EMP란?

EMP(Electro Magnetic Pulse)는 통상적으로 고출력 전자기파를 통칭한다. 그러나 학계의 정확한 표현은 HPEM(High Power ElectroMagnetic)이다.

고출력 전자기파(HPEM)는 세 가지로 분류할 수 있다. 첫 번째, 낙뢰에 의한 고출력 전자기파인 LEMP(Lightning EMP)는 직격뢰(Direct Lightning)와 간접뢰(Indirect Lightning)로 분류된다. 두 번째, 핵폭발에 의한 전자기파인 NEMP(Nuclear EMP)는 고고도에서 핵폭발 시 발생하는 고고도 전자기펄스인 HEMP(High-altitude EMP)를 의미한다. 세 번째, 핵과 무관하게 의도적으로 발생하는 NNEMP(Non-Nuclear EMP)와 IEMI(Intentional EMI)는 고출력 초고주파 HPM(High Power Microwave)과 UWB(Ultra-Wide Band)로 분류된다.

핵폭발에 의한 고고도 전자기펄스(HEMP)는 고도 30km 이상에서 핵폭발 시 감마선이 빛의 속도로 지표면으로 향하면서 콤프턴(Compton) 효과^*에 의해 고출력 전자파 에너지가 지상으로 광범위하게 전달되는 현상에 의해 발생한다.

1. ① 고고도상공 핵 폭발
2. ② 수 MV의 감마선 방출
3. ③ 지표면으로 향하면서 공기 분자와 충돌
4. ④ 콤프턴 효과에 의해 공기 분자로부터 다수의 자유전자 방출
5. ⑤ 지구 자기장과 자유전자에 의해 전류 흐름 발생
6. ⑥ 전기장과 자기장 형성
7. ⑦ 빛의 속도로 지표면을 향하면서 감마선의 에너지 소멸 때까지 상기 과정 반복
8. ⑧ 전파의 중첩 현상으로 크기 증대

EMP 기술표준 동향

IEC EMP 관련 규격

국제 표준화 기구 IEC(International Electro technical Commission)의 기술위원회(TC, Technical Committee) 77의 SC(Sub- committee)에서는 EMP 관련 표준화를 다루고 있다.

IEC의 EMP 관련 시험 기준은 ▲HEMP 및 기타 복사 장해 보호 장비 시험방법(IEC 61000-4-23), ▲HEMP 전도 장해 보호 장비 시험방법(IEC 61000-4-24), ▲장비 및 시스템에 대한 HEMP 내성 시험방법(IEC 61000-4-25), ▲장비 및 시스템에 대한 IEMI 내성 시험방법(IEC 61000-4-36)이 있다.

첫 번째, IEC 61000-4-23은 HEMP 및 기타 복사 장해 보호 장비에 대한 시험방법으로 HEMP 시험을 해야 하는 이유 및 차폐 요소 시험에 대한 중요한 개념을 제시한다. 주요 내용으로는 차폐실 시험을 통한 차폐 효과 측정과 전자계 유도에 의한 차폐실 내부의 HEMP 침투와 관련한 캐비넷/박스 개념, 차폐 케이블 및 차폐 케이블 커넥터 시험, 차폐 물질로 만든 개스킷 시험, Pulse Field 시험 등이 있다.

두 번째, IEC 61000-4-24는 HEMP 전도 장애에 대한 보호장치의 시험방법에 관한 것이다. 본 표준에는 가스 방전관, 배리스터 및 2단자 SPD(Surge Protective Device)와 같은 2단자 소자와 HEMP 조합형 필터 등이 포함된다. 해당 규격에는 항복 전압과 전압-제한 특성 시험, 잔류전압 및 잔류전류 측정방법 그리고 시간 함수로서 전압 및 전류의 급속한 변화 시 피크 상승률 및 Root action 등이 포함된다.

세 번째, IEC 61000-4-25에서는 고고도 전자기펄스 환경에 노출된 전기-전자장비와 시스템에 대하여 내성 시험 레벨과 관련된 시험방법을 기술하고 내성 시험 레벨의 범위를 규정하여 시험절차를 확립한다. 이를 통해, HEMP 복사성 및 전도성 전자기 방해를 받게 될 때 전기-전자장비의 내성을 증명할 수 있다. 시험방법은 복사 내성 시험과 전도성 내성 시험으로 구성되는데, 복사 내성 시험은 시험 시 초기 펄스에만 적용하며 중기와 후기 펄스는 고려하지 않는다. 반면, 전도성 내성 시험은 시험 시 전도성 환경의 3가지 유형인 초기/중기/후기 펄스로 구분하여 시험한다.

