현실과 공상 사이

  빗물이 연잎 위에서처럼 굴러 떨어지고, 전기를 공급하면 유리창 전체가 열선역할을 하는 새로운 기술을 국내 연구진이 개발했다.

  KIST 에너지재료연구단의 박남규 박사팀은 자체 개발한 염료 태양 전지 기술을 (주) 동진쎄미켐에 이전함으로써, 염료 태양 전지가 상품화할 가능성에 한걸음 더 다가섰다.
  박남규 박사팀이 개발한 염료감응형 태양전지는 2개의 유리기판 사이에 유기염료를 입힌 나노 분말을 넣은 뒤 전해질을 채우면, 빛을 받은 염료 분자에서 나온 전자가 전류를 발생시키는 기술이다. 가시광선을 받으면 전자를 방출하는 염료를 사용하기 때문에 빛이 있는 곳이면 실내외 어디서든 전기를 생산한다. 다양한 색깔의 염료를 사용할 수 있어 투명한 유리에 디자인 요소를 가미할 수 있다는 게 특징이다.


Article of Newton 2008.09

2008년 6월 스웨덴과 일본의 연구팀은 보통의 종이 소재인 셀룰로오스와 물로 쇠보다 강한 박막(薄膜)을 개발했다고 발표했다. 양 끝을 잡아당길 때 철판을 잡아당기는 경우에 비해 변형이 잘 되지 않고, 찢어지는 경우도 없었다. 셀룰로오스는 식물이 물과 이산화탄소만으로 만들어내는 물질이다. 강하면서도 자연계에서 분해되는 새로운 소재를 소개한다.

  석유에서 만드는 플라스틱은 비닐 봉지와 페트병 등 여러가지 용도로 이용된다. 이들 플라스틱은 형태와 탄력성을 조정할 수 있지만, 자연계에서 분해되지 않는다는 문제가 있다. 그래서 주목되는 것이, 식물이 물과 이산화탄소에서 만들어내는 '셀룰로오스'이다. 셀룰로오스는 강하고 긴 사슬모양의 분자이지만, 자연계에서 분해되는 소재이다.
  생물이 만들어낸 셀룰로오스 분자를 늘어세우는 방법을 바꾸어 그 강도와 신축성을 조절한다. 예컨대 키가 큰 삼나무를 수십 년 동안이나 지탱하는 한편, 바람이 불때 버드나무는 유연하게 ㅎ느들리게 할 수 있다. 그리고 아세트산균의 일종이 만드는 셀룰로오스는 99배나 되는 부피의 수분을 함유할 수 있다. 이것은 나타 데 코코(nata de coco)라는 식품에 이용된다.
  스웨덴 왕립공과대학의 라르스 베릴룬드(Lars Berglund) 교수팀은 셀룰로오스의 섬유와 물을 사용해 쇠보다 강한 '나노페이퍼'를 개발했다고 미국의 과학잡지 <Biomacromolecules> 2008년 6월 13일호에 발표했다. 실용화되면 보강 재료로 쓰이는 등 새로운 종이 사용 방법이 실현된다고 한다.

만드는 방법은 보통의 종이와 같다
  "나노페이퍼는 보통의 종이와 같은 재료이며, 그리고 거의 같은 방법으로 만들어졌다." 공동 연구자인 일본 고베대학의 니시노 다카시 교수의 말이다.
  종이는 이렇게 만들어진다. 먼저 나무를 물에 풀어 셀룰로오스의 섬유 다발을 꺼낸다. 섬유를 물 속에서 분산시킨 뒤 반듯한 발 같은 것에 흘려 넣은 뒤 물을 빼낸다. 그러면 마구 겹친 펄프가 남고, 건조시키면 1장의 종이가 된다.
  종이를 찢어 단면을 빛에 비추면 미세한 섬유가 보푸라기처럼 보인다. 이 섬유가 종이의 원료이며 나무의 세포벽에서 얻어진 펄프이다. 굵기는 20~30㎛(마이크로미터 : 마이크로는 100만분의 1) 정도이며, 인간이 볼 수 있는 한계의 굵기이다.
  니시노 교수는 "펄프에 비해 나노페이퍼의 섬유는 비교가 되지 않을 정도로 가늘다."고 말했다. 베릴룬드 교수 등은 이 펄프를 다시 1000분의 1 이하로 풀어 굵기 3~30nm(나노미터 : 나노는 10억분의 1)정도의 섬유 '나노피브릴(nanofibril)'로 만들었다. 이 나노피브릴로 종이를 만들면 나노페이퍼가 생긴다.

