전자기 펄스는 강력한 전자 폭풍의 원인이 되는 핵폭발, 전자폭탄의 폭발 그리고 낙뢰와 같은 자연현상에 의해서 그 폭파 범위 내에 있는 모든 전자제품이 영향을 받아 정상적인 동작을 할 수 없게 만드는 역할을 합니다. 이러한 전자기 펄스는 크게 3가지 종류로 구분이 되는데, 앞서 설명한 대로 핵폭발로 인해 발생되는 핵 전자기 펄스 (Nuclear EMP), 비핵 전자기 펄스 (Non-Nuclear EMP) 그리고 자연현상에 의해 발생되는 전자기 펄스 (Lightning EMP)로 분류될 수 있습니다.

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그림 1. 전자기 펄스

출처 : News.sbs.co.kr, BBC.com

​전자폭탄은 전자기 펄스를 무기화 한 것인데요. 공중에서 폭파될 경우 주변의 전자기기에 막대한 영향을 미친다고 알려져 있습니다. 2003년 3월 26일 이라크전에서 미연합군이 고출력 극 초단파 (High-Power Microwave)를 사용하였는데, 이것은 1초 내에 20억 와트 전력을 방사하여, 1km 내부에 모든 전자기기들을 무력화 시킨 바 있습니다. 이러한 전자기 펄스의 영향 때문에, 각 나라에서는 전자기 펄스의 방호에 많은 관심과 투자가 이루어지고 있다고 합니다.

이러한 강력한 영향력을 가지고 있는 전자기 펄스에 대해서 “내구성을 가진다”를 무엇을 가지고 평가를 할까요? 밀리터리 스탠다드 테스트 (MIL-STD)로 불리는 미 국방성의 시험 표준이 바로 그것입니다. 하위 항목인 MIL-STD-464는 시스템의 전자기 환경 영향 요구 사항입니다. 여기에서 전자기 환경이라는 것은 자연적 발생원 (낙뢰, 정전하 방전, 은하 잡음 등)과 인공 발생원 (전자기기, RF 시스템, 고 전력, 극 초단파 등)과 같은 다양한 전자기 에너지를 의미합니다. MIL-STD-464에서 규정하고 있는 전기장을 사용하여 방호를 위한 규격의 만족 여부를 판단하는데, 시뮬레이션을 활용한 분석에서는 방호를 위한 시스템 (건물, 전자기기 등)의 외부로부터 평면파를 인가하여 시스템 내부의 전자기 수준을 확인하는 것으로 내구성을 예측해 볼 수 있습니다. 아래 내용은 건물의 기본 구조, 건물에 도어가 있는 구조, 건물에 케이블이 있는 구조, 3가지의 해석 모델을 가지고 건물 내부의 전자기 수준을 분석하는 내용이 소개됩니다.

​전자기 펄스 방호 해석

​1. 기본 구조

​전자기 펄스 방호 해석을 위한 건물은 그림 2와 같이 구성됩니다. 건물의 외형은 3.3 x 2.4 x 3.15 m³이며, 유전율이 4.5인 콘크리트 구조물입니다. 건물의 내부는 철근으로 구성되어 있고, 철근의 내부는 그림 2(c)와 같이 차폐 구조가 형성되어 있습니다. 도전율은 3.56 x 107 S/m이고, 두께는 0.001m로 얇은 형태입니다. ​CST STUDIO SUITE^®에서 차폐 구조를 “thin panel”로 설정을 하면, 다층 구조 형상을 하나의 얇은 2차원 면에 모두 표현할 수 있는 장점이 있습니다. 층마다 물성과 두께를 줄 수 있을 뿐만 아니라, 주파수에 따른 표피 효과도 확인할 수 있고, 다층 구성에 비해 해석 시간도 빠르게 가져갈 수 있는 장점이 있습니다. 해석을 위해 설계된 건물의 경계면은 하단을 제외하고 방사 조건으로 설정을 하였고, 건물의 하단은 접지 설정을 위해 도체로 설정하였습니다.

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그림 2. 전자기 펄스 해석을 위한 건물 구조

설계된 건물에 MIL-STD-464에서 규정하고 있는 전기장을 인가해야 하는데, 방법은 평면파를 이용하면 됩니다.

그림 3. 평면파와 전기장

그림 3은 건물의 상단부분에 평면파를 인가하여 전자기 펄스가 인가되는 상황을 구현한 것입니다. 해석의 목적은 건물에 적용된 전자기 펄스 방호 구조물 (철근, 차폐 구조)의 전자기장 차폐 효과를 보기 위함입니다. 건물 내부의 중앙 부분에 전기 프로브 (그림2(d))를 통해서, 방호 구조물의 차폐 효과를 비교해 볼 수 있습니다. 다음의 3가지 타입에 대한 차폐 효과를 비교해 보려고 합니다.

