디지털 제어장치의 고출력 전자기펄스에 대한 취약성 사례 분석

고출력 전자기 펄스 발생기의 기본적인 회로는 주로 막스 발생기(Marx generator) 또는 테슬라 변압기(Tesla transformer)로 이루어지며, 주파수 대역은 회로에 연결되어 있는 안테나의 구조에 따라서 정해진다. 해당 회로들은 저전압에서 고전압의 DC로 승압시키며, 병렬의 커패시터들에 충전되어 있는 에너지를 순간적으로 방출시키는 원리를 기본으로 한다^[3],^[4]. 발생된 에너지를 안테나와 연결시켜 임피던스 정합을 통해 고출력 전자기 펄스로 방사시킨다. 본 연구는 서로 다른 주파수 대역을 가지는 EMP 발생기를 토대로 취약성에 대한 영향을 비교하였고, 각각 S1, S2로 명명하였다.

S1 EMP 발생기 모델은 EMP-MGP-120으로 주파수 대역은 250～500 MHz이고, 배터리를 사용하는 특징을 가지며 상세사양을 표 1에 나타냈다. EMP 발생기는 그림 2에서와 같이 왼쪽은 전원 공급 장치, 중앙은 고전압 발생원, 오른쪽은 fat dipole 안테나 구조로 구성된다. 펄스 상승시 간이 0.5 ns인 S1 EMP 발생기의 5 m 거리에서 측정된 파형 100개의 평균값을 그림 3에 나타냈다. 거리별 4 m, 5 m, 7 m, 10 m에서 측정된 전계값은 각각 50 kV/m, 40 kV/m, 28 kV/m, 20 kV/m이며 오차값은 10 % 이내이다.

그림 2. | Fig. 2. S1 EMP 발생기(EMP-MGP-120) | S1 EMP generator(EMP-MGP-120).

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그림 3. | Fig. 3. S1 EMP 발생기 파형(100개의 평균값) | S1 EMP generator far-field waveform(avg. of 100 shot).

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S2 EMP 발생기의 모델명은 EMP-TGP-250, 주파수대역은 500 MHz～2.75 GHz이고, 배터리를 사용하는 특징을 가지며, 상세사양을 표 2에 나타냈다. EMP 발생기 구조는 그림 4와 같이 왼쪽은 전원공급장치, 중앙은 고전압 발생원과 펄스형성 네트워크, 오른쪽은 TEM horn 안테나로 구성된다.

그림 4. | Fig. 4. S2 EMP 발생기(EMP-TGP-250) | S2 EMP generator(EMP-TGP-250).

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S2 EMP 발생기는 펄스형성 네크워크를 기반으로 하며, 이는 효율적인 임피던스 정합을 위해서 필요로 한다. 그림 5(a)와 같이 단극성 파형은 일반적인 transmission line을 통해 생성된다. 그림 5(b)와 같은 양극성 파형은 중앙에 저항이 위치하며 동일한 길이를 가지는 두 개의 transmission line을 기반으로 한다. 단극성 파형의 측정된 전계값은 거리별로 4 m, 5 m, 10 m, 15 m, 20 m에서 각각 75 kV/m, 60 kV/m, 30 kV/m, 20 kV/m, 15 kV/m이며, 오차값은 10 % 이내이다. 단극성 및 양극성 파형의 펄스 상승시간은 0.1 ns이며, 주파수 대역은 그림 6과 같이 500 MHz～2.75 GHz이다. S1 및 S2 EMP 발생기는 국내 EMP 발생기 업체를 통해서 제공받았다^[5].

그림 5. | Fig. 5. S2 EMP 발생기의 출력 파형 | Waveform of S2 EMP generator.

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그림 6. | Fig. 6. 주파수 스펙트럼 | Frequency spectrum.

