고고도 전자기파(HEMP)차폐를 위한 전자파 차폐 콘크리트 벽체 개발에 관한 실험적 연구 An Experimental Study on the Development of Electromagnetic Shielding Concrete Wall for Shielding High-altitude Electromagnetic Pulse (HEMP)원문보기
북한은 최근 핵무기의 일반적인 열, 폭풍, 방사능 피해가 아닌 전자 장비를 무력화시키기 위한 고고도 전자기파 탄을 개발 중인 것으로 예측되고 있다. 현재 군용 목적으로 사용되고 있는 HEMP차폐 시설 중 차폐 판의 경우 전자파 차폐 효과가 뛰어난 금속 판이 사용되고 있으나 이러한 금속판들은 차폐 시설 제작 시 용접 부위에서의 전자파 유입 가능성 등 시공상의 어려움과 높은 비용이 문제시 되고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서 차폐 시설을 따로 구축하지 않고 콘크리트 구조물 자체로써 전자파 차폐 효과를 확보하기 위하여 콘크리트 실험체에 전기전도성이 높은 재료를 혼입하였다. 또한, 실험체 중 가장 높은 차폐효과를 보인 2가지 수준과, 가장 낮은 차폐 효과를 보인 2가지 수준에 $100{\mu}m$ 아연-알루미늄 합금 금속용사 피막을 적용하였다. 실험 결과 전기전도성이 높은 재료를 혼입한 실험체는 MIL-STD-118-125-1 규격 최소 차폐 기준을 만족하지 못하였으나, 금속용사 피막을 적용한 실험체에서는 모두 최소 차폐 기준을 만족하였다. 결론적으로, $100{\mu}m$ 아연-알루미늄 합금 금속용사 피막이 HEMP 차폐에 높은 효율성을 가지고 있다고 판단된다.
북한은 최근 핵무기의 일반적인 열, 폭풍, 방사능 피해가 아닌 전자 장비를 무력화시키기 위한 고고도 전자기파 탄을 개발 중인 것으로 예측되고 있다. 현재 군용 목적으로 사용되고 있는 HEMP 차폐 시설 중 차폐 판의 경우 전자파 차폐 효과가 뛰어난 금속 판이 사용되고 있으나 이러한 금속판들은 차폐 시설 제작 시 용접 부위에서의 전자파 유입 가능성 등 시공상의 어려움과 높은 비용이 문제시 되고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서 차폐 시설을 따로 구축하지 않고 콘크리트 구조물 자체로써 전자파 차폐 효과를 확보하기 위하여 콘크리트 실험체에 전기전도성이 높은 재료를 혼입하였다. 또한, 실험체 중 가장 높은 차폐효과를 보인 2가지 수준과, 가장 낮은 차폐 효과를 보인 2가지 수준에 $100{\mu}m$ 아연-알루미늄 합금 금속용사 피막을 적용하였다. 실험 결과 전기전도성이 높은 재료를 혼입한 실험체는 MIL-STD-118-125-1 규격 최소 차폐 기준을 만족하지 못하였으나, 금속용사 피막을 적용한 실험체에서는 모두 최소 차폐 기준을 만족하였다. 결론적으로, $100{\mu}m$ 아연-알루미늄 합금 금속용사 피막이 HEMP 차폐에 높은 효율성을 가지고 있다고 판단된다.
Rather than causing damage from heat, blast, and radiation of a regular nuclear weapon, recently, it is predicted that North Korea has been inventing high altitude electromagnetic pulse (HEMP) missile in order to incapacitate electronic equipment. HEMP shielding facility is used for military purpose...
Rather than causing damage from heat, blast, and radiation of a regular nuclear weapon, recently, it is predicted that North Korea has been inventing high altitude electromagnetic pulse (HEMP) missile in order to incapacitate electronic equipment. HEMP shielding facility is used for military purpose today. Despite the electromagnetic shielding effects from high quality compression plates, problems may include such as the possibility of electromagnetic influx resulting in the welding of the compression plates, and difficulties and high cost of construction. Therefore, in this study, a high electrical conducting material was added to the concrete experimental subject to ensure the shielding effect through electromagnetic waves to for the concrete structure, instead of building a shielding facility separately for the structure. Also, among the experimental subjects, 100 ${\mu}m$ of Iron-Aluminum alloy metal spraying coat was applied to two types with the highest shielding effect, and to two types with the lowest shielding effect. The result of the experiment indicates that experimental subjects added with a high electrical conductivity material did not meet the minimum shielding criteria of MIL-STD-118-125-1 standard, but all the experimental material applied to the metal spraying coating satisfied the minimum shielding criteria. In conclusion, it is considered that 100 µm of Iron-Aluminum alloy metal spraying coat contains high efficiency in the HEMP shielding.
