제출문 본보고서를 전자파인체유도전류및 SAR 계산모델링연 구 과제의최종보고서로제출합니다. 2003. 12. 30. 연구책임자 : 육종관 ( 연세대학교 ) 연 구 원 : 이명원 ( 연세대학교 ) 김정민 ( 연세대학교 ) 연구보조원 : 조한신 ( 연세대학교 ) 김우태 ( 연세대학교 ) 위상혁 ( 연세대학교 ) 이경원 ( 연세대학교 )
요약문 1. 과제명 전자파인체유도전류및 SAR 계산모델링연구 2. 연구기간 2003 년 2 월 1 일 ~ 2003 년 12 월 31 일 3. 연구책임자 육종관 ( 연세대학교전파통신연구실 ) - ii -
4. 계획대진도 가. 월별추진내용 세부연구내용 1) 자료조사 연구자 월별 추진일정 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 비고 - 국내외논문조사위상혁 - 인체모델링에관한자료수집 조한신 - 수집된자료의분석및검증 2 ) 인체모델링과휴대폰모델링 -FDTD 해석을위한모델링 CAD 파일을이용한Folder type 휴대폰및 SAM phantom 모델링 -모델링의 적합성 검증 3 ) 인체 유도 전류 연구 -개발한인체모델링에수치해석으 로 적용 가능한 인 체유도전류의식을연구 수 4 ) SAR 계산을위한 FDTD 해석 -SAM phantom 및휴대폰모델을이용하여 FDTD 방법으로 SAR 계산및결과분석 김우태이명원김정민김정민김우태 분기별수행진도 (%) 20% 20% 30% 30% - iii -
나. 세부과제별추진사항 1) 자료수집및분석 (1) 인체두부모델링에관한국내외논문조사 -인체두부에대한모델은주로세부적인항목까지고려뼈, 뇌, 안구, 피, 피부조직등 -Magnetic image(mr) 을이용한인체두부모델 (2) 폴더형휴대폰의 SAR에관한논문조사 -현재 SAR의관한연구에대한경향조사. -폴더형휴대전화는주로도체박스로모델 (3) 인체유도전류에관한논문조사 -인체전신에유도된전류계산. -Debye 방정식을이용한해석. 2) 모델링작업및인체유도전류연구 (1) 구형두부모델에관한전자파흡수율계산및 SAM 팬텀데이터보정 1 구형두부모델에관한전자파흡수율 -주파수에따른 SAR 분포변화 -입력전원의위치변화에따른인체두부내 SAR 계산 2 SAM 팬텀데이터보정 -인체의윗부분을보정. -SAR 계산을위한물질을채움. ( 피부조직및내부물질로나위어지는 2가지물질로모델링 ) (2) 인체모델링및휴대폰모델링 -인체모델및휴대폰모델적합성검토 (3) 인체유도전류에관한수식을정리하여 FDTD 해석 1 (FD) 2 TD를이용하여 E H D 로이어지는 loop 상태까지반복 -기본적인맥스웰방정식으로유도. -두개의시상수를가지는 Debye 방정식을통한유도. 2 유도전류계산 (D를이용 ) - iv -
-loop type current meter 방법 -the convolution 방법 3) 인체모델과휴대폰모델을이용하여 FDTD 방법으로 (XFDTD tool) SAR 계산및결과분석 5. 연구결과 1) 휴대폰의전파흡수율에관한논문조사를통해해석동향파악 2) 국내외법규화조사를통한전자파발생기기에대한기준조사 3) 구형두부모델에대한전파흡수율계산 4) 인체유도전류에관한수식을정리하여 FDTD 해석이가능해짐 5) 인체모델이나휴대폰모델을 CAD를사용하여있는그대로 design 함으로써 SAR 오차를줄임 6) SAR 해석에많이사용되고있는 FDTD방법을이용 (XFDTD tool 사용 ) 함으로써 SAR 계산및인체유도전류의값의신뢰도를높임 - v -
6. 기대효과 기존의간단한폴더형이나막대형을가지고구하는 SAR 값보다는 CAD로완전히 design된폴더형태를가지고 SAR을구함으로써폴더형태의 SAR 기준값을마련하도록함. 7. 기자재사용내역 시설 장비명규격수량용도보유현황비고 IBM-PC Pentium4 20 CAD 파일보정보유 Laser Printer HP4200 1 출력용보유 8. 기타사항 없음 - vi -
S UM M A R Y In this study, we have performed numerical simulations for specific absorption rate (SAR) values inside a human head model due to a folder-type cellular phone. The mobile phone has been CAD modeled from a commercially available device operating at 835 MHz. To compare the SAR values between the folder-type phone and bar-type one, the SAR value has also been computed for the bar-type phone under the same condition with the folder-type. In this work, the IEEE standard phantom model has been used as a head model and it is slightly modified to improve accuracy. Today's mobile phones require proof of compliance to standard limits of the specific absorption rate before they can be allowed onto the market. SAR is obtained from calculation of the power absorbed by tissue. It is obvious that as the impinging electromagnetic fields increases on the human head the SAR is proportionally increases. As a result, standard value is determined by regulation regarding the human body's SAR and various researches are in progress to develop ways of reducing SAR values. Accordingly, it would be beneficial to develop a technique reducing SAR if we have accurate method of estimating SAR values in the human body. To know tendencies and analyze data of the SAR, we have investigated various reports and published documents regarding phantom modeling, SAR of folder-type phone, and SAR calculations., and those results on numerical formula of currents induced in human body are summarized. These are based on research and analysis of the SAR calculation. We modeled cellular phone and phantom in CAD. In the cellular phone, both external and internal parts of a folder-type phone are - vii -
modeled in detail by using computer aided design (CAD) software. The phantom is composed of two materials: inside material and the outside skin material. To calculate the SAR using the Finite-Difference Time-Domain method, we converted them into FDTD cell domain. We performed the SAR calculation using commercial XFDTD tool and a commercially available phone modeled is used in CAD form and obtained the more accurate SAR values for folder-type phone. We have found that the SAR of folder-type phone is much smaller than that of bra-type phone, and the maximum SAR position of the folder-type phone is farther than that of the bar-type phone from a human brain. We wish this work could become a basic material for an accurate SAR analysis and help to make a standard limit of the SAR. - viii -
목 차 표목차 그림목차 제 1 장서론 1 제 2장전자파의인체영향과 SAR 해석동향 2 제 1절국내외의연구동향 2 제 2절 SAR 해석동향 1 0 제 3 장전자파 - 인체보호기준의법제화현황 1 5 제 1 절외국의전자파규제현황 1 5 제 2 절국내의전자파및인체보호기준에대한현황 1 7 제 4장인체유도전류연구 2 2 제 1 절. (FD) 2 TD ( Frequency Dependent Finite Difference Time Domain) 방법 2 2 제 2 절. 유도전류계산 2 4 제 3 절. Specific Absorption 계산 2 6 제 4 절. 총에너지계산 2 7 제 5장 SAM Phantom( 인체두부모델 ) 및휴대폰모델링 2 8 제 1절 SAM Phantom( 인체두부모델 ) 모델링 2 8 제 2 절휴대폰모델링 3 2 - ix -
제 3절 Antenna 설계 3 5 제 4절인체두부와휴대폰의병합 4 4 제 6장 XFDTD를이용한 SAR 계산및결과 4 5 제 7 장결론 5 2 참고문헌 5 3 - x -
표목차 표 3-1. 전자기장강도기준 ( 일반인 ) 1 9 표 3-2. 전자기장강도기준 ( 직업인 ) 2 0 표 3-3. 국부노출에대한전자파흡수율 2 0 표 5-1. 주파수 835 MHz 인정상모드 helical 안테나의계산값 4 2 표 6-1. 시뮬레이션조건 4 5 표 6-2. 1W 로정규화시킨 SAR (1 mm, 2 mm) 4 8 표 6-3. Cell size에따른 SAR 비교 (1 W 정규화 ) 48 표 6-4. 실제인가되는전력 24 dbm을고려한 SAR (1 mm, 2 mm) 4 9 표 6-5. Cell size에따른 SAR 비교 (24 dbm 정규화 ) 4 9 표 6-6. 1W 로정규화시킨 SAR (folder-type, bar-type) 5 3 표 6-7. Folder-type과 Bar-type phone 의 SAR 비교 (1 W 로정규화 ) 시킨 5 3 표 6-8. 실제인가되는전력 24 dbm을고려한 SAR (folder-type, b a r - t y p e ) 5 4 표 6-9. Folder-type과 Bar-type phone 의 SAR 비교 (24 dbm 로정규화 ) 5 4 - xi -
