이제부터 흥미진진해지겠네요.
기준: 주파수가 높을수록 전달되는 에너지도 커진다.
어떤 분들은 이미 알고 계시겠지만, 무선 신호는 파동인 동시에 마치 작은 포탄과도 같습니다.
그리고 주파수가 높을수록, 그 물체에 담긴 에너지도 더 커집니다.
자, 그럼 이제 드디어 첫 번째 발표자를 소개해 드리겠습니다.
그는 우리 내부뿐만 아니라 그 밖의 넓은 범위에서도 아주 유명한 인물입니다. 왜냐하면 매우 호감 가고 누구에게나 사랑받는 MWGFD 이사회 동료이자 물리학자인 베르너 베르그홀츠 교수는 다양한 조사위원회의 전문가 위원으로도
활동하고 있기 때문입니다. 예를 들어, 브란덴부르크주와 튀링겐주의 코로나 사태 사후 분석 위원회 등이 있습니다.
그는 브레멘에 있는 제이콥스 대학교(Jacobs University)의 전 전기공학 교수이며, 뮌헨과 레겐스부르크에 있는 지멘스(Siemens)에서 17년 동안 품질 및 위험 관리 전문가로 근무하기도 했다.
친애하는 베르너 님, “이동통신 기술: 5G의 물리적 기초와 기술적 장점”이라는 제목으로 오늘의 주제에 대해 소개해 주실 강연에서 어떤 이야기를 들려주실지 기대가 큽니다. 그럼 이제 마이크를 넘겨드리겠습니다.
친절한 말씀에 진심으로 감사드립니다, 로니 님.
제가 “물리학적 기초와 기술적 장점”이라고 썼죠. 하지만...
우선 기본 사항에 대해 이야기해 보겠습니다. 보도 자료에 적었듯이, 아담과 이브 이야기부터 시작하겠습니다.
자, 이제 짧은 영상을 하나 보여드릴게요. 물에 돌을 던지면 파도가 퍼져 나가는 모습을 볼 수 있어요.
무선 전파는 바로 이런 식으로 상상할 수 있는데, 이에 대해서는 잠시 후에 말씀드리겠습니다.
한 번 해보고 잘 되는지 확인해 봅시다.
자, 다시 한 번 정리해 보겠습니다: 전파란 무엇일까요? - 대략적인 감을 잡을 수 있도록.
그렇다면 이미 100년 이상 사용되어 온 방송과 이동통신의 차이점은 무엇이며, 왜 그렇게 높은 주파수를 사용하는 것일까요?
그리고 가장 중요한 점은, 고주파의 이러한 특성들이 왜 반드시 무해하다고만 할 수 없는가?
그 후 다음 연사들이 이에 대해 더 자세히 설명해 드릴 것입니다.
자, 이제 돌이 떨어질 거예요.
자, 두 가지 현상을 확인했습니다. 파동이 퍼져 나가고 있습니다.
이 경우, 그것은 사실상 2차원 파동입니다. 이것이 바로 물질의 운동입니다.
그리고 지금 정지 화면에서 볼 수 있는 것 외에도 다른 파도들이 더 있습니다.
그리고 이것이 바로 현실과 정확히 일치하는데, 이것이 바로 그 위험성을 어느 정도 설명해 주는 부분이기도 합니다.
만약 제가 그런 공간에서 휴대폰을 가지고 있다면 – 물론 지금이 강연 중이 아니라고 가정해 보자면 – 아마 20명 이상의 사람들이 각자 스마트폰을 사용하고 있을 테고, 그 결과 전파 간섭이 일어날 것입니다.
마치 파티와 비슷한 느낌이에요.
이 상황에서 모두가 집중력을 높여야 하는데, 지금 당장 꼭 그렇게 해야 할 필요는 없다.
좋아, 자, 돌을 물에 던졌더니, 물이 움직이는 걸 봤어.
무선 전파도 이와 비슷합니다.
안테나는 전파를 방출하지만, 이제는 2차원이 아니라 구형으로 방출합니다.
그리고 가장 중요한 점은, 여기에 물질이 전혀 포함되어 있지 않아 진공 상태에서도 작동한다는 것입니다.
그리고 보통은 아무것도 보이지 않고, 아무 소리도 들리지 않는다.
