[재미있는 전기 이야기] 광 해저 케이블 개발의 역사Ⅰ

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[재미있는 전기 이야기] 광 해저 케이블 개발의 역사Ⅰ_ 역사를 통해 배우는 기술의 진보

2011년 4월 25일 (월) 15:39:23 | 지면 발행 ( 2011년 3월호 - 전체 보기 )

전신 해저 케이블은 영국에서 시작해 유럽과 미국으로 번졌으며 전 세계 해역에 시설됐다. 영국은 세계로 확대된 식민지를 해저 케이블망으로 관리했다. 당시 일본은 자본력도 기술력도 없어 세계에서 상당히 뒤쳐져 있었다. 1889년 일본 전기학회지에서 공학박사 아오키 다이자부로는 "현재 일본의 대외 통신은 나가사키에서 시베리아를 경유하는 경로와 인도양을 경유하는 두 개의 경로밖에 없어 불충분한 상태다. 태평양 횡단 해저 케이블은 향후 동서 번영의 원천이므로 새로운 케이블을 시설해야 한다"라고 태평양 횡단 해저 케이블의 필요성에 대해 말했다.

지금으로부터 160년 전인 1850년, 세계 최초의 해저 케이블이 영국과 프랑스를 연결하는 도버해협을 횡단했다. 이것은 오늘날 식으로 말하면 1분 동안 1단어의 저속 디지털 신호를 보내는 전신電信해저 케이블이었다. 그러나 외장 철선이 없던 이 해저 케이블은 시설 후 얼마 지나지 않아 어선닻에 절단되고 말았다. 실용화에 성공한 것은 해저 케이블의 구조를 개량하고 외장 철선으로 보호한 후 재도전에 나선 1851년이었다. 이처럼 해저 케이블의 역사는 시행착오와 실패의 역사이기도 하다. <그림 1>은 당시의 해저 케이블 시설 공사 상황을 나타낸 것이다.
여기서는 160년이라는 해저 케이블 역사에서 오랜 세월에 걸쳐 계승되어 온 귀중한 기술을 돌아본다.

대서양 횡단 전신 해저 케이블
전신 해저 케이블 1800년 볼트가 영국학사원 회보에 전지 발명을 발표했다. 전지의 발명은 순식간에 전기와 관련된 광대한 분야로 확대됐다. 산소와 수소로 분해되는 물의 전기분해, 전기의 아크 현상, 전선 주위에 생기는 자계, 무선통신의 발명 등 이때를 경계로 전기의 세계는 급속히 넓어졌다.
모스는 1837년 전신기를 발명했으며, 1844년에는 워싱턴과 볼티모어 사이에 실용 전신선을 시설했다. 전신 해저 케이블은 신호를 보내는 구리선을 해수에서 어떻게 절연할 것인가가 큰 문제였다.
1843년, 해저 케이블의 절연체로 말레이 반도 수목에서 채취한 천연고무의 구타페르카Guttapercha가 적합하다는 사실을 발견했다. 상온에서 딱딱한 구타페르카는 온도가 올라가면 부드러워졌다가 온도가 내려가면 다시 딱딱해지는 동시에 절연성도 좋아져 해저 케이블 절연체로 적합한 재료였다. 당시 영국은 구타페르카를 골프공에 사용했으며, 구타페르카 없이는 골프의 발전을 논할 수 없다고 할 정도였다. 이 천연고무는 현재도 치과 치료에 활용하고 있다.

<그림 2>의 전신 해저 케이블은 구리선 7줄을 꼬아 한 가닥으로 만든 도체를 3겹의 구타페르카로 절연하고, 그 위에 철선 7줄을 꼬아 한 가닥으로 만든 선18줄을 꼬아 외장으로 한 것으로, 최초의 대서양 횡단에 시설됐다. 그러나 이 기념해야 할 최초의 전신 해저 케이블도 금방 절단되고 말았다.

