전자파장해(EMI)

왜 배우는가: 전자파장해(EMI)는 전기·전자설비가 서로 간섭하여 오동작을 일으키는 현상으로, 산업현장의 계측·제어설비 장애와 직결된다. 전기안전기술사 시험에서는 정의, 영향, 발생원인, 대책이 한 문항으로 묶여 반복 출제되므로 기본 개념을 정확히 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제131회 3교시 6번, 제114회 4교시 6번, 제93회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전자파장해(EMI)는 전자기 방해 현상(전자파 교란)에 의해 기기·설비의 성능이 저하되는 현상이다.

• 전자파장해(EMI, Electromagnetic Interference)
• 전자파 교란(Electromagnetic Disturbance)
• 전자파 적합성(EMC, Electromagnetic Compatibility)
• 전자파 감수성(EMS, Electromagnetic Susceptibility)
• 전도성 방출(Conducted Emission)
• 복사성 방출(Radiated Emission)
• 공통모드·차동모드(Common Mode, Differential Mode)
• 차폐(Shielding)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 한 기기가 내보내는 원치 않는 전자파가 옆 기기를 흔들어 잘못 동작하게 만드는 것이 전자파장해다. 기기가 원래 하려던 신호 전달을 외부 잡음이 방해하는 것이다.

정식으로는 전자파장해를 전자파 교란(electromagnetic disturbance)에 의해 장치, 장비, 시스템 또는 전송 채널의 성능이 저하되는 현상으로 정의한다. 전자파 교란은 원인, 전자파장해는 결과를 가리킨다. 두 용어는 원인과 결과의 관계로 구분해 쓴다.

전자파 적합성(EMC)은 기기가 자신이 놓인 전자파 환경에서 허용할 수 없는 전자파 교란을 일으키지 않고 만족스럽게 동작하는 능력이다. 즉 EMC는 기기의 특성이며, 두 방향의 문제를 함께 다룬다. 하나는 기기가 내보내는 잡음을 억제하는 것(방출, emission)이고, 다른 하나는 외부 잡음에 견디는 것(내성, immunity)이다.

전자파 감수성(EMS)은 외부 전자파에 대해 기기가 얼마나 민감하게 영향을 받는지를 나타낸다. 내성과 감수성은 서로 역수 관계에 있다. 내성이 크면 감수성은 작다.

전자파장해의 결합 경로는 크게 두 가지다. 전도성 장해는 전원선이나 신호선 같은 도체를 따라 전달된다. 복사성 장해는 공간을 통해 전파되어 기기에 직접 영향을 준다. 전도 경로에서 잡음은 두 도체에 같은 위상으로 나타나는 공통모드와 반대 위상으로 나타나는 차동모드로 나뉜다.

결합 방식은 정전용량 결합과 자기 결합으로 나눈다. 정전용량 결합은 두 회로 사이의 정전용량을 통해 전압이 인접 회로에 유도되는 것이다. 자기 결합은 전류가 만드는 자기장이 다른 도체에 전압을 유도하는 것이다. 자기 결합은 전류의 크기에 비례해 강해진다.

3. 등장 배경과 필요성

전자파장해 문제는 1960년대에 라디오파 간섭을 중심으로 처음 대두되었다. 이후 반도체 기술이 발전하고 사용 주파수 대역이 넓어지면서 각종 신규 전자기기가 불요 전자파의 발생원이 되었다. 기기 상호 간섭이 복잡하고 심각해져 EMC 문제가 커졌다.

산업현장에서는 인버터, 스위칭 전원, 고속 디지털 회로가 늘면서 잡음원이 많아졌다. 제어반의 PLC, 계측기, 통신선이 오동작하면 설비 정지나 안전사고로 이어질 수 있다. 그래서 설계 단계에서 전자파 대책을 반영하고, 제품 출시 전 방출·내성 시험으로 적합성을 확인하는 제도가 필요하다.

국제적으로는 CISPR 등 표준 체계가 방출과 내성 기준을 제정해 왔다. 이 기준이 있어야 기기 간 상호 간섭을 시험으로 판정할 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

EMI 문제는 세 요소의 결합으로 생긴다. 불요 전자파를 내는 발생원(Source), 전파가 지나가는 결합 경로(Coupling Path), 그 전파에 영향을 받는 감수기기(Victim) 이다. 대책은 이 세 요소 중 하나 이상을 끊는 것이다. 발생원을 줄이거나, 경로를 차단하거나, 감수기기의 내성을 높인다.

표 해설: 발생원과 감수기기는 기기 자체의 성질이고, 결합 경로는 배선과 공간의 구조에 따라 달라진다. 그래서 같은 기기라도 설치 방법에 따라 장해 정도가 달라진다.

