포커스 고고도핵전자기파 /HEMP 방호기술동향 - HEMP 시뮬레이션툴 KTI CODE 개발 - 정용관 * 민경찬 ** 본고의내용은최근북한의연속된핵실험과핵위협이고조되는가운데국내외적으로관심이높아지고있는고고도핵전자기파 (HEMP) 에대하여기술한것이다. HEMP 관련기술의연구역사를살펴보고세계적현황과더불어필자가개발한모의시험도구 2 종, HEMP 검출장비를포함하여 HEMP 방호기술에대해기술한다. 핵폭탄폭발고도에따라주변지역에미치는전계의계산, HEMP 방호시설의핵심설비인차폐시설의차폐도계산, 지하구조물의차폐도계산, HEMP 관련부대시설설계의핵심기술동향에대해설명하고자있다. 목 차 I. HEMP 관련연구및모의시험도구의개발현황 I. HEMP 관련연구및모의시험도구의개발현황 II. 개발목표및개발과정 III. 주요 HEMP 시뮬레이션결과요약 IV. HEMP 방호시설설계 / 시공관련 V. 결론 최근들어북한의핵위협과연평도도발그리고 GPS 교란등전자무기의군사적활용빈도가높아짐에따라 ITU-T K.78(HEMP), ITU-T K.81(HPEM) 그리고 IEC 77C 에서상용기기에대한 HEMP(High Altitude Electro-Magnetic Pulse) 관련규격을제정하면서국내 EMC 분야에서높은관심을받고있는것이고고도핵전자기파 /HEMP 이다. 우선용어정의에있어고고도핵전자기파는에너지량에서는매우크지만, 목적에따라분류하면사람이만든고출력전자무기 /HPEM(High Power Electro Magnetics) 의한부류에속하며, 지구에영향을주는전파현상 * KTI HEMP TEAM/ 선임연구원 ** KTI HEMP TEAM/ 팀장 적측면에서보면최근에문제되었던 Solar storm 하고맥을같이한다. 1
주간기술동향 2011. 4. 15. 1964 년이후 HEMP 분야연구를주도한미국의군사기술문서대부분이 IUT-T 문서, IEC 77C 가제정되면서관련전문가들이많이참여하고, 당시연구자들이정년퇴임하면서공개되었으나, 미국에서그동안개발된 HEMP 모의시험도구는보안처리되어공개되지않고있다. 특히 HEMP 의경우, 우리의입장에서볼때실제실험과측정이거의불가능하기때문에절대적으로 HEMP 방호시설의설계및시공에있어컴퓨터모의시험도구에의존할수밖에없다. HEMP 툴은 1974 년미국의공군무기연구소에서개발한 CHAP 코드그리고 CHAP 코드와약 5% 정도오차는있으나컴퓨터연산시간을단축하여개발한미공군기술대학의 Louis W. Seller 가 1975 년제시한 HAEMP[1], 1990 년독일의 K.D Leutha user[2] 가개발한 EXEMP 코드가있는데, 이들관련논문을처음대하면기초물리학, 핵공학, 기상학, 전자공학, S/W 공학등매우여러분야가복합되어매우난해하다. 이들각각의모의시험도구의특징은모든이론적배경이 1962 년 W.J Karzas 와 Richard Latter 가발표한논문 [3],[4] 에바탕을두고있는것이공통점이다. 최근 2010 년 1 월에미국의 Metatech 에서발표한보고서 [5] 에서는 HEMP 발생구조는과거이론을그대로사용하면서앞서개발된코드를전파의방향과각도를잘정리하여혼동하기쉬운감마선방사- 지표면 20~30km 상단의대기층과충돌- 전자발생-2 차전자발생- 지자계의영향- 대기의도전율-HEMP 발생과전계, 자계의방향-HEMP 의진행방향- 관측점의전계량계산에이르기까지물리량의변화와여러가지각도를알기쉽게정리하고전력선유도에대한통계적내용을담고있다. 다만이보고서의내용중 Smile diagram 의 Tan 거리에서 0 에수렴하도록한것은기존논문이 Tan 거리에서 0.5E max (0.17E max ) 가되는것과다소차이가있다. 한국기술연구소개발툴로시뮬레이션한결과, EXEMP 코드결과와최대전계상승비가 Tan 값에서 0.17E max 로정확히일치하는것을확인하였다. 한국기술연구소에서는앞서설명한필요성에의해관련이론을바탕으로 HEMP 방호시설을효과적으로설계, 시공하기위한목적으로개발되었으나, 이후한단계더나가방호시설상세설계와재료설계까지내용을포함하여가능한한국형 HEMP 코드를개발하게되었다. 여기서고고도핵전자기파 /HEMP 란용어에충실하기위한폭발고도 /HOB(Height Of Burst) 는최소 30km 이상이어야하고, 지상폭발과저고도폭발에의한전자기적해석은본고에포함시키지않았다. 2