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실험에 사용된 PLC의 모델명은 PLC-CPU-CM2-BP32M 이며, 전원은 100～240 VAC/24 VDC, 디지털 입력은 24 VDC, 입력/출력은 각 16채널, CPU 속도는 200 ns/Step, 그리고 RS485 Channels이 통신선으로 내장되어 있다. RS 485 통신케이블은 TWISTED OVERALL SHIELD CABLE 2P × 24 AWG, 통신속도 19.2 kbps 특성을 가진다. 그림 7에 나타난 왼쪽 부품은 제어장치와 연결되는 PLC CPU이며, 중앙은 A/D converter로 PLC의 동작 여부를 판단하기 위하여 A/D converter 내에 10초 간격으로 충방전하는 회로를 구성하였다. 오른쪽 부품은 정상적인 작동을 가시적으로 나타내기 위한 삼색 LED 장치이다. 해당 LED 장치는 빨간색으로 시작하여, 노랑, 초록으로 일정한 시간을 가지며, 순차적으로 점멸하도록 설정하였다.

그림 7. | Fig. 7. 시험대상기기 : PLC | EUT : PLC.

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사용된 케이블은 30 m 길이의 FTP(Foiled Twisted Pair) Cat.5E와 UTP(Unshielded Twisted Pair) Cat.5E가 사용되었다. FTP 케이블의 구조는 피복한 다수의 동선들을 브레이드(braid) 구조의 철망으로 감싸며, UTP 케이블의 구조는 피복한 두 줄의 동선을 꼬아 만드는 형태로 외부에서 오는 전파간섭을 상쇄시키는 구조를 가진다.

PLC를 그림 8, 그림 9와 같이 EMP에 노출시키고, PLC 출력 채널 측 영향을 PC상 모니터링 프로그램 및 LED 점 멸 여부로 확인하였다. 일반적인 PLC는 보관함 또는 케이스 내부에 설치되어 있으며, 앞면에 유리창이 설치된 경우 등 HPEM에 노출되는 가장 취약한 상태를 고려하기 위해 케이스가 없는 PLC로 실험을 수행하였다. 그림 8에 표시된 V1, V2, V3, V4는 PLC에 RS 485 케이블을 통해 연결된 RX-, RX+, TX-, TX+에 대한 공통모드 전압이다.

그림 8. | Fig. 8. PLC의 EMP 노출 실험구성도(거리: 5 m, 10 m, 15 m, 20 m) | Schematic view of PLC’s EMP exposure experiment (distance: 5 m, 10 m, 15 m, 20 m).

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그림 9. | Fig. 9. PLC의 EMP 노출 실험 전경 | Photograph of PLC’s EMP exposure experiment.

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S2 EMP 발생기의 인가출력별 PLC 동작상태를 표 3에 나타내었다. 출력강도는 거리와 반비례하여 구해졌다. 20 kV/m 이하로 노출된 경우, LED 순차점멸회로 및 충방전 회로 모두 정상동작하여 그림 10에서와 같이 신호전달도 정상적으로 나타나서 10초 간격으로 3 V를 충방전하며, 그림 11에서와 같이 유도되는 전압도 정상적인 형태를 보였다. 30 kV/m로 노출된 경우, LED 순차점멸회로는 정상동작을 하였지만, 충방전 회로는 스위치 오동작 후 자동복귀하였으며, RX-단자에 유도되는 전압이 정상 상태보다 크게 나타났다. 60 kV/m로 노출된 경우 LED 순차점멸회로는 정상동작을 하였지만, 충방전 회로는 기존 그림 10과 같은 정상상태에서 벗어나 그림 12에서와 같이 스위치 오동작 후 자동복귀되지 않았다. 그림 13과 같이, 각 단자로 유도되는 전압도 정상상태보다 크게 나타났으며, 해당 결과는 표 3에 정리하였다. 이는 정상동작 전압 12 V보다 높은 전압이 유도되어, PLC의 전원을 리셋시켜야 복구되는 영구적인 업셋 상태가 되었다^[6].

그림 10. | Fig. 10. HPEM 20 kV/m 노출 시 PLC 동작특성(S2) | PLC operation characteristics in case of HPEM 20 kV/m exposure(S2).