Rather than causing damage from heat, blast, and radiation of a regular nuclear weapon, recently, it is predicted that North Korea has been inventing high altitude electromagnetic pulse (HEMP) missile in order to incapacitate electronic equipment. HEMP shielding facility is used for military purpose today. Despite the electromagnetic shielding effects from high quality compression plates, problems may include such as the possibility of electromagnetic influx resulting in the welding of the compression plates, and difficulties and high cost of construction. Therefore, in this study, a high electrical conducting material was added to the concrete experimental subject to ensure the shielding effect through electromagnetic waves to for the concrete structure, instead of building a shielding facility separately for the structure. Also, among the experimental subjects, 100 ${\mu}m$ of Iron-Aluminum alloy metal spraying coat was applied to two types with the highest shielding effect, and to two types with the lowest shielding effect. The result of the experiment indicates that experimental subjects added with a high electrical conductivity material did not meet the minimum shielding criteria of MIL-STD-118-125-1 standard, but all the experimental material applied to the metal spraying coating satisfied the minimum shielding criteria. In conclusion, it is considered that 100 µm of Iron-Aluminum alloy metal spraying coat contains high efficiency in the HEMP shielding.
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문제 정의
15-17) 또한, 혼입 재료를 달리한 콘크리트의 차폐 성능과 표면에 금속용사 처리를 하였을 시 차폐 성능을 비교 · 평가하고자 하였다.
본 연구에서는 기존의 HEMP 차폐실을 따로 구축하지 않고 혼입 재료, 아크 금속용사 공법을 실험 인자로 하여 구조물 자체로써 차폐 성능을 충족시키는 전자파 차폐 벽체 시스템의 적용 가능성을 평가를 실시한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 전자파 차폐 성능을 높이기 위한 목적으로 철 함유량이 높은 재료를 선정하였다. 사용한 강섬유의 경우 직경 0.
15-17) 또한, 혼입 재료를 달리한 콘크리트의 차폐 성능과 표면에 금속용사 처리를 하였을 시 차폐 성능을 비교 · 평가하고자 하였다. 이를 통하여 차폐시설을 따로 구축하지 않고, 구조체 자체로써 전자파 차폐 성능을 충족시키는 차폐 벽의 적용 가능성을 제시하고자 하였다.
제안 방법
ATMSM의 경우 혼입 재료에 따른 전자파 차폐 성능 측정 후, 결과 값에 따라 하위 2가지 수준, 상위 2가지 수준 총 4가지 수준에 가장 상용화된 Zn-Al 금속용사를 최소 두께인 100 µm을 적용하여 전자파 차폐 성능 측정을 하였다.
평면파 영역에서는 Horn 안테나를 사용하였다. MIL-STD118-125-1 규격 상 1.5 GHz 이후로는 최소 차폐 기준이 없기에 차폐 성능만을 평가하였다.
실험 인자는 콘크리트 차폐재와 금속용사 차폐재이고, 이 중 콘크리트 차폐재의 경우 Table 4와 같이 7수준으로 설정하였다. 강섬유의 경우 전도성이 높은 금속 성분이 주를 이 루고 있어 전자파 차폐에 효과가 있다고 판단되어 혼입하였고, 예비 실험을 통하여 최적의 혼입 비율을 정하였다. 방사선의 경우 중량콘크리트를 사용하여 차폐를 하게 되는데,18) 방사선은 에너지가 매우 높은 전자파이므로, 전자파 차폐 또한 중량 콘크리트를 사용하고자 중량골재인 산화슬래그 골재와 자철광 골재를 혼입하였다.
7은 전자파 차폐 실험체의 설치 단면도를 나타낸다. 기존 차폐 벽에 실험체를 고정하기 위해 차폐 벽의 내부 및 외부에 실험체 고정판을 덧대어 볼트로 체결하여 실험체가 움직이지 않도록 한 후 실험을 실시하였다. 볼트로 결합하는 부분에서 전자파가 누출될 수 있기 때문에 가스켓(Gasket) 처리를 하여 누출을 방지하였다.
