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[김정호의 4차혁명 오딧세이] 삼각함수에서 발견하는 혁신성장 방안

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알고보면 유용한 삼각함수 곱셈 공식

고등학교 수학II 과목에서 배우는 개념이 삼각함수이다. 사실 삼각함수 단원에서, 왜 배워야 하는지, 어디에 쓰이는지 잘 배우지 못하고, 설명도 없이 공식을 외우고 문제를 풀었다.

 김정호 카이스트 교수

삼각함수의 가치는 우리 자연계의 현상 대부분이 주기성을 갖고 있다는 사실에 있다. 그 주기성을 갖는 자연현상을 설명하는 데 삼각함수가 아주 유용하게 쓰인다. 태양을 중심으로 공전하는 지구, 지구의 자전을 비롯한 우주의 현상뿐만 아니라 우리 몸 속의 심장의 박동도 주기성을 갖고 있다.

4차 산업혁명으로 들어오면 반도체 내의 회로, 컴퓨터도 주기를 갖는 시계(clock)에 맞추어 서로 약속된 동작을 한다. 5G 통신에서도 3.4~6GHz, 혹은 28GHz 전자파를 사용하게 되는데, 이 전자파도 주기성을 갖는 삼각함수 (sine wave)이면서 공간으로 빛의 속도로 전파한다. 이때 1초에 시간에 따라 신호가 진동하는 횟수를 주파수(f, frequency)라고 한다.

수학II 과목에서 삼각함수의 특징을 이해하고 해석하기 위해서 여러 종류의 수식을 배우고 실습한다. 그런데 수식이 복잡해서 단순히 외워서 사용했다. 그 중에서 가장 복잡한 수식이 삼각함수 곱하기 공식이다. 두 개의 삼각함수가 곱해지면 그 결과가 어떻게 되는가 하는 결과를 보여 주는 수식이다.

공식에 의하면 예를 들어 주파수 f1 인 삼각함수와 주파수 f2 인 삼각함수가 곱해지면 새로운 삼각함수가 만들어 진다. 그런데 그 새 삼각함수의 주파수가 f1+f2, f1-f2 로 생성된다. 이처럼 새로운 삼각함수의 주파수는 기존의 두 개의 주파수 합과 주파수 차로 이루어진 새로운 2 개의 서로 다른 주파수를 가진 삼각함수가 만들어 진다.

따라서 자연계에서 두 개의 각각 다른 주기를 가진 현상이 만나서 곱하기 동작을 하면 새로운 주파수가 만들어지는 현상을 이처럼 설명할 수 있다. 일종의 주파수 더하기, 빼기 혹은 변환기가 되는 셈이다. 5G 통신을 위한 송수신 회로에는 이러한 주파수 곱하기 기능을 담당하는 소자를 신호 혼합기(Mixer)라고 부른다. 주로 반도체 트랜지스터의 비선형성 성질을 이용해서 수학적으로는 곱하기, 기능적으로는 신호 혼합기가 이런 역할을 만든다. 반도체 트랜지스터의 불량한 비선형 성격을 이용해서 곱하기를 한다.

그러니 고등학교 때 배운 삼각함수 곱하기 공식의 원리는 5G 통신 시스템에 핵심적으로 사용하는 원리로 사용된다. 그걸 고등학교 때 미리 알기는 어렵겠다.

삼각함수 곱셈 공식, [출처: 네이버 블로그 삼각함수 공식 총정리]


5G 송수신기에 필요한 신호 혼합기

5G 통신에서 고주파 전자파를 사용하려는 이유는 제일 먼저 무선통신으로 보내는 데이터 용량을 높이기 위해서이다. 그런데 고주파를 사용하면 신호 감쇄가 크고, 전파의 직진성이 크다. 그대신 전자파 파장의 크기가 작아 안테나 크기를 줄일 수 있다. 한편 5G 무선 통신 시스템에는 이와 같은 안테나뿐만 아니라, 증폭기(LNA, Low Noise Amplifier), 신호 혼합기(Mixer), 저대역 필터(잡음 제거기), ADC(아날로그 디지털 변환기) 등이 포함된다. 이 소자들 역시 고주파 대역의 특징을 잘 살려 설계해야 한다.

