마이크로파는 전자기파의 스펙트럼 중 적외선 파장과 라디오파 사이의 1mm~1m 사이의 전자기파들을 가리키는 말이며 국제적인 기준에 따르면 넓은 의미에서는 라디오파에 포함된다고 합니다
마이크로파는 살균력이 강하며 식물이나 물에 잘 흡수되는 특성을 가졌고 또한 수분이 함유되어있는 물질에 침투해서 열을 발생시키는 특성이 있기 때문에 이러한 특성을 이용해서 음식물을 빨리 가열하는 전자레인지에서 사용하는 전자기파입니다
또한 마이크로파는 진동수가 낮아 다른 전자기파들보다 만들기 쉽고, 매질이 없이도 공간 상에서 퍼져나가며 벽이나 장애물을 통과할 수 있는 성질을 가지고있기때문에 무선통신,레이더, 전파망원경,위성TV,전자레인지 등 여러분야에서 사용되고있습니다 이 글에서는 마이크로파의 세분화된 분류와 또한 가장 많이 활용되고있는 분야인 레이더, 전자레인지, 위성통신, 또한 농업분야에서의 활용에 대해서 알아보겠습니다
1. 마이크로파의 분류
마이크로파를 더 세분화해서 분류하면 극초단파(UHF), 초고주파(SHF), 극고주파(EHF)로 분류할 수 있습니다
●UHF(극초단파)
주파수 범위300MHz~3GHz 의 전자기파로 TV송신기, 대중교통 통신, TV송신기 등 주로 지상 무선통신에서 사용됩니다
●SHF(초고주파)
3~30GHz 범위이며 레이더, 블루투스, Wi-Fi, 초고속 무선통신 기술인 5G 네트워크 등에 사용됩니다
● EHF(극고주파)
30~300GHz이며 주로 짧은 거리의 통신이나 고대역폭 무선통신에 사용됩니다
●레이더
레이더란 전자기파가 어떤 물체에 닿았을 때 반사되어 돌아오는 성질을 이용하여 물체의 형태나 거리등을 파악하는 장비입니다 이 레이더에 마이크로파를 이용하는데, 목표가 되는 지점에 인위적으로 생성한 마이크로파를 안테나를 통해서 집중적으로 발사합니다 그리고 다시 물체에 부딪쳐서 돌아오는 마이크로파를 수신 안테나가 감지하고 처리하는 방식입니다 레이더를 통하여 군사, 항공, 해상, 기상 관측 등에 이용하는데 기상관측에서는 구른 속에 있는 물방울에 부딪쳐서 돌아오는 파장을 분석해서 강수량을 알 수 있다고 합니다
●전자레인지
역사적으로 아주 위대한 발견이나 발명품도 우연한 기회에 이루어지는 경우가 많은데 전자레인지의 음식을 가열하는 방법도 레이더를 개발하던 중 아주 우연한 기회에 발견하게 되었습니다
영국의 존 란달 경과 해리 부트 박사는 레이더에서 사용하는 마이크로파를 발생시키는 마그네트론을 발명하여 연구소를 운영하며 마그네트론을 개발하고 있었습니다
이 연구소에는 퍼시 스펜서라는 직원이 개발에 참여하고 있었는데 1945년 어느 날 휴식 시간에 주머니에 넣어둔 초콜릿을 먹으려고 초콜릿을 꺼냈더니 완전히 녹아있었습니다 그 당시는 추운 겨울이었고 연구실도 따뜻한 환경이 아니었기 때문에 무엇 때문에 초콜릿이 녹았을까를 생각하던 중 퍼시는 마그네트론에 의해서가 아닐까 하고 생각하게 되었습니다
이 생각을 확인하기 위해 옥수수를 마그네트론에 가져다 대었습니다 처음에는 아무런 반응도 없었는데 조금 후, 옥수수가'퍽'하는 소리를 내며 익는 것이었습니다 이것이 지금의 팝콘이 되었는데, 옥수수가 터지면서 익게 되는 원리는 옥수수 안에 들어있는 수분 때문입니다
옥수수의 안, 중심으로부터 마이크로파에 의해서 가열이 시작되면 수분이 증발해서 증기가 쌓이게됩니다 이 증기는 옥수수 껍질이 단단하기때문에 배출되지못하고 껍질 안에 갇혀버리게 되는데 계속 증기가 쌓이면 압력이 커지서 옥수수의 껍질이 터지면서 팝콘이 되는 것입니다
퍼시는 옥수수에 이어 익지 않은 계란도 마그네트론에 갖다 대었는데 계란도 속에서부터 익다가 껍질이 폭발하였습니다
퍼시는 이후 여러 방법으로 실험을 한 끝에 마그네트론에서 발생되는 전자기파를 이용하여 식품을 빠르게 익히는 데 사용할 수 있겠다는 확신을 하고 1945년 특허를 신청하였다고 합니다 그리고 전자레인지를 시판하였는데 처음에 시판된 전자레인지는 사람의 키와 거의 같은 크기였고 가격 또한 너무 고가였기 때문에 일반 대중들에게 보급되지는 못하였습니다 그러나 기술이 계속 발전하면서 전자레인지의 크기가 씽크대에서 사용할 만큼 최적화되었고 가격또한 안정되어서 현대 주방의 필수품이 될수있었습니다
