전자기 펄스(electromagnetic pulse, EMP)

[뽀야]

전자기 펄스(electromagnetic pulse, EMP) 또는 EM 펄스는 펄스[1] 형태로 방출되는 전자기파를 이른다.

전자기학이 아닌 일상・대중매체에서 이 용어를 사용할 때는 '주로 (핵무기 등으로) 인공적으로 발생시키는 전자기파 펄스'를 가리킨다. 강력한 전자기파 파장은 전자제품 내의 회로를 태워 무력화시키는 이미지로 잘 알려져 있다.

파동이나 일정한 주기로 반복되는 현상에서 발생하는 갑작스럽고 강렬한 변화 하나를 지칭하는 단어이다.

영어권에서는 심장 박동을 Pulse라고 가리킨다.

신호 처리 분야에서 보통 신호보다 강도가 매우 강하면서도 지속 시간이 매우 짧은 신호를 펄스로 지칭한다.

EMP 중 P가 바로 이 펄스를 가리킨다.

오랜 시간동안 조사되는 레이저나 광선은 빔, 짧은 시간동안 강렬하게 방출되는 레이저나 광선은 펄스로 지칭한다. 고에너지 레이저로 같은 양의 에너지를 짧은 순간 안에 방출시키면 강한 출력을 얻을 수 있으므로, 레이저 물리학이나 레이저 공학 분야에서 이 레이저 펄스의 지속 시간을 줄이는 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 이 경우 방출되는 시간은 나노초~피코초(ns ~ ps), 에너지의 출력은 테라와트 ~ 페타와트(TW ~ PW) 단위에 이른다.

전자기파는 도체를 이루는 원자 내의 전자를 진동시켜 전압과 전류를 유도, 즉 전기신호로 바꾼다. 이는 라디오 안테나 등이 전파를 받아 전기신호로 바꿔서 방송을 수신하는 것과 같은 원리다.

인공적으로 매우 강력한 펄스를 만들면 껍데기를 통과해 전자장비 내부의 회로에도 닿게 되는데, 이 때 회로 내부의 배선에서도 같은 현상으로 전류가 발생하게 된다. 회로는 작아서 약간의 전류밖에 생기지 않으나, 정밀 기기의 집적회로는 그 약간의 전류에도 타서 못 쓰게 되는 것이다.

한편 백열전구류, 전열기, 전동기, 건전지 등의 단순한 전기 기기들은 애초에 그런 부분이 없고 내부에 큰 전류가 흐르도록 되어 있어서 EMP에도 쉽게 망가지지 않는다.

 CD나 DVD 같은 광매체도 전자식 기록을 쓰지 않으므로 무관하다. EMP를 막는 것은 전파 차단과 동일한 방식이다. 단지 그 강도가 훨씬 강할 뿐이다.

핵 EMP

핵 EMP(NEMP)는 설이 여러개가 있는데 여기선 2가지를 설명한다.

1. 감마선이 질소와 산소 분자 만나 EMP 생성설

현대 기술로 대규모 EMP를 발생시키는 방법으로는 핵폭발이 있다. 아래에 설명되는 발생과정은 한양대학교 이중근 교수가 국책과제로 HEMP를 연구한 정부보고서인 전자파 방출 스펙트럼에 관한 연구에서 발췌한 내용이다.

• 고고도(30km 이상)에서 대기가 얇아 핵폭발에 의한 감마선의 복사가 빨리, 멀리 도달하게 된다. 그러나 폭발지점의 바로 아래는 지표면에서처럼 대기밀도가 증가하게 된다. 폭발 직후의 감마선은 빛의 속도로 폭발 지점으로부터 지표면의 방향으로 얇은 구면을 형성하며 방출한다.

