마이크로파

마이크로파(microwave)는 파장 약 1mm 이하의 전파로서, 원적외부에 접하는 1mm 이하의 서브밀리파도 포함시킨 것이다. 극초단파라고도 한다.

파장이 짧은 성질은 빛과 유사하여 넓은 공간을 직진하고 장애물이 있으면 투과하지 못하며 평면 금속판에 닿으면 입사한 방향에 따라 결정되는 반사방향으로 반사한다. 또한 유전체에 부딪히면 굴절되고 기상변화에 따라 흡수, 산란되어 감쇠현상을 일으킨다. 이런 원리를 이용하여 텔레비전이나 장거리 전화의 중계 회선, 인공위성과 지구국간의 통신회선, 레이더 등에 쓰이며, 분자의 구조나 원자의 미세구조를 연구하는 전파분광학에서도 쓰인다.

발진·증폭에는 특수한 장치가 필요하다. 발진에는 메이저를 쓸 수도 있으나 보통 속도변조관·마그네트론·BK관 등이 이용된다. 증폭용에는 진행파관, 속도변조관 등이 있다. 안테나에는 전자기나팔이나 포물면 반사거울을 쓰는데, 지향성이 날카롭고 손실이 작다. 이온층에 의한 반사가 없으므로 통신시 가시거리 외에는 중계를 필요로 하지만, 전파상태는 대체로 안정하고 혼선이 거의 없으며 외래잡음이 적다. 또 주파수 대역을 넓게 잡을 수 있다. 검파에는 결정검파기, 볼로미터, 더미스터 등을 쓴다. 서브멀리파의 발생은 상당히 곤란하며 파장 2cm 이하에서는 수증기 등에 의한 흡수가 영향을 준다. 공학적으로는 통신용 외에 고주파가열·레이더 등에도 이용된다.

개요

마이크로파는 파장이 라디오파보다 짧고, 적외선(IR)보다 긴 전자기파의 한 종류로, 주파수로는 10⁹ Hz ∼ 3 × 10¹¹ Hz 범위에 있고, 파장으로는 1 mm ~ 1 m 사이의 범위에 있다. 마이크로파는 레이더, 휴대전화, 와이파이(Wi-Fi), 전자레인지 등에 다양하게 사용되어지고 있다.

마이크로파의 이름에서 '마이크로'의 의미는 파장이 마이크로미터 정도라는 의미가 아니라, 라디오 방송에 사용되는 전파에 비해 파장이 짧다는 의미로 사용된 것이다. 실제로 마이크로파의 파장은 마이크로미터(m)보다 훨씬 긴 밀리미터(mm) 이상이 된다. 마이크로파를 구분하는 기준은 여러 가지인데, 국제전기통신연합(ITU)의 정의를 기준으로 보면, 라디오파에 속한다고 할 수도 있는데, 그 중에서, 주파수가 큰 극초단파(ultra high frequency: UHF), 초고주파(super-high frequency: SHF), 극고주파(extremely high frequency: EHF)를 마이크로파에 포함시킬 수 있다.

마이크로파는 응용이 되는 분야가 다양하다. 특히 일상생활에서 광범위하게 쓰이는 무선 통신에서 극초단파(UHF) 영역의 전자기파가 이용된다. 파장이 언덕이나 건물 등의 방해물의 크기보다 짧아서 직진하는 성질이 강하므로 전송거리가 가시거리 정도로 제한되지만, 실내에서 벽을 투과하는 성질이 있어서 벽으로 막혀 있는 실내에서도 거리가 멀지 않다면 무선 신호의 통신이 잘 이루어질 수 있다. 흔히 Wi-Fi 라 불리는 무선랜(WLAN: wireless LAN), 블루투스(bluetooth)가 실내에서 잘 작동되는 이유이기도 하다.

파장이 1 cm ~ 30 m 인 전자기파는 대기를 잘 투과한다. 따라서 이 파장의 영역에 속하는 마이크로파는 전파천문학이나 우주선, 위성, 레이더 등의 통신 수단으로 쓰이는데도 유리하다. 펜지아스(A. Penzias, 1933~)와 윌슨(W. Wilson, 1936~)이 발견한 파장 cm의 우주 배경복사도 마이크로파이다.

원자의 결합으로 구성된 분자는 전자에너지준위(electronic energy level) 뿐만 아니라 진동에너지준위(vibrational energy level)와 회전에너지준위(rotational energy level)이 더해진 에너지준위를 갖고 있다. 극성분자의 경우 입사하는 전자기파의 전기장을 따라서 전기쌍극자가 정렬을 하게 되는데, 이는 입사하는 전자기파의 흡수를 의미하게 된다.