II. 개발목표및개발과정 1. 개발목표탄두의크기별감마생성량계산, 고도별 HEMP 가미치는범위와면적계산, 단위벡터를이용한수직, 수평면상의전계분포를포함하여 HEMP 방호시설설계를위한주요내용을시뮬레이션할수있게개발하였다. 주요개발목표는다음과같으나, 여기서는그일부만소개한다. 가. HEMP 의발생구조해석 /Smile diagram - 탄두의크기별감마선생성량 - 고도별 HEMP 가미치는영역계산 - 고도별 HEMP 가미치는거리계산 - HEMP 전계의수평, 수직 Cut view - 지표면상 HEMP 발생전계의 3 차원그래프표현 - 수평, 수직 Smile diagram 자동연산구현 - 한반도주변국가가포함된지도위에 HEMP 수직, 수평전계맵핑기술구현 나. 가공선및지하매설케이블의 HEMP 유도량계산 - 가공선 ( 전력선, 통신선 ) 의길이와입사각도에따른유도량계산 - 지하매설케이블의깊이에따른유도량계산 - 차폐케이블에의한 HEMP 유도량 - 가공전력선, 통신선의길이별, 높이별, 수직 / 수평, HOB 별유도전압의확률분포 다. HEMP 방호용차폐시설실드룸재료및구조 ( 이음매 ) 설계방법 - 일반전자기기, 회로및부품이 HEMP 또는 HPEM 에견디는레벨입력 - 재료정수, 차폐재이음매개수및간격이차폐도에미치는영향해석과차폐재료, 두께선정시뮬레이션 - 방호용차폐시설의크기결정 - 암반이나흙으로된지하터널내재료정수에따른차폐도계산 라. HEMP 방호용과전압보호소자및필터회로설계방법 - 회로정수가순시응답특성에미치는이론적시뮬레이션 3
주간기술동향 2011. 4. 15. - HEMP 용과전압보호소자의전기적, 기계적요구 - HEMP 용필터의 L, C 값최적설계계산 마. 접지설계가 HEMP 보호특성에미치는영향분석및설계방법 - 콘크리트건축물철골조의본딩방법 - FG-dc(-), FG- 차폐룸, 제어실의등전위최적설계 - 전원및제어계의접지체계 - 배관및시설재의본딩및접지체계 2. 개발과정과결과 가. HEMP 의발생구조해석 /Smile diagram 개발과정고고도핵전자기파의발생및전달구조의이론적분석절차는 ( 그림 1) 로요약된다. HEMP 발생구조해석은전자공학전공자로서꽤많은어려움을겪었다. 특히기초물리분야에사용되는각종공식, 용어, 수식의물리적의미를파악하는데상당히어려운해석과정을거친다. 본툴개발에가장어려웠던것은통일되지못한표기체계와각물리량이갖는차원식즉, 단위계산이었다. 여기서는주요과정의간략, 개발된툴의주요결과그리고방호시설설계를위 탄두의크기별, 고도별감마생성량 감마선평균경로 / 에너지량산출 - 감마선충돌에의한컴프톤전자의발생과전하밀도실험식 - 운동방정식 - 감마선평균경로 / 에너지량 - Larmor frequency - 분자단위물리량의에너지 - 대기의밀도 - 대기의도전율 - 단위벡터및공간해석 - 지자계량계산 - 맥스웰방정식 시간 t, 주어진거리 r 에서컴프톤 1 차전자수의시간변화율 Karzas-Latter 이론도입 2 차전자계산컴프톤전류밀도계산지자계내전자의운동방정식을구좌표로표시해수면대비 20~30km 지점의대기도전율산출전류밀도와대기도전율관계에서관측점의전계계산 지도상에전계맵핑 ( 그림 1) HEMP 발생및전달구조이론분석절차간략 4