• 감마선들이 아래쪽으로 내려가면서 대기의 윗부분과 만나게 될 때, 감마선들은 대기의 밀도와 폭발 조건에 따라서 특정 비율로 대기중의 원자(혹은 핵)들과 상호작용을 일으키기 시작한다. 감마선 에너지가 공기중의 질소와 산소분자에서 Ejected Electron은 만들어 내고 이러한 Ejected Electron을 콤프턴 전자라고하며 이러한 현상을 콤프턴 산란 이라고 한다.(이런 현상 때문에 미국에서 초고공 핵실험을 할 때 하와이, 호주에서 전자기기에 문제가 생기거나 대규모 정전이 일어나기도 했다. 특히 Operation Dominic 의 일환인 Operation Fishbowl의 StarFish Prime 등의 실험, 토르 미사일 실험 때에 이런 일이 많이 일어났다.) 전자는 감마선의 이동 방향과 근사적으로 같은 방향으로 이동하기 시작하고, 또 충돌후의 감마선은 에너지가 감소되어 산란되는 현상으로 나타난다. 감마선의 구면은 콤프턴 산란이후 가속된 전자의 구면으로 변환되어 나타난다.

• 이때 발생한 전자기파는 3가지로 발생하는데

  • Early-time부분은 지표면에서 빠르게 도착하고 1㎲정도 지속된다. 이 부분은 첫 번째 감마선 펄스에 기인한다. 이 펄스는 매우 뾰쪽하고 에너지가 1 ～ 수백MHz에 집중된다.

  • Intermediate-time HEMP는 1㎲에서 0.1sec 에서 일어난다. 주파수 스펙트럼에서는 1 Hz ～ 100 kHz. 이것은 주요한 고임피던스장(High Impedance Field)이다.

  • Late-time HEMP는 주로 자기유체역학(Magneto-hydrodynamic) EMP로 0.1 ～ 1000 sec 이상에서 일어난다.

크게 네 가지로 요약된다.

• 핵폭발에서 감마선이라는 어마어마한 에너지의 방사선이 나오는데, 이 방사선이 대기중의 산소와 질소분자와 충돌을 한다.

• 분자와 충돌하는 과정에서 일부 전자들이 강한 운동에너지를 받게되어 원자핵간의 전자기력을 이겨내고 방출된다.

• 이때 발생하는 현상을 콤프턴 현상이라고 부르며 이 현상이 벌어지는 영역을 재배열 영역이라 지칭한다. 이 영역에서 강력한 3가지 전자기파 펄스가 발생하게 된다.

• 이 강력한 전자기파 펄스(surge)가 전자기기에 외부에 노출된 전극이나 PCB 패턴을 안테나 삼아 막대한 전류와 전압을 소자에 끼얹게 된다. 이때 허용 내압 이상의 전류와 전압이 인가된 수동소자의 경우 강한 joule heating(가열 과전류) 및 절연 파괴로 파손이 되고 IC의 경우 보호회로 파괴 및 내부 반도체 소자가 물리적으로 파괴된다.

이 효과는 핵폭탄 출력이 높으면 높을수록 그 효과가 강해진다. EMP 출력을 손해보더라도[4] 효과 범위를 넓히고 싶다면 고도를 높이면 된다. 그 예로 네바다 핵실험 당시에는 라스베가스가 정전되었다는 기록은 없으나 존스턴 환초에서의 초고공 핵실험 당시에는 하와이, 심지어는 미국 본토에도 정전이 일어나기도 했다.

대기밀도가 높을수록 감마선이 콤프턴 효과를 밀도 높게 일으키기 때문에 좀더 좁은 반경에서 더 강한 Surge 전자기파를 만드는 것이다. 고고도로 올라갈수록 대기밀도가 낮고 이에 따라 감마선이 아주 멀리 광범위하게 퍼져서 대기밀도가 높은 중 저고도로 내려올 때 본격적으로 콤프턴 산란을 일으켜서 Surge 전자기파를 만드는 것이다.

2. 감마선이 오존층에 충돌하여 감마선이라는 방사선이 스팩트럼 되어 EMP파장만 지구에 도달한다는 설

핵 탄두를 30km 상공에서 터트려서 나오는 방식 이때 나오는 감마선이 오존층을 통과하면서 EMP파로 변경되어 EMP 효과 발생.

