와이파이는 왜 벽은 통과하는데 방 끝에서는 끊기는가: 2.4GHz와 5GHz의 거리 계산

일요일 아침, 부엌 식탁에서 노트북을 열고 영상을 틀었더니 십 초 만에 회전하는 원이 멈췄습니다. 거실 라우터와의 거리는 고작 8미터, 사이에는 두꺼운 외벽이 아니라 석고보드 벽 두 장과 주방 문 하나뿐입니다. 그런데도 신호가 죽었습니다. 벽을 통과하는 전파라면 8미터쯤이야 문제가 아니어야 하겠죠.

통념: 벽은 전파를 막고, 5GHz는 2.4GHz보다 "세다"

흔히 쓰는 설명은 이렇습니다. 와이파이는 전파니까 벽을 통과한다. 다만 벽이 두꺼우면 조금 약해진다. 그리고 공유기에서 5GHz를 고르면 2.4GHz보다 속도가 빠르니 더 좋은 신호다.

이 설명은 두 군데서 어긋납니다. 첫째, 벽이 전파를 "조금" 약하게 만드는 것이 아니라 데시벨(dB, 신호 세기의 비율을 로그로 나타낸 단위) 단위로 세어 보면 장애물마다 꽤 큰 몫을 깎아갑니다. 둘째, 5GHz는 더 "센" 신호가 아닙니다. 같은 출력을 내도 먼 곳에서 훨씬 약하게 도착하는 신호입니다. 문제는 벽이 아니라 거리와 주파수의 곱입니다.

먼저 깎이는 몫: 자유공간 손실부터 계산한다

안테나를 무지향으로 놓았을 때, 송신 전력이 8미터 떨어진 수신 안테나에 닿는 비율은 프리스(Friis) 전송 공식으로 계산합니다. dB로 쓰면 L = 20·log₁₀(d) + 20·log₁₀(f) − 147.55 (d는 미터, f는 Hz)입니다. 장애물이 하나도 없다고 가정하고 우리 공유기가 쓰는 2.4GHz 대역의 대표 채널 2437MHz를 넣으면 8미터에서 약 58.2dB가 줄어듭니다. 즉 송신의 10만 분의 1 이하만 남는다는 뜻입니다.

같은 거리에서 5180MHz(5GHz 대역 대표 채널)를 넣으면 약 64.8dB입니다. 차이는 정확히 6.5dB이고, 이 값은 20·log₁₀(5180/2437)과 같습니다. 주파수가 2.13배 높으면 자유공간 손실만으로 2.13² ≈ 4.5배 더 약해진다는 계산입니다. 벽이 한 장도 없어도 5GHz가 더 멀리 못 가는 이유가 이미 여기 있습니다.

숫자 감각: 6.5dB는 "조금"이 아니다

dB는 곱셈을 덧셈으로 바꾼 단위입니다. 3dB 손실이면 전력이 절반, 6dB면 4분의 1, 10dB면 10분의 1입니다. 앞서 계산한 6.5dB는 대략 4.5분의 1입니다. 스마트폰이 2.4GHz에서 간신히 잡히는 방 끝에서 5GHz를 켜면, 같은 거리에서도 신호가 네 배 이상 약해진 채 도착합니다.

거리 쪽도 같은 식으로 봐야 합니다. 자유공간에서는 거리가 두 배가 되면 손실이 6dB(4분의 1) 늘어납니다. 그런데 가정집 내부처럼 벽과 가구가 많은 환경에서는 실제 경로 손실 지수가 2(자유공간)가 아니라 4~6까지 올라간다고 알려져 있습니다. 지수가 4라면 거리가 두 배가 될 때 12dB, 즉 16분의 1로 떨어집니다. 방 하나를 건너는 것과 두 개를 건너는 것이 같은 일이 아닌 이유입니다.

벽은 왜 "통과시키면서 깎는가"

전파가 물체를 만나면 네 가지가 동시에 일어납니다. 반사(표면에서 튕겨 나감), 흡수(재료 속 전하를 움직여 열로 바뀜), 산란(거친 면에서 사방으로 흩어짐), 그리고 회절(모서리 뒤로 휘어 들어감)입니다. 벽은 전파를 "막는 판"이 아니라, 이 네 가지를 나눠 쓰는 부품 하나라고 생각해야 맞습니다.

