송종민님의 전체 분야 답변 목록 - 388 페이지 ㅣ 궁금할 땐, 아하!

EMP 무기에 대응하여 방어하는 시스템은 개발되고 있는지 궁금한데요?

안녕하세요. 송종민 과학전문가입니다.물론 EMP란 것이 상기한 대로 매우 치명적인 존재이니만큼, 병기로서의 EMP가 발전하는 것에 수반하여 그에 대항해 EMP 차폐기술도 발전하면서 창과 방패의 경쟁이 이루어지는 상황이 전개되고 있기도 하다.단순방호라면 패러데이 새장[9]으로 손쉽게 막는다. 도체 상자나 망 등으로 사물을 감싸되 내부에 있는 물건과 닿지 않으면 전자기파로부터 보호되는 원리이다. 금속제 탄통, 양철 쓰레기통, 알루미늄 호일 등 흔한 소재로 전자기기를 EMP로부터 보호할 수 있다.따라서 차량이나 탱크, 비행기 등도 금속제 외피가 일단 기본적인 패러데이 새장 역할을 하기 때문에 내부의 전자 회로나 시스템은 EMP로부터 어느정도 내성이 있다. 영화 등의 창작물에서는 EMP가 터지면 일단 굴러가던 자동차가 멈추고 날던 비행기가 떨어지는게 주된 클리셰인데 이는 지나친 과장임을 염두에 두자. 실제로 EMP 공격에 답이 없는 치명적인 피해를 받을 가능성이 높은 분야는 외부로 전파탑이 노출된 무선통신망이다.국가적으로나 군사적으로 주요 시설물에는 EMP 차폐기술이 적용된다. 1Mt급 핵폭탄이 성층권이나 전리층에서 폭발할 때 발생하는 EMP의 세기는 최대 50kV/m인데 오늘날에는 EMP 차폐기술이 상당한 발전을 보이고 있는 덕분에 전기장 펄스는 100% 차단이 가능하며, 자기장 펄스는 완전한 차단은 불가능하지만 -100dB 이상 감쇄할 차폐 재료들이 있다. 다만 정확히 확인된 것은 아니긴 하나, EMP 차폐기술을 적용하는 비용이 상당히 비싸다는 후문이 있긴 하다.문제는 전선과 같이 외부로 노출된 물건인데, EMP 발생시엔 전원선으로도 서지가 들어오므로 EMP에 대응하기 위한 특별한 접지 보호기를 쓴다. 여기에는 작은 FCG가 있어 역위상의 EMP를 발생, 마주오는 파동을 상쇄하는 식으로 작동한다. 이미 2018년 4/4분기 기준으로 EMP 유입 에너지 ~10MHz / 11~60kV / 400kA@125mS 까지도 잔류전압 10V 이내로 막아낼 수 있는 초고성능 서지 보호기가 국산으로도 존재한다. FCG가 들어가지 않으므로 가격도 저렴한건 덤이다.전자회로 Level에서는 전원과 Ground 사이에 다이오드 및 RLC[10]회로를 구성해서 고전압, 고전류 Surge[11] 인가시 다단으로 보호회로와 내부 구동회로를 파손시키지 않는 범위에서 빠르게 접지를 통해 지면으로 빼버리게 설계한다. 정전기보호는 덤이다. 최근 통신 IC를 설계할 때 정전기 방지를 위해 마지막에 ESD(정전기) 보호회로를 넣는데 이를 통해 자동으로 어느정도 EMP대처능력을 가지게 된다.독일 지멘스사에서 TEMPEST 라고 하는 시스템을 구축해주는 서비스가 있다. 이 시스템을 사용하면 가정집이든 군사시설이든 따지지 않고 해당 건물에 대해 EMP 방호 시공을 해준다. 보통은 새로 건물을 지을 때 발주를 하는 편이니 전자파에 민감하고 돈이 아주 넉넉한 사람이라면 집을 재건축 할 일이 있을 때 지멘스에 연락해보자. 굳이 재건축이 아니라 시공만으로도 되긴 하는데 그러면 집이 조금 좁아진다. 차폐를 위해 벽에 덧대는 스테인리스/알루미늄 격벽 때문이다. 그리고 시공 이후에 창문을 다 닫은 상태에선 무선 LAN 이 먹통이 되는데, TEMPEST 시공시 창문도 전자기 감쇄 유리를 사용하여 발생하는 현상. 소형 중계기도 실내에 설치하면 좋다. 그 외에 전력망은 FCG 를 붙이지만 대부분의 외부 네트워크는 광케이블로 받아서 특수 차폐 배관을 경유하여 내부로 인입한다. 즉, olleh 나 SKbroadband, CJ Hellovision 등 FTTH 서비스를 이용하는 경우에나 바로 인입이 가능하다. 통상적인 일반 유선 전화기는 그대로 인입은 가능하나 다소 어렵다.컴퓨터도 EMP 강화 컴퓨터(지멘스 SITEMP)가 있다. EMP 재난 상황에서는 발전소도 마비될 확률이 상당히 높지만, 이미 EMP 방호를 하겠다는 얘기는 돈지랄을 하겠다는 얘기이므로 자가발전기를 설치해 두면 된다. 