우리가 쓰는 5G 통신 시작은 2차 대전의 레이더였다? 스마트폰 5G 통신, 날씨 예보, 자동차 충돌 방지 센서까지 전파와 레이더가 어떻게 작동하는지 궁금하셨나요? 복잡해 보이는 전자기파의 원리부터, 전쟁 무기로 시작해 우주 탐사까지 이어진 안테나의 과학 역사를 정리해 드립니다.
[참고자료] 과학·기술의 역사 <시라토리 케이 著>
전자기파와 레이더 통신의 모든 것
【1분 순삭】바쁜 당신을 위한 핵심 포인트
① 전파와 주파수의 관계
주파수가 높고 파장이 짧을수록 통신 시 더 많은 정보를 빠르게 전송할 수 있습니다. (섀넌의 정리)
② 레이더의 작동 원리
안테나에서 쏜 전자기파(빛의 일종)가 대상물에 부딪혀 반사되어 돌아오는 시간과 방향을 측정해 물체의 거리와 위치를 파악합니다.
③ 혁신적인 야기 안테나
과거 TV 수신용으로 쓰던 ‘생선 뼈 모양’ 안테나로, 일본에서 발명되었습니다. 전파를 특정 방향으로 좁고 강하게 송수신하는 ‘지향성’이 뛰어나 레이더 소형화에 기여했습니다.
④ 고주파 생성기 마그네트론
레이더의 해상도를 높이기 위해서는 파장이 짧은 전파가 필요한데, 이를 만들어내는 핵심 진공관 장치입니다. (오늘날 전자레인지에도 쓰입니다.)
⑤ 현대 레이더의 다양한 활약
현재 레이더는 항공 관제, 이지스함의 위상배열 레이더, 자동차 충돌 방지 센서, 날씨를 예측하는 도플러 기상 레이더를 넘어 우주 3D 지도를 만드는 원격 탐사 기술로 발전했습니다
I. 전파 기술의 진화와 전자기파의 원리
■ 통신 주파수의 발전과 섀넌의 정리
① 무선 통신의 시작은 1896년 마르코니의 기술 실용화부터다. 이후 라디오와 TV 방송을 거쳐 통신 기술은 비약적으로 발전했다.
② 통신용 전파는 단파(HF)에서 초단파(VHF), 극초단파(UHF)로 점차 파장이 짧고 주파수가 높은 형태로 진화했다. 오늘날 5G 스마트폰은 밀리미터파 대역을 사용하며, 미래의 6G 통신은 테라헤르츠 대역을 활용할 예정이다.
③ 주파수가 높아질수록 더 많은 부호(0, 1)를 담을 수 있어 전송 정보량이 급증한다. 이는 정보공학자 클로드 섀넌이 제시한 ‘섀넌의 정리(정보량은 주파수 대역폭과 신호 대 잡음비에 비례한다)’를 통해 과학적으로 증명된다.
■ 물체를 탐지하는 전자기파의 반사 성질
① 전파는 빛의 일종이다. 빛처럼 물체에 부딪히면 반사, 회절, 산란하는 파동의 성질을 지닌다.
② 19세기 후반, 맥스웰이 전자기파 이론을 정립했고 헤르츠가 실험으로 그 존재와 성질을 증명했다.
③ 과학자들은 전자기파의 반사 원리를 활용해 물체를 탐지할 수 있다고 판단했다. 1922년 마르코니 역시 전파 반사를 이용한 선박 탐지 아이디어를 제안했다.
II. 군사 목적으로 탄생한 초창기 레이더
■ 제2차 세계대전과 레이더의 실용화
① 레이더는 안테나에서 쏜 전자기파가 대상물에 부딪혀 돌아오는 시간과 방향을 계산해 거리와 위치를 알아내는 장치다.
② 이 원리를 군사적으로 처음 응용한 것은 군 기술자들이었다. 적의 항공기나 군함을 미리 탐지하면 전투를 압도적으로 유리하게 이끌 수 있기 때문이다. 미국은 1930년대에 이미 실용적인 레이더를 완성했다.
