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통신의 구조 및 잡음

통신시스템에 요구되는 것

通信 system－要求－

통신시스템을 대체적으로 표시하면 〔그림〕－1과 같이 된다. 우선 상대방에 보내는 정보(통신내용)를 발생하는 정보원(情報源)이 있다. 이 정보원에서 얻은 정보를 송신기에 보낸다. 여기서 송신 내용을 전기 신호로 바꾸어 통신로(通信路)에 알맞는 형태로 해서 내보낸다.

이렇게 하여 통신로에 전달된 신호는 수신기에 들어와 이 곳에서 정보를 복원(復元)한다. 이 복원된 정보는 정보원에서 발생한 정보와 반드시 똑같다고는 볼 수 없다. 그 까닭은 변환(變換)·전송 및 변환 과정에서 신호가 잘못 전달되기도 하고 잡음이 들어오기도 하기 때문이다. 이로 말미암아 오신(誤信)이란 것이 생기게 된다.

오신이 야기되는 것은 송달되는 신호가 미리 알 수 없는 성질의 것이기 때문이다. 보내오는 통신 내용을 예지(豫知)할 수 없다는 것은, 실은 그 자체가 통신의 본질인 것으로, 정확하게 예지할 수 있는 것은 정보로서 아무런 의미가 없다.

통신이 어느 정도 정확하게 이루어져야만 하는가 하는 문제는 그 방식에 따라 여러 갈래로 달라진다.

예를 들면 전신(電信)의 경우라면 모스(Morse) 부호의 장단에 대한 전기 신호를 해득하면 충분할 것이요, 전화(電話)의 경우는 말이 통할 정도로 음성을 재현시키면 무방하다. 같은 소리의 재현이라 할지라도 라디오에서는 음악을 충분히 즐길 수 있을 정도라야만 한다. 텔레비전의 경우라면 화상도 선명하게 재현할 필요가 있다.

그러므로 통신시스템을 설계하는 데 있어서는 다루게 되는 신호에 대해 충분한 기능을 가지도록 할 필요가 있다.

그와 동시에 통신로를 유효하게 사용할 필요가 있다. 〔그림〕－1에 표시한 바와 같은 1대 1의 통신에서는 통신로의 수만 불어날 뿐이고 선로에 대한 이용도는 낮으며, 더구나 경제성도 극히 미약하다. 많은 사람이 임의로 연결되어 통신할 수 있도록 한다면 한결 효과적인 것이 된다. 그래서 통신로 가운데 교환(交換)이라는 조작이 삽입된다. 교환은 오늘날의 전화에서 볼 수 있는 것과 같이 복잡하고 방대한 조직으로 발전되었다.

이처럼 통신 구조가 복잡하게 될수록 혼선이 증가하고 잡음이 많아져 통신의 질이 저하되며 따라서 오신이 따르게 마련이다. 이것을 해결하기 위해 많은 연구와 시책이 강구되고 있다.

인간의 사회 기구가 복잡하게 되고 생활의 경제적 기반이 향상되면 통신량은 현저하게 증가한다. 그리고 사회의 신경이라고 불리는 전신전화 등 통신망의 정비가 절실히 필요해진다. 이 때문에 1개의 통신로를 가지고 동시에 다수의 통신을 보낼 필요가 있게 된다. 그리고 높은 주파수(周波數)의 파(波)를 반송파(搬送波)로 사용하는 다중통신(多重通信)이 쓰이게 되었는데 그 반송파의 주파수가 점점 상승하여 초다중(超多重)의 통신이 이루어지게 되었다.

각양각색의 정보를 빠르게, 정확하게, 대량으로 먼 곳에까지 보낸다는 본래의 요구를 충족시키기 위해 통신의 시스템에 관하여 다각적인 연구와 개발이 이루어졌고 그 실제 운용이 실현되고 있다.

통신에서의 잡음

通信－雜音

통신에는 반드시 잡음이 따르게 마련이다. 잡음에는 송신기나 수신기 내부에서 발생하는 내부잡음과, 통신로 도중에 외부에서부터 통신 시스템에 들어와서 신호에 참여하는 외부잡음이 있다. 수신기로 수신되어 변환되는 신호에는 이들 잡음이 섞여 있다.

외부잡음

外部雜音

외부잡음으로서 문제가 되는 것은 우주와 지구상에서 발생하는 방해전파(妨害電波)이다. 여기에는 ① 우주잡음·② 태양잡음·③ 공전(空電)·④ 인공잡음 등이 있다.

⑴ 우주잡음(宇宙雜音) ― 태양 이외의 항성(恒星)에서의 열 혹은 우주 공간에 있는 전자(電子)의 운동 등에 의해 발생하는 전자파(電磁波)로서, 은하(銀河)의 중심방향에서 오는 것이 가장 강하다. VHF대(帶) (30-300MeHz)의 전파가 특히 강한 영향을 받으며, 마이크로파(波)에 대한 영향은 비교적 작다.

⑵ 태양잡음(太陽雜音) ― 태양에서 오는 방해전파이다. 왜 이러한 전파가 발생되는가에 대해서는 아직 밝혀져 있지 않다. 태양잡음에는 여러 가지 주파수의 전파가 포함되어 있다. 그러나 낮은 주파수 성분은 전리층(電離層)에서 우주공간에 반사되기 때문에 지상에는 도달하지 않는다. 그러므로 지상에서 영향을 받는 것은 수십으로부터 수천MeHz대(帶)인데 그 중에서도 VHF대가 가장 많은 영향을 받는다.

⑶ 공전(空電) ― 대기(大氣) 중의 자연현상, 예를 들어 뇌운(雷蕓) 등의 방전(放電)으로 말미암아 발생되는 방해전파이며, 전리층에서 반사되어 먼 곳으로 퍼진다. 또 빗방울·사진(沙塵)·눈 따위가 마찰이나 분열로 인해 전기를 띠게 되어 이것이 방전하여 발생하는 공전도 있다. 공전은 장파의 통신을 방해한다.

⑷ 인공잡음(人工雜音) ― 인공의 기기(器機)의 불꽃방전에 의해 발생하는 방해전파로서, 비교적 좁은 범위에 방해를 준다. 이 발생원(發生源)은 자동차 엔진의 점화 회로·전동기나 발전기 등의 브러시·의료용의 전자기기·가정용 전기 기구·네온사인·형광등·고전압 송전선 등 여러 가지가 있다.

네온사인이나 형광등은 관내 기체의 방전에 의해 발광하고 있다. 고전압 송전선에서도 주위의 공기가 전리(電離)하여 부분적으로 절연(絶緣) 상태가 무너짐으로써 미약한 방전이 발생되어 잡음을 일으키게 된다. 이것을 코로나방전이라 한다. 인공잡음 가운데 실제로 문제가 되기 쉬운 것은 형광등이나 자동차에 의한 방해이며, 이것은 VHF대에 가장 커다란 영향을 주게 된다. 이 잡음이 강하면 텔레비전의 화면에 눈이 내리듯이 반짝거리는 현상이 생긴다.

내부잡음

內部雜音

한편 송·수신기의 내부에서도 여러 가지 잡음이 발생한다. 즉 다음과 같은 것이 있다.

⑴ 열잡음(熱雜音) ― 저항체(抵抗體)가 어느 온도를 지니는 한 그 속에 포함된 자유 전자는 무질서한 운동을 하여 잡음전압을 발생시킨다. 이것은 모든 저항에서 관찰할 수 있는 현상이며, 이 잡음은 저항치(抵抗値)·온도(절대온도)의 평방근에 비례한다. 또 이 잡음이 모든 주파수 성분을 같은 강도(强度)로 포함하고 있어서 수신기의 주파수 대역폭(帶域幅)이 넓어질수록 잡음도 커진다.

⑵ 진공관(眞空管)의 잡음 ― 진공관은 신호 전압을 증폭시킬 뿐만 아니라 미약하기는 하나 잡음을 낸다. 진공관에서는 마치 기관총에서 탄환이 잇달아 튀어나오듯이 음극(陰極)에서 전자가 계속해서 발산된다.

물론 그 수는 매우 많지만 전자가 입자(粒子)인 만큼 그 흐름이 고르다고는 볼 수 없다. 이렇게 발산되는 잡음을 산탄잡음(散彈雜音)이라 한다.

이 잡음도 열(熱)잡음과 마찬가지로 모든 주파수 성분을 고르게 포함하고 있다. 증폭기에서는 입력(入力)측에 가장 가까운 곳에 있는 진공관에서 발생하는 잡음이 문제가 된다. 왜냐하면 이 잡음이 뒤에 잇달린 진공관에 의해 더욱 증폭되기 때문이다. 또한 진공관의 잡음은 1㎑ 이하의 저주파에서는 주파수가 낮을수록 증가한다.

이것은 음극 표면에 덮인 산화물(酸化物)의 상태가 불규칙적인 변화 때문에 발생하는 것으로서, 이것을 플리커잡음이라 일컬어 산탄잡음과 구별하고 있다. 플리커(flicker)란 별 따위가 명멸하는 모양을 나타내는 말이다.

⑶ 트랜지스터의 잡음(雜音) ― 트 랜지스터의 경우도 저주파와 고주파에 따라서 잡음이 성질의 다르다. 1㎑ 이하에서는 주파수에 역비례하여 플리커잡음이 증가하지만 그 이상의 주파수에서는 같은 스펙트럼을 지닌 산탄잡음이 된다는 점이 진공관의 경우와 비슷하다.

전파 전파에 따르는 현상

電波傳播－現象

송신국에서 밀려오는 전파의 강도는 거리가 가까우면 항상 일정하지만 먼 곳에서 오는 경우는 항상 일정하지가 않다. 그것은 전파되는 도중에 다음과 같은 현상이 일어나기 때문이다.

⑴ 페이딩(fading)－먼 곳으로부터의 전파를 수신할 때 도래전파(到來電波)의 전계한도(電界限度)가 시시각각으로 변화하는 현상을 말한다. 이 현상은 중파에서 단파로 전파의 파장이 짧아짐에 따라서 강하게 나타나게 된다.

송신점에서 수신점까지의 전파의 통로가 2개 이상으로 갈라지면 각각 전파 통로의 거리가 달라지기 때문에 전파는 〔그림〕－2와 같이 수신점에서 서로 상쇄되거나 겹쳐지거나 한다. 이것을 전파간섭(電波干涉)이라 하는데, 전리층 등의 반사에 의하여 통로의 길이가 시간적으로 변화하면 수신전파는 어느 때는 강하고 어느 때는 약해진다.