석고보드 같은 마른 재료는 물 분자와 무기 성분이 적어 흡수가 크지 않고, 금속이 없어 반사도 적습니다. 그래서 대부분을 그대로 통과시킵니다. 반대로 철근 콘크리트 벽, 거울, 금속 절연 필름이 붙은 단열재, 물이 든 큰 화분은 다릅니다. 전도성이나 유전율(전기가 얼마나 잘 흐르는지를 나타내는 값)이 큰 재료일수록 전기장을 흔들어 에너지를 많이 가져가고, 뒤에 있는 방에는 훨씬 적은 몫만 남깁니다.

같은 원리: 전자레인지 문의 금속 격자

전자레인지는 2.45GHz, 즉 와이파이 2.4GHz와 거의 같은 주파수를 씁니다. 그래서 전자레인지가 돌 때 와이파이가 끊기는 일이 실제로 생깁니다. 문에는 창이 뚫려 있는데, 그 창에 촘촘한 금속 격자가 박혀 있습니다. 금속 면에 전파가 닿으면 표면의 자유전자가 흔들리며 표면을 되돌아오는 전류를 만들고, 그 전류가 만드는 장(場)이 안쪽으로 들어가는 전파를 상쇄합니다. 이것이 패러데이 차폐의 원리입니다.

전자레인지 문 창의 금속 격자 — 격자 구멍이 2.45GHz 파장 12.2cm보다 훨씬 작아 전파를 막지만, 빛(파장 0.4~0.7μm)은 통과한다 — Wrightmt, Public domain (Wikimedia Commons)

격자가 빛은 통과시키고 전자레인지 전파는 막는 이유는 구멍 크기와 파장의 비교입니다. 2.45GHz의 파장은 공기 중에서 약 12.2cm이고, 문 격자의 구멍은 1밀리미터 남짓입니다. 구멍이 파장보다 훨씬 작으면 전파는 그 구멍을 "장애물 있는 금속" 한 덩어리로 보기 때문에 새지 않습니다. 반면 가시광선의 파장은 0.4~0.7마이크로미터라 구멍보다 100분의 1도 작아서 아무 일 없이 지나갑니다.

이 비율은 집에서도 그대로 적용됩니다. 벽에 있는 2~3센티미터 콘센트 구멍이나 환풍구 틈은 2.4GHz 파장(12.2cm)과 비교하면 아직 작아서 큰 누설이 아닙니다. 하지만 5GHz의 파장은 약 6cm(정확히는 5.8cm 근처)이고, 창틀 틈이나 도어 아래 틈이 이와 비슷한 규모면 그 틈이 오히려 통로가 됩니다. 벽을 통과해 오는 몫보다 틈새로 새는 몫이 큰 경우도 있습니다.

가정용 와이파이 기기 내부 — 방열판(검은 판) 아래 본체와 가장자리로 뻗은 평판 안테나가 보인다. 이런 기기는 2.4GHz와 5GHz를 흔히 함께 낸다 — Raimond Spekking, CC BY-SA 4.0 (Wikimedia Commons)

그래서 방이 끊기는 진짜 이유: 세 가지가 겹친다

방 끝에서 끊기는 현상은 보통 한 가지 이유가 아니라 세 가지가 같이 작용합니다. 첫째, 거리와 경로 손실. 앞서 계산한 것처럼 8미터에서도 58dB가 깎인 뒤, 벽 하나에 손실이 더해집니다. 둘째, 재료 손실. 같은 위치라도 철근 콘크리트 벽인지 석고보드인지에 따라 남는 신호가 몇 배 차이 납니다. 셋째, 다중 경로 간섭. 벽과 바닥과 가구에서 반사된 전파 여러 개가 수신기에서 서로 더하거나 빼면서, 위치가 몇 십 센티미터만 달라져도 세기가 출렁입니다.

실내 환경에서는 이 반사파 간섭 때문에 순간 세기가 20dB 안팎까지 흔들릴 수 있다고 알려져 있습니다. 20dB는 100배입니다. "방금은 잘 됐는데 한 발짝 옮기니 끊긴다"는 경험이 흔한 이유입니다. 거리에 따른 감쇠만으로는 설명이 안 되는 부분입니다.

