materials is analyzed. To verify the shielding effectiveness, a rectangular helmholtz coil is fabricated to generate magnetic field of 1.37[${\mu}T$] and measured magnetic field inside shielding room for 0.01~10[Hz]. According to calculations and measurements, AC Shielding effectiveness by eddy-current in aluminum is very small for 0.01~2[Hz] and 5 times to 11 times for 5~10[Hz].

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 알루미늄 도체에 자기장이 가해질 때 발생하는 와전류로 인한 교류 차폐효과를 계산하고 측정하였다. 차폐실의 크기와 차폐벽의 두께는 계산을 통하여 2.

제안 방법

따라서 본 논문에서는 도체의 자기장 차폐성능을 알아보기 위해 와전류에 의한 차폐효과를 계산하여 2.4× 2.4 × 2.4[m3]의 크기와 12[mm]의 두께를 가지는 차폐실을 제작하였다.
그림 5의 코일 프레임은 목재로 지지 틀을 만들어서 에나멜이 피복된 굵기 1[mm]의 구리선으로 같은 방향으로 10회씩 감았다. 발생 자기장의 측정은 자력계의 출력을 오실로스코프의 측정값 A/D카드를 거쳐 컴퓨터로 측정하였다.
알루미늄에 의한 와전류 차폐 성능을 평가하기 위해서 차폐실을 제작하고, 그림 6과 같이 차폐실 외부에 각각 x,y축 방향으로 헬름홀츠 코일을 설치하여 1.37[μT]의 자기장을 발생시킨 후, 차폐실 내부 중심에서 0.01～10[Hz]의 대역의 상대적인 크기를 측정하였다.
자기센서의 출력은 자체의 오프셋전압, 지구자기장의 직류성분 및 1,000[Hz]이상의 주위 잡음 자장도 출력되므로, LPF에서 오프셋전압 및 순수한 직류성분은 500[μF]의 커패시터로 차단하고 또한 LPF로 1,000[Hz]이상의 교류잡음을 제거하여 코일에서 발생되는 0.01～1,000[Hz]을 오실로스코프로 측정하였다.
제작된 차폐실의 와전류 차폐효과를 측정하기 위해서 사각형 헬름홀츠 코일(Helmholtz coil)을 제작하여 외부에서 자기장을 발생시키고, 자기센서로 차폐실 내부로 유입된 자기장의 크기를 측정하여 차폐효과를 측정하였다. 유입된 자기장 측정을 위한 자기센서는 Mag03을 사용하였으며, 특성은 DC에서 12[kHz]까지 3축으로 1[mT]까지 측정할 수 있고 10[mV/Gauss]의 감도를 가진다.
제작된 차폐실의 차폐효과 측정은 사각형 헬름홀츠 코일을 제작하여 1.37[μT]의 자기장을 차폐실 외부에서 발생시킨 후, 내부로 유입되는 자기장을 측정하였다.
4[m³]로 제작하였다. 차폐실은 진동을 흡수하기 위해 차폐실 바닥에 일정간격으로 25개의 방진패드를 균일하게 분포시켰으며 구조물의 자체의 지지를 위한 골격은 자기성질이 없고 가벼우며 도전 특성이 우수한 알루미늄 H-빔으로 제작하였다. H-빔의 두께는 10[mm]이며 폭과 높이는 각각 85[mm]와 180[mm]로 하였다.
차폐실의 성능 평가는 자기장 발생장치인 헬름홀츠 코일을 제작하여 차폐실 외부에서 1.37[μT]의 자기장을 발생시킨 후, 자기센서를 이용하여 차폐실 내부의 중심으로 유입되는 자기장의 크기를 측정하였다.
차폐실의 크기와 차폐벽의 두께는 계산을 통하여 2.4×2.4×2.4[m3]의 크기와 12[mm]로 결정하고 제작하였다.

대상 데이터

차폐실은 진동을 흡수하기 위해 차폐실 바닥에 일정간격으로 25개의 방진패드를 균일하게 분포시켰으며 구조물의 자체의 지지를 위한 골격은 자기성질이 없고 가벼우며 도전 특성이 우수한 알루미늄 H-빔으로 제작하였다. H-빔의 두께는 10[mm]이며 폭과 높이는 각각 85[mm]와 180[mm]로 하였다. 차폐벽을 구성하는 알루미늄 판은 판 사이에 도전 특성을 향상시키기 위해 알루미늄 표면에 전도성 그리스로 표면을 보호하였다.