이 반복은 1초에서 수분에 이르는 주기로 이루어진다. 이러한 페이딩의 영향을 없애기 위해서는 2대의 수신기를 간격을 두고 설치하여 수신한다.

⑵ 델린저 현상(Dellinger 現象) ― 태양빛을 받고 있는 지구 반면(半面)에서 단파의 전파(傳播)가 별안간 10분 내지 수십분간 두절되는 경우가 있다. 이것을 델린저 현상이라 부른다. 이는 태양면의 활동이 활발해진다든지 할 때에 그 영향으로 전리층의 전자 밀도가 짧은 시간 내에 증가하여 전파가 흡수되는 까닭으로 생각되고 있다.

⑶ 자기폭풍(磁氣暴風) ― 지구가 가리키는 자계, 즉 지자기가 불규칙적으로 변화하여 지구 전체에 걸쳐 커다란 혼란을 일으키는 경우가 있다. 이것을 자기폭풍이라고 한다. 자기폭풍이 발생할 때는 전리층의 전리(電離)가 증가하고 극심할 때는 통신이 두절되어 버린다. 그 때문에 지표파(地表波)로서 전파되는 비율이 비교적 많은 장파를 사용하지 않으면 안 된다.

이러한 현상은 처음에는 급격한 변동이 생기고 그 다음부터는 서서히 평상으로 되돌아가는데, 완전히 가라앉을 때까지는 수일이 걸리게 된다.

잡음을 없애는 방법

雜音－方法

통신로에 잡음이 들어오면 오신의 가능성이 많아지므로 이것을 방지하기 위해 다음과 같은 방법이 취해지고 있다.

출력증대

出力增大

첫째 방법은 송신기의 출력을 크게 한다는 것이다. 신호가 강하게 되면 소소한 잡음이 들어오더라도 문제가 되지 않는다. 신호와 잡음에 대한 강도의 비를 신호·잡음비라 한다. 이 비가 클수록 잡음의 영향이 적어지므로, 송신기 출력의 증가가 곧 이 비를 높이게 됨은 당연하다.

주파수 대역폭의 확대

周波數帶域幅－擴大

주파수 대역폭을 좁히지 않는 것도 잡음의 영향을 감소시키는 구실을 한다. 따라서 주파수 대역(帶域)이 넓은 주파수변조(FM) 쪽이 대역이 좁은 진폭변조(AM)에 비하여 잡음이 적다. FM의 경우를 생각해 보자.

잡음은 반송파(搬送波)에 휩쓸려 새로운 합성파를 만든다. 이 합성파에 의한 잡음의 출력은 처음에 들어온 저주파의 잡음의 강도에 비례한다. 주파수 대역폭을 넓게 잡아 측파대(側波帶)를 충분히 넓게 수용하게 되면 신호를 보내는 측파대의 수가 많아지므로 신호의 양이 증가한다. 들어오는 잡음의 강도를 알 수 없다면 반송파에 휩쓸려 출력측(出力側)에 나타는 잡음은 측파대를 넓혔을 때에도 알 수 없기 때문에 신호와 잡음의 비율이 작아지고 잡음의 비율이 감소된다.

그 외에도 주파수 대역폭이 넓으면 신호의 변조도 작다는 이점이 있다.

신호의 부호화

( 信號－符號化)    전신이나 또는 펄스부호변조(PCM)에 의한 통신에 있어서 정보를 부호화(符號化)할 경우, 수신측에서 수신 신호의 잘못을 발견하기 쉬운 부호를 사용하는 것도 생각할 수 있다. 예를 들면 알파벳 26문자는 5단위의 부호로써 부호화할 수 있다. 그러나 이 경우에는 그 중 1단위만이라도 잡음에 의해 소멸되면 그 문자는 다른 문자로 둔갑해 버린다. 그래서 약간의 낭비를 각오하고 알파벳 26문자를 7단위의 부호로 나타내기로 한다. 5단위의 부호에 비하여 7단위 부호를 쓰게 되면 펄스가 있는 상태, 없는 상태를 조합한 수를 더욱 많이 만들 수 있다. 이러한 조합 가운데 7개의 단위에서 펄스가 있는 상태의 것이 3개, 없는 상태의 것이 4개 있는 것을 26개 고르기로 한다(〔표〕－1).  이렇게 하면 수신측에서 펄스가 3개 있는가 없는가를 알아내는 것만으로 잡음에 따르는 펄스의 증가나 페이딩 단위에 의한 펄스의 감소가 있고 없음을 알 수 있다. 가령 잡음 등에 의하여 펄스가 4개로 증가되면 그것이 잘못되었다는 것을 곧 알게 되어 그것을 송신측에 연락해서 즉시 그 문자를 재송시킬 수 있게 된다. 물론 그 조작은 실제로는 모두가 자동적으로 이루어지도록 되어 있다.
 

〔표〕-1  7단위 부호의  예			〔표〕-2  펄스부호
문자	부호		레벨	펄스부호	레벨	펄스부호
A B C D E F G ： T U V W X Y Z	0011010 0101001 1001100 0101100 0111000 0010011 1100001 ： 1000101 0110010 1001001 0100101 0010110 0010101 0110001		0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14	12345 ｜｜｜｜｜ 00000 00001 00010 00011 00100 00101 00110 00111 01000 01001 01010 01011 01100 01101 01110	15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31	01111 10000 10001 10010 10011 10100 10101 10110 10111 11000 11001 11010 11011 11100 11101 11110 11111

다중통신을 가능하게 하는 변조

多重通信－可能－變調마이크로파(波)나 동축(同軸)케이블의 등장으로 말미암아 1개의 통신로에서 다수의 독립된 통신을 행하는 이른바 다중통신(多重通信)이 널리 쓰이게 되었다. 1개의 통신로에 많은 통신을 싣는 변조 방법으로서는 ① 주파수를 분할하여 그 각각에 신호를 싣는 주파수 분할방식, ② 통신로를 시간적으로 분할하여 각 통신 회선에서 교대로 사용하는 시분할(時分割) 방식이 있다.

주파수 분할방식

周波數分割方式

주파수 분할방식에는 진폭변조(AM)·주파수변조(FM) 등이 있다. 이 방식에서 다중통신을 행하려면 주파수가 비교적 낮은 반송파(副搬送波)를 많이 준비하여 제각기 신호를 실어 이것을 일괄해서 상대방에게 보낸다.

시분할방식

時分割方式

시분할방식에는 여러 가지 형식이 있는데 그 몇 가지 예를 〔그림〕－3에 표시한다.

어느 방식이나 펄스의 연속이 바탕이 되어 있으며, 펄스 진폭변조(PAM)에서는 신호 전류의 파형(波形)에 따라 이 펄스의 강도(진폭)를 바꾸어 변조하고 있다. 펄스폭변조(PWM)에서는 펄스의 폭을 변화시키며, 또 펄스위치변조(PPM)에서는 그 위치를 전후로 어느 정도 거리를 두도록 한다.

펄스변조에서 다중통신을 행할 경우에는, 가령 PAM이라면 〔그림〕－3과 같은 각 채널의 펄스 위치를 시간적 격차를 두고 차례로 선로에 전파시킨다. 즉 통신로가 시간적으로 각 채널에 분할, 사용되는 까닭에 시분할이라는 명칭이 생기게 된 것이다.

중요한 시분할식방식으로는 펄스부호변조방식(PCM)이 있다. 이 방식에서는 〔그림〕－4와 같이 펄스를 진폭변조한 후 각 펄스의 진폭의 크기를 몇 단계로 나누어 수치로써 표시한다. 이와 같이 연속적인 양을 몇 가지 단계로 나누어서 흩어진 숫자로 표시하는 것을 '양자화(量子化)한다'고 말한다.

이 수치는 0과 1의 조합으로 표시되는 이진법(二進法)으로 나타낸다. 이 1과 0으로 각각 펄스의 유무를 나타낸다면 진폭이 변화하는 펄스의 계열을 몇 가지 일정한 진폭의 펄스의 조합으로 표시할 수 있다. 이 경우 펄스를 5개 사용하면 〔표〕－2와 같이 32개의 수치를 나타낼 수 있다. 바꾸어 말하면 32단계의 진폭을 나타낼 수 있다. 이를테면 0-30V의 전압을 1V마다 나누어서 양자화하면 32개의 수치가 되고, 이것을 5개의 펄스의 조합으로 부호화(코드화)하는 셈이다. 이 PCM의 통신을 수신하는 측에서는 펄스부호를 PAM으로 변환시켜 신호를 끄집어 낸다.

PCM이 이처럼 복잡한데도 불구하고 중요시되는 것은 정보를 부호화함으로써 잡음의 영향을 크게 감소시킬 수 있다는 점에 있다. 이 방식에서는 정보는 항상 펄스의 유무에 따라 표시되기 때문에 수신측에서는 그 유무만을 파악해 두면 좋다. 그러니까 잡음이 들어 있는 펄스의 강도(진폭)가 다소나마 불규칙하게 변화하더라도 그 영향이 작다는 것이 된다. 이로 인해 PCM은 초(超)원거리의 극히 미약한 전파를 취급하는 우주통신 등에도 흔히 이용되고 있다.

마이크로파와 그 중계

마이크로파 이용의 발자취

micro 波利用－

마이크로파(波)란 말을 듣게 되면 곧 빌딩 옥상이나 산정에 꽃처럼 피어 있는 대접모양의 안테나를 연상한다. 이것은 말할 나위도 없이 마이크로파의 중계용 안테나이다. 이것이 없다면 원격지로부터의 스포츠 중계도 전화의 전국자동화도 이루어질 수 없었을 것이다. 한 걸음 나아가 최근에는 인공위성의 이용으로 말미암아 텔레비전의 국제 중계까지 실현되었다.

이렇듯 마이크로파의 이용은 제2차세계대전 후의 통신공학에 새로운 전개와 발전을 가져다 주었다. 마이크로파는 또한 고분해능(高分解能)의 레이더 전파로서 군사뿐만 아니라 항공·항해의 안전에서 기상관측 등에 이르기까지 우리의 일상생활에도 크게 공헌하고 있는 실정이다.

