이슈분석 HEMP공격 대비 첨단방어체계 및 사회 인프라 설비는 안전한가? < 목 차 > Ⅰ. 들어가며 Ⅱ. HEMP의 영향 Ⅲ. EMP 방호 개념 Ⅳ. HEMP 방호시설 설계 및 시공 Ⅴ. 결론 및 시사점 류 기 현 삼진일렉스 기술연구소장(기술사) Ⅰ. 들어가며 최근 북한의 핵 위협과 연평도 도발 그리고 GPS 교란 등 전 자무기의 군사적 활용 빈도가 높아짐에 따라, 전자전(EW, Electronic Warfare)에 대한 관심이 높아지고 있다. 이와 관련하여, ITU-T K.78(HEMP), ITU-T K.81(HPEM) 그리고 IEC 77C에서 상용기기에 대한 관련 규격을 제정하면서 국내 전자기적합성(EMC, Electromagnetic compatibility, 이하 EMC) 분야에서 높은 관심을 받고 있는 것이 고 고도핵전자기파(HEMP, High altitude Electro-Magnetic Pulse, 이하 HEMP) 이다. HEMP 는 에너지량에서는 매우 크지만, 목적에 따라 분류하면 사람이 만든 고출력전자무기 (HPEM, High Power Electro Magnetics) 의 한 부류에 속한다. 북한의 군사대응 능력이 날로 신장되고 있는 만큼 우리의 방위체계 및 보안체계에서 심각하게 검토를 해 보아 야 하는 시점이다. 이와 관련하여, 본고에서는 전자전과 관련하여 HEMP에 대하여 간 략히 소개하고자 한다. - 1 -
Ⅱ. HEMP의 영향 HEMP는 고도 40km 이상의 고고도에서 핵폭발이 발생할 때 생성되는 다량의 전자에 의 해 발생되는 Compton Effect 1) 에 의한 고출력 펄스이다. 핵분열 시 발생되는 전자와 대기 권 내의 공기 분자와의 상호작용에 의해 발생하는 Compton Effect에 의해 발생하는 전자 의 흐름은 지구 표면에까지 이르는 고출력 전자기 펄스를 발생하게 된다 2). <그림 1> HEMP 개요도 3) 이러한 고출력 전자기파는 발생하는 시간에 따라 E1, E2, E3 펄스로 구분이 되며 고 출력 전자기 펄스가 영향을 미치는 반경 내에 존재하는 모든 전자기기 및 통신기기 등 은 그 기능이 마비가 되며 이를 이용한 모든 통신 및 제어 기능을 상실하게 되는 것이 HEMP의 가장 큰 피해라 할 수 있다. <그림 2> HEMP 구성 출처: IEC-61000-2-9(1996) 1) X-선이나 γ-선과 같이 파장이 매우 짧은 전자파 방사선이 전자와 충돌하게 되면, 전자에 에너지를 전달하고 원래 의 X-선이나 γ-선보다 파장이 길게 되는 파장의 변화를 일으키는데 이를 컴프틴효과(Compton Effect)라고 함. 2) 고고도핵전자기펄스(HEMP)의 전자시스템의 위협 차단을 위한 방호기술, 한국방송통신전파진흥원, 2013.12.18., p2. 3) 반종빈, 北, 통신 전산망 무력화 신핵무기 개발 의혹, 연합뉴스, 2011.06.24. - 2 -
HEMP의 위협요인을 구체적으로 살펴보면, 전문가들은 미사일로 발사된 핵폭탄이 대기 권 위에서 폭발되는 것을 염려하는데 핵무기가 상층 대기권에서 폭발되면, 전자 시스템에 심한 손상을 가져오는 과전류 및 과전압을 발생시키는 거대한 전자기를 방사한다. Ÿ 고도30마일 높이에서 폭발------반경 480마일이내에 피해 Ÿ 고도120마일 높이에서 폭발-----반경 1,000 마일이내에 피해 Ÿ 고도300마일 높이에서 폭발-----반경 1,470 마일이내에 피해 <그림 3> 美 대륙에서 EMP 폭탄이 터질 때의 고도별 예상 피해범위 4) 동 무기를 런던이나 뉴욕과 같은 대도시에서 사용하면, 컴퓨터 시스템을 완전히 파 괴하여 경제를 마비시키게 되고 교통, 통신 및 에너지 네트워크의 기능마비로 야기되 는 혼돈이 올 것이다. 