전자파 세포노출장치 기술 동향

Technical Trends of In Vitro Exposure System

저자
이영승전파환경감시연구실
전상봉전파환경감시연구실
최형도전파환경감시연구실
권호
37권 3호 (통권 196)
논문구분
5G/6G 통신 및 미디어 기술동향
페이지
33-40
발행일자
2022.06.02
DOI
10.22648/ETRI.2022.J.370304
본 저작물은 공공누리 제4유형: 출처표시 + 상업적이용금지 + 변경금지 조건에 따라 이용할 수 있습니다.
초록
Communication technologies are evolving to meet the ever-increasing demand for fast transmission speeds and large capacity. However, the introduction of new mobile networks, such as 5G, should be accompanied by changes in corresponding frequency and modulation techniques to enable the commercialization of its services. Hence, investigating the human health effects of electromagnetic exposures used in these new communication systems is crucial. Since in vitro electromagnetic experiments can provide essential information on important mechanisms of exposure effects, this article presents in vitro exposure systems necessary for reliable experiments. Moreover, the fundamental requirements for system implementation and the features of various systems are discussed.
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Ⅰ. 서론

5G 이동통신은 2019년 말에 우리나라에서 세계 최초로 상용화가 완료된 이래로 지금까지도 전 세계적으로 많은 관심과 주목을 받고 있다[1]. 6G에 대한 논의가 서서히 등장하고 있으나 3GPP를 비롯한 국제표준기구에서는 아직도 이러한 5G의 향상과 발전을 위한 논의를 진행 중에 있다[2]. 이러한 신규 통신 서비스의 등장은 이용 주파수 및 노출 신호의 변화를 필연적으로 동반하기 마련이며, 따라서 이에 따른 새로운 전자파 환경에서 이를 고려한 건강 영향의 평가는 그 필요성이 매우 크다고 할 수 있다.

전자파 노출에 따른 생체 영향은 크게 세포실험, 동물실험, 자원자실험의 세 분류의 노출실험을 통하여 그 원인을 분석하게 된다. 이 중 세포실험은 생명 윤리에 따른 제약이 적고 그 비용이나 노력이 다른 실험에 비하여 부담이 적다는 장점이 있어 생체 영향 연구의 기저 근간이 되고 있다. 따라서 세포 수준에서의 보다 신뢰성이 높은 연구 결과 도출을 위해서는 효율적인 노출실험을 가능토록 하여 주는 세포노출장치의 중요성이 매우 크다고 할 수 있다.

이에 본고에서는 전자파 세포노출장치에 대하여 소개하고 설계에 있어 필수적으로 고려해야 할 사항 및 절차에 대해 살펴보고자 한다. 각 노출장치 분류에 따른 주요한 특징을 중심으로 하여 이에 대한 장단점 등을 같이 기술하였다.

Ⅱ. 전자파 세포실험 개요

전자파 세포실험은 주로 배양액을 포함한 용기에 세포를 배양하여 건강 영향을 관측하고자 하는 신호 대역의 전자파를 노출시킴으로써 생체 영향을 분석하는 실험을 말한다. 사람을 기반으로 한 역학 등에 보다 직접 연관성이 높은 것은 동물노출실험에 해당한다고 할 수 있으나, 이는 윤리적인 이슈와 실험 설계와 기간에 걸리는 현실적인 문제 등이 있어 주로 노출실험을 기획하는 첫 번째 단계에서 세포노출실험을 수행하게 된다. 세포용기는 Petri Dish나 Culture Plate 등을 사용하는데 1개의 Dish는 직경 35mm부터 큰 것은 100mm에 해당되는 용기도 노출에 사용된다. 그림 1은 세포노출에 사용되는 배양액이 담긴 Petri Dish 용기의 모습을 보여 주는 것이다[3].

그림 1.

세포노출에 사용되는 Petri Dish 용기

출처 Reprinted from [3], CC BY 2.0.

