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醉月 2011. 2. 13. 07:37

음식을 오랫동안 신선하게 보관할 수는 없을까? 이 문제를 해결하기 위해 옛날부터 사람들은 많은 노력을 해왔다. 우리 선조들은 삼국시대부터 얼음을 저장할 수 있는 석빙고를 만들어 음식을 보관하였다. 오늘날에는 음식을 신선하게 보관하기 위해 냉장고를 사용한다. 그렇다면 이렇게 유용한 냉장고의 작동 원리는 무엇일까?

 

 

냉장고 안을 차갑게 유지시켜주는 장치와 원리

 

물질은 고체, 액체, 기체 상태로 존재하며, 상태가 변화할 때 열을 흡수 또는 방출한다. 즉 얼음이 녹아 물이 되거나, 물이 증발하여 수증기가 될 때 열을 흡수한다. 반대로 수증기가 액화하여 물이 되거나, 물이 응고되어 얼음이 될 때 열을 방출하게 된다. 액체가 기체가 될 때 흡수하는 열을 기화열이라고 한다. 물을 몸에 바르면 시원하게 느껴지는데, 이것은 물이 차가워진 것이 아니라 물이 증발할 때 피부의 열을 빼앗아 가기 때문이다. 물보다 끓는점이 낮은 에탄올을 몸에 바르면 물보다 더 시원한 느낌을 준다. 그 이유는 물보다 끓는점이 낮은 에탄올은 분자 사이에 작용하는 인력이 약해 증발이 더 잘 일어나기 때문이다.

 

냉장고는 액체 상태에서 기체 상태로 쉽게 변할 수 있는 냉매를 사용하여 주변의 열을 흡수하는 원리를 이용한 가전제품이다. 초기에는 에테르를 이용하여 냉장장치를 만들려는 노력을 하였다. 그렇다면 에테르보다 냉장 효과를 더 얻을 수 있는 물질은 없을까? 기체를 고압으로 압축하면 액체가 되는데, 이 액체가 기화하면서 열을 빼앗아 갈 수 있도록 하면 효과적인 냉장 장치가 될 수 있다. 그래서 사용한 것이 암모니아이며, 1913년 미국에서 암모니아 냉각제를 사용한 최초의 가정용 전기냉장고가 나오게 되었다. 그 후 암모니아가 프레온으로 대체되었으며 최근에는 천연가스 및 이산화탄소를 이용한 대체냉매가 사용되고 있다.

냉매의 상태 변화 과정을 통해 야채와 과일 등은 냉장고 안에서 신선함을 유지한다. <출처: NGD>

 

 

냉장고의 뒷부분이 뜨거운 이유는?

냉장고가 차갑게 유지되기 위해서는 냉매가 기체가 되고 다시 액체가 되는 과정을 끊임없이 반복해야 한다. 이러한 순환은 압축기에서 압축과정, 응축기(방열기)에서 응축 및 열방출과정, 모세관(또는 팽창밸브)을 지나면서 팽창과정, 증발기에서 증발과정으로 나누어지며, 이 과정들이 서로 연결되어 냉장과 냉동 역할을 한다. 압축기(컴프레서)에서의 압축과정은 냉매가 쉽게 기화할 수 있도록 준비하는 단계라고 할 수 있다. 증발기에서 오는 저압의 기체 상태인 냉매가 고압의 상태로 유지되어야 잘 순환할 수 있다. 그래서 압축기에서 전동기를 가동하여 냉매를 압축하고 순환시켜주는 역할을 한다. 압축기에서 압축된 냉매 가스는 고온(약80℃)·고압의 기체 상태이다. 압축기는 심장, 냉매는 혈액에 비유할 수 있다. 냉장고에서 위~잉하는 소리가 나는 경우가 있는데 이 소리는 냉매가 압축될 때 나는 소리이다.

 

압축기에서 나온 고온·고압의 냉매는 기체 상태이다. 이 기체 상태의 고압의 냉매가 응축기(방열기)에서 액화되어 온도가 낮은(약40℃) 액체로 변하게 된다. 이때 방열기 표면으로부터 열이 방출된다. 응축기는 열이 잘 발산할 수 있는 구조로 이루어져 있다. 냉장고의 뒷부분이 뜨거운 이유는 응축기에서 나오는 열 때문이다. 응축기에서 나온 냉매는 고압이므로 끓는점이 높아 기체로 변하기 어렵다. 그러므로 압력을 낮추어 쉽게 기화가 일어나도록 해야 한다. 압력을 낮추는 원리는 베르누이의 정리 로 설명할 수 있다. 베르누이의 정리는 유체의 속력이 빠르면 압력이 낮아지고 유체의 속력이 느리면 압력이 높아진다는 원리이다. 관의 굵기가 작은 모세관을 장치하면 관속의 냉매의 속력이 빨라지고 압력이 낮아지기 때문에 쉽게 증발이 일어날 수 있다. 즉, 모세관은 압력이 높은 냉매를 압력이 낮고 차가운 냉매로 바꾸어주는 역할을 한다.

 

냉장고의 기본 구조.

 

모세관을 통과한 저온·저압의 액체인 냉매는 증발기로 들어가 주변으로부터 열을 빼앗으며 기체 상태가 된다. 이 과정에서 급격히 온도를 떨어뜨려 냉장고 전체를 시원하게 해주는 것이다. 그리고 기체로 된 냉매는 증발기에서 나와 압축기로 되돌아가게 된다. 이러한 순환 과정을 거치면서 냉장고 안의 낮은 온도가 계속 유지되는 것이다. 즉, 냉장고는 전기의 힘으로 압축기를 작동하여 냉매를 순환시키면서 냉매의 기화열 및 액화열을 이용하는 기기라고 할 수 있다.

 

냉각의 원리.

 

 

냉장고의 냉각방식과 냉매

냉장고의 냉각 방식에는 직접냉각식(직냉식)과 간접냉각식(간냉식)이 있다. 직냉식은 냉각기가 냉장고 안에 노출되어 있는 방식이고, 간냉식은 냉각팬에 의해 냉기를 순환시키는 방식이다. 직냉식은 성에가 잘 끼지만 소비전력은 적고, 간냉식은 성에가 덜 끼지만 소비전력이 크다. 냉각 성능의 경우 직냉식이 더 높다. 이외에도 일반적인 냉장고는 온도센서를 장치하여 냉장고 내의 온도 설정 값이 되면 모터를 정지시키는 장치 및 서리 제거를 위한 자동제어장치를 연결하여 냉장고의 효율을 높이고 있다.

 

과거에는 냉장고의 냉매로 암모니아나 이산화황, 염화메틸을 사용했는데 이들은 독성, 인화성, 부식성, 자극성, 악취, 환경오염 등의 문제가 발생하였다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 대체 가스로 프레온(R-12)을 발명하였으며, 이 프레온은 냉장고, 에어컨의 냉매로 사용되어왔다. 그러나 프레온은 지구 대기 오존층을 파괴하는 물질로 밝혀져 1987년부터는 몬트리올 의정서에 의해 프레온가스를 사용하지 않기로 했으며, 현재는 프레온 가스를 대체하는 용매를 사용하고 있다. 우리나라 가정용 전기냉장고의 경우에는 R-132a와 천연가스 이소 부탄(R-600a)을 많이 사용하고 있다.

 

 

일반 냉장고와 김치 냉장고의 차이

최근에는 각 가정에서 김치냉장고를 많이 사용하고 있다. 김치냉장고는 일반냉장고에 비해 뛰어난 냉기 단속 능력으로 김치를 오랫동안 보관할 수 있도록 한 것이다. 일반냉장고는 문을 열면 외부의 공기가 냉장고 안으로 들어간다. 그러나 김치냉장고는 서랍식, 또는 상부 개폐식으로 만들어져 문을 열어도 외부의 따뜻한 공기가 들어가기가 어렵다. 따뜻한 공기가 차가운 공기보다 밀도가 작기 때문이다. 이러한 원리로 김치냉장고는 온도 변화를 적게 하여 오랫동안 식품을 신선하게 보관할 수 있는 것이다.

2009년에 개봉하여 화제를 모았던 영화 [해운대]는 대한해협에서 발생한 지진에 의해 만들어진 쓰나미가 불과 수 분 만에 부산 앞바다에 도착하여 벌어지는 여러 가지 사건을 다룬 쓰나미 재난영화이다. 이 영화는 가상의 시나리오였지만 실제로 쓰나미는 지금까지 세계 곳곳에서 여러 차례 발생하여 엄청난 위력으로 해안가 지역을 초토화시키며 수많은 인명피해와 재산상의 손실을 가져오는 자연재해이다.

 

지진에 의해 발생한 해일이 거대한 파도를 만들어낸다.

 

 

‘쓰나미’의 의미

‘쓰나미(津波·Tsunami)’는 ‘지진해일’을 뜻하는 일본어이다. 해안(津:진)을 뜻하는 일본어 ‘쓰(tsu)’와 파도(波:파)의 ‘나미(nami)’가 합쳐진 ‘항구의 파도’란 말로 선착장에 파도가 밀려온다는 의미이며, 일본에서는 1930년경부터 사용되기 시작하였다. 그러던 중 1946년 태평양 주변에서 일어난 알류샨열도 지진 해일이 당시로서는 자연재해 사상 최대 규모의 희생자를 내자 세계 주요언론들이 '지진과 해일'을 일컫는 '쓰나미(tsunami)'라는 일본어를 사용하기 시작했다. 그리고 1963년에 열린 국제과학회의에서 '쓰나미'가 국제 용어로 공식 채택됐다.

 

해일이란 거대한 파도가 밀려오는 현상으로 지진, 폭풍, 화산 활동, 빙하의 붕괴 등에 의해 생길 수 있다. 이 중 지진에 의해 발생된 지진 해일이 쓰나미이다. 바다 밑의 해양지각에서 지진이 발생하여 지각의 높이가 달라지면 지각 위에 있던 물의 해수면도 굴곡이 생겨 해수면의 높이가 달라지게 된다. 달라진 해수면의 높이는 다시 같아지려 하므로 상하방향으로 출렁거림이 생겨나게 된다. 해수의 이런 출렁거림, 즉 파동은 옆으로 계속 전달되어 가는데, 이것이 바로 지진 해일인 쓰나미를 발생시킨다. 해일의 주기는 수 분에서 수십 분이며 파장은 수백 킬로미터에 달한다. 이 파는 수심의 20배에 달하는 매우 긴 장파이며 바다의 깊이가 4km이면 해일의 속도는 시속 720km의 매우 빠른 속도로 이동하게 된다. 해일의 주기가 매우 길어서 넓은 바다에서 보면 그 움직임이 크게 느껴지지는 않으나 이 해일이 해안가로 다가올수록 바다의 수심이 점점 얕아지므로 해일의 파고는 점점 높아지게 된다.

 

 

해일이 해안가로 다가올수록 해일의 파고가 높아지는 이유는?

천해파의 속도공식은  (v : 속도, g : 중력가속도 , h : 수심)이다. 중력가속도 g를 9.8이라 하면 로 표시된다. 이 속도공식에서 보면 수심이 깊을수록  파의 속력이 매우 빨라진다. 수심 4000m인 바다에서 파고의 높이는 대략 1m 정도이다. 그러나 이 파가 해안가로 다가올수록 수심이 점점 얕아져 파의 속도는 점점 감소하게 된다. 수심이 얕아지면 물과 바닥과의 마찰이 심해져서 점점 속도가 감소하게 되는 것이다. 그러나 속도는 느려지는 데 반해 해일의 주기와 해일이 가져온 총 에너지는 거의 줄어들지 않는다. 결국 파의 앞부분은 속도가 느려졌으나 뒤에서 밀려오는 파의 주기와 에너지는 거의 줄어들지 않은 상태이므로 파장은 짧아지고 에너지는 좁은 범위에 축적된다. 그리고 나면 물이 높게 쌓여 파도의 높이가 수십 미터에 달하는 해일로 변하여 해안가에 도착하게 된다.

 

 

해일이 해안가로 다가올수록 수심이 얕아지면서 파의 속도가 줄고 그 결과 해일의 파고는 높아진다.

 

 

이때 해일이 파의 골 부분부터 도착하는 경우가 있는데 이런 경우에 해안가의 물이 바다 쪽으로 일시적으로 빨려나가 바닥이 드러나는 놀라운 일이 벌어진다. 그러나 곧바로 파고가 매우 높은 파마루가 도착하므로 이는 매우 위험한 상황이라 할 수 있다. 이런 현상은 1755년 11월 1일 포르투갈의 리스본에서 일어난 바 있는데, 이때 이 현상에 호기심을 가진 사람들이 바닥이 드러난 만(灣)에 있다가 불과 수분 후에 연속적으로 밀려온 높은 파고의 파마루에 의해 많이 희생되었다. 2004년 인도네시아에서 발생한 쓰나미에서도 이런 현상이 나타났다.

 

2004년 12월 26일 인도네시아에서 규모 9.3의 강진이 발생한 이후 지진해일이 덮쳐 20만 명에 가까운 사망자가 발생했다. 이 지진해일은 반다아체 지역에서 40km 떨어진 지역에서 발생한 해저지진에 의해 발생한 것으로 가장 많은 인명피해를 낸 쓰나미로 기록되어 있다. 이 지역은 유라시아판과 인도판이 서로 부딪치는 부분으로 매년 4cm씩 가까워지는데 이것이 900년간 축적되었다가 그 스트레스로 두 지각이 서로 맞물리면서 하나의 지각이 갑자기 치솟아 지진이 발생했다. 이 때 바로 위의 바닷물이 순간적으로 위아래로 요동을 쳐서 그 여파로 해일이 생겨난 것이다. 심해에서 바닷물이 요동치면서 바닷물은 제트 항공기 속도와 맞먹는 시속 600km 속도로 이동하고 이 물이 남아시아 해안가로 일제히 솟구치면서 파고 4m의 거대한 파도로 돌변하여 엄청난 양의 물이 육지를 덮쳤다. 이 파고의 높이는 지형에 따라 훨씬 더 높이까지 올라갈 수 있는데 특히 해안선이 복잡한 리아스식 해안에서는 이 경향이 뚜렷하다.


과거에 발생했던 가장 파괴적인 쓰나미로는 1703년 일본의 아와[阿波] 지역에서 발생한 것으로 10만 명 이상의 사망자를 낸 것으로 알려져 있다. 또 1883년 8월 26일과 27일에 일어난 방대한 규모의 해저 화산폭발은 크라카타우섬을 소멸시켰는데, 이때 동인도 여러 지역에서는 35m에 달하는 높은 해파가 발생했고, 3만6천 명 이상의 사망자를 냈다.

 

 

우리나라는 쓰나미의 위험이 없는 곳일까?

3면이 바다로 둘러싸여 있고 게다가 지진다발지역인 일본에 가까운 우리나라는 결코 쓰나미로부터 자유로울 수 없는 곳이다. 실제로 동해안에서도 1983년과 1993년 일본 근해에서 발생한 지진해일로 인해 피해를 입은 사례가 있다. 태평양 연안이나 멀리 있는 지역에서 발생한 쓰나미도 바다를 통해 세계 곳곳으로 전달될 수 있다. 해안에서 반사된 파는 다른 곳으로 이동되므로 다양한 양상으로 여러 곳에 전달되기 때문이다.


그러나 지진해일은 예보가 가능하므로 신속하게 대처한다면 피해를 최소화할 수 있다. 2010년 2월 27일에 칠레 해상에서 해저지진에 의해 발생한 쓰나미도 미리 경보가 내려져 피해에 대비할 수 있었으며, 우리나라에도 예보된 해일이 하루 정도의 시간을 두고 도착하였으나 거리가 워낙 멀어 파괴력은 약했다. 만약 일본의 북서 근해에서 지진이 발생한다면 1시간에서 1시간 30분 후 대한민국 동해에 영향을 미치기 시작한다. 지진해일 예보가 발령되면 신속하게 높은 지역으로 이동하는 것이 가장 좋으며 높은 지역으로 이동할 시간이 부족하다면 붕괴의 위험이 없는 높은 건물의 옥상으로 재빨리 대피하는 것이 쓰나미의 피해를 최소화할 수 있는 방법이다.

바람이 부는 것은 고기압에서 저기압으로 공기가 이동하는 현상이다. 날씨가 더울 때 부채질을 하면 시원하게 느껴지는 이유는 부채가 주변의 공기를 걷어내 저기압 상태를 만들고, 기압차이로 인해 이 공간으로 공기가 밀려들어오게 되면 바람이 생기기 때문이다. 이 바람은 피부의 땀이나 체액의 증발을 가속시킨다. 액체가 증발할 때는 열이 필요하기 때문에 땀이 증발하면서 몸의 열을 빼앗아 간다. 그래서 체온이 내려가게 되고 우리는 시원함을 느끼게 된다.

 

 

날개 없는 선풍기의 발명

 

부채질을 하여 더위를 식히는 것은 우리 몸을 직접 움직이는 일이라 좀 지나면 다시 열이 나고 힘이 들게 된다.  사람이 힘들게 바람을 만드는 대신에 지속적으로 시원한 바람을 만들어 내는 기구가 여름철에 우리가 사용하는 선풍기나 에어컨이다. 선풍기의 원조는 큰 부채를 천정에 매달아 시계추처럼 움직이게 한 것이었다.

 

지금과 같은 날개가 달린 선풍기가 나온 것은 1800년대 중반쯤으로 태엽을 감아서 선풍기 날개를 돌아가게 했다고 알려져 있다. 이후 동력이나 사용의 편리함을 위해 기능이 조금씩 변화 하긴 했지만 선풍기를 떠올리면 풍차나 바람개비와 같은 날개가 회전하면서 바람을 일으키는 모습이 떠오르는 사실에 큰 변화가 없다.

 

하지만 인간의 상상력은 언제나 획기적인 발명품을 만들어 내는 법, 2009년 영국의 다이슨(Dyson) 회사가 날개 없는 선풍기를 개발했다. 날개가 없는데 어떻게 바람이 생기는 것일까?  겉으로 보기에 너무 간단한 구조라 도대체 바람이 어떻게 만들어지는지 더 궁금할 것이다.  실제로 선풍기 날개는 없어진 것이 아니라 바람을 일으키는 선풍기의 날개(팬)는 모터와 함께 원기둥 모양의 스탠드에 숨어 있다. 스탠드 안을 들여다보면 비행기의 제트 엔진을 연상시키는 팬과 모터가 있다. 즉 공기를 끌어들이기 위해 제트엔진 의 원리 를 이용한 것이다.

다이슨(Dyson)사에서 만든, 날개 없이 바람을 만들어 내는 선풍기.

 

제트엔진이 추진력을 얻기 위해 필요한 공기를 팬을 회전시켜 흡입하듯이 날개 없는 선풍기도 스탠드에 내장된 팬과 전기 모터를 작동하여 아래쪽으로 공기를 빨아들인다. 이렇게 빨아 올린 공기를 위쪽 둥근 고리 내부로 밀어 올린다. 이 모터는 1초에 약 5.28갤런(약20리터) 정도의 공기를 흡입하여 끌어올릴 수 있고 비교적 적은 양의 전력으로 일을 할 수 있기 때문에 에너지 효율이 좋은 편이다.

 

 

둥근 고리 속의 비밀: 베르누이 원리

그림에서 보는 것처럼 둥근 고리의 단면은 속이 빈 비행기 날개의 모양이다. 속이 빈 둥근 고리 내부로 밀려 올라간 공기는 고리의 구조적 특징 때문에 약 88km/h정도로 유속이 빨라진다.  이 빠른 속력의 공기가 빈 고리 내부의 작은 틈을 통해 빠져나오면서 둥근 고리 안쪽 면의 기압은 낮아지게 된다. 이 때문에 선풍기 고리 주변의 공기는 고리 안쪽으로 유도되어 고리를 통과하는 강한 공기의 흐름을 생기게 한다. 이 때 고리를 통과하는 공기의 양은 모터를 통해 아래쪽으로 빨려 들어간 공기의 양보다 15배 정도로 증가하게 되는데 이러한 원리로 바람이 만들어지기 때문에 이 고리가 날개 없는 선풍기 역할을 톡톡히 하게 된다.

 

날개 없이 시원한 바람을 만드는 선풍기의 원리.

 

 

속이 빈 고리의 단면 위쪽(고리 바깥 면)은 비행기 날개 윗면과 비슷한 곡면이고, 아래쪽(고리 안쪽 면)은 비행기 날개 아랫면처럼 상대적으로 평평하다. 고리를 이루는 바깥 면과 안쪽 면은 약 1.3mm정도의 작은 틈을 사이에 두고 맞물려 있다. 그런데 고리 단면은 왜 비행기의 날개모양을 닮았을까?


비행기가 날기 위해서는 공기가 비행기를 위로 밀어 올리는 힘이 필요하다. 이 힘의 비밀은 비행기 날개 모양에 있다.  비행기 날개는 윗면이 아랫면보다 불룩하다. 공기가 비행기의 평평한 아랫면보다 불룩한 윗면을 지나갈 때 마치 좁은 관 속을 지나는 것처럼 속도가 더 빨라지게 된다. 공기의 속도가 빠른 윗면은 기압이 낮아지고 상대적으로 평평한 아랫면의 기압은 높아지게 되는 것이다. 공기의 힘은 고기압에서 저기압으로 작용하므로 기압이 높은 아래쪽에서 위로 힘이 작용하게 된다.  이로 인해 비행기는 뜨게 된다. 이를 베르누이 원리 라고 하는데 날개 없는 선풍기의 고리 모양도 이 원리를 이용하고 있다. 비행기 날개 모양을 닮은 빈 고리 내부에서 빠른 공기의 흐름이 생기게 되고 이 공기가 맞물린 작은 틈을 통해 강하게 불어나오며 고리 바깥 주변의 공기가 둥근 고리를 통과하게 되는 일정한 방향의 강한 기류가 생기게 된다.

 

 

 

속이 빈 고리 내부와 그 주변에서 바람이 생기는 원리.

 

 

날개 없는 선풍기의 좋은 점

날개 없는 선풍기는 크기가 작고 구조가 매우 간단하다. 고리와 모터가 있는 부분이 분리되기 때문에 간편하게 보관할 수 있고, 먼지가 쌓일 날개가 없기 때문에 위생적이며 청소도 간편하다. 또한 겉으로 드러나는 회전날개가 없기 때문에 아이가 있는 집에서 안심하고 사용할 수 있다. 전기에너지를 이용하는 날개 달린 선풍기가 처음으로 사용되었던 1900년 초에는 어린아이들이 손가락을 넣어 다치는 일이 자주 발생했었다고 한다. 물론 지금도 어린아이들이 실수로 선풍기 날개에 손을 넣거나 장난을 하지 않도록 집에서 선풍기망을 씌우고 주의를 주고 있는 상황이다.  그렇다면 실수로 아이들이 날개가 없는 선풍기 고리에 손을 넣으면 어떻게 될까? 산꼭대기에서 계곡으로 바람이 불어 오듯이 시원한 바람을 맞게 될 뿐 사고의 걱정은 하지 않아도 좋을 것이다.

 

날개 없는 선풍기의 또 하나의 장점은 바람이 훨씬 부드럽다는 것이다. 날개 있는 선풍기는 바람개비처럼 날개가 돌기 때문에 공기를 비스듬하게 쪼개면서 바람을 만든다. 이 때문에 불규칙한 바람이 불게 되는데, 선풍기 앞에서 소리를 내면 소리가 요동치는 듯한 것이 바로 이 때문이다. 하지만 날개 없는 선풍기는 균일한 바람을 불게 한다.

 

초절전, 공기청정, 고온살균, 로봇필터청소…. 여름을 앞두고 판매전쟁에 나선 에어컨 업체들은 각종 첨단 기능을 앞세워 소비자의 호주머니를 공략한다. 그러나 에어컨의 기본적인 기능은 예나 지금이나 변함없이 습기를 줄이고 공기를 냉각하는 것이다.

 

 

고대부터 현대까지 시원해지기 위한 사람들의 노력

고대 로마인은 집 안을 시원하게 하기 위해 찬 물이 순환되도록 벽 뒤에 수도관을 설치했고, 2세기 중국인인 딩 환은 직경이 3m에 달하는 회전하는 바퀴가 달린 팬을 개발해서 연못 주위의 찬 공기를 집 안으로 끌어들였다. 이와 같이 공기를 순환·냉각시키려는 시도는 오래 전부터 이어져 왔다. 1758년 벤자민 프랭클린(1706-1790)과 그의 동료인 존 하들리(1731-1764)는 수은 온도계에 에테르를 적신 후 계속 풀무질을 해 에테르를 증발시켜 온도를 -14℃까지 떨어뜨렸다. 이 실험은 현재 우리가 잘 알고 있는 사실-물질이 상태변화를 할 때 열의 흡수나 방출이 일어난다. 열이 흡수되면 온도가 내려가고 열이 방출되면 온도가 올라간다. 액체인 에테르가 증발하는 것은 기체로 상태 변화하는 것이고 이 때 열을 흡수하여 온도가 내려간다-을 보여준다.

 

 

에어컨을 통해 나오는 시원한 바람, 그 안에 숨겨진 원리는?

 

 

마이클 패러데이(1791-1867)는 1820년에 압축-액화된 암모니아가 다시 기화할 때 공기가 차갑게 변하는 것을 발견했다. 암모니아의 독성이 문제였으나 아무튼 모든 현대의 냉각 기술은 마이클 패러데이의 발견에 바탕하고 있다고 볼 수 있다. 1842년에는 존 고리에가 패러데이의 압축 기술을 얼음을 만드는 데 이용했고 1902년에 미국의 윌리스 하빌랜드 캐리어가 최초의 상업적인 에어컨을 만들어 인쇄 공장에 이용했다. 캐리어의 설계 역시 패러데이의 암모니아에 의한 냉각 시스템에 기초한 것이다.


초기 에어컨과 냉장고의 냉각제로 암모니아, 염화메틸, 프로판 등의 기체가 쓰였는데 독성과 가연성 때문에 이러한 기체들이 누출될 경우 위험했고 사고도 잦았다. 1920년대 인체에 안전한 프레온을 개발했으나 이후 프레온이 대기의 오존층을 파괴한다는 사실이 밝혀졌다. 현재 에어컨에 가장 많이 사용되는 냉매는 R-22로 알려진 HCFC인데 역시 오존층을 파괴하는 물질이다. 이 R-22는 우리나라의 경우 2013년까지 생산·수입을 제한해 2030년에는 완전히 금지될 전망이다.
 

에어컨의 기본 원리: 기화열에 의한 냉각

에어컨의 기본적인 원리는 한마디로 기화열에 의한 냉각 이다. 액체가 기체로 기화할 때는 열을 흡수하고 기체가 액체로 응축할 때는 열을 방출한다. 기화할 때 흡수하는 열이 기화열이다. 에어컨은 압축기로 압력을 크게 변화시켜 기체 상태였던 냉각제를 액체로 응축한 후 압력을 낮춰서 증발기 안에서 액체 상태의 냉각제가 다시 증기로 기화할 때 열을 빼앗아 주위의 온도를 낮춘다. 에어컨과 냉장고에 의한 냉각은 많은 기화열을 효율적으로 얻을 수 있는 간단한 냉각 사이클을 통해 이루어진다. 열은 원래 높은 온도에서 낮은 온도로 이동하지만 에어컨의 냉각 사이클을 통해서 반대 방향인 낮은 온도의 실내에서 높은 온도의 실외로 옮겨간다. 실내기에서는 찬 바람이 나오고 실외기에서는 더운 바람이 나온다. 냉장고도 마찬가지로 열이 낮은 온도의 기기 안에서 높은 온도의 기기 밖으로 옮겨간다.

 

냉각과정: 냉각제가 압축기, 응축기, 팽창벨브, 증발기을 거치며 냉각이 이루어짐

 

 

구체적인 냉각 과정은 냉각제가 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기를 거치며 이루어진다.


1. 압축기

실외기 속에 있다. 기체 상태의 냉각제는 먼저 압축기에서 고온, 고압의 상태가 된다. 대부분의 냉각 시스템은 압축기를 작동하기 위해 전기 모터를 사용한다.

 

2. 응축기

실외기 속에 있다. 압축기를 나온 고온, 고압의 기체는 외부에서 흡입된 공기와 만나 식으면서 액체가 된다. 이 때 열을 방출하므로 실외기에서는 더운 공기가 토출된다.


3. 팽창밸브

실내기나 실외기 어느 한 곳에 있다. 좁은 곳을 통과할 때 유체의 속도가 커지고 압력이 낮아지는 현상을 이용해 모세관을 통과시켜 고압 상태인 액체의 압력을 낮춘다. 압력을 낮추어야 액체가 증발기에서 잘 증발될 수 있기 때문이다.

 

4. 증발기

실내기에 있다. 팽창밸브를 나온 액체 상태의 냉각제는 온도와 압력이 낮다. 이러한 액체는 주위의 더운 공기에서 열을 흡수해 기체 상태로 증발한다. 주위의 공기는 차가워 지고 팬이 돌면서 이 공기를 실내로 내보낸다. 완전히 증발된 기체는 다시 압축기로 들어가 냉각 시스템의 순환이 계속된다.

 

 

시원한 공기에는 전기에너지라는 대가가 필요하다

이렇듯 에어컨은 저온에서 고온으로 열에너지를 전달한다. 여기에 이상한 점이 있다. 뜨거운 국에 담긴 숟가락이 뜨거워지듯이 열에너지는 고온에서 저온으로 이동하는 것이 아닌가? 증기 엔진을 살펴보자. 이 열기관은 뜨거운 열원에서 열에너지를 얻어 바퀴를 돌리는 등의 일을 하는데 이 때 일부의 열은 저절로 낮은 온도로 흘러가 손실된다. 엔진을 아무리 잘 설계해도 주어진 열을 100% 일로 바꾸는 열기관을 만드는 것은 불가능하다. 이것이 열역학 제2법칙 이다. 이것은 자연계에 비가역적인 과정이 있음을 의미한다. 저온에서 고온으로 열에너지를 전달하는 대표적인 열 펌프인 에어컨은 열역학 제2법칙에 어긋나는 것처럼 보인다. 그러나 에어컨은 전기 에너지를 소비해야만 작동한다. 즉 저온에서 고온으로 열에너지를 전달하기 위해 그보다 더 많은 에너지를 소모하므로 계 전체의 엔트로피는 증가하게 되고 결국 열역학 제2법칙을 만족시킨다. 에어컨이 없는 여름을 생각할 수 없는 세상이 되었지만 시원한 공기가 저절로 주어지는 게 아니라는 것을 고려한다면 지나친 냉방을 삼가게 될 것이다.

영화 [타이타닉]을 본 사람이라면 누구나 빙산에 부딪쳐서 가라앉는 배를 보며 안타까움을 금치 못했을 것이다. 그렇게 호화롭고 아름답던 배가 한 순간에 대서양 심해 아래로 가라앉음으로써 영원한 침묵을 하게 되다니…. 수면 위에서는 그렇게 위풍당당하던 배도 물 아래로 내려가면 별 수 없구나 하는 생각이 들지도 모른다. 그러나 모든 배의 운명이 타이타닉호와 같은 것은 아니다. 즉, 물 속으로 가라앉아도 그 기능과 생명력이 끝나지 않는 배도 있다. 바로 잠수함이 그것이다. 그렇다면 잠수함은 어떤 원리로 물 위에 떠 있기도 하고 바다 속으로 잠수할 수도 있는 것일까?

 

 

부력이란?

이것을 알기 위해서는 먼저 부력 의 개념을 알아야 한다. 예를 들어 우리가 수영장에 있다고 생각해 보자. 일정한 크기의 밀폐봉지에 가벼운 모래가루를 채워서 물 속으로 넣어보자. 이 봉지는 바닥으로 가라앉을 수도 있고, 모래의 밀도에 따라 바닥으로 가라앉지도 않고 위쪽으로 떠오르지도 않으면서 수영장 중간 깊이쯤에 잠겨 있을 수 있다.

 

그림1: 부력의 양상

 

 

<그림1>에서 (가)와 같이 중간 깊이쯤에 잠겨 있다고 가정한다면, 이 봉지를 중간쯤에 떠 있게 하는 힘은 무엇일까? 그림 (가)에서 봉지가 가라앉도록 아래쪽으로 작용하는 힘은 봉지 속 공간 안에 채워져 있는 물질에 작용하는 중력이고, 봉지가 떠오르도록 위쪽으로 작용하는 힘은 봉지 주변의 물에 의해 봉지 안에 있는 물질에 가해지는 힘인 부력이다. 부력은 수면 아래로 내려감에 따라 증가하는 물의 압력으로부터 생기는 힘이다.