그림목차 그림 5-1. 상단부가 개방된 Phantom 2 9 그림 5-2. 보정된 Phantom 2 9 그림 5-3. Phantom 내부의 전기장 측정 2 9 그림 5-4. 보정된 Phantom의 전체 모습 3 0 그림 5-5. Solid-type의 인체모델 전면부 3 1 그림 5-6. Solid-type의 인체모델 하반부 3 1 그림 5-7. XFDTD tool에 import 되기 전의 휴대폰 3 2 그림 5-8. XFDTD에 import 되기 전의 안테나 분리도 및 조립 도 3 3 그림 5-9. 2mm로 import된 휴대폰과 1mm remesh 한 후 보정 된 휴대폰 3 4 그림 5-10. 보정된 휴대폰의 전체적인 모습 3 4 그림 5-11. Helical 안테나의 기하구조의 크기. 왼손방향으로 감은 helix 3 5 그림 5-12. Helical 안테나의 한 권선을 펼친 모델 3 6 그림 5-13. 소형 루프와 이상적인 다이폴로 근사화한 정상모드 helical의 한 권선 3 7 그림 5-14. 정상모드 helical 안테나와 방사패턴 3 8 그림 5-15. XFDTD에서 design된 안테나와 방사패턴 4 2 그림 5-16. 시간 변화에 따른 전계 변화 4 3 그림 5-17. 인체두부와 휴대폰의 병합 4 4 그림 6-1. 최대 SAR 위치 4 6 그림 6-2. 최대 SAR 위치에서의 전기장의 크기 4 7 그림 6-3. 최대 SAR 위치에서의 전도전류의 크기 4 7 그림 6-4. 휴대폰 몸체의 dimension 5 0 - xii -
그림 6-5. Bar 형태의 안테나 방사패턴 5 1 그림 6-6. Bar 형태의 시간에 따른 안테나의 전계 변화 5 1 그림 6-7. Bar 형태 휴대폰의 최대 SAR 위치 (xz plane) 5 2 그림 6-8. Bar 형태 휴대폰의 최대 SAR 위치 (yz plane) 5 2 - xiii -
제 1 장서론 최근무선통신기기가발달하면서전자파가인체에미치는영향에대한관심이높아지고있다. 국내외적으로이에대한연구가진행되고있지만, 인체유해여부에대한결론이아직나지않은상태이다. 이에각국은인체의전파파흡수율 (Specific Absorption Ratio ; SAR) 에관한기준을정하여규제하고있으며, 정확한기준을마련하기위한연구가진행중에있다. 우리나라역시 SAR에대한규정을 2000년전파법에명시하고전자파발생기기에대한인체흡수정도를규제하고있으며 SAR을저감하기위한연구가활발히진행되고있다. SAR 저감기술을개발하기위해서는 SAR의정확한해석이선행적으로이루어져야한다. 현재 SAR을해석하기위해다양한수치해석기법이사용되고있는데그중에서가장많이사용되고있는것은 FDTD(Finite Difference Time domain) 해석법이다. FDTD 해석법은쉬운알고리즘을바탕으로다른수치해석기법보다정확한 SAR 값해석이가능하다. FDTD 해석초창기에는인체두부를간단한형태의모델 ( 구형이나평면형 ) 로사용하였지만, 오늘날에는해부학적인기법의발달로인체모델을실제적으로구현할수있게되었다. 또한휴대폰에대한모델링역시모노폴안테나와도체박스가결합된초창기형태에서실제설계도인 CAD 파일을이용하여실제휴대폰에가까운모델을사용할수있게발전하였다. 휴대폰의형태역시변형되어과거에는플립형이나막대기형의휴대폰이었지만오늘날휴대폰의대부분은폴더형태로시장에출시되고있다. SAR 해석역시과거에는플립형이나막대기형에대한해석이진행되었고오늘날폴더형에대한 SAR 해석은간단한도체박스두개를연결한형태모델에대해서이뤄지고있는상태이다. 본연구에서는현재사용되고있는폴더형휴대폰의 CAD 파일을이용하여실제휴대폰에가까운모델을디자인하였다. 수정된인체두부모델과휴대폰모델에대해 FDTD 알고리즘기반의 XFDTD을이용하여 SAR와인체유도전류를계산하였다. 실제에가깝게구현된휴대폰모델을이용함으로써기존의결과보다정확한 SAR 값을얻어낼수있었다. 그리고셀크기에따른 SAR값비교와간단한막대형휴대폰의 SAR 값을비교하여연구결과를폴더형휴대폰의 SAR 기준자료로이용할수있도록하였다. - 1 -
제 2 장전자파의인체영향과 S A R 해석동향 제 1 절국내외연구동향 무선이동통신기기의보급으로무선기기에의한인체유해에관한관심과우려가높아지고관련분야의측정기술이발전하면서, 각국가기관또는국제기구등에서는점차모바일휴대폰같은, 인체에밀착하여사용하는기기에대해서인체전자파흡수율 (specific absorption rate 이하 SAR) 의제한을규정하고있다. 미국및일부선진국들은전자파가인체에유해할수도있다는가정하에협회나학회등민간기관을통해전자파노출에대한인체보호기준을마련하여권고기준으로시행하고있으며일부국가에서는이를강제기준으로적용하여시행하고있다. 따라서이번절에서는주요국가들의전자파인체영향연구와국제적연구동향에대해서살펴보았다. 1. W H O의 E M F 프로젝트정전자기장및시변전자기장노출의잠재적인영향은일반인과직업인의건강에대해상당한관심을불러일으키고있으며, 과학적으로명확히규명할필요가있다. 전자기장 (EMF) 은우리생활에영향을미치는, 가장일반적이고, 가장빨리성장하고있는환경요인들중의하나로서이에대한불안과걱정이확산되고있다. 암, 행동양태의변화, 기억상실, 파킨슨씨병, 치매, 그리고많은다른질병과같은건강상의영향들이전자기장에대한노출이원인인것으로제기되어왔다. 이러한관심사를다루기위해, 세계보건기구 (WHO) 는국제 EMF 프로젝트를만들고, 국제비전리복사방호위원회 (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection), 국제암연구소 (International Agency for Research on Cancer), 국제전기기술위원회 (International Electrotechnical Commission), 국제노동기구 (International Labor Office), 국제전기통신연합 (International Telecommunication Union), 유엔환경프로그램 (United Nations Environment Programme), 북태평양조약기구 (North Atlantic Treaty Organization), EC (European Commission) 의 40개이상의국가기관, 그리고영국국립복사방호국 (National Radiological Protection Board), 독일연방복사방호국 (Bundesamt fur Strahlenschutz), 스웨덴카롤린스카연구소 - 2 -
(Karolinska Institute) 및 환경의약연구소 (Institute of Environmental Medicine), 미국 식품의약청 (Food and Drug Administration), 미국 국립환경 건강과학연구소 (National Institute of Environmental Health Sciences) 및 미 국 국립직업건강연구소 (National Institute of Occupational Health), 일본 국 립환경연구소 (National Institute for Environment Studies) 등과 협력하여 국 제 EMF프로젝트를 추진하고 있다. 국제 EMF 프로젝트는 0~300 GHz 주파수 영역의 정전자기장 및 time harmonic 전자기장 에 대한 노출이 건강에 미치는 영향을 평가하는 연구계 획으로 주파수 영역은 정전기장 (0 Hz), 극저주파수 (ELF, > 0~300 Hz) 및 무선주파수 (RF, 300 Hz~300 GHz) 등 세 개의 영역으로 나누어져 있다. 이 프로젝트는 1996년 WHO에서 시작하여 2005년까지 연구를 진행하도록 되어 있다. 가. EMF프로젝트의 연구 목표 (1) EMF 노출이 야기할 수 있는 건강영향에 관한 관심사에 대해 사전 조 정된 국제적인 견해의 제공. (2) 과학분야 문헌에 대한 평가와 건강영향에 대한 현황보고. (3) 보다 나은 건강위험 평가를 위한 연구 요망 분야의 물색 (4) 중요 지식의 공백을 메우기 위하여 집중 연구 프로그램을 장려. (5) 연구 결과를 WHO의 환경건강기준 (EHC) 문서에 반영하여 EMF 노출 에 대한 공식적인 건강위험성을 평가. (6) EMF와 관련한 위험성 인지, 위험성 공지 및 위험성 관리에 대한 정보 제공. (7) 국가 당국자들에게 EMF 문제에 대한 조언 및 출판물을 제공. (8) 국제적으로 수용 가능한 EMF 노출에 대한 표준 개발 나. EMF프로젝트의 주파수 대역별 연구 진행 및 결과 (1) 무선주파수장 (RF) ( 가 ) 높은 강도의 무선 주파수장 (RF) 은 인체조직을 가열하면서 건강상 에 나쁜 결과를 야기시킬 수 있음을 입증. ( 나 ) 첨두값의 세기가 강한 펄스와 약한 펄스가 혼합된 펄스형 무선 주 파수 전자기장에 의해 발생하는 생물학적 영향을 확인하기 위한 연구 필요. ( 다 ) 이동전화시스템에 적용할 수 있는 향후의 연구는 900~2000MHz - 3 -
와적절한펄스및변조패턴에집중되어야함. ( 라 ) 무선주파수장 (RF) 노출의정확한평가가향후의모든연구의필수적인요소가되고, 모든연구팀에 RF 노출량평가전문가를포함시키는것이연구의수준을유지하는데필요함. ( 마 ) 장기간의 RF에대한각개인의노출을편리하고정확히측정할수있는기기나평가방법의개발은향후의역학연구에있어우선순위가높은사안임. (2) 극저주파 (ELF) 전자기장 ( 가 ) 일부 역학 연구들은 송전선 가까이 살고 있는 어린이들의 백혈병 에 대한 위험성 증가를 시사하였으나, 이것이 극저주파 전자기장 에 의한 것인지, 다른 환경요소 때문인지는 아직 결론이 나지 않 음. ( 나 ) 50/60Hz 전자기장에 통상 중첩되는 고주파수의 고조파장 전자기장 의 노출에 대한 가능한 생물학적 영향을 구체적으로 조사된 연구 는 아직 발표된 것이 없음. ( 다 ) 이론적 근거를 바탕으로 할 때 과도현상 또는 고주파수의 고주파 전자기장은 정현파 (50/60 Hz) 전자기장보다 생물학적 영향을 일으 킬 가능성이 더 높음. ( 라 ) 실제 전자기장의 특성을 더 잘 묘사하고 환경에서 그 보편성을 판 단하기 위하여 50/60Hz 전자기장의 과도현상과 다른 섭동에 대한 철저한 연구가 필요. (3) 정전기장 ( 가 ) 정자기장은 매우 높은 세기의 전자기장에서만 인체 건강에 영향을 주는 것으로 알려져 있음. ( 나 ) 정자기장의 노출로 인한 건강에 대한 장기간 영향에 관해서는 더 많은 정보가 필요함. ( 다 ) 현재까지의 연구들은 정전자기장이 환경이나 작업장에서 볼 수 있 는 레벨에서는 유해한 건강영향을 주지 않으므로 추가 연구는 없 음. - 4 -
