[하이테크] 해석 기반의 제품 개발 프로세스

초연결(Hyper-connectivity) 시대 도래에 따른 기기의 다양성, 복잡도 증가에 따른 제품의 설계 난이도가 증가함에 따라 해석(Simulation) 기반의 제품 개발 프로세스 도입이 빠르게 증가하는 추세에 있습니다.

각 기술 분야에서 해석 기반의 개발 프로세스에 대해 간략하게 살펴보겠습니다.

[신호 무결성 / 전원 무결성을 고려한 해석 기반의 제품 설계 및 검증]

신호 무결성(Signal Integrity, SI)과 전원 무결성(Power Integrity, PI)은 전자기기의 동작 성능을 좌우하는 가장 중요한 설계 요소입니다. 시스템 회로의 반영 수준은 다르지만, 대부분의 전자 제품을 설계/제조하는 회사에서 해석 기반의 개발 프로세스를 가장 빠르게 도입하는 분야이기도 합니다.

반도체 설계부터 시스템 설계까지 각 단계에 따라 개발 목적 및 업무 프로세스가 다르므로, 적용하는 방법도 다양합니다. 해석 기반의 시스템 설계 최적화 분석 프로세스를 예로 들면, [Pre-layout Analysis] – [Layout 기반 SI/PI Rule Check] – [Model Extraction] – [Circuit Simulation for SI/PI Validation] – [EM-Circuit Co-simulation for Failure Analysis] 수준의 워크플로우를 적용할 수 있을 것입니다. 해석을 기반으로 제품의 설계하고, 검증하고, 분석하는 요소들이 포함되었음을 쉽게 알 수 있습니다.

(좌)SI/PI 해석 기반 설계/검증 워크플로우 / (우)SI 해석 결과

(좌)SI/PI 해석 기반 설계/검증 워크플로우 / (우)SI 해석 결과

 

[5G 네트워크 송수신기의 해석 기반의 최적화 설계]

최근 전자 제품에서 연결성이 결여된 제품을 찾기가 더 어렵고, 특히, 무선 연결을 통한 자유도 있는 상호 연결은 전자 제품이 아니어도 기본 요소가 되어가고 있습니다. WLAN(Wireless Local Area Network, Wi-Fi), Bluetooth, 3G/4G 네트워크 기술은 이미 보편화되어 있고, 자연스럽게 생활에서 사용되고 있습니다.

특히, 5G 네트워크는 주요한 특성으로는 초고속/대용량, 초연결, 초저지연 세가지가 있습니다. 기가비트급의 높은 전송속도에 기반한 서비스 / 속도나 지연시간보다 대규모 단일 접속과 네트워크 효율성이 중요한 서비스 / 매우 낮은 지연 시간과 접속의 안정성이 중요한 서비스 등과 같이 주요 특성에 기반한 다양한 서비스가 가능하며, 새로운 패러다임을 만들어 낼 수 있는 기술로 인정받고 있습니다.

5G 네트워크의 기본 구성 단위는 모바일 기기(Mobile Device)와 기지국(Base station)입니다. 송수신기의 안테나는 모바일 단말기와 기지국을 연결하는 주요 요소이고, 전통적인 네트워크 환경에서 사용되는 안테나는 해석 기반의 최적화 설계가 잘 적용된 분야이기도 합니다.

5G 네트워크에서도 송수신기의 해석 기반의 최적화 설계 프로세스를 적용하면, 최적 성능의 제품 설계 뿐만 아니라 개발 기간 단축으로 제품의 적기 출시 및 비용 절감을 달성 할 수 있을 것입니다.

(좌) 네트워크로 상호 연결된 기기의 개념도 / (중) 모바일 기기와 기지국 / (우) 배열 안테나 해석 기반 최적화 설계

(좌) 네트워크로 상호 연결된 기기의 개념도 / (중) 모바일 기기와 기지국 / (우) 배열 안테나 해석 기반 최적화 설계

 

[해석 기반의 EMC 가상 시험 프로세스]

전자제품은 시장 출시를 위해 EMC 규정을 준수하는 것이 매우 중요합니다. 국제 기관 또는 각 나라의 법적 지위가 있는 기관에서 정의하는 EMC 표준을 준수하지 않는 제품에 대해서는 판매를 허가하지 않기 때문입니다.