즉, 돈만 있으면 현대 문명을 그대로 즐기면서 EMP 방호가 가능하다. EMP 차폐기술이 점차 발전해 감에 따라서, 대도시에서 EMP가 터지면 인류 문명이 몇 세기 전으로 후퇴한다느니, 증기기관으로 돌아가야 한다느니 같은 이야기는 공상에 가까운 이야기로 전락하게 되었다. 물론 EMP를 평시에 대비하지 않는/못하는 민간인들에게 있어서는 심각한 물적 피해를 초래할 수 있다는 것은 사실이지만, 정부와 군사 기관 등 사회 기반시설과 안보 관련 시설은 EMP에 대한 철저한 대비와 방호를 적용받고 있기 때문이다. 심지어 중요 시설 정도가 아니더라도, 날로 엄격해지는 전기-전자제품의 안전 관련 규정 때문에 민간인 대상의 전자제품들 역시 상당한 수준의 EMP 방호력을 갖추게 되었다. 이러한 점은 자동차의 경우가 대표적인데, ISO26262라는 자동차 전자 장비 신뢰성 규격이 나날히 흉악해진 탓에 어지간한 EMP가 들어오지 않는 이상 자동차도 충분히 버틸 수 있다. ECU는 물론이고 엔진룸 전체에 전자파 차폐 기술이 들어가 있기 때문. 사실 이러한 부분은 EMP 공격에 방어하는 의미라기보다도, 엔진에 잡 전파가 들어가면 ECU와 주변 기기에 오작동이 날수 있고, 주행 중이면 사고로 연결되는만큼 그러한 오작동을 막기 위한 설계이다. 다만 소 뒷걸음에 쥐 잡듯이 이러한 오작동 방지 설계가 EMP에 대한 내성을 증대시키는 결과를 가져온 것이다.다만 이러한 설계는 최신 차량에만 적용되는 것이기 때문에 전자제품이 어설프게 사용된 자동차는 영향을 받을 가능성은 있다. 일단 EMP로부터 확실한 내성이 있는 자동차들은 엔진에 전기전자제품이 거의 쓰이지 않은 구형 디젤차량 정도다. 현대, 기아의 구형 포터와 봉고, 같은 계열 엔진을 쓰는 록스타와 1세대 스포티지, 레토나[12] 등은 엔진 정지 때만 쓰는 솔레노이드 밸브[13]만이 전기와 관련이 있고 쌍용의 구형 코란도와 무쏘 수동 차량 등은 아예 전기와 무관한 차종이다. (시동 걸 때는 배터리로 걸지만 시동 끄는 것은 진공회로로... 다만 디젤 엔진은 겨울철에는 전기가 없으면 시동 때 엔진 내부를 예열하는 플러그를 가열할수 없어서 시동이 힘들다.) 원칙적으로 전자 제어식이 아닌 구형 디젤 엔진 차량[14]은 밀어서 시동 걸면 EMP가 아니라 배터리를 뽑고 모든 전기선을 다 들어내도 상관 없는 차량이다. 밀어서 잠금해제[15] 타자기도 쓸 수 있다. 또한, 80년대와 그 이전 옛날 자동차의 경우 연료 분사기의 역할을 하는 "카뷰레터"(caburetor)라는 부품을 쓰는데[16], 카뷰레터 또한 그 특성상 전자파의 영향을 안 받기에 EMP로부터 안전하다. 한국의 경우에는 87년도 이전 환경기준으로 생산된 휘발유 차량들은 배출가스 5등급으로 분류되는데다가 카뷰레터를 제대로 정비할 수 있는 기술자도 전국에서 한 손에 꼽을 만큼 남아서 평상시 운행에 제약이 따르는 부분이 많기에, 사실상 미국이나 일본같이 오래 전부터 자동차를 만들어 오고 클래식카 문화가 활성화된 국가 한정으로나 현실성 있는 얘기인 셈[17].송전탑도 EMP 내성을 갖추고 있다. 한국전력에서 사용중인 345kV 이상 송전선들은 송전탑 및 T/T 측에서 SPD를 쓴 강제 방전을 할 수 있고, 직접뢰 혹은 그 이상의 200kA/30us 이상 전류에 내성을 가진다.[18] 게임의 능력치로 비유하자면 방어력을 포기하고 체력 최대치를 챙긴 모습이라고 할 수 있겠다.광 전송 선로로 전환을 거의 대부분 완료한 한국통신 시절 KORNET 시스템은 단말의 경우는 몰라도 전화국 간의 기간 연결에 쓰는 장비의 EMP 내구도를 증명한 상태이다. 장거리 링크에 쓰이는 고에너지 레이저 변환전송기의 Isolation 규격에 따라 전화국에서 쓰이는 광 링크 종단은 건물 안에 있는 특별하게 밀폐한 곳에서 한다. 덕분에 매우 센 EMP가 나도 별로 영향이 없다. CCC 등에서 외부 링크를 광케이블로 따는 까닭의 하나이다.기타 다산네트윅스에서 공급하는 일반전화 가입자종단 단말카드의 경우에도 이미 미친듯이 SPD 를 도배하고 있어 EMP 정도로는 끄떡도 없다. 가입자선로 역시 이중차폐도선을 쓰는 데다가, 그 선을 받는 단말카드 역시 차폐실 안에 있고 그 카드마저도 알루미늄 제 커버로 쌌다. 단말 카드에서 쓰이는 SPD 의 용량도 많이 증가하여 가정용 전력선로 규정에는 못 미치지만 50kA/150us의 규격에는 맞다.