대서양 횡단의 연이은 실패 그 후에도 대서양 횡단의 전신 해저 케이블 시설은 계속 시도됐다. 13년 동안 5번의 케이블을 시설한 끝에 마침내 횡단에 성공했다. 몇 번이나 실패를 반복했음에도 굴하지 않고 어려움을 극복하는 불굴의 정신력과 도전 정신으로 성공한 것이다. 초기 실패 사례로 케이블이 기계적으로 약해 케이블 시설이나 회수 중에 파단破斷됐다. 케이블을 보관하던 중에는 태양열로 인한 온도 상승이 구타페르카의 변질을 초래해 절연 불량이 됐다. 과도한 전압으로 구타페르카가 절연 열화를 일으켜 케이블 시설 후 얼마 지나지 않아 통신 불능이 된 경우도 있었다. 이러한 장해를 겪을 때마다 케이블 설계를 재검토해 개량이 이루어졌다. 아울러 케이블 시험 방법과 보관 방법, 케이블 시설 방법 등 관련 기술도 개량됐다.
전신 해저 케이블에 사용되는 구리선, 철선, 구타페르카와 함께 케이블 형상, 치수, 구조를 철저하게 재점검하고 시제품 실험을 반복했다. 그 결과 1865년 해저 케이블에서는 <그림 3>과 같이 항장력抗張力이 강화됐으며, <그림 4>와 같이 절연체를 개량한 새로운 구조가 채용됐다. 신호선信號線에 사용한 구리선은 당시로서는 상당한 고품질인 도전율 85%의 것을 사용했다. 참고로 현재 해저 케이블에 사용하는 구리의 도전율은 99.99%다. 그리고 보다 완전한 절연체가 되도록 구타페르카를 4겹으로 했으며, 그 위에 철선 10줄로 케이블을 보호했다.

대서양 횡단의 케이블 시설 중 겪은 케이블 파단 장해 경험으로 케이블 항장력을 그때까지의 3t에서 7t로 강화했다. ' 항장력7t 이상'이라는 귀중한 경험은 동축 해저 케이블 설계에 반영되고 나아가서는 광 해저 케이블 개발로도 이어졌다.
<그림 5>에서 보듯이 1866년의 포스터에는 대서양 횡단 케이블의 경로, 전신 해저 케이블의 구조와 함께 케이블을 시설한 배Great Eastern호의 단면도가 나와 있다. 케이블 설치선에는 거대한 케이블 탱크 3개가 그려져 있다. 그리고 해저 케이블의 시설기구로 드럼형 케이블 엔진을 사용했다.

이들 케이블 설치선의 구조와 케이블 시설을 위한 케이블 엔진 기술은 케이블 설계와 같이 쉴 틈 없이 개량해 동축 해저 케이블, 광 해저 케이블로 계승됐다.
<그림 6>은 홍콩 Deepwater Bay에서 이루어진 최초의 전신 해저 케이블 양륙揚陸풍경이다. 앞바다에 정박한 케이블 설치선으로부터 끌어낸 해저 케이블을 해안에서 당겨 양륙하는 공사는 현재 광해저 케이블에서도 기본적으로는 변함이 없다.

일본의 전신 해저 케이블 세계 최초의 전신 해저 케이블이 도버해협을 횡단하고 3년 뒤인 1854년, 페리의 미국 함대가 요코하마에 다시 와 막부에 전신기를 기증했다. 당시 일본에는 전신에 대한 지식이 전혀 없어 순식간에 정보가 전해지는 전신을 보고 감탄한 사람들은 이를 선교사들의 마법이라고 믿었다.
1871년 나가사키와 상해 사이에 일본 최초의 전신 해저 케이블이 시설됐다. <그림 7>은 당시 나가사키의 해저 케이블 양륙국揚陸局이다. 같은 해 나가사키와 블라디보스토크 사이에도 전신 해저 케이블을 개통했다. 이 해저 케이블들은 덴마크의 대북전신회사(GNTC)가 막부로부터 해저 케이블 양륙 허가를 얻어 시설한 것이었다. 이로써 일본은 나가사키에서 전 세계로 전보를 치게 됐다. 그러나 기술은 모두 외국에 의존한 것으로, 이 상태는 제2차 세계대전 후까지 계속됐다. <그림 8>은 당시 일본의 전신 해저 케이블 경로를 나타낸 것이다.
전신 해저 케이블은 영국에서 시작해 유럽과 미국으로 번졌으며 전 세계 해역에 시설됐다. 영국은 세계로 확대된 식민지를 해저 케이블망으로 관리했다. 당시 일본은 자본력도 기술력도 없어 세계에서 상당히 뒤쳐져 있었다. 1889년 일본 전기학회지(이 때의 전기학회지는 거의 통신 관련 기사였다)에서 공학박사 아오키 다이자부로靑木大三郎는 "현재 일본의 대외 통신은 나가사키에서 시베리아를 경유하는 경로와 인도양을 경유하는 두 개의 경로밖에 없다. 태평양 횡단 해저 케이블은 향후 동서 번영의 원천이므로 새로운 케이블을 시설해야 한다"라고 태평양 횡단 해저 케이블의 필요성에 대해 말했다.

