KR20180041853A

KR20180041853A - 파워 서플라이의 차폐 기구 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20180041853A
Application number: KR1020160134097A
Authority: KR
Inventors: 김용조
Original assignee: 김용조
Priority date: 2016-10-17
Filing date: 2016-10-17
Publication date: 2018-04-25

Abstract

본 발명은 방사선 지역에 사용되는 내방사선 성능이 향상된 전원 및 차폐 구조에 대한 것으로 방사선 감쇄율이 큰 재료로 만든 외함에 전원 회로를 넣어서 1차로 방사선을 감쇄시키며, 방사선에 약한 구성부품을 개별로 적절한 차폐 (shielding)에 의해 보호하고, 입사 방사선을 2차로 감쇄 및 산란을 일으켜서 TID 및 SEE 현상에 대한 내방사선 성능을 동시에 향상시키는 것을 목적으로 한다. 상기 외함은 적절한 기계적 강도가 보장되는 두께로, 개별 차폐판은 한 자리 수 이하의 감쇄율을 달성할 충분한 두께로 만들어, 외함의 두께가 개별 차폐판에 비해 얇은 것을 특징으로 한다.
이로 인해 충분한 감쇄율을 달성하기 위해 외함의 두께가 두꺼워지고 무거워지는 단점을 없애어 경량화가 요구되는 용도에도 사용범위를 넓혔다. 또한, 개별 차폐판의 방열 성능과 방사선 산란효과를 높이기 위해 방열 홈을 가지게 하였다. 차폐재료로 감쇄율이 우수한 금속 원소 및 금속이 분산된 플라스틱등이 사용하였고, 원전등의 재료 구성이 제한되는 경우에는 알루미늄, 아연 등의 원소를 제외한 차폐재료를 사용하도록 하였다.

Description

파워 서플라이의 차폐 기구 및 그 제조방법 {Shielding Apparatus for Power Supply and Fabricating Method Thereof }

본 발명은 입자가속기, 원자력 발전소의 고준위 방사선 지역 혹은 우주공간에서 사용될 수 있는 내 방사선, 내 환경성 등의 능력이 뛰어난 전원, 보다 자세하게는 방사선 감쇄 능력이 우수한 재료로 외함 및 방사선에 취약한 부품만을 개별적으로 보호하는 차폐판을 이중으로 구성하는 파워 서플라이의 차폐기구에 관한 것이다. 상기 기구를 방사선 지역에서 사용하는 전원에 적용하면, 1 백만 일렉트론볼트 (1 MeV) 이상의 고에너지 방사선이 입사되더라도, 부품의 열화 수준 이하의 강도로 감쇄시켜 차폐판으로 보호된 부품의 기능을 유지시킬 수 있는 교류-직류 변환 파워 서플라이가 제조 가능하다. 또한, 원전에서의 전원 사용을 대비하여 설계 규정에서 사용이 허가된 재료들로 구성된 외함과 차폐판을 가지도록 하였다.

파워 서플라이는 전자기기에 전기에너지를 공급하는 전원부를 일컬으며, 특히 교류-직류 파워 서플라이는 교류를 에너지 소스로서 이를 정류하여 목적으로 하는 전압, 전류로 변환하는 전원장치로서 스위칭 모드 파워 서플라이 (Switching Mode Power Supply: 이하 SMPS) 와 리니어 파워 서플라이 (Linear Power Supply) 의 2가지 방식이 사용되고 있다.

SMPS는 교류 입력 전류가 먼저 브리지 다이오드 및 커패시터, 코일 등으로 구성된 정류회로에서 정류 및 필터링되며, 정류된 직류를 고주파 스위칭 (10~1000 KHz) 소자에 의해 펄스 제어하여 트랜스포머에 입력시켜, 2차 단으로 부르는 출력부에서 원하는 출력이 된다. SMPS는 전원으로서 자가 손실이 적으므로 역률이 뛰어나며 (90% 이상), 트랜스포머의 크기를 소형화할 수 있는 장점이 있다. 스위칭으로 인한 출력 전류에서 노이즈 성분의 혼입 및 상대적으로 회로가 복잡하다는 단점이 있으나, PC, TV, 충전기, LED 조명 등과 같은 현대의 전자기기들 대부분은 SMPS를 전원으로 사용하고 있다.

리니어 파워 서플라이는 교류입력 전류가 1차로 트랜스포머에 의해서 승압, 하강된 교류가 2차로 정류된 교류의 전압변동 성분 (이하 리플) 이 남아있는 직류 (맥류)를 안정화 회로 (레귤레이터)를 통해 전압 변동이 적은 직류가 출력된다. 리니어 파워 서플라이는 고속 스위칭이 아니므로 같은 크기 직류전력을 내는 SMPS에 비해 트랜스포머가 매우 커지며 (4~10 배 사이즈), 파워 서플라이 외함 크기가 훨씬 커지고 매우 무거워 진다.

리니어 파워 서플라이는 트랜스포머 내에서 히스테리스 손실에 의한 발열 대책이 필요해 히트 싱크가 커진다는 단점까지 있으며, 특히 역률이 SMPS에 비해 상대적으로 낮은 50% 대에 불과하여 일부 용도를 제외하고는 사용영역이 좁아지고 있다. 그러나 스위칭 노이즈가 없는 양질의 직류 전원을 비교적 간단한 회로로 만들 수 있는 장점을 가지므로, 고급 음향기기에서의 앰플리파이어, 센서 전원 등에서 아직도 사용되고 있다.

SMPS에서 스위칭 회로는 고속 스위칭 특성이 우수하며 및 소비전력이 적은, 금속산화막 전계효과 트랜지스터 (이하 MOSFET)와 스위칭 IC에 의해 이루어지는데, 이들 소자는 금속-산화막-반도체 (이하 MOS), 구체적으로 상보형 금속-산화막-반도체 (이하 CMOS) 구조로 이루어져 있다.

그러나 CMOS 계열 반도체 소자는 방사선에 매우 취약하며, 흡수 선량 100 그레이 (이하 Gy) 수준에서 열화가 시작되는 것으로 알려졌다. 이는 정지위성궤도에서 10년간 위성이 받는 10⁴ Gy 의 1/100에 불과한 적은 양으로, 방사선에 대해서 특히 취약한 반도체 소자이다.

MOSFET 및 스위칭 IC에서 스위칭 동작은 금속/산화막/반도체 구조에서 매우 얇은 산화막에 걸리는 게이트 전류가 만드는 전계효과에 의해 스위칭이 이루어지는데, 방사선은 산화물 박막에 전하 축적을 방해하고 또한 산화막 내의 결정 결함을 증대시켜서 전위 경로로 인한 쇼트를 일으켜서 누설 전류의 증가, 문턱 전압의 변화 등을 일으킨다. CMOS가 100∼500 Gy 범위를 넘는 흡수 선량에 계속 노출될 경우, 시스템을 구성하는 각 반도체소자의 주요한 전기적 특성변화요인이 발생하여 오작동이나 주요기능이 정지되는 현상을 보인다 (비특허문헌 1).

전자 소자에 끼치는 방사선 효과로는 총 이온화 선량 효과 (이하 TID) 및 단일 이벤트 효과 (이하 SEE) 효과가 있는데, 전자는 시간에 비례하며 지속적으로 반도체 소자에 영향을 끼치며 후자는 순간적이며 간헐적으로 일어나서 예상이 힘들다.