 

그림2: 부력의 원리

 

 

<그림 2>의 (가)와 같이 어떠한 이유로 물 속에 물이 없는 일정한 공간이 생긴다고 가정하자. 그 공간 주변의 물은 그 공간을 향해 힘을 가하게 된다. 모든 방향에서 비어 있는 이 공간을 향한 힘들을 합하면 수평의 힘들은 상쇄되고 <그림 2>의 (나)와 같이 수직의 힘만 남게 된다. 물 속에서의 수직의 힘은 물의 압력에 의해 생기는 힘이다. 물의 압력은 수면에서 아래로 내려갈수록 커지므로 힘 Fup의 크기가 힘 Fdown의 크기보다 크게 된다. 그러므로 최종적으로 남게 되는 힘은 힘 Fup와 힘 Fdown의 합력 F이고 이 힘F를 부력이라고 한다.

 

 

아르키메데스의 원리

어떤 물체의 전체 또는 일부분이 물 속에 잠기게 되면 잠긴 공간만큼의 물을 밀어내게 되고 그 밀어낸 물의 무게에 해당하는 크기의 부력이 생기게 되는데, 이를 아르키메데스 원리 라고 한다. 그러므로 <그림 1>의 (가)는 봉지에 담긴 물질에 작용하는 중력과 부력이 힘의 평형을 이루고 있어서 중간 깊이에서 떠 있을 수 있게 되는 것이다. 그런데 <그림 1>의 (나)와 같이 봉지에 가벼운 모래가루를 빼내고 무거운 돌멩이로 채워서 물에 넣어 보면 이 봉지는 어떻게 될까? 아마도 봉지는 수영장 바닥으로 가라앉을 것이다. 이는 봉지의 부력보다 봉지 속에 채워진 물질의 무게가 더 커서 봉지가 아래로 가라앉기 때문이다.


이번에는 같은 봉지에 가벼운 스티로폼을 채워보자. 이때 작용하는 부력은 <그림 1>의 (가), (나)의 크기와 같을 것이다. 왜냐하면 봉지의 부피가 같으므로 밀려나간 물의 부피도 같아서 부력도 같기 때문이다. 스티로폼을 채운 봉지는 돌멩이나 모래가루를 담은 비닐봉지보다 무게가 훨씬 가벼울 것이다. 그래서 부력에 비해 작아진 무게 때문에 이 비닐봉지를 위쪽으로 떠오르게 하는 힘이 더 커지게 된다. 만약 무게가 너무 가볍게 되면 <그림 1>의 (다)처럼 봉지 일부가 물 밖으로 나오게 될 것이다. 이때는 봉지의 가라앉은 부분만큼의 부피가 부력의 크기를 결정하므로 물 밖으로 나온 부분을 제외하고 물 속에 잠겨 있는 부분만큼의 부력이 생기게 된다. 그러므로 완전히 잠겼을 때의 부력보다 부력이 줄어들게 되어 줄어든 무게와 평형을 이루게 된다.

 

 

중력과 부력을 이용한 잠수함의 잠수 원리

이와 같은 원리를 이용하여 잠수함도 부력을 조절하면서 잠수와 부상을 자유롭게 할 수 있게 된다. 잠수함은 배의 앞부분과 뒷부분에 있는 주부력 탱크에 바닷물을 채워서 잠수함의 중량을 조절하고 압축공기를 빼내거나 불어 넣으면서 부력을 조절하여 잠수와 부상을 한다.잠수함이 바다 속으로 잠수해야 하는 경우, 주부력 탱크에 바닷물을 많이 채워서 잠수함의 무게를 늘리면 잠수함이 바다 속에서 차지하는 부피에 해당하는 부력의 크기보다 바다 아래쪽으로 작용하는 중력이 더 커져서 잠수함은 가라앉게 된다.

 

 

주부력 탱크 안의 물을 잠수함 밖으로 내보내면 잠수함의 무게가 줄어 부력이 중력보다 커지므로 잠수함이 바다 위쪽으로 떠오른다. <출처: NGD>

 

 

잠수함이 물 속에 잠겨 있다가 떠올라야 할 경우에는 주부력 탱크에 압축 공기를 불어넣어 탱크 안의 바닷물을 잠수함 밖으로 배수시킨다. 그러면 잠수함의 무게가 줄어들어 부력이 중력보다 커지게 되며 잠수함은 바다 위쪽으로 떠오르게 되는 것이다. 이렇게 부력이 중력보다 커서 잠수함이 부상하는 상태가 되는 것을 ‘양성 부력’이라고 한다. 또한 중력이 부력보다 커서 잠수함이 가라앉게 되는 상태를 ‘음성 부력’이라 하고, 중력과 부력이 같은 상태를 중성부력이라고 한다.


또한 바다의 해수 염분이 장소에 따라 조금씩 다르기 때문에 잠수함의 부력도 변하게 되는데, 잠수함이 염분이 높은 해수 쪽으로 이동할 때는 상대적으로 잠수함의 부력이 커져서 양성 부력이 되기 때문에 잠수함은 떠오르게 된다. 이것은 바닷물에서 염류의 농도 때문에 해수의 밀도가 커져서 민물에서보다 몸이 더 잘 떠오르는 것과 같은 원리이다. 반대로, 잠수함이 염분이 낮은 해수 쪽으로 이동할 때는 상대적으로 잠수함의 부력이 작아져서 음성 부력이 되고 잠수함은 가라앉으려고 한다. 이와 같이 잠수함은 바닷물의 밀도에 따른 중력과 부력의 원리들을 적절히 이용하여 잠수와 부상을 자유자재로 할 수 있는 것이다.

우리 주변에 있는 많은 물건과 구조물들은 나사의 도움으로 결합되거나 지탱되고 있다. 나사는 물체와 물체를 쉽게 결합하기 위해 사용되거나, 기름을 짤 때 쓰는 압착기나 공장에서 사용하는 기계에 큰 힘을 전달하기 위해 사용되기도 한다. 만약 어느 날 나사가 사라진다면 어떤 일이 벌어질까? 집안에 있는 가구나 전기제품이 모조리 분해되어 후루룩 떨어지고 달리던 자동차도 부품 별로 해체되어 여기 저기 흩어져 버릴 것이다.

 

 

나사의 구조

 

나사란 원통 모양에 한쪽 방향으로 계속 회전하는 홈을 파 놓은 것이다. 원통에 홈을 팔 때 원통 바깥쪽으로 홈을 판 것은 ‘수나사’라 하며 ‘볼트(bolt)’이고, 원통의 안쪽으로 홈을 판 것을 ‘암나사’라 하며 ‘너트(nut)’라고도 한다. 가장 흔하게 볼 수 있는 수나사와 암나사의 모양은 페트병 주둥이와 뚜껑이다.


나사는 매끈한 못과는 달리 바깥으로 나오고 안으로 들어간 부분이 있다. 즉, 요철을 지니고 있는 것이다. 바깥으로 튀어나온 곳을 ‘산’, 안으로 들어간 곳을 ‘골’이라 하는데, ‘피치(pitch)’는 나사의 축방향으로 산과 산(골과 골) 사이 거리를 나타내며, 지름의 크기와 함께 나사의 규격을 표시한다. 피치가 작을수록 나사선(나선) 간격은 촘촘하고 결합력이 강해진다.

나사의 구조와 명칭.

 

빗면의 원리를 이용한 나사

직각 삼각형을 양초, 연필과 같은 원기둥에 아래 그림처럼 감아보자. 삼각형의 빗면이 나선을 그리는 것을 볼 수 있다. 빗면을 사용하면 작은 힘으로도 일을 할 수 있는데 높은 산을 올라갈 때 완만한 경사를 따라 걸어가는 것이 가파른 길을 걸어갈 때보다 훨씬 힘이 적게 드는 원리와 같다. 만약, 무게 W인 물체를 직접 위로 들어 올린다면 중력을 이겨내야 하므로 최소한 무게와 같은 힘 W가 필요하다. 하지만 빗면의 원리 를 이용하면 원하는 높이까지 끌어올리는 힘(F)=Wsinθ이므로 무게보다 작아지게 된다(마찰력은 없다고 가정, sinθ는 -1부터 1까지의 값을 가짐). 이와 같이 빗면을 이용하면 빗면 방향으로 끌어 당기는 힘은 줄일 수 있지만 직접 위로 들어 올릴 때보다 실제 움직이는 거리가 길어진다. 그래서 나사를 이용하면 나사선을 따라 길게 움직여야 하지만 작은 힘으로 물체를 결합할 수 있게 되는 것이다. 만약 빗면의 경사각(θ)이 더 작아지면 기준 높이에 대한 빗면의 길이가 길어지기 때문에 나사의 피치 수는 더 많아지고, sinθ의 값은 감소하므로 나사를 사용하는 데 드는 힘은 더 줄어들게 된다.

 

빗면을 이용한 나사의 원리.

 

나사는 산과 골의 모양에 따라 역할이 다르다. 나사산과 골의 모양은 삼각형, 사각형, 사다리꼴, 둥근 모양 등으로 다양한데, 삼각형 모양은 주로 물체를 결합하는 데 사용하고, 사각형이나 사다리꼴은 큰 힘을 전달하는 프레스(press), 잭(jack), 바이스(vise) 등과 같은 기계에 사용한다. 전구와 소켓을 연결하는 나사산은 보통 둥근 모양이다. 먼지나 모래가 들어가기 쉬운 곳은 둥근 모양의 나사산을 사용한다. 또한 나사는 들어가는 회전 방향에 따라 오른 나사와 왼나사로 분류되기도 한다.

 

 

나사가 보편화되기까지

나사가 처음 만들어진 시기는 정확하지 않지만 기원전으로 거슬러 올라가야 할 만큼 꽤 오래 전이다.  기원전 3세기경 아르키메데스가 배에 고인 물을 퍼 올리기 위해 나선 모양의 펌프를 만들었다는 기록은 꽤 유명하다. 흔히 나사라고 하면 물체의 결합을 생각하기 쉽지만 이 도구는 물을 쉽게 퍼 올리기 위해 나사의 원리를 이용한 장치라고 할 수 있다.

 

나사는 레오나르도 다빈치의 하늘을 나는 기계, 중세 기사의 갑옷 부품, 옷감이나 종이를 압착하는 기계 등의 기록에서 보듯이 꾸준히 사용되어 왔다. 하지만 통일되지 않은 나사의 규격과 나사산 모양 때문에 널리 사용되는 데는 아주 오랜 시간이 걸렸고 대형 사고도 있었다. 예를 들면, 1990년 초 미국 볼티모어의 호텔에서 발생한 작은 불이 대형 화재 참사로 이어진 적이 있었는데, 화재 이유는 소방전과 소방호스 연결 부위의 나사 규격이 맞지 않아 물을 공급할 수 없었기 때문이었다. 또한 2차 세계대전 당시 고장난 미 폭격기를 최고의 기술과 장비를 자랑하는 영국으로 보냈으나 수리에 실패했다. 그 이유 또한 영국과 미국에서 사용하는 나사 규격이 서로 달랐기 때문이었다.

태양은 지구에 사는 생명체에게 필요한 에너지를 제공하는 근원이다. 땅 속이나 깊은 심해에 사는 소수 생명체를 제외하고 지표 근처에 사는 대부분의 생명체는 태양에너지를 이용해서 살아간다. 식물은 광합성 과정을 통해서 태양에너지를 다른 형태의 에너지인 영양소로 바꾸어 사용하며 뿌리나 줄기 잎, 그리고 열매 등에 저장하기도 한다. 그런 식물을 초식동물이 먹고 육식동물은 그 초식동물을 먹이로 잡아먹고 살아가므로 결국 모든 생물들은 태양에너지를 먹고 사는 것이다.

 

광합성과 먹이사슬

  

 

태양의 나이는 약 50억 년

태양은 약 1000조 개의 핵폭탄에 해당하는 에너지를 발산

지금 태양의 나이가 대략 50억 년 정도인데 총 수명이 100억 년 정도 될 것으로 추정되므로 사람과 비교하면 인생의 반 정도를 산 젊은 시절을 보내고 있는 별이다. 태양은 현재 초당 약 3.9×1028J에 해당하는 에너지를 생산하는데 이는 핵폭탄 약 천조(1015)개에 해당하는 에너지이다. 만약 이런 엄청난 에너지를 내는 태양이 어느 날 빛을 잃는다는 것은 상상만 해도 끔찍하지만 만약 그런 일이 일어난다면 지구의 모든 생명체는 멸종하고 말 것이다. 그러나 약 50억 년 후에는 그런 일이 반드시 일어나게 된다. 그때 태양은 빛을 잃고 수명을 다해 죽은 별이 될 것이기 때문이다. 태양은 태양계의 모든 천체들 중 스스로 빛과 열을 만들어내는 유일한 별(항성)이다. 지구를 비롯한 나머지 행성들은 우리가 볼 때 빛을 내며 밤하늘에서 빛나고는 있으나 그 빛은 태양빛을 받아 반사시킨 것으로서 본질은 태양빛이다. 태양처럼 스스로 에너지를 생산해서 빛과 열을 만들어내는 천체들을 별이라 하고 지구처럼 그 별에 붙들려서 별 주변을 도는 천체는 행성이라고 한다. 그렇다면 태양은 어떻게 만들어졌으며 어떻게 100억 년이란 긴 세월 동안 뜨거운 열과 빛을 만들어낼 수 있는 것일까?


약 50억 년 전 우리은하의 귀퉁이인 나선팔의 한 구석에는 그전에 살았던 어떤 별이 폭발한 잔해이자 가스덩어리로 이루어진 성운이 존재했을 것이다. 이 성운은 주로 수소로 이루어져 있었으며 더불어 현재 태양계를 구성하고 있는 물질들인 다양한 원소들로 구성되어 있었다. 그 성운은 중력에 의해 서서히 서로 뭉쳐지고 커졌으며 회전하기 시작했다. 이 성운이 수축하면서 낮아진 위치에너지 가 열에너지 로 바뀌어 내부의 온도는 점점 상승하여 수소가스 덩어리는 희미한 빛을 내기 시작했다. 이런 상태의 별을 원시성이라고 하는데 이 원시성의 온도가 약 1억(108)도 가까이 되면 내부에서 수소핵융합반응이 일어나기 시작한다.

 

 

수소핵융합반응
가벼운 원소의 핵이 모여 무거운 원소의 핵이 된다

핵융합반응이란 가벼운 원소의 핵이 합쳐져 무거운 원소의 핵을 만드는 반응이다. 수소핵융합반응은 2개의 수소가 모여 하나의 헬륨으로 바뀌는 과정인데 2개의 수소의 원자량은 4.0312인데 반해 생성된 헬륨 1개의 원자량은 4.0026이다. 즉 2개의 수소의 원자량에 비해 1개의 헬륨의 원자량이 0.0286만큼 적어진 것인데 질량으로 바꾸어보면 5.02×10-26g이 줄어든 것이다. 줄어든 이 물질은 어디로 갔을까? 줄어든 질량은 아인슈타인의 특수 상대성 이론인 E = mc2에 의해 에너지로 전환된다. 즉 줄어든 질량에 빛의 속도의 제곱 값을 곱한 만큼의 에너지가 생성되는 것이다. 이 결과 태양을 비롯한 별들이 엄청난 열과 빛을 내는 에너지를 만들어내게 된다.

 

수소핵융합반응식 : H는 수소, He는 헬륨
Δm: 두개의 수소원자가 합쳐져 하나의 헬륨원자로 바뀔 때 줄어든 질량

 

 

현재 태양의 표면온도는 약 6,000K도이고 내부는 1,600만K도로 이 모든 에너지가 수소핵융합과정에 의해 만들어진다. 이렇게 발생하는 에너지를 핵에너지라고 하며 이런 원리를 이용하여 만든 무기가 바로 수소핵폭탄이다. 태양의 총질량의 10%가 수소핵융합 반응에 쓰인다면 태양에서 생성될 수 있는 총에너지는 약 1.2×1044J로 태양이 현재와 같은 비율로 에너지를 방출한다면 태양의 수명은 약 100억 년 정도가 될 것이다. 별의 중심부에서 수소핵융합 반응으로 수소가 모두 헬륨으로 바뀌고 나면, 다음에는 더 높은 온도에서 4개의 헬륨 핵이 모여 1개의 탄소 핵을 만드는 헬륨핵융합 반응이 일어난다. 이어 헬륨 핵이 소진되면 탄소 핵이 남게 되고 철이 남을 때까지 여러 반응이 계속될 수 있다. 하지만 이 과정은 별의 질량에 따라 달라진다. 질량이 아주 큰 거대한 별은 수소, 헬륨, 탄소, 산소, 네온, 마그네슘, 규소, 철의 순서로 핵융합을 한다.

 

태양의 지름은 약 139만km로 지구지름의 109배, 부피는 지구의 130만 배 정도이며, 질량은 약 2×1030kg으로 지구의 33만 배 정도이다. 태양은 지구에 비하면 어마어마하게 큰 것이지만 별들 중에서는 그리 큰 별에 속하지 않는다. 태양의 질량은 탄소를 만드는 반응까지만 가능한 정도의 양이므로 수소, 헬륨, 탄소의 순서에서 핵융합을 마칠 것이다. 그 결과 마지막 단계의 태양 중심부는 탄소로 가득 차게 될 것이다. 그래서 태양은 헬륨핵융합과정을 마치면 중심에 탄소층을 만들고 핵융합반응을 마칠 것으로 추정된다.

 

 

별로서의 태양의 일생
태양, 적색거성, 백색왜성, 흑색왜성으로의 진화

 

태양은 헬륨핵융합의 마지막 단계에서 급격히 팽창하여 금성궤도크기까지 커져 거대한 적색거성이 되며 별로서는 짧은 시간인 약 1천 년이라는 시간에 걸쳐 바깥부분의 물질을 모두 별 밖으로 뿜어내고 작아진다. 중심에 남은 태양은 지구 정도 크기의 탄소가 빽빽하게 들어찬 다이아몬드로 된 중심을 가진 백색왜성이 되어 점차 식어간다. 다이아몬드별이니 가서 조금 떼어오고 싶어 할지도 모르나 중력이 매우 크기 때문에 그 별에 도착하는 순간 종이장처럼 납작하게 줄어들고 말 것이니 다이아몬드에 대한 생각은 상상으로 그치는 것이 좋을 것이다. 백색왜성은 계속 식어서 밀도는 엄청나게 크지만 빛을 내지 못하는 흑색왜성이 되어 별로서의 일생을 마치게 된다. 태양의 마지막 단계에서 밖으로 분출한 물질은 새로운 성운이 되어 마치 우리가 지금 보고 있는 태양의 탄생처럼 또 다른 별이 새롭게 탄생할 수 있는 장소가 되어줄 것이다.

 

태양이 이런 과정을 거치는 동안 지구를 비롯한 행성들은 어떤 변화를 겪게 될까? 태양이 헬륨핵융합반응을 거치며 점점 뜨거워지고 그 결과 팽창하여 적색거성이 되면 행성들은 강한 태양열과 태양풍 때문에 표면의 많은 물질을 잃게 된다.

백색왜성의 모습 : 백색왜성의 표면온도는 35,500K이다.
<출처: Wikipedia>

 

지구는 태양으로 끌려 들어갈 수도 있고 아니면 남더라도 바닷물을 비롯한 모든 물이 끓어서 우주공간으로 달아나 버릴 것이며 뜨거운 열에 의해 지구 표면도 매우 뜨거워질 것이다. 이런 과정을 거치는 동안, 설령 그때까지 지구에서 진화의 결과로 살고 있는 생명체가 있다고 하더라도 이 시기를 멸종하지 않고 넘길 수는 없을 것이다. 또한 만에 하나 살아남더라도 더 이상의 에너지원이 없으므로 결국은 멸종하게 될 것이다. 그러나 이것은 아득하게 먼 훗날의 이야기이므로 우리는 다행으로 여기고 현재를 열심히 사는 것이 최선일 뿐이다.

어머니는 아기가 태어날 때 울음소리를 아름답게 느낀다. 어떤 사람은 커피를 마시며 듣는 클래식 음악에 취한다. 청소년들은 대중 가수가 부르는 노래에 열광한다. 이 소리들은 기다림의 소리이고 아름다운 소리이며 누구나 듣고 싶은 소리이다. 그렇다면 이렇게 듣고 싶은 소리들을 언제 어디서나 반복해서 들을 수는 없을까? 지금까지 많은 과학자들은 소리를 녹음하고 재생하려고 많은 노력을 하였다. 그러나 에디슨이 축음기를 발명하기 전까지는 그러한 노력들의 대부분은 실용적이지 못했다. 에디슨이 발명한 축음기는 구리로 만든 원통에 얇은 주석을 씌우고, 소리의 진동이 바늘을 통하여 얇은 주석에 기록되었다. 그렇게 기록된 소리는 바늘에 의해 재생되고 확성기를 통하여 소리가 커지는 것이었다. 그 이후 녹음과 재생 기술은 많은 발전을 하게 되었다. 스피커도 소리를 재생하는 기기이다. 소리가 재생되려면 스피커에서 전기 신호가 소리로 전환되어야 한다. 즉, 스피커에서 진동이 일어나야 한다.

스피커에서 소리가 나기까지

 

스피커에서 진동이 일어나는 원리

북을 치면 소리가 난다. 북을 세게 칠수록 북의 가죽이 크게 진동하고, 주변에 있는 공기의 진동도 커져서 소리의 세기가 커지게 된다. 즉, 북의 가죽에서 진동이 일어나 소리를 냈다고 할 수 있다. 그리고, 북의 진동수가 크면 높은 소리가 나고, 진동수가 작으면 낮은 소리가 난다. 스피커도 이와 마찬가지로 진동을 통해서 소리를 낸다.

 

도선 주위에 나침반을 놓고 도선에 전류를 흘러주면 나침반 바늘이 움직인다. 이는 도선에 전류가 흐를 때 그 주변에 자기장이 생긴다는 사실을 의미한다. 이 성질을 이용하여 전자석을 만들 수 있다. 쇠못에 에나멜(enamel) 선을 감고 에나멜선에 전류를 흘러주면 쇠못은 자석이 된다. 자석이 된 쇠못을 영구자석에 가까이 가져가면 밀어내거나 당기는 힘이 작용한다. 이러한 원리로 스피커를 만들 수 있다.

 

스피커에는 진동을 하는 진동판이 있다. 이 진동판에 에나멜 선을 감은 것과 같은 코일(coil)을 붙인다. 이 코일을 보이스 코일 (voice coil)이라고 한다. 보이스 코일을 영구자석 가까이 놓고, 코일에 소리 정보를 가진 전류를 흘러주면 플레밍의 왼손 법칙 에 따라 코일이 힘을 받아 움직인다.

스피커는 진동을 통해서 소리를 낸다. <출처: NGD>

 

코일과 붙어있는 진동판이 진동을 하면 공기가 진동하여 소리가 나게 된다. 이것이 스피커에서 소리가 나는 기본 원리이다. 진동판을 진동시키는 방식에는 여러 가지가 있다. 구동 방식에 따라 다이내믹 스피커, 정전형 스피커, 압전 스피커, 이온형 스피커, 진동면이 얇은 박막형 스피커 등이 있다. 그 중에서 널리 사용되고 있는 다이내믹 스피커의 작동원리를 알아보자.

 

아래 그림을 살펴보면 원형의 영구자석 윗면으로부터 나오는 자기장이 탑 플레이트, 폴피스, 바텀 플레이트, 영구자석 아랫면으로 이동하는 자기장을 형성한다. 스피커에는 도선을 코일 모양으로 감은 보이스 코일이 있는데, 이 보이스 코일을 폴피스와 플레이트 사이에 놓고 코일에 소리 정보를 가지고 있는 전기를 보내면 플레밍의 왼손 법칙에 따라 움직이게 된다. 보이스 코일에 교류를 보내주었을 때, 보이스 코일에 흐르는 전류의 방향이 정반대로 바뀔 때마다 힘의 방향이 정반대로 바뀌게 되어 상하로 움직이는 것이다. 그 결과 보이스 코일에 붙어있는 스피커의 진동판이 왕복운동을 하게 되고, 소리가 스피커로부터 재생이 된다. 이때, 진동판이 빠르게(진동수가 많이) 진동하면 높은 음이, 진동판이 느리게(진동수 적게) 진동하면 낮은 음이 재생이 된다. 또한, 진동판의 진폭이 크면 강한 소리가, 진폭이 작으면 약한 소리가 재생된다. 오디오 기기에 연결하여 사용하는 이어폰도 같은 원리로 소리가 재생된다.

 

다이내믹 스피커의 구조.

 

 

그렇다면 가동코일형 다이내믹 스피커를 구성하는 각 부품은 소리를 내기 위해 어떤 역할을 하는 것일까? 진동판(콘)은 소리의 재생을 담당한다. 진동판에 붙어있는 보이스 코일이 진동하면 진동판이 진동하여 공기를 진동시키는 역할을 한다. 재료는 종이, 펄프, 활석, 운모, 폴리프로필렌, 흑연, 유리섬유, 탄소, 알루미늄 등을 사용한다. 그 중에서 종이를 사용하면 ‘콘지’라고 부른다. 보이스 코일은 보빈에 감긴 코일이다. 이 코일은 진동판을 진동시키는 역할을 한다. 진동판이 진동하기 위해서는 두 개의 자기장이 있어야 한다. 하나는 보빈 주변에 있는 영구 자석이고, 다른 하나는 보이스 코일에서 흐르는 전류에 의하여 만들어지는 자석이다. 보이스 코일에 전류가 흐르면 플레밍의 왼손 법칙에 따라 코일에 연결된 진동판이 진동하게 된다. 에지는 진동판의 바깥쪽 부분을 올바른 위치에 지지시키는 장치로써 진동판의 상하운동을 원활하게 하는 기능을 한다. 댐퍼는 에지처럼 보이스 코일을 올바른 위치에 지지시키는 장치로서 보이스 코일 및 진동판의 상하운동을 잘하게 한다. 그리고, 영구자석은 플레밍의 왼손 법칙에 따라 보이스 코일을 상하로 진동하게 한다.

 

 

얇고 가볍고 마음대로 디자인할 수 있는 필름형 스피커

가볍고 공간을 적게 차지하는 스피커를 만들 수는 없을까? 필름형 스피커(압전 스피커)는 이 의문점을 해결해준다. 특수 소재에 압력이나 진동을 가하여 형태를 변형시키면 재료의 표면에 전하가 생성되어 전류가 흐르게 된다. 이러한 효과를 압전효과라고 한다. 전하를 띤 압전 물질에 전류를 흐르게 하면 진동을 한다. 즉, 기계적 에너지와 전기에너지가 상호 전환한다고 할 수 있다. 이러한 원리를 이용한 것이 필름형 스피커(압전 스피커)이다. 필름형 스피커는 폴리불화비닐리덴(PVDF)이라 불리는 고분자화합물 필름으로 만들어진다. 이 필름의 표면에 압력을 가하여 전극을 형성하도록 가공한다. 전극이 형성된 필름에 소리 정보를 가진 전기 신호를 흘려 보내면 진동을 한다. 필름형 스피커는 가볍고 얇고 투명하고 디자인을 다양하게 할 수 있으며 두루마리처럼 말 수도 있는 장점이 있다. 그러나 음질은 저음 영역에서 만족할 만한 수준이 아니어서 계속 개발 중에 있다. 필름형 스피커는 일반 오디오 기기뿐만 아니라 pc용 스피커, 수중 음파 탐지기, 휴대폰, 전화기 등에서도 부품으로 사용된다.

임신이 되었음을 어떻게 알 수 있을까? 임신이 되면 우선 월경이 멈추고, 가슴 커짐, 속 울렁거림, 미열, 나른함, 한기 등의 임신 징후가 나타난다. 이것은 개인적인 차이가 있기는 하지만 수정이 이루어진 후 4주 전후로 나타나기 시작하는 현상으로 좀 더 빠르게 임신이 되었는지 여부를 확인하기에는 적합하지 않다. 그러면 좀 더 빠르게 임신 여부를 알 수 있는 방법은 무엇일까? 이 때 사용할 수 있는 방법 중 병원에 가지 않고도 간단히 확인할 수 있는 방법이 바로 임신진단시약이다. 임신진단시약을 이용하면 수정 후 약 10일 정도면 결과를 알 수 있다.

 

 

호르몬의 변화와 임신진단시약의 반응

임신은 난자와 정자가 만나는 수정으로부터 시작된다. 수정은 여성의 수란관 상부에서 일어난 후 수란관을 따라 세포 수가 증가하는 발생과정을 거치면서 자궁에 도달하게 된다. 자궁에 도달한 수정란이 자궁벽에 파묻히는 착상이 일어나면 임신이 되었다고 한다.

 

수정에서 착상까지.

 

 

착상이 된 수정란은 모체의 세포조직과 결합하여 태반을 형성하게 된다. 태반은 임신 초기에 태아에게 산소, 영양분 및 다른 물질들을 공급하기 위해 발달되는 혈관이 풍부한 기관으로, 임신의 유지에 중요한 호르몬들을 생산한다. 태반에서 생산되는 주요한 호르몬은 HCG, 프로게스테론(progesterone), 에스트로겐(estrogen) 등이다. 프로게스테론은 임신 초기에는 난소 속 여포가 퇴화한 후 생성되는 황체에서 생성되다가 임신 중기 이후에는 태반으로부터 생성되어 임신을 유지할 수 있도록 해준다.


이 중 HCG((human chorionic gonadotropin: 융모성 생식선 자극 호르몬)는 수정 후 약 6일부터 생성되기 시작하여 혈액 내에서 발견되며, 이후 소변에서도 발견된다. HCG 분비는 수정 10주에 최대값을 이룬 후 수정 15주 전후에 농도가 감소하게 된다. 이 HCG가 바로 임신진단시약이 임신을 진단하는 데 사용되는 호르몬이다. 
 
임신진단시약은 착상이 일어나면 바로 생성되는 HCG와의 반응 여부를 통해 임신을 진단하게 된다. 소변 안에 HCG가 측정이 되면 이것이 임신이 되었다는 신호이다. 그런데 HCG는 대개 수정 후 7~10일이 지난 후부터 측정이 가능하기는 하지만 그 농도가 낮아 임신임에도 불구하고 임신이 아니라고 진단되기도 한다. 이 때문에 정확도를 높이기 위해서는 수정이 일어났을 것이라 예상되는 날로부터 2주일 정도가 지나거나 생리 예정일이 지난 후 검사를 하는 것이 좋다. 임신진단시약은 소변 중 존재하는 HCG의 농도에 반응하여 색을 나타내도록 하는 것이다. 그래서 임신테스트기에는 임신 판정창에 표시선이 나타나도록 되어 있는 두 부분이 존재한다. 앞의 표시선은 HCG와의 반응을 나타내는 임신 표시선이고, 뒤의 표시선은 소변이 도착했음을 알리는 종료 표시선이다.

 

 

임신진단시약의 두 줄 의미

임신진단시약은 임신 유무를 확인하는 데 가장 간편한 방법이다. 임신진단시약의 사용 방법을 잘 알고 올바르게 사용한다면 95% 이상의 정확도를 가질 수 있다. 그러므로 임신진단시약의 설명서를 잘 참조하여 사용한다면 임신진단시약은 훌륭한 임신 진단 방법이라고 하겠다. 임신진단시약의 결과는 2~3분 사이에 바로 나타나는 장점이 있다. 종료 표시선이 나타난 후 5분~10분이 지난 후 앞의 임신 표시선도 나타나 2줄이 선명히 나타나면 임신, 종료 표시선의 1줄만 선명히 나타나면 임신이 아니다.

 

 

임신진단시약의 설명서를 잘 참조하여 사용하면 임신판정에 있어서 꽤 높은 정확도를 얻을 수 있다.
<출처: Ceridwen at en.wikipedia.org>

  

 

그런데 임신이 아닌데 임신으로 판정되거나 임신인데도 임신이 아닌 것으로 판정될 때가 있다. 임신임에도 임신이 아닌 것으로 나타나는 경우는 대체적으로 HCG의 농도가 낮은 경우이다. 임신테스트기는 정자와 난자가 수정을 한 후 착상이 일어나 HCG가 분비되는 기간을 약 10일 정도 잡는다. 따라서 성관계 후 10일 정도 지난 후 측정하는 것이 좋다. 그리고 밤 사이 분비가 많이 일어나는 HCG를 위해 아침 첫 소변을 이용하는 것이 좋다. 그럼에도 불구하고 HCG의 분비가 더디게 일어나는 사람의 경우에는 성관계 후 2주 정도 지나서 측정을 하였을 때는 임신이 아니라는 판정을 받을 수 있기 때문에 임신테스트기는 1~2주 후에 다시 해보는 것이 필요하다.

