이 각각의 광다이오드 자체는 빛의 세기만 감지하기 때문에 이 센서에 색깔을 인식하는 방법을 추가한다. 그 중 하나의 방법이 각각의 광다이오드에 빛의 3원색인 RGB 각각의 색깔 필터를 장치하여 색깔 정보를 파악하고 기록하게 하는 것이다.
어둠상자와 같은 방 카메라 바디
렌즈를 통해 들어온 빛이 필름이나 CCD, CMOS 같은 이미지 센서에 상을 맺기 위해서는 불필요한 빛을 차단하는 어둠상자가 필요하다. 이 어둠상자가 카메라 몸체인데 흔히 바디(body)라 한다. 하지만 카메라 바디는 단순한 어둠상자가 아니다. 복잡하고 정밀한 기계적 조합과 디지털인 경우 최첨단의 전자 장치로 구성되어 있어 카메라 바디는 다양한 기능을 포함한다. 가장 기본이 되는 셔터는 필름이나 CCD, CMOS가 빛에 노출 되는 시간을 결정한다. 만약, 셔터 속도가 125라면 노출시간이 1/125초라는 의미이며 숫자가 클수록 노출 시간이 짧다. 최근의 디지털 카메라는 인간의 두뇌에 해당하는 화상처리프로세서, 상이나 사진을 직접 볼 수 있는 화면인 LCD, 사진을 저장하는 메모리 카드등과 같이 많은 기능이 추가되어 있어 점점 다양한 기능이 카메라 바디에 통합되는 추세이다. 사진은 이야기를 만들어 내는 매체이다. 카메라로 전달하고 싶은 이야기를 담아서 표현해 보는 것도 소통을 위한 또 하나의 방법이 될 것이다. |
청진기는 몸 속에서 나는 소리로 몸의 이상을 진단하는 의학도구이다. 청진기를 뜻하는 stethoscope는 그리스어로 `가슴(chest)'과 `검사하다(examination)'의 합성어이다. 의사들은 청진기로 심장 박동음(心音), 호흡 소리(肺音), 장의 소리(腸音) 및 혈관음(血管音) 등 인체에서 나는 여러 소리의 특성을 파악해 질병을 진단한다.
청진기의 역사
환자의 몸에서 나는 소리로 질병을 진단하는 청진은 그리스 시대에 히포크라테스가 자기의 귀를 환자의 몸에 대어 체내의 음을 직접 들은 데서 비롯되었다. 청진기는 1816년 라에네크(Rene Laennec)가 처음 만들어 사용했는데 그 모양은 외귀형이었다. 그는 어린이들이 긴 나무막대를 가지고 한쪽에서 다른 쪽으로 신호를 전달하는 타전 놀이에서 힌트를 얻었다. 그는 처음에 종이를 둘둘말아 만든 통을 이용하였는데, 평소 여성환자의 가슴에 귀를 대기 난처했던 그에게 청진기는 매우 편리한 도구였고 나중에 이것을 목제통으로 개량하여 사용하였다. 청진기에 대한 관심이 높아지면서 1851년 레아레드(Arthur Leared)에 의해 두 귀를 통해 듣는 쌍귀형 청진기가 발명되었다. | |
소년을 검진하는 라에네크 (좌), 목제 청진기 도안(우) <출처: wikipeda>
청진기의 구조
일반적인 청진기의 구조는 다이아프램, 벨, 연결관, 바이누랄, 귀꽂이로 이루어져 있다. 다이아프램은 고음을, 벨은 저음을 듣는 데 사용된다. 진료 시 많이 사용되는 것은 다이아프램 부분이다. | |
청진기의 구조
다이아프램 (diaphragm)
평평한 플라스틱 떨림판이 있는 부분으로 이곳을 통해 들을 수 있는 주파수 범위는 100Hz~1kHz의 소리로, 주로 폐음이나 장이 움직이는 소리이다.
벨 (bell)
움푹 패여 종 모양을 하고 있어 벨이라고 불린다. 이곳을 통해 들을 수 있는 주파수 범위는 20Hz~200Hz로, 심장 판막이 여닫는 소리나 혈류가 역류되거나 와류로 인해 발생하는 소리 등 비교적 낮은 소리에 해당한다. 진료 시 숨소리를 멈추라고 요구하는 것은 정확한 심장음을 듣기 위해서이다.
연결관 (tube)
집음판에 잡힌 음원을 귀에 전달하는 통로역할을 한다. 튜브식 청진기는 구조적으로 높은 주파수 대역을 놓치게 될 수 있는데, 이를 피하기 위해 연결관을 짧게 하여 사용하기도 한다.
바이누랄 (binaural)
두 귀에 걸쳐지는 부분으로 연결관을 통해 올라온 소리를 귀꽂이로 전해준다. 보통 강화 알루미늄이나 스틸 혹은 구리제품을 사용해서 만드는데, 전자청진기가 나오면서 저가형으로 만들기 위해 플라스틱으로 제작되기도 한다.
귀꽂이 (ear tip)
귀에 들어가서 마지막으로 소리를 전달하는 부분이기 때문에, 귓구멍에 적당히 잘 맞고 아프지 않아야 오래 착용할 수 있고, 또한 신체에 접촉되는 부분이기 때문에 인체에 무해한 재질을 사용한다.
청진기 및 청진의 원리
청진기를 통한 진단은 다음의 두 과정이 중요하다. 즉, 작은 소리를 어떻게 들을 수 있는가와 들은 소리를 어떻게 판단하는가 하는 부분이다. 첫째, 심장이나 폐 혹은 장에서 나는 작은 소리를 의사가 들을 수 있는 것은 집음 부위를 통해 소리를 모아 의사의 귀에 전달하기 때문이다. 벨의 경우 낮은 주파수의 소리를 듣는 데 사용되고, 다이아프램의 경우 상대적으로 좀 더 큰 소리와 넓은 대역의 소리를 듣는 데 사용된다. 이 차이는 두 집음 부위의 구조에서 발생한다. 벨의 경우 떨림판이 없어 몸에서 발생한 진동소리가 곧바로 공기를 진동시킴으로서 작은 소리를 들을 수 있다. 그런데 다이아프램의 경우 피부의 진동이 일단 플라스틱으로 된 떨림판에 전달되고, 다시 그 판의 떨림이 공기를 진동시켜 전달해야 한다. 그런데 아주 작은 소리는 떨림판 자체에서 흡수되어 더 이상 진동이 전달되지 않기에 다이아프램의 경우 일정 수준 이상의 진동이 필요하다.
인체의 소리가 청진기를 통해 귀로 듣는 과정은 다음과 같다. 소리는 공기라는 매질을 통해 전달되는 파동으로, 파의 진행방향과 매질의 진동방향이 같은 종파 이다. 따라서 청진기 모형은 컵과 고무호스를 이용해도 쉽게 만들 수 있다. | |
인체의 소리가 청진기를 통해 귀에 전달되는 과정
둘째, 청진기를 통해 들려오는 소리의 정상 여부를 판단하는 원리는 의사의 경험에 의존한다. 의사들은 청진음을 어떻게 구분할까? 심장병을 진단하는 방법은 여러 가지가 있는데, 우선 청진기로 심잡음이 있는지를 알아보는 것이 가장 기본이다. 이후 심잡음이 발견되면 방사선 사진 촬영, 심전도 검사, 심에코 검사 등의 정밀 검사를 하게 된다. 그런데 일반청진기를 사용하여 심잡음을 정확하게 구분하기는 그리 쉽지 않다. 최근에는 IT 기술을 이용하여 청진기와 컴퓨터를 무선으로 연동시켜 소리를 그래프로 나타내어 시각적으로 분석을 하기도 한다. 이렇게 된다면 청진기의 이름도 바뀌어야 할 것 같다.
향후 청진기에 대하여
의사들의 가장 기본 의료 장비인 청진기는 환자들의 심장이나 폐소리를 보다 크고 정확하게 듣기 위해 고안된 것이기 때문에 지금까지의 발달과정도 점차 크고 정밀하게 들을 수 있는 모습으로 변화되었고, 앞으로도 그렇게 될 것으로 예측하고 있다. 최근 들어 전자공학 기술의 발달에 따라 의공학 기술들도 점차 디지털화되어 가고 있다.
전자청진기는 일반청진기처럼 변이된 소리를 듣지 않고 원음을 듣기 때문에 보다 정확한 진단이 가능하다. 따라서 음원에 더욱 가까이 가기 위해 일반 청진기 머리를 가슴 깊이 대거나, 깊이 누르게 되어 환자에게 고통을 주는 것은 많이 없어지고 있다. 하지만 간편성, 경제성 그리고 청진기의 한계성으로 인해 일반 청진기가 쉽게 사라지지는 않을 것으로 여겨진다.
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머리카락이 집안 여기저기에 돌아다니고 먼지가 뭉쳐 덩어리로 나뒹굴고 있는 것을 볼 때 가장 먼저 떠오르는 것은 진공청소기이다. 게다가 카펫이라도 있어서 카펫 구석구석에 박혀 있는 먼지를 제거해야 한다면 진공청소기의 필요성은 더욱 커질 것이다. 먼지와 오물을 순식간에 빨아들일 뿐만 아니라 빗자루로 해결하기 힘든 자잘한 먼지까지도 말끔히 제거해주는 진공청소기에는 어떤 원리가 숨어 있는 것일까?
진공청소기는 공기의 압력차를 이용한 기구이다. 공기는 압력차가 생기면 압력이 높은 고기압에서 압력이 낮은 저기압으로 이동하게 된다. 진공청소기는 전기에너지를 이용해서 공기의 압력차를 만들어낸다. 완벽한 진공은 아니지만 불완전한 진공을 만들어내어 주변보다 기압이 낮은 청소기 안으로 공기가 빨려 들어오도록 하는 것이다.
진공이란 무엇일까?
진공이란 어떤 입자도 없이 텅 비어 있는 공간이라고 말할 수 있다. 그러나 우리 주변에서 진공상태를 찾기란 쉽지 않다. 우주공간은 거의 완벽한 진공이라 말할 수 있으나 지구상에서는 완벽한 진공상태를 흔히 볼 수도, 만들어내기도 어렵다. 주변에서 흔히 접하는 진공포장, 진공건조에서의 진공도 완벽한 빈 공간을 뜻하는 것이 아니라 공기 입자수를 보통의 기압상태보다 현격히 줄였다는 의미일 것이다. 따라서 진공청소기의 진공은 완벽히 텅 빈 공간을 의미하는 것이 아니라 공기 분자의 수가 주위보다 아주 적은 상태의 불완전한 진공을 의미한다.
진공청소기의 역사
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진공청소기를 처음 만든 사람은 1901년 영국의 발명가 세실 부스(Cecil Booth)이다. 그는 의자에 먼지를 뿌린 뒤 어느 정도의 거리를 두고 손수건을 고정시켜놓은 후 입으로 공기를 빨아들이는 실험을 하여 흡입식 진공청소기를 개발하였다. 그러나 세실 부스가 처음 발명한 흡입식 진공청소기는 지금처럼 조그마한 청소기가 아니고 마차에 펌프를 장치한 거대한 기계였다. 진공청소기의 크기를 현재 가정에서 사용하는 크기 정도로 줄인 사람은 미국인 제임스 스팽글러(James Spangler)이다.
늘 기침에 시달리던 그는 1907년 먼지를 빨아들이는 휴대용 진공청소기를 발명했으나 그것을 상용화시키지는 못했다. 제임스 스팽글러가 발명한 진공청소기를 상용화 시킨 것은 그에게 진공청소기의 특허권을 사들인 친척 윌리엄 후버(William Hoover)였다. 1908년부터 윌리엄 후버에 의해 세계 곳곳으로 퍼져나간 진공청소기는 발전을 거듭해 오늘날의 진공청소기가 되었다. 우리나라에는 1960년에 처음으로 진공청소기의 국산화가 이루어졌다.
이때까지 널리 상용화된 진공청소기는 공기를 먼지와 함께 빨아들여 먼지봉투에 먼지만을 모으는 먼지봉투가 있는 진공청소기였다. 이러한 먼지봉투 진공청소기는 형태에 따라 캐니스터형(canister type), 업라이트형(upright type), 드럼형(drum type), 핸디형(hand type) 등 4가지로 나눌 수 있는데 현재 가정에서 가장 흔하게 쓰이는 진공청소기는 캐니스터형 진공청소기이다.
그 후 1979년 영국의 제임스 다이슨(James Dyson)은 지금까지와는 다른 새로운 원리의 진공청소기를 발명했다. 1990년대 초에 상용화를 시작한 이 새로운 청소기는 원심력을 이용한 먼지봉투 없는 진공청소기이다. 원심분리기식 집진 장치를 이용해 원통 바깥쪽으로 먼지를 모으는 형식인데 탈수기에서 물이 빠지는 것처럼 원통 안의 더러운 먼지를 빠르게 회전시켜 원통벽 쪽으로 먼지가 몰리게 하는 것이다.
보통의 먼지 봉투 진공청소기는 사용할수록 봉투에 먼지가 많이 차게 되어 구멍이 막히게 된다. 점점 구멍이 막히게 되면 공기가 쉽게 통과하지 못하므로 흡입구의 빨아들이는 힘도 약해지기 마련이지만 원심분리기식 집진 장치 진공청소기는 구멍이 막힐 일이 없으므로 흡입력이 떨어지지 않는 것이 장점이다. 2000년대에 들어서는 로봇청소기가 출시되어 진공청소기의 새로운 바람을 일으키고 있다. | |
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원심력을 이용한 Dyson 진공청소기 모델 DC07 (위) 로봇진공청소기 iRobot Roomba Discovery 2.1 (아래) <출처: wikipeda> | |
진공청소기의 구조 및 원리
우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 먼지봉투 진공청소기의 구조는 아래 그림에서처럼 일반적으로 세 부분으로 구성된다. 즉, 진공청소기의 내부는 오물과 먼지가 포함된 일반 공기가 들어오는 호스 부분, 오물과 먼지를 걸러내 주고 깨끗한 바람만 통과시키는 필터 부분, 모터의 회전에 의해 약한 수준의 진공상태를 만들어내는 송풍장치 부분으로 나눌 수 있다. | |
먼지 봉투 진공청소기의 구조
위 그림에서 모터가 연결된 송풍장치는 강한 회전을 통해 청소기 내부를 외부의 보통 기압보다 낮은 기압상태(진공상태)로 만든다. 1분에 만 번 이상의 강력한 모터 회전은 청소기 내부의 공기를 환풍기처럼 청소기 외부로 뽑아내게 된다. 그러면 청소기 내부의 기압이 외부에 비해 현격히 낮아지게 되므로 고기압에서 저기압으로 이동하는 기체의 이동 원리에 의해 고기압 상태인 청소기 외부공기가 저기압 상태인 청소기 내부로 빨려 들어오게 되는 것이다. 호스를 통해 청소기 내부로 외부공기가 빨려 들어올 때 먼지와 티끌 등도 함께 섞여 들어오게 된다.
호스를 따라 들어온 먼지와 티끌 등 오물이 섞인 외부 공기는 먼지봉투에 모이게 되는데, 먼지봉투의 미세한 구멍을 통해 공기는 빠져나가게 되고 먼지와 티끌은 먼지 봉투에 남게 된다. 먼지봉투를 빠져나온 공기는 아직도 남아 있는 미세한 먼지를 걸러내주는 필터시스템을 거치게 된다. 미세한 먼지까지 모두 걸러낸 깨끗한 공기만 청소기 뒤로 빠져나가게 되는 것이다. 필터시스템이 좋지 못한 진공청소기는 흡입되는 먼지만 본다면 청소를 깨끗이 하고 있는 것처럼 보이지만 흡입한 공기 중에 들어있던 크기가 작은 미세먼지는 걸러내지 못하고 다시 배출하여 오히려 집안 공기를 더럽히는 결과를 낳기도 한다. 그러므로 건강과 환경을 위해서는 필터시스템이 좋은 진공청소기를 사용해야 한다. 특히 집먼지 진드기에 의한 천식이나 알레르기 환자가 있는 가정이나 젖먹이 아기가 있는 가정에서는 0.0001mm 크기의 작은 입자까지도 걸러내는 필터시스템의 진공청소기를 선택하는 것이 좋다.
미세한 먼지까지 걸러내는 필터는 오래 사용하면 필터사이에 먼지가 끼어서 청소기의 흡입능력을 떨어뜨리게 할 수도 있다. 또한 먼지봉투가 가득 차게 되어도 봉투에 나있는 미세한 구멍이 막혀서 공기가 쉽게 통과하지 못하므로 청소기는 빨아들이는 힘이 약해지게 된다. 그러므로 강력한 흡입력을 유지하기 위해서는 필터청소를 자주 해주어야 하고 먼지봉투의 교환 시기도 늦지 않게 해주어야 한다. 1분에 만 번 이상의 강력한 모터 회전에 의해 발생하는 열은 흡입된 공기가 먼지주머니와 필터를 거쳐 진공청소기 뒤로 배출되는 공기의 흐름에 의해 식기 때문에 과열을 방지할 수 있다.
적정한 전력소모, 그리고 높은 흡입력
진공청소기의 성능은 흡입력의 정도와 필터의 조밀도에 달려 있다. 진공청소기의 먼지를 빨아들이는 흡입능력이 좋으면 좋을수록, 필터가 걸러낼 수 있는 먼지의 크기가 작으면 작을수록 성능이 우수한 진공청소기라고 할 수 있다. 그러나 필터가 조밀하면 할수록 미세한 먼지를 잘 걸러내지만 공기가 빠져나가는 것도 힘들어져서 진공청소기의 흡입력도 함께 감소하게 된다. 그리고 진공청소기의 흡입력을 높이기 위해 모터의 회전을 늘리면 흡입력은 높일 수 있겠지만 전력소모는 커지게 된다. 그러므로 적정한 전력소모 수준을 유지하면서 흡입력을 크게 떨어뜨리지 않고, 될 수 있으면 미세한 먼지를 걸러내 줄 수 있는 진공청소기라야 성능이 우수한 진공청소기라 할 수 있을 것이다. |
우리나라 여름은 수은주가 높이 올라가 더울 뿐 아니라 습도 또한 높아 견디기 어려울 때가 많다. 습도가 높으면 사람이 느끼는 불쾌지수가 높아지고 건강에도 좋지 않다. 실내 습도가 높으면 곰팡이가 피기 쉽고 좀이나 벼룩, 바퀴벌레 같은 유해한 벌레들도 습도가 높은 환경을 좋아한다.
습도에는 절대습도와 상대습도가 있는데, 불쾌지수를 따질 때의 습도는 상대습도(RH: relative humidity)를 말한다. 절대습도는 말 그대로 공기 중에 포함된 절대적인 수증기의 양을 말하고, 상대습도란 상대적인 습도, 즉, 현재 온도의 포화수증기량 에 대한 대기 중의 수증기량을 말한다. 일기예보에서 말하는 습도는 상대습도를 말한다. 쾌적한 실내를 위해서 상대습도를 40~60%로 유지하는 것이 좋다. 포화수증기량이 많아지거나 대기 중 수증기량이 적어질수록 상대습도는 낮아진다. 포화수증기량은 온도에 따라 높아지게 마련이므로, 공기를 가열하면 포화수증기량을 늘일 수 있고, 이에 따라 상대습도를 줄일 수 있다. 또한 공기 중의 습기를 직접 제거해도 상대습도를 낮출 수 있다. 제습기는 이러한 방식으로 상대습도를 조절하여 쾌적한 공기를 만드는 기계이다.
공기 중의 습기를 제거하는 방식
공기 외에도 각종 기체 속에 포함되어 있는 습기를 제거하여 건조하게 만드는 과정을 모두 제습이라 할 수 있지만 일반적으로 제습기라 하면 이렇게 공기 중의 수분 제거를 목적으로 하는 것을 말한다. 예전에는 공장에서나 제습기를 썼지만 요즘은 가정에서도 습도를 조절하기 위해 제습기를 많이 사용하는 추세이다. 제습기는 공기 중의 습기를 직접 제거함으로써 상대습도를 줄인다. | |
제습기 내부의 제습과정
제습기가 공기 중의 습기를 제거하는 방식은 냉각식과 건조식으로 나눌 수 있다. 건조식은 화학물질인 흡습제를 이용하는 방식인데, 가정에서 사용하는 제습상품과 같이 공기 중의 습기를 직접 흡수하거나 흡착시킨다. 흡습제가 습기를 더 이상 흡수하지 못하면 흡습제를 다시 가열해서 이 때 분리되는 습기를 제습기 바깥으로 내보내 다시 흡습제를 사용할 수 있다. 이러한 방식은 밀폐된 공간에서 소량의 수분을 제거하는 데 유용하다. 흡습제에는 수분을 흡착하는 능력이 뛰어난 다공성 물질인 실리카겔(silica gel), 알루미나겔(alumina gel), 몰레큘러시브(molecular sieves) 등이 있다.