이 전자레인지가 음식물을 가열하는 원리는 일반적인 가열방식인 열전도와 열복사와 달리 마그네트론이라는 고주파 생성기를 이용합니다 마그네트론에 고압전기를 가하면 915 MHz와 2450 MHz의 2개의 주파수가 생성되는데 전자레인지에는 2450 MHz의 마이크로파를 적용한다고 합니다
마이크로파는 음식물을 담고 있는 용기는 그냥 통과하고 음식물 내부에 침투하여 음식물을 직접 가열하는데 이러한 원인은 음식물에 들어있는 수분 때문입니다
마이크로파와 음식물 등에 들어있는 수분은 진동수가 비슷하다고합니다 음식물 속에 진동수가 같은 마이크로파가 침투하면 음식물 내의 분자들이 초당 24억 5000번 진동하면서 분자들끼리 마찰이 일어나는데 이로 인해 마찰열이 발생하면서 음식물이 뜨거워진다고합니다
이때 마이크로파가 그냥 통과한 용기가 뜨거워지는 이유는 마이크로파의 영향때문이 아니고 용기 안에서 가열된 음식물이 뜨거우므로 용기의 온도까지 올라가는것이라고합니다
전자레인지 안에서 마이크로파를 만드는 핵심장치는 마그네트론인데 '마그네트론'은 양극, 음극, 안테나, 자석으로 구성되어 있으며 마그네트론에서 전자를 만들어내고 이 생성된 전자를 마이크로파로 변환하여 전자레인지 안으로 방출시키고, 방출된 마이크로파는 전자레인지 안에 있는 음식물과 반응하여 온도를 상승시킵니다
참고로 전자레인지에 금속이 들어가면 생성된 전자파장이 반사가되기 때문에 스파크가 발생하고 화재가 날 위험성이 있으므로 금속이 붙어있는 용기나 알루미늄 호일 등을 사용하면 안 됩니다
●위성통신
마이크로파는 대기권을 잘 통과하며 라디오파에 비해서 주파수가 높으므로 많은 양의 정보를 보낼 수 있어서 다중통신이나 텔레비전방송 중계에 이용됩니다
대기권 밖으로 쏘아 올린 인공위성을 매개체로 하여 통신을 중계하기 때문에 또한 지형의 특성에 영향을 받고 일정한 통신이 가능합니다
대기권 밖으로 인공위성을 쏘아 올려 최초로 통신에 이용한 것은 1964년 8월 미국항공우주국(NASA)에 의해서입니다 대기권 밖, 태평양의 적도와 날짜 변경선의 사이의 위치에서 정지위성이 되어 일본의 도쿄 올림픽을 미국과 유럽 등에 생방송한 것이 첫 번째 위성통신이었으며 우리나라의 인공위성은 1995년 무궁화 1호를 시작으로 무궁화 2,3,4,5가 발사되었고 24년 무궁화 6호가 발사예정이라고 합니다 외국에서는 Koreasat이라고 칭한다고 합니다
●농업 분야에서의 활용
최근(2023) 우리나라에서는 마이크로파로 농작물의 병충해를 죽이는 기술을 개발했다고 합니다
이러한 기술은 호주 등 해외에서 이미 소개된 적이 있었으나 마이크로파가 멀리가지 못하고 흩어지는 특성때문에 땅 속 10cm 밖에 침투하지못하여 실용화되지는 못했다고합니다
그러나 이 번 우리나라 연구진이 개발한 기술은 마이크로파에 강한 진폭을 주기 위해서 특수한 안테나를 개발하였으며 이 안테나에서는 여러 개의 마이크로파가 방출되어 특정한 지점에서 합쳐져서 더 큰 진폭을 형성하도록 만들었기때문에 땅 속 30cm까지 침투되어 땅 속 온도를 60~100도까지 높일수있는데 이 정도의 온도는 세균, 해충 등을 충분히 살균할 수 있다고합니다
또한 마이크로파는 방사하는 시기는 수확을 끝 낸 빈 농지에서 사용하기 때문에 뜨거운 열로 인해 농작물의 뿌리가 상할 염려는 없다고 합니다 이러한 방법으로 병충해를 사멸하는 것은 독성이 있는 농약을 사용하는 방법을 대체할 수 있는 방법이라고 합니다
결론
다른 전자기파와 마찬가지로 마이크로파를 활용하는 기술은 우리의 삶을 보다 풍요롭고 편리하게 해 주며 첨단 문명을 이루어가고 있습니다 전자기파라는 눈에 보이지 않는 자원을 활용하며 하루하루가 눈부시게 발전해 가는 현대를 살아가면서 앞으로는 또 어떤 기술들이 개발되어 인류를 놀라게 할지 기대를 가져봅니다