마이크로파(microwave)는 0.3GHz ~ 300GHz 주파수대(1mm ~ 1m 파장)에 해당하는 전자기파 (electromagnetic wave)로, 우리가 주변에서 흔히 볼 수 있는 핸드폰의 통신대역(1GHz 전후)이며 전자렌지에서 사용하는 주파수대역(2.45GHz)이기도 하다. 또한 군에서는 무선통신뿐만 아니라, 레이더에서 쓰이는 아주 흔하고 중요한 자원이며 기술이다.
운행 중인 비행기 안에서나 병원 등에서는 정밀한 전자기기들의 오작동으로 인한 사고를 막기 위해서 핸드폰을 사용하지 말아달라는 안내를 흔히 들을 수 있다. 아주 드문 일이지만 핸드폰으로 통화할 때 발생하는 마이크로파가 전자기기에 해를 끼칠 수 있는 가능성이 있기 때문이다. 핸드폰에서 사용하는 마이크로파 발생원의 출력은 mW(밀리 와트)수준 이하에 불구하지만, 전자렌지의 마이크로파 출력은 1kW 정도이며 강력한 레이더에서 발생하는 마이크로파의 출력은 1MW(백만 와트) 수준까지 근접하기 때문에 근처 전자기기의 오작동을 유도할 가능성이 훨씬 커진다. 물론 전자렌지나 레이더는 엄격한 규제에 의해 다른 전자기기에 영향을 주지 않도록 만들어지므로 걱정할 필요는 없다.
하지만 과거에는 마이크로파에 인해 발생한 정밀 전자기기의 오작동으로 인한 많은 피해사례들이 있었다. 1967년 미국 항공모함 Forrestal이 베트남에서 작전중 오작동으로 F-4 Phantom에서 A-4 Skyhawk 로켓이 발사되는 사고가 발생했는데, 항공연료에 불이 붙고 연이은 비행기, 폭탄, 미사일의 폭발로 약 7천2백만달러의 손실과 인명피해를 입었다. 당시 미사일 발사케이블의 설치 잘못으로 마이크로파 차폐가 안 되었고, 갑판위의 레이더에 의해 전기신호가 유도되어 오작동을 일으킨 것이었다. 독일에서 자동차의 브레이크 성능을 높여주는 ABS(Antilock Braking System)이 초기 개발되었을 때, ABS 장착차량이 일부 아우토반 구간에서 라디오 transmitter에 의해 심각한 오작동을 일으키기도 했다.
만일 이러한 실수를 누군가 고의적으로 일으킨다면 어떤 일이 벌어질지 쉽게 짐작할 수 있을 것이다. 특히, 군에서 입과 귀, 눈의 역할을 하는 통신과 레이더가 전쟁 중에 잠깐이라도 문제가 생긴다면 첨단의 군사체계가 일순간 원시적인 군사체계로 전락할 것이다. 인명에는 피해를 주지 않으면서도 적군에게 치명적인 피해를 줄 수 있는 무기로서 초고출력 마이크로파 (HPM; high-power microwaves)에 관한 연구는 이러한 상상에서부터 시작되었다.
일반적인 초고출력 마이크로파의 정의는 다양하게 주어지지만, 보통 순간 최대출력 100 megawatt(MW) 이상을 초고출력 영역으로 간주한다. 또한, 연속적인 출력으로 100MW 이상의 마이크로파를 얻는 것은 거의 불가능하므로 nanoseconds(10
-9초) 또는 microseconds (10
-6초) 수준의 짧은 시간동안만 순간적으로 발생시키는 펄스형태로 운용되는 것이 일반적이다.