냉각식 제습기는 공기 중의 수증기를 물로 응축시켜 습기를 조절한다. 수증기를 응축시키기 위해서는 이슬점 이하로 공기의 온도를 내려야 한다. 때문에 냉각식 제습기는 냉각을 위해 에어컨과 같이 냉매를 이용한다. 프레온 냉매는 여러 종류가 있는데, 제습기에는 R-22가 사용된다. 습한 공기를 팬을 이용해 빨아들인 뒤 냉매를 이용한 냉각장치(증발기)로 통과시킨다. 냉각장치를 통과하면 공기의 온도가 낮아지고, 공기가 이슬점에 도달해 공기 중의 수증기가 물로 변해 냉각관에 맺혀 물통에 떨어져 모인다. 찬물을 담은 컵의 표면에 물방울이 맺히는 것과 같은 원리인 셈이다. 습기가 제거된 건조한 공기는 응축기를 거쳐 다시 덥혀진 후에 실내로 방출된다. 상대습도가 높을수록 공기 중의 수증기가 물로 변하기 쉬워 제습에 효과적이다.
에어컨으로 제습기의 효과를
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이러한 제습기의 원리는 에어컨과 비슷하다. 다만, 에어컨에는 응축기가 실외기의 형태로 외부에 분리되어 있는데, 제습기는 응축기가 본체에 같이 붙어 있는 점이 다르다. 에어컨은 증발기를 통과해 차가워진 공기를 그대로 방 안으로 배출하는데 역시 이 때 습기가 제거된다. 응축된 물은 관을 통해 외부의 실외기에서 배출된다. 반면에 제습기는 증발기를 통과해 냉각된 공기가 응축기를 통과한 다음 건조하고 약간 온도가 올라간 상태로 실내로 배출된다. 제습기와 에어컨이 비슷한 원리로 작동하기 때문에 에어컨의 제습 기능을 이용하여 제습기 대용으로 사용할 수 있다.
에어컨은 작동 시 기본적으로 제습의 기능을 수행한다. 그러나 요즘의 에어컨을 보면 제습 운전이라는 기능을 따로 가지고 있는 경우가 많은데, 에어컨의 냉방 운전과 제습 운전은 냉각 사이클 상의 기본적인 점은 같다. 다만 제습 운전을 할 때는 실외기의 작동 시간을 조절하여 실내의 공기가 너무 차가워지는 것을 막는다. 실내 온도 조건에 따라 실외기가 작동할 때는 실내로 차가운 바람이 나오게 하고 실외기가 작동하지 않을 때는 실내로 선풍기 바람과 같은 바람만 나오게 하여 전체적으로 차가운 공기가 배출되는 시간을 줄이는 것이다. | |
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가정용 제습기 <출처: Wikipedia> | |
제습기는 에어컨에 비해 전력을 적게 쓰기 때문에 유지비가 적게 드는 장점이 있다. 10평형 정도를 비교할 때 에어컨의 소비전력은 1,600~1,800W정도이고, 제습기는 200~600W 정도이다. 최근의 제습기는 필터를 이용한 공기 정화 기능, 물통이 꽉 차면 자동으로 운전을 정지하는 만수 정지 기능, 습기를 제거한 바람으로 의류 및 신발을 건조하는 기능을 갖추는 등 다양하게 변모하고 있다.
제습기의 용량은 국내 KS표준환경기준에 의거하여 온도 27℃, 상대습도 60%의 실내조건에서 24시간 연속 가동할 때 제거되는 습기(응축수)의 양으로 나타낸다. 가정용으로 사용되는 제습기의 용량은 보통 6L~10L이다. 일반적으로 이와 같은 이론적인 능력에 대해 70~85%의 능력으로 가동된다고 볼 수 있다.
이러한 유형의 제습 외에 전자식으로 제습을 하는 기기들도 찾아볼 수 있다. 전자식 제습은 펠티에 효과(Peltier effect)를 이용한 열전냉각 방식으로 작동한다. 펠티에 효과는 다른 두 금속의 양 단면을 서로 연결하고 전기를 통하게 하면 그 양 단면에서 발열과 냉각이 동시에 일어나는 현상이다. 전자 제습기는 이 효과를 적용한 열전반도체 소자를 사용하며, 냉각되는 금속판 쪽에서 공기 중의 수증기가 응축되어 밖으로 배출된다. 이러한 전자 제습기는 소음이 없고 소형화가 가능해 카메라나 보청기와 같은 정밀기기의 보관을 위한 제습함에 이용된다. | |
빛은 생명의 근원이다. 인간은 그 빛을 통하여 사물을 보고 빛이 만들어내는 예술에 감동한다. 빛 중에서 레이저는 보통 빛과는 다른 우수한 특성을 가지고 있기 때문에 우리 생활 속 깊이 스며들고 있다. 스타워즈(Star Wars)와 같은 공상과학(SF) 영화에서도 레이저 무기를 사용하여 흥미와 긴장감을 유발한다. 또한, 레이저는 우리가 즐겨 보고, 듣는 CD와 DVD, 각종 축하 행사에서 밤하늘을 수놓는 화려하고 환상적인 레이저 쇼 등 의료 및 산업 분야에 이르기까지 레이저 없이는 불편한 생활이 될 정도로 고마운 빛이다.
레이저가 탄생한 지 50년
이 고마운 빛 레이저가 탄생한 지 50년이 되었다. 1960년 5월 16일, 미국 캘리포니아의 휴즈 연구소 메이먼(T.H. Maiman)은 크로뮴(크롬, chromium) 이온이 소량 함유된 산화알루미늄(Al2O3)으로 만든 루비 막대를 사용하여 빛을 만들어냈다. 이 빛은 단일 파장을 지녔기 때문에 일반 빛처럼 사방으로 퍼지지 않고 한 곳으로 모아져 매우 강렬했다. 새로운 빛이 탄생한 것이다. 이 빛을 ‘복사의 유도 방출과정에 의한 빛의 증폭(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)’이라 부르는데, 그 약자가 바로 레이저(LASER)다.
메이먼이 레이저를 발명한 이후 1960년 12월 벨 연구소의 자반과 베넷, 해리엇은 최초의 가스 레이저인 헬륨 네온 레이저 개발에 성공했다. 메이먼의 레이저가 연속 빛줄기를 만들지 못했던 것에 비해 이 가스 레이저는 연속 빛줄기를 만들어냈다. 반도체 레이저는 1962년 로버트 홀에 의해 개발되었으며 1970년 상온에서 연속 빛줄기를 만들어낸 이래 다양한 분야에 활용되고 있다. 1964년 파텔에 의해 개발된 이산화탄소 레이저는 산업응용 분야와 의료분야에 많이 사용되고 있다.
강렬한 빛 레이저는 어떻게 만들어지는가?
원자의 중심에는 원자핵이 있고 그 주위에 전자가 돌고 있다. 원자의 에너지 준위는 전자가 최소의 에너지 값을 가지는 정상 궤도를 돌고 있을 때를 바닥상태(ground state), 외부에서 에너지를 얻어 정상궤도 보다 높은 궤도에 있을 때를 들뜬상태(excited state)에 있다고 말한다. 에너지를 얻어 들뜬상태(E2)에 있는 원자는 불안정하여 시간이 지나면 바닥상태(E1)로 되돌아가는 데, 이 때 방출되는 광자의 에너지는 다음과 같은 식으로 표현된다.
여기에서 E1, E2(E2>E1)는 각 에너지 준위이며 hν(h: 플랑크 상수, ν: 빛의 진동수)는 광자 에너지이다. 원자 또는 분자가 높은 에너지 상태에 있다가 낮은 에너지 상태로 떨어지면서 그 차이에 해당하는 빛을 스스로 방출하는데, 이 때 방출하는 빛은 파장, 위상, 방향이 일정하지 않은 빛을 방출한다. 이러한 방출을 자연방출이라고 한다. 백열등, 형광등과 같은 일반 빛의 대부분은 자연방출에 의한 빛이다. | |
흡수, 자연방출, 유도방출 과정에서 에너지 준위와 빛의 상호작용.
한편 레이저의 경우는 자연방출이 아닌 유도방출이 일어나야 한다. 유도방출은 아인슈타인(Albert Einstein)이 1917년 발표한 논문 ‘복사의 양자 이론’에서 처음으로 제시하였다. 그는 높은 에너지 상태에 있는 원자가 외부의 광자를 만나면, 외부의 광자와 같은 위상과 파장을 가진 광자를 방출하면서 낮은 에너지 상태로 돌아가는 것으로 설명했다. 아래 그림을 보면서 유도방출 과정을 알아보자. | |
바닥상태(E1)에 있는 원자 또는 분자가 펌핑 (pumping)에 의해 에너지를 흡수하면 들뜬상태(E4)가 된다. E4에서 머무는 시간은 매우 짧아 곧바로 E3로 떨어진다. E3에서는 상대적으로 머무는 시간이 길어 준안정상태라고 하며, 여기에 많은 원자 또는 분자들이 모여 밀도반전 상태가 된다.
이 상태에 있는 원자 중 한 개가 자발적으로 빛을 내는 순간 여기서 방출된 빛이 주변의 다른 들뜬 원자 하나를 자극하여 E3에서 E2로 떨어지면서 빛을 방출하여 두 개의 광자가 된다. 또한 이 두 개의 광자는 다른 두 원자를 자극하여 4개가 된다. 이러한 연쇄반응이 일어나 파장이 같은 증폭된 빛을 방출하게 되는데 이 과정을 유도방출이라고 한다. 이 과정에서 자극하는 빛과 방출하는 빛의 파장은 같다. 그리고, E3에서 E2로 떨어진 원자는 E2에 머무르는 시간이 매우 짧아 곧바로 바닥상태(E1)로 떨어진다. | |
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펌핑과 유도방출. | |
유도방출에서 나오는 빛을 더욱 강한 빛으로 만드는 과정이 필요한데, 이 과정이 레이저발진 과정이다. 레이저발진을 하기 위하여 레이저봉 양쪽에 반사거울을 장치한다. 레이저봉 양쪽에 거울을 두는 것을 공진기라고 한다. 한쪽은 거의 100%를 반사하는 전반사 거울을, 다른 한쪽은 일부분의 빛이 투과할 수 있는 부분반사 거울을 장치한다. 위상과 파장이 같은 레이저봉에서 나온 빛이 양쪽 거울에 반사되어 무수히 왕복한다. 이 과정에서 차례로 유도방출이 생겨 빛이 증폭되거나 광학 부품에 의한 투과와 산란에 의해 손실되기도 한다. 레이저의 증폭 이득이 공진기의 손실보다 크면 레이저의 강도는 점점 증폭되어 부분반사 거울을 통과하여 빛이 나오게 되는데, 이 빛이 레이저이다. 이와 같이 레이저 빛은 발생과정에서 위상과 파장, 방향이 같은 나란한 빛만 나오므로 거의 퍼지지 않고 멀리까지 갈 수 있다.
아래 [램프로 펌핑되는 고체 레이저의 구조] 그림에서 큐-스위칭은 일반적으로 공진기 내부의 기계식 또는 전자식 셔터에 의해 빛을 차단하거나 통과시키는 스위치 역할을 하는데, 레이저 발진이 조금씩 일어나지 않고 모아서 짧은 시간 동안 한꺼번에 매우 강한 빛이 나오게 하는 역할을 한다. | |
램프로 펌핑되는 고체 레이저의 구조.
레이저의 특성으로는 멀리까지 나아갈 수 있는 직진성, 파장이 같은 단색성, 결맞음성 (Coherence), 밝기가 매우 높은 고휘도성 등을 들 수 있다. 레이저는 광증폭을 일으키는 활성매질에 따라 고체 레이저, 액체 레이저(색소 레이저), 기체 레이저로 나눌 수 있다. 반도체 레이저는 전류로 펌핑하고 작다는 특성 때문에 별도로 분류한다. 고체 레이저는 루비레이저(Ruby Laser), 네오디뮴-야그 레이저(Nd-YAG Laser), 네오디뮴-유리 레이저(Nd-Glass Laser), 홀뮴 레이저(Holmium Laser) 등이다. 액체 레이저(색소 레이저)에는 폴리페닐, 스틸벤, 쿠마린 이외에도 많은 색소 레이저가 있다. 그리고 기체 레이저에에는 헬륨-네온 레이저(He-Ne Laser), 아르곤 레이저(Ar Laser), 크립톤 레이저(Kr Laser), 헬륨-카드뮴 레이저(He-Cd Laser), 이산화탄소 레이저(CO2 Laser), 엑시머 레이저(Excimer Laser), 금속 증기 레이저 등이 있다.
레이저의 이용과 미래의 레이저
레이저는 많은 분야에서 이용되고 있다. 먼 거리까지 정보손실 없이 정보를 주고받을 수 있는 인터넷 통신(광통신), 레이저프린터, 위조를 방지하기 위해 지폐나 수표에 들어가는 홀로그램, 정밀한 거리 측정, 백화점이나 마트에서 바코드를 읽어 상품의 정보를 판독하는 것도 레이저를 활용한다. 또한, 레이저는 눈이 나쁜 사람들을 안경에서 해방시켜 주는 라식수술, 흉터, 사마귀, 종양 등의 제거 수술, 치과에서 사용하는 무통 치료, 문신 제거, 금속을 매끈하게 절단하거나 용접 및 구멍을 뚫는 것, 과일에 레이저로 그림과 글자를 새겨 상품의 가치를 높이는 것, 명화의 얼룩 제거, 젖병의 구멍 뚫기, 군사용 등 많은 분야에서 사용되고 있다.
현재 레이저를 연구하는 과학자들은 가장 센, 가장 빠른, 가장 작은 레이저를 만들기 위해 노력하고 있다. 즉, 출력이 높은 레이저, 매우 빠른 속도로 빛을 뿜어내는 레이저, 머리카락보다 작은 레이저를 만들기 위해 많은 분야에서 연구 하고 있다. 1초에 1줄(J)의 에너지를 내는 레이저는 출력이 1와트(W)다. 초기 레이저의 출력은 킬로와트(1,000W) 수준이었으나 지금은 테라(1조)∼페타(1,000조)와트에 이른다. 고출력 레이저는 광학 현미경으로 관찰할 수 없는 물질 내부의 보이지 않는 미세한 구조를 파악하거나 인체 내부에 있는 암 덩어리를 파괴하는 데 활용할 수 있다. 또한, 이 레이저로 원자가 전자, 중성자, 양성자 등으로 분리되는 현상을 만들어 초기 우주의 모습을 유추해 낼 수도 있다. 현재 가장 짧은 레이저 펄스 폭은 3.5 펨토초(3.5×10-15초)이나 앞으로 100아토초(100×10-18초) 까지도 가능할 것으로 예상된다. 최근 과학자들은 펨토초 레이저를 사용하여 분자가 움직이는 찰나의 모습을 촬영해 사진이나 동영상으로 만들기도 했다. 앞으로 이 보다 더 짧은 펄스 폭이 개발되면 원자의 핵과 전자의 운동, 광합성이 일어나는 과정도 사진을 찍을 수 있다. 또한, 극초단 펄스 레이저는 초고정밀도의 미세구조 가공을 할 수 있고 외과 수술(안과, 피부과, 치과)에 사용하면 주위 조직의 손상 없이 깨끗한 수술이 가능하다. 레이저의 발진 장치를 머리카락 굵기보다 훨씬 작게 만들어 전자회로가 아닌 광자를 쓰는 광컴퓨터의 중요 광원으로 활용할 수 있다. 또한, 고출력 레이저로 중수소 등 핵융합 연료를 이용하여 핵융합 반응을 일으켜 무한대의 에너지를 생산하려고 노력하고 있다. 미래의 레이저는 인간의 상상을 훨씬 뛰어넘는 수준으로 발달 할 것으로 기대된다. | |
우리는 백설 공주 이야기에 나오는 마법의 거울은 아닐지라도 매일 거울을 보면서 자신의 모습이 단정하고 아름다운지 살핀다. 욕실, 현관, 화장대 등 집안 어디를 가든 거울이 있고 자동차, 반사식 망원경, 그리고 슈퍼마켓에서도 거울을 사용한다. 우리가 거울을 통해 자기 모습과 사물을 보고, 광원이 아닌 물체를 볼 수 있는 이유는 빛이 경계면에서 반사하여 우리 눈에 들어오기 때문이다.
반사의 법칙에 따른 빛의 반사
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빛의 반사란 진행하던 빛이 벽으로 입사한 공이 튕겨 나오듯 매질의 경계면에서 튕겨 나오는 현상이다. 빛의 반사는 반사의 법칙 을 따른다.
즉, 경계면을 향해 입사한 광선과 경계면에서 반사된 광선은 경계선에 수직으로 세운 가상의 법선을 기준으로 항상 대칭이다. 그러므로 입사광선과 법선이 이루는 입사각과 반사광선과 법선이 이루는 반사각은 항상 같다. 이 반사의 법칙은 페르마의 최소 시간 원리 와 호이겐스의 원리(Huygens' principle)로 설명할 수 있다. | |
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빛은 ‘반사의 법칙’에 따라 튕겨 나온다. | |
평면거울의 원리
평면거울은 표면이 편평하고 매끈하며 뒷면에 은과 같은 금속이 도금된 유리제품이다. 평면거울의 원리는 아래 그림과 같다. | |
평면거울에서의 빛의 반사.
위 그림에서 보는 것처럼 연필의 한 점 A에서 사방으로 나온 빛의 일부가 거울로 입사하면 반사의 법칙에 따라 거울표면에서 반사하여 우리 눈으로 들어온다. 눈으로 들어온 연필의 반사광선을 연장하면 거울 속 점 A`에서 만나게 된다. 인간의 뇌는 빛이 직진한다고 생각하기 때문에 거울 속의 점 A`에서 나온 빛이 눈에 들어왔다고 느끼게 되며 거울 속에 연필이 있다고 착각하게 되는 것이다. 하지만 평면거울을 통해 우리가 지각하는 빛은 거울 속의 연필에서 나온 빛이 아니기 때문에 평면거울에 의한 상은 허상이라고 한다.
거울을 마주보고 서 있으면 거울 속의 내 모습과 실제의 나는 좌우가 바뀐 것처럼 느껴진다. 내가 오른손을 들면 거울속의 나는 왼손을 드는 것처럼 보이지만 거울 경계면을 기준으로 실제 나와 거울 속에 비친 내가 마주보고 있기 때문에 생기는 착각이다. 내가 오른손을 들면 왼손이 들리는 것처럼 보이지만 내 오른쪽의 물건 위치는 여전히 오른쪽에 그대로 있기 때문이다. 그러므로 거울에 생기는 상은 좌우 대칭이라기보다는 거울 경계면을 기준으로 앞뒤가 대칭이라 하는 것이 더 적절하다. 앞뒤가 대칭이기 때문에 거울의 경계면을 기준으로 나와 거울에 생긴 상과의 거리는 똑같고 내가 뒤로 한 발짝 물러나면 거울 속의 나도 동시에 한 발짝 뒤로 멀어지게 된다.
그렇다면 거울로 내 모습을 볼 때 좌우가 바뀌지 않고 그대로인 것처럼 보이는 거울이 있을까? 2001년 일본에 사는 기카무라 겐지라는 사람이 만든 ‘정영경(正映鏡)’이라는 거울이다. 이 거울 앞에 서서 나의 오른손을 들면 거울 속의 나도 오른손을 드는 것처럼, 글자를 비춰 보면 글자도 바르게 보인다. 이 거울의 원리는 간단하다. 거울을 2장 사용하여 한번 비춘 모습을 다시 비추면 그대로 보이게 되는 것을 적절히 응용한 것이다. 즉, 거울 2장을 직각으로 세우고 투명한 유리판 하나를 추가하여 삼각기둥 모양으로 만든 다음 그 속에 물을 채워 넣으면 된다.
곡면거울의 원리
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볼록거울에 비친 사람들의 모습. <출처: wikipeda> | |
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곡면 거울은 오목거울과 볼록거울로 나눌 수 있다. 숟가락의 안쪽을 보면 오목거울, 바깥쪽으로 보면 볼록거울이 된다. 곡면거울이라 하더라도 빛은 반사의 법칙을 따르기 때문에 빛의 경로를 작도해보면, 대체로 오목거울은 반사한 빛을 모으는 역할을 하고 볼록거울은 반사한 빛을 분산시키는 역할을 하는 것을 알 수 있다.
오목거울은 물체가 있는 위치에 따라 상의 모양과 크기가 달라진다. 거울의 초점 안에 물체가 있을 때 확대된 바른 상을 볼 수 있고 초점 바깥에 물체가 있으면 다양한 크기의 거꾸로 된 상을 볼 수 있다. 이와 대조적으로 볼록거울은 물체의 위치에 관계없이 축소된 바른 상을 볼 수 있다.
