2008년 4월 8일, 한국 최초 우주인 이소연 박사가 우주로 발사되어 국제우주정거장에 도착했습니다. 우주선 안에서 이소연 박사가 두둥실 떠다니던 모습을 기억하시나요? 우주인들이 바닥에 발을 딛고 서려고 해도 바로 설 수가 없습니다. 우주선 안에서 우주인은 바닥을 걸어 다닐 수도 없고 물속을 수영하듯 떠다니고 있으며 손에 들고 있는 물건을 떨어뜨려도 물이 든 물컵이 뒤집혀도 물이 바닥으로 엎질러지지 않아요.

 

우리는 이런 상태를 ‘무중력 상태’라 합니다. 하지만 엄밀히 말하면 우주에서 중력이 미치지 않는 공간은 없습니다. 다만, 중력이 아주 미약하므로 중력이 없는 것처럼 느껴지는 것입니다. 우주인이 오랫동안 우주여행을 하게 되거나 오랫동안 우주 정거장에서 생활하게 되면 이처럼 중력을 느끼지 못하여 많은 어려움을 겪게 된다고 합니다. 

예를 들면, 몸의 근육이 줄어들거나 얼굴이 부어오르고, 혈압이 내려가며 심장의 기능은 현저히 약해집니다. 이러한 어려움을 극복하기 위하여 사람들이 생각해 보았습니다. 중력 상태라고 표현하는 중력이 미약한 장소인 우주 정거장 안에 우주인이 지상에서처럼 느낄 수 있는 중력을 만드는 방법은 없을까요?

 


 

자동차 바퀴 안에 벌레들이 살고 있다고 생각해 보겠습니다. 바퀴가 공중으로 던져져 자유 낙하하거나 하늘 높은 비행기에서 바퀴를 떨어뜨린다고 가정하면 바퀴 안의 벌레들은 중력을 느끼지 못하는 무중력 상태가 될 것입니다. 벌레와 타이어는 같은 가속도로 운동하기 때문입니다. 바퀴가 떨어질 때도, 올라갈 때도 벌레들은 중력을 느끼지 못합니다.

 

그런데 자유 낙하하는 바퀴가 자유 낙하하면서 동시에 회전운동을 한다면 바퀴 안의 벌레들은 중력을 느끼게 됩니다. 바퀴의 원운동으로 생기는 구심력이 벌레가 밖으로 튕겨져나가려는 관성을 억제하는 힘을 만들기 때문입니다. 바퀴의 회전운동 속도가 빨라지면 벌레들은 지구에서보다 큰 중력을 느낄 수도 있습니다.

 

따라서 과학자들은 우주에서 오랫동안 생활해야 하는 우주 정거장이나 우주선을 회전시킴으로써 회전 운동하는 바퀴 안의 벌레들이 경험하는 것처럼 인공적으로 중력을 만드는 것을 연구하였습니다. 회전하는 우주선 안에서는 우주인도 우주선과 함께 회전하게 됩니다. 회전하는 우주인은 직선 운동을 하려는 관성을 갖고 있지만 회전하는 우주선은 우주인을 빠져나가지 못하게 잡아두면서 중력을 느끼게 하는 것입니다. 

 

우주정거장의 아이디어를 최초로 주창한 사람은 러시아 과학자 치올코프스키입니다. 그는 지구 궤도에 우주정거장을 세우는 가능성을 연구하였고 원심력으로 중력을 만들도록 천천히 회전하는 바퀴 달린 우주정거장의 건설을 제안하기도 하였습니다. 그곳에는 인공중력이 있어 승무원들이 거주할 수 있는 공간과 승무원들의 식료품을 공급하기 위해 식물이나 동물을 기르는 작은 정원으로 공간이 분리되어 있습니다.

 

회전하는 우주정거장에서 바닥은 우주인에게 힘을 가하고 우주인도 바닥에 힘을 가합니다. 마치 지구에 서 있는 우리가 땅바닥에 힘을 가하고 땅바닥이 우리에게 힘을 가하는 것처럼, 회전함으로써 인공적으로 중력이 만들어진 우주정거장에서 우주인의 땅은 우주정거장의 바깥쪽일 것입니다. 