2. 미국미국은 82년부터민간기구인미국표준협회 (ANSI) 와국가방사보호위원회 (NCRP) 에서인체보호기준을발표하였으며미연방통신위원회 (FCC) 는미국표준협회의기준을토대로의견수렴을거쳐 96년도에방송국등출력전력이큰무선국에한해인체보호기준을초과하는지역은민간인출입통제를의무화하도록하였고, 인체보호기준을초과하는휴대전화는시장출하를금지하는등 FCC규정으로법제화하였다. 또한 IEEE SCC34 SC-2 WG에서이동통신단말기의측정시스템및측정방법등, SAR에대한표준화연구를주도적으로진행하고있다. 3. 유럽유럽에서는 4년주기로계속되는 Framework Programme(FP) 을통하여연구기술개발활동 (RTD; Research, Technological development and demonstration) 을지원하고있으며, 이미 1998년에 "5차 FP" 가시작되어 2004년까지 4년의계획으로 RTD지원활동을전개하고있다. 주요국가들에대한연구활동을살펴보면다음과같다. 가. 영국영국은 2명의전문가로구성된특별위원회에서미성년자를상대로한휴대전화판촉행위를금지하고기지국을설치할때정부승인을받도록하였으며전자파에대한경고문 ( 사용장소, 사용시간, 인체유해성등 ) 을휴대폰단말기에명시하는것을제안하였다. 이에영국정부는이들이권고한전자파흡수율 (SAR) 및인체유해가능성에대한휴대폰경고문부착과더불어전자파흡수율 (SAR) 수치를단말기에부착하도록하였다. 그리고이와더불어휴대전화의유해성을학생들을대상으로한정식교육과정에포함시켰다. 나. 독일독일의연방방사보호국 (Federal Radiation Protection Office) 은 2002년 1 월부터연방환경부 (Federal Environment Ministry) 의협조와감독아래 4년동안휴대폰안전에대한새로운 15개의연구프로그램에대해 850만유로의예산을시행하고있다. - 5 -
주요연구프로젝트 : ( 가 ) Repacholi 연구 로알려져있는호주쥐의임파암실험의재현. 쥐들에게노출시키는전자파흡수율 (SAR) 은 ICNIRP의제한치보다적거나비슷한수준으로해야함 (50 Hz EMF 이용 ) ( 나 ) 쥐의눈과귀에 GSM과 UMTS(3G) 신호를노출시켰을때의영향과여러세대에걸친노출의유전학적또는기타요인들을조사 ( 다 ) 다양한노출환경에서의송과체 (pineal gland) 에대한영향조사 ( 라 ) 펄스파와연속파에노출된여러종류의세포들의단백질형태, 신호전달, 그밖의다른기능들에대한연구 ( 마 ) 고출력의라디오파 / 마이크로파에노출되는직업인들사이에서의건강위험도연구에대한가능성평가 ( 바 ) 휴대폰중계기에서의노출과건강상태에대한파일럿연구로서의역학조사 다. 스위스스위스는연방환경산림국토청 (Swiss Agency for the Environment, Forests and Landscape: SAEFL) 이전자기장 (electromagnetic field) 에관한법안, 강제규정, 이에필요한활동들을관장하고있다. 스위스연방법은아직전자기장을소음이나진동과같이 이질적인효과 (extraneous effects) 를가지는존재로정의하고있다. 스위스에서는이와같은요소들을 2가지단계로나누어처리를하기로방침이정해져있다. 첫째는비록인간에게해를준다는것이확실하게밝혀지지않았으나가능한추가비용없이발생원자체를최대한억제하여방출을못하게하는것이고두번째는인체에해를입히거나문제를발생시킨다는것이밝혀졌을경우연방환경산림국토청 (SAFEL) 에서과학적인조사를통해노출한계등을준비하고연방자문회의에서위험수치를정하여권고치를마련하기로되어있다. 주요 연구 프로젝트 및 연구기관 : ( 가 ) 전자파에 민감한 사람들 (electrosensitive people) 에 대한 연구 (Institute of Hygiene and Applied Physiology) ( 나 ) 휴대폰에서 인간의 두부에 전달되는 에너지를 측정하고 계산하는 연구 (Laboratory of Electromagnetic Fields and Microwave Electronics) - 6 -
( 다 ) 일반인들의저주파자기장 (low-frequency magnetic filed) 노출에관한연구 (Paul Scherrer Institute,PSI) ( 라 ) 전기자동차 (electric car) 에서의전자기장노출에관한연구 (School of Engineering Biel-Bienne) ( 마 ) 휴대폰이인공심장박동기에미치는영향에대한연구 (Swiss Telecom) ( 바 ) 마이크로파노출시, Yeast cell의성장변화에대한연구 (Institute of General Microbiology, University of Bern) 라. 네덜란드 네덜란드에서는 주택공간계획환경부 (Ministry of Housing, Spatial Planning and the Environment; VROM) 에서 관장하고 있다. VROM 이란 네덜란드어 의 약자로서 housing, land-use planning and environmental management 의 약자이다. 예방원리에 따라서 전자파 방사는 최소한으로 유지하도록 하고 있으며 제한 이 더 엄격해진 네덜란드 방사선 시행 지침 (the Dutch Radiation Performance Index) 이 2002년에 만들어져서 2003년에 법안으로 시행될 것이 다. 그 법안에는 전자기장에 대한 표준은 고압선에 관한 부분과 GSM 스테 이션에서 발생하는 라디오 주파수 대역 방사에 대해서 자세하게 나타나 있 다. 마. 러시아러시아에서는 Discussion of Results of Experiment with Chronic EMF Exposure Conducted Several Years Ago in the USSR, Which Serve as the Basis for EMF Standards in the USSR and Russia 라는제목으로향후러시아의전자파표준안을위한기초작업으로서과거舊소련 (USSR) 에서진행되었던만성적인전자파노출에대한연구 / 실험결과를논의하였다. 그리고이를바탕으로세계보건기구 (WHO) 이만든전자파표준과자국의표준시안을비교, 조율을통해범세계적인표준안제정을목표로연구가진행되고있다. - 7 -
4. 일본일본의전자파환경문제에대한모든업무는총무성우정사업청전파환경과에서담당하고있다. 주업무는전자파적합성 (EMC: Electromagnetic Compatibility) 과국제무선장해특별위원회 (CISPR) 에관계된전자파인체영향관련정책등을수행하고있다. 이들업무와관련하여전파환경과는우정성에대한답신. 자문역할을하는통신기술위원회 (Telecommunication Technology Counceil, TTC) 와각지역통신국을국내 11개지역에배치하고있으며, 연구기관으로는요코스카에통신연구실험실 (Communications Research Laboratory, CRL) 을두고있다. 인체의전자파보호에대한우정성의정책흐름은 90년통신기술위원회의답신으로시작되었다. 1998년 3월, 우정성연구그룹은정부가현존의라디오방사보호지침안 (Radio-Radiation Protection Guidelines) 을정부강제기준으로서권고해야한다는내용의보고서를우정성에제출하였으며이를위해 1998년 10월 1일전파법시행을위해새로이개정된규칙을선포하였다. 이규칙은 1999년 10월 1일제정되었다. 그리고일본우정성은지난 97년, 새로이 전자파인체노출연구위원회 (Committee of the Study on Human Exposure to EMF)" 를조직해서국가주도로전자파에대한본격적인연구를시작하였다. 전자파인체노출연구위원회 (Committee of the Study on Human Exposure to EMF) ( 가 ) 목적 : 휴대단말기에대한인체영향을과학적으로규명함. (5년계획으로동물실험등을수행 ) ( 나 ) 위원 : 17인 ( 공학, 생물학, 의학의전문가그룹과서비스업체, 그리고관련정부처장으로구성 ) ( 다 ) 현재장기간노출에대한연구, 이동전화사용에관한역학조사등, WHO 국제공동프로젝트에관한연구를진행하고있다. ( 라 ) 또한정부부처와연계하여후생성과는극저주파인체노출에관한연구, 과학기술청과는극저주파노출에관한역학조사연구, 환경청과는 WHO국제공동프로젝트에관한연구, 노동청과는작업장내극저주파노출에관한연구를진행하고있다. - 8 -
5. 국내연구동향 1990년대후반송전탑과이동전화기지국주변사람들의민원이다수발생하면서사회적으로전자파의유해여부가커다란논란이되었다. 이러한사회적반응은국민들에게전자파에대한막연한두려움을갖게하였다. 1996년한국전자파학회내에의학 공학전문가들로구성된 전자장과생체관계연구회 를중심으로국내에서전자파에대한연구는시작되었다. 이연구회에서는인체에대한전자파의영향에관한연구뿐만아니라인체보호기준을제정하는등전자파규제에대한활동을진행하게되었는데이것이우리나라최초의전자파인체보호기준이되었다. 정부역시전자파에대한규제에나서게되었는데 1999년국회산하에 전자파유해문제대책위원회 가구성되었고이위원회를중심으로 2000년전파법을제정하게되었다. 또한정부는전자파가인체에미치는영향에대한연구의필요성을제기되어정부산하기관연구소에서관련연구를진행하고있다. 또한정보통신부에서는전자파인체영향연구기본계획을수립하고우선 2000년부터 2004년까지 100억원을투자하여송신소및송전선주변주민들을대상으로역학연구, 지원자연구, 동물실험을하여전자파가암세포, 뇌종양등에미치는영향을알아보는 전자파생체영향연구 와 전자파인체보호기준제정 을위한업무를추진하고있다. 또한정확한 SAR를측정하기위한연구역시진행되고있는중이다. - 9 -
