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덕환 전
7 years ago
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1 韓國電磁波學會論文誌第 17 卷第 5 號 2006 年 5 月論文 이동통신주파수대역에서의동물실험용국부노출장치개발 Development of Local-Exposure Systems for In Vivo Studies at Mobile-Phone Frequency Bands 고채옥 박민영 도현정 * 김정란 정기범 ** 백정기 Chea-Ok Ko Min-Young Park Hyeon-Jeong Doh* Jeong-Lan Kim Ki-Bum Jung** Jeong-Ki Pack 요약 본논문에서는이동통신주파수대역인 PCS 와셀룰러대역 (PCS: 1,762.5 MHz, 셀룰러 : MHz) 에서전자파의인체영향규명을위해동물실험용국부노출장치를설계, 제작하였다. 제작된노출장치는카루셀형의마우스용국부노출장치로서 40 마리의마우스를동시에노출시킬수있으며, 피실험체인마우스에스트레스가없도록조명, 환기, 소음등환경조건을적절히고려하여제작되었다. 노출장치의노출량측정을위해온도프로브를이용한 SAR 측정을수행하였다. 마우스카데바와고체팬텀의머리부분내부의 3 점에대해측정하였으며, 실제로장기간의노출에이용되는조건에서시뮬레이션결과와잘일치함을확인하였다. 현재제작된노출장치는실제마우스의장기노출실험에사용되고있다. Abstract We have designed local exposure systems for long-time mice experiments in PCS and cellular frequency band(pcs: 1,762.5 MHz, cellular: MHz). The fabricated systems are local exposure systems of carousel type, and 40 mice can be exposed at a time. In order not to give extra stress to the mice ender experiment, the systems were fabricated to meet the environmental conditions such as illumination, ventilation, noise etc. SAR measurement was performed using a temperature probe. Measurements at 3 points in the head of mouse cadaver and solid phantom were made, and it has been confirmed that the measurement results are in good agreement with the simulation results in the real exposure environment. The exposure systems are currently used for long-term mice experiments. Key words : Local-Exposure, Exposure System, In Vivo, FDTD, SAR, EMF, Long-Term Experiment Ⅰ. 서론최근개인휴대통신의발달과이동통신전화기의급속한보급으로인체가전자파에노출될확률이높아지고있다. 이에따라국내외적으로전자파의인체노출에대한규정을확립하려는움직임과 그근거마련을위한연구가활발히진행되고있다. 전자기장의인체영향에대한연구는크게세포실험연구, 동물실험연구, 역학연구, 인간을대상으로한자원자연구로나눌수있으며, 세포실험과동물실험을포함하는생체실험연구를위해서는노출장치가필요하다. 생체실험은그것이동물에 본연구는정보통신부및정보통신연구진흥원의대학 IT 연구센터지원사업 (EMERC) 의연구결과로수행되었음 (IITA-2005-(C )). 충남대학교전파공학과 (Department of Radio and Science Engineering, Chungnam University) * 삼성전자수원 IT 센터 (Suwon IT Center, Samsung Electronics) **EMC 기술지원센터 (EMC Center) 논문번호 : 수정완료일자 : 2006 년 5 월 9 일 451

