현대사회와 전자파 - 김기채

[Therese]

       현대사회와 전자파

                                                             김기채 /전기공학과

1. 전파가 발견되지 않았다면?

전파가 발견되지 않았더라면 현대의 도시는 어떤 모습일까? 전파가 실용화되기 이전인 1890년대의 필라델피아 거리 모습에서 유추해 볼 수 있는데, 4층 건물보다 높은 13단의 전봇대에는 약 300 개의 전선들이 도로 양쪽을 가득 채우고 있다. 전파가 발견되지 않았더라면 이 세계는 온통 전선들로 가득차 있는 거미줄 사회가 되어 있을 것이다.

정적인(static) 정보와 동적인(dynamic) 통신이 결합되어 정보화사회로 진전되었고, 특히 전파를 사용하는 무선통신기술은 초연결사회를 가능하게 하여 지금과 같은 스마트사회가 구축되었다. 60 Hz의 전파를 사용하는 ‘전기 에너지의 공급’과 마이크로파 등의 전파를 사용하는 ‘정보의 전달’ 없이는 ‘4차산업혁명’의 아젠다도 성립될 수 없다.

1890년대의 필라델피아 거리 모습 / 맥스웰 방정식

2. 전자파 이론의 선구자들

194년 전인 1831년 페러데이(영국, 1791~1867)에 의한 전자기 유도법칙의 발견은 전기 에너지의 발생을 가능하게 하였고 현대 문명사회를 구축하는 초석이 되었다. 패러데이의 전자기 유도법칙 발견으로부터 34년 뒤인 1865년 멕스웰은 전기 현상과 자기 현상을 모두 설명할 수 있는 4개의 연립 미분방정식을 발표한다. 이로부터 멕스웰은 “빛은 전기장과 자기장을 가지는 전자파이다”라는 빛의 전자파설(電磁波說)을 주창하게 된다.

멕스웰이 이론적으로 예언한 전자파는 1888년 헤르츠(독일, 1857~1894)의 불꽃 방전 실험을 통해 실험적으로 증명되었으며, 그의 업적을 기리기 위해 진동수(주파수)의 단위가 ‘헤르츠(Hz)’로 명명되었다. 헤르츠는 실험적으로 증명한 이것을 ‘전기적 진동(Elektrische Schwingung)’, ‘전기파(Elektrische Wellen, Electric Wave)’라고 불렀고, ‘전자파(Electromagnetic Wave)’라는 용어는 사용하지 않았다.

현재 사용되고 있는 ‘Electromagnetic Wave’라는 용어는 1888년 이후 피츠제럴드(아일랜드, 1851~1901)에 의해 사용되기 시작했으며, 멕스웰은 Undulation(파동), Disturbance라는 용어를 사용했다. ‘Electromagnetic Wave’의 번역어는 전기자기파(電氣磁氣波), 전자기파(電磁氣波), 전자파(電磁波), 전파(電波)이며 모두 같은 의미로 사용되고 있다.

1895년 마르코니(이탈리아, 1874~1937)는 수 킬로미터 거리의 무선전신 송수신에 성공하였으며, 1901년에는 영국에서 캐나다까지의 대서양 횡단 통신을 가능하게 하여 1909년 노벨 물리학상을 수상하게 된다. 마르코니에 의한 무선통신의 상업적 성공으로부터 radio(무선)의 개념이 태동하게 된다. 무선이 실용기술로 등장하면서 radio의 특성에 대한 과학적 탐구가 필요하게 되었고, 1919년 URSI (국제전파과학연합)의 창설과 함께 ‘Radio Science (전파의 과학적 이해, 무선과학)’라는 용어가 국제적으로 공식화된다. 이후, Radio Science는 전파의 생성과 전달, 산란, 반사와 굴절, 전파와 물질의 상호작용, 전자파 측정 등을 연구하는 과학 분야로서 Radio Engineering(무선기술)과 의식적으로 구분되기 시작한다.