• 오존층이 손상이 되거나, 오존층 가까이서 터져 대류발생하여 오존층 소실시 EMP 발생하지 않는다. 참고로 감마선은 그냥 방사선 중의 하나일 뿐 그 자체로는 EMP는 아니다.

• 오존층은 프리즘이 빛의 스팩트럼을 하듯이 감마선을 스팩트럼 하여 나머지는 난반사되고 그증 파장이 가장 긴 EMP성질의 파장만이 지상으로 향하게 해준다. 피해범위가 광범위하다는 것이 특징이다. (북아메리카 다 들어가는 원 정도가 최소 피해 범위이다.)

• NENP형 EMP에 노출된 원소들은 EMP에 노출되는 동안 반감기 시간이 매우 빨라져 반감기 시간을 무시하고 원소가 방사선 붕괴하여 물질의 양이 처음의 반으로 줄어드는데, 이러면 사실상 다른 원소로 변한다 다른 원소 즉 다른 물질로 변하게 되는데 이러면 전도체들이 비전도체가 되어 전자기기계가 영구적으로 파손된다.

실제 태양 EMP라고도 불리는 속칭 <태양풍> 피해을 받았을 때 전선의 구리선이 다른 성분이 되어버리는 현상이 있었다.

전선 구리선의 구리 성분의 상당수가 황산화구리나 산화구리등의 여러 화합물로 변하여 전도체 기능을 상실하여 전선으로서의 기능을 완전히 상실했다.

결국 해당 전선들은 전부 용광로에서 녹여 구리 성분으로 다시 환원시키는 수밖에 없었다. NEMP가 오랜시간 쪼여졌다면 아마 완전히 다른 구리에서 다른 원소로 변하는 핵분열 반응이 일어났겠지만 아주 짧은 시간이라는 몇초의 시간동안만 태양풍이라는 NEMP 노출과 그에 따른 전력 과중으로 인한 고열로 인한 녹아버리는 현상과 구리 원소 중 일부만 원소가 변했기 때문에 구리선과 또 전선을 덮고 있던 피복제도 성분이 변한 후 고열에 의한 화학반응 등과의 화학작용등등의 사건이 일어나 구리선 내부에 없던 괴 원소들이 구리선 내에 섞인 것으로 보인다.

이론적으로는 어떤 원소든 가장 기본 원소인 수소로 되돌아 갈 수 있다.

따라서 어떤 원소든 핵분열이 가능하다는 소리이다. (물론 핵분열의 반대 반응인 핵융합도 이와 같다.)

다만 자연적으로는 방사선물질이 아니면 일반 원소들은 핵분열은 잘 일어나지 않는다.

만약 지구상 또는 태양계 탐사 중에 일반 원소인 구리나 철 같은 안전한 원소를 핵 연료로써 우라늄 235나 플루토늄처럼 핵분열 한 장비가 발견되었다면 이건 100% 인간보다 과학이 고도로 발전한 외계인 유물, 유적으로 봐도 될 것이다.

이 과정에서 방사선과 방사능이 검출되거나 방사능에 오염될 수 있다.

쉽게 말해 핵무기형 감마선 EMP는 어떤 물질이든 핵분열을 강제로 시키기 때문에 방사능 오염을 당하는 것은 피할 수 없다.

안 죽어도 방사능 피폭될 수는 있는데 이때 방사능량이 치사량 수준인지 X-RAL 같은 미약한 수준인지는 누가 연구해 봐야 알 수 있다.

위의 EMP가 수소와 산소를 만나서 EMP가 발생한다는 설에는 다소 문제가 있다. 30km 이하에서 터진 핵폭발에서 EMP가 관측되지 않았다. 해당 설이 맞다면 지상에 가까울수록 수소와 산소분자가 더 많아지므로 일어나서는 안 되는 현상이다.

