전파과학(Radio Science)

2025-07-06, G25DR

1. 전파과학의 정의와 역사적 여명

1.1 전파과학의 정의

전파과학(Radio Science)은 전자기파(electromagnetic waves), 즉 라디오파의 생성, 전파(propagation), 그리고 물질과의 상호작용을 연구하는 학문 분야를 총칭한다.1 이 용어에서 ’라디오’는 단순히 대중적인 방송 매체를 넘어, 물리학에서 다루는 전자기파라는 물리적 현상 그 자체를 의미한다.1 따라서 전파과학의 범위는 무선 통신 공학이라는 특정 응용 분야에 국한되지 않으며, 물리학, 천문학, 원격 탐사, 의료 영상, 재료 과학 등 전자기 스펙트럼의 라디오 주파수 대역을 활용하는 모든 과학 및 공학 분야를 포괄하는 광범위하고 근본적인 학문 체계이다. 이 학문은 보이지 않는 파동을 통해 정보를 전달하고, 물질의 특성을 탐사하며, 나아가 우주의 비밀을 밝히는 현대 과학기술의 핵심 기반을 이룬다.

1.2 이론적 토대와 무선 통신의 탄생

전파과학의 이론적 뿌리는 19세기 후반, 스코틀랜드의 물리학자 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell)이 정립한 전자기학 이론에 있다. 맥스웰은 전기와 자기에 관한 기존의 법칙들을 통합하여 네 개의 미분방정식으로 구성된 전자기장 이론, 즉 맥스웰 방정식을 완성했다. 이 방정식의 가장 놀라운 예측은 전기장과 자기장의 변화가 파동의 형태로 공간을 통해 빛의 속도로 전파될 수 있다는 것이었다.1 이는 전파의 존재를 수학적으로 예견한 것으로, 전파과학의 이론적 초석이 되었다.

이 이론적 예측이 물리적 실체로 증명된 것은 1887년에서 1888년 사이, 독일의 물리학자 하인리히 헤르츠(Heinrich Hertz)의 실험을 통해서였다.1 헤르츠는 실험실에서 인공적으로 전자기파를 발생시키고 이를 검출하는 데 성공함으로써 맥스웰의 이론이 단순한 수학적 구성물이 아님을 명백히 입증했다. 이로써 전파는 실험실에서 제어하고 활용할 수 있는 대상이 되었고, 공학적 응용의 문이 열렸다.

이 가능성을 현실로 만든 인물은 이탈리아의 발명가 굴리엘모 마르코니(Guglielmo Marconi)였다. 헤르츠의 실험에서 영감을 받은 마르코니는 전파를 이용한 무선 통신 기술 개발에 착수했다.1 그는 1894년 수 미터 거리의 무선 신호 전송에 성공한 것을 시작으로, 1901년 12월 12일에는 대서양을 횡단하는 무선 통신에 성공하는 역사적인 이정표를 세웠다.1 이 사건은 인류의 소통 방식을 근본적으로 바꾸는 신호탄이었으며, 마르코니는 “무선 통신의 아버지“로 불리게 되었다.1 초기 무선 기술은 유선 통신이 불가능한 해상 항해 분야에서 선박과 육지 간의 정보 전달 수단으로 가장 먼저 채택되며 그 실용성을 입증했다.1

그러나 초기 무선 기술은 기술적 한계가 명확했다. 마르코니의 송신기는 발진 회로와 안테나가 결합된 형태로 전력이 매우 낮았고, 특정 주파수를 선택하여 송수신하는 동조(tuning) 기능이 없어 여러 신호가 서로 간섭하기 쉬웠다.1 이러한 문제를 해결하는 데 결정적인 기여를 한 인물은 독일의 물리학자 카를 페르디난트 브라운(Karl Ferdinand Braun)이다. 그는 1902년부터 동조 기술을 개선하여 서로 다른 주파수 대역에서 방향성 있는 송수신이 가능하게 함으로써 간섭을 줄였고, 발진기 회로와 안테나를 분리하여 결합하는 자기 결합 안테나를 발명하여 송신 전력을 획기적으로 향상시켰다.1 이러한 기술적 진보에 대한 공로를 인정받아 마르코니와 브라운은 1909년 노벨 물리학상을 공동 수상했다.1 이 과정은 문제 제기, 기술 개발, 그리고 개선으로 이어지는 공학적 혁신의 전형적인 순환 과정을 보여준다.

1.3 우연이 낳은 위대한 발견, 전파천문학의 탄생

전파과학의 역사는 이처럼 명확한 목표를 가진 공학적 개발의 흐름과 함께, 전혀 다른 방향에서 시작된 순수한 과학적 발견이라는 또 다른 흐름이 존재한다. 그 시작은 1930년대 초, 미국 벨 연구소의 엔지니어였던 칼 잰스키(Karl Jansky)의 연구에서 비롯되었다. 그의 임무는 대서양 횡단 무선 전화 서비스의 품질을 저해하는 잡음(static)의 원인을 규명하는 것이었다.3

잰스키는 자신이 제작한 회전식 안테나를 이용해 여러 잡음을 분석하던 중, 정체를 알 수 없는 희미하고 꾸준한 ‘쉿’ 소리를 발견했다. 그는 이 신호가 약 24시간 주기로 강도가 변하는 것을 발견하고 처음에는 태양을 그 원인으로 추정했다. 그러나 더 정밀한 관측 결과, 신호의 주기는 정확히 24시간이 아니라 4분 짧은 23시간 56분임이 밝혀졌다.6 이 4분의 차이는 결정적이었다. 이는 신호의 근원이 태양이 아니라, 지구의 자전 주기에 맞춰 하늘의 특정 지점에 고정되어 있음을 의미했다. 잰스키는 이 신호의 발신지가 우리 은하의 중심부인 궁수자리 방향임을 밝혀냈다.5

1933년, 잰스키는 자신의 발견을 발표하며 지구 외부의 천체로부터 오는 전파를 인류 최초로 관측한 기록을 남겼다.3 통신 공학의 문제를 해결하려던 연구가 우주를 관측하는 새로운 창을 연 것이다. 이는 의도치 않은 발견이 새로운 과학 분야를 탄생시킨 대표적인 사례로, 전파천문학(Radio Astronomy)의 서막을 열었다. 잰스키의 발견에 영감을 받은 아마추어 무선사 그로트 레버(Grote Reber)는 자신의 집 뒷마당에 세계 최초의 전용 포물선형 전파망원경을 건설하고 하늘 전체에 대한 체계적인 전파 탐사를 수행하여 전파천문학의 기틀을 다졌다.8

이처럼 전파과학은 그 시작부터 뚜렷한 이중성을 내포한다. 한편으로는 마르코니가 주도한, 명확한 목표를 가진 무선 통신 기술의 공학적 개발이 있었고, 다른 한편으로는 잰스키가 우연히 발견한 우주 전파라는 순수한 과학적 발견이 있었다. 마르코니가 의도적으로 신호를 만들어 보내는 데 집중했다면, 잰스키는 통신 신호의 ’잡음’을 제거하려다 그 잡음 자체가 우주로부터 오는 중요한 신호임을 밝혀냈다. 이처럼 공학적 필요와 과학적 호기심이라는 두 축은 초기부터 전파과학의 발전을 이끌어온 핵심 동력이었으며, 이 두 축의 상호작용과 때로는 긴장 관계가 오늘날까지 이어지는 이 학문의 근본적인 특징을 형성한다.