찢어질 계기를 주지 않는다.
  베릴룬드 교수 등은 소재를 잡아당기는 힘에 대해 찢어지거나 늘어나지 않고 견딜 수 있는지의 '강도'를 측정했다. 나노페이퍼는 주조된 쇠보다 강한 힘에 견딘 뒤 툭 잘라졌다. 왜 섬유를 가늘게 했을 뿐인데 강해질까?
  보통의 종이에 힘을 걸면 모여 있던 펄프끼리의 틈새에 힘이 집중되고 거기서부터 풀어지면서 찢어진다. 이때 펄프 자체는 끊어지지 않는다. 한편 나노페이퍼의 경우는 nm 단위로 나노피브릴이 모여있기 때문에, 틈새도 작아 커다란 힘이 일부에 집중하는 경우가 없다. 그 결과 나노피브릴 자체가 끊어질 때까지 잡아당기는 힘에 견딜 수 있는 것이다. 나노페이퍼는 '강도'에 특화한 소재이다. 한편 니시노교수는 단단한 셀룰로오스와 늘어나는 셀룰로오스 소재를 조합시켜 단단하면서도 점성이 강한 재료를 만들고 있다.

Article of Newton 2008.09

언제라도 쉽게 씹을 수 있는 껌(추잉 검). 가방 속에 넣고 다니다가 공부하면서 씹거나 식사 뒤에 씹는 경우도 있을 것이다. 껌은 어떤 물질로 만들어져 있을까? 그리고 껌을 씹고 잇는 운동선수를 흔히 보는데, 어떤 효과가 있을까?

  일본의 경우, 껌이 처음으로 수입된 시기는 1916년인데 당시는 일본의 식생활에 어울리지 않아 그다지 호응을 받지 못했다고 한다. 그렇지만 제2차 세계 대전 뒤 껌은 서구화가 진행된 일본에서 새로운 유행으로 급속히 퍼져 나갔다. 우리나라에서는 1956년 국내 기술로 처음으로 껌(풍선껌)이 생산되었다.

수액을 씹는 습관에서 시작되었다
  껌의 기원은 지금부터 약 1700년전까지 거슬러 올라간다. 멕시코 남부에서부터 중앙아메리카에 걸친 지역이 발상지로 알려져 있다.
  그 지역에서는 '사포달라'라는 커다란 나무가 자라고 있었다. 당시의 주민은 이 커다란 나무의 수액이 굳은 '치클'을 씹는 습관이 있었다고 한다. 이 치클이 바로 껌의 원조이다.
  그럼 현재 씹고 있는 껌은 무엇으로 이루어져 있을까?
  종류에 따라 다르지만, 껌의 본체인 '껌 베이스'의 약 20%는 치클 등 식물성 수지로 이루어져 있다. 사포티아과, 협죽도과, 뽕나무과 등의 수목에서 수액을 모아 끓인 뒤 굳힌다. 그리고 인공적으로 합성된 수지 '아세트산 비닐수지'도 식물성 수지와 거의 같은 비율로 들어간다. 그 밖에 탄력성을 갖게하거나 씹는 느낌을 일정하게 해 주는 물질이 들어간다.
  껌베이스에는 다시 단맛을 내기 위한 당 원료 향료, 껌의 굳은 정도를 조정하는 연화제 등이 더해져 제품이 된다.
  당 원료로는 약 11년 전부터 '자일리톨'이 사용되었다. 자일리톨은 충치의 원인이 되지 않는 감미료라고 한다.
  충치균은 설탕 같은 '당류'로부터 충치의 원인인 '글루칸(Glucan)'과 '산'을 만든다. 자일리톨은 당류가 아니라 '당 알코올'이므로, 충치균은 글루칸과 산을 만들지 못한다.

