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문제 정의
- 지금까지 고에너지 전자기파 전자부품이나 소자에 미치는 영향이 동향에 대해서 살펴보았다. 해외 미국, 러시아, 유럽 등 강대국들은 전자기파에 대한 기술을 군수분야에 국한되어 적용하는 것이 아니라 이를 산업분야에도 적용가능하도록 활발히 연구가 진행되고 있는 반면, 국내는 현재 국외의 전자기파 발생장치의 기술을 수입해오고 이를 이용하고 있는 이때 국내의 산업계와 학계는 전자기파의 영향과 발생장치에 대한 연구와 기술개발이 이루어져야 할 필요성이 있다.
- 회로나 소자의 커플링되는 전압의 정도를 이론적인 측면을 바탕으로 실험결과 예시하였다. 반도체 소자의 파괴되는 정도의 전압을 관찰하기 위해서 TTL 기반의 논리 반도체 소자와 CMOS 기반의 논리 반도체 소자, 마이크로컨트롤러 반도체 소자를 선정하여 실험하였다.
제안 방법
- GPS는 최대 전계 강도 150kV, 반복률 1kHz의 펄스 발생장치를 통하여 피해효과를 분석하였고 피해양상을 크게 5단계로 나누어서 분석을 실시하였다.
- 각 실험에 적용된 펄스는 단펄스와 다중펄스로 나누어서 실험을 실시하였고 펄스 대역폭은 각각 3ns, 6ns, 12ns에 따른 소자의 파괴정도를 관찰하였다.
- 고분자로 몰딩되어 있는 반도체 소자표면을 제거하여 내부 칩 상태 변화를 직접 SEM과 CCD 광학 현미경으로 관찰한 모습을 관찰하였고 그 결과를 그림을 통해서 제시하였다. <그림 15>는 고에너지 전자기파의 커플링 효과에 의한 TTL 논리 반도체 소자의 파괴로서 내부 칩 상에 구성된 다이오드, 트랜지스터, 저항과 같은 component에서의 손상을 보여주고 있다.
- CMOS 논리 반도체 소자는 TTL 논리 반도체 소자와 게이트의 입력 및 출력 핀 배치가 같다. 따라서 TTL 논리 반도체 소자의 피해 효과 실험을 위해 구성된 LED 구동 회로에서 TTL 논리 반도체 소자를 CMOS 논리 반도체 소자로 교체하여 피해 효과를 조사하였다.<그림 13>은 고출력 전자기파가 3가지 각각 다른 제조 기술로 만들어진 CMOS 논리 반도체 소자의 리드 프레임 커플링 될 경우 (선로 길이 ℓx = 0+0 [cm]) 각각의 제조 기술에 따라 20회 시험 중 오동작 또는 파괴 발생 빈도를 확률로 나타낸 것이다.
- 회로나 소자의 커플링되는 전압의 정도를 이론적인 측면을 바탕으로 실험결과 예시하였다. 반도체 소자의 파괴되는 정도의 전압을 관찰하기 위해서 TTL 기반의 논리 반도체 소자와 CMOS 기반의 논리 반도체 소자, 마이크로컨트롤러 반도체 소자를 선정하여 실험하였다. 실험에 사용된 반도체 소자를 의도적으로 오동작 및 파괴시키기 위해 비교적 주파수가 높고, 출력 제어가 용이한 마그네트론(magnetron, 삼성 OM75S)을 사용하였다.
- 마이크로컨트롤러 각각의 핀은 수행 기능에 따라 클럭(clock), 리셋(reset), 전원(power supply), 데이터(data)로 구분할 수 있다. 이러한 특정 기능을 수행하는 핀과 연결된 선로에 협대역의 고출력 전자기파가 커플링 될 경우 피해 효과를 조사하였고, 선로의 길이를 변화시켜 이러한 변화가 미치는 영향을 분석하였다. <그림 14>은 고출력 전자기파가 내부 구조와 메모리 용량이 다른 3가지의 마이크로컨트롤러의 리드 프레임 커플링 될 경우 (선로 길이 ℓx = 0+≈0 [cm]) 각각의 마이크로컨트롤러에 따라 20회 시험 중 오동작 또는 파괴 발생 빈도를 확률로 나타낸 것이다.