제 2 절 S A R 해석동향 현재 셀룰러 전화기와 기타 개인통신 서비스의 사용과 향후 이와 관련된 지속적인 RF 무선 통신 시스템의 사용증가가 예측됨으로써, 핸드셋트 (handset) 상의 안테나와 인체간의 상호 작용에 상당한 관심과 연구노력을 기 울여 왔다. 이러한 활동들은 다음 두가지 요인이 동기가 된다. 1안테나 성 능의 악화 평가와 개선된 안테나 개발에 필요성, 2잠재적인 건강 위해와 기 준, 예를들어 미국 FCC 기준과의 적합성 시험을 위해 SAR (specific absorption rate) 라 불리는 RF 에너지 흡수의 비율을 평가해야 하는 필요성 등이다. 최근 컴퓨터 기술의 진보는 비균질의 해부학적인 두부모델이 실제의 휴대 단말기 모델과의 전자기장 상호작용을 수치적으로 계산하는 FDTD기법의 사 용을 가능케 하였으며, 이 결과들은 인체두부와 단말기 상호작용에 대한 이 해를 향상 시켰다. 기존의 관련 해석 사례들은 균질의 구형 (spherical) 두부에서부터 MRI (Magnetic Resonance Imaging) 에 기초한 해부학적으로 수정된 비균질 모델 에 이르기까지 다양하다. 안테나의 복사패턴에 대한 인체두부의 영향이 어느 정도로 박스나 구 형태로 모의될 수 있을까, 다양한 두부모델로 얻어진 SAR 은 실제 두부내의 SAR을 얼마나 잘 예측할 수 있을까 안테나 패턴에 대한 두부 영향, 두부에 흡수되는 전체전력, 조직 1g 과 10g 내의 peak SAR 또는 maximum SAR을 구하는데 있어 두부 모델의 질과 정밀도가 얼마나 중요한 가, 그리고 안테나와 두부 간의 거리는 SAR peak 값과 위치에 어떠한 영향 을 주는가 등에 대한 고찰이 이루어져왔다. IEEE SCC 34는 1995년 6월에 설립되어 휴대용 무선 송수신기, 무선 송수 신기, 무선 LAN 및 유사기기 등 특정 휴대용 무선기기들이 SAR 기준을 충 족시키는지를 인증하기 위한 프로토콜 개발을 위해 소위원회 (SC)2가 1997년 2월에 설립되었다. 소위원회2에서는 무선기기에 대한 인체 SAR을 해석하기 위한 기법으로는 어떠한 것들이 존재하고 시간 영역 유한 차분 방식 (FDTD 기법 ) 이 왜 적절한가, SAR 평가시 수치기법 상 고려하여야 할 문제에는 어 떠한 것들이 있는지 등을 검토하였다. 기존의 RF 조사량 측정 계산 방식에는 모멘트 법 (MoM), 일반화 다극자 기 법 (GMT: Ge-neralized Multipole Technique), 시간 영역 유한 차분 방식 (FDTD), 유한 요소 방식 (FEM) 과 기타 혼성 방식이 포함된다. RF 노출 요 구사항을 충족시키는 계산 기법을 이용하면 자유 공간의 전기장 및 자기장 - 10 -
강도나전력밀도뿐아니라, 조직에서의전자기에너지흡수또는 SAR을계산할수있다. 셀룰러와 PCS 주파수에서는계산및실험방법, 둘다 RF 노출평가에사용할수있다. 2.5GHz 등의보다높은주파수에서는전기장프로브의부적절한반응으로인해 SAR 측정이어려워지므로수치기법이더바람직해진다. 특히근거리장에서노출평가를위해전력밀도를사용할때에는계산기법은측정상의어려움을극복할수있는장점이있다. 원칙상으로는무선송신기의복사에노출된인체모델내 SAR의수치계산은많은방식으로수행될수있다. 그러나실제로는단순한모델에는몇가지적합한방식이있어서구 (sphere) 나층화구 (stratified sphere) 와같은인체나그일부의모델을사용했으나, 보다현실적이고해부학적으로도출한인체모델에서는 SAR 평가를위해사용될수있는방식이거의없다. 가까운안테나로부터나오는구형두부모델의 SAR을계산하기위해사용된방식들중에는 EEM (Eigenfunction Expansion Method), 구형확장기법 (spherical expansion technique) 과 GMT가있다. 최근에는혼성방식도제안되었다. 복잡한형태와분할된다양한조직을가진인체의비균질모델의경우, 두가지방식과그변형이사용될수있다. 즉, 유한요소방식 (FEM) 과시간영역차분 (FDTD) 방식이다. FEM에서문제의해는원칙적으로 1개의주파수체서얻어진다. FDTD 방식은한번의계산으로부터임의의많은주파수점에서해를얻을수있는시간영역방식이다. 그러나 FDTD는고조파여기소스 (harmonic excitation source) 의사용을통해한개의주파수에서해를얻는데사용될수도있다. FEM을사용하여무선안테나에대한실제인체모델의 SAR 계산은그방식과기존의해석기와호환가능한모델개발과관련된어려움으로인해수행되지않았다. 인체의 SAR 평가에 FEM을적용한적은몇번있었으나, 계산상의효율성과어려움의측면에서볼때 FEM 은복잡할뿐더러계산상노력도많이든다 ( 컴퓨터저장과계산시간 ). 그러나이것은부드러운표면과매우다양한크기를갖는구조를훌륭하게모델링한다. FDTD 방식은단순하고유연하며문제기하형 (problem geometry) 과의호환성및광대역해결책으로인해뛰어난방식이되었으며, 암도현재까지는무선통신기기로부터발생하는 SAR의수치해석에사용되는유일한방식일것이다. 또한많은과학자들과엔지니어들이 FDTD방식을다양하게응용하고있어이방식은급속히발전하고있으며수요가발생하는대로새로운알고리즘이개발, 개량되고있다. 위와같은 FDTD의특성으로인해 IEEE 표준조정위원회에서는 FDTD기법을이동통신기기에의한인체두부내의 SAR 평가시가장적합한모의방법으로판단하고평가표준을위해다 - 11 -
음에 기술하는 상들을 고려하고 있으며, 이 중 상당 부분은 현재에도 진행중 이다. 1. 벤치마크확인모델벤치마크들은무선송수신기로인한인체두뇌모델내의 SAR 평가를위해개발된계산도구가수락가능한지를알기위한목적으로사용될수있다. 일반적인수치적절차를확인하고특정응용프로그램을위한오차마진이결정된후에는계산알고리즘에변화가있을때만이추가확인이필요하다. 수치알고리즘과계산절차는보통특정한계산시스템을계속운용하기위해실행되고최적화되기때문에이벤치마크들은 SAR 평가에사용되는계산기법과절차를위한최소요구사항을확립할몇가지수단을제시한다. 이것은또한사용자들이프로토콜에서제안한모류마진을충족하는제한된계산자원만을이용하여수치기법과알고리즘을실험할수있도록하고있다. 알려진벤치마크모델로는두계층 (two-layered) 반공간 (half-space) 근처의다이폴안테나, 두뇌모의매질로채워진아크릴박스근처의반파장다이폴, 손실이있는구체근처의다이폴안테나, 자유공간에서의 λ/2 다이폴 ( 이모델은계산영역을단절하기위해사용되는흡수경계조건을포함하여, 기본 FDTD 알고리즘이전자기흡수계산을수행하기에수락가능한지여부를결정하기위한단순모델로사용되어왔다.) 등이있으며, 벤치마크모델은실험측정치와함께비교되어야한다. 결과들은고려되는측정치나계산치의불확실성과비교되어야한다. 벤치마트계산은벤치마크모델에기술된최소요구사항을가지고계산되어야한다. 2. 조직모델요구사항 SAR 계산을위해사용되는, 예컨대시간영역유한차분 (FDTD) 방식같은수치절차는한개또는두개의손실이있는정규기하형태에서계산된 SAR 분포를해석적해나측정또는양쪽모두에의해얻어진분포와함께비교함으로서정확성을검토할것이다. 이렇게확인된수치방식은각조직이뇌조직과일치하는전기적특성을가지는것으로가정할경우, 분할형상모델로부터도출한인체의균질모델을위해서도사용될것이다. 이러한실행의목적은이모델이 SAR을과대추정할것인지여부와그정도를알기위함이다. 이실행의또다른목적은 SAR측정을위해균질모델의사용이정당화되는지여부를판단하기위함이다. FDTD 생물학적 mesh의기초로서적합한, 평판이좋은해부학적자료출처는미국의료도서관의가시 - 12 -
인체프로젝트 (Visible Human Project) 이다. 3. 조직유전체특성과밀도데이터베이스다양한조직에대해가정되는전기적특성 ( 유전상수 과도전율 σ 은세부적인 SAR 분포에영향을미치는것으로알려져있다. 그러나 1g 의조직에걸친적분 (integration) 으로인해 1g SAR에대한영향은다행이도다소적다. 다양한조직들의전기적특성의데이터베이스는이특성들에관한가장최신의사용가능한과학데이터로갱신되어야한다. 4. 시험기기모델링 FDTD 방식은안테나성능과송수신기와그유사기기에대한안테나에의한인체 SAR과안테나성능평가에아주적합할뿐만아니라간단하고유연하며, 효율적이고정확하다. 그럼에도불구하고훌륭한상용 FDTD 컴퓨터코드조차아무런문제의징후를나타내지않고, 부정확한해답을쉽게제공할수있다. 이러한주된어려움은안테나와송수신기의적절한모델링과관련이되어있다. 또한, 인체두부모델의품질과해부학적정확성은 SAR 계산의신뢰성에영향을미친다. 두부모델에관해귀를모델화하기위한필요가강조되기도한다. 5. 데이터조작과변환 FDTD 셀의한쪽모서리의 3개의전기장성분이나모든인접셀격자의교차점에서 6개의성분들이해당하는셀의유효전자기장값을결정하기위해사용될지여부, 조직인터페이스가포함되어잇거나외부 ( 대기 ) 경계에있을때는어떻게사용할것인지, 서로다른셀의해상도가하나의계산공간에서사용하여결과를얻을때정확한위치나보삽위치가상이한전자기장값을낳을수있다. 이항목은각계산점에서 SAR과전자기장의보삽, 전신평균 SAR, 1g 또는 10g 평균 SAR 등평가의최종적인보고항목을얻는것과직접적관련이있어다른항목에비해상당부분을차지하고있다. 6. 데이터 보고 이 항목은 평가 결과 보고에 대한 부분으로 실험 절차의 중요한 부분은 결 과를 뒷받침할만한 충분한 증거 자료를 제공하는 것이다. FDTD는 휴대용 무선 송수신기의 RF 노출 준수여부를 결정하기 위해 SCC-28이 추천한 계 산 방식 중의 하나이다. 수치 알고리즘 실행과 사용의 특정한 변형들은 컴퓨 - 13 -
터시스템과모델링절차에따라달라질수있다. 시험절차의적합성을증명하기위해서는실험결과를뒷받침하기위해계산기법의상세한기술, 조직과단말기모델에대한구체화된보고서가필요하다. 이외에도수치기법상의특수기법, 메모리및수행절약을위한해석모델의절단등을다루고있다. - 14 -
제 3 장전자파 - 인체보호기준의법제화현황 제 1 절외국의전자파규제현황 전자파인체보호기준은미국 ( 연방통신위원회 ; FCC), 호주 ( 통신국 ; ACA), 캐나다 ( 보건부 ; Health Canada, 산업부 ; Industry Canada), 일본 ( 우정성 ; MPT) 및스위스 ( 연방환경산림국토청 ; SAEFL) 등에서법제화하여강제적으로규제하고있다. 1. 미국미국은 1997년 10월부터위성통신및방송, 일정출력이상의육상과해상의이동및고정통신용송신시설, 아마추어무선국 ( 타시설에비해다소늦게시행 ) 시설의허가전초기환경평가 (EA; Environment Assessment) 와사후의정기적환경평가를받도록하고있다. 휴대전화의전자파흡수율규제와관련하여서는 1997년 1월부터미연방통신위원회 (FCC) 에서규제하고있으며, 구체적인규제내용은휴대전화의 FCC 승인을위한시험항목에 SAR을추가하고, SAR 시험성적서를제출하지않을경우, FCC 인증서가발급되지않으므로판매가불가능하게하고있다. 2. 호주 ( A u s t r a l i a ) 주관기관은호주통신국 (ACA; Australian Communication authority) 으로서 SAR 기준은미국과동일한 1g 평균 1.6 W/kg ( 국부노출 ) 이며, 측정방법은 AS/NZS 2772.1-1998( 잠정표준 ) 에기술되어있으며현재 ARPANSA (Australian Radiation Protection and Nuclear Safety Agency) 에서개정작업중이다. 휴대전화의 SAR에대해서는 99년 1월부터강제규제에들어간상태이다. 금년 (2000년) 6월에개정된 ACA Standard의Radiocommunication (Electromagnetic Radiation-Human Exposure) Standard 1999에따르면대상기기는 800 MHz 2.5 GHz 대역에서작동하는모든 cellular mobile, cordless and satellite handsets을포함하고있다. - 15 -