3. 러일전쟁과 전자파 기술

1897년 1월 영국의 신문에 보도된 마르코니의 무선전신 공개 실험은 당시 영국에 주재하고 있던 일본 해군 관계자의 주목을 끌게 된다. 일본 해군이 발주하여 영국에서 건조 중이던 전함과 관련하여 일본 해군 관계자들이 런던에 파견되어 있었던 것이다. 일본은 신문 보도 6개월 후인 7월부터 체신성 전기시험소에서 연구를 시작하여, 그 해 11월 단거리 무선전신에 성공하게 된다. 일본 해군에서는 신문 보도 2년 후인 메이지 32년(1899)에 영국 공사관으로부터 마르코니 무선전신기에 관한 상세한 보고를 받고 본격적인 검토에 들어간다. 그 후, 메이지 34년(1901)에 150 km 통달거리의 34식 무선전신기를 성공시키고, 메이지 36년(1903)에는 성능을 개선한 36식 무선전신기를 해군의 전 함선에 설치하게 된다.

러일전쟁에서 결정적 전투로 알려진 일본해 해전(쓰시마 해전)은 단순한 해군력의 충돌이 아니라, 근대 전쟁에서 정보에 관련된 무선전신이 전쟁의 승패를 좌우할 수 있음을 보여준 중요한 사건이었다. 1905년 5월 27일 새벽(3시 55분), 일본의 순양함 시노마루(信濃丸)호는 어둠 속에서 대한해협을 통과(북위 33도 20분, 동경 128도 20분)하던 함대의 일부를 발견했으나 러시아 함대로 단정할 수 없었다. 어둠이 물러나길 기다린 4시 45분에 발트함대(Zinovy Rozhestvensky 제독)임을 확인하고, 이 사실을 무선으로 일본 연합함대(도고 헤이하치로(東郷平八郎) 제독)에 보고한다. 통보를 받은 도고 제독은 러시아 함대의 위치와 이동 경로를 정확히 파악할 수 있었고, 유리한 해전 구도를 준비하여 큰 승리를 거두게 된다. 이 해전은 무선통신이 본격적으로 전장(戰場)에 활용되어 지휘 통제 체계의 혁신을 이끈 대표적인 사례이며 오늘날 네트워크를 중심으로 한 전자전(Network Centric Warfare) 개념의 선구적 사례로 역사적 의의를 가질 수 있다.

러일전쟁에서 승리한 일본은 군사적 우위의 반영으로 국제적 정당성을 확보할 수 있었으며 조선은 외교권 박탈을 강요당했고, 통감부 설치(1906)를 받아들일 수밖에 없었다. 이는 조선이 사실상 보호국으로 전락했음을 의미하는데, 그 근본은 러일전쟁을 승리로 이끄는 데 결정적 역할을 하게 된 무선전신기술이 있었기 때문이다. 역사를 뒤돌아 보면서 우리는 항상 이렇게 말해 왔다. “당시 조선은 무엇을 하고 있었는가!”

33° 20' N 128° 20' E의 위치  

4. 전자파는 어떤 모습일까?

전기가 만드는 파동과 자기가 만드는 파동이 상호 결합하여 전자파를 만든다. 무한히 먼 곳에서 전력(Poynting 전력)을 계산하여 제로가 되지 않으면 “무한 원방(遠方)에 전력의 전달이 있다”고 하고 이를 ‘전자파 방사’라 해석(解釋) 한다.

전자파 전력은 전기장과 자기장의 외적으로 만들어지며, 이러한 외적을 ‘낮과 밤의 구별이 없이 언제나 어디서나 융합에 가까운 결합’이라고 표현할 수 있다. 전기장(남자)과 자기장(여자)이 만나서 언제나 어디서나 융합에 가까운 결합(결혼, 같이 살아감)을 하면 포인팅 전력(아기, 자식)이 만들어진다. KTX 속에서 남자(전기장)와 여자(자기장)가 함께 앉아 있다고 해서 아기(전력)가 만들어지지 않는다. 반드시 ‘융합에 가까운 결합(결혼)’이 있어야만 아기(전력)가 만들어진다. 이렇게 만들어진 전력(아기)은 이미 전기장(남자)과 자기장(여자)의 세계를 떠나 있다. 전기장(남자)과 자기장(여자) 모두가 다 허물어져 어울리기에 둘 사이를 가로막는 경계가 없다. 그러나 거기에는 엄연히 전기장(남자)과 자기장(여자) 개별의 고유한 경계가 있다. 경계 없이 경계와 소통하니, 둘도 아니고(不二) 그렇다고 무조건적인 하나도 아니다(不一). 미추(美醜)의 구분이 없고 순잡(純雜)의 구분이 없듯이 전기장(남자)과 자기장(여자)의 구별이 없는 정토의 세계가 전자파의 모습이라고 할 수 있다.