그런데 여기에서 고주파 전자파에 디지털 데이터 신호를 싣는 장치가 바로 신호 혼합기(Mixer)이다. 여기에서 전자파와 디지털 데이터가 수학적으로 곱해진다. 그러면 이 혼합기에서 전자파 주파수 fr 과 디지털 데이터 주파수 fd 가 섞이게 된다. 그래서 새로운 주파수 fr+fd, fr-fd 가 새로 생성된다. 디지털 데이터 신호를 그대로 공간으로 전파할 수 없다. 공간으로의 전파는 고주파 전자파를 이용해야 한다.

그래서 이 신호 혼합기에서 두 신호를 섞어야 한다. 이처럼 고등학교 수학 교과서에 배운 삼각함수 곱셈 공식의 원리가 5G 통시 시스템에서 고주파 전자파 주파수와 디지털 데이터 전자파 주파수를 섞는 원리가 된다.

신호 혼합기(Mixer)가 포함된 RF 수신기 구조, [출처: 아날로그 디바이시스(Analog Devices)]
 
RF 신호 혼합기(Mixer)가 포함된 모듈 사진. [출처: 디지키(Digikey)]


다양한 분야의 융합 통해 혁신해야 

5G 통신 시스템에서는 신호 혼합기에서 보는 사례처럼, 실제 서로 다른 신호, 서로 다른 주파수, 서로 다른 영역의 기술이 융합되는 경우가 많이 있다. 그 융합은 디지털 신호와 아날로그 신호, 디지털 신호와 고주파 신호, 전력 전송과 신호 전달 등 서로 다른 분야가 합쳐져서 구현되고 있다. 4차 산업혁명 시대의 새로운 기술은 다양한 영역의 기술 융합으로부터 나올 수 밖에 없다.

새로운 산업과 일자리 창출도 마찬가지이다. 한 분야만의 혁신은 거의 종말에 가까이 왔다. 이제는 융합을 통한 성장의 시대이다.

4차 산업혁명 시대에는 이러한 융합의 중심이 인공지능과 빅데이터가 될 것으로 예측한다. 특히 인공지능과 빅데이터 기술이 의료, 금융, 보험, 행정, 교육, 서비스, 교통, 환경, 생산, 에너지, 자원, 우주 등 다양한 전 분야와 결합해서 효율을 높이고 생산성을 향상 시킬 것으로 본다. 긍정적으로 본다면 인간에게 노동, 자원, 시간의 자유를 선물할 수도 있다. 이것이 혁신 성장을 의미한다. 그 혁신성장을 인공지능과 빅데이터 중심의 융합으로 만들 수 있다.

 

 

joungho@kaist.ac.kr  

   

[김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수]   

