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[Science Cookie] 대체 어떻게 무선통신이 가능한걸까? 전파 이야기!

Buddhastudy 2022. 9. 21. 19:26

 

 

 

우리가 너무나 익숙하게 사용하고 있는 이 스마트폰의

시초라고 할 수 있는 무선 통신 장치는

1973년 모토로라에서 근무하던

마틴 쿠퍼 박사의 연구팀이 개발하였으며

이것이 바로 세계 최초의 휴대전화 모델이었던

DynaTEC 8000X 입니다.

이 폰의 무게는 약 850g

그러니까 거의 1kg에 가까운 무게를 가지고 있었죠.

 

그리고 어찌 보면 굉장히 짧은 시간인 약 35년이 흐른 뒤

20071월 스티브 잡스의 혁신적인 아이디어로 탄생된 아이폰을 시작으로

많은 과학 · 공학 기술의 집약적 발달에 힘입어

현재와 같은 스마트폰이 대중화될 수 있었죠.

 

이러한 무선 통신의 발달은 현대를 살아가는

우리의 삶의 질을 풍요롭게 해줄 뿐만 아니라

앞으로 도래할 4차 산업혁명에 없어서는 안 될 중요한 요소란 사실은

이미 우리들 모두가 알고 있는 사실입니다.

 

그런데 여러분, 한 번쯤은 궁금하지 않으셨나요?

대체 이 스마트폰이라고 하는 작은 기계에서

어떻게 전화나 문자 그리고 동영상 정보들을

아무것도 거리낌 없이 수신할 수 있는 걸까요?

 

콸콸콸 터진다는 와이파이(Wi-Fi)

블루투스(Bluetooth) 이런 것들이 대체 뭐길래

이렇게 원거리에 떨어져 있는

이런 전자 기기를 연결시켜주는 연결 다리가 될 수 있었던 걸까요?

 

뿐만 아니라 교통카드나 하이패스(Hi-Pass) 같은 장치들은

대체 어떻게 자신의 정보를 원거리에 전달하는 것이며

어떡해서 원거리에 있는 정보를 다시 자신에게

받아들일 수 있는 걸까요?

 

오늘은 바로 현대 정보 통신의 놀라운 발전을 일으켜준

아주 고마운 전자기파,

Radiowave; 전파에 대한 이야기를

과학쿠키와 함께 알아보도록 하겠습니다!

 

Radio Wave, 통칭 '라디오파'라고 하는 이 전자기파는 *마이크로파 / 적외선*

이전 영상인 마이크로파를 포함하는

통신에 사용되는 모든 대역의 전자기파를 지칭합니다. *전파!*

국제전기통신연합; ITU의 전파규칙에 따르면

라디오파는 주파수가 3kHz부터 3THz까지

이를 파장으로 환산하면 1mm에서 100km까지의 모든

전자기파를 의미하는데요

주파수가 높은 순서로

EHF; Extremely High Frequency; 극고주파 (익스트림하게 높은 주파수)

SHF; Super High Frequency; 초고주파 (슈퍼하게 높은 주파수)

UHF; Ultra High Frequency; 극초단파 (울트라하게 높은 주파수)

VHF; Very High Frequency; 초단파 (Vㅔ리하게 높은 주파수)

HF; High Frequency; 단파 (높은 주파수)

MF; Medium Frequency; 중파 (중간 주파수)

LF; Low Frequency; 장파 (낮은 주파수)

VLF; Very Low Frequency; 초장파 (베리하게 낮은 주파수)

ULF; Ultra Low Frequency; 극초장파 (울트라하게 낮은 주파수)

SLF; Super Low Frequency; 초저주파 (슈퍼하게 낮은 주파수)

ELF; Extremely Low Frequency; 극저주파 (익스트림하게 낮은 주파수)

순으로 분류되며

 

이들의 대표적인 이용 사례로는 오른쪽으로부터

EHF / 무선 천문학

SHF / 통칭 5G라고 불리는 5세대 이동 통신

UHF / Wi-Fi, 블루투스 및 스마트폰

VHF / FM 라디오 및 DMB 방송

HF / 생활 무전기 및 RFID

MF / AM 라디오

LF / 무선 항법 장치

VLF / 잠수함의 통신

ULF / 지하 광산 내부에서의 통신 등에 이용되고 있습니다.