한 번 생성된 전자파 에너지는 무한 원방에서도 소멸되지 않으며 우주 공간에 그대로 존재한다. 우리의 뇌파(0.5~100 Hz)는 마음과 마음부수(心所)에 의해 신경세포 들간의 전기적 활동으로 만들어지고 뇌파가 생성하는 에너지는 영원히 사라지지 않는다. 전자파 에너지가 가지는 이러한 사실의 알아차림은 인간의 삶과 우주에 대한 깊은 경외심을 갖게 한다.

무명(無明)을 바탕으로 한 행(行, 업)에 의해 형성되는 임종 시의 마음 상태는 다음 생의 식(識)이 성립되는 조건으로 작용하며, 그 식은 명색(名色)과 육입(六入)을 거쳐 출생으로 이어진다. 이는 윤회(輪廻)를 설명하는 삼세양중인과론(三世兩重因果論)에서 원인과 결과의 연속성으로 설명될 수 있다. 즉, 원인과 결과가 과거, 현재, 미래의 '삼세(三世)'에 걸쳐 두 번(兩重) 반복되는 연속적 인과 관계로 윤회의 메커니즘을 설명할 수 있다.

이전 생의 행위(업, 因)가 다음 생의 결과(果)를 낳고, 그 결과가 다시 다음 생의 원인이 되어 끝없이 이어지는 '인-과-인-과'의 고리는 12연기(十二緣起)로 설명되는 윤회의 핵심 원리이다. 의지(업)에 의해 뇌파가 만들어지며, 그 에너지는 의지가 세계에 남긴 ‘물리적 흔적’이 된다.

삼세양증인과적 과정 - 12연기

5. 현대사회의 복병 –EMC, EMP, TEMPEST

전자파와 관련하여 현대사회에 감추어진 복병은 크게 3가지를 생각할 수 있다. 첫 번째는 전자회로의 디지털화에 따른 전자파 노이즈(Noise)의 문제이다. 현대의 전기전자기기와 정보처리용 융복합기기들은 고기능화와 고집적화로 진행되고, 정보처리 처리속도가 고속화되면서 전자파 노이즈에 의한 오작동 문제가 발생하고 있다. 이 문제를 해결하기 위한 EMC (Electromagnetic Compatibility, 전자파 적합성) 기술은 제품의 설계 단계부터 적용해야 하며, URSI(국제전파과학연합)에서는 EMC 분야를 Radio Science의 관점에서 다루고 있다.

두 번째는 전자기 펄스 (EMP, ElectroMagnetic Pulse)에 의한 전기전자기기 시스템 및 융복합 장치의 파손과 오작동 위험성에 대한 것이다. EMP가 핵폭발로 발생하는 고출력의 펄스 전자파라는 사실을 알게 되면서 ‘핵전자기 공격무기’의 개념이 탄생하게 된다. 미국 상공 480 km에서 핵무기가 폭발하면 미국 전체의 교통, 통신, 금융 등 모든 인프라 시스템이 마비될 수 있음을 경고하고 있다(2004년 미국 의회 보고서). 핵폭발에서 발생하는 핵전자기 펄스(N-EMP, Nuclear ElectroMagnetic Pulse)는 냉전이 종결됨에 따라 상대적으로 중요성이 낮아졌다. 그러나 EMP와 동등한 능력을 가지는 펄스 전자파가 인공적으로 만들어질 수 있기 때문에 고출력의 ‘의도적 전자기 간섭’ 개념으로 이행하게 되며, 2003년부터 I-EMI (Intentional-EM Interference)라는 용어가 사용되고 있다. 즉 핵에 의한 N-EMP와 인공적으로 만들어지는 HPEM(High Power ElectroMagnetic Field/Wave)을 합쳐 I-EMI가 구성되었고, EMP 위험에 대한 방호가 필요하므로 I-EMI의 기술적인 검토와 시험법, 대책법 등에 대한 국제규격을 제정하게 되었다.

