휴대전화기 전파의 정체는 뭘까? ver2

휴대전화기 전파의 정체는 뭘까? 우리가 몰랐던 이동통신의 비밀

요즘 스마트폰 없이 하루를 보내기 힘드시죠? 저도 마찬가지예요. 아침에 눈 뜨자마자 알람을 끄고, 출근길에 뉴스를 확인하고, 점심시간에 친구와 카톡을 주고받고, 퇴근 후에는 유튜브로 영상을 보며 하루를 마무리합니다. 그런데 문득 이런 생각이 들더라고요. "도대체 어떻게 이 작은 기기 하나로 수백, 수천 킬로미터 떨어진 사람과 실시간으로 대화가 가능한 걸까?"

오늘은 그 비밀의 열쇠, 바로 '전파'에 대해 이야기해보려고 합니다. 물리 시간에 졸았던 분들도 괜찮아요. 최대한 쉽게 풀어드릴게요.

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전파, 너 도대체 뭐니?

먼저 기본부터 짚고 넘어가야겠죠. 전파라는 게 뭔지 제대로 이해하려면 '전자파'라는 개념부터 알아야 해요.

전자파는 쉽게 말해서 전기장과 자기장이 서로 얽혀 만들어내는 파동이에요. 마치 돌멩이를 물에 던지면 동심원 형태로 물결이 퍼져나가듯이, 전자파도 공간을 통해 퍼져나갑니다. 다만 물결과 달리 전자파는 물이나 공기 같은 매질이 없어도, 심지어 진공 상태에서도 이동할 수 있어요. 우주 공간에서도 통신이 가능한 이유가 바로 이것이에요.

여기서 정말 놀라운 사실 하나를 알려드릴게요. 모든 전자파는 진공 상태에서 초속 약 299,792,458미터, 쉽게 말해 초당 약 30만 킬로미터로 이동합니다. 이게 어느 정도 속도냐면, 1초 만에 지구를 일곱 바퀴 반이나 돌 수 있는 엄청난 속도예요. 빛의 속도라고도 하는데, 사실 빛도 전자파의 일종이거든요.

그런데 전자파라고 해서 다 같은 건 아니에요. 파장의 길이에 따라 성질이 완전히 달라지거든요. 파장이 아주 짧은 감마선이나 X선은 물체를 투과하는 능력이 뛰어나서 병원에서 진단용으로 쓰이고, 파장이 조금 긴 자외선은 살균 작용을 하죠. 우리 눈에 보이는 가시광선은 무지개의 일곱 색깔로 이루어져 있고요. 적외선은 열을 전달하는 데 쓰이고, 파장이 더 긴 전파는 바로 우리가 오늘 이야기할 통신에 사용됩니다.

국제전기통신연합(ITU)에서는 주파수가 3테라헤르츠(3,000기가헤르츠) 이하인 전자파를 '전파'로 정의하고 있어요. 주파수와 파장은 반비례 관계라서, 주파수가 낮으면 파장이 길고, 주파수가 높으면 파장이 짧아집니다. 이 특성 때문에 용도에 따라 다른 주파수 대역을 사용하게 되는 거예요.

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휴대전화는 어떤 전파를 쓸까?

자, 이제 본격적으로 휴대전화 이야기를 해볼게요.

휴대전화가 통신에 사용하는 전파는 주로 '마이크로파' 대역에 속합니다. 마이크로파는 파장이 1밀리미터에서 1미터 사이인 전파를 말하는데, 주파수로 따지면 대략 300메가헤르츠(MHz)에서 300기가헤르츠(GHz) 사이에요. 꽤 넓은 범위죠.

그런데 왜 하필 마이크로파일까요? 여러 가지 이유가 있어요.

첫째, 마이크로파는 직진성이 좋아요. 마치 손전등 빛처럼 한 방향으로 쭉 나아가는 성질이 있어서, 정보를 정확하게 원하는 곳으로 보내기 좋습니다. 레이더나 위성통신에서 마이크로파를 쓰는 것도 이런 이유에서예요.

둘째, 정보를 많이 실어 나를 수 있어요. 주파수가 높을수록 더 많은 데이터를 동시에 전송할 수 있거든요. 도로에 비유하자면, 주파수가 높은 건 차선이 많은 고속도로 같은 거예요. 한 번에 더 많은 차가 지나갈 수 있으니까요.