3. 캐나다캐나다의 SAR 기준은 미국과 동일한 1g 평균 1.6 W/ kg ( 국부노출 ) 으로 서 Health Canada ( 캐나다 보건부 ) 주관법인 Safety Code 6에서 규정하고 있다. SAR 측정조건, 이동용 송신기의 인증조건 등에 관해서는 Industry Canada에서 주관하는 Radio Standards Specification (RSS- 102: RF exposure from mobile radio transmitter s ) 1999 에 정의하고 있다. 즉, 기 기의 인증을 위해서는DoC (Declaration of Comformity) 를 Industry Canada 에 제출해야 한다. 4. 유럽 EU는일반인에대한인체보호기준권고안을회원국내기준의합일화를목표로 EC 지침을제정, 발표하였으나, 현재각국은나름대로의기준을채택하고있다. 그리고유럽전자기술표준화위원회 (CENELEC) 에서 1997 년부터 SAR 측정방법에대한표준화작업을진행하였고, 1999년 5월에는전자파인체보호기준에대한최종안을발표하였다. 5. 일본일본은 1998 년 1월, 전파산업협회 ( ARIB) 에서휴대전화단말기에대한전자파흡수율측정권고안을발표하였고, 주관기관은우정성으로서 SAR 기준은유럽과동일하게 10 gram 평균 2W/kg( 국부노출 ) 을채택하고있다. 2001 년상반기부터우정성에서규제할예정입니다. 2001년에는강제규제에들어갔다. 즉, 새모델의전화에대해서는 SAR 성적서를제출토록하고기준을초과한제품에대해서는판매를금지하고있다. - 16 -
제 2 절국내의전자파및인체보호기준에대한현황 우리가 일상생활 속에 접하고 있는 TV, 라디오 등의 방송매체와 휴대 전 화, 냉장고, 의료기기 등 모든 전기, 전자제품과 정보통신기기에서는 전자파 가 나오고 있으며 심지어 지구상의 모든 생물에게 에너지를 공급하는 태양 에서도 전자파가 나오고 있다. 이렇듯 전자파는 우리의 현대생활에 없어서는 안 될 소중한 자원이지만 일부에서 전자파가 인체에 유해할 수도 있다는 연 구내용이 발표됨에 따라 국민들은 막연한 불안감을 느끼고 있는 것이 사실 이다. 미국, 유럽 등 선진국들은 80년대부터 전자파가 인체에 미치는 영향을 연 구하고 있으나 아직까지 전자파가 인체에 유해하다는 것을 과학적으로 규명 하지 못하고 있는 상태이다. 그러나 전자파에 대한 인체영향문제가 세계적인 관심사로 대두됨에 따라 미국, 호주, 캐나다, 일본, 스위스 등 선진국에서는 예방적 차원 (Precautional Approach) 에서 인체보호기준 등을 제정하여 시행 해 오고 있다. 우리나라에서는 95년경부터 TV, 신문 등 언론매체를 통하여 전자파의 인 체 유해론이 보도됨에 따라 송전탑, 이동통신기지국 주변에 살고 있는 주민 들로부터 많은 민원이 제기되고 있으며, 99. 7월 한국교육방송에서 생방송으 로 실시한 국민여론 조사에서도 전자파는 유해하다고 생각하고 있으며 전자 파를 규제하는 법을 제정하는 것에 대부분 찬성하고 있는 것으로 나타났다. 정보통신부는 국민들의 이러한 궁금증을 해소시키고 전자파의 인체영향을 심층적으로 연구하기 위하여 96년부터 한국전자파학회, 한국전자통신연구원 및 전파연구소 등에서 전자파에 대한 전문적 학술적인 연구를 수행하도록 하 였다. 98년부터는 미국, EU 등 45개 국가와 국제전기통신연합 (ITU) 등 8개 국제기구가 공동으로 수행하는 세계보건기구 (WHO) 의 전자파 인체영향 연구 국제공동연구 프로젝트에 참여하여 관련 연구를 수행하여 왔다. 한편, 전자파가 인체에 영향을 끼친다는 과학적인 규명은 아직까지 되지 않 았지만 예방적 차원에서 전자파에 과다 노출시 규제를 위한 전자파 인체보 호기준 제정 근거가 2000. 1월 공포된 전파법에 마련되었다. 주요내용은 정 보통신부장관이 전자파인체보호기준, 전자파강도측정기준, 전자파흡수율 측정기준 및 측정대상기기 측정방법을 정하여 고시하도록 한 것이다. 정통 부는 인체보호기준을 제정하여야 하는 법적인 근거가 마련됨에 따라 2000년 부터 2004년까지 100억원 ( 정부출연금85억원, 민간출연금 15억원 ) 을 투입하여 인체보호기준 등 제도적인 측면과 동물실험, 역학조사 등을 통하여 전자파가 - 17 -
암세포, 뇌종양등에미치는영향연구와전자파가적게나오는안테나등을개발하도록하였다. 전자파인체영향연구기본계획수립시행 (2000. 3) ( 가 ) 주요연구내용 (2000년 ~2004년, 5년간 ) ( 나 ) 인체보호기준및전자파노출량측정기준등연구 ( 다 ) 전자파인체영향규명을위한동물실험, 역학연구수행 ( 라 ) 전자파인체보호대책기술연구및국제협력강화 전자파인체보호기준등확정고시 (2000. 12) ( 가 ) 전자파인체보호기준, 전자파강도및전자파흡수율을측정하기위한기준제정 ( 나 ) 주파수 (300GHz이하) 를구분하여전기장, 자기장, 전력밀도의세기를국제수준으로기준을정함 ( 다 ) 이동전화단말기의전자파흡수율 (SAR) 은 1.6 W/kg으로정함 ( 미국, 한국은 1.6 W/kg, 유럽, 일본은 2 W/kg) 휴대폰전자파흡수율 (SAR) 제한 ( 가 ) 국내유통중인이동전화단말기 33기종에대한전자파흡수율 (SAR) 을전파연구소에서측정한결과기준치 (1.6W/ kg ) 이내인것으로확인됨 (2001. 12. 20. 공개 ) ( 나 ) 국민건강보호를위한예방적차원에서 2002년 4월부터휴대폰형식등록시전자파흡수율적합성심사조항을추가하여기준치 (1.6 W/ kg ) 를초과하는경우시장판매를금지하고있음 전파법제47조의 2항 ( 전자파인체보호기준등 ) ( 가 ) 정보통신부장관은무선설비등에서발생하는전자파가인체에미치는영향을고려하여전자파인체보호기준, 전자파강도측정기준, 전자파흡수율측정기준및측정대상기기, 측정방법등을정하여고시하여야한다. ( 나 ) 무선설비의시설자또는무선설비의기기를제작 수입하고자하는자는무선설비로부터방사되는전자파의강도가전자파인체보호기준을초과하지아니하도록하여야하며, 그기준을초과하는장소에는취급자외의자가출입할수없도록안전시 - 18 -
설을설치하여야한다. 1. 인체보호기준등의주요내용 가 ). 전자파인체보호기준 주파수 (0Hz 300GHz) 대역별로 전기장의 세기 (V/m), 자기장의 세기 (A/m) 및 전력밀도 (w/m2) 의 세기를 나타내며 전자기장에 노출되고 있음을 알고 있으 며 이의 잠재적인 위험성에 대하여 적당히 주의하도록 훈련받은 직업인과 전자기장에 노출되고 있는 사실을 모르거나 조치를 취할 수 없는 일반인으 로 구분하여 기준치를 정하였다. 동 기준은 인체에 흡수된 전자기장 에너지의 열적작용과 전자기장의 유도전 류에 의한 자극작용은 고려하였으나 미약한 전자기장의 장기간 누적효과인 비열적 작용은 아직 세계적으로도 과학적 규명이 안되어 있어 고려하지 않 았다. 또한 동 기준은 ICNIRP 국제기준, 미국의 IEEE/ANSI, FCC 기준과 일본의 전파산업협회기준, 유럽의 CENELEC 기준 중 가장 엄격한 ICNIRP 기준을 토대로 하여 마련한 것이다. ( 표1, 2참조 ) 표 3-1. 전자기장강도기준 ( 일반인 ) 주파수 범위 평면파전기장강도자기장강도자속밀도전력밀도 (V/m) (A/m) (µ T) (W/m 2 ) 1 Hz 이하 - 3.2 10 4 4 10 4 1 Hz ~ 8 Hz 10,000 3.2 10 4 /f 2 4 10 4 /f 2 8 Hz ~ 25 Hz 10,000 4000/f 5000/f 0.025 khz ~ 0.8k Hz 250/f 4/f 5/f 0.8 khz ~ 3 khz 250/f 5 6.25 3 khz ~ 150 khz 87 5 6.25 0.15 MHz ~ 1 MHz 87 0.73/f 0.92/f 1 MHz ~ 10 MHz 87/f 1/2 0.73/f 0.92/f 10 MHz ~ 400 MHz 28 0.073 0.092 2 400 MHz ~ 2,000 MHz 1.375f 1/2 0.0037f 1/2 0.0046f 1/2 f/200 2 GHz ~ 300 GHz 61 0.61 0.20 10-19 -
주파수 범위 표 3-2. 전자기장강도기준 ( 직업인 ) 전기장강도 (V/m) 자기장강도 (A/m) 자속밀도 (µ T) 평면파전력밀도 (W/m 2 ) 1 Hz 이하 - 1.63 10 5 2 10 5 1 Hz ~ 8 Hz 20,000 1.63 10 5 /f 2 2 10 5 /f 2 8 Hz ~ 25 Hz 20,000 2 10 4 /f 2 2.5 10 4 /f 0.025 khz ~ 0.8 khz 500/f 20/f 25/f 0.8 khz ~ 3 khz 610 24.4 30.7 3 khz ~ 150 khz 610 1.6/f 2.0/f 0.15 MHz ~ 1 MHz 610/f 1.6/f 2.0/f 1 MHz ~ 10 MHz 61 0.16 0.2 10 10 MHz ~ 400 MHz 3f 1/2 0.008f 1/2 0.01f 1/2 f/40 400 MHz ~ 2,000 MHz 137 0.36 0.0045 50 표 3-3. 국부노출에대한전자파흡수율 (W/kg) 주파수범위전자파흡수율 (W/kg) 100kHz~10GHz 1.6(1g평균 ) 우리나라국민 2명당 1명이가지고있는휴대폰에대한전자파흡수율 (SAR, W/ kg : 생체조직에흡수되는단위질량당에너지율을말함 ) 은유럽, 일본등에서기준으로정하고있는 2.0W/ kg과미국, 호주, 캐나다등에서기준으로정하고있는 1.6W/ kg중가장엄격한 1.6W/ kg을우리나라기준으로채택하였다 ( 표3참조 ). 동기준의시행시기는관련업계의준비기간등을고려하여 2002. 1월부터시행하도록하였다. 2. 전자파강도측정전자파강도측정기준인체보호기준에서정한전기장의세기, 자기장의세기및전력밀도등을실제측정하기위한표준방법을정하고있는데유럽전기기술표준위원회 (CENELEC) 의기준을토대로작성하였다. 3. 전자파흡수율 (SAR) 측정전자파흡수율 (SAR) 측정기준은이동통신단말기등에서나오는전자파가인체두부 ( 頭部 ) 에흡수되는양을측정하는표준방법으로서측정을위한표준환경, 피시험기기의조건과배치, 측정프로브의성능및측정절차등에대한표준방법을정하고있다. - 20 -
4. 전자파강도및전자파흡수율측정대상기기전자파강도및전자파흡수율측정대상기기는전자파를발생시키는기기, 장치및설비등에적용하되이동하는무선국의무선설비와비상시사용하기위하여개설한무선국의무선설비, 미약전파및특정소출력무선국용무선기기는제외하기로하고전자파흡수율측정대상기기는이동가입무선전화 ( 셀룰러 ) 와개인휴대통신용무선설비 (PCS) 로하였다. - 21 -