 

우주공간에서 우주정거장을 회전시키는 것은 어려운 일이 아닐 것 같습니다. 한 번만 회전시키면 더 이상의 에너지가 필요하지 않고 계속 회전할 것이기 때문입니다. 하지만 인공적으로 생기는 중력에 우주인들이 적응하고 생활하기 위해서는 회전하는 반지름이 충분히 큰 우주정거장을 구성하여야 한다는 어려움이 있을 것 같군요.

 

무엇이든 자연을 거스르는 현상은 도전되겠지만 그러한 어려움을 극복하는 과정이 또한 인류의 발전을 이끈 원동력이라 할 수 있을 것입니다. 우리가 일상생활에서 인식하고 있지는 못하지만, 지구에 항상 존재하는 중력이 고맙게 느껴집니다.

김현이 (서울면동초등학교 교사)

 

 

  1. asd 2013.06.23 15:34 신고

    좋은내용이네요

  2. 김Cee 2014.08.16 21:45 신고

    과학자 : 자연의 규칙을 발견하는
    공학자 : 자연법칙을 활용하는
    글쟁이 : 자연을 거스르는
    시민 : ??

스마트폰 나온 지 몇 년 되지 않았지만 벌써 우리의 생활이 많이 바뀌었습니다. 요즘은 스마트폰을 이용하면 길을 걸어가거나, 산에 오르면서도 어디에서나 인터넷에 접속할 수 있는 편리한 시대입니다. 하루만 지나도 새로운 기술이 발전하는 요즘, 30년 후에는 또 어떤 세상이 펼쳐질까요?

 

2043년 4월 어느 날,

항공우주 과학자가 집안의 사무실에서 안경 너머로 허공을 쳐다보며, 뭔가를 만지는 듯한 손짓을 하고 있습니다. 자세히 보니 우주선이 홀로그램으로 보이고 옆에 복잡한 설계도가 떠있습니다. 과학자가 손짓할 때마다 우주선에 연결된 장비가 움직이고, 복잡한 설계도가 저절로 변한다. 과학자는 원격로봇을 통해 개발하고 있는 우주선 시험을 하는 것입니다. 

원격로봇은 인터넷이 접속되는 지구 어디서나 조작이 가능한 로봇으로 가상공간의 사무실과 함께 개발되어 같은 공간이 아니어도 어디서나 원격에서 일을 할 수 있게 되었습니다.

 

과학자가 허공에 있는 버튼을 누르자 우주선 개발에 필요한 부품을 주문하는 절차가 시작됩니다. 잠시 머리를 식히기 위해 화면을 바꿔 남아메리카의 아마존 탐험을 신청합니다. 사이버 신용카드로 결제하고 나니 화면에 아마존 정글 숲이 실시간으로 보이고, 무인기의 조종간이 나타난다. 무인기의 조종간을 작동하여 무인기를 이륙시키니 순간 기체가 나무 위로 올라가 정글이 눈앞에 펼쳐집니다.

 

주위를 둘러보니 원격 무인기 여행을 온 사람들의 관광용 무인기가 여러 대 보입니다. 어떤 무인기는 정글의 나무 위에 떠 있고, 어떤 무인기는 강을 따라가는 것이 보입니다. 모두 관광 무인기를 조종하여 무인기에 달린 카메라를 통해 원하는 곳을 실제로 가지 않고 생생하게 현장을 봅니다. 이제 휴식을 멈추고 다시 업무로 돌아가려 버튼을 누르니 아마존의 영상이 꺼지고 다시 고흥의 우주선 모습이 나타납니다. 아마도 관광 무인기는 자율비행으로 혼자서 관광센터의 격납고로 돌아갈 것입니다.

