Wi-Fi가 한 시간만 끊겨도 우리가 인터넷 연결에 얼마나 의존하고 있는지 깨닫게 됩니다. 현대 생활의 많은 부분이 디지털 연결과 인프라에 의존하고 있기 때문에 데이터 센터와 같이 이러한 연결을 제공하고 데이터를 저장하는 건물이 의도적이든 의도적이지 않든 전자기(EM) 이벤트로부터 보호되는 것이 매우 중요해졌습니다.

 

낙뢰

낙뢰는 극적이고 아름다울 수 있지만, 폭풍우가 치는 동안 골프 코스로 나가지 않는 것이 좋다는 것은 우리 모두는 잘 알고 있습니다. 그렇다면 낙뢰란 무엇이며 디지털 시스템에 어떤 영향을 미칠 수 있을까요?

낙뢰는 폭풍 구름 내의 물이나 얼음 입자에 전하가 쌓이고 전기장이 충분히 높아져 공기가 전자와 양이온으로 분해될 때 발생합니다[1]. 이 이온화된 공기 영역에서는 계단 모양의 일련의 전하가 지구를 향해 내려가는 '계단선도'가 발생합니다. 계단형 리더가 지면에 가까워지면 반대 전하를 띤 '스트리머’가 위로 올라와 이를 만나고 구름과 지면 사이에 전도 채널이 형성됩니다. 이렇게 하면 전류 펄스가 흐르면서 구름이 방전되는 현상이 낙뢰입니다. 이 '리턴 스트로크'는 수만 또는 수십만 암페어의 최고 수준에 도달할 수 있으며 매우 뜨겁기 때문에(최대 30,000oC - 태양보다 5배 더 뜨겁습니다!) 주변 공기가 빠르게 팽창하여 우리가 천둥소리로 듣는 충격파를 만들어 냅니다.

특히 건물이 높고 금속이 좋은 전기 전도체이기 때문에 구조물의 금속으로 인해 저항이 낮은 채널을 제공하는 경우 건물이 낙뢰에 선호되는 경로를 제공할 수 있습니다. 그러면 건물은 낙뢰 채널의 일부가 되어 강렬한 귀환낙뢰 전류에 직접 노출됩니다. 낙뢰 전류 펄스에는 상당한 가열을 일으킬 수있는 충분한 에너지가 포함되어있어 잠재적으로 구조적 손상을 초래할 수 있습니다. 전류와 관련된 고강도 자기장[2]은 케이블 및 전기/전자 시스템에 유해한 전류와 전압을 유도하여 IC 또는 저장 장치와 같은 민감한 전자 부품을 파괴할 수 있습니다. 자기장이 여전히 중요한 인프라를 손상시키기에 충분한 수준에 있을 수 있기 때문에 근처의 간접 낙뢰도 우려됩니다.
 

Electromagnetic Pulse (EMP)

 

비핵 EMP는 전기 및 전자 시스템에 손상을 입힐 수 있다는 점에서 많은 액션 영화의 줄거리에서 상상되어 왔지만, EMP가 건물이나 도시의 디지털 인프라를 전멸시킬 수 있다는 생각은 얼마나 정확한 것일까요? EMP는 자연적으로 발생하거나 인간 활동의 결과로 발생할 수 있는 실제 현상입니다. 자연 발생의 예로는 태양 코로나에서 플라즈마가 폭발하고 그 안에 내재된 자기장이 방출되어 발생하는 태양 EMP가 있습니다. 인공 EMP의 예로는 입자가 지구 대기 및 자기장과 상호 작용하여 핵폭발(NEMP)의 결과로 발생하는 펄스를 들 수 있습니다.

EMP는 미터당 수만 볼트의 피크 전기장 수준의 고강도 전자기파를 생성합니다. 이러한 전자파가 건물에 도달하면 창문, 문 주변의 이음새, 통풍구, 파이프와 같은 구멍을 통해 케이블을 통해 건물 내부로 들어올 수 있습니다. 건물 내부에 도달하면 EMP로 생성된 자기장이 전자 시스템에 결합하여 전압과 전류를 유도하여 민감한 전자 장치를 심각하게 손상시키거나 태워버리고 저장된 데이터를 파괴할 수 있습니다.
 