III. 안테나 기술의 혁명: 야기 안테나
■ 지향성 안테나의 등장과 원리
① 초기 레이더는 거리를 재기 위해 펄스 전파를 쏘고, 방위를 알기 위해 지향성이 강한 안테나를 회전시켰다. 이때 주로 사용된 것이 파라볼라 안테나나 야기 안테나다.
② 야기 안테나는 일본의 물리학자 야기 히데츠구와 우다 신타로가 1924년에 발명했다. 지붕 위에 설치하던 생선 뼈 모양의 TV 안테나가 바로 이것이다.
③ 이 안테나는 특정 주파수에 맞춰 금속 막대의 길이를 조절해 공진 현상을 유도한다. 특정 방향으로 매우 강한 지향성을 발휘하여 약한 전파를 증폭 수신하거나, 빔을 좁혀 강력한 전파를 송신하는 데 탁월하다.
■ 야기 안테나의 군사 및 통신 응용
① 야기 안테나의 뛰어난 지향성은 군사적 활용 가치가 매우 높았다. 소형화가 가능해 항공기 탑재용 레이더 안테나로도 널리 쓰였다.
② 훗날 이 기술은 원거리 통신과 텔레비전 방송 수신 등 민간 영역으로 확장되며 세계적인 표준 기술로 자리 잡았다.
IV. 단파장 전파의 핵심: 마그네트론 발명
■ 레이더 성능을 끌어올린 고주파 발진기
① 레이더의 해상도를 높이려면 파장이 짧고 주파수가 높은 전파가 필수적이다. 이를 만들어내는 핵심 진공관 장치가 바로 ‘마그네트론’이다.
② 1920년경 미국 GE사의 앨버트 헐이 마그네트론을 최초 발명했다. 이후 1920년대 후반을 거치며 독일, 체코, 일본의 과학자들이 1GHz에서 10GHz에 이르는 고주파 마그네트론 개발에 연이어 성공했다.
③ 마그네트론과 야기 안테나의 결합은 레이더 기술을 비약적으로 발전시켰다. 비록 전쟁 무기로 시작되었으나 결과적으로 수많은 인명을 조기 경보로 살려내는 역할을 했다.
V. 현대 사회의 레이더 기술과 평화적 이용
■ 항공 관제 및 군사 레이더의 고도화
① 현대 레이더 기술의 가장 큰 수요처는 항공 분야다. 복잡한 항로에서 항공기의 안전 간격을 유지하기 위해 항공 관제 레이더(ARSR, ASR 등)가 필수적으로 쓰인다.
② 오늘날의 항공기에는 지상 레이더의 신호에 고도와 속도 등의 비행 데이터를 응답하는 트랜스폰더(2차 레이더)가 탑재되어 정밀한 관제가 가능하다.
③ 최근에는 안테나를 기계적으로 회전시키지 않고 전자적으로 빔의 위상을 조절하는 ‘페이즈드 어레이 안테나’가 주류를 이룬다. 이지스함의 평면 레이더나 전투기의 화기 관제 레이더가 대표적이며, 고장률이 낮고 초고속 다중 타깃 추적이 가능하다.
■ 일상과 우주로 확장된 원격 탐사 기술
① 자동차의 충돌 방지 센서에는 근거리 측정을 위한 60~79GHz 대역의 초고주파 레이더가 쓰인다.
② 날씨를 예측하는 기상 레이더는 빗방울에 반사된 전파로 강수량을 측정한다. 특히 도플러 효과를 응용한 도플러 레이더는 비구름의 이동 속도와 상공의 풍향까지 알아낸다.
③ 오늘날 레이더는 항공기와 위성에서 지구 표면을 정밀하게 스캔하는 ‘리모트 센싱(원격 탐사)’ 기술로 진화했다. 나사(NASA)는 이를 활용해 지구뿐만 아니라 달과 화성의 3D 지도를 제작하며 인류의 미래 우주 기지 건설을 준비하고 있다.
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[참고자료]
베레출판社 <「과학·기술의 역사」를 한 권으로 통째로 알 수 있다> 시라토리 케이 著