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그림 11. | Fig. 11. HPEM 20 kV/m에 노출된 PLC의 신호케이블 유도전압 파형(S2) | PLC’s signal cable voltage waveform in case of HPEM 20 kV/m exposure(S2).

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그림 12. | Fig. 12. HPEM 60 kV/m 노출 시 PLC 동작특성(S2) | PLC operation characteristics in case of HPEM 60 kV/m exposure(S2).

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그림 13. | Fig. 13. HPEM 60 kV/m에 노출된 PLC의 신호케이블 유도전압 파형(S2) | PLC’s signal cable voltage waveform in case of HPEM 60 kV/m exposure(S2).

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S1 EMP 발생기에 노출된 경우, 표 4와 같이 PLC가 40 kV/m로 노출된 경우, LED 순차점멸회로는 오동작하여 모든 채널의 LED는 꺼졌으며, 충방전 회로는 20 kV/m인 경우부터 그림 14와 같이 일시적으로 스위치 오동작 후 자동복귀하였으며. 그림 15에서와 같이 모든 단자에서 유도되는 전압이 S2 EMP 발생기보다도 크게 나타났다. 이는 PLC의 임피던스 값이 250～500 MHz 대역에서 500 MHz～2.75 GHz 대역보다 자유공간의 임피던스 값에 근접하여 낮은 전계 크기에서도 그림 13에서 나타난 유도전압 값보다 크게 상승한 것으로 판단된다.

그림 14. | Fig. 14. HPEM 20 kV/m 노출 시 PLC 동작특성(S1) | PLC operation characteristics in case of HPEM 20 kV/m exposure(S1).

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그림 15. | Fig. 15. HPEM 20 kV/m에 노출된 PLC의 신호케이블 유도전압 파형(S1) | PLC’s signal cable voltage waveform in case of HPEM 20 kV/m exposure(S1).

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LAN 케이블 종류는 UTP(Unshielded Twisted Pair)와 FTP(Foiled Twisted Pair) 케이블을 이용하였으며, JPerf 2.0.2 프로그램을 사용하여 네트워크 성능을 측정하였고, 그림 16, 그림 17과 같이 LAN 케이블을 EMP 발생기에 노출시켜 PC상의 모니터링 프로그램을 통해 통신성능을 측정하였다.

그림 16. | Fig. 16. LAN 케이블의 EMP 노출 실험구성도(거리: 4 m, 7 m,) | Schematic view of LAN cable’s EMP exposure experiment(distance: 4 m, 7 m).

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그림 17. | Fig. 17. LAN 케이블의 EMP 노출 실험 전경 | Photograph of LAN cable’s EMP exposure experiment.

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FTP, UTP 케이블을 S1 및 S2 EMP 발생기 노출 여부에 따른 동작상태를 표 5에 나타내었다. FTP 케이블은 S1 및 S2 발생기의 최대출력까지 노출해도 모두 정상적인 통신상태를 나타냈다. 그러나 UTP 케이블은 S1 및 S2 EMP 발생기 노출에서 그림 18과 같이 통신속도 저하 및 통신이 끊기는 Fail 현상이 나타났으며, 그림 19와 같이 케이블에 유도되는 전압도 정상상태보다 크게 발생되었다. 또한 UTP 케이블은 S1 및 S2 EMP 발생기의 모든 주파수 대역에서 낮은 전계 크기에서도 유도전압이 높게 나타났으며, 같은 크기의 전계 노출에 FTP 케이블보다 두 배에 가까운 유도전압 상승을 보였다. 이는 내부에 철망이 없는 UTP 케이블이 FTP 케이블보다 효율적으로 전압이 유도되는 상태인 것으로 사료된다.

그림 18. | Fig. 18. HPEM 50 kV/m 노출 시 UTP 케이블 통신속도 | UTP cable communication speed in case of HPEM 50 kV/m exposure.

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그림 19. | Fig. 19. HPEM 50 kV/m 노출시 UTP 케이블 TX+와 TX-선간전압 파형 | UTP cable voltage waveform in case of HPEM 50 kV/m exposure.

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