 

그렇다면 임신이 아님에도 임신이라고 판정되는 경우는 어떤 것일까? 흔히 나타나는 경우는 아니지만 자궁 외 임신 등의 비정상적인 임신이 일어나거나 난소에 혹이나 종양이 있는 경우에 HCG가 분비되기도 한다. 또한 임신 초기 자신도 모르는 사이 자연유산이 되었거나 출산을 한 경우 수 주일간 HCG가 계속 분비되기도 하고, 배란 유도제를 사용한 경우 그 안에 HCG가 포함되어 있기 때문에 임신으로 진단되기도 한다. 또한 임신테스트기로 측정을 할 때 10분 정도가 지나면 임신테스트기의 시약 부분이 공기 중에서 산화되면서 희미하게 임신 판정선에 색이 나타나는 경우가 있어, 이를 임신으로 착각할 수 있다.


그밖에 술 또한 HCG의 농도를 떨어뜨리는 원인이 되기 때문에 검사 전에는 음주를 피하는 것이 좋다. 또 검사 직전에 다량의 수분을 섭취한 경우에는 소변이 희석되어 HCG의 농도가 낮아질 수 있고, 그로 인해 임신 표시선이 희미하게 나타나 결과를 잘못 해석할 수 있기 때문에 주의하는 것이 좋다. 하지만 비타민이나 먹는 피임약, 항생제 등의 약물은 검사결과에 영향을 주지 않는다.

 

 

임신진단시약의 표시창에 나타나는 색 선은 어떻게 나타나는 것일까?

임신진단시약은 소변 속에 들어있는 HCG와의 반응을 알아보는 기기이다. HCG가 들어있는지 아는 방법은 HCG를 항원으로 인식하는 항체를 만들어내어 이 항체를 임신진단시약 내에 넣어두는 항원-항체반응이다. 이 항체에는 보라색 계열의 발색제를 부착해 놓는다. 이러한 HCG와 결합하는 항체가 소변을 흡수하는 흡수막대에 있다가 소변이 흡수되었을 때 HCG가 있으면 항원-항체결합을 한다. 임신진단시약의 임시 표시선에는 HCG가 결합하는 수용기가 붙어 있어 HCG가 지나가면 붙잡게 되는데, 이 HCG에는 발색제가 있는 항체가 붙어있게 되어 색이 나타나게 되는 것이다.

 

그렇다면 종료 표시선은 어떻게 색을 나타내는 것인가? 종료 표시선은 HCG 항체와 결합하도록 되어 있다. HCG 항체는 이미 임신진단시약에 들어있기 때문에 HCG가 있든 없든 종료 표시선에 항체가 붙잡히게 되어 있다. 그렇기 때문에 소변이 종료 표시선에 도착하면 항체에 부착되어 있는 발색제에 의해 표시선 색이 나타나게 된다.

우리는 일상 생활 속에서 알게 모르게 삼투현상을 많이 접한다. 식물이 뿌리에서 물을 흡수할 때라든지, 배추김치를 만들 때, 또 목욕탕에서 오래 있으면 손발의 피부가 쭈글쭈글해지는 현상 등이 이런 경우이다. 그렇다면 이렇게 주변에서 흔히 찾아볼 수 있는 삼투현상은 어떻게 일어나는 것일까?

 

 

저농도 용액에서 고농도 용액으로

반투과성막은 용액 속에 들어있는 용질은 입자가 커서 통과시키지 못하고 용매분자만 통과시키는 막이다. 이 막을 경계로 한쪽에는 순수한 용매를, 다른 한쪽에는 용액을 두면 용매들이 양방향으로 서로 이동하게 된다. 그러나 처음에는 순수한 용매 쪽에 있는 용매가 용액 쪽으로 더 빠르게 이동하여 용액 쪽의 높이가 더 증가한다. 왜냐하면 자연계에서는 농도 차이가 줄어드는 방향으로 용매들이 움직이려고 하기 때문이다. 따라서 시간이 지나서 관에 있는 용액의 높이가 어느 정도 증가한 후에는 그 결과로 생기는 압력 때문에 용액 쪽으로 이동하는 속도가 점차 느려지게 되어 결국에는 양방향으로 용매가 이동하는 속도가 같아지게 된다. 이 점에서 용액의 높이는 더 이상 변하지 않게 되는 것이다. 이때 차이가 난 수압이 삼투압이며, 용매가 반투과성막을 통해 이동하는 현상이 삼투현상이다. 이것을 달리 표현하자면, 삼투현상은 순수한 용매를 포함한 저농도 용액에서 고농도 용액 쪽으로 반투과성막을 경계로 용매(물)가 이동하는 현상이며 삼투압은 이때 용매가 이동하려는 힘이라고도 할 수 있다.

 

삼투현상과 삼투압.

 

 

삼투압 현상은 1867년 독일의 화학자 트라우베(Moritz Traube)가 최초로 발견하였고 1877년 페퍼(Wilhelm Friedrich Philipp Pfeffer)가 인공반투과성막으로 삼투압을 측정하며 정량적(定量的) 연구에 의한 삼투압이론을 확립하였다. 페퍼는 식물세포에 어떻게 물이 들어갈까를 연구하던 중에 세포막을 이용한 설탕용액의 삼투현상을 측정하고, 삼투압이 온도에 비례한다는 것도 발견하였다. 그 후 1886년 J. H. 반트호프(Jacobus Henricus van't Hoff)는 실험을 통하여 용액에서의 삼투압은 용매와 용질의 종류와 상관없이 용액의 농도와 절대온도에 비례한다는 사실을 밝혀냈는데 이를 반트호프 법칙 이라고 한다. 이러한 삼투압을 이용하면 용질의 분자량을 정하거나 분자량을 아는 물질의 용액 속에서의 이온화도를 구할 수 있다.

 

 

고장액, 저장액, 등장액

용액을 서로 비교했을 때 같은 삼투압을 가진 용액을 등장액이라고 하고 상대적으로 낮은 삼투압을 가진 용액은 저장액, 더 높은 삼투압을 가진 용액은 고장액이라고 한다. 사람의 혈액과 비교했을 때 생리식염수와 링거액은 대표적인 등장액이다.  생리식염수란 동물의 혈액 속에 있는 염분의 농도와 같게 만든 액체로 증류수에 염화나트륨을 섞어 만든 것이다. 또한 링거액은 생리식염수에 혈액성분과 가까운 여러 요소 즉 염화칼륨, 염화칼슘 등을 녹여서 만든 것이다.

 

 

주변에서 볼 수 있는 삼투현상

대부분의 생물체를 이루고 있는 막들은 거의 모두가 반투과성막으로 되어 있다. 식물이 뿌리에서 물을 흡수할 때 뿌리세포와 흙 속의 물을 비교하면 흙 속의 물은 저농도이고 뿌리세포 속은 상대적으로 고농도이다. 이 때 농도평형을 이루기 위해 흙 속에 있는 저농도의 수분이 고농도의 뿌리세포 속으로 세포막을 통해 스며들게 된다. 배추김치를 만들 때도 소금물을 만든 후, 배추를 그 물에 담그면 소금의 입장에서 보면 배추는 저농도이고 소금물은 고농도이다.

 

이 때 농도평형을 이루기 위해 배추세포의 물이 배추의 세포막 밖으로 빠져 나와서 배추의 숨이 죽게 되는 것이다. 그리고, 고농도용액에 들어있는 물을 저농도용액 쪽으로 빼내기 위해 삼투압 이상의 압력을 가해주는 것을 역삼투압이라고 하는데 이것은 오염된 물에서 순도가 높은 물을 뽑아낼 때, 혹은 바닷물을 담수로 만들 때 사용하는 방법이다.

흙 속에 있는 저농도의 수분이 고농도의 뿌리세포 속으로 스며들어 식물이 물을 흡수하게 된다.<출처: NGD>

전기화학반응을 이용한 기술들은 산업현장에서 널리 쓰이고 있다. 그 중 대표적인 것으로 우리 생활에서 자주 볼 수 있는 것이 전지이다. 특히 건전지의 경우 일상 생활에서 자주 사용하게 되는데, 건전지에는 어떤 원리가 담겨있는 것일까? 전지(battery)는 내부에 들어있는 물질의 화학에너지(chemical energy)를 전기 에너지(electrical energy)로 변환하는 장치이다. 이 중 건전지는 초기 볼타전지(Voltaic cell)의 전해질이 액체이기 때문에 생기는 불편한 점을 없애고자 유동성이 없는 수용성 전해질을 넣어서 만든 것을 말한다.

 

 

건전지의 유래

 

우리가 현재 사용하는 전지의 원조는 1800년경 이탈리아 파두아 대학의 자연철학교수인 알레산드로 볼타가 처음 만들었다. 이 장치는 은판과 아연판 사이에 소금물이나 알칼리 용액으로 적신 천 조각을 끼운 것을 여러 쌍 겹쳐 쌓은 것이었다. 이 때 가장 위에 있는 은판과 밑바닥의 아연판을 전선으로 연결하면 전류가 흐르게 된다.

 

최초의 근대식 전지는 1868년 프랑스의 르클랑쉬가 만든 망간전지다. 망간산화물과 아연을 (＋)극과 (－)극으로 사용했다. 처음에는 전해질을 용액 그대로 사용했기 때문에 습전지(Wet Cell)라고 했으나 나중에는 전해질을 굳혀 마른 전지(Dry Cell)라고 불렀다. ‘건전지’는 여기에서 유래했다.


기본적인 전지 구조.

 

 

건전지의 구성과 화학반응

우리가 일반적으로 말하는 건전지는 망간건전지이다. 망간건전지의 겉모양은 원통 모양 또는 사각기둥 모양이며, 바깥쪽은 아연으로 된 (－)극 원통으로 용기를 겸하고 있다. 중앙에 탄소막대 (＋)극이 있으며, (＋)극 위를 싸고 있는 금속은 아연이 아닌 부식이 잘 되지 않는 특수금속으로 만들어진다. 또한 탄소막대 주위에는 이산화망간과 흑연을 섞어 반죽한 것을 고압에서 압착시킨 것으로 채워져 있으며 그 바깥쪽은 전해질(염화암모늄)을 충분히 흡수시킨 종이로 싸여있고 위쪽에는 공기실과 피치 등으로 구성되어있다. 정리하면, 건전지는 아연통(－)극과 탄소막대(＋)극 사이에 전해질로 염화암모늄 용액이 채우고 있는 구조물이다.

  

건전지의 내부구조.

 

 

건전지에서 (＋)극은 이온화 경향 성이 작아 전자를 얻는(환원 반응) 탄소를 사용하고 (-)극은 이온화 경향성이 커서 전자를 잃는(산화 반응) 아연을 사용한다. 이 건전지의 두 극을 외부에서 도선으로 연결하면 아연(Zn)은 아연이온(Zn2＋)이 되어 전해질 속에 녹고 아연통에는 전자를 남겨 아연통은 (－)극이 된다. 이 때 전해질 속의 염화암모늄은 전리해서 암모늄 이온(NH4+)과 염화이온(Cl-)이 된다.

 

 

전해질 속의 암모늄 이온은 녹아 나온 아연이온에 의해 밀려나 탄소막대 쪽으로 모이게 되고, 탄소막대에서 전자를 얻어 암모니아(NH3)와 수소(H2)로 분해된다.

 

 

따라서 탄소막대는 전자가 부족하므로 (＋)극이 된다. 이렇게 하여 건전지의 외부에서 두 극을 도선으로 연결하면 전위가 높은 (＋)극에서 전위가 낮은 (－)극으로 전류가 흐르게 되는 것이다. 이 때, 일반적인 산화·환원 반응과 달리 산화되는 물질과 환원되는 물질 사이에 직접 전자를 주고받으면 전류의 흐름이 형성되지 않기 때문에 도선을 통하여서만 반응이 일어나도록 하기 위해 (＋)극과 (－)극이 직접 접촉하지 않도록 구조가 되어 있으며 화학 반응시 완전 제거하지 못하는 가스를 저장할 공기실과 발생하는 물로 인해 전해질이 흘러내리지 않도록 피치로 막고 있다.

 

 

감극제(소극제)와 분극

탄소막대의 주위에서 발생한 수소는 그대로 두면 탄소전극 주변을 둘러싸서 전지의 능률이 떨어진다. 그 때문에 수소를 없애야 하는 물질이 필요한데 이러한 물질을 감극제(소극제)라고 한다.

 

감극제

(＋)극에서 2NH4+ + 2e- → 2NH3 + H2↑ 반응이 일어날 때 발생하는 수소기체를 물로 만들어 없애는 역할을 하는 물질. 즉 여기서는 이산화망간을 말함.

 

 

이때 발생하는 암모니아기체는 아연-암모니아 착물 이온을 형성하여 암모니아 기체의 생성을 막아준다.

 

 

분극

(＋)극에서 수소기체가 발생하여 탄소막대에서 암모늄이온이 전자를 받기가 어렵게 되어 전류의 흐름이 잘되지 못하면서 전압이 약해지는 현상.

 

 

건전지의 자연방전

건전지는 사용하지 않을 경우라도 전지 속에서 전해질과 아연판 사이에서 약간의 산화반응이 일어나며 (+)극 부근에 있는 수소이온이 주변의 전자와 반응해서 수소가스가 된다. 그리고 그 수소가스가 이산화망간과 화합해서 삼산화이망간(Mn2O3)과 물(H2O)이 되는데 이런 반응이 계속 진행되면서 건전지는 점점 약해진다. 그래서 건전지는 권장 사용기한이 있으며, 따라서 구매 시에는 최근에 제조한 것을 사는 것이 좋다.

 

 

전지의 종류

 

전지는 내부에 들어있는 물질의 화학에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이다. <출처: NGD>

건전지는 크게 1차전지와 2차전지로 구분된다. 우리가 흔히 건전지라고 부르는 것은 1차전지를 말한다. 1차전지는 다시 사용할 수 없는 것이며 망간 건전지, 알카리 전지, 산화은 전지, 수은-아연 전지, 망간-리튬 전지가 있고 2차전지는 납축전지, 니켈-카드뮴전지, 니켈-아연전지, 리튬-산화망간 전지, 리튬-산화코발트 전지, 리튬-고분자 전지(lithium-polymer cell)등이 있는데 1차전지인 알칼리 건전지에서는 아연이 일단 아연 이온으로 산화되고 나면 그것이 다시 금속아연으로 환원되는 반응은 일어나지 않는다.

 

반면에, 2차전지인 축전지에서는 다 쓴 전지에 역방향의 전류를 걸어 주면 전류를 만들어낼 때 일어났던 산화-환원 반응의 역반응이 일어나 전지의 내용물을 원래대로 돌려놓는다.

 

예를 들어 자동차에 사용하고 있는 납 축전지는 과산화납을 (+)극으로 금속 납을 (－)극으로, 황산을 전해질로 사용하는 데 납 축전지의 회로를 통해 과산화납과 금속 납이 모두 황산납으로 바뀌는 산화-환원 반응이 일어나면서 전류가 발생한다..

 

반면 자동차가 달릴 때는 엔진이 발전기를 돌려 생긴 전류를 납 축전지에 보내 전자와 반대의 산화-환원반응을 일으킴으로써 황산납을 원래의 과산화납과 금속 납으로 바꾸어 놓는다. 이와 같이 축전지가 '재충전 '되는 것은 방전과정의 반대과정을 거쳐서 이루어진다. 납축전지는 주로 자동차의 전기장치, 잠수함의 전력으로 사용되고, 특히 리튬전지들은 핸드폰, 노트북, 전기차 등에 쓰이며 현재도 개발노력이 집중되고 있다.

인류는 언제부터 하늘을 날기를 꿈꿔 온 것일까? 새의 깃털과 밀납을 사용해 날개를 만들어 붙이고 창공을 향해 몸을 던졌던 신화 속 이카로스(Icarus)를 생각해 보면, 고대부터 우리는 늘 비행을 꿈꿔왔던 것 같다. 하지만 오늘날 우리에게는 하늘을 나는 일이 더 이상 그저 꿈만은 아니다. 장거리 여행의 교통수단으로 제일 먼저 떠올리는 것이 바로 비행기일 정도로 비행이 상용화되었기 때문이다. 그런데 문득 궁금하다. 많게는 600명까지도 수용 가능한 400톤이 넘는 육중한 몸을 하늘에 띄우는 비행기, 그 비행기 속에는 어떤 원리가 숨어 있는 것일까?  비행기가 지상에 정지해 있을 때는 일반 자동차와 크게 다를 바가 없어 보인다. 단순히 덩치 큰 자동차라고 할 수도 있을 것이다. 그러나 자동차가 아무리 빨리 달리고 점프를 한다고 해도 하늘을 날 수는 없다. 그렇다면 자동차와 비행기의 어떤 차이가 비행기를 날 수 있게 하는 것일까? 자동차와 비행기의 가장 큰 차이점이 날개라는 것은 금방 찾아낼 수 있을 것이다.

 

 

비행기는 어떻게 날게 되는 것일까? <출처: NGD>

 

 

비행기를 뜨게 만드는 힘은 무엇인가?

아래 [그림 1]에서처럼 비행기의 날개는 특징적인 모양과 공기와 맞닥뜨리는 각도를 통해 비행기가 공중에 떠오를 수 있도록 하는데 결정적 역할을 한다. 움직이는 비행기 날개 주변에는 [그림1]에서처럼 날개로 접근하는 공기의 흐름을 보인다. 날개는 앞쪽이 위쪽으로 적당한 각도로 들려 있는데다가 날개 모양의 곡면 때문에 날개로 접근하는 공기의 흐름을 변화시킨다. 날개로 접근하는 공기의 흐름은 날개 앞부분에서 날개와 부딪혀 두 갈래로 나뉘게 된다. 한 갈래의 공기의 흐름은 날개 위 곡면 모양을 따라 흐르게 되고, 다른 하나는 날개에 부딪혀 날개 아래쪽으로 꺾이게 된다. 이때 날개와 꺾인 공기는 작용반작용 법칙인 뉴턴의 제 3법칙에 의해 상호작용을 하여 비행기를 공기 중으로 띄우는 힘인 양력을 발생시킨다. 날개는 공기의 흐름을 날개 아래쪽으로 꺾이게 하기 위해서 공기에 힘을 작용하고, 공기는 같은 크기의 힘을 방향만 반대로 날개에 반작용하게 된다. 이 반작용에 의해 날개에 생기는 힘 F가 비행기를 공기 중으로 떠오르게 하는 양력이다.

 

한편 두 갈래로 나뉘어져 흐르던 공기의 흐름 중 날개 위 곡면을 따라 흐르는 공기의 흐름은 날개 아랫부분으로 꺾어진 공기흐름 보다 속도가 빠르게 된다. 그러므로 날개 주변의 공기의 흐름을 선으로 표현하면 아래 [그림1]과 같이 되는데 날개 위쪽은 선의 간격이 좁고, 날개 아래쪽은 선들의 간격이 넓게 된다. 이는 날개 위쪽은 공기속도가 크고 아래쪽은 공기의 속도가 위쪽보다 작다는 것을 나타낸다. 유체속도가 커지면 압력이 작아지고 유체속도가 작아지면 압력이 커진다는 베르누이 원리 에 의해 공기 속도가 큰 날개 위쪽은 공기 압력이 작고, 공기속도가 작은 날개 아래쪽은 공기 압력이 크다는 것을 알 수 있다. 그래서 공기압력이 큰 아래쪽에서 공기압력이 작은 위쪽으로 밀어 올리는 힘인 양력이 발생하게 되는 것이다. 이는 앞서 설명한 뉴턴의 제3법칙에 의한 양력 발생 설명과도 부합되며 결국 두 원리설명이 일맥상통함을 알 수 있다.

 

[그림1]뉴턴의 제 3법칙에 의한 양력 발생

 

 

지금까지 설명한 비행기 날개에 작용하는 양력은 비행기가 정지해 있을 때는 생기지 않는다. 비행기는 어느 속도 이상으로 움직일 때에만 자신의 무게를 이기는 양력을 발생시킨다.  비행기는 자신의 무게를 이기고 하늘로 떠오를 수 있는 최소한의 속도 이하에서는 비행할 수가 없으므로 최소속도이상이 될 때까지는 지상에서 활주를 한 후 이륙하게 된다.  착륙할 때에도 마찬가지로 지상 활주가 필요하다. 비행기가 추락하지 않고 착륙하기 위해서는 비행기 무게와 같은 크기의 양력을 유지한 채 지상에 접촉해야 한다. 그러므로 비행기가 땅에 닿는 순간 속도는 최소속도정도일 것이다. 최소속도 정도로 땅에 닿은 비행기는 속도를 줄여 정지하기위해 지상 활주가 꼭 필요하다. 반면 점프제트기는 엔진의 노즐방향을 아래로 향하게 하여 추진력의 반작용으로 양력을 얻어 수직으로 이륙한다.

 

 

비행기의 속도 조절과 방향 전환

비행기가 일정한 속도로 수평비행을 할 때는 옆 [그림 2]에서와 같이 비행기를 앞으로 나아가도록 하는 엔진에 의한 추진력과 공기의 저항 때문에 반대방향으로 생기는 저항력, 비행기의 무게인 중력과 비행기를 떠있도록 하는 양력 등, 4가지 힘이 힘의 평형을 이룬다. 만약 비행기의 양력이 중력에 비해 작아지면 비행기는 추락을 할 것이고, 양력이 중력보다 크면 비행기는 더 높이 떠오를 것이다. 또한 비행기의 추진력이 공기저항보다 크면 비행기의 수평속도는 증가할 것이고, 추진력보다 공기저항이 더 크면 비행기의 수평속도는 감소할 것이다.

 

그러나 추진력이 저항력보다 커져서 수평속도가 증가하면 양력도 따라서 증가하므로 비행기는 속도증가와 동시에 상승을 하게 된다. 비행기가 수직상승은 하지 않고 수평비행을 하면서 속도만 증가시켜야 할 때는 증가하는 양력을 줄여주어야 한다.양력을 줄이기 위해서는 공기흐름 방향에 맞서는 날개의 각도를 작게 조절해야 한다. 날개에 접근하는 공기흐름방향과 날개의 중앙선 사이의 각도를 받음각 이라고 하는데 이 받음각은 어느정도 범위 내에서 각도를 크게 하면 양력이 커지고, 각도를 작게 하면 양력은 작아진다.    

[그림2] 비행기가 일정한 속도로 수평비행을 할 때 평형을 이루는 4가지 힘 <출처: NGD>

 

이렇게 날개의 받음각을 조절하여 양력을 가장 적절한 상태로 조절하기도 하고 주날개에 있는 플랩을 통해 날개 모양을 변형시켜 양력을 조절하기도 한다. 또한 비행기는 주날개와 꼬리날개를 이용하여 비행기의 각도와 방향을 바꾼다. 수평꼬리 날개에는 수평안정판과 승강타의 두 부분으로 나뉘어져 있는데 이륙할 때는 승강타를 위로 올려서 비행기의 뒷부분을 아래로 내리 누르는 힘을 발생시킨다. 그러면 비행기 앞머리가 위로 향하게 되어 속도가 크지 않아도 받음각이 커지므로 양력은 증가하게 되어 이륙을 용이하게 한다. 반대로 승강타를 내리면 비행기 앞부분은 아래로 향하게 된다.


비행기의 수직 꼬리 날개는 비행기를 흔들리지 않고 똑바로 날아갈 수 있도록 중심을 잡아주는 역할을 한다. 수직꼬리에는 방향타도 있어서 방향타를 오른쪽으로 꺾으면 비행기는 오른쪽으로 향하고, 왼쪽으로 꺾으면 비행기는 왼쪽으로 향한다. 그러나 비행기가 방향을 바꿀 때는 방향타와 함께 주날개에 달려는 보조날개의 도움이 필요하다. 주날개에 달려있는 보조날개는 모양을 바꿔 양력을 조절할 수 있는 데 비행기가 회전을 해야 할 때는 양쪽날개의 양력을 서로 다르게 하여 비행기의 몸체를 기울이게 한다. 만약 왼쪽 날개의 양력은 줄이고 오른쪽 날개의 양력을 늘리면 비행기는 왼쪽 아래로 기울어지고 왼쪽으로 회전할 수 있게 되는 것이다. 지금까지 살펴본 바와 같이 비행기는 엔진의 추진력, 공기의 저항력, 중력, 날개모양과 각도 조절을 통한 양력 등 4가지 힘의 상호작용을 통해 최선의 비행 상태를 찾아내어 하늘을 날 수 있는 것이다.

계획하지 않은 임신을 막으려면 피임을 해야 한다. 원치 않는 임신을 하여 낙태를 선택하게 된다면 생명윤리적 문제를 말하지 않더라도 여성의 몸과 마음에 많은 상처를 남기게 될 수 있다. 피임을 하는 방법에는 수정과 착상을 막는 피임도구들과 먹는 피임약, 정자나 난자가 나오지 못하도록 하는 영구적 수술방법(정관수술, 난관수술) 등이 있다. 이 중 먹는 피임약에 대해 알아보자.

 

난자가 배출되는 과정

 

 

여성이 난자를 배출하기까지의 과정

여성은 태어날 때 이미 난소 속에 난자가 될 세포(제1난모세포)가 여포에 싸여 들어있다. 여성이 자라 사춘기가 되어 성호르몬이 분비되면 제1난모세포는 난자로 성숙하여 배란이 된다. 이 때 제1난모세포가 들어있던 여포는 점점 커져 성숙하게 되는데 이 여포로부터 여포호르몬인 에스트로겐이 분비되어 배란 때 1개의 난자만이 나오도록, 또 다른 난자가 성숙하지 않도록 한다. 난자가 배란되면 나팔관을 통해 수란관으로 보내진다. 이 때 수란관에서 정자를 만나게 되면 수정이 되는 것이다.

 

난자가 배란되고 나면 여포는 퇴화되어 황체를 형성하게 되는데, 황체에서는 황체호르몬인 프로게스테론이 분비되어 임신이 되기 위해 수정란이 착상하기 좋은 자궁 상태를 만들어 놓는다. 프로게스테론이 나오면 자궁벽은 두꺼워져 수정란을 기다리는데, 만약 난자가 수정되지 않았다면 착상을 위한 두꺼운 자궁벽은 필요가 없어지게 된다. 그렇게 되면 프로게스테론의 수치가 급격히 줄어들면서 준비했던 자궁벽 세포들이 탈락하게 되는데, 이것이 여성이 한 달에 한 번 마법에 걸린다는 월경이다. 월경을 하고 나면 다시 여포가 성숙하여 배란을 하도록 하는 생식주기가 시작이 되는데 이 기간은 약 28일이다.

 

 

 

먹는 피임약의 주성분은 무엇일까?

먹는 피임약은 난자가 성숙되지 않도록 하여 배란을 억제하는 피임방법이다. 여포호르몬인 에스트로겐은 다른 여포가 성숙되어 난자가 배란되는 것을 억제하기 위해 뇌하수체 전엽에서 나오는 여포자극호르몬(FSH)을 나오지 못하도록 한다. 황체에서 분비되는 프로게스테론은 배란이 되지 않고, 여포도 성숙되지 못하게 하는 역할을 모두 담당한다. 그렇기 때문에 이 두 호르몬이 있으면 여포가 성숙하지 못해 난자가 형성되지 않으며, 또한 형성되었다 하더라도 배란을 억제하게 되어 수란관까지 들어온 정자가 난자와 만나 수정되는 일이 없게 된다. 먹는 피임약은 이 두 호르몬을 합성하여 사용한다. 프로게스테론만으로도 피임의 역할을 할 수 있기는 하지만 에스트로겐과 더불어 사용하면 피임 효과가 높아지기 때문에 먹는 피임약의 주성분은 합성 에스트로겐과 프로게스테론이다. 임신이 되었을 때, 임신 중에는 더 이상 또 다른 태아가 임신이 되지 않는 이유가 체내의 에스트로겐과 프로게스테론의 수치가 높게 유지되어 배란이 일어나지 않기 때문이다.

 

먹는 피임약은 어떻게 복용하여야 할까?

 

먹는 피임약은 월경이 시작하자마자 먹어야 효과가 있다. 월경을 시작하였다는 의미는 이제 다시 여포를 성숙시켜 그 속에 들어있는 제1난모세포를 성숙시키겠다는 것이다. 만약 이 시기를 놓쳐 여포가 성숙되면 그 때부터 피임약을 먹어도 배란이 일어날 수 있기 때문에 주의하여야 한다. 이런 의미에서 먹는 피임약은 하루라도 잊지 않고 먹어주어야 하는 단점이 있다. 먹는 중간에 한번 빠지게 되면 여포자극호르몬(FSH)이 분비될 수 있고 그로 인해 여포의 성숙이 일어나면 그 이후 피임약을 빠지지 않고 먹는다고 해도 배란이 일어날 수 있다. 물론 하루정도 빠진 것으로 인하여 100% 배란이 된다고 말할 수는 없다. 혈액 내에 에스트로겐과 프로게스테론의 농도가 높이 유지가 되어 있을 가능성이 높기 때문이다. 그래서 피임약 먹는 것을 잊었다면 12시간 안에 복용을 해주면 호르몬의 수치가 유지될 수 있다.


먹는 피임약에는 날마다 잊지 않고 먹을 수 있도록 요일이 표시되어 있다.           <출처: NGD>

 

그러나 사람들이 저마다 차이가 있기 때문에 먹는 피임약을 피임방법으로 사용하였다면 장담할 수는 없는 일이므로 피임약을 빼먹지 말고 날마다 복용하는 것이 중요하다. 그래서 먹는 피임약에는 날마다 잊지 않고 먹을 수 있도록 요일이 표시되어 있다. 그런데 먹는 피임약은 주로 한번에 21알이 포장되어 있다. 생식주기가 28일인데 21알이 포장된 이유는 21일째 복용 후 7일간은 휴약 기간이기 때문이다. 복용을 멈추게 되면 며칠 안으로 월경을 하게 되는데 월경여부와 상관없이 계속 피임을 하길 원한다면 다시 정확히 7일 후에 피임약을 복용하면 된다. 그렇게 되면 월경을 시작하여 여포가 성숙되기 시작하였다고 하여도 이전 피임약과 다시 복용하는 피임약의 영향으로 피임의 효과는 지속된다.

 

이렇듯 피임약을 복용하고 있는 동안에는 성분으로 들어있는 프로게스테론 때문에 월경을 하지 않게 된다. 수학여행이나 중요한 시합 등을 앞두고 여성들이 생리를 연기해보고자 먹는 약도 피임약이다. 그러므로 월경을 연기하고자 하는 여성은 월경예정일 약 1주일 전에 피임약 복용방법과 마찬가지로 하루 한 알씩 같은 시간에 빠지지 말고 복용해준다.

 

 

사후 피임약이란 무엇인가?

사후 피임약은 여성의 몸 안에 있는 황체에서 나오며 프로게스테론과 형태는 유사하나 기능이 반대인 프로제스틴(progestin)의 일종인 레보노게스트렐(Levonogestrel)이 주성분이다. 이 약은 배란기에 성관계를 한 뒤 72시간 내에 12시간 간격으로 한 알씩 2회 복용하면 원하지 않는 임신을 막을 수 있다고 한다. 우리나라의 경우에는 의사의 처방이 있어야만 구입이 가능하다.


 이 약의 작용 원리는 레보노게스트렐이 자궁벽을 탈락시킴으로 난자와 정자가 만나 수정된 수정란이 자궁벽에 착상되지 못하도록 하는 것이다. 수정은 되었으나 착상이 안 되면 임신이 되지 않기 때문에 그것을 이용한 피임약으로 성관계 후 될 수 있으면 빨리 먹어야 최대의 효과가 있다. 사후피임약을 24시간 이내에 복용한 경우 피임효과가 95%나 되지만, 48시간 이내 복용한 경우 85%, 72시간 이내 복용한 경우는 65%로 피임의 효과가 현저히 떨어지기 때문에 72시간 이내 복용하도록 하는 것이다. 만약 수정란이 착상이 되었다면 프로게스테론의 수치가 높아져 사후피임약의 영향을 받지 않아 효과가 없다.

광학 현미경은 언제부터 사용했을까?

