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표면효과 (Skin effect & Skin depth)

신호의 주파수가 높아질수록, 도체 표면으로 전류가 집중하는 현상을 표면효과(Skin effect)라고 부릅니다. 그때 전류가 흐르는 깊이를 표면 깊이 (Skin Depth)라고 하지요.

여기서는 실제 깊이를 계산한, 실제적인 표면효과의 영향에 대해 알아보도록 하겠습니다. 

우선 표면깊이 δ는 아래의 수식처럼 나타낼 수 있습니다.

여기서 μ 는

,   σ는 구리의 도전율

을 적용하고, 단위를 um으로

간략화하면 아래와 같이 됩니다.

 

여기서 σγ 는 구리에 대한 비도전율로서, 은을 제외한 대부분의 금속은 1 이하의 값을 가집니다.
아래에 이러한 각종 금속재료의 도전율을 표로 나타내보았습니다.

재료

σ[S/m]

은

61e6

동

58e6

금

41e6

알루미늄

40e6

황동

26e6

니켈

15e6

철

10e6

플래티늄

9.2e6

주석

9.0e6

연

5.0e6

아래는 각 금속마다 주파수별로 표면깊이(Skin Depth)를 계산한 표입니다.

주파수(GHz)

0.1

0.3

0.5

1

3

5

10

30

표면깊이
(μm)

은

6.44

3.72

2.88

2.04

1.18

0.91

0.64

0.37

동

6.61

3.82

2.96

2.09

1.21

0.93

0.66

0.38

금

7.86

4.54

3.52

2.49

1.44

1.11

0.79

0.45

알루미늄

7.96

4.59

3.56

2.52

1.45

1.13

0.80

0.46

황동

9.87

5.70

4.41

3.12

1.80

1.40

0.99

0.57

니켈

13.00

7.50

5.81

4.11

2.37

1.84

1.30

0.75

철

15.92

9.19

7.12

5.03

2.91

2.25

1.59

0.92

플래티늄

16.59

9.58

7.42

5.25

3.03

2.35

1.66

0.96

주석

16.78

9.69

7.50

5.31

3.06

2.37

1.68

0.97

연

22.51

13.00

10.07

7.12

4.11

3.18

2.25

1.30

위의 표를 보면, 매우 얇은 두께의 표면에만 전류가 흐른다는 것을 알 수 있습니다. 이를 통해 금속의 표면부가 엉성하거나 불균일한 경우 신호전달에 영향을 줄 수 있다는 것을 유추할 수 있습니다.

이러한 표면효과는 마이크로파대 이상의 주파수뿐만 아니라 VHF 등 의외로 낮은 주파수에서도 큰 영향이 있을 수 있기 때문에 주의를 기울여야 합니다.

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