마지막으로 IEC 61000-4-36에서는 의도성 전자파 장해(IEMI)에 대한 장비와 시스템의 내성평가 시험 레벨을 결정하는 방법을 제공한다. 본 규격은 먼저 IEMI 환경(가능한 IEMI의 배치 시나리오, IEMI 방사 환경, 공격 시나리오)을 규정한다. 그리고 IEMI 시험방법에 대해 방사성 시험과 전도성 시험 모두 반영하며 특히, 전도성 시험의 경우 IEMI 발생원을 직접 사용하거나 전도성 시뮬레이터를 사용하여 수행한다. IEMI 방사성 시험에 대한 하이퍼 밴드, 매소 밴드, 하이포 밴드 파라미터를 제공하며 전도성 시험에 대한 감쇠진동파 파라미터 또한 제공한다.

MIL-STD EMP 관련 규격

MIL SPEC의 EMP 관련 기준은 ▲장비 및 서브 시스템 전자기 적합성 요구 규격(MIL-STD-461G), ▲시스템을 위한 전자기 환경 영향 요구조건(MIL-STD-464D), ▲지상 기반의 이동형 C4I 설비에 대한 HEMP 방호(MIL-STD-188-125-2)이 있다.

첫 번째, MIL-STD-461G는 장비 및 서브 시스템의 전자기 적합성 요구 규격으로, 대상은 무기체계 및 부 체계 차폐 성능평가에 적용한다. 해당 규격은 주로 함체, 배선, 하네스와 같이 랙보다 크지 않은 장비 또는 서브 시스템에 적용된다. HEMP에 대한 차폐율 성능평가 시 측정 주파수 10 kHz ~ 20 MHz까지 자기장 측정을, 20 MHz ~ 1 GHz 대역에서는 전기장 측정을 사용하며 일반적인 시험장의 조건과 장비 구성 또한 규정되어있다. 해당 규격에는 CE (Conductive Emission, 전도 간섭), RE(Radiation Emission, 복사 간섭), CS(Conductive Susceptibility, 전도 내성), RS(Radiation Susceptibility, 복사 내성) 요구사항을 규정하며 그중 EMP에 관련된 요구사항은 낙뢰, 대전류, 개폐서지, EMP 등 감쇠진동 서지에 대한 내성평가 항목인 CS116과 고고도 핵 전자기파에 대한 공간 전계 내성평가 항목인 RS105 2가지가 있다.

두 번째, MIL-STD-464D는 시스템을 위한 전자기 환경 영향 요구조건에 관한 규격으로, 시스템 인터페이스 요구조건과 다양한 기준에 대한 전자파 환경 효과를 규정한다. 해당 규격에서 EMP와 관련된 요구사항으로는 규격을 만족하는 모든 시스템의 경우 EMP 환경을 겪은 후에도 자체 운용 성능 요구조건을 충족시켜야 한다. 그리고 조달 활동에서 EMP 요구조건을 요구할 때도 적용한다. 또한, 수락시험 시 시스템, 서브 시스템, 장비 수준의 시험 등에 의해 증명되어야 한다. 본 규격에서 확인/검증을 위한 요구 규격은 초기(E1), 중기(E2), 후기(E3)의 복합 파형으로 HEMP 파형을 정의하며, 평면파로 수평/수직편파 시험하여 시스템 설계를 확인/검증하고 평가한다.

세 번째, MIL-STD-188-125-2는 지상 기반의 이동형 C4I 설비에 대한 HEMP 방호 규격으로, 긴급 C4I 임무를 수행하는 이동형 지상 기반 설비에 대한 HEMP 최소 요구사항 및 설계 목적을 규정한다. 성능검증 항목은 차폐 상태를 점검하는 차폐효과(SE, Shielding Effectiveness) 시험과 전도성 성능시험을 위한 펄스 전류 주입(PCI, Pulse Current Injection) 시험, 장비 및 체계의 전체적인 검증을 위한 연속파 유입(CWI, Continuous Wave Immersion) 시험 및 위협수준방사(TLI, Threat-Level Illimination) 시험으로 구분된다.