오래 전부터 사람들은 맨눈으로 볼 수 있는 것보다 더 작은 것들을 보고 싶어했다. 현미경은 이러한 목적을 위해서 발명되었다. 현미경(顯微鏡)은 microscope를 한자로 옮긴 것인데, 작은 것을 확대하여 볼 수 있게 하는 장치이다. 최초로 렌즈를 사용한 때가 언제인지는 알 수 없지만, 유리가 빛을 휘게 한다는 것은 2천 년 전부터 알고 있었다.

 

 

1세기 경 로마 사람들은 유리를 통하여 사물을 관찰하곤 하였는데, 그 중에는 가운데가 두껍고 가장자리가 얇은 유리도 있었다. 그리고 그런 유리가 사물을 실제보다 확대해서 보여줌을 알게 되었다. 렌즈 (lens)란 이름은 실제 라틴어 lentil에서 유래하였는데, 이는 이 특이한 유리가 납작하면서도 가운데가 두드러진 모양의 콩(lentil bean)을 닮았기 때문이다. 렌즈는 그 후 잊혀졌다가 13세기에 들어 안경 제조사들이 이용하였고, 1600년 전후로는 렌즈를 조합하여 광학기기가 만들어졌다는 기록이 있다.

 

초기의 간단한 현미경은 한 개의 렌즈로 되어있었는데, 이는 단지 6~10배 정도 확대하는 정도였다. 스위스의 의사인 게스너는 현미경을 가장 작은 물체를 관찰하기 위한 렌즈라고 하면서, microscopia라는 이름을 붙였다. 1590년 경, 네덜란드의 얀센부자(父子)는 렌즈 몇 개를 통 속에 넣어 봤는데 한 개의 렌즈로 볼 수 있는 것보다 훨씬 더 확대된 상이 생기는 것을 발견하였다.

 

이후에 17세기 네덜란드 사람인 레벤후크와 로버트 후크에 의해 대물렌즈와 오목렌즈를 사용한 현미경이 만들어졌고, 그 배율은 300배 정도 되었다. 이들은 "짧은 초점거리를 지닌 렌즈가 배율을 결정짓는 중요한 요소"라는 것을 알아냈다. 그들은 현미경으로 식물세포를 비롯하여 치아 속에 있는 박테리아, 연못에 사는 작은 생물 등 여러 가지 생물의 모습을 관찰하고 기록하였다. 이때부터 그동안 알지 못했던 새로운 미생물의 시대가 열리게 되었다.

 

현미경은 작은 것을 드러나 보이게 하는 장치이다. <출처: NGD>

 

 

 

광학 현미경의 원리는 무엇인가?


현미경이 물체의 상을 확대하는 원리는 초점거리가 짧은 대물렌즈를 물체 가까이 둠으로 얻어진 1차 확대된 실상을 접안렌즈로 다시 확대하는 것이다. 상이 맺히고 확대하는 것은 물체와 대물렌즈 사이의 거리가 조금만 변하여도 바른 상을 맺지 못할 정도로 매우 예민하다. 현미경의 배율은 물체의 원래 크기에 대한 보이는 크기의 비율이다. 현미경 배율은 대물렌즈의 배율과 접안렌즈의 배율의 곱으로 계산한다.

 

대물렌즈와 1차 확대된 실상.

 

대물렌즈의 초점(F1) 밖에 작은 물체를 놓으면 대물렌즈에 의해 확대된 실상 이 만들어진다. 1차 확대된 실상은 접안렌즈의 입장에서 볼 때 물체의 역할을 하게 된다. 물체는 우리 눈에 가까울수록 잘 보이지만 일정거리보다 더 가까이 가져오면 물체는 더 커져 보이나 상을 정확히 맺힐 수 없기에 흐릿해 보이게 된다. 여기서 우리 눈이 물체를 가장 잘 인식할 수 있는 거리를 명시거리라 하고 보통 250mm이다. 1차로 확대된 상은 명시거리 안쪽에 맺힘으로 잘 볼 수 없기 때문에 볼록렌즈를 써서 상을 뒤로 보냄으로 비로소 뚜렷한 상을 볼 수 있게 된다. 결과적으로 물체를 명시거리 안쪽으로 당겨 확대된 크기의 상을 다시 볼록렌즈인 접안렌즈로 다시 뒤쪽에 맺히게 함으로 우리는 확대된 허상 을 또렷하게 볼 수 있게 된다.

 

 

접안렌즈와 2차 확대된 허상.

 

 

현미경의 성능은 렌즈 배율과 광원의 파장에 의해 결정된다

현미경은 물체를 확대하여 정확하게 관찰하려는 도구이다. 따라서 현미경의 성능을 결정하는 주요 요소로는 물체를 크게 보여줄 수 있는 확대능력(magnification)인 배율과 두 점을 구분할 수 있는 최소한의 거리인 해상도(resolution)가 있다. 여기에서 배율은 렌즈의 성능에 의해 결정되고, 해상도는 사용하는 광원의 파장에 의해 결정된다. 광원의 파장이 작을수록 더 작은 물체를 관찰할 수 있기 때문에 현미경에서 사용하는 광원의 파장은 아주 중요하다. 광학현미경의 광원은 파장대가 약 400nm~700nm인 가시광선을 사용한다. 이 범위의 빛에서 짧은 파장대인 400nm의 청색광을 이용할 경우 200nm의 해상도를 가지며, 최고 배율은 1,000배 정도 가능하다. 이보다 더 좋은 해상도와 배율을 원한다면 가시광선보다 짧은 파장의 빛을 써야 한다. 전자현미경의 경우 최대배율이 200만 배에 이르고 해상도는 0.1nm에 이른 것도 있는데, 이는 텅스텐 필라멘트에서 방출되는 파장이 0.005㎚인 전자선을 광원으로 쓰기 때문이다.

에어백은 차량이 충돌할 때, 충격으로부터 탑승자를 보호하는 장치이다. 에어백의 센서 및 전자제어장치는 자동차가 충돌할 때 충격력을 감지하여, 압축가스로 백(Bag)을 부풀려 승객에 대한 충격을 완화시킨다. 에어백은 안전띠만을 사용했을 경우보다 상해를 현저히 줄이도록 고안된 2차 충격흡수장치이다.

 

 

에어백은 왜 만들어졌을까?

1960년대 미국에서 대중화된 안전벨트는 자동차 사고 시 탑승자를 시트에 묶어둠으로써 치명적인 피해를 줄여주는 데 큰 역할을 하였다. 하지만 초기에 사용된 2점식 안전벨트는 허리만 고정시켜 가슴, 머리 등이 핸들이나 계기판 등에 부딪히는 피해는 여전하였다.

 

이를 개선하여 나온 3점식 안전벨트는 허리벨트와 어깨 벨트를 통하여 상체의 움직임을 제어하였는데, 여전히 머리와 목 부위가 다치는 문제를 남겼다.

 

이러한 안전벨트를 보완하기 위해 보조 안전장치로 에어백이 도입되었다. 에어백은 처음에 ‘안전벨트 보조용 구속장치(Supplemen tal Restraint System Air Bag)’로 불렸는데 이는 안전벨트를 착용한 상태에서 최적의 승객 보호 효과를 얻을 수 있다는 것을 뜻하기도 한다.

에어백은 안전띠만을 사용했을 때보다 상해를 줄여주는 안전장치이다. <출처: NGD>

 

 

에어백은 어떻게 작동될까?

에어백의 작동조건은 에어백의 종류와 차종에 따라 조금씩 차이가 있는데, 정면충돌 에어백은 대체로 정면에서 좌우 30도 이내의 각도에서 유효충돌속도 가 약 20~30km/h이상일 때 작동한다. 그렇다면 에어백은 어떻게 해서 펴질까? 에어백은 충격감지시스템과 에어백이 터지도록 하는 기체 팽창장치, 에어백으로 이루어진 에어백 모듈로 구성되어 있다.

 

에어백 모듈: 충격감지시스템 + 팽창장치 + 에어백

 

충격감지시스템은 충돌센서와 전자센서 두 부분으로 되어 있는데, 차가 일정속도 이상으로 충돌하는 순간 충돌센서의 롤러는 관성의 법칙에 따라 앞쪽으로 구르면서 스위치를 누르게 된다. 이때 회로에 전류가 흘러 가스 발생장치에 폭발이 일어나게 한다. 이때까지 걸리는 시간은 0.01초이다. 점화가 되면 질소 가스가 발생하여 에어백 안으로 순식간에 들어간다. 가스 발생장치의 작동과 함께 에어백을 잘 접어 넣어둔 용기가 완전히 부풀기까지는 약 0.05초 이내의 시간이 걸린다. 에어백에 담기는 질소가스의 양은 약 60L로 많은 기체가 공기자루에 들어가 충격을 완화시켜줌으로써 1차적 충돌에서 오는 치명적 부상을 피할 수 있게 해준다.

 

 

에어백은 어떻게 부풀어질까?

에어백을 순간적으로 부풀리는 데 사용하는 물질은 나트륨과 질소로 이루어진 아지드화나트륨(NaN3, sodium azide)이라는 물질이다. 이 물질은 350℃ 정도의 높은 온도에서도 불이 붙지 않으며, 충돌이 일어날 때 폭발하지 않는 안정성을 가지고 있어 차내에 저장해두기에 매우 안전한 물질이다. 이러한 물질에 산화철이라는 화합물을 섞어 놓으면, 격렬히 반응하며 질소를 생성하는데 이를 이용한 것이 바로 에어백이다.

 

에어백이 장착된 운전대에는 접혀져 있는 에어백과, 아지드화나트륨 캡슐, 약간의 산화철(Fe2O3), 그리고 기폭 장치가 들어있다. 충돌 시에 스위치가 작동하여 전류가 기체발생장치 내의 점화기를 작동시키면 순간적으로 높은 열이 발생하여 불꽃이 생긴다. 이 때 아지드화나트륨 캡슐을 터트려 산화철과 반응하게 만들고 아지드화나트륨을 나트륨과 질소로 분해된다. 이 때 나오는 질소 가스가 에어백을 채워 부풀어지게 한다. 아지드화나트륨에는 질소가 질량 퍼센트로 65% 들어 있는데, 충돌 시에 생성된 불꽃에 의해 0.04초 이내에 화합물들이 분해되면서 많은 양의 질소기체가 발생된다. 이 때 생기는 나트륨은 산화철과 섞이면서 산화나트륨을 만드는데, 이것은 금속 나트륨보다 훨씬 안전하다.

 

아지드화나트륨이 분해되어 질소가 발생되고 나트륨산화물이 되는 반응

 

발생된 질소는 압력이 낮은 에어백 속으로 들어가 이를 부풀리고 시간이 지나면 작은 구멍을 통해서 점점 빠져나가게 된다. 이 과정에서 자동차 탑승자는 충격을 적게 받게 되고, 에어백은 본래의 상태로 되돌아가 다시 사용할 수 있게 되는 것이다.

 

 

에어백은 어떻게 충격을 완화시켜줄까?

달리는 자동차 안에서 우리의 몸은 자동차와 같이, 같은 속력으로 달리고 있는 것과 같다. 따라서 우리 몸도 운동량을 갖게 되는데, 이 운동량은 물체가 다른 물체와 충돌할 때 변하게 된다. 처음에 승객이 가지고 있던 운동량에서 충돌 후 운동량의 차이인 ‘운동의 변화량’은 충격량의 식과 같은데 이를 표현하면 다음과 같다.

 

 

충격량은 가해진 힘의 크기 즉, 충격력(F)에 충돌한 시간(t)을 곱한 값으로, 운동의 변화량과 같다. 자동차가 부딪혔을 때, 실제 승객이 받는 힘은 충격력으로, 물체에 실질적으로 가해지는 힘의 크기이다. 승객이 가지고 있는 운동 변화량은 일정하므로 충격량의 값 또한, 일정한데, 승객이 충격을 적게 받으려면 충돌 시간을 길게 하여 충격력을 줄여주어야 한다. 즉, 충격량의 식에서 충격량이 일정할 때, 충격력과 시간은 반비례하므로 충격력을 줄이려면 충돌시간을 늘려주면 된다.


에어백에서 생성되는 질소가 에어백을 쿠션으로 만들어 사람이 차체에 충돌하는 시간을 길도록 해준다. 따라서 상대적인 충격력이 감속되어 사람에게 가해지는 충격, 즉 힘의 크기는 줄어들게 되고, 그에 따라 운전자는 덜 다치게 된다.  이는 마치 우리가 세게 던진 공을 받을 때 뒤로 물러나며 받으면 충격이 덜한 것과 마찬가지이다.

 

 

에어백, 앞으로의 방향은?

최근 승객의 안전을 위하여 개발된 에어백이 오히려 이에 의해 목숨이나 상해를 입는 경우가 많이 생겼다. 이는 에어백이 승객의 상태와 관계없이 일정한 충돌 상황에서 무조건 작동하는 데에 있다. 즉, 승객의 탑승여부, 성인과 소아의 구별, 착석 위치, 충돌 상황 등에 관계없이 충돌로 인한 일정한 기준 이상의 차체 감속이 일어나면 작동하기 때문이다. 이런 문제점을 해결하고자 최근 승객의 다양한 착석 상황(안전벨트 착용 유무, 탑승자의 무게, 소아 유무, 측면·정면충돌 구분 등)을 감지하는 센서들과 그에 따른 에어백의 적절한 양의 가스를 적절한 시간에 발생시키도록 하는 장치가 달린 ‘스마트 에어백’이 개발되고 있다.

“나 떨고 있니?” 이 대사를 들으면 많은 사람들이 생각나는 드라마가 있다. 최민수, 박상원, 고현정 주연의 [모래시계]! 이 드라마는 1970년대부터 1990년대까지 격동의 대한민국 현대사를 세 명의 주인공을 통해서 묘사한 것으로 시간의 흐름을 지칭하는 대상으로 시계, 그것도 모래시계를 드라마 제목으로 삼았다.

 

모래시계의 역사

 

인류 역사에서 시간을 측정하는 것은 농업을 위해 매우 필요하고 중요한 일이었다. 시간의 측정을 위해 최초로 탄생한 것은 해시계였다. 인류 최초의 해시계인 그노몬(gnomon)은 이집트의 아낙시만드로스(Anaximandros, BC 610~BC 546)가 발명한 것으로, 막대를 땅 위에 세워 놓고 그림자의 위치 변화를 따라 눈금을 나누어 시간을 측정한 것이었다.

 

이집트 태양신앙의 상징물로 유명한 오벨리스크(obelisk)도 거대한 해시계의 역할을 하였다고 한다. 그러나 해시계는 해가 있는 낮 동안에만 사용할 수 있기 때문에 그 불편함을 개선하고자 생겨난 것이 물시계이다. 용기에서 일정하게 물이 흘러나가도록 하여 만들어진 물시계는 밤낮 모두 사용할 수 있었지만 시간을 계속 측정하기 위해서는 용기의 부피가 너무 커 휴대하기 힘들었다.

 

그래서 물을 모래로 바꾼 모래시계가 탄생하게 된 것이다. 모래시계는 8세기 경 프랑스의 성직자 라우트프랑이 고안한 것으로 휴대성이 좋고 해시계나 물시계보다 정확도가 높다.

모래가 떨어지는 시간을 일정하게 만든 모래시계. <출처: NGD>

 

 

모래시계는 어떻게 시간을 알려줄까?

모래시계는 위쪽과 아래쪽으로 용기가 나누어져 있고, 두 용기 사이는 좁은 구멍으로 연결되어 있다. 모래를 용기 윗부분에 위치하도록 모래시계를 뒤집어 놓으면 중력에 의해 윗부분 모래가 아래로 떨어진다. 이 모래가 떨어지는 시간이 일정하게 정해지도록 만들 수 있기 때문에 모래시계에서 모래가 다 떨어지는 데 걸리는 시간은 항상 일정하다. 이 시간은 모래시계가 정밀하게 만들어진 경우에는 초 단위까지 정확하다. 그래서 모래시계가 1회 모래를 떨어뜨리는 시간을 이용하여 우리는 일상 생활에서 일정 단위의 시간을 측정할 수 있다.

 

모래는 중력에 의해 아래로 떨어지고 이 때 중력 F의 크기가 일정하게 줄어든다.

 

앞에서 모래시계의 윗부분에 있는 모래는 중력에 의해 아래로 떨어진다고 하였다. 여기서 모래시계 윗부분에 존재하는 모래의 질량을 m이라고 하면, 모래가 받는 중력(F)=mg(g는 중력가속도)가 된다. 모래가 단위 시간 동안에 일정량만큼 떨어지면 △m(윗부분의 모래 질량 변화량)이 일정하기 때문에 중력 F의 크기가 일정하게 줄어든다.

 

그렇다면 모래시계에서 모래가 빠져 나갈수록 F가 줄어들어 속도가 느려져야 할 것이다. 그런데 모래시계에서 모래는 일정한 양이 흘러나오기 때문에 정확한 시간이 측정된다. 어떻게 속도가 느려지지 않는 것일까? 그것은 마찰력 때문이다. 모래시계에서 모래가 떨어질 때, 마찰력이 약한 모래시계 벽면에 붙어있는 모래층만 흘러내리고 그 외의 부분은 고정된 효과를 가지게 된다. 벽면 부위의 모래가 구멍을 따라 떨어지고 나면 다시 그 벽면과 닿는 모래의 마찰력이 감소하여 구멍을 따라 떨어지게 된다. 따라서 모래시계에서 모래가 떨어지는 속도는 윗부분 모래들이 누르는 압력과 관계가 없다. Metin Yersel(미국, 린든주립대학)에 의하면 실린더 형태의 용기로부터 모래와 같은 미세입자 매질이 유출되는 속도의 식은 아래와 같다.

 

 

 

이 식에 따르면 모래의 유출 속도는 k, ρ, g, A가 특정한 그 모래시계 안에서는 모두 정해진 상수이기 때문에 시간에 따라 변하지 않고 일정하다. 그렇기 때문에 모래시계의 주기는 유출되는 구멍의 단면적과 모래의 양 이 두 가지를 다르게 조절하면 다양한 주기의 모래시계를 만들 수 있게 된다. 구멍의 단면적이 넓을수록 유출되는 모래의 양은 많아지므로 모래시계의 주기는 짧아지게 된다. 그리고 모래의 양이 많으면 일정한 유출속도를 내려 할 때 오랜 시간에 걸쳐 떨어지므로 모래시계의 주기는 길어지게 된다. 그렇기 때문에 모래시계의 주기를 늘이려면 유출하는 구멍의 크기를 줄이고 모래의 양을 늘려주면 된다. 그리고 모래는 알갱이의 크기가 일정하고, 습기를 완전히 제거한 상태여야 좋다. 정동진에 세워져 있는 모래시계는 한 번 모래가 다 떨어지는 데 1년의 시간이 걸리도록 설계되었고, 정확도를 위해 모래 대신에 일정한 크기의 고분자물질을 사용하였다.

 

 

거꾸로 가는 모래시계

모래시계의 모래는 아래로 떨어질 수밖에 없는 것일까? 아래에 놓여 있는 모래가 위로 올라가는 것은 지구에서는 불가능할 일일까? 이러한 사람들의 상식을 뛰어넘은 거꾸로 모래가 움직이는 모래시계가 발명되었다. 이 모래시계의 이름은 Paradox이다. Paradox의 뜻은 ‘역설’이라는 의미이다. 우리의 상식을 벗어나 중력의 반대방향으로 모래가 움직이기 때문에 붙여진 이름이다. 그렇다면 이 모래시계는 보통의 모래시계와는 어떻게 다를까?

 

파라독스 모래시계는 사실 중력과 마찰력에 의한 미세입자의 흐름을 따라 만들어진 것이 아니라 밀도 차이를 이용한 것이다. 이 거꾸로 가는 모래시계의 안에는 기름 성분의 액체가 들어 있고, 입자 알갱이도 모래가 아니라 그 액체 성분에 뜨는 물질, 다시 말해 밀도가 그 액체보다 가벼운 고분자 물질을 넣어 둔 것이다. 그렇게 하면 뜨는 고분자 알갱이가 아래쪽으로 가도록 파라독스 모래시계를 위치해 놓으면 밀도차이에 의해 고분자 알갱이가 물에 기름이 뜨듯이 뜨게 된다. 일정한 밀도의 고분자 알갱이가 들어 있다면 구멍을 통과하는 속도도 일정하게 되므로 일정한 시간 동안 위쪽으로 옮겨가게 되는 것이다. 비록 중력을 거꾸로 가는 모래시계가 아니기는 하지만 밀도 차이를 이용하여 일반적인 모래시계와 반대인 모래시계를 만드는 창의적 생각의 전환이 신선하다.

2008년 12월에 개봉된 영화 [잃어버린 세계를 찾아서]는 지구 내부에 대한 인간의 궁금증과 상상력이 만들어낸 영화라 할 수 있다. 화산 분화구를 통해 주인공들이 들어간 수천㎞ 깊이의 지구 내부에는 삼엽충, 공룡 등 지상에선 이미 멸종한 다양한 생물체가 살고, 강한 자기장으로 암석덩어리가 둥둥 떠다니며, 비바람이 몰아치는 바다도 있다. 정말 그런 세계가 지하에 있는 것일까? 지구 내부는 어떤 모습이며 어떤 물질로 구성되어 있을까? 우리는 지구 내부를 어떻게 알 수 있을까?


지구 내부로부터의 정보를 직접 제공해 주는 예는 다이아몬드 광상을 이루는 킴벌라이트 암맥이나 화산의 경우처럼 지하 200km로부터 지표에 분출된 암석들이다. 그러나 200km라는 깊이는 지구의 반지름 6,370km에 비하면 아주 얕은 깊이라 지구 내부를 알게 하기엔 너무 부족하다. 영화 [코어]에서처럼 직접 지구 내부로 들어가거나 또는 지구 내부를 시추해서 알아내면 되지 않을까 싶겠지만 지금까지는 러시아가 1994년 콜라(Kola)반도에서 대륙지각을 13km까지 시추한 것이 최고 깊이이다.


여름철 잘 익은 수박을 고르기 위해 수박을 톡톡 쳐서 나는 소리를 듣고 내부의 상태를 판단하는 모습을 보았을 것이다. 지구도 직접 속을 볼 수는 없지만 간접적인 방법으로 지구 내부를 연구할 수 있는데, 바로 지진이 발생했을 때 지구 내부를 지나 전달되는 지진파를 이용하는 것이다.

 

 

땅이 움직이고 암석이 깨지는 이유

지진은 지하에 축적된 탄성에너지의 급격한 방출에 의해 지구가 진동하는 현상이다. 지각과 상부맨틀은 탄성체인 암석으로 되어 있기 때문에 탄성한도 이내에서 변형되면 지각 표층부는 판유리처럼 어느 한도까지는 구부러졌다가 힘이 사라지면 원래대로 돌아간다. 그러나 탄성한도를 넘으면 암석은 깨지게 되고 이때 생겨난 진동이 전달되어 땅이 흔들리게 되는데 이것이 지진이다.


땅이 움직이고 암석이 깨지는 이유는 무엇일까? 판구조론에 의하면 지구의 외곽부는 80~100km두께의 단단한 여러 개의 판으로 되어있는데 커다란 7개의 판 과 여러 개의 작은 판으로 구성되어 있다. 판은 지각과 상부맨틀로 된 암석권인데 이 판들은 맨틀의 대류에 의해 서로서로 이동한다. 판은 서로 경계를 맞대고 있는데 판의 경계에는 발산경계인 중앙해령, 보존경계인 변환단층, 수렴경계인 해구 등이 있다. 판의 경계는 판이 서로 멀어지거나 부딪치며 이동하는 곳이므로 지진이 많이 발생하게 된다.

 

판의 경계와 맨틀대류.

 

 

지진의 종류에는 단층지진, 화산지진, 함락지진, 인공지진 등이 있는데, 미국 서해안의 샌프란시스코에서 동남으로 길게 뻗어있는 산안드레아스단층 지진은 단층지진의 대표적인 예이다. 1906년 이곳의 지진에서는 단층면의 양쪽 지층이 수평으로 7m나 이동한 것이 확인되었다. 지진은 확인되나 단층이 발견되지 않는 경우도 많은데 지하 깊은 곳에서 단층이 발생하면 지표로 오면서 단층이 소멸되기 때문이다. 대양저 산맥(해령)에는 해령의 연장방향과 수직방향으로 변환단층이 발달되어있는데 이곳에서도 단층양쪽의 해양지각이 서로 반대방향으로 움직여 지진을 일으킨다. 산안드레아스단층도 변환단층으로 알려져 있다.


세계에서 지진이 가장 많이 발생하는 지역은 환태평양지진대이다. 베니오프(Hugo Benioff, 1899~1968)는 해구를 따라서 천발지진 이, 해구 옆의 대륙 쪽에는 중발지진이, 더 먼 곳에서는 심발지진이 일어난다는 사실을 발견하였다. 해구는 판구조론에 의하면 해양판이 대륙판 밑으로 들어가는 수렴지역으로 이 때 판과 판이 부딪치면서 지진이 발생한다. 이곳에서의 지진을 베니오프대 지진이라 한다. 일본은 천발지진이 발생하는 해구 위에 있는 지역이라 규모가 큰 지진이 자주 발생하게 되고 우리나라도 그 여파로 동해는 쓰나미의 위협을 받기도 한다.


활화산 주위에도 소규모의 지진이 많이 발생한다. 마그마가 움직이거나 가스가 분출될 때 지각이 움직여 지진이 발생하는데 이런 지진을 화산지진이라 한다. 대양저산맥에는 그 중심부에 V자 모양의 열곡이 존재하는데, 이곳에서도 마그마의 분출로 인한 많은 지진이 발생한다. 함락지진은 땅속의 큰 빈공간이 무너질 때 생기며, 인공지진은 핵폭탄실험 등의 인공적인 폭발물이 폭발할 때 생긴다.  

 

 

지진파의 종류와 이용

지진을 일으키며 에너지가 처음 방출된 곳을 진원이라 하며, 진원에서 연직으로 지표면과 만나는 점을 진앙이라 한다. 진원지에서 지진이 발생하면 그 점을 중심으로 암석 내에 저장되어 있던 탄성에너지의 일부가 탄성파로 모든 방향으로 전달되어 가는데, 이것이 지진파이다. 지진파의 종류에는 지구 내부를 깊숙이 통과해가는 실체파인 P파와 S파가 있으며, 지구표면 가까이의 바깥층을 따라 전파해가는 표면파로 러브파(L파)와 레일리파(R파)가 있다. 또 큰 규모의 지진이 발생한 후에는 마치 종이 울리고 난 후처럼 수일 내지는 수 주일에 걸쳐 지구 전체가 진동하는, 지구의 자유진동(自由振動)이 관측된다. P파는 음파처럼 어떤 매질을 통과할 때 파의 진행방향과 진동방향이 같은 종파이며 가장 먼저 도착하므로 Primary wave(P파)라 하며 압축과 팽창을 거듭해서 부피변화를 일으킨다. 종파는 고체, 액체, 기체의 모든 매질을 통과한다. S파는 파의 진행방향에 수직방향으로 진동하는 횡파로 두 번째로 도착하므로 Secondary wave(S파)라 하며 매질의 모양변화를 가져온다. S파는 고체만 통과할 수 있다. 표면파는 지표면의 움직임을 가져온다. 레일리파는 해양의 너울처럼 땅을 출렁거리게 하며 러브파는 파의 진행방향에 대하여 지표면의 입자들이 수직으로 좌우진동을 하게하여 건물에 막대한 구조적 변화를 줘서 가장 많은 지진피해를 입힌다.

 

지진파의 종류

 

 

 

지진파를 관측하면 진앙지까지의 거리도 알아 낼  수 있다. P파의 속도는 깊이가 깊어지면 더 빨라지지만 지각에서 초속 8km이며 S파는 초속 4km이다. ‘ps시= P파가 도착한 후 S파가 도착할 때까지 걸리는 시간’인데 이 값을 알면 진앙까지의 거리를 구할 수 있다. 이는 번개와 천둥이 도착하는 시간차를 이용하여 번개가 발생한 지역까지의 거리를 구하는 것과 같은 원리로 시간과 거리와 속도의 관계식을 이용하면 된다.

 

1909년 유고슬라비아의 지진학자 모호로비치치는 발칸 지진 때의 지진 기록을 분석하여 p파의 속도가 지표 아래 수십km 부근에서 급격히 증가한다는 사실을 발견하였다. 이런 사실은 이곳을 경계로 구성물질의 뚜렷한 경계가 있다는 것을 지시하는 것으로 이 경계면이 바로 지각과 맨틀의 경계인 모호로비치치 불연속면이다.

 

 

1912년 독일태생의 미국물리학자인 구텐베르크는 진앙지로부터 103°~143°인 지역에서는 P파와 S파가 관측되지 않는 암영대가 있으며 143°이상에서의 거리에서는 S파가 도달하지 않는 것을 발견하였으며 이를 근거로 지구내부 2900km보다 깊은 곳에 P파의 속력이 급격이 감소되고 S파가 전달되지 않는 액체 상태인 외핵의 존재를 밝혔다. 그래서 맨틀과 외핵의 이 경계면을 구텐베르크 불연속면이라 한다.

 

1936년 덴마크의 지진학자인 레만은 뉴질랜드의 불러 부근에서 발생한 지진자료의 분석을 통해 외핵내부에 고체인 내핵의 존재를 밝혔다. 외핵을 통과하여 굴절되어 도착한 P파의 경로를 분석하여 추정한 것이다. 이 분석을 통해 외핵 안쪽에 P파를 굴절시키는 다른 층인 내핵의 존재를 밝혀낸  것이다. 지진파의 속도분포로부터 외핵은 철과 산소의 화합물(FeO)상태일 것으로 추정되며, 내핵의 물질은 철질 운석과 유사하게 철90%와 니켈10%의 금속 화합물로 구성되어 있다고 추정된다. 이처럼 지진파는 지구내부구조를 밝힐 수 있는 중요한 열쇠인 것이다.

지진파의 이동경로 및 이동 속도.

 

 

지진의 관측과 규모

 

지진계를 통해 지진진동의 모양이 드럼 위에 감긴 종이나 인화지에 기록된다. <출처: NGD>

지진은 지진 관측소에 설치된 지진계를 통하여 관측한다. 이때 최소한 수평지진계를 서로 직교하게 2대, 수직지진계를 1대 놓아야 한다. 지진계에서 중요한 부분은 무거운 추와 드럼(drum)인데 지진을 관측할 때 가장 큰 문제점은 땅이 흔들리면 지진계도 같이 흔들린다는 사실이다. 이 때문에 추는 지진계의 모든 부분이 흔들려도 관성으로 정지되어 있도록 만들었다. 그리고, 드럼이 지진에 따라 흔들리면서 정지된 추에 달린 펜이나 추에 붙은 거울에서 반사되는 광선으로 지진진동의 모양이 드럼위에 감긴 종이나 인화지에 기록되도록 하였다.

 

지진의 크기를 나타내는 척도로는 진도와 규모가 사용된다. 진도는 주변의 요소에 따라 영향을 많이 받으므로 실제 지진의 크기를 정확하게 분류하는 수단은 되지 못하여 지진의 크기를 보다 정량적으로 평가하는 수단으로서는 지진발생시 방출되는 에너지의 양을 나타내는 척도인 규모를 많이 사용한다. 규모에는 리히터 규모, 표면파 규모, 실체파규모가 사용되고 있다. 보통 규모 1이 차이가 나면 에너지 방출에 있어서 25~30배의 에너지 증가를 가져온다.

 

 

동물의 이상행동을 통해 지진을 예측

지진이 발생하기 전 동물들이 이를 먼저 감지하고 이상행동을 보이기도 한다. 1969년 중국의 톈진(天津)시에서는 규모 7.4의 강진이 발생했는데 이에 앞서 조용히 있던 곰이 소리를 지르고 뱀이 굴속으로 들어가는 것을 본 동물원 관리인들이 지진예측기관에 보고해 지진 피해를 최소화했다. 1975년에도 중국 하이청(海城)에서 겨울에 뱀이 도로로 나와 얼어 죽고 말이 날뛰었는데 사흘이 지나자 규모 7.3의 대지진이 발생한 것이다. 최근엔 2005년 10월 까마귀들이 지진이 일어나기 전 매번 비명 비슷한 울음소리를 내며 둥지를 떠났고 현지 주민들은 까마귀의 움직임을 보고 지진을 예측하였다. 그러나 회의론자들은 동물의 이상행동이 일관적으로 일어나지 않는다고 말한다.

