사용자의 안전이 중요한 애플리케이션에 사용되는 광커플러와 같은 절연 부품은 높은 연속 동작 전압 바이어스 조건에서도 고장이 있어서는 안 된다. 절연 파괴로 고전압이 사용자 측에 걸리면, 안전상의 문제가 발생하고 생명이 위태로워질 수 있다. 이와 같은 사고를 방지하기 위해 연속 동작 전압 정격과 테스트 방법이 국제 부품 규격 및 장비 안전 규격에 의해 규정돼 있다.

신뢰성을 보장하기 위해서는 사용하는 각종 절연체가 안전 정격에 필요한 절연 수준을 충족하는지 증명해야 한다. 장비 제조업체는 시스템의 안전 규격을 충족하기 위해서 공칭 규격으로 인정된 아이솔레이터를 사용해 안전과 규제 준수를 보장한다. 분리(isolation) 요건은 기계적인 구조 지침 및 부품 안전 규격에 의해 충족된다. 광커플러는 주로 부품 수준의 안전 규격에 의해 규정돼 있다.
광커플러 규격의 한 예는 DIN/EN 60747-5-2/DIN/EN 60747-5-5로 대체된 VDE0884이다. 이 규격은 광커플러 기술의 모든 안전 측면에 대처하도록 개발됐다. 이 규격의 주요 실적 중 하나는 전수 테스트 방법의 실현이다. 이 방법은 양산된 광커플러의 장기 고전압 내성을 확실히 입증할 수 있다.
최근 자기식 아이솔레이터 및 용량성 아이솔레이터 등의 다양한 결합 기술을 이용한 대체 아이솔레이터가 출시되고 있다. 이러한 대체 아이솔레이터는 일반적으로 매우 얇은(10μm ~ 20μm) 절연층을 사용해 구성하고 있다. 반면, 광커플러의 절연 두께는 80μm ~ 1000μm이다. 대체 아이솔레이터의 얇은 절연 장벽은 같은 동작 전압에서도 높은 전계 스트레스를 받기 때문에, 광커플러보다 깨지기 쉬운 경향이 있습니다.
기계적인 차이 외에, 광커플러와 대체 아이솔레이터는 다른 절연 재료를 사용한다. 광커플러는 일반적으로 균질 폴리이미드/실리콘을 사용하는 반면, 대체 아이솔레이터는 스핀 코트 폴리이미드 또는 이산화규소(SiO2)를 사용한다. 또한 이러한 대체 아이솔레이터는 기존의 규격이 없기 때문에, 일부 테스트 하우스에서는 절충안으로 광커플러 규격인 DIN/EN 60747-5-2의 준수를 제안하고 있다. 테스트 기관은 기초 절연의 승인만을 하고 있으며, 이것은 전체 승인이 아닌 부분 준수임을 의미한다. 그 이유는 안전 절연 용도에서의 박막 폴리이미드 및 CMOS 절연체의 품질과 특성이 충분히 밝혀지지 않았기 때문이다. 또한 광커플러와 대체 아이솔레이터의 고전압 열화(aging) 메커니즘이 유사한지 여부도 문제다.
VDE0884-10은 광커플러 규격 VDE0884의 기반이 되는 규격 초안이다. 이 규격은 부분 방전 원리에 의해 안전한 연속 고전압 수명을 예측하고 있다. VDE0884-10이 개발된 후, 부분 방전은 대체 아이솔레이터의 기본 열화 메커니즘이 아닌 것으로 입증됐다. 이러한 대체 아이솔레이터에는 더 낮은 스트레스 전압 레벨에서 작용하는 다른 열화 메커니즘이 있다.
광커플러 테스트 방법을 대체 아이솔레이터에 적용함으로써 문제가 발생하고 있다. 이 글에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 실험적인 테스트 데이터와 분석을 제공한다.

절연 구조
광커플러, 자기식 아이솔레이터 및 용량성 아이솔레이터에는 (1)절연 재료 (2)기계적 구조 (3)절연 두께 (4)절연 파괴 강도의 차이가 존재한다.
예를 들면, Avago HCPL-316J와 같은 광커플러는 광 경로 양쪽에 폴리이미드 테이프와 실리콘으로 이루어진 두꺼운 절연 재료를 사용한다(그림 1 참조). 절연체 두께(distance through insulation, DTI)는 최소 400 μm이다.



자기식 아이솔레이터는 모놀리식 CMOS IC와 절연체 역할을 하는 얇은 스핀온 폴리이미드 층으로 구성된다(그림 2 참조). 이것의 DTI는 17μm에 불과하다. 마찬가지로, CMOS IC 위의 용량성 아이솔레이터는 절연체로 최소 DTI가 8μm인 박층의 SiO2를 사용한다. 최근에는 일부 업체가 높은 절연 전압에 대응하기 위해 DTI를 16μm까지 높이고 있다. 그러나 다음과 같은 이유에서 DTI 확대는 한계가 있다.

1. 신호 결합 효율에 대한 DTI의 영향
2. CMOS IC 위에 두꺼운 절연막을 증착시키는 공정이 비싸고 신뢰성 문제를 일으킬 수 있다.