현대 사회는 고성능, 경량화 된 휴대용 통신기기, 정밀 전자 제 어를 이용한 항공기, 자동차 등의 첨단 IT 기기에 의해 정보를 공유하고 사회 기반시설 들이 운영되는 사회로, 이러한 사회 환경이 HEMP 환경에 아무런 대책 없이 노출된다 면 사회운영시스템 기반이 상실되는 것이다. 4) 진경웅, 북한 EMP 폭탄, 대응방법은 없는 걸까?, 뉴데일리, 2013.5.22. - 3 -
<그림 4> 고고도전자기펄스(HEMP)의 작용 그래픽 <그림 5> HEMP의 영향 Ⅲ. EMP 방호 개념 소리없는 폭탄 으로 불리우는 전자기펄스(EMP, Electro-Magnetic Pulse, 이하 EMP)는 강력한 전자기장 형태 충격파로 건물 내 전기통신제어 설비를 무력화 시키는 것이 특징이다. 이는 처음에 전자파 형태로 퍼지면서 인근 전기전자 설비를 마비시키며, - 4 -
EMP가 전선이나 통신선 등 도체를 만나면 전도성 전류 형태로 바뀌면서 건물 내로 유 입되는 것이다. EMP 방호는 EMP 폭탄에 의한 전자기장 공격으로부터 기계적으로 전기 전자설비를 보호하는 솔루션을 제공하는 것이다. <그림 6> EMP 방어용 시설의 개념도 EMP 방호시설은 최근 북한에서 관련 내용을 언급하면서 새롭게 주목받고 있는 것으 로, 아직 국내에서는 EMP 공격에 대한 대처 매뉴얼 및 방호시스템도 개발이 거의 되 어 있지 않는 상황이다. 최근 정부에서는 EMP 공격에 대비하여 주요 시설에 대한 방 호시설 설치를 늘리고 있는 추세이나 이는 주로 군사용에 대비한 것이며, EMP 방호시 스템관련도 2013년 말에 시작되었다. 무엇보다도 EMP 공격에 큰 피해를 볼 수 있는 통신을 비롯한 주요 기간 시설과 관련한 민간 분야에서는 눈에 띄는 준비를 하는 곳이 없어 현재, 우리나라의 EMP 공격에 무방비상태인 것이 현실이다. Ⅳ. HEMP 방호시설 설계 및 시공 1. 방호시설의 설계 HEMP 방호시설의 최적 설계는 국내에서 실제 시험을 할 수 있는 환경이 없어, 성능 평가 장비도 미국의 수출 규제품목으로 접근이 용이하지 않기 때문에 미국 등에서 실 시한 시험결과와 연구논문을 참고할 수밖에 없는 실정으로 주로 컴퓨터 시뮬레이션에 의존하여 예측하고 설계하는 방법이 이상적이다. - 5 -
특히 지하터널 내 구축되는 방호시설의 경우 터널(암반과 토질) 자체의 차폐도 계산 에 있어 재료정수로 해석해야만 최적설계가 가능하기 때문에 반드시 시뮬레이션 툴의 도움이 필요하다. HEMP방호시설의 차폐 실은 기본 구조는 유사하나 필터, 과전압 보 호회로, 접지체계는 전혀 다른 구조를 하고 있다. 도어의 경우 차폐도도 중요하지만 출입의 편의성을 위해 도어개폐가 일반 도어와 유 사하게 편리하게 사용되어야 하기 때문에 차폐능력을 분담시키기 위해 2중 도어를 권 고 하고 있으며, 차폐실의 구조도 자연적인 차폐효율을 증가시키기 위해 ㄱ, ㄹ 자 구조를 권고하고 있는 것이 차이점이다. 2. HEMP 방호 대책 설계 HEMP에 대한 방호 대책 설계는 경제적인 구축을 위하여 외부공간, 건물, 방, 장비 등에 대해 구분지어 설계되어야 하고, 각각 특성에 맞게 필요한 조치를 취해야 한다. HEMP에 대한 방호대책은 기존 설비나 새로운 설비 전체에 대해 기술 설계 측면에 서 고려되어야 한다. 이에 대한 신뢰성을 유지할 수 있어야하며, 특히 비용적인 측면에 서도 효과적이어야 한다. <그림 7> 고출력전자기파 방호 설계 고려사항 5) 5) 육종관,현세영, 고출력전자기파 취약대상시설 조사 및 피해예상규모 산출, 방송통신위원회, 2012.12., p.61. - 6 -