본 연구에서는 콘크리트에 도전성이 우수한 금속 재료를 혼입함과 동시에 차폐 효과를 높이기 위해 시공이 용이한 아크 금속용사 공법(Arc Thermal Metal Spraying- Method : ATMSM)을 적용하여 14 kHz∼18 GHz 범위의 영역에서 IEEESTD-299 및 MIL-STD-188-125-1, DMFC 4-40-70 규격을 참고하여 전자파 차폐 성능을 평가하였다.
이에 주파수에 따라 자계영역, 공진범위 · 평면파 영역, 평 면파 영역으로 나누어 송신할 때의 전력(P1)과 수신할 때의 전력(P2) 두 가지로 나누어 분석을 실시하였다.
실험체가 설치 될 차폐 벽의 경우 아연 도금 판으로 이루어져 있고, 차폐 실 외부에서 안테나를 통해 송신된 전자파는 차폐 실 내부에서 차폐재를 투과한 전자파가 수신되고 결과 값이 측정된다. 전자파 차폐 성능은 재령 28일에 실시하였으며, 차폐재가 없는 Free space 상태에서 교정(Calibration)을 실시한 후 Fig. 5와 같이 실험체를 설치한 후 외부에 송신 안테나, 내부에 수신 안테나를 위치시켜 실험을 실시하였다.
전자파 차폐용 실험체는 온도 20 ± 2°C, 상대습도 60 ± 2%의 조건 하에서 재령 28일간 기건 양생을 실시하였다.
2는 전자파 차폐 실험을 위한 콘크리트용 몰드의 모식도이다. 전자파의 특성 상 약간의 틈이 생길 경우 그 틈으로 전자파가 유출되어 결과 값에 큰 오차가 생기게 되어 강판을 이용하여 냉각 압연 방식으로 전자파 차폐용 콘크리트 몰드를 제작하였다.
측정 횟수는 전자파 실험의 경우 송· 수신 안테나의 높이 및 주변 환경 등에 의해 많은 영향을 받으므로 각각 3회씩 측정 후 평균값을 도출해 신뢰성을 확보하고자 하였다.
5%로 설정하였다. 콘크리트 믹싱 직후 슬럼프, 공기량, 단위 용적 질량을 측정하였고, 경화 콘크리트에서 단위 용적 질량, 압축강도, 휨 강도를 측정하였으며, 강도 측정은 재령 3, 7, 28일에 KS F 2405,20) KS F 240821)에 의해 수행되었다. Fig.
대상 데이터
본 연구에서는 전자파 차폐 성능을 높이기 위한 목적으로 철 함유량이 높은 재료를 선정하였다. 사용한 강섬유의 경우 직경 0.02 mm, 길이 19.5 mm의 직선형을 사용하였다. 자철광 굵은 골재와 전기로 산화 슬래그 굵은 골재는 굵은 골재를, PS Ball (Precious Slag Ball)의 경우 잔골재를 대체하여 사용하였다.
2 GHz 사이의 신호를 발생시키는 A사의 8648C 모델과 10 MHz∼50 GHz 사이의 신호를 발생시키는 H사의 83620A 모델을 사용하였다. 수신기는 M사의 5990-7421E N 모델을 사용하였다. 증폭기의 경우 9 kHz∼1 GHz에서 S사의 310 모델을 사용하였으며 1∼26.
신호 발생기는 9 kHz∼3.2 GHz 사이의 신호를 발생시키는 A사의 8648C 모델과 10 MHz∼50 GHz 사이의 신호를 발생시키는 H사의 83620A 모델을 사용하였다.
실험 인자는 콘크리트 차폐재와 금속용사 차폐재이고, 이 중 콘크리트 차폐재의 경우 Table 4와 같이 7수준으로 설정하였다. 강섬유의 경우 전도성이 높은 금속 성분이 주를 이 루고 있어 전자파 차폐에 효과가 있다고 판단되어 혼입하였고, 예비 실험을 통하여 최적의 혼입 비율을 정하였다.
안테나는 E사의 제품을 사용하였으며, 자계영역에서 Loop안테나 (Model 6502), 공진범위·평면파 영역에서 LP (Log Periodic) 안테나(Model 3148B), 평면파 영역에서 Horn (Double-Rigid Wave guide Horn) 안테나(Model 3115)를 사용하였다.
자계 영역에서는 Loop안테나를 사용하였다. Fig.
증폭기의 경우 9 kHz∼1 GHz에서 S사의 310 모델을 사용하였으며 1∼26.5 GHz에서는 A사의 8449B 모델을 사용하였다.