전화용 동축 해저 케이블
1876년 그레이엄 벨이 전화기를 발명하고, 1933년 케이블 절연 재료로서의 폴리에틸렌이 개발됨에 따라 새로운 전화용 동축 해저 케이블이 개발됐다.
미국의 벨연구소는 100년 이상의 역사를 가진 전신 해저 케이블 기술과 함께 동축 케이블, 진공관 증폭기에 의해 전화 24회선의 장거리 해저 케이블 시스템(SB 방식)을 개발하고, 1956년에 이 SB 방식으로 제1 대서양 횡단 해저 케이블(TAT-1)을 시설했다. TAT-1은 좋은 품질의 안정된 신호를 제공하며 동축 해저 케이블 시대의 개막을 알렸다.
SB 방식은 해저 케이블 2조條를 이용해 오르내리는 신호를 전송한다. 그러나 2조 방식은 1조 방식에 비해 케이블 비용, 시설 비용에 2배가 들어가므로 케이블 1조를 이용한 보다 경제적인 SD 방식이 개발됐다. 또한 동축 해저 케이블에서는 항장력선을 케이블 중심에 배치해 케이블이 회전하지 않도록 한 완전히 새로운 발상의 무외장 해저 케이블도 새롭게 개발됐다.

SD 동축 해저 케이블 한편, 일본에서의 통신 기술 연구는 제2차 세계대전으로 정지 상태가 됐다. 전쟁 후 국제 통신은 단파 통신을 이용했으나 통신 시간이 한정돼 잡음, 페이딩Fading, 혼신混信등 품질이 좋지 않은 통신 방식이었다. 도쿄 올림픽이 열린 1964년이 돼서야 일본과 미국을 연결하는 최초의 태평양 횡단 해저 케이블(TPC-1)이 개통됐다.
TPC-1은 벨연구소가 개발한 최신 SD 동축 해저 케이블을 채용했다. SD 해저 케이블 방식은 지름이 2.5㎝인 동축 해저 케이블과 특별히 개발한 설계 수명 20년 이상의 진공관을 이용한 해저 중계기에 의해 전화 138회선을 장거리 전송하는 것으로, 당시로서는 획기적인 기술이었다. SD 동축 해저 케이블은 <그림 9>와 같다.
TPC-1의 개통으로 미국-일본 간 전화 회선 품질은 극적으로 개선됐으며, 이 TPC-1의 시설은 그 후 일본 경제 발전에 큰 공헌을 했다. TPC-1은 개통 후 금방 회선이 가득 차 1975년 전화 845회선의 TPC-2가 건설됐다. 이 시스템(SF 방식)도 벨연구소가 개발한 것으로, 해저 중계기에 게르마늄 트랜지스터를 사용한 최신 기술에 의한 것이었다.

동축 해저 케이블 방식의 국산화 1970년대 세계적으로 통신 수요가 증대함에 따라 영국, 미국, 프랑스와 함께 일본도 동축 해저 케이블 기술의 국산화 개발을 적극적으로 추진했다. 그 결과 1976년에 일본과 중국 간 전화 480회선의 첫 국산화 동축 해저 케이블 CS-5M 방식이 시설됐다. 그 후1200회선의 CS-12 방식, 2700회선의 CS-36M 방식이 개발돼 한국, 대만, 홍콩 등 인접국가와의 통신용으로 시설됐다. 이로써 제조한 동축 해저 케이블의 총 길이는 약 2만㎞였다.

국산화를 추진한 동축 해저 케이블 방식은 모두 해저 케이블 자체는 벨연구소가 개발한 SD, SF 케이블을 사용했으나, 해저 중계기, 단국端局등은 독자 기술로 개발했다.

