전자기펄스발생과응용 최진수 임동우 배 경 전자기펄스 (EMP: electromagnetic pulse) 란전자장비를파괴시킬정도의강력한전기장과자기장을지닌순간적인전자기적충격파이다. 전자기펄스현상은페르미 (Fermi) 박사에의하여예측되기도하였지만정확한기록은남아있지않으며 1950년대에실시된미국의핵폭발시험에서최초로확인되었다. 1962년에태평양상공에서실시된고공핵폭발실험에서 1000 km 이상떨어진하와이지역의가로등이꺼지고통신시설과각종전자장비가오동작또는정지하는사태가발생하였다. 당시에는정확한원인을알수없었으나그후에이러한현상이핵폭발에의한전자기펄스의영향이라는것이밝혀졌다. 핵폭발에의해발생한감마선이나 X선이공기중의원자나분자와충돌하여 Compton 효과 ( 그림 1) 에의하여자유전자와양이온을발생시키고이로인한 Compton 전류는다시지구자기장과결합하여순간적으로광범위한영역에전자기펄스를발생시킨다. 이와같이발생한전자기펄스를핵전자기펄스 (NEMP: Nuclear Electromagnetic Pulse) 라고부른다. 전자기펄스에의한각종전자장비의파괴효과 ( 그림 2) 가확인된후에미국과러시아를비롯한선진국을중심으로전자기펄스에대한방어대책연구와함께핵을사용하지않는비핵전자기펄스 (NNEMP: Non Nuclear Electromagnetic Pulse) 발생기술에대한연구가꾸준히이루어져왔다. 1970년대이후로고출력펄스전력 (pulse power) 발생기술과고속스위칭등을이용한펄스성형 (pulse forming) 기술, 고주파발진그리고고출력안테나개발기술의지속적인발전으로핵을사용하지않고도강력한전자기펄스를발생시킬수있는기반기술이형성되어왔다. [1] 비핵전자기펄스발생과관련된 저자약력최진수연구원은연세대학교물리학과이학박사로서 1991년부터현재까지국방과학연구소에서근무하였으며현재동연구소의선임연구원으로재직중이다. (jschoi@add.re.kr) 임동우연구원은 1976 년부터현재까지국방과학연구소에서근무하였으며현재동연구소의책임연구원으로재직중이다. (dwyim@add.re.kr) 그림 1. Compton 효과. 그림 2. 전자기펄스에의해파괴된반도체소자 (C. Afzelius, FMV). 기술은현재세계여러나라에서많은연구가이루어지고있으며전자기펄스무기의개발을위한연구가미국, 러시아, 영국, 프랑스, 독일, 중국, 일본을비롯한세계 20여개국가에서수행되고있는것으로알려져있다. [2] 현대사회의통신, 금융, 정보, 전산, 제어등거의모든기반시설과산업시설심지어가정에서도반도체나집적회로와같은전자부품을사용하는전자장비가매우널리사용되고있으며또한반도체기술의발달로점점더소형화, 고집적화, 저출력화되 [1] R. J. Barker and E. Schamiloglu, High-Power Microwave Sources and Technologies (IEEE Press, New York, 2001). [2] M. Abrams, IEEE Spectrum 40, 24-30, Nov. (2003). 36 물리학과첨단기술 January/February 2006
어가고있다. 군사적인면에서도이라크전쟁에서나타났듯이보다정밀하고지능화된첨단무기가미래의전쟁을지배할것이며기반이되는정보, 정밀제어, 계측등의기술또한전자부품이나장비에바탕을두고있다. 따라서전자기펄스발생기술의꾸준한발전과현대산업에서반도체기술에대한의존성증가는멀지않은미래에전자기펄스관련무기의도래와이에대한방어대책이필요함을예고하고있다. 본기고문에서는먼저넓은의미의전자기펄스를정의하고특성을협대역과광대역으로분류하여발생기술의기본적인원리를알아보고자한다. 또한전자기펄스발생기술에기반을둔응용분야를주로군사적인측면에서소개하고전자기펄스무기가미래의우리사회에어떠한영향을미칠것이며선진국에서는어떻게연구하고대처하는지에대하여간단히소개할것이다. (a) 협대역전자기펄스 (b) 광대역전자기펄스 그림 3. 협대역과광대역전자기펄스파형의시간과주파수특성의비교. 전자기펄스의정의와분류 전자기펄스는물리학적으로명확하게정의되지않은모호한의미로서목적이나적용분야, 발생주파수대역등에따라서여러가지로정의되고분류되는데고출력마이크로웨이브 (High Power Microwave) 나고출력전자기 (High Power Electromagnetics), 고의적전자기간섭 (Intentional Electromagnetic Interference) 등과구분되기도하고유사하게사용되기도한다. [3] 본기고문에서는순간적으로강력한전기장과자기장을발생시키는펄스형태의전자기파를넓은의미에서전자기펄스로총칭하기로한다. 