평면파 영역에서는 Horn 안테나를 사용하였다. MIL-STD118-125-1 규격 상 1.
이론/모형
Table 5는 실험 주파수 대역을 나타낸다. 실험 주파수 대역은 민간, 군사 시설에 적용되는 낮은 범위인 자계 영역에서 높은 범위인 평면파 영역에 걸쳐 MIL-STD- 118-125-1에 의거하여 선택하였다. 측정 횟수는 전자파 실험의 경우 송· 수신 안테나의 높이 및 주변 환경 등에 의해 많은 영향을 받으므로 각각 3회씩 측정 후 평균값을 도출해 신뢰성을 확보하고자 하였다.
성능/효과
1) 혼입 재료에 의한 전자파 차폐 효과는 0.8S-P30 > 0.5S-P30 > 0.8S > M-PS > 0.5S > E-PS > OPC의 순으로 나타났다.
2) 강섬유 혼입 시 블리딩 현상으로 인하여 52%의 높은 흡수율을 가진 자철광 미분을 30% 추가 혼입하였으나 이로 인한 전자파 차폐 성능의 증가분은 자계 영역에서 약 4.8%, 공진범위·평면파 영역에서 약 14.38%, 평면파 영역에서 약 11.47%로 그 폭이 미미하였다.
3) 콘크리트에 적용한 Zn-Al 금속용사 피막의 경우 최소 피막 두께인 100 µm로 반사 손실에 의한 모든 영역대의 최소 요구 차폐 수준을 만족하였다.
ATMSM 적용 전 가장 낮은 차폐 효과를 보인 OPC 실험체의 경우 최대 300 MHz에서 102.04 dB로, 797.4% 증가된 차폐 성능을 나타냈다.
Fig. 10에서 주파수가 증가할수록 전자파 차폐 성능이 증가하는 경향을 나타내었는데, OPC 실험체와 타 실험체를 비교했을 시 전도성 재료를 혼입한 실험체가 상대적으로 차폐 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
Fig. 14의 P2값 또한 자계 및 공진범위·평면파 영역과 마찬가지로 주파수가 증가할수록 신호 감쇠에 의한 전력밀도의 저하가 나타났으며, 전도성 혼입 재료에 의한 차폐 효과가 공진범위 · 평면파 영역에서의 차폐 효과보다 증진되었다.
가장 높은 차폐 효과를 보인 0.8S-P30 실험체의 경우 최대 1 GHz에서 129.37 dB로, 약 65.7% 증가된 차폐 성능을 나타냈다.
강섬유 0.5% 혼입 시 차폐 효과는 최대 1 GHz 영역에서 38 dB(전력 밀도 약 6309배 차이)증가하였으며, 0.8% 혼입 시 48 dB(전력 밀도 약 63095 배 차이)증가하였으나 작업성 저하 및 블리딩이 발생하여 0.5% 강섬유 혼입이 적정 수준이라고 판단된다.
공진범위 · 평면파 영역인 14 MHz, 300 MHz, 1 GHz에서는 각각 평균 73.3 dB, 85.78 dB, 72.89 dB만큼 증가한 결과 값을 나타냈다.
그래프의 경향성을 보면 자계영역인 14 kHz, 140 kHz, 14 MHz에서는 모든 실험체가 동일한 경향성을 보이는 반면 공진범위 · 평면파영역, 평면파 영역인 300 MHz, 1 GHz, 10 GHz, 18 GHz에서는 실험체마다 차폐 효과의 차이가 나타났다.
Table 6은 혼입 재료에 따른 굳지 않은 콘크리트의 기본 물성 측정 결과를 나타낸다. 모든 실험체가 설정 기준을 만족하는 결과로 나타났으며, 단위용적질량은 중량 골재인 산화슬래그 굵은 골재와 자철광 굵은 골재를 사용한 E-PS 실험체와 M-PS 실험체의 결과 값이 높게 나타났다.
10은 혼입 재료에 따른 콘크리트의 전자파 차폐 성능 실험 결과 값을 나타낸 것이다. 실험 결과 7개 실험체 모두 14 kHz 대역의 주파수를 제외한 영역에서 최소 차폐기준을 만족하지 못하였다.
공진범위 · 평면파 영역에서는 LP안테나를 사용하였다. 전자파 차폐 성능은 300 MHz에서 최소 차폐 기준의 평균 63.87% 감소된 성능을 나타내었고, 1 GHz에서는 평균38.84% 감소된 성능을 나타내었다.
