[논문 리뷰] Human Electromagnetic Field Exposure in Wearable Communications: A Review

Seungmo Kim, Yakub Ahmed Sharif외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 11.

Electromagnetic Fields and Biological Effects참고 문헌 64인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 상용 웨어러블 기기에서의 인간 전자기장(EMF) 노출을 검토하며, 2.4 GHz 및 60 GHz에서의 특정 흡수 비율(SAR)에 중점을 둔다. 이는 상용 제품의 SAR 수준을 분석하고, 측정 기준을 평가하며, 60 GHz 웨어러블 기기의 경우 ICNIRP 및 FCC SAR 지침을 초과할 수 있음을 발견했으며, 안전을 확보하기 위해 최소 12 mm(ICNIRP 기준) 및 15 mm(FCC 기준)의 분리 거리가 필요하다.

ABSTRACT

The concern on human health is often overseen while wearable technologies attract exploding interests. Mainly due to the extreme proximity or a direct physical contact to the human skin, wearable communications devices are acknowledged to cause higher levels of specific absorption rate (SAR) at the skin surface. Unfortunately, so far, we have found no study encompassing all the aspects that the general public needs to understand about wearable technologies--i.e., the analytical and experimental backgrounds, and report of SAR levels generated from commercial wearable devices. In this context, this paper provides an extensive review on SAR from various commercial wearable devices that are currently sold in the market, as well as the analytical framework and the current measurement methodologies for standard compliance tests. Moreover, considering the present interest in millimeter wave (mmW), this paper sheds light on the SAR evaluated at 60 GHz and also compares the SAR to that measured at 2.4 GHz. We expect that this paper will be of value in informing the general public of the safety in using the currently sold wearable devices, and in igniting further study of the exact biological consequences from electromagnetic field (EMF) exposure due to wearable devices.

연구 동기 및 목표

• 상용 웨어러블 기기에서 실제 발생하는 SAR 수준에 대한 종합적인 연구가 부족한 데 대비하여 이를 해결하고자 한다.
• 특히 60 GHz 대역을 중심으로 밀리미터파(mmW) 주파수의 영향을 기존의 2.4 GHz 대역과 비교하여 인간의 EMF 노출에 미치는 영향을 분석하고자 한다.
• 웨어러블 기기의 SAR 측정 방법론 및 준수 기준에 대한 상세한 검토를 제공하고자 한다.
• 현재의 안전 지침을 바탕으로 일반 대중과 제조사가 안전한 설계 실천 방식을 안내하고자 한다.
• 특히 고주파수에서의 장시간 또는 고강도 EMF 노출과 관련된 잠재적 건강 위험을 평가하고자 한다.

제안 방법

• 웨어러블 기기의 SAR, EMF 노출 및 기준에 관한 문헌 검토를 수행하였다.
• Apple AirPod, 피트비트, 스냅 웨어러블 카메라, 애플 워치 등 상용 웨어러블 기기의 제품 사양서 및 외부 자료에서 SAR 데이터를 수집하였다.
• 공개되지 않은 경우 IEEE 및 ICNIRP 지침에 기반한 표준 SAR 계산 프레임워크를 적용하여 SAR 값을 추정하였다.
• 방사 패턴이 방향성인 마이크로스트립 패치 및 야기-우다 안테나 모델을 사용하여 2.4 GHz 및 60 GHz에서의 SAR 분포를 시뮬레이션하고 비교하였다.
• 인간 신체에서의 거리에 따른 SAR 평가에 중점을 두어 피부 표면 노출을 분석하였다.
• ICNIRP 및 FCC 안전 한계치 준수 여부 평가를 위해 시간 평균 SAR 수식을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 애플 에어팟, 피트비트, 스냅 웨어러블 카메라, 애플 워치와 같은 현재 시장에 유통 중인 웨어러블 기기에서 실제로 방출되는 SAR 수준는 무엇인가?
• RQ2 웨어러블 통신 시스템에서 60 GHz에서의 SAR는 2.4 GHz에서의 SAR와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 ICNIRP 및 FCC SAR 지침을 준수하기 위해 웨어러블 기기와 인간 신체 사이에 필요한 최소 안전 거리는 얼마인가?
• RQ4 2.4 GHz 및 60 GHz에서의 방사 패턴(일방향성 대비 방향성)은 피부 표면의 국소적 SAR 노출에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 60 GHz에서의 더 높은 송신 전력 및 더 많은 안테나 도우저의 증가가 인간의 EMF 노출을 얼마나 높이는가?

주요 결과

• 애플 에어팟, 피트비트, 애플 워치와 같은 상용 웨어러블 기기의 SAR 수준는 제품 사양서 및 표준 SAR 계산 모델을 활용하여 조사되었다.
• 2.4 GHz에서는 모든 측정 거리에서 ICNIRP 및 FCC 안전 기준을 크게 밑도는 SAR 값이 유지되었다.
• 60 GHz에서는 기기의 피부에 가까이 위치할 경우 ICNIRP 및 FCC 지침을 초과하는 SAR 수준이 나타났다.
• 60 GHz 웨어러블 기기에서 ICNIRP 지침을 준수하기 위해 최소 12 mm의 분리 거리가 필요하다.
• 60 GHz 웨어러블 기기에서 FCC 지침을 준수하기 위해 최소 15 mm의 분리 거리가 필요하다.
• 예를 들어 야기-우다 안테나와 같은 고도로 방향성 있는 방사 패턴을 사용할 경우, 집중된 에너지 노출로 인해 피부 표면의 국소적 SAR가 증가한다.