마이크로파란 주파수 1,000MeHz 이상의 전파로서, 파장 30㎝ 이하의 짧은 전파인데, 그 존재는 일찍부터 알려졌다. 즉 헤르츠(Hertz, 1857-1894)가 발견한 전파는 마이크로파에 가까운 초단파이다.

그러나 당시 이 전파를 연속적으로 발생시킬 만한 장치가 없었기 때문에 그 후 전파의 이용은 지표(地表)전파로서 감쇠(減衰)가 적고 파장이 긴 것으로 옮겨갔다. 마이크로파에 대한 기술의 발전을 자극하게 된 것은 제2차 세계대전 때의 각국이 벌인 군사용 레이더의 개발경쟁이다.

전파를 사용함으로써 원방 물체의 존재를 알고자 하는 생각은 이미 1931년경부터 싹트기 시작했으나 얼마 후 이 기술개발이 본격화하여 1938년경에는 200㎞ 전방의 항공기를 탐지할 수 있게 되었다.

이와 함께 높은 주파수의 전파를 발생하는 진공관의 연구가 진행되어 과거의 것과는 전혀 다른 새로운 원리에 바탕을 둔

속도변조관(Klystron)이 탄생했고, 1946년에는 진행파관(進行波管)이 등장하였다.

현재와 같은 마이크로파 중계는 1948년, 뉴욕-보스턴 간에

TD－X라 일컫는 방식이 완성됨으로써 시작된다. 이 방식으로 비로소 4,000MeHz의 마이크로파를 사용하여 전화 480회선이 중계되었다. 그로부터 2년 후에는 TD2방식이 개발되어서 뉴욕-시카고 간을 33중계로 연결하였다. 그것은 격증하는 전후의 통신 수요에 호응하고 거기다가 텔레비전 중계의 희망을 충족시켜 주는 것이었다.

한국의 마이크로웨이브 통신망은 1967년 12월 21일, 시외 전신전화 회선 1,368회선과 서울-부산 간 TV중계 회선(대전·대구 분기) 1회선을 준공함으로써 개통되었다.

마이크로파의 성질

micro 波－性質

마이크로파에는 낮은 주파수의 전파에서 볼 수 없는 특징이 있다.

첫째는 반송파에 마이크로파를 사용하면 1개의 전파에 점유되는 주파수 대역폭(band)을 넓게 잡을 수 있다. 예를 들면 텔레비전 중계에서는 6MeHz의 주파수 대역폭이 필요하며, 전화에서는 1,800통화를 동시에 보낼 경우, 음성의 주파수는 300-4,000㎐이므로 대략 4,000×2,000으로 볼 때 필요한 주파수 대역은 약 8MeHz가 되는데, 마이크로파의 경우 주파수가 높기 때문에 이것이 가능하다. 8MeHz라고는 하지만 4,000MeHz의 마이크로파(micro 波)를 사용하면 그 주파수의 경우 0.2%에 불과한 것이다. 따라서 마이크로파에서는 전화 등의 다중통신(多重通信)이 용이하다.

둘째로 전파의 파장이 짧아지면 단파처럼 전리층에서 반사되지 않고 뚫고 나간다. 또 전파의 파장이 짧아지면 성질이 빛과 비슷하게 되므로 전파는 직선으로 진행하여, 산(山)이나 장애물이 있으면 거기 반사되어 장애물의 그늘에는 전파가 미치지 못하게 된다.

결국 이러한 전파에 의한 통신은 전망이 가능한 범위에 한정된다. 그렇게 되면 통신가능 범위가 극히 짧은 거리에 국한되기 때문에 원거리의 경우에는 중계소를 설치하여 전파의 방향을 바꾸어 주며, 동시에 파장을 바꾸기도 한다. 이와 같은 기술의 극단적인 응용이 인공위성에 의한 우주중계를 통해 현재 이미 쓰여지고 있다. 레이더는 전파의 이러한 성질을 이용하여 지형을 판별하거나 물체를 검출하려는 것으로, 분해능(分解能)이 높은 레이더에서는 파장(波長)이 수㎝ 이하인 마이크로파가 사용되고 있다.

셋째의 특징은 파장이 짧기 때문에 적절한 안테나를 사용함으로써 용이하게 전파를 희망하는 방향으로만 집중시킬 수 있다는 점이다. 이러한 성질을 지향성(指向性)이라 한다. 전파를 서치라이트(탐조등)의 빛처럼 가느다랗게 좁혀서 상대방을 향해서 방사한다. 이것을 전파의 빔(beam)이라고 한다. 따라서 통신에 있어 혼신의 문제가 작아지고, 위치가 약간 떨어져 있다면 같은 주파수에 의한 통신도 가능해진다. 마이크로파는 이러한 의미에서도 주파수의 이용도가 높다고 하겠다.

넷째로, 통신 채널이 많이 설정되므로 통신로 1회선당 가격은 오히려 경제적이다.

마이크로파의 발진과 증폭

micro 波－發振－增幅

일반적으로 삼극관(三極管)에서는 〔그림〕－5와 같이 전자가 음극에서 양극까지 가는 데 짧다고는 하지만 어느 정도 시간이 필요하다. 특히 격자전압(格子電壓)이 마이너스로 동작하고 있을 경우엔 격자를 지나는 전자의 속도가 느린 탓에 음극에서 격자까지의 전자의 주행시간은 10－9-10－10초가 된다. 이와 같은 진공관이 다룰 수 있는 주파수는 그 주기가 이 주행시간의 10배 이상이 되어야만 한다.

즉 주파수가 500MeHz 이상에서는 제대로 동작하지 않게 된다. 따라서 사용할 수 있는 주파수를 올리기 위해서는 격자와 음극 사이의 거리를 더욱 좁히지 않으면 안 된다. 그러나 격자와 음극 사이는 이미 0.1-0.2㎜ 정도로 좁혀져 있어 이것을 더욱 좁힌다는 것은 제작상 매우 어려운 일이지만 1949년에 이르러 그 거리가 0.015㎜라는 상상할 수도 없는 삼극관이 미국에서 발표되었다.

이것은 4,000MeHz의 전화 회선(回線)의 증폭용인데, 오늘날에는 1만MeHz(파장 1㎝)까지 사용할 수 있는 소형이 만들어졌다. 그러나 진공관이 소형화되면 상대적으로 큰 전력을 다루지 못하게 된다.

때문에 전혀 다른 동작 원리에 바탕을 둔 훨씬 큰 전력을 다룰 만한 진공관의 연구가 동시에 진행되었다. 이 분야에서는 1927년에 마그네트론(磁電管)이 마이크로파의 발생에 적합하다는 사실이 밝혀져 마이크로파에 쓰이는 진공관으로서 전적으로 연구되어 왔는데, 1938년 이후

클라이스트론(속도변조관)·진행파관(進行波管) 등이 따라 발명되어 마이크로파에 쓰이는 진공관에 새로운 전개가 시작되었다.

마그네트론(자전관)

magnetron(磁電管)

마그네트론은 처음에는 저주파 전류를 증폭시키는 데 그 목적이 있었는데 1927년경 일본인 학자가 초단파 발진(發振)의 가능성을 시사한 이래 마이크로파 발생용으로 실용되어 왔다.

마그네트론은 진동의 안정성·잡음 등의 점에 문제가 있어 일반 통신에는 사용되지 않지만 출력(出力)이 상당히 클 뿐 아니라 마이크로파 중에서도 짧은 쪽의 파장의 발진이 비교적 용이하므로 레이더의 발진관이나 전자레인지(電子 range)의 발진관(發振管)으로서 흔히 쓰이고 있다.

마그네트론은 〔그림〕－6과 같이 필라멘트의 주위에 원통형의 양극을 배치하고 그 축 방향에 자계(磁界)를 부가한 것이다. 〔그림〕－8에 전자가 필라멘트와 양극 사이를 움직이는 궤도를 표시하였다. 자계가 없을 때는 1처럼 전진하나 자계가 강해짐에 따라 전자궤도는 만곡되며, 더욱 자계가 강해지면 양극에 도달치 않고 다시 필라멘트에 되돌아오게 된다. 따라서 이 이극관의 전류와 자장(磁場)의 관계는 〔그림〕－7처럼 되고 자계의 강도 Bc의 곳에서 양극 전류 I는 갑자기 0으로 내린다. 이 부분에서 동작시키면 마그네트론은 발진의 기능을 가지게 된다. 양극으로선 구리 덩어리를 〔그림〕－6과 같은 모양으로 절삭한 것을 사용한다.

몇 개의 구멍은 발진한 전자파에 대해 공명상자(共鳴箱子) 같은 작용을 하며, 그 치수에 따라 발진 파장이 결정된다. 이것을 공동공진기(空胴共振器)라 하는데, 그 모양은 원(圓)만이 아니라 그 밖에 여러 가지 형태가 있다.

클라이스트론

Klystron    클라이스트론의 원리는 〔그림〕－9의 a와 같다. 음극에서 나온 전자를 가느다란 빔으로 죄어 G₁·G₂의 격자(반처라 한다)를 통과시키고 다시 얼마 동안 주행한 후에 G₃, G₄(캐처)라는 격자를 통과시킨다. 음극과 격자 G₁ 사이에는 전자를 가속하는 직류 전압 가 부가되어 있으며, G₁을 통과한 전자는 다시 G₁·G₂ 사이에서 신호전압 coswt에 의해 가속된다. 이 때문에 G₂를 나오는 전자의 속도는 ×coswt에 따라 변화한다. 이것을 클라이스트론, 즉 속도변조(速度變調)라 한다.

  이것은 서울역에서 일정한 시간 간격으로 새마을호·무궁화호·통일호 열차를 발차시킨 것과 같은 이치이다. 〔그림〕－9의 c에 표시한 것처럼 무궁화호 열차는 나중에 발차하더라도 앞서 달리는 통일호 열차를 추월할 수 있게 된다. 따라서 G₂를 나오는 전자류(電子流)는 〔그림〕-9의 b와 마찬가지로 한결같지만, G₃에 도달했을 때는 펄스상(狀)이 되어 τ(타우)라는 시간 간격으로 커다란 전류가 흐른다. 이러한 밀도가 변화된 전자류가 G₃·G₄를 통과하면 이들에 연결된 공진회로(共振回路)에 전류가 유기(誘起)된다. 이 때 전자빔에서 공진회로에 에너지가 공급되어 증폭이 이루어진다. 현재는 600MeHz 이상의 주파수로 증폭과 발진을 하기 위해 여러 가지 속도변조관이 만들어지고 있다.