1.4 지정학적 갈등이 낳은 기술적 촉매

전파과학의 발전사에서 제2차 세계대전은 비극적인 사건임과 동시에 기술 발전의 거대한 촉매 역할을 했다. 전쟁의 승패를 가를 수 있는 핵심 기술로 레이더(Radar, Radio Detection and Ranging)가 부상하면서, 각국은 전파의 생성, 송신, 수신 및 분석 기술에 막대한 자원을 투입했다.4

레이더는 인공적으로 전파를 발사하여 목표물에 반사되어 돌아오는 신호를 분석함으로써 목표물의 위치, 거리, 속도 등을 알아내는 능동형 탐지 기술이다. 이 기술을 고도화하는 과정에서 고출력 송신기, 고감도 수신기, 정밀한 안테나 기술 등이 비약적으로 발전했다. 전쟁 중 영국의 레이더 연구원들은 독일군의 레이더 교란 전파로 의심했던 정체불명의 잡음이 실제로는 잰스키가 발견했던 우리 은하 중심에서 오는 우주 전파임을 확인하기도 했다.4

전쟁이 끝난 후, 군사적 목적으로 개발되었던 이 고도의 레이더 기술들은 평화적인 과학 연구 분야로 이전되었다. 대학과 연구소들은 전쟁 기간 동안 축적된 기술과 인력을 바탕으로 대형 전파망원경을 건설하기 시작했고, 이는 전파천문학이 하나의 독립된 주요 천문학 분야로 자리 잡는 결정적인 계기가 되었다.4 적기를 탐지하기 위해 개발된 기술이 별과 은하를 탐사하는 도구로 전환된 것이다. 이는 지정학적 갈등과 같은 외부적 요인이 특정 과학 기술 분야의 발전을 얼마나 극적으로 가속할 수 있는지를 보여주는 명확한 사례이며, 기술의 발전이 항상 선형적이거나 예측 가능한 경로를 따르지 않음을 시사한다.

2. 현대 전파과학의 범위: 국제전파과학연맹(URSI)의 10개 분과위원회

2.1 URSI: 전파과학의 글로벌 거버넌스

현대 전파과학의 광범위하고 다학제적인 성격을 가장 권위 있게 보여주는 틀은 국제전파과학연맹(International Union of Radio Science, URSI)의 구조를 통해 확인할 수 있다. 1919년에 공식적으로 창설된 URSI는 국제과학이사회(ICSU) 산하의 대표적인 국제 과학 기구 중 하나로, 전파과학 분야의 연구, 학술 활동, 국제 협력을 촉진하고 조정하는 중심 역할을 수행한다.10

URSI의 기원은 1913년의 ’국제무선전신위원회(Commission Internationale de Télégraphie sans Fil)’로 거슬러 올라가며, 그 명칭의 변화 자체가 전파과학의 발전을 압축적으로 보여준다.10 초기의 ’무선전신’이라는 좁은 범위에서 시작하여 오늘날에는 전자기 스펙트럼 전반에 걸친 모든 과학적, 공학적 연구를 포괄하는 학문으로 확장되었다. URSI는 ‘Radio Science’, ’Advances in Radio Science’와 같은 저널을 발간하고, 3년마다 전 세계 연구자들이 모이는 총회 및 학술 심포지엄(GASS, General Assembly and Scientific Symposium)을 개최함으로써 연구 성과를 공유하고 차세대 연구 방향을 설정하는 데 기여한다.10

2.2 10개 분과위원회: 다양한 분야의 프레임워크

URSI는 전파과학의 방대한 영역을 체계적으로 다루기 위해 10개의 분과위원회(Scientific Commissions)를 두고 있다. 이 위원회들은 각각 특정 연구 주제를 담당하며, 이들의 목록과 연구 범위는 현대 전파과학이 무엇을 다루는가에 대한 가장 명확하고 권위 있는 정의를 제공한다.12 이 10개의 분과위원회는 전파과학의 지적 지도를 그리며, 이 안내서의 후속 장에서 다룰 내용들의 구조적 기반이 된다.

URSI의 구조를 살펴보면, 이 학문이 얼마나 역동적으로 발전해왔는지 명확히 알 수 있다. 1919년 창립 당시의 주된 관심사였던 ‘무선전신 연구’ 10와 현재 10개 분과위원회가 다루는 주제들을 비교하면 그 범위가 극적으로 확장되었음을 확인할 수 있다. 예를 들어, 생체전자기학(Commission K)이나 전자공학 및 포토닉스(Commission D)와 같은 분야는 100년 전에는 상상하기 어려웠던 주제들이다. 이는 전파과학이 고정된 지식 체계가 아니라, 새로운 기술과 발견을 끊임없이 흡수하며 성장하는 살아있는 학문임을 보여준다.

더 나아가, 이 분과위원회들은 독립적인 섬이 아니라 상호 의존적인 생태계를 구성한다. 기초 과학 및 기술을 다루는 분과에서의 발전은 응용 분야 분과의 새로운 가능성을 열어준다. 예를 들어, A 분과(전자기 측정학)와 D 분과(전자공학 및 포토닉스)의 발전은 J 분과(전파천문학)와 C 분과(무선통신 시스템)에서 사용하는 고감도 수신기 및 시스템 개발에 필수적이다. 반대로, 응용 분야에서 마주하는 기술적 난제들은 기초 연구 분과에 새로운 연구 질문을 던진다. 예를 들어, 희미한 천체 신호를 관측하거나(J 분과) 복잡한 환경에서 안정적인 통신을 구현(C 분과)하기 위해서는 E 분과(전자기 환경 및 간섭), G 분과(전리층 전파), H 분과(플라즈마 내의 파동)에서 다루는 전파 방해 및 전파 왜곡에 대한 깊은 이해가 선행되어야 한다. 이러한 상호 의존성은 전파과학이 고도로 통합된 시스템 수준의 학문임을 명확히 보여준다.

2.2.1 표 1: URSI 10개 분과위원회 및 주요 연구 주제

아래 표는 URSI의 10개 과학 분과위원회와 각 위원회에서 다루는 주요 연구 주제를 요약한 것이다. 이는 현대 전파과학의 전체적인 지형을 이해하는 데 중요한 참고자료가 된다.12

3. 핵심 원리: 무선 통신 및 전파 공학의 기초

전파과학의 응용 분야를 이해하기 위해서는 그 기반이 되는 무선 통신 공학의 핵심 원리들을 먼저 살펴볼 필요가 있다. 이 원리들은 신호를 어떻게 만들고, 보내고, 받으며, 여러 사용자가 한정된 자원을 어떻게 효율적으로 공유하는지에 대한 근본적인 질문에 답한다.

3.1 신호의 여정: 송신기에서 수신기까지

가장 기본적인 무선 통신 시스템은 정보를 보내는 송신기(transmitter), 신호가 통과하는 채널(channel), 그리고 신호를 받아 정보를 복원하는 수신기(receiver)로 구성된다.14 이 과정에서 핵심적인 개념은 원하는 신호(desired signal)와 이를 방해하는 잡음(noise) 및 간섭(interference)을 구분하는 것이다.14 시스템의 성능은 원하는 신호를 얼마나 정확하게 잡음과 간섭으로부터 분리해낼 수 있느냐에 따라 결정된다.

