B14. 마이크로파(Microwave)
RADAR
마이크로파는 파장이 라디오파보다 짧고, 적외선(IR)보다 긴 전자기파의 한 종류로, 주파수로 1∼330 GHz 범위에 있고, 파장으로 1mm ~ 1m 사이의 범위에 있다. 마이크로파의 이름에서 '마이크로(micro)’의 뜻은 파장이 마이크로미터 수준이라는 의미가 아니라, 라디오 방송에 사용되는 전파에 비해 파장이 짧다는 의미로 사용된 것이다. 마이크로파의 파장은 마이크로미터(μm)보다 훨씬 긴 밀리미터(mm) 이상이다. 실제로 국제전기통신연합(International Telecommunication Union, ITU)의 정의에 따르면, 마이크로파는 넓은 의미에서 라디오파에 포함된다. 주파수가 300 MHz~3 GHz인 극초단파(ultra high frequency: UHF), 3~30 GHz 범위의 초고주파(super-high frequency: SHF), 30~300 GHz인 극고주파(extremely high frequency: EHF)가 마이크로파에 포함된다. 극고주파(EHF)는 파장이 밀리미터 정도가 되어 밀리미터파라고 불리기도 한다. 마이크로파는 대기에 있는 기체들에 의해 강하게 흡수되기 때문에 수 km 이내의 짧은 거리만을 진행할 수 있다.
레이더(RADAR)는 ’ 라디오파 탐지 및 거리 측정(RAdio Detection And Ranging)‘의 줄임말로, 발사된 전자기파가 대상에 부딪힌 뒤 되돌아오는 반사파를 측정하여 대상을 탐지하고 그 방향, 거리, 속도 등을 파악하는 정보 시스템을 이른다. 이를 위해 개발된 장비를 줄여서 '레이더'라고 부른다. 대문자로 'RADAR'라 쓰는 것이 맞지만, 현재는 레이저(laser)의 예와 같이 그 자체로 일반명사처럼 쓰이고 있어 'radar'라는 표기가 통용된다. 레이더라는 표현은 영국에서 사용하기 시작했는데, 이전에는 'RDF(radio direction finder)'로 불렸다. 레이더는 여러모로 전쟁의 형태를 바꾼 발명품이다. 그 이전까지는 적의 이동이나 탐지를 전적으로 사람의 감각(시각은 망원경, 소리는 청음기)에 의존해야 했다. 레이더의 존재 덕분에 영국군은 물량의 열세에도 불구하고 나치 독일군을 상대로 영국 본토 항공전에서 승리를 거둘 수 있었고 유보트와의 전쟁에서 수송 선단에 레이더를 배치하여 먼저 유보트를 탐지해 내고 능동적으로 대응할 수 있었다. 태평양 전쟁 당시 레이더를 장비한 미국 군함에 비교하여 일본 군함은 레이더 장비가 잘 갖춰지지 않아 일방적 공격을 많이 당했다.
레이더는 횃불과도 같다. 어두운 밤중에 횃불이 주위를 밝게 비추지만, 상대도 저 멀리서 횃불을 들고 있는 우리를 볼 수 있다. 레이더는 전파를 쏘는데 적이 이 전파를 탐지한다면 아군의 레이더가 작동 중이라는 것을 알리는 꼴이다. 레이더라고 무조건 멀리 있는 물체에 대해 알 수 있는 건 아니다. 기본적으로 지구는 둥글어서 일반적인 레이더라면 지평선 너머에 있는 물체나 중간에 큰 물체가 있어 가려져 있는 대상에 대해서는 알 수 없다. 이 때문에 지상 레이더 사이트들은 산이나 섬 위에 있으며, 배에도 가능하면 높은 곳에 레이더를 장착한다. 비행기 역시 높게 올라갈수록 더 멀리 있는 물체를 탐지할 수 있다. 국토가 크고 군사력이 강한 국가는 OTH(Over The Horizon 초지평선 레이더)라고 불리는 전략무기 탐지용 초장거리 레이더가 있지만, 요즈음은 인공위성을 쏘아 올려 바로 상공에서 레이더를 작동하고 있다.
레이더는 군용뿐 아니라 민간용으로도 이용된다. 기상대에서는 기상 관측에 레이더를 이용한다. 레이더에 반사될 정도면 물방울이나 얼음알갱이가 제법 커야 하고, 그럴수록 비나 눈으로 내릴 가능성이 크므로 눈과 비를 예측하기에 정확한 관측자료가 된다. 민간용 선박과 항공기에도 최소한의 레이더가 장비되어 충돌을 막기 위해 활용되며, 승용차의 고급 옵션 중 레이더를 활용한 것이 있다. 자동문 중에 적외선 송수신 창 없이 매끈한 회색 유닛만 달린 것도 있는데, 이 역시 밀리미터파를 사용한 레이더이다. 사람과 같이 큰 형상일 때만 문을 열어주게 되므로 보안 측면에서 훨씬 우수하다.