마지막으로 세 번째는 전자파 시큐리티 분야이다. 우리가 일상 사용하고 있는 정보처리용 융복합 장치에서 방출되는 전자파 노이즈를 픽업하면 그 장치에서 처리되고 있는 정보를 복원할 수 있다. 정보처리 장치에서 비의도적으로 방출되는 전자파 노이즈를 픽업하여 정보를 복원할 수 있는 위협과 이를 방지하기 위한 기술 전반을 통칭하여 ‘TEMPEST(Transient Electromagnetic Pulse Surveillance Technology)’라고 한다. 고급 수신장치를 사용하면 10 m 이내 거리에서 컴퓨터 모니터의 화면을 재생할 수 있으며, 150~160m 거리에서도 도청이 가능한 것으로 추정된다.

6. 전자파의 인체 영향

전자파 방사에 의해 인체를 포함한 생체가 영향을 받을 수 있다. 인체에 미치는 전자파의 영향은 복잡한 인과 관계가 있으며, 전자파의 생체영향은 A형과 B형으로 나눌 수 있다. 자기장이 인체에 미치는 영향과 전기장이 식물에 미치는 영향은 A형이고, 전기장이 고기류에 미치는 영향은 B형이다. B형은 전자파에 대해 부정적인 영향만 나타난다. 식물에 적절한 전기장을 쪼여 생육에 좋은 영향을 미치게 하는 마이크로파 정원(Microwave Graden)도 보고되어 있으나, 나쁜 영향을 미칠 수 있는 전기장과 자기장의 세기가 어느 정도인지 알아내는 것은 매우 어렵다. 전자파의 생체영향은 감지레벨, 자극레벨, 기능저하레벨, 기능정지레벨의 단계를 생각해야 하며 시간, 주파수, 세기의 관계가 매우 중요하다.

상용전기의 주파수 60 Hz는 인체에서 발생하는 주파수 스펙트럼(심전도, 뇌파, 망막 등)과 중첩되기 때문에 60 Hz의 전자파가 인체에 영향을 미칠 가능성이 높다.

전자파의 생체영향 형태, A형(자기장과 인체, 전기장과 식물)과 B형(전기장과 고기류)

인체가 전자파에 노출되면 열이 발생하고 단백질 변성 현상이 나타날 수 있으며, 특히 혈류가 적은 부위(머리, 눈, 고환, 유방 등)가 위험할 수 있다. 2.4 GHz의 Wi-Fi 주파수에서 눈 부위의 온도가 높아지는 연구도 보고되어 있다. 인체에 전자파 에너지가 쪼여졌을 때, 열 이외에 나타나는 고유의 현상이 있는데 이를 ‘비열효과’라 한다. 전자파의 비열효과는 분자레벨과 세포레벨의 기서를 논하고 있지만 개체레벨에서는 아직 불명확하며 미해결 문제로 남아 있다. 낮은 주파수에서는 전류의 자극작용이 강하며, 주파수가 높아질수록 전기장에 의한 유전가열, 자기장에 의한 유도가열로 이행하게 되고, 열효과와 비열효과가 동시에 나타나게 된다.

1977년 구 소련에서 발생한 ‘모스크바 시그널(Moscow Signal)’ 사건은 매우 유명하다. 구 소련이 냉전 시기(1947~1991)인 1953년부터 1976년까지 모스크바 주재 미국 대사관 건물에 지속적으로 마이크로파를 방사시킨 사건이다. 미국 대사관 직원들은 두통과 메스꺼움 임파선암 등의 문제를 호소하였다. 조사 결과, 매일 18시간 동안 15 μW/cm²의 전자파가 쪼여졌다는 사실을 알게 되었는데, 미약한 전자파의 장시간 노출에 의한 비열효과를 의심하게 되었다. 미국에서는 이 사건을 계기로 전자파 안전기준에 대한 적극적인 논의가 시작되었다.

구 소련의 전자파 안전기준은 1958년에 제정되었으며, 1 mW/cm²를 가정하여 1 시간 동안 쪼이면 기능장해가 발생하는 것에 근거를 두고 있다. 여기에 안전율(1/10)을 고려하여 10 μW/cm²를 시간제한이 없는 안전기준으로 정하였다. 구 소련의 안전기준은 열효과와 비열효과가 모두 고려된 것이며, 모스크바 시그날은 안전기준보다 높은 15 μW/cm² 였다.

