라디오를 켜면 "94.5 MHz" 같은 숫자를 보게 됩니다. 이 숫자가 바로 주파수입니다. 주파수가 무엇을 뜻하는지 직접 시뮬레이션으로 확인해 봅시다.
주파수(周波數)는 전파가 1초 동안 오르내리는(진동하는) 횟수를 말합니다. 단위로는 Hz(헤르츠)를 사용하며, 1Hz는 1초에 한 번 진동한다는 뜻입니다. 아래 시뮬레이션의 슬라이더로 주파수를 바꾸면서, 점선(관측선)을 지나가는 마루의 개수가 1초에 몇 번인지 세어 보세요.
점선 = 관측선. 파동의 마루가 이 선을 지나갈 때마다 한 번 진동한 것으로 셉니다.
전파가 나아가는 속도(빛의 속도)는 항상 일정하기 때문에, 주파수가 높아지면 한 번 진동할 때 나아가는 거리인 파장은 짧아지고, 주파수가 낮아지면 파장은 길어집니다. 위 시뮬레이션에서 주파수를 올렸을 때 파동이 더 촘촘해지는 것도 이 때문입니다.
실제 라디오 방송에 쓰이는 주파수는 훨씬 큽니다. AM 라디오는 초당 수십만 번, FM 라디오는 초당 약 1억 번(100 MHz 안팎) 진동합니다. 이렇게 빠른 진동은 눈으로 직접 볼 수 없기 때문에, 위 시뮬레이션에서는 이해하기 쉽도록 느린 속도로 표현했습니다.
한 번 진동하는 데 걸리는 시간을 주기(T)라고 합니다. 1초에 몇 번 진동하는지가 주파수(f)이므로, 둘은 서로 뒤집은 관계입니다.
예를 들어 주기가 0.5초이면 1초에 2번 진동하므로 주파수는 2 Hz입니다. 94.5 MHz FM 전파의 주기는 약 0.0000000106초(10.6 나노초)로, 눈 깜빡할 시간에도 수천만 번 진동합니다.
파동은 한 번 진동할 때마다 정확히 한 파장(λ, 람다)만큼 나아갑니다. 1초에 f번 진동하니, 1초 동안 나아가는 거리(속도)는 "한 번에 가는 거리 × 횟수"가 됩니다. 전파의 속도는 빛의 속도(c)이므로
여기서 \(c \approx 3 \times 10^8\ \mathrm{m/s}\)(초속 약 30만 km)는 변하지 않는 값입니다. 그래서 주파수를 2배로 올리면 파장은 정확히 절반이 됩니다. 이것이 위에서 말한 "반비례"의 정체입니다.
🧮 암산 요령
| 쓰임 | 주파수 | 파장 |
|---|---|---|
| 가정용 전기(교류) | 60 Hz | 약 5,000 km |
| AM 라디오 | 711 kHz | 약 422 m |
| FM 라디오 | 94.5 MHz | 약 3.2 m |
| 휴대전화(LTE) | 1.8 GHz | 약 17 cm |
| Wi-Fi | 2.4 GHz | 약 12.5 cm |
| KVN 전파망원경 | 22 / 43 / 86 / 129 GHz | 약 13.6 / 7.0 / 3.5 / 2.3 mm |
참고: 전파가 물이나 유리처럼 다른 물질 속을 지나면 속도가 느려집니다. 이때 주파수는 그대로이고 파장만 짧아집니다. 또한 전파를 알갱이(광자)로 보면 하나의 에너지는 \(E = hf\)(h: 플랑크 상수)로 주파수에 비례합니다. 22 GHz 전파 광자의 에너지는 가시광선 광자의 약 2만 분의 1에 불과합니다.
안테나는 전파와 전선 속 전자가 에너지를 주고받는 통로입니다. 그네를 밀 때 그네가 흔들리는 박자에 맞춰 밀어야 높이 올라가듯, 안테나도 길이가 전파의 파장과 박자가 맞을 때 가장 효율적으로 전파를 내보내고 받아들입니다. 이를 공진이라고 합니다.