셋째, 안테나를 작게 만들 수 있어요. 안테나 크기는 파장에 비례하는데, 마이크로파는 파장이 짧으니까 안테나도 작게 만들 수 있습니다. 그래서 손바닥만 한 스마트폰 안에도 여러 개의 안테나가 들어갈 수 있는 거예요.

우리나라에서 이동통신에 사용되는 주파수는 시대에 따라 계속 변해왔어요. 1세대(1G) 아날로그 시절에는 800MHz 대역을 주로 썼고, 2세대(2G) 디지털 시대로 넘어오면서 1.8GHz 대역도 추가됐죠. 3세대(3G)에서는 2.1GHz, 4세대(4G) LTE에서는 700MHz부터 2.6GHz까지 다양한 대역을 사용하게 됐어요.

재미있는 건, 같은 시대에 통신사마다 다른 주파수를 사용하기도 했다는 거예요. 예를 들어 2G 시절 SK텔레콤은 800MHz 대역을 선점했는데, 이 주파수는 '황금주파수'라고 불릴 정도로 통화 품질이 좋았어요. 파장이 길어서 건물 안이나 지하, 산악 지역에서도 신호가 잘 잡혔거든요. 반면 KT와 LG는 1.8GHz 대역을 사용했는데, 주파수가 높다 보니 직진성은 좋지만 장애물을 만나면 신호가 반사되어 버리는 문제가 있었어요. 그래서 같은 수준의 통화 품질을 유지하려면 기지국을 1.7배 이상 더 많이 설치해야 했다고 해요.

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기지국이 없으면 전화도 없다

휴대전화 통신의 핵심 인프라 중 하나가 바로 기지국이에요. 건물 옥상에서 철탑처럼 생긴 안테나를 보신 적 있으시죠? 그게 바로 기지국이에요.

기지국은 휴대전화와 통신망을 연결해주는 무선 통신 설비예요. 영어로는 BTS(Base Transceiver Station)라고 하는데, 방탄소년단의 약자와 같아서 헷갈리실 수도 있겠네요. 어쨌든, 우리가 전화를 걸거나 문자를 보내면 그 신호는 먼저 가장 가까운 기지국으로 전송됩니다. 그러면 기지국은 그 신호를 유선 통신망으로 전달하고, 다시 상대방 근처의 기지국을 거쳐 상대방 휴대전화로 전달되는 거예요.

하나의 기지국이 담당하는 구역을 '셀(Cell)'이라고 해요. 휴대전화를 영어로 'Cellular Phone'이라고 부르는 것도 여기서 유래했어요. 셀은 이론적으로 정육각형 모양인데, 마치 벌집처럼 서로 연결되어 전국을 빈틈없이 덮고 있습니다.

그런데 여기서 문제가 하나 있어요. 우리가 이동하면서 통화를 하잖아요? 버스를 타고 가다가 한 셀에서 다른 셀로 넘어가게 되면 어떻게 될까요? 이때 통화가 끊기지 않도록 자연스럽게 다음 기지국으로 연결을 넘겨주는 기술을 '핸드오프' 또는 '핸드오버'라고 해요. 고속도로에서 톨게이트를 통과하듯이, 우리가 눈치채지 못하는 사이에 기지국 간 인계인수가 이루어지는 거죠.

서울처럼 인구 밀도가 높은 지역에서는 기지국 하나가 담당하는 범위가 보통 3~5km 정도예요. 사용자가 많으니까 셀을 작게 나눠서 통화 품질을 유지하는 거죠. 반면 시골이나 산간 지역에서는 셀 하나가 수십 킬로미터를 커버하기도 해요.

최근에는 기지국 기술도 많이 발전했어요. 예전에는 기지국 안에 엄청난 양의 장비가 들어가서 컨테이너만 한 공간이 필요했는데, 요즘은 CPRI라는 기술을 사용해서 RF 송수신만 담당하는 작은 장비만 현장에 설치하고, 나머지 장비는 가까운 통신국에 모아서 관리한다고 해요.

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전자레인지랑 휴대전화가 친척이라고?

혹시 이런 의문을 가져보신 적 있나요? "마이크로파면... 그거 전자레인지에서도 쓰는 거 아니야?"