풍선껌은 왜 부풀어 오를까?
  이런 원료를 사용해 만들어진 껌 가운데는 별난 성질을 지닌 것이 있다. '후' 하고 불면 부풀어 오르는 풍선껌이다.
  풍선이 만들어지는 껌과 그렇지 않은 껌의 차이는 껌 베이스의 신축성에 달려 있다. 늘어나기 쉽게 바꾸어 주는 물질은 아세트산 비닐 수지이다.
  아세트산 비닐 수지는 몇 개의 아세트산 비닐 분자가 이어져 생긴다. 풍선껌의 껌 베이스에서는 다른 껌보다 몇 배나 긴 아세트산 분자가 이어진다. 이 때문에 껌을 불 때 껌 베이스가 잘 늘어나 막이 깨지지 않고 부풀어 오를 수 있다.

씹은 뒤 착 달라붙는 까닭은?
  같은 껌이라도 씹기 전과 씹은 뒤에 성질이달라진다. 씹은 뒤에는 끈적끈적하게 포장지에 달라붙는다. 그 이유는 무엇일까?
  실은 껌 베이스 자체가 원래 끈적끈적한 물질이다. 그렇지만 당 원료가 껌의 끈적거림을 억제하는 작용을 한다. 이 때문에 포장지에 껌이 달라붙지 않은 상태로 판매할 수 있다.
  하지만 당 원료는 씹고 있는 사이에 껌 베이스에서 빠져 나오고, 마지막에는 아예 사라져 버린다. 이는 맛이 사라진다는 점에서도 알 수 있다. 껌을 오래 씹으면 맛이 없어지고 착 달라붙기 쉬워지는 이유는 당 원료가 없어지기 때문이다. 그런데 껌은 함께 입속에 넣는 것에 따라서도 성질이 바뀐다. 예컨데 초콜릿과 껌을 함께 입에 넣었을 경우, 초콜릿의 카카오 버터가 껌을 녹여 껌이 걸쭉해진다.

운동 선수가 껌을 씹는 이유는?
  껌을 씹으면 어떤 효용이 있을까? 야구 선수들도 경기 중에 흔히 껌을 씹는다. 일본의 니혼 대학 치학부의 고바야시 마사유키 부교수는 "무엇인가를 씹음으로써 뇌가 자극되는 효과가 실험적으로 증명되고 있다."고 말했다.
  껌을 씹고 있을 때의 뇌의 상태를 알아보기 위해, 껌을 씹고 있는 사람의 뇌를 fMRI(기능성 자기 공명 영상법)로 조사했다. fMRI란 자기장과 전파를 이용해 뇌의 단층 영상을 찍고, 핏속의 산소 소비량으로부터 뇌 속의 작용 상태를 살펴보는 방법이다.
  실험 결과, 대뇌피질의 '체성 감각령'과 '도피질'등의 영역에서 신경세포의 작용이 활발했다. 무엇인가를 씹고 있을 때 체성 감각령에는 턱이 벌어진 상태에 대한 정보와, 씹고 있는 힘에 대한 정보가 전해져 처리되는 것으로 보인다. 한편 도피질은 맛을 느끼는 영역이다. 이곳에서는 껌의 감미료에 의한 자극을 받아들인다.
  턱의 벌어진 상태나 씹는 상태, 맛등의 정보를 받아들이는 뇌의 영역은 넓고, 이들의 활성은 대뇌피질의 '전두엽'의 활성화로 이어지리라고 생각된다. 전두엽은 집중력과 단기 기억에 관여하는 영역이다.
  실험데이터에 의하면, 껌을 씹고 있을 때는 이 영역의 신경세포의 활동도 활발해진다고 한다. 씹는 동작을 많이 하게 만드는 껌이 집중력과 기억력을 높일 가능성이 과학적으로 보이는 셈이다.
  나아가 씹는 동작은 근육의 수축 능력을 높이는 것 같다. 무릎 부근 종지뼈의 슬개건 뒤쪽에 전기 자극을 가하면 반사적으로 장딴지 근육이 수축한다. 무엇인가를 씹고 있는 상태에서 이 자극을 가한 경우 그렇지 않을 때보다 더욱 큰 수축이 나타났다고 한다. 일상 생활의 여러 경우에서 씹는 껌. 앞으로 그 효용이 더 발견될지도 모른다.