고고도인 30km에서 핵폭발이 일어나도 오존층이 없는 달이나 위성 등 지구 밖 지역엔 EMP 현상이 관측이 되거나 하지 않는다. 실제로 당시 고고도 핵실험을 여러차례 했지만 EMP가 우주로 발생해 추락이나 피해를 받은 인공위성은 없다.

이는 오존층 밖에 있는 우주에서는 EMP가 안 나오고 그냥 감마선만 지나갔다는 소리가 된다. 그리고 감마선은 일반 물질을 강제 핵분열시켜 반감기 가속하는 EMP 기능이 없다.

따라서 게임 콜 오브 듀티 모던워페어 2에서는 위성과 우주왕복선이 EMP에 파괴당하는 장면이 있으나 실제론 해당 상공에서 핵 폭발시 우주의 위성이나 우주선은 EMP 영향을 받지 않는다. 순수한 감마선만 통과하게 될 뿐 즉 방사능에 피폭만 될 뿐 EMP로 변환되지 않았기 때문이다.

따라서 오존층이 감마선을 흡수하거나 나머지 감마선을 난반사하여 EMP 파장만 지상으로 변환시켜 투과시킨다고 봐야 할 것이다.

비핵 EMP

비핵 EMP도 있다. 방식은 여러가지 존재한다. 주로 EMP 실험용으로 쓰거나, 일부는 순항 미사일이나 드론에 실어서 국지적으로 EMP 현상을 일으키는 무기로 사용한다. (핵 EMP에 비하면 규모든 위력이든 약하다.) 비핵 EMP를 만드는 방법은

• 대규모 코일에 전류를 흘린 뒤, 코일을 폭약으로 파괴하는 방법

• 대규모 코일에 매우 강한 전류를 순간적으로 흘리는 법

개발 초기에는 후자는 실험용으로나 사용되었지만 축전기, 컨덴서 기술이 발전하면서 고전압식도 무기화되고 있다. 폭파식은 한번 터지고 말지만 축전식은 적절한 고도에서 연달아 EMP를 발생시킴으로써 최대한의 타격을 입힐 수 있는 강점이 있으며, 2019년 기준으로 한국도 양쪽 모두 상당한 기술력을 확보한 듯 하다.

(유튜브에서 많이 찾아볼 수 있으며 가정에서 제작이 가능하지만 이를 악용할 경우 모든 책임은 당신이 지게 된다.) 전자의 경우 2003년 이라크 전쟁때 이라크 국영방송국에 EMP 폭탄을 투하하여 방송국 송출을 막아버린 실전 사례가 있다.

지구상에서 가장 강한 전자기 펄스는 다름 아닌 자연현상으로 발생한다. 발생원인은 태양풍으로 강력한 태양풍이 오면 평소 태양풍으로 부터 지구를 방어해주던 지구의 자기장이 짓눌리게 되고 이 자기장이 다시 회복하는 과정에서 엄청난 전자기파를 발생시킨다.[5]가장 유명한 사건은 1859년 태양 대폭풍이다.

군사 분야에서 EMP의 위력은 핵무기의 물리적 제압 능력 일부로 알려져 왔지만 지금은 비핵 첨단기술을 통해 적의 군사력과 생산력을 무력화하는 일종의 비살상무기로서 주목받는다. 특히 전자, 통신기술의 의존도가 점점 높아지고 있기 때문에 EMP의 군사적 가치는 점점 더 높아지고 있다.

상대가 구식 장비로 무장한 재래식 군대라도 EMP는 충분히 효과적이다. 가장 간단한 통신기기만 먹통으로 만들어도 지휘체계를 무력화할 수 있기 때문이다. 아무리 튼튼한 지하 요새라도 환기를 시키고 무거운 철문을 여닫기 위한 최소한의 전력 시스템은 있기 때문에 역시 EMP가 먹힌다. 오히려 EMP를 막기 위해선 돈을 퍼부어야 하기 때문에 돈없고 기술이 딸리는 후진국 군대일 수록 EMP가 더욱 치명적일 수도 있다. 미국, 러시아 등 강대국들이 열심히 개발하는 이유.