동축 해저 케이블의 기술 한계 1975년에 개통한 TPC-2에 이은 TPC-3의 설계 용량은 몇 천 회선이 될까? 어떤 기술을 채용할까? 등과 같은 의문에 답하기 위해 차세대 대용량 해저 케이블 방식에 대한 검토가 이루어졌다. 대상이 된 기술은 대구경 동축 해저 케이블, 도파관 해저 케이블, 동축 디지털 해저 케이블 등 당시 생각할 수 있는 모든 전송 기술이었다.
그러나 도파관 방식은 해저의 높은 수압으로 도파관이 부서질 가능성이 있다는 점, 디지털 방식은 오르내리는 케이블 2조가 필요해 경제적이지 않다는 점 그리고 대구경 동축 해저 케이블은 케이블 지름이 수 ㎝로 커져 케이블 설치선에 싣는 것이 어렵다는 점 등의 문제 해결책을 찾지 못해 기술적 한계에 이른 것으로 판단했다.

광 해저 케이블
1970년에 미국의 코닝Corning사가 세계 최초로 20dB/㎞(0.63um)의 저손실 광섬유 개발에 성공했다. 이를 계기로 전 세계 대학과 연구소가 앞 다투어 광섬유 통신 연구에 몰두했다. 광섬유는 대단히 넓은 대역이라는 점, 가늘고 재료도 저렴한 점 등 차세대 해저 케이블로 상당히 매력적이어서 1975년경 일본, 미국, 유럽에서 해저 케이블을 다루는 연구기관들이 일제히 광 해저 케이블에 대해 연구했다.
광 해저 케이블 개발은 오랜 세월에 걸쳐 실적이 있었던 전신 해저 케이블, 동축 해저 케이블 기술이 그 기초가 됐다.

3분할 내수압 파이프 광섬유는 지름이 약 1㎜의 극히 가는 석영 유리제라서 기계적으로 약하고 수분이 묻으면 깨지기 쉬워진다. 광섬유를 해저 케이블에 도입하는 일은 해수와 높은 수압으로부터 광섬유를 어떻게 보호할 것인지가 주된 과제였다. 그래서 광섬유를 가는 금속 파이프로 보호하는 것을 생각했다. 여기에는 높은 수압을 견디는 박육薄肉의 가는 파이프를 어떻게 제조할 것인가가 문제였으며, 이를 위해 <표 1>과 같이 생각할 수 있는 모든 금속 파이프의 구조와 장척長尺제조성이 검토됐다.
금속 파이프 중심에 광섬유를 수용하면서 수십㎞나 긴 케이블을 제조하는 데는 단면이 선형扇形인 이 형선異形線3개를 결합한 '3분할 파이프'를 최적으로 판단하고 구리, 알루미늄, 철 등을 재료로 케이블 시제품을 만들어 시험과 평가를 반복했다. 해저 케이블 개발은 장척화의 싸움이었다. 10m, 100m, 1㎞, 10㎞로 길어질 때마다 새로운 문제가 발생하고, 또 그때마다 설계를 재검토하고 개량이 이루어졌다.

광 해저 케이블, 제조 총 길이 20만㎞를 넘다 광 해저 케이블 설계는 오랜 세월의 경험과 실적이 있는 전신 해저 케이블 그리고 그 기술을 계승한 동축 해저 케이블 기술이 바탕이 됐다. 광 해저 케이블의 파단 장력 10t라고 하는 수치는 100년 이상의 시간을 들여 케이블 설치선에 의한 시설공사에서 겪은 파단 경험을 바탕으로 정해진 것이다. 케이블의 바깥지름 20㎜도 동축 해저 케이블의 시설역학, 경험·실적을 통해 정했다. 광 해저 케이블 구조는 단순해 보이지만, 이 역시 긴 세월에 걸친 귀중한 기술 축적을 기초로 완성된 것이다.

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<그림 10>은 광 해저 케이블이다. 3분할의 철 파이프 중심에 광섬유를 수용하고, 3분할 파이프 바깥쪽에 항장력선이 되는 피아노선을 배치했다. 그 바깥쪽은 동 파이프로 눌러 움직이지 않도록 했다. 이로써 수심 1만m 이상의 심해 수압을 견디고, 10t이상의 장력을 견디는 견고한 해저 케이블을 완성했다. 3분할 파이프 아이디어는 박육의 금속 파이프 중심에 광섬유를 수용하면서 수십㎞나 긴 케이블을 실온에서 연속 제조하는 것도 가능해졌다. 이 광 해저 케이블은 1989년 TPC-3이 건설된 이래 2010년 현재까지 제조된 총 길이가 20만㎞를 넘는다.

정리 전화영 기자