구조 전자기술이 전기공학을 재편하는 방법

전기 공학의 끊임없이 변화하는 풍경 속에서 혁명적인 접근 방식이 주목받고 있습니다: 구조 전자기술.

전통적인 전자기기가 보호 케이스 안에 설치되는 것과 달리, 구조 전자기술은 장치의 구조를 형성하는 재료에 직접 전기 기능을 통합합니다.

이 패러다임의 전환은 우리가 전자 시스템을 설계, 제조, 구현하는 방식을 근본적으로 재상상하는 것을 대표합니다.

전통적인 경계 해체

수십 년 동안, 전자 설계는 일관된 패턴을 따랐습니다: 전기 부품은 강성 회로 기판에 장착되고, 이는 다시 보호 구조 내에 설치됩니다. 이 접근 방식은 기능을 제공하는 전자기기와 물리적 형태와 보호를 제공하는 구조 사이에 명확한 구분을 만듭니다. 구조 전자기술은 이 경계를 해소하고, 회로, 센서 및 기타 전자 부품을 구조 재료 자체에 직접 내장합니다.

이 통합은 새로운 가능성을 여러 가지로 제공합니다. 불필요한 케이싱이 제거되면서 장치가 더 가벼워집니다. 별도의 회로 기판을 수용하는 제약에서 벗어나 형태가 더 유연하고 적응 가능해집니다. 그리고 아마도 가장 중요하게, 전자기기가 특정 영역에 집중되는 대신 전체 구조에 걸쳐 분포될 수 있게 되면서 새로운 기능이 나타납니다.

혁명을 주도하는 핵심 기술들

여러 기술적 진보가 구조 전자기술을 가능하게 만들었습니다.

3D-MIDs (3차원 메카트로닉 통합 장치)

3D-MIDs는 구조적 전자기기에 있어 가장 유망한 접근 방식 중 하나를 대표합니다. 이러한 장치들은 본질적으로 플라스틱 성형 기판으로, 표면은 물론 오른쪽 각도와 수직으로 진행되는 트레이스를 포함합니다. 레이저 직접 구조화(LDS)로 알려진 제조 공정은 레이저를 사용하여 3D 기판의 표면에 직접 회로 패턴을 에칭하고, 이후 금속화 처리를 거쳐 전도 경로를 구축합니다.

HARTING, MID 제품의 선도적 공급업체는 표준 풋프린트를 가진 장치에 대한 수직 어댑터로 작용하는 혁신적인 구성 요소 캐리어 MID 기판을 개발했습니다. 이 캐리어는 디자이너가 표준 풋프린트를 가진 SMD 부품을 수직으로 장착할 수 있게 하며, 캐리어는 다른 SMD 구성 요소처럼 보드에 납땜됩니다.

인쇄 전자

인쇄 전자는 전도성, 저항성, 그리고 유전 잉크를 사용하여 구조적 재료 위나 내부에 직접 회로를 생성합니다. 전통적인 PCB 제조가 연속된 시트에서 구리를 에칭하는 감소 공정인 것과 달리, 인쇄 전자는 신호 경로가 기판에 직접 인쇄되는 첨가 공정입니다.

디자인에서 경로가 서로 교차해야 하는 경우, 그 위치에는 다른 신호들 사이에 필요한 수준의 격리를 달성하기 위해 교차점을 넘어 충분히 확장된 작은 유전체 재료 패치가 인쇄됩니다. 이 접근법은 전통적인 PCB에서처럼 유전체 재료로 분리된 여러 층이 필요하지 않게 합니다.

유연하고 신축성 있는 전자기기

유연한 기판과 신축성 있는 전도성 잉크의 개발은 전자기기를 전통적인 PCB의 경직성에서 해방시켰습니다. 이러한 재료는 구부리거나 비틀거나 늘릴 수 있으면서도 전기적 기능을 유지하여, 동적 구조 부품에 통합하기에 이상적입니다.

특수 재료는 기하학적 디자인(구불구불하거나 프랙탈 패턴), 복합 재료(탄성 매트릭스 내의 전도성 입자), 또는 탄성 채널 내의 액체 금속 합금을 통해 100-1000%의 신장을 달성하면서도 전도성을 유지할 수 있습니다.

금형 내 전자기기(IME)

IME 기술은 전자 회로를 평평한 필름에 인쇄한 다음 열성형 및 사출 성형을 통해 전자 부품이 내장된 입체 부품을 만들어냅니다. 이 과정은 조립 단계를 없애고, 무게를 줄이며, 구조 자체 내에서 전자 부품을 보호함으로써 더 내구성 있는 제품을 만듭니다.

엔지니어링 실습을 변화시키는 산업 응용 분야

구조 전자기기는 이미 여러 산업 분야에 큰 영향을 미치고 있습니다.

자동차 공학

현대 차량은 점점 더 구조적 전자기기를 디자인에 통합하고 있습니다. 터치 감지 제어 표면이 대시보드와 문 패널에 직접 통합되어 별도의 버튼과 스위치가 필요 없게 되었습니다. 난방 요소는 별도의 시스템으로 추가되는 것이 아니라 구조적 구성 요소에 내장되고 있습니다. 그리고 탑승자 감지부터 구조 건강 모니터링에 이르기까지 모든 것을 위한 센서들이 차량의 프레임과 바디 패널에 직접 구축되고 있습니다.