3.1.1 변조와 복조

우리가 전달하고자 하는 음성이나 데이터 같은 정보는 일반적으로 낮은 주파수 성분을 갖는다. 이러한 저주파 신호를 안테나를 통해 효율적으로 방사하기는 어렵다. 이 문제를 해결하기 위해 ’변조(modulation)’라는 과정이 필요하다.15 변조는 저주파의 정보 신호를 고주파의 ’반송파(carrier wave)’에 싣는 기술이다. 반송파의 진폭, 주파수, 또는 위상을 정보 신호에 따라 변화시키는 방식으로 이루어지며, 이에 따라 진폭 변조(AM), 주파수 변조(FM), 그리고 현대 디지털 통신에서 널리 쓰이는 위상 편이 변조(PSK)나 직교 진폭 변조(QAM) 등으로 구분된다.15 수신기에서는 이와 반대 과정인 ’복조(demodulation)’를 통해 고주파의 수신 신호로부터 원래의 정보 신호를 추출한다.15

3.1.2 시스템 구성 요소

효과적인 무선 통신 시스템을 구축하기 위해서는 다양한 전자 소자들이 유기적으로 결합되어야 한다. 이 소자들은 크게 수동 소자와 능동 소자로 나눌 수 있다.16

• 수동 소자(Passive Components): 외부 전원 공급 없이 신호를 처리하는 소자들로, 저항(R), 인덕터(L), 커패시터(C)와 같은 기본적인 소자뿐만 아니라 특정 주파수 대역만 통과시키는 필터(filter), 신호의 전력을 나누거나 합치는 전력 분배기(power divider) 및 결합기(coupler) 등이 포함된다.16

• 능동 소자(Active Components): 외부 전원을 이용해 신호를 증폭하거나 변환하는 소자들이다. 미약한 신호를 키우는 증폭기(amplifier), 특정 주파수의 반송파를 생성하는 발진기(oscillator), 주파수를 변환하는 혼합기(mixer), 신호의 경로를 제어하는 스위치(switch) 등이 여기에 속한다.16

이러한 소자들이 모여 송신기와 수신기, 즉 송수신기(transceiver)를 구성하며, 각 소자의 성능이 전체 시스템의 성능(예: 수신 감도, 신호 왜곡)을 결정한다.15

3.2 무선 채널과 안테나

3.2.1 무선 채널

신호가 송신기에서 수신기까지 이동하는 경로인 ’무선 채널’은 예측하기 어려운 변수로 가득하다. 신호는 거리가 멀어짐에 따라 약해지고(자유 공간 손실16), 건물이나 지형지물에 의해 반사, 회절, 산란되면서 여러 경로로 수신기에 도달한다. 이로 인해 신호의 세기가 급격하게 변하는 ‘페이딩(fading)’ 현상이 발생하여 통신 품질을 저하시킨다.18 무선 통신 시스템 설계의 핵심 과제 중 하나는 이러한 채널의 불확실성을 극복하고 안정적인 통신을 유지하는 것이다.

3.2.2 안테나

안테나는 무선 시스템에서 가장 중요한 부품 중 하나로, 송신기의 전기적 신호를 공간으로 퍼져나가는 전자기파로 변환하거나, 공간의 전자기파를 수신기의 전기적 신호로 변환하는 역할을 한다.16 즉, 유선 회로와 무선 공간을 연결하는 다리이다. 안테나의 성능은 이득(gain), 지향성(directivity), 편파(polarization)와 같은 파라미터로 평가되며, 용도에 따라 다양한 형태와 크기로 설계된다.16

3.2.3 다중 안테나 기술 (MIMO)

현대 무선 통신의 비약적인 성능 향상을 이끈 핵심 기술은 다중 입출력(MIMO, Multiple-Input Multiple-Output) 기술이다. 이는 송신기와 수신기에 각각 여러 개의 안테나를 사용하여 데이터 전송률과 신뢰도를 동시에 높이는 기술이다.15 MIMO는 두 가지 주요 방식으로 운용된다. 첫째, ’공간 다중화(spatial multiplexing)’는 여러 안테나를 이용해 서로 다른 데이터 스트림을 동시에 전송하여, 동일한 주파수 대역 내에서 전송 용량을 안테나 수에 비례하여 증가시킨다. 둘째, ’다이버시티(diversity)’는 동일한 데이터를 여러 안테나를 통해 시간차를 두고 보내거나 다른 경로로 보내어, 페이딩과 같은 채널의 불안정성에 대응하고 통신의 신뢰성을 높인다.18

3.3 공유 자원의 관리: 다중 접속

무선 스펙트럼은 한정된 자원이므로 여러 사용자가 동시에 통신하기 위해서는 이 자원을 효율적으로 나누어 사용해야 한다. 이를 ‘다중 접속(multiple access)’ 기술이라고 한다.16 대표적인 방식으로는 주파수 대역을 여러 채널로 나누어 각 사용자에게 할당하는 주파수 분할 다중 접속(FDMA), 전체 주파수 대역을 짧은 시간 단위(타임 슬롯)로 나누어 할당하는 시간 분할 다중 접속(TDMA), 그리고 각 사용자에게 고유한 코드를 부여하여 신호를 구별하는 코드 분할 다중 접속(CDMA) 등이 있다.16

이러한 무선 공학의 핵심 원리들은 하나의 강력한 이론적 틀 안에서 상호 연관된다. 비록 명시적으로 언급되지는 않았으나, 이 모든 기술적 노력의 배경에는 ’섀넌-하틀리 정리(Shannon-Hartley Theorem)’가 있다. 이 정리는 채널의 최대 정보 전송 용량(Capacity)이 주어진 대역폭(Bandwidth)과 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio, SNR)에 의해 결정됨을 수학적으로 보여준다 (C=Blog2(1+S/N)). 더 높은 데이터 전송률을 달성하려는 공학자들의 노력 15은 결국 이 방정식의 변수들을 최적화하려는 시도로 귀결된다. 즉, 더 넓은 대역폭을 확보하거나(

B 증가), 송신 전력을 높이거나 잡음을 줄여 SNR을 개선하거나(S/N 증가), 또는 주어진 SNR에서 더 많은 정보를 전송할 수 있는 고효율의 복잡한 변조 방식을 사용하는 것이다.15 MIMO 기술은 이 방정식을 뛰어넘는 혁신적인 접근법으로, 물리적인 공간을 새로운 자원으로 활용하여 여러 개의 가상 채널을 만들어냄으로써 대역폭이나 전력을 늘리지 않고도 전체 용량을 배가시키는 효과를 가져온다.15 이처럼 섀넌-하틀리 정리는 무선 통신 시스템 설계의 근본적인 제약과 기회를 이해하는 데 필수적인 이론적 나침반 역할을 한다.

4. 우주를 향한 창: 전파천문학과 원격 탐사

전파과학의 원리는 인류의 통신 기술을 발전시키는 데 그치지 않고, 지구와 우주를 관측하고 이해하는 강력한 도구로 확장되었다. 전파천문학과 원격 탐사는 보이지 않는 전파를 이용하여 가시광선으로는 볼 수 없는 우주의 모습과 지구 환경의 비밀을 밝혀내는 대표적인 응용 분야이다.