그리고 이런 현상이 존재하고 과학적으로 연구될 수 있게 된 것은 물리학자 하인리히 헤르츠 덕분입니다. 그는 큰 전류를 갑자기 차단한 뒤 수신기를 설치했는데,
그때 약간의 불꽃이 튀었고, 그래서 ‘funken’이라고 부르게 된 것이죠.
또 하나 매우 큰 차이가 있는데, 이는 실제 적용에 있어 매우 중요합니다. 앞서 살펴본 바와 같이, 물결의 속도는 20cm/s 정도였습니다.
음파, 우리도 잘 아는 것이죠. 속도는 300m/s로, 천둥번개가 칠 때 누구나 한 번쯤은 경험해 본 적이 있을 겁니다.
번개가 보이는 순간, 번개가 치는 위치에 따라 천둥 소리가 들리기까지 1초에서 10초, 혹은 그 이상 걸리는데, 이는 300m/s의 속도 때문입니다.
전자기파의 속도는 300m/s가 아니라 300,000 km/s로, 약간 더 빠릅니다.
그러니까 300,000,000 m/s, 백만 배나 더 빠른 속도입니다.
물론 이는 실제 적용에 있어 매우 중요합니다.
하지만 이를 좀 더 넓은 관점에서 보면, 달에서 누군가가 레이저를 켜면, 여기에서 그 광경을 볼 수 있을 때까지 약 1초가 걸립니다.
만약 태양에서 똑같은 일이 일어난다면, 8분이 걸릴 것입니다.
이건 우주에서 거리가 얼마나 먼지를 보여주기 위한 예시입니다.
이제 이것이 유일한 공식입니다: 파장은 빛의 속도 c, 즉 300,000km/s를 주파수로 나눈 값과 관련이 있습니다.
이 정도 파도가 지나가는 걸로, 대략 그런 식으로 비유할 수 있습니다.
즉, 주파수가 높을수록 파장은 짧아집니다.
자, 현재 5G는 이 정도 파장 범위에 해당하고, 예전에는 중파를 사용했는데, 그 파장은 1,000미터나 1,600미터 정도였습니다.
예를 들어, 이른바 단파의 파장은 49미터였는데, 이때는 아직 킬로헤르츠(kHz) 단위에 속하는 시기였습니다.
그리고 당시에는 FM(초단파) 단계에 이르러서야 비로소 – 물론 오늘날 기준으로 보면 그조차도 비교적 긴 주파수 대역이지만 – 메가헤르츠(MHz) 대역, 즉 초당 100만 진동으로 넘어가게 되었습니다.
자, 우선 몇 가지 기본적인 사항에 대해서는 이 정도로 하겠습니다.
그러니 명심합시다: 전자기파는 들을 수도 없고, 볼 수도 없습니다.
어떤 사람들은 그것을 느끼지만, 대부분은 그렇지 않고, 나도 그렇지 않다.
그리고 이 파동들은 엄청나게 빠르게 퍼져 나가며, 파장이나 주파수도 결코 무시할 수 없는 요소입니다.
자, 이제 라디오가 나온 지 벌써 “한참”이나 지났네요.
중앙 송신기가 하나 있었는데 – “영원히 그리고 사흘”은 대략 100년 정도를 뜻합니다 –, 수신기는 많았지만, 앞서 말했듯이 송신기는 단 하나뿐이었고, 정보의 흐름은 한 방향으로만 이루어졌습니다.
특히 중파의 경우 대역폭이 좁은데, 이는 주로 음질이나 음악이 그다지 좋지 않은 상태로 전송되었기 때문입니다.
그리고 이제 이 이야기가 한 가지로 이어지는데요:
언어, 음악 데이터, 동영상 등의 정보를 전송하려면 단순히 하나의 주파수만으로는 안 되고, 일정한 대역폭이 필요합니다.
그러니까 제가 그 비용을 내야 하는군요.
이동통신에서는 킬로헤르츠 단위를 사용하지 않으며, 초기에는 메가헤르츠를, 지금은 기가헤르츠를 사용합니다. 5G의 경우 최대 6~8 GHz까지의 주파수 대역을 말합니다.
고주파가 왜 그렇게 중요한지에 대해서는 잠시 후에 다시 설명하겠습니다.
자, 이제 이동통신에 대해 이야기해 보죠. 알다시피, 송신기인 기지국이 있는데, 보통 1킬로미터나 몇 킬로미터 떨어져 있죠. 5G의 경우 100미터 정도일 수도 있고요. 수신기 역할을 하는
휴대폰도 많고, 동시에 송신기 역할을 하는 휴대폰도 많다는 점은 앞서 잠깐 언급한 바 있습니다.