미세회로 패턴 기술로 반도체소자를 직접 시킨 IC는 이 패턴이 미세화됨에 따라, SEE에 의한 기능상실이 발생확률이 커지고 있으며, 가장 가까운 실례는 우주선 (Cosmic Ray)에 의해, 전자 스로틀 제어 장치 (Electronic Throttle Control: ETC) 를 제어하는 프로그래밍 IC가 기능을 순간적으로 잃어버려서 발생한, 토요타 자동차 급발진 사고가 있다.

TID 는 방사선이 전자부품이나 회로 내부의 구성원자와 충돌하면서 전하를 띄게 하는 현상으로, 지속적인 방사선의 폭격으로 인해 시스템을 구성하는 각 반도체 소자의 주요한 전기적 특성변화요인이 발생하여 오작동이나 주요기능이 정지되는 현상을 보인다. 방사선에 노출된 물질에 생성된 전자-정공 쌍 (electron-hole pair)은, 특히 산화물/박막 절연층의 결정결함에 쉽게 트랩 되어 TID를 일으킨다.

반도체 소자인 저항, 다이오드, 트랜스포머 등은 산화철, 산화물이 사용되지 않은 P/N juction 실리콘, 철심, 구리등의 소재로 고방사선에서도 상대적으로 성능저하 및 부품고장은 확률은 낮다. (비특허문헌 2).

상기 지식을 SMPS에 적용하면, 산화물 박막이 사용된 CMOS 계열 반도체 소자 및 미세화 패턴 박막 구조인 IC를 사용하지 않는 대신 양극성 접합 트랜지스터 등을 스위칭 소자로 사용하는 것이 내방사선 성능은 올라가나, 이들 제품 또한 극한 방사선 환경 (Harsh Environmental Zone) 환경에서는 동작이 보증되어 있지 않으며, 스위칭 성능이 낮고 고주파 스위칭에서는 발열이 심해져서 오동작, 기능 마비를 일으킬 가능성이 크므로 신뢰성이 떨어진다.

상기에 제시된 것처럼 입수가 쉬운 상용소자를 사용하면서 안정된 동작을 할 수 있는, 경제적이면서도, 10⁴ Gy 이상의 내 방사선 성능을 가진 파워 서플라이의 개발이 절실하며, 나아가서 원전 내부의 사용을 고려하여 사용금지물질을 포함하지 않은 제품의 개발도 요구되는 실정이다.

원자력발전소 및 가속기로 대표되는 방사선 지역에서 사용되는 파워 서플라이는, 고도의 신뢰성 (내열, 전력변동 대처) 및 노심 비상 냉각수인 붕소수에 대한 내식성을 가진 구성재료, 중·고 방사선 지역에서 강한 방사선 내성의 요구 등의 특징이 있다. 상기 지역의 조명으로 지금까지는 저 방사선 구역에는 일반적인 형광등, 중·고 방사선 구역에서는 메탈할라이드 램프, 백열전구등의 전통조명이 사용되어 왔고 현재도 그러하다.

상기 백열전구 및 메탈할라이드 램프는 수명이 매우 짧으며 방사선 폐기물로 대량의 램프, 등기구가 나오고 있으며, 상기 전통 조명은 광 변환 효율이 매우 낮고 유해물질을 사용하므로 국내외적으로 퇴출이 임박한 실정이므로, 이를 대체할 LED 조명 및 센서등의 전원으로 파워 서플라이의 개발이 시급한 실정이다.

대한민국 등록 특허 제10-0994246호 (2010.11.08 등록) " 엘이디 램프 구동회로"는 방사선에 잘 견디고, 출력전류가 높은 트랜스포머 및 트랜지스터를 사용하여 발광다이오드의 수명을 보호하는 LED 램프 구동회로를 제시하고 있다. 대한민국 등록 특허 제10-1608135호 (2016.03.25 등록) " 방사선 지역용 LED 구동회로"는 원자력 발전소와 같은 방사선 지역에 설치된 LED조명장치를 구동시키기 위한 방사선지역용 LED 구동회로 LED 램프 구동회로를 제시하고 있다. 특허 문헌 1은 특허문헌 2에서도 지적된 것처럼, SMPS 구조가 아닌 선형제어 방식을 사용하여 교류전원을 트랜스포머로 직접 감압하는 구조로 전력효율이 낮고 소음, 발열의 문제점이 있으며 전원 부피가 커지는 문제점이 있다. 특허 문헌 2는 선행특허 1을 비판하면서 회로보호 및 필터 회로부에서 서지,노이즈, 접지 등을 행하고, 정류 회로부 및 정전류제어 회로부를 각 회로부가 하나의 IC칩에 회로 구성된 하이브리드 모듈을 통해 다운트랜스 사용을 배제하고 있다. 그러나 하이브리드 모듈의 구체적인 회로 제시 및 내방사선 대책은 전혀 나타내고 있지 않고 있다. 또한, 상기 하이브리드 모듈화한 IC를 설사 실제화하더라도 드라이버 IC 등은 산화물/반도체 박막으로 구성되어서 SEE에 의한 논리회로 손상에 취약한 단점은 해결되지 않고 있다. 또한, 전류제어용 드라이버 IC에 의한 LED 회로 구동은 매우 대중화된 기술로 기술의 선진성 및 신규성이 심하게 의심되는 실정이다. 선행 특허 문헌 1,2에 공통되는 사항으로는 방사선에 대해 내성에 대해 TID, SEE 등의 관점에서 부품들에 대해 심도있는 고찰이 부족하여, 실제 사용시에 내방사선 대책이 있을 수 있는지 알 수가 없으며, 현재 상기 특허를 사용한 제품은 상용화되어 있지 있다.

: Jong-Yeol Kim, Nam-Ho Lee, Hyun-Kyu Jung, Seung-Chan Oh, "The Study of Radiation Hardened Common Sensor Circuits using COTS, Semiconductor Devices for the Nuclear Power Plant", The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 63, No. 9, pp. 12481252, 2014 : Magaly Caillon-Caravanier, Jennifer Jones, Meriem Anouti, Frederic Montigny, Patrick Willmann, Jean-Pierre David, "Gamma ray degradation of electrolytes containing alkylcarbonate solvents and a lithium salt",Journal of Power Sources, Volume 195, Issue 2, 15 January 2010, 614~620 : Lewis Cohn, Al Wolicki, Mayrant Simons, Clay Rogers, and Alfred Costantine, Transient Radiation Effects on Electronics(TREE) Handbook, Defense Nuclear Agency, Dec. 1995 : XCOM: Photon Cross Sections Database | NIST, http://physics.nist.gov/PhysRefData/Xcom/html/xcom1.html

고 방사선 지역에서 안정적으로 동작하는 파워 서플라이는 센서, 조명, 제외회로 등에 필수적으로 요구되고 있다. 방사선 지역에 사용되는 전기기기의 신뢰성은 사용 전자 소자의 내 방사선 성능에 좌우되는데, 상용화된 내 방사선 소자는 구성 재료의 막질 향상, 전기적 특성변화를 고려한 여유설계(Margin design) 기법 등으로 내방사선 성능을 향상시키고 있으나,비 스위칭 소자 제품으로 IC가 최대 10⁴ Gy 정도의 흡수 선량까지의 동작을 보증하고 있다. 이 수준은 고 방사선 지역, 예들 들어 원자로 격납 건물 (RCB) 내의 설치위치별 설계요건, 1.0×10⁴ Gy ∼ 2.3×10⁵ Gy 범위에서의 동작 조건을 만족하지는 못하다 (비특허문헌 3).