한고려요소등전체적인기술동향에대해만설명한다. 특히본연구결과는국익에큰영향을줄수있기때문에가급적 ITU-T 와 IEC TC77C 내에서설명한다. 전계량계산에서는핵폭발과정의시간분포함수 f(t) 가매우중요한역할을하며, 기존발표된코드별로계산결과가조금씩다른것을알수있다. 만일시간분포함수 f(t) 가달라지면감마선분포가달라져지표상의전계분포 /Smile diagram 이달라지고최대전계값과 Tan 지역의전계비가달라지게된다. 전계량예측에절대적으로영향을주는것은지구의지자계입사각도와지상 20~30km 에서대기의도전율분포이다. 본시뮬레이션결과를 EXEMP 코드가가장권위있다고판단되어, Tan 지역전계값을 EXEMP 코드와비교하여잘일치하는것을확인하였다. 코드에따른전계량차이는실제방호시설의설계와구축에서과전압보호소자의특성상거의영향이없다고보면된다. 나. 낙뢰와 HEMP 신호의전기적차이점및북한 HEMP 공격이한반도주변국가에미치는영향낙뢰에대한연구는인류가태어나면서부터경외심을갖게되었으며가장연구가깊고오래되었다. 낙뢰와 E1 HEMP 의차이점은에너지량을비슷하게취급하고있으나펄스의상승시간이 HEMP 가낙뢰에비해 10 3 정도빨라낙뢰가 us 단위라면 HEMP 는 10ns(2~5ns) 이하로매우빠른상승시간특성을갖는다. 낙뢰의경우발생높이가낮은곳에서발생하는경우그피해면적이작은것에비해 HEMP 는반경 1,000km 정도넓은것이특징이다. 유도량의전기적특징은 < 표 1> 과같다. HEMP 발생최대전계값의경우 IEC 과 MIL STD 에약간의차이가있으며, HEMP 파형정의에사용되는수식이 2~3 정도소개되고있다. HEMP 의최대전계가 50kV/m(60~70kV/m) 라고 < 표 1> HEMP 와낙뢰의전력선유도량의전기적특징과전기량 [6] V 조건 max I max dv di [kv/ns] Idt 2 Idt IVdt [A/ns] [MV/m] [ka] dt dt [Coulomb] [A 2 -sec] [Joules] 길이가긴 8 14 40 100 10-2 150 6 10 4 가공전력선 길이가짧은가공전력선 8 2.5 40 100 2 10-3 5 2 10 3 지하매설전력선 8 2.5 8 20 - - - 직격 최대 100 100 낙뢰 일반 10 25 0.8~8 2~100 40 3.1 10 16 1.2 10 8 간접낙뢰최대 6 15 - - 4.5 1.8 10 4 7 10 6 * 전압계산은일반전력선서지임피던스가 400Ω 경우, 낙뢰방전전압예측은정극성초고전압이라불리는값으로추정하지않았으며, 대략일반낙뢰전압의 10 배정도로가정 5
주간기술동향 2011. 4. 15. 할때지자계의영향으로지표상전계세기는북반구의경우남쪽으로치우치게되며, 지표면최대합성전계는폭발고도 HOB 의남쪽대략 1.4~1.8 배거리에서 10kT 의경우약 60kV/m 정도검출되며 Tan/ 가시거리에서 26kV/m 정도, 수직의경우직하점서쪽 2.5 HOB 지점 [5] 에서 22kV 정도검출되고파형의상승시간은 2~5ns 정도이다. 여기서주목해야할것은만일북한이서울상공 100km 지점에 10kT 의핵탄두를폭파시키는경우남한뿐만아니라한반도주변국가인중국과일본에도크게피해가예상된다. 이부분에대해서는별도논문으로발표될예정이나수직, 수평합성전계의경우일본은 Tan/ 가시거리에서 10~ 30kV/m 의전계에노출될수있으며, 중국은수직전계가 Tan/ 가시거리내에서중파안테나등에일본보다큰피해가예상된다. ( 그림 2) 와같이 IEC 에서는 HEMP 가약 300MHz 대역까지주파수분포를하는것으로정의되고있으나, MIL 관련논문에서 HEMP 주세력분포를 150MHz 까지보는것이특징이다. 일반적으로 RF 나 EMC 분야를전공한분들이신호해석을하며, 주로주파수축에서신호해석이이루어지지만 HEMP 는시간축에서해석되는것이특징으로특히센서의구조와검출방법이완전히다르다. 신호발생기로구분하면 HEMP 는 Marx generator 의출력파형과같은반면, 낙뢰신호발생기는일반서지발생기와같이 C-R 정수에의해신호가만들어진다. HEMP 신호를시간축에서측정하는것은신호자체가일과성신호로상승시간이빠르기때문에주파수축에서측정하는것은 FFT 의변환시간의한계때문으로판단된다. E1 HEMP 신호발생기 (Short pulse) 의출력단자는주입도선의임피던스와부하임피던스에 ~10-1 Spectral Density [(V/m)/Hz] Lightning c) 1/ω E1 HEMP 1/ω Wideband(UWB) Range dependent Narrowband a) Range dependent (e.g. HPM, HIRF, etc.) ~10-3 1/ω 2 EMI Environments b) 1/ω 2 ~10kHz ~1MHz ~10MHz ~300MHz ~1~10GHz Frequency[Hz] a) narrow band extending for ~0.5 to ~5GHz b) not necessarily HPEM c) significant spectral components up to ~10MHz depending on range and application ( 그림 2) 낙뢰, HEMP, UWB 신호의주파수분포비교 6