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한 번의 노출실험에는 짧게는 몇 시간에서 길게는 며칠을 넘기는 장기간의 실험 기간이 소요되므로, 효율적인 실험을 위해서는 한 번에 많은 개수의 용기를 노출시킴으로써 다수의 실험군을 확보하는 것을 필요로 한다. 이때 실험군에 해당하는 용기들에는 노출에 따른 효율적인 생체 영향 기전의 관측을 위하여 다수의 용기에 걸쳐 동일한 강도의 전자파를 가할 수 있는지 여부가 중요한 요소가 된다. 또한 비교 분석을 위하여 동일 조건에서 배양하였으나(즉, 용기와 주변 환경 및 기간은 동일하나) 전자파 노출만은 수행하지 않은 대조군 역시 마련되어야 한다.

세포노출장치의 구현에 있어 고려되어야 할 주된 사항들은 주로 다음과 같이 요약될 수 있다[4].

● 노출량의 균일성: 내부에 위치되는 실험군의 세포용기에 걸쳐서 동일한 노출량이 제공될 것

● 온도 상승: 노출에 동반되는 세포층의 온도 상승으로 인하여 발생되는 열적 효과가 발생되지 않아야 할 것

● 노출량 효율: 세포노출장치의 급전에 필요한 입력전력 대비 제공되는 세포층에의 노출량 크기가 가급적 클 것(시스템 설계 비용에 영향)

● 부피 효율: 전체 노출장치 크기 대비 용기들을 넣을 수 있는 공간 비율이 가급적 클 것

● 노출 및 환경 유지와 제어: 노출실험 시간 동안 안정된 노출량 크기(급전 전력 크기)와 세포배양 및 기전 관측을 위한 안정된 환경이 유지될 것

이를 바탕으로 하여 세포노출장치를 새로이 구현할 시에는 주로 그림 2와 같은 순서의 각 단계를 따라 작업이 이루어지게 된다[5]. 순서도에서 살펴볼 수 있듯이 각 단계에서 결정된 사항은 다음 단계의 진행 결과에 따라 피드백에 의해 변경될 수 있으며, 앞서 정리한 주된 고려 사항들을 기반으로 해서 추가적으로 예산이나 설치 환경 등의 제약 사항을 염두에 두고 전체적인 구성이 결정된다. 제작된 장치는 최종적으로 실험적인 검증 절차를 거치게 되며, 반드시 목표로 한 노출량 등의 요구 변수에 있어 실험에 의한 테스트를 거친 후 실제 노출실험에 사용하여야 한다.

그림 2.

세포노출장치 구현에서 단계별 작업 순서도

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Ⅲ. 세포노출장치 주요 동향

세포노출장치에는 다양한 구조가 사용되어 왔다. 각각의 종류에 따라 개별적인 장단점이 존재하고, 사용 가능한 주파수 역시 이에 상응하여 달라지게 된다. 이 장에서는 이러한 세포노출장치의 주요 동향에 대하여 소개하고 각 장치별 특성에 대하여 소개한다. 각 노출장치에 대한 자세한 동작은 전자기적인 분석을 요하므로 생략하고 본고에서는 세포노출에서의 특징에 대해서 살펴보고자 한다.

1. TEM cell

TEM cell은 세포노출에 있어 가장 널리 사용되어 온 장치로서 자유공간과 유사한 형태의 전자파를 내부에 생성 가능하다는 것이 큰 특징이다[6-8]. 세포용기에 걸쳐서 동일한 크기의 노출량이 제공되어야 한다는 노출장치의 필수 조건에 의하여 사용 가능 주파수는 고차 모드가 발생하게 되는 차단주파수 이전까지의 단일 모드가 전파되는 대역으로 제한된다. 목표로 하는 노출 주파수 대역이 높을수록 그 파장과의 관계로 인하여 TEM cell의 크기가 작아지게 된다. 그림 3은 장기간 세포노출을 위하여 항온항습장치(Incubator) 내부에 설치된 TEM cell 장치의 모습을 보여 주고 있다[9]. 그림 3에서도 살펴볼 수 있듯이 TEM cell은 내부에 수납 가능한 세포용기의 총 개수가 너무 적고 차지하는 전체 공간이 매우 큰 편에 속하여 부피 효율이 매우 낮다는 단점이 존재한다. 이는 곧 이용 가능한 생물학적인 실험의 종류나 관측 기전이 매우 제한된다는 결점으로 이어진다.