또한, 전자 소자에 끼치는 방사선 효과인 TID 와 SEE는 성격이 상이하므로, TID에 적합한 방법이 SEE의 대책으로 가능한 것은 아니다. TID 는 누적된 흡수 선량에 의한 반도체의 점진적인 열화와 관계가 있으며, 상기 막질 향상이나 여유설계 기법으로 내성을 강화할 수 있지만, SEE는 고 에너지의 방사선이 미세화패턴의 논리회로의 기능을 순간 마비시킨다.

TID 와 SEE에 대한 내방사선 성능을 모두 향상시키는 대표적 방법은 차폐 (shielding)에 의한 것으로 입사되는 방사선의 에너지를 줄여 흡수 선량을 감소시키며, 순간적인 고에너지 방사선의 에너지도 약화시켜서 회로의 가능마비를 막을 수 있다.

그러나 회로를 보호하기 위해, 무거운 금속원소 등의 차폐재를 가지고 외함을 만들고, 용도에 따라 충분한 흡수 선량, 감쇄율 수준으로 만들기에는, 외함의 무게가 매우 늘어나며 사용재료에 따라 외함의 발열 문제가 발생한다.

내 방사선 소자는 주문자 생산으로 대량생산이 어려우며, 상용소자에 비해 10~300 배 이상의 고가이며, 대부분이 우주·항공용으로 대륙간 탄도탄 (ICBM) 등에 전용가능성이 있어 전략물자로 수출이 제한되어 있어 일반인이 입수하려면 까다로운 구입 절차를 거쳐야 한다.

더욱이 SMPS의 핵심 소자인 파워 IC, 스위칭 다이오드 등은 아직 상용부품에서 고방사선지역에서 사용 가능한 제품은 나타나지 않고 있다. 상기 소자들은 CMOS 구조를 사용한 파워 반도체 소자로서 역률의 향상, 대기전류의 감소, 소형화에 유리한 등의 이유로 내방사선 능력이 요구되지 않는 사용 범위에서는 널리 사용되고 있으나, 상술한 것처럼 매우 방사선에 약한 부품이다.

또한, 지상의 방사선 지역 중, 원자력발전소, 핵폐기물 저장소 등에는 사용이 금지된 재료가 있으며, 전자회로에 사용된 재료로서는 알루미늄과 아연 등이 있다. 알루미늄은 원전 노심 융해 사고시 분무 되는 노심 냉각수에 포함된 붕소와 반응하여 수소를 발생시키는 대표적인 사용금지 물질이다.

TID에 약한 MOS 구조 및 SEE에 약한 미세화패턴 박막 구조의 전자부품이 사용된 SMPS를 사용하면 전압 조절능력이 방사선에 의해 점차 떨어지며, 예를 들어 원자력 발전소, 방사광 가속기 등의 고방사선 지역에서 사용되는 LED 조명이 장기간 사용시에 깜빡거림 및 미점등 현상을 일으키는 원인은 상기 부품들의 열화 및 기능상실 의한 것으로 추정된다.

SMPS는 스위칭 주파수를 KHZ대로 높여 에너지 축적 및 변환용 소자, 즉 트랜스포머 및 평활 커패시터를 소형화시키고, 경량화가 가능하다. 그러나 고속스위치를 위해서 고속 스위칭 소자 및 파워 IC가 반드시 사용되어야 하며 이들 소자들은 CMOS 구조의 박막 구성으로 방사선에 취약하다. 본 발명은 방사선 지역에 사용되는 SMPS의 내방사선 성능 향상을 위해, 방사선에 약한 구성부품을 적절한 차폐 (shielding)에 의해 입사 방사선을 감쇄시켜서 TID 및 SEE 현상에 대한 내방사선 성능을 동시에 향상시키는 것을 목적으로 한다.

목적을 달성키 위한 본 발명의 핵심은 상기 소자들을 방사선을 1/1000 수준으로 감쇄시키기에 충분한 물리적 두께를 가진 방사선 감쇄 효과가 큰 금속으로 개별 소자마다 독립적으로 차폐시키면서, 독립된 차폐판이 히트 싱크의 역할을 부수적으로 수행하게 하는 것이다.

99% 이상의 감쇄를 일으키는 물리적 두께를 가진 외함을 만들어 SMPS 기판 전체를 덮으면, 외함 무게의 급증 및 크기의 증대의 문제가 생기므로 이를 해결하기 위해서 먼저, 50% 정도의 감쇄가 일어나는 두께를 가진 차폐재로 외함을 만들어 입사 방사선을 1차로 감쇄시키며, 방사선에 특히 약한 부품마다 (스위칭 다이오드 및 파워 IC, 레귤레이터) 개별적으로 독립된 방사선 차폐판으로 부품을 보호하여 입사하는 방사선의 강도를 2차에 걸쳐서 감쇄시키는 원리를 가진다.

외함의 두께는 충분한 기계적 강도와 감쇄율이 나올 수 있는 수준으로 하고, 주된 방사선의 감쇄는 개별 부품과 결합된 차폐판의 물리적 두께에 의존한다. 즉 외함의 두께는 차폐판의 두께보다 얇을 것이다.

SMPS 외함 및 차폐판 재질로는 방사선 차폐 및 방열특성이 우수한 중금속 및 금속분산 플라스틱등을 사용한다. 예를 들어 텅스텐, 구리-텅스텐 합금 혹은 납 시트 등이 분산된 플라스틱 방사선 차폐재가 사용될 수 있으며, 알루미늄은 감쇄율은 낮지만 가볍고 방열 특성은 우수하나, 원전 내 사용금지 물질이므로 원전용으로 사용시에는 알루미늄을 제외한 소재가 사용되어야 할 것이다.

단순한 판재 형태의 차폐판은 접촉 면적이 작아서 전도방사가 약하므로, 방열성능을 높이기 위해서 복수의 방열 홈을 차폐판이 가지게 하여, 방열 성능을 높이며 방사선의 감쇄를 도모하는 입체적 형태를 가진 구조임을 특징으로 한다.

상기 구조를 사용하면 SMPS의 성능을 장시간 유지시키며, 부품의 열화에 의한 오작동을 억제할 수 있으며, 원전 내부에 고 방사선 구역에 사용금지된 물질을 일절 사용하지 않는 전원을 제작할 수 있다.

본 발명은 상술한 고 방사선 지역에서 파워 서플라이를 사용할 시에 발생하는 문제점을 해결한 높은 신뢰도를 가진 내 방사선 SMPS를 제시한다.

10⁴ Gy 이상의 누적 흡수 선량에 대해서도 SMPS의 스위칭 및 정류 기능을 유지시킬 수 있으며, 본 발명 구조는 방사선에 약한 소자를 개별 차폐하는 구조로서 외함만으로 차폐하는 구조에 비해 외함 중량의 증가가 억제된다.

산화물 박막구조 및 미세패턴이라는 방사선에 취약한 결점을 2개나 가지는, MOS 구조의 IC의 열화를 억제할 수 있으며, TID 와 SEE 두 원인에 대한 방사선 내성을 동시에 가지는 장점을 가지므로, 내 방사선 SMPS를 설계하는 데 있어서 상용소자의 활용도를 높인다.

