[고재현의세상속물리이야기] 5G 통신과 전자기파

5G 이달 송출… 차세대 산업에 큰 영향 / 전자기파 피부에 흡수… 인체 영향 우려도

지난 1일 5세대(5G) 이동통신의 시작을 알리는 첫 전파가 한반도에서 송출됐다. 시간 지연 없이 초고속으로 더 많은 기기를 연결한다는 5G 통신의 특징은 가상현실 등의 콘텐츠뿐 아니라 사물인터넷(IoT), 스마트 공장, 자율주행을 포괄하는 차세대 산업 분야에도 큰 영향을 끼칠 것으로 예상된다. 하지만 막상 5G 통신의 특징이나 이를 가능케 하는 전파의 속성에 대해선 잘 알려져 있지 않다.

5G 통신과 관련해 전파, 전자파, 전자기파 등 다양한 용어가 사용되지만 이들은 모두 동일한 물리적 실체를 가리킨다. 전자기파는 19세기 영국의 물리학자 맥스웰이 기존의 전기와 자기에 관한 이론을 통합한 후 예측한 파동으로서 전기장과 자기장이 발맞춰 진동하며 빛의 속도로 날아가는 파동을 말한다. 이론적으로 예측된 전자기파는 독일 과학자 헤르츠의 실험을 통해 그 존재가 증명됐다. 헤르츠는 본인의 발견이 얼마나 큰 실용적 가능성을 갖는지 상상할 수 없었지만 뒤이은 마르코니의 무선 통신 실험을 통해 전자기파의 활용이 본격화됐다.

전자기파는 주파수에 따라 분류된다. 이동통신에 사용되는 주파수 대역은 보통 0.8~3.5㎓다. 1㎓는 전자기파의 전기장이 1초에 10억 번 진동함을 나타낸다. 와이파이, 블루투스, 위성항법장치(GPS)에 활용되는 전자기파도 이 영역에 속한다. 따라서 각종 통신과 방송에 사용되는 주파수는 국제기구와 각국 정부에 의해 엄격히 관리되며 배분된다.

이번에 시작된 5G 통신은 기존의 롱텀에볼루션(LTE)과 결합된 주파수인 3.5㎓ 대역을 사용하지만, 내년 하반기에는 28㎓ 부근의 고주파수 전자기파를 활용하게 될 전망이다. 주파수가 증가하면 데이터를 전송할 수 있는 대역폭이 넓어지기에 같은 시간에 더 많은 데이터를 주고받을 수 있다. 주파수가 수십 ㎓인 전자기파는 밀리미터 정도의 파장을 갖기에 밀리미터파라고 불린다. 전자기파는 주파수가 높을수록 지향성이 강해지고 벽이나 건물 같은 장애물을 피하기 힘들어진다. 이에 5G 통신에서는 기존의 기지국이 커버하는 것보다 더 작은 공간을 담당하는 스몰 셀이라 불리는 소형 기지국이 촘촘히 배치되는 방식으로 운영될 예정이다. 게다가 스마트 안테나를 이용해 전자기파를 빔의 형태로 만들어서 사용하는 동안만 기기에 쏘아 주는 다중입출력 방식이 적용될 예정이라 한다.

한편으로는 새로운 주파수 대역의 전자기파가 사람과 생태계에 미치는 영향에 대한 우려도 제기되고 있다. 전자기파는 다양한 방식으로 인체를 구성하는 생체 조직에 흡수되며 미약한 발열 효과를 낼 수 있다. 보통 6㎓ 이하의 전자기파는 인체의 단위 질량당 흡수되는 양을 기준으로 관리한다. 내년에 사용될 밀리미터파는 주로 인체의 피부에 흡수되는 것으로 알려져 있기에 인체보호를 위한 새로운 관리 기준을 만들기 위한 연구가 진행 중이다.

우린 오늘도 다양한 전자기파가 실어나르는 신호에 둘러싸여 정보 소통의 시대를 살아간다. 5G 통신은 차선이 대폭 늘어난 정보 고속도로를 훨씬 더 많은 정보가 지체 없이 내달릴 가능성을 열어준다. 사람과 사람, 사람과 사물, 그리고 사물과 사물을 새로운 차원의 네트워크로 연결할 5G 통신의 시대에 새롭게 열리는 가능성과 기회를 모두가 공평하게 누릴 수 있기를 기원해 본다.

고재현 한림대 교수·물리학