지금까지 살펴본 MIL SPEC의 EMP 적용 규격을 장비, 부 체계, 체계에 대하여 정리하면 [표 3]과 같다.

군 전자장비 EMP 유입 신호 측정 및 분석

주요 무기체계에 대한 EMP 방호는 EMP 위험 수준을 파악하는 것으로부터 시작된다. 따라서 군 무기체계 중 EMP 위협을 가장 먼저 감당하는 RF 안테나의 EMP 유입수준을 측정 및 분석하였다. RF 안테나로 유입되는 EMP 신호를 측정하기 위해 인가되는 EMP 신호의 기준을 선정하였는데, 군용장비 및 부 체계에 적용하는 전자기 적합성 표준인 MIL-STD-461G의 EMP 시험 항목인 RS105에 제시된 신호를 인가하였다. 표준에서 제시된 인가 신호는 식(1)과 같으며 파형은 [그림 6]과 같다.

EMP 유입 신호를 측정하기 위한 인가 파형에 대한 교정은 [그림 7]과 같이 시험장비를 구성하여 진행하였다. 이를 통해 실제 교정한 파형은 [그림 8]과 같다.

교정 장비 특성상 오실로스코프로 입력되는 신호()는 전기장의 미분 값이므로, 전기장 신호()로 전시하기 위해 오실로스코프 기능을 통해 시간으로 적분한다. 과 의 관계식은 식(2)를 따르며 단위는 Vs이다. 최종적으로 보정계수(Correction factor) 를 전기장 신호()에 곱하면 식(3)과 같으며 인가 EMP 신호()를 구할 수 있다. 따라서 교정된 인가 신호는 50 kV/m이며, Rise Time 1.9 ns, FWHM (Full Width Half Maximum) 23 ns ± 5 ns이다.

인가 파형을 교정한 후, RF 안테나로 유입되는 EMP 신호를 측정하였으며, 측정을 위한 시험장 개념과 구성은 RS105 시험 설치도에 따라 [그림 9-10]과 같다.

측정은 군용 안테나 7종을 대상으로 EMP 유입 신호를 측정하였다. 그리고 측정한 안테나별 유입되는 EMP 유도 전압을 표 4에 나타내었다. 측정 결과, 전반적으로 인가 신호의 세기가 커질수록 안테나에 유입되는 EMP 신호 세기가 증가하는 추세를 보이며, Peak 값인 50 kV/m에서 가장 높은 유입수준을 보였다. 그리고 O과 O대역의 안테나에서 수 kV의 가장 높은 EMP 신호가 유입되는 것으로 측정되었다. 따라서 일반적인 RF 송수신 단에는 수 Voltage로 동작하는 반도체 소자로 구성되어 있으므로 O과 O같은 O대역의 RF 무선통신 장비는 특히 EMP 인가 신호에 매우 취약하다는 것을 알 수 있다.

본 기고에서는 민군의 EMP 관련 검증규격과 시험방법을 정리하고, 군 무기체계 중 EMP 위협을 가장 먼저 담당하는 RF 안테나 7종에 대한 EMP 유입수준을 제시하였다. 전반적으로 인가 신호의 세기가 커질수록 안테나에 유입되는 EMP 신호의 세기가 증가하는 추세를 보였으며, 인가 EMP 신호의 Peak 값인 50 kV/m에서 가장 높은 유입수준을 보였다. 그리고 Peak 값인 50 kV/m에서는 모든 안테나에 위협적인 신호가 유입되었는데, 특히 O과 O같은 O대역의 안테나에는 타 주파수 대역의 안테나보다 높은 수 kV의 EMP 신호가 유입되었다. 이는 RF 안테나에 연동된 무기체계에 치명적인 손상을 입힐 수 있음을 의미한다. 이러한 측정 결과를 바탕으로 더욱 체계적인 EMP 위협수준 연구가 이루어져 주요 무기체계의 EMP 취약점을 파악하고 실질적인 보호 대책이 마련되어야 할 것이다.