- 국외에서 이러한 기기와 소자의 고에너지 전자기파에 따른 영향뿐만 아니라 호주의 Monash 대학에서는 고주파수 발생장치에 의한 컴퓨터 시스템에 커플링 되는 정도와 데미지의 영향에 대해서 모의 실험을 실시하였다. 작동주파수 수 kHz~수 GHz의 작동 주파수를 변화시켜 시스템에 커플링 되는 정도를 관찰하였다[5].
- 여기서 오동작이란 반도체 소자가 물리적인 손상 없이 이상 발생 후 자연적 또는 외부로부터 특정 신호를 주입하여 초기 상태로 회복하는 것으로 정의하였고, 반도체 소자의 오동작 발생 횟수를 실험 횟수로 나눈 값으로 나타낼 수 있다. 한편 파괴 확률은 반도체 소자의 물리적인 손상을 의미하며, 반도체 소자의 교체로만 시스템의 기능을 회복할 수 있는 경우로서 반도체 소자의 파괴 발생 횟수를 실험 횟수로 나눈 값으로 하였다. 오동작 및 파괴 확률은 위의 정의에 따라 식 (5)와 식 (6)로 나타낼 수 있다.
대상 데이터
- 시험에 사용된 마그네트론의 정격 발진 주파수는 2,450 ± 50 MHz의 좁은 주파수 대역폭(협대역, narrowband)을 가지며, 정격 고주파 출력은 0~910 W (V.S.W.R ≤ 1.1, 1,000 Wmax) 까지 조절이 가능하다.
- 반도체 소자의 파괴되는 정도의 전압을 관찰하기 위해서 TTL 기반의 논리 반도체 소자와 CMOS 기반의 논리 반도체 소자, 마이크로컨트롤러 반도체 소자를 선정하여 실험하였다. 실험에 사용된 반도체 소자를 의도적으로 오동작 및 파괴시키기 위해 비교적 주파수가 높고, 출력 제어가 용이한 마그네트론(magnetron, 삼성 OM75S)을 사용하였다. 시험에 사용된 마그네트론의 정격 발진 주파수는 2,450 ± 50 MHz의 좁은 주파수 대역폭(협대역, narrowband)을 가지며, 정격 고주파 출력은 0~910 W (V.
이론/모형
- 외부에서 입사되는 전자기파가 선로에 커플링 될 경우 이 선로에 전압 및 전류가 유도되는 현상을 BLT 방정식을 이용하여 해석할 수 있다. BLT 방정식을 얻기 위해 <그림 7>과 같이 선로의 길이가 L이고, 특성 임피던스 ZC를 갖는 2 도체 전송선을 생각할 수 있다.
성능/효과
- CMOS 논리 반도체 소자의 SN74AC08N과 SN74AC00N은 고출력 전자기파의 커플링 효과에 의해 오동작 및 파괴 현상이 발생되었으나 SN74HC08N, SN74HC00N, SN74HCT08N, SN74HCT00N에서는 오동작 현상만 관찰되었다. 실험에 사용된 고출력 전자기파를 발생 시키는 마그네트 론의 최대 정격 출력은 1 kWmax로 이 때 도파관 내에서 형성되는 최대 피크 전계 강도는 23.
- 고출력 전자기파의 스펙트럼을 측정한 결과 2,467 ± 1.5 MHz로 제조사에서 명시한 주파수 대역보다 상당히 협소하였다.
- <그림 14>은 고출력 전자기파가 내부 구조와 메모리 용량이 다른 3가지의 마이크로컨트롤러의 리드 프레임 커플링 될 경우 (선로 길이 ℓx = 0+≈0 [cm]) 각각의 마이크로컨트롤러에 따라 20회 시험 중 오동작 또는 파괴 발생 빈도를 확률로 나타낸 것이다. 고출력 전자기파의 커플링 효과에 의한 실험에 사용된 마이크로컨트롤러의 5% 오동작 발생 확률 피크 전계 강도 분포는 약 6.2 kV/m ~ 9.2 kV/m이였고, 5% 파괴 발생 확률 피크 전계 강도 분포는 약 16.5 kV/m ~ 17.5 kV/m로 논리 반도체 소자 보다 고출력 전자기파의 커플링 효과에 취약하였다.