진행파관

進行波管

1946년에는 보다 더 새로운 원리의 진행파관을 발명하게 되었다. 이 발명은 영국에서 이루어졌으나 실용화한 곳은 미국이다.

〔그림〕－10은 진행파관의 원리를 나타낸 것이다.

가는 글라스관의 좌단에 음극이 있는데 여기서 나온 전자는 가는 빔이 되어 도선(導線)을 나선 상태로 감은 헬릭스 속을 통과한다.

그림 좌단에서 도파관(導波管)을 통해 입력(入力)을 가하면 이 전자파는 헬릭스를 따라 우방에 전파되어 나간다. 이 때 이 전자파에 의해 〔그림〕－11의 화살표로 표시한 것과 같은 전계(電界)가 생기고 전자빔을 가속하기도 하고 감속하기도 한다.

전자가 가속된다는 것은 전자로부터 전계에 에너지가 공급됨을 뜻한다. 반대로 전자가 감속된다는것은 전계로부터 전자에 에너지가 공급됨을 뜻한다.

이 가속·감속 때문에 전자빔은 처음에는 밀도가 일정하지만, 얼마 후에는 점점 조밀파(粗密波)로 바뀐다. 이렇게 하여 전자 밀도가 높은 곳에서 전자의 감속이 이루어지면 헬릭스를 전파하는 전자파는 강세가 되어 증폭이 일어난다.

진행파관의 특징 가운데 하나는 공동공진기(空胴共振器)를 사용할 필요가 없기 때문에 넓은 주파수에 걸쳐 증폭할 수 있는 점이다.

앞서 말한 클라이스트론에선 공동공진기를 사용하기 때문에 넓은 주파수 대역폭을 잡을 수 없었다. 넓은 주파수에 걸쳐서 증폭을 할 수 있다는 점은 마이크로파용의 증폭·발진관으로서 매우 바람직한 특질이라 하겠다.

반도체의 이용

半導體－利用

1940년대부터 시작된 반도체에 대한 연구가 진행됨에 따라 마이크로파의 발진마저도 반도체를 이용하려는 움직임이 생겼다.

1964년 미국인 건(J.B.Gunn)은 n형의 칼륨­비소(GaAs)에 2개의 전극(電極)을 붙여 수천볼트／㎝ 이상의 직류의 전계(電界)를 가하면 마이크로파의 진동이 발생한다는 것을 발견하였다.

이와 같은 소자(素子)를 강다이오드라 부르며, 1만-5만MeHz라는 높은 주파수의 마이크로파 발생기로서 실용화되고 있다.

마이크로파의 중계

micro 波－中繼

앞서 말한 바와 같이 마이크로파에서는 일반적으로 전망이 가능한 거리 이내밖에는 통신을 할 수 없다. 따라서 지상국(地上局) 사이에서 사용할 경우, 수십킬로미터의 거리를 단위로 하여 중계를 하게 된다.

파라볼라 안테나

parabola antenna    파이크로파의 송수신에는 유효한 송수신을 위해 특별한 안테나를 장치함으로써 전파에 지향성(指向性)을 부여한다.

  마이크로파는 파장이 짧기 때문에 반파장 길이의 금속봉을 조합하여 만든 안테나는 사용할 수 없다. 이것 대신 쓰여지고 있는 것이 파라볼라 안테나이다. 파라볼라란 이름은 반사기가 포물면상으로 되어 있는 데서 붙여진 것이다(〔그림〕－12).

  팔라볼라 안테나에선 송신기에서 나온 마이크로파가 뒤에 설명할 도파관에 의해 개구부(開口部)에 집중되어 금속제의 반사기에 의해 전방으로 반사된다. 도파관의 개구부는 포물면의 초점에 해당되기 때문에 반사된 전파는 포물면의 축(軸)에 평행으로 진행된다. 다시 말하여 이 방향에 전파가 집중되는 셈이다. 파라볼라 안테나로부터 사방팔방으로 균일하게 전파를 발사했다고 가정할 경우의 같은 점에서의 전력 밀도의 비 G는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

  

  이것을 파라볼라 안테나의 이득(利得)이라고 한다. 여기서 π는 원주율, D는 파라볼라 개구의 직경, λ는 마이크로파의 파장, η는 계수로서 개구효율이라 불리는데 0.5∼0.7 가량의 값을 가진다. 여기서 알 수 있듯이 전파의 집중도(集中度), 즉 이득은 파장이 짧을수록 또 개구의 직경이 클수록 커진다.

  이득 G o 의 안테나에서 P o 의 전력을 내보내고 수신측에서 이득 G i 의 파라볼라 안테나를 사용하였다면 대지로부터의 반사가 전혀 없는 공간(자유공간)에서의 수신전력 P i 는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

  

  는 송수신점 사이의 거리이다. 마이크로파 중계의 경우 파장과 거리가 결정되면 기본적으로 이 식에서 필요한 전력이나 파라볼라의 크기를 산출할 수 있게 된다.

동축케이블과 도파관

同軸 cable－導波管

높은 주파수의 전류를 전송하는 것에 동축케이블이 있다. 파장이 짧아져서 케이블 외피 내경의 약 60% 이하가 되면 심선(心線)을 제거하더라도 전파의 형태로 관내로 전파되어 나간다. 이러한 중공(中空)의 도체를 도파관이라고 한다.

그 단면의 형태로는 원형·방형 등 여러 가지 형태를 생각할 수 있으나 보통은 〔그림〕－16과 같은 방형의 것이 흔히 쓰인다.

도파관 내면은 손실을 작게 하기 위해 은(銀)으로 도금하여 도전성을 증가시키고 있다. 도파관은 마이크로파를 송신기로부터 안테나에 보내는 데 사용된다. 가령 4,000MeHz의 마이크로파(波)를 길이 25m인 동축케이블에 내보냈다고 가정하면 출력은 3.3% 정도로 저하되어 버리다. 이것은 동축케이블의 심선을 지지하고 있는 폴리에틸렌 원판(圓板) 등에 의해 손실이 생기기 때문이다.

이 손실은 사용 주파수의 평방근에 비례하여 증가한다. 또 주파수가 3,000MeHz를 초과(超過)하면 이 밖에도 여러 가지 난점이 생기게 된다.

그러나 도파관에서는 같은 길이에서 손실은 20% 정도이고, 입력의 약 80%는 출력으로 나타난다. 이와 같이 도파관 쪽이 동축케이블보다도 마이크로파를 전달하는 데는 우수하다.

마이크로파와 위성중계

( micro 波－衛星中繼 )   적동상 약 36,000㎞의 고도에 인공위성을 발사하면 그 주기가 지구의 자전과 일치하여 지구에서 보면 공간에 정지한 위성이 된다. 이 인공위성을 〔그림〕－13과 같이 120°의 간격으로 3개를 발사한다. 이렇게 하면 지구상의 임의의 2점 사이에 마이크로파에 의한 통신이 가능해진다. 이 위성을 향해 마이크로파로 통신을 보내고 거기에서 중계하여 상대방에 통신을 전달하게 되는 것이다. 이 위성에는 보통 중계용 증폭기가 장치되었고, 전원(電源)으로서는 태양전지가 쓰여지고 있다.   위성중계는 텔스타 1호·2호, 릴레이 1호·2호 등이 실험되어 1964년 도쿄올림픽 경기실황이 세계 각국에 텔레비전 중계되었다.  전파중계용으로 사용하는 인공위성, 즉 통신위성의 실용화운동은 활발히 진행되어 '국제상업위성통신기구(INTELSAT：인텔새트)'라는 공동체가 만들어졌다. 이 공동체는 1965년 얼리버드 정지위성(정식으로는 컴새트 1호)을 대서양 적도상에 쏘아올려 6월부터 상용 중계를 개시하였다.  이 얼리버드는 직경 27㎝, 높이 59㎝로서 30㎏의 무게를 가졌다. 지상국(地上局) A의 6,390 MeHz의 신호를 받아 증폭하고 주파수변환하여 이것을 4,161MeHz로 지상국 B에 되보내는데, 왕복 통신용이므로 동시에 B국(局)의 6,301MeHz의 신호를 받아 4,081MeHz로 하여 A국으로 다시 보내도록 되어 있다.지구국(地球局)으로    미국·프랑스·영국·독일·이탈리아   및 캐나다의 6국이 마련되었고, 이로써 유럽,미주 사이의 중계가 이루어졌다. 이 경우 전화라면 240회선, 흑백텔레비전이라면 음성신호에 비하여 훨씬 넓은 대역폭을 필요로 하기 때문에 2회선의 중계밖에는 하지 못한다. 텔레비전 중계의 경우에는 전화를 중단해야 했다. 이 얼리버드를 개량한 러니버드가 1967년에 대서양과 태평양에 1개씩 발사(發射)되어 유럽,미주 간뿐만 아니라 태평양 횡단의 텔레비전 중계도 가능하게 되었다. 그 후 인텔새트(INTEL-SAT)계의 위성에 의하여 신뢰도 99.99%의 통신이 가능해졌다. 한국은 1970년 6월에 금산지구국(錦山地球局)이 개통되어 위성통신 대열에 어깨를 나란히 하였고 각종 스포츠 행사를 비롯한 세계의 움직임을 안방에 앉아 볼 수 있게 되었다.
 

〔표〕-3  궤도에 있는 인텔새트 통신위성
지  역	통신위성	위  치 (적도상공)	비  고
대서양	Intelsat Ⅱ  F 3 Ⅲ  F 7 Ⅲ  F 6 Ⅲ  F 2 Ⅳ  F 2	(347°E)   (339°E)   (328.5°E)   (319°E)   (335°E)	예비 사용중 사용중 안테나 기능 장애 사용 준비용중
태평양	Ⅲ  F 4 Ⅱ  F 4 Ⅰ  F1	(171.5°E)   (197°E)   (213°E)	사용중 사용중(BR-JA) 사용가능
인도양	Ⅲ  F 3	(61.7°E)	사용중

송신과 수신의 새로운 방법

문자의 송신

文字－送信

전기통신(電氣通信)은 모스신호에 의한 유선통신으로 비롯되었으나 얼마 후에는 타이프라이터와 결합시킨 인쇄전신(텔레타이프)이 등장, 드디어는 전화와 같이 다이얼로써 상대방을 호출하는 가입전신(텔렉스)으로 발전하였다.