의해큰영향을받는다. 광대역 HPEM 전자파무기류에서저역은 Marx generator 를, 1GHz 미만은고출력증폭기를사용하고, 1GHz 이상은마그네트론 (Magnetron) 이나 TWT 등을이용하여수백 MW 급출력을단극성또는복극성신호를만들어사용한다. HEMP 의대책수립에있어전도적결합량을감소시키기위한과전압보호소자를사용하며, 과전압회로설계방법은기본적으로낙뢰보호회로와다른특성을갖도록설계할필요가있다. 가장중요한것은과전압보호소자의응답속도, 전류내량, 정전용량그리고회로내직렬보호소자의구성에서저항보다는인덕턴스성분을삽입하는것이이상적이다. HEMP 에의한 E1, E2, E3 펄스중에변전소와통신선, 전력선의절연재, 분전트랜스에실제화재나손상을입히는것은 E3 로그특성이전압은낮으나 20 초이상지속되므로주울열에의한손상이치명적이다. E1, E2 는전자부품이나회로에공간적인유도경로를통해높은전압을유기시켜프로세서제어기기를오동작시킨다. 한편전도적결합된 HEMP 펄스의전압이높으면기기손상을쉽게일으키는것으로알고있으나필자의실험적고찰로는 E1 과같이펄스상승시간이빠르고폭이좁은펄스에대해서과전압보호소자는오히려전압이높을수록더욱정확하게동작하는데비해, 비교적펄스전압이낮아과전압보호소자의동작전압근처전압에대해지속시간이긴경우, 소자의필수복구시간이요구되므로반복적인펄스에의해과전압보호소자는치명적이다. 따라서 E3 와같이전압이낮으면서지속시간이긴펄스에의해전력, 통신, 제어계통설비가전도적으로유입된 HEMP 신호에의해손상될확률이매우높으므로관련부품을유효하게설계할필요가있다. HEMP 에의한가공선또는지중매설케이블의유도전기량에대해서는논문마다차이가많은데참고문헌 6 을인용하여 < 표 1> 로요약한다. 기기의오동작발생을일으키는 E1, E2 의영향을판단할때는반드시기기나회로가갖는방사내성레벨을고려해야오동작유무를판단할수있다. 방사내성레벨에대한내용은참고문헌 9 을참조하기바란다. III. 주요 HEMP 시뮬레이션결과요약 ( 그림 1) 의절차를거쳐개발된 HEMP 방호시설설계를위한 KTI CODE 로시뮬레이션한결과가운데한국기술연구소기술보안을고려하여몇가지만소개한다. ( 그림 3) 의좌측은미국의 EXEMP 코드로시뮬레이션한결과이며, 우측은 KTI 코드로시뮬레이션한결과로비교를위해미국의지자계각도로같게하여비교하였다. 한국기술연구소시 7
주간기술동향 2011. 4. 15. (a) EXEMP 코드, (b) KTI 코드 * 100km 서울상공, 67 도로같은조건, V+H sum ( 그림 3) 미국본토의자계각도에서 EXEMP 코드와당소 KTI Cord 의스마일그래프비교 뮬레이션결과와정확하게일치하는것을그림과데이터상에서확인할수있었다. ( 그림 4) 와 ( 그림 5) 는서울상공 70km 상공에서 10kTon 핵탄두가폭발했을때한반도주변 ( 그림 4) 한국의자계각도 (50 도 ), 폭발고도 /HOB 70km 에서수평전계분포 8
( 그림 5) 한국의자계각도 (50 도 ), 폭발고도 /HOB 70km 에서수직전계분포 국가에미치는영향을한국기술연구소개발툴로시뮬레이션한것으로최대점에서최대전계상 de 승비 ( ) 는약 84.5kV/m 이고 Tan 가까이는 14.3kV/m 이다. 참고로최대전계는약 60kV/m 이 dt 고 0.8Tan 에서는약 0.5E max 인 30kV/m 정도된다. 이는 ( 그림 4) 와 ( 그림 5) 와같이서울상공 70km 에서폭발시중국의동북 3 성과일본의남서부지역에 10~30kV/m 의전계가영향을줄것으로판단된다. 