CST Studio Suite을 활용한 전자기-열-구조 연계 해석
다중물리현상
최근 기술의 발달로 전자기기의 구조가 복잡해 지고 고주파 대역 5G 통신환경의 도래로 전자기기의 발열 문제 해결을 위한 관심이 높아지고 있다. 현재 다양한 해석 솔루션을 제공하는 CST Studio Suite은 전자기적 특성, 발열, 그리고 발열에 의한 구조 변형 등과 같은 다중물리현상(Multi-Physics)을 쉽게 해석할 수 있는 솔버를 제공하고 있다.
그림 1. 전자기-열-구조 연계 해석
그림 1은 전자기-열-구조의 다중물리현상의 연계 해석을 나타낸 것이다. 전자기기(혹은 전기기기)는 도체 손실과 유전체 손실로 인해 전력 손실(Power Loss)이 발생하게 되고 전자기 에너지가 열 에너지로 변환되어 열원(Heat source)이 된다. 전자기파의 전력 손실(Q)에 따른 열 해석 연계 메커니즘은 그림 2와 같다. 열원은 기기내 열 팽창에 의한 하중으로 구조 변형을 유발할 수 있으며 구조체의 고유 임피던스 변경에 따른 전자기장 특성 변화에도 영향을 준다. 따라서, 제품 제작 시 발생할 수 있는 다양한 다중물리현상 문제를 사전에 판단 할 수 있는 중요한 척도로 CST Studio Suite을 유용하게 활용할 수 있을 것이다.
그림 2. 전자기-열 해석 지배 방정식
CST Studio Suite 제품
CST Studio Suite은 3D Full-wave EM 시뮬레이터로 높은 정확성과 빠른 해석 속도, 사용자 친화적 인터페이스를 제공한다. 8개의 제품에 24개의 솔버로 다양한 산업분야에 대한 해석을 진행할 수 있으며, 전자기-열-구조 해석은 CST DESIGN STUDIO, CST MPHYSICS STUDIO, 그리고 CST MICROWAVE STUDIO를 활용해 연계 해석을 할 수 있다.
그림 3. CST Studio Suite 제품의 구성
그림 3에서 보는 바와 같이, CST MICROWAVE STUDIO는 고주파 대역의 3D 전자기장 해석 시뮬레이터로 안테나, 필터, 커플러 등 다양한 전자기장 해석을 진행할 수 있다. 또한, CST MPHYSICS STUDIO는 다중물리현상을 해석할 수 있는 시뮬레이터로 전자기장에 의해 발생한 열원을 기반으로 열 해석 및 구조를 해석 할 수 있는 제품이다. 열 해석 솔버는 Thermal Steady State, Thermal Transient, Conjugate Heat Transfer 솔버를 제공하며 평형 상태 열 해석, 시간에 변화에 따른 열 해석, 그리고 고체와 유체 사이에서 발생하는 복합 열 전달(전도, 대류, 복사) 해석을 할 수 있다. 구조 해석 솔버는 Structure Mechanic 솔버를 제공하며 열 해석 결과를 기반으로 열원에 의해 야기된 구조 변형과 전자기장 특성 변화에 대한 해석 또한 가능하기 때문에 그림 4와 같이 전자기-열-구조의 다중물리현상에 대한 연계 해석을 CST Studio Suite을 이용해 쉽게 활용할 수 있다.