가장 기본적인 막대 안테나(다이폴 안테나)는 길이가 파장의 절반(λ/2)일 때 공진합니다. 전파가 반 주기 동안 전자를 한쪽 끝까지 밀었다가, 다음 반 주기에 반대쪽 끝까지 되돌려 보내는 박자가 딱 맞기 때문입니다. 땅이나 금속판을 거울처럼 이용하면 절반 길이인 λ/4로도 같은 역할을 할 수 있어, 자동차나 휴대전화 안테나는 주로 이 방식을 씁니다.
| 쓰임 | 파장 | λ/4 안테나 길이 | 실제 모습 |
|---|---|---|---|
| 가정용 전기 60 Hz | 약 5,000 km | 약 1,250 km | 만들 수 없음 → 전파를 거의 내지 않음 |
| AM 라디오 711 kHz | 약 422 m | 약 105 m | 100 m가 넘는 거대한 철탑 |
| FM 라디오 94.5 MHz | 약 3.2 m | 약 79 cm | 자동차 지붕의 막대 안테나 |
| Wi-Fi 2.4 GHz | 약 12.5 cm | 약 3 cm | 공유기의 짧은 막대, 노트북 내장 |
| 5G 3.5 GHz | 약 8.6 cm | 약 2 cm | 휴대전화 속에 쏙 들어가는 크기 |
주파수가 높을수록 파장이 짧아 안테나도 작아집니다. 휴대전화가 주머니에 들어갈 만큼 작아질 수 있었던 것도 높은 주파수(GHz) 덕분입니다. 반대로 가정용 교류(60 Hz)는 교류이긴 해도 파장이 지구 반지름에 가까울 만큼 길어서, 집 안의 짧은 전선으로는 전파가 거의 나가지 않습니다.
전파망원경처럼 접시(반사판)로 전파를 모으는 안테나에서는 공진 길이보다 접시 지름(D)과 파장의 비율이 중요합니다. 접시가 파장보다 몇 배나 큰지에 따라 하늘을 얼마나 또렷하게 구별해 볼 수 있는지, 즉 분해능이 정해집니다.
📡 주파수를 넣어 파장과 안테나 길이 계산해 보기
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주파수 단위·표준·분배의 역사
| 시기 | 사건 | 의미 |
|---|---|---|
| 1865년 | 국제전신연합 창립 | 유럽 20개 나라가 파리에 모여 나라 사이 전신을 연결하는 규칙을 만들었습니다. 1932년 지금의 국제전기통신연합(ITU)으로 이름을 바꾸었고, 지금은 유엔 전문기구입니다. |
| 1906년 | 베를린 국제무선전신회의 | 배와 육지 사이 무선 통신의 국제 규칙을 처음 정하고, 'SOS'를 국제 조난 신호로 채택했습니다. |
| 1927년 | 워싱턴 국제무선전신회의 | 방송·선박·항공 등 용도별로 주파수 대역을 나누어 쓰는 국제 분배가 본격적으로 시작되었고, 무선 기술을 연구하는 국제자문위원회(CCIR)가 세워졌습니다. |
| 1930년대~1960년 | 단위 'Hz'의 탄생 | 국제전기기술위원회(IEC)가 헤르츠의 이름을 딴 단위를 정했고, 1960년 국제단위계(SI)로 채택되었습니다. 그전에는 '초당 사이클(c/s)'이라고 불렀습니다. |
| 1955년 | 첫 실용 세슘 원자시계 | 영국 국립물리연구소(NPL)의 에센과 패리가 만든 세슘 원자시계가 지구 자전보다 더 정확한 시간·주파수 기준이 되었습니다. |
| 1959년 무렵 | 전파천문 업무의 국제 분배 | ITU 회의에서 전파천문학이 정식 무선 업무로 인정되고, 관측을 위한 주파수 대역이 국제 분배표에 처음 들어가기 시작했습니다. |
| 1967년 | 1초의 새 정의 | 국제도량형총회가 1초를 세슘 원자의 진동수(9,192,631,770 Hz)로 정의했습니다. 이때부터 시간의 기준이 천체의 움직임에서 원자의 '주파수'로 바뀌었습니다. |
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📚 참고 자료 및 출처
본 교육자료는 Anthropic(Claude) 및 OpenAI(ChatGPT)를 활용하여 제작하였으며, 제작자가 내용을 검토·편집하였습니다. 주요 참고자료와 출처는 각 페이지의 「참고 자료 및 출처」에 명시하였습니다. 출처가 별도로 표기되지 않은 페이지와 참고자료에 포함되지 않은 내용은 제작자가 직접 작성하거나 정리한 것입니다. 내용에 오류가 있거나 수정이 필요한 사항을 발견하시면 kvnsite@kasi.re.kr로 알려 주시기 바랍니다.