그래서 넓은 범위의 사물을 보기 위해서 볼록거울을 이용하는데 주로 자동차의 측면 거울, 슈퍼마켓이나 도로 모퉁이 사각지대에 안전을 위해 설치한 거울 등에서 볼 수 있다. 하지만 강화도 마니산에서 햇빛을 이용하여 전국체전용 성화를 채화할 경우에는 빛을 모아야 하므로 오목거울을 사용한다. 오목거울은 자동차 헤드라이트, 등대, 해안 서치라이트의 반사거울에도 사용한다. 왜냐하면 빛을 모아서 최대한 밝게 멀리 갈 수 있도록 하여야 하기 때문이다. 이때 사용하는 오목거울은 완전한 구면이 아닌 포물면이라야 평행광선을 초점에 모을 수 있고, 또한 초점에서 나간 대부분의 빛이 반사 후 평행하게 멀리까지 갈 수 있다. | |
거울이 되려면
옛날에 사용했던 거울을 보기 위해 박물관에 가보면 유리로 된 유물보다는 청동과 같은 금속으로 만든 거울을 더 쉽게 볼 수 있다. 현재 우리가 사용하는 은도금 유리 거울은 19세기경 일반인에게 널리 보급되기 시작하였고, 고대부터 사용한 거울은 주로 청동과 같은 금속제품을 이용하여 만든 것으로 알려져 있다. 이 청동 거울을 자세히 살펴보면 한쪽 표면이 매끈하고 반질반질하다. 매끈한 표면으로 평행광선이 입사하면 반사광선도 흩어지지 않고 특정한 방향으로 진행하기 때문에 선명한 상을 볼 수 있다. 하지만 표면이 울퉁불퉁하면 평행광선이 입사하더라도 다양한 방향으로 난반사된다. 난반사된 빛은 사방으로 흩어져 버리기 때문에 선명한 상을 볼 수 없다. 주변의 풍경이 호수에 비칠 때도 표면이 잔잔하여 매끈하게 느껴질 때만이 가능하다. 만약 바람이 불어 물결이 일어난다면 거울의 역할을 하기 힘들 것이다. | |
정(거울)반사와 난반사.
거울이 되기 위한 표면의 매끈함을 결정하는 기준은 빛(전자기파)의 파장이다. 비록 눈으로 보기에 매끈한 물질이라 하더라도 입사하는 빛의 파장 길이에 따라 표면은 매끈할 수도 있고 울퉁불퉁할 수도 있다. 일반적으로 파장이 긴 빛이 짧은 빛보다 난반사가 작게 일어난다.
표면이 매끈하게 보이는 재료에는 유리도 있다. 하지만 유리는 빛을 잘 투과하고 반사율은 약 4% 정도이다. 이런 유리 뒷면에 검은 종이를 대면 투과되는 빛을 차단할 수 있으므로 간이 거울이 된다. 깜깜한 밤이 되면 유리창이 물체를 더 잘 비추는 이유이다. 그래서 유리 뒷면에 반사율이 높은 은을 매끈하게 도금하여 거울로 만든 것이다. 즉, 표면이 매끈하고 반사율이 높은 물질이라야 거울이 될 수 있다.
은도금 거울은 간단하게 만들 수 있다. 먼저 질산은 수용액에 암모니아 수용액을 조금씩 넣는다. 처음에는 약간 갈색 앙금이 생기다가 서서히 은암모니아 착화합물이 생기면서 맑아진다. 이때 환원제에 해당하는 포름알데히드(formaldehyde)나 포도당을 넣으면 은이 석출되어 유리 표면에 붙는다. 가급적 유리 표면은 깨끗하게 닦여져 있어야 한다. 유리 표면에 은이 도금되면 은이 벗겨지지 않도록 도료를 칠해 거울을 완성한다. 이렇게 만들어진 보통의 거울은 반사가 두 번 일어나기 때문에 두 개의 상이 생긴다. 하나는 유리표면에서 약하게 반사가 일어나 생기는 상이고, 또 다른 하나는 유리를 통과하여 은도금된 면에서 주로 반사가 일어나 생기게 되는 상이다. 하지만 반사망원경과 같은 기구에 사용하는 거울은 매우 정밀하여야 한다. 이와 같은 거울을 제작할 때 사용하는 방법 중의 하나가 증착식이다. 이 방법으로 진공 속에서 알루미늄과 같은 금속을 가열하여 증기로 만들어 분사하면 유리표면에 코팅이 되어 고성능의 거울이 되는 것이다.
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하늘에 무수히 떠있는 반짝이는 천체들을 보며 사람들은 그곳이 어떤 곳인지 무엇으로 되어 있는지 매우 궁금해 하며 많은 상상을 해왔다. 그러나 천체들은 너무나 먼 곳에 있으므로 인간의 시력으로는 보는 것이 한계가 있다. 밝은 별이라도 그 빛이 우리에게 오는 동안 사방으로 넓게 퍼져서 도착한 빛의 양이 매우 적기 때문에 상을 잘 볼 수가 없는 것이다. 이는 마치 어둑어둑한 저녁이 되면 주변의 물건들이 잘 보이지 않는 것과 비슷한 현상이다. 이런 상황에서 망원경은 빛을 모아주고 확대하여 사람이 물체를 좀 더 잘 볼 수 있게 해주는 유용한 도구이다.
망원경의 역사
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망원경은 1608년 네덜란드의 한스 리퍼세이(Hans Lippershey)에 의해 발명되었다.안경제조자였던 그는 볼록렌즈와 오목렌즈를 겹쳐 사물을 보다가 멀리 있는 교회의 첨탑이 가까이 보이는 것을 보고 망원경을 만들게 되었다.
이 소식을 들은 이탈리아의 천문학자이자 과학자인 갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei)는 1609년 이 원리를 이용하여 망원경을 제작하여 밤하늘을 보는 데 이용했다. 그러나 접안렌즈가 오목렌즈인 갈릴레이식 망원경(Galilean Telescope)의 단점은 오목렌즈의 구조상 정립상은 볼 수 있지만 시야가 좁다는 것이었다. 이는 오목렌즈를 통과한 빛은 넓게 퍼져 접안렌즈의 안쪽에 정립허상이 생기기 때문에 나타나는 현상이다.
1611년 케플러(Johannes Kepler)는 하나의 볼록렌즈와 하나의 오목렌즈 대신 두 개의 볼록렌즈를 사용함으로써 도립상이지만 넓은 시야를 볼 수 있는 케플러식 망원경을 만들었다.
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망원경을 발명한 네덜란드의 안경제조업자 한스 리퍼세이. <출처: wikipeda> | |
렌즈를 사용하는 굴절망원경의 단점은 큰 렌즈를 만들 때 렌즈 안에 기포가 발생할 수 있고, 렌즈에 의한 수차 (aberration)가 생긴다는 것이다. 영국의 아이작 뉴턴(Isaac Newton)은 렌즈를 사용하는 대신에 동판을 이용한 반사경을 사용함으로써 렌즈에 의한 기포문제나 색수차 문제를 없앴다. 이런 뉴턴식 반사망원경의 발명은 커다란 구경을 가진 망원경의 제작을 가능하게 했고, 오늘날 팔로마산(Palomar Mountain)의 200인치 망원경과 같은 대구경의 광학 망원경을 탄생하게 했다. 최근에는 1990년 대기권 밖에 올린 구경 2.5m의 허블망원경에 의해 우주의 수많은 정보를 수집할 수 있게 되었다. 그리고 망원경은 발전을 거듭하여 위의 경우처럼 빛을 보아서 크게 확대하여 보게 해주는 광학현미경과 더불어 천체에서 나오는 전파를 수집할 수 있는 전파망원경까지 종류가 더 다양해졌다.
광학망원경의 원리는?
광학망원경은 멀리서 오는 천체의 빛을 수집하여 볼 수 있게 하는 장치로 빛을 수집하는 방법은 렌즈와 반사경을 이용하는 것이다. 볼록렌즈를 이용하여 빛을 굴절시켜 모으는 망원경을 굴절망원경이라 하고, 오목거울에 반사된 빛을 모으는 망원경을 반사망원경이라 한다. 아래 그림처럼 빛을 모아주는 방법에 따라 여러 종류의 망원경으로 나눌 수 있으며 굴절망원경과 반사망원경의 기능을 조합한 반사-굴절식 망원경도 있다. | |
빛을 모아주는 방법에 따라 여러 종류의 망원경으로 나뉜다.
굴절망원경은 두 개의 렌즈, 즉 입사하는 빛을 수집하여 초점면에 상을 맺히게 하는 대물렌즈와 상을 보는 데 사용되는 작은 확대경인 접안렌즈를 가지고 있다. 대물렌즈는 볼록렌즈로 만드는데 볼록렌즈를 통과한 천체의 빛을 한군데로 모아주어 상을 맺히게 하는 기능을 한다. 이때 빛마다 파장이 달라서 굴절하는 정도가 다르므로 모든 색깔이 같은 곳에서 만나지 않는 색수차가 생겨난다. 이와 같은 색수차를 제거하기 위해서는 굴절률이 다른 크라운 유리와 프린트 유리 로 만든 복합렌즈를 사용하는데 이를 색지움렌즈(achromatic lens)라고 부른다. | |
빛의 파장에 따라 굴절률이 달라 색수차가 생긴다(왼쪽). 굴절률이 다른 복합렌즈를 사용하는 색지움렌즈(오른쪽).
접안렌즈는 대물렌즈를 통과하여 맺힌 상을 확대하여 우리가 상을 크게 볼 수 있도록 해주는 기능을 가지고 있다. 접안렌즈는 렌즈 하나만으로도 만들 수는 있지만 좋은 상을 얻을 수 없다. 따라서 최근에는 접안렌즈를 만들 때, 최소한 두 장 이상의 볼록렌즈와 오목렌즈를 사용하여 만들어 수차를 줄이고 시야를 넓게 만든다. 망원경으로 천체를 관측할 때 다른 사람은 잘 보인다는데 들여다보면 상이 뿌옇게 퍼져서 잘 보이지 않은 경우가 있다. 이는 사람마다 시력이 달라서 나타나는 현상이므로, 접안렌즈는 앞뒤로 움직여서 상을 또렷하게 맞출 수 있도록 만들어져 있다.
광학망원경의 기능
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접안경에 의해서 맺혀진 대물렌즈의 상이 눈의 동공에 노출된다. | |
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망원경의 기능은 크게 집광력, 배율, 분해능 세 가지로 구분할 수 있는데, 집광력은 빛을 모아주는 것으로 대물렌즈의 기능이고 배율은 작은 상을 크게 해주는 것으로 접안렌즈의 기능인 것이다.
대물렌즈의 직경을 구경이라 한다. 구경비는 구경과 초점거리의 비로 나타내는데 이 양이 망원경이 빛을 모아주는 능력인 집광력을 결정지어 준다. 만약 구경비가 1정도로 크면 고성능인 망원경으로 상이 밝기 때문에 짧은 노출로도 사진을 찍을 수 있는 것이다.
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배율(ω)은 대물렌즈의 초점거리와 접안렌즈의 초점거리의 비로 아래 식과 같다. 그러나 배율은 망원경에 있어서 중요한 특징은 아니다. 왜냐하면 배율은 단순히 접안렌즈를 교환함으로써 변화시킬 수 있기 때문이다. 즉 접안렌즈의 초점거리가 짧은 것일수록 배율은 더 커지지만 집광력이 약하면 빛이 퍼져보이므로 상이 흐려져서 관측이 잘되지 않는 것이다.
망원경의 구경에 의존하는 더 중요한 특징은 분해능이다. 분해능이란 이상적인 천체관측조건하에서 상이 얼마나 또렷하게 보이는가하는 정도를 나타내는 척도이다. 별은 매우 멀리 있으므로 점광원으로 보여야 하는데 빛의 회절 때문에 점광원으로 보이지 않고 둥근 형태로 보이는데 이때 점광원에 가까울수록 분해능이 우수한 것이다. 분해능은 다음과 같이 나타낸다.
분해능이란 예를 들자면 쌍성이 서로 분리되어 보이는 최소각을 의미하므로 분해능 값이 적을수록 잘 분해하여 볼 수 있는 것이다. 망원경의 구경이 클수록 분해능 값이 적어져서 분해능은 더 좋아지는 것이다. 반면에 배율을 높이면 빛이 더 퍼지게 되므로 분해능이 더 나빠지는 것이다. 대기권밖에 있는 허블망원경의 분해능은 방해하는 대기가 없으므로 이론적인 회절한계에 가까워서 매우 우수한 분해능을 가지고 있다.
전파망원경이란?
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전파망원경은 안테나에서 전파를 수집하면 이것이 수신기 또는 수신 장치에 의해서 전기신호로 전환, 기록되어 수집된 전파를 알 수 있는 장치이다. 전파망원경은 주파수가 수십 MHz(100m)에서 약 300GHz(1mm)까지를 포함한다. 즉 광학망원경에서 관측(가시광선의 파장 380 ~ 770nm)할 수 없는 다른 파장대의 신호를 잡아서 우주를 연구할 수 있게 된 것이다.
20세기 초 태양에서 방출되는 전파를 관측하려는 시도가 이루어졌으나 실패하였다. 그 후 처음으로 우주에서 방출되는 전파를 관측한 것은 1932년 미국에서 뇌우의 전파교란을 연구하던 중 우연히 24시간을 주기로 변하는 미지의 전파방출원을 발견한 것이다. 한참 후에 이것이 우리은하의 중심방향에서 오는 것임을 알게 되었다.
그 후 전파천문학은 급속하게 발전하여 우리은하계의 구조에 대한 연구에 막대한 공헌을 하였는데 주로 중성수소에서 나오는 21cm파와 일산화탄소의 2.6mm파의 전파관측을 통해서 이루어진다.
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세계에서 가장 큰 전파망원경인 아레시보 전파망원경의 모습. <출처: wikipeda> | |
전파망원경을 통해 펄서(pulsa)와 퀘이사(quasar), 우주배경복사 등 중요한 발견을 하게 되었고 그 결과로 휴이시(Antony Hewish), 펜지어스(Arno Allan Penzias)와 윌슨(Robert Woodrow Wilson) 등은 노벨물리학상을 받기도 하였다.
전파망원경은 분해능이 문제가 된다. 가시광선보다 매우 긴 파장을 가진 전파를 수집하므로 분해능이 매우 나빠 망원경의 직경을 크게 해야만 하는 어려움이 있다. 현재 세계에서 가장 큰 전파망원경은 푸에르토리코(Puerto Rico)에 있는 아레시보(Arecibo)안테나로 반사면의 직경이 무려 305m인 금속그물로 자연 그대로의 둥근 골짜기를 덮은 것이다. 천체망원경을 통하여 인간은 머나먼 우주의 깊은 곳까지 조금씩 알아가고 있다. 밤하늘에 무수히 많은 천체들에 대한 비밀이 조금씩 그 놀라운 모습을 보여주고 있는 것이다. | |
전구는 어두운 공간을 환하게 비춘다. 오늘날, 전구는 세균을 흡착하고 냄새를 제거하는 자외선 조명, 음이온 발생 램프, 식물재배에 이용하는 LED광원, 물리치료에 사용하는 적외선 조명, 그리고 인간의 감성까지 조절할 수 있는 기능성 조명으로써 미지의 세계까지 환하게 비추고 있다. 또한 전구는 장식품과 오브제로써 전시관이나 거리 곳곳에 자리 잡고 있다. 전구는 더 이상 다른 무언가를 비추는 대상이 아닌, 스스로 밝게 빛나는 하나의 예술인 것이다.
전구의 역사
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조명의 역사는 수십만 년 전, 인간이 불을 사용하면서부터 시작되었다. 초기의 불은 음식물을 익히고 몸을 따뜻하게 하는 데 사용했는데, 이후 동물이나 식물에서 얻은 기름을 사용해 불을 오래 유지할 수 있게 되면서 램프나 양초 등을 통해 조명으로서의 역할을 하게 되었다.
유럽에서는 18세기 중엽에서 말경에 이르기까지 산업이 발달함에 따라 대규모 공장이 생기고, 대량 생산을 위해서 밤에도 일을 해야만 했다. 그래서 밝은 조명이 필요하게 되었으며 이때 등장한 것이 가스등이었다. 그러나 가스등의 불빛은 어둡고 사고 위험도 있었기 때문에 더 좋은 조명이 필요했다.
1808년 험프리 데이비(Humphry Davy)가 탄소에 전류를 흘리면 빛이 발생하는 것을 발견하여, 파리의 콩코드 광장에 2,000개의 전지로 탄소아크 가로등을 점등한 것이 전등의 시초이다. 이 전등은 빛이 너무나 강렬해서 가정에서는 사용할 수가 없었다.
1879년 10월 21일 미국의 토머스 에디슨(Thomas Alva Edison)이 면으로 된 실을 탄화시킨 필라멘트를 사용해 44시간 점등한 후 실용화하기에 이른다. 물론 에디슨 이전에도 많은 과학자들이 전구 발명에 힘써 왔기에 에디슨이 최초의 발명가는 아니다. 그러나 에디슨은 영국의 조지프 스완(Joseph Wilson Swan)과 합작하여 전구 실용화에 성공한 발명가임에는 틀림이 없다.
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전구 실용화에 성공한 미국의 발명가, 토머스 에디슨. <출처: wikipeda> | |
1894년 셀룰로오스(cellulose)를 사용한 탄소필라멘트 전구가 사용되었으나 고온에서 탄소가 증발하여 전구 안쪽이 검게 되는 문제가 있었다. 1910년 미국의 쿨리지(William David Coolidge)가 텅스텐을 가는 선으로 만드는 데 성공해, 필라멘트에 사용함으로서 전구의 수명은 더 길어지게 되었다. 1913년 미국의 어빙 랭뮤어(Irving Langmuir)는 고온에서 필라멘트가 끊어지는 것을 방지하기 위해 유리구 속에 질소 가스를 주입하여 전구의 수명을 길게 하였다. 지금의 전구는 아르곤 가스와 질소가스를 혼합하여 사용하고 있으며 필라멘트는 효율을 높이기 위하여 코일모양으로 감아서 사용하고 있다.
우리나라에서는 1887년 3월 6일 경복궁 건청궁에서 최초로 전등을 사용했다. 미국에 다녀온 사절단이 어두운 밤을 대낮같이 밝게 해주는 전구에 대해 고종에게 설명하고 발전소 건설을 건의했다. 고종은 미국의 에디슨 전기회사에게 전기공사를 맡기게 되었고 에디슨 전기회사는 건청궁 앞에 있는 연못(향원지)의 물을 끌어들여 전기를 만드는 발전소를 지어 우리나라 최초의 전등불을 밝혔다.
열복사에 의해 백색광을 내는 백열전구
어둠을 밝히는 전등은 빛을 내는 원리에 따라 다음과 같이 분류한다. 백열전구와 같이 열복사에 의해 빛을 내는 것, 형광등과 같이 방전에 의해 빛을 내는 것, EL(Electro-Luminescence)과 LED(luminescent diode, 발광다이오드)와 같이 전계(전기장)에 의해 빛을 내는 것, 레이저 발광, 플라즈마 발광 등이다. 그러면, 밤을 대낮처럼 밝히는 전구는 어떤 원리로 빛을 낼 수 있을까?
모든 물체는 온도를 높이면 열복사(thermal radiation)가 일어난다. 전열기는 저항체에 전류를 흘러주면 저항체에서 발생하는 열을 이용하는 기기이다. 백열전구도 전열기와 마찬가지로 저항체 필라멘트에 전류를 흘려주면 열이 발생하고 온도가 높아지며 백색광의 빛을 낸다. 이것이 바로 백열전구의 원리이다. 필라멘트에 열이 발생하고 빛을 내려면 적당한 저항을 가져야 한다. 물체의 저항은 다음과 같은 식으로 표현한다.
여기에서 R은 도선의 저항, l은 도선의 길이, S는 도선의 단면적, ρ는 도선의 비저항이다. 비저항 값은 도선의 온도 및 재질 등에 관계되며 단위는 옴·미터(Ω·m)이다. 필라멘트의 재료로 텅스텐을 사용하면 적당한 저항값으로 열과 빛을 낼 수 있다. 그러나 백열전구는 다른 조명 기구에 비하여 빛 효율이 낮다. 그 이유는 사용전력의 5% 정도만 빛을 내는 데 쓰이고 나머지 95%는 열로 나오기 때문이다. | |
백열등의 구조
백열등은 유리구 안에 들어 있는 스템 끝의 앵커에 필라멘트가 매달려 있고, 도입선을 통해 밖으로부터 필라멘트에 전기가 공급되어 빛을 낸다. 베이스는 전구를 전원에 접속하기 위하여 부착시키는 부분이며, 황동이나 알루미늄을 사용하고 있다. 도입선은 베이스 단자와 필라멘트를 연결하는 선이며, 안쪽 도입선, 바깥쪽 도입선, 봉착부 도입선으로 되어 있다. 바깥쪽 도입선은 동선(구리선)을, 안쪽 도입선은 동선 또는 니켈을 주로 사용한다. 봉착부에서는 도입선이 유리를 통과하므로 공기가 새지 않도록 유리와 팽창계수가 거의 같은 듀멧선 (dumet wire)이 사용된다. 앵커를 고정하기위한 스템유리로는 가공성이 우수한 납유리가 쓰이고 있다. 앵커는 필라멘트가 움직이지 않도록 지지하는 것으로, 높은 온도에서도 변하지 않으며, 유리와 잘 밀착되는 몰리브데넘선(molybdenum wire)을 주로 사용한다.