전자 장비를 보호하기 위해서는 장비 자체 내에서 회로 설계, 필터링, 회로 접지 등 을 통해 전자회르를 보호하는 방법과 전체 시스템 레벨에서 설계, 케이블의 선택과 위 치 조정, 연결 등을 고려하여 HEMP에 대한 방호대책을 세우는 방법이 있다. HEMP에 대한 방호는 특정한 하나의 방법을 통하여 세우기보다는 일반적인 전자파 환경보다는 더 악조건을 고려하여 복합적인 방호 대책을 필요로 한다. HEMP 공격에 발생하는 전자파 방호와 관련한 기술로 차폐가 있는데, 이는 1 외부 전전기장에 의한 전하유도를 차단시키는 원리로 전력선, 통신선 정전차폐층 케이블 등에 활용하는 정전 차폐, 2 금속판, 금속망, 도금막, 도전선 플라스틱등 도전성재료로 기기의 주위를 둘러싸서 노이즈 전자파의 침입이나 누설을 방지하는 자기 차폐, 3 구 리, 판금, 금속메쉬(metal mesh), 발포금속(en;metal foam), 플리즈마(이온화된 기체) 등 의 전도성 재료로 주위를 둘러싸고 그 표면에 전파를 반사시켜, 전파의 침입이나 유출 을 방지하는 전자 차폐 기술로 나누어 볼 수 있다. 3. 과전압 보호소자/회로 및 필터회로 설계 1) 과전압 보호소자 HEMP과전압 보호소자가 갖추어야 할 조건으로 전류내량은 수천A까지 크고, 응답속 도는 ns정도로 빨라야 하며, 교체가 용이해야 한다는 것이다. 이 3가지 조건을 만족하 는 소자로서는 Arrester와 Varistor를 다단으로 구성하거나 하나의 부품으로 구성해야 하는 경우 디스크 크기가 큰 ZnO(아연)계통이 바람직할 것으로 본다. 또한 과전압 보호소자의 선정에 있어 기억해야 할 것은 순시 과전압의 크기 즉, 진 폭은 크게 고려하지 않아도 되나 2-3회만 HEMP 펄스를 인가 시험해도 해당 부품의 성능이 급격하게 저하되어 설계 값을 만족시키지 못한다는 것에 유의해야 한다. 또한 ZnO소자가 동작할 때 절연파괴로 절연불량이 발생되면 전원투입이 안 될 수 있으므로 기계적 자기 개방기능이 요구된다. - 7 -
<그림 8> MIL STD 188-125 부품 인수시험 시 손상된 대형 ZnO, 필터 케이스 외관 6) 2) HEMP용 전원 필터회로 설계 및 제작 HEMP용 전원 필터회로에서 중요한 것은 전류용량이다. 일반적으로 HEMP 방호시설의 전류용량이 수천 A에 이르기 때문에 버스-바 형태의 굵은 전선에 인덕턴스를 증가시키는 것은 한계가 있어 비드형태나 10 Turn미만의 Inductor와 관통형 Condenser를 이용하여 설 계한다. 그러나 회로 상으로 보면, HEMP신호 특성상 펄스의 상승시간이 약 10ns이하로 매우 빠르므로 과전압 보호소자가 정상적으로 동작하기 위해서는 부하 측에 시간지연이 요구되므로 인덕턴스 값은 수백 이상은 되어야 한다. 전원필터 설계에 있어 가장 중요 한 것은 과전압 보호소자의 손상여부를 자동 판단하는 기능과 교체가 용이해야 하며, 접 지 간 접촉이 面 접촉 구조가 되도록 설계되어야 한다. 또한 어떤 경우든 부하 측 임피던 스가 과전압 보호회로 측 임피던스에 비해 충분하게 높도록 설계되어야 한다. 이러한 필 터를 적용함으로써 통신시스템 열화, 반도체 소자 내 접합상태 붕괴, 안테나, 케이블등 강 도 높은 간섭신호가 유기되어 계통상 지장 초래 등을 방지할 수 있다. <그림 9> HEMP 방호용 필터 설치(예) 6) 정용관, 민경찬, 고고도핵전자기파/HEMP 방호기술 동향, 정보통신산업진흥원, 2011.4.15, p.13. - 8 -