2 韓國電磁波學會論文誌第 17 卷第 5 號 2006 年 5 月 그림 1. 노출시스템구성도 Fig. 1. Block diagram of the exposure system. 대한것이든사람에대한것이든유해한건강영향에대해보다더납득할수있는증거를제공한다. 이러한전자파인체영향연구의일환으로본논문에서는국내이동통신주파수대역인 MHz( 셀룰러 ) 와 1,762.5 GHz(PCS) 에대한동물실험용전자파노출장치를설계, 제작하였다. 그림 2. 노출장치챔버의외형및내부 Fig. 2. Outside and inside view of the chamber. Ⅱ. 국부노출장치설계 2-1 노출장치시스템구성 그림 1은노출장치의시스템구성도이다. 챔버내부에는 4단의카루셀이적층되어 40마리의마우스를동시에노출시킬수있다 [1]. 노출주파수는이동통신대역인 1,762.5 MHz 및 MHz 로서실제단말기 CDMA 신호를증폭한후전력분배기를통해챔버내의각카루셀에신호를공급하며제어용 S/W를통해노출시간과노출량을사전에설정할수있게하였다. 2-2 챔버의설계본노출장치는마우스용으로카루셀의크기가작고챔버가위치할연구실의환경적조건을감안하여챔버외형의사이즈를 745 mm 1,060 mm 1,980 mm로제작하였다. 전자파차폐를위해알루미늄박스구조를사용하고, 내부반사방지를위해차폐재 (laminated absorber AEL 4.5, AEMI사 ) 를챔버내부에설치하여이동통신주파수대역에서의반사율을 20 db 이하로줄이고 SAR 측정을위한온도프로브및전기장센서의투입구도마련하였다. 카루셀은원반모양의트레이위에파이프형태 그림 3. 제작된카루셀과리스트레이너 Fig. 3. Picture of carousel and restrainer manufactured. ( 아크릴소재 ) 의리스트레이너 10개가방사상으로배치되어있다. 리스트레이너의내부직경은 34 mm 이며푸셔 (pusher) 를장착하여마우스를고정하고쥐의성장에따라길이를조정할수있게하였다. 또한노출실험중에발생할수있는마우스의배설물등을처리할수있도록리스트레이너아랫부분에배설구를설치하고 3 정도기울게하여배설물이흘러나와마우스에게영향을미치지않도록설계하였다. 노출장치에사용된안테나는 Motorola사에서제작된반파장슬리브다이폴안테나로노출장치의내부에서안테나간의격리가충분할수있도록트레이사이의수직간격을 46 cm로설정하였다. 사용된 PCS 대역노출장치의중심주파수는 1,762.5 MHz로채널 250에해당하며, 셀룰라대역노출장치의중심주파수는 MHz로채널 779에해당한다. 최대입력전력은 PCS 대역에선 30 W, 셀룰러 452

3 이동통신주파수대역에서의동물실험용국부노출장치개발 그림 4. 챔버내부의환기장치및조명 Fig. 4. Picture showing illumination and ventilation facilities inside of the chamber. 그림 5. 챔버모델링 Fig. 5. Modeling of the chamber for simulation. 대역에서는 60 W이며 1 W 간격으로출력레벨을조정할수있다. 또한노출장치내에서실험대상동물이스트레스를받지않도록하는것이매우중요하므로그림 4에보인것과같이형광등을이용한조명장치와환기장치를설치하였다. 챔버내부의환기는 2중환기장치를사용하였다. 하나는챔버천정에설치된환기팬을통한챔버환기장치이고다른하나는호스를통해각리스터레이너에신선한공기를주입, 순환시키는장치이다. 그리고환기용팬등에의한소음은 50 db 이하로줄이고, 조명은바닥에서 40~85 cm 사이에서 150~300 lux가되도록설계하였다. 2-3 마우스내부의 SAR 분포시뮬레이션카루셀내에위치한마우스내부의 SAR 분포는 FDTD 방법을이용하여 (SEMCAD) 시뮬레이션을수행하였다. 노출장치는그림 5 및 6과같이모델링하였으며, 시뮬레이션에사용된마우스의수치팬텀 (numerical phantom) 은그림 7과같이길이방향으로 8 cm(x), 폭방향으로 3.5 cm(z), 그리고높이방향 3.5 cm(y) 인크기로미공군연구소의쥐 (rat) 모델을참고로하여축소제작한것이다 [2]. 그림 7에서고체팬텀은측정에사용된마우스카데바가실제수 그림 6. 시뮬레이션에사용된마우스와카루셀모델 Fig. 6. Modeling of the carousel and restrainer for simulation. 