[PCB EMI] 표피효과 (36)

고주파 전류의 침투 특성 이해

고주파 회로에서 전류는 도체 전체에 균일하게 분포하지 않고, 특정 조건에서 도체의 표면을 따라 흐르려는 특성을 가집니다. 이를 표피 효과(Skin Effect)라고 하며, 신호 감쇠와 도체 저항 증가의 주요 원인이 됩니다. 특히 고속 신호를 다루는 PCB나 케이블 설계에서 반드시 고려되어야 하는 요소입니다.

 

표피 효과란 무엇인가?

표피 효과는 AC 전류의 주파수가 증가할수록 전류가 도체 내부보다 표면 근처에 집중되는 현상을 말합니다. 도체의 중심으로 갈수록 전류 밀도가 지수적으로 감소하며, 이때 전류 밀도가 표면 대비 약 37%로 줄어드는 깊이를 표피 깊이(Skin Depth, δ)라고 정의합니다. 이 깊이는 다음의 요소에 반비례합니다.

• 주파수(f)
• 도체의 도전율(σ)
• 자기 투자율(μ)

구리 도체에서의 근사 식은 다음과 같습니다:

δ ≈ √(2 / (ωμσ))

 

주파수에 따른 표피 깊이 변화

표피 깊이는 주파수에 따라 급격히 감소합니다. 이는 고주파 신호가 도체의 전체 단면을 활용하지 못하게 되어, 실질적인 전류 흐름 면적이 줄고 저항이 증가함을 의미합니다. 아래는 구리 도체 기준으로 주파수별 표피 깊이를 정리한 표입니다.

주파수 (Frequency)	표피 깊이 (δ)
DC	도체 전체 사용
1 MHz	66 μm
10 MHz	21 μm
100 MHz	6.6 μm
1 GHz	2.1 μm
10 GHz	0.66 μm

이처럼 주파수가 증가할수록 유효 단면적은 급격히 감소하게 됩니다. 이는 도체의 AC 저항을 증가시키며, 고속 신호의 품질에 부정적인 영향을 줍니다.

 

왜 여러 가닥의 선심이 사용되는가?

고주파 케이블에서 단일 굵은 선보다는 여러 가닥의 얇은 선심을 사용하는 경우가 많습니다. 각 가닥의 직경을 표피 깊이보다 작게 설계하면, 전류가 여러 선심 전체로 균등하게 분포하게 되어 전체 AC 저항을 줄일 수 있기 때문입니다. 이러한 방식은 오디오 케이블, 헤드폰 케이블 등에서도 일반적으로 사용됩니다.

 

도체의 고주파 모델

저주파에서는 도체를 단순히 저항으로 모델링할 수 있지만, 고주파에서는 표피 효과에 의해 도체 내부 저항이 증가하게 됩니다. 여기에 도체의 표면 거칠기(Roughness)까지 고려해야 하는 경우, 저항과 함께 인덕턴스 요소까지 포함한 복합 모델이 필요해집니다. 이는 시뮬레이션에서 신호 무결성(SI)을 분석할 때 필수적인 과정입니다.

 

마무리하며

표피 효과는 고주파 설계에서 무시할 수 없는 물리 현상입니다. 전류의 흐름이 표면에 집중되면서 발생하는 저항 증가는 신호 감쇠뿐만 아니라 전력 손실에도 영향을 미칩니다. 따라서 설계자는 주파수, 도체 재질, 형상, 표면 처리 등을 종합적으로 고려해 표피 효과를 완화하는 방향으로 설계 전략을 세워야 합니다.