<표 1> 대역특성에 따른 필터의 종류 명칭 기본회로도 통과/저지 주파수 특징 LPF(Low Pass Filter) :저역통과 여파기 저주파수 통과, 고주파 억제 HPF(High Pass Filter) :고역통과여파기 고주파수 통과 저주파수 저지 BPF(Band Pass Filter) :대역통과 여파기 원하는 주파수 대역만 통과 BRF(Band Reject Filter) :대역저지 여파기 특정주파수 대역 저지 4. 접지계통 설계 HEMP 방호시설 설계 및 시공에 있어 가장 중요하고 전문가의 도움이 필요한 것이 접지계통 설계이다. HEMP는 상승시간이 낙뢰에 비해 1,000배 이상 빠른 2-5ns가 되므 로 주파수 영역에서는 GHz 성분을 가지고 있다고 볼 수 있다. 특히 CW immersion 시 험의 경우 금속 간 접촉 저항의 합이 1Ω만 되어도 방호시설 간 전위차가 5kV의 전위 차가 발생하여 장비 내, 장비 간 방전이 발생될 수 있기 때문에 반드시 전문가의 Engineering을 받아 HEMP방호시설 설계와 구축이 필요하다. HEMP방호시설의 실질적인 성능은 접지 방법에 달려 있으며 접지계통은 크게 접지 저항, 접지선의 굵기, 강화용 철근의 Bonding 방법과 간격, 접지체계, 건물 접지와 분리 방법, Access Floor의 접지 방법, FG-DC(-)의 분리 방법, 금속 간 접촉저항 최소화방법, Isolation Tr의 접지처리 방법, 배관 및 배선의 접지처리 방법 등이 매우 중요하다. - 9 -
Ⅴ. 결론 및 시사점 미래의 전쟁은 인명살상용 무기를 통한 전쟁보다는 사회 경제를 멈추게 할 고출력 전 자파를 이용한 전자전이 대세일 것으로 전문가들은 내다보고 있다. 오늘날 전력망, 통신 망, 금융망, 에너지 관련 시설, 운송망, 긴급 서비스 등의 사회기반시설들은 전자통신 장 비들에 의해 상호 연관되어 있으며, 분류 시설 중 어느 한쪽이 HEMP에 의해 사고를 당한 다면, 그 영향은 사회기반시설 전체에 걸쳐 일어나게 된다. 이와 관련하여, 본 고에서는 HEMP관련 전반적인 기술 동향 및 위험성에 대해 개괄적으로 기술하였다. HEMP시설의 설계와 시공은 기존 차폐실과 유사한 것으로 판단하기 쉬우나 전혀 다른 영역으로 취급되어야 하며, HEMP를 깊게 이해하고 설계, 발주, 시공해야 충분한 성능을 유지 할 수 있다. 또한 이미 구축되어 운영되거나 계획 중인 사회적 인프라 설비의 안전을 위해 이와 같은 방호 시설의 구축 또한 이 시점에서 간과할 문제는 아닐 것으로 생각한다. 따라서 HEMP의 발생구조해석, 전력인프라 케이블의 HEMP 유도량 계산, HEMP 방호용 차폐시설의 재료 및 구조, HEMP 방호용 소자 및 필터설계, HEMP가 접지에 미치는 영향 및 대책 등 다각적인 연구와 개발이 촉진되어야 하는 시점이라고 사료된다. 본 원고는 집필자 개인의 의견으로 한국전기산업연구원의 공식적인 견해가 아님을 밝힙니다. - 10 -