학문 / 전기·전자

22.12.15

고층빌딩을 조립식으로 건설하는 방식이 안전할까요?

안녕하세요. 송종민 과학전문가입니다.블록 쌓듯 조립하여 고층 건물 세운다. '프리패브' 공법 최신 트렌드·기술 공유국내 대형 건설사인 P건설이 최근 ‘프리패브(pre-fab)’ 공법을 고층 건물로 분류되는 아파트 건설에 적용한다고 밝혀 건설업계의 비상한 관심을 끌고 있다. 프리패브란 ‘사용할 재료를 공장에서 미리 만든다’라는 의미의 단어인 prefabrication의 약자다.따라서 프리패브 공법이란 건축물의 주요 구조와 소재가 결합된 일체형 모듈을 공장에서 사전 제작한 후, 건설 현장에서 설치만 하는 건축기술을 말한다. 얼마 전까지만 해도 이 공법은 공장이나 연립주택 같은 저층 건물을 건설하는 데만 사용해 왔다.블록 쌓듯 건물 모듈을 조립하여 건설하는 프리패브 공법의 최신 기술을 공유하는 자리가 마련되었다.프리패브 공법은 건설 기간을 앞당길 수 있고, 비용도 절약할 수 있는 일석이조의 장점 때문에 전 세계의 내로라하는 건설 업체들이 도입을 서두르고 있는데, 이 같은 상황에서 지난 15일 대한건축사회관에서는 ‘2019 프리패브 건축 세미나’가 개최되어 이목이 집중되었다.대한철강협회와 서울시건축사회가 공동으로 주최한 이번 행사는 미래 건설 시장을 석권할 것으로 예상되는 프리패브 공법의 최신 트렌드 및 기술을 전문가들과 함께 공유해 보자는 취지로 마련되었다.전쟁 이후 파괴된 건물을 빠르게 복구하기 위해 개발우리에게는 아직 낯선 기술이지만 프리패브 공법의 역사는 꽤 오래되었다. 제2차 세계대전으로 파괴된 주택을 복구하기 위해 영국에서 처음 선을 보였다. 부족한 인력을 보완하고 빠르게 건축물을 짓기 위한 해결 방법으로 시도되었다.프리패브 공법을 개발한 나라답게 영국의 조립식 건물 시장은 상당한 규모를 자랑한다. 지난 2007년에 이미 조립식 건축 시장은 4조 2000억 원을 돌파했다. 아시아에서는 일본이 조립식 건축의 선두 주자다. 건설기술연구원이 조사한 바에 따르면 2017년을 기준으로 일본 전체 주택 시장의 34%에 달하는 것으로 파악되었다.국내의 경우는 지난 1992년에 처음으로 군사시설과 학교 등에 적용되었다. 하지만 엄밀하게 말하면 당시에 적용된 공법은 프리패브 방식이라기보다는 미리 만들어둔 콘크리트를 조립하는 형태의 건물인 ‘PC(precast concrete)’ 개념의 방식이었다. 본격적인 프리패브 공법의 도입은 지난 2009년부터 시작되었다는 것이 전문가들의 의견이다.프리패브는 저렴하면서도 신속하게 건물을 지을 수 있는 조립식 공법이다.프리패브 공법이 선을 보였을 때만 하더라도 안전성 문제로 인해 공장이나 5층 이하의 저층 건축물에만 한정적으로 적용되어 왔다. 하지만 관련 기술의 발전으로 영국에는 25층의 건물이 지어졌고, 미국에서는 32층의 초고층 오피스텔이 건축 중에 있다.프리패브 공법으로 지어진 건물의 기본 구성인 기둥과 보 외에도 별도의 철근으로 보완하여 구조적 안전성을 높인 32층의 오피스텔이 완공되면, 현존하는 프리패브 건축물 중 가장 높은 빌딩이 될 것으로 전망되고 있다. 