 

우리도 지진대피를 동물의 행동에만 의존할 수는 없다. 지진이 발생하면 지진의 피해를 최소화할 수 있도록 해야 한다. 화재의 위험에 대비해 전기나 가스를 잠그고 튼튼한 탁자 밑으로 피신하고 몸을 숙여 머리나 눈을 보호하도록 한다. 대피할 때는 엘리베이터를 이용하면 안 되며 차를 타지 말고 도보로 이동하고 커다란 구조물 근처는 피하도록 한다. 지진의 피해는 대부분 붕괴된 건물이나 구조물들에 의해 생기게 되므로 운동장 같은 넓은 곳으로 대피하는 것이 좋다.


지진으로 인해 발생한 역사상 가장 큰 인명피해는 1556년 중국 산서성에서 일어난 지진으로 이 때 83만 명이 사망하였다. 최근에는 2004년 인도네시아 앞 바다에서 발생한 지진으로 해일이 발생해 20만 명의 사상자를 낸 것으로 추정된다. 2010년 1월 12일 아침에 발생한 아이티 지진은 수도에서 발생하여 10만명에 이르는 사상자를 낸 것으로 추정되며 같은 해 2월 칠레에서 규모8.8의 강진이 발생해 200만 명의 이재민이 생겼고 7월에도 여러 차례 지진이 발생했다. 우리나라는 지진이 많이 발생하는 지역은 아니지만 최근에는 지진이 더 많이 관측되고 있다. 이는 지진계가 더 많이 발달해서 일어난 현상일수도 있지만 지진에 대하여 미리 알아두어 혹시라도 모를 지진의 발생에 대비해야 할 것이다.

 

압력밥솥이 나오기 전에는 질긴 고기요리나 잡곡밥을 할 때, 사전에 요리가 잘 되도록 하기 위해 어떤 처리를 한 후에 요리를 해야 하는 경우가 많았다. 그러나 근래에는 압력밥솥이 출시되면서 요리가 훨씬 간편해지고 시간 또한 절약되고 있다. 이러한 가정용 압력밥솥은 1679년 프랑스의 물리학자 드니 파팽이 발명한 증기찜통을 개량한 것이 그 시초이며, 우리나라에서는 오래전부터 사용해왔던 가마솥을 그 시초라고 볼 수 있다.

 

 

솥의 압력을 높여 주면

 

대부분의 음식물은 끓는 물에서 조리하므로 1기압, 약 100℃의 물에 일정한 시간 동안 넣어두면 조리가 된다. 그러나 높은 산에서는 기압이 낮아 조리를 하기가 어려워진다. 왜냐하면 액체의 끓는점은 압력에 따라 달라지는데 높은 산에서는 압력이 낮아 끓는점이 100℃보다 낮아지기 때문이다. 즉, 액체의 끓는점은 압력이 낮으면 낮아지고 압력이 높으면 높아지게 된다.


이런 점을 이용해 솥 속의 증기가 빠져나가지 못하도록 함으로써 압력이 높아지도록 만든 것이 압력밥솥이다. 이렇게 하면 끓는점이 높아져 잘 익지 않는 음식을 조리하기가 쉬워질 뿐만 아니라 같은 시간에 더 많은 열이 음식물로 전달되어, 더 빨리 요리를 할 수 있다. 또한 요리시간이 짧아지므로 요리 과정에서 쉽게 파괴되는 비타민이나 무기질의 손실을 최소한으로 할 수 있으며 연료도 줄일 수 있는 여러 가지 이점이 있다. 대부분의 압력 밥솥 은 내부의 압력을 대기압보다 높은 1.2기압 정도로 높여 물이 약 120℃에서 끓게 한다.

솥 내부의 압력을 높여 빠르게 조리하는 압력밥솥. <출처: NGD>

 

압력밥솥의 종류

압력으로 밥을 하는 취사도구는 가스 불을 이용하는 일반 압력밥솥과 전기를 이용하는 전기 압력밥솥으로 나눌 수 있다. 일반 압력밥솥은 만든 재질에 따라 알루미늄과 스테인리스 스틸(stainless steel) 압력밥솥으로 구분되며 전기 압력밥솥은 가열하는 방식에 따라 열판 가열 방식과 IH(induction heater 전자기 유도 가열) 방식으로 나눌 수 있다.  

 

열판 가열 방식은 바닥면에 있는 열판 내부의 히터로부터의  열을 이용해 열판이 가열되고 이 열이 내통에 전달돼 밥을 하는 간접 가열 방식이다. 반면 IH 가열 방식은 내솥 전체에 둘러싸인 전기 코일의 전자기유도 작용에 의해 내통 자체가 직접 발열하는 직접 가열 방식이다. 또한 전기 압력밥솥의 내통은 재질ㆍ도금의 종류에 따라 알루미늄ㆍ황금동ㆍ황동ㆍ스테인리스 스틸 등 여러 가지가 있다.

 


일반 압력밥솥

일반 압력밥솥의 구조는 아래 그림처럼 솥뚜껑과 솥 사이에 고무를 끼우고 나사를 조여서 증기가 새지 않게 한다. 뚜껑 위쪽에는 작은 구멍이 있으며 압력추가 구멍을 막고 있다. 이 때 솥 속의 증기압이 압력추가 누르는 힘보다 크면 구멍은 열려서 증기가 방출하게 되어 위험을 피하게 된다. 압력추는 일정한 압력 이상이 되면 증기가 배출되어 안전을 유지하도록 만들어져 있고, 더욱 안전도를 높이기 위해 보조 안전장치도 부착되어 있다.

 

일반 압력밥솥의 구조.

 

IH 전기압력밥솥

전기압력밥솥은 1990년대 출시 초기에는 대부분 밑바닥만 가열하는 열판식이어서 아래부터 천천히 가열되기 때문에 한 번에 많은 양의 밥을 지을 경우 종종 밑은 타고 위는 질어서 층을 이루는 층층밥이 되곤 했다. 이러한 단점을 없애기 위해 고안한 것이 IH 전기압력밥솥이다.

 

IH(유도가열 Induction Heating) 밥솥은 내통 자체가 직접 발열하는 통가열 방식인데, 바깥쪽 스테인리스 솥과 안쪽 알루미늄 솥의 이중구조로 되어 있다. 그리고 바깥쪽 솥의 바닥과 측면에는 전기코일이 붙어 있다. 밥을 지을 때 인버터 회로로 주파수가 20~40kHz가 되도록 이 코일에 교류전류를 흘려 보내고 끊는 일을 반복한다. 그렇게 하면 전류가 흐를 때는 코일 주변에 자기장이 만들어지고, 끊어질 때는 자기장이 사라진다. 교류전류는 전류가 흐르는 방향이 번갈아가며 바뀌므로 코일 주변에 N극과 S극의 방향도 주기적으로 바뀌는 교류자장이 발생한다. 이 자력선의 변화로 전기가 발생하는 것이 전자기유도현상이다. 이 전자기 유도로 바깥쪽 스테인리스 솥에 와전류가 생기는데 이 와전류 에너지의 대부분은 스테인리스의 전기저항이 커서 열로 바뀌고 이 열이 안쪽 알루미늄 솥 전체를 통째로 가열한다. 그리고 몸통과 뚜껑 사이에는 고무로 만든 가스켓 (gasket)이 설치되어 압축된 공기가 새지 않도록 밀폐하고 뚜껑에는 압력 조정 장치가 있다.

 

압력 조정 장치는 압력밥솥 내의 증기 압력을 일정하게 유지시켜주다가 취사 완료 후 유지된 압력을 회로를 통한 전원 공급으로 작동해 압력을 외부로 배출시켜주는 기능을 한다. 이 장치의 종류는 일정한 무게를 가진 추를 이용하는 ‘추식’과 스프링의 탄성을 이용하는 ‘스프링식’이 있는데 대개 스프링식을 이용하고 있다. 또한 압력 조정 장치의 구멍에 이물질이 끼는 등의 이유로 압력 조정 장치 기능이 상실되었을 때를 대비해 2차적으로 증기를 배출시켜 주는 압력 안전 장치도 있다. 이밖에도 여러 가지 안전 장치를 탑재한 전기압력밥솥이 있는데, 안전 장치로는 뚜껑 온도 감지 센서, 과열 방지 알림 장치, 압력 조절 장치, 온도 과열 방지 장치, 증기 자동배출 장치, 뚜껑 열림 방지 장치, 뚜껑 결합 감지 장치, 자동 온도 센서, 연속 가열 차단 장치, 압력 안전 장치, 압력계 등이 사용되고 있다. 자동 온도 조절 장치는 바이메탈을 이용한 것으로 일정한 온도에 이르면 자동으로 회로가 열려서 과열을 막는다. 만약 자동 온도 조절기가 고장나면 퓨즈가 끊어지면서 전류를 차단시킨다.

 

IH 전기 압력밥솥 구조 : 솥 주변의 유도가열용 코일에 전기가 흐르면 1초에 2만5천~3만5천 번 정도의 방향이 바뀌는 와전류가 발생한다.
이 와전류 에너지의 대부분은 외부 솥의 스테인레스가 전기저항이 커서 열로 바뀌고 이 열이 안쪽 알루미늄 솥 전체를 통째로 가열한다.

 

우리나라 전통 압력밥솥 ‘가마솥’

가마솥에 밥을 하면 밥맛이 좋다고 한다. 밥맛의 비결은 솥뚜껑 무게, 바닥 두께, 그리고 모양과 관련이 있다. 쌀이 잘 익으려면 대기압(1기압) 이상의 압력이 필요한데 가마솥의 솥뚜껑은 솥 전체 무게의 3분의 1에 달할 정도로 무겁다. 따라서 수증기가 솥 밖으로 잘 빠져나가지 못하여 내부압력이 대기압 이상으로 올라가게 된다. 그러면 밥이 100℃ 이상에서 지어지므로 쌀이 충분히 익게 된다. 또한 솥뚜껑이 무거운 만큼 쉽게 식지도 않기 때문에 뜸도 잘  들게 된다. 또한 가마솥의 바닥모양이 둥글기 때문에 열이 입체적으로 전달되며 불에 먼저 닿는 부분은 바닥 두께가 두껍고 가장자리 부분은 얇아 열을 고르게 전달시켜 밥이 잘 되게 된다.

 

압력밥솥 안전사고 예방을 위한 주의사항

‘22일 오전 11시 7분께 강원 강릉시 초당동 D 음식점에서 압력밥솥이 폭발했다. 이 사고로 음식점 직원 최모(60.여) 씨가 머리와 눈을 다쳐 119 구급대에 의해 병원으로 옮겨져 치료를 받고 있다.(2010/01/22)’

 

위의 기사는 압력밥솥을 사용하다가 가끔씩 일어나는 사고 가운데 한 사례를 나타낸 것이다. 그러면 이러한 사고를 방지하기 위해 압력밥솥의 사용 시에 어떤 점에 유의해야 하는지 몇 가지만 살펴보자. 첫째, 취사 중 압력이 남아있는 상태에서는 절대로 뚜껑을 무리하게 열지 않아야 하겠다. 둘째, 압력 안전 장치에 이물질이 끼여 있는지 여부를 항상 확인하며 자주 청소한다. 셋째, 고무패킹 등 소모품은 교환 시기를 확인하고 넷째, 사용설명서에 따라 압력밥솥으로 요리 가능한 음식 이외에는 조리하지 않도록 하는 것 등에 유의해야 한다.

카메라는 주변의 풍경이나 사람의 모습을 그대로 재현해내는 기계이다. 우리나라에 카메라가 처음 들어왔을 때 무척 신기해 하기도 했지만 자신의 영혼을 가져가는 못된 기계라 하여 두려워했다고도 한다. 카메라의 어원은 라틴어 ‘카메라 옵스큐라’인데 카메라는 ‘방’, 옵스큐라는 ‘어둠’을 뜻한다. 어둠상자 한 면에 빛이 들어오는 바늘구멍을 뚫고 반대쪽 면을 적당히 거리 조절하여 보면 거꾸로 선 바깥 풍경이 비춰 보인다. 이 풍경이 비치는 면에 빛을 반응하는 물질을 둔다면 풍경의 상이 찍힐 것이다. 하지만 바늘구멍을 통해 들어오는 빛의 양은 너무 적고 선명한 상을 얻기 위해 상자를 움직여 초점을 맞추어야 한다. 만약, 바늘구멍을 크게 만든다면 들어오는 빛의 양은 많아지겠지만 물체로부터 오는 빛이 서로 겹쳐 선명한 상을 맺을 수 없다. 이 문제는 구멍 위치에 빛을 모을 수 있는 렌즈를 사용하여 해결한다. 즉, 한 장의 사진을 만들기 위해서는 빛을 모으는 렌즈, 빛을 느끼고 상을 맺는 감광물질(필름이나 광센서), 어둠상자와 같은 방(카메라 바디)이 필요하다. 이 세 가지가 카메라의 기본적인 구성요소이다.

 

 

빛을 모으는 렌즈

우리가 사용하는 카메라는 초점이나 빛의 양을 자동으로 조절하는 간단한 자동카메라와 사용자가 모든 것을 알아서 조절해야 하는 수동카메라가 있다. 수동카메라는 필름을 사용하는 기계식 카메라와 전자 광센서를 사용하는 디지털 전자식 카메라가 있다. 기계식 수동 카메라를 SLR(single-lens reflex), 디지털 방식의 수동 카메라를 DSLR(digital single-lens reflex)이라는 대명사로 부르기도 하는데 이는 뷰파인더를 통해 물체를 보는 방식을 구별하는 이름이다. SLR 카메라는 아래 그림처럼 촬영용 렌즈를 통해 들어온 빛이 거울과 프리즘에 반사되어 뷰파인더로 들어오게 되기 때문에 미리 상의 모습을 볼 수 있고, 셔터를 누르면 거울이 위로 올라가므로  본 그대로의 상이 필름에 맺힌다. 하지만 일부 단순한 카메라는 뷰 파인더가 촬영용 렌즈와 독립적이라 상과 대상물체가 일치하지 않는 경우가 있다.

 

SLR 카메라의 원리.

 

빛이 성질이 다른 물질을 지나가면 마치 빠른 속력의 차가 아스팔트에서 모래사장으로 진입할 때 바퀴 방향이 휘는 것처럼 경로가 꺾인다. 이 현상을 빛의 굴절 이라고 하는데 이러한 빛의 굴절을 이용하여 만든 도구가 렌즈다. 렌즈는 크게 ‘볼록렌즈’와 ‘오목렌즈’로 분류한다. 볼록렌즈는 렌즈의 중심부가 두껍기 때문에 빛을 한 점으로 모으듯 수렴시키고, 오목렌즈는 렌즈의 중심부가 얇기 때문에 마치 한 점에서 빛이 발산된 것처럼 퍼지게 한다.


카메라 렌즈는 빛을 모아 초점에 상을 잘 맺어야 하므로 모양이 볼록렌즈여야 한다. 결과적인 모양은 볼록렌즈를 닮았지만 보통 카메라 렌즈는 볼록렌즈와 오목렌즈를 여러 개 조합하여 만든다. 왜 그럴까? 그 이유는 렌즈를 사용할 때 생길 수 있는 여러 종류의 수차를 보정하여 선명한 상을 만들기 위해서이다. 수차 의 예를 들어 보면 구면수차와 색수차가 있다. 구면수차는 렌즈의 중심부와 주변부의 두께가 다르기 때문에 초점이 여러 개 생겨 상이 흐려지는 것이고, 색수차는 빛의 색깔에 따라 꺾이는 정도(굴절률)가 다르기 때문에 나타난다. 즉, 색수차는 렌즈를 통과한 백색광이 무지개 색으로 번져 보이는 것이라 할 수 있다. 이런 렌즈의 수차를 줄이는 것이 좋은 렌즈의 조건이며 이를 위해 비구면 렌즈를 조합하기도 한다.

 

이상적인 렌즈

렌즈의 구면수차

색수차

 

 

SLR이나 DSLR카메라의 경우는 원하는 사진이 무엇이냐에 따라 렌즈를 교체할 수 있다. 렌즈는 어떻게 구분할까? 렌즈의 가장 중요한 기능은 빛을 모으고 초점에 맞춰 원하는 상을 맺는 것이다. 그래서 대부분 렌즈에는 그림과 같이 렌즈의 밝기(F수)와 상이 맺히는 위치인 초점거리 숫자가 표시되어 있다. 이 숫자를 보고 렌즈를 선택한다.

 

렌즈의 밝기인 F수는 빛을 받아들이는 렌즈의 능력이며 렌즈의 구경과 초점거리의 비로 나타내는데 예를 들면 1: 1.4 또는 F1.4 로 표시한다. F수가 작아지면 렌즈가 밝기 때문에 상이 밝아지고, F수가 커지면 렌즈의 밝기도 감소하여 상이 어두워진다. 초점거리는 렌즈의 중심에서 상이 맺히는 거리를 mm 단위로 표시한다. 이 숫자는 초점거리 보다 풍경이 보이는 범위인 화각을 알 수 있는 값이다. 초점거리와 화각은 서로 반대의 상관관계가 있다. 초점거리가 길어지면 보이는 범위(화각)가 좁아지고 초점거리가 짧아지면 보이는 범위(화각)가 넓어진다. 그래서 초점거리가 50mm 인 표준렌즈를 기준하여 이 숫자가 커지면 좁은 범위에 집중되는 망원렌즈, 이 숫자가 작아지면 넓은 풍경을 찍기에 좋은 광각렌즈라 부른다. 이외에도 물고기 눈으로 보는 것 같은 어안렌즈, 작은 물체를 근접하여 촬영하는 접사렌즈, 초점거리를 여러 개 가지는 줌 렌즈 등으로 구분하여 상황에 따라 적절히 사용한다.

 

 

빛을 느끼고 상을 맺는 감광물질  필름, CCD, CMOS

렌즈를 통해 들어온 빛을 감지하여 상을 기록하는 것이 필름이다. 필름이란 빛을 감지하는 화학물질을 입힌 플라스틱 띠로 빛에 노출되면 화학반응을 일으킨다. 상을 저장한 이 필름을 암실에서 현상하면 밝고 어두운 부분으로 상이 드러나게 되는데  현상한 필름을 인화하면 다양한 크기의 사진을 얻을 수 있다. 하지만 요즘은 대부분 디카라 줄여 부르는 디지털  전자 카메라를 사용하기 때문에 필름이 무엇이냐고 반문할 수도 있을 것이다. 디지털 카메라에서 필름의 역할을 하는 것은 CCD(Charge-Coupled Device), CMOS(Complementary Metal–Oxide–Semiconductor )로써 빛을 감지하는 소자들이 집적된 이미지 센서이다.


CCD나 CMOS는 빛에 반응하는 작은 다이오드의 집합체로 각각의 광다이오드가 하나의 화소 역할을 하기 때문에 이 숫자는 해상도를 결정한다. 이 광다이오드는 광학적인 정보인 빛을 전자적 정보인 전하량으로 변환하여 저장하였다가 변환기를 거쳐 빛에 대한 정보를 디지털 값으로 바꿀 수 있게 해준다.

초점거리와 F수가 표시되어 있는 렌즈. <출처: Wikipedia>

 

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.

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

 

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. 

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

 

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.


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.

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.

거울의 원리

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

 

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.


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

 

 

볼록거울에 비친 사람들의 모습. <출처: wikipeda>

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.

천체망원경의 원리

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

 

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. 

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

 

접안경에 의해서 맺혀진 대물렌즈의 상이 눈의 동공에 노출된다.

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.

 

 

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?

 

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.

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.

전구의 원리

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

 

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.

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

 

식물재배 실험에 사용되는 LED panel light, 최근에는 감성조명이나 인터랙티브 조명, 지능형 조명 등에 대한 연구가 진행되고 있다.
<출처: wikipeda>

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.

재봉기의 작동원리

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

 

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.

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.

 

[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.

 

 

[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.

 

[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.

지퍼의 원리

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

 

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.


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>

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.

 

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.


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.

전자레인지의 원리

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

 

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.

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.

하이패스의 원리

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.

가습기의 원리

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

 

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.

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

프린터의 원리

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.

자물쇠의 원리

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.

 

[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.

세탁기의 원리

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.

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>


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.

형광등의 원리

“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

 

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.

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.

분무기의 원리

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.

시계의 원리

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.

 

 

 

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.

 

공기청정기 원리

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.

 

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.

 

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 원리

‘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

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.

앞부분이 반원형의 고무로 되어 있어서 그 부위의 압력차를 이용하는 뚫어뻥. <출처: NGD>

뚫어뻥의 작동과정.

 

변기가 막혔을 때 응급조치 방법

혹시 가정에서 미리 준비해둔 뚫어뻥이 없을 때 변기가 막히는 사고가 생긴다면 해볼 수 있는 방법이다. 물이 꽉 찬 변기를 그대로 얼마쯤(10여분 정도) 두면 물이 조금씩 빠져 나가게 된다. 물이 반쯤 빠져나가면 변기 앉는 부분을 위로 들어 올린 후 변기몸체에 비닐봉지를 씌우고 테이프로 공기가 새나가는 것을 막는다. 그런 후 다시 변기레버를 누르면 변기물통의 물이 들어오면서 새나가지 못한 공기가 위로 올라가 봉지가 크게 부풀게 된다. 이 때 봉지의 가운데를 손으로 누르면 쉽게 변기가 뚫리게 된다. 그 외 페트병의 주둥이 부분을 잘라서 막힌 입구에 대고 페트병을 눌렀다 떼는 과정을 반복하는 방법이 있다. 이때도 입구에 대는 페트병 잘려진 부분에서 가급적 공기가 새어나가지 않도록 하는 것이 요령이다.

 

손난로의 원리

손난로는 겨울철에 야외에서 활동해야 할 경우 차가와진 손을 간단하게 덥혀주는 주머니 속의 친구이다. 전기나 연료를 사용하는 종류를 제외하면 손난로는 두 가지로 나눌 수 있다. 한 번 사용하고 버리지만 따뜻함이 좀 더 오래 지속되는 흔들이 손난로와 재사용을 할 수 있는 똑딱이 손난로가 그것이다.

 

 

흔들면 따뜻해진다

두 종류의 손난로는 서로 다른 원리로 열을 방출한다. 먼저, 흔들이 손난로 안에는 철가루, 소량의 물, 소금, 활성탄, 질석, 톱밥이 들어 있다. 철은 공기 중에서 산소와 결합하여 산화철이 되어 녹이 슨다. 산화되기 전 반응물보다 산화된 후 생성물의 전체 에너지가 낮아 안정해지므로 이 반응은 자발적으로 일어나며 열이 방출 된다. 즉 철은 가만히 놓아두면 자연히 녹이 슨다는 말이다. 이 반응은 보통 매우 천천히 일어나서 철이 녹슬 때 열이 생기는 것을 느끼기는 어렵다.

그러나 손난로 안에는 적당한 크기의 고운 철가루가 들어 있어서 철이 매우 빨리 산화되고 몇 분 내에 온도가 30℃~60℃까지 올라간다. 덩어리보다 가루가 물에 빨리 녹듯이 물질의 표면적이 클수록 화학 반응의 속도가 빠르기 때문에 철가루를 사용하는 것이다.

손난로를 흔들면 그 안에 들어있는 철가루, 소량의 물, 소금, 활성탄 등이 반응을 일으켜 열을 내게 된다. <출처: wikipedia>

 

소금과 활성탄도 반응이 빨리 일어나는 것을 도와준다. 또한 물과 산소가 없으면 철의 산화는 일어나지 않으므로 소량의 물이 필요하고 손난로의 봉지를 뜯어 산소와 접촉할 때야 비로소 산화가 시작된다. 질석과 톱밥은 충전재, 단열재의 역할을 한다. 철이 다 산화되면 반응이 멈추고 손난로는 다시 사용할 수 없다.

 

 

재사용이 가능한 손난로

똑딱이 손난로 안에는 겔 상태의 투명한 물질과 홈이 파인 금속판이 들어 있다.
<출처: wikipedia>


똑딱이 손난로 안에는 겔 상태의 투명한 물질과 홈이 파인 금속판이 들어 있다. 금속판을 구부려 꺾으면 주위에 하얀 결정이 자라나기 시작하면서 봉지가 뜨거워진다. 흔들이 손난로와는 달리 열이 식은 후에 봉지를 끓는 물에 넣어 데우면 다음에 다시 쓸 수 있다.

 

겔 상태의 물질은 아세트산나트륨 과포화 용액이다. 과포화 용액은 어떤 온도에서 용매에 녹을 수 있는 것보다 더 많은 용질이 녹아 있는 용액이다. 높은 온도에서 용질을 녹인 후 천천히 식혀서 만든다. 이 때 고체 상태가 되지 않으나 투명하고 균일한 겔 상태가 된다. 이런 과포화 용액은 매우 불안정해서 작은 충격에도 쉽게 과포화 상태가 깨지면서 결정이 만들어진다. 액체에서 고체로 바뀌므로 에너지가 방출되는 과정이다.

 

어떤 종류는 과포화 상태가 다른 과포화 용액에 비해 상당히 안정한데 손난로의 재료로 사용되는 아세트산나트륨이나 티오황산나트륨이 그런 물질이다. 손난로 안에 들어 있는 금속판에 압력을 주어 구부리면 아세트산나트륨 과포화 용액의 결정화가 시작된다. 구부릴 때 딸각하고 소리가 나는데 이 때 발생하는 에너지가 주위의 아세트산나트륨에 전달되어 이들의 불안정한 상태가 깨지면서 결정이 만들어지기 시작해서 연쇄적으로 결정화가 일어나고 용액 전체가 즉시 고체로 바뀐다. 열은 이 때 방출된다. 모든 아세트산나트륨이 용액에서 결정화된 후 단열재 등에 의해 열은 서서히 사그라지고 고체 아세트산나트륨 덩어리가 남는다. 아세트산나트륨 결정을 다시 용액으로 만들려면 뜨거운 물에 봉지를 넣으면 된다. 봉지가 찢어지지 않으면 이 과정은 반복해서 일어날 수 있다. 흔히 핫팩으로 불리는 손난로는 화학적 원리를 간단한 일상용품에 응용한 좋은 예라고 할 수 있다.

 

엘리베이터 원리

“가장 높이 나는 새가 가장 멀리 본다.”는 리처드 바크(Richard Bach)의 [갈매기의 꿈]에 나오는 글이다. 새만 높이 올라가고 싶을까? 사람도 높이 올라가고 싶고, 높은 건물을 짓고 싶고, 그 곳에서 생활하고 싶을 것이다. 그래서 아마 높은 곳은 설화의 대상이었고 신앙의 대상이었으리라. 높은 곳에 대한 작은 꿈과 생활의 불편함을 해결해 주는 것 중에 하나가 엘리베이터가 아닐까?

 

 

엘리베이터의 역사

엘리베이터는 승강기라고도 하며, 영국에서는 리프트(lift)라고도 한다. 엘리베이터의 가장 기본적인 장치인 도르래는 무거운 물체를 손쉽게 끌어올리고자 했던 사람들의 단순한 생각에서 출발했다. BC 200년경 그리스의 아르키메데스(Archimedes)가 개발한 도르래는 깊은 우물에서 물을 길어 올릴 때 사용했던 두레박으로 이 도르래는 결국 사람까지 들어 올리는 엘리베이터의 도구로 발전하게 되었다.

 

지금으로부터 약 200년 전 나폴레옹은 자신이 살고 있는 왕궁에서 계단대신 의자와 도르래를 이용해 여왕을 층과 층사이로 수직으로 이동시킬 수 있었다고 한다. 또한, 루이 15세가 베르사유 궁전에 '나는 의자'라고 불리는 엘리베이터를 가지고 있었다는 것도 여러 문헌을 통해 알려져 있다. 그러나 당시에 엘리베이터는 안전한 것이 아니어서 줄이 끊어져 추락해 죽거나 다치는 사람들이 많았다 고한다.

1861년 오티스의 엘리베이터 특허 설계도 <출처: wikipedia>

 

현재의 엘리베이터 기본 구조와 가장 흡사한 엘리베이터가 실용화된 것은 오티스(E. G. Otis)의 발명이 있은 19세기의 일이다. 1853년 오티스는 밧줄이 장력 을 못이길 때 두 개의 철로 만든 톱니가 제어 역할을 할 수 있도록 안전한 낙하방지장치를 발명하여 세계 최초로 안전한 엘리베이터를 개발하였다. 지금도 오티스 이름의 엘리베이터는 전 세계에 애용되고 있다. 이렇게 시작된 엘리베이터의 역사는 수력이나 수압을 이용하던 형태에서 단계적으로 증기 기관을 거쳐 전동기에 의한 구동 방식으로 일반화되었다. 지금과 같은 형태의 전동기에 의한 동력 발생 엘리베이터는 1880년 독일의 지멘스 회사가 제작하였다. 안전한 엘리베이터의 개발로 인하여 19세기 말경에는 건축 기술의 발달과 더불어 높은 건물들이 많이 생기게 되었으며, 1990년대 중반부터는 손으로 누르는 푸시버튼에 의한 엘리베이터가 나오게 되었다.

 

그렇다면, 우리나라에 현대식 승강기가 설치된 시기는 언제일까? 한국에 승강기가 처음 소개된 것은 1900년 전후로 추정되며 1910년 조선은행(지금의 화폐금융박물관)에 처음으로 설치되었다고 한다. 승객용 엘리베이터는 1914년 철도호텔(지금의 웨스턴 조선호텔)에 맨 처음으로 설치되었다. 2010년은 우리나라에 엘리베이터가 처음으로 설치된 지 100년이 되는 해이다.

 

 

엘리베이터는 어떻게 작동되는가?

흔히 우리는 승객이 타는 밀폐된 공간인 카(car)를 엘리베이터의 전부라고 생각한다. 그러나 보이지 않는 곳에 오르내리는 길과 10여 개의 안전장치가 있는 정밀한 기계이다. 이 기계는 기본적으로 도르래, 줄, 카, 평형추, 그리고 3만여 개의 부품으로 구성되어 있다. 엘리베이터는 용도에 따라서 승용, 화물용, 자동차용, 덤웨이터 등 여러 가지가 있고 승강기 속도에 따라 저속(15∼45m/min), 중속(60 ∼105m/min)), 고속(200∼300m/min)으로 구분하며, 구동 방식에 따라 로프식(rope system), 유압식 (oil hydraulic system) 등으로 나눌 수 있다. 여기에서는 많이 사용하고 있는 로프식 엘리베이터에 대하여 알아보기로 한다.

 

엘리베이터가 운행하는 길의 가장 위에는 고정도르래가 있으며 이 고정도르래에 두꺼운 쇠줄(로프)이 연결되어 있다. 쇠줄의 한쪽 끝에는 사람이나 화물이 탈 수 있는 카(car)가 연결되어 있으며, 전동기가 쇠줄을 풀었다 감았다 하면서 카를 움직인다. 쇠줄의 다른 쪽 끝에는 카(car)의 무게와 거의 같거나 1.5배 정도의 무게인 평형추가 연결되어 있다. 평형추는 카(car)의 반대편에 위치하고 있어 전동기의 부하를 줄여주는 역할을 한다. 평형추의 무게는 대체로 최대 정원의 40∼50% 정도, 쇠줄의 장력은 최대 정원 무게의 약 2배 이상으로 설계된다고 한다. 제어반은 하나의 컴퓨터라고 할 수 있다. 승강기의 속도, 운행 및 기타 필요한 전반적인 것을 모두 제어하는 마이컴 이다. 그러면 내가 엘리베이터를 탄다고 하자. 엘리베이터 타는 곳 앞에서 버튼을 누르면 제어반에서 전동기에 버튼을 누르는 층으로 가라는 명령을 하고, 전동기는 명령에 따라 회전하여 카를 움직여 버튼을 누르는 층에 도착하면  멈추고 문을 연다. 카(car)에 들어가서 원하는 층을 누르면 같은 방법으로 카(car)를 원하는 층으로 이동하여 자동으로 문을 열고 닫는다.

 

로프식 엘리베이터의 구조

 

 

엘리베이터의 안전장치

엘리베이터에는 어떤 안전장치가 있을까? 엘리베이터 쇠줄이 끊어질 확률은 희박하지만 만약에 끊어질 경우 자유낙하하지는 않는다. 속도가 정규속도보다 빨라지면 조속기에서 전동기의 전원을 차단하여 브레이크를 작동시키고 계속 속도가 빨라지면 비상정지 장치를 작동시킨다. 가이드레일 일정 간격마다 위치한 비상정지 장치에서는 가이드레일을 잡아 카를 정지시킨다. 그래도 카가 낙하한다면 바닥에 충격을 흡수할 수 있는 카 완충기가 있어 안전하다. 또한, 문과 문 사이에 사람이나 물건이 끼는 것을 방지하는 장치인 문 닫힘 안전장치가 있다. 엘리베이터에 늦게 타거나 늦게 내릴 때 출입문에 낀 경우가 있는 데, 그럴 경우 자동으로 문이 열리게 되는 것은 이 장치가 안전하게 보호해주기 때문이다. 이 이외에도 10여개 이상의 안전장치가 있다. 이 이외 몇 가지 장치와 주요기능은 다음과 같다.