제 4 장인체유도전류연구 제 1 절 ( F D ) 2 T D ( F r e q u e n c y D e p e n d e n t F i n i t e D i f f e r e n c e T i m e D o m a i n ) 방법 FDTD 에사용되는시변계에서의멕스웰 curl 방정식은다음과같다. E = B t H = D t = µ H t ( 식. 4-1) ( 식. 4-2) 전속밀도벡터 D 는 ( 식. 4-3) 처럼국부조직에서가지는복소유전율과 field E 와의곱으로나타내어진다. D = (w )E ( 식. 4-3) FDTD는 ( 식. 4-1) 과 ( 식. 4-2) 을시간영역에서반복해서풀기때문에, ( 식. 4-3) 는시간영역에서표현되어진다. 이계산은 ( 식. 4-4) 처럼두개의시상수를가지는 Debye 방정식과같은 (w) 대한관계방정식을선택함으로써행해지게된다. (w )= 0 [ + s1 1+jwτ 1 + s2 1+jwτ 2 ] ( 식. 4-4) ( 식. 4-4) 를 ( 식. 4-3) 에대입하여다시써보면 D (w )= (w )E (w ) = 0 s + jw ( s1 τ 2 + s2 τ 1 ) w 2 τ 1 τ 2 1+jw (τ 1 + τ 2 ) w 2 τ 1 τ 2 E (w ) ( 식. 4-5) zero frequency 유전상수 ( s ) 는다음 ( 식. 4-6) 과같다. - 22 -
s = s1 + s2 ( 식. 4-6) time harmonic이라고가정하면, ( 식. 4-5) 를시간영역에서다음과같은미분방정식형태로쓸수있다. τ 1 τ 2 2 D t 2 +(τ 1 + τ 2 ) D t + D = 0 [ 2 E +( s1 τ 2 + s2 τ 1 ) E t + τ 1 τ 2 2 E t 2 ] ( 식. 4-7) (FD) 2 TD방법은 ( 식. 4-7) 을이용하여 E-field를구하고 ( 식. 4-1) 을이용하여 H-field를구한다음마지막으로 ( 식. 4-2) 를통해 D 를구하게된다. 이 E H D 로이어지는 loop는정상상태가될때까지반복하게된다. - 23 -
제 2 절유도전류계산 인체두부의 k번째 layer에흐르는총전류는아래두가지방식중하나로계산되어진다. 1. l o o p t y p e c u r r e n t m e t e r 를이용한방법 이방법은 ( 식. 4-8) 을이용하여 layer 둘레의 loop-type current meter에의해전류를계산한다. I s, k (t )= 2 Σ i, j D s (i, j, k ) t ( 식. 4-8) 는 FDTD의 cell size이다. 그리고 summation은주어진 layer에서의모든 cell들을계산한것이다. 광대역펄스가입사되었을경우 layer의부분들은양의방향의전류를가질것이다. 반면에다른부분들은음의방향의전류를가지게될것이다. 이전류들은 ( 식. 4-8) 에서의 summation에서서로상쇄되어진다. 따라서총전류의값은상대적으로낮아지게된다. 2. 총전류분포계산 I s, k (t )= 2 Σ i, j D s (i, j, k ) t ( 식. 4-9) 이방법은더나은측정결과값을얻으며, 총전류값은 ( 식. 4-8) 에서계산된값과같거나더크게나올것이다. 3. T h e C o n v o l u t i o n 방법 Convolution 방법은임펄스여기를가지는단일 FDTD 또는 (FD) 2 TD 의 simulation을사용하는몇가지다른파형에대한몸의 response를계산하는데에사용된다. 관심파형 ( 즉, E des ) 에의한각 layer에유도된전류는다음 ( 식. 4-10) 으로부터구한다. - 24 -
I des (t )=F 1 F E des (t ) F I imp (t ) F E imp (t ) E des (t ) : desired time domain incident waveform ( 식. 4-10) E imp (t ) : impulse time domain incident waveform(rectangular pulse) I imp (t ) : impulse response current I des (t ) : desired response current F : Fourier transform Convolution 방법의 사용은 단지 둘 또는 그 이상의 파형을 해석하는 데에 유용하다. - 25 -
제 3 절 S p e c i f i c A b s o r p t i o n 계산 k 번째에대한 layer 당평균 specific absorption 은다음과같이주어진다. SA layer, k = t Σ N t Σ E (i, j, k, t ) i, j k ρ (i, j, k ) D (i, j, k, t ) t ( 식. 4-12) t : the time step used for time-domain. N k : number of cells in the kth layer of the body. ρ (i, j, k) : the mass density in kg/m 3 k번째 layer에서의 layer averaged specific absorption rate은다음과같이계산된다. SAR k = 1 σ Σ i, j, k N i, j [ E x 2 + E y 2 + E z 2 k ρ i, j, k 2 ] i, j, k ( 식. 4-13) dx : cell size(m) σ i, j, k : electrical conductivity(s/m) in the i, j, kth cell ρ i, j, k : mass density (kg/m 3 ) in the ijk th cell N k : number of tissue cells in the k th layer - 26 -
제 4 절총에너지계산 몸에흡수된총에너지 W 는다음식으로계산되어진다. W = t 3 Σ t Σ i, j E (i, j, k, t ) D (i, j, k, t ) t ( 식. 4-13) (FD) 2 TD는주파수에따라변화하는유전율을갖는매질의해석을위해 FDTD방식에약간의변형을준형태로써주파수의함수로표현되는유전율을대입하여수식을전개한것이다. 그리고 Debye 매질은시상수 2개를가지는 Debye equation로나타내어지는매질로서 heterogeneous한인체모델의매질로나타낼수있다. 이두가지사실을이용하여인체에유도되는전류, SAR 흡수된에너지및총에너지에대한수식을유도하였다. 이유도된수식들을가지고전자파가인체에흡수되는정도를정량화시킬수있으며이정량화된물리량들은인체보호기준의기본한계를나타내는자료로사용된다. - 27 -
제 5 장 S A M P h a n t o m ( 인체두부모델 ) 및휴대폰모델링 제 1 절 S A M P h a n t o m ( 인체두부모델 ) 모델링 모바일기기에의한 SAR를해석하기위해서는전자파가흡수되는인체두부를모델링할필요가있다. 그래서인체두부모델은실제측정할때사용하는 phantom을모델링하기로하였다. 이 phantom은전파연구소가보유하고있는 SAR측정기기인 DASY3 시스템에사용되는모형으로 CAD파일을제공하고있다. 하지만이러한 CAD파일은시뮬레이션에바로사용될수없는데그림 5-1에서보듯이 phantom의머리윗부분이비어있는형태 ( 점선부분 ) 로 CAD파일이제공되기때문이다. 윗부분이열린이유는이부분을통해로봇팔의프로브가움직여두부내부에서의전기장을측정하도록되어있어 ( 그림5-3) phantom의 CAD파일을이용해두부모델링을할때에는이열린부분에대한보정이필요하게된다. 이부분의보정에있어서정확한측정을하지는않았는데그이유는보정이필요한부분이머리상단부로휴대폰이위치한귀로부터멀리떨어진부분으로 SAR 분포나전체평균에있어서커다란영향을미치지않을것으로판단하였다. 그래서열린부분에대한보정방법은해부학적방법같은정확한방법이아니라그림 5-2처럼머리꼭지점, 즉정수리부분과열린부분의경계사이를잇기위해보간법을사용하였다. - 28 -
그림 5-1. 상단부가개방된 phantom 그림 5-2. 보정된 phantom 그림 5-3. phantom 내부의전기장측정 - 29 -
그림 5-4. 보정된 phantom 의전체모습 위와같이보정된 phantom은면과선으로만구성되어있기때문에바로시뮬레이션에사용될수없다. 따라서시뮬레이션환경에서사용되기위해서는선과면으로구성되어있는인체두부의안을물질로채워 solid-type로변환시키는작업이필요하다. 여기서주의할점은인체피부면과안쪽부분의두부분으로나누는것이다. 인체피부의두께는 2mm로한다. (2mm 크기는 IEEE SCC34 Std) phantom을 solid-type으로변환시킨후시뮬레이션 tool에서인식할수있는확장자변환이필요하다. CAD에서그려진확장자는 dwg파일이다. 이확장자를가진파일들을 SAR 해석시뮬레이션 tool(sem-cad, XFDTD) 에서사용하기위해서는 sat 확장자로의변환이필요하며이변환된파일들을 import 시킴으로써 tool 내에서사용이가능하게된다. - 30 -
그림 5-5. solid-type 의인체모델전면부 그림 5-6. solid-type 의인체모델하반부 - 31 -
제 2 절휴대폰모델링 1. C A D 를이용한휴대폰 d e s i g n SAR 해석에사용되는기존의휴대폰모델은 bar-type의경우네모난박스위에안테나가있고폴더타입의경우박스두개를붙인구조로아주간단한모델이었다. SAR에대한관심이높아지면서실제측정값과시뮬레이션의값의오차를줄이고정확한 SAR의값을구하려고노력하였다. 이에휴대폰의모델을자세하고정확하게 design하여시뮬레이션에사용하게되었다. bar-type 플립형의경우전파연구소에서 SAR 연구를수행하였고, 이번연구에서는폴더형의정확한 design을통한 SAR 연구를수행하게되었다. 먼저, 폴더형의정확한 design을위해먼저현재사용되고있는휴대폰의제품을선정하였고, 선정된제품을 CAD로 design 하였다. CAD로 design 할때시뮬레이션의 tool에서사용할수있도록 solid-type으로 design 하였고, 인체두부모델링에서와마찬가지로 CAD 확장자 dwg에서시뮬레이션확장자 sat 파일로변환하였다. 그림 5-7. XFDTD tool 에 import 되기전의휴대폰 - 32 -
그림 5-7은 CAD에서 593개의 object로 design 된것을 sat 파일로변환시켜 XFDTD tool에서 import 되기전의모습이며물질의정보는없는형태만가지는휴대폰모형이다. 다음그림역시휴대폰의일부분인안테나의분리도및조립도이다. 분리도 조립도 그림 5-8. XFDTD 에 import 되기전의안테나분리도및조립도 2. X F D T D 로의 i m p o r t 과정 CAD에서 design된휴대폰을시뮬레이션 tool(xfdtd) 에서사용할수있도록하기위해서 import 과정이필요하다. 이 import 과정때문에 CAD의확장자 dwg에서 sat로의변환이필요하다. import 과정이란 FDTD 계산을하기위해휴대폰을구성하고있는 object들을 1mm mesh 또는 2mm mesh 로나눠계산영역으로불러들이는것이다. 이번연구에서는 1mm mesh 로나누는과정에서메모리관한 error 때문에 2mm mesh로나누었다. 하지만휴대폰을 2mm 로 import 시키는과정에서 593개의 object들이휴대폰의모양을제대로유지하지못하고약간의변형이생기거나 2mm size 보다작은 object들은소멸된상태로 import 되었다. 안테나역시제대로 import 되지않아안테나특성이제대로나타나지않았다. 따라서휴대폰에대한보정과안테나의대한설계가필요하였다. 다음그림은휴대폰을보정한그림이다. - 33 -