4.1 전파천문학: 우주의 소리를 듣다

4.1.1 기본 원리

전파천문학은 천체에서 자연적으로 방출되는 전파를 수신하고 분석하여 우주를 연구하는 학문이다.7 가시광선과 같은 짧은 파장의 빛은 우주 공간에 퍼져 있는 성간 먼지에 의해 쉽게 흡수되거나 산란되어 멀리까지 전달되기 어렵다. 반면, 파장이 긴 전파는 이러한 먼지 구름을 비교적 자유롭게 통과할 수 있어, 우리 은하의 중심이나 별이 탄생하는 짙은 성운 내부와 같이 광학적으로는 관측이 불가능한 영역을 탐사하는 데 매우 유용하다.4

4.1.2 우주 전파의 근원

우주에서 오는 전파는 다양한 물리적 과정에 의해 발생한다. 고온의 가스에서 방출되는 열복사, 자기장 속에서 고속으로 움직이는 전자가 내는 싱크로트론 복사, 그리고 특정 원자나 분자가 에너지 상태를 바꿀 때 방출하는 선 스펙트럼 등이 있다.8 특히, 우주에 가장 풍부한 원소인 중성 수소 원자가 내는 파장 21cm의 전파는 우리 은하의 나선팔 구조와 같이 성간 물질의 분포를 연구하는 데 결정적인 역할을 했다.4

4.1.3 관측 도구

• 단일 접시 망원경(Single-Dish Telescope): 거대한 포물선 형태의 반사경(안테나)을 이용해 미약한 우주 전파를 한 점으로 모아 수신하는 방식이다. 호주의 파크스 천문대 망원경이 대표적인 예이다.9
• 전파 간섭계(Interferometer) 및 초장기선 간섭계(VLBI): 전파는 파장이 길기 때문에 단일 망원경만으로는 광학 망원경에 비해 분해능(대상을 세밀하게 구별하는 능력)이 매우 낮다는 단점이 있다.8 이 문제를 극복하기 위해 여러 개의 전파망원경을 멀리 떨어뜨려 놓고 동시에 같은 천체를 관측한 뒤, 수신된 신호를 컴퓨터로 합성하는 기술이 바로 전파 간섭계이다. 이를 통해 망원경들 사이의 거리(기선, baseline)에 해당하는 구경을 가진 거대한 가상 망원경을 구현하여 매우 높은 분해능을 얻을 수 있다.7 미국의 VLA(Very Large Array)나 한국의 KVN(Korean VLBI Network)이 대표적인 간섭계 시스템이다.9

4.1.4 주요 발견

전파천문학은 현대 우주론을 정립하는 데 결정적인 기여를 했다. 1965년, 벨 연구소의 아노 펜지아스(Arno Penzias)와 로버트 윌슨(Robert Wilson)은 통신 위성 안테나의 잡음을 연구하던 중, 하늘의 모든 방향에서 균일하게 들어오는 정체불명의 마이크로파 신호를 우연히 발견했다.8 이 신호는 대폭발(빅뱅) 이론에서 예측했던 ’우주 마이크로파 배경 복사(CMB, Cosmic Microwave Background)’로 밝혀졌으며, 우주가 뜨겁고 밀도가 높은 상태에서 시작되었다는 이론의 가장 강력한 증거가 되었다.20 이 외에도 펄서, 퀘이사, 활동 은하 등 수많은 새로운 천체들이 전파 관측을 통해 발견되었다.8

4.2 원격 탐사: 지구와 행성을 진단하다

4.2.1 기본 원리

원격 탐사(Remote Sensing)는 항공기나 인공위성에 탑재된 센서를 이용하여 대상물과 직접 접촉하지 않고 그에 대한 정보를 수집하는 과학 기술이다.23 전파를 이용한 원격 탐사는 전파가 대기와 지표면, 혹은 지표하와 상호작용하는 방식을 분석하여 다양한 물리적 정보를 얻어낸다.

4.2.2 원격 탐사의 과정

원격 탐사는 일반적으로 에너지원, 대기와의 상호작용, 목표물과의 상호작용, 센서에 의한 기록, 데이터 처리 및 분석의 단계를 거친다.24 에너지원이 태양과 같은 자연적인 것인지, 아니면 센서 자체가 에너지를 방출하는지에 따라 수동형과 능동형으로 구분된다.

• 수동형 원격 탐사(Passive Remote Sensing): 지구나 태양 등에서 자연적으로 방출되거나 반사되는 전파를 수신하여 분석하는 방식이다. 예를 들어, 지구 표면의 온도에 따라 방출되는 마이크로파를 측정하여 해수면 온도나 토양의 수분 함량을 알아낼 수 있다.25
• 능동형 원격 탐사(Active Remote Sensing): 센서에서 직접 전파(레이더)나 빛(라이다)을 발사하고, 목표물에 반사되어 돌아오는 신호를 분석하는 방식이다.25 기상 레이더는 강수 입자의 위치와 이동 속도를 측정하고, 합성 개구 레이더(SAR)는 지표면의 정밀한 3차원 지형 정보를 생성하는 데 사용된다.

4.2.3 매질과의 상호작용

전파가 대기와 지표면을 통과하면서 겪는 변화 자체가 중요한 정보가 된다.

• 대기: 대기 중의 산소, 수증기, 에어로졸 등은 특정 주파수의 전파를 흡수하거나 산란시킨다.28 이러한 흡수 및 산란 특성을 분석하면 대기의 온도, 습도, 구성 성분 등에 대한 정보를 얻을 수 있다. 키르히호프의 법칙에 따라, 특정 파장을 잘 흡수하는 물체는 그 파장을 잘 방출하기도 하므로, 방출되는 전파를 측정하여 대기의 특성을 파악할 수도 있다.28
• 지표면: 전파가 육지, 해양, 빙하 등 각기 다른 특성을 가진 지표면에 부딪힐 때 반사되는 신호의 강도와 형태는 지표면의 거칠기, 경사도, 유전율(물질의 전기적 특성) 등에 따라 달라진다. 이를 분석하여 지형 변화, 해양 상태, 빙하의 두께 등을 모니터링할 수 있다.25

4.3 GPS: 전 지구적 전파과학 실험실

GPS(Global Positioning System)는 본래 군사적 목적으로 개발된 위성 기반의 전파 항법 시스템이지만, 오늘날에는 가장 광범위하게 활용되는 전파과학 응용 사례 중 하나가 되었다.29 GPS의 과학적 활용은 시스템의 ’오차 요인’을 역으로 정보원으로 활용하는 기지에서 출발한다.

GPS 위성에서 송신된 전파 신호는 지구 대기를 통과하면서 속도가 느려지고 경로가 휘어진다(굴절). 특히 대기 하층의 수증기량과 상층 전리층의 자유전자 밀도에 따라 그 정도가 크게 달라진다.32 항법 시스템의 관점에서는 이것이 위치 오차를 유발하는 골칫거리이지만, 대기 과학자의 관점에서는 지상의 수신기에서 이 신호 지연을 정밀하게 측정함으로써 대기 전체의 수증기 총량이나 전리층의 전자 밀도(TEC)를 계산해낼 수 있는 귀중한 데이터가 된다.32 이 기술(GPS 기상학)은 이제 일기 예보 모델의 정확도를 높이고, 우주기상 연구에 필수적인 도구로 자리 잡았다.32

전파천문학과 원격 탐사는 겉보기에는 다른 대상을 연구하는 분야처럼 보이지만, 그 근본에는 공유된 원리가 존재한다. 두 분야 모두 본질적으로 ’역문제(inverse problem)’를 푸는 과정이다. 즉, 센서에서 최종적으로 측정된 전파 신호(강도, 주파수, 위상, 편파 등)로부터 시작하여, 파동의 전파와 상호작용에 대한 물리 모델을 거꾸로 적용함으로써 직접 볼 수 없는 원인(먼 은하의 물리적 상태, 대기의 수증기량, 지표면의 특성)을 추론해낸다. 이는 측정된 결과로부터 원인을 역추적하는 공통된 과학적 방법론을 공유함을 의미한다.

또한, 지구 대기는 이 두 분야에서 흥미로운 이중적 역할을 수행한다. 원격 탐사 과학자에게 대기는 연구해야 할 ‘대상’ 그 자체이다. 대기의 흡수, 산란, 굴절 현상은 대기의 상태를 알려주는 유용한 신호다.28 반면, 전파천문학자에게 대기는 관측을 방해하는 ’장애물’이다. 대기는 희미한 우주 전파를 흡수하고 왜곡하여 지상 관측을 어렵게 만들며, 이 때문에 천문학자들은 대기가 비교적 투명한 특정 ’전파 창(radio window)’을 통해서만 관측하거나 아예 대기 밖 우주 공간에 망원경을 설치해야 한다.9 이처럼 동일한 물리적 실체(대기)가 연구 목적에 따라 전혀 다른 의미를 갖는다는 점은 전파과학 내 여러 하위 분야들의 독특한 관점과 상호 관계를 잘 보여준다.