 

권상기 : 권상기는 전동기축의 회전력을 시브(권상기의 출력축에 있는 도르래)에 전달하는 장치이다. 종류로는 기어드형(전동기축의 회전을 감속기어에 의해 감속하여 시브를 회전시킴)과 기어리스형(전동기축에 시브를 직접 연결)이 있다.
카 가이드 레일 : 카, 균형추 등을 안내하는 궤도이다.
상승과속 방지장치 : 엘리베이터가 상승 방향으로 과속 운행될 경우 순간적으로 엘리베이터 견인 로프를 조이도록 하여 미끄럼과 과속을 방지할 수 있는 보조 제동장치이다.
조속기 로프 : 카의 과속운행에 의해 조속기가 동작할 때, 카의 비상정지장치를 동작시키는 쇠줄(로프)이다.
균형추 가이드 레일 : 엘리베이터 등의 카, 균형추 등을 안내하는 궤도이다.
균형추 가이드 롤러 : 엘리베이터의 카, 균형추를 레일을 따라 안내하기 위한 장치이다.
균형추 완충기 : 카나 균형추가 최하층을 통과하여 바닥보다 낮은 곳에 도달했을 때 카(car)나 균형추의 충격을 완화시켜 주는 장치로써 카가 승강로의 최상층을 초과하여 진행하는 것에 대비하여 균형추의 바로 아래에 설치한다.

 

엘리베이터와 관련된 재미있는 것들

 

줄이 없는 엘리베이터는 없을까? 줄이 없는 엘리베이터는 선형모터와 전자석을 이용하면 가능하다. LCD공장에 화물 리프트로 수직형 자기부상방식 선형이송시스템을 사용하고 있다. 이 엘리베이터의 원리는 로프대신 벽에 자석이 붙어 있는 레일이 설치된다. 여기에 전기의 양극과 음극을 연속해서 바꿔주면 자석의 극성이 바뀌면서 엘리베이터가 위아래로 움직이는 힘을 만든다. 이는 자기부상열차가 움직이는 원리와 비슷하다.

 

보통 엘리베이터라고 하면 사람이 타는 공간이 하나라고 생각하지만 더블 데크 엘리베이터는 위아래로 두 칸에 사람이 탈 수 있다. 마치 2층 버스처럼 위아래 층이 함께 붙어서 이동해 한꺼번에 더 많은 사람을 실어 나를 수 있으며 승객의 대기 시간도 절약하여 효율적이다. 더블 데크 엘리베이터와 비슷한 것으로 트윈 엘리베이터가 있다. 차이점은 더블데크는 상부 카와 하부 카가 동시에 움직이므로 로프식과 비슷하지만 트윈은 상부 카와 하부 카가 독립적으로 움직이므로 모든 부품이 2세트로 구성되어 있다는 것이 차이점이라고 할 수 있다.


현재 가장 빠른 엘리베이터는 대만 타이베이 금융센터 건물 안에 있는 엘리베이터라고 한다. 이 건물엔 세계 최고속도의 엘리베이터가 있다. 속도가 무려 분당 1,010m로 시속으로 환산하면 약60km/h이다. 우리나라에서는 가장 빠른 엘리베이터로 아산 테스트타워에 분당 600m인 엘리베이터가 설치되어 있다. 또한, 이곳에는 세계에서 가장 빠른 분속 1080m인 엘리베이터가 선보이고 있다고 한다. 하지만 엘리베이터의 속도를 무한정 올릴 수 없다. 그 이유는 이동거리가 짧고 승객의 안전이 최선이기 때문이다.

 

 

엘리베이터 타고 우주여행 간다

미국 항공 우주국(NASA)과 미국의 기업들은 대단한 계획을 세우고 있다고 한다. 이들의 목표는 적도상의 한 곳과 고도 3만5700㎞의 정지궤도에 있는 위성을 케이블로 연결하고 그 사이를 엘리베이터가 운행할 수 있도록 한다는 것이다. 정지궤도에 있는 위성은 지구와 같은 주기로 돌기 때문에 케이블이 항상 직선을 유지할 수 있다. 강철의 5분의 1 질량으로 강철보다 100배 강한 탄소나노튜브가 케이블의 소재로 생각하고 있다. 차량으론 시속 수천㎞를 낼 수 있는 자기부상열차가 유력하다. 우주엘리베이터는 화물운송비가 우주왕복선의 수십~수백분의 1에 불과할 것으로 기대되고 있다. 미국 언론에서는 이 계획이 향후 20∼50 년 내에 실현될 수 있다고 보도하고 있다.


엘리베이터에서 로프가 사라질 날도 머지않았다. 일본에서는 2025년쯤 500층 초고층 빌딩을 세운다는 계획이다. 여기에 들어가는 엘리베이터는 승강로 벽면에 레일처럼 달린 선형모터(linear motor)의 힘을 받아 로프가 없이도 자유자재로 움직일 수 있도록 하는 것이다. 미래의 엘리베이터는 더 높이, 더 빠르게, 더 편안하게 운행하는 엘리베이터가 되어 인간이 원하는 어느 곳이든지 편안하고 안전하게 갈 수 있을 것으로 기대된다.

자동차의 원리

‘가자, 키트!’ 깜빡, 깜빡~(알았음!), 붕~~끼익~~(왔음!), 철컥(타세요~!). 예전에 했던 외국드라마에서 어디선가 나타나 주인 앞에 도착해 스스로 문을 열어주던 자동차 ‘키트’가 있었다. 몇몇 SF 영화에선 자동 운전 모드가 있어 스스로 운전을 해주는 자동차도 있었다. 아직 이런 자동차는 현실화되지 않았지만 100km이상의 주행에서 액셀레이터를 밟지 않아도 속도를 유지하여 가는 자동차나 원격시동이 걸리는 자동차는 실용화되었다.

 

자동차는 처음 나왔을 때는 스스로 움직인다고 하여 ‘Automation(자동장치)’, ‘Oleo Locomotive(기름기관차)’, ‘Motor Rig(모터마차)’, ‘Electrobat(전기박쥐)’ 등이 거론되다가 1876년에 프랑스에서 만든 ‘저절로 움직인다.’의 뜻을 가진 ‘Automobile(자동차)’로 불리게 되었다. 한국공업규격(KS)에 의하면 ‘자동차(Automobile)는 원동기와 조향장치 를 구비하고 그것에 승차해서 지상을 주행할 수 있는 차량‘이라고 설명하고 있다. 따라서 무궤도전차의 일종인 트롤리버스와 피견인 차량인 트레일러, 불도저 등은 자동차로 분류하지만, 궤도전차와 2  륜 자동차, 오토바이 및 스쿠터는 자동차라고 부르지 않는다.  자동차 동력을 어디에서 얻느냐에 따라 자동차는 디젤 자동차, 전기 자동차, LPG 자동차, 가솔린 자동차 등 여러 종류로 나눌 수 있지만 자동차가  움직이는 기본 원리는 같다. 가솔린 자동차를 통해 기본 구조와 작동원리에 대해 알아보자.

 

 

자동차는 어떻게 움직일 수 있는 것일까?

자동차는 1891년 프랑스의 파나르 르바소(Panhard Levassor)가 기본 구조를 확립하였고, 현재 많은 후륜 구동식 자동차들이 이 구조를 채택하여 사용하고 있다. 자동차는 3만여 가지의 부품으로 구성되어 있지만 주요 부분은 크게 차체(body & frame)와 그 나머지 부분인 샤시(chassis)로 구분된다. 샤시가 자동차의 기능을 발휘할 수 있게 하는 부분으로 다시 엔진, 동력 전달 장치, 바퀴로 나누어 볼 수 있다.

 

운전자가 자동차 운전석에 앉아 시동을 걸면 배터리로부터 전기가 공급되어 스타팅 모터가 엔진의 플라이휠(flywheel)을 돌리게 되는데, 이 때 이에 연결된 크랭크축, 피스톤, 밸브가 같이 움직이기 시작한다. 자동차에 필요한 동력을 발생시키는 기능을 가지는 시스템인 엔진은 피스톤엔진을 사용한다. 자동차의 피스톤 엔진은 실린더 내부에서 연료와 산소를 연소시켜, 고압 ․ 고온으로 된 가스의 팽창력이 직접 피스톤을 움직이게 하는 내연 기관 이다. 이 때 위 아래로 움직이는 피스톤의 왕복운동은 크랭크축에 연결된 커넥팅 로드(connecting rod)에 의해 크랭크축에서 회전 운동으로 전환된다. 자동차 엔진은 거의 모두 4행정 사이클로 작동한다. 4행정 사이클이란 한 사이클이 흡입 행정, 압축 행정, 동력 행정, 배기 행정으로 이루어진 것으로, 크랭크축이 2번 회전하게 된다. 이것을 위해 실린더가 4개 이상 존재하며, 순서대로 작동되면 동력이 원활하고 연속적으로 발생하게 된다. 가솔린 엔진에 비해 디젤엔진은 4행정 사이클을 사용하기는 하지만 압축-흡입-동력-배기 순으로 진행되어 먼저 공기를 압축시켜 실린더 내부를 고온, 고압상태로 만들어 놓기 때문에 점화플러그 없이도 발화점이 낮은 경유를 분사하여 발화가 일어나도록 만든 내연기관이다.

 

4행정 사이클

 

4행정 사이클을 돈 후 엔진에서 발생한 배기가스는 삼원 촉매 전환 장치 를 거쳐 유독한 가스성분을 일부 제거한 후 머플러를 통해 대기 중으로 방출하게 된다. 머플러를 통하지 않고 그냥 나가면 배기가스가 한 번에 팽창하기 때문에 큰 소리가 난다. 이를 방지하기 위해 머플러는 배기가스의 팽창이 원만히 일어나도록 해서 큰 소리가 나지 않게 한다. 그리고 엔진에서 발생한 열은 냉각수를 통해 라디에이터에서 방출시켜준다. 만약 엔진의 냉각이 잘되지 않으면 연료를 연소시킬 때 엔진에서 발생하는 열 때문에 엔진 주변 부품이 타거나 녹아내리는 오버 히트(over heat)현상이 일어나게 된다. 물론 냉각수만으로는 엔진의 열을 계속 감당할 수 없기 때문에 라디에이터(radiator)로 보내져 덥혀진 냉각수의 열을 공기 중으로 방출시켜 온도를 낮추게 된다.

 

 

동력의 전달과 변속

크랭크축의 회전은 플라이휠에 그 회전력을 전달하게 되고 다시 변속기(transmissin)로 전달된다. 그러나 운전자가 클러치를 밟고 있거나 기어가 중립상태로 있을 경우에는 회전력이 변속기를 통해 바퀴로 전달되지 않는다. 기어를 중립상태에서 1단으로 바꾼 후 클러치 페달을 천천히 떼면 클러치 디스크가 플라이휠 면과 압착이 되면서 동력이 전달된다. 이 동력은 변속기로 바로 전달되어 엔진 출력을 달리는 상황에 맞게 구동 토크(구동력)와 회전수(주행 속도)를 조절해 바퀴에 전하는 역할을 한다. 최근 많이 사용하는 자동변속기는 엔진동력을 직접 변속기에 전하는 수동변속기의 경우와 달리 토크컨버터의 유압에 의해 변속이 일어나는 원리를 가지고 있다. 이러한 자동변속기는 자동변속기오일이 반응하는 시간이 필요하므로 엑셀레이터를 밟아 큰 동력을 발생시켜도 수동변속기보다 반응속도가 조금 느리다. 또한 엔진출력이 오일의 압력(유압)을 올리는데 100% 사용되지 못하고 오일 온도로 일부 빼앗기기 때문에 연비 면에서 자동변속기 차량보다 수동변속기 차량이 더 유리하다.

 

 

바퀴의 구동과 제동

변속기의 변속비에 의해 결정된 구동력은 구동축 양 끝단에 위치한 바퀴(타이어)로부터 노면에 전달되어 그 결과 자동차가 움직이게 된다. 구동력이 어느 바퀴에 전달되느냐에 따라 자동차는 전륜 구동식 자동차(FF: Front engine Front drive), 후륜 구동식 자동차(FR: Front engine Rear drive), 4륜 구동(4WD: 4wheel drive) 등으로 나눌 수 있다. FF 자동차는 엔진의 힘이 앞바퀴에 전달되어 구동하는 형식이고, FR 자동차는 앞쪽 엔진의 힘이 뒷바퀴에 전달되어 구동하는 형식이다. 험한 산도 달리는 4WD의 경우에는 4개의 바퀴에 모두 엔진의 힘이 전달되어 구동이 되는 경우이다.

 

바퀴의 구동 못지않게 중요한 것은 원할 때 감속하거나 움직임을 멈추게 하는 제동장치인 브레이크이다. 브레이크는 발로 조작하는 풋 브레이크와 손으로 조작하는 핸드 브레이크가 있다. 주로 주차할 때 많이 사용하는 핸드 브레이크는 보통 뒷바퀴 쪽에 케이블로 연결돼 운전석 옆의 손잡이를 당기면 뒷바퀴에 있는 라이닝과 브레이크 드럼이 서로 밀착돼 바퀴를 멈추게 한다. 풋 브레이크는 브레이크 오일의 압력으로 작동되며 브레이크 페달을 밟으면 브레이크 오일의 유압이 모든 바퀴에 동시에 전달돼 바퀴가 멈춘다. 브레이크 형태는 주로 앞바퀴에 사용되는 원판 모양 디스크타입과 뒤쪽에 주로 사용하는 원통형 모양의 드럼식으로 구분된다. 흔히 ‘브레이크가 밀린다.’고 하는 것은 브레이크 드럼과 라이닝 간극이 멀어 멈출 때까지의 제동거리가 길어졌을 때를 말한다.

 

자동차의 구조

 

1. 엔진 : 전방탑재형 4기통(실린더 4개)엔진, 뒷바퀴를 움직이게 한다.
2. 배터리 : 시동 및 기타 전기장치에 전력을 공급하는 납축전지
3. 냉각팬 : 라디에이터와 엔진주변에 공기를 넣어 냉각시킨다.
4. 라디에이터(냉각기) : 수냉식의 경우 물이 가득 찬 라디에이터가 연소과정에서 발생된 열을 발산시킨다.
5. 브레이크디스크 : 주행시 바퀴와 함께 회전하며, 유압으로 바퀴에 압착하여 제동력을 발휘한다.
6. 에어백 : 운전자와 탑승자 앞에 장착된 보호용 백. 충돌 사고 시에 자동으로 팽창한다.
7. 점화플러그 : 실린더 내부 연료를 점화시키는 불꽃을 발생시킨다.
8. 기어박스(변속기) : 엔진의 고속 회전운동을 저속이나 강력한 회전력으로 바꿔 바퀴를 움직이게 한다.
9. 안전벨트 : 충돌사고 시 자동차 탑승자를 보호하기 위한 벨트
10. 디퍼렌셜(차동기어) : 코너를 돌 때 안쪽 바퀴 회전수를 줄이고, 바깥쪽 바퀴 회전수를 늘려 매끄럽게 돌 수 있도록 한다.

11. 머플러 : 배기 장치의 소음을 감소시킨다.

12. 구동축 : 엔진의 회전운동을 기어박스에서 디퍼렌셜로 이어주는 장치

13. 배기 장치 : 엔진에서 나오는 가스가 촉매 변환 장치를 거쳐 머플러를 통과해 배출되도록 한다.

14. 촉매변환장치 : 엔진에서 나오는 가스 중 유해성분을 처리한다.

15. 사이드브레이크(주차용 보조브레이크) : 뒷브레이크를 기계적으로 작동시키는 장치. 주차나 비상시에 사용

 


미래의 자동차

석유의 고갈로 인해 미래의 자동차는 이러한 연료를 대체할 수 있으면서 친환경적인 자동차로 개발될 것이다. 현재 전기와 가솔린을 같이 사용하는 하이브리드 자동차가 판매가 되고 있고, 전기만으로 달리는 전기자동차와 물을 분해하여 얻는 수소를 연료로 달리는 수소자동차가 개발 중에 있다. 전기자동차는 배출가스가 없어 대기 오염을 일으키지 않는 완전 무공해라는 점에서 각광을 받고 있다. 그러나 필요한 전기를 만드는 과정에서 화력발전이나 수력발전 등이 친환경적이 아니기 때문에 결과만 무공해라고 하기에 전기는 그다지 친환경적이라고도, 석유에 대한 대체에너지라고도 보기 힘들다. 그런 면에서 수소도 물을 분해하여 얻으므로 석유에 대한 대체에너지라 하지만 역시 물의 분해에는 전기분해를 많이 사용하므로 완전한 대체에너지라고 볼 수는 없다. 그렇기 때문에 현재 과학자들은 전기분해가 아닌 지구상에 풍부한 햇빛을 사용한 광촉매로 인한 분해를 연구 중에 있다. 물과 햇빛만으로 가는 수소자동차는 친환경에 완벽한 대체에너지를 이용한 자동차라 볼 수 있다. 그리고 수소자동차 개발을 위해서는 수소의 폭발력 때문에 수소 연료의 저장과 수송의 위험성 문제도 해결해야 한다.


이러한 면에서 아마도 미래의 자동차는 태양열을 이용한 태양 전지 자동차로 가야하지 않을까 생각해본다. 물론 태양 전지판의 집광 능력이 아직은 떨어져 자동차 출력을 내기 위해서는 엄청 많은 태양 전지판을 설치해야하고, 태양 전지가 비싸기 때문에 자동차 생산 비용이 높다. 태양열 자동차가 현실적으로 실용화하기 위해서는 태양 전지와 충전하는 화학 배터리의 기술이 더 발달되어 가격을 낮추고 태양 전지도 크기를 줄일 수 있어야 할 것이다.

매직아이의 원리

어린 시절에 한 친구가 어떤 그림책을 학교에 가지고 와서 이 그림을 잘 보면 참 신기하게 보인다고 말하면서 보라고 한 적이 있었다. 그 때 나는 그 친구가 한 말이 무슨 뜻인지 정확히 몰랐던 것 같다. 그런데 나중에 생각하니 그 그림이 매직아이 였다는 생각이 든다. 매직아이란 정식명칭으로는 스테레오그램(stereo gram:맨눈입체보기)으로 국제사회에서 통용되고 있고 역사는 약 150년 이상으로 추정하고 있다. 먼저 스테레오그램(stereogram)의 낱말의 의미를 살펴보면 스테레오(stereo)의 뜻은 '입체의' 의미이고 그램(gram)은 ‘문서, 도해’를 의미하는 것으로써 스테레오그램은 입체그림 혹은 입체사진 등을 통칭하는 뜻의 합성어이다. 매직아이도 입체영화와 원리는 같지만 영화는 편광판이 설치된 영사기와 편광안경으로 그냥 즐기면 되는데 반해 매직아이는 그 원리를 이해하고 눈의 초점을 의도적으로 맞춰야만 볼 수 있는 요령이 좀 필요하다.

 

 

매직아이는 그 원리를 이해하고 눈의 초점을 의도적으로 맞춰야만 볼 수 있다.
<출처: Fred Hsu at en.wikipedia.org>

 

 

매직아이는 어떻게 보이는 것일까?

우선 시각에 대한 기본적인 의문부터 해결해 보자. 우리는 멀리 있는 물체와 가까이 있는 물체를 어떻게 구분하게 될까? 그것은 우리가 물체를 바라볼 때 생기는 물체와 두 눈 사이가 이루게 되는 각의 크기로서 구분하게 된다. 즉, 가까이 있는 물체일수록 두 눈 사이의 각이 커지고 멀리 있는 물체일수록 각이 작아지는 것이다. 이것을 뇌가 인식하여 원근을 구분하게 된다.

 

두 눈 사이 각이 커질수록 물체와 거리가 가깝다.

 

동시에 우리의 두 눈은 위치가 다르기 때문에 같은 사물일지라도 실제 두 눈에 보여지는 상에는 차이가 생기게 되는데 이 차이를 양안시차라고 한다. 이 양안시차는 손가락 하나를 두 눈 사이 앞에 두고 양쪽 눈을 번갈아 감고 관찰해 보면 단 번에 알 수 있다.

 

왼쪽 눈과 오른쪽 눈으로 본 사물의 모습은 차이가 난다.

 

그러나 우리는 평소 생활할 때 두 눈이 사물을 다르게 보고 있음을 인식하지 못하고 생활하고 있다. 그럼에도 불구하고 우리 뇌는 두 영상이 아주 조금만 어긋나 있을지라도 그 미묘한 차이를 감지하여 정보를 얻어낼 수 있다. 그리고 얻어진 정보를 상세하게 해석하여 대상까지의 거리나 입체감을 감지하는 것이다.


이런 점을 이용해 보는 대상이 비록 평면이라 할지라도 의도적으로 어떤 방법을 사용하여 좌우 눈에 입력되는 영상에 적당한 어긋남을 주게 되면 입체감을 얻을 수 있다. 이것이 3D의 원리이다. 다시 말하면 2차원 평면 영상이 시선 각도의 차이에 의해서 뇌가 '3차원 입체를 보고 있다'고 착각하게 되는 것이다. 입체로 보이는 책, 입체영화등 대부분의 입체 영상물들은 거의 대부분 양안시차를 이용하게 되는데 이 때 중요한 점은 보여 지는 입체 대상물에 양안시차를 갖는 두개의 영상이 포함되어 있거나 초점을 달리하는 같은 그림이 포함되어 있어야한다는 점이다.

 

쉬운 예로 우리가 책을 보다가 잠시 딴 생각에 빠지거나 해서 눈의 초점을 잃어버리면 한 글자가 두 개로 보이는 경우가 있다. 가령 1212121 이라는 숫자가 있다고 할 때 이 글자들을 아무 관심 없이 초점을 잃고 쳐다보면 1이 두 개로 보일 수가 있다. 이 때 두 개로 보이는 1중 하나가 곁에 있는 2와 겹쳐서 흐릿하게 보이게 된다. 그런데 만약 1과 겹쳐진 글자가 2가 아니라 또 다른 1일 때에는 어떨까? 아마 더 또렷하게 보일 것이다. 이렇듯 좌우로 반복되는 그림의 경우 눈이 혼란을 겪어 또렷하게 보이지 않아야 할 위치에서 마치 그림이 있는 것처럼 또렷하게 보일 수가 있는 것이다. 그런데 똑같은 글자가 아니라 왼쪽 눈으로 본 상과 오른쪽 눈으로 본, 약간 다른 두 개의 상을 안쪽 부분만 반 정도 겹치게 시선을 맞추면 그 땐 입체로 보이는 것이다.

 

실제로 매직아이를 자세히 보면 여러 개의 반복된 그림이 나열되어 있는데 매직아이를 만들 때 어떤 적당한 거리에서 배경그림이 나타나도록 그림을 좌우 반복적으로 구성하고 동시에 이보다 더 가까운(또는 먼) 거리에서 어떤 물체의 상이 나타나도록 반복되는 주기를 바꾸어 그림을 구성하여 보는 사람이 특정한 모양이나 상을 입체적으로 느낄 수 있게 한다.  

 

매직아이 보는 방법

매직아이 보는 방법은 교차법과 평행법이 있다. 평행법은 초점을 상의 뒤 쪽에 맺히게 하여 상을 두 개로 만들어 겹쳐 입체로 보이게 한다. 이 방법은 매직아이보다 눈의 초점을 더 멀리에서 맞추는 것으로 대상보다 멀리 있는 것을 응시한다는 생각으로 본다. 한마디로 '멍하게 쳐다보는 느낌'으로 보는 방법이다. 또 눈을 약간 치켜뜨는 기분으로 본다. 평행법으로 보았을 때는 초점보다 실제 그림이 앞에 위치해서 볼록 튀어 나와 보인다. 그러나 평행법은 두 시점이 양쪽 눈 사이거리를 넘어서면 보지 못하는 단점이 있다.

 

평행법(좌), 교차법(우)

 

교차법은 위 그림처럼 초점을 상의 앞쪽에 맺히게 하여 두 개의 상을 겹쳐 입체로 만들게 한다. 이 방법은 매직 아이 바로 앞에 초점이 맞추어지도록 눈동자가 몰리도록 하고 본다. 오른쪽 눈으로 왼쪽 대상을 보고, 왼쪽 눈으로 오른쪽 대상을 바라보는 것이다. 또한 눈을 약간 내리뜨는 기분으로 본다. 잘되지 않으면 눈앞에 손가락을 두고 손가락에 초점을 맞추면 주위의 다른 형상들은 초점이 맞지 않게 된다. 그런 상태에서 슬쩍 뒤의 형상들을 보면 그림이 입체적으로 보이게 된다. 교차법으로 보았을 때는 초점 뒤에 실제 그림이 있어서 움푹 들어가 보인다.  교차법으로는 초점 뒤로 상을 보기 때문에 평행법과 달리 볼 수 있는 범위의 한계가 없다.

 

매직아이의 그림은 가로방향으로 반복되는 비슷한 패턴의 주기가 있다. 그리고 이 주기와 같은 폭으로 두 개의 점이 눈의 표적으로 흔히 표시되어 있다. 이 점의 위치에 각각 좌우의 시선이 맞으면 3개의 점이 보이게 되는데 이 상태에서 그림을 보면 입체로 보인다. 때로는 두 배 혹은 세 배의 폭으로 시선이 되는 경우가 있는 데 이때는 그림모양이 다르게 보이게 된다.

 

 

매직아이 만드는 법

매직아이를 만들 때 중요한 점은 같은 그림의 거리간격이 일정하고 모양이 합동이 되어야한다. 이 때 그림 간격이 멀면 떠 보이고 그림 간격이 좁으면 가라앉아 보이게 된다. 보는 방법에 따라서 평행법으로 보는 그림, 교차법으로 보는 그림, 두 가지 방법으로 다 볼 수 있는 그림이 있고 그림을 구성하는 방법으로는 3D 사진을 숨겨놓는 방법과 약간 다른 두 장의 그림을 이용하는 방법이 있다. 그리고 매직아이를 만드는 프로그램 'Stereogram Creator'도 있어서 보다 쉽고 다양하게 만들 수 있으나 여기서는 워드프로세서나 그림판 특수문자를 이용해서 할 수 있는 간단한 방법을 소개하고자 한다. 단순히 같은 그림을 일정한 거리간격을 두고 복사하는 방법이다.

 

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매직아이는 굳어진 눈의 근육을 풀어주는 역할을 하기 때문에 눈의 피로회복, 뇌활성화, 시력향상에 좋다고 한다. 매직아이는 처음에 잘 보이지 않는 사람이 많다. 그러나 여러 번 시도하면 대부분 사람들은 볼 수가 있다. 아무리 해도 잘 되지 않는 사람은 눈을 움직이는 근육과 초점을 맞추는 근육을 의도적으로 훈련해야 한다. 그러면 모두 볼 수 있다고 한다.

저울의 원리

이 세상에 존재하는 모든 물체는 일정한 공간을 차지하며 그로 인해 질량 을 가지고 있다. 인간생활이 점점 복잡해지고 다양한 거래가 이루어지면서 물체의 질량을 정확하게 잴 필요성은 점점 커져갔다. 저울은 현대인들에게 늘어나는 몸무게를 수시로 감시하는 용도로 매우 요긴한 도구가 되었다. 그렇다면 물체의 질량을 나타내는 수치는 그 기준이 무엇이며 물체의 질량이나 무게를 측정하는 저울은 어떤 원리로 만들어졌을까?

 

 

1킬로그램의 기준은?


1799년, 지역마다 무게의 기준이 달라서 많은 불편함을 느낀 과학자들은 증류수 1리터(ℓ)에 해당하는 정도의 질량을 1kg으로 하자는 결정을 내렸다. 그리고 쉽게 사용하기 위해 증류수 1리터와 같은 질량을 갖는 분동인 국제킬로그램원기를 만들어 사용하기로 했는데 현재 사용하는 분동은 1889년 제1회 국제도량형총회에서 결정한 것으로 이후 국제킬로그램원기 로서 계속 사용되어 왔다. 이 분동의 질량을 1kg으로 정하고 다른 모든 물질들의 질량을 이 분동을 기준으로 측정한다. 이런 기준이 정해지기 전에는 고대 이집트에서는 한 톨의 보리를, 고대 중국에서는 한 톨의 쌀을 무게의 기준으로 삼는 등 각자 다른 무게 기준을 가지고 있었다. 그러나 이제는 각자 다르게 사용하던 무게의 기준이 통일되어 생활이 더 편리해졌다.

 

 

저울의 종류와 원리


저울은 여러 가지 유물로 살펴보건대 선사시대 때부터 동양이나 서양 모두에서 사용된 것으로 생각된다. 주로 양팔저울과 비슷한 것이 먼저 발견되고 이후 현재의 대저울과 같은 원리를 이용하여 만든 저울이 발견된다. 저울의 종류는 수없이 많으나 우리가 흔히 접하는 저울은 주로 아래 두 종류라 할 수 있다.


지레의 원리: 엄마와 아이가 시소를 타려면 엄마는 시소의 앞쪽에 아기는 시소의 뒤쪽에 타야 균형이 맞는다. 이런 현상은 아래 그림과 같은 지레의 원리로 설명될 수 있다. 첫째, 지렛대의 원리를 용용한 저울로 양팔저울(천칭, 윗접저울)이나 대저울 등을 들 수 있다.양팔저울은 지렛대의 중앙을 받침점으로 하고, 양쪽의 똑같은 위치에 접시를 매달거나 올려놓은 것이다. 한쪽 접시에는 측정하고자 하는 물체를, 다른 한쪽에는 분동을 올려놓아 지렛대가 수평을 이루었을 때의 분동의 질량이 바로 물체의 질량이 되는 것이다. 

 

a,b: 받침점까지의 거리, w: 물체의 무게, F: 작용하는 힘

 

그러나 양팔저울은 무겁거나 부피가 큰 물체의 질량을 측정하기에는 한계가 있었다. 이런 점을 보완한 저울이 바로 대저울이다. 대저울은 받침점에 가까운 곳에 측정하고자 하는 물체를 걸고 반대쪽에는 작은 분동이나 추를 걸어 움직여서 지렛대가 평형을 이루는 지점을 찾는 방법으로 물체의 질량을 측정한다. 받침점으로부터 평형을 이루는 지점을 알면 지레의 원리를 이용하여 물체의 무게를 간단히 계산할 수 있다. 즉, 물체의 질량×받침점과 물체사이의 거리 = 분동의 질량×받침점과 분동사이의 거리이다. 이렇게 대저울을 이용하면 작은 양의 분동이나 추로도 무거운 물체의 질량을 쉽게 측정할 수 있다.

 

저울의 종류

 

둘째, 스프링의 탄성력을 이용하여 만든 저울이 있는데 가정집에 흔히 있는 체중저울이 바고 그 예이다. 이 저울은 스프링이 잡아당기는 힘의 크기에 비례하여 늘어난다는 사실을 이용하여 만든다. 위의 천칭이나 대저울은 분동과의 균형을 이용하여 측정하는 것이므로 물체의 질량을 측정하는 것임에 비해 이 저울은 물체에 작용하는 중력인 무게를 측정하는 것이다. 중력에 의해 당겨지는 스프링의 길이를 이용하기 때문이다. 이 저울은 정밀도는 떨어지나 사용이 간편하므로 가정집의 체중저울이나 식당의 음식무게를 재는 용도 등으로 널리 사용되고 있다.