치해석용마우스팬텀과모양이다를뿐만아니라실제측정시정확한형상을유지하기어렵기때문에동일형상에대한측정치와시뮬레이션값을비교하기위한것이다. 마우스는 FDTD의수렴조건을만족시킬수있도록 0.7 mm(x) 1.6 mm(y) 0.68 mm(z) 의셀크기로모델링하였고, 안테나는 delta gap 소스로여기하였으며, 흡수체는 PML로, 챔버외부의알루미늄구조는 PEC로모델링하였다. FDTD 시뮬레이션에의한두부 SAR 값의전신평균치와두부평균치는표 1과같다. 그림 8과 9는마우스내부의 SAR 분포를나타낸것이다. 그림 7. 수치해석용마우스팬텀및고체팬텀 Fig. 7. Numerical mouse phantom and solid phantom for simulation. 453

4 韓國電磁波學會論文誌第 17 卷第 5 號 2006 年 5 月 표 1. 마우스의수치해석팬텀을이용한시뮬레이션결과 Table 1. Simulation results for head SAR in the numerical mouse phantom. Frequency Brain-averaged SAR [W/kg/W] Whole body-averaged SAR [W/kg/W] PCS Cellular Whole body-averaged SAR/Brain-averaged SAR PCS 0.30 Cellular 0.73 (a) 고체팬텀모형을이용한시뮬레이션 ( 최대 SAR: 5.19 W/kg/W) (a) Solid phantom (Maximum SAR: 5.19 W/kg/W) (a) 고체팬텀모형을이용한시뮬레이션 ( 최대 SAR: W/kg/W) (a) Solid phantom (Maximum SAR: W/kg/W) (b) 마우스의수치해석팬텀을이용한시뮬레이션 ( 최대 SAR: 5.28 W/kg/W) (b) Mouse cadaver (Maximum SAR: 5.28 W/kg/W) 그림 9. PCS 대역 SAR 분포시뮬레이션결과 ( 중심단면 ) Fig. 9. Simulation results for SAR distribution at PCS band(vertical cut through the centre of body). (b) 마우스의수치해석팬텀을이용한시뮬레이션 ( 최대 SAR: W/kg/W) (b) Mouse cadaver (Maximum SAR: W/kg/W) 그림 8. 셀룰러대역 SAR 분포시뮬레이션결과 ( 중심단면 ) Fig. 8. Simulation results for SAR distribution at cellular band(vertical cut through the center of body). Ⅲ. 노출장치특성측정 3-1 안테나의특성측정 그림 10은 PCS 및셀룰러대역용슬리브다이폴안테나 (Motorola사) 를보인것이다. 각각의주파수 그림 10. PCS 및셀룰러대역안테나 Fig. 10. PCS and cellular antenna. 에서의안테나의반사손실은 12.9 db와 15.5 db로서전방향방사패턴을가지는다이폴안테나를통해마우스주위에동일한분포의전기장에노출될수있도록하였다. 실제의실험상황에서안테나의정합특성확인을위해마우스의부하효과 (loading effect) 를측정하였다. 그림 11과 12에보인것과같이고체팬텀과액체팬텀을하나씩 loading 시키면서안테나의반사손실을측정한결과그림 12와같이부하효과에의한최대편이가 1 db 이하로서추가정합이 454

5 이동통신주파수대역에서의동물실험용국부노출장치개발 그림 11. 고체팬텀및액체팬텀 loading Fig. 11. Picture of loaded phantoms in the carousel and the restrainers. 그림 13. 자유공간및챔버내부에서의필드분포특성측정비교 Fig. 13. Comparison of the field distribution inside the chamber with that in free space. 그림 12. 고체팬텀및액체팬텀 loading 에따른반사손실특성 Fig. 12. Return losses vs. number of loaded phantoms. 불필요함을알수있었다. 3-2 챔버내부흡수체의성능확인 챔버내부에설치된흡수체의성능을확인하기위해챔버내부에서의필드분포와자유공간상태에서의동일위치에대한필드분포를전자파무향실내에서측정하였다. 