주파수란 전파가 공간을 이동할 때 1초 동안에 진동하는 횟수를 말한다. 1초 동안에 한번 진동하면 1 헤르쯔(Hz)라 하고, 1천 번 진동하면 1킬로헤르쯔(KHz), 100만 번 진동하면 1 메가헤르쯔(MHz), 10억 번 진동하면 이를 1 기가헤르쯔(GHz)라고 한다.

진동횟수를 분류하는 이유가 있다. 주파수에 따라 파장이 반비례하면서 전파의 성질이 크게 변화하고 있기 때문이다.


진동횟수가 많으면 전파의 파장이 짧아진다. 파장이 짧아질수록 전파의 직진성(直進性)이 높아진다. 장애물에 부딪히면 그대로 뚫고 지나가거나 반사된다. 이 같은 직진성은 음질 등의 감도가 높아지는 이유가 된다. 반면 많은 진동횟수로 인해 멀리 나아가지 못하는 단점이 있다.

주파수 고갈사태로 밀리미터파 주목

반대로 진동회수가 적으면 전파의 파장이 길어진다. 파장이 긴 만큼 단파보다 훨씬 더 먼 곳으로 정보를 전달할 수 있다. 반면 장애물을 돌아 나가는 회절(回折) 현상으로 인해 정보량의 일부가 손상될 수 있다. 단파에 비해 감도가 떨어진다. 장파인 AM방송과 단파인 FM방송을 비교하면 이해가 쉬워진다.

통신 관계자들은 보통 사람이 들을 수 있는 주파수 대역(frequency range)을 20만~1만5천 Hz 정도로 보고 있다. 우리가 사용하고 있는 대부분의 전파 주파수는 3GHz 대역 이하로 보면 된다. 최근 많이 사용하고 있는 이동전화의 경우 셀룰러폰이 800MHz, PCS폰이 1800MHz 대역을 사용하고 있다. 숫자가 많을수록 장파다.

그러나 지금까지 10GHz 이상의 주파수를 사용한 예는 군사나 우주개발 같은 특수한 사례가 아니면 찾아보기 힘들었다. 진동횟수가 너무 높아 지나칠 정도로 장점과 단점이 공존하고 있기 때문이었다. 그러나 최근 상황이 달라지고 있다. 과학자들이 초고주파인 밀리미터파(millimeter wave)에 주목하기 시작했다.

밀리미터파의 주파수는 10GHz를 훨씬 넘는 30~300GHz에 달한다. 초고주파인 만큼 파장은 1~10mm에 불과하다. 파장이 cm보다 작은 mm 수준이기 때문에 밀리미터파란 명칭이 붙었다.

과학자들이 이 초 고주파에 주목하고 있는 가장 큰 이유는 최근 벌어지고 있는 주파수 고갈사태 때문이다. 휴대폰 하나로 위성망·무선랜·인터넷 등을 모두 사용할 수 있는 4세대(G) 이동통신이 개발되고 있는 상황에서 지금의 주파수 대역으로는 엄청난 양의 정보량을 전송할 수가 없다. 그 대안 중의 하나가 밀리미터파다.

밀리미터파 주파수 영역 테라급으로 확대

서울대 뉴미디어통신공동연구소 내의 3차원 밀리미터파 창의연구단은 상업적으로 미개척 영역인 이 밀리미터파를 새로운 통신 자원으로 활용하는 방안을 찾고 있는 연구소 중의 하나다. 밀리미터파의 장점을 최대한 활용하면 지금의 주파수 고갈사태를 해결할 수 있는 방안을 찾아낼 수 있다는 것이 연구단장 권영우 서울대 교수의 판단이다.

실제로 지금 국내에서는 이 밀리미터파를 활용하려는 시도가 다양하게 전개되고 있다. 지난 2009년 11월18일 방송통신위원회는 전체 회의를 열고 CCTV 구간마다 비싼 광케이블을 설치하는 대신 밀리미터파 주파수를 이용하는 방안을 의결했다. 밀리미터파 주파수인 71~76GHz, 81~86GHz를 고정 점대점(Point-to-Point) 통신용으로 신규 분배하겠다는 것.