 

잠깐, 그런데 왜 우리는 하필

통신 수단으로서 전자기파를 이용한 걸까요?

이유는 앞서 전자레인지에서도 설명했듯이

전자기파는 매질을 필요로 하지 않는 파동이기 때문에

공간상에 마음껏 흩뿌릴 수 있다는

엄청난 장점을 가지고 있으면서

또 하나의 장점을 가지고 있기 때문인데요

 

바로 그것은

전자기파는 빛의 속도로 이동하기 때문에

정보를 전달할 수 있는

관측 가능한 우주 내에서 가장 빠른 속도를 가지고 있기 때문이에요.

 

한번 상상해보세요.

아무것도 없는 공간 속에서

빛의 속도로 정보를 전달할 수 있는 도구를 발견했다?

이거 생각만 해도 엄청난 거 아닌가요?

 

이 도구의 발견을 최초로 예언한 과학자가 바로

19세기를 대표하는 전자기학을 정립한 천재 과학자

제임스 클러크 맥스웰입니다! (James Clerk Maxwell)

 

맥스웰은 선대 과학자들로부터 지속적으로 연구되어 온

전기학과 자기학의 특성을

전자기학이라는 이름으로 수학적으로 심플하고 아름다운

4가지의 공식으로 통합하게 되는데요

특별히 이 공식들 중 제 3공식과 제 4공식

패러데이의 법칙과 앙페르의 법칙으로부터

'전자기파'라는 공간상에 퍼져나가는 전자기 파동 에너지를

수식적으로 예견하게 됩니다.

 

이러한 예견이 헤르츠의 실험을 통해 입증되게 되면서

세상은 이 경이롭고 놀라운 '전자기파'에 대한 연구에

본격적 박차를 가하게 되죠.

 

하지만 아무리 위대한 도구라고 하더라도

이 도구를 만들 수가 없다면

의미는 없는 것이겠죠.

전자기파를 만들기 위해서는 어떻게 해야 할까요?

그 비밀은 바로, 공간상에 존재하는 전자를

외부의 어떤 요인에 의해서

엄청나게 빠르게 진동시킬 수가 있다면

 

예를 들어서 마이크로파를 발생시키기 위해서는

마이크로파의 주파수인 2.45 GHz, 그러니까

이만큼의 진동 횟수를 1초당 반복시킬 수 있다면 (2,450,000,000 Hz)

다시 말해서 초당 245천만 번 전자를

진동시킬 수 있다면

그 영역에 해당하는 전자기파를

이론상으로 발생시킬 수 있습니다.

 

그렇다면 대체 무슨 수로 전자를

이렇게 빠르게 진동시킬 수 있을까요?

바로 교류 발전의 원리를 이용하면 충분히 기술적으로 가능합니다.

 

이 영상에서 교류 발전의 원리까지 이야기하면

영상이 너무 길어질 수 있으니까

이 교류 발전의 원리는 나중에

연재될 전자기학 시리즈에서 만나실 수 있도록 준비해둘게요.

 

다시 전파 이야기로 돌아와서

교류 발전의 원리를 이용해

원하는 영역대의 전파를 만들 수 있게 된 인류는

다양한 영역의 전파를 이용해

원하는 정보를 공간상으로 날려 보내는 것이

가능해지게 되었습니다.

 

그러나 여전히 문제는 남아 있었어요.

이렇게 공간상으로 퍼져나가는 전파를

특정한 대상에게 정확하게 전달하려면

어떻게 해야 할 것인가에 대한 고민이었죠.

 

그러던 중, 문득 떠올리게 됩니다.

만일 어떤 특정한 진동수를 가지는 전자기파만을

수신할 수 있는 회로를 만들 수만 있다면

그런 회로를 만들 수만 있다면?

그 특정한 전파에 정보를 담았을 때

그 정보만을 선택적으로 받을 수 있는

그러한 회로를 만들 수 있지 않을까?

라는 생각을 말이에요.

 

현재 우리가 사용하고 있는 전기 부품 중에는

코일이라 불리는, 전류가 빙빙 감겨

흘러 들어갈 수 있는 형태의 부품과

축전기라고 불리는, 두 개의 극판이 마주 보고 있어서

전기장을 형성하는 형태의 부품이 있습니다.