5. 생명과 의학 속의 전파: 의료 영상과 생체전자기학

전파과학의 원리는 우주와 지구를 넘어 인체 내부를 들여다보는 정밀한 의료 기술로까지 확장되었다. 특히 자기공명영상(MRI)은 전파를 이용하여 인체를 해부하지 않고도 내부 구조를 선명하게 영상화하는 혁신적인 기술로, 현대 의학 진단에 필수적인 도구가 되었다.

5.1 자기공명영상(MRI): 인체 내부를 들여다보다

5.1.1 기본 원리

MRI는 X선과 같은 이온화 방사선을 사용하지 않는 비침습적 영상 기술이다.34 이 기술의 핵심은 인체의 물과 지방에 풍부하게 존재하는 수소 원자핵(양성자)이 보이는 ‘핵자기공명(NMR, Nuclear Magnetic Resonance)’ 현상에 기반한다.36 수소 원자핵은 미세한 자석처럼 행동하는 고유한 특성(스핀)을 가지고 있다.

5.1.2 MRI 영상화 과정

MRI 영상은 다음과 같은 정교한 물리적 단계를 거쳐 생성된다.

1. 자화(Magnetization): 환자가 MRI 장비의 강력한 주자장(B0) 안으로 들어가면, 체내의 수많은 수소 원자핵들이 무작위로 향하던 방향을 버리고 주자장 방향으로 정렬된다. 일부는 평행하게, 일부는 반평행하게 정렬되지만, 미세하게 더 많은 수가 에너지가 낮은 평행 상태로 정렬되어 전체적으로 약한 자화(magnetization)가 형성된다.34
2. 여기(Excitation): 이 상태에서 RF 코일(송신 안테나)을 통해 특정 주파수의 전파, 즉 RF 펄스(radio frequency pulse)를 인체에 가한다. 이 RF 펄스의 주파수가 수소 원자핵의 고유 세차 운동 주파수(라모어 주파수)와 일치하면 공명이 일어나, 정렬되어 있던 원자핵들이 에너지를 흡수하여 높은 에너지 상태로 전이되며 정렬 축에서 벗어나게(기울어지게) 된다.36
3. 수신(Reception): RF 펄스를 끄면, 높은 에너지 상태로 ’여기’되었던 원자핵들은 다시 원래의 안정된 상태로 돌아가려는 이완(relaxation) 과정을 겪는다. 이 과정에서 흡수했던 에너지를 다시 전파 형태의 미약한 신호로 방출하는데, 이 신호를 수신 코일(수신 안테나)이 감지한다.34
4. 공간 부호화(Spatial Encoding): 영상화를 위해서는 신호가 인체의 어느 위치에서 왔는지를 알아야 한다. 이를 위해 경사 자장 코일(gradient coils)을 이용해 주자장에 선형적인 자기장 기울기를 추가로 가한다. 이렇게 하면 인체 내 위치에 따라 자기장의 세기가 미세하게 달라지고, 이에 비례하여 라모어 주파수도 달라진다. 따라서 특정 위치의 원자핵들은 고유한 주파수와 위상 정보를 갖게 되어, 신호의 공간적 위치를 부호화할 수 있다.36
5. 영상 재구성(Image Reconstruction): 수신된 복합적인 전파 신호를 수학적 기법인 푸리에 변환(Fourier transform)을 이용해 처리하면, 각 주파수 성분을 공간적 위치 정보로 변환하여 인체 단면에 대한 2차원 또는 3차원의 상세한 영상을 재구성할 수 있다.36

5.1.3 응용 분야

MRI는 뇌의 백질과 회백질 구분, 종양, 디스크, 인대 손상 등 연부 조직의 진단에 특히 탁월한 성능을 보인다.34 또한, 뇌의 특정 인지 과제 수행 시 산소 소모량 변화를 측정하여 뇌의 기능적 활성 부위를 영상화하는 기능적 자기공명영상(fMRI)은 뇌과학 연구에 혁명을 가져왔다.37

5.2 새로운 지평: 라디오믹스와 생체전자기학

5.2.1 라디오믹스 및 라디오제노믹스

최근에는 MRI와 같은 의료 영상에서 인간의 눈으로는 식별할 수 없는 방대한 양의 정량적 특징(texture, shape 등)을 컴퓨터 알고리즘으로 추출하고, 이를 유전체 정보(genomics)나 임상 데이터와 결합하여 질병을 진단하고 예후를 예측하려는 ‘라디오믹스(Radiomics)’ 및 ’라디오제노믹스(Radiogenomics)’라는 새로운 연구 분야가 부상하고 있다.40 이는 영상 데이터에 숨겨진 미세한 패턴이 질병의 생물학적 특성과 연관될 수 있다는 가정에 기반하며, 맞춤형 정밀 의료의 가능성을 열고 있다.

5.2.2 생체전자기학 (URSI K 분과)

MRI를 넘어, 전자기장이 생명 현상과 상호작용하는 방식을 폭넓게 연구하는 분야가 바로 생체전자기학이다. URSI의 K 분과가 다루는 이 분야는 전자기장의 잠재적인 건강 영향 평가, 인체에 흡수되는 전자기 에너지의 양을 정량화하는 선량 측정(dosimetry), 그리고 전자기장을 이용한 새로운 진단 및 치료법 개발(예: 암 온열 치료) 등을 포함한다.12

MRI의 작동 원리를 깊이 들여다보면, 이 기술이 전파과학의 다른 분야와 근본적인 원리를 공유하고 있음을 알 수 있다. MRI는 본질적으로 ’생체 내 전파 분광학(in-vivo radio spectroscopy)’이라고 개념화할 수 있다. 이는 전파천문학 실험과 놀라울 정도로 유사하다. 전파천문학자들이 먼 우주에 있는 수소 원자에서 자연적으로 방출되는 21cm 파장의 전파를 수동적으로 관측하는 것과 같이 4, MRI는 인체 내의 수소 원자핵이 전파를 방출하도록 강력한 자기장과 RF 펄스를 이용해 능동적으로 유도한 뒤, 고감도 수신기(RF 코일)로 그 신호를 ’관측’한다. 원자핵의 에너지 준위 전이가 전파를 방출하는 근본적인 물리 현상은 동일하다. MRI는 단지 그 과정을 인위적으로, 통제된 환경에서 일으킬 뿐이다.

더 나아가, 수신된 주파수 및 위상 정보를 푸리에 변환을 통해 공간적 영상으로 재구성하는 과정 36은, 전파 간섭계에서 각 안테나가 수신한 신호들을 합성하여 천체의 영상을 만들어내는 기법과 수학적으로 동일한 원리에 기반한다.9 이처럼 의료 영상 기술과 천체물리학이라는 전혀 다른 두 분야가 동일한 전파과학의 원리와 수학적 도구를 공유한다는 사실은, 이 학문이 얼마나 근본적이고 보편적인지를 보여주는 강력한 증거이다.

6. 미래를 여는 기술: 차세대 통신과 테라헤르츠파

전파과학은 끊임없이 새로운 주파수 대역을 개척하며 기술의 지평을 넓혀왔다. 현재 5G를 넘어 6G 이동통신과 테라헤르츠(THz) 기술의 등장은 전파과학이 통신, 감지, 이미징 등 다양한 분야에서 또 한 번의 혁명을 예고하고 있다.