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美 국채금리 장중 급등 뒤 하락 [서울=뉴스핌] 고인원 기자= 미국 국채 수익률은 18일(현지시간) 장 초반 상승세를 보인 뒤 하락 전환했고 미 달러화는 주요 통화 대비 좁은 범위에서 움직였다. 미국과 이란의 갈등과 호르무즈 해협을 둘러싼 불확실성이 인플레이션 우려를 자극했지만 최근 미국의 고용과 물가 지표가 예상보다 약하게 나오면서 미 연방준비제도(Fed·연준)의 추가 금리 인상 기대가 낮아진 영향이다. 벤치마크인 미국 10년물 국채 수익률은 1.6bp(1bp=0.01%포인트) 하락한 4.708%를 기록했다. 30년물 국채 수익률은 장중 2007년 이후 최고 수준까지 올랐다가 상승분을 반납해 2.6bp 내린 5.284%를 나타냈다. 연준의 통화정책 전망에 민감한 2년물 국채 수익률은 0.5bp 하락한 4.177%를 기록했다. 국채 가격과 수익률은 반대로 움직인다. 미 국채 시장은 앞서 2거래일 연속 약세를 보였다. 미국뿐 아니라 주요국의 장기 국채 수익률이 수십 년 만의 최고 수준에 근접하는 등 글로벌 채권시장에서 매도세가 이어졌지만 이날 미 국채 수익률은 장중 방향을 틀었다. 미 국채 10년물 차트, 자료=야후 파이낸스, 2026.08.19 koinwon@newspim.com ◆고용·물가 이어 산업생산도 둔화…9월 금리 동결 기대↑ 여름철 거래가 한산한 데다 이번 주 시장의 방향을 결정할 만한 주요 경제지표가 많지 않은 가운데 투자자들은 미국과 이란의 갈등과 향후 연준의 통화정책 경로에 주목했다. 재니의 가이 르바스 수석 채권 전략가는 "경제지표는 많지 않고 시장의 무기력감은 큰 상황이어서 이 두 가지가 겹치면 가벼운 바람에도 시장이 움직일 수 있다"고 말했다. 이날 발표된 미국 경제지표도 금리 상승세를 제한했다. 연준에 따르면 7월 산업생산은 전월 대비 0.2% 증가해 증가율이 전월보다 0.1%포인트 둔화했다. 소비재 생산 감소 등의 영향으로 시장 예상에도 미치지 못했다. 최근 미국 경제지표는 전반적으로 경기 둔화를 가리키고 있다. 7월 예상 밖의 고용 감소에 이어 소비자물가지수(CPI) 등 물가 지표도 비교적 온건하게 나오면서 시장에서는 연준의 추가 금리 인상 기대가 낮아졌다. 시장에서는 현재 연준이 9월 기준금리를 0.25%포인트 인상하기보다 동결할 가능성을 약 70%로 보고 있다. ◆ 달러인덱스 99.63…연준 비둘기파 기대에 상승폭 제한 미 국채 수익률 하락에도 달러화는 뚜렷한 방향을 잡지 못했다. 주요 6개 통화 대비 달러화 가치를 나타내는 달러인덱스는 0.09% 상승한 99.63을 기록했다. 유로화는 전날 기록한 2개월 만의 최고치인 1.161달러에서 소폭 내려와 0.03% 상승한 1.15760달러에 거래됐다. 영국 파운드화는 0.04% 하락한 1.35356달러를 기록했고 달러화는 스위스프랑 대비 0.17% 상승한 0.81230프랑을 나타냈다. 머니코프 북미의 유진 엡스타인 구조화상품 책임자는 최근 달러화 움직임이 연준의 예상보다 비둘기파적인 태도와 이에 대한 시장의 해석을 반영하고 있다고 분석했다. 그는 "최근 CPI가 인플레이션 압력을 시사하지 않았고 고용지표 역시 마찬가지였다"며 "갑자기 달러가 약해졌고 이러한 흐름이 대부분의 통화쌍에 반영되고 있다"고 말했다. 스코샤뱅크도 온건한 인플레이션과 미국 노동시장의 약화 조짐을 고려하면 현시점에서 9월 금리 인상 가능성이 매우 낮다고 평가했다. 이어 단기적인 달러화 상승은 여전히 매도 기회로 판단한다고 밝혔다. 다만 미국과 이란의 갈등과 국제유가 상승은 연준의 통화정책 전망을 복잡하게 만드는 변수다. 도널드 트럼프 미국 대통령은 이날 이란과 현재 진행 중인 협상이 없으며 예정된 협상도 없다고 밝혔다. 