현재 기술적으로 비핵 EMP 무기의 개발에서 선두권을 달리는 국가는 러시아, 미국, 독일 등이 손꼽힌다. 제압 효과가 최대 수km 이내에 달할 정도이다. 미국은 1km범위급 미사일은 가볍게 만들고 6.8km급을 개발중이다.

개발 중인 EMP 병기로 보잉사의 '대전자기기 고출력 극초단파 발전형 미사일 프로젝트'(Counter-electronics High Power Microwave Advanced Missile Project)라는 프로젝트가 있다. # 챔프(CHAMP)라고도 불린다. 이 미사일은 일반적으로 생각하는 공중 폭발을 통한 EMP가 아니라 강력한 전자기파를 특정 지역에 가해서 전자기기를 파괴하는 방식이라 미사일 하나로 여러 표적을 동시에 공격할 수도 있다. 이 기술을 이용해 ALCM에 2020년까지 적용 예정이라고 한다.

국가정보원은 2013년 11월 4일의 국회 국정감사에서 북한이 러시아제의 도입, 혹은 이를 바탕으로 한 100~300m 범위의 비핵 EMP 무기의 자체 개발을 추진한다고 보고했다. 

구체적인 연도는 비공개지만 김일성 시대부터 시작했다는 언급이 나온 점을 볼 때 상당히 오랜 기간 노력했다는 추측이 가능하다. 그 사이 핵폭발의 부가적인 효과 정도로 여긴 북한발 EMP 위협에 보다 실질적인 대응의 필요성이 커진 듯하다.

2014년 7월 26일 제임스 울시 前 CIA 국장이 "2004년 북한이 러시아로부터 EMP 기술을 확보했고, 곧 러시아와 중국 수준을 뛰어넘을 것"이라고 경고했다는 기사가 미국 주요 언론을 통해 보도되었다. 다만 발언의 맥락을 볼 때 이는 밑에서 다룰 비핵 EMP가 아닌 핵폭발을 통해 발생하는 고고도 EMP를 뜻하는 것이며 이런 식의 주장은 이미 수년 전부터 나왔다는 점을 유의할 필요가 있다.

2014년 10월 주한미군 사령관이 북한이 1톤 이하 탄두를 제작할 능력이 있다는 브리핑을 했고, 이제 슬슬 진지하게 이 문제에 대처할 때가 다가오고 있다. 핵을 도시에 사용하는 것은 꺼려질 테지만, EMP라면 상대적으로 가벼운 마음으로 날려버릴 가능성이 있기 때문이다.

한국은 국방과학연구소를 중심으로 1990년대 말부터 비핵 EMP 무기의 개발에 많은 노력을 기울여온 것으로 전해진다.

2009년에는 100m 이내 범위에 대한 초보적 수준의 것을 개발했고 2015년 전후를 목표로 반경 1~5km 내외에 달하는 비핵 EMP 무기를 개발 중으로 알려져 있다.

한국이 비핵 EMP 무기의 전력화에 성공하면 비살상에 따른 정치적 위험부담의 감소로 북한의 대량살상무기와 주변국의 핵심 군사기지 등을 선제공격을 보다 자유롭게 선택할 것으로 기대된다.

국방부는 2015년 1월 19일 업무보고에서 EMP 무기를 '북한 군사위협에 대한 역(逆)비대칭 전력'의 사례로 제시하며 레이저 광선, 고출력 극초단파(HPM: High Power Microwave)무기와 함께 2020년대 무렵까지 전력화를 추진할 것이라고 밝혔다.

2018년 반경 1km 무력화시킬 수 있는 emp탄을 개발완료했다

현재 EMP탄이 사용된 사례가 잘 알려지지는 않았지만 미군이 이라크 전쟁에서 핵심 전기 시설 공격 및 군중 제어의 목적으로 EMP탄을 사용했다고 알려져 있다.