6.1 6G를 향한 길: 새로운 통신 패러다임

6.1.1 G에서 5G까지의 진화

이동통신의 역사는 약 10년을 주기로 세대(Generation)가 바뀌며 발전해왔다. 아날로그 음성 통화만 가능했던 1G에서 시작하여, 문자 메시지가 추가된 2G, 데이터 통신이 본격화된 3G, 모바일 광대역을 연 4G(LTE), 그리고 초고속, 초저지연, 초연결을 특징으로 하는 5G에 이르기까지, 각 세대는 더 높은 속도, 더 낮은 지연 시간, 더 큰 용량을 향한 끊임없는 기술적 진보의 결과물이었다.17

6.1.2 G 비전

2030년경 상용화가 예상되는 6G는 단순히 5G의 성능을 개선하는 것을 넘어, 인간-사물-디지털 세계가 완벽하게 융합된 초연결 사회를 지향한다.41 6G가 구현할 핵심 응용 서비스로는 현실과 가상이 결합된 실감형 확장현실(XR), 홀로그램 통신, 유비쿼터스 인공지능(AI) 등이 거론된다.17

6.1.3 새로운 스펙트럼의 역할

이러한 비전을 실현하기 위해 6G는 5G보다 훨씬 더 넓은 대역폭의 주파수 자원을 필요로 한다. 이로 인해 기존에 활용되던 주파수 대역을 넘어, 상위 밀리미터파(mmWave) 대역과 아직 미개척 영역으로 남아있는 서브-테라헤르츠(sub-THz) 및 테라헤르츠(100 GHz ~ 3 THz) 대역의 활용이 핵심 기술로 부상하고 있다.41

6.2 테라헤르츠(THz) 기술: 스펙트럼의 ‘마지막 미개척지’

6.2.1 THz 갭

테라헤르츠(THz) 대역은 전파의 특성을 갖는 마이크로파와 빛의 특성을 갖는 적외선 사이에 위치하는 전자기 스펙트럼 영역(약 0.1~10 THz)이다.45 이 영역은 과거에 효율적이고 소형화된 신호 발생원과 검출기가 없어 기술적으로 활용하기 어려운 ’THz 갭(gap)’으로 불려왔다.46

6.2.2 독특한 물리적 특성

THz파는 다른 주파수 대역과 구별되는 독특한 물리적 특성을 지닌다.

• 투과성: 플라스틱, 직물, 종이, 세라믹 등 비전도성, 비극성 물질을 잘 투과하는 성질이 있다.45
• 흡수성: 반면, 물이나 다른 극성 분자에는 강하게 흡수된다. 또한 많은 생체 분자들의 고유한 진동 및 회전 에너지 준위가 THz 대역에 존재하여, 물질 고유의 ‘지문’ 스펙트럼을 얻을 수 있다.47
• 안전성: X선과 달리 물질을 이온화시키지 않는 비이온화 방사선으로, 화학 결합을 파괴하거나 DNA를 손상시킬 위험이 없어 인체 및 생체 시료 응용에 안전하다.45

6.2.3 다양한 응용 분야

이러한 특성 덕분에 THz 기술은 6G 통신 외에도 광범위한 응용 가능성을 가진다.

• 보안 및 국방: 옷이나 가방 속에 숨겨진 무기, 폭발물, 마약 등을 비접촉 방식으로 탐지하는 데 활용될 수 있다.45
• 비파괴 검사: 제조 공정에서 플라스틱 부품의 내부 결함을 검사하거나, 제약 산업에서 약물의 코팅 두께나 균일성을 측정하는 등 품질 관리에 사용된다.45
• 의료 및 헬스케어: 정상 조직과 암 조직의 수분 함량 차이를 이용한 암 진단, 치아 내부의 초기 충치 탐지, 생체 분자 분광 분석 등 다양한 의료 영상 및 진단 기술로 연구되고 있다.47

6G의 등장은 전파과학의 패러다임에 근본적인 변화를 가져오고 있다. 이는 통신과 감지(sensing) 기능이 하나의 시스템으로 융합되는 현상으로 구체화된다. 고주파수 대역을 사용하는 6G 시스템은 매우 좁고 지향성이 강한 빔을 사용하여 통신 링크를 설정하는데, 이 과정 자체가 주변의 물리적 환경(객체의 위치, 움직임, 재질 등)을 ’감지’하는 행위가 된다. ‘통합 감지 및 통신(JCAS, Joint Communication and Sensing)’ 44 또는 ‘RF 감지(RF Sensing)’ 41로 불리는 이 개념은 통신 네트워크와 레이더 시스템 간의 전통적인 경계를 허문다. 5G 네트워크의 주된 역할이 데이터를 전송하는 것이었다면, 6G 네트워크는 데이터를 전송함과 동시에 주변 환경의 실시간 디지털 트윈(digital twin)을 구축하는 역할을 수행하게 될 것이다. 이는 자율주행차, 스마트 팩토리, 실감형 XR과 같은 미래 응용 분야에 막대한 영향을 미칠 혁신적인 변화이다.

또한, 6G라는 거대한 상업적, 사회적 수요는 오랫동안 기술적 장벽에 막혀 있던 ’THz 갭’을 극복하는 결정적인 동력이 되고 있다.46 6G 통신을 위해 저렴하고, 고출력이며, 소형화된 THz 송수신기를 개발하려는 막대한 투자는, 보안, 의료, 산업 등 다른 모든 THz 응용 분야에 필요한 핵심 부품 기술의 발전을 견인할 것이다.45 즉, 6G는 THz 기술 전체를 상업적으로 실현 가능하게 만드는 ‘킬러 애플리케이션(killer application)’ 역할을 하고 있다. 6G 휴대폰을 위한 R&D가 공항의 보안 스캐너나 병원의 진단 장비에 필요한 기술을 탄생시키는, 하나의 거대한 기술적 수요가 연관된 과학 기술 분야 전체를 끌어올리는 양상이다.

7. 보이지 않는 질서: 전자기 환경과 스펙트럼 관리

전파를 이용하는 기기가 폭발적으로 증가함에 따라, 한정된 전파 자원을 질서 있게 사용하고 기기 간의 상호 간섭을 제어하는 문제가 전파과학의 핵심 과제로 부상했다. 이는 전자기 적합성(EMC) 확보와 주파수 스펙트럼 관리라는 두 가지 중요한 주제로 구체화된다.

7.1 전자기 적합성(EMC): 공존의 기술

7.1.1 EMC, EMI, EMS의 정의

• EMC (Electromagnetic Compatibility, 전자기 적합성): 특정 장비나 시스템이 주어진 전자기 환경에서 허용할 수 없는 전자기적 방해를 일으키지 않으면서 정상적으로 작동할 수 있는 능력을 의미한다.51 즉, ‘남에게 피해를 주지도, 남에게서 피해를 받지도 않고’ 제 기능을 다하는 상태이다.
• EMI (Electromagnetic Interference, 전자기 간섭): 한 장치에서 원치 않게 방출되는 전자기 에너지가 다른 장치의 작동을 방해하는 현상이다. 이는 EMC의 ‘방출(emission)’ 측면을 다룬다.54
• EMS (Electromagnetic Susceptibility/Immunity, 전자기 감수성/내성): 장치가 외부의 전자기 간섭에 얼마나 민감한지, 또는 얼마나 잘 견딜 수 있는지를 나타내는 척도이다. 이는 EMC의 ‘내성(immunity)’ 측면을 다룬다.54

