고고도 전자기 펄스 (HEMP) 차폐를 위한 전자파 차폐 콘크리트 벽체 개발에 관한 실험적 연구

Abstract

최근 북한에서 개발 중인 핵무기는 기존의 열, 폭풍, 방사능 피해를 목적으로 하는 개발이 아니라, 고고도 전자기 펄스 (High-altitude Electromagnetic Pulse : HEMP) 발생에 의한 전자기기 무력화를 목표로 개발하는 것으로 예측되고 있다. 따라서 실제로 HEMP 발생 시 최대 수백 km 반경에 걸쳐 전자 장비뿐만 아니라 전력망, 통신망 등의 국가 기간 시설들을 한 순간에 마비시켜 치명적인 피해를 야기할 수 있다. 군사적 목적을 위한 HEMP 차폐 시설의 핵심 설비 중 차폐 판의 경우, 전자파 차폐 성능이 우수한 금속 판 (아연 도금 판, 구리판, 강판 등)을 제작 및 가공 후 용접이나 볼트 조립을 통해 적용하고 있다. 그러나 이는 제작 시 가공의 어려움, 용접 및 볼트 조립 부위에서의 전자파 유입 가능성, 높은 시공비용 등이 문제가 되고 있다. 또한 이를 개선하기 위한 차폐 공법 및 차폐재 개발을 위한 연구가 부족한 실정이다. 이에 따라 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 14KHz ~ 18GHz 범위의 영역에서 IEEE-STD-299 및 MIL-STD-188-12 5-1, DMFC 4-70-30 규격을 참고하여 전자파 차폐 성능을 평가하였다. 이를 통해 차폐실을 따로 구축하지 않고, 구조체 자체로써 전자파 차폐 성능을 충족시키는 차폐 벽의 적용 가능성을 제시하고자 하였다. 굳지 않은 콘크리트의 슬럼프와 공기량 기준 값은 각각 150±25 mm, 4.5±1.5%로 설정하였으며 실험 결과 모두 만족하였다. 콘크리트 차폐재의 전자파 차폐 성능 실험 결과 자계 영역에서 모든 실험체의 전자파 차폐 성능은 비슷한 경향을 보였으며, 14kHz에서 최소 차폐 기준의 약 42.8% 증가된 성능을 나타냈다. 140KHz에서는 최소 차폐 기준의 평균 21.4% 감소된 성능을 나타내었으며, 14MHz에서는 평균 57% 감소된 성능을 나타내었다. 공진범위·평면파 영역 또한 최소 차폐기준에는 못 미치지만 OPC 실험체와 비교해 혼입 재료에 따른 효과가 나타났다. 또한, 주파수가 증가할수록 전자파 차폐 성능이 증가하는 경향을 나타내었다. 300 MHz에서 최소 차폐 기준의 평균 63.87% 감소된 성능을 나타내었고, 1GHz에서는 평균 38.84% 감소된 성능을 나타내었다. 평면파 영역에서 규격 상 최소 차폐 기준이 없기에 차폐 성능만을 평가하였고, 공진범위·평면파 영역과 비슷한 경향을 나타내었다. 이는 전자파 신호 감쇠에 의한 전력밀도의 저하와 전자파 차폐재의 투과손실, 다중반사손실에 의한 전력밀도의 감소, 주파수에 의한 영향 세 가지 원인에 의한 것이라고 판단된다. 이는 주파수가 높아질수록 직진성이 강해 차폐재에 의한 효과가 높지만, 신호 감쇠율 또한 증가해 차폐재에 의한 차폐가 아닌 차폐의 결과가 나올 수 있다는 것을 의미한다. 금속용사 차폐재의 경우 콘크리트 차폐재의 실험 결과 차폐효과가 가장 좋지 않았던 OPC, E-PS실험체, 가장 차폐효과가 좋았던 실험체인 0.8S – P30, 0.5S - P30 실험체에 대해 Zn-Al 아크 금속용사 피막을 적용하였고, 전자파 차폐 실험 결과 4가지 수준 모두 Zn-Al 금속용사 피막의 반사 손실에 의한 기준 차폐 성능을 만족하고 있음을 알 수 있었다. ATMSM 적용 전 가장 낮은 차폐 효과를 보인 OPC 실험체의 경우 최대 300MHz에서 102.04dB로, 약 797.4% 증가된 차폐 성능을 나타냈으며, 가장 높은 차폐 효과를 보인 0.8S – P30 실험체의 경우 최대 1G에서 129.37dB로, 약 65.7% 증가된 차폐 성능을 나타냈다. 이를 통해 일반 콘크리트 구조물에 아크 금속용사 피막을 적용하였을 경우, HEMP 차폐 실을 따로 구축하지 않고, 차폐 성능을 충족시키는 구조물로써의 적용 가능성이 높을 것으로 판단된다.