또 문자·그림·사진을 보내는 팰시밀리의 응용이 보급되어 신문의 사진 전송뿐만 아니라 주요 도시간의 공중통신(公衆通信)에도 이용되고 있다.

텔레타이프(인쇄전신)

teletype(印刷電信)

송신측에서 모스신호의 키를 두드리는 대신에 타이프라이터를 쳐서 종이 테이프에 구멍을 뚫는 천공(穿孔)테이프를 만들어 이것을 전기신호로 바꾸어 송신한다. 수신측에서는 이 신호를 받아 타이프라이터를 작동시켜 인자(印字)해서 통신 내용을 재현한다.

이 방식에서는 송수신자가 모두 모스부호를 익힐 필요가 없고 다루기가 용이하며, 통신할 때에 수신자가 반드시 기계 앞에 있지 않아도 되며, 통신 내용을 기록으로 남길 수 있다는 특징을 지니기 때문에 전보의 송수신에 널리 사용되고 있다.

인쇄통신기의 송신측은 우선 건반천공기(鍵盤穿孔機)에서 시작된다. 이 키를 두드리면 키에 표시되어 있는 문자나 기호에 해당하는 6단위 부호의 구멍이 종이 테이프에 뚫리게 된다(〔그림〕－18).

이 테이프를 송신기에 장치하면 테이프 구멍의 유무에 따라서 펄스 신호가 되어 송달된다. 송신기에는 구멍이 있으면 플러스 전류(마크신호)를, 구멍이 없으면 마이너스전류(스페이스신호)를 보내는 접점(接點)이 있어 이것이 브러시의 회전에 따라 차례로 송달된다(〔그림〕－17). 그림에는 접점이 8개 있는데 그 중 하나는 문자의 시작을 표시하는 스타트신호(스페이스전류), 또 하나는 문자의 끝을 표시하는 스톱신호(마크전류)를 내기 위한 것이다.

수신기에서는 스타트신호가 오면 전자석이 작용하여, 정지하고 있던 캠이 회전하여 문자선택기구(文字選擇機構)가 가동하기 시작한다. 여기에서는 6단위의 수신신호에 따라 차례로 셀렉터 마그네트가 작용해 신호에 해당되는 문자가 1개만 선택되어 인자된다. 인쇄전신의 송수신 속도는 수동식 모스의 매분 90자보다 약간 빠르다.

텔렉스(가입전신)

telex(加入電信)

전화의 경우와 마찬가지로 가입자가 당국으로부터 인쇄전신기를 대여받아 전신선을 사용해서 상대방을 다이얼로 호출하여 전보의 교환을 행하는 전신을 텔렉스 또는 가입전신이라 한다. 이 방식은 전화와는 달리 상대방이 부재일 경우라도 통신을 보낼 수 있다는 점, 통신 내용이 기록된다는 점 등의 특징이 있다. 공중전보와는 달리 가입자가 직접 전신을 교환하게 되므로 전보국에 가서 의뢰한다든지 송수신·배달 등의 수고가 절약될 뿐더러 답장을 즉시 받을 수 있다.

텔렉스는 사무의 기계화와 오토메이션화의 일익을 담당하여 더욱 그 이용도가 확대되었다.

팩시밀리

facsimile

모스의 전신 실용화 이래 통신문을 직접 인자(印字)하려는 노력은 인쇄전신(印刷電信)의 개발과 문자·사진·그림 등을 전기 신호로 바꾸어 보내고 이것을 수신하여 원화를 복원하는 통신방식의 개발 등 2가지 계열로 갈리어져 왔다. 후자에는 문자나 농담(濃淡)이 없는 흑백만의 도형을 취급하는 모사전송(模寫電送), 중간조(中間調)를 포함한 사진 등을 취급하는 사진전송의 구별이 있으나 통신기술적으로는 마찬가지이며, 거기에 엄밀한 구별이 없고 양자를 묶어서 팩시밀리라 부르는 일이 많다.

송화

送畵

팩시밀리에서는 텔레비전의 경우와 마찬가지로 평면 화상을 선으로 분해하여 그 속의 점의 농담(濃淡)을 전기 신호로 변환해서 차례로 송달한다. 이러한 조작을 주사(走査)라고 한다. 텔레비전과 다른 것은 원화가 모두 정지상(靜止像)이라는 것, 수신측에서 재생상(再生像)을 기록해야만 하는 점이다. 이 때문에 텔레비전과 같이 빠른 주사를 할 필요가 없다. 그래서 가령 〔그림〕－19와 같은 원화를 원통에 감아 이것을 회전시키면서 축(軸) 방향으로 조금씩 이동시키는 방법을 쓰게 된다. 이 경우 주사는 원통의 회전과 축 방향의 이동에 따라 나선상으로 이루어진다.

주사선(走査線)의 밀도는 보통 1㎜당 4개, 사진 원고의 경우는 5-7개 정도가 된다. 신문 사진이나 지문(指紋)과 같은 미세한 원화의 경우라면 7-15개／㎜로 촬영되는 수도 있다. 이것과 원통의 회전수(매분 45-120 회전)와 원화의 크기에 따라 송신 소요시간이 결정된다. 보통은 1장에 수분 정도이다. 이 때 원화에는 렌즈로 집중시킨 가는 빔상(狀)의 빛이 쬐어지며 원화상의 1점에서 반사되는 빛은 렌즈로 집광되어 광전관으로 보내져서 광전변환을 받게 된다.

그러나 여기서 문제가 되는 것은 화면에 농담(濃淡)의 변화가 없는 부분이 많으면 전류는 미세하게 변화하지 않으며 출력에서는 파형(波形)으로 볼 때 직류에 가까운 성분이 생긴다는 점이다(〔그림〕－20의 b).

그 이유은 팩시밀리 전송에서는 전화선이 사용되는 수가 많으나 보통의 전화 중계선에서는 이 직류를 그대로 보낼 수가 없기 때문이다. 그래서 송화측에서는 화상전류(畵像電流)로 가청(可聽) 주파수의 반송파를 변조해서 내보내는 방법을 쓰고 있다. 〔그림〕－20의 c에 변조된 신호전류의 파형의 한 예를 표시했다.

수화

受畵

수신(受信)은 원리적으로는 〔그림〕－19와 같은 방법으로 행해진다. 감광지(感光紙)를 감은 원통을 송신측과 같이 회전시켜서 동기(同期)시켜 축 방향으로 조금씩 이동시킨다. 한쪽에서는 수신한 변조파를 검파(檢波)해서 신호 전류를 재생, 이것으로 각점의 농담(혹은 흑백)을 기록해 나가는데, 이 기록 방법은 원화의 성질과 사용 목적에 따라 각양각색의 것이 있다.

〔그림〕－21의 a는 사진전송에 쓰이고 있는 한 예로서, 신호전류로 반사경을 제어하고 광원으로부터의 광량을 증감(增減)하여 원통에 감긴 인화지 혹은 필름을 감광시켜 나간다. 광원에는 방전관을 사용하여 그 광량을 신호전류에 의해 직접 제어하는 방법도 쓰여지고 있다.

이렇게 해서 감광된 인화지 혹은 필름을 암실에서 처리하여 원화를 재현시킨다. 이것을

전자적 광량제어방식(電磁的光量制御方式)이라 부른다.

〔그림〕－21의 b는 전자적 기록방식이라 불리는 것으로, 표면에 코일상(狀)의 돌기(突起)를 가진 원통을 회전시켜 이것과 프린터 바(printer bar)라 불리는 전극 사이에 종이와 복사기를 끼운다. 수신신호를 전자석에 전해 프린터 바를 움직이면 원통 표면의 돌기(突起)와 프린터 바가 밀착되어 종이 위에 기록된다.

이 방법의 특징은 기록이 재빨리 가시상(可視像)이 되고, 기록지의 값이 싸며, 복사지(carbon paper)를 겹치기만 하면 복사할 수도 있다는 장점 등이 있다. 그러나 한편 프린터 바를 고속도로 진동시켜야만 하기 때문에 선명도가 저하된다는 결점이 있다.

기록방법으로는 이 밖에 전해기록방식·방전파괴방식 등이 있다. 전자는 전자석이나 카본지를 쓰지 않고 대신 전해액(電解液)을 적신 기록지를 사용하여 이 곳에 직접 신호 전류를 통하게 하여 전기 화학적으로 발색(發色)시킨다. 이 방식은 간단하며 선명한 기록을 얻을 수 있으나 기록지가 젖어 있기 때문에 히터로 건조시키지 않으면 안 된다.

한편, 방전파괴방식은 흑연(黑鉛) 등의 도전층(導電層) 위에 백색 도료를 바른 기록지를 사용하게 되는데, 그 표면에 텅스텐 침(針)을 접촉시켜 신호전류로서 불꽃을 튀게 하여 백색 물감을 제거하고 본바탕의 흑색을 나타내어 문자·도형 등을 기록한다. 이것도 간단하고 선명도가 좋으나 불꽃 때문에 악취가 풍기며 또 무선잡음을 내기도 하는 결점이 있다. 이것들은 모두가 문자나 농담이 별로 없는 도형의 통신용이다.

텔레라이터

telewriter

송신 원고를 쓸 때의 펜의 움직임을 그대로 전기신호로 바꿔 상대방에 보내면 거기서는 그 신호로서 똑같이 펜을 움직여 원고를 재현하는 것을 텔레라이터(텔레오토그래프)라고 한다. 〔그림〕－22는 그 원리이다. 펜 끝의 위치를 나타내는 x·y의 신호와 펜의 오르내림을 나타내는 z의 신호를 검출하여 보내면 수신측에서는 이에 따라 펜을 조작하면 된다.

등사팩스

謄寫 facs

원고와 똑같은 등사판 원지를 단시간에 작성하는 것이다. 〔그림〕－23과 같이 회전하는 원통의 좌반부엔 원고를, 우반부엔 등사용 원지를 감는다. 원고에 빛을 쬐어 주사(走査)한다. 이로써 얻어진 신호전류를 원지에 접촉시킨 전극에 흐르게 하여 방전하여 작은 구멍을 뚫어 원고를 만든다. 원지는 비닐로 되어 있으며, 5-15장／㎜의 주사선 밀도가 사용되고 있다. 이 방법으로 원고를 보내고, 원지로 받아서 인쇄하면 통신으로도 사용할 수 있다.