 

디지털 인프라 보호

낙뢰 보호에는 부분적으로 민감한 시스템에서 전류를 전환하는 것이 포함됩니다. 예를 들어 에어 터미널이나 피뢰침은 제어된 위치에서 번개를 수집하고 지상으로 안전하게 전도하는 차단 지점 역할을 할 수 있습니다.

차폐는 저주파 자기장이 건축 자재를 통해 확산되는 것을 방지하는 데 사용되며 케이블에도 적용될 수 있습니다. EMP 보호에는 일반적으로 결합/전달을 줄이기 위해 개구부를 EMP와 관련된 파장보다 작게 유지하고, 차폐를 적용하여 보호 구역(예: 데이터 서버 홀)을 만드는 것이 포함됩니다. 전도성 개스킷을 이음새에 설치하여 개구부를 효과적으로 제거하고, 전도성 코팅을 창문에 적용하여 유리 재질을 통한 전계 투과를 감쇠시킬 수 있습니다.

필터링 및 과도 보호 장치를 사용하여 커넥터 인터페이스의 전압과 전류를 감쇠하거나 클램핑할 수 있습니다. 이러한 장치는 케이블 시스템이 건물에 들어오는 진입 지점(POE)에 적용할 수 있습니다. 유틸리티 파이프에 설치된 금속 메시 구조는 전자파를 필터링하여 전자파가 건물 내부로 유입되는 것을 방지합니다.

 

시뮬레이션이 도움이 되는 방법

물리 기반 시뮬레이션을 사용하면 디지털 인프라 설계의 낙뢰/EMP 취약성을 새 건물을 건설하기 전이나 기존 건물을 업그레이드하기 전에 평가하여 전자기 효과를 강화할 수 있습니다. 서로 다른 보호 체계를 분석하여 효율성을 평가할 수 있습니다. Parametric sweeps 및 optimizers를 사용하여 설계 트레이드오프를 연구하고 과도한 엔지니어링을 방지함으로써 건축 자재 비용을 절감합니다.

 

다분야 물리 기반 시뮬레이션을 사용하여 전자기 보호를 위해 구현된 설계 기능이 구조적 무결성이나 냉각 시스템 성능을 손상시키지 않거나 그 반대의 경우도 마찬가지임을 보장할 수 있습니다. 예를 들어 냉각 시스템의 일부로 건물에 배치된 금속 배관 또는 덕트는 잠재적으로 전자기장과 전류를 건물로 운반하는 도관 역할을 할 수 있으며 전자기 공명 효과로 인해 전자기장을 강화하고 손상을 악화시킬 수도 있습니다. .

 

Virtual Twin을 사용하는 오늘날의 최신 시뮬레이션 기술은 모든 엔지니어에게 전체 시스템에 대한 완전한 이해를 제공함으로써 혁신을 위한 완전히 새로운 길을 열어줍니다. CST Studio Suite 기술을 사용한 시뮬레이션을 통해 필드 및 결합 경로를 시각화하여 건물의 전자기 성능에 대한 뛰어난 통찰력을 제공하여 최적의 설계 및 보호로 이어집니다. 3DEXPERIENCE 플랫폼을 통해 SIMULIA EM 시뮬레이션 기술에 액세스함으로써 모든 이해 관계자는 설계에서 시뮬레이션, 제조에 이르는 연속성을 위해 최신 데이터로 작업합니다.

 

References

[1] https://www.weather.gov/jetstream/lightning

[2] Ampère’s law

 

​본 자료는 다쏘시스템 블로그의 자료로 자세한 내용은 아래 원본 링크를 통해 확인해 보시길 바랍니다.

• 원본 : 다쏘시스템 블로그