Article of Newton 2008.07

영상이 튀어나와 보이는 휴대 디스플레이가 실현될지 모른다
  종래의 입체 영상(홀로그래피) 기술은 공중에 입체를 찍어내어 사물이 실제로 있는것처럼 보이게 할 수 있었다. 그러나 입체 영상을 움직이게 할 수는 없었다.
  미국 애리조나 대학의 타이(S.Tay) 박사팀은 사방 약 10cm 크기의 입체 영상 디스플레이를 개발했다. 우선 처음에 찍어낸 물체에 레이저광을 쬐어 반사된 빛을 이 판에 부딪치게 한다. 이때 레이저광이 닿은 부분이 화학 반응함으로써 판에 물체의 상이 새겨진다. 그리고 투영용 레이저광을 판에 쬐면 공중에 입체의 상을 투영할 수 있다고 한다. 박사팀은 상이 새겨지면 투영을 1초 동안에 몇차례 되풀이 시켜, 입체 영상이 움직이는 것처럼 보이게 할 수 있다고 생각했다. 박사팀은 이번 성과는 의료 현장에서 환부를 입체 영상으로 관찰하는 등, 영화 이외에도 여러 분야에 응용할 수 있을 것이라고 말했다.

Article of Newton 2008.7 (Origanated in Nature)




scripting 아직 영화에서처럼 매우 빠른속도로 2차원 하면을 보는듯한 3차원영상을 만들어내진 못하지만, 움직이는 3차원영상을 만들었다는데 의의가 있는것같네요.

합쳐서 꼰 나노섬유를 팽팽하게 만들어 전기를 일으키는 데 성공

  풍력이나 기류, 보행 때의 무릎의 움직임 등 여러 가지 현상에서 에너지를 끄집어 내는 방법이 검토되고 있다. 몸 주위의 기계 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있으면 효율 좋은 발전을 할 수 있다.
  미국 조지아 공과대학의 친 박사팀은 꼬아 놓은 실 모양의 나노 섬유를 잡아당겨 팽팽하게 만들면 발전할 수 있다는 사실을 발견했다. 박사팀은 산화아연으로 된 가느다란 철사 주위에 칫솔처럼 짧은 섬유를 많이 성장시켰다. 이 특수한 섬유는 지름이 100nm(나노미터:나노는 10억분의1) 정도이다.
  박사팀은 한쪽 섬유에 금을 칠하고, 금을 칠하지 않은 또 한 가닥의 섬유와 합쳐서 꼰 다음, 팽팽하게 늘렸더니 전기가 흘렀다고 한다. 이는 섬유가 늘어나 서로 스쳤을 때의 진동이 전기 에너지로 변환되었기 때문으로 추정된다고 한다.
  박사팀은 "이 섬유로 셔츠를 만들면, 움직이는 것만으로도 발전할 수 있을지도 모른다."고 말했다.


article of Newton 2008.6(Originated in Science)