- 고에너지 전자기파 시뮬레이터는 첫째, 고에너지 전자기파의 특성인 고전압 및 고전력을 이용할 수 있어야 한다. 둘째, 실제로 고에너지 전자기파에 의해 영향 받는 시스템들은 고에너지 전자기파 발생원으로부터 수십~수백 km 떨어져 있으므로 고에너지 전자기파 시뮬레이터는 평면파를 만들어 줄 수 있어야 한다. 셋째, 전원으로부터 발생한 전자기파가 임피던스의 불완전한 매칭으로 인한 반사파 및 모든 손실이 최소화되어야 한다.
- 94 kV/m이다. 따라서 최대 피크 전계 강도 이상의 전계에 SN74HC08N, SN74HC00N, SN74HCT08N, SN74HCT00N을 노출시키면 파괴가 발생할 수 있으나 이 실험에서는 마그네트론의 출력의 한계로 인하여 파괴 현상은 나타나지 않았다.
- 둘째, 실제로 고에너지 전자기파에 의해 영향 받는 시스템들은 고에너지 전자기파 발생원으로부터 수십~수백 km 떨어져 있으므로 고에너지 전자기파 시뮬레이터는 평면파를 만들어 줄 수 있어야 한다. 셋째, 전원으로부터 발생한 전자기파가 임피던스의 불완전한 매칭으로 인한 반사파 및 모든 손실이 최소화되어야 한다. 그 외에도 여러 가지 요소가 있겠으나 위의 세 가지 요소가 가장 중요한 성능지표다.
- 0 [cm]) 각각의 제조 기술에 따라 20회 시험 중 오동작 또는 파괴 발생 빈도를 확률로 나타낸 것 이다. 실험 결과 SN74F08N, SN74S08N, 및 SN74ALS08N 은 고출력 전자기파의 커플링 효과에 의해 오동작 및 파괴 현상이 관찰되었고, SN74AS08N과 SN74LS08N은 오동작 현상 없이 파괴로 진전되었다. 실험에 사용된 5가지 다른 제조 기술로 만들어진 TTL AND 논리 반도체 소자의 5% 오동작 발생 피크 전계 강도 범위는 약 10 kV/m~13 kV/m이었으며, 피크 전계 강도가 약 18 kV/m~21 kV/m 범위에서 파괴가 관찰되었다.
- 실험결과 펄스 대역폭이 적고 펄스의 반복률이 증가할수록 소자의 파괴 임계전압이 감소하는 것을 알 수 있었다. 국외에서 이러한 기기와 소자의 고에너지 전자기파에 따른 영향뿐만 아니라 호주의 Monash 대학에서는 고주파수 발생장치에 의한 컴퓨터 시스템에 커플링 되는 정도와 데미지의 영향에 대해서 모의 실험을 실시하였다.
- 실험에 사용된 3가지 다른 제조 기술로 만들어진 CMOS 논리 반도체 소자의 오동작 발생 피크 전계 강도 범위는 CMOS AND 논리 반도체 소자의 경우 약 7 kV/m ~ 19 kV/m이었으며, CMOS NAND 논리 반도체 소자의 경우 약 13 kV/m ~ 19.5 kV/m이었다. 또한 피크 전계 강도가 약 20 kV/m이상에서 SN74AC08N과 SN74AC00N의 파괴가 관찰되었다.
- 실험 결과 SN74F08N, SN74S08N, 및 SN74ALS08N 은 고출력 전자기파의 커플링 효과에 의해 오동작 및 파괴 현상이 관찰되었고, SN74AS08N과 SN74LS08N은 오동작 현상 없이 파괴로 진전되었다. 실험에 사용된 5가지 다른 제조 기술로 만들어진 TTL AND 논리 반도체 소자의 5% 오동작 발생 피크 전계 강도 범위는 약 10 kV/m~13 kV/m이었으며, 피크 전계 강도가 약 18 kV/m~21 kV/m 범위에서 파괴가 관찰되었다.
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