그림 3.

TEM cell 형태의 세포노출장치

출처 Reprinted from [9], CC BY 3.0.

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2. 구형 도파관

구형 도파관(Rectangular Waveguide) 역시 널리 이용되어 온 세포노출장치 형태로서 내부에 많은 세포 용기를 수납 가능하여 부피 효율이 증가하고 한 번의 노출실험을 통해 보다 다양한 분석이 가능해진다는 장점이 있다[4,10]. 세포실험의 종류 및 관측 기전에 따라 용기의 배치를 도파관의 두 가지 편파(E 혹은 H) 중 하나에 맞추어 구현 가능하며, 노출량 효율의 증대를 위하여 보통 한 쪽 끝을 금속판으로 단락(Short)시키게 된다. 그림 4는 이와 같은 구형 도파관 세포노출장치를 보여 주는 것으로 역시 항온항습장치 내부에 설치되어 있음을 알 수 있다. 그러나 장치의 내재적인 균일도 영역을 이용하는 TEM cell과는 달리 구형 도파관은 전파되는 모드의 형상에 의해 용기의 위치에 따른 노출량 균일성이 떨어진다는 단점이 존재한다. 또한 구형 도파관 역시 사용 가능 주파수는 단일 모드가 전파되는 대역으로 한정되게 된다.

그림 4.

구형 도파관 형태의 세포노출장치

출처 Reprinted from [9], CC BY 3.0. 그림 4 구형 도파관 형태의

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3. 방사형 전송선로

방사형 전송선로(Radial Transmission Line)는 두 개의 평행한 도체 평판으로 이루어진 구성으로써 도체 사이에 원통형의 방사 방향으로 진행하는 전자파를 여기시킴으로써 노출을 수행한다[11-13]. 전자파는 방사 방향으로 진행되는 성질이 있어서 세포용기들 역시 노출량의 균일성 확보를 위하여 이에 맞게 원주상의 방위각 방향(Azimuth)으로 일정하게 배치된다는 것이 큰 특징이 되며, 또한 이를 위해 장치의 중심에서 원뿔형 안테나(Conical Antenna) 등을 이용해 방위각으로 대칭성을 유지하도록 하는 급전을 하게 된다. 본 장치는 원주상에 걸친 용기의 배치를 통하여 더욱 많은 세포용기를 수납이 가능한 데다 전체적인 크기도 크지 않아 부피 효율이 매우 증가한다는 큰 장점이 있다. 게다가 기본적으로 높은 주파수 대역까지 사용 가능하여 광대역 특성을 지닌다는 이점도 존재한다. 그림 5는 LTE 대역에서 세포노출에 사용되는 방사형 전송선로 장치를 보여 주는 것으로써 앞서 소개한 구조의 장치들보다 작은 크기를 지니면서도 원주상에 많은 용기를 배치할 수 있음을 보여 주고 있다. 다만 방사형 전송 선로는 전파가 도체 평판 사이에서 방사 방향으로 전파되면서 급전 중심부에서 멀어질수록 거리에 따라 필연적으로 감쇠되어 가는 것을 피할 수 없으며, 이에 용기들이 배치되는 원주의 반지름에 따라 제공되는 노출량이 달라질 수 있다는 것이 주된 단점으로 꼽힌다.

그림 5.