미묘하고도 미묘하여 모습이 없는 경지에 이르며, 微乎微乎至於無形 (미호미호 지어무형)
신비하고도 신비하여 소리가 없는 경지에 이른다. 神乎神乎至於無聲 (신호신호 지어무성)
그러므로 능히 적의 생사를 맡아 다스리게 되는 것이다. 故能爲敵之司命 (고능위적지사명)
- 손무(BC 544?~BC 496?), <손자병법>
위 구절은 고대 중국의 탁월한 지략서인 손자병법에 나온다고 한다. 요즘으로 치면 스텔스(stealth) 기능의 필요성과 우수성을 의미한다고 많이 인용되고 있다. 레이더를 회피하려는 시도가 많이 있었다. 미국과 구소련에서 레이더에 잘 잡히지 않도록 RCS(radar cross section: 레이더 반사 면적)의 값을 낮추는 스텔스 기술을 개발하였다. 적의 레이더가 보낸 전파가 우리 항공기나 선박에 반사되어 되돌아가는 전파가 적 레이더 쪽으로 가지 않도록 하는 방법을 쓴다. 주로 전파흡수물질을 사용하여 적 레이더로 돌아가는 전파가 생기지 않도록 하거나, 적 레이더 쪽이 아닌 엉뚱한 방향으로 반사되도록 하는 방법이다. 단순 전파흡수물질 연구에 치중했던 소련과 달리 미국은 형상 스텔스 기술까지 완성해서 스텔스기 형상을 디자인하기에 이른다. 현재는 지상 감시용 레이더의 발달로 지상 장비들에도 이런 전파흡수물질을 칠하거나 형상 스텔스를 도입 중이다. 한편 카운터 스텔스 기술이라고, 스텔스 무장을 한 군용기/선박을 미리 먼 거리에서 탐지하기 위한 기술도 있다. 일반인이 스텔스라는 창과 카운터 스텔스라는 방패 중에 누가 더 강한지를 알기는 어렵다.
웬만한 가정에 한 대씩은 있는 전자레인지 즉 마이크로웨이브 오븐(microwave oven)은 레이더 기술을 응용한 것이다. 세계 제2차 대전 중에 레이더를 개발하던 미국의 레이시온(Raytheon) 사의 한 연구원이 자기 주머니에 있던 초콜릿 사탕이 녹아버린 걸 발견하고 그 원인을 생각해 보니 근무 중에 전자기파를 방출하는 마그네트론 옆에서 흘러나온 전자기파 때문이라고 밝혀내었다. 이를 활용하여 그 회사는 마이크로웨이브 오븐을 발명하게 되었고, 오늘날에는 주요한 가전제품이 되었다. 이렇게 군사적인 목적으로 개발된 기술이 민수용으로 응용되면 이를 민군겸용기술이라고 부른다.
원자로 구성된 분자는 전자 에너지 준위(electronic energy level)뿐만 아니라 진동 에너지 준위(vibrational energy level)와 회전 에너지 준위(rotational energy level)를 갖고 있다. 앞에서 논의하였거니와 원자 내의 최외각 전자 에너지 준위 사이의 에너지 간격은 몇 eV 정도이며, 이 영역에서 에너지 상태가 바뀜으로써 발생하는 전자기파는 스펙트럼에서 가시광선과 자외선 영역이다. 원자들의 진동 에너지 준위의 간격은 약 0.1 eV로 파장이 1μm~0.1mm에 이르는 적외선 영역이다. 회전 상태들은 1천 분의 1eV 정도의 매우 작은 에너지 간격을 가지고 있으며, 이 상태들 사이의 전이로 생기는 전자기파 스펙트럼은 파장이 0.1mm~1cm에 이르는 마이크로파 영역에 있다.
마이크로웨이브 오븐의 동작 원리는 물 분자의 회전운동에 의한 마이크로파의 흡수에 그 기초를 둔다. 물(H2O)은 극성분자이다. 큰 산소(O) 원자 하나에 작은 수소(H) 원자 둘이 붙어 있는데, 두 수소 원자가 산소 원자와 180도를 이루며 붙어 있지 않고 120도의 각도를 유지하고 있다. 수소 원자가 있는 쪽의 끝은 양(+)으로 대전(帶電)된 것처럼 행동하고, 산소(O) 원자가 있는 쪽은 음(-)으로 대전되어 있다. 양전하의 중심과 음전하의 중심이 일치하지 않아 전기쌍극자가 형성된다. 물과 같은 극성분자의 경우 입사하는 전자기파의 전기장을 따라서 전기쌍극자가 정렬하게 되는데, 이는 입사하는 전자기파의 에너지를 흡수한다는 의미이다. 회전 에너지 준위 사이의 에너지 차이는 전자기파 스펙트럼에서 마이크로파의 에너지에 해당한다. 즉 마이크로파가 극성분자인 물에 입사하는 경우 에너지가 흡수되어 회전 에너지 준위를 높이게 되어 들뜬 상태가 되는데, 곧 원래 바닥상태로 되돌아오고 그 에너지 차이는 열로 방출된다. 전자레인지에 음식물을 넣고 돌리면 음식이 데워지는 이유는 음식에 있는 물 분자가 방출한 열이 음식물에 축적되기 때문이다. 물의 경우에 약 12.2cm의 파장(주파수는 2.45 GHz)을 갖는 마이크로파에서 강한 흡수를 하는데, 가정용 전자레인지에서 사용되는 전자기파가 여기에 해당한다. 이 주파수 영역은 블루투스가 사용하는 주파수 영역과 겹치는데, 이런 이유로 작동하는 전자레인지 근처에 있는 블루투스 장치가 오작동하는 경우가 생기기도 한다.