그림 13은측정결과를나타낸것으로 x축은리스트레이너의길이방향, y축은필드세기를나타낸다. 측정결과를보면실제마우스의노출관심영역인머리부분에해당하는영역 ( 약 15 cm 이내 ) 에서최대편이가 1.5 db 이하로서챔버내부의흡수체가반사신호를적절히차단하여자유공간에서와거의유사한필드가형성되고있음을알수있다. 3-3 챔버의차폐효과및환경측정 노출장치는외부전자기장의영향을받지않아야하며, 다른실험장치, 통신시스템및실험자에게영향을미치지않도록적절히차폐되어야한다. 그림 14는차폐효과측정장면을보인것이다. 측정결과 PCS 대역노출장치의전체적인차폐효과는 70 db, 셀룰라대역은 65 db로서주변기기나실험자, 다른실험장치에영향을미치지않는다는기존목표에잘부합하는것을확인하였다. 그리고챔버내부의조도측정 (ANA-999 Lux meter, Tokyo Photoelectron사 ) 결과는바닥에서 40~85 cm 사이의조도가 250 lux로서당초설계사양을잘만족시키며, 소음측정 (SOUND LEVEL METER NA-24, RION사 ) 결과또한설계목표치인 50 db 이하가됨을확인하였다. 3-4 SAR 측정 SAR 특성은 PCS 대역및 cellular 대역에서온도프로브 (Luxtron 790 프로브, Luxtron사 ) 를이용하여측정하였으며, 마우스카데바와고체팬텀의두피실험체를사용하여측정하였다 [4]. 고체팬텀혹은마우스카데바를이용한측정모두실제의부하조건과같도록하기위해그림 15에보인액체팬텀을부하용으로사용하였고 ( 실제쥐는이동때문에사용이어렵고카데바도반복실험에대한부패가능성및형상유지의어려움이있 455

6 韓國電磁波學會論文誌第 17 卷第 5 號 2006 年 5 月 표 2. 액체팬텀의전기적특성 ( 측정치 ) Table 2. Electrical properties of liquid phantom. Permittivity Conductivity Frequency [MHz] 1, , Target Measurement (a) 챔버가없는경우의방사전력측정 (a) Without chamber (b) 챔버에적층시킨후의방사전력측정 (b) With chamber 그림 14. 챔버의차폐특성측정장면 Fig. 14. Picture showing the measurement of shielding effectiveness of the chamber in an anechoic chamber. 음 ), SAR 측정용으로는마우스카데바와고체팬텀을사용하여동일한측정을반복하였다. 그이유는마우스카데바는정확한형태유지가어렵기때문에시뮬레이션결과에대한검증을보다정확하게하기위함이다. 각각의주파수에서사용된액체팬텀의전기적특성은표 2와같다. SAR 측정에서는실제마우스와유사한형태와전기적특성을가지는고체팬텀을제작하는것이중요하다. 따라서측정에사용된고체팬텀은마우스와유사한형상의팬텀을얻기위해 12주령의마우스 (C57BL/6N) 에서 3-D scanning 기법을이용해 3 차원표면데이터를추출하고이를이용하여마우스 CAD 파일을제작하였다. 제작된 CAD 데이터를 RP(Rapid Prototype) 기법을이용하여 2차원단면데이터를순차적으로적층하는방법으로실리콘몰드를만들고, 이를이용하여마우스의정확한형상을가진고체팬텀을제작하였다. 이때고체팬텀은전기적으로두뇌조직등가물질로서표 3과같은물질로이루어져있다 [3]. 완성된고체마우스팬텀은그림 16에나타내었다. 그림 15. 실험용액체팬텀 Fig. 15. Liquid phantom equivalent to brain tissue. 그림 16. SAR 측정을위해제작한고체팬텀 Fig. 16. Solid phantom used for SAR measurement. 456