초고출력 마이크로파 기술은 전통적인 고출력 마이크로파 기술인 진공전자튜브(vacuum electron tube) 기술에 그 기반을 두고 있다. 진공전자튜브 기술은 무선통신 및 레이더의 발전과 함께 2차세계대전을 전후로 하여 급속히 발전하였는데, Klystron, Magnetron, traveling-wave tube (TWT), backward-wave oscillator (BWO) 등이 대표적인 것으로 지금도 입자가속기, 전자렌지, 위성통신, 레이더 등에 활용되고 있다. 1970년대 들면서 전기에너지를 저장하였다가 순간적으로 높은 출력을 내는 펄스전원기술과 이를 이용한 고밀도 전자빔 발생기술이 등장하면서 지금의 초고출력 마이크로파 기술이 가능하게 되었다.
1950년대부터 시작된 플라즈마 물리분야의 핵융합연구로 인해 전자기파와 전자와 같은 입자간의 상호작용에 관한 많은 지식을 축적할 수 있었고, 이것이 초고출력 마이크로파 기술의 발전을 촉진하는 계기가 되었다.
초고출력 마이크로파를 발생시키기 위한 시스템의 구성요소는 크게 펄스전원, 전자빔 발생기(음극), HPM 발진기, 모드변환기, 안테나의 5가지로 이야기할 수 있다. 펄스전원은 주전원으로부터 지속적으로 전기에너지를 공급받아 축적해두었다가 수백 nanoseconds(ns) 시간동안 수십 gigawatt(GW=109W)이상의 전기를 한번 또는 반복적(수십~수백Hz)으로 발생시키는데, 이때의 전압은 보통 수백kV 수준이며 전류는 수십 kA 수준이다. 이렇게 공급된 전기는 고진공의 음극에서 고출력 고밀도의 전자빔을 발생시키고 가속시키는데 쓰이게 된다. 보통은 이 전자빔을 자기장을 이용하여 집속하거나 원하는대로 움직이도록 하여, HPM 발진기에서 전자빔의 에너지가 마이크로파로 변환되도록 한다. 이렇게 발생된 HPM은 모드변환기를 통하여 안테나로 보내지거나, 아니면 바로 안테나로 보내진다. 안테나는 HPM을 갇힌 공간에서 외부의 자유공간으로 내보내주는 역할을 하게된다.
이와 같은 구성요소들 중에서 가장 핵심적인 것은 전기에너지를 마이크로파로 변환시켜주는 HPM 발진기이다. HPM 발진기의 기본원리는 대부분 Cherenkov 방사이다. Cherenkov 방사는 원자로에서 처음 발견된 현상으로, 매질속의 저속파(slow-wave)보다 빠르게 운동하는 전하에 의해 충격파(shock wave)가 발생하는 것을 말한다. HPM 발진기내의 전자빔이 이미 형성된 마이크로파와 상호작용하면서 전자뭉침(electron bunch)이 생기고, 전자뭉침에서 발생하는 결맞는 Cherenkov 방사에 의해 GW수준의 강력한 마이크로파가 생겨나는 것이다.
아래 그림은 MILO (magnetically insulated line oscillator)라고 불리는 HPM 발진기의 도식도를 보여준다. 펄스전원으로부터 고전압의 전기가 공급되면 음극(cathode)에서 전자가 방출되면서 동시에 전계에 의해 가속되고 자기장에 의해서 중심축 방향으로 운동하게 된다. 이 때, 공급된 전기장과 자기장에 의해 결정되는 전자의 운동 속도와 공진기의 구조에 의해 결정되는 특정 전자기파 모드의 위상속도가 비슷해지면, 전기장의 방향에 따라 전자들이 가속되거나 감속되어 전자뭉침이 생긴다. 이 전자뭉침과 전자기파는 서로 에너지를 교환하면서 진행하는데, 결국 전자뭉침은 전체적으로 감속되면서 전자기파의 에너지를 급격하게 키우게된다. 공급된 전기에 의해 가속된 전자들은 자신의 역학에너지를 마이크로파의 에너지로 변환시키는 것이다.
[부분발췌: 김대호, “고출력 마이크로파 기술개발 동향,” 국방과학기술정보지 16호, 2009년 5월]