필라멘트는 녹는점이 높고, 높은 온도에서 증발성이 작아야 한다. 증발하기 쉬운 금속은 금속표면으로부터 분자가 증발하여 필라멘트가 가늘게 되고, 또한, 증발한 분자는 유리구 안쪽에 달라붙어 검게 된다. 이러한 조건에 맞는 전구의 필라멘트는 텅스텐이 가장 적당하다. 텅스텐은 녹는점(약3400℃)이 탄소(약3550℃) 다음으로 높고 팽창계수도 매우 적으며 필라멘트 모양이 거의 변하지 않는다. 백열등의 필라멘트는 진공 상태의 높은 온도에서 증발하기 쉬우므로 이를 막기 위해 유리구 안에 아르곤과 질소의 혼합가스를 넣고 밀봉해 만든다. 유리구는 필라멘트로부터 복사되는 빛을 투과시키는 역할을 해야 하므로 보통 연질의 소다석회유리를 사용하고 있으나, 전력이 큰 전구에는 높은 온도에 견딜 수 있는 경질의 붕규산 유리가 사용된다. 또한, 필라멘트의 고휘도로 인한 눈부심을 방지하기 위하여 유리구 안쪽에 백색분말인 실리커 분말을 칠하여 밝기를 낮추기도 한다. 배기관은 전구안의 공기를 빼내거나 가스를 넣을 때 사용하는 것이며, 사용 후 밀폐한다.
백열전구의 이용 그리고 현재와 미래
백열등의 수명은 약 1000시간 정도이며, 출력(전력)은 다양하다. 또한 백열등은 같은 밝기의 형광등에 비해 에너지 소모가 2~3배 정도 많지만 켤 때 에너지 소모가 적어 자주 켜고 꺼야 하는 현관이나 화장실 등에 사용한다. 특히 빛이 부드럽고 따뜻한 느낌을 주어 아늑한 분위기를 연출하는 곳이나 장식을 위한 조명에 적합하다. 또한, 자연색광을 그대로 연출하여 식탁이나 식당에 사용하면 음식의 맛을 돋울 수 있다.
에디슨이 1879년에 진공 탄소필라멘트를 사용한 전구를 실용화한 이후 크립톤 전구, 할로젠 전구 등 여러 가지로 개량되어 오고 있다. 할로젠(할로겐) 전구는 브로민(브롬)이나 아이오딘(요오드) 등의 할로젠 물질을 주입하여 전구의 수명을 길게 하고 효율을 좋게 하였다. 백열전구에 비하여 크기가 작고 색상을 표현하는 연색성 이 매우 우수하여 자동차의 헤드라이트, 비행장의 활주로, 무대 조명, 백화점, 인테리어 조명의 광원으로 많이 사용된다. 크립톤 전구는 크립톤 가스를 주입하여 전구의 수명을 길게 하고 효율이 뛰어나 일반 조명 및 장식용으로 사용된다.
인간의 감정을 조절하는 LED 조명
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식물재배 실험에 사용되는 LED panel light, 최근에는 감성조명이나 인터랙티브 조명, 지능형 조명 등에 대한 연구가 진행되고 있다. <출처: wikipeda> | |
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찬란한 빛을 내며 인간과 함께 해온 백열전구가 사라질 위기에 있다. 미국, 호주, 유럽연합 등은 백열전구의 사용을 금지한다는 방침을 공식화했다. 우리나라도 백열전구의 점진적인 퇴출을 유도하고 있으며 2009년, 공공 기관 내 백열전구는 상대적으로 수명이 긴 형광램프나 할로젠램프로 교체되었다고 한다. 2013년 이후에는 백열전구가 사라질 것으로 예상된다. 그 이유는 백열전구의 에너지 소모량이 형광등이나 삼파장램프, LED전구에 비해 많아 환경을 해롭게 하기 때문이다. 백열전구는 월등한 가격경쟁력과 뛰어난 색감, 탁월한 색상 구현력 등의 장점이 있음에도 불구하고 수명이 짧고, 전력의 소모가 많다는 이유로 세상과 결별할 운명에 처해 있는 것이다.
그러면 백열전구를 대체할 가장 좋은 조명은 무엇일까? 대부분의 학자들은 LED 조명이라고 말한다. LED는 아래 위에 전극을 붙인 전도물질에 전류가 통과하면 전자(-)와 정공(+)이 결합할 때 에너지 차이에 해당하는 파장을 갖는 빛이 나오는데 이 빛이 LED 빛이다. 이때 방출되는 빛의 색깔은 사용되는 재료에 따라 달라진다. 이 LED 빛은 전력 소비량이 낮고 광 변환 효율이 높아 기존의 백열등과 형광등을 대체할 수 있는 차세대 광원으로 주목받고 있다. | |
LED 조명은 외부 충격에 강하고, 안전하며 50,000시간 이상의 수명을 보장한다. 그리고 수은이나 충전 가스 등 인체에 유해한 물질을 사용하지 않아 친환경적인 조명이다. 최근 많이 연구되고 있는 조명분야는 감성조명이나 인터랙티브(interactive) 조명, 지능형 조명 등이 있다. 특히 감성조명용 LED조명은 시간이나 주변환경 그리고 사용자의 감성에 맞추어 자유로운 색온도와 색좌표 조절이 가능하여 인간의 감성과 교감하는 새로운 차원의 조명을 제공할 수 있다. 이 조명을 학생들이 활용하면 더욱 효율적으로 학습할 수 있는 날이 오지 않을까. | |
구멍이 난 양말을 꿰매 본 적이 있는 사람은 안다. 바느질이 그리 녹록치 않다는 것을… 그런데 그것이 단순히 구멍 난 양말을 꿰매는 것이 아니라 옷을 한 벌 만드는 일이라면 그 어려움은 아마 ‘녹록치 않다’라는 말로는 턱없이 부족할 것이다. 그런 의미에서, 우리는 양식이 없어 삯바느질로 자식을 키워낸 어머니들에게 큰 경의를 표할 필요가 있다. 한 땀 한 땀, 손바느질로 한 벌의 옷을 짓기 위해서 그들은 대체 몇 번의 바늘땀을 놀렸을까? 그 바느질에는 얼마나 많은 그녀들의 한숨이 들어가 있을까?
하지만 이제 우리에게는 그런 고민이나 고생이 필요 없다. 재봉기의 발명 덕분이다. 재봉기의 발명은 오랜 시간 반복되던 단순 노동의 고통에서 여성들을 해방시켜주었고 의복의 대량생산을 가능하게 해 패션산업을 활성화시켰다. 이러한 축복 같은 재봉기에는 어떤 원리가 숨어 있는 것일까?
재봉기의 역사
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재봉기는 한자로는 '裁縫機'이고, 영어로는 'sewing machine'이다. '재봉틀'이라고도 하고 machine의 일본식 발음에서 유래된 ‘미싱‘이라고 부르기도 한다.
1755년 독일의 바이젠탈(Chals Weisenthal)에 의해 봉제할 수 있는 기계적 장치가 처음으로 제작되었지만, 최초의 재봉기 발명으로 인정된 것은 특허를 받은 18세기 말, 영국의 토마스 세인트(Th. Saint)의 재봉기였다. 그 후 1800년 크램(B.Krems)에 의해 하나의 실로 연결고리를 만들어가는 재봉기가 만들어졌으며, 1830년 프랑스의 바세레미 시모니(B. Thimonnier)도 재봉기를 고안하였고, 1834년에 미국의 헌트도 바늘에 구멍을 뚫어서 재봉이 가능한 기계를 사용한 기록이 있다.
재봉기의 발전은 계속되어 1844년에는 미국의 엘리어스 호(E. Howe)에 의해 1분당 300땀의 봉제가 가능한 재봉기가 개발되었고, 1850년대에는 1분당 600~1000땀을 봉제할 수 있을 정도로 발전하였다. 재봉기가 가정의 필수품으로 자리를 잡게 된 것은 1851년 미국의 싱거(M. Singer)의 공헌이 크다. | |
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1분당 300땀의 봉제가 가능한 엘리어스 호의 재봉기 <출처: wikipeda> | |
싱거(M. Singer)는 가정용 재봉기인 HA형(표준형) 개발을 시작으로 HL형(직진봉형), ZH형(지그재그봉형), 프리암형(소매통재봉이 쉬운 형)등을 차례로 개발하여 재봉기의 다양화와 의복의 대량생산에 기여했다. 우리나라에는 1900년 경에 재봉기가 도입되었고, 1960년대 초부터 공업용 재봉기가 사용되었다.
재봉기의 구조와 기능
재봉기가 봉제를 위해 어떻게 작동하는지를 알기 위해서는 먼저 재봉기의 간단한 구조와 기능을 살펴봐야 할 것이다. 재봉기는 박음 속도에 따라 가정용과 공업용으로 분류된다. 가정용은 1분당 약 800땀 정도이고, 공업용은 1분당 약 3000 ~ 6000땀 정도이다. 재봉기 종류는 봉제목적과 기능에 따라 다양하다. 여기서는 가장 기본이 되고 주변에서 흔히 접하는 가정용 재봉기의 구조를 살펴보자. 가정용 재봉기의 구조와 명칭은 [그림1]과 같고, 각부명칭에 따른 주요기능은 다음과 같다.
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[그림1] 재봉기의 구조와 명칭
윗실꽂이 : 원통형의 실감개에 잠긴 실을 꽂아 위치를 고정시키는 곳 압력조절기 : 노루발이 천을 누르는 압력을 조절해 주는 역할을 함 실채기 : 윗실을 당겨 바늘땀을 조여 주는 역할을 함 윗실안내 : 실의 길을 안내해 주며 실의 위치를 고정시켜 주는 역할을 함 윗실조절기 : 윗실이 당겨지는 정도를 조절함 노루발 : 옷감을 눌러 주어 옷감 속으로 바늘이 잘 관통할 수 있도록 하는 역할을 함 톱니 : 옷감의 두께에 따라 수직으로 움직여 조정하고, 옷감을 조금씩 수평방향으로 밀어내는 역할을 함 미끄럼판 : 표면이 미끄럽게 되어 있어 헝겊이 노루발 밑으로 쉽게 미끄러져 들어가게 하는 역할을 함. 열리고 닫힘으로써 북과 북집을 넣을 수 있는 입구가 됨 돌림바퀴 : 보통 모터에 연결되어 있어 재봉기를 움직이는 에너지가 전달되는 곳으로 실채기, 바늘, 톱니, 북집을 움직이는 역할을 함 땀수조절다이얼 : 바늘땀의 길이를 조절하여 땀수를 달라지게 하는 역할을 함 후진 누름단추 : 바느질의 방향을 바꿔주어 시작과 끝에 바느질이 풀리지 않게 하는데 쓰임 | |
재봉기의 작동 원리
재봉기가 작동하는 것을 보면 바늘이 옷감을 관통하여 들어갔다 나왔다하는 동작만 반복하는데 여기엔 어떤 원리가 숨어 있어서 천과 천을 이어 붙여 꿰맬 수 있는지 궁금해진다.겉으로 보이는 바늘의 반복동작 외에 바늘이 옷감을 관통한 후 옷감의 밑에서 일어나는 동작을 볼 수 있다면 그 궁금증이 풀릴 수 있을 것이다. 재봉방식에 따라 옷감 밑에서의 동작이 달라지므로 [그림2]와 같이 윗실과 밑실이 옷감중간에서 얽혀 땀이 형성되는 가장 기본적인 재봉방식(본봉)을 설명하고자 한다.
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[그림2]윗실과 밑실로 땀이 형성되는 과정
[그림2]에서 보는 바와 같이 현재 사용되고 있는 대부분의 재봉기는 윗실과 밑실이 얽혀 바늘땀을 형성하게 되며 바늘땀의 앞뒤가 똑같이 직선상의 점선으로 나타난다. 땀의 구성은 풀리기가 어려운 독립적 구성이며 되돌아 박기가 쉬운 방식이다.
윗실이 끼워져 있는 바늘이 옷감을 관통하여 어떻게 밑실과 얽혀 바늘땀을 만들어내는지는 [그림3]과 같다. [그림3]의 ①과 같이 바늘이 옷감을 관통하면 hook이라고 불리며 이름처럼 실을 걸어 낼 수 있는 걸쇠 구조가 있는 가마가 회전한다. 가마에는 밑실이 감겨있는 북과 북집이 들어 있어 가마 외부로 밑실이 나와 있는 상태로 가마가 회전하게 된다. 바늘이 바늘구멍에 윗실을 꿰어 옷감을 관통해 옷감 밑으로 윗실을 끌고 내려오면, 옷감 밑으로 내려온 윗실을 가마의 걸쇠가 윗실을 걸어 회전하게 된다. 가마가 회전하면서 [그림3]의②와 같이 자연스럽게 윗실 고리가 만들어 진다. 이렇게 만들어진 윗실 고리는 가마가 계속해서 회전하므로 [그림3]의 ③과 같이 북을 감싸게 된다. 북을 감싼 윗실 고리는 가마의 걸쇠가 회전하여 밑까지 오면 가마걸쇠에서 벗어나게 된다. | |
[그림3] 제봉기의 바늘땀 형성 과정
[그림3]의 ④에서 보는 것처럼 가마가 계속 회전하여 처음 위치로 돌아가면서 커졌던 윗실 고리의 크기가 줄어들게 된다. 이는 옷감을 관통하여 옷감 밑으로 들어와 있던 바늘이 상승하게 되어 윗실을 잡아당기기 때문이다. 그러나 바늘의 상승은 윗실을 그다지 완벽하게 잡아당기지는 못한다. 나머지 부분은 실채기가 담당한다. 실채기는 아직도 늘어져 있는 윗실을 위로 당겨주는 역할을 하고, 윗실을 당기는 강도를 조절하는 역할은 윗실조절기가 한다. 이렇게 바늘의 상승과 실채기의 작용으로 윗실 고리가 조여들면 [그림3]의 ⑤와 같이 윗실 고리는 밑실과 얽히면서 옷감과 밀착하게 되어 바늘땀을 형성하는 것이다. 이렇게 한 과정이 끝나면 톱니의 움직임이 옷감을 조금씩 밀어내고 [그림3]의 과정들이 다시 반복된다.
바느질이 될 때 윗실과 밑실의 장력조절이 잘못되면 아래 [그림4]와 같은 현상이 나타난다. 윗실을 당기는 강도가 세면 [그림4]에서처럼 윗실은 짧고 밑실이 옷감 위쪽까지 보이게 되고 밑실을 당기는 강도가 세면 밑실이 짧고 윗실이 옷감 아래 부분까지 보이게 된다. 두 실의 장력이 적당하면 윗실과 밑실은 옷감중간에서 알맞게 얽혀 튼튼한 바늘땀을 형성한다.
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[그림4] 윗실과 밑실의 장력 조절
직물을 넣으면 ‘드르륵’하는 소리를 내며 가지런히 바느질을 해 내는 재봉기를 보며, 더 이상 막연한 신기함을 내비칠 필요가 없다. 이제 재봉기의 원리를 알았으니‘드르륵’ 경쾌한 소리를 내며 직접 바느질에 도전해 보자. 투박한 기계 안의 여러 부품들이 어우러져 만들어내는 아기자기하고 정성어린 작품을 보며, 그 원리를 한번 다시 떠올려 보는 것도 좋을 것이다. |
바지 지퍼가 살짝 내려간 남자선생님이 계신다. 이때 당사자가 덜 무안하도록 은유적으로 학생들은 그 상황을 표현하곤 한다. “선생님~! 남대문 열렸어요!” 만약 당신이 외국을 나갔을 때 누군가 조용히 다가와 “XYZ"라고 말한다면 ‘무슨 암호이지?’가 아니라 이것은 “eXamine Your Zipper”의 의미를 둘러말하는 것으로 지퍼가 열렸으니 점검하라는 표현이다.
지퍼의 발명
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오늘날 우리는 생활 속 많은 물건에서 손잡이 하나만을 잡고 ‘휘~익’ 움직이기만 하면 손쉽게 물건을 여닫으며 살고 있다. 점퍼의 여밈과 가방의 여닫이에서, 부츠와 같은 신발까지 지퍼가 쓰이지 않는 곳이 없다. 지퍼가 없다면 우리는 점퍼를 여미기 위해 코트처럼 단추를 채우고 있어야 하고, 단추를 채웠어도 사이 사이 바람이 들어오는 것을 피할 수 없을 것이다.
지퍼는 원래 끈 많은 군화에서 비롯되었다. 1893년 미국의 엔지니어였던 워트컴 저드슨(Whitcomb L. Judson)은 길거리에서 군화를 주워 구두대용으로 신고 다녔는데, 다소 뚱뚱한 편이었던 그가 군화의 많은 끈을 매고 출근하려니 지각을 피할 수 없었다. 그런 그에게 사장이 "그렇게 늦으려면 당장 회사를 그만둬!"라고 질책을 한 것은 어쩌면 당연한 일일 것이다. 이에 발끈한 저드슨은 아예 회사를 그만두고 '군화의 끈매기'를 개량하는 연구에 몰두해 결국 지퍼를 발명해냈다. 발명된 지퍼는 시카고 박람회에 출품되지만 그의 발명품은 기대 이하로 흥미를 끌지 못하였다. | |
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저드슨이 발명한 지퍼의 모습. <출처: wikipedia> | |
처음에 저드슨이 개발한 지퍼에는 소형 쇠사슬에 끝이 구부러진 쇠 돌기를 집어넣은 형태여서 편리하기는 하지만 모양이 좀 흉측했다. 그러다 1923년 이를 접한 쿤 모스라는 한 양복점주인이 옷에 맞게 형태를 고치면서 지퍼는 오늘날의 영광을 맞게 되었다. 그리고 1913년 굿리치 사(社)의 선드백(Gideon Sundback)에 의해서 지퍼가 군복과 비행복에 사용되면서 본격적으로 일상생활에서 지퍼가 활용되기 시작하였다.
지퍼의 생김새와 원리
지퍼는 이빨, 슬라이더, 테이프의 3부분으로 구성된다. 각 부분을 살펴보면 아래와 같다. | |
이빨(Teeth 혹은 elements) 테이프(Tape)의 양쪽에 부착되어있는 이빨은 슬라이더가 지나가면서 결합 또는 분리되는 부분인 작은 조각들을 말하며, 오른쪽, 왼쪽 이빨이 결합되어 있는 것을 체인(chain)이라고 부른다.
슬라이더(slider) 슬라이더는 지퍼를 열거나 닫을 때 지퍼의 이빨을 결합시키거나 분리시키는 지퍼의 부속이다. 슬라이더 내부에는 2가지 종류의 쐐기가 존재하기 때문에 Y모양 구조를 하고 있는 것처럼 보인다.
테이프(tape) 지퍼부속들을 결합하고 봉제를 위한 부분을 테이프라고 하는데 주로 폴리에스테르로 만들어지며, 용도에 따라 합성섬유 테이프(Synthetic Fiber Tape), 비닐 테이프(Vinyl tape) 그리고 면 테이프(Cotton Tape) 등이 사용된다.
이러한 구조의 지퍼는 지퍼의 경사면을 지나는 작은 힘이 수직방향의 큰 힘으로 바뀌는 빗면의 원리를 이용한 제품이다. 빗면의 원리란 물체를 수직면으로 들어 올릴 때 빗면을 사용하면 빗면으로 이동하는 길어진 거리만큼 수직으로 들어 올리는 힘이 반비례하여 감소해, 한 일은 똑같아진다는 것이다.([원리사전]나사의 원리 편 참조) 등산을 할 때 가파른 길을 올라가면 시간은 적게 들지만 큰 힘을 필요로 하는데 반해 거리는 멀지만 경사가 완만한 길을 걸어 올라가면 시간은 상대적으로 오래 걸리지만 힘이 적게 드는 것이 빗면의 원리이다. 빗면의 원리를 이용하는 도구들은 대부분은 쐐기 형태로 나타난다. | |
지퍼에 쓰인 빗면의 원리는 장작을 패는 도끼의 원리를 통해 이해할 수 있다. <출처: NGD> | |
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이러한 쐐기 형태를 가진 도구들은 직각방향으로 직접 힘을 주려면 큰 힘이 필요한 일을 쐐기의 빗면을 이용하여 적은 힘으로도 일이 일어나도록 하거나 반대로 빗면으로 주어지는 힘이 직각방향으로 보내지면 거리가 짧아진 만큼 힘이 커져 같은 양의 일이 발생하도록 한다. 손으로 아무리 힘을 써도 지퍼의 이빨들을 서로 맞물리게 하거나 떼어내지 못하지만 지퍼의 슬라이드를 쓰면 쉽게 열고 닫을 수 있는 이유도 이 때문이다.