성능/효과

8m)에 따른 차폐효과를 계산하였다. 계산결과 차폐실이 클수록 차폐효과는 커지며 각 크기의 차폐실에 대해 12배(21[dB]), 14배(22[dB]), 16배(24[dB])로 약 2배(1[dB])정도 차폐효과가 개선됨을 볼 수 있다.
01～60[Hz] 대역에서 차폐벽 두께 t을 0～20[mm]까지 변화시키면서 계산하였다. 계산결과, 차폐효과는 주파수가 높아질수록, 두께가 커질수록 커짐을 알 수 있으며, 특히 5[mm] 부터는 각 주파수 대역에서 차폐효과가 1～51.1배(0～34.2[dB])로 선형성을 나타내고 있다.
그림 6은 차폐효과를 계산치와 측정치를 비교한 것이다. 측정결과 와전류에 의한 차폐효과는 계산치와 측정치 모두 0.01～2[Hz] 까지 차폐효과는 거의 없었으며, 5[Hz]부터 차폐효과가 나타나고 있다. 10[Hz] 대역에서 x축은 14.
측정결과 와전류에 의한 차폐효과는 계산치와 측정치 모두 0.01～2[Hz]에서 거의 없었으며, 5[Hz]에서는 0.274～0.196[μT]로 측정되어 차폐효과는 5～7배, 10[Hz]에서는 0.137～0.122[μT]로 측정되어 10～11.2배였다.
37[μT]의 자기장을 차폐실 외부에서 발생시킨 후, 내부로 유입되는 자기장을 측정하였다. 측정결과, 차폐효과는 계산치와 측정치 모두 0.01～2[Hz]까지 자기장 차폐효과가 거의 없었으며, 5～10[Hz]까지 7.3～14.5배의 계산치에 대해 4.9～11.2배의 차폐효과 측정치를 나타냈다. 여기서 차폐효과를 크게 하게 위해서는 알루미늄의 두께를 크게 하면 되지만 현실적으로 12[mm]이상의 알루미늄을 사용하는 것은 불가능하다.

후속연구

측정오차의 원인은 차폐실의 도어부분을 계산에서 고려치 않았고 H-빔 프레임을 설치할 때 수직성 및 편평도 향상, 알루미늄 판 간의 접촉저항 발생으로 인한 와전류 폐루프를 형성하지 못한 점에 기인한다고 판단된다. 향후 본 논문에서 제작한 차폐실에 자성체 재료를 2～3중으로 부착하여 설계할 경우 20배 이상의 차폐효과를 나타내어 병원의 MRI를 위한 자기차폐실이나, 최근 부각되고 있는 전자선 리소그래피 장치, 전자현미경 등을 설치하려는 연구소의 자기차폐실로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	저주파 근접자계가 발생하는 곳은 어디인가?	저주파 근접자계는 지구자기장과 같은 자연현상으로부터 발생하는 잡음과 주변에 산재되어 있는 전력선, 산업현장에서 사용되는 변압기, 역률 개선을 목적으로 설치된 안정기 등에서 크기 발생한다. 이러한 자기장은 현장 모니터를 사용 불가능하게 만들기도 하고, 인체에도 유해한 수준인 1.
	자기차폐실은 어떤 재료를 사용하여 제작한다고 일려져 있는가?	자기차폐실의 차폐능력은 차폐실을 구성하는 재료가 절대적인 영향을 미치고 있다고 알려지고 있다[4]. 즉 투자율이 큰 자성체와 도전율이 높은 도체를 사용하는데, 차폐하고자 하는 주파수 영역에 따라 자기차폐(magnetic shielding) 효과와 와전류 차폐(eddy-current shielding) 효과를 적절히 결합하여 설계하며, 이 두 가지 재료를 결합시켜 제작한다고 알려져 있다[5-6]. 하지만 자성체와 도체에 의한 복합적 차폐효과는 알려져 있지만, 도체만의 교류차폐 율은 잘 알려진바 없다.
	불요자기장을 감소시키는 방법은 무엇이 있는가?	불요자기장을 감소시키는 방법은 자기차폐실(MSR : Magnetically Shielded Room), 잡음필터링, 잡음감소기술 등이 사용된다[3]. 여기서 자기차폐실은 가장 효과적인 방법이지만 고가이며, 제작의 난해성이 있어, 병원의 생체자기측정이나 전자현미경을 사용 하는 연구실 등 특수 목적용으로 사용되고 있다.

참고문헌 (8)

김재훈 외 3인. "평판 강자성체의 60[Hz] 자계 차폐 효율", 전자공학회, 제 81권 2호, pp 309-312, 1995.12.
J.Clarke, A.I.Braginski, ‘The SQUID Handvook’ Wiley-VCH, vol.1, pp.277-280, 2004.
이수열 외 3인, "영구자석 MRI를 위한 능동형 자기 잡음 차폐시스템 기술 개발", 전자공학회, 제 40권 3호, pp.89-96, 2003.5.
문석원외 2인, "60Hz ELF 자계에 대한 고 도전율 및 고투자율 재료의 차폐효과 분석", 전자학회논문지, 54C권, 4호, pp.166-171, 2005.4.
P. Heinonen, "Properties of a thick-walled conducting enclosure in low-frequency magnetic shielding", Journey of Physics, Vol.13, No.5, pp.569-560, 1980.
이용호외 6인, "생체자기계측을 위한 자기차폐실의 설치 및 특성", 한국자기학회, 제6권 4호, pp.264-271, 1996.8.
Li Zhou, "An Economical Magnetocardiogram System Based on High-Tc SQUIDs", Chin Phys Lett, Vol.23, No.8, pp.2319-2322, 2006.

상세보기
박포규외 5인, ‘브라운관의 자기장 영향 분석용 저자기장 제어 장치의 설계 및 제작’, 한국자기학회, 제 13권 6호, pp251-255, Dec, 2003.

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