다들 동시에 무언가를 하고 있으면 정말 멋진 파도 같은 샐러드가 만들어지네요.
그리고 저는 항상 더 넓은 대역폭과 더 높은 데이터 전송 속도가 필요합니다.
그건 참고로 연방 예산과 비슷하다고 생각하면 됩니다:
그건 제가 태어난 1950년 무렵이었는데, 그 당시에는 1억 단위, 수억 정도였죠.
그 덕분에 2~3백만 정도의 자금을 조달할 수 있었습니다.
이제 우리는 수십억 단위를 이야기하고 있는데, 그러려면 당연히 5000억 정도는 되는 연방 예산이 필요하겠죠.
여기도 비슷한데, 높은 데이터 전송 속도를 원한다면 훨씬 더 많은 대역폭이 필요합니다.
전형적인 예로, 초기 아날로그 텔레비전의 경우 대역폭이 약 5 MHz 정도였습니다.
디지털 신호는 이제 약 1 MHz 정도와 그보다 조금 더 남았습니다.
GHz의 경우, 어떤 대역폭을 사용하는지, 현재 전송하려는 데이터 양이 얼마나 되는지에 따라 달라지며, 이는 동적으로 처리됩니다.
다시 대역폭 얘기로 돌아가자면, 방금 이미 말씀드렸듯이 아날로그 방송은 간섭에 취약한 반면, 디지털 TV와 라디오 방송은 간섭에 강합니다.
하지만 저는 그저 덤으로 한 말일 뿐인데, 디지털 TV에는 사소한 체계적 오류가 있다고요.
우리 중에 축구 팬이 있다면, 키가 작고 어쩌면 빨간색 옷을 입은 선수가 푸른 잔디 위를 달리는 모습을 주의 깊게 지켜보세요. 자세히 보면 그 선수 주위에는 항상 작은 선이 하나 맴돌고 있습니다.
이건 실수지만, 별로 눈에 띄지는 않습니다.
수학적으로는 이른바 ‘깁스 현상’입니다. 이 이상은 말하지 않겠습니다.
자, 전송에 대해, 왜 그렇게 높은 주파수를 사용하는지 방금 설명했습니다.
모든 전송에는 일정량의 주파수, 즉 주파수 대역이 필요합니다.
이것은 다른 것들과 겹쳐서는 안 됩니다.
채널이 많으면 당연히 더 많은 대역폭이 필요하고, 전송할 데이터가 많으면 더 많은 대역폭이 필요하죠.
그러니까 영상 말인데요, 제가 이미 말씀드렸듯이 MHz, 데이터가 10~100 MHz 정도 됩니다.
상황에 따라 아마 더 가능할 수도 있습니다.
6G라면 확실히 그렇겠죠 – 물론 그때그때 어떤 요구 사항이 있는지에 따라 달라지겠지만요.
좋아요, 전 이 얘기를 이미 구두로 잠깐 언급한 적이 있는데, 일부러 그랬어요. 왜냐하면 그냥 말로만 설명할 때보다, 동시에 무언가를 보여줄 때 사람들이 더 귀를 기울이기 때문이죠.
즉, 100 MHz는 대략, “수십억 유로의 예산이 필요하다” 또는 “기가헤르츠 단위의 주파수 예산이 필요하다”는 뜻입니다.
그리고 그래프의 오른쪽 부분을 보시면, 예를 들어 UMTS(3G)에 필요했던 주파수 대역폭이 표시되어 있고, LTE는 그보다 훨씬 더 넓은 대역폭을 사용하며, 현재 5G는 그보다 훨씬 더 많은 대역폭을 필요로 합니다.
그리고 앞서 말씀드렸듯이 상황에 따라 달라지며, 유연하게 처리되지만, 대략적으로 생각하시면 됩니다.
자, 이제 말하자면 기초는 다 닦았으니, 이제부터는 어떤 부분이 중요한지 살펴보자고 할까요.
지금까지 기본 내용을 살펴보았습니다. 다시 한 번 스펙트럼을 보여드리겠습니다.
보시다시피, 5G는 4G나 LTE보다 훨씬 더 많은 것이 필요합니다. 참고로 LTE는 “Long Term Evolution”의 약자입니다.
별로 의미 없는 것인데, 여러 단계가 있기도 하다.