 

체중저울의 작동원리

 

체중저울은 지렛대, 스프링, 랙, 피니언으로 구성되어 있다. 저울위에 올라서면 체중이 지렛대의 지지점 가까이 걸리게 된다. 지렛대에 걸린 힘은 모두 C점을 통해서 B에 걸려있는 스프링으로 전달되어 스프링이 아래로 당겨지게 된다. 그러면 지렛대의 앞부분인 A부분이 아래로 내려오게 되고 그 결과 A에 걸려있던 판 P도 같이 아래로 처지게 된다. 그러나 판 P는 지지점 O에 걸려있으므로 O 둘레를 시계방향으로 회전하게 된다. 이 회전은 다시 판의 아래에 걸려있는 랙으로 전달된다. 그런데 랙은 왼쪽 끝에 있는 스프링에 의해 늘 왼쪽으로 당겨져 있으므로 판 P가 시계방향으로 회전하면 랙도 왼쪽으로 움직이게 된다. 그러면 랙에 맞물려있는 피니언은 상대적으로 랙과 반대방향으로 회전하게 되는데 이 결과  피니언에 연결되어있는 표시판의 눈금이 회전하게 되어 체중을 표시하게 된다. 이때 지시판의 바늘이 0에 있어야 정확한 체중을 잴 수 있으므로 체중계의 측면에 B점을 인위적으로 움직일 수 있는 장치를 만들어 놓았다. 이 장치를 손으로 움직이면 B점에 걸려있는 스프링도 움직이므로 평소에 눈금을 0점에 맞추어 사용할 수 있다.

 

그 밖에 기타 특수한 저울로는 무게를 액체의 압력으로 변화시키는 압력식 저울, 액체의 부력과 균형을 이루는 부력식 저울, 탄성체의 변형을 전기량으로 바꾸어 전자기적 양을 무게로 나타내는 전기식 거울, 무게를 자동으로 지시하거나 기록하는 저울로서 공업용으로 사용되는 저울 등 다양하고 정밀한 저울 들이 개발되고 있다. 물체의 질량과 무게를 정밀하게 재는 저울이 없었다면 우리의 생활은 어떻게 달라졌을까? 아마 지금보다 분쟁과 마찰이 훨씬 많았을 것이다. 그러나 반대 측면에서 보면 너무 정확하게 재고 살아가는 긴장감이 조금은 줄어들어 더 여유 있는 세상이 되지 않았을까 싶기도 하다.

 

도르래의 원리

사람이 들어 올릴 수 있는 물체 무게의 한계는 얼마나 될까? 2008년 베이징 올림픽에서 장미란 선수는 여자 75kg 급 역도 부문에서 인상 140kg, 용상 186kg 을 들어 올려 세계 신기록을 세우며 금메달을 땄다. 중력에 대항하여 사람이 들어 올릴 수 있는 물체 무게의 극한에 도전하는 스포츠인 역도 기록을 보면 아무리 무거운 바벨을 들어 올리는 선수라고 해도 자기 몸무게의 약 3배를 넘기기는 상당히 힘이 든다고 한다.


하지만 세계문화유산으로 등재된 수원 화성에 가보면 크고 무거운 돌로 성곽을 쌓은 것을 볼 수 있다. 매우 무거운 돌 하나, 하나를 사람이 어떻게 쌓았을까? 이 궁금증은 성을 축성한 과정을 기록한 ‘화성성역의궤’를 보면 알 수 있다. 이 기록에 의하면 ‘성곽에 사용한 돌은 약  18만개이며…거중기를 이용하여 12,000근의 큰 돌을 불과 30명의 장정으로 움직여 한 사람당 넉넉히 400근을 감당할 수 있었다.’ 라고 쓰여 있다. 1근을 600g이라고 한다면 7200kg 의 돌을  1인당 240kg 씩 나누어 든 셈이다. 만약 사람이 역도선수처럼 직접 이 무게를 감당한다면 도저히 들어 올릴 수 없는 무게이지만 이 작업이 가능했던 이유는 정약용이 제작한 거중기를 사용하였기 때문에 실제로는 1/8의 힘만 들었을 뿐이다. 거중기는 도르래의 원리를 이용하여 만들어진 도구이다. 4개의 고정 도르래와 4개의 움직도르래 그리고 녹로가 응용된 도구로 무거운 물체를 손쉽게 들어 올림과 동시에 무게 중심을 잘 잡을 수 있도록 고안이 되었다고 한다.

 

 
도르래의 종류

도르래는 둥근 바퀴에 튼튼한 줄을 미끄러지지 않도록 감아 무거운 물체를 들어 올리는 데 사용하는 도구이다. 이 도르래는 지레와 함께 고대 그리스나 로마에서도 사용했다는 기록이 남아 있으며 가장 기본이 되는 도르래는 고정도르래와 움직도르래이다. 고정 도르래는 줄을 감은 바퀴의 중심축이 고정되어 있으며 힘의 이득을 볼 수는 없지만 힘의 작용 방향을 바꿀 수 있는 장점이 있다. 고정도르래를 사용할 때는 그림1의 (가)와 같이 줄의 한쪽에 물체를 걸고 다른 쪽 줄을 잡아 당겨 물체를 원하는 높이까지 움직인다.  힘의 이득을 볼 수 없는 이유는 다음과 같다. 

 

도르래의 종류

 

예를 들어 무게 1000N 인 물체를 직접 들어 올리려면 무게를 이길 수 있는 최소한의 힘 1000N 이 필요하다. 고정도르래를 이용하여 이 물체를 원하는 높이까지 들어 올리려면  그림1의 (가)와 같이 장치한다. 그림1의 (가)에서 보는 것처럼 물체를 들어 올리는 힘은 줄 하나가 지탱하고 있으므로 직접 들어 올리는 것과 같이 힘의 이득은 없으며 고정 도르래로 인해 줄을 당기는 힘의 방향이 바뀌었을 뿐이다. 팔을 올리는 것보다 내리는 것이 더 편하듯이  물체를 높은 곳으로 직접 들어올리기 보다는 줄을 잡아당겨 내림으로써 물체가 올라가게 하는 방법이 훨씬 편하며 방향을 원하는 데로 바꿀 수 있게 된다. 또한 물체를 1m 들어올리기 위해 잡아당기는 줄의 길이도 1m 면 된다. 힘의 이득이 없다는 이 상황은 이상적인 경우이다.  실제로 작용하는 힘은 무게와 약간 차이가 난다. 왜냐하면 도르래 무게, 도르래의 회전, 줄의 무게, 도르래의 마찰력이 작용하기 때문이다. 이 고정도르래는 국기게양대, 엘리베이터, 블라인드 등에 사용되고 있다. 

 

복합도르래를 이용해 물체를 들어 올릴 때 힘의 변화

 

힘의 이득을 보기 위해서는 움직도르래를 사용하여야 한다. 그림1의 (나)와 같이 움직도르래는 도르래 축에 직접 물체를 지탱하기 때문에 줄을 당기면 물체와 함께 도르래 축의 위치도 움직인다. 움직도르래를 사용하려면 그림1의 (나)와 같이 줄을 감고 물체를 들어 올리는데 이 때 물체를 지탱하는 줄은 두 가닥이 된다. 물체의 무게만 고려하였을 때 두 줄의 합력이 물체의 무게를 지탱하는 힘과 같으므로 나란한 각 줄에 걸리는 힘은 물체 무게의 1/2 이 된다. 즉 물체의 무게는 각 줄에 분산 되어 두 사람이 각각의 줄을 잡고 동시에 들어 올리는 효과가 나므로 움직도르래 한 개를 사용하면  물체 무게의 1/2의 힘으로 물체를 움직일 수 있게 되는 것이다. 하지만 물체를 1m 들어올리기 위해 당겨야 하는 줄의 길이는 물체가 올라가는 높이의 2배인 2m이다. 왜냐하면 물체가 1m 올라갈 때 물체를 지탱하는 두 줄도 동시에 1m 씩 움직여야 하므로 도르래를 통해 줄을 당기는 쪽으로 감기게 되기 때문이다. 그래서 움직도르래를 이용하여 물체를 들어 올리는 일을 하면 실제로 줄은 물체가 움직여야 하는 높이의 2배가 필요하게 된다. 만약, 물체를 움직이는 힘을 더 줄여 힘의 이득을 보고 싶으면 움직도르래의 개수를 증가시키고 움직도르래의 연결법을 다양하게 변화시키면 된다. 이러한 움직도르래는 높은 빌딩을 짓기 위해 무거운 건축자재를 들어 올리거나 바다 속에 침몰한 배를 인양하는 크레인에 고정도르래와 함께 사용되고 있다. 움직도르래와 고정도르래를 함께 사용하면 힘의 이득과 더불어 힘의 방향도 바꿀 수 있는데 이를 복합도르래라고 한다. 또는 축바퀴처럼 같은 중심축에 크기가 다른 도르래를 여러 개 연결한 복합 도르래는 차동도르래라고 하는데 차동 도르래는 체인 호이스트에 응용되고 있다.

 

여러 개의 도르래를 연결한 복합도르래를 이용하여 물체를 들어 올릴 때 힘의 변화를 비교해 보면 그림2과 같다.  같은 개수의 움직도르래를 사용하여도 연결하는 방식에 따라 힘의 효과는 달라진다. (가), (나) 와 같은 연결방식이 (다),(라)와 같은 연결방식보다 힘의 효과는 더 크다. 왜냐하면 (가), (나) 는 각 도르래에 걸리는 힘이 무게의 (1/2)n=움직도르래의 개수 으로 감소하지만 (다) (라)는 물체를 지탱하는 전체 줄의 수만큼 힘이 줄어들기 때문이다. (다)와 같은 연결방법은 (마)와 같이 변형할 수 있다. 이처럼 균형과 힘의 효과를 고려하여 적절한 응용이 가능하며 거중기는 (라)와 같은 방법을 응용하였다.

 

위대한 건축물과 같은 세계적인 문화유산이나 타워 크레인과 같은 기계는 이러한 도르래의 원리를 적절히 응용한 결과물이라 할 수 있으며 도구를 사용하는 인간은 자신의 한계를 극복하고 지속적으로 중력에 반하면서 더욱 거대한 건축물과 편한 도구를 개발하기 위해 노력하고 있지만 결국 가장 기본이 되는 원리는 서로 공유하고 있다고 할 수 있다. 

오르골의 원리

태엽을 감으면 아련하고 예쁜 소리를 내는 오르골, 그 속에서 춤추는 발레리나. 오르골은 드라마에서 예쁜 여자 주인공들이 소중히 여기는 물건이어서 더욱 동경의 대상이 되는 듯하다. 태엽을 감으면 맑은 소리를 내며 돌아가는 오르골은 과연 어떤 원리로 그렇듯 아름다운 소리를 내는 것일까?

 

 

오르골의 역사

오르골은 음악이 자동으로 연주되는 기구이기는 하지만 악기보다는 음악 완구로 분류되는 편이다. 오르골은 영어식 발음이 아니라 일본어에서 유래된 명칭이다. 손으로 돌려 소리를 내는 오르겔(orgel)이 네덜란드에서 일본으로 전해지면서 일본식 발음으로 굳어진 것이지만 영어로는 ‘music box’라고 부르며, 한자어로는 자명악(自鳴樂) 또는 자명금(自鳴琴)이라고 한다.

오르골은 시간을 자동으로 알려주는 중세 교회의 시계탑에서 유래했다. 수동으로 종을 쳐서 시간을 알려주던 종소리를 자동으로 멜로디를 연주하게 만들려는 노력은 1381년에 브뤼셀의 니콜라스 시계탑을 낳는다. 이 시계탑은 처음으로 실린더식 오르골을 이용한 것이었다. 이와 같은 시계탑의 자동연주기를 ‘카리용‘이라 불렀는데 이를 소형화 시키려는 노력의 결실은 태엽장치의 고안으로 급진전을 이루어, 18세기말 스위스 제네바의 시계장인 Antoine. Favre에 의해 최초의 오르골이 탄생하게 되었다. 이 최초의 오르골은 길이를 다르게 해 음계의 음을 낼 수 있는 금속편을 이용해 회전하는 원통에 붙어 있는 돌기에 의해 이 금속편이 튕겨져서 소리가 나게 하는 원리였다.


태엽을 감으면 예쁜 소리를 내며 그 속에서 춤추는 발레리나가 나타나는 오르골 <출처: NGD>

 

한때 유럽뿐 아니라 중국에까지 널리 유행을 하여 스위스의 기간산업으로까지 발전하였던 오르골은 에디슨의 축음기 발명과 1차 세계대전, 경제 대공항 등으로 소멸의 위기를 맞기도 했으나 2차 세계대전 당시 유럽에 주둔한 미군들 사이에서 선풍적인 인기를 얻으면서 오르골 산업은 다시 일어서기 시작했다. 그리고 1950년대부터는 일본에서 소형 오르골의 대량 생산이 시작되면서 스위스 위주의 오르골 산업이 일본으로 넘어가게 되었고, 현재는 오르골의 매력을 잊지 않고 찾는 마니아들에 의해 그 명맥이 유지되고 있다.

 

 

오르골의 종류


오르골의 종류는 길이가 다른 금속편을 때려 소리를 낼 때 금속편을 튕겨주는 방식에 따라 실린더식 오르골, 디스크식 오르골, 천공리더식 오르골로 나눌 수 있다.


오르골이 스위스에서 처음으로 만들어졌을 때에는 향수통이나 펜던트에 내장된 간단한 장치였는데 이때는 핀을 붙인 원통(실린더)이 돌면서 길이가 다른 금속편을 튕기며 멜로디를 연주하게 되는 실린더식 오르골이었다. 그 후 1820년대에 상자모양으로 현재의 오르골 형식을 갖추게 되었다가 1880년대에 독일에서 원반모양의 금속판이 돌면서 소리를 내는 디스크식 오르골이 발명되었다. 디스크식 오르골은 한 대의 기계만 있으면 디스크를 교환하면서 여러 가지 멜로디를 들을 수 있는 장점 때문에 급속하게 번져나갔다. 그 후 악보에 그려진 음표에 구멍을 뚫어 오르골 상자에 넣으면 그 구멍을 읽어서 소리를 내는 천공리더식 오르골 등 다양한 오르골이 개발되었다.

 

 

다양한 오르골의 작동원리

[그림1] 실린더식 오르골의 내부구조

스위스에서 처음으로 고안되었고 지금도 가장 많이 사용되고 있는 실린더식 오르골은 그림1과 같은 구조를 갖고 있다. 그림1에서 보는 바와 같이 길이가 다른 금속편이 머리빗 모양으로 나란히 붙어 있는데 이 금속편을 하나씩 튕겨주면 길이가 다르기 때문에 다른 음계의 소리를 내게 된다. 머리 빗 모양의 금속편과 좁은 간격을 두고 바짝 붙어 있는 실린더(원통)는 길이가 다른 금속편을 튕겨주는 역할을 한다. 실린더에 붙어 있는 조그맣게 튀어나와 있는 돌기가 실린더가 회전할 때마다 금속편을 건드리게 되는 것이다. 실린더에 붙어 있는 돌기는 연주하고 싶은 멜로디에 맞게 실린더가 돌아가는 시간을 고려하여 연주하고 싶은 음계의 위치에 붙여서 제작된다. 태엽을 감아 실린더를 자동으로 회전하게 하면 실린더는 회전하면서 돌기가 건드리는 음계를 정확하게 연주하면서 꿈을 꾸는 것 같은 아득한 소리를 내게 되는 것이다. 

 

실린더가 회전하는 방식에 따라 수동과 자동으로 나눌 수 있으나 실린더의 회전을 통해 연주되는 원리는 같다.  실린더식 오르골은 멜로디를 바꾸지 못하고 만들어질 때 멜로디가 고정되어 있다는 점과 짧은 멜로디의 반복이 될 수밖에 없다는 단점이 있다.

 

멜로디가 고정되어 있는 실린더 오르골의 한계를 극복한 디스크식 오르골의 구조는 그림2와 같다. 그림2의 (가)에서 보는 바와 같이 디스크식 오르골에도 실린더식 오르골에서 보았던 것 같은 길이가 다른 금속편이 보인다. 길이가 다른 금속편을 튕겨주면 다른 음계 소리를 내게 되고 이 금속편을 건드리는 역할은 그림2의 (나)에서 보는 바와 같이 구멍이 뚫린 원판형 디스크와 디스크 위의 스프링 모양을 하고 있는 금속핀이다. 금속 원판에 뚫려 있는 구멍의 위치는 내고 싶은 멜로디의 음계와 딱 맞는 위치이다. 원판이 돌아가면서 구멍에 맞는 음계를 디스크위의 스프링 모양의 금속핀과 그림2의 (가)에서 보는 바와 같이 길이가 다른 금속편위의 막대모양 롤의 역할로 금속편 끝을 건드리면서 소리가 나는 원리이다.  디스크식 오르골은 금속원판을 바꾸어 가며 다른 멜로디를 연주할 수 있다는 큰 장점을 가지고 있다.

 

[그림2] 디스크식 오르골의 구조

 

천공리더식 오르골은 다른 오르골과는 조금 다른 차이점을 보인다. 그림 3에서 보는 바와 같이 머리빗 모양의 길이가 다른 금속편은 장치 안으로 들어가 있어 보이지 않지만 스프링 모양의 금속핀은 위에 나와 있는 구조이다. 구멍이 뚫린 천공용지를 오르골 상자에 넣으면 뚫린 구멍에 맞는 음계의 금속편을 스프링 모양의 금속핀이 튕기면서 소리를 내는 원리는 디스크식 오르골과 같은 원리이다. 천공리더식 오르골의 장점은 천공용지를 바꿔가면서 다양한 멜로디를 들을 수 있다는 것과 자신이 원하는 악보를 만들어 멜로디로 들을 수 있다는 점이다.

 

[그림3] 천공리더식 오르골의 작동 모습

 

오르골의 소리는, CD나 카세트 테입에 녹음되어 있는 인공의 소리와는 전혀 다른 느낌이다. 그 자리에서 생생하게 만들어졌다가 사라지는 생음악의 자연스러움이 전자음이나 인공음에 지친 현대인의 귀에 좋은 영향을 주고 부드러운 자연의 소리로 마음까지 달래주는 역할을 한다. 복잡한 일상에 시달리고 힘들 때 오르골과 함께 편안하고 느긋한 시간으로 빠져보는 것은 어떨까?

 

바코드의 원리

어떤 물건을 구입할 때 판매원이 제품의 한 쪽 끝에 있는 검은색 줄무늬에 빨간 색 빛을 쏘아 자동 계산하는 것을 본 적이 있을 것이다. 바코드는 암호처럼 되어 있는 검은 줄무늬 부분을 말한다. 이를 자세히 보면 굵기가 서로 다른 검은 막대와 흰 막대가 섞인 채 배열되어 있는 모양을 가지는데, '막대(Bar) 모양으로 생긴 부호(Code)'라는 뜻으로 바코드란 이름을 가진다.

 

 

바코드의 탄생

바코드는 1948년 미국 필라델피아 드렉셀 공과대학의 대학원생인 버나드 실버(Bernard Silver)에 의해 시작되었다. 그는 우연히 식품체인점 업계에서 자동으로 상품정보를 읽을 수 있는 시스템을 필요로 한다는 소식을 들었다. 실버는 이 소식을 친구 우드랜드(Norman Joseph Woodland)에게 이야기하면서 결국 현재의 바코드를 발명하고, 1952년 ‘분류 장치와 방법’이란 특허를 냈다. 그들이 생각해낸 바코드 체계의 핵심은 일종의 이진법 표시체계였다. 아래 '네 줄로된 바코드' 그림은 그들이 제안한 세 줄짜리 기본 바코드인데, 검은 바탕에 4개의 흰 줄이 그어져 있다. 이중 1번 줄은 기준선이 되고 나머지 2,3,4번 줄은 위치가 고정되어 있어 정해진 곳에 있는 경우 1, 그렇지 않은 것은 0을 나타낸다.

 

네 줄로 된 바코드

 

아래 '미국 특허' 그림에서 그림.2는 기준선 외에 세 개의 선이 다 그어져 있으므로 111(2),이고, 이는 1*22+1*21+1*20=7을 나타낸다. 그림.3은 기준선과 2번 선과 3번 선이 있고 4번 선은 없으므로 110(2)=이 되어 1*22+1*21+0*20=6이 된다. 이와 같이하면 그림.4는 101(2)=1*22+0*21+1*20=5,  그림.5는 100(2)=1*22+0*21+0*20=4를 나타낸다. 그리고 이들은 십진수로 환산된 숫자에 물건에 대한 정보를 대응시켜  정보를 표시할 수 있게 하였다. 기준선을 제외한 줄의 수가 3개인 이 경우 0~7인 8가지를 표시할 수 있지만, 한 자리수가 더 늘어나 네 자릿수가 되면 8(=23)가지를 더 표현할 수 있다. 이같이 줄의 수를 늘림으로 간단히 정보의 수를 기하급수적으로 표시할 수 있게 했다. 실버와 우드랜드는 정보를 나타내는 줄의 색을 달리하거나 직선으로 된 줄을 변형하여 그림.10과 같은  동심원(Bull's eye로 불림)으로도 정보를 표기할 수 있다고 했다.

 

미국 특허 Patent number: 2,612,994 (1952.10.7.)

 

 

바코드의 해독의 구성과 원리

바코드에 있는 정보를 읽어내는 시스템에는 스캐너, 디코더 및 컴퓨터가 포함되어 있다. 스캐너에는 레이저 빛을 쏘는 부분과 빛을 검출하는 부분이 있다. 바코드에 빛을 쏘면(①) 검은 막대 부분은 적은 양의 빛을 반사하고, 흰 부분은 많은 양의 빛을 반사한다.(②) 스캐너는 반사된 빛을 검출하여 전기적 신호로 번역되어 이진수 0과 1로 바뀌어 진다.(③④⑤) 이는 다시 문자와 숫자로 해석되어진다.(⑥) 이는 디코더에 의해  컴퓨터가 바코드를 수집할 수 있는 형태로 변환한 뒤에 호스트컴퓨터로 데이터를 전송하게 된다.

 

스캐너에서의 정보 인식 과정

바코드의 해독 원리

 

 

바코드의 종류

바코드를 국가단위로 사용한 것은 실버와 우드랜드가 특허를 낸 후 20여년이 지나서였다. 이렇게 늦어진 것은 먼저 한 나라 안에서 유통되는 각각의 상품에 대하여 규격화된 규칙을 정해야 했기 때문이다. 이를 최초로 실시한 나라는 미국이다. 1973년 미국음식연쇄조합은 세계상품코드(Universal Product Code, 이하 UPC)을 도입하여 사용했다. 유럽에서도 1978년, 영국, 프랑스, 독일 등과 일본이 연합하여 국제공통상품번호 (European Article Number, EAN)를 도입하였다. 우리나라의 경우 1988년 EANA 에 가입하여 국가 번호코드 ‘880’을 부여받아 한국상품번호 (KAN)를 사용하고 있다. 현재 EAN 체계를 따르는 나라는 전 세계적으로 100개국이 넘는다. 한편 UPC체계는 미국 외 캐나다에서 사용되고 있다.

 

 

바코드의 구성

우리나라에서 사용하는 KAN 코드는 표준형 13자리와 단축형 8자리가 있다. 표준형코드의 13자리는 국가코드(3)+제조업체 코드(4)+자체상품코드(5)+검증코드 (1)로 구성되어있다. 단축형 코드는 국가코드(3)+제조업체 코드(3)+자체상품코드(1)+검증코드(1)로 크기가 표준형보다 약간 작아서 인쇄 공간이 부족하거나 표준형 코드 사용이 부적당한 경우에 사용한다.

 

표준형 코드와 단축형 코드

 

 

2차원 바코드

기존의 바코드는 정보의 배열이 나란히 나열된 선 모양을 가지므로 흔히 1차원 바코드라 부른다.  이에 반해 2차원 바코드 는 점자식 또는 모자이크식 코드로 조그만  사각형 안에 정보를 표현한다. 1차원 바코드가 막대선의 굵기에 따라 가로 방향으로만 정보를 표현할 수 있는데 반해, 2차원 바코드는 가로와 세로 모두에 정보를 담을 수 있다. 따라서 2차원 바코드는 기존의 것에 비해 100배나 많은 정보를 담을 수 있다. 특히 그 자체로 파일 역할을 할 정도의 정보를 가지고 있기에 1차원 바코드와 같이 데이터베이스와 연동되지 않아도 정보파악을 할 수 있다. 또한 코드가 상당부분 훼손되어도 해당정보를 파악할 수 있다.

 

1차원 바코드와 2차원 바코드 <출처: wikipedia>

 

현재 ISO 국제 표준화된 2차원 바코드로는 QR 코드, 데이터 매트릭스, PDF417, Maxi Code가 있다. 이 중에서 QR 코드와 데이터 매트릭스 중  업코드(UPCODE)는 스캐너 외에 모바일 환경에서 작동되도록 설계되어 휴대폰에서 많이 사용되고 있다.

 

ISO 국제 표준화된 2차원 바코드 예시 <출처: wikipedia>

 

실제로 스마트폰에 2차원 바코드를 인식할 수 있는 애플리케이션을 설치하여, 관심 있는 상품에 인쇄된 바코드를 스마트폰 카메라로 인식하게 한 후 온라인 마켓의 데이터를 불러와 최저가를 검색할 수도 있다. 또한 명함에 이런 바코드를 넣을 경우 스마트폰으로 손쉽게 연락처를 등록할 수도 있다. 신문이나 잡지 등의 기사 끝에도 2차원 바코드를 넣어 기사와 관련된 멀티미디어 콘텐츠를 보여줄 수도 있다.  그 외에도 광고, 영화안내, 관광이나 전시, 박물관 등에서는 휴대폰과 연계하여 원하는 내용을 보여주거나 들려줄 수 있어 그 활용도는 대단히 크다고 할 수 있다.

 

스마트폰에서 바코드를 인식할 수 있는 애플리케이션을 통해 원하는 정보를 검색할 수 있다.

 

 

3D영화의 원리

입체 영화라고도 하는 3D 영화는 의외로 오랜 역사를 가지고 있다. 1800년대 중반부터 사진이나 그림을 입체적으로 볼 수 있는 장치를 만들어 즐기기 시작했으며 1922년에 최초의 상업용 3D 영화로 알려진 ‘the power of love'가 상영되기에 이르렀다. 1950-60년대 매우 활발하게 제작되었던 3D 영화는 침체기를 지나 2000년대 컴퓨터 기술의 힘으로 새로운 시대를 열고 있다. 사람이 보는 세계는 모두 3차원이다. 그러나 영화관의 스크린에 펼쳐지는 영상은 깊이가 없는 면으로 이루어진 2차원이다. 그런데 3D 영화의 영상은 우리가 마치 실제의 세계를 보는 것처럼 입체로 지각된다. 그 원리는 무엇일까?

 

 

우리가 보는 세계는 입체

우선 사람이 세계를 3D로 인식하는 이유를 알아보자. 사람은 두 개의 눈으로 사물을 본다. 이 때 오른쪽 눈과 왼쪽 눈으로 보는 사물은 차이가 있다. 앞에 놓인 물체를 오른쪽 눈을 가리고 왼쪽 눈으로 보고 다음에는 왼쪽 눈을 가리고 오른쪽 눈으로 보자. 두 눈이 보는 사물이 각각 다르다는 것을 알 수 있다. 6cm 정도 되는 두 눈 사이의 거리 때문에 이러한 차이가 생기고, 차이가 있는 두 눈의 2차원 영상 신호가 뇌에서 합쳐져서 입체감, 원근감으로 완성되는 것이다.

 

그러므로 3D 영화를 즐기기 위해서는 좌우 차이가 있는 영상을 만들어야 하고, 두 눈이 이 영상을 각각 받아들여야 한다. 차이가 있는 영상 신호의 가장 원시적인 형태가 '애너그리프 (anaglyph)‘ 이미지이다. 두 대의 카메라를 이용해 좌우의 차이가 있는 영상을 각각 붉은 색 필터와 푸른 색 필터를 이용해 촬영한다. 이 영상을 겹쳐놓고 특수 안경으로 관찰하면 영상은 입체적으로 느껴진다. 특수 안경은 한 쪽에는 붉은 필터, 다른 쪽에는 푸른 필터가 끼워 있으므로 붉은 필터로는 붉은 영상을 볼 수 없고, 푸른 필터로는 푸른 영상을 볼 수 없다. 두 눈에 각각 다른 영상이 들어오고 뇌에서 합쳐져 검은 색의 3차원 영상으로 지각된다.

 

두 대의 카메라를 이용해 좌우의 차이가 있는 영상을 각각 붉은 색 필터와 푸른 색 필터를 이용해 촬영한 소스 이미지.(좌)
이 두 이미지를 겹쳐놓고 특수 안경으로 관찰하면 영상은 입체적으로 느껴진다.(우) <출처: wikipedia>

 

 

편광필터를 이용한 3D 영화

최근의 3D 영화는 편광필터를 이용한다. 빛은 전기장과 자기장이 진동을 하면서 전파되는 횡파의 일종인 전자기파이다. 이 때 전기장과 자기장의 진동 방향은 항상 수직을 이루며 그 크기는 같다. 전기장이 진동하는 방향을 편광 방향이라고 한다. 우리 주위의 자연광은 제멋대로의 편광이 어우러져 있는 편광 되지 않은 빛이다. 편광 필터는 편광 되지 않은 빛을 특정한 방향의 빛으로 선택적으로 통과시켜 한 방향으로 편광된 빛을 만들 수 있다. 편광 필터를 이용한 3D 영화는 서로 다른 방향의 편광필터를 통과한 두 개의 영상을 화면에 영사한다. 관객 역시 편광 필터 안경을 쓰고 영화를 관람해야 입체 영상을 즐길 수 있다. 이 때 안경 오른쪽 렌즈와 왼쪽 렌즈에 사용되는 편광 필터는 편광 방향이 서로 90도 어긋나 있다. 편광필터는 다른 방향으로 편광된 빛은 통과시키지 못하므로 관객은 오른쪽 눈과 왼쪽 눈으로 차이가 있는 영상을 보게 되어 뇌는 영상을 입체적으로 지각하게 된다.

 

선격자 편광자를 통과하는 빛의 편광

 

이러한 방식은 두 대의 영사기가 필요한 반면에 영상이 한 개의 렌즈를 통해 1초에 144번 편광 방향이 번갈아 바뀌어 영사되는 Real D 방식은 한 대의 영사기로 입체 영상을 구현할 수 있다. 편광 안경이 아닌 액정 셔터 안경으로도 3D 영화를 즐길 수 있다. 액정에 일정 전압이 걸리면 불투명해지는 성질을 이용한다. 시점의 차이가 있는 영상을 컴퓨터가 교대로 보여주고 이와 동조해 좌우 안경이 꺼졌다 켜졌다 하여 두 눈이 다른 영상을 보게 하여 입체로 지각할 수 있다.

 

 

안경이 필요 없는 3D

안경이 필요 없는 3d 구현 방식에는 렌티큐라나 시차장벽과 같은 광학판을 부착하는 다시점 표시기술, 집적 영상, 체적 영상, 홀로그램 등이 있다. 렌티큐라 시트나 시차장벽 플레이트를 이용하면 영상을 왼쪽 눈의 영상은 왼쪽 눈에 오른쪽 눈의 영상은 오른쪽 눈에 각각 분할하여 표시하여 입체감을 느낄 수 있으나 화면에 수직한 좁은 각도의 영역에서 관람해야 한다. 집적 영상 방식, 체적 영상, 홀로그램은 사물을 3D로 인식하는데 보다 적합한 방식이지만 높은 기술력을 요구해 아직은 연구 개발 단계에 있다.

 

 

온도계의 원리

온도는 차고 더운 정도를 숫자로 표현한 물리량이다. 만약, 일기예보에서 ‘내일 날씨는 덥다 또는 춥다’ 고만 알려준다면 사람들이 생각하는 덥고 추운 정도는 다양하기 때문에 날씨에 어떻게 대비해야 할지 난감할 수 있다. 또한 냉동 음식을 저장하거나 빵을 굽거나 철강 제품을 만들 때, 몸에 열이 나서 신종 독감인지 아닌지를 판단할 때 등 여러 가지 경우에 주관적인 감각으로 소통하기란 매우 힘이 든다. 그러므로 차고 더운 정도를 숫자로 표현한 온도를 알려준다면 객관적인 지표가 될 수 있다.

 

 

갈릴레오가 만든 온도계

양적으로 온도를 처음 측정한 사람은 갈릴레오라고 전해진다. 그림1과 같이 긴 관이 달린 작은 구를 따뜻하게 덥히면 내부의 공기 부피가 증가하여 밀도는 감소한다. 이 관을 작은 구가 위로 오도록 물속에 거꾸로 세워두면 외부 기온의 영향으로 관속의 공기가 식으면서 부피가 수축하기 때문에 물이 관을 따라 올라가게 된다. 즉 온도에 따라 공기의 부피가 변화하는 원리를 이용하여 온도를 측정하였지만 정확하지 않았다고 한다.