 

시계를 보니 아침에 주문한 부산에서 갓 잡은 생선과 횡성 한우가 무인항공기를 이용해 문 앞에 도착할 시간입니다. 바다와 육지에서 무인선박, 무인위그선, 무인비행기, 무인 KTX를 전국 어디에서나 1~2시간이면 택배가 도착합니다. 저녁 식사를 하고 나니 외국에서 우주선 부품이 우주선 격납고에 도착해 있습니다. 오늘 저녁에는 우주선에 장착해서 내일 아침에 테스트할 예정입니다.

 

라이트형제 이후로 엄청난 발전을 해온 항공우주과학기술 덕분에 편리하고 풍요로운 세상이 될 것입니다. 개인용 항공기(PAV)와 극초음속여객기 덕분으로 전 세계 어디나 하루 만에 다녀올 수 있고 무인항공기로 택배도 받을 수 있는 2043년이 기다려집니다. 여러분이 상상력이 이제 곧 현실이 됩니다. 이러한 미래 기술의 개발 주역은 이 글을 읽고 있는 어린이 여러분이 아닐까 생각해 봅니다.

 

 


‘광속’이란 빛이 나아가는 속도를 말합니다. 빛은 얼마나 빠를까요? 초당 약 30만 km를 나아가는 빛의 속도가 얼마나 빠른지 우리 몸으로 직접 느낄 수는 없지만, 우리가 알고 있는 속도 중에 가장 빠르지요. 1초에 지구를 일곱 바퀴 반이나 돌 수 있으니까요!

 

아인슈타인의 상대성이론에서 ‘광속에 가까운 속도로 날아가는 우주선 안에서는 시간의 흐름이 느려진다.’고 했습니다. 이 말을 다르게 표현하면 빛의 속도와 가깝게 빠르게 움직이는 우주선을 타고 우주여행을 간다면 시간이 천천히 흐르게 되어 느리게 늙는다고 생각할 수 있지요.

 

과학자들은 이것을 다른 말로 ‘시간 지연 효과’라고 합니다. 시간 지연 효과를 설명해 주는 상황이 있는데 그 예가 ‘쌍둥이 역설’이라는 것입니다. 지금부터 상상하여 볼까요?

부모도 구분하기 어려울 정도로 아주 많이 닮은 일란성 쌍둥이가 있습니다. 쌍둥이의 이름은 세모와 네모입니다. 우주여행을 앞두고 세모가 우주선이 발사되는 우주센터에서 네모와 이별을 합니다. 세모는 네모에게 건강하게 잘 다녀와서 다시 만날 것을 약속합니다. 세모는 지구에 머물러 있고 네모는 우주선을 타고 광속에 가까운 속도로 먼 우주여행을 떠났습니다.

 

네모는 지구에서 30광년이나 되는 거리의 행성까지 여행을 갔다가 다시 지구로 돌아옵니다. 1광년은 빛의 속도로 1년을 간 거리입니다. 30광년이면 빛의 속도로 30년을 간 거리가 되겠지요. 빛의 속도에 가까운 속도(모든 속도는 빛의 속도보다 빠를 수 없으므로)로 30년을 갔다가 지구로 돌아오니 네모의 우주여행은 약 60광년이 넘는 거리를 다녀온 것입니다.

 

지구에 있는 세모는 어떨까요? 지구에서의 시간은 얼마나 흘렀을까요? 세모도 네모가 무사히 우주여행을 마치고 돌아와 반갑게 만나기를 기다리고 있겠지요? 드디어 네모의 우주선이 지구에 도착하였습니다. 지구에 무사히 도착한 네모는 보고 싶은 세모부터 찾았습니다.

 

하지만 마중을 나올 줄 알았던 세모는 보이지 않고 낯선 노인이 네모 앞에 서 있습니다. 세모의 모습은 노인이 되어 많이 변해 있었습니다. 하지만 네모는 우주여행을 떠나기 전보다 나이를 많이 먹지 않은 모습입니다. 세모와 네모는 서로 어리둥절한 모습으로 바라보고만 있었습니다. 이런 일이 정말 일어날 수 있을까요?