정답입니다. 전자레인지도 마이크로파를 사용해요. 주로 2.45GHz 주파수의 마이크로파를 쏴서 음식물 안의 물 분자를 진동시키고, 그 진동으로 열이 발생해서 음식이 데워지는 원리예요.

그러면 휴대전화를 쓰면 우리 몸도 데워지는 걸까요? 결론부터 말씀드리면, 걱정하실 필요 없어요. 휴대전화에서 나오는 마이크로파의 출력은 전자레인지의 수천 분의 1 수준이거든요. 전자레인지가 700~1000와트급인 데 비해, 휴대전화는 기껏해야 1와트 내외예요. 게다가 전자레인지는 밀폐된 공간에서 음식에 집중적으로 전파를 쏘지만, 휴대전화는 사방으로 전파를 발산하니까 우리 몸에 도달하는 에너지는 극히 미미합니다.

물론 전자파 건강 영향에 대한 연구는 지금도 계속되고 있어요. 세계보건기구(WHO)에서는 휴대전화 전자파를 "발암 가능성이 있을 수 있는 물질(Group 2B)"로 분류하고 있지만, 이건 커피나 피클과 같은 분류예요. 확실한 발암 물질이라는 뜻이 아니라, "아직 확실한 결론을 내리기 어렵다"는 의미에 가깝습니다.

그래도 불안하시다면, 통화할 때 이어폰을 사용하거나 스피커폰 모드를 활용하면 전자파 노출을 줄일 수 있어요.

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5G 시대, 밀리미터파의 등장

자, 이제 최신 이야기를 해볼까요? 바로 5G입니다.

5세대 이동통신인 5G는 2018년부터 상용화되기 시작했어요. 우리나라는 2018년 12월 1일에 세계 최초로 5G 무선 이동통신을 개통해서 화제가 됐죠. 5G의 가장 큰 장점은 세 가지예요. 초고속, 초저지연, 초연결.

먼저 초고속. 5G의 이론적 최대 전송속도는 20Gbps인데, 이건 4G LTE보다 20배나 빠른 거예요. 2시간짜리 영화 한 편을 10초 만에 다운로드할 수 있는 속도죠.

다음으로 초저지연. 5G의 전송 지연 시간은 1밀리초(ms)로, LTE의 10밀리초보다 10배 짧아요. 이게 왜 중요하냐면, 자율주행차처럼 실시간 반응이 중요한 기술에서는 0.01초의 지연도 사고로 이어질 수 있거든요.

마지막으로 초연결. 5G는 1제곱킬로미터당 100만 개의 기기를 동시에 연결할 수 있어요. LTE가 10만 개였으니 10배나 늘어난 거죠. 사물인터넷(IoT) 시대에 꼭 필요한 기능이에요.

그런데 이런 놀라운 성능을 내려면 기존과는 다른 주파수 대역이 필요해요. 바로 '밀리미터파(mmWave)'입니다.

밀리미터파는 이름 그대로 파장이 밀리미터 단위인 전파예요. 주파수로 따지면 30GHz에서 300GHz 사이인데, 우리나라에서는 주로 28GHz 대역을 5G에 할당했어요. 기존 LTE가 사용하던 주파수보다 10배 이상 높은 거죠.

밀리미터파의 장점은 대역폭이 넓다는 거예요. 주파수가 높으니까 한 번에 훨씬 더 많은 데이터를 보낼 수 있어요. 기존 3.5GHz 대역 5G가 100MHz 대역폭을 사용하는 데 비해, 28GHz 대역은 800MHz까지 대역폭을 확보할 수 있습니다. 8배나 더 넓은 도로인 셈이죠.

하지만 단점도 있어요. 파장이 짧으면 직진성은 좋아지지만, 장애물을 만났을 때 투과하거나 휘어 들어가는 능력(회절)은 떨어져요. 그래서 밀리미터파는 벽 하나만 있어도 신호가 크게 약해지고, 비나 안개 같은 기상 조건에도 영향을 많이 받습니다.