전화와 교환

통신과 교환

通信－交換

전화기와 전화기를 직접 통신 선로로 연결하면 전화기의 수가 증가함에 따라 필요한 통신선로의 수는 급격히 늘어나게 된다. 〔그림〕－25와 같이 3개이면 3줄, 4개이면 6줄, 5개라면 10줄, 6개라면 15줄이란 통신선로가 필요하게 된다. 그와 동시에 통신선의 전체 길이도 급격히 증가한다.

그러나 1대 1로 전화를 연결시키는 대신에 중심에 교환대를 설치하여 각 전화기와 교환대를 연결시키고 필요에 따라 전화기끼리 이어주면 선로 수는 적게 되고 그 길이도 훨씬 짧아진다.

다만 이 경우 임의의 2개의 전화기를 반드시 상호간에 접속시켜야 한다는 점, 통화중에 있는 전화기에는 다른 전화기가 연결되지 않아야 한다는 점, 동시에 여러 전화기를 뒤섞더라도 전화가 가능하다는 점 등이 필요한 조건이 된다.

수동교환과 자동교환

手動交換－自動交換

많은 전화기 사이의 통화를 경제적으로 운용하려면 교환기가 필요한데, 처음에는 교환의 접속 조작을 사람 손으로 하는 방법이 취해졌다. 이것을 수동교환(手動交換)이라고 한다.

이 경우 교환수는 다음과 같은 동작을 한다.

① 가입자 A의 발신의사를 교환대 램프의 점화로 안다. ② 응답 플러그를 끼우고 키를 젖혀 A에게 상대번호 B를 묻는다. ③ 이어 호출 플러그를 B의 복식 잭에 끼운다. B가 통화중이 아닐 때는 키를 젖히면 B의 벨이 울린다. ④ B가 수화기를 들어 A와 통화한다. ⑤ 통화가 끝나면 종화(終話)램프가 점화된다. 이것을 보고 응답 플러그와 호출 플러그를 잭에서 뽑는다(〔그림〕－24).

그러나 통화가 증가하면 이처럼 사람의 손에 의지하는 조작으로는 처리할 수 없게 된다. 거기다가 교환수가 실수를 하고, 응답이 불친절하고, 제대로 나오지 않는다는 등 각종 불평이 생기는 일도 있다.

그래서 사람 손을 쓰지 않는 자동교환방식이 개발되었다. 이것은 가입자 자신이 다이얼을 돌려 교환기를 제어하고 상대방을 호출하는 방식이다.

스텝바이스텝식 자동교환기

step by step 式自動交換機자동교환기에도 여러 가지 방식이 있는데 그 중 다이얼 조작으로 교환기 속의 스위치가 직접 제어되어 상대방과의 접속이 이루어지는 것을 스텝바이스텝식(段段式)이라 한다.

단단식이란 호칭은 다이얼을 돌릴 때마다 1보 1보 선택 조작이 진행된다는 데서 나온 이름이다. 이 방식 가운데 우리나라에서도 오래 전부터 사용되고 있는 것에 스트로저형(型)이라 불리는 교환기가 있다. 이 교환기에 의한 접속은 상승회전 스위치로써 이루어진다(〔그림〕－26). 이 스위치의 반원통의 안쪽에는 다수의 접점이 나란히 줄지어 있다.

다이얼에서 임펄스가 전해 오면 부속된 전자석이 작용하여 와이퍼라는 가동접촉자(可動接觸子)가 상승·회전운동을 일으켜 상대방의 선택을 하게 된다.

이 스위치의 수는 전화번호의 단위 수에 따라 정해진다. 예를 들면 4단위의 경우 3개의 스위치가 쓰여진다. 즉 전화번호 1,000 자리의 숫자에 작용되는 1차실렉터, 100자리의 숫자에 작용되는 2차실렉터, 10자리와 1자리의 숫자에 작용하는 커넥터이다(〔그림〕－27).

1차실렉터 앞에 있는 라인 스위치는 발신자가 수화기를 들었을 때 자동적으로 작용하는 일종의 회전 스위치이며, 이것에 의해 비어 있는 실렉터를 선택할 수 있다.

커넥터의 단자(端子)에는 각각의 번호를 가진 가입자의 전화기가 연결되어 있어서 다이얼 돌리는 것이 끝났을 때 접속이 완료되는 셈이다.

이 교환기에는 이 밖에 앞서 말한 접속동작을 돕기 위해 여러 가지 계전기(繼電器)로 이루어진 제어회로(制御回路)가 부속되어 있다. 그러나 이들 제어회로는 접속을 위한 회로에 부속되어 있으므로 일단 접속이 끝나면 그 다음은 통화가 끝날 때까지 쉬고 있는 셈이 된다. 이것은 이 방식의 커다란 결점의 하나이다.

자동교환기의 발달

自動交換機－發達

단단식 자동교환기의 결점을 보충하는 방법으로서 〔그림〕－28과 같이 접속의 기능과 제어의 기능을 분리하는 방법이 있다. 이 방식에서는 전화를 건 가입자의 발신에 응하여 제어기가 접속기를 제어하고 접속이 끝나면 제어기는 통신회로에서 떨어진다. 따라서 이 제어기는 쉬지 않고 또다시 다음 발신에 응하게 된다. 이 방식을 공통제어식 교환기라 하며, 그 하나로

크로스바 교환기라는 것이 있다.

크로스바 교환기

cross bar 交換機

이 방식에서는 마커라는 제어회로의 작용에 의해 우선 발신자의 다이얼 임펄스가 레지스터에 축적·기억되고 이어서 접속회로가 동작하게 된다.

접속에는 크로스바 스위치라 불리는 다접점(多接點)스위치가 쓰인다(〔그림〕－29).

이 스위치는 가로·세로의 교착점이 접점으로 되어 있으며, 접속은 전자석의 작용에 의해 이 접점을 폐쇄함으로써 이루어진다. 예를 들면 선택전자석(SM)과 보지전자석(保持電磁石：HM)이 작동함으로써 세로 2번, 가로 3번의 교착점의 접점이 닫힌다. 이 경우 SM4 HM2 등의 접속도 가능하다.

이렇게 하여 닫혀진 접점은 보지전자석에 의해 통화가 끝날 때까지 그대로 지속된다. 이 때문에 통화가 끝나면 곧 제어회로를 절단할 수 있으며, 절단된 제어회로는 다음 발신을 위해 대기할 수가 있다.

이 크로스바 교환기에는 소비전력이 약간 크고 또 발신자에의 발신음·통화중의 음·호출음 등이 약간 늦어진다는 결점이 있으나 와이퍼를 비롯한 가동부분의 소모가 적고 그만큼 동작이 확실·안정하며 수명도 길다는 이점이 있다.

크로스바 교환기는 가입자의 증가, 시외전화의 자동화에 대처하여 우리나라에서도 실용화되고 있다.

전자교환기

電子交換機

크로스바 교환기의 등장으로 자동교환기는 일단 만족할 만한 것을 얻게 되었지만 이와 같은 기계적인 접점·전자석·계전기 등을 사용하는 한 교환속도의 향상과 소형화를 진행시킨다는 점에서는 불리하다는 것을 부정할 수 없다.

이러한 결점을 제거하기 위해 소형의 전자장치, 특히 트랜지스터 등을 사용한 전자교환기에 대한 연구가 진행되었다. 이 전자교환기는 1950년대부터 진공관을 이용한 교환기라 해서 연구되어 왔는데, 다이오드나 트랜지스터와 같은 반도체소자(半導體素子)나 파라메트론(parametron) 등을 사용한 것도 연구 대상이 되었다.

전자교환식에도 여러 가지 방식이 생각되고 있는데, 어느 것이나 본질적으로는 크로스바 방식 중의 마커·레지스터와 같은 공통제어기를 전자화하여 크로스바스위치·리드스위치와 같은 기계적인 접점의 접속기를 그대로 남긴 것을 반전자교환방식이라 한다.

이에 대하여 공통제어기를 비롯하여 접속기·축적장치 등을 모두 전자화한 것을 전전자(全電子)교환방식이라 한다(〔그림〕－30).

전전자교환방식은 다시 ① 공간분할방식, ② 시분할방식, ③ 주파수분할방식의 3방식으로 대별된다.

공간분할방식에는 이제까지의 전자적인 교환방식과 마찬가지로 1개의 통화로에 1개의 통화만을 접속하는 방식이다. 원리는 대단히 단순하며, 통화수만큼 통화로나 스위치가 필요하게 된다.

그러나 현재는 1개의 전송로에 다수의 통신을 동시에 실어 보내는 다중통신(多重通信)이 실용화되고 있으며, 이러한 사고방식을 교환방식에도 곁들이려는 방식이 제창되었다. 이것은 전전자교환방식에서 처음으로 가능성이 엿보이기 시작한 것으로, 여기에는 시분할방식과 주파수분할방식의 2개가 있다.

이 중 시분할방식은 〔그림〕－31과 같이 통화로에 일정한 주기로 펄스전류를 흐르게 하여 여기에 통화를 보내도록 한다. 그림의 펄스 1, 펄스 2는 제각기 별도의 통화를 보내는 펄스 계열(系列)이다. 1주기의 사이는 125마이크로초, 즉 8kHz 정도이며, 각 펄스 계열의 시간차는 2.5 마이크로초를 필요로 하기 때문에, 이와 같이 시간을 분할하면, 125÷2.5＝50이므로 50통화를 보낼 수가 있다. 펄스에 통하를 싣는 데는 펄스진폭변조방식을 채택하고 있다.

통신로

通信路 전화는 처음에는 가입자 수도 적었으므로 나선(裸線)을 전주를 통해 연결하여 사용되었다. 그러나 전화기 수의 증가와 더불어 1개의 전주에 장치한 나선 수는 200까지 달하여 더 늘이려 해도 그 이상 수용할 수가 없게 되었다.