 

아인슈타인의 상대성이론에서는 빛의 속도에 가까워질수록 시간은 느리게 흐르고, 길이는 짧아지고, 질량은 무거워진다고 합니다. 먼저 세모의 입장에서 관찰할까요? 상대성이론에 따르면 빛의 속도에 가까운 우주선을 탄 네모는 세모와 비교했을 때 시간이 느리게 흐르고 길이도 짧아져 실제 거리가 줄어들게 되죠. 따라서 짧은 거리를 다녀온 네모의 나이가 지구의 세모보다 젊어집니다.

 

그러면 네모의 입장에서는 어떨까요? 네모의 우주선 안에서 보면 지구가 빛에 가까운 속도로 멀어지고 있다고 볼 수 있으므로 위의 상황과 반대로 세모의 나이가 젊게집니다. 두 사람은 서로 다른 관성계에 있으므로 이상한 이야기는 아니지요!

 

그런데 이 이야기는 어디에 역설이 있는 걸까요?

'역설'이란?

 

위의 두 상황은 네모가 지구로 귀환하는 상황에서 이야기가 달라집니다. 우주여행을 갔던 네모는 지구로 돌아오기 위해 운동방향을 바꾸어야 하므로 어느 순간 속도가 변하는 가속운동하게 됩니다. 따라서 우리는 세모가 네모를 관찰할 때 시간지연 효과를 적용할 수 있지만, 네모가 세모에 적용할 수는 없게 됩니다.

 

아인슈타인의 상대성이론에 의해 네모는 세모만큼 나이를 먹지 않을 것임이 분명합니다. 또한, 앞에서 설명한 ‘시간 지연 효과’는 현재 지상실험을 통해 증명되었지요. 따라서 쌍둥이 역설이 가능한 광속에 가까운 우주선이 개발된다면 나이를 먹지 않기 위해 광속 우주선을 타려는 사람들이 줄을 설 수도 있겠지요! 쌍둥이 역설 이야기는 우리에게 매우 흥미로운 현상으로 생각되고 한편으로는 다가올 미래에 꼭 이루어지는 이야기가 되었으면 하는 생각도 듭니다.


김현이 (서울면동초등학교 교사)

  1. 2014.11.06 04:00 신고

    말이 안되요 지구시간으로 30년을 바야지 왜 광속시간으로 보나요? 지구시간으로 30년이 됬으면 와야죠

  2. 2017.06.26 09:20 신고

    저 위에분 상대성이론에 도전하시네..
    지구시간 30년이 흘러서 돌아온거잖아요.

 산화물의 특성차이 규명
- 미국 세라믹학회지 발표,
산화 환원의 온도 의존성

차이가 기포제거 능력을 좌우 -

 

국내 연구진이 TFT-LCD 이나 OLED 등 디스플레이용 모듈의 핵심부품인 기판유리의 최종 품질을 좌우하는 기포제거 공정, 즉 청징*에 쓰이는 화합물들의 기포제거 능력 차이에 대한 원인을 알아냈습니다. 앞으로 태양전지의 효율을 높일 수 있는 고 투과율 기판 유리 개발 등에 기여할 것으로 기대됩니다. 

 

* 청징(Fining) : 기판유리를 만들기 위해 여러 고순도 세라믹 원료의 혼합물을 녹이는 용융과정에서 발생하는 기포를 제거하는 공정입니다. 산화물을 청징제로 이용합니다.

 

<용융유리의 1차 및 2차 청징영역에서 SnO2와 As2O5의 Redox반응과 As3+(■)와 Sn2+(●) 농도(%)의 온도의존성>

군산대학교 신소재공학과 김기동 교수가 수행한 이번 연구결과는 교육과학기술부(장관 서남수)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 일반연구자지원사업(지역대학 우수과학자사업)의 지원을 받아 수행되었으며,

 

세라믹 분야 권위지 미국 세라믹학회지(Journal of the American Ceramic Society) 2월 12일 자 온라인판에 게재되었습니다.