7 이동통신주파수대역에서의동물실험용국부노출장치개발 표 3. 고체팬텀의물질및구성비 ( 두뇌등가조직 ) Table 3. Composition of the material used for solid phantom tissue(brain-equivalent tissue). Ingredient Ratio [%] De-ionized water Agar 2.54 NaCl 0.52 NaN TX Polyethylene Powder 역에서는초기 5분동안의온도상승곡선을이용하여온도상승값을구한후식 (1) 을사용하여 SAR 값을구하였다. SAR 값은다음식 (1) 과같이노출시간에따른온도상승량으로부터구할수있다. SAR = C p T t C p dt dt C p : 조직비열 [J/kg ] T : 노출에의한온도상승 [ ] t : 노출시간 [sec] (1) (a) Point 1 온도프로브를이용한 SAR 측정은머리앞쪽부터 3 mm 간격으로 3 포인트에걸쳐측정하였다 ( 그림 9 참조 ) [4]. PCS 대역에서의 SAR 값은피실험체인마우스카데바와고체팬텀에서열방출이일어나기전인초기 2분의온도상승곡선을, 셀룰러대 (b) Point 2 그림 17. 마우스카데바를이용한 SAR 측정 Fig. 17. Measurement for mouse cadaver. (c) Point 3 그림 18. 고체팬텀을이용한 SAR 측정 Fig. 18. Measurement for solid phantom. 그림 19. PCS 대역에서의온도프로브를이용한 SAR 측정결과 Fig. 19. Results of the thermal probe measurement in the head of mouse cadavers and solid phantoms at PCS band. 457

8 韓國電磁波學會論文誌第 17 卷第 5 號 2006 年 5 月 그림 19는 P1, P2, P3에서측정된온도상승곡선을보인것으로입력전력은각각 30 W( 셀룰러대역 ), 60 W(PCS 대역 ) 이다. 여기서입력전력은안테나에연결된케이블에공급되는각해당채널 ( 셀룰러대역은채널 779, PCS 대역은채널 250) CD- MA 신호의채널전력을나타낸다. SAR 계산시인간의두뇌조직의조직비열 3,700 J/kg C을사용하였으며각각의주파수에서의케이블손실값을고려하여계산하였다. 그림 20과 21은입력전력에대해정규화된 SAR 측정치와시뮬레이션값을비교한그림이다. 온도측정에사용된온도프로브의해상도는 0.1 C이므로측정된 SAR 값은식 (2) 에주어진것과같이유한한오차를가진다. 그림 20과 21에서 Max, Min으로표시된데이터가식 (2) 로부터계산한오차범위를나타낸것이다. SAR = C p (T±0.1) t C p d(t±0.1) dt (2) 그림 20과 21에서고체팬텀을노출시켰을경우, 셀룰라대역에서 P1, P2, P3에대한 SAR 측정값은시뮬레이션의최소값과최대값 ( 머리부분 SAR 값의최대, 최소값 ) 인 0.36 W/kg/W와 0.72 W/kg/W 사이에서측정되었고, PCS 대역에서도시뮬레이션의최소, 최대값인 4.62 W/kg/W와 6.93 W/kg/W 사이에서측정되었다. 3개의 SAR 측정포인트에대해시뮬레이션값을직접비교하지않은이유는측정에사용된마우스카데바및마우스팬텀의측정포인트와시뮬레이션모델의해당포인트를일대일로대응시키기가어렵기때문이다. 그림 20과 21에서알수있듯이셀룰러대역노출장치의 SAR 값은 PCS 대역노출장치에비하여 (a) (a) (b) 그림 20. 셀룰러대역 SAR 에대한시뮬레이션및측정결과비교 Fig. 20. Comparison of simulation and measurement results for SAR at cellular band. (b) 그림 21. PCS 대역 SAR 에대한시뮬레이션및측정결과비교그래프 Fig. 21. Comparison of simulation and measurement results for SAR at PCS band. 458

9 이동통신주파수대역에서의동물실험용국부노출장치개발 상당히낮다. 그이유는마우스길이가신호원의반파장일때공진이일어나에너지흡수가최대가되는데, 셀룰러대역과 PCS 대역신호원의파장은각각 cm, cm로서, PCS 대역신호가마우스길이방향의공진조건에더가깝기때문이다. Ⅳ. 결론본연구에서는국내이동통신주파수대역인 1,762.5 MHz 및 MHz에서전자파의인체영향규명을위한동물실험용국부노출장치를설계, 제작하였다. 제작된노출장치는카루셀형의마우스용국부노출장치로서 40마리의마우스를동시에노출시킬수있다. 장치내부에대한전기장분포특성과외부에대한차폐특성을측정하고노출장치의환경특성이피실험체인마우스에환경스트레스가없도록제작된것을검증하였다. 노출장치의노출량검증을위해고체팬텀과마우스카데바의두가지피실험체에대해온도프로브를이용한 SAR 측정을수행하였다. 측정결과는시뮬레이션결과와잘일치하였으며, PCS 대역노출장치는신호원의파장이마우스길이방향에대한공진조건에가깝기때문에 cellular 대역노출장치에비하여 SAR 값이상당히높음을확인하였다. 