결합 방식은 네 가지로 나눈다. 전도 결합은 전원선·신호선을 따라 전달되고, 방사 결합은 공간을 통해 전달된다. 정전용량 결합은 두 회로 사이의 정전용량을 통해 전압이 유도되는 것이다. 자기 결합은 전류가 만든 자기장이 인접 회로에 전압을 유도하는 것이다. 전도 방출은 다시 공통 모드와 차동 모드로 나뉜다. 공통 모드는 두 도체에 같은 위상으로 나타나고, 차동 모드는 서로 다른 위상으로 나타난다.

원리는 간단하다. 전류가 빠르게 변하면 di/dt 에 비례하는 불요 전압이 생기고, 전압이 빠르게 변하면 dv/dt 에 비례하는 변위 전류가 생긴다. 따라서 스위칭 주파수가 높고 전류 변화율이 클수록 발생원이 강해진다. 결합 정도는 거리와 주파수에 따라 달라진다. 송신기와 수신기 사이의 거리가 파장보다 길면 방사 결합이 뚜렷해진다.

EMI 대책은 발생원·결合 경로·감수기기 중 하나 이상을 차단하는 것이다

대책 절차는 다음 순서로 진행한다.

• 발생원 파악: 스위칭 소자, 클록, 고속 신호선 등 불요파를 내는 부분을 찾는다.
• 발생원 저감: 스위칭 속도 조절, 스너버 회로 적용, 접지 구조 개선을 한다.
• 결합 경로 차단: 전원선에 LC 필터, 신호선에 차폐 케이블과 트위스트 배선을 적용한다.
• 차폐 적용: 정전차폐는 도전성 금속 외함을 접지하고, 전자차폐는 투자율이 높은 금속 재료를 쓴다.
• 접지 정비: 접지저항을 낮추고 접지 루프를 최소화하며 등전위 본딩을 한다.
• 감수기기 내성 확보: 서지보호기(SPD)를 설치하고 절연변압기로 전원을 분리한다.
• 시험 확인: 방출(Emission)과 내성(Immunity) 시험으로 기준 충족 여부를 확인한다.

LC 필터는 전원으로부터 들어오는 노이즈를 막는다. 스너버 회로는 고주파 스위칭 노이즈를 흡수한다. 절연변압기, 쉴드변압기, 노이즈컷 변압기는 전원 측 경로를 끊는 방식으로 쓴다.

5. 관련 법령·기준·표준

EMI 관련 기준은 국가별 규제와 국제 규격으로 나뉜다. 국내에서는 전자파 적합성 관련 법령과 고시가 방출·내성 기준을 정한다. 국제적으로는 CISPR 계열 규격이 방출 측정법과 허용 한도를 정하고, 그 밖에 IEC 계열 규격이 내성 시험을 정한다. 세부 조항과 기준 번호는 이 절에서 모두 다루지 않고, 기준 이름과 역할만 정리한다.

표 해설: 방출 기준은 기기가 밖으로 내보내는 전자파를 제한하고, 내성 기준은 기기가 외부 전자파에 견디는 능력을 정한다. 두 기준은 한 쌍으로 적용된다.

기준 수치는 대상과 주파수 대역에 따라 달라진다. 전도 방출은 전원 단자에서 측정하며 주파수 대역별 준첨두값(QP)과 평균값(AV) 한도로 관리한다. 방사 방출은 측정 거리와 주파수 대역별 전계 강도 한도로 관리한다. 이 한도값은 기기 등급과 설치 환경에 따라 다르므로 본문에서 개별 값을 외우기보다 측정 방법의 구조를 이해하는 것이 답안에 유리하다.

표 해설: 측정 대역은 전도와 방사를 구분하는 기준이다. 한도값은 기기 등급과 설치 장소에 따라 적용 규격이 달라진다.

국내외 기준은 기기 분류에 따라 적용 규격이 다르다. 정보기술 기기는 CISPR 32 계열 방출 기준과 CISPR 35 계열 내성 기준을 참조한다. 이 규격은 기존의 CISPR 13과 CISPR 22, CISPR 20과 CISPR 24를 대체하는 방향으로 정리되었다.

6. 유형과 비교

전자파장해는 발생 경로와 결합 방식에 따라 나눠 보아야 원인을 찾고 대책을 세울 수 있다. 먼저 장해원의 성격에 따라 자연 발생 EMI와 인공 발생 EMI로 나눈다. 자연 발생 EMI는 우주 노이즈, 번개 노이즈, 대기 노이즈처럼 외부에서 들어오는 잡음이다. 인공 발생 EMI는 스위칭 회로, 모터, 인버터 같은 전기·전자 기기가 만드는 잡음이다.

표에서 보듯 인공 발생 EMI는 설계 단계에서 발생원을 줄일 수 있어 대책 효과가 크다. 자연 발생 EMI는 발생원을 제어할 수 없으므로 감수 측에서 막아야 한다.