패러데이 상자(Faraday Cage)

패러데이 상자(Faraday Cage)는 영국의 물리학자인 마이클 패러데이의 이름을 따서 진 전하를 막아주는 판금된 금속, 금속 격자, 금속 망사 등으로 만든 상자를 말한다. 전하들은 서로를 밀어내기 때문에 상자 바깥 표면에 모이고, 바깥 부분에 있는 전하들은 서로 더 멀리 떨어지게 되기 때문에 패러데이의 상자 안에는 어떠한 전하도 남아 있지 않게 된다. 밴더그래프 정전 발생기의 금속 구는 패러데이의 상자와 같다.

​

발견/발명

1836년, 패러데이(Michael Faraday)는 과도한 전하가 금속으로 된 상자의 외부에만 존재하며 그 안에 있는 어떤 것에도 영향을 미치지 않는다는 것을 관찰했습니다. 이를 입증하기 위해 그는 금속 호일을 입힌 방을 짓고 정전기의 고압 방전이 방 밖을 타격할 수 있도록 했다. 그는 방 벽 안쪽에 전하가 없다는 것을 보여주기 위해 전기 스코프를 사용하였다. 패러데이 상자의 효과는 패러데이가 입증하였지만, 1755년 벤자민 프랭클린은 전기 충전된 금속 캔의 구멍을 통해 비단 실에 매달린 충전되지 않은 코르크 볼을 내려 패러데이 상자와 같은 효과를 관찰하기도 하였다. 그는 "코르크 마개가 바깥쪽으로 끌리지 않고 바닥에 닿았으나 바깥쪽으로 닿았을 때처럼 그 촉각에 의해 전기가 통하지 않았다"고 말했다. 또한, 1754년에 아베 놀렛은 철장에 의한 패러데이 효과와 비슷한 전기적 현상을 보고하기도 하였다.

​

특징

패러데이 상자는 지구의 자기장과 같이 안정적이거나 천천히 변화하는 자기장을 차단할 수 없다. 그러나 도체가 충분히 두껍고 구멍이 파장보다 현저히 작을 경우 외부 전자파로부터 내부가 보호될 수 있다. 패러데이 상자의 외부 금속 층은 외부 또는 내부 전자기장에서 발생하는 전류를 모두 소멸시키기 위해 접지되어 대량의 전자기 간섭을 차단할 수 있다. 패러데이 상자는 자연현상으로부터 오는 EMP파를 매우 효과적으로 차단할 수 있지만, 특히 높은 주파수는 내부로 침투할 수도 있다.

패러데이 상자 내 안테나에서 또는 안테나로 송수신되는 전자파의 수신 또는 전송은 상자에 의해 심하게 감쇠되거나 차단될 수 있다. 그러나 파형, 주파수 또는 수신기/송신기로부터의 거리, 수신기/송신기 전력에 따라 이와 같은 감쇠는 달라질 수 있다. 또한, 근거리, 고출력 RFID와 같은 고출력 주파수 전송이 침투할 가능성이 더 높다. 또한 판으로 되어 있는 패러되어 있는 상자는 일반적으로 메시 상자보다 광범위한 주파수 범위에서 필드를 감쇠시킬 수 있다.

그림. Faraday Cage

 

응용

자동차와 비행기 승객칸은 기본적으로 패러데이 상자로서 번개 등으로부터 승객을 안전하게 보호할 수 있다.

자동차와 항공기의 전자 부품은 간섭으로부터 신호를 보호하기 위해 패러데이 상자를 이용한다. 이와 같은 부품들을 전자파 등에 민감한 무선 도어 잠금 장치, 내비게이션/GPS 시스템 및 차선 이탈 경고 시스템 등이 있다.

부스터 백(알루미늄 포일로 라이닝된 쇼핑백)은 패러데이 상자 역할을 하기도 하는데 상점 절도범들이 RFID 태그를 부착한 물건을 훔치는 데 종종 사용되기도 한다.

금속 전도 프레임과 벽이 있는 엘리베이터나 방은 패러데이 케이지 효과를 일으켜서 외부 전자파 신호가 필요한 휴대폰, 라디오 및 기타 전자 장치 사용자에게 신호 손실과 "데드존"효과를 초래합니다. 양방향 무전기 등이 엘리베이터 안에서 작동하지 않을 수 있어 위급상황에는 매우 위험할 수 있다.

소형 페러데이 상자는 연구용으로 사용되기도 한다.

전기 공사시 감전의 위험 없이 전원 공급 라인에서 작업할 수 있는 패러데이 슈트를 착용하기도 한다.

자기공명영상(MRI) 기계의 스캔실은 패러데이 상자로 설계되는데, 환자로부터 수집된 데이터에 외부 RF(무선 주파수) 신호가 추가되어 결과 이미지에 영향을 미치지 않게 하기 위함이다.

전자레인지 또한 투명한 창문을 가리는 패러데이 상자를 활용하여해 오븐 내부의 전자기 에너지를 억제하고 외부 표면을 방사선으로부터 보호한다.