패러데이 새장
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1. 개요
패러데이 새장은 전자기파를 차단하여 외부 전기장으로부터 내부를 보호하는 원리를 이용한 장치이다. 1754년 장-앙투안 놀레와 1755년 벤저민 프랭클린의 실험을 통해 그 효과가 관찰되었으며, 1836년 마이클 패러데이가 전하의 분포에 대한 실험을 통해 원리를 증명했다. 패러데이 새장은 전자기기 보호, 보안, 의료, 통신 제한, 정전기 방전, 낙뢰 방지 등 다양한 분야에 응용된다.
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| 패러데이 새장 | |
|---|---|
| 지도 | |
| 기본 정보 | |
| 이름 | 패러데이 새장 |
| 로마자 표기 | Paereodei saejang |
| 다른 이름 | 패러데이 차폐, 전기장 차폐 |
| 영어 이름 | Faraday cage |
| 구조 및 원리 | |
| 정의 | 전도성 물질로 만들어진 용기 |
| 작동 원리 | 외부 전기장을 차단하여 내부를 보호 |
| 재료 | 전도성 금속 (망) |
| 응용 | |
| 용도 | 민감한 전자 장비 보호 인공위성 통신 장비 MRI 전자레인지 항공기 의료 장비 |
| 실험실 | 외부 전자파 간섭으로부터 실험 장비 보호 |
| 생활 | 번개 보호, 전자파 차단 |
| 역사 | |
| 발명 | 마이클 패러데이 |
| 발명 년도 | 1836년 |
| 추가 정보 | |
| 추가 설명 | 정전기 차폐 원리 내부 전위는 일정 |
| 차폐 효과 | 전도성이 좋을수록 효과적 |
2. 역사
패러데이 새장의 원리는 18세기 중반부터 여러 과학자들에 의해 관찰되었다. 1754년 장-앙투안 놀레와 1755년 벤저민 프랭클린에 의해 초기 관찰이 이루어졌다.[2][3] 1836년 마이클 패러데이는 이 현상을 더 구체적으로 실험하여 증명하였다. 패러데이 새장은 1836년 물리학자 마이클 패러데이가 처음 사용한 데서 유래하며,[12] 패러데이 새장(Faraday cage) 또는 패러데이 차폐(Faraday shield)라고도 불린다.
2. 1. 초기 관찰
1754년, 장-앙투안 놀레는 그의 저서 ''Leçons de physique expérimentale''에서 패러데이 새장 효과에 대한 기록을 발표했다.[2]1755년, 벤저민 프랭클린은 전하를 띤 금속 용기의 구멍을 통해 실에 매달린 중성 코르크 공을 내리는 실험을 통해 이 효과를 관찰했다. 이는 패러데이 새장 또는 차폐의 특성을 보여준다.[3]
2. 2. 패러데이의 실험
1836년, 마이클 패러데이는 전하를 띤 도체의 과잉 전하는 도체의 외부에만 존재하며 내부에 있는 어떤 것에도 영향을 미치지 않는다는 것을 관찰했다. 이를 증명하기 위해 그는 금속박으로 코팅된 방을 만들고 정전기 발생기에서 고전압 방전이 방의 외부를 치도록 했다. 그리고 검전기를 사용하여 방 내부 벽에는 전하가 없다는 것을 보여주었다.[2]
도체로 둘러싸인 내부에는 전기력선이 침입할 수 없으므로, 외부의 전기장이 차폐되어 내부의 전위는 모두 같아진다. 또한, 내부에 전하를 가져오면, 전하는 패러데이 케이지의 표면에 분포하려고 하므로, 패러데이 케이지 쪽으로 이동한다.
3. 작동 원리
도체로 둘러싸인 내부에는 전기력선이 침입할 수 없으므로, 외부의 전기장이 차폐되어 내부의 전위는 모두 같아진다. 또한, 내부에 전하를 가져오면, 전하는 패러데이 케이지의 표면에 분포하려고 하므로, 패러데이 케이지 쪽으로 이동한다.