또한, 고 방사선 구역에 사용금지된 물질을 제외하고 외함 및 차폐판을 제작할 경우, RCB 등의 원전 내의 고방사선 지역에서 센서, LED 조명, 제어 기기 등의 전원으로 사용영역을 넓힐 수 있다.

본 발명에 의한 SMPS는 방사선 지역에서의 교체 주기가 매우 향상되므로, 예를 들어 LED 조명의 전원으로 사용될 경우, 수명이 다한 전구 및 형광등과 같은 사용 후 방사선 폐기물을 줄일 수가 있다. 고 방사선 구역에서의 작업자가 교체해야 하는 위험 부담 (사람 몸무게당 흡수 선량은 시간당 약 50 uGy 를 초과할 수 없는 이유로 작업시간이 제한) 및 높은 교체비용을 줄이며 백열등 대비 높은 광 변환 효율 및 수명에 의해 조명기구의 유지비용 및 에너지 절약을 도모할 수 있다.

도면 [1] 은 본 발명의 SMPS의 회로 구성을 각각의 회로부 역할별 구성 그룹별로 나타낸 것이다. 교류 전원 입력 및 정류부 (10), PWM 컨트롤부 (20), 출력부 (30), 피드백 회로부 (40) 가 점선으로 표시되었고, 각 구성요소 중 구체적인 설명이 필요한 스위칭 다이오드 (11), 파워 IC (50), 쇼트키 다이오드 (14), 레귤레이터 (16), 분기점 (18) 등의 요소들은 별도 번호로 나타내었다.
도면 [2] 는 상기 제시된 SMPS 회로를 기판 위에 실제로 구현했을 경우 부품배열 및 크기를 고려한 인쇄회로기판 (60) 의 상부도 이다.
도면 [3] 은 도면 [2] 와 같은 인쇄회로 기판 (60) 상에 실제크기의 커패시터, 파워-IC (50), 저항, 스위칭 다이오드 (11), 레귤레이터 (16), 쇼트키 다이오드 (14) 등이 표면 실장된 것을 입체적으로 나타낸다.
도면 [4] 은 도면 [3] 의 인쇄회로 기판 (60) 및 부품의 실제 모습에서, 나타낸 부품들 중 방사선에 취약한 스위칭 다이오드 (11), 쇼트키 다이오드 (14), 레귤레이터 (16), 파워 IC (50) 를 독립된 개별 차폐판 (11-1,14-1,16-1, 50-1)으로 보호한 구조가 적용된 모습을 나타낸다. 또한, 기판 (60) 의 상면에 외함 (90) 이 덮여진 구조를 반투명으로 나타내었다.
도면 [5] 은 도면 [4] 에 구현된 인쇄회로 기판의 측면 (60) 실제도로, 도면 [4] 에서 나타낸 방사선 차폐판 (11-1,14-1,16-1,50-1) 이 물리적인 두께 (t)를 가지면서 스위칭 다이오드 (11), 쇼트키 다이오드 (14), 레귤레이터 (16), 파워 IC (50) 를 보호하며, 이것이 두께(90-1)를 가지는 외함 (90) 에 덮여진 모습을 나타낸 것이다.
도면 [6] 은 도면 [4], [5] 에 실측으로 구현된 부품 중 대표적으로 파워 IC (50)가 차폐판 (50-1) 및 배면 차폐판 (80) 을 가지고 인쇄회로 기판 (60) 에 실장된 경우의, 측면, 정면, 상면도 및 방사선원 (100) 에서 나온 방사선이 파워 IC (50)으로 입사할 경우, 외함 (90) 및 차폐판 (50-1) 의한 산란 및 반사, 방열 홈 (50-2) 에 의해 산란 등의 효과로, 외함에서 감쇄된 방사선 (100-1), 경로가 바뀐 방사선 (100-2) 가 되며 결국 소멸 방사선 (100-3) 이 되는 다중 차폐효과를 나타내고 있다. 또한, 차폐판 내부의 중점 (70) 에서 방향별 두께 (70-1,70-2,70-3) 를 화살표로 나타내었다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 본 발명에서 실시형태로 제시된 것은 파워 IC (50), 옵토 커플러 (15) 가 사용된 플라이백 절연 방식 SMPS이지만, 하나의 예시로 발명의 이해를 돕기 위해 선택된 것이다. 그러므로 본 발명의 회로도 및 정류방식은 이 회로도에 제시된 것에 국한될 필요는 없으며, 전자파 간섭 (이하 EMI) 및 리플 억제, 역률 증대를 위한 여러 회로가 부가될 수 있으며, 비절연방식의 컨버터 및 Half-Bridge, Full-Bridge 여러 형태의 스위칭 모드 회로 구성이 사용될 수 있다. 그러므로 스위칭 레귤레이터가 사용된 리니어 파워 서플라이, AC-AC 인버터 등도 본 발명의 사상을 이용하여 개발할 수 있으며, 이 점은 청구항에서 명백히 하였다.

본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니며, 일정한 출력의 직류 및 교류 전원이 필요한 모든 분야 예를 들어 어댑터, TV, 노트북, PC, 오디오, 이동통신, 자동차 제어기 분야 모두에서 방사능에 대한 대책이 요구될 경우 본 발명의 사상을 이용하여 회로의 개발할 수 있다.

본 발명의 실시형태 도면은 당해 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 더욱 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

발명을 구현하기 위한 구체적인 예로서, 도면을 설명한다. 도면 [1] 에서 SMPS를 이루는 각 요소를 설명한다. 1차 측은 교류 전원 입력 및 정류부 (10) 및 PWM 컨트롤부 (20) 으로 구성되며, 2차 측은 출력부 (30) 및 피드백 회로부 (40) 로 구성된다. 1차 측에서 교류 전원 입력 및 정류부 (10) 를 설명하면, 입력 과전류 보호용 퓨즈 (F1)가 있으며, 필터 커패시터 (C1), 그리고 초크 (L1, L2) 는 SMPS의 주된 기능을 하는 회로에의 전자파 간섭을 최소화하는 LC 필터를 형성한다. 브리지 다이오드 정류기 ( BR1 )은 교류를 직류로 정류하여 PWM 컨트럴부로 입력시킨다.

PWM 컨트롤부 (20) 는 교류 전원입력 및 정류부 (10) 를 통과했지만 교류성분 (리플) 이 남아있는 직류 (맥류) 를 폭이 다른 펄스전류로 변환시켜 트랜스포머의 1차 측 (N0, N1) 에 전달 및 안정화시키는 스위칭 모드 회로의 역할을 한다. 파워 IC (50) 가 고주파 펄스 컨트롤하는 스위칭 다이오드 (D1: 11) 의 On-Off 동작에 따라 맥류는 안정화되어서 트랜스포머 (TR1) 의 1차 측에 흘려지고, 전자기유도에 의해 트랜스포머의 2차 측 (N3) 에 펄스화된 출력 전압이 전달된다.

트랜스포머 (TR1) 는 1차 측을 이루는 코일 (NO)과 2차 측 (N3)를 이루는 코일 및 보조코일 (N1)를 갖도록 구성되며, 1차 측 코일 (NO) 과 2차 측 코일의 권선비 (N1) 에 의해 전압의 승강이 이루어진다. 보조코일 (N1) 을 통한 전류는 PWM 제어를 하는 파워 IC (50) 의 전원공급단자 (VCC) 를 통해 전달되어 IC 구동전류로 사용된다.