7.1.2 간섭의 3요소와 EMC 공학

전자기 간섭이 발생하기 위해서는 반드시 세 가지 요소가 필요하다. 바로 간섭을 일으키는 ‘발생원(source)’, 간섭에 의해 성능 저하를 겪는 ‘감수품(victim)’, 그리고 이 둘을 연결하는 ’전달 경로(coupling path)’이다.52 전달 경로는 전선을 통한 전도(conduction) 방식과 공간을 통한 방사(radiation) 방식으로 나뉜다.56 EMC 공학은 이 세 가지 요소 중 하나 이상을 제어하여 간섭을 억제하는 것을 목표로 하며, 주요 기법으로는 금속 인클로저 등을 이용한 ‘차폐(shielding)’, 특정 주파수의 노이즈를 걸러내는 ‘필터링(filtering)’, 그리고 안정적인 기준 전위를 제공하고 노이즈 전류의 경로를 제어하는 ‘접지(grounding)’ 등이 있다.52

7.1.3 현대 기술의 도전 과제

현대 전자 기술의 발전 경향은 역설적으로 EMC 문제를 더욱 어렵게 만들고 있다. 첫째, 반도체 기술의 발달로 디지털 회로가 더 낮은 전압에서 더 빠른 속도로 동작하게 되면서 외부 잡음에 대한 내성이 약해졌다. 둘째, 과거의 금속 재질 케이스와 달리, 가볍고 저렴한 플라스틱 케이스가 널리 사용되면서 기기 자체가 제공하던 자연적인 차폐 효과가 사라졌다. 셋째, 기기의 소형화와 고집적화로 인해 부품 간의 거리가 가까워지면서 내부적인 간섭(crosstalk) 가능성이 커졌다.52 이러한 이유로 EMC는 한 번 해결하면 끝나는 문제가 아니라, 기술이 발전할수록 더욱 정교한 대책을 요구하는 지속적인 과제가 되었다.

7.2 스펙트럼 희소성: 유한한 자원과 무한한 수요

7.2.1 문제의 본질

무선 주파수 스펙트럼은 석유나 석탄처럼 사용하면 사라지는 자원은 아니지만, 특정 시간과 장소에서 한 사용자가 특정 주파수를 사용하면 다른 사용자는 동시에 사용할 수 없다는 점에서 유한한 자원이다.57 스마트폰, 사물인터넷(IoT), 자율주행차 등 무선 통신을 필요로 하는 기기가 기하급수적으로 증가하면서, 사용 가능한 주파수 자원이 수요를 따라가지 못하는 ‘스펙트럼 희소성(spectrum scarcity)’ 또는 ‘스펙트럼 고갈(spectrum crunch)’ 문제가 심화되고 있다.59 이는 네트워크 혼잡, 데이터 속도 저하, 지연 시간 증가 등 직접적인 서비스 품질 악화로 이어진다.59

7.2.2 해결 및 완화 전략

• 기술적 접근: 더 높은 미사용 주파수 대역(예: 5G의 밀리미터파)을 개척하거나 59, 주변의 전파 환경을 스스로 감지하여 비어있는 주파수를 찾아 사용하는 ‘인지 무선(cognitive radio)’ 기술을 개발하는 방법이 있다. 또한, 서로 다른 서비스나 사업자가 특정 조건 하에 동일한 주파수 대역을 공유하여 사용하는 ‘동적 스펙트럼 공유(Dynamic Spectrum Sharing, DSS)’ 기술도 스펙트럼 효율을 높이는 중요한 해결책으로 주목받고 있다.59
• 규제적 접근: 각국의 정부 규제 기관(예: 미국의 NTIA)과 국제 기구는 주파수 경매, 재할당, 공유 정책 등을 통해 한정된 스펙트럼 자원을 효율적으로 배분하고 관리하는 역할을 한다.57 이는 무질서한 사용으로 인한 간섭을 막고 공공의 자원인 전파가 공정하고 효율적으로 사용되도록 보장하기 위함이다.

7.3 우주기상: 궁극적인 간섭의 원천

7.3.1 정의와 영향

우주기상(Space Weather)은 주로 태양의 활동(태양 흑점 폭발, 코로나 질량 방출 등)에 의해 발생하는 우주 환경의 변화를 의미하며, 이는 지구의 기술 시스템에 막대한 영향을 미칠 수 있다.62 강력한 태양 활동은 고에너지 입자와 전자기 복사를 지구로 방출하여 지구의 전리층과 자기장을 교란시킨다.

7.3.2 전파 시스템에 미치는 영향

• GPS 오차 증가: 전리층 교란은 GPS 위성 신호의 전파 경로를 왜곡하고 지연시켜 심각한 위치 오차를 유발하거나 심한 경우 신호 수신을 불가능하게 만든다.32

• 통신 두절: 위성 통신 신호를 약화시키거나 방해하고, 특히 극지방 항로를 운항하는 항공기에서 사용하는 단파(HF) 통신을 수 시간에서 수일간 두절시킬 수 있다.62

• 위성 손상: 고에너지 입자는 위성의 민감한 전자 부품에 영구적인 손상을 입힐 수 있다.62

이러한 피해를 최소화하기 위해 태양 활동을 지속적으로 감시하고 우주기상을 예보하는 활동은 현대 사회의 핵심 인프라를 보호하는 데 필수적이다.62

스펙트럼 희소성과 전자기 간섭 문제는 본질적으로 ’공유지의 비극(tragedy of the commons)’이라는 고전적인 딜레마의 한 단면이다. 전파 스펙트럼은 모든 이가 함께 사용하는 유한한 공공 자원이다.58 각 개인이나 기업이 자신의 이익을 위해 더 많은 무선 기기를 사용하는 합리적인 행동이 모이면, 결국 자원 전체가 혼잡과 상호 간섭으로 인해 황폐화되어 모든 사용자가 피해를 보는 결과를 낳는다.58 이러한 관점에서 EMC 규제 52는 공유지를 관리하기 위한 ’법률’에 해당하며, 동적 스펙트럼 공유와 같은 기술 60는 공유지를 더 효율적으로 사용하기 위한 혁신적인 ’관리 프로토콜’에 해당한다. 이는 이 문제가 단순히 기술적인 차원을 넘어 사회경제적, 정책적 거버넌스를 요구하는 복잡한 문제임을 시사한다.

8. 한국 전파과학의 동향: KASI와 ETRI를 중심으로

한국의 전파과학 연구는 정부출연연구기관인 한국천문연구원(KASI)과 한국전자통신연구원(ETRI)을 중심으로 세계적 수준의 성과를 창출하며 독자적인 위상을 구축하고 있다. 이들 기관의 연구 활동은 한국이 특정 분야에서 어떻게 기술적 우위를 확보하고 국제 사회에 기여하는지를 잘 보여준다.

8.1 KASI와 한국우주전파관측망(KVN): ‘틈새 특화’ 전략의 성공

8.1.1 KASI와 KVN의 개요

한국천문연구원(KASI)은 대한민국의 천문우주과학 분야를 선도하는 국책 연구기관이다.66 KASI가 운영하는 핵심 연구 시설 중 하나가 바로 한국우주전파관측망(KVN, Korean VLBI Network)이다. KVN은 서울(연세대), 울산(울산대), 제주(구 탐라대)에 설치된 3기의 직경 21m 전파망원경으로 구성된 초장기선 간섭계(VLBI) 시스템이며, 최근 강원도 평창에 4호기가 추가 건설되어 성능 향상을 앞두고 있다.9 이 망원경들을 통합 운영하면 약 500 km 구경의 거대한 가상 망원경과 같은 분해능을 얻을 수 있다.67

8.1.2 핵심 혁신: 다주파수 동시 관측 시스템

KVN의 가장 독보적인 기술적 성과는 세계 최초로 개발한 ’다주파수 동시 관측 수신 시스템’이다. 이 시스템은 22, 43, 86, 129 GHz와 같은 여러 주파수 대역의 우주 전파를 말 그대로 동시에 관측할 수 있게 해준다.67 고주파수 전파는 대기 중의 수증기에 의해 위상이 심하게 왜곡되어 관측이 매우 어려운데, KVN의 시스템은 서로 다른 주파수에서 발생하는 위상 왜곡의 차이를 실시간으로 측정하고 보정함으로써 이러한 문제를 획기적으로 해결했다. 이는 특히 높은 주파수 대역에서 선명한 천체 영상을 얻는 데 결정적인 역할을 한다.