마이클 패러데이가 1836년에 처음 사용한 데서 유래한다.[12] 패러데이 케이지(Faraday cage) 또는 패러데이 차폐(Faraday shield)라고도 불린다.
3. 1. 연속적인 패러데이 케이지
연속적인 패러데이 새장은 속이 빈 도체이다. 외부 또는 내부에서 가해지는 전자기장은 도체 내부의 전하 운반자(주로 전자)에 힘을 작용하며, 전하들은 정전기 유도로 인해 재분포된다. 재분포된 전하는 표면 내의 전압을 크게 감소시키는데, 그 정도는 정전용량에 따라 달라진다. 그러나 완전한 상쇄는 일어나지 않는다.[4]3. 1. 1. 내부 전하
접지되지 않은 패러데이 새장 내부에 +Q의 전하를 벽에 닿지 않게 놓으면, 새장 안쪽 면에는 -Q의 전하가 유도되고, 전하 +Q에서 새장 안쪽 면의 전하 -Q로 향하는 전기력선이 형성된다. 이 내부 공간(안쪽 면의 음전하까지)의 전기력선 경로는 내부 새장 벽의 형태에 따라 달라진다. 동시에 +Q의 전하는 새장 바깥 면에 쌓인다. 바깥 면의 전하 분포는 내부 전하의 위치에는 영향을 받지 않고, 바깥 면의 형태에 의해 결정된다. 따라서 모든 목적을 위해, 패러데이 새장은 금속에 단순히 +Q의 전하가 쌓인 것과 같은 정전기장을 외부에 생성한다. 전기력선과 내부와 외부의 분리에 대한 자세한 내용은 패러데이 아이스 버킷 실험을 참조하라. 참고로 전자기파는 정전하가 아니다.새장이 접지되면, 접지 연결이 새장 외부와 환경 사이에 등전위 접합을 만들어 과잉 전하가 중화되므로, 외부와 새장 사이에는 전압이 없고 따라서 전기장도 없다. 안쪽 면과 내부 전하는 그대로 유지되므로 전기장은 내부에 남아 있다.
도체로 둘러싸인 내부에는 전기력선이 침입할 수 없으므로, 외부의 전기장이 차폐되어 내부의 전위는 모두 같아진다. 또한, 내부에 전하를 가져오면, 전하는 패러데이 새장의 표면에 분포하려고 하므로, 패러데이 새장 쪽으로 이동한다.
3. 1. 2. 외부 전하
케이지가 접지되면, 접지 연결이 케이지 외부와 환경 사이에 등전위 접합을 만들어 과잉 전하가 중화되므로, 외부와 케이지 사이에는 전압이 없고 따라서 전기장도 없다. 내면과 내부 전하는 그대로 유지되므로 전기장은 내부에 남아 있다.
변화하는 전자기장의 경우, 변화 속도가 빠를수록(즉, 주파수가 높을수록) 물질은 자기장 투과에 더 강한 저항을 나타낸다. 이 경우 차폐 효과는 케이지에 사용된 전도성 물질의 전기 전도도, 자기적 특성 및 두께에 따라 달라진다.
스킨 깊이를 고려하면 패러데이 케이지의 효과를 잘 이해할 수 있다. 스킨 깊이에서 전류는 대부분 표면에 흐르며 물질을 통과하는 깊이에 따라 지수적으로 감소한다. 패러데이 케이지는 유한한 두께를 가지므로, 이는 차폐 성능을 결정한다. 더 두꺼운 차폐체는 전자기장을 더 잘 감쇠시키고 더 낮은 주파수까지 감쇠시킬 수 있다.