전자기펄스는사용목적, 발생기술, 피해효과등에따라분류하기도하지만펄스의시간과주파수범위에따라서분류하는것이가장물리적이라할수있다. 전자기펄스는주파수의대역폭에따라크게협대역 (narrow band) 과광대역 (wide band) 으로나눌수있으며전형적인시간과주파수특성은그림 3에나타낸바와같다. 광대역은주파수분포에따라중간대역 (moderate band) 과초광대역 (ultra wide band) 으로나누기도한다. 최근에는전자기펄스발생기술이다양화되면서 hypoband( 협대역 ), mesoband, sub-hyper band, hyperband( 초광대역 ) 로분류하는경향이있다. 전자기펄스는광속으로진행하고중력이나대기상태에거의영향을받지않는점등여러면에서또다른전자파인빛과유사한특성을지니고있다. 협대역과광대역전자기펄스의발생원리나특성은광학에서의펄스레이저와섬광램프에비유하면보다쉽게이해할수있다. 일반적으로협대역전자기펄스의발생은높은운동에너지를지닌전자빔을이용한유도방출 (stimulated emission) 에의한것으로그림 3(a) 에서와같이단일주파수의연속적인펄스형태로나타나며 그림 4. 여러가지전자기펄스의주파수분포. 펄스의지속시간이수십나노초 (ns) 내외이다. 따라서협대역전자기펄스의스펙트럼을보게되면단일주파수부근에대부분의주파수성분이존재한다. 반면에광대역전자기펄스는상승시간이 1나노초미만인수백 kv 이상의고전압펄스에의한자발방출 (spontaneous emission) 로그림 3(b) 와같이시간적으로짧은펄스폭을가지며주파수는수십 MHz에서수 GHz의넓은범위에퍼져있는것이특징이다. 스펙트럼상에서전자기펄스의범위는주로수십 MHz에서수십 GHz 사이의고주파대역에존재하며여러가지전자기펄스의주파수특성은그림 4와같다. 핵폭발에의한전자기펄스에서는주파수가저주파에서부터수백 MHz까지폭넓게분포하며협대역마이크로웨이브는 GHz 대역의높은단일주파수에대부분의주파수성분에모여있다. 광대역전자기펄스의경우에는주파수가수백 MHz에서수 GHz까지넓은범위에걸쳐있는것을알수있다. 그러나그림 4에나타난특성은일반적인것으로전자기펄스발생장치의특성에따라 [3] D. V. Giri and F. M. Tesche, IEEE Trans. 44(3), 322-328 (2004). [4] W. D. Prather et al., IEEE Trans. 44(3), 335-344, Aug. (2004). 물리학과첨단기술 January/February 2006 37
그림 5. 소형펄스전력발생장치, RADAN. [5] 그림 6. 나선형자장압축발전기의구조. 주파수성분이나분포가달라지며최근에는협대역과광대역의중간에해당하는특성을지닌장치들도많이개발되고있다. [4] 그림 7. 펄스성형을위한스위치와변압기. [6] 전자기펄스의발생전자기펄스를발생시키는데필요한구성요소는크게펄스전력공급원, 전자파발생원, 안테나의 3가지로나눌수있다. 펄스전력은에너지를시간상으로빠르게압축하여펄스폭이짧고 (ns~μs) 세기가매우큰고전압 ( 또는대전류 ) 을발생시키는기술이다. 대표적인펄스전력발생기술로는축전기와스위치들로조합된용량성 (Capacitive) 에너지저장장치에상대적으로긴시간동안 ( 수초 ) 에저장된에너지를빠르게스위칭하여순간적으로방출함으로서고출력의펄스전력을발생시키는방법을이용한 Marx 발전기라는장치가있다. 또다른방법으로는화약이폭발할때에발생하는폭발에너지를이용하여순간적인대전력을발생시키는것으로자장압축발전기 (Magnetic Compression Generator) 라고부른다 ( 그림 6). 이장치는화약의폭발에너지를이용하므로한번의동작으로모든장치가파괴된다는단점이있는반면에상대적으로부피가작고가벼워전자폭탄 (E-Bomb) 과같은군사적목적에중요한기술이다. 이와같이발생한펄스전력들은대개수 μs의펄스폭을갖는데협대역이나광대역전자기펄스발생에필요로하는펄스전력의조건과는차이가있다. 협대역전자기펄스발생에서전자빔으로부터고주파를효율적으로발생시키기위해서는수십 ns 동안일정한세기의고전압을유지해야만한다. 