PWM 모드에서 파워 IC (50) 가 행하는 스위칭-온은 영점 단자 (ZC) 로 전달된 영점 교차 신호 (zero-crossing)와 up/down 컨버터의 수치에 의해 결정되며, 스위칭-오프는 이것 (50) 의 플라이백 시그널 단자 (FB)의 전압 피드백 시그널 (V_FB) 및 전류 검출 신호 단자 (CS) 의 전류 감지 시그널 (Vcs) 을 통해 읽어들이고 내부의 Error-Amplifier 에서 연산하여 결정한다.

상기 시그널을 받아 파워 IC (50) 의 드레인 (Drain)에서 출력된 펄스 전류는 고속스위칭 다이오드 (D1: 11) 의 게이트 전압으로 작용하여 트랜스포머 (TR1) 로 입력되는 전류를 On-Off 스위칭하도록 한다. 저항 R1, C4는 스너버 (12) 로 트랜스포머에서 나올 수 있는 서지 전압을 흡수하여 회로를 안정화하는 역할을 한다. 출력 분기점 (13) 을 통해 플라이백된 출력단 전류는 분기점 (18) 를 지나 저항 (R5P, R5)를 통해 파워 IC (50) 의 전류 감지단 (CS) 에 전달되어 출력전류의 크기가 감시된다. 또한, 드레인 전류 또한 필터 커패시터 (C10: 17) 을 통해 전류 검출 신호 단자 (CS) 로 전달되어 모니터링 된다. 접지 (19) 는 PWM 컨트롤부 (20) 부품들의 공통접지 역할을 한다.

출력부 (30) 는 트랜스포머의 2차 측 (N3)에 에노드가 연결된 쇼트키 다이오드 (D3: 14) 와 이것 (14) 의 캐소드에서 나와 접지 사이에 연결되는 리플 감소 커패시터들( C11, C18) 및 출력단 사이에서 연결되는 임피던스 감소 커패시터 (C17)로 구성된다. 출력전압은 쇼트키 다이오드 (D3:14) 를 통해 커플링 되며, 커패시터 C11과 C18은 1000 uF 이상의 대용량 커패시터들로 버퍼링 역할을 하며 LC 필터를 구성하는 초크 코일 (L3) 및 커패시터 (C12) 는 출력 전압의 리플을 줄이며 스위칭 주파수와 출력전류의 간섭을 완화한다. 임피던스 감소 커패시터 (C17) 는 출력전압의 내부저항을 줄이는 역할을 한다.

피드백 회로 부(40)는 출력전압을 PWM 컨트롤부 (20)로 플라이백시키는 옵토 커플러 (IC2 : 15) 및 이에 연결되는 보상회로와 레귤레이터 (IC3: 16) 에 의한 안정화회로로 구성된다.

피드백을 위해서 트랜스포머의 코일에서 나온 출력전류는 레귤레이터 (IC3: 16) 에 의한 참조 전압에 의해 비교되어서 저항 (R6. R7 )를 통해 검출된다. 안정화를 위해 참조 전압 및 기준 전류는 저항 (R12, R13)를 통해 레귤레이터 (IC3: 16) 에 공급되며, 이에 의해 안정화된 전압으로 제어된 출력전류는 옵토커플러 (IC2 : 15) 에 의해 절연된 광전신호로 변환되어 1차 측으로 플라이백된다. 커패시터 (C14,C15) 및 저항 (R8) 는 보상회로를 이룬다.

도면 [2] 는 상기 제시된 SMPS 회로를 인쇄회로기판 (60) 위에 실제로 구현했을 경우 부품배열 및 크기를 고려한 상부도 이다. 사용된 부품은 특별히 내방사선 성능을 구비하지 않은 상용부품들인 커패시터, 파워-IC (50), 저항, 다이오드, 트랜스포머의 실제 크기에 따라서 상부배치가 정해졌다. 기판 (60) 상에서 좌상측은 교류 입력 및 정류부 (10) 이며, 중앙부는 PWM 컨트롤부 (12) 이며, 우상 측은 피드백 회로부 (40) 이며, 우측은 출력부 (30) 이다. 상부에는 교류 입력 및 정류부 (10) 에서 초크 (SC1, SC2)들이 크기의 문제로 인쇄회로 기판 (60) 의 배면에 위치한 것을 제외하면 그림 1에 제시한 모든 부품들이 실제 위치와 크기로 표면 실장 되어 있으며, 배면에는 인쇄회로 동박이 이들을 전기적으로 연결시키고 있다.

도면 [3] 은 그림 2와 같은 인쇄회로 기판 (60) 상에 실제크기의 커패시터, 파워-IC (50), 저항, 스위칭 다이오드 (11), 쇼트키 다이오드 (14) 등이 표면 실장된 것을 입체적으로 나타낸다. 상기 PCB의 크기는 5V, 20W 급을 나타내기 위한 크기며, 사용된 부품의 크기 및 회로의 설계사상에 따라 크기 및 배치가 달라짐을 주지하여야 할 것이다.

만일 인쇄회로 기판 (60) 을 어느 정도 감쇄율이 보장된 물리적 두께의 외함 (90) 으로 전체를 감쌀 경우를 가정해 보자. 표시된 기판 (60) 은 가로 105mm, 세로 60mm의 크기이며, 사용된 파워 IC (50) 의 상면 높이는 10mm, 가장 높은 부품은 출력부 (30) 의 커패시터 (C11)이며 30mm 정도의 높이를 가진다. 그러므로 최종적인 SMPS 외함의 크기는 여유공간을 포함하여 세로 90mm, 가로 130mm, 높이 50mm 정도이며, 외함 (90) 의 표면적은 454cm² 이며 3cm의 두께를 가졌을 경우, 외함 부피는 1125cm³이다.

3cm의 두께의 텅스텐은 0.6 메가 일렉트론 볼트 (MeV)의 감마선을 99.8% 감쇄시킨다. 외함 (90) 의 재질을 텅스텐으로 하여 인쇄회로 기판 (60) 을 3차원으로 감싸서 방호할 경우 외함의 무게를 계산해 보았다. 텅스텐의 밀도 19.25g./cm³ 에 텅스텐 외함 (90) 의 부피를 곱하면, 외함 (90) 의 무게는 26218g, 즉 26.2Kg에 상당하게 된다. SMPS의 장점이 소형, 경량임을 고려한다면 이 외함 (90) 을 가진 SMPS는 부품 무게를 합쳐 최종적으로 30Kg을 넘을 것이 예상되며, 도저히 실용적으로 볼 수 없다.

도면 [4] 는 도면 [3] 의 SMPS 회로구조를 CMOS 구조의 박막 구성으로 방사선에 취약한 소자들을 적절한 두께의 개별 차폐 (shielding)에 의해 입사 방사선을 감쇄시켜서 소자의 내 방사선 성능을 향상시킨 것이다. 본 발명의 핵심은 외함 (90) 의 물리적 외함 두께 (90-1) 만큼 1차 감쇄시키고, 상기 소자들을 방사선을 1/1000 수준으로 감쇄시키기에 충분한 물리적 두께를 가진 방사선 감쇄 효과가 큰 금속으로 개별 소자를 독립적으로 차폐시켜서 2차로 감쇄시키며, 3차로 히트 싱크가 차폐판의 역할 같이 수행하게 하는 것이다.

