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[궁금한S] 전파를 이용한 무선통신기술의 탄생

[앵커]
과학에 대한 모든 궁금증을 풀어주는 <궁금한 S> 시간입니다. 우리가 흔히 사용하는 전화나 인터넷, TV 방송 같은 무선통신은 전파의 특성을 이용하는데요. 인류는 어떻게 전파를 발견했을까요? 그 놀라운 발견을 지금 바로 화면으로 만나보시죠.

[이효종 / 과학 유튜버]
안녕하세요! 과학의 모든 궁금증을 해결하는 궁금한 S의 이효종입니다. 궁금한 S와 함께할 오늘의 이야기 만나볼게요.

현대인의 삶에 없어서는 안 될 필수품이 있죠? 바로 스마트폰입니다.

스마트폰을 통해 우리는 문자나 동영상을 수신하고, 먼 거리에 있는 사람과 전화를 할 수도 있습니다. 이처럼 무선통신의 발달은 현대를 살아가는 삶의 질을 풍요롭게 해줄 뿐만 아니라 앞으로 도래할 4차 산업혁명에서도, 없어서는 안 될 중요한 요소 중 하나라고 할 수 있어요.

그런데 이러한 통신기술과 통신사업 발전의 시발점을 찾아보자면, 바로 정보를 공간상으로 퍼뜨릴 수 있는 능력을 보유한 대상. 즉, 전파의 발견에 있다고도 할 수 있습니다.

그래서 오늘은 정보통신의 놀라운 발전을 일으켜준 전자기파인, 전파에 대한 이야기를 궁금한 S와 알아보도록 하겠습니다.

Radio wave, 통칭 '라디오파'라고 하는 이 전자기파는 통신에 사용하는 모든 대역의 전자기파를 지칭합니다. 국제전기통신연합 ITU의 전파규칙에 따르면 라디오파는 주파수가 3kHz부터 3THz까지인데요. 이를 파장으로 환산하면 1mm에서 100km까지의 모든 전자기파를 의미합니다.

그런데 왜 우리는 통신수단으로서 전자기파를 이용하는 걸까요? 그 이유는 전자기파는 매질을 필요하지 않은 파동이기 때문에 공간상에 마음껏 흩뿌릴 수 있는 장점이 있기 때문입니다. 그리고 장점이 하나 더 있습니다! 전자기파는 빛의 속도로 이동하기 때문에, 전파를 이용한 정보 전달은 관측 가능한 우주 내에서 가장 빠른 속도로 정보를 전달하는 방법이라는 것을, 개발자들은 알고 있었던 것이죠. 그걸 어떻게 알았을까요? 바로, 전자기파의 속도가 빛의 속도임을 발견한 과학자, 제임스 클러크 맥스웰 덕분이었습니다.

맥스웰은 선대 과학자로부터 지속적으로 연구되어 온 전기학과 자기학의 특성을 전자기학이라는 이름으로 수학적인 네 가지 공식으로 통합하게 되는데요. 이 공식 중 제3 공식과 제4 공식, 패러데이의 법칙과 앙페르의 법칙으로 '전자기파'라는 공간상에 퍼져나가는 전자기 파동 에너지를 수식적으로 예견하게 됩니다.

이러한 예견이 헤르츠의 실험을 통해 입증하게 되면서 세상은 경이롭고 놀라운 '전자기파'에 대한 연구에 박차를 가하기 시작하게 되죠.

교류발전의 원리를 이용해 원하는 영역 대의 전파를 만들 수 있게 된 인류는 다양한 영역의 전파를 이용해 원하는 정보를 공간상으로 날려 보내는 것이 가능해지게 되었습니다. 그러나 여전히 문제는 남아있었습니다. 이렇게 공간상으로 퍼져나가는 전파를 특정한 대상에게 정확하게 전달하려면 어떻게 해야 할까요?