방사형 전송선로 형태의 세포노출장치

출처 Reprinted from [13], CC BY 4.0

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ETRI에서는 현재 상용화되어 큰 이슈가 되고 있는 5G에서의 인체 노출 영향을 연구하고자 3.5GHz 세포노출장치를 개발하였다[14]. 본 장치는 방사형 전송선로를 기반으로 하고 있으며, 5G NR 신호가 실제 전송에 이용하는 시분할 이중통신(TDD)의 프레임 구조를 발생시킬 수 있도록 하여 ms 단위로 변하는 상/하향링크의 슬롯에 따른 노출 영향을 관측할 수 있도록 하였다. 또한 본 노출장치의 큰 특징 중 하나는 실시간 모니터링과 피드백 알고리즘을 통하여 일정한 출력이 항상 유지될 수 있도록 함으로써 노출실험을 하는 동안 언제나 동일한 노출량을 제공할 수 있다는 점에 있다. 그림 6은 개발된 노출장치의 전체 모습을 보여 주는 것이다. 방사형 전송선로는 장기간 노출실험을 고려하여 노출환경 유지를 위한 항온항습장치 내부에 위치해 있고, 그 외에도 노출에 따른 온도 상승을 억제하기 위한 저온 수조 및 전체 시스템을 제어하고 모니터링하기 위한 PC 역시 함께 구비되어 있다. 실험적인 검증을 최종 완료한 이후 향후 본 장치를 이용하여 5G 신호를 바탕으로 한 다양한 세포노출실험이 수행될 예정이다.

그림 6.

개발된 5G 3.5GHz 세포노출장치

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4. Wire patch cell

Wire patch cell은 비교적 최근에 들어와서 고안된 장치로써 두 개의 평행한 도체 평판 사이에 대칭적으로 세포용기를 삽입하게 되며, 그 중심부에 급전함으로써 노출을 수행하게 된다[15,16]. 그림 7은 이와 같은 wire patch cell의 대표적인 모습을 보여 주는 데 본 장치는 간단한 구조를 지니고 있어서 구현 비용이 많이 들지 않으며, 작은 크기에도 불구하고 다수의 세포용기를 수납할 수 있어 매우 높은 부피 효율을 자랑한다는 점이 큰 장점이 된다. 또한 장치의 네 방향이 열린 구조로 되어 있어 통풍과 온도 조절에 유리한 것도 장점으로 꼽힌다. 그러나 용기들에 걸쳐서 노출량의 균일성이 그다지 좋은 편이 아니고 노출 가능한 전체 세포용기의 개수 역시 제한을 받는다는 단점이 존재한다.

그림 7.

Wire patch cell 형태의 세포노출장치

출처 Reprinted from [9], CC BY 3.0

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5. 챔버형 장치

앞서 소개한 형태의 장치들의 공통점은 세포용기가 실험이 수행되는 노출장치의 내부에 수납되게 된다는 점에 있다. 그러나 장치 내에서 전파되는 전자파의 주파수가 증가함에 따라(즉, 파장이 짧아짐에 따라) 노출장치의 크기는 필연적으로 작아질 수밖에 없으며, 이는 곧 더 높은 주파수 대역에서는 용기들을 수납할 수 없게 된다는 한계에 부딪히게 됨을 의미한다. 이에 주로 밀리미터파와 같은 초고주파 대역에서는 기존의 이동통신 대역의 실험에서 사용되는 수납형 장치를 사용할 수 없고 안테나에서 방사되는 전자파를 바탕으로 한 챔버형 장치에서 노출을 수행하게 된다[17-20]. 그림 8은 이러한 챔버형 장치의 구성 개괄을 나타내주고 있으며, 세포용기들은 노출량의 균일성 확보를 위하여 주로 안테나의 원거리장에 위치하게 되는 것을 살펴볼 수 있다. 따라서 이에 동반하여 장치의 크기가 커지고 필요 전력이 증가하여 노출 효율이 그다지 좋지 않다는 단점이 존재한다.

그림 8.

챔버형 장치의 구성 개괄

출처 Reprinted from [20], CC BY-NC 4.0.

