약 20여 년 전 한국연구재단(그 당시 한국과학재단)의 지원을 받아 캐나다 Queen’s University에서 Post Doc 과정을 수료한 적이 있다. Engineering Physics 학과의 David L. Atherton 교수가 이끄는 Applied Magnetics Group(AMG)에서 연구를 진행하였다. AMG의 주 연구 주제는 캐나다를 가로지르는 천연가스배관에 대해 그 건전성 유무를 비파괴적으로 평가하는 분야였다. 연구그룹 명칭이 내포하는 바와 같이 금속체의 자기적인 특성을 이용하여 결함 부위를 비파괴적으로 평가하는 새로운 비파괴 검사 분야의 연구개발에 중점을 두었다. 자기누설(Magnetic Flux Leakage), Barkhausen Noise(강자성체에서 자기 도메인이 결함 부위와 간섭하며 방출되는 미세한 신호), 원격장와전류(Remote Field Eddy Current) 등이 주로 연구되었는데, 결함 부위에서 감지되는 자기적 신호는 매우 미세하였기 때문에 주변의 각종 잡음(Noise)에서 어떻게 그 신호(Signal)를 검출하는 가가 매우 중요한 과제였다. 선진 연구 그룹이 대부분 그러하듯이 지속적인 연구 성과는 연구원 하나하나의 능력도 중요하지만, 그동안 쌓인 체계적인 연구 이력과 참여해온 연구원들이 가진 노하우의 후속 연구진에 대한 전달 시스템이 아닐까 생각되었다. 그때 보았던 1장으로 요약된 간략한 “Gem for Signal to Noise Ratio Improvement”가 특히 생각이 난다.
노이즈 즉 잡음이란 원래 신호 이외의 모든 신호 성분을 의미한다. 전기/전자 기기의 원래 기능 발휘를 방해하는 불필요한 전기적 에너지로서 다른 기기의 신호에 간섭하여 정보의 전달을 방해하거나 교란시키는 전자기파의 일종이다. 전류나 전압의 변화(dI/dt, dV/dt)가 있는 부분에서 발생하며, 실제 산업 현장에서는 노이즈 발생이 계측기기의 정밀도 하락뿐만 아니라 계기의 손상이나 이에 따른 대형 사고를 일으킬 수 있는 원인이 되기도 한다. 엘리베이터, 전력선, 라디오 전파, 계절에 따른 온도 변화, 현장의 용접 작업 등이 모두 예상치 못한 잡음의 원인이 될 수 있다. 노이즈 크기는 S/N비 혹은 Signal-to-Noise Ratio(SNR)로 표시하는데, SNR = 10log10(Ps/PN)로 계산하며 단위는 데시빌(decibels)로 나타낸다.
Noise 발생과 이에 대한 대책의 첫 번째는 노이즈 발생원(Source)인 현장의 각종 Inverter, 무정전전원장치(UPS), 냉각기, 용접기, 스위치, 무전기 등에서의 노이즈 생성을 최소화해야 한다. 두 번째는 노이즈 전달 경로(Coupling Channel)인 전력 케이블, 통신선, 각종 구조체를 통한 전달을 줄여야 한다. 그리고 마지막으로는 수신단인(Receptor)인 DCS(Distributed Computer System), PLC(Programmable Logic Controller), 통신장치, Network, 계측기, Sensor, 전자장비 등이 노이즈의 영향을 받지 않도록 해야 한다.
이에 대한 구체적인 대책 3요소는 각각 접지, 차폐, 그리고 필터이라 할 수 있다. 접지(Ground)는 기기 케이스와 Shield 등을 대지 전위로 접속 시켜 대지와 전위 차이에 의한 노이즈 전류 발생을 감소시킨다. 즉 전원 및 입력 신호선에 혼입한 노이즈를 대지로 보내고 전력 계통의 누설전류와 낙뢰 등에 의한 감전도 방지한다. 차폐(Shield)는 금속 래미네이트(금속판과 금속박을 절연필름으로 Laminate시킨 차폐재), 금속박 테이프, 도전성 도료, 동축 케이블(중심 도체 + 절연물 + 망상 차폐재) 등을 사용하여 노이즈의 혼입을 방지하는 방법이다. 필터(Filter)는 유효한 신호의 주파수 성분만을 통과시켜 불필요한 주파수 성분의 노이즈를 제거하거나 감소시키는 필터 소자를 사용하는 방법이다.
S/N 향상 방법을 앞에서 거창하게 설명했지만, 실험실이나 현장의 Test 진행자가 실제로 조치를 취하기는 쉽지 않은 사항들이 대부분이다. 그런 측면을 고려하여 실험실이나 현장에서 쉽게 활용 가능한 단순하고 효과적인 노이즈 저감 Gem이 필요하다. AMG에서 제시한 Gem은 가정에서 사용하는 알루미늄 Foil로 의심스러운 부위를 감싸는 차폐 방법과 필요한 주파수의 신호만 증폭하여 취득할 수 있는 Lock-in Amplifier를 사용하는 필터링 방법이었다. 익숙한 내용일 수도 있겠지만 후배 엔지니어들에게 도움이 되기를 기대한다.
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