현재 우리가 사용하고 있는 전기부품 중에는 코일이라 불리는 전류가 빙빙 감겨 흘러갈 수 있는 형태의 부품과 축전기라고 불리는 두 개의 극판이 마주 보고 있어서 전기장을 형성하는 부품이 있습니다. 이 전기부품은 건전지의 전류와 같이 일정한 크기로 흐르는 전류인 직류에서는 지극히 평범한 모습을 나타내지만, 전자의 전기적 진동에 의해 에너지를 흐르게 만드는 방식인 교류에서는 매우 독특한 특징을 가지게 됩니다.

코일에 전류가 흐르게 되면 코일 내부에 자기장이 형성되는 것을 볼 수 있는데요. 만약 전류가 일정하게 공급되는 것이 아니라 특정한 주기로 출렁거리게 된다면 코일 내부에 발생 되었던 자기장이 세기를 유지하고자 하는 관성에 의해 전류의 출렁임이 방해받게 됩니다.

물리학에서는 유도된 자기장이 전류를 방해한다는 의미에서 유도 리액턴스라고 부릅니다. 이 유도 리액턴스는 전류의 진동이 빠르면 빠를수록, 전류의 출렁임 정도가 빠르면 빠를수록 유도되는 자기장의 크기가 커지게 됩니다.

그건 그만큼 방해 공작이 커지게 된다는 특징을 가지게 된다는 뜻이죠.

다음은 축전기에 대한 특징을 간단하게 알아볼 거예요. 축전기에 전류가 흐르면 가우스의 법칙에 따라 양극판에 전하가 축적되는 것을 볼 수 있습니다.

여기서 앞선 코일처럼 출렁이는 전류가 공급되면 기존에 차곡차곡 쌓여있던 전하가 만드는 전기 에너지에 의해 전류의 출렁임이 방해를 받게 되는데요. 이러한 현상은 극판에 쌓여있는 전하의 에너지가 전류를 방해한다는 의미에서 용량 리액턴스라고 부릅니다. 이 용량 리액턴스는 전류의 진동이 느리면 느릴수록, 즉 전류의 출렁임이 느리게 진행되면 진행될수록 양극판에 쌓이는 전하량이 많아지게 되어 그만큼 방해공작이 커지게 되는 특징을 가집니다. 코일과 축전기가 직류가 아닌 교류회로에 동시에 존재하게 되었을 때 회로에서는 독특한 특징이 나타나게 됩니다.

용량 리액턴스와 유도 리액턴스에 의해 회로에 공급되는 전자기 진동이 아주 특별한 진동수를 가지게 되는 순간, 두 리액턴스의 방해가 매우 작아지게 되는 순간이 발생하게 되는 것이죠. 이러한 진동수를 우리는 공명 진동수 또는 공진 진동수라고 부르게 되며 코일과 축전기에 의해 만들어진 회로를 특정한 주파수에만 공명하여 그 주파수만의 정보를 받을 수 있는 회로라는 의미에서 이를 '공진 회로'또는 'RLC 회로'라고 부릅니다.

이러한 공진회로를 이용해서 특정한 주파수에 담긴 정보만을 선택적으로 받을 수 있도록 만든 도구가 안테나이며 이 안테나를 통해서 송신된 여러 전파 중에서 필요한 특정전파를 캐치할 수 있는 것이 현재 이용되고 있는 대부분 통신수단의 가장 기본적인 원리랍니다.

오늘은 우리 삶에 꼭 필요한, 현대사회에서는 거의 필연적인 존재와도 같은 대상! 전파에 대해 함께 알아봤습니다. 전파는 볼 수도 들을 수도, 만져볼 수도 있는 무형의 존재이지만 우리 삶에 밀접하게 연관되어 있다는 것을 알 수 있습니다. 이런 전파가 인류 문명 속에 들어온 지는 100년이 채 되지 않았지만, 이러한 발견 덕분에 우리는 머나먼 공간에 있는 사람들 간의 활발한 교류를 만들어 낼 수 있었고, 이는 인류의 삶이 더욱 편리해짐을 넘어선 지구 전체의 문화 교류의 장을 만들어냈다는 의의가 있을 수 있겠죠?

그럼 <궁금한 S>는 여기서 이만 인사드릴게요. 과학에 대한 궁금증이 있다면 언제든 YTN 사이언스 유튜브에 댓글을 남겨주세요. 이상 <궁금한 S>였습니다!
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