가정용 와이파이 기기 내부 — 방열판(검은 판) 아래 본체와 가장자리로 뻗은 평판 안테나가 보인다. 이런 기기는 2.4GHz와 5GHz를 흔히 함께 낸다 — Raimond Spekking, CC BY-SA 4.0 (Wikimedia Commons)

반대 방향: 5GHz가 유리한 경우

여기까지 읽으면 "5GHz는 불리하다"로 결론 내리기 쉽습니다. 하지만 이 설명이 틀리는 경우가 분명히 있습니다. 첫째, 거리가 짧고 벽이 적은 방에서는 6.5dB 손실이 문제가 되지 않고, 5GHz 대역의 넓은 폭이 더 높은 속도를 줍니다. 둘째, 혼잡한 아파트에서는 2.4GHz 대역이 이웃 공유기와 겹쳐 간섭으로 손실되는 몫이 수십 dB에 달할 수 있어, 벽 손실이 적은 5GHz가 실제 체감 속도에서 이기는 경우가 많습니다.

셋째, 공유기의 안테나 방향과 위치에 따라 결과가 뒤집힙니다. 전파는 안테나 축과 수직인 평면으로 퍼지기 때문에, 안테나를 세운 공유기라면 같은 층보다 위아래 층에서 약해지는 경향이 있습니다. 벽 손실을 비교하기 전에 위치와 방향을 먼저 맞추지 않으면 원인을 잘못 짚게 됩니다.

생활에 적용되는 판단 세 가지

1. 같은 집에서도 대역을 나눠 쓰세요. 라우터 가까운 방의 TV·데스크톱은 5GHz, 벽을 두 장 이상 지나는 침실과 현관은 2.4GHz가 합리적입니다. 대역을 강제로 하나만 쓰지 말고, 기기별로 다르게 두는 것이 계산과 맞습니다.

2. "신호가 약하다"면 먼저 위치와 방향을 확인하세요. 냉장고, 거울, 금속 선반, 물이 든 화분 옆에 공유기를 두면 흡수와 반사가 겹칩니다. 바닥이 아니라 가슴 높이에, 집 중앙에 두는 것만으로도 수 미터 차이가 납니다. 메시(Mesh) 공유기를 사기 전에 이걸 먼저 하면 비용을 아끼는 경우가 많습니다.

3. 벽을 늘릴 때는 재료를 보세요. 방 사이에 얇은 석고보드 벽을 세우는 것과 철근 콘크리트 벽을 세우는 것은 와이파이에 다른 의미입니다. 벽을 새로 세울 일이 있다면 공유기 위치를 같은 계획에 넣으세요.

독자에게 묻습니다

여러분 집에서 와이파이가 가장 안 터지는 자리는 어디인가요? 그 자리와 공유기 사이에 벽이 몇 장, 어떤 재료로 놓여 있는지, 그리고 그곳에서 2.4GHz와 5GHz 중 어느 쪽이 더 잘 잡히는지 한번 확인해 보시겠어요? 계산과 체감이 어긋나는 지점이 있다면 알려 주세요.

참고 자료

• Wikipedia, "Path loss" — 경로 손실 정의, 자유공간 손실 식 L = 20log₁₀(4πd/λ), 실내 경로 손실 지수 4~6, 반사파 간섭 변동: en.wikipedia.org/wiki/Path_loss
• Harald T. Friis, "A Note on a Simple Transmission Formula," Proceedings of the I.R.E., 1946 — 프리스 전송 공식의 원 출처 (Wikipedia "Friis transmission equation" 경유)
• Wikipedia, "Faraday cage" — 금속 격자 차폐, 구멍이 파장보다 작아야 차단된다는 조건: en.wikipedia.org/wiki/Faraday_cage
• Wikipedia, "Microwave oven" — 2.45GHz 조리 주파수, 파장 12.2cm, 도어 금속 격자와 초크 구조: en.wikipedia.org/wiki/Microwave_oven
• Wikipedia, "Electromagnetic absorption by water" — 물의 마이크로파 흡수와 유전 손실 배경: en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_absorption_by_water
• 이미지: Raimond Spekking, "Speed Home WiFi -board with heat sink and antennas-8025" — CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons
• 이미지: Wrightmt, "Microwave oven flashon" — Public domain, Wikimedia Commons