케이블

cable

그 때문에 새로운 선로에 대한 요구가 높아졌는데, 거기에는 ① 다수의 회선을 수용할 수 있을 것, ② 다른 회선과의 사이에서 상호 방해가 없을 것, ③ 바람·눈·비 등에 강할 것, ④ 가격이 쌀 것, ⑤ 시설이 간편할 것 등이 요구된다.

이러한 요구를 충족시키기 위해 만들어진 것이 케이블이다. 이것은 심선(心線)이 되는 연철동선(軟鐵銅線)을 서로 절연하여 적당히 배열한 다음 다발로 묶은 것이다. 그러나 나선과는 달리 심선 사이의 간격이 좁기 때문에 한쪽 선에서 다른쪽 선으로 전류가 새어 누화(漏話)가 생긴다. 때문에 케이블은 처음에는 시내의 전화선에만 쓰였다.

그 후 미국에서 〔그림〕－32와 같이 적당한 거리마다 코일을 넣으면 신호의 감쇠(減衰)가 적어지고 원거리 통신에도 사용할 수 있음이 밝혀졌다. 이 코일을 장하선륜(裝荷線輪)이라 하고, 이것을 붙인 케이블을 장하케이블이라 한다.

무장하케이블

無裝荷 cable

장하케이블은 원거리일수록 의곡이 심하여지고, 동시에 전류의 주파수가 높아지면 도리어 전류가 흐르기 어렵게 되어, 주파수가 높은 반송파를 사용한 다중통신을 할 수 없다는 결점이 있었다.

이로 말미암아 무장하케이블에 의한 장거리 반송방식이 몇몇 선진국에서 연구되었는데, 일본 기술진은 케이블의 구조와 그 사용방법을 고안하여 누화를 감소시키는 데 성공, 1938년에 도쿄-선양(瀋陽) 간의 2,700㎞(대한 해협 횡단을 포함)라는 장거리 케이블을 완성하였다.

동축케이블

同軸 cable

따라서 반송주파수를 더욱 높여도 누화가 적은 케이블의 출현이 요구되었는데, 이에 따라 개발된 것이 동축케이블이다.

동축케이블은 1개의 심선을 축으로 하여 동축 원통상에 외부도체(外部導體)를 곁들인 케이블이다. 이 케이블을 사용하게 되면 수십MeHz 전류의 장거리 전송이 가능하며, 12MeHz로 2,700의 통신로를 가진 동축케이블이 실용화되고 있다.

해저동축케이블

海底同軸 cable

이러한 자동즉시통화를 위해 단파 중계를 대치한 새로운 해저동축케이블이 부설되었다.

무선 중계는 공중의 상태나 그 밖의 영향을 받기 쉽고 안정성이 떨어지지만 해저동축케이블에 의하면 안정하고 훌륭한 통신을 할 수 있다.

1956년에는 대서양을 횡단하는 해저동축케이블이 개통되었고, 1964년에는 하와이-일본 간이 개통되었다.

위성중계

衛星中繼

해저동축케이블과 함께 세계의 통신망을 구성하는 수단으로서 주목되고 있는 것은 위성중계이다.

상업위성에 의한 통신 다중전화는 물론이요, 해저동축케이블에서도 의곡 등의 관계로 곤란했던 텔레비전 중계를 가능하게 하였다.

레이저에 의한 통신

밀리파와 레이저

milimetre wave－laser

마이크로파의 전개(展開)는 점차 전파의 파장을 단축시켜 나갔다. 진공관도도변조관·진행파관으로 발전하고, 한편 마그네트론도 구조적인 개량이 이루어져 센티미터파에서 밀리미터파로 진행되어 나갔다. 그러나 밀리미터파 이하의 서브밀리미터파가 되면 진공관으로는 어찌 할 수 없는 영역(領域)에 들어가게 된다.

그런데 1954년에 미국의 타운스가 메이저(MASER)라는 특수한 증폭장치를 발명하여 밀리파 이하의 짧은 파의 전파가 갑자기 주목을 받게 되었다. 메이저는 유도방출(誘導放出)에 의한 마이크로파의 증폭(microwave amplification by stimulated emission of radiation)이란 영어를 간단히 줄인 것으로서, 분자와 마이크로파의 상호작용에 의해 분자의 내부 에너지를 직접 마이크로파로 변환시키는 장치이다.

메이저는 1,000MeHz로부터 1만 MeHz까지의 주파수대(周波數帶)로서 극히 잡음이 적은 증폭기가 되기 때문에 우주통신·전파망원경·원거리용 레이더 등 대단히 미약한 신호를 취급하는 수신기의 첫단계의 증폭기로서 진공관보다 뛰어난 성능을 발휘한다. 다만 메이저는 다음에 말하게 되는 바와 같이 그 동작에서 펌핑이라는 조작 때문에 동작주파보다 상당히 높은 주파수의 발진기(發振器)가 필요하다. 취급하는 주파수가 높기 때문에 이제까지의 방법은 쓸 수 없고, 메이저를 사용하는 데 있어 그보다 더욱 높은 주파수의 발전기가 필요하게 된다는 모순된 요구가 생긴다.

따라서 신호가 미약하고 다른 방법으로는 신호가 잡음보다 크게 수신되지 못할 경우에 한하여 사용된다. 메이저는 그 특이한 동작양식으로 주목을 받게 되었고 많은 연구자들의 관심을 집중시켰다. 1958년이 되어 메이저에 의하면 훨신 높은 주파수의 전기진동이 가능하여 앞으로는 광파의 발생·증폭마저 가능하다고 예언하였다. 1960년 미국의 마이먼은 루비의 결정을 사용하여 펄스상의 빛을 발생하는 데 성공했다. 이것을 레이저라 한다. 이 때에는 펌핑에도 빛이 사용되었다. 이렇게 하여 메이저에 쏠렸던 관심은 레이저로 옮겨지고 잇따라 연구가 발표되었으며, 이러한 연구의 진행과 함께 레이저의 실용에 대한 기대가 높아지게 되었다.

메이저

maser

유도방출과 펌핑

誘導放出－pumping

물질은 분자, 다시 원자로 구성되었으며, 원자는 원자핵과 전자로 이루어졌다. 전자는 원자핵의 주위를 운동하고 있으며 각각 특유한 에너지를 지니고 있다. 이 전자가 지닐 수 있는 에너지는 양자화(量子化)되어 각각의 값을 지니게 된다. 이러한 각각의 에너지의 값을 에너지 준위(energy 準位)라고 한다. 높은 에너지 준위 E_1` 에서 낮은 에너지 준위 E_2` 로 전자가 이동하면 양자의 차인 E_1`-`E_2` 의 에너지가 방출된다.

반대로 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 이동할 때에는 E_1`-`E_2` 의 에너지가 흡수된다. 이 방출·흡수는 전자파의 형태로 이루어지며 그 주파수 hf` 는 E_1`-`E_2` 로 표시된다. h` 는 6.63×10－27에르그·초이며 이 정수(定數)를 플랑크의 상수라 한다. 정상적인 상태에 있는 원자에서는 〔그림〕－37과 같이 높은 에너지 준위 E_1` 에 있는 입자(粒子)수 N_1` 은 낮은 에너지 준위 E_2` 에 있는 입자수 N_2` 보다 작다. 바꾸어 말하면 전자파의 흡수 대상이 되는 E_2`

준위의 입자편이 전자파 방사의 대상이 되는 E_1`

준위의 입자보다 수가 많다. 따라서 이 상태에서는 흡수와 방사가 동시에 일어나더라도 결국 흡수가 우월하며 외부로부터는 전자와의 흡수만이 보인다.

그러나 어떠한 방법으로 N_1` ＞N_2` , 즉 에너지 준위가 높은 입자의 수 N_1` 이 낮은 편의 N_2` 보다 많은 상태를 만들어 준다면 방사의 대상이 되는 입자의 편이 흡수의 대상이 되는 입자보다 많아진다. 이와 같은 상태를 '부(負)의 온도상태'라고 한다. 이 상태에서 E_1` 에 있는 입자가 E_2` 로 떨어지는 동기를 만들어 주면 E_1` 에서 E_2` 로 옮기는 천이(遷移)에 따라 E_1` －E_2` 에너지를 가진 전자파가 방사된다.

이것을 유도방사(誘導放射)라 한다. 이 동기로서는 1－2의 에너지차(差)와 동등한 에너지를 가진 전자파를 조사(照射)하면 좋다. 만일 조사하는 전자파가 약하고 출력의 전자파가 강하면 이로써 전자파의 증폭이 이루어진 셈이다.

에너지 준위가 3개 있는 경우도 흔히 쓰인다. 〔그림〕－34에 그 원리를 표시하였다. 준위를 각각 E_1` ·E_2` ·E_3` 라 하고 E_1` >E_2` >E_3` 라고 하면 외부에서 E_1` －E_2` ＝hf_1,`_3 에서 주어진 주파수 f_1,`_3 의 전자파를 조사하면 준위 E_3` 에서 E_1` 으로 입자가 올라간다. E_1` 으로 올라간 입자는 얼마 후 그 에너지의 일부를 열로서 잃게 되어 준위 E_2` 로 떨어진다. 이로써 입자수 N_2` 가 N_3` 보다 많아진다.

즉 마이너스의 온도 상태가 실현된 셈이다. 이 경우 E_3` 에서 E_1` 으로 입자를 올리는 것을 펌핑이라 부른다. 메이저 작용을 제시하는 재료에는 매우 엄격한 조건이 있다. 실제로 흔히 쓰이고 있는 재료로서는 기체와 고체가 있다.

기체메이저

氣體 maser

기체메이저는 〔그림〕－35와 같은 구성에서 동작시킨다. 암모니아 분자를 1016-1018개／초의 비율로 진공 속을 흐르게 한다. 이 흐름을 둘러싸고 4개의 전극 사이에 10-20㎸의 고(高)전압을 가하게 되면 이 전계에서 마이너스 온도상태가 생긴다.

이와 같이 된 분자를 공동공진기(空胴共振器)에 넣어서 약한 마이크로파의 전계를 가하면 유도방출이 일어난다. 공동공진기의 손실이 적으면 잡음 속의 마이크로파 성분이 계기(契機)가 되어 발진하게 된다.

주파수는 24,000MeHz이다. 이 메어지는 출력이 대단히 작기 때문에 증폭기로서는 사용되지 않는다. 그러나 대역폭(帶域幅)은 주파수 24,000MeHz에 대하여 겨우 5㎑로서 좁고, 또 매우 안정되어 있기 때문에 주파수의 표준으로서 혹은 이른바 분자시계(分子時計)로서 사용되고 있다.