 

이 전기부품들은 건전지의 전류와 같이

일정한 크기로 흐르는 전류인

Direct Current; 직류에서는 지극히 평범한 모습을 나타내지만

전자의 전기적 진동에 의해 에너지를 흐르게 만드는 방식인

Alternation Current; 교류에서는 매우 독특한 특징을 가지게 됩니다.

 

먼저, 코일부터 알아볼까요?

코일에 전류가 흐르게 되면 앙페르의 법칙에 따라

코일 내부에 자기장이 형성되는 것을 볼 수 있는데요

만약 전류가 일정하게 공급되는 것이 아니라

특정한 주기로 출렁거리게 된다면

코일 내부에 발생되었던 자기장이

자신의 세기를 유지하려는 관성에 의해

전류의 출렁임이 방해를 받게 되는데요

이러한 방해 공작을 물리학에서는

유도된 자기장이 전류를 방해한다는 의미에서

Induction Reactance; 유도 리액턴스라고 부릅니다.

 

이 유도 리액턴스는 전류의 진동이 빠르면 빠를수록

즉 전류의 출렁임 정도가 빠르면 빠를수록

유도되는 자기장의 크기가 커지게 되어

그만큼 방해 공작이 커지게 된다는 특징을 가지고 있죠.

 

다음으로, 축전기에 대한 특징을 간단하게 알아볼까요?

축전기에 전류가 흐르게 되면 가우스의 법칙에 따라

양 극판에 전하가 축적되는 것을 볼 수 있는데요,

 

여기에서 만약, 앞선 코일에서처럼

출렁이는 전류가 공급되게 되면

기존에 차곡차곡 쌓여 있던 전하가

만드는 전기에너지에 의해

전류의 출렁임이 방해를 받게 되는데요

 

이러한 현상을 물리학에서는

극판에 쌓여 있는 전하의 에너지가

전류를 방해한다는 의미에서

Copacity Reactance; 용량 리액턴스라고 부른답니다.

 

이 용량 리액턴스는 전류의 진동이 느리면 느릴수록

즉 전류의 출렁임 정도가 느리면 느릴수록

양 극판에 쌓이는 전하량이 많아지게 되어

그만큼 방해 공작이 커지게 된다는 특징을 가지고 있죠.

 

이 두 녀석, 코일과 축전기가

직류가 아닌 교류 회로에 동시에 존재하게 되었을 때

회로에서는 아주 독특한 특징이 발현되게 되는데요

바로 용량 리액턴스와 유도 리액턴스에 의해

회로에 공급되는 전자기 진동이

아주 특별한 진동수를 가지게 되는 순간

두 리액턴스의 방해가 매우 작아지게 되는

놀라운 순간이 발생하게 되는 것이죠!

 

이러한 진동수를 공명 진동수 또는 공진 주파수라고 부르게 되며

코일과 축전기에 의해 만들어진 이러한 특징을 가지는 회로를

특정한 주파수에만 공명하여

그 주파수의 정보만을 받을 수 있는 회로라는 의미의

'공진 회로' 또는 'RLC 회로'라고 부른답니다.

 

이러한 공진 회로를 이용해서

특정한 주파수에 담긴 정보만을

선택적으로 받을 수 있도록 만들어진 도구가 바로 '안테나'이며,

이 안테나를 통해서 송신된 여러 전파들 중에서

필요한 특정 전파를 캐치할 수 있는 것이

현재 이용되고 있는 대부분의 통신 수단의 가장 기본이 되는 원리랍니다!

 

결국 이 모든 것을 가능하게 만들어 주었던 전파의 발견 덕분에

인류는 이 전파를 어떻게 제너레이팅(*제작) 하고

리시빙(*수신) 할 수 있는가에 대한 연구를 꾸준히 하게 되면서

백 년 남짓한 이런 짧은 시간 만에

현대 정보 사회가 갖춘 이러한 정보 통신의 문명을 만들었다는 사실이

정말 놀랍지 않나요?

 

그런데 여러분, 전자기파의 발견이 가져다준 경이로움은

여기서 끝나는 게 아닙니다.

인류는 이 특정한 전자기파를 발견하게 되면서

아주 작은 세계인 양자역학의 지평이 확장되었을 뿐만 아니라

생명의 유전 현상을 연구하게 되는 결정적 계기를 제공한

DNA; DeoxyriboNucleic Acid; 디옥시리보오스 핵산

염기 서열을 발견해내게 되죠.