3. 2. 구멍이 있는 패러데이 케이지
실제 패러데이 케이지는 메시 형태의 도체망으로 구성되는 경우가 많다. 이 경우, 구멍의 크기가 차단할 수 있는 전자기파의 파장을 결정한다. 연속적인 차폐물은 기본적으로 선체 물질의 스킨 깊이가 선체 두께보다 얇은 모든 파장을 감쇠시키는 반면, 케이지의 구멍은 더 짧은 파장이 통과하거나 표면 바로 너머에 "에바네센트 필드"(전자기파로 전파되지 않는 진동 필드)를 형성할 수 있다. 파장이 짧을수록 주어진 크기의 메시를 더 잘 통과한다. 따라서 짧은 파장(즉, 고주파)에서 잘 작동하려면 케이지의 구멍이 입사파의 파장보다 작아야 한다.4. 응용
패러데이 케이지는 다양한 분야에서 활용된다.
- 낙뢰 방지 및 제어: 낙뢰 시 피난 시설 등 피뢰 설비에 사용된다.[13] 실제 구조물에서는 케이블 등을 끌어들이는 시설이 많아 내부에 서지 전류가 침입하여 전위가 발생하는 상태(패러데이 홀)에 대한 대책이 필요하다.[15] 낙뢰 제어에서는 패러데이 새장으로 둘러싼 내뢰 드론을 이용하여 낙뢰를 안전한 장소로 유도하는 연구 개발이 진행되고 있다.[13]
- 정전 도장: 전기분무도장에서는 코로나 전극에서 도장 대상물까지의 전력선 밀도 차이로 인해, 볼록한 부분에는 도료 부착량이 많고 오목한 부분에는 도료 부착량이 적어지는 패러데이 케이지 효과가 발생하는 것으로 알려져 있다.[14]
- 부스터 백: 알루미늄 호일로 안감을 댄 쇼핑백은 패러데이 케이지 역할을 한다. 종종 상점 절도범이 무선 주파수 식별(RFID) 태그가 붙은 물건을 훔치는 데 사용된다.[7]
- 전자 통행료 징수 장치: 금속이 함침된 비닐봉투는 통행 중이거나 사용자가 현금으로 지불하는 경우와 같이 통행료를 부과하지 않아야 하는 경우 전자 통행료 징수 장치를 봉입하는 데 사용된다.
- 기타: 전자 장비 테스트, 전도성 의류 제작 등
4. 1. 전자기기 보호 및 보안
패러데이 새장은 분석화학에서 정밀 측정을 할 때 외부 전자기파 노이즈를 줄이기 위해 사용된다.[13] 디지털 포렌식에서는 증거 데이터가 원격으로 삭제되거나 변조되는 것을 방지하기 위해 이중 솔기 패러데이 백 형태로 사용되기도 한다.[13]패러데이 백은 금속 재료로 만들어진 휴대용 용기로, 휴대전화의 디지털 개인 정보 보호, 신용카드를 RFID 스키밍으로부터 보호하는 등 다양한 용도로 활용된다. 특히 RFID 스키밍은 한국에서 금융 범죄와 관련하여 중요한 문제로 다루어지기 때문에, 이를 방지하는 패러데이 백의 역할이 강조된다.
템페스트 표준은 컴퓨터의 방출 보안을 위한 것으로, 미국과 NATO에서 사용되며 패러데이 케이지를 포함한다.[13]
4. 2. 전자기기 차폐
자동차와 항공기의 전자 부품은 전자기 간섭으로부터 신호를 보호하기 위해 패러데이 케이지를 사용한다. 민감한 부품에는 무선 도어록, 내비게이션/GPS 시스템 및 차선 이탈 경고 시스템이 포함될 수 있다. 패러데이 케이지와 차폐는 차량 인포테인먼트 시스템(예: 라디오, Wi-Fi 및 GPS 디스플레이 장치)에도 중요하며, 비상 상황에서 중요 회로로 기능할 수 있도록 설계될 수 있다.[5][6]전자레인지는 내부 여섯 면 중 다섯 면에 부분적인 패러데이 차폐를 사용하고, 여섯 번째 면(투명 창)에는 와이어 메시로 구성된 부분적인 패러데이 케이지를 사용하여 전자레인지 내부의 전자기 에너지를 가두고 사용자가 전자레인지 방사선에 노출되지 않도록 보호한다.[8]
차폐 케이블(예: USB 케이블 또는 케이블 텔레비전에 사용되는 동축 케이블)의 차폐는 내부 도체를 외부 전기적 노이즈로부터 보호하고 RF 신호가 누출되는 것을 방지한다.