EMC 인증과 같은 전자파 관련 인증 시험은 제품의 개발 종단에서 이루어 지므로, 문제가 발생하면 개선할 수 있는 방법이 제한적일 뿐만 아니라 제품의 적기 출시와 설계 성능을 만족시키기 위해 과도한 비용을 지불해야 하는 경우가 발생할 수 있습니다.

과거에는 일반적으로 EMC (Electromagnetic Compatibility) 엔지니어링은 많은 부분이 측정과 연관되었습니다. 그러므로 EMC 엔지니어링을 위해서는 측정이 가능한 수준의 시제품(Working Prototype)이 필요하였고, 설계 및 개발 후반 단계에서 적용이 가능하다는 것을 의미합니다. 또한, EMC 인증에 문제가 나타나면 많은 시간과 비용이 발생하게 됩니다. 이것은 제품 개발 후반 단계로 갈수록 적용 가능한 대책이 많지 않고, 원인 분석이 어렵기 때문에 발생하는 당연한 결과일 것입니다.

설계 초기 단계부터 인증 단계까지 해석(Simulation) 기반 EMC/EMI 가상 시험 프로세스를 적용한다면, 개발 기간을 단축하고 인증을 위한 비용을 절감할 수 있을 것입니다.

 

(좌) EMC 가상 시험 워크플로우 / (우) 전자기기의 EMC 가상 시험 결과

 

(좌) EMC 가상 시험 워크플로우 / (우) 전자기기의 EMC 가상 시험 결과

 

[해석 기반 가상 시험을 통한 인체 위험 요소 분석]

전자파의 인체 영향에 대한 많은 우려와 함께 많은 민간 요법이 유언비어처럼 떠돌고 있는 시대입니다. 일부는 맞고 일부는 전혀 사실관계가 맞지 않는 부분도 많습니다.

다른 물리적인 위협과는 다르게 눈에 보이지 않는 전자파의 특성으로 나타나는 현상일 것입니다. 인체에 대한 영향을 제한하는 국제 규격들이 있고, 시장에 출시된 대부분의 전자 제품은 규격을 잘 준수하고 안전하다고 평가할 수 있습니다.

인체 및 동물을 이용한 시험은 매우 제한적이고, 획득 가능한 데이터도 제한적인 경우가 많습니다. 목적에 맞는 형태로 전산데이터로 인체 및 동물을 모델링하여, 가상 시험을 수행한다면 시험으로는 어려운 많은 가시화된 분석 데이터를 확보할 수 있을 것입니다.

(좌) 3.6GHz 5G 스마트폰의 전자파에 의한 인체 영향성 분석 / (우) 의료기기의 전자파에 의한 인체 영향성 분석

(좌) 3.6GHz 5G 스마트폰의 전자파에 의한 인체 영향성 분석 / (우) 의료기기의 전자파에 의한 인체 영향성 분석

 

[글을 마치며]

앞에서 언급하지 않은 다른 분야에서도 해석 기반의 제품 개발 프로세스를 도입할 수 있는 분야는 많을 것입니다. 해석 기반의 제품 개발 프로세스는 분석 데이터의 전산화가 용이하고, 시험 가속화가 용이하여 다양한 가상 조건에서 양질의 많은 데이터를 산출하고 전산화하여 데이터 중심 설계를 구현하는데 중요한 요소로 활용할 수 있습니다.

또한, 개발 환경에 맞는 적절한 플랫폼을 사용한다면, 가상 분석 데이터를 개발 현장에 더 자연스럽고 효과적으로

융합시킬 수 있을 것으로 생각됩니다.

끝까지 읽어주셔서 감사합니다.

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