지퍼에 쓰인 빗면의 원리는 장작을 패는 도끼를 생각하면 쉽게 이해가 된다. 도끼는 쐐기에 손잡이가 달린 도구이다. 도끼의 쐐기 단면을 보면 앞부분은 얇고 뒷부분은 두껍게 된 삼각형 모양이다. 도끼가 나무에 수직 방향으로 내리쳐질 때 도끼는 쪼개지지 않으려 하는 나무의 저항을 도끼의 옆쪽 즉 경사진 빗면을 통해 흘려보낸다. 이 힘은 직각방향의 힘으로 전환되는데 이 때 도끼의 빗면 길이보다 도끼의 직각방향의 길이가 짧아 발생하는 힘은 내리쳐서 생기는 힘보다 훨씬 크다. 그래서 나무쪽에서 보면 파고드는 도끼는 나무의 수평 방향으로 엄청난 힘을 발생시키게 되면서 나무는 옆으로 쪼개져 버리는 것이다. | |
지퍼의 경우도 이와 같다. 지퍼의 이빨들이 나무라면 지퍼 가운데의 움직이는 부분, 즉 슬라이드는 도끼에 해당된다. 슬라이드 내부에는 도끼날처럼 삼각형으로 된 쐐기들이 안쪽에 설치되어 있는데 이 쐐기가 서로 단단하게 맞물려 있는 지퍼의 이빨들을 간단히 분리시키기도 하고 서로 죄어서 결합시키기도 한다. 지퍼의 이빨들을 결합시킬 때를 살펴보면 지퍼를 올리는 자그마한 힘은 슬라이드 내부 아래쪽 쐐기의 경사진 빗면을 통해 쐐기의 직각방향으로 향하는 큰 힘으로 바뀌게 되고 이에 따라 지퍼의 이빨들은 간단하게 결합되는 것이다. | |
지퍼의 이빨들을 분리시키고 결합시키는 원리.
지퍼 이름의 유래
원래 지퍼의 명칭은 미끄러지며 잠근다는 의미의 ‘슬라이드 패스너(slide fastener)’였었는데, 1921년에 굿리치 사(社)가 장화를 열고 닫을 때 나는 '지-지-지-프 (Z-ZZIP)'란 소리에 착안하여 '지퍼(Zipper)'라는 장화의 상표를 개발하면서 이름이 바뀌게 되었다. 그러니까 지퍼는 장치의 이름이 아니라 장화의 상표가 장치의 이름을 대신한 경우이다. 우리나라에서는 과거에 지퍼를 ‘작크’라 많이 부르고, 일부 어르신은 아직도 ‘작크’라 부르는 경우가 있는데 ‘작크’는 일본말이다. 지퍼의 또 다른 영어 이름은 ‘chuck’(잠금 기구)이다.
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이 단어를 일본 사람들은 ‘차쿠’라고 발음하고, 그 발음을 다시 로마자로 표기하여 ‘chack’ 라는 단어를 탄생시켜 ‘작크’라고 불렀던 것이 그 유래이다. 일본의 영향을 한 동안 받았던 우리나라이기에 그 영향으로 지퍼를 ‘작크’라 부르게 된 것이다.
혹 여러분들은 지퍼의 다른 이름 중 'YKK'가 있는 것은 아닌지, 아니면 ‘YKK’라는 사람이 발명한 것은 아닌지 생각해본 적은 없는가? 왜냐하면 지금 우리가 입고 있는 여러 종류 옷의 지퍼를 살펴보면 쉽게 YKK란 글자를 발견하게 될 것이기 때문에 이 YKK가 분명 지퍼랑 깊은 인연이 있을 것이란 것을 예상할 수 있다. | |
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평면지퍼를 가진 백. <출처: Wikipedia> | |
YKK는 지퍼를 만든 회사를 나타낸 것으로 일본의 요시다 공업 주식회사(1934년 설립:Yoshida Kogyo Kabushikikaisha)의 약자이름으로 오늘날 지퍼시장은 일본의 YKK가 전 세계의 60%를 장악할 정도로 YKK에 의해 기술개발이 이뤄지고 있다. 최근에는 이빨이 아닌 연속적인 선으로 되어 있어 방수가 가능한 지퍼백과 같은 평면지퍼나 지퍼의 슬라이드 손잡이 끝에 돌기가 있어 손잡이를 내리면 이빨 사이에 물려 있어 지퍼가 움직이지 않지만 손잡이를 들면 돌기가 슬라이드의 진행을 방해하지 않아 지퍼가 움직이는 안전지퍼 등이 개발되어 있다. | |
바쁜 아침시간에 전자레인지가 없었다면 지각하는 직장인은 훨씬 많아졌을 것이다. 패스트푸드와 환상의 짝꿍인 전자레인지는 단지 몇 분만으로 식은 반찬을 데우거나 냉동식품을 해동할 수 있는 편리함 덕분에 국내시장 보급률 80~90%를 기록하면서 우리 부엌에서 빼놓을 수 없는 살림으로 자리 잡았다.
음식물을 뜨겁게 하는 데 마이크로파를 이용
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전통적인 조리는 용기를 가열해 전도나 대류를 통해 열이 전달되고, 용기 안의 재료를 덥힌다. 오븐은 오븐 안의 공기를 뜨겁게 해 대류열로 내부의 음식물을 익히며 가스레인지는 가스열로 용기를 가열하고 용기 안의 음식물로 열이 전도되어 요리를 하는 것이다.
그런데 전자레인지는 음식물을 뜨겁게 하는 데 마이크로파(micro wave)를 이용한다. 그래서 전자레인지를 영어로 ‘microwave oven’이라고 한다. 마이크로파는 주파수(진동수) 300MHz~300 GHz, 파장으로 보면 1mm~1m인 전자기파의 한 영역을 말한다. 전자기파의 영역은 진동수에 의해 임의로 구분되어지는데 진동수는 1초 동안 파동이 진동하는 횟수이다. 진동수의 단위는 Hz로 나타내며 1Hz는 1초에 파동이 1번 진동한 것을 나타낸다. 진동수(f), 파장(λ), 빛의 속도(c)의 관계는 다음과 같다.
즉, 파장이 짧을수록 진동수가 크고 파장이 긴 전자기파는 진동수가 작다. | |
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전자기파의 구분. | |
이렇게 파장에 따라 전자기파는 파장이 가장 짧은 영역인 감마선, x선, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파, 라디오파 등으로 구분된다. 마이크로파는 진동수가 매우 크고 파장이 짧은 전자기파로 레이더나 네비게이션, 통신 등에 이용된다.
전자레인지 속 음식은 어떻게 데워질까?
1945년 군사용 레이더를 점검하던 미국의 한 연구원이 주머니 속의 과자가 녹는 것을 관찰하여 이를 계기로 전자레인지에 대한 아이디어를 얻었고 1947년에 ‘Radarange’라는 첫 제품이 탄생하였다. 이 최초의 전자레인지는 높이 1.8m, 무게 340kg의 거대한 몸집에 가격도 5000달러로 매우 비쌌다. 이후 개량을 거듭하여 현재 가정에서 흔히 볼 수 있는 크기의 전자레인지가 보급되기에 이르렀다.
전자레인지에는 2.45GHz의 진동수를 가진 전자기파가 사용된다. 이 마이크로파는 통신용으로 쓰이지 않는 범위의 주파수이며 비용적으로 저렴하고 전세계적으로 사용이 가능하다. 이러한 마이크로파에 의한 음식물의 가열 원리는 유전가열(dielectric heating) 방식이라 불린다. 유리나 종이, 플라스틱과 같은 물질은 이 마이크로파에 의해 영향을 받지 않고 파를 통과시키지만 음식물 속 대부분을 이루는 물 분자나 그 외 지방, 당과 같은 분자에 흡수되어 음식물을 덥히는 작용을 한다. | |
전자레인지 속에서 음식물이 데워지는 과정.
물 분자는 수소와 산소 원자로 이루어져 있는데, 수소 원자 쪽이 양전하를 띠고 있고 산소 원자 쪽이 음전하를 띠고 있는 극성분자이다. 음식물에 마이크로파를 쪼이면 이와 같은 극성 분자는 전자기파의 전기장이 양과 음으로 진동할 때 분자가 양과 음의 방향을 바꾸며 매우 빠르게 회전하여 전자기장을 따라 정렬한다. 분자의 회전에 의해 분자들이 서로 밀고 당기거나 충돌하는데 이러한 운동에너지가 음식물의 온도를 높이게 된다. 전자레인지에서 만들어지는 전자기파의 진동수는 물 분자의 고유 진동수에 가까워 물 분자는 매우 강하게 진동한다.
전자레인지의 핵심은 마그네트론
전자레인지의 핵심적인 구조는 마이크로파를 만들어내는 마그네트론(magnetron)이다. 마그네트론은 높은 주파수의 진동을 만들어내는 장치로 기본 구조는 음극, 필라멘트로 된 양극, 안테나, 그리고 자석이다. 가정 내 교류 전압인 220V를 4000V 이상의 고전압으로 바꾸어 마그네트론에 전류를 흘리면 마그네트론에서 2.45GHz의 높은 주파수로 진동하는 마이크로파가 만들어진다. 이 마이크로파가 웨이브가이드를 따라 전자레인지 용기 내부에 쏘이게 되면 금속으로 된 벽에 반사되어 식품에 흡수된다. | |
전자레인지의 구조.
전자레인지 내부는 금속인 철로 만들어져 있고 투시창을 통해 전자기파가 외부로 나오는 것을 막기 위해 설치한 그물망도 금속망이다. 전자레인지 용기 밖으로 전자기파가 유출되는 것을 막기 위해 2.45GHz의 마이크로파가 투과하지 못하고 반사되는 금속을 사용한 것이다. 그런데 보통 전자레인지에는 금속 용기의 사용을 금하고 있다. 그 이유는 우선 마이크로파가 금속을 통과하지 못하므로 금속 용기에 음식물을 넣어 사용할 경우 음식물을 데울 수 없기 때문이다. 또한 내부 벽면도 금속이므로 금속을 넣을 경우 금속과 금속의 접촉에 의한 마찰 부위에서 전자기파의 간섭이 일어나 스파크나 화재가 발생할 수 있다. 특히 금속의 뾰족한 모서리나 꼭짓점과 같은 부분에는 전자기파의 집중도가 커지므로 주의해야 한다. 또한 유리문에 금속망이 있어 전자기파의 유출을 막아주지만 안전을 위해 전자레인지가 작동하는 동안 너무 가까이에 있지 않도록 한다. | |
하이패스(hi-pass)는 주행상태의 차량에서 무선통신에 의해 통행료를 처리하는 자동 전자요금징수시스템이다. 여기에는 근거리 전용 통신 기술을 사용한다. 이 시스템은 통행료를 자동으로 정산해 교통지체를 줄이고 결과적으로 배출가스도 줄이는 데 큰 기여를 하고 있다.우리나라에서는 2000년에 처음으로 고속도로 일부구간에 설치되었고, 2007년 말에는 전국으로 완전 개통하였다.
하이패스의 차량통행료 처리과정
하이패스를 이용해 통행료를 처리하기 위해서는 차안과 톨게이트 주변에 다음과 같은 시스템 구성이 필요하다. | |
하이패스를 이용한 통행료 처리 시스템.
기본적인 부분은 전자카드, 차량단말기 그리고 톨게이트 안테나이다. 먼저 차량을 인지하고 안테나에서 차량의 단말기로 결제요청 정보를 보내면 이후의 정보전달 과정은 다음과 같다. | |
즉, 단말기는 카드의 결제정보(카드종류/결제방식 등)를 읽어 톨게이트 안테나로 보내고, 결제가 완료되면 다시 결제완료 정보를 역순으로 카드까지 보내면서 카드에 기록하는 것이다.
카드와 차량단말기 사이의 정보처리 과정
먼저, 우리가 알아둘 것은 하이패스카드가 접촉식 및 비접촉식 통신방식을 갖는 콤비카드라는 사실이다. 차량이 하이패스 차로를 통과하는 경우, 차량단말기와 하이패스카드가 정보를 주고받는 방식은 접촉형 통신방식으로 처리한다. 이 경우 카드 앞면에 금색으로 된 접촉판으로 전원공급 및 외부와 통신이 이루어진다. 선불카드의 경우 단말기가 카드에 일정금액을 요청하는 신호를 보내면, 카드는 이 신호를 받아들여 카드에 충전된 금액에서 이를 뺀 다음, ‘지불했다’는 신호를 다시 단말기에 보내게 된다. 만일 요금이 부족하여 ‘지불하지 못했다’는 신호를 보낸다. 반면, 하이패스 카드를 가지고 일반차로를 통과하는 경우, 우리가 쓰는 교통카드와 같이 비접촉형 통신방식으로 처리한다. 비접촉 방식의 경우, 카드가 단말기에 신호를 보내는 동력원인 전기는 어디서 얻을까? 이 경우에는 차량단말기가 하이패스카드 속 안테나 코일에 유도전기를 발생시킨다. 단말기에는 제 1코일이 있고 주기적으로 세기가 변하는 자기장을 발생시키면 카드 속에 있는 제 2코일에 전기가 유도된다. | |
유도전기의 발생.
이때 발생되는 전류는 미약하지만 카드 속 반도체 칩을 동작시키기에는 충분하다. 이 경우 0.3초 이내에 카드의 위조와 변조 여부를 파악하고 카드의 전자지갑에서 금액정보를 단말기로 이체하고 잔액을 카드에 다시 기록한다. 이 과정에서 여러 차례의 암호인증 및 상호인증이 진행되고 카드 내 금액 정보가 차량단말기로 이체된다.
차량단말기와 톨게이트 안테나간의 정보처리과정
이들 사이에는 근거리 전용통신(Dedicated Short-Range Communication, DSRC)을 이용한다. DSRC란 차량을 위한 무선 전용 이동 통신으로 지능형교통체계(Intelligent Transportation System, ITS) 서비스를 제공하기 위한 통신 수단의 하나이다. ITS에서 요구되는 정보들은 노변 기지국과 차량간의 통신을 통해 서로에게 전달되어야 하며, 이를 구현하기 위해서 양쪽 장치간의 무선고속패킷통신이 가능한 기술을 이용하여야 한다. DSRC 는 노변-차량간의 양방향 근거리 통신, 일 대 다수의 통신기능, 고속전송 기능, 값싸고 단순한 변조기술을 사용하는 특징을 갖고 있다.
단말기의 종류
하이패스 단말기는 통신 방법과 전원방식에 따라 구분한다. 통신 방법에 따라 하이패스 단말기는 무선 주파수(radio frequency, RF)방식과 적외선(infrared ray, IR) 방식이 있다. RF방식은 통신거리가 멀기 때문에 차량 내 부착 시 위치가 자유롭다. 하지만 IR방식은 통신 거리가 짧고 적외선이 방향에 영향을 받음으로 인해 반드시 차량 앞 유리에 부착해야 한다. 전원 방식의 차이로 구분하면 차량 전원방식과 배터리 내장방식으로 나눌 수 있다. 차량전원방식은 방전에 신경을 쓰지 않아도 되나 설치 시 번거로움이 요구된다. 배터리 내장방식은 차량 내부가 깔끔하게 유지될 수 있는 반면 방전의 염려가 있기에 수시로 확인해야 한다. IR방식은 전력소모가 낮으므로 보통 IR방식을 사용한다. | |
우리 주변 공기의 습도를 적당하게(55~60%)로 유지하는 것은 의식하지는 못하지만, 우리가 마시는 물 만큼이나 중요하다. 적당한 습도는 호흡기 질환을 예방하거나 치료하는 데 도움이 될 수 있으며 쾌적한 실내 환경도 만들 수 있기 때문이다. 그래서 겨울철처럼 건조한 계절이나 다른 요인으로 인해 적절한 습도가 필요할 때 인위적으로 원하는 습도를 유지시키는 기구가 가습기 이다.
가습기는 전기에 의해 물을 입자화하거나 혹은 수증기로 만들어 실내로 뿜어내는 장치이다. 가습기의 종류에는 ‘가열식’과 ‘초음파 방식’, 그리고 이 두 가지 방식이 합쳐진 ‘복합식’과 ‘원심분무식(흡입한 물을 원심력으로 날려 스크린에 부딪히게 해 작은 입자로 쪼개서 내 보내는 방식)’, ‘필터기화식(젖은 필터로 공기가 통하게 하여 물을 증발시켜 습기를 만드는 방식)’ 등이 있다.
가열식 가습기
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물을 가열하면 김이 나오게 되고 자연히 방안에 습도가 높아지게 되는데, 이러한 원리를 이용한 것이 가열식 가습기이다. 전기 커피포트처럼 가습기 안에서 히터나 전극봉으로 물을 가열시켜 증기를 발생시키고 그것을 강제적으로 방안에 내뿜는 것이다. 이렇게 뿜어져 나온 증기가 방안의 찬 공기를 만나면 수증기가 응결되어 하얗게 보이게 된다.
뜨거운 물에서 나오는 김은, 이론적으로는 증류수이기 때문에 중금속 등이 섞여 있지 않아 깨끗하다는 장점이 있다. 그러나 물을 끓이기 때문에 세균살균효과는 우수하지만, 뜨거운 증기로 인해 유아들이 화상을 입을 가능성이 있다. 또한 수증기 발생량이 적어 충분한 가습이 이루어지지 않을 수 있으며 전력 소모가 많아 경제적 부담이 존재한다는 단점이 있다.
초음파 방식 가습기
초음파란 사람이 귀로 들을 수 있는 소리의 주파수 범위(20~20,000 Hz)보다 높은 주파수를 뜻하는데, 사람이 들을 수 없으며 소리의 성질도 가지고 있지만 전파나 빛의 성질도 가지고 있어 여러 가지 용도에 사용되고 있다. 초음파 방식 가습기도 이런 초음파를 이용하여 물을 안개처럼 만든 후, 작은 팬으로 방안에 불어 보내는 것이다. | |
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초음파를 이용해 수증기를 공급하는 초음파 가습기. <출처: wikipedia> | |
가습기의 구조를 보면 진동판은 물의 바닥면에 설치되어 있는데 그 뒷면에는 초음파 진동자 (압전세라믹)가 붙어 있다. 초음파 진동자는 전류가 흐르면 형상이 변하는 물질로서 재료에 따라 그 진동수가 다르지만, 세라믹형은 보통 0.3~25MHz 정도(1초에 30만~2500만 번 진동)이다. 그런데 이 재료에 교류전류가 흐르면 주파수에 따라 진동자의 크기가 변하고 여기에 붙어있는 진동판이 따라서 진동하게 된다.
그 진동에 의해 초음파가 발생하고 물에 진동을 일으킨다. 가습기는 전자레인지와 달리 물 분자에 진동을 일으키는 것이 아니라 물 분자의 덩어리에 진동을 일으킨다. 이 초음파 진동자에 전원을 공급해주면 진동자가 물 밑바닥부터 진동을 일으킨다. 그렇게 되면 물속의 물 분자들이 서로 부딪히면서 분자들 사이에 진동을 전하고 그 진동이 물의 표면까지 닿으면, 물 표면에 있던 물 입자들이 미세한 알갱이 상태로 물표면 위로 튀어나온다. 이렇게 해서 발생한 작은 물방울들은 가습기내의 송풍기에서 나오는 바람을 따라서 관을 타고 밖으로 나오게 되는 것이다. 이런 방식으로는 물을 끓이지 않고도 실내를 가습시켜 줄 수가 있다. 이것이 초음파 가습기의 원리다. | |
전자회로에서 만들어진 초음파 신호를 특수한 초음파 진동자(압전 세라믹스 등)에 가하면 주파수에 따라 진동자구성 물질의 길이가 달라지면서 진동하고 그에 따라 초음파가 발생한다.
초음파 가습기는 물을 가열하지 않으므로 뜨겁지 않아 화상을 입을 염려는 없지만 실내에서 기화되기 때문에 기화열에 의한 주변 온도 강하현상이 나타난다. 또한 물 속에 들어 있던 세균이 살균되지 않은 채로 습기와 함께 방안으로 분출되기도 하며 중금속이나 염소 같은 것도 분출되어 가구나 전자제품, 벽 등을 더럽히는 백화현상을 일으키기도 한다. 그래서 초음파 가습기 안에는 자외선 살균기와 정수 장치가 들어 있다. 가습기 사용 시에는 물을 매일 갈아주고 가능하면 끓였다 식힌 물을 사용하는 것이 좋다. 그리고 정수 필터도 청소해주어야 하는 번거로움이 있다. 그러나 이러한 여러 단점에도 불구하고 초음파가습기는 낮은 전력(약 45W) 소모로 운영비가 적게 들고 가습량은 가열식 가습기에 비해 풍부하다는 장점이 있다.