미국의 전자파 안전기준은 비열효과를 고려하여 1982년에 제정되었으며(1966년 제정된 ANSI ‘66보다 10배 더 엄격함), 킬로그램당 4 W의 전자파를 쪼였을 때, 동물의 행동에 변화가 나타나는 것을 바탕으로 하고 있다. 주파수, 쪼이는 방법, 동물의 종류에 관계없이 4 W/kg에서 반응이 나타나는데, 여기에 안전율(1/10)을 고려하여 0.4 W/kg를 안전기준으로 정했다. 4 W/kg은 생체효과의 불변량으로 생각되고 있다.

미국의 전자파 안전기준인 0.4 W/kg를 입사전력으로 환산하면 1 mW/cm²(저전력밀도)에 해당하며, 100 kW 방송국 안테나에서 20 m 떨어진 부근의 전력밀도와 같다. 저전력밀도는 열효과가 있어도 현저하지 않고 열효과가 나타나지 않는 전력밀도이다.

머리 부분에 대한 전자파흡수율(SAR, Specific Absorption Rate)의 허용 기준은 미국, 캐나다, 오스트레일리아의 경우 1.6 W/kg, 유럽과 일본은 2.0 W/kg이다. 한국은 1.6 W/kg이며, 2002년 12월부터 출시된 모든 휴대폰에 SAR 값을 명시하도록 하였다. ICNIRP(국제비전리방사보호위원회)의 권고기준은 2 W/kg 이상이 되지 않아야 한다. 국내에서 시판되는 스마트폰들은 모두 권고기준을 만족하고 있다.

구 소련의 전자파 안전기준(10 μW/cm²)은 미국의 안전기준(0.4 W/kg, 1 mW/cm²)에 비교하여 1,000배 더 엄격하다. 미국의 전자파 안전기준은 장시간 쪼여지는 경우에 대해서는 논의하고 있지 않는데, 단기적인 효과를 억제해 두면 장기적인 효과는 발생할 수 없다는 입장을 취하고 있기 때문이다.

인체의 전기신호 주파수 대역

남성 : 5곳, 여성 : 5곳, 전자파는 인체의 동그란 부분을 공격한다!

세계보건기구(WHO)는 Fact Sheet No.322에서 60 Hz 자기장과 휴대폰 전자파(RF, Radio Frequency)를 그룹 2B(발암 가능 물질)로 분류하였으며, 커피는 그룹 2B에서 그룹 3으로 하향 조정되었다(2016년). 송전선로의 자기장 세기에 대한 ICNIRP의 권고 기준은 200 μT (50 Hz) 이다. 송전선로 주변에서 발생하는 자기장의 크기는 전압, 전류, 선로 구조, 거리 등에 따라서 달라지는데, 선로 바로 밑에서는 765 kV의 경우 20~30 μT, 345 kV인 경우 10~20 μT, 30 m 거리에서는 1 μT 이하가 되며 ICNIRP의 권고 기준을 만족하고 있다.

전자파의 인체 영향에 대한 논의는 아직 과학적 합의가 충분하지 않지만, 사전예방원칙(Precautionary Principle)에 따라 ‘진중하고도 현명한 회피’를 권고하고 있다. 이와 관련하여 WHO, ICNIRP에서는 전자파 안전기준에 관한 팩트시트를 발표하고, 이 기준을 준수하도록 권고하고 있다.

우리가 일상 생활에서 사용하고 있는 와이파이는 2.4 GHz, 5 GHz 및 6 GHz의 주파수 대역을 사용하고 있는데 2.4 GHz 와이파이의 출력은 100 mW이다. 5 GHz 와이파이는 2.4 GHz보다 공간 손실이 커지므로 출력을 높여 200 mW를 방사한다. 미국을 포함한 특정 국가에서는 1000 mW의 출력도 사용하지만 한국은 허용하지 않고 있다. 6 GHz 와이파이는 초저출력 장치의 경우 출력은 25 mW이고 저출력 장치의 경우는 250 mW이다.

장시간 노출에서 비열효과가 나타났던 모스크바 시그날의 전력밀도는 15 μW/cm²이며, 미국의 안전기준 전력밀도는 1 mW/cm²이다. 와이파이 안테나에서 어느 정도 떨어졌을 때 이들 전력밀도가 나타나는지 이론 계산으로부터 추정해 보면 다음과 같다.