그 결과 대체 아이솔레이터의 전계 스트레스는 동일한 동작 전압의 광커플러보다 적어도 20배가 된다. 이 차이는 큰 것이며 새로운 열화 메커니즘과 결함 스크리닝(defect screening) 방법을 규정해 개발해야 한다고 제안하고 있다.

광커플러 안전 규격 및 연속 동작 전압의 테스트 방법
국제 안전 규격 IEC 60747-5-5는 자기식 및 용량성 디지털 아이솔레이터뿐만 아니라, 광커플러의 전기적 특성과 테스트 방법을 대상으로 하고 있다. 이 규격은 2007년에 공표됐다. 광커플러를 포함하는 광전자 소자를 대상으로 하는 이전 버전의 규격인 IEC
60747-5-1/2/3은 2012년 폐지된다. 유럽 규격 DIN/EN 60747-5-2는 IEC 60747-5-2를 받아들여 2014년에 단계적으로 폐지될 예정이다. 이 규격은 IEC 60747-5-5를 기반으로 한 새로운 규격 DIN/EN 60747-5-5로 대체될 것이다.
IEC 60747-5-5와 DIN/EN 60747-5-2는 모두 고체 절연체의 균일 품질(homogenous quality)을 테스트하기 위해 부분 방전 테스트를 실시한다. 이 테스트에서는 소자의 입력과 출력 사이에 정격 동작 전압의 최대 1.875배의 전압이 1초 동안 인가된다. 이 테스트를 통과하기 위해서는 5pC(picocoulombs) 미만의 방전을 견뎌 내지 않으면 안 된다. 이 테스트는 고품질의 절연을 보장할 뿐만 아니라, 수명 단축과 안전 문제를 초래하는 제조 결함이 있는 소자도 효과적으로 제거한다. 이것은 다음의 기기 안전 규격에 의해 널리 인정받은 규격을 평가하는 중요한 테스트 중 하나이다.

IEC 61800 - 산업용 모터 구동 등에 대한 규격
IEC 60950 - IT 및 통신 기기에 대한 규격
IEC 60601 - 의료 기기에 대한 규격
IEC 61010 - 테스트 및 측정 기기

대체 아이솔레이터의 열화 메커니즘은 절연 재료에 따라 다르다. 자기식 아이솔레이터는 절연층으로 스핀온 폴리이미드를 사용한다. 제조업체는 열역학 모델을 사용해 장치 수명을 예측한다. 용량성 아이솔레이터는 절연 재료로 SiO2를 사용하므로 수명 예측에 경시 절연 파괴(Time Dependent Dielectric Breakdown, TDDB) 모델을 사용한다.
표 1은 다양한 분리 기술의 연속 동작 전압을 결정하는 데 사용하는 열화 모델/수명 예측 방법과 인증 목록이다. 대체 아이솔레이터가 테스트 방법과는 다른 예측 모델을 사용하는 점에 주의할 필요가 있다.

[표 1] 분리 기술의 구조, 열화 메커니즘 및 안전 규격 인증

분리 기술	절연 재료	최소 DTI	열화 메카니즘/ 수명 예측 모델	규격 인증	테스트 방법
광커플러	폴리이미드 테이프+실리콘	0.08mm ~ 1mm	부분 방전	IEC60747-5-5	부분 방전
자기식	스핀-온 폴리이미드	0.017mm	공간 전하 열화/열역학	VDE0884-10 (초안 버전만 있음)	부분 방전
용량성	SiO₂	0.008mm	TDDB/E-Model	EN60747-5-2 (광커플러 규격)	부분 방전

 

부분 방전, 연속 동작 전압 및 수명 예측
간단한 실험으로 부분 방전 성능과 연속 동작 전압의 상관 관계를 확인할 수 있다. 연면거리(Creepage)와 공간거리(Clearance)가 8mm인 SOIC 패키지에 광커플러, 자기식 및 용량성 아이솔레이터를 포함한 다양한 기술의 샘플을 선택했다. 허용 고체 절연이 200Vrms/1mm이므로 테스트 시간을 가속하기 위해 모든 장치에 1.6kVrms의 테스트 전압을 선택한다.
수명 스트레스 테스트를 시작하기 전에 모든 아이솔레이터는 부분 방전 테스트를 실시했다(3kVrms에서, IEC/
EN60747-5-5, VDE0884-10 및 EN60747-5-2에 따르면 1.6kVrms의 1.875배). 테스트 결과에서 모든 소자가 5pC 미만의 방전에 합격한 것을 알 수 있다. 이것은 절연 성능이 규격에 따라 1.6kVrms를 준수한다는 것을 나타낸다.