직선 구간에서 특별한 장애물만 없다면 많은 양의 정보를 정확히 전달할 수 있는 것이 밀리미터파의 장점이다. 이 장점을 살려 점대점 통신용으로 활용하겠다는 것. 방통위 관계자는 분배된 밀리미터파 대역을 통해 1기가급 이상의 초 광대역 데이터 전송속도를 구현하는 일이 가능해졌다고 말했다. 4세대(G) 이동통신 시대의 급속히 늘어난 데이터 용량을 소화해 낼 수 있을 것으로 예상했다.

밀리미터파 주파수 영역은 최근 1조 단위인 테라(Tera) 수준으로 확대되고 있다. 지난해 말 한국전자통신연구원(ETRI) 관계자는 미래전파연구회가 '미래 전파 5대 응용 서비스'란 주제로 개최한 세미나를 통해 '기가바이트 급 무선전송이 가능한 T(테라)급 밀리미터파 주파수 개발'이 가능하다고 말했다.

밀리미터파 주파수를 활용한 기기 개발도 활기를 띠고 있다. 동국대 밀리미터파 신기술 연구센터는 지난 2009년 3월 국방과학연구소, (주)한화와 공동으로 밀리미터파 대역에서 동작하는 'FMCW 레이더 수신기용 원칩(MIMIC)'을 개발했다고 발표했다.

밀리미터파 의료기, 카메라도 등장

크기 3.3㎜×2.5㎜ 크기의 MIMIC는 밀리미터파대역 센서 모듈 제작에 사용되는 부품으로 저 잡음 증폭기와 신호를 복원하기 위한 주파수 혼합기를 하나의 칩에 집적화 시킨 것이 특징이다. 연구센터는 이 칩이 향후 밀리미터파대역 소자를 국산화하는데 원천기술로 큰 역할을 할 수 있다고 보았다.

밀리미터파 카메라도 개발됐다. 2009년 10월 삼성탈레스는 미국에 이어 두 번째로 안개ㆍ비ㆍ먼지ㆍ화염ㆍ연기는 물론 방수막ㆍ위장막 등의 장애물을 뚫고 물체의 형상을 투시할 수 있는 밀리미터파 카메라 '미래(MIRAE)'를 개발했다고 밝혔다. 장애물을 손쉽게 통과하는 밀리미터파의 장점을 활용한 제품이다.최근 들어서는 BT(생명공학) 쪽에서 이 밀리미터파를 적극적으로 활용하고 있다. 인체 내 병변이나 스낵류 등 식품 내 이물질을 정밀하게 관찰할 수 있는 '테라 헤르츠파(T-ray)'를 예로 들 수 있다.

'T-레이'는 주파수 대역이 일반 전자기파보다는 높지만 가시광선 및 X-레이 등에 비해서는 낮은 테라 헤르츠(Tera Hertz) 대역의 파동을 이용하는 전자기파를 말한다. 과거에는 전자기 스펙트럼상 관찰과 활용이 어려웠으나, 최근 과학기술이 발전하면서 그것이 가능해졌다.
'T-레이'가 개발될 수 있었던 것은 초 고주파가 갖고 있는 높은 해상도 때문이다. 검사 대상물질을 정확히 식별할 수 있어 의료용 도구로 개발돼 큰 인기를 끌고 있다. LG경제연구원은 최근 보고서를 통해 'T-레이'를 '인류의 삶을 바꿀 신기술'로 선정한 바 있다.

한편 서울대 마이크로파·바이오집적시스템연구단에서는 이 밀리미터파를 이용해 암 치료를 할 수 있는 탐침을 개발, 암 치료에 효율적으로 활용하고 있다. 암세포가 열에 약한 성질을 감안, 마이크로파 탐침으로 암 세포 위치를 정확히 알아낸 후 태워버리는 의료기기다.

밀리미터파가 최근 큰 주목을 받고 있는 것은 미세 공정기술이 급속히 발전하고 있기 때문이다. 최근 10의 15제곱분의 1 크기의 펨토(femto) 초급 레이저 기술 등 초미세 공정기술(MEMS)은 놀라울 만큼 빠른 속도로 진화하고 있다. 나노세계를 통제하는 기술들도 속속 개발되고 있는 중이다. 밀리미터파의 시대가 오고 있음을 말해주고 있다.

* 이 기사는 교과부 발간 '꿈나래 21' 9월호에 게재된 기사입니다.