이런 문제를 해결하기 위해 5G에서는 '빔포밍(Beamforming)'이라는 기술을 사용해요. 예전에는 기지국에서 사방으로 전파를 뿌렸다면, 빔포밍은 특정 사용자에게 집중적으로 전파 빔을 쏘는 방식이에요. 마치 탐조등처럼요. 여러 개의 안테나를 정교하게 제어해서 빔의 방향과 세기를 조절하는 거죠. 이렇게 하면 같은 전력으로도 더 강한 신호를 보낼 수 있고, 다른 사용자와의 간섭도 줄일 수 있어요.

또한 5G 기지국은 기존보다 훨씬 촘촘하게 설치해야 해요. LTE 기지국이 수 킬로미터를 커버했다면, 밀리미터파 5G 기지국은 250~300미터 정도밖에 커버하지 못하거든요. 그래서 스몰셀(Small Cell)이라고 불리는 소형 기지국을 신호등, 가로등, 건물 외벽 등 곳곳에 설치하는 방식이 사용됩니다.

사실 현재 우리나라에서 상용화된 5G는 대부분 3.5GHz 대역을 사용하고 있어요. 이건 엄밀히 말하면 밀리미터파는 아니고, 'Sub-6'라고 불리는 6GHz 이하 대역이에요. 진정한 초고속 5G를 경험하려면 밀리미터파 인프라가 더 확충되어야 하는데, 아직은 비용과 기술적 한계 때문에 일부 지역에서만 서비스되고 있습니다.

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6G는 어떤 세상을 열까?

5G도 아직 완전히 정착되지 않았는데, 벌써 6G 이야기가 나오고 있어요. 6G는 2030년경 상용화를 목표로 연구 중인데, 이론적 최대 전송속도가 1테라비트(Tbps)에 달할 것으로 예상돼요. 5G보다 50배 빠른 거죠.

6G에서는 더 높은 주파수인 테라헤르츠파(100GHz~10THz)를 사용할 것으로 보여요. 이 정도 주파수가 되면 거의 빛에 가까운 특성을 갖게 됩니다. 홀로그램 통화, 디지털 트윈, 촉각 인터넷 같은 SF 영화에서나 보던 기술들이 현실이 될 수도 있어요.

물론 아직 갈 길이 멀어요. 테라헤르츠파는 밀리미터파보다 더 짧은 거리만 전파되고, 대기 중 수증기에 흡수되는 등 극복해야 할 기술적 난관이 많거든요. 하지만 우리 인류가 100년 전만 해도 상상도 못 했던 기술들을 지금 당연하게 쓰고 있잖아요? 10년 후에는 또 어떤 놀라운 세상이 펼쳐질지 기대가 됩니다.

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전파를 제대로 알면 세상이 다르게 보인다

지금까지 휴대전화 전파에 대해 꽤 긴 이야기를 했는데요, 정리해볼게요.

전파는 전자파의 일종으로, 빛의 속도인 초당 30만 킬로미터로 이동합니다. 휴대전화는 마이크로파 대역의 전파를 사용하는데, 이는 정보 전달량이 많고 안테나를 소형화할 수 있어서 이동통신에 적합해요. 기지국과 셀 시스템을 통해 전국 어디서나 끊김 없는 통신이 가능하고, 핸드오버 기술 덕분에 이동 중에도 통화가 유지됩니다. 5G 시대에 들어서면서 밀리미터파라는 새로운 주파수 대역을 활용해 초고속, 초저지연 통신이 가능해졌고, 빔포밍 같은 첨단 기술로 단점을 보완하고 있습니다.

생각해보면 참 신기하지 않나요? 눈에 보이지도 않는 전파가 우리의 목소리와 영상, 데이터를 순식간에 지구 반대편까지 전달해주다니요. 다음에 스마트폰으로 영상통화를 하거나 유튜브를 볼 때, 이 모든 걸 가능하게 해주는 전파와 기지국, 그리고 그 뒤에 숨은 수많은 기술자들에게 살짝 감사한 마음을 가져보는 건 어떨까요?

오늘 글이 도움이 되셨으면 좋겠고요, 궁금한 점이 있으시면 댓글로 남겨주세요. 다음에도 재미있고 유익한 이야기로 찾아올게요!

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참고자료

• 한국방송통신전파진흥원 전파안전정보센터
• 국제전기통신연합(ITU) 전파규칙
• 한국통신학회 정보와 통신 열린강좌
• 과학기술정보통신부 5G 주파수 할당 자료