그림 3에 수명 스트레스 테스트의 구성을 보여준다. 광커플러, 자기식 아이솔레이터 및 용량성 아이솔레이터를 5개씩 125℃의 공기 순환 오븐에 함께 넣었다. 교류 60Hz에서 1.6kVrms 테스트 전압을 연속으로 인가하고, 누설전류를 지속적으로 측정한다. 전류계가 100μA 이상의 누설전류를 감지하면 알람이 울린다. 항복(breakdown) 시나리오가 발생하면, 테스트를 중단하고 고장을 확인하기 위해 모든 DUT(devices under test)의 누설전류를 측정한다.
최종 테스트 결과에서 자기식 아이솔레이터와 용량성 아이솔레이터는 각각 12시간과 21시간 후에 절연 파괴된다는 것을 알 수 있었다. 계속된 테스트에서 광커플러는 최대 4000시간까지 고장 없이 테스트를 종료했다. 광커플러는 시험 중이나 시험 후의 누설전류 테스트에 합격했다. 표 2는 부분 방전, 수명 테스트 결과를 각 제조사의 예측 수명과 함께 정리한 것이다.

[표 2] 부분 방전과 수명 스트레스 테스트의 결과

분리 기술	절연	DTI (mm)	부분 방전 테스트 전압	부분 방전에 기반한 동작 전압 성능	열화 메커니즘/ 수명 예측 모델	수명 예측	Ta=125℃, 1.6kVrms 바이어스에서의 고장 수명
광커플러	폴리이미드 테이프 +실리콘	0.4	3kV	1.6kVrms	부분 방전	열화 없음	〉4000시간
자기식	폴리이미드	0.017	3kV	1.6kVrms	공간 전하 열화/열역학	80시간	12시간
용량성	SiO₂	0.008	3kV	1.6kVrms	TDDB/E-Model	2500 시간	21시간

광커플러는 부분 방전 테스트 성능과 실제 수명 스트레스 성능이 차이 없이 일치하고 있음이 입증됐다.
자기식 아이솔레이터와 용량성 아이솔레이터의 절연이 모두 부분 방전 예측과 제조사의 예상보다 훨씬 빨리 파괴된 것은 놀라운 일이었다. 유사한 수명 테스트를 여러 번 반복했으나 결과는 동일했다.
안전 연속 동작 전압 정격을 입증할 때, 부분 방전 테스트가 광커플러의 적절한 테스트 방법임을 재차 확인할 수 있었다. 그러나, 대체 아이솔레이터에는 부분 방전 테스트가 아주 부적절한 테스트 방법이다. 특히, 이 결과에서 연속 고전압 동작이 과대 평가되어 위험한 것을 알 수 있다. 대체 아이솔레이터 제조업체는 보다 높은 전압 수명 모델링 기술에 의해 부분 방전 테스트를 보완해야 한다. 이런 모델링 기술은 가속 조건에서 생성된 형식 테스트 데이터(type test data)를 기반으로 한다. 한편, 이 수명 예측 방법은 다음과 같은 이유에서 어느 정도의 위험성이 있다.

 

1. 안전 용도에서는 고장률을 가정하면 안 된다.
2. 가속 조건과 실제 사용 조건에 큰 차이가 있다. 이 모델링 방법에서는 큰 오차가 발생할 수 있다.
3. 제조 불균형의 연속 모니터링과 핀 홀, 입자, 보이드(void) 등의 제조 결함을 검사하는 전수 테스트가 없다.

결론
국제 안전 규격 IEC 60747-5-5와 유럽 규격 DIN/EN 60747-5-2(IEC 60747-5-5의 초기 버전에 기반)는 이 테스트 방법이 자기식 및 용량성 디지털 아이솔레이터가 아닌 광커플러에만 적용 가능하다고 규정하고 있다. 이러한 규격은 분리 구조, 절연 재료, 열화 메커니즘 및 결함 검사 테스트를 대상으로 하고 있다. 수백만 개의 광커플러가 수십 년 동안 현장에서 사용돼 왔으며 그 유효성이 확인되고 입증됐다. 고전압 수명 테스트 결과는 광커플러의 부분 방전 테스트 예측과 충분한 상관관계가 있다.
모놀리식 IC 제조 공정에 따라, 대체 아이솔레이터(예를 들어, 자기식 및 용량성 아이솔레이터)는 일반적으로 얇은 절연층을 사용해 구성된다. 이러한 아이솔레이터는 광커플러에 비해 동일한 동작 전압에서 매우 높은 전계 스트레스를 받는다. 따라서 대체 아이솔레이터는 비교적 낮은 연속 동작 전압에서도 열화 메커니즘을 겪게 된다. 부분 방전 원칙에 기반한 규격은 대체 아이솔레이터의 안정적인 연속 동작 전압 정격을 제공하는 데 적합하지 않다.
일부 제조업체에서 제공한 추가적인 고전압 열화 모델링 데이터는 개별 안전 규격을 대체하지 못 한다. 또한 강화 절연 용도로 적합한 수준의 평가를 제공하는 것도 아니다.
실험실 테스트 결과에서 대체 아이솔레이터에 광커플러 규격을 적용하는 위험성은 분명하다. 시장에 널리 채택되기 전에 이러한 기술과 그 한계를 철저히 연구해야 한다.
대체 아이솔레이터를 안전 관련 애플리케이션에 사용하면, 기기 사용자에게 안전상의 위험을 초래하므로 최종 기기의 규정 준수와 장기 신뢰성에 대해 설계 엔지니어의 신중한 검사와 기량 인정을 필요로 한다.