내친김에 미국은 향후 10년 안에 100층 규모의 조립식 건물을 건축한다는 계획까지 밝힌 상황이다.프리패브 공법의 핵심은 스틸하우스와 모듈러 건축물‘프리패브 건축 시스템의 이해’라는 주제로 발제를 맡은 조봉호 아주대 건축학과 교수는 프리패브 공법의 개념에 대해 설명하며 “프리패브 공법을 알기 위해서는 ‘스틸하우스(steel house)’와 ‘모듈러(modular) 건축물’에 대한 개념을 이해해야만 한다”라고 말했다.스틸하우스는 목조주택에 사용되는 목재를 대체할 수 있는 표면처리된 아연도금 강판을 이용하여 건축하는 철골 구조 모듈의 주택을 말한다. 따라서 일반 주택보다 뛰어난 단열성과 내구성을 갖추고 있다.조 교수의 설명에 따르면 스틸하우스는 일반적인 주택보다 뛰어난 단열성과 내구성을 갖추고 있기 때문에 프리패브 건물을 일종의 ‘패시브하우스(passive house)’처럼 활용할 수 있는 것으로 나타났다.패시브하우스란 첨단 단열공법을 이용하여 에너지의 낭비를 최소화한 건축물을 가리킨다. 건물 지붕과 벽 등을 두꺼운 단열재로 시공하고, 유리창은 3중의 겹유리로 만들어 내부와 외부의 열을 최대한 차단하도록 설계된 건축물이다.또한 모듈러 건축물은 넓은 의미의 조립식 건물을 뜻하는 것으로서, 3차원의 건축 모듈(3D volumetric module)을 현장에서 조립하여 완성한 프리패브 공법이 적용된 건축물을 말한다.스틸하우스는 목조를 대체하는 철골 구조 모듈의 주택을 말한다.조 교수는 모듈러 건축물의 장점에 대해 “공사 기간을 대폭 단축할 수 있고, 공사 위험을 낮출 수 있다”라고 강조하며 “예를 들어 고층 건물의 옥탑 구조물을 기존 방식인 철근 콘크리트로 시공하려면 약 6주 정도가 소요되지만, 철강재를 사용한 프리패브 공법을 사용하면 1주일 만에 종료할 수 있다”라고 소개했다.그러면서 “옥탑 같은 경우는 추락 사고의 위험이 큰 최상층의 작업인데, 프리패브 공법은 이 같은 위험을 최소화하기 때문에 근로자에게 닥칠 수 있는 안전사고를 줄일 수 있다”라고 강조했다.국내의 경우 프리패브 공법으로 지어진 대표적 모듈러 건축물로는 남극의 2번째 기지인 장보고 기지와 평창 동계올림픽 기간 동안 기자단이 사용했던 숙소 건물을 꼽을 수 있다. 특히 평창에 건축된 숙소 건물은 사용 후 해체 및 재사용을 목적으로 건설되었기 때문에 행사가 끝난 후 사용된 소재의 재활용 가능성을 파악하는 다양한 실험이 진행되고 있다.발표를 마무리하며 조 교수는 프리패브 공법으로 지어진 건축물의 경제성에 영향을 미치는 요인으로 △모듈러 건축 공사비 구성의 이해 △구조시스템과 건축물 용도의 궁합 △공장 생산 방식 △운송비 및 운송 중 손상의 고려 △습식공사 및 내화 비용의 고려 △해체 및 재사용 고려 △공기 절감의 효과를 통한 임대수익의 조기 실현 △효과적인 사업 모델 등을 제시했다.그러면서 “프리패브 공법의 한계로 지적되고 있는 층수 및 층고의 제한 문제는 다양한 건축 기술을 융합한 하이브리드 모듈러 건축 기술로 극복할 수 있을 것”이라고 전망했다.

학문 / 토목공학

22.12.15

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