import 된휴대폰보정된휴대폰 그림 5-9. 2mm 로 import 된휴대폰과 1mm 로 remesh 한후보정된휴대폰 그림 5-10. 보정된휴대폰의전체적인모습 - 34 -
제 3 절 A n t e n n a 설계 Import되는과정에서안테나의특성이제대로나오지않고, 선정된휴대폰의안테나는 dual band (PCS 대역과 Cellular 대역 ) 이기때문에 XFDTD에서구현하기어렵다. 따라서본연구에서는 single 대역 (cellular 대역 : 835MHz) 으로선택하여 helical 안테나를설계하였다. dual band 안테나에대한연구는차후에필요하다고생각한다. 1. h e l i c a l 안테나 도체가나선형태로감겨져있고, 적절히급전된다면, 이를 helical antenna 또는 helix라고한다. helical 안테나의전형적인기하구조는다음과같다. 그림 5-11. helical 안테나의기하구조의크기. 왼손방향으로감은 helix 만약 helical 안테나의한개의권선을펼친다면, 그림 5-12에서보는것처럼여러 helical 안테나의여러가지파라미터사이의관계가나타난다. - 35 -
그림 5-12. helical 안테나의한권선을펼친모델 helical 안테나의기호는다음과같다. D = 나선의지름 C = 나선의원주길이 = πd S = 권선간격 = C tanα α = 피치각 =tan 1 S C L = 한권선의길이 = C 2 + S 2 N = 권선수 L w = 나선코일의길이 = NL h = 높이 = 축의길이 =NS d = 나선도체의지름 S=0 (α =0 ) 일때, helical 안테나는루프안테나로축소되며, D=0 (α =90 ) 일때, 그것은선형안테나로감소한다. helical 안테나는두가지모드에서동작한다. 그것은정상모드와축모드이다. 정상모드는 helical 안테나축의법선방향으로가장강한방사를만든다. 이는나선의지름이파장에비해작을때일어난다. 축모드는 helical 안테나의축을따라최대방사를만든다. 나선의원주가파장정도일때, 축모드가발생한다. 가. 정상모드 h e l i c a l 안테나 정상모드로동작할때, 방사장은나선축의법선방향에서최대가되며, 어 - 36 -
던 기하학적인 구조에 대해서는 이론적으로 원형편파가 방사되기도 한다. 정 상모드의 동작에 대해 나선의 지름은 파장에 비해 작아야 한다. 즉 D λ, 그리고 보통 L λ 이다. 정상모드 helical 안테나는 전기적으로 소형이므로 효율은 낮다. helical 안테나는 소형이므로 전류는 안테나의 길이에 대해 진폭과 위상이 일정하다고 가정한다. 원거리장 패턴은 권선 수에 무관하며, 한 권선을 조사 해 얻을 수 있다. 한 권선은 그림 5-13에서 보는 것처럼 소형 루프와 이상적 인 다이폴로 근사화될 수 있다. 그림 5-13. 소형루프와이상적인다이폴로근사화한정상모드 helical 의한권선 E = I z 4π jwµ e j r sinθ θˆ ( 식. 5-1a) r H = I z 4π j e j r r sinθ φˆ ( 식. 5-1b) 식 4-1a 으로부터이상적인다이폴안테나의원거리전장은다음과같다. E D = jwµis e j r 4πr sinθ θˆ ( 식. 5-2) 여기서 helical 안테나의권선사이의간격인 S는그림 5-13의이상적다이폴안테나의길이이다. 소형루프안테나의원거리전장은다음과같다. E L = η 2 π 4 D2 I e j r 4πr sinθ φˆ ( 식. 5-3) - 37 -
여기서 πd 2 /4 는루프의면적이다. 그림 5-13 에서모델링된것처럼한권선 에대한총방사장은 ( 식. 5-2) 와 ( 식. 5-3) 의장들의벡터합이다. 두성분모두 sinθ 패턴을가지며 ( 그림 5-14참조 ) 90 만큼위상차를가진다. 전장성분 의비는다음과같다. E θ E φ = 4wµS (µ/ )w µ (2π/λ )πd 2 = 2Sλ 2 S π 2 D = λ 2 ( C ( 식. 5-4) λ )2 이식은 1보다큰값을가질때타원편파의축비 (axial ratio) 와동일하고, 1 보다작을때는축비가역수가된다. 극한적인경우로 ( 식. 5-4) 의값이 0(s=0) 일대는수평편파를가지는소형루프에대응하고, (D=0) 일때는수 직편파를가지는단형다이폴에대응된다. (a) 기하구조 (b) E θ 와 E φ 에대한방사패턴 그림 5-14. 정상모드 helical 안테나와방사패턴 선형 ( 수직 ) 성분들은 90 의위상차를가지므로, 원형편파는축비가 1 일때얻 어진다. 이것은 ( 식. 5-4) 을 1 과같다고놓으면얻어진다. C = πd = 2Sλ ( 식. 5-5) 이러한원형편파는패턴이 0이되는방향 (helical 안테나의축을따라 ) 을제외하고전방향에대해얻을수있다. 그림 5-12으로부터, 다음식들이성립됨을알수있다. - 38 -
그리고 L sinα = S 또는 α = sin 1 S L ( 식. 5-6) C 2 + S 2 = L 2 ( 식. 5-7) 정상모드에서동작하는원형편파에대해, helical 안테나의원주는 ( 식. 5-7) 에 ( 식. 5-5) 를이용해다음과같이주어진다. S 2 CP +2S CP λ L 2 =0 ( 식. 5-8) 이것은다음식과같이 S 에대해풀수있는 2 차방정식이다. S CP = 2λ 4λ 2 +4L 2 2 = λ 1 1+( L λ )2 ( 식. 5-9) 물리적인길이 S를양수로하고자양의부호를선택하고, 이를 ( 식. 5-6) 에대입하면원형편파가요구되는피치각을얻을수있다. 1+ 1+( L α CP = sin 1 λ )2 L λ ( 식. 5-10) 보통정상모드 helical 안테나가수직으로향하고, ( 식. 5-4) 의비가 1보다더커지므로, 동작하면주로수직편파된방사가일어난다. 이안테나는휴대용개인라디오와같은소형송수신기로널리쓰인다. 이러한응용에서도선의길이 L w 는파장의 1/4이며, 안테나는접지면에대해급전된모노폴안테 나처럼동작한다. 이러한맥락에서이안테나는정상모드 helical 안테나 (NMHA : normal mode helix antenna) 또는공진 (λ /4) 스터브 helical 안테 나라고자주언급된다. 패턴은물론전방향서이다. 동일높이를갖는기존의직도선모노폴안테나에비해스터브 helical 안테나의장점은나선형도선이전기적단형안테나에서고유커패시턴스성분을제거하는경향이있는인덕터로동작한다는점이다. helical 안테나의도선을따라흐르는전류는근사적으로사인파의형태이다. λ /8 이하의높이에서완전접지면위의공진 - 39 -
스터브 helical 안테나의방사저항은다음과같다. R r 640 ( h λ )2 Ω 공진스터브 helical 안테나 ( 식. 5-11) 나. 축모드 h e l i c a l 안테나축모드 helical 안테나는약 15dB 정도이상의적당한이득과원형편파가요구될때사용된다. helical 안테나는비교적작은단면적을가지므로 UHF 주파수대에서인기가있고위성통신용으로폭넓게사용된다. 축모드에서, helical 안테나는나선의축 ( 그림 5-11에서 +z 방향 ) 을따라단일주빔을갖는엔드파이어안테나처럼방사한다. 방사는축근처에서원형편파에가깝다. 더구나주빔은나선의권선수가증가할때좁아진다. 축모드는나선의원주 C가한파장정도일때발생한다. 권선수가 2 3회정도인 helical 안테나들은 ( 식.5-12) 에대응하는주파수범위에서좋은성능을나타낸다. 3 4 λ C 4 3 λ ( 식. 5-12) 이것은다음과같은대역폭비를준다. B r = f U f L = c/λ U c/λ L = 4/3 3/4 = 16 9 =1.78 ( 식. 5-13) 이값은광대역안테나에대한 2:1 대역폭비의기존의정의에근접한다. 긴 helical 안테나에대해동작주파수의상한값은 4/3λ 보다더낮으며, 대역폭은 1.78이하로감소시킨다. 축모드 helical 안테나의근사모델은 helical 안테나가급전점에서순수한진행파를전송한다고가정한다. 이러한진행파와연관된전장은어떤원안에서회전하며나선의종단을떠날때거의원형편파가되는방사를만든다. 감겨진나선에대해위상이거의균일한전류를갖는정상모드 helical 안테나와대조적으로축모드 helical 안테나에흐르는전류위상은진행파의특성인나선을따라서연속천이하게된다. 원주가한파장에가깝기때문에한권선의대칭되는점에서의전류는약 180 위상차를보인다. 이는반바퀴회전에의해전류방향이반전되는것을상쇄시켜준다. 따라서나선의대칭 - 40 -
점에서일어나는방사는거의동위상이며, 원거리장에서축을따라강화된다. 축모드 helical 안테나의방사패턴은각각의권선이배열소자가되므로배열이론을사용해모델링할수있다. 소자패턴은한파장루프의패턴을근사화함으로 cosθ 이다. 배열성분은간격 S와전진적인위상 α h 을가지는 N개의등간격소자들에대한것이다. 권선들에대한전류크기는이런간단한모형에서균일하다고생각한다. 따라서전체패턴은다음과같다. F (θ )=Kcosθ sin (Nψ/2) N sin (ψ/2) ( 식. 4-14) ψ = S cos θ + α h ( 식. 4-15) 여기서 K는정규화상수이다. 나선을따라서진행하는파는나선축 (z축) 을따라엔드파이어의빔을만든다. helical 안테나는일반엔드파이어배열로모델링할수있다고가정한다. 그러면주빔의최대값은 ψ =0 에대해 θ =0 인방향에서발생하며, ( 식. 4-15) 로부터 α h = S 임을얻는다. S 위상은한권선에대해축방향을따라서거리 S에대응하는축방향전파에서생기는위상지연이다. 그러나전류파는나선을따른다. 이것은원주가약한파장이므로또다른 2π 의위상천이를가져온다. 따라서일반적인엔드파이어에대해 α h = S 2π 이다. 흥미롭게도축모드 helical 안테나의진행파모드는거의자연적으로발생하는지향성이증가된한센-우드야드 (Hansen-Woodyard) 엔드파이어배열에대응한다는것이밝혀졌다. 이효과는일반적인엔드파이어안테나의경우에대해 π/n 위상지연을추가함으로써고려된다. 따라서소자대소자간의위상천이는다음과같다. α h = ( S +2π + π N ) ( 식. 4-16) 축모드 helical 안테나의전기적성능은기하학적파라미터값들의영향을받느다. helical 안테나는피치각의넓은범위에걸쳐서잘동작하나 12 < α < 14 에서최적의조건이되며, 나선들은보통 α =13 를가지도록구성된다. 더많은권선이추가될때, 이득은증가하고, 편파축비는감소한다. - 41 -
다. 본연구에적용된 h e l i c a l 안테나 본연구에서적용된안테나는앞에서설명한정상모드 helical 안테나이다. 앞에서언급된식들을가지고주파수가 835MHz인 helical 안테나에대해서계산해보면다음과같다. 표 5-1. 주파수 835MHz 인정상모드 helical 안테나의계산값 S( 권선간격 ) D( 나선의지름 ) C( 나선의원주길이 ) N( 권선수 ) 1 4.27 mm 13.41 mm 6.68 2 6.04 mm 18.97 mm 4.72 3 7.40 mm 23.24 mm 3.84 XFDTD 로 import된휴대폰의안테나크기에따라 S가 2인 helical 안테나로 design 하였다. 그림 5-15. XFDTD 에서 design 된안테나와방사패턴 그림 5-15는 XFDTD에서 design된 helical 안테나와방사패턴이다. 여기서방사패턴의경우오른쪽으로기울어져있는데이것은휴대폰의액정이있는위쪽부분의영향으로기울어진것이다. 즉, 방사패턴의왼쪽부분이위로반사된것이다. - 42 -