고체메이저

固體 maser

〔그림〕－36은 고체메이저의 실험장치이다. 고체메이저의 재료로서는 헥사시아노 코발트산칼륨(K3C0(CN))6에 5%의 크롬을 가한 것, 루비(Al2O3)에 크롬을 가한 것이 쓰여진다. 이 중의 크롬이온(Cr3+)이 메이저 작용을 나타낸다. 루비 메이저의 신호주파수는 9.3-9.7㎓, 펌핑 주파수는 대략 25㎓이며, 따라서 증폭 이득은 50㏈(입력과 출력의 전력의 비를 대수로 나타낸 것의 10배)이다.

레이저

laser    메이저의 경우에는 －가 작기 때문에 주파수 f 는 마이크로파의 영역(領域)에 있다. 그러나 이 에너지의 차가 커지면 주파수 는 그에 따라 높아지고 방사되는 전자파의 주파수(따라서 파장)는 광파영역에 들어온다. 처음에는 이것을 빛 메이저라 불렀는데, 곧 광파를 대상으로 하는 것을 레이저라 부르게 되었다. 레이저라는 용어는 '유도 방출에 의한 빛의 증폭(light amplification by stimulated emission of radiation)'의 두 문자을 줄여서 만든 것이다.

  메이저와 마찬가지로 에너지 준위(準位) 에 있는 입자수 과 에너지 준위 에 있는 입자수 를 생각하면, 열평행상태, 즉 ＞일 때, ＜이다. 이 경우 펌핑이 적당히 이루어진다면 ＞의 마이너스 온도상태를 만들 수 있다.

   이 때 유도방사에 의해 전자파를 방출시킬 수 있다. 이 전자파의 주파수 는 (-)／로 주어진다(〔그림〕－39). 

레이저의 특징

laser－特徵

레이저로부터 얻어지는 빛은 전구나 형광등에서 얻어지는 빛과는 근본적으로 다른 성질을 가지고 있다. 우선 레이저광은 간단히 말하여 진동수가 다른 2개의 레이저광을 같이 하였을 경우, 각각 다른 진동수를 가진 빛을 만들 수 있다.

이것을 코히어런트한 성질이 있다고 일컫는다.

레이저광은 〔그림〕－42와 같이 빛의 스펙트럼 분포가 어느 일정한 파장을 중심으로 한 아주 좁은 범위에 집중하고 있다. 즉 단색성(單色性)이 우수하다.

더구나 레이저광은 그 에너지 밀도가 매우 높은, 다시 말하여 에너지의 집중도가 대단히 크다는 특징을 지니고 있다. 연속출력이 겨우 10㎽에 지나지 않는 기체(氣體)레이저광이라도 에너지밀도로 하면 3×104W／㎟라는 큰값이 된다. 루비레이저를 펄스적으로 동작시키면 109 W를 넘는 출력을 얻을 수 있는데, 이 때의 에너지밀도는 실로 1015W／㎟까지 달한다. 태양표면에서마저 그 에너지밀도는 102W／㎟에 불과하다.

레이저에는 희(稀)가스인 헬륨·네온·아르곤·크립톤 및 세슘의 증기를 사용한 기체레이저와 루비 및 특수 글라스 등을 중심으로 하는 고체레이저, 거기다가 어느 종류의 유기물을 용매(溶媒)에 용해한 유기(有機)레이저, 반도체를 사용한 반도체레이저가 있다.

루비레이저

ruby laser

〔그림〕－40은 루비레이저의 장치이다. 루비의 결정으로 만든 둥근 막대의 주위에 냉각용의 공기 통로와 펌핑용의 빛을 발행하는 광원으로서 나선상(狀)의 크세논램프가 있다.

크세논램프는 펄스상으로 동작시켜 순간적으로 발광시킨다. 이를 위해 5,000V의 직류 전원과 70마이크로패럿 정도의 콘덴서가 있다.

미리 콘덴서를 충전시켜 놓고 스위치 S2를 닫은 다음 크세논램프를 작용시킨다. 루비 막대는 크세논램프로 자극되어 그 끝면에서 가는 빔상의 레이저광을 방사(放射)한다. 그 파장은 6,943Å이며 색깔은 붉다.실제로는 〔그림〕－41의 a와 같이 막대 모양의 결정 양끝을 완전히 평행하는 평면이 되도록 연마하여 한 쪽의 A단(端)에 빛에 대한 반사막을 증착(蒸著)시킨다. B단에는 부분적인 반사막(반투명막)과 빛에 대한 셔터가 붙여진다.

이 셔터로는 어느 강도의 전계를 가하면 빛에 대해 투명하게 되는 현상, 즉 켈 효과를 이용한 것이 쓰여진다. 이러한 셔터를 닫은 채 결정을 자극하면 입자가 여기(勵起)되어 빛이 방출된다(〔그림〕－41－b).

이 빛은 양단의 반사막에 반사를 되풀이하면서 코히어런트한 빛이 되어 셔터가 열릴 때 외부에 방사된다(〔그림〕－41－c). 이것을 자이언트펄스라 하는데 단일의 강한 펄스가 얻어진다.

레이저의 응용

laser－應用

레이저는 그 성질의 특이성으로 말미암아 많은 응용이 기대되고 있으며, 연구가 계속되고 있다.

통신에의 응용

通信－應用

통신 회선수를 증가시키려는 목적으로 마이크로파의 기술이 개발되고 다중전화 회선이 완성되었다. 그러나 이른바 전파란 개념의 마이크로파는 진공관의 기능적인 한계 때문에 브레이크가 걸려 그 주파수에는 스스로 한계가 있었다.

레이저의 등장으로 우선 마이크로파 이상의 다중통신회선을 만드는 것이 생각된다. 마이크로파와 비교하면 주파수로 104-105배나 높으므로 회선수도 103-104배쯤 많이 잡을 수 있다.

또 우주통신과 같은 지극히 원거리통신에 대한 응용도 생각할 수 있게 된다. 전파가 나팔모양으로 넓혀져 전파되어가는 데 대해 레이저광은 빔의 굵기가 훨씬 작고 넓이도 작다. 따라서 원거리에도 상당한 에너지를 보낼 수가 있어 통신이 가능한 것이다. 그러나 지표(地表)에서 이용할 경우에는 대기(大氣)의 흡수나 굴절이 문제가 된다.

따라서 이 경우는 잡음 따위의 영향을 받지 않도록 금속의 관이나 옵티컬파이버라 불리는 글라스의 가는 섬유로 된 광선선로를 써서 통신하는 일이 고려되고 있다. 선로가 필요하다는 점은 종래의 유선통신과 다를 바 없지만 회전수는 비교가 안될 만큼 크게 잡을 수 있다.

레이더에의 응용

radar－應用

레이저의 가는 빛의 빔을 써서 레이더가 개발되었다. 이로 인하여 근거리에 있는 목표물의 거리를 지극히 높은 정도(精到)로 측정할 수 있다. 또 인공위성의 추미(追尾)를 정밀하게 할 수도 있다.

기타 응용

其他應用

에너지가 집중할 수 있다는 성질을 살려서 미소한 점용접(點榕接), 구멍을 뚫는 작업 등의 가공(加工)에 응용이 고려되고 있다. 여기에는 루비레이저가 쓰여지고 있는데, 가공용의 고출력 레이저 재료의 개발이 기대되고 있다.

의학 분야에서는 안과의 영역이 당면적인 대상이다. 근적외선(近赤外線)을 사용하면 동공(瞳孔)이 열린 채로 안저(眼低)의 처치를 할 수 있다. 망막박리(網膊剝離)의 유착(癒著), 안저의 암(癌) 수술 등 앞으로의 발전이 주목된다. 또 측량·계측(計測)에의 응용도 개척되고 있다.

거리의 측정에 쓰게 되면 5×10－9 정도의 정밀도를 발휘할 수 있어서 이론적으로는 100㎞까지의 거리를 측정할 수 있는 셈이 된다. 또 이와 같은 정밀도를 이용하여 지진계로서 사용하는 것도 연구되고 있다. 이 밖에도 여러 방면의 용도가 연구되고 있다.

비디오 파일링 시스템

video filing system

신문사에는 마이크로필름에 촬영한 신문지면을 많이 보관하여 두고, 전화가 걸려오면 컴퓨터가 자동적으로 지면을 골라내어 텔레비전 카메라로 촬영하고 그 영상(映像)을 통신회선으로 내보낸다. 또 가정이나 사무실에 있는 독자(讀者)는 16형의 텔레비전 수상기와 푸시버턴식 전화를 놓는다.

독자가 신문을 읽고자 할 때는 신문사의 번호를 다이얼하고, 읽고자 하는 지면의 번호 버튼을 누른다. 그러면 즉각적으로 수상기(受像機)에 영상이 나온다. 이 경우 제1면에서부터 차례로 읽을 수도 있고 필요하다면 과거 10년간의 신문 중에서 자기에게 필요한 테마의 기사만을 읽을 수도 있으며 또 복사도 할 수가 있다. 보통 텔레비전 방송으로 신문지면을 비추려면 지면의 극히 일부분을 크게 확대하여 송신하지 않으면 글자를 읽을 수 없다.

그러나 이 시스템에서는 1페이지의 3분의 1 정도를 한번에 비춰도 읽을 수 있다. 이렇게 하기 위해 보통 텔레비전의 약 3배의 주사선(朱査線) 1,425개를 쓴다.

이렇게 하기 위해서는 통신회선도 보통 텔레비전 5채널분을 한번에 전달하는 것이 필요하기 때문에 CATV(유선 텔레비전)망을 쓴다. 이 시스템에서는 마이크로필름에 넣은 것이라면 신문뿐이 아니라 공장의 설계도, 증권정보, 병원의 카르테 등 어떠한 것이라도 전송할 수 있다. 이러한 정보를 요구에 의해서 전송할 때는 종래에는 정보를 컴퓨터의 자기기억장치(磁氣記憶裝置)에 넣었고 이 때문에 방대한 기억장치가 필요하였으며 값도 고가였다. 이에 대해 마이크로필름의 경우는 기억(記憶)을 위한 경비가 훨씬 낮다.