도면 [4] 에서 파워 IC (50) 는 파워 IC 차폐판 (50-1), 고정핀 (50-2) 에 의해 상부가 보호되어 있으며, 스위칭 다이오드 (11) 는 스위칭 다이오드 차폐판(11-1) 에 의해, 쇼트키 다이오드 (14), 레귤레이터 (16) 또한 차폐판 (14-1,16-1) 에 의해 상부가 덮여져 있다. 상기 차폐판의 재료로는 방사선 차폐능력을 가지면서 우수한 열전도성을 가진 텅스텐, 금, 티타늄 등의 무거운 금속 및, 상기 금속들의 미립자, 혹은 박판시트가 분산된 경량 플라스틱 차폐재 등이 사용된다. 차폐판을 고정하기 위해서는 IC 상면은 방열 페이스트, 전도성 접착제 등이 사용 가능하며, 파워 IC 차폐판 (50-2) 처럼 차폐판 지지대 (50-2) 를 보조적으로 사용하는 것도 가능하다.

상기 소자들 스위칭 다이오드 (11) 는 대표적인 CMOS 구조이며 쇼트키 다이오드 (14) 도 그러하다. SMPS의 출력 안정화 회로에 사용되는 레귤레이터도 상술한 것처럼 리니어 레귤레이터 대신에 LDO, 스위칭 레귤레이터 등의 CMOS 구조 및 IC 구조로서의 사용이 증가하는 추세이다. 파워 IC (50) 는 CMOS 구조의 미세회로패턴이므로 방사선에 특히 취약하다.

본 발명에서는 CMOS 구조를 사용한 소자들을 차폐판으로 보호하였지만, PNP 구조의 BJT나 Si 이외의 스위칭 트랜지스터도 내방사선 능력을 향상키기 위해 사용될 수 있다. 즉 PWM 컨트롤부의 다이오드 D2 등 전류 변동을 막기 위해 삽입된 NPN, PNP 구조의 다이오드 또한 보호대상이 될 수 있다.

차폐판 (11-1,14-1,16-1,50-1) 및 차폐판 고정핀 (50-2) 에 의해서 PCB 크기는 약간 증가하였지만 부품의 기본적 배치 및 크기는 도면 [3] 과 동일하다. PCB 기판의 크기는 가로는 동일하며, 세로가 10mm 늘어난 70mm이다. SMPS 외함 (90) 의 표면적은 동일하게 유지시켰으며, 외함 (90) 이 0.5 cm의 텅스텐으로 구성되었다고 할 경우의 외함 (90) 무게를 계산해 보면, 외함 (90) 의 무게는 4.37 Kg, 회로기판을 포함한 전체 무게는 6.4 Kg 수준으로 그림 3의 1/6수준으로 억제할 수 있다. 또한 차폐판으로 인한 무게증가를 고려해 보자. 파워 IC의 상부 면적이 1.5 cm² 이고 높이가 3 cm 일 경우 체적은 4.5 cm³이며, 텅스텐을 사용하여 19.25 g/cm³ 의 밀도를 가질 경우 차폐판의 무게는 86.6g 수준이다. 본 발명에서 차폐된 부품 4개의 상부 면적을 가지고 계산시, 약 316.8g의 총중량으로 같은 물리적 두께로서 같은 감쇄 효과를 가진 3cm의 두께의 텅스텐 외함 무게 26 Kg 과 비교하면 매우 뛰어난 경량효과가 있다. 상기 차이가 생기는 이유는 방사선에 둔감한 트랜스포머, 점퍼 실장 및 부품 사이의 여백이 고려된 인쇄회로 기판 (60), 산화철 분말인 저항 등을 모두 감싸서 차폐시키는 외함을 만들려 할때, 외함의 사이즈가 증대함으로 인한다.

도면 [5] 는 도면 [3] 에서 나타낸 방사선 차폐판 (11-1,14-1,16-1,50-1) 을 가진 외함 (90) 과 이의 두께(90-1), 실제 부품들의 크기로 나타낸 측면도이다. 외함으로 둘러싸인 인쇄회로 기판(60) 상에 SMPS의 부품들이 실장된 배치 및 차폐판 (11-1,14-1,16-1,50-1) 들의 상대적 크기를 측면에서 알 수가 있다. 방사선에 약한 부품인 파워 IC, 스위칭 다이오드, 쇼트키 다이오드, 레귤레이터 (50,11,14,16) 는 그림 5에서 나타낸 것처럼 외함의 두께 (90-1) 보다 더 두터운 방사선 차폐판 (50-1,11-1,14-1,16-1) 의해 상부가 덮여져 있으며, 이것들은 기판상에서 가장 높은 부품으로서 나타난다. 여기서 외함과 차폐판을 통과한 방사선이 얼마나 감쇄되는가를 수학적으로 계산한 결과를 설명한다.

방사선과 물질의 관계에서 차폐재를 통과한 방사선의 강도는 (1) 식에 의해 표현된다. 본 발명 및 (1) 식에서는 입사 방사선으로 감마선을 방사선 강도 계산용으로 사용했다. (1) 식에서 I_o 는 입사된 감마선의 강도이며, I는 차폐 물질을 통과한 후 감마선의 강도이다. u는 특정 파장의 감마선에서의 차폐 물질의 질량 흡수 상수 (mass absorption coefficient: cm²/g)이며, d는 차폐 물질의 두께 (g/cm²) 이다. 오른쪽 식에서 ρ는 차폐 물질의 밀도 (g/cm³) 이며, t는 그것의 물리적인 두께 (cm) 이다.

I = I_oe^-ud혹은 I = I_oe^-uρt----------------------------- (1)

질량 흡수 상수는 입사된 방사선과 차폐재를 구성하는 물질의 주기율 상에서의 질량 수 (mass number) 및 구성비를 따르며, 방사선 조사를 위한 방사 선원으로 사용되는, 우라늄 붕괴로 생기는 방사선 동위원소의 에너지를 가지고 차폐에 필요한 물리적인 두께를 구해 보았다.

본 발명의 사용범위는 우주항공용 및 원자력 발전소, 가속기, 핵연료 처리시설, 방사선 동위원소 사용처 등이나, 지상에서 대량으로 사용되는 곳은 원자력 발전소의 중·고방사선지역 (10⁴ Gy 이상) 으로 예상되기 때문에 우라늄 235의 붕괴로 생기는 방사선 동위원소의 에너지를 가진 방사 선원을 가정하여, 도 (5), (6) 에 제시된 구조에서 감쇄율을 계산하는 것이 타당할 것이다.

세슘 137 (Cs-137) 과 코발트 60 (Co-60) 은 원자로에서 핵연료 사용 후 이를 재처리하는 과정에서 얻는 인공 방사선 동위원소로서, 감마선 조사에 의한 식품멸균 및 전자기기의 내방사선 실험 선원으로 사용되고 있다. Cs-137은 0.662 MeV 의 에너지 피크를 가지며, Co-60은 1.17 및 1.33 MeV 의 에너지 피크를 가지며 평균 피크는 1.25 MeV 이다. 상기 동위원소의 특정 에너지 파장에 대한 질량 흡수 상수와 차폐 물질의 질량수 및 차폐 두께를 알면, 통과한 후의 감마선의 강도를 계산할 수 있다. 주기율 상의 각 물질들에 대한 감마선 에너지 (파장) 별 질량 흡수 상수는 미국 국립표준기술연구소 (NIST)의 Photon Cross section Database (비특허문헌 4 )에서 구했다.