50 t 100 t 150 t 200 t 그림 5-16. 시간변화에따른전계변화 그림 5-16 은 XFDTD에서휴대폰을시뮬레이션하여시간에따른전계변화를나타낸것이다. 입력파가사인파이기때문에위의전계변화가연속적으로반복해서일어나게된다. - 43 -
제 4 절인체두부와휴대폰의병합 정확한 SAR 계산 작업을 수행하기위해서 먼저 선행되어야 하는 것이 인체 두부와 휴대폰의 병합 작업이다. 인체두부와 휴대폰의 병합란 휴대폰을 인체 두부의 귀부분에 정확하게 붙이는 작업이다. 이 작업을 위해서 XFDTD 내에 있는 좌표이동과 회전이란 명령어를 사용한다. 인체두부와 휴대폰의 병합 작 업 시에 고려해야 할 점은 인체두부와 휴대폰을 같은 cell size 로 하는 것과 좌표이동과 회전시 휴대폰이 아닌 인체두부를 가지고 수행해야 한다는 점이 다. 같은 cell size가 아닐 경우 실제 크기와 달라져서 정확한 시뮬레이션을 기 대할 수 없다. 그리고 좌표이동이나 회전시 인체두부를 가지고 해야 하는 이 유는 구조변화에 대한 문제점이 거의 없다는 점이다. 만약 휴대폰을 가지고 하는 경우 구조변화를 생기게 될 뿐 아니라 안테나 부분 역시 변화되어 보 정 작업이 필요하게 된다. 그림 5-17은 인체 두부의 왼쪽 귀부분에 휴대폰을 병합 시킨 그림이다. 그림 5-17. 인체두부와휴대폰의병합 - 44 -
제 6 장 X F D T D 를이용한 S A R 계산및결과 시뮬레이션 조건 앞에서병합시킨인체두부와휴대폰을가지고 cell size 따라 (2mm, 1mm) 시뮬레이션하였으며폴더타입과 bar 타입을비교하기위해수작업으로간단하게 bar 타입을 design 하여시뮬레이션을하였다. 시뮬레이션조건은다음과같다. 표 6-1. 시뮬레이션조건 bar 타입 Cell size(2 mm) Cell size(1 mm) (Cell size 2mm) Time step 6000 12000 6000 Frequency 835 MHz 835 MHz 835 MHz 계산영역크기 149dx 192dy 184dz 296dx 383dy 367dz 118dx 148dy 151dz 계산시간 2시간 30분 19시간 30분 1시간 Memory requirement 9 GByte 67 GByte 5 GByte Time step은입력전원의사인파가 20주기이상이되어 steady-state 상태가되도록정하였다. 그리고주파수는앞에서언급한것과같이 dual band (1.8 GHz 와 800 MHz) 는고려하지않고 single band (800 MHz) 만고려하였다. 그리고결과으로나온 SAR값을 1 W와 24 dbm으로정규화하여비교하였다. 1 W로정규화하는것은휴대폰의출력 power의어떠한손실도없다는것을말한다. 그리고 24 dbm은현재사용되고있는상업용휴대폰의출력 power이다. (CDMA standard) - 45 -
시뮬레이션 결과 1. 최대 SAR 위치와 cell size 가 1 mm 와 2 mm 일때의 SAR 비교 i) 인체두부의최대 SAR 위치와최대위치에서의전기장및전도전류 (2mm) 그림 6-1. 최대 SAR 위치 - 46 -
최대 SAR 위치 (77,94,54) 에서의 E-field 의크기 그림 6-2. 최대 SAR 위치에서의전기장의크기 최대 SAR 위치 (77,94,54) 에서의전도전류의크기 0.1257A/m 그림 6-3. 최대 SAR 위치에서의전도전류의크기 - 47 -
ii) 1 mm 와 2 mm 의최대 1 g 평균 SAR 및 10 g 평균 SAR 표 6-2. 1 W 정규화 시킨 SAR(W/kg) (1 mm, 2 mm) 2 mm mesh 1 mm mesh 계산된 입력 전력 0.012 mw 0.0384 mw 최대 1g 평균 SAR 4.218 W/kg 5.56 W/kg 최대 10g 평균 SAR 3.264 W/kg 4.24 W/kg 최대 SAR 5.865 W/kg 7.85 W/kg 표 6-3. Cell size 에따른 SAR 비교 (1 W 정규화 ) - 48 -
표 6-4. 실제 인가되는 전력 24 dbm을 고려한 SAR (W/kg) (1 mm, 2 mm) 2 mm mesh 1 mm mesh 최대 1 g 평균 SAR 1.076 W/kg 1.39 W/kg 최대 10 g 평균 SAR 0.82 W/kg 1.065 W/kg 최대 SAR 1.474 W/kg 1.972 W/kg 표 6-5. Cell size 에따른 SAR 비교 (24 dbm 정규화 ) 위결과그림들을보면모두얼굴안면의부분에서최대 SAR 값이나타남을볼수있으며, 최대 SAR 위치부분에서전도전류나 E-filed의최대값이나타남을알수있다. 이것은안테나의위치에많은영향을받는다. CAD로 design된실제휴대폰의최대 1g 평균 SAR의값은 1.24 W/kg으로위의표와비교하면 1 mm는 1.24 W/kg 보다크고 2 mm는 1.24 W/kg 보다작음을알수있다. - 49 -
2. Cell size 2 mm 인 bar 형태와폴더형태의 SAR 비교 i) bar 형태의휴대폰 일반적으로 bar 형태의휴대폰들은안테나가모노폴안테나로서몸체와연결되어실제로는다이폴안테나의역할을하는것이다. 본연구에서는 IEEE의논문및자료를참고하고 835MHz에맞게계산하여휴대폰의몸체를 design 하고안테나는폴더형태의휴대폰에서사용된 helical 안테나를사용하였다. 그리고시뮬레이션조건은앞에서적용된것과마찬가지로수행하였다. 그림 6-4. 휴대폰몸체의 dimension - 50 -
ii) bar 형태휴대폰의안테나방사및시간에따른전계변화 그림 6-5. bar 형태의안테나방사패턴 20 t 40 t 60 t 80 t 그림 6-6. bar 형태의시간에따른안테나의전계변화 그림 6-5는 bar 형태휴대폰의방사패턴을보인것이다. 폴더형과는달리방사패턴이기울어지지않고양쪽으로대칭임을알수있다. 그림 6-6은시간의따른전계변화를나타내고있다. 위에서보듯이 helical 안테나에서방사가되기시작하면 bar에서도마찬가지로약하게방사가된다. 이것은앞에서설명한것과마찬가지로 dipole 안테나의역할을함을알수있다. bar 형태의결과에서보겠지만폴더형의최대 SAR 위치와는달리 bar 형태의최대 SAR 위치는귀윗부분인곳에서최대 SAR 위치가생김을알수있다. iii) bar 형태휴대폰의최대 SAR 위치 - 51 -
그림 6-7. bar 형태휴대폰의최대 SAR 위치 (xz plane) 그림 6-8. bar 형태휴대폰의최대 SAR 위치 (yz plane) - 52 -
iv) 폴더형태 휴대폰과 bar 형태 휴대폰 최대 1g 평균 SAR 및 10g 평균 SAR 표 6-6. 1 Watt로 정규화 시킨 SAR (folder-type, bar-type) 폴더형태 휴대폰 bar 형태의 휴대폰 계산된 입력 전력 0.012 mw 0.013 mw 최대 1g 평균 SAR 4.281 W/kg 17W/kg 최대 10g 평균 SAR 3.264 W/kg 10.23W/kg 최대 SAR(W/kg) 5.865 W/kg 41.3 W/kg 표 6-7. 막대그래프를이용한 Folder 와 bar-type phone 의비교 (1 W 로정규화 ) - 53 -
표 6-8. 실제 인가되는 24 dbm 고려한 SAR (folder-type, bar-type) 폴더형태 휴대폰 bar 형태의 휴대폰 최대 1g 평균 SAR 1.076 W/kg 4.27 W/kg 최대 10g 평균 SAR 0.820 W/kg 2.57 W/kg 최대 SAR (W/kg) 1.474 W/kg 10.38 W/kg 표 6-9. 막대그래프를이용한 Folder 와 bar-type phone 의비교 (24 dbm 으로정규화 ) - 54 -
제 7 장결론 현재국내외적으로전자파가인체에미치는영향에대한관심이높아지면서전자파에대한규제를법제화하였고, 이에대한정확한기준을만들기위한많은연구가이루어지고있다. 전자파비흡수율 (SAR : Specific Absorption Rate) 은전자파의인체흡수정도를나타내는값으로서인체보호기준으로서널리이용되고있다. 휴대폰전자파에의한 SAR의저감을위해서는 SAR의정의및기준의근거를명확하게이해해야하며, 국내외의연구동향에대한흐름을정확하게파악해야한다. 따라서본연구에서는 SAR과관련된논문및연구보고서을통해국내외연구동향과수치해석연구동향및국내외기준안을정리하여, SAR 연구에관한방향과기준을마련할수있도록하였으며, 실제사용되는폴더형태의휴대폰을똑같이 CAD로설계하여시뮬레이션함으로써단순한도체박스형태의휴대폰 SAR 값보다신뢰할만한 SAR값을얻을수있었다. 앞의시뮬레이션결과들을정리하면, 폴더형태의셀크기가 1 mm 나 2 mm 의 SAR값이약간의차이가있었지만기준치 1.6 W/kg의값보다작게나왔으며, 실제측정된 1 g의 SAR 값 1.24 W/kg과비슷한값이나왔음을알수있다. 이에따라측정전에시뮬레이션으로근사적인값을얻을수있음을알수있고미리예측함으로써좀더정확한 SAR값을얻는데큰도움이될것이라는것을알수있다. 셀크기에따른오차는 2 mm에서 1 mm로 re-mesh 하는과정에서약간의구조변화차이에서생긴것일수있으며, 향후에이에대한연구가좀더필요한것같다. 한편막대형태휴대폰의 SAR 값과폴더형태의 SAR 값을비교함으로써막대형태보다폴더형태의휴대폰의 SAR이작음을확인할수있었으며, 막대형태의경우귀위쪽부분에서폴더형태의경우얼굴안면의부분에서최대 SAR 값이나타남을알수있었다. 즉, 인간의뇌를기준으로할때폴더의경우좀더먼곳에서최대 SAR 위치가나타남을알수있다. 여기서폴더형태나막대형태에따라최대 SAR 위치가다른것은휴대폰안테나의위치에따라최대 SAR 위치가변함을알수있다. 따라서막대형태휴대폰보다폴더형태의휴대폰의 SAR이더작음을알수있으며안테나의위치에따라최대 SAR 위치가변화함을알수있었다. 앞으로도휴대폰의안테나의위치, SAR의줄이기위한방법, 인체와휴대폰의정확한모델링등 SAR의대한많은연구가필요하다. 앞으로도국내외적으로 SAR 저감에대한연구와전자파에대한정확한 - 55 -
기준을만들기위한노력이지속될전망이다. 본연구에서는좀더정확한 SAR값을얻기위한방법을제시했으며, 앞으로의 SAR에관한연구에도움이되었으면한다. - 56 -
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주 의 1. 이연구보고서는전파연구소의연구개발사업비재정 지원으로이루어진연구결과입니다. 2. 이보고서의내용을인용하거나발표할때에는 반드시전파연구소연구개발사업의연구결과임을 밝혀야합니다