지자계각도차이에의한전자계분포를미국과한국을비교해보면 smile diagram 이미국보다한국이남북으로납작한형태를갖는데이는남한에전계가집속된다는것을의미한다. 상세한것은별도논문으로발표할예정이다. IV. HEMP 방호시설설계 / 시공관련 1. 방호시설의설계절차및평가 HEMP 방호시설의최적설계는국내에서 HEMP 를실제시험할수있는환경이못되고, 성능평가장비도미국의수출규제품으로접근이용이하지않기때문에미국등에서실시한 HEMP 시험결과와연구논문을참고할수밖에없어주로컴퓨터시뮬레이션에의존하여예측하고설계하는방법이이상적이다. 특히지하터널내구축되는방호시설의경우터널 ( 암반과흙 ) 자체의차폐도계산에있어재료정수로해석하여야만최적설계가가능하기때문에반드시시뮬 9
주간기술동향 2011. 4. 15. 레이션툴의도움이필요하다. HEMP 방호시설의차폐실은기본구조는유사하나필터, 과전전 압보호회로, 접지체계는전혀다른구조를하고있다. 특히도어의경우차폐도도중요하지만 출입의편익성을위해도어개폐가일반도어와유사하게편리해야되기때문에차폐도를분담시 키기위해 2 중도어를권고하고있으며, 차폐실의구조도자연적인차폐도를증가시키기위해 ㄱ, ㄹ 자구조를권고하고있는것이차이점이다. 방호시설의경제적인구축을위해중요한 것은통신망의계위에따라방호등급을별도로정해공간전파에대한차폐도와 HEMP 의전도 유도량에대한대응방법을구체적으로제시하여관리할필요가있다. 예를들어위성망이가장 상위레벨의통신망이라고위성망만대책으로세운다면, 만일 HEMP 가발생할경우위성망만살 아있다고해서국가전체통신망이원활하게이루어진다고볼수없다. 따라서통신망의계위에 따라, 그리고각시설의구조를전문가의도움을받아정밀하게진단하여공간적, 전도적대책을 < 표 2> HEMP 방호시설설계 / 시공, 성능검사절차 단계별상세내용 1. HEMP 발생, 전달, 에너지량, 유도및대책방법에대한기본이해, 신축및기존건물에따른방호능력예측, 방호시설의크기, 전략및통신망에대한전략량예측과통신포트수, 비상전원, 대상방호시설선정, 외부안테나처리, HEMP 검출장비, HEMP 대비접지방법등전문가자문및컴퓨터시뮬레이션 2. 접지설계 : 5 옴미만. 접지망구조설계 : 접지망분배, 본딩, 접지선의굵기, 대지도전율측정, Clean 접지선인출수결정, 접지 Stud 설치위치, 방호시설하단접지그리드설계, 철골조접지처리방법, 접지선간연결방법 : 지하및콘크리트내는용접, 지상크래핑콘크리트강화용철근재본딩간격, 지중메시와연결방법과위치선정, 메시와접지봉간용접, 접지봉의개수및간격결정, 배관재본딩방법과시방 3. 전원계통 HEMP 방호설계 : 전기용량예측, 과전압보호회로설계, 전원필터최소요구, 전력계위설계, 비상전원의용량설정, 절연트랜스 1~2 차용량 / 잡음감쇠량, 옥내배관방법, 전원차단기용량설정등부분품의 MIL 요구사항검토 4. 데이터, 음성급통신망설계 : 광케이블의회선수, 광장비물량산출 ( 음성, 영상, 데이터 ) Rack 의크기, 광장비의 HEMP 내성 (MIL STD RS105, CS115, 116) 등기술적요구규격검토 사전검토 5. 외부인출무선통신용급전선 ( 도파관, 동축 ), 소방, 급수, 환기등 HEMP 설계고려 6. 방호시설크기 ( 가로, 세로, 높이 ), 도어크기및개수결정, 실선인출용도파관길이결정 7. HEMP 감시및비상조치장비등소요물량산출및소요부품의전기적 spec 작성, 설치부품별 HEMP 성능검사요구, Spare part 수량산출 8. 발주 : 위모든내용이포함된기본설계요구를종합하여발주 기본설계 9. 시공자가위상세내력을근거로실시설계도및성능검사계획서작성제출 / 검토 / 승인 실시설계 10. 시공 : 시공중설치되는각각의부분품에대한성능확인 / 공인시험기관성적서 11. 필수성능검사 : 1 SE, 2 Short Pulse, 3 Intermediate Pulse, 4 CW immersion 총 4 개항 * Long pulse 의경우전원이나통신선에직렬로속도가빠른열휴즈가삽입된경우생략가능 * 성능검사및인수시험은 ISO 17025 공인시험기관에의해시험평가되어야함 감리시공 10