반면에광대역전자기펄스발생을위해서는 1 ns 미만에수백 kv 이상의스파이크형고전압이필요하다. 이와같이펄스파형을요구조건에맞게바꾸는기술을펄스성형 (Pulse Forming) 이라고부르며변압기, 펄스성형선로 (Pulse Forming Line), 고속스위치등이사용된다. 협대역전자기펄스발생과정을간단하게기술하면그림 8 과같다. 펄스전력발생장치로부터조건에맞게성형된고출력의펄스전력이전자빔다이오드라고불리는전자총 (Electron Gun) 에가해지면높은운동에너지를지닌전자빔이발생하게되고전자빔은특정구조의전자빔- 고주파상호작용구간을통과하면서운동에너지의일부가변환되어마이크로웨이브를발생시킨다. 협대역전자기펄스를발생시키는많은기법과다양한장치들이존재하는데전자빔- 고주파상호작용영역에서의전자기펄스발생특성에따라서 1 Slow-Wave Devices (Klystrons, BWO, TWT, Magnetron, MILO 등 ), 2 Fast- Wave Devices (Gyrotron, Ubitron, Cyclotron, Maser 등 ), 3 Space Charge Devices (Vircator, Reflex Triode 등 ) 로나뉜다. 이분야의연구는진공전자물리에서오래전부터많은연구가이루어졌으며현재는그림 9에나타난바와같이 1 GHz에서 100 GHz 사이에서 1 GW 이상의마이크로웨이브출력을낼수있는많은협대역발생장치들이개발되어있다. [7] [5] G.A. Mesyats et al., The RADAN series of compact pulsed power generators and their applications, Proceedings of the IEEE, Vol. 92, No. 7, Jul. (2004). [6] S. D. Korovin, Russian high power microwave sources, Directed Energy Weapons 2004, London, 19th-20th Jan. 2004. 38 물리학과첨단기술 January/February 2006
그림 8. 협대역전자기펄스의발생과정. 그림 10. 광대역전자기펄스발생에필요한고전압펄스파형. 그림 9. 여러가지협대역전자기펄스발생장치들의출력과주파수특성. 광대역전자기펄스는그림 10과같은상승시간이 1 ns 미만이고수백 kv 이상인빠른고전압펄스가순간적으로공급될때에자발방출에의하여광대역주파수성분을포함하는짧은펄스폭의전자기펄스가안테나를통해방사되게된다. 따라서광대역발생장치에서는고전압초고속스위치등을이용한빠른펄스전력을발생시키기위한기술과광대역의주파수를효율적으로방사하기위한고출력광대역안테나제작기술이매우중요하다. 고출력광대역안테나로가장많이연구되고있는것이그림 11과같은반사형 IRA(Impulse Radiating Antenna) 이다. 반사형 IRA는광학에서의반사판과유사하게초점에서방사되는전자기펄스가포물선형금속곡면에서반사되어축방향으로지향성을가지고전파되도록고안된안테나이다. 광대역전자기펄스발생장치는협대역에비하여구조적으로간단하나안테나기술은더복잡하며상대적으로작은펄스당에너지 ( 수십 Joule) 를지닌것이특징이다. 전자기펄스의응용전자기펄스는고출력마이크로웨이브분야에서레이다 (RADAR), 재료, 플라즈마가열, 가속기의고주파가속, 통신등과같은 그림 11. 여러가지크기의반사형 IRA 안테나 (Pro-Tech 사설계 ). 분야와국방의전자전 (Electronic Warfare) 등에폭넓게이용되어왔다. 그러나이러한분야에서는펄스폭이짧고순간최대출력이높은전자기펄스보다는고속반복이나연속적으로마이크로웨이브 (CW) 를발생시켜높은평균출력을낼수있는장치가중요하게사용되고개발되어왔다. 1970년대이후로펄스전력발생기술의발달과전자기펄스에의한전자장비의파괴효과가확인되면서순간최대출력이높은전자기펄스를이용한무기의개발이미국과구소련에서가장먼저연구되기시작하였으며현재는유럽의여러국가와중국, 인도, 일본등에서도공격적, 방어적개념의전자기펄스무기를연구하거나개발하고있는것으로알려져있다. 전자기펄스무기는표적까지중력이나대기에영향을받지 [7] J. Benford and J. Swegle, High-power microwaves (Artech House, Boston, 1992). 물리학과첨단기술 January/February 2006 39