복합식 가습기
히터 가열방식의 장점인 살균기능과 초음파식의 여러 장점을 고루 이용한 방식이 복합식 가습기이다. 이 가습기의 핵심기술은 물의 표면 장력이 물의 온도가 상승함에 따라 약해지는 원리를 이용해서 가습량을 증가시키는 것이다. 데워진 물은 상온의 물에 비해 표면장력이 감소하기 때문에 물 입자들이 훨씬 쉽게 쪼개질 수 있다. 이런 원리를 이용해 기존의 가습기보다 최소 50%에서 최대 100% 이상의 가습량 향상을 얻을 수 있어 습도를 빠른 시간 내에 조절할 수 있을 뿐 아니라 여러 단계의 가습 조절양식을 설치할 수 있어 사용자들이 편리하게 원하는 습도를 유지할 수 있다. 또한 물을 섭씨 75∼80℃로 데운 후 초음파(1.525~1.74MHz)로 가습하도록 되어 있어 미생물 및 중 저온성 세균을 없애주며 가습기 내부의 불순물 침전도 적다. 분사되는 습기 온도도 섭씨 35℃ 정도로 체온과 비슷하기 때문에 화상의 위험이 없을 뿐 아니라 실내의 온도를 따뜻하게 유지시켜 주는 등 여러 가지 장점이 있다. | |
가습기 구조 | |
30여 년 전, 파랑색 등사용지에 철펜으로 글씨를 써서 등사를 하는 게 드물지 않았고, 그 당시 깔끔하고도 흐트러지지 않는 서체를 찍어주던 타자기는 정말 부러움의 대상인 적이 있었다. 20여 년 전, 수동 타자기로 어렵게 줄을 그려가며 문서를 작성했던 시절, 한글과 영문을 하나의 타자로 칠 수 있으며 잘못 친 글자도 자동으로 지울 수 있는 전동타자기는 놀라운 것이었다. 곧이어 보게 된 컴퓨터 프린터, 이는 정말 신기함 그 자체였다. 글자의 크기나 모양을 사용자 마음대로 인쇄할 수 있는 프린터는 타자기 시대에는 상상도 못할 일이었다. 이 시대에 프린터는 너무 귀했는데, 프린터 가진 친구에게 작은 글씨로 된 수업시간표를 부탁했던 적이 있다. 그 뒤에 본 컬러프린터와 레이저프린터는 인쇄에 대해서는 더 바랄 게 없을 듯하였다. 요즘 들어 프린터는 대부분의 가정에 있는 물건이 되어 우리의 생활에 편리함을 더해주고 있다. 컴퓨터의 출력장치로서 프린터에는 어떤 종류가 있을까? 그리고 이들은 어떻게 작동할까?
충격식 프린터와 비충격식 프린터
프린터는 컴퓨터 작업 결과를 종이에 인쇄할 수 있도록 해주는 장치이다. 이는 그 작동원리에 따라 충격식과 비충격식으로 나뉜다. 충격식 프린터는 미세한 핀을 이용하여 잉크가 묻은 띠(리본)를 치면, 리본 뒤에 있는 종이에 잉크가 묻어 글자의 모양이 인쇄되는 방식이다. 이는 이름에서 볼 수 있듯이 소음이 심하고 정교성에서 부족함이 있으나 비용 면에서 강점이 있다. 반면 비충격식 프린터는 노즐을 이용하여 잉크를 분사하거나 정전기를 이용하여 분말가루를 입히는 방식으로 소음을 획기적으로 줄였으며 속도도 빨라졌다.
도트 프린터
도트 프린터는 잉크가 묻어 있는 리본 위에 점 충격을 주어 문자나 도형을 인쇄하는 충격식 프린터로 타자기의 원리와 비슷하다. 하지만, 각각의 자음과 모음을 찍어서 글자를 만드는 타자기와는 달리, 이 프린터는 헤드라는 하나의 뭉치가 리본의 좌우로 움직이며 미세한 핀(와이어)을 내보내 잉크리본 너머로 용지에 부딪치게 하여 모든 것을 표현한다. 그림1은 24핀이 12×12 형식으로 배치된 프린터 헤드 첨단부로 오른쪽 라인의 다섯 번째 핀이 돌출된 상태이다. 헤드 핀의 개수가 많을수록 미세한 표현이 가능하다. 헤드의 이동 및 핀이 튀어나오는 시간 등은 프린터에 내장되어 있는 마이크로프로세서에 의해 제어되고 있다. | |
그림1. 24핀프린터 헤드첨단부. 그림2. 도트프린터의 작동원리 프린터 내 마이크로프로세서는 헤드를 특정 위치에 특정한 위치에 이동시켜 미세한 핀을 내보내 점 충격을 주어 문자 형상을 만든다.
도트 프린터는 소음, 인쇄 속도, 해상도 및 컬러구현 등에 결점이 있어서 잉크젯이나 레이저 프린터로 옮겨가고 있으나 여러 장이 붙어있는 영수증 발급 시 유용하여 현재에도 잘 사용되고 있다.
잉크젯 프린터
잉크젯 프린터는 액체 잉크를 미세한 노즐로 분사하여 용지에 정착시키는 비충격식 프린터를 말한다. 이 프린터는 도트 프린터와 같이 헤드가 좌우로 움직여 특정 위치에서 점으로 원하는 패턴을 그려내는 기본동작을 가지고 있지만 헤드와 잉크가 함께 움직인다는 것과 점을 구현하는 방식이 도트 프린터와 전혀 다르다. 잉크를 분사하는 방법에 따라 크게 피에조 방식(Piezoelectric type)과 서멀 버블 방식(Thermal bubble type)으로 나뉜다.
피에조 방식은 각 노즐의 뒷면에 피에조 소자(압전소자)를 둔다. 전류를 흘려 신호를 보내면, 피에조 소자는 플레이트가 휘면서 진동이 일게 되고 그 진동은 잉크를 밀어낸다. 이 방식은 잉크를 정밀하게 소량으로 조절할 수 있는 장점이 있다. 이 방식은 엡손이 특허를 가지고 있다. | |
피에조소자를 사용한 피에조 분사방식.
서멀버블방식은 분사노즐을 가열하여 생긴 수증기압으로 잉크를 분출하는 방식으로 가열 히터의 위치에 따라 서멀젯과 버블젯이 있다. 서멀젯 분사방식은 잉크가 담겨있는 분사노즐에는 열 전도체인 저항체가 붙어있는데 입력신호에 따라 전류가 저항체를 달구면 노즐 안의 잉크가 순간적으로 끓어올라 잉크방울이 튀어나간다. 헤드 구조가 단순하여 노즐 수 확대가 쉽다. 이 방식은 현재 한국HP에서 데스크젯 시리즈에서 이용하고 있다. | |
끓음을 이용한 서멀젯 분사방식.
버블젯 분사방식은 입력된 신호에 맞춰 노즐 속의 잉크를 밀어낼 때 공기방울을 이용하여 잉크를 밀어낸다. 잉크 실이 따로 있지 않아 노즐 막힘이 적다. 현재 캐논에서 이용하는 방식이다. | |
공기 방울을 이용한 버블젯 분사방식.
레이저프린터
레이저프린터는 복사기와 마찬가지로 정전기 현상의 원리를 이용하여 인쇄를 하는 비충격식 프린터이다. 상에 대한 정보를 레이저 광선을 써서 드럼에 맺힌 후 토너라 불리는 카본가루를 상이 맺힌 곳에만 달라붙게 한 후 종이에 인쇄를 하고 뜨거운 룰러를 통과시켜 가루가 용지에서 떨어지지 않게 압착시키는 방식으로 인쇄한다. 레이저프린터는 일시적인 접착제 역할을 하는 것으로 정전기 현상을 이용한다. 또한 이 프린터의 핵심요소로 드럼 형태의 광수용체(photoreceptor)가 있는데, 전선으로 전기를 띠게 할 수도 있고 빛으로 전기를 제거할 수 있다.
레이저를 이용한 프린팅 과정은 다음과 같다. 먼저 정전기 입히는 전선부분을 통과한 드럼은 전체적으로 (+)전하로 대전된다. 레이저 빛 발생장치가 인쇄정보를 드럼에 쪼이면 인쇄정보 부분은 정전기가 제거된다. 여기에 (+)전하를 띤 토너가루가 묻혀진 롤러를 마주하여 돌리면, 같은 종류의 전하를 띤 배경에는 토너가 묻지 않고 인쇄정보부분에만 붙는다. 이어서 (-)전하로 대전시킨 종이를 드럼과 함께 맞물려 돌리면 드럼에 있던 (+)전하를 띤 토너는 종이에 내려앉게 된다. 이후, 용지를 압착룰러에 통과시켜 열과 압력으로 토너가 용지에 고정 후 정전기를 제거한다. 드럼에 남겨진 정전기는 정전기 제거램프로 없앤다. 레이저프린터에 이상이 생겨 압축룰러를 통과하기 직전 용지 위 토너는 입김으로도 날릴 정도로 종이에 약하게 붙어있다. 레이저프린터에 따라 드럼이 위에서 설명한 경우과 반대로 대전되는 것도 있다. 하지만 정전기적 인력에 의해 토너를 입히는 원리는 동일하다. | |
레이저 빛으로 드럼에 정보를 쓰는 장면.
감열식 프린터
감열식 프린터는 열을 가하면 색깔이 변하는 특수용지를 이용하는 비충격식 프린터이다. 인쇄원리가 대단히 간단하기에 프린터 자체를 작고 가볍게 할 수 있어서 휴대용 프린터로 이용되고 있다. 우리가 피자 주문 시 무선결재 후 받는 영수증이나 슈퍼마켓에서 고기나 야채 등을 살 때 인쇄되어 나오는 라벨, 그리고 은행이나 도서관 대기표가 바로 이런 예이다. 이 프린터의 단점은 일반용지는 사용할 수 없다는 점과 인쇄결과를 오래 유지하지 못한다는 점이다.
프린터의 미래
지금까지 프린터는 우리의 생활에 많은 도움을 주고 있다. 그런데 과학기술의 발달로 2차원을 넘어 이제는 3차원 프린팅도 소개되고 있다. 이런 3D 프린팅 기술은 아직 상용화까지는 미치지 못했으나 오래지 않아 우리 주변에서 사용되리라 여겨진다. | |
먼지가 뽀얗게 쌓인 어린 시절의 추억을 들춰내다 보면, 보물함처럼 작은 자물쇠를 걸어두었던 그 시절의 일기장이 떠오른다. 그런데 가끔 어처구니 없게도 남에게 감추려던 비밀이 나에게조차 비밀로 남는 경우가 있다. 은밀하게 일기장을 열어보려는 순간, 쥐도 새도 모르게 종적을 감춰 버린 열쇠 때문이다. 끙끙거리며 그 작은 자물쇠 구멍을 한참 들여다보도록 만든 어린 시절의 일기장 지킴이. 도대체 그 자물쇠엔 어떤 원리가 숨어 있었던 것일까?
자물쇠의 역사
자물쇠의 시작은 매우 오래 전으로 거슬러 올라간다. 외국의 경우, 자물쇠와 열쇠에 대한 기록이 [구약성서]에도 많이 나오고, 고대 이집트에서는 이미 BC 2000년 무렵에 열쇠와 자물쇠를 사용한 흔적이 사원 벽화를 통해 밝혀졌다. 중국에서는 BC 2세기 무렵으로 추정되고 있고, 로마시대부터 현재 사용하는 자물쇠와 비슷한 소형자물쇠가 나타나기 시작하였다고 알려져 있다. 중세 이후는 기능적인 면에서는 뚜렷한 발전이 없었으나 장식적인 면에서 발전을 이루었으며 현재와 같은 자물쇠로 발전하게 된 것은 18세기 말부터 19세기에 이르러서였다.
문헌에 의하면 우리나라의 자물쇠와 열쇠의 시작은 5세기쯤으로 예상된다. 삼국시대 철기문화의 발달시기와도 맞물리고 무녕왕릉(6세기 초)에서 발굴된 철제류 잔편들과 신안 해저 대발굴 인양작업에서 발굴된 자물쇠 6점도 같은 시대의 것으로 추정을 뒷받침하고 있다. 발굴된 유물로 확인된 바에 의하면 철제 자물쇠는 삼국시대에서 조선시대를 거쳐 조선시대 이후까지 꾸준한 발전을 거듭해왔으며, 조선시대의 자물쇠가 가장 일반적인 자물쇠와 기능과 형식 면에서 유사하여 조선시대 이후까지의 자물쇠 발전흐름을 파악하는 기준이 되고 있다. 또한 가구의 기능과 구조가 변모하고 발전함에 따라 자물쇠의 종류와 형태도 함께 발전해왔다. 자물쇠의 재료도 철제 위주에서 조선후기에는 구리에 아연과 납을 합금한 백동에 이르기까지 꾸준한 발전을 보여왔다. 우리나라 자물쇠의 종류는 가장 일반적인 형태인 ㄷ자형 대롱자물쇠와 붕어·용·박쥐 등 동물의 모습을 본떠 만든 물상형(物象形)자물쇠, 함박자물쇠, 붙박이자물쇠 등으로 구별된다.
자물쇠의 구조와 원리
자물쇠는 종류는 너무나 다양하여 일반적인 분류 방법에 따른다고 하더라도 분류가 그다지 간단하지 않은 것이 현실이다. 다양한 자물쇠 종류를 열거하기보다는 주종을 이루는 자물쇠의 구조를 통해 열림 원리를 알아보고자 한다. 일반적으로 구조가 단순하여 손쉽게 사용되는 워드 자물쇠(Warded Locks)는 홈이 있는 자물쇠를 말하며 대부분 맹꽁이 자물쇠 형태를 지닌다. 아래 그림1과 같은 구조를 가지고 있는 워드 자물쇠(Warded Locks)는 열쇠구멍 안에 장애물을 만들고, 이 장애물에 걸리지 않도록 홈을 만든 열쇠에 의해서만 열리게 되는 자물쇠이다.
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[그림1] 워드 자물쇠(Warded Locks)의 구조.
위 그림1에서 보는 바와 같이 톱니처럼 홈이 파여 있는 열쇠는 자물쇠 안에서 자물쇠 안쪽 장애물인 홈판에 걸리지 않고 자유로이 회전할 수 있다. 열쇠를 회전시키기 전에는 자물쇠 고리 기둥을 가운데에 두고 앞쪽과 뒤쪽에서 잠금 스프링 양날이 자물쇠 고리 기둥을 물고 있다. 그림1에서 보는 것과 같이 열쇠는 앞쪽 잠금 스프링 날과 뒤쪽 잠금 스프링 날 사이에 있는 열쇠 중앙의 좁은 공간으로 들어가게 된다. 이 좁은 공간은 열쇠의 편편한 두께가 들어갈 정도로 좁았다가 열쇠가 돌아가면서 그 공간을 열쇠를 세운 두께만큼으로 벌려주게 된다. 벌려진 공간이 생기는 이유는 잠금 스프링의 양날이 벌어지기 때문이다. 잠금 스프링의 양날이 벌어지면서 물고 있던 자물쇠 고리 기둥을 놓아 주게 되면, 압축되어 있던 손잡이 스프링이 이완되면서 자물쇠 고리가 튀어나오게 되는 원리이다. 이 자물쇠는 구조의 간단함으로 인해 가장 흔하게 사용되는 반면에 안전도가 낮은 단점도 지니고 있다.
핀텀블러 자물쇠(Pin Tumbler Locks)는 실린더형 자물쇠라고도 하는데, 아래 그림2에서 보는 바와 같이 실린더라 불리는 외부원통형의 틀 내부에 실린더 플러그라고 불리는 작은 원통형 틀이 들어 있는 이중 원통구조를 가진 자물쇠이다. 작은 원통형 틀인 실린더 플러그에 열쇠구멍이 뚫려 있어 열쇠 구멍에 열쇠를 넣어 돌리면 실린더 플러그가 함께 돌아가면서 잠금 볼트가 열리게 되는 비교적 안전도가 높은 자물쇠이다. 자물쇠가 잠겨 있어야 할 때는 실린더 플러그가 돌아가지 않도록 하기 위해 실린더 플러그 원통면에 구멍을 뚫어서 핀들을 넣어 장애물이 걸리도록 만들어 놓은 자물쇠이다. 실린더형 자물쇠의 구조와 명칭과 각부명칭에 따른 주요기능은 다음과 같다. | |
[그림2] 실린더형 자물쇠의 구조와 명칭.
실린더 : 실린더 플러그를 감싸는 외부의 원통형 틀로, 그 내부에 있는 작은 원통형인 실린더 플러그의 회전과 고정을 돕는 역할을 한다. 실린더 플러그 : 원통면에 구멍이 뚫려 그 구멍에 핀들이 들어 있고 들어있는 핀들이 플러그 원통 라인과 일치되어 일직선이 되면 실린더 안에서 회전한다. 드라이버 핀 : 상핀이라고도 하며 바닥핀 위에 위치하여 바닥핀을 누르고 구멍 밑으로 들어가면 실린더 플러그가 회전하는 것을 방지하고, 구멍에서 솟아나와 실린더 플러그 원통라인과 일치하게 되면 실린더 플러그가 회전할 수 있게 하는 역할을 한다. 바닥핀 : 하핀이라고도 하며 한쪽 끝은 뾰족하고 반대쪽 끝은 편편하다. 스프링 : 드라이버 핀 위에서 아래로 드라이버 핀을 눌러 내리는 역할을 한다.
열쇠를 넣지 않은 평소에는 아래 그림3의 ①에서와 같이 드라이버 핀과 바닥핀이 스프링에 의해 이완된 스프링의 길이만큼 같은 깊이로 눌려 있는 상태이다. 이때는 실린더 플러그를 돌릴 수 없는데 이는 드라이버 핀이 실린더 플러그 안으로 울퉁 불퉁 박혀 있어서 회전을 방해하기 때문이다. 드라이버 핀들의 아래라인을 일직선이 되게 하고 실린더 플러그 원통라인과 일치시키려면 그림3의 ②와 같이 드라이버핀들의 길이와 상보적인 모양의 열쇠를 넣으면 된다. 드라이버 핀은 위에서 누르는 스프링에 의해서 눌려 있다가 상보적인 요철을 갖고 있는 열쇠가 열쇠구멍으로 들어오면 핀들이 정확한 높이로 들어 올려져 드라이버 핀들의 아래 라인은 실린더 플러그 원통라인과 일치하는 일직선을 만들어 내게 된다. 물론 바닥핀들의 윗 라인도 실린더 플러그 안쪽에 일직선으로 늘어서게 되는 것이다. 이때는 열쇠를 돌리면 회전을 방해하는 것이 없이 매끄럽기 때문에 실린더 플러그가 함께 회전하게 되고 실린더 플러그의 회전은 잠금 볼트를 움직여 자물쇠를 열리게 만든다. | |
[그림3] 열쇠를 넣었을 때 실린더형 자물쇠 안의 구조
이렇듯 핀텀블러 자물쇠(Pin Tumbler Locks)는 꽤나 복잡한 구조로 인해 다른 방법으로는 쉽게 열리지 않아 안전도가 높은 장점을 지니고 있을 뿐 아니라 경제적인 면에서도 저렴한 편이어서 널리 사용되는 대중적인 자물쇠이다. | |
조선시대 화가 김홍도와 근현대 화가 박수근의 작품 ‘빨래터’에서는 빨래하는 여인들의 모습을 볼 수 있다. 빨래는 우리의 할머니, 어머니의 생활의 일부분이었고 마음에 담긴 한을 풀 수 있었으며 마음의 때를 씻을 수 있었기에 화폭에 담았으리라. 매일 쏟아져 나오는 가족들의 빨래는 주요한 가사일 중의 하나이고 주부들에겐 너무나 힘겨운 노동이었다. 이 힘겨운 빨래를 쉽게 해줄 수 있도록 전기세탁기가 등장하게 되었고, 이제는 세탁기가 단순히 빨래하는 기계를 넘어 하나의 인테리어로 자리 잡게 되었다.
세탁기의 역사 | |
세계 최초의 세탁기는 명확하지 않으나, 현대적 개념의 세탁기의 시초는 1851년 미국의 제임스 킹이 발명한 실린더식 세탁기이다. 이 세탁기는 전동기를 주동력으로 하고, 물과 세제의 작용 및 물리적 힘에 의해 세탁과 헹굼, 탈수 과정이 이루어진다.
이후 1874년 월리엄 블랙스톤이 자기 부인의 생일 선물로 손으로 돌리는 세탁기를 고안했으며, 1908년 아버 피셔가 전기모터가 달린 드럼통 세탁기를 발명하였는데, 이것이 오늘날 드럼세탁기의 원조가 된다.