목적하는 수준의 감쇄율 (attenuation ratio; I/I₀의 비)으로 감마선을 줄일 경우에 요구되는 특정 차폐 물질의 물리적 두께는 t는 상기 (1) 식을 좌우 항을 자연대수로 치환시키고 t에 대해 정리하면 다음과 같다.

t = ln (I/Io) / (-μρ) ----------------------------- (2)

본 발명에서는 상기 식 (2) 를 가지고, 50%, 20%, 10%, 5%로 감쇄율이 커질 경우의 텅스텐 및 철, 구리, 납의 두께를 계산하였고, 그 결과는 다음과 같다. 표 1 에서 각 금속별로 나타낸 수치의 단위는 cm이며, 괄호 밖의 수치는 Cs-137의 피크 에너지 (0.662 MeV) 에 대해서, 괄호 안은 포톤 에너지가 약 2배 강한 Co-60의 평균 피크 에너지 (1.25 MeV)에 대한 각 감쇄율별로 필요한 물리적 두께이다.

감쇄율	텅스텐	철	구리	납
0.5 (HVL)	0.33 (0.56)	1.14 (1.65)	1.01 (1.47)	0.49 (1.04)
0.2	0.76 (1.50)	2.65 (3.82)	2.36 (3.41)	1.14 (2.42)
0.1 (TVL)	1.09 (2.74)	3.80 (5.47)	3.37 (4.88)	1.63 (3.46)
0.05	1.42 (2.79)	4.94 (7.11)	4.38 (6.36)	2.12 (4.50)

그리고 식 ( 1 )을 가지고, 방사선 차폐물질로 파워 서플라이 외함 (90), 방사선 차폐판 (11-1,14-1,16-1,50-1) 이 이루어졌을 경우 각각의 두께를 고려하여 레귤레이터 (40) 에 입사되는 방사선이 얼마나 최종적으로 감쇄하는지 감쇄율을 계산해 보았다. 1차 감쇄를 유도하는 파워 서플라이 외함 (90) 은 텅스텐으로 이루어졌으며, 0.5 cm의 외함 두께 (90-1)는 Cs-137을 65% 감쇄시키며, Co-60을 42% 감쇄시킨다. 2차 감쇄는 방사선 차폐판 (11-1,14-1,16-1,50-1) 의 높이만큼 일어나는 데, 높이는 일정하며 텅스텐을 재료로 사용하였다고 가정하였다. 방사선 차폐판이 3cm 높이일 경우, Cs-137의 경우, 99.2%의 감쇄가 Co-60의 경우는 96%의 감쇄가 일어나다. 최종적으로 1차, 2차에 의한 감쇄 효과는 Cs-137의 경우, 99.94%의 감쇄가 Co-60의 경우는 99.8%의 감쇄 정도가 되며, 1차 및 2차 차폐에 의해 0.01~0.27% 수준으로 감쇄된 감마선이 파워 IC (50), 스위칭 다이오드 (11) , 쇼트키 다이오드 (14) ,레귤레이터 (16) 로 로 입사된다.

상술한 CMOS의 열화가 시작되는 총 이온화 선량 (TID)이 100 Gy 정도라면 입사량 I_o 가 1/1000 수준으로 감쇄하면 10⁴ Gy 의 총 흡수선량 또한 1/1000로 감쇄하여 10 Gy 이하 수준이 될 것이다. RCB 내부처럼 3 x 10⁴ Gy 의 흡수 선량에도 동작이 요구되는 극한 방사선 환경에서도 소자에 누적되는 방사선은 100 Gy 이하로서 CMOS의 열화를 방지할 수 있다. 감마선은 전자기파로서 빛과 같은 매우 강력한 직직성을 가지지만, 차폐 물질 내부에서 산란하여 소멸하거나 다른 매질로 입사시에 경로가 바뀌는 것을 고려한 복합차폐 효과를 생각하면 본 발명에 의한 감쇄율 수치는 더욱 커질 것으로 기대된다.

입사된 방사선의 누적된 흡수 선량과 전자부품 수명를 검토해본다. 부품 수명 L는 흡수 선량과 자연지수함수 (e) 로 반비례한다. 즉, 특정 차폐 물질의 물리적 두께는 t에 의해 방사선의 감쇄율이 50%일 경우, 반도체 소자가 받은 흡수 선량도 1/2로 줄어들고, L은 자연 상수 e의 2승으로 수명이 증대한다. 이런 식으로부터 고찰하면 1/1000의 방사선 세기의 감소는 자연지수함수 (e) 의 1000승으로 수명 증대가 기대되어 자연환경에서의 수명과 비슷해질 것이다.

도면 [6] 은 파워 IC (50) 및 파워 IC 차폐판 (50-1) 및 배면 차폐판 (80)의 구성요소가 인쇄회로 기판 (60) 상에 실장된 것을 나타내었고, 순서대로 측면도, 정면도, 상면도를 나타낸다. 또한, 외함 (90) 의 일면에 수직으로 방사선원 (100)이 존재할 경우, 외함 (90) 및 실제의 차폐판 (50-11) 의 형상 및 차폐판의 방열 홈 (50-2) 를 고려한 입체적 차폐효과를 설명하기 위한 것이다. 식 (1), (2) 에 의한 계산에서는 수직방향으로 특정 강도의 감마선이 입사할 때 차폐판의 물리적 두께 (t) 만을 고려하여 감쇄율만을 계산했지만, 차폐판 내부의 중점 (70) 을 기준으로 입사된 방사선의 산란 및 반사효과를 고려한 여러 방향에 대해 감쇄 효과가 어떻게 나타나는지 설명한다. 방사선원 (100) 에서 나온 방사선은 외함 두께 (90-1) 만큼 외함에서 감쇄된 방사선 (100-1) 이 되어 일부는 다시 외함 방향으로, 일부는 산란에 의해 경로가 바뀌어서 차폐판 (50-1) 에 입사한다. 그림 6에서 제시된 파워 IC 차폐판 (50-1) 내부의 중점 (70) 에서 좌측면 (70-1), 상면 두께 (70-2), 우측면 두께 (70-3) 는 일정하며 상부는 경사된 면을 가진다. 수직 입사된 방사선은 경사진 파워 IC 차폐판 (50-1) 면에 의해서 경로가 바뀐 방사선 (100-2) 이 되어 외부로 반사될 것이며, 일부는 경로가 바뀌면서 방사선이 파워 IC (50) 로 입사할 것이다. 그렇지만, 차폐판 표면의 방열 홈 (50-2) 에 의해 다시 산란하여 경로가 바뀌고 결국, 소멸 방사선 (100-3)이 되거나 부품에 영향을 끼치지 못할 정도로 약해진다. 경사지어서 입사된 방사선도 각도별로 두께는 일정하므로 감쇄율은 같으며, 경사진 입사각과 방열 홈(50-2) 에 의해 산란되어 감쇄되거나 차폐판 외부로 반사될 것이다. 파워 IC (50) 이외의 방사선에 약한 부품들 (11,14,16) 에도 상술한 효과가 나타남은 지당할 것이다.

배면 차폐판 (80) 은 방사선원이 인쇄회로 기판 (60) 의 배면에 위치할 경우, 방사선 감쇄를 유도하기 위한 것이며, 부품이 실장 되지 않은 면이므로 간단하게 기판 (60) 에 실장될 수 있다. 본 발명의 실시형태로는 방사선원의 위치에 따라 차폐판이 기판 (60) 의 전면에도 후면에도 위치할 수 있으며, 이럴 경우 입체적인 차폐가 가능할 것이며, 방사선원의 방향이 기판 (60) 에 대해 여러 방향이거나 불확실할 경우에는 전면 및 후면에 차폐판을 위치시킬 수 있다.