트럼프 대통령은 호르무즈 해협이 열려 있다고 주장했지만 이란은 해당 해협이 여전히 선박 운항에 폐쇄돼 있다고 밝히고 있다. 이란 고위 당국자는 전쟁을 영구적으로 끝내기 위한 협상이 교착 상태에 빠지면서 군사 태세를 '전면적인 공세'로 전환할 것이라고 밝혔다. 미국 역시 지난 6월 체결한 휴전 합의를 연장하지 않겠다는 입장이다. 호르무즈 해협의 장기 폐쇄가 에너지 공급에 미칠 우려가 이어지면서 브렌트유 선물은 이날 0.17% 오른 배럴당 91.02달러에 거래를 마쳤다. 이는 지난 7월 24일 이후 가장 높은 수준이다. ◆ 19일 FOMC 의사록·20년물 입찰 주목…금리 향방 가른다 유가 상승에 따른 인플레이션 재확산 우려는 미국뿐 아니라 세계 채권시장에도 부담을 주고 있다. 미국 30년물 국채 수익률은 이날 장중 2007년 이후 최고 수준을 기록했고 주요국 장기 국채 수익률도 동반 상승했다. 시타델증권의 노샤드 샤 유럽·중동·아프리카(EMEA) 채권 영업 책임자는 "인플레이션은 지난 5년 대부분의 기간 동안 목표치를 웃돌았다"며 공급 충격이 계속되는 상황에서는 물가가 다시 상승할 위험에 대응할 여유가 크지 않다고 지적했다. 외환시장에서는 엔화의 움직임도 주목받았다. 엔화는 달러 대비 0.08% 하락한 달러당 159.605엔을 기록했다. 7월 말 미국과 일본이 엔화 강세를 유도하기 위해 공동으로 시장에 개입한 이후 나타났던 상승폭의 거의 절반을 반납했다. 당시 엔화는 40년 만의 최저 수준인 달러당 163.99엔까지 하락했다. 시장에서는 추가 외환시장 개입 가능성과 다음 달 일본은행(BOJ)의 금융정책결정회의를 주시하고 있다. 시장은 일본은행이 다음 달 기준금리를 인상할 것으로 예상하고 있다. 달러/원 환율은 19일 오전 6시 50분 기준 전장 대비 5.29% 하락한 1413.00원에 거래되고 있다.    시장의 시선은 19일 공개되는 7월 연방공개시장위원회(FOMC) 의사록으로 향하고 있다. 투자자들은 최근 고용과 물가 둔화에도 국제유가와 장기금리가 높은 수준을 유지하는 상황에서 연준 위원들이 향후 금리 경로를 어떻게 판단하고 있는지 확인할 전망이다. 미국 재무부가 같은 날 실시하는 20년물 국채 입찰 결과도 장기금리 흐름을 좌우할 변수로 꼽힌다. koinwon@newspim.com 2026-08-19 06:56
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코스피 급락에 매도사이드카 발동 [서울=뉴스핌] 이건주 기자 = 19일 코스피 지수가 전 거래일보다 341.06포인트(4.96%) 내린 6528.77에 개장했다. 코스닥 지수는 전 거래일보다 24.12포인트(2.89%) 내린 810.08에 거래를 시작했다. 서울 외환시장에서 달러/원 환율은 9시 기준 1413.5원을 기록했다. 이날 오전 서울 중구 하나은행 딜링룸에서 딜러들이 업무를 보고 있다. 2026.08.19 kunjoo@newspim.com   2026-08-19 09:26
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긍정 영향 종목

  • Lockheed Martin Corp. Industrials
    우크라이나 안보 지원 강화 기대감으로 방산 수요 증가 직접적. 미·러 긴장 완화 불확실성 속에서도 방위산업 매출 안정성 강화 예상됨.

부정 영향 종목

  • Caterpillar Inc. Industrials
    우크라이나 전쟁 장기화 시 건설 및 중장비 수요 불확실성 직접적. 글로벌 인프라 투자 지연으로 매출 성장 둔화 가능성 있음.
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