Tesla는 구조적 구성 요소에 전자기기를 통합하는 데 선구자 역할을 하고 있습니다. 그들의 차량은 센터 콘솔 터치 패널에 하프틱 피드백을 생성하는 금형 내 전자기기, 3D 표면에 직접 인쇄된 스티어링 컬럼 컨트롤, 통합 조명, 컨트롤 및 전자 기능이 있는 도어 패널을 특징으로 합니다. 결과적으로 대시보드 조립 복잡성이 30% 감소하고, 무게가 15% 줄어들며, 기계적 버튼과 연결의 제거로 인해 신뢰성이 높아졌습니다.

항공우주 및 방위

항공우주 응용 분야에서는 무게 감소가 중요한 문제이므로 구조적 전자기기가 특히 가치가 있습니다. 항공기 제조업체들은 날개 구조에 안테나를 직접 통합하고, 중요 구성 요소에 건강 모니터링 시스템을 내장하며, 구조적 및 전자적 목적을 동시에 수행할 수 있는 다기능 재료를 만드는 방법을 탐구하고 있습니다.

에어버스는 여러 항공기 시스템에서 구조 전자기기를 도입했으며, 이에는 날개 구조 전자기기와 통합된 번개 방지 보호 시스템, 구조 건강 모니터링을 위해 내장된 변형률 게이지가 포함된 기체 패널, 그리고 공기역학적 항력을 없애는 내장형 안테나 시스템이 포함됩니다. 그들의 A350 XWB는 구조 부품에 내장된 1,000개 이상의 센서를 통합하여, 전통적인 방식에 비해 200kg의 무게를 줄이면서도 훨씬 향상된 모니터링 기능을 제공합니다.

소비자 전자제품

구조 전자기기의 가장 눈에 띄는 응용 분야는 소비자 기기일 것입니다. IME를 통해, TactoTek과 같은 이 분야의 선도 기업은 혁신적인 헤드폰 솔루션을 통해 제품 디자인을 혁신하고 있습니다. 구조 전자기기를 활용한 현대 헤드폰은 구성 요소를 곡선 구조 요소에 직접 통합함으로써, 디자이너가 직관적인 상호작용을 위한 물리적 곡률을 최적화하면서도 투명한 재료와 미묘한 금속 마감으로 세련된 미적 감각을 유지할 수 있게 합니다. 이러한 디자인은 장치 상태를 알리는 구조 내에 내장된 LED 지시기, 별도의 버튼 조립체 없이 터치 감지 컨트롤, 그리고 전통적인 제조 방식을 사용하여 달성하기 어려운 곡선형 요소를 포함합니다. 이 접근 방식은 별도의 회로 기판과 기계 조립이 필요한 전통적인 전자기기와 크게 달라, 더 가볍고 내구성이 향상된 제품을 만들면서도 더 무거운 제품과 잠재적인 고장 지점이 더 많은 결과를 초래합니다.

의료 기기

의료 분야는 구조 전자 기술을 통해 인체의 윤곽에 더 잘 맞는 변형 가능한 진단 장비, 내장된 감지 및 작동 기능을 가진 스마트 의족, 그리고 이식 가능한 장치의 개발로 혜택을 받고 있습니다.

피부에 직접 부착되는 초박형 컨포멀 센서, 단일 유연 기판에 통합된 가속도계, ECG, EMG 및 신체와 자연스럽게 움직이는 신축성 있는 회로는 환자 모니터링을 혁신하고 있습니다. 임상 연구에 따르면 이러한 시스템은 의료 등급 데이터 품질을 제공하면서 전통적인 모니터링 장비보다 환자에게 훨씬 더 편안함을 제공하여 준수율을 60% 이상 증가시켰습니다.

공학적 도전과 해결책

구조 전자 기술의 잠재력은 엄청나지만, 해결해야 할 중대한 공학적 도전 과제가 있습니다.

열 관리

전자 구성 요소가 구조적 재료 내에 내장될 때, 전통적인 냉각 접근 방식인 방열판과 팬을 구현하는 것이 불가능할 수 있습니다. 엔지니어들은 구조 내에 통합된 위상 변화 재료, 미세 유체 냉각 채널, 열전도성 구조 재료를 포함한 혁신적인 해결책을 개발하고 있습니다.

신뢰성 및 유지 보수

전통적인 전자 제품은 개별 부품이나 전체 회로 기판을 교체함으로써 수리할 수 있습니다. 구조 전자는 전자 기능이 구조 자체에 통합되어 있어 유지보수와 수리에 있어 도전을 제시합니다. 이는 자가 치유 재료와 실패한 부분의 대상 교체를 가능하게 하는 모듈식 접근 방식의 개발을 촉진하고 있습니다.