경제적으로마련하는것이요구된다. 참고로공가적인대책은기존건물의차폐도를향상시키는방법으로, 전도적대책은보다적 극적인방법을채택하여 HEMP 에대한대책을수립할필요가있다. 2. HEMP 검출및비상조치장비 우리가현재생활하고있는조건에서고고도핵폭발이일어나면, 미국은인지할것이나우 리나라는일어난자체를인지하는데많은시간이필요할것이다. 그만큼 HEMP 는사람에게는 무해하며건축물에도전혀피해가발생하지않는다. 다만달리던자동차가멈추거나자동화된 산업설비가갑자기멈추는현상이발생되며, 전력공급시설이치명적인피해를입게될것이므 로비상전원이없는공장이나사무실은최소한 < 표 2> 와같이 1.5 개월이상최장 33 개월정도 가완전복구에필요한것으로보고되고있다. < 표 3> 워싱톤상공에 HEMP 가발생했을때피해규모와예상복구시간 MidpoinG of Replacement Percentage of Capacity Damaged Infrastructure Times(months) Low Case Mid Case High Case Low Case Mid Case High Case Transformers 10% 40% 70% 2.5 13.5 33 Electric grid Other 30% 40% 50% 1.5 5.0 10 Communications Large 10% 20% 50% 4.0 18.0 27 Systems Small 5% 20% 50% 2.0 12.0 17 SCADA All types 5% 20% 50% 1.5 5.0 10 Electronics Large 20% 45% 70% 4.0 12.0 17 Small 1% 2% 3% 1.5 5.0 10 < 자료 >: Instant Access Networks and Sage Policy Group, Initial Economic Assessment of Electromagnetic Pulse(EMP) Impact upon the Baltimore-Washington-Richmond Region, September 10, 2007, Exhibit 2, p.5, at[http://www.pti.org/docs-safety/empecon_9-07.pdf]. HEMP 가발생한다면어떤장비로검출하고어떠한비상조치를취해야할까? KTI 의 HEMP-20 모델은장비자체가 HEMP 에대해완벽한보호기능을갖추고있다. 전원은배터리구동전원을사용하고, 고전계센서는광전계센서 (MZ sensor) 로구현하였으며, 공간적인전계뿐만아니라방사선도검출할수있는기능및전도적으로과전압회로동작여부도판단할수있도록설계되었다. 고전계가검출되면우선낙뢰와구분하는기능이내장되어있고, HEMP 신호라고판단되면상용전원상태를자동진단하여이상시비상발전기를구동하도록하고, 지하에내장되어있는위성안테나를외부에돌출시켜자동으로위성을잡도록하고국내외통신망을점검하는기본기능이기본적으로내장되어있다. 11
주간기술동향 2011. 4. 15. ( 그림 6) KTI 가개발한 HEMP-20 장비구성과사양 HEMP-20 specifications - Full optical control & measuring system - 전계측정범위 : MZ field sensor, 0.5mV/m- MV/m(Orthogonal type/x, Y, Z axis) - 주파수범위 : 30Hz~10GHz - 방사선측정범위 * Alpha flux density : 15-10 5 [min-cm 2 ] * Beta flux density : 6-10 5 [min-cm 2 ] * Gamma ray : 0.015-20[MeV] * Neutron : 1.0-9.9[MeV] - Data logging - 핵폴발시응급조치절차내장 - Visual C++ S/W control - HEMP/HPEM 완벽한자기방호능력 MIL STD 461F RS 105, CS114, CS115, CS116 특히중요한기능의하나인 HEMP 방호용과전압보호소자의손상을자동으로검출할수있 도록되어있어 HEMP 방호시설의유지보수를위한망관리가가능하도록개발되어있다. HPEM 의주파수, 출력, 목적을분석할수있는기능도함께가지고있다. 3. 차폐실설계시뮬레이션 [7] HEMP 방호용차폐실설계에서는 MIL 188~125 에정해진차폐도에서차폐재료정수, 차폐 구조물의두께, 간격에의한재료정수변화, 흙이나암반의자기투자율을구할수있도록개발 ( 그림 7) 평면파차폐도비교 :1) 기존이론, 2) 제안이론, 3) 1m 두께의토양 12