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ETRI에서는 5G의 또 다른 중심 주파수인 밀리미터파 대역의 생체 연구를 위하여 28GHz 세포노출장치를 제작하였다[21]. 본 노출장치는 밀리미터파에서의 짧은 표피침투 효과를 고려하여 피부로의 직접적인 전자파 노출을 보다 효율적으로 고려할 수 있도록 3D culture 세포실험을 염두에 두고 제작되었으며, 노출용 챔버를 항온항습장치에 탑재하여 장기간에 걸친 실험이 가능하도록 하였다. 그림 9는 이러한 28GHz 세포노출장치의 전체 모습을 나타내주는 것으로 기존의 장치들과는 달리 챔버 내에는 내부의 전자기장 특성을 확인하고 검증할 수 있는 포지셔너와 프로브가 설치되어 있는 것을 살펴볼 수 있다. 더하여 온도 모니터링 및 실시간 피드백을 위한 열화상 카메라 등과 통합하여 일체형으로 구현함으로써 보다 신뢰성 높은 실험이 가능토록 함을 특징으로 하고 있다.

그림 9.

개발된 5G 28GHz 세포노출장치

출처 Reprinted from [21], 공공누리 4유형.

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Ⅳ. 결론

새로운 통신 서비스의 도입에 따른 신규 전자파 노출에 의한 생체 영향을 파악하고 분석하는 데에 있어 세포실험은 그 근간이 된다고 할 수 있다. 따라서 본고에서는 이에 필수적인 세포노출장치에 대하여 소개하고 기술 동향에 대하여 알아보았다. 각 노출장치에 따라 특색이 다르고 크기 및 부피 효율, 노출 가능한 세포용기의 수, 주파수 대역이 차이가 나기 때문에 설계에 있어 주된 고려 사항을 바탕으로 관측하고자 하는 기전에 맞는 최적의 구성을 결정하는 것이 매우 중요하다. 또한 구현된 장치는 실제 노출실험에 들어가기 전에 반드시 실험적인 테스트를 거친 후 목표로 하는 노출량 등의 요구 사항을 확인하고 사용하여야 한다. ETRI에서는 5G 통신의 상용화에 발맞추어 중심 주파수 대역에 해당하는 3.5GHz와 28GHz 대역에서의 세포노출장치를 각각 개발하였으며, 이들 장치는 실시간 모니터링과 피드백 등을 바탕으로 하여 더욱 신뢰성 높은 노출 실험을 가능하게 해 준다. 향후 개발된 노출장치들을 바탕으로 하여 5G 주파수 노출에 따른 건강 영향 파악을 위한 다양한 실험이 수행될 예정에 있다.

용어해설

NR 3GPP에서 5G 네트워크를 위해 개발한 무선 접속 기술

Petri Dish 얕은 깊이의 넓적한 원형 모양의 용기와 뚜껑이 한 쌍인 실험도구이며 투명한 유리 혹은 플라스틱으로 제작되어 세균 배양과 같은 생물학적 실험에 사용됨

TEM 전자파의 진행 방향에 대하여 전기장 및 자기장이 모두 수직을 이루며 전파되는 형태

약어 정리

ICNIRP

International Commision on Non-Ionizing Radiation Projection

IEC

International Electrotechnical Commission

LTE

Long-Term Evolution

NR

New Radio

TDD

Time Division Duplex

TEM

Transverse ElectroMagnetic

참고문헌

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그림 1.

세포노출에 사용되는 Petri Dish 용기

출처 Reprinted from [3], CC BY 2.0.

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그림 2.

세포노출장치 구현에서 단계별 작업 순서도

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그림 3.

TEM cell 형태의 세포노출장치

출처 Reprinted from [9], CC BY 3.0.

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그림 4.

구형 도파관 형태의 세포노출장치

출처 Reprinted from [9], CC BY 3.0. 그림 4 구형 도파관 형태의

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그림 5.

방사형 전송선로 형태의 세포노출장치

출처 Reprinted from [13], CC BY 4.0

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그림 6.

개발된 5G 3.5GHz 세포노출장치

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그림 7.

Wire patch cell 형태의 세포노출장치

출처 Reprinted from [9], CC BY 3.0

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그림 8.

챔버형 장치의 구성 개괄

출처 Reprinted from [20], CC BY-NC 4.0.

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그림 9.

개발된 5G 28GHz 세포노출장치

출처 Reprinted from [21], 공공누리 4유형.

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