이제 생물학이나 잠재적인 피해 측면에서 흥미로운 부분이 시작됩니다.
한 가지 기준이 있습니다. 주파수가 높을수록 전달되는 에너지도 커집니다.
어떤 분들은 이미 알고 계시겠지만, 무선 신호는 파동인 동시에 작은 포탄이나 광자와도 같은 성질을 지닙니다. 빛의 경우 이를 광자라고도 부릅니다.
그리고 주파수가 높을수록, 그 물체에 담긴 에너지도 더 커집니다.
그리고 이 5G 전파가 내 피부나 눈에 흡수되면, 일정한 침투 깊이를 가지며 완전히 흡수됩니다.
그리고 지금, 예를 들어 100 MHz와 8 GHz를 비교해 보면, 에너지 묶음 하나당 내게 미치는 에너지가 80배나 더 많다는 뜻입니다.
이는 보는 관점에 따라 파동이기도 하고 일종의 묶음이기도 합니다.
그리고 그게 정말 최악이에요.
어떤 강연이나 발표에서 “네, 정말 좋네요”라는 말을 들은 적이 있는데, 아니면 우리가 무엇을 보게 될까요?
여기서 볼 수 있듯이, 주파수가 높을수록 침투 깊이는 더 얕아집니다.
이것이 침투 깊이이고, 이것이 주파수입니다 – 둘 다 로그 척도로 표시된 것입니다.
그렇지 않다면 선형적일 때 아무것도 보이지 않을 것이며, 우리는 단지 ‘주파수가 높을수록 침투 깊이는 작아진다’는 점만 기억하면 됩니다.
다음과 같은 반응이 나왔습니다. “그거 좋네요, 그럼 그렇게 깊게 들어가지 않으니까요.”
저는 수년 동안 방사성 물질을 다루어 온 경험 덕분에, 그 밖에도 방사선 안전 전문가 자격을 취득했습니다.
그때 저는 침투 깊이가 얕을수록 좋지 않다는 것을 알게 되었습니다. 왜일까요?
에너지 밀도, 그것이 방사성 이온화 방사선이든 비이온화 방사선이든 상관없습니다.
침투 깊이가 얕을수록, 특정 부피 내에 저장되는 에너지는 더 많아집니다.
그리고 제 생각에는, 특정 부피에 유입되는 에너지가 많을수록 문제가 발생하거나 피해를 입힐 가능성이 커진다는 점이 타당해 보입니다.
사실 사람들은 꽤 순진하게도, ‘이온화 방사선은 당연히 해롭다는 건 알지만, 어쨌든—다음 연사분들이 분명 더 자세히 설명해 주시겠지만—이 비이온화 방사선에도 문제가 있다’고 말해왔습니다.
자, 이 슬라이드가 아마도 가장 중요한 슬라이드일지도 모르겠네요.
침투 깊이가 얕은 것은 좋은 것이 아니라 나쁜 것이다.
자, 왼쪽에는 5G의 전형적인 개략도가 나와 있습니다.
5G 전체가 그런 것은 아닙니다. 즉, 시골 지역에서는 그렇지 않지만, 건물 밀집 지역에서는 단일 안테나가 아닌 이른바 ‘안테나 매트릭스’(예: 8x8
송신기)를 사용하여 전기 공학적 조작을 통해 빔을 생성하는 방식으로 작동할 것입니다.
하지만 ‘광선’이라고 하면 손전등이나 레이저를 떠올리기 마련이지만, 사실은 그렇지 않습니다.
이 강연을 준비하면서 저도 처음에는 이를 배워야만 했습니다.
저도 왠지 그런 식으로 상상했었어요.
하지만 아니요, 그런 게 아닙니다. 이를 ‘연필 광선’이라고도 부르지만, 사실은 이렇습니다. 이것이 이른바 ‘극좌표도’입니다.
이는 서로 조율되어 전파를 방출하는 이만큼의 개별 안테나들이 있을 때, 강도가 어떤 방향으로 나타나는지를 보여줍니다. 그리고 0도 방향을 보면, 이것이 주빔입니다. 이 안테나들을 ‘빔’이라고도 부릅니다.
이것은 특정 부위에 국한되거나 특정 방향으로 집중되지는 않지만, 물론 구면파에서 보았던 것처럼 전방향으로 방사되는 것보다 실제 적용에 있어 훨씬 더 낫습니다.