 

갈릴레오 온도계

 

 

온도의 단위

현재 우리가 일상생활에서 사용하는 온도 단위(척도)는 화씨(℉)와 섭씨(℃) 이다. 화씨 온도를 정한 사람은 1724년경 독일의 물리학자 파렌하이트(Fahrenheit) 이다. 그는 당시에 측정할 수 있었던 가장 낮은 온도인 물, 얼음, 염화암모늄이 혼합된  간수의 어는점을 0 ℉, 사람의 체온을 100 ℉ 로 정하였다. ‘화씨’는 파렌하이트를 중국에서 화륜해(華倫海)로 표기한 이름의 성씨를  우리나라에서 온도 단위로 사용한 말이다. 현재 미국을 비롯한 일부 국가에서는 물의 어는점을 32℉, 끓는점을 212℉ 로 정하고 그 사이를 180등분 한 것을 사용하고 있으며 단위는 ‘℉’를 사용한다.


대부분의 나라들은 섭씨온도를 사용한다. 섭씨 역시 셀시우스(Celsius)의 중국식 번역 이름인 섭이사(攝爾思)의 성씨를 온도 단위로 표현한 것이다. 섭씨 온도는 1742년 셀시우스가 정한 온도 체계로써 물의 어는점을 0℃, 끓는점을 100℃로 정한 후 그 사이를 100등분하여 온도를 표기하였으며 단위는 ‘℃’를 사용한다. 셀시우스가 이 측정 단위를 처음 제안하였을 때는 물의 어는점을 100℃, 끓는점을 0℃로 정했으나 사용하는데 불편했기 때문에 현재와 같이 바뀌었다고 한다. 섭씨온도와 화씨온도의 관계는 아래와 같다.

 

 

일상생활에서와 달리 과학에서의 온도 단위는 절대온도인 켈빈온도 ‘K’ 단위를 사용한다. 1787년 샤를(Charles-Emile Jacque)은 일정한 압력에서 기체의 부피와 온도는 비례한다는 샤를의 법칙을 발표하였다. 이 법칙을 적용할 때 온도가 감소하면 그에 비례하여 기체의 부피도 감소한다고 할 수 있는데 흥미롭게도 온도를 계속 감소시키면 모든 기체의 부피가 약 - 273.15℃에서 0이 되는 결과가 초래하게 된다. 물론 실제 상황에서는 이 온도가 되기 전에 대부분의 기체는 액체나 고체로 상태변화하게 된다. 과학에서는 이상적인 상황인 이 온도를 절대 온도의 기준 ‘0 K’로 정의하였으며 단위는 ‘K(켈빈)’를 사용한다. 절대 온도의 간격은 섭씨온도 간격과 같으며 이들의 관계식은 아래와 같다.

 

 

여러 가지 온도 단위의 비교

 

 

흔히 볼 수 있는 알코올 온도계

온도계가 되려면 온도에 따라 변하는 물리적인 측정값이 있어야 한다. 예를 들면 온도에 따라 부피가 변하거나, 온도에 따라 저항이 변하는 경우에 온도계를 만들 수 있다. 물론, 온도를 측정할 수 있을 정도의 변화가 있어야 하며 온도에 따라 일정한 비율의 변화 관계를 설명할 수 있어야 한다.

 

기온이나 체온을 측정하는 온도계는 열팽창을 이용한 온도계가 흔하다. 물질은 열을 얻으면 부피나 길이가 늘어나고 열을 잃으면 부피나 길이가 줄어드는데 이 원리를 이용한 온도계가 열팽창 온도계이다. 보통 고체, 액체, 기체 온도계로 분류가 가능한데 갈릴레오가 처음 만든 온도계가 열팽창을 이용한 기체 온도계라 할 수 있다.

 

주변에서 흔히 보는 액체 온도계는 수은이나 붉은 색소를 첨가한 알코올 온도계이다. 액체 온도계는 진공의 가는 유리관에 수은이나 알코올을 적당량 넣은 것이다. 온도를 측정하기 위해서 이 온도계를 더운 물에 담그면 더운물에서 온도계로 열이 이동하게 된다. 이 때 열을 얻은 수은이나 알코올의 부피가 열적 평형 상태가 될 때까지 늘어나 유리관 위로 올라간다. 열적 평형상태가 되면 온도계 속의 액체 부피는 더 이상 변하지 않기 때문에 이때 수은주나 알코올의 높이를 읽으면 측정하려는 물질의 온도가 된다.


액체 온도계인 알코올 온도계는 수은 온도계보다 부피 팽창비율이 크기 때문에 눈금을 읽기 편하지만 끓는점이 78℃로 낮고 높은 온도를 측정한 후에 유리관 벽에 알코올이 붙어 눈금을 읽기가 어려운 단점이 있다. 이러한 알코올 온도계의 단점을 보강하기 위한 것이 수은 온도계이므로 상대적으로 눈금이 더 정확하다고 할 수 있지만 눈금 간격이 좁다.


그런데 실험실에서 사용하는 온도계는 보통 100℃까지 표시가 되어 있는데 왜 체온계의 최대 눈금은 42℃일까? 그 이유는 42℃ 부근이 사람이 아파서 열이 날 때 올라갈 수 있는 최대 생명 온도이기 때문이다. 보통 사람의 체온이 41℃가 되면 혼수상태가 되고, 42℃가 되면 몸을 이루는 단백질이 열에 의해 응고되어 제 기능을 잃게 되어 사망에 이르게 되므로 측정에 적절한 눈금만 표시해 놓은 것이다.

진공의 가는 유리관에 수은이나 알코올을 넣어 온도를 측정하는 알코올 온도계 <출처: NGD>

 

 

다양한 종류의 온도계

고체의 열팽창을 이용한 온도계는 흔히 바이메탈이라고 부른다. 바이메탈은 온도에 따라 열팽창률이 다른 두 장의 금속판을 붙인 것이다. 이것은 전류가 흐르는 동안 발생한 열량에 따라 열팽창률이 큰 금속에서 작은 금속 쪽으로 휘어져 회로의 연결을 차단하였다가 식으면 다시 회로에 붙는 방식으로 적정 온도를 유지하게 하는 것이다. 다리미와 같이 일정한 온도를 유지하는 기구에 사용하고 있다.

 

19세기부터 사용된 다양한 종류의 온도계
<출처: Otis Historical Archives Nat'l Museum
of Health & Medicine at en.wikipedia.org>


열전대 온도계(thermocouple)나 저항 온도계(thermister)는 전기적 성질을 이용한 온도계로써 비슷한 용도로 사용되고 있다. 열전대 온도계는 서로 다른 두 개의 금속 도체를 접합하여 폐회로가 되었을 때 두 금속 사이에 전압이 발생하는데 이 전압의 크기가 온도에 따라 달라지는 것을 이용한 것이다. 두 개의  접합 금속이 무엇인가에 따라 측정 가능한 온도 영역은 다양하며 사용 가능한 범위도 -180℃에서 2000℃까지 상당히 넓다.  예를 들어 철(iron)과 콘스탄탄(constantan)을 접합한 열전대 온도계는 -184℃~760℃ 범위의 온도 측정이 가능하며 이 때 전압의 변화는 50mV이고, 크로멜(Chromel)과 알루멜(Alumel)의 온도 측정 범위는 0℃~982℃ 이고 이 때 전압변화는 75mV 에 해당한다. 냉장고나 에어컨과 같이 온도를 일정하게 유지해야 하는 전기 기구나 산업용으로 사용되고 있다고 한다.

 

저항 온도계는 온도에 따라 물질의 저항이 변한다는 원리를 온도 측정에 이용한 것이다. 금속과 같은 도체는 온도가 높아지면 저항이 증가하고, 반도체나 부도체는 온도가 높아지면 저항이 감소하는 경향이 있기 때문에 금속, 합금, 반도체를 적절한 영역의 온도 측정에 이용하고 있다.

 

이 저항 온도계의 특징은 온도 측정범위가 넓고, 고온과 저온을 번갈아 가면서 측정하여도 일관성 있는 온도를 측정할 수 있다는 것이다. 또한 금속에 자석의 성질을 가진 불순물을 첨가하거나 반도체에 불순물을 첨가하여 온도 측정 범위를 다양하게 변화시킬 수도 있다. 예를 들면 자석의 성질을 가진 철 이온을 도체인 로듐에 약 0.5% 넣으면 최저 0.1K 의 초저온의 세계를 측정할 수 있는 온도계를 만들 수 있다고 한다.

 

 

적외선 온도계

적외선 온도계는 물질이 방출하는 적외선 복사에너지가 온도에 따라 달라진다는 것을 이용한 것이다. 모든 물질은 가시광선의 붉은색보다 파장이 긴 영역의 적외선(열선)을 복사 방출하기 때문이다. 이 온도계는 적외선 복사 에너지의 세기를 열로 변환 감지하여 온도를 측정하며 이 온도 변화를 전자 신호로 바꾸어 증폭시킨 후 온도를 읽는다. 이 온도계의 장점은 직접 접촉하기 힘든 물체의 온도를 접촉하지 않은 채 측정할 수 있기 때문에 안전성이 있고, 물질 접촉 온도계처럼 열평형 상태가 될 때까지 기다려야 할 필요가 없기 때문에 온도 감지 속도가 빠르다는 것이다. 이 온도계는 병이나 유리 섬유를 제조하는 유리 산업, 철강산업, 플라스틱 제조 산업 분야에서 고온의 물질 온도를 간접적으로 측정하는데 사용하고 있다. 그렇다면 태양과 같은 고온의 별 온도는 어떻게 측정할까? 물질은 특정 온도에서 특정한 파장의 색깔 빛을 강하게 방출하기 때문에 파장에 따른 별의 색깔을 이용하여 온도를 측정한다. 그러므로 노란색의 태양 표면 온도는 약 6000℃인 것이다.

 

이외에도 외부 자기장이 가해졌을 때 자석 배열 정도로 온도를 측정하는 자기 온도계, 시온 염료를 이용한 종이 온도계, 기온과 습도를 함께 측정하는 건습구 온도계 등 다양한 온도계가 있으며 일상의 온도 범위를 벗어난 초저온의 세계에서 초고온의 세계까지 다양한 영역의 온도를 측정하고 있다.

MP3의 원리

MP3란 음악 등 소리 데이터를 저장한 컴퓨터 파일로 ‘MPEG-1 Audio Layer 3’을 줄인 말이다. 이는 CD에 가까운 고음질을 유지하면서 데이터를 그보다 약 12분의 1 이하로 줄일 수 있는 압축 기술을 담고 있어 개발 당시 멀티미디어 혁명으로 불렸었다. 여기에서 MPEG이란 동화상 전문가 단체(Moving Picture Experts Group)의 약자로 국제 표준화기구 속에 있는 동영상 연구모임이다. 이들은 비디오나 오디오 압축에 대한 표준들을 담당하고 있어 이 조직에서 정하는 것을 MPEG 표준이라고 부른다. 따라서 MPEG는 전문가 모임과 기술표준이라는 두 가지 뜻을 담고 있는데, 보통 초기부터 후자인 기술표준 규약으로 불려오고 있다. MPEG-1은 맨 처음 버전 을 의미하며, Layer 3의 의미는 MPEG 오디오의 압축비 중 세 번째를 가리키는 말이다.

 

 

파일압축의 원리

MP3의 원리를 알기 위해서는 데이터 압축의 원리를 이해해야 한다. 파일 압축은 저장 공간을 절약하거나 데이터 전송시간을 줄이기 위해 데이터 크기를 줄이는 것이다. 가장 기본적인 압축원리는 데이터 원본에서 공란이나 연속된 글자, 그리고 반복된 글자의 조합 등과 같은 반복 패턴을 적은 수의 비트로 바꿈으로써 파일 크기를 줄이는 것이다. 압축 방법에는 크게 엔트로피 코딩(Entropy coding)과 사전(Dictionary coding) 코딩이 있다.


엔트로피 코딩은 연속된 문자가 중복되었을 때 이를 짧은 코드로 만들어 길이를 줄이는 것이다. 예를 들어 A라는 문자가 10번 나오고 B라는 문자가 10번 나오고 C가 5번 나온다면 연속된 ABC 문자에 짧은 코드를 할당해서 전체 길이를 줄이는 것이다. 예를 들어 A:10B:10C:5 이런 식으로 표기하는 것이다.

 

엔트로피 코딩의 예

 

사전 코딩은 특정 문자를 어떤 인덱스로 표현하는 것으로 예를 들면, ABCABCABCDEFDEFGHIGHI 라는 문자가 나온다고 하면 ABC:1, DEF:2, GHI:3 으로 정의하고 1112233 라고 표현하는 것이다.

 

사전 코딩의 예

 

 

음향파일의 압축은 데이터 파일의 것과 다른 면이 있다

WAV 파일은 음향 데이터를 원음 그대로 덩어리째 저장하는 방식으로, 윈도 시스템의 기본 포맷 방식인데 비압축형 오디오 포맷이어서 파일의 크기가 크다. 한편 FLAC 파일은 무손실 포맷 방식으로, 소리 없는 구간 등 동일한 샘플의 블록들에 대한 반복 길이 부호화를 통해 오디오 소스를  온전한 모습으로 보존하면서 원래 파일 크기를 40~50%로 줄여준다.

 

음성이 MP3 파일로 변환되는 과정

 

그러나 MP3는 WAV 파일이나 FLAC 파일과는 전혀 다른 심리음성학을 이용한 압축방식이다. 우리가 아는 바와 같이 소리는 종파로 매질의 진동방향과 진행방향이 서로 평행한 파동이다. 이 음파는 사람의 인식여부와 관계없이 기계적으로 거의 모두를 저장할 수 있다. 하지만 사람의 경우 너무 작거나 너무 낮은 소리와 너무 높은 소리는 인식할 수 없다. 연구자들은 이 사실을 이용하여 녹음된 오디오 파일에서 사람이 들을 수 없는 부분을 잘라내고 다시 연결한 것이 바로 MP3 압축파일이다.

 

소리의 높고 낮음은 오직 음파의 진동수 에 의존한다. 낮은 소리는 진동수가 작고, 높은 소리는 진동수가 크다. 한편 소리의 크기는 음파의 세기와 관련이 있다. 또한 음파의 세기는 물리적으로 볼 때 음파가 단위시간동안 단위면적을 지나며 나르는 에너지를 말하는 데, 이는 진폭의 제곱뿐만 아니라 음파의 진동수의 제곱, 음파의 속도 및 매질의 밀도에 비례한다.

 

I = 음파의 세기, ρ = 매질의 밀도 ω = 진동수 ,
A=진폭, v= 파동이 전달되어나가는 속력

 

사람의 귀로 들을 수 있는 음파는 사람에 따라 또는 음의 크기에 따라 다르지만 보통 1초에 매질이 20~20,000번 진동하는 범위의 소리(audio frequency, 가청주파수)만을 인식하는 것으로 알려져 있다. 

 

WAV파일이 모든 대역의 주파수를 기록하는데 반해서 MP3는 사람의 가청주파수대만을 남기고 나머지는 압축을 한다. 이 때 MP3는 일반 WAV보다 약 12% 이하의 크기가 된다. 기본적으로 MP3는 잘라내어 버린 부분이 있기에 음질을 100% 까지 재생 수는 없다.

 

MP3파일을 만드는 과정

 

 

MP3 파일 속은 어떻게 되어 있을까?


우리가 흔히 보는 MP3 파일은 여러 개의 음향접속단위(AAU,Audio Access Unit)들과 노래제목, 가수 등의 부가 정보가 들어있는 1개의 음향 꼬리표(Audio tag)로 이루어져 있다.

 

 

각 AAU는 또다시 머리부분(Header), CRC, SideInfo, 음향데이터로 구성되어 있다. 음향데이터는 실질적인 데이터가 담겨있는 메인 데이터영역을 말한다.

 

*프레임 - 전송되는 정보의 일정한 단위, 크기 또는 경계를 가리키는 용어

 

 

MP3 플레이어는 어떻게 작동할까?


MP3 플레이어는 MP3파일을 사람이 들을 수 있도록 하는 장치로 여러 가지 부품과 소프트웨어로 구성되어있다. 이 기기는 종전의 카세트테이프 플레이어와 비교해볼 때 큰 차이를 가지고 있다. 이것의 핵심은  DSP, MICOM 그리고 코덱이며 디지털신호의 처리와 관련이 깊다. DSP(Digital Signal Processor)는 음원의 막대한 양의 디지털 신호를 기계장치가 빠르게 처리할 수 있도록 해주는 집적회로이다. MICOM(MIcroprocessor COMputer)은 기기의 중심적인 지휘자로 입·출력관련 및 각 구성요소를 제어하고 있다. 또한 코덱(CODEC)은 음성의 아나로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 코더(COder)와 디지털 신호를 음성 또는 영상으로 변환하는 디코더(DEcorder)의 합성어이다. 음악을 감상하는 경우 압축된 파일을 풀어서 보는 것이 중요하기 때문에 압축된 파일을 풀어주는 프로그램이나 장치를 코덱이라 한다.

 

MP3 플레이어의 구성도

 

 

한국은 MP3 플레이어의  종주국


1997년 국내 업체인 새한정보시스템이  MP3파일을 재생할 수 있는 휴대용 플레이어를 개발했는데, 이것이 최초의 MP3 플레이어이다. 그래서 한국은 1998년 2월 세계 최초로 휴대용 MP3 플레이어 `엠피맨(mpman-F10)'을 내놓게 되었다. 엠피맨은 손바닥만 한 크기에 무게는 65g으로 지금과 비교하면 엄청 큰 덩치를 갖고 있었지만, 당시에는 획기적인 제품이었다. MP3플레이어 시장은 급속히 성장하여 이를 만든 우리나라의 벤처기업이 한 때 세계적인 주목을 받기도 했다. 왜냐하면 우리가 개발한 MP3플레이어가 종전 카세트테이프 플레이어의 대명사인 소니의 워크맨을 순식간에 옛것으로 만들어 시장에서 퇴출시켜버렸기 때문이다. 첨단 기술과 함께 더해진 깜찍한 디자인은 세계 시장을 놀라게 했다. 그런데 이후 애플의 등장으로 시장의 판도는 많이 바뀌었다. 현재는 애플이 기본적으로 MP3가 콘텐츠 비즈니스라는 점을 간파하여 국산 MP3 플레이어를 누르고 세계 1위를 거머쥐고 있다.

물 없이 세탁한다

집안 일이 여자의 전유물이었던 예전에는 가장 힘든 집안일 중의 하나가 빨래였을 것이다. 한 겨울에도 많은 식구들의 빨랫감은 어김없이 쌓이지만 더운 물도 마음대로 쓸 수 없었다. 거의 모든 가정에 세탁기가 있는 지금에 와서는 그야말로 옛날 얘기일 뿐이다. 게다가 원한다면 세탁소에 맡겨 건조와 다림질까지 끝낸 옷을 집안에서 편히 받아볼 수 있는 세상이 되었다.

 

 

‘드라이’ 물을 사용하지 않는다는 뜻

전문 세탁소의 세탁이 가정에서 하는 세탁과 가장 다른 점은 물빨래가 아니라 대개 드라이클리닝으로 세탁을 한다는 것이다. ‘드라이’는 물을 사용하지 않는다는 뜻으로 물빨래에 대비되는 말이다. 물빨래가 물과 세제를 사용한다면 드라이클리닝은 드라이클리닝 용제와 드라이클리닝 세제를 사용한다.

 

의류의 세탁은 몸에서 나오는 분비물, 공기 중의 각종 먼지, 음식물, 색소 등에 의한 오염을 없애는 것이다. 물로만 빨아도 많은 오염은 없앨 수 있는데 이러한 오염은 물에 잘 녹을 수 있기 때문에 물로 없앨 수 있는 수용성 물질들이다. 물은 산소 원자 하나와 수소 원자 둘로 이루어진 굽은 형태의 분자로 이루어져 있다. 산소 원자는 수소 원자보다 전자를 끌어당기는 능력이 크다. 음전하를 띠고 있는 전자가 산소 원자 쪽으로 치우쳐 있고 이러한 산소 원자는 음전하를 띠고 수소 원자는 양전하를 띤다.

물분자는 극성 분자

 

이러한 전하의 분리가 분자의 구조상 상쇄되어 없어지지 않으므로 물 분자는 전체로 볼 때 큰 이중극자 모멘트를 갖는다. 이러한 분자를 극성 분자라고 한다. 전하의 분리가 분자의 구조상 상쇄되어 없어지거나, 전자를 끌어당기는 능력의 차이가 거의 없는 원자로 이루어져 있는 분자는 분자 전체로 볼 때 전하를 띠지 않게 되므로 무극성 분자라 한다.

 

그런데 극성 물질은 극성 용매에 잘 녹고 무극성 물질은 무극성 용매에 잘 녹는다. 우리 주위의 물질 중 극성을 띠고 있는 물질이 많으므로 물은 많은 물질을 잘 녹일 수 있는 좋은 용매가 된다. 오염물질 또한 극성을 띠고 있다면 물에 잘 녹으므로 세탁이 가능하다. 물빨래를 할 때 무극성인 기름때를 제거하기 위해서 비누나 합성세제를 이용한다. 비누나 합성세제는 분자 안에 기다란 무극성 부분과 짧은 극성 부분을 함께 가지고 있다. 그러므로 세탁할 때 비누의 무극성 부분이 기름, 유기고분자 등의 때를 둘러싸 물 속에서 미셀 이라는 구조로 분산되어 세탁이 되는 것이다. 이렇게 비누나 합성세제와 같이 물에 녹기 쉬운 극성 부분(친수성 부분)과 기름에 녹기 쉬운 무극성 부분(소수성 부분)을 동시에 가지고 있는 화합물을 계면활성제라고 한다.

 

역미셀과 미셀

 

 

 

물 대신 드라이클리닝 용제를, 비누 대신 드라이클리닝 세제를

퍼클로로에틸렌


드라이클리닝은 물 대신 드라이클리닝 용제를, 비누 대신 드라이클리닝 세제를 이용해서 세탁한다. 드라이클리닝 세제가 섞여있는 드라이클리닝 용제가 세탁조 안에 들어가 의류와 함께 회전하면서 세탁이 이루어진다. 극성이 없는 드라이클리닝 용제를 사용하므로 기름 성분의 오염 물질을 녹여 없앨 수 있고, 물을 사용하지 않으므로 물로 세탁할 경우 물에 의한 섬유의 팽창으로 크기가 줄거나 모양이나 색이 변하기 쉬운 모, 견, 세탁 견뢰도가 낮은 염색물 등의 세탁에 유리하다. 또한 같은 부피의 물과 드라이클리닝 용제의 무게를 비교하면 물이 훨씬 무거우므로 드럼이 돌 때 세탁물이 떨어지면서 가해지는 힘이 물에 비해 매우 작기 때문에 의류의 변형이 적다.


드라이클리닝은 19세기 중반에 한 프랑스 인이 등유가 떨어진 테이블보가 깨끗하게 되는 것을 관찰한 것이 그 출발이 되었다. 초기에 드라이클리닝 용제로 사용한 것은 테레빈유, 벤젠, 나프타 등이었다.

 

이러한 용매는 인화성이 커 화재 또는 폭발의 위험성이 있고 사고도 잦았기 때문에 1928년에 이보다 인화성과 악취가 적은 스토다드용제가 개발되었다. 1930년대 중반에 ‘퍼크로’라고 불리는 퍼클로로에틸렌을 드라이클리닝 용제로 사용하기 시작했다. 퍼크로는 안전하고 불에 타지 않으며 동시에 강한 세척력을 가지고 있어 뛰어난 용제로 인정받고 있다. 그러나 퍼크로는 국제암연구소(IARC)에 의해 인체 발암 추정물질로 구분되어 있어 퍼클로로에틸렌을 사용하는 작업장의 노동자가 증기에 노출되어 중독된 사례가 보고되어 있기도 하다. 물빨래 후 사용한 물과 세제는 버리지만 드라이클리닝에 사용한 용제는 필터를 거쳐 정화시켜 재사용하므로 용제가 오염되지 않도록 청결하게 관리해야 한다.

 

드라이클리닝 용제 안에 분산되어 있는 역미셀

 

 

드라이클리닝 용제는 무극성이므로 땀이나 악취 등의 물과 친화력이 강한 수용성 오염은 제거할 수 없다. 수용성 오염을 없애고 세탁 효율을 높이기 위해 사용하는 것이 보통 ‘드라이소프’라 하는 드라이클리닝 세제이다. 드라이클리닝 세제는 물에서 비누의 작용과 반대로 친수성 부분이 섬유와 오염물질을 향하고 소수성 부분이 용제 방향으로 배열되는 역(逆)미셀 을 형성하여 오염물질을 제거하여 용제 내에 안정하게 분산된다. 물빨래에서 계면활성제가 하는 역할과 같다.

 

드라이클리닝의 탈용제 단계에서 빠른 속도로 세탁조를 회전시켜 빨랫감에 남아 있는 용제 를 제거한 후 건조를 시키지만 세탁소에서 받았을 때 특유의 냄새가 나는 것은 용제 성분이 남아서일 수 있으므로 며칠 간 걸어 놓아 냄새가 없어진 후 입는 것이 좋다.

 

지역난방의 원리

추운 겨울 찬바람이 옷깃을 파고들면 따뜻한 방바닥이 그리워지곤 한다. 따끈따끈한 방바닥에 배를 깔고 누워 군밤을 까먹으며 책을 보는 재미는 그 무엇과도 바꿀 수 없으리라. 이렇게 우리에게 따뜻함을 가져다주는 난방기술은 여러 가지가 있다. 옛날에는 나무를 때서 난방을 하였으나 점차 연탄으로, 석유로, 도시가스로 난방을 하는 방법이 달라져왔다. 최근에는 대단지 아파트나 빌딩에서 개별세대별로 난방을 하는 것이 아니라 단지자체에 난방시설이 있어서 각 세대에 난방을 공급하는 방식으로 점차 변화하여 왔다. 이렇게 중앙에서 난방을 할 수 있는 온수를 각 세대에 공급할 때 물을 데우는 방법에도 여러 가지가 있다. 아파트 자체에서 연료를 이용하여 온수를 만든 후 공급할 수도 있고 지역난방처럼 한국지역난방공사 에서 관리하는 열 생산시설에서 공급된 중온수를 열원으로 온수를 만들어 공급할 수도 있다. 최근 들어 많은 대단지 아파트나 지역에서 지역난방 방식으로 난방이 이루어지고 있다. 지역난방이란 도대체 어떤 방법과 절차를 걸쳐 각 세대에까지 난방을 공급하는 것일까?

 

 

지역난방이란?


지역난방이란 전기와 열을 동시에 생산하는 열병합발전소, 쓰레기 소각장 등의 열생산 시설에서 만들어진 120℃이상의 중온수를 도로 하천 등에 묻힌 이중보온관을 통해 아파트나 빌딩 등의 기계실로 공급하고 일괄적으로 온수와 급탕을 공급하여 난방을 할 수 있도록 하는 난방방식이다. 중온수란 100℃이상으로 가열된 물을 말한다. 보통 물은 1기압일 때 100℃에서 끓지만 기압이 높아지면 100℃이상이 되어야 끓는데 이렇게 높은 압력에서 100℃ 이상의 온도를 유지하는 물을 중온수라 한다. 이 중온수는 매우 온도가 높기 때문에 바로 세대로 공급되지 않고 일단 아파트 단지 혹은 건물 내에 설치된 중간기계실에 공급된다. 공급된 중온수는 기계실에 설치된 열교환기를 통하여 건물 내의 물로 열을 전달해 주고 그렇게 데워진 온수가 각 세대로 연결된 배관을 통하여 난방수 및 급탕수로  최종 공급된다. 발전소에서 공급된 중온수는 열교환을 마친 후 다시 회수관을 통하여 처음에 가열해서 출발한 열병합발전소 등으로 다시 돌아오며 재가열되어 사용된다.


지역난방은 각 건물이나 개별세대에 난방시설을 따로 설치할 필요가 없으므로 안전하고 쾌적하며 편리하다는 장점을 가지고 있어 입주자들이 가장 선호하는 난방방식이며 또한 일부러 연료를 사용해서 온수를 만들어내는 것이 아니라 다른 발전 등 다른 작동과정에서 발생한 열을 이용하는 것이기 때문에 경제적이면서도 환경오염이 적게 일어나는 난방방식이다.  

 

열 교환과정

 

열교환은 어떻게 일어날까?


지역난방공사의 발전소에서 건물로 공급되는 중온수는 건물의 시설 2m밖에 설치되어있는 최초차단밸브까지이며, 그 이후부터는 건물의 관리사무소에서 중온수를 관리하게 된다. 이때 건물에 공급되는 중온수의 온도는 약 115℃이상이며 열을 전달해주고 회수되는 물의 온도는 65℃이다. 건물에서는 45℃의 물을 통과시켜 60℃까지 온도를 높여서 각 세대의 난방수로 공급해주고 있으며 급탕의 경우는 최대 55℃의 물로 각 세대로 보내준다.

 

열을 교환하는 과정에서 발전소의 물과 건물의 물은 서로 섞이지 않고 열만 교환된다. 발전소에서 온 뜨거운 물과 건물을 돌고 나온 물은 판형열교환기를 서로 반대방향으로 통과하며 열만 주고받는다. 위 그림에서 붉은 색으로 표현된 뜨거운 물은 열병합발전소에서 온 중온수이며 파란색으로 표현된 물은 건물에서 공급되는 온도가 낮은 물이다. 열교환기를 거치면 발전소에서 온 물은 열을 빼앗겨서 온도가 낮아진 상태로 회수되며 건물 쪽에서 공급된 물은 열을 얻어서 온도가 높아진 상태로 각 세대에 공급될 수 있는 것이다.

 

판형열교환기와 열의 교환과정

 

전열판은 판형열교환기에서 가장 중요한 핵심부품이다. 전열판은 스테인레스를 기본재료로 하여 크롬, 니켈, 철, 몰리브덴 등이 함유되어 있으며 두께는 0.6mm로 16기압, 150℃의 고압, 고온에서도 견딜 수 있도록 만들어져 있다. 전열판은 다양한 난류가 형성되어 효율적으로 열을 전달할 수 있도록 여러 가지 각을 이루는 파형이 새겨져 있다. 주름진 각을 적절히 혼합하여 열전달 효율을 최대한으로 높이고 있다.

 

 

각 세대에서 온도조절은 어떻게 할까?


건물 내의 기계실에서 열교환기를 거치며 따뜻하게 데워진 물은 건물에 설치된 온수관을 통해 각 세대로 공급된다. 공급된 따뜻한 온수는 각 세대에 설치되어있는 온수분배기를 거쳐 난방이 필요한 방으로 공급되고 방바닥에 깔려있는 관을 돌며 방을 따뜻하게 데우게 된다. 방을 돌고 나와서 온도가 낮아진 물은 환수관을 통해 다시 건물의 기계실로 돌아오게 되며 이 물은 다시 열교환기로 들어가 데워지게 되는 과정을 반복하게 된다.

 

온수분배기

 

각 세대에는 온도조절기가 설치되어있어서 적정한 온도로 조절할 수가 있는데 설정한 온도가 되면 온도센서에서 온도를 감지하여 물의 공급이 멈추게 되며 온도가 낮으면 다시 온수가 공급되어 자동으로 방의 온도가 일정하게 유지될 수 있도록 한다. 또한 각 세대에는 사용한 물의 양을 측정하기 위한 난방계량기가 설치되어 있다. 온수가 난방계량기를 통과하면서 계량기안의 미터기를 회전시켜 흘러간 물의 양을 측정할 수 있게 된다. 이렇게 측정된 물의 양은 밖에서 검침할 수 있도록 세대의 외부에 지시기가 설치되어 있어서 각 세대가 사용한 양에 따라 난방요금을 부과할 수 있게 된다. 이렇게 각 세대별로 난방계량기가 설치되어 있어서 좋은 점은 가정마다 필요한 만큼의 난방을 할 수 있을 뿐만 아니라 또 사용한 양만큼 요금이 부과되므로 절약의 효과 또한 크다.

 

지역난방의 열은 전기를 생산하는 과정에서 발생한 고온의 열을 이용하는 것이므로 다른 에너지에 비해 친환경적인 에너지라 할 수 있다. 에너지 원료의 97%를 수입에 의존하는 우리나라의 현실에서는 에너지를 절약할 수 있는 다양한 방법을 연구할 수밖에 없는데 이런 측면에서 지역난방은 쾌적하면서도 에너지를 절약할 수 있는 난방방법 중 한 가지이다.

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