8.1.3 국제적 영향력

이 독보적인 기술력 덕분에 KVN은 여러 중요한 국제 공동 연구에서 핵심적인 파트너로 자리매김했다. 대표적으로, 인류 최초로 블랙홀의 그림자를 촬영하는 데 성공한 ‘사건지평선망원경(EHT, Event Horizon Telescope)’ 프로젝트에서 KVN은 필수적인 역할을 수행했다.68 또한 동아시아 VLBI 관측망(EAVN), 유럽 VLBI 관측망(EVN) 등과의 활발한 협력을 통해 활동성은하핵, 별의 탄생과 죽음 등 최첨단 천문학 연구를 선도하고 있다.69 더 나아가, KVN의 다주파수 동시 관측 기술은 이제 국제적인 표준으로 인정받고 있으며, 이탈리아 국립천체물리연구소에 수출되는 등 기술적 성과를 세계적으로 인정받고 있다.68

8.2 ETRI: 미래 통신 기술을 설계하다

8.2.1 ETRI와 전파/위성 연구

한국전자통신연구원(ETRI)은 대한민국의 정보통신기술(ICT) 연구개발을 이끄는 대표적인 기관이다.75 ETRI 내에는 전파과학과 직결된 전파연구본부와 위성통신연구본부가 있다.

• 전파연구본부: 한정된 주파수 자원의 효율적 이용 기술, 복합적인 전파 환경 감시 기술, 그리고 미래 무선 통신 구현을 위한 RF 원천 기술 개발에 집중하고 있다. 이를 통해 디지털 대전환 시대의 전파 기반 기술을 선도하는 것을 목표로 한다.77
• 위성통신연구본부: ’6G 초공간 기술’을 비전으로 삼고, 저궤도(LEO) 위성통신을 포함한 비지상 네트워크 기술 개발에 주력하고 있다. 연구 목표는 초공간 핵심 원천 기술 개발, 국제 표준 선도, 그리고 위성 탑재체를 포함한 핵심 부품 기술 확보이다.78

KASI와 ETRI의 연구 활동은 한국의 R&D 전략이 ’틈새 특화(niche excellence)’와 이를 통한 ’국제적 지렛대 활용’에 초점을 맞추고 있음을 보여준다. 세계에서 가장 큰 단일 망원경이나 가장 많은 수의 안테나를 가진 간섭계를 건설하는 대신, KASI는 KVN의 다주파수 동시 수신 시스템이라는 세계 유일의 독보적인 ’서브 시스템’을 개발했다. 이 독창적인 기술은 mm-VLBI 관측의 근본적인 난제(대기 위상 보정)를 해결하는 핵심 열쇠였고, 그 결과 KVN은 EHT와 같은 거대 국제 공동 프로젝트에서 누구도 대체할 수 없는 필수적인 파트너가 될 수 있었다. 이는 목표가 명확한 기술적 투자를 통해 전체 판도에서 핵심적인 영향력을 확보하는 매우 성공적인 전략이다. ETRI가 6G 시대의 위성통신 및 RF 핵심 기술에 집중하는 것 역시 이러한 전략적 접근의 연장선상에 있다고 볼 수 있다.

9. 결론: 융합 학문으로서 전파과학의 미래 전망

9.1 핵심 주제의 종합

이 안내서는 전파과학이 제임스 클러크 맥스웰의 이론적 예측에서 시작하여, 마르코니의 공학적 집념과 잰스키의 과학적 우연이라는 이중적 기원을 통해 탄생하고 발전해왔음을 살펴보았다. 이러한 이중성은 오늘날에도 통신 기술의 발전과 순수 과학 탐사라는 두 축으로 이어지며 학문의 역동성을 유지하는 원동력이 되고 있다.

또한, 무선 통신, 전파천문학, 원격 탐사, 의료 영상 등 겉보기에는 전혀 다른 분야들이 실제로는 맥스웰 방정식, 섀넌-하틀리 정리, 역문제 해결과 같은 소수의 근본적인 물리적, 수학적 원리를 공유하고 있음을 확인했다. 이는 전파과학이 여러 응용 분야를 아우르는 근본적이고 통일된 학문 체계임을 시사한다.

미래를 향한 흐름 속에서 이러한 학문적 경계는 더욱 허물어지고 있다. 6G에서 통신과 감지 기능이 융합되는 JCAS 개념, MRI와 전파 간섭계가 공유하는 영상 재구성 방법론 등은 전파과학이 개별 기술의 집합이 아닌, 고도로 융합된 학문으로 진화하고 있음을 명백히 보여준다.

9.2 미래 도전 과제와 기회

9.2.1 스펙트럼 고갈 문제

전파 스펙트럼에 대한 수요는 앞으로도 계속 증가할 것이며, 스펙트럼 희소성 문제는 더욱 심화될 것이다. 이는 동적 스펙트럼 공유, 인지 무선 기술의 고도화를 촉진하고, 인류가 아직 본격적으로 활용하지 못한 테라헤르츠 대역으로의 진출을 가속하는 가장 강력한 동인이 될 것이다.

9.2.2 인공지능(AI) 혁명

인공지능과 머신러닝 기술은 전파과학의 모든 영역을 변화시킬 잠재력을 가지고 있다. 복잡한 6G 네트워크의 자율적 최적화 17, 전파망원경이 생성하는 방대한 데이터의 자동 분석, 간섭 신호의 실시간 식별 및 완화, 그리고 새로운 전파 특성을 가진 메타물질 설계에 이르기까지 AI는 연구와 응용의 효율성을 극대화할 것이다.

9.2.3 학제 간 융합의 최전선

미래 전파과학의 가장 큰 기회는 다른 학문과의 경계에서 나타날 것이다. 생체전자기학은 새로운 질병 치료법을 제시할 수 있으며, 양자역학과 결합한 양자 통신은 해독이 불가능한 보안 체계를 약속한다.12 또한, 통신, 감지, 컴퓨팅이 통합된 지능형 네트워크는 우리 주변 환경의 실시간 디지털 트윈을 구축하여 스마트 시티, 자율주행, 재난 관리 등 사회 전반의 패러다임을 바꿀 것이다.

9.2.4 표 2: 주요 전파과학 응용 분야별 핵심 기술 및 원리 종합

아래 표는 이 안내서에서 논의된 주요 응용 분야들이 어떤 공통된 과학 원리와 핵심 기술에 기반하고 있는지를 종합적으로 보여줌으로써, 전파과학의 통일성과 다양성을 한눈에 파악할 수 있게 한다.

9.3 최종 전망

전파과학은 20세기의 유물이 아니라 21세기 기술 혁신을 이끄는 핵심 동력 학문이다. 그 원리들은 인공지능 기반의 초연결 네트워크와 사물인터넷에서부터 개인 맞춤형 정밀 의료, 그리고 우주에 대한 인류의 끊임없는 탐사에 이르기까지, 차세대 과학 기술 발전의 가장 근본적인 토대를 제공한다. 미래 사회는 단순히 디지털화되는 것을 넘어, 무선으로 연결될 것이다. 따라서 그 미래는 전파과학이라는 견고한 기반 위에 세워질 수밖에 없다. 보이지 않는 파동을 이해하고 제어하는 능력은 앞으로도 인류의 가능성을 확장하는 가장 중요한 열쇠로 남을 것이다.

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