도움이 필요한 사람에게 집중적으로 전달되고, 그 주변에도 어느 정도 영향을 미치지만, 나머지 사람들은 그다지 크게 느끼지 못합니다.
그건 일단 긍정적인 일이긴 하지만, 방사선에 노출된 사람, 즉 그 사람뿐만 아니라 우연히 그 옆에 서 있는 사람도 당연히 그 영향을 받게 됩니다.
하지만 앞서 말했듯이, 사실 더 큰 위험은 자신의 기기 자체입니다. 적어도 이렇게 사용할 때는 말이죠.
핸즈프리 통화를 할 때 기기를 손에 들고 이렇게 잡으면 훨씬 더 편하니, 강력히 추천합니다.
음, 5G는 700 MHz인데, 여기에는 26 GHz까지라고 적혀 있네요. 그러니까 제가 알기로는 5G는 8 GHz까지만 지원되는 것 같은데—에리완 라디오 방송처럼 “상황에 따라 다르죠!”
그러니까 시골 지역이 있다면, 그곳에서는 저주파를 사용합니다.
왜냐하면? 이 신호들은 공기에 의해 거의 흡수되지 않기 때문에, 이 지역에는 기지국이 필요하지 않습니다.
집속 빔, 즉 가장 높은 주파수로 작업하려면, 대략적으로 추산해 봤을 때 100개의 소형 기지국이 필요할 것 같습니다. 그러면 비용이 훨씬 더 많이 들겠죠.
그리고 중간 영역과 더 좁은 영역이 있습니다.
그걸 이렇게 생각하면 돼요. 빌스비부르크는 딱히 큰 도시는 아니고, 제 생각엔 중간 정도 크기인 것 같아요.
그리고 우리가 좀 더 큰 도시에 있다면, 그곳에서는 5G가 – 아마도 오늘이든 가까운 시일 내에든 – 5G가 될 것입니다. 기술적으로 모든 것이 구현되기까지는 어느 정도 시간이 걸리니까요.
어쨌든 돈도 좀 들긴 하죠.
좋아요, 자, 지금까지는 – 뭐랄까 – 기술적인 부분만 설명했고, 문제가 발생할 수 있는 부분이 어디인지 약간 짚어봤습니다.
아주 일반적으로 말하자면, 소위 ‘예방 원칙’이 부족하다고 생각합니다.
사실 지금까지 EU에서는 새로운 기술을 도입하기 전에, 합리적인 위험 분석과 위험 평가를 통해 해당 기술이 실제로 안전하다는 것을 확인한 후에야 비로소 도입하는 것이 관례였습니다.
미국에서는 상황이 조금 반대입니다.
일단 해보고, 무슨 일이 일어나는지 지켜보다가, 문제가 생기면 그때 제동을 거는 거죠.
우리의 친애하는 사회자 로니 씨도 아까 코로나 백신에 대해 언급했었는데, 그 경우에는 예방 원칙이 전혀 적용되지 않았습니다.
심지어 우리 전 총리도 “우리는 모두 실험용 토끼다”라고 말했었죠.
하지만 여기 앉아 계신 분들 중 실험 대상이 되기로 한 사람은 별로 없을 거라고 확신합니다.
그래서 이동통신 분야에서는, 제 생각에 어딘가에서 예방 원칙이 준수되지 않았다고 봅니다.
그리고 저는 20분을 꽤 정확히 지켰습니다.
자, 다시 한 번 정리해 보자면: 전파는 눈에 보이지 않으며, 진공 속에서 전파되지만 그 속도는 엄청나게 빠릅니다.
그리고 모바일 통신은 의심할 여지 없이 유용한 용도가 있는데, 로니도 이미 그 점을 언급했죠.
하지만, 아까도 말했듯이, 예방 원칙이 원칙적으로는 적용됩니다.
주파수가 높을수록 에너지 투입량도 커지며, 밀집된 건물 지역에서는 이미 방향성 방사 현상이 나타나거나 앞으로 나타날 것입니다.
한편으로는 전반적인 부하가 조금 줄어드는 건 좋은 일이지만, 반대로 그 물줄기 안에 있는 사람은 부하가 조금 더 커지게 되니 그리 좋은 일은 아닙니다.
네, 그게 다입니다. 감사합니다.
휴대전화와 와이파이의 전자파는 사람, 동물, 환경에 해를 끼칩니다. 전자파가 없는 구역이 필요합니다! asza.org