1911년 미국의 가전업체 메이택이 판매 가능한 전기세탁기를 처음으로 고안하고, 이후 월풀 회사가 자동세탁기를 만들어 바야흐로 전기세탁기의 시대가 열리게 된다. 우리나라에서 생산된 최초의 세탁기는 1960년대 후반으로 알려져 있다. | |
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1910년 세탁기 광고로 손빨래로부터 해방되어 시간과 노동력을 줄일 수 있으며 그로 인해 기쁜 하루를 갖게 된다는 내용을 담고 있다. 세탁기의 등장으로 힘겨운 노동이었던 빨래를 쉽게 할 수 있게 되었다. <출처: wikipedia> | |
세탁기는 어떻게 빨래를 할까?
전기세탁기는 동력장치인 전동기와 빨래에 에너지를 전달하는 기계부, 세탁과정을 조정하는 제어부(조작판), 그리고 물을 넣고 빼는 급수장치와 배수장치들로 이루어져 있다. 세탁기의 종류는 세탁의 기능에 따라 세탁, 헹굼, 탈수를 하나의 통에서 전자동으로 수행하는 전자동세탁기, 세탁과 헹굼을 하는 통과 탈수를 하는 통이 나뉘어져 있는 2조식 세탁기, 세탁기의 드럼이 회전하면서 세탁하는 드럼세탁기 등으로 나눌 수 있다. 또한 세탁 방식에 따라 분류할 수도 있는데 밑 부분에 있는 회전날개가 회전하면서 형성되는 물살을 이용하는 펄세이터식(pulsator type, 회전빨래판식), 세탁통 중앙에 회전날개가 달린 세탁봉이 회전해 세탁하는 방식인 아지테이터식(agitator type, 봉세탁식), 드럼을 회전시켜 드럼 내에서 세탁물이 떨어지는 힘을 이용해 세탁하는 방식인 드럼식(drum type, 원통형식)으로 분류된다. 여기에서는 우리나라 가정에서 일반적으로 사용하고 있는 전자동세탁기(펄세이터식)에 대하여 알아보도록 한다. | |
세탁기의 구조
수돗가에서 빨래를 한다고 하자. 손으로 빨래하는 과정을 보면 빨래를 물에 담근 후 비누를 칠한다. 그 다음, 손으로 비비거나 빨래 방망이로 두드리고 헹군다. 마지막으로 빨래를 꼭 짠 후 빨랫줄에 넌다. 이러한 과정은 세탁기에도 그대로 적용되는 데 마이컴 에 입력된 프로그램에 따라 전자동으로 이루어진다.
전자동세탁기는 빨랫감을 넣고 전원 스위치를 누르면 물이 들어오기 전에 2∼3회 공회전한다. 이는 발전기의 역할을 하는 센서가 전압의 차이로 회전저항을 알아내어 빨래의 양을 감지하기 위해서이다. 빨래의 양을 감지하면 전자석으로 된 급수밸브에 전원이 켜지면서 전자석을 당기면 물을 막고 있던 판이 당겨져 물이 들어온다. 이때 수위를 감지하는 수위센서가 세탁에 필요한 만큼 물의 양이 들어오면 이 정보를 마이콤에 전달하여 급수밸브의 전원이 차단되고 세탁이 시작된다. 세탁이 시작되면 세탁조 아래에 있는 날개(펄세이터)가 좌우로 회전하면서 강한 물살이 생기고, 이 물살의 마찰에 의해 세탁이 이루어진다. 세탁이 끝나면 헹굼을 위한 배수가 시작되고, 배수모터가 작동하여 세탁조의 물을 밖으로 내보낸다. 마이컴에 입력된 프로그램에 따라 헹굼과 배수과정을 되풀이 한다. 헹굼과 배수 과정이 끝나면 탈수과정이 시작된다. 탈수조가 고속으로 회전하면 원심력 에 의해 빨래의 탈수가 이루어진다.
점점 가정에 많이 보급되는 드럼세탁기 | |
드럼형 세탁기는 옷의 손상이 적고 물을 적게 사용할 수 있는 장점이 있는 반면 세탁 시간이 오래 걸리고 소음이 크다는 단점이 있다. <출처: NGD> | |
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펄세이터식 세탁기와 아지테이터식 세탁기는 짧은 시간 동안 세탁할 수 있어 세척력은 우수하나 세탁물이 엉키고 삶을 수 없다는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 해결한 것이 드럼세탁기이다. 일반적으로 세탁할 때에는 옷을 비벼 때를 분리해낸다.
드럼세탁기는 전기세탁기의 원리에 덧붙여 드럼의 안쪽에 물, 세제, 빨래를 넣고 회전시켜 빨래가 돌출부에 의해 올라갔다가 떨어지는 힘을 이용하여 세탁을 하게 된다. 이 방식은 옷끼리 서로 마찰이 일어나는 경우가 적어 빨래의 손상이 거의 없고, 옷이 바닥에 부딪힐 때만 물이 필요하기 때문에 물을 적게 사용할 수 있는 장점이 있다.
또한 물을 데워 빨랫감을 삶아 찌든 때를 쉽게 제거할 수 있으며 건조 기능을 추가할 수 있다. 그러나 세척력이 약하고 전기 히터를 사용하여 물을 데워줘야 하므로 전기소모가 많다. 또한 세탁 시간이 오래 걸리고 소음이 크다는 단점이 있어 최근에는 이러한 단점을 조금씩 개선한 제품이 나오고 있다. | |
물이 적게 드는 세탁기
세탁기는 펄세이터식, 아지테이터식, 드럼식 이외에도 기계적 충격으로 진동판을 진동시키는 진동식 세탁기, 전기적으로 진동자를 발진시키는 초음파세탁기, 고압펌프를 이용한 수압식 세탁기 등이 있으며, 세탁소에서 사용되는 드라이클리닝용 세탁기가 있다. 드라이클리닝용 세탁기는 보통의 세탁기와는 달리 물을 사용하지 않고 드라이클리닝용으로 만들어진 석유계 용제나 과클로로에틸렌 등을 이용하여 세척을 하므로 건식세탁기로 구분된다. 물세탁 시 의복의 형태가 손상 및 변형되기 쉬운 모직물이나 견직물 제품에 주로 이용된다.
세탁소에서 사용하는 드라이클리닝용 세탁기 이외에 물이 매우 적게 드는 세탁기는 없을까? 이 세탁기가 바로 스팀세탁기이다. 고농도의 세제수와 98℃ 고온의 스팀(수증기)을 분사해 세제수로 세탁물을 적시고 스팀으로 때를 불려 깨끗이 세탁할 수 있다. 즉 스팀과 열풍만으로 구김과 냄새를 제거할 수 있다. 이 세탁 방식은 스팀을 이용해 세탁력이 향상될 뿐만 아니라 물과 전기가 많이 절약된다고 한다. 세탁을 물로만 하는 것이 아니라 스팀으로도 할 수 있어 물 절약, 전기절약 등 에너지 절약에 큰 역할을 할 수 있다.
또한, 최근에는 무세제 세탁기가 등장하고 있다. 무세제 세탁기의 원리는 물을 전기분해하여 물의 성질을 변화시킨다. 물에 전해질 탄산나트륨을 넣으면 물이 전기분해되어 물보다 작은 이온들이 생성되어 이 이온들이 오염물질을 분해하거나 살균하여 세탁이 된다. 세제를 사용하지 않아 환경보호에 안성맞춤이다.
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“아~! 그거였어?” 누군가 대화 중에 훨씬 전에 했던 이야기를 그제야 이해하여 이렇게 소리칠 때 우리는 그 사람을 ‘형광등’에 비유하고는 한다. 이것은 형광등이 켜질 때 스위치를 누른 후 바로 켜지지 않고 조금 있다가 켜지는 것을 빗대어 말하는 것이다. 조명 기구의 대명사 격인 형광등은 어떻게 빛을 내는 구조이기에 전원이 들어가고도 바로 켜지지 않고 조금 있다가 켜지는 경우가 생기는 것일까?
형광등의 역사
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형광등이 언제 만들어졌는지를 알아보기 위해서는 전구의 역사를 알아보아야 한다. 많은 사람들이 아는 것처럼 현재 실용화된 전구는 에디슨(T. A. Edison)에 의해 1879년 발명되었다. 에디슨은 탄소 필라멘트를 사용하여 40시간 정도 빛을 내는 전구를 만들었다.
사실 전구는 1808년 산업혁명이 한창일 때 화학자 험프리 데이비(H. Davy)가 2개의 탄소 전극 사이에서 방전을 일으켜 주위의 공기가 이온과 전자로 나누어지는 플라즈마 상태의 아크방전을 시키는 아크등이 최초이다. 이 아크등은 실내에서 사용하기에는 무리가 있어 실용화되지 않았다.
에디슨의 탄소 필라멘트가 잘 끊어지는 것을 보완하여 1910년 쿨리지(W. D. Coolidge)가 현재 쓰이는 텅스텐 필라멘트를 발명하여, 전구가 더 밝고 수명도 길어지게 되었다. 요즘 사용하는 백열전구는 아르곤에 소량의 질소를 혼합한 가스를 넣어 텅스텐의 증발을 막아 전구의 수명을 더 늘렸다. | |
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프랑스의 물리학자 알렉산더 에드먼드 백쿼렐, 전기 방전으로 빛을 낼 수 있다는 자신의 이론을 실험적으로 증명해 형광등의 실용화 과정에 기여했다. <출처: wikipedia> | |
이러한 백열전구에 비해 긴 수명, 높은 발광 효율 등의 장점을 가진 현재의 형광등은 1938년 General Electric(GE)사의 인만(G. Inman)이 발명하여 특허를 내어 실용화한 것이다. 형광등은 사실 1857년 프랑스의 물리학자 알렉산더 에드먼드 백쿼렐(Alexandre E. Becquerel)이 전기 방전으로 빛을 낼 수 있다는 자신의 이론을 실험적으로 증명해 보인 후 1901년 미국의 피터 쿠퍼 휴잇(Peter Cooper Hewitt)이 수은 방전등을 만든 것을 거의 지금의 형광등이라고 보는 경우도 있고, 1927년 에드먼드 저머(Edmund Germer)가 몇 명의 동료들과 함께 시험적인 형광등을 만들어낸 것을 시초로 보는 경우도 있다.
형광등의 구조
백열전구가 필라멘트에 흐르는 전류에 대한 저항에 의한 발열을 이용한 것이라면, 형광등은 기체나 증기 중의 방전 에 의해 발생하는 빛을 광원으로 이용한다는 점에서 발광원리가 다르다. 이를 위한 형광등의 구조는 다음과 같다. 일반적으로 형광등은 형광방전관, 안정기, 점등관, 콘덴서 등으로 구성되어 있다. | |
형광등의 구조.
형광방전관 유리관 속의 공기를 빼고 아르곤과 수은 증기를 넣은 관으로, 안쪽 벽에는 형광물질이 발라져 있다. 이 형광물질에 따라 여러 가지 색을 낼 수 있는데 형광등 벽에 발라진 것이 규산아연이면 푸른 색, 텅스텐산마그네슘은 청백색, 규산아연과 망간은 녹색, 붕산카드뮴은 분홍색을 낸다. 이 형광방전관의 양끝에는 이중 코일로 된 텅스텐 필라멘트의 전극이 존재하며, 표면에 산화바륨과 산화스트론튬 등이 입혀져 있어 전자의 방출이 쉽게 일어나도록 되어 있다.
점등관 (= 글로 램프, 글로 스타터) 유리관 내에 고정 전극과 바이메탈 의 가동전극(고정되지 않은 전극)을 설치한 후 아르곤 가스를 넣은 것이다. 전원이 연결되면 점등관에 전원전압이 직접 걸리게 되고, 점등관의 전극이 방전되며 바이메탈이 가열되게 된다. 가열된 바이메탈이 고정전극 방향으로 휘어 고정전극에 접촉되면 형광등의 회로가 연결되어 형광방전관의 필라멘트에 전류가 흘러가게 된다. 처음 전류를 흘려주면 역할이 완료되므로 ‘스타터’라고도 불린다.
안정기 철심에 가는 구리선을 감은 코일로 점등관의 바이메탈이 전류를 끊는 순간 형광 방전관의 방전에 필요한 높은 전압을 순간적으로 일으키고, 방전을 개시한 뒤 전류를 안정시켜 계속 공급해주는 역할을 한다.
콘덴서 형광방전관이 방전을 준비하는 사이 점등관의 바이메탈이 냉각되면 고정전극에서 가동전극이 떨어져 전류를 차단하게 되는데 이 때 고주파 전류가 생성되어 잡음이 발생하게 된다. 이 고주파 전류를 흡수하는 역할을 하는 것이 콘덴서이다.
형광등은 어떻게 작동할까?
형광등은 진공으로 된 유리관 내에 소량의 수은 증기와 방전을 일으키기 쉽도록 아르곤 가스가 들어있고, 양쪽에 걸려있던 전극에 전압이 걸리면 전자가 방출되어 유리관 내 수은 원자와 충돌하여 자외선이 많이 포함된 빛을 발생시키게 된다. 자외선은 눈에 보이지 않기 때문에 형광등 유리관 내에 형광물질을 칠해 놓아 방전에 의해 발생한 빛이 형광을 내어 가시광선의 빛 파장을 내게 해 백색광을 내게 하는 것이 형광등의 원리이다. 이 과정을 단계별로 살펴보면 다음과 같다.
1. 전원이 연결되면 점등관의 바이메탈에 의해 폐회로가 형성된다. 2. 회로가 연결되어 전류가 흐르면 형광방전관의 필라멘트가 달궈지고, 수은은 증기로 증발된다. 3. 안정기의 코일에 유도전류가 생겨 고전압이 발생하여, 달궈진 형광방전관의 필라멘트로부터 열전자 가 방출되도록 한다. 4. 방출된 열전자와 수은 증기 속 수은 원자가 세차게 부딪치면서 자외선이 많이 포함된 빛이 발생한다. 5. 발생한 빛이 형광방전관 벽의 형광물질을 통과하면서 가시광선 영역의 빛으로 전환되어 형광방전관 밖으로 형광등 빛이 나오게 된다.
이 과정 중 점등관에서 바이메탈이 달궈져 폐회로가 형성될 때까지 시간이 걸리기 때문에 스위치를 눌러 전원이 연결된 후 형광등에 불이 들어올 때까지 2~3초가 걸리게 된다. 그래서 우리는 말뜻을 늦게 이해하는 사람을 ‘형광등’이라고 부르게 된 것이다. 그러나 이 결점을 보완하기 위해 글로스타터 대신 반도체를 사용한 래피드스타터가 개발되었기 때문에 이제 이해력이 늦은 사람에게 형광등이라는 말을 쓰지 못하게 될 듯하다.
형광물질이 가시광선의 빛을 내는 과정
형광물질이 빛을 내는 원리는 높은 곳에 있는 구슬이 떨어지는 것으로 설명할 수 있다. 높은 곳에 올려놓은 구슬은 높이에 비례한 위치에너지를 가지고 있는데, 구슬이 떨어지면 감소한 위치에너지만큼 운동에너지를 갖게 된다. 형광물질은 높은 에너지 상태의 전자가 흡수되어 낮은 에너지 상태로 바뀌면서 전자가 뛰어내린 높이, 즉 에너지 차이에 의해 에너지 차이가 크면 파장이 짧은 푸른 계열, 에너지 차이가 작으면 파장이 긴 붉은 계열 색의 빛이 나오게 되는 것이다. | |
빛을 흡수한 분자에서 일어나는 분자 내부 및 분자간 과정. 작은 파란색 원은 들뜬 분자의 낮은 에너지 상태의 빈 자리이다. 분자의 진동 상태 때문에 형광 에너지는 흡광 에너지보다 적고, 따라서 흡수한 빛보다 긴 파장에서 형광이 나온다.
여러 가지 형광등
삼파장 램프는 많은 사람들이 오스람 램프라고도 말하는데, 이는 독일 오스람사의 삼파장 램프가 광고를 통해 국내에서 유명해졌기 때문이다. 삼파장 전구, 오스람 전구보다 정확한 이름은 ‘전구형 형광등’이다.
삼파장 램프는 형광등을 접어놓은 형태로 보면 된다. 백열전구는 태양과 거의 흡사한 빛을 낸다는 장점은 있지만 발열에 의한 큰 전력소모와 짧은 수명이 단점이다. 반면 형광등은 크기가 큰 반면 에너지 효율이 높고 수명이 긴 장점이 있어 이 2가지 전구를 결합한 형태가 전구형 형광등인 삼파장 램프이다. 삼파장은 적색, 녹색, 청색의 세 가지 발광 형광물질을 사용하여 백열전구의 장점인 태양과 거의 흡사한 빛을 내어 붙은 이름이다.
또 다른 형태의 형광등은 미국드라마인 CSI 애청자라면 보았을 어두운 곳에서 비추면 혈흔이 있는 곳이 보라색으로 빛나는 등인 자외선등이다.(영어로는 'Black Light'라 불린다.) 꺼진 상태에서는 검은색을 띠는 블랙라이트는 내부에 필요한 자외선 외에 다른 빛들은 흡수하는 물질이 발라져 있어 자외선만 나오게 된 형광등이다. 형광물질은 가시광선 자체를 흡수하지 않기 때문에 그냥은 보이지 않고 자외선을 흡수한 후 가시광선을 내어놓기 때문에 자외선이 나오는 블랙라이트를 형광물질이 있는 곳에 비추면 발광현상이 일어나게 되는 것이다. 적혈구에 형광 성질이 있기 때문에 혈흔이 있는 곳에 블랙라이트를 비추면 발광하게 된다. | |
형광등과 전구의 여러 요소가 결합된 전구형 형광등, 삼파장 램프<출처:NGD>(좌), 형광물질이 발라져 이 자외선등을 비추면 보이지 않던 것이 나타난다. 이것은 위조지폐를 막는 데 이용하기도 한다. <출처: wikipedia>(우)
이밖에 형광등의 방전관 안에는 아르곤과 수은 증기를 넣어 열전자를 방전시키는 대신 다른 종류의 기체를 넣으면 역시 발광하는 색이 달라지게 할 수 있다. 이것이 네온관으로 우리가 흔히 네온사인이라 부르는 형광등이다. 들어간 기체가 질소일 때 노란색, 산소와 네온일 때 주황색, 이산화탄소일 때 흰색, 수은증기일 때 청록색, 헬륨일 때 붉은색의 빛을 낸다. | |
분무기란 물이나 살충제 같은 액체 물질을 펌핑하여 노즐을 통해 용액을 분사하거나 안개처럼 뿜어내는 기구이다. 다림질이나 화초에 습기를 보충할 때, 유리창을 닦기 위한 세제를 뿌릴 때 우리는 분무기를 사용한다. 또는 농사를 짓는 지역에서 살충제나 제초제 같은 농약을 칠 때 인력 분무기, 동력 분무기를 사용하고 있으며 아이들이 가지고 노는 물총도 분무기라 할 수 있다.
빨대를 이용한 간단한 분무기
아래 '그림1'과 같이 두 개의 빨대를 이용해 간단한 분무기를 만들어볼 수 있다. 빨대 하나는 용액에 담그고 다른 하나는 ㄱ자 모양이 되도록 연결한 후 빨대 B를 불면 공기가 빠르게 빠져 나가면서 (가) 영역의 압력이 낮아진다. 이 때문에 (가) 영역의 압력은 용액을 누르는 대기압보다 작아지게 되고 이때 빨대 A를 통해 아래쪽의 용액이 위로 빨려 올라와 분무된다. 즉, 액체나 기체 같은 유체는 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하기 때문에 압력을 변화시키면 용기 속의 액체가 용기 밖으로 분무 가능해진다. | |
[그림 1] 빨대를 이용한 분무기.
피스톤 펌프의 원리를 이용한 분무기
우리가 흔히 사용하는 보통 분무기도 용기 속의 액체를 뽑아 올려 뿜어내기 위해 유체와 압력의 관계를 적절히 응용한다. 보통 분무기는 압력을 조절하기 위해 피스톤 펌프의 원리를 적용한다. 피스톤 펌프의 원리는 '그림2'와 같으며 분무기에 달린 방아쇠 모양의 손잡이가 이 피스톤을 움직이는 역할을 한다. 먼저 분무기의 손잡이를 잡아 압축시키면 그림2의 (가)처럼 피스톤이 안으로 밀리면서 스프링이 압축된다. 이로 인해 펌프의 내부 압력이 증가하므로 액체 유입구의 밸브는 닫혀 액체의 유입을 차단하고 유출관 밸브는 열려 실린더 내부의 공기(유체)는 빠져 나간다. 손잡이를 놓으면 압축된 스프링이 그림2의 (나)처럼 피스톤을 제자리로 돌아가게 하고 펌프 내부의 압력은 낮아지므로 액체 유출관과 유입관의 개폐는 그림2의 (가)와 반대로 된다. 이때 아래쪽의 액체가 들어온다. 다시 손잡이를 잡아 압축하면 피스톤은 그림2의 (다)처럼 안으로 밀려 그림2의 (가)와 같은 상황이 된다. 그러므로 펌프에 차 있던 액체의 압력은 높아지게 되고 이로 인해 액체는 유출관 쪽으로 뿜어져 나가게 되는 것이다. 분무기 종류에 따라 액체 유입관의 밸브와 피스톤을 결합한 구조도 있다. | |
[그림2] 분무기의 피스톤 펌프원리.