차폐 성능은 자계 영역에서 약 4.8%, 공진범위 · 평면파 영역에서 약 14.38%, 평면파 영역에서 약 11.47%로 자계영역보다는 공진범위 · 평면파, 평면파 영역에서 효과가 증가 하는 경향을 보였다.
총 4가지 수준에 Zn-Al 아크 금속용사 피막을 적용한 후 SE test를 실시한 결과 4가지 수준 모두 기준 차폐 성능을 만족하는 결과를 나타내었다. 이는 콘크리트 표면의 금속 용사 피막에 의한 반사 손실에 의한 것으로 판단되며, 최소 두께인 100 µm로도 전자파 차폐 효과를 볼 수 있다는 것을 의미한다.
3) 콘크리트에 적용한 Zn-Al 금속용사 피막의 경우 최소 피막 두께인 100 µm로 반사 손실에 의한 모든 영역대의 최소 요구 차폐 수준을 만족하였다. 특히 OPC에 적용한 금속 용사 피막의 차폐성능 결과 100 dB 이상의 값을 나타내었다. 이는 따로 전도성 재료를 혼입하지 않고, 일반 콘크리트에 금속 용사 피막 적용 시 높은 수준의 전자파 차폐 효과를 볼 수 있을 것으로 판단된다.
89 dB만큼 증가한 결과 값을 나타냈다. 평면파 영역인 10 GHz, 18 GHz에서는 각각 평균 54.08 dB, 37.71 dB만큼 증가 하였고 이를 통해 Zn-Al ATMSM을 적용할 경우 최소 두께 만으로 충분한 차폐 효과를 볼 수 있는 것으로 판단된다.
후속연구
4) 본 실험방법에서 외부 요인에 의한 전자파 손실이 있었고, 이를 보완하기 위해서는 도파관 이용을 해야 하지만 실험체 제작에 어려움이 있어 이를 해결할 적절한 방법이 고려되어야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전자파 차폐를 위한 기존의 차폐실의 단점은 무엇인가?
국외 건설 분야의 전자파 차폐 관련 연구는 주로 카본계 물질(Carbon fiber, Graphite 등), 반사성이 큰 금속계 물질(Metal fiber, Metal powder, silver 등)을 이용하여 그 특성을 실험적으로 검증한 바 있다.5-10) 하지만 이러한 연구는 고가의 신소재를 사용하여 상용화 측면에서는 다소 무리가 있다고 판단되며, 또한 콘크리트가 아닌 모르타르 시편을 이용하여 실험을 진행하였기에 실제 벽체에 적용하기에는 어려움이 있을 것으로 보인다.
핵무기의 공중폭발로 발생될 수 있는 가장 큰 피해요인은 무엇인가?
현재 대한민국은 북한과 군사적 대치 상황에 놓여있으며, 북한은 2006년 1차 핵실험을 한 이후 총 5차례의 핵실험을 단행하였고 수차례에 걸친 미사일 발사 실험으로 북핵 문제가 더욱 심각해졌다.1) 일반적으로 핵무기의 공중폭발로 인하여 발생될 수 있는 가장 큰 피해요인은 열, 폭풍, 방사능이지만 최근 북한에서 개발 중인 핵무기는 변형된 핵무기, 즉 고고도 전자기파(High-altitude Electromagnetic Pulse: HEMP)를 통한 EMP (Electro Magnetic Pulse)공격을 통한 전력망, 통신망 전자 장비 등 국가 기간 시설들의 마비가 그 목적으로 예측되고 있다.2)
최근 북한에서 개발 중인 핵무기는 무엇이 목적으로 예측되고 있는가?
현재 대한민국은 북한과 군사적 대치 상황에 놓여있으며, 북한은 2006년 1차 핵실험을 한 이후 총 5차례의 핵실험을 단행하였고 수차례에 걸친 미사일 발사 실험으로 북핵 문제가 더욱 심각해졌다.1) 일반적으로 핵무기의 공중폭발로 인하여 발생될 수 있는 가장 큰 피해요인은 열, 폭풍, 방사능이지만 최근 북한에서 개발 중인 핵무기는 변형된 핵무기, 즉 고고도 전자기파(High-altitude Electromagnetic Pulse: HEMP)를 통한 EMP (Electro Magnetic Pulse)공격을 통한 전력망, 통신망 전자 장비 등 국가 기간 시설들의 마비가 그 목적으로 예측되고 있다.2)
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