되었다. ( 그림 7) 에서곡선 1( 가운데 ) 는일반차폐이론에따른차폐도이고, 곡선 2 는일반아연도철판을이용한차폐실의차폐도이며, 곡선 3 은 1m 깊이의유전율 =0.001 과투자율 =4 를가진토양의차폐도시뮬레이션결과이다. 4. 과전압보호소자 / 회로및필터회로설계 가. 과전압보호소자 HEMP 과전압보호소자가갖추어야할조건으로전류내량은수천 A 까지크고, 응답속도는 ns 정도빨라야하며, 교체가용이해야한다는것이다. 이 3 가지조건을만족하는소자로서는어레스터와바리스터를 2 단으로구성하거나하나의부품으로구성해야하는경우디스크크기가큰 ZnO 계통이바람직하다. 중요한것은 HEMP 전류가 5,000A 까지시험하므로선이아닌면이접속되도록해야한다는것이다. 과전압보호소자의선정에있어기억해야할것은순시과전압의크기즉, 진폭은크게고려하지않아도되나 2~3 회만 HEMP 펄스를인가시험해도해당부품의성능이급격하게저하되어설계값을만족시키지못한다는것에유의해야한다. 또한 ZnO 의동작시절연파괴로절연불량이나면전원투입이안될수있으므로기계적자기개방기능이요구된다. ( 그림 8) MIL STD 188-125 부품인수시험시손상된대형 ZnO, 필터캐이스외관 나. HEMP 용전원필터회로설계및제작 HEMP 용전원필터회로에서중요한것은전류용량이다. 일반적으로 HEMP 방호시설의전기용량이수천 A 에이르기때문에부스바형태의굵은전선에인덕턴스를증가시키는것은한계가있어비드형태나 10Turn 미만의인덕터와관통형컨덴서를이용하여설계한다. 그러나회로적으로보면, HEMP 신호특성상펄스의상승시간이약 10ns 이하로매우빠르므로과전압 13
주간기술동향 2011. 4. 15. Minimum Insertion Loss(dB) 100 H F1 80 60 40 20 0 10k 100k 1M 10M 100M 1G 10G Frequecny(Hz) VAC X2 R Dicde LED 2mA HEMP-20 Read out ( 그림 9) MIL 188-125 필터성능요구, KTI 개발 HEMP 필터기본회로 보호소자가정상적으로동작하기위해서는부하측에시간지연이요구되므로인덕턴스값은수백 uh 이상되어야한다. HEMP 필터설계와제작에있어저주파에서요구감쇠량을만족시키는데어려움이있겠으나주의만기울이면 MIL STD 188-125 를만족하는필터설계및제작에는어려움이없다. 전원필터설계에있어가장중요한것은과전압보호소자의손상여부를자동판단하는기능과교체가용이해야하며, 접지간접촉이면접촉구조가되도록설계되어야한다. 또한어떤경우든부하측임피던스가과전압보호회로측임피던스에비해충분하게높도록설계되어야한다. 5 접지계통설계 [8] HEMP 방호시설설계및시공에있어가장중요하고전문가의도움이필요한것이접지계통설계이다. HEMP 는상승시간이낙뢰에비해 1,000 배이상빠른 2~5ns 가되므로주파수영역에서는 GHz 성분을가지고있다고볼수있다. 특히 CW immersion 시험의경우금속간접촉저항의합일수있기때문에반드시전문가의 Engineering 을받아 HEMP 방호시설설계와구축이필요하다. HEMP 방호시설의접지계통은크게접지저항, 접지선의굵기, 강화용철근의본딩방법과간격, 접지체계, 건물접지와분리방법, 액세스플로어의접지방법, FG-dc(-) 의분리방법, 금속간접촉저항최소화방법, Isolation trans 의접지처리방법, 배관및배선의접지처리방법등이매우중요하다. HEMP 방호시설의실질적인성능은접지방법에달려있다. ( 그림 10) 에접지체계의일부가예시되어있다. 14
( 그림 10) 접지의계통설계도면일부 6. HEMP 방호시설인수시험과성능검사장비 MIL 188-125 에따른인수시험과성능검사항목은차폐도검사, Short pulse, Intermediate ( 그림 11) KTI 가개발한 CW immersion test 장비구성과 S/W 및 CW 시험목적 15