2.4 GHz 와이파이는 2.8 cm 떨어진 곳에서 1 mW/cm², 23 cm 떨어진 위치에서 15 μW/cm²가 된다. 5 GHz 와이파이는 8 cm 떨어진 위치에서 1 mW/cm², 70 cm 떨어진 곳에서 15 μW/cm²가 된다. 미국 등 특정 국가의 5 GHz 1000 mW 출력은 1.5 m 떨어진 위치에서 15 μW/cm²가 된다.

이상의 결과로부터, 가정이나 사무실에서 2.4 GHz 와이파이를 사용할 때는 와이파이 안테나에서 23 cm 이상, 5 GHz 와이파이를 사용할 때는 70 cm 이상 떨어지면 안전한 것으로 추정할 수 있다. 미국에서 5 GHz 1000 mW를 사용할 때는 1.5 m 이상 떨어지는 것이 안전할 것이다.

<WHO Fact Sheet No. 322, 극저주파에 대한 노출, 2007 (2016)>

그룹		사람에 대한 발암성	물리, 화학 인자 (Agent)
1등급		사람에게 발암성이 있는 그룹(Carcinogenic to humans), 사람에 대한 연구에서 발암성에 대한 충분한 증거가 있는 경우	118종(석면, 담배, 벤젠, 콜타르 등)
2등급	A	암 유발 후보 그룹(Probably carcinogenic to humans), 사람에서는 증거가 제한적이지만 동물실험에서 발암성에 대한 충분한 증거가 있는 경우	79종(자외선, 디젤엔진 매연, 무기납 화합물, 미용사 및 이발사 직업 등)
	B	암 유발 가능 그룹(Possibly carcinogenic to humans), 통상 사람에 대한 발암성에 대한 근거가 제한적이고, 동물실험에서도 발암성에 대한 근거가 불충분한 경우	291종(젓갈, 절인채소, 가솔린엔진 가스, 납, 극저주파 자기장, RF 등)
3등급		발암 물질로 분류 곤란한 그룹(Not classifiable) 인체와 동물에서 발암가능성이 불충분한 경우	507종(카페인, 클레스트롤, 석탄재, 잉크, 극저주파 전기장, 커피 등)
4등급		사람에 대한 발암성이 없는 것으로 추정되는 그룹	1종류(카프로락탐 나일론 원료)

2.4 GHz Wi-Fi의 출력과 안전거리

5 GHz Wi-Fi의 출력과 안전거리

7. 맺음말

현대사회에서 전자파는 에너지 전송, 정보 통신, 탐지 및 천문, 의료 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 그러나 동시에 전자파 노이즈, EMP 공격, 정보 도청과 인체 유해성 논란 등 해결해야 할 많은 문제점과 기술적 난제를 안고 있다. 현대사회에서 전자파가 주는 편리함과 이익도 중요하지만 전면에 드러나지 않는 잠재적 위험도 균형 있게 고려해야 할 것이다.

현대인의 일상 생활에서 전자파의 ‘안전한 이용’은 가능한가? 전자파 노출에 대한 ‘진중하고도 현명한 회피’ 이외에 다른 방법은 없는 것일까? Dr. AI에게 물어보니 답을 해준다. “현대인의 일상에서 전자파를 ‘완전히 피하는 것’은 불가능하지만, ‘안전하게 이용하는 것’은 충분히 가능합니다.”

[Therese]

교수님, 연말연시 바쁘신 때에 옥고를 만들어 주심에 감사드립니다. 전문적인 글인데, 매우 재미있습니다. 그리고 저 같은 비전문가들이 일상생활에서 도움을 많이 받겠습니다. 발표를 하실 때 역사 연대마다 한국의 왕의 시기를 대비하며 말씀해 주셔서 반가왔던 생각이 납니다. 또한 원고 자체가 깔끔하게 편집되어 들어온 것을 보고, 글을 쓰시고 나서 원고의 분량을 맞추느라 하루 이틀 더 늦겠다고 연락하신 이유를 알 것 같습니다. 교수님의 원고를 보면서, 책을 더 예쁘게 만들어야지 하는 용기가 생깁니다. 감사합니다!!!!!