1. 콘크리트 구조 (Concrete)

2. 콘크리트 + 철근 구조 (Concrete + Rebar)

3. 콘크리트 + 철근 + 차폐 구조 (Concrete + Rebar + Shielding wall)

그림 4. 전기장 값 비교 (시간 영역)

​그림 4의 결과를 확인해 보면, 방호를 위한 구조물이 추가될수록 건물 내부에서의 전기장의 값이 낮아지는 것을 확인해 볼 수 있습니다. 이는 외부로부터 인가되는 전기장이 차폐가 되면서 건물 내부에는 그 영향이 미치지 않는 것을 확인할 수 있는 해석입니다.

그림 5. 전기장 값 비교 (주파수 영역)

​그림 5는 주파수에 따른 전기장을 나타나고 있습니다. 앞선 결과와 마찬가지로 차폐 구조물의 효과를 확인해 볼 수 있는데요. 콘크리트 + 철근 + 차폐 구조가 있을 경우 (파란색)에 주파수에 따른 전기장 수준이 낮은 것을 확인할 수 있습니다. 각 타입에 대해서 2차원 전기장을 비교해서 좀 더 자세하게 살펴볼 수 있습니다.

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그림 6. 2차원 전기장 분포 (주파수 영역)

​그림 6에서는 전자기 펄스 방호를 위한 구조물의 차폐 효과를 조금 더 확실하게 살펴볼 수 있다. 전자장의 스케일을 동일하게 설정한 상태입니다. 동일하게 설정한 상태에서, 붉은색은 전기장의 세기가 크다는 것을 표현해주고 있고, 푸른색은 전기장의 세기가 작다는 것을 표현해주고 있습니다. 앞선 그림 4,5의 2D 결과와 마찬가지로 방호를 위한 구조물이 차폐를 위한 역할을 하고 있다는 것을 확인할 수 있습니다.

2. 기본 구조 + 도어

그림 7. 도어가 있는 방호 건물의 전자기 펄스 시뮬레이션

​그림 7은 도어가 있는 방호 건물의 전자기 펄스 시뮬레이션을 나타내고 있습니다. 여기에서는 도어의 겹치는 면적을 2가지로 설정한 후 내부 프로브에서의 전기장 값을 확인하는 것이 목표입니다.

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그림 8. Seam 정의

​도어의 경우에는 부피가 없는 2차원 면으로 형성하였고, “Seam” 형태로 구성하였습니다. “Seam”은 Shapes > Faces and Apertures > Slot을 선택하고 type에서 “Seam”을 선택하면 설정할 수 있다. “Seam” 설정에서 도어가 겹치는 면적을 설정할 수 있습니다. 이 면적의 정의는 그림 8을 보면 확인할 수 있습니다. 두 개의 평면이 서로 겹쳐지는 면적이 발생하는 상황에서 겹치는 면적의 크기를 기입할 수 있습니다. 그림 8(b)은 컴팩트 Seam 모델을 나타낸 것으로 실제 CST MWS 상에서는 그림 8(b)와 같은 형태로 표현됩니다. 앞의 기본 구조에 대한 시뮬레이션과 동일하게 건물의 상단에 평면파를 인가하였습니다.

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그림 9. 면적 차이에 따른 전기장 값 비교 (시간 영역)

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그림 10. 면적 차이에 따른 전기장 값 비교 (주파수 영역)

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그림 10은 면적 차이에 따른 전기장 값 (주파수 영역)을 비교한 결과입니다. 특정 주파수(130MHz)에서의 전기장 최대값은 차이가 있지만 전체적으로 최대값이 나타나는 주파수와 그 크기는 비슷한 결과를 보이고 있습니다.

그림 11. 면적 차이에 의한 2차원 전기장 값 비교 (a) 10mm (b) 100mm

​그림 11은 2차원 전기장을 비교한 결과입니다. 30ns에서 건물 내부의 전기장 분포를 나타낸 결과입니다. 붉은색은 전기장 값이 높다는 것을 의미하고 파란색은 전기장 값이 낮음을 표현하고 있습니다. 겹치는 면적이 큰 경우 (100mm)의 건물 내부가 전체적으로 파란색을 나타내고 있고 또한 차폐 성능이 우수하여 건물 내부의 전기장 값이 낮게 분포하고 있음을 나타내고 있습니다.

​3. 케이블

​마지막 전자기 펄스 시뮬레이션은 기본 구조 + 케이블 구조입니다. 전자기 펄스 건물 주변에는 케이블이 존재할 경우가 있는데, 전자기 펄스가 케이블에 인가가 되어 건물 내부에서 방사가 될 수가 있습니다. CST Cable Studio (CST CS)를 활용하여 전자기 펄스 건물에 케이블을 설계하여 삽입하고 CST Design Studio (CST DS)를 활용하여 TVS 다이오드 효과, 접지에 의한 전기장 변화를 살펴볼 예정입니다.

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그림 12. 케이블 해석 모델

​그림 12는 케이블 해석 모델을 나타내고 있습니다. 그림 12(a)에 보면, 케이블은 건물의 하단에 위치합니다. 해석을 위한 케이블은 두 부분으로 나뉩니다.