주간기술동향 2011. 4. 15. pulse, Long pulse, CW immersion test 가있는데 Long pulse(20 second) 만제외하고모든시험이국내시험기관에서가능하다. HEMP 인수시험과성능검사시험은근본적으로일반 EMC 시험과는다르다. 다시말해 EMC 시험은주파수축에서시험하는반면, HEMP 시험은시간축에서시험되기때문에 D-DOT, B-DOT, I-DOT, Balun, Integrater, Twinax 케이블등을사용하며, 이들센서의교정방법역시많이다르다. V. 결론 본고는 HEMP 관련전반적인기술동향에대해설명하였다. HEMP 시설의설계와시공은기존차폐실과유사한것으로판단하기쉬우나전혀다른영역으로취급하고있으므로 HEMP 에대한시뮬레이션툴을갖추고 HEMP 를깊게이해하여설계, 발주, 시공해야충분한성능을발휘할수있다. 특히방호시설을시공하고관련규정에따라성능검사를하지않는경우는어떤경우도용납될수없다. HEMP 방호시설은일반시설과다르게우리모두의생존이달려있기때문이다. 앞으로집중적인연구가필요한것들은통신망계위와통신시스템의구성에따른경제적인 HEMP 방호설비구축방법, 전력망에미치는영향과대책수립, 각종국가주요산업시설에대한 HEMP 대책수립에대한체계적인연구, HEMP 방호시설구축을위한최적의접지망구축방법등이다. IEC 61000-4-32 를보면세계 17 개국 45 개설비가구축되어있는것을알수있다. 특히 HEMP 에직접적인위험이없는이집트, 스위스등작은국가까지도 HEMP 방호설비구축과측정설비를갖추고있는데, 우리나라와같이 HEMP 에직접적으로노출된국가에서관련측정설비와방호시설구축이제대로되어있지않은것은안타까운일이며, HEMP 와관련한국제활동즉, IEC, ITU 에서적극적인활동이이루어지도록정부의관심이필요하다. < 참고문헌 > [1] Louis W. Seiler A calculational Model for high altitude EMP 03.1975. Air force Institute of Technology, Wright- Patterson Air force base, Ohio [2] K.D Leuthausser A complete EMP Environment generated by High altitude Nuclear Bursts, TN 363, 1992. 10. [3] W.J. Karzas and Richard Latter Electromagnetic Radiation from a Nuclear Explosion in Space 16
The Physical Review, Vol.126, No.6, TN 27, 1962, 6. 15. [4] W.J. Karzas and Richard Latter Detection of the electromagnetic Radiation from nuclear Explosions in space, TN 40, 1964. 10. [5] Edward Savage etc The early-time(e1) High altitude electromagnetic pulse and it s impact on the US Power grid, Metatech R320, Oak Ridge National Laboratory, 2010. 6. [6] EP 1110-3-2, Chapter 8. 31, 1990. 12. [7] 민경찬, 김동일. HEMP 방호용차폐실최적설계를위한시뮬레이터개발, 한국인터넷방송통신학회논문지제 10 권제 4 호, 2010. 8. [8] 민경찬 전자파환경공학제 8 장, 한국기술연구소발행, 2009. 1. [9] 정용관, 민경찬, IWIT 2011 HEMP Workshop, 한국인터넷방송통신학회, 2011.03.10-03.11. * 본내용은필자의주관적인의견이며 NIPA 의공식적인입장이아님을밝힙니다. 17