본 발명은 파워 IC (50), 파워 IC, 스위칭 다이오드 (11) , 레귤레이터 (50,11,14) 를 내방사선 보호 대상으로 하였지만, 금속-산화물 반도체 구조의 전자부품이나 적층 반도체 박막구조의 IC 들, 예를 들어 리니어 파워서 플라이에서 스위칭 레귤레이터 IC 를 사용한 경우나, 혹은 SMPS의 출력부 (30) 에 안정화회로용 레귤레이터 IC의 보호 개념으로도 사용될 수 있음은 명확하다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시 예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정할 수 있음을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 유사물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주하여야 할 것이다.

본 발명에 의한 파워 서플라이는 10⁴ Gy를 넘는 흡수 선량에도 회로를 보호하고 소자의 정상적인 동작이 가능하므로, 원자력 발전소 RCB, 방사광 가속기, 핵연료 재처리 시설, 방사선 폐기물 처리장, 가속기 내부, X-ray 사용시설, 사용 후 핵연료 보관 시설 등에 사용할 수 있다.

방사선에 취약한 소자에 입사되는 고에너지의 방사선을, 외함, 개별 차폐판에 의한 2중 차폐 구조 및 산란 효과에 의해 방사선의 감쇄율을 극대화 시키는 효과를 가진다. TID 및 SEE 현상에 대해 동시에 방사선 방호 성능을 가지므로 고 에너지 하전 입자가 IC의 논리회로에 SEE 현상을 유도하여 제어 오류를 일으키는 경우가 있는 정지위성, 항공기, 유도탄 제어장치, 입자 가속기 내의 LED 조명 등의 응용분야에서도 내방사선 능력이 우수한 파워서플라이로 사용할 수 있다.

또한, 스위칭 소자가 활용되는 다양한 전자장치 예를 들어 DC-DC 컨버터, AC-AC 인버터 등이 내 방사선능력이 요구될 경우도, 본 발명에서 활용한 구조가 적용될 수 있다. SEE 현상에 의해 오작동이 일어나는 자동차 제어 회로, 수송기기의 파워 회로 등에서도 전자장치의 내방사선 성능을 높이는 수단이 될 것이다.

10: 교류 전원 입력부 및 정류부
11: 스위칭 다이오드 11-1: 스위칭 다이오드 차폐판
12: 스너버 13: 출력분기점
14: 쇼트키 다이오드 14-1: 쇼트키 다이오드 차폐판
15: 옵토 커플러
16: 레귤레이터 16-1: 레귤레이터 차폐판
17: 필터 커패시터 18: 분기점
20: PWM 컨트롤부 30: 출력부
40: 피드백 회로부
50: 파워 IC 50-1: 파워 IC 차폐판 50-2: 차폐판 지지대
50-3: 차폐판 홈
60: 인쇄회로 기판
70: 차폐판 내부의 중점
70-1: 좌측면 두께 70-2: 상면 두께 70-3: 우측면 두께
80: 배면 차폐판
90: 외함 90-1: 외함 두께
100: 방사선원
100-1: 외함에서 감쇄된 방사선 100-2: 경로가 바뀐 방사선
100-3: 소멸 방사선

Claims

AC/DC 파워서플라이, DC-DC 컨버터, AC-AC 인버터 등의 전원을 방사선 차폐 능력이 있는 차폐재료의 외함으로 감싸고, 상기 전원을 이루는 부품 중에 방사선에 특히 약한 전자 부품 및 이런 부품들로 이루어진 그룹을 방사 선원 방향에 위치시킨 차폐판으로 방사선을 감쇄시켜, 방사 선원의 방향에 대해서 차폐효과를 발휘하는 것을 특징으로 하는 전원. 상기 전원은 스위칭 모드 및 리니어 타이프의 정류 전원이 함께 포함되며, 상기 방사선에 약한 전자부품들은 구체적으로는 금속-산화물 반도체 구조 및 박막 반도체 적층 구조의 미세패턴을 가진 집적회로 (IC) 들로, 구체적으로는 스위칭 레귤레이터, 파워 IC, 스위칭 트랜지스터, 스위칭 IC, 쇼트키 다이오드, 전계효과 스위칭 다이오드, 서미스터 등이며, 금속-산화물 구조가 아닌 PNP나 NPN 구조를 가진 다이오드, 트랜지스터, 미세회로패턴구조인 IC 등도 포함된다.
청구항 1의 전원에서, 방사선 차폐 구조가 방사선 선원으로부터 나오는 방사선 (감마선, 우주선 등)이 전원의 외함으로 1차 감쇄 및 산란이 일어나고, 2차로 방사선 차폐 재료로 구성된 차폐판에 의해 감쇄되는 것을 특징으로 하는 전원의 적층 구조. 상기 차폐판의 두께 (D1) 및 외함의 두께 (D2)에서 D1> D2, D1이 더 작을 것을 특징으로 하며, 차폐판의 일면에 홈을 내어 방열 효과 및 방사선 산란효과를 증대시키는 구조.
청구항 2 에서 언급된 2중 차폐요소 및 산란에 의한 감쇄효과를 가지고 미세회로패턴 구조 및 금속-산화물-반도체 (CMOS)구조가 동시에 사용된 제어 IC를 TID 와 SEE로 보호하여 오작동을 방지하는 논리 제어회로 및 이것이 사용된 전자기기. 예를 들어 자동차의 엔진 제어회로, 수송기기 파워부 제어회로, 유도탄의 자세 제어회로, 정지위성의 제어회로, 방사선 지역용 로보트 컨트롤러등이 될 수 있다.
청구항 2 에서 언급된 차폐판의 일면에 방열을 위한 방열 홈을 생성시켜, 방사선 차폐 효과와 더불어 방열 효과를 가지게 하며, 차폐판을 지지대로 기판과 연결하게 하는 구조.
청구항 1 에서 언급된 차폐판은 방사선원이 위치하는 방향에 따라, 부품이 실장된 인쇄회로의 기판의 전면 혹은 인쇄회로 및 접점이 노출된 배면에서, 이 두 면의 한 면 혹은 양면을 사용하여 부품의 상면 혹은 배면, 양면에 위치할 수 있도록 하여 차폐가 입체적으로 이루어지도록 하는 구조.
청구항 1의 전원의 외함 및 방사선 차폐판을 이루는 재료는 방사선 감쇄효과가 큰 무거운 금속 혹은 비금속 차폐재로 이루어지며, 구체적으로 금속 군은 주기율표 3 주기의 알루미늄 (Al)에서 6주기의 납 (Pb) 까지의 금속원소 및 이들의 합금 및 다공질 금속이다. 철합금, 텅스텐, 텅스텐-구리합금, 텅스텐-카바이드 합금, 백금, 금, 은, 구리합금 등이 대표적이며, 비금속 차폐재는 상기 금속입자 혹은 금속 시트가 분산된 내방사선 플라스틱, 산화물 및 질화물, 탄화물 세라믹 등으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 구조. 상기 전원의 외함 및 방사선 차폐판을 이루는 재료에서 원전용 전원을 보호하는 재료로는, 상기 금속군에서 알루미늄, 아연, 비소, 세슘을 제외한 금속 및 금속입자가 분산된 플라스틱 재료를 사용한다.