설계 방법론

구조 전자는 엔지니어가 설계에 대해 다르게 생각하도록 요구합니다. 전자 부품과 구조를 별도로 설계하는 대신, 가장 초기 단계부터 통합된 시스템으로 고려해야 합니다. 이는 기계적, 열적, 전기적 특성을 동시에 모델링할 수 있는 새로운 CAD 도구의 개발과 다물리학 시뮬레이션의 진보를 촉진하고 있습니다.

Altium Designer: 구조 전자 혁명을 이끄는 선두주자

Altium Designer는 전통적인 PCB 설계를 넘어서는 기능으로 구조 전자 설계의 최전선에 자리 잡고 있습니다.

3D 전자 설계

Altium Designer의 3D PCB 설계 기능은 엔지니어가 비평면 표면에 맞춰 전자 회로를 시각화하고 설계하며 기계 구조와 통합할 수 있게 합니다. 새로운 3D-MID 도구는 Altium Designer에 진정한 3D 회로 설계를 처음으로 도입하여, 전기적 및 기계적 기능을 단일 부품으로 결합할 수 있게 합니다.

3D-MID 문서는 표준 PCB와 같은 방식으로 Altium Designer 프로젝트에 통합됩니다. 그 구성 요소와 연결성은 회로도 설계에 의해 구동되며, 평소 사용하는 구성 요소 라이브러리에서 표준 SMT 풋프린트를 포함합니다.

MCAD-ECAD 공동 설계

기계 CAD 시스템과의 네이티브 통합은 전기 및 기계 엔지니어 간의 원활한 협업을 가능하게 하여 구조 전자 설계에 필수적입니다. MCAD에서 기판을 설계할 때, 부품 표면에 3D 곡선을 배치하고 내보낸 IGES 파일에 포함시킬 수 있습니다. 이러한 "곡선"은 Altium Designer에서 표시되어 구성 요소와 영역 배치, 그리고 라우팅 시 가이드로 사용될 수 있습니다.

인쇄 전자 지원

Altium Designer는 회로가 기판에 직접 인쇄되는 인쇄 전자 설계도 지원합니다. 레이어 스택은 인쇄 전자에 맞게 구성될 수 있으며, 제조 공정에 따라 전도성 및 비전도성 레이어가 정의됩니다. 절연체 모양은 수동으로 생성하거나 다른 네트 간의 교차점을 격리하기 위해 자동으로 생성될 수 있습니다.

제조 출력

Altium Designer는 구조 전자 제품의 생산에 필요한 제조 데이터를 생성할 수 있습니다. 3D-MID의 경우, 설계를 레이저 직접 구조화(LDS) 기계와 호환되는 형식으로 내보낼 수 있습니다. 인쇄 전자의 경우, 각 전도성 인쇄 패스와 각 유전체 인쇄 패스에 대한 파일을 주로 Gerber 형식으로 포함합니다.

전기 공학의 미래

구조 전자가 성숙해짐에 따라, 전기 공학자들이 자신의 작업에 접근하는 방식에 변화가 생길 것으로 예상할 수 있습니다.

학제 간 협력

전기 공학과 기계, 재료, 화학 공학과 같은 다른 분야 간의 경계는 계속해서 흐려질 것입니다. 구조 전자의 성공적인 구현은 이러한 분야에 걸친 전문 지식을 요구하며, 디자인과 개발에 대한 더 협력적인 접근 방식을 촉진할 것입니다.

새로운 교육 패러다임

이 학제 간 미래를 준비하기 위해 공학 교육은 진화해야 할 것입니다. 전통적으로 전기 공학과 기계 공학을 분리해 온 교육 과정은 통합 설계 원리를 가르치는 교차 과정을 만들어야 할 것입니다.

진화하는 표준과 관행

산업 표준과 최선의 관행은 이 새로운 패러다임에 적응해야 할 것입니다. 설계 검증부터 테스트 방법론, 수명 종료 고려사항에 이르기까지, 구조 전자 혁명은 확립된 규범의 재고를 필요로 할 것입니다.

결론

구조 전자는 새로운 기술뿐만 아니라 전기 공학에서 새로운 철학을 대표합니다. 구조와 기능 사이의 인공적인 경계를 허물면서, 이전보다 더 효율적이고, 더 능력이 뛰어나며, 더 통합된 디자인을 가능하게 합니다.

이 분야가 계속해서 성숙해짐에 따라, 전기 공학자들은 그들의 역할과 창조물을 새롭게 상상할 수 있는 전례 없는 기회를 가지게 되었으며, 모든 요소가 구조적이고 전자적 목적을 모두 제공하는 진정으로 통합된 시스템을 설계할 수 있습니다. Altium Designer와 같은 도구들이 길을 닦아주고 있으며, 구조 전자의 약속을 현실로 전환하는 데 필요한 기능을 제공합니다.

전통적인 접근법에 익숙한 엔지니어들에게 구조 전자는 처음에 도전적으로 보일 수 있습니다. 그러나 이 패러다임 변화를 받아들이는 이들은 전기 공학과 우리가 만드는 제품 및 시스템의 본질을 재구성할 약속을 가진 혁명의 최전선에서 자신을 발견하게 될 것입니다.

Altium Designer가 인쇄 전자를 지원하고 전기 회로를 3차원 기계 부품과 통합하는 방법을 탐색해보세요.