​1. 케이블 1 : 외부 > 건물 벽

​2. 케이블 2 : 건물 벽 > 내부

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그림 13. 케이블 1

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케이블 1은 그림 13과 같이 구조 내부에 금속 선들 이 있어서, 외부 전자기파가 쉽게 침투하지 못하는 구조입니다. 케이블 2는 금속선이 없어 케이블로 침투된 전류에 의해 방사가 될 수 있는 케이블 구조입니다. CST CS는 케이블의 단면을 등가화하여 케이블의 신호 무결성 (Signal Integrity), 전자기파 적합성 (Electro-magnetic Compatibility) 해석을 할 수 있는 제품입니다. CST CS에서는 단선, 트위스트 케이블, 리본 케이블, 동축 케이블 형태에 대해서 각각을 물성 설정, 내부 구성 등을 설정할 수 있습니다. 앞선 시뮬레이션과 동일하게 건물의 상단에 MIL-STD-464에 규정되어 있는 전기장이 인가되었습니다.

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그림 14. 3가지 케이블 해석

​케이블의 영향도 분석을 위해 3가지 상황에 대해서 시뮬레이션 분석이 진행됩니다 [그림 14].

​1. 개방

2. 개방 + TVS 다이오드

3. 단락

​그림 14에서 보듯이, 개방의 경우는 케이블 1의 다중 가닥 금속선 부분에 10kohm를 연결하여, 차폐 효과가 없는 상태(개방)를 구현하였고, 개방 + TVS 다이오드는 앞선 개방 조건에서 정전기 방지 역할을 하는 다이오드를 연결한 경우입니다. 단락의 경우는 케이블 1의 다중 가닥 금속선 부분을 접지한 경우입니다.

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그림 15. 시간 영역에서의 전기장 비교

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그림 16. 주파수영역에서의 전기장 비교

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그림 15과 16은 각각 시간과 주파수 영역에 대한 전기장 수준을 시뮬레이션 한 결과입니다. 앞의 3가지 시뮬레이션 결과에 대해서 전자기 펄스 건물 내부의 전기장 값을 비교한 결과입니다. 단락을 제외하고 나머지 상황에서의 전기장 수준은 상당히 높음을 알 수 있습니다. TVS 다이오드가 케이블 2 끝에 연결이 되어 있어, 케이블 2에서 방사된 전자기장을 막아주지 못하고 있어 건물 내부의 프로브에 높은 값이 나타나게 됩니다. 단락의 경우에 전기장 값은 케이블 1의 금속 선과 그라운드와의 접지로 인해, 외부 평면파가 케이블 2로 전달되지 않고 접지로 빠져나가게 됩니다.

그림 17. 2차원 전기장 분포

그림 17은 2차원 전기장 분포 결과이다. 결과에서 보듯이 단락일 때, 건물 내부의 전기장이 유기되지 않아 내부 케이블 2 주변 (검은색 선)의 전기장 값이 낮은 것을 확인할 수 있습니다.

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그림 18. TVS 다이오드 연결 위치

​그림 18은 TVS 다이오드의 연결 위치를 나타낸 것입니다. 1번 위치는 케이블 1의 끝에 다이오드가 연결된 것을 의미하고, 2번은 케이블 2의 끝에 다이오드가 연결된 상태입니다. TVS 다이오드 위치에 따라 내부 전기장의 값이 다르게 분포하는데, 이를 분석하기 위해서 1번과 2번 위치에서의 전기장 값을 비교해 보았습니다.

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그림 19. TVS 다이오드 위치에 따른 전기장 비교

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그림 19은 TVS 연결 위치에 따른 내부의 전기장 값을 나타낸 것입니다. 같은 개방 조건에서도 TVS 다이오드의 연결 위치에 따라 내부로 침투하는 전기장을 저감하는 효과를 가져올 수 있습니다.

​지금까지 방호 건물에 대한 시뮬레이션 과정과 결과에 대해서 분석해 보았습니다. MIL-STD-464에서 규정하고 있는 전기장을 인가하여 건물에 대해서 전자기 펄스 방호 능력을 시뮬레이션을 통해 확인해 보았습니다. 건물 내부에 전기장 프로브 하나를 두어 시뮬레이션 검증을 하였으나, 엔지니어는 규정이 정하는 방식에 맞도록 시뮬레이션을 진행해야 할 것입니다. 케이블 해석에 대해서도 종류와 길이, 개수 등 정확한 정의를 내리고 나서 시뮬레이션이 진행되어야 정확한 결과와 검증이 이루어질 것입니다.

현재는 미 국방성 규격에 따라 국방 시설에 대해서 시험평가를 수행하고 있으나, 민간시설에서 운용하고 있는 전자기기와 제품에 대한 전자기 펄스 규격 제정은 미미한 상황이어서 국제규격 제정이 필요한 상태입니다. 이러한 규격화 작업에서 시뮬레이션 검증은 상당히 중요해 보입니다. 제품 테스트 적용 전에 시뮬레이션으로 사전 검증을 해봄으로써, 다양한 상황에 대해서 방호 성능을 예측해 볼 수 있기 때문입니다.