그림 13. 공격적개념의전자기펄스무기. 그림 12. 협대역전자기펄스를이용한전자폭탄의개념도 (Carlo Kopp, 호주 ). 그림 14. 방어적개념의전자기펄스무기. 않고광속으로도달하는지향성에너지무기 (Directed Energy Weapon) 인동시에표적의전자부품이나장비만을선택적으로파괴시키고인명에는손상을주지않는비살상무기 (Nonlethal Weapon) 이기도하다. 2003년에미국의이라크공격에서바그다드의방송국에전자폭탄을투하해서방송국의기능이마비되었다는보도가세계적으로언론매체를통해알려지면서전자폭탄이라고불리는전자기펄스무기가일반인에게도널리알려지게되었다. 그러나당시전자폭탄의사용여부는확인되지않았으며또한완성탄의존재에대해서도알려져있지않다. 그림 12는호주의연구원 Carlo Kopp이소개한바있는협대역전자기펄스를방사하는전자폭탄의개념도이다. [8] 배터리와축전지로초기전력을공급하며자장압축발전기와펄스성형장치로에너지증폭된짧은펄스폭의고전압을가상음극관에인가하여협대역전자기펄스를발생시킨후에안테나를통해방사한다는개념이다. 전자폭탄과같은전자기펄스무기의위력은최대방사출력과표적의전자기취약성정도에따라결정되는데크기나목적에따라미사일, 항공기투하용폭탄, 포탄, 탄약과같은여러무기체계에다양하게적용이가능하다. 또한전자기펄스 무기는무인항공기 (UAV), 함정, 차량등에탑재하거나소형인경우에는휴대용으로도운용이가능하다. 전자기펄스무기는그림 13에서처럼통제시설이나비행장, 방공망과같은적의주요전쟁능력을무력화시키는공격적개념으로나그림 14과같이적의미사일이나항공기의공격에대한방어적인수단으로모두사용가능하다. 전자기펄스관련기술은군사적목적이외에도다양하게응용될수있는데예를들어광대역펄스를이용한지하매설물이나밀폐된건물내부의표적을찾아내거나지뢰제거, 테러목적의폭발물기폭장치마비등에적용하기위한연구 ( 그림 15) 도진행중이다. 미국에서는 911 테러이후로테러전에대한우려와대책이국가적인중대사안인데전자기펄스공격에의한금융, 통신, 공항, 전산망마비로사회적대혼란이야기될수도있다는우려가제기되기도하였다. 이와는반대로대테러나치안의목적으로전자기펄스관련기술을이용하는연구도이루어지고있다. 미국캘리포니아경찰국은소 [8] Carlo Kopp, The electromagnetic bomb - a weapon of electrical mass destruction, 인터넷, 1997. 40 물리학과첨단기술 January/February 2006
그림 15. 전자기펄스를이용한지하, 건물내부의표적탐지 ( 위 ) 및지뢰제거 ( 아래 ) 시험장면 (TNO, 네덜란드 ). 그림 17. 대테러, 폭발물제거, 도주차량정지등과같은다양한목적으로전자기펄스를사용하는개념 (Diehl 사, 독일 ). 그림 16. 소형전자기펄스발생장치를이용한자동차정지. 형의고지향성전자기펄스발생장치를이용하여자동차의전자제어장치를마비시켜도주차량을진압하는수단을고려한바있다 ( 그림 16). 그림 17은독일 Diehl사에서연구되고있는소형전자기펄스발생장치들을다양한상황에서발생하는테러의진압이나폭발물제거등에적용하기위한개념도이다. [9] 전자기펄스의현재와미래 과학과기술이발전할수록현대사회의전자산업의존성은지속적으로증가할것이며반도체기술은초고속, 소형화, 고 [9] T. Weise, HPM counter-terrorism applications, Directed Energy Weapons 2004, London, 19th-20th Jan. 2004. 집적화, 저출력화되어갈것이다. 군사적으로도국방과학기술의발전으로정보, 통신, 정밀제어, 센서등에기반을둔지능화된첨단무기가미래의전쟁에서승리하는핵심군사력이될것이다. 따라서전자기펄스발생기술의계속적인발전과산업의반도체의존성증가는다가올멀지않은미래에전자기펄스관련무기의도래와사회적영향을어렵지않게예측할수있다. 전자기펄스무기에대한연구내용은잘알려져있지않아서세계적으로전자기펄스무기개발이어느단계에이르렀는지무기효과나피해범위는어느정도인지정확히판단하기는힘들다. 전자기펄스무기가가까운미래에개발되고사용될수도있으나실전적인무기로사용되기위해서는좀더많은시간이걸릴수도있다. 그러나중요한핵심은전자기펄스가사회적으로나군사적으로미치는영향은갈수록증대될것이며미래의국방과과학에중요한분야로자리하게될것이라는사실이다. 물리학과첨단기술 January/February 2006 41