회전에너지준위 사이에 해당하는 에너지 차이는 마이크로파의 에너지에 해당한다. 즉 마이크로파가 물과 갈은 극성분자에 입사하는 경우 에너지가 흡수되어 회전에너지준위를 높이게 되는데, 이는 곧 열의 발생을 의미한다. 물의 경우에 약 12.2cm의 파장(주파수는 2.45 GHz)을 갖는 마이크로파에서 강한 흡수를 하게 되는데, 가정용 전자레인지(마이크로파 오븐)에서 사용되는 전자기파가 여기에 해당한다. 이 주파수 영역은 블루투스가 사용하는 주파수 영역과 겹치는데, 이런 이유로 작동하는 전자레인지 근처에 있는 블루투스 장치가 오작동하는 경우가 생기기도 한다.

한편 마이크로파 중 가장 파장이 짧은 극고주파(EHF)는 파장이 밀리미터 정도가 되어 밀리미터파로 불리기도 한다. 이 영역의 전자기파는 대기에 있는 기체들에 의해 강하게 흡수되기 때문에 수 km 이내의 짧은 거리만을 진행할 수 있다. 반면에 극초단파나 초고주파보다 더 빠른 데이터의 전송 속도를 달성할 수 있다는 점 때문에 미래의 휴대전화에 사용될 수 있다.

응용

불꽃방전을 이용하면 거의 모든 파장의 마이크로파를 발생시킬 수 있으나, 출력이 약하고 불안정하며, 보통의 전자관(電子管)은 전자의 운동속도가 비교적 느려서 1주기의 시간이 극히 짧은 마이크로파 발생에는 적당하지 않다. 따라서 마이크로파를 발생시키려면 특별한 전자관·클라이스트론·마그네트론·메이저 등을 쓰며, 그 전송(傳送)에는 주로 입체회로를 쓰는데, 전자나팔·파라볼라안테나에서 날카로운 지향성을 가지게 하여 방출된다. 파장이 짧으므로 직진성·반사·굴절·간섭 등의 성질은 빛과 거의 비슷하다. 이 성질을 이용하여 마치 탐조등을 비추듯이 한 방향으로 집중된 마이크로파의 빔을 발산하여 항공기나 선박 등의 위치를 알아내는 장치가 레이더이다. 또, 마이크로파는 주파수가 높으므로 많은 양의 정보를 보낼 수 있어서 다중통신이나 텔레비전방송 중계에 이용된다.

한편, 살균력이 강하며 식물이나 물에 잘 흡수되어 열을 발생하는데, 이 성질을 이용해서 만든 조리기구가 전자레인지이다. 또, 저주파나 빛에서는 볼 수 없는 물리효과가 강하게 나타나므로 물질의 성질 연구용으로도 사용되고 있다. 예를 들면 마이크로파를 이용하는 전파분광학에서는 전파의 주파수를 아주 정밀히 측정할 수 있으므로 빛의 분광학에 비해 높은 분해능(分解能)을 얻을 수 있다.

이밖에 원자시계는 원자가 흡수 또는 방출하는 마이크로파의 주파수가 항상 일정하다는 성질을 이용한 것이며, 원자핵 연구에 쓰이는 선형가속기(線型加速器)는 특수한 도파관(導波管) 속의 강력한 마이크로파 전기장이 전자를 가속하여 고에너지의 전자로 만드는 장치이다. 이 밖에 태양 등 천체로부터의 전파를 연구하는 전파천문학에서 마이크로파가 주요 영역으로 되어 있다.

전자레인지, 위성 통신, 레이더(하이패스 시스템), 속도 측정기 등에 주로 이용되며, 우주에서 방출되는 마이크로파는 은하의 구조에 대한 연구에 활용되기도 한다. 마이크로파는 인공 위성을 통해 기상 정보 및 각종 통신 방송을 여러 지역으로 송수신하는데에 이용된다. 전자레인지는 마이크로파가 물에 흡수되어 열을 발생하는 성질을 이용하여 음식을 데우고 요리할 수 있다. 속도 측정기는 움직이는 물체를 향해 마이크로파를 발사하여 되돌아오는 전파를 측정함으로써 속도를 계산한다.

참고자료

• 〈마이크로파〉, 《위키백과》
• 〈마이크로파〉, 《물리학백과》
• 〈마이크로파〉, 《사이언스올》
• 〈마이크로파〉, 《두산백과》

같이 보기

• 전자기파
• 라디오파
• 적외선

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