마이크로파는 일반 전파보다 주파수가 높으므로 많은 양의 정보를 보낼 수 있어서 다중통신이나 텔레비전방송에 이용된다. 마이크로파는 극초단파나 초고주파보다 더 빠른 데이터 전송 속도를 달성할 수 있다는 이점 때문에 휴대전화에도 사용된다. 요즈음은 휴대전화가 많이 보급되어 이 영역의 전파가 포화상태라고 한다. 아날로그 TV가 없어지면서 사용하던 주파수도 이동통신용으로 할당되었다. 주파수 할당에 대해서는 뒤에 라디오파에서 더 논의한다. 휴대전화를 영어로 cellular phone이라고 한다. 기지국이라고도 하는 전파중계기를 지상에 육각형으로 촘촘히 배치하여야 어디서나 전화 신호가 잡힌다고 한다. 전파중계기의 배치 모양이 생체의 세포(cell) 모양을 닮았다고 cellular phone이라고 한다. 한때 다음의 가요가 크게 유행하였는데, 요즈음 신세대들은 가사가 이해가 안 된다고 한다. 자기가 못 가면 휴대전화 문자로 못 간다고 통보하면, 눈 오는데 상대편을 온종일 그렇게 고생시키지 않을 터인데, 정말 매너 없는 사람이라고 그런다나.
안 오는 건지, 못 오는 건지,
오지 않는 사람아!
진성(1960~ ) 노래, <안동역에서>(일부)
마이크로파가 이용되는 분야는 다양하다. 특히 일상생활에서 광범위하게 쓰이는 무선 통신에서 극초단파(UHF) 영역의 전자기파가 이용된다. 파장이 언덕이나 건물 등의 방해물의 크기보다 짧아서 직진하는 성질이 강하므로 전송 거리가 가시거리 정도로 제한되지만, 실내에서 벽을 투과하는 성질이 있어서 벽으로 막혀 있는 실내에서도 거리가 멀지 않다면 무선 신호의 통신이 잘 이루어질 수 있다. 흔히 Wi-Fi 라 불리는 무선랜(WLAN: wireless local area network), 블루투스(bluetooth)가 실내에서 잘 작동되는 이유이다. 파장이 1cm~30m인 전자기파는 대기를 잘 투과한다. 따라서 이 파장의 영역에 속하는 마이크로파는 전파천문학이나 우주선, 위성, 레이더 등의 통신 수단으로 쓰이는 데도 유리하다.
불꽃방전을 이용하면 거의 모든 파장의 마이크로파를 발생시킬 수 있으나, 출력이 약하고 불안정하며, 마이크로파를 발생시키려면 특별한 전자관, 클라이스트론, 마그네트론, 메이저 등을 쓰며, 그 전송(傳送)에는 전자나팔이나 파라볼라안테나를 사용하여 날카로운 지향성을 가지게 한다. 파장이 짧으므로 직진성, 반사, 굴절, 간섭 등의 성질은 빛과 비슷하다. 이 성질을 이용하여 탐조등을 비추듯이 한 방향으로 집중된 마이크로파의 빔을 발산하여 항공기나 선박 등의 위치를 알아내는 장치가 레이더이다.
마이크로파는 저주파나 빛에서는 볼 수 없는 물리 효과가 강하게 나타나므로 물질의 성질 연구용으로도 사용되고 있다. 예를 들면 마이크로파를 이용하는 전파분광학에서는 전파의 주파수를 아주 정밀히 측정할 수 있으므로 빛의 분광학에 비해 높은 분해능(分解能)을 얻을 수 있다. 이밖에 원자시계는 원자가 흡수 또는 방출하는 마이크로파의 주파수가 항상 일정하다는 성질을 이용한 것이며, 원자핵 연구에 쓰이는 선형가속기(線型加速器)는 특수한 도파관(導波管) 속의 강력한 마이크로파 전기장이 전자를 가속하여 고에너지의 전자로 만드는 장치이다. 마이크로파 발생장치로부터 도파관을 통해 마이크로파를 유도하여 플라스마 상태를 조성한 후 메탄(CH4) 가스로부터 다이아몬드 막을 합성한다는 사실은 앞 책의 인조 다이아몬드 편에서 설명하였다. 이 밖에 태양 등 천체로부터 오는 전파를 연구하는 전파천문학에서 마이크로파가 주요 영역으로 되어 있다. 우주에서 방출되는 마이크로파는 은하의 구조 연구에 활용된다. 마이크로파는 인공위성을 통해 기상 정보 및 각종 통신 방송을 여러 지역으로 송수신하는 데에 이용된다. 속도 측정기는 움직이는 물체를 향해 마이크로파를 발사하여 되돌아오는 전파를 측정함으로써 속도를 계산한다.