유출관으로 펌핑된 액체가 안개처럼 작은 입자로 분사되기 위해서는 좁은 구멍의 노즐이 필요하다. 이 노즐을 유출관에 연결하면 좁은 구멍은 액체의 흐름을 방해하기 때문에 노즐을 향하는 액체를 펌프가 큰 압력으로 밀어내야 한다. 높은 압력으로 밀린 액체가 좁은 구멍으로 뿜어져 나가면 공기와 부딪쳐 쪼개지므로 안개처럼 작은 액체 방울이 되는 것이다. 액체를 좀 더 잘 분무하기 위해 분출 시 난류를 유발하여 공기와 접촉면을 증가시키는 나선형 모양의 노즐을 연결하는 분무기도 있다. 즉 노즐의 내부나 끝 모양, 구멍 크기, 구멍수 그리고 분사압력에 따라 다양한 분무량과 분무 형태를 결정할 수 있다.
압축 분무기와 에어로졸 스프레이(aerosol spray)
압력의 차이에 의해 액체가 분사되는 분무기와 다른 방식으로 분무되는 압축 분무기는 용기에 액체와 공기 또는 기화가 쉬운 가압제를 첨가하여 용기 내 기체의 압력을 높여 액체를 용기 밖으로 밀어내는 것이다. 이 압축 분무기의 원리는 농사용 분무기에 많이 사용하고 있다. 농사용 분무기는 좁은 지역일 경우는 사람이 어깨나 등에 메고 사용이 가능한 인력분무기를 사용하지만 넓은 지역에 분무하기 위해서는 동력분무기를 사용한다. 동력 분무기는 인력 분무기와 비슷하지만 압력조절장치가 따로 있다. 이 압력 조절장치는 분무되는 농약의 압력을 조절하여 일정한 양의 농약이 분무되도록 도와준다.
주변에서 흔히 사용하는 압축 분무기의 또 다른 예로는 탈취나 살충용 에어로졸 스프레이, 소화기 등이 있다. 에어로졸 스프레이의 경우는 액체 내용물과 함께 실온에서 쉽게 기화하는 액체 가압제를 첨가한다. 용기 내에서 이 액체 가압제는 쉽게 기화하여 용기 내부를 고압의 상태로 만든다. 스프레이 노즐을 누르면 용액에 담긴 튜브의 입구가 열려 고압으로 압축된 액체가 분사되는 것이다. 이때 사용하는 가압제는 프레온, 아산화질소와 같은 물질을 사용하는데 특히 프레온 가스는 환경 오염의 문제가 있기 때문에 대체 물질이나 보통의 공기를 이용하는 방법에 대해 연구하고 있다. | |
[그림3] 에어로졸 스프레이 내부 구조.
빠르게 불을 꺼야 하는 소화기의 경우는 가압제 역할을 하는 기체로 공기보다 무거운 이산화탄소를 사용하는데 평상 시에는 고압의 이산화탄소가 소화용액과 분리되어 있다. 불이 났을 때 소화기의 손잡이를 누르면 이산화탄소 가스관이 열려 고압으로 소화액을 눌러 분사하게 된다.
이외에도 분무는 다양한 영역에서 응용되고 있다. 아이들의 물감 장난에서 인스턴트 커피 가루처럼 부드러운 가루를 얻기 위해 액상 물질을 분무 건조하는 경우, 마네킹 또는 차의 색깔을 섬세하고 균일하게 입히는 도색 작업 등에도 분무기를 활용하고 있다. | |
시계가 없다면 우리의 생활은 과연 어떻게 될까? 어떤 사람들은 빨리 흘러가는 시간을 원망하기도 하고 어떤 사람들은 시간의 지루함을 호소하기도 하지만 1분 1초를 헤아리며 살고 있는 현대인들에게 시계는 필수품이 되었다.
시계의 역사
시계는 인간문명 초기부터 현재까지 6,000년간이나 사용되었다. 최초의 시계는 인류의 생활이 시작된 무렵의 이집트에서 사용된 해시계로 여겨진다. 그 후 점차 낮과 밤에 구애받지 않으면서도 더 정확한 시계를 만들기 위해 물시계, 모래시계, 불시계를 비롯하여 다양한 시계가 발명되었다. 그러던 중 1581년 갈릴레이는 예배도중 천장에 매달린 샹들리에가 흔들리는 것을 보고 주기가 일정하다는 사실을 알아냈다. 1673년 호이겐스는 이런 진자의 등시성을 이용하여 하루에 오차가 1분 미만인, 정확성을 매우 높인, 시계를 만드는 시도를 하였으며, 1675년엔 휴대 할 수 있는 작은 진자인 ‘탈진기(밸런스)’를 발명하여 시계 안에 집어넣어 휴대용 시계를 만들었다. 그 이후 수정시계, 원자시계 등 다양한 종류의 시계가 발명되었다.
시계의 구조
시계의 내부는 그 기능에 따라 크게 다섯 가지 부분으로 나눌 수 있다.
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1. 에너지를 공급하는 장치: 용두, 태엽통(1번 wheel) 2. 에너지를 시계내부로 전달하는 장치: 2~4번 wheel train(톱니바퀴 시스템) 3. 에너지가 한꺼번에 손실되지 않게 하는 장치: 탈진바퀴, 앵커 4. 규칙적인 시간의 흐름을 가능하게 하는 장치: 탈진기 5. 시간을 나타내주는 장치: 초침, 분침, 시침
규칙적인 시간의 흐름을 어떻게 제어하는가?
시계의 생명은 정확하게 일정한 간격의 시간으로 움직여줘야 한다는 것이다. 이 역할을 하는 것이 탈진기(Balance Spring, Hairspring)인데, ‘시계의 심장’이라 할 수 있다. 탈진기는 스프링의 탄성을 이용하여 진자처럼 규칙적인 운동이 가능하게 만든 장치이다. 스프링이 풀렸다 감겼다 하는 과정을 반복하며 규칙적으로 진동을 하는데 규칙적인 탈진기의 진동은 앵커를 통해 탈진바퀴로 전해져서 탈진바퀴가 일정한 속도로 움직일 수 있도록 조절한다. 이 운동은 초침이 붙어 있는 4번 wheel로 전달되고, 계속해서 분침이 붙어 있는 3번 wheel로, 시침이 붙어 있는 2번 wheel로 차례로 전달되어 규칙적인 시간의 흐름을 나타낼 수 있게 된다. 각각의 wheel들은 서로 다른 톱니바퀴로 연결되어 있어 각자 다른 속도로 회전한다. 예를 들어 톱니의 날이 20개인 톱니바퀴와 120개인 톱니바퀴가 맞물려 있다면 날이 120개인 톱니바퀴가 한 번 회전하는 사이에 날이 20개인 톱니바퀴는 6회전 하게 되어 각자 다른 속도를 나타낼 수 있는 것이다. 시계의 경우 각각의 시계바늘이 1회전하는 데 걸리는 시간은 초침톱니바퀴는 60초, 분침톱니바퀴는 60분, 시침이 연결되어 있는 톱니바퀴는 12시간이다. | |
시계 내부의 동력 전달 과정과 시간제어과정.
시계의 동력은?
그럼 탈진기는 어떤 동력으로 계속 진동하게 될까? 진자는 힘을 줘서 움직여줘야 진동이 시작되며 그 진동이 계속되려면 동력 또한 계속 공급되어야 하는데 태엽이 바로 그 동력을 공급하는 장치이다. 사람들이 용두(crown)를 돌려주면 용두에 연결되어 있는 태엽이 감기게 된다. 이 태엽은 태엽통의 중앙에 있는 작은 부속품인 아버에 연결되어 있어서 용두를 돌리면 아버가 돌면서 태엽을 감고 태엽통도 같이 움직인다. 반대로 태엽이 풀릴 때는 풀리는 방향으로 태엽통도 같이 움직이게 된다. 감아놓은 태엽이 풀리기 시작하면 태엽통이 같이 도는데 이 움직임은 태엽통의 톱니바퀴와 연결되어있는 2번 wheel로, 다시 3번wheel로, 4번wheel로 그 동력이 계속 전달된다. 4번 wheel은 연결되어 있는 탈진바퀴로, 탈진바퀴는 앵커를 통해 다시 탈진기(Hairspring)로 동력을 전달하여 시계 안의 진자인 탈진기가 진동을 하게 되는 것이다. 이때 탈진바퀴와 탈진기를 연결해주는 앵커(pallet pork)는 매우 중요한 역할을 한다. 탈진기에 동력을 전달함과 동시에 탈진바퀴가 일정한 시간 간격으로 회전할 수 있도록 조절해주는 역할을 해서 일정한 시간의 흐름을 만들어내는 것이다. | |
탈진바퀴가 일정한 시간간격으로 회전하여 시간의 흐름을 만들어내는 과정.
앵커의 왼쪽에 달려 있는 두 개의 보석이 탈진바퀴의 톱니들과 부딪치며 탈진기의 진동에 따라 일정한 시간 간격으로 탈진바퀴를 멈추게 하고 미끄러지게 하여 탈진바퀴가 규칙적인 간격으로 움직일 수 있게 한다. 앵커가 일정한 간격으로 움직이며 탈진바퀴의 회전간격을 조절할 수 있는 것은 앵커의 오른쪽에 보이는 포크모양 부분이 탈진기와 연동되어 양옆으로 같이 진동하기 때문에 가능하다. 탈진기가 일정한 주기로 진동하며 포크모양을 연속적으로 같이 흔들어주기 때문에 앵커도 같은 주기로 반복적으로 흔들리게 된다. 이 과정을 통해 앵커는 태엽의 동력을 탈진기로 전달함과 동시에 탈진기의 일정한 진동을 탈진바퀴로 전달하여 일정한 시간의 흐름을 만들어내는 것이다. 그 결과 태엽 또한 일정한 흐름으로 풀리며 오랜 시간 동안 시계에 동력을 공급하게 된다. 이렇게 제어된 움직임은 4번, 3번, 2번wheel의 초침, 분침, 시침과 연결되어 시간을 나타낼 수 있게 된다. 시계안의 여러 가지 부품들을 잘 정리하여 동그란 통 안에 자리를 잡은 후 뚜껑으로 덮어준 것이 우리가 사용하는 휴대용시계이다.
시계의 태엽은 손으로 감아주는 수동방식과 자동으로 탈진기의 진동에 의해 태엽이 감기는 자동방식이 있으며 최근에는 태엽을 감아주는 번거로움을 줄이기 위해 전원장치를 사용하여 동력을 공급해주는 방식으로 많이 진화하였다
전자시계란?
기계식 시계가 진자의 진동을 이용하여 시간을 제어하는 것이라면 전자시계는 전자의 진동을 이용한 것이다. 보통 수정시계나 원자시계와 같이 전자의 진동을 이용한 것을 전자시계라 한다. 수정시계는 수정의 일정한 진동을 이용한 것이고 원자시계는 보통 암모니아분자의 진동을 이용하는 것으로 원자시계는 그 오차가 3,000년에 1초 이하인 것도 만들 수 있다고 한다. 진동을 매우 많이 하기 때문에 그만큼 시간의 오차 폭을 줄일 수 있는 것이다. 이런 진동을 집적하고 제어하여 숫자로 표시될 수 있도록 한 것이 전자시계이다.
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건강하게 살기 위해서는 좋은 음식을 먹고 좋은 물과 좋은 공기를 마시는 것이 중요하다. 사람이 하루에 섭취하는 물질 중 80%가 공기이고 하루에 80% 이상의 시간을 실내에서 생활하고 있으므로 실내 공기의 오염은 건물병증후군 (SBS)과 같은 이상 증상을 일으킬 수 있다. 이 때문에 환경부는 미세먼지, 포름알데히드, 부유 세균 등 5개 오염물질에 대해 실내 공기질 유지 기준을 설정하여 준수하도록 하고 있으며, 가정에서도 공기 청정기를 사용하는 경우가 점점 많아지고 있다.
필터를 사용해 오염 물질을 제거
공기 중에는 건강에 해로운 세균이나 바이러스, 곰팡이, 미세먼지, 유해 기체, 악취를 풍기는 냄새 성분과 같이 여러 가지 오염 물질이 있을 수 있다. 공기 청정기는 이러한 오염 물질을 제거하기 위해 사용한다. 공기 중의 오염 물질을 제거하는 데는 크게 필터를 사용하여 여과·흡착하여 걸러내는 방식과 전기적으로 오염물질을 제거하는 방식이 있다.
여과란 입자의 크기 차이를 이용하여 액체나 기체로부터 고체 입자를 물리적으로 분리하는 과정이고, 흡착은 고체의 표면에 기체나 용액의 입자들이 달라붙는 것이다. 필터의 종류에 따라 제거할 수 있는 입자의 크기는 달라지는데 미세한 입자를 여과할수록 필터의 능력이 뛰어나다고 할 수 있다. 공기가 이러한 필터를 지나가면서 고체 입자들이 필터에 걸려 분리되는 것이다.
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여과는 입자의 크기 차이를 이용하여 액체나 기체로부터 고체 입자를 물리적으로 분리하는 과정이다.
공기 중의 고체 입자의 분포는 0.001μm~500μm(1μm=10-6m)로 눈에 보이는 것부터 보이지 않는 것까지 다양한데, 이 가운데 10μm 이하의 직경을 가진 것을 미세먼지라 한다. 필터 방식으로 먼지를 제거할 때는 보통 섬유필터를 사용한다. 요즘 많이 사용하는 필터는 헤파 HEPA 필터인데, 0.3μm의 입자를 1회 통과시켰을 때 99.97% 이상 제거한다고 알려져 있다. 헤파필터는 미국에서 방사성 먼지를 제거하기 위해 개발되었다. 진드기, 바이러스, 곰팡이 등을 제거할 수 있는 까닭에 현재는 공기 청정기 뿐만 아니라 에어컨, 청소기 등에 널리 쓰이고 있다.
헤파필터는 불규칙하게 배열된 섬유들의 집합이다. 공기 중의 입자는 이들 섬유에 의해 차단되면서 정전기적 힘으로 섬유에 붙잡힌다. 헤파필터를 사용할 경우 세척이 가능한 프리필터를 먼저 통과시켜 크기가 더 큰 입자를 제거한다. 헤파필터를 자주 갈아야하는 불편을 줄이는 것이다. 헤파필터 뒤에는 필터의 등급을 나타내는 숫자가 있는데 이 숫자가 클수록 고효율임을 의미한다.
헤파필터로 거를 수 없는 더 작은 입자는 울파필터(ULPA, Ultra-Low Penetration Air)라는 초고성능 필터를 사용해 제거한다. 울파필터는 0.12μm 이상의 입자를 99.999%까지 제거할 수 있어 주로 반도체 연구실이나 생명공학 실험실의 클린룸에서 사용한다. 필터 방식의 공기 청정기를 사용할 때는 필터가 더러워져 공기가 재오염되는 것을 막기 위해 필터를 자주 세척하거나 필터의 교환주기를 철저히 지켜야 한다.
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헤파필터의 구조.
이온화 방식을 이용해 전기적으로 오염 물질을 제거
전기적으로 오염 물질을 제거하는 공기 청정기는 방전 에 의한 이온화 방식을 이용한다. 수천 볼트의 고전압을 걸어주면 전극 자체에서 전자가 생성되거나 전극 주위의 기체에서 전자가 만들어져 전극 주위에 플라즈마가 형성된다. 플라즈마란 기체 상태의 원자나 분자에서 전자가 분리되어 전자와 이온을 포함하고 있는 상태로 전기를 잘 전도한다. 이렇게 만들어진 전자가 공기 중의 입자에 부착되면 입자들이 (-)전하를 띠게 되고, 전하를 띤 먼지 입자는 정전기적 인력에 의해 반대 전하가 걸려 있는 집진판으로 이동하여 들러붙어 제거된다.
이온화 방식은 공기 정화 과정에서 오존이나 질소산화물 같은 산화물이 어느 정도 발생한다. 이러한 산화물은 반응성이 커서 공기 중 유해 물질의 분해를 촉진하는 살균 효과를 나타낸다. 그러나 오존 발생에는 주의를 기울여야 한다. 실내의 오존 농도가 높으면 기침, 두통, 천식, 알레르기질환 등의 원인이 되므로 환경부는 다중이용시설에 대해 실내의 오존 농도를 0.06ppm 이하로 관리하고 있다. | |
이온화 방식으로 먼지를 제거하는 원리의 예.
먼지 외의 각종 냄새의 원인을 제거하는 데는 활성탄 필터를 사용한다. 활성탄은 극히 미세한 수백만의 기공이 있는 다공성 물질로 1g의 활성탄이 500m2 이상의 표면적을 가지고 있어 기체나 액체 등을 효과적으로 흡착한다. 또한 살균력이 있는 자외선을 공기에 쪼여 미생물을 제거하는 방식이나 산화티탄을 이용해 유해 물질을 분해하거나 미생물을 죽이는 광촉매 방식도 공기 청정에 이용되고 있다
가장 손쉬운 공기 정화 방식은 실내 환기
실내 공기 오염이 날로 심각해지고 건강에 대한 관심도 날로 증가하고 있어 새로운 기술로 포장된 공기 청정기들이 속속 등장하고 있다. 각 업체가 내세우는 다양한 공기 정화 원리의 과학성과 효과에 대해서 의견이 엇갈리는 부분도 많다. 성능이 뛰어난 공기 청정기도 좋겠지만 우리가 할 수 있는 가장 손쉬운 공기 정화 방식인 실내를 자주 환기시키는 일을 잊지 말아야겠다. | |
‘뚫어뻥’은 욕실이나 주방에서 배수구가 막힐 때 공기 압력을 이용해 뚫어주는 도구로 일반가정의 욕실에서 흔히 눈에 띄기도 한다. 그러나 구조가 매우 간단한 도구임에도 불구하고 의외로 사용법을 잘 몰라서 어려워하는 사람도 있다. 그것은 이 도구의 원리를 잘 이해하지 못하기 때문이기도 하다. 따라서 이 도구가 어떤 원리로 작동하는지를 알면 쉽게 잘 사용할 수 있을 뿐만 아니라 경우에 따라 다른 곳에서도 이 원리를 응용할 수 있다.
공기의 압력차를 이용해서 뚫다
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뚫어뻥 은 변기나 주방 등의 막힌 부분을 공기의 압력차를 이용하여 뚫는 도구로 압축기의 일종이라고 할 수 있다. 종류는 앞부분이 반원형의 고무로 되어 있어서 그 부위의 압력차를 이용하는 것이 있고, 피스톤식으로 막힌 부분에 갖다 대고 손잡이를 끌어당기는 형식의 것 등 다양하나 원리는 동일하다. 즉, 공기 압력차에 의해 관 아래쪽에 있는 다량의 공기(또는 물)를 관 속으로 순식간에 주입함으로써 물의 흐름을 막는 장애물을 밀어내는 것이다. 이때 장애물이 관 내벽과 마찰을 일으키면서 크기나 모양이 변형되어 빠져나가게 되는 것이다.
작동과정을 살펴보면 먼저 공기통로에 뚫어뻥의 고무부분을 대고 누르면 뚫어뻥의 고무부분 쪽의 공기가 빠져 나가 그 속은 공기의 양이 적어진다. 그런 후에 다시 당겨 올리면 뚫어뻥 고무부분 속의 공기는 한정되어 있지만 부피가 늘어나서 기압이 약해진다. 그런데 관 아래쪽의 공기의 기압이 상대적으로 강하기 때문에 관 아래쪽의 고기압에서 관 위쪽의 저기압으로 공기가 흐르면서 동시에 관속 내용물(파이프를 막은 찌꺼기)등이 위로 올라오게 되는 것이다. 따라서 기구의 고무부분에 기압차가 클수록 작용하는 힘이 세어지기 때문에 공기를 빼낼 때는 가급적 완전히 빼내고 당길 때도 확실히 당겨준다. 금방 뚫어지지 않으면 밀고 당기는 과정을 몇 번 반복하면 막혀 있던 부분에 압력이 가해져 들어갔다 나왔다 움직이면서 결국 이물질이 아래로 빠져 나가거나 위쪽으로 올라오게 된다. 이렇게 하여 막혔던 부분이 뚫어지는 것이다. | |
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앞부분이 반원형의 고무로 되어 있어서 그 부위의 압력차를 이용하는 뚫어뻥. <출처: NGD> | |
뚫어뻥의 작동과정.
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