현재제작된노출장치는서울대의과대학에서실제마우스 의장기노출실험에사용되고있다. 참고문헌 [1] E. G. Moros, W. L. Straube, and W. F. Pickard, "A compact shielded exposure system for the simultaneous long-term UHF irradiation of forty small mammals: I. Electromagnetic and environmental design", Bioelectromagnetics, vol. 19, pp , [2] C. K. Chou, G. W. Chen, A. W. Guy, and K. H. Luk, "Formulars for phantom muscle tissue at various radiofrequencies", Bioelectromagnetics, vol. 5, pp , [3] Yoshinobu Okano, Koichi Ito, Ichirou Ida, and Masaharu Takahashi, "The SAR evaluation method by a combination of thermographic experiments and biological tissue-equivalent phantoms", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 48, pp , Nov [4] M. Swicord, J. Morrissey, D. Zakharia, M. Ballen and Q. Balzano, "Dosimetry in mice exposed to 1.6 GHz microwaves in carrousel irraditor", Bioelectromagnetics, vol. 20, pp , 고채옥 2004 년 2 월 : 충남대학교정보통신공학부 ( 공학사 ) 2004 년 3 월 ~2006 년 2 월 : 충남대학교전파공학과 ( 공학석사 ) [ 주관심분야 ] 전자파산란, 전자파인체영향 박민영 2004 년 2 월 : 충남대학교정보통신공학부 ( 공학사 ) 2004 년 3 월 ~2006 년 2 월 : 충남대학교전파공학과 ( 공학석사 ) [ 주관심분야 ] 전자파산란, 전자파인체영향 459

10 韓國電磁波學會論文誌第 17 卷第 5 號 2006 年 5 月 도현정 인체영향 2002 년 2 월 : 충남대학교전파공학과 ( 공학사 ) 2004 년 2 월 : 충남대학교전파공학과 ( 공학석사 ) 2004 년 3 월 ~ 현재 : 삼성전자정보통신총괄수원 IT 센터 [ 주관심분야 ] 전자파산란, 전자파 정기범 1999년 2월 : 국민대학교전자공학과 ( 공학사 ) 2001년 2월 : 국민대학교전자공학과 ( 공학석사 ) 2002년~현재 : 한양대학교전자통신전파공학과박사과정 2004년~현재 : EMC 기술지원센터 EMC 팀장 /P.L [ 주관심분야 ] EMC, 전자파수치해석, 안테나설계 김정란 2006 년 2 월 : 충남대학교정보통신공학부 ( 공학사 ) [ 주관심분야 ] 전자파산란, 전자파인체영향 백정기 1978년 : 서울대학교전자공학과 ( 공학사 ) 1985년 : Virginia Tech. ( 공학석사 ) 1988년 : Virginia Tech. ( 공학박사 ) 1978년 3월~1983년 2월 : 국방과학연구소 1988년 10월~1989년 2월 : 한국전자통신연구원 1989년 3월~1995년 2월 : 동아대학교전자공학과부교수 1995년 2월~현재 : 충남대학교전파공학과교수 2004년 3월~현재 : 충남대학교전자파환경기술연구 (EM- ERC) 센터장 [ 주관심분야 ] 전자파전파및산란, 전자파생체영향 460

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韓國電磁波學會論文誌第 21 卷第 12 號 2010 年 12 月論文 2010-21-12-03 On Reducing the Shadow Region for Extending the Service Area of TBN-Jeonju Broadcasting 김태훈 이문호 이미성 조계문 Tae-Hoon Kim*, ** Moon Ho Lee* Mi Sung Lee* Kye