일렉트릭 기타와 같이 일부 악기의 전자 부품은 스피커, 증폭기, 무대 조명 및 기타 악기의 간섭으로부터 악기의 전자기 픽업을 보호하기 위해 구리 또는 알루미늄 호일로 만든 패러데이 케이지로 보호된다.
4. 3. 의료
자기 공명 영상(MRI) 기계의 스캔실은 패러데이 새장으로 설계되어 있다. 이는 환자로부터 수집된 데이터에 외부 RF(무선 주파수) 신호가 추가되는 것을 방지하여 결과 이미지에 영향을 미치기 때문이다.[8] 기술자는 뇌우와 같이 패러데이 새장이 손상된 경우 이미지에 생성되는 특징적인 인공물을 식별하도록 훈련받는다.4. 4. 통신 제한
엘리베이터나 금속 도체 프레임, 벽이 있는 방은 패러데이 케이지 효과를 시뮬레이션하여 휴대전화, 라디오 및 기타 외부 전자기 신호가 필요한 전자기기 사용자에게 신호 손실 및 "데드 존"을 발생시킨다.[9][10] 교도소와 같은 일부 건물은 수감자의 수/발신 전화를 모두 차단하기 위해 패러데이 케이지로 건설된다.
그린 뱅크 천문대의 전시홀은 전파 망원경의 작동에 대한 간섭을 방지하기 위한 패러데이 케이지이다.[11]
4. 5. 정전기 방전
송전선 기술자는 감전 위험 없이 고전압 활선에서 작업할 수 있도록 패러데이 슈트를 착용한다. 이 슈트는 전류가 신체를 통과하는 것을 방지하며 이론적으로 전압 제한이 없다. 송전선 기술자는 가장 높은 전압(카자흐스탄의 에키바스투즈-콕셰타우 송전선 1150kV)의 송전선에서도 안전하게 작업하는 데 성공했다.4. 6. 정전 도장
전기분무도장에서는 코로나 전극에서 도장 대상물까지의 전력선 밀도 차이로 인해, 볼록한 부분에는 도료 부착량이 많고 오목한 부분에는 도료 부착량이 적어지는 패러데이 케이지 효과가 발생하는 것으로 알려져 있다.[14]
4. 7. 낙뢰 방지 및 제어
낙뢰 시 피난 시설 등 피뢰 설비에 사용된다.[13] 실제 구조물에서는 케이블 등을 끌어들이는 시설이 많아 내부에 서지 전류가 침입하여 전위가 발생하는 상태(패러데이 홀)에 대한 대책이 필요하다.[15]낙뢰 제어에서는 패러데이 새장으로 둘러싼 내뢰 드론을 이용하여 낙뢰를 안전한 장소로 유도하는 연구 개발이 진행되고 있다.[13]
참조
[1]
웹사이트
Michael Faraday
http://au.encarta.ms[...]
2008-11-20
[2]
서적
Traité d'électricité statique
https://archive.org/[...]
G. Masson
[3]
서적
Electromagnetics
McGraw-Hill
[4]
논문
Mathematics of the Faraday Cage
https://people.maths[...]
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웹사이트
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https://ceptech.net/[...]
2020-04-23
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웹사이트
Reliability Becomes The Top Concern In Automotive
https://passive-comp[...]
2019-02-12
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As Economy Dips, Arrests for Shoplifting Soar
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2009-08-12
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웹사이트
What keeps microwave radiation from leaking out the oven door?
https://www.straight[...]
2024-06-01
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간행물
Imperfect System
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웹사이트
REDACTED FOR PUBLIC INSPECTION: Contraband phone task force status report
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CTIA
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2023 Science Center Offerings
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Green Bank Observatory
2024-05-06
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ファラデーケージ（粉体工学用語辞典）
http://www.sptj.jp/p[...]
一般社団法人粉体工学会
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논문
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2012
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