 

 * 논문명 : Fining behavior in alkaline earth aluminoborosilicate melts doped with As2O5 and SnO2

 

기판유리는 TFT-LCD와 OLED 모듈의 핵심소재로서 오직 한국, 일본 그리고 대만에서만 생산되며, 모듈 원가의 30%를 차지할 정도로 부가가치가 높습니다. 국내시장 규모만도 연간 약 10조 원 이상에 이르는 대표적 세라믹 재료입니다.

 

김 교수는 가스크로마토그래프* 등 복합적인 방법을 이용하여 주석산화물은 1차 청징에 매우 유리하지만 비소산화물은 2차 청징에 큰 영향력을 발휘한다는 사실을 발견하였습니다.

 

* 가스크로마토그래프(gas chromatography) : 물질의 다양한 반응으로 발생하는 가스를 헬륨(He)과 같은 비활성 운반가스를 이용하여 정성 및 정량적으로 측정하는 분석방법입니다.

 

<용해로 내부에서 발생하는 고체 원료혼합물 (결정성 원료)에서 액체(유리)로의 전이단계 과정에서 발생하는 기포의 생성 및 제거>

김 교수는 밀봉된 실리카튜브에 담긴 유리원료 혼합물을 녹이는 용융로에 가스크로마토그래프를 연결하여 가열과정에서 발생하는 산소방출을 정량적으로 추적하고 나아가 전기화학적인 볼타메트리, 고온 점도*에 근거해 이들 산화물의 청징능력 테스트를 수행하였습니다.

 

* 고온 점도 : 고온에서 유리의 유동성의 정도를 나타내는 값으로 용융유리에 존재하는 거품의 제거와 관계가 있습니다.  

 

김 교수는 “이번 연구를 통해 용융유리에서 주석산화물이 비소산화물보다 기포제거 능력이 낮은 이유를 확실히 밝혔으며, 또한 용융유리분야에서 순수 기초연구에만 적용하였던 볼타메트리법을 상업적인 유리를 대상으로 한 응용연구까지 확대할 수 있는 계기가 되었다”고 연구의의를 밝혔습니다.

 

 

 

스티커형 전자소자 개발

- 첨단기능성 물질지 표지논문 발표,

“종이, 피부, 곡면 등에도 전자소자 제작 가능” -

 

국내 연구진이 어디든 쉽게 붙였다 떼었다 할 수 있는 스티커형 전자소자를 개발해냈습니다. 이를 이용하면 종이나 피부, 요철이 있는 곡면에도 전자소자를 스티커처럼 붙일 수 있어 탈부착형 디스플레이, 태양전지, 배터리, 의료 및 환경 감시 센서 등에 응용될 수 있을 것으로 기대됩니다.

 

광주과학기술원(총장 김영준) 고흥조 교수 연구팀이 수행한 이번 연구결과는 교육과학기술부(장관 서남수) 및 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(핵심) 및 광주과기원 특화연구(국제협력)의 지원을 받아 이뤄졌으며,

 

재료과학 분야 권위지 첨단기능성 물질(Advanced Functional Materials, 인용지수 10.179)지 3월 20일 자에 표지논문으로 게재되었습니다. 

<스티커형 산화아연 박막 트랜지스터 소자들을 종이, 펜, 손등, 휴대폰 액정에 붙인 사진>

○ 연구팀은 두껍고 딱딱한 기판을 머리카락 굵기의 1/10에 해당하는 초박막 기판으로 대체하여 전자소자의 유연성을 높이는 한편, 이렇게 만들어진 전자소자를 원하는 곳에 자유롭게 붙였다 떼었다 할 수 있도록 스티커에 인쇄하는 기술을 개발했다고 밝혔습니다.

 

A4 종이보다 10배 얇은 초박막 기판은 너무 얇아서 그 위에 직접 소자를 제작하기는 어렵습니다. 대신 초박막 기판을 지지해주는 보조기판에 소자를 제작하고 스티커 등으로 옮겨 찍어 원하는 곳에 붙일 수 있도록 이른바 전사인쇄방식을 통해 간접적으로 소자를 제작하게 됩니다.

 

연구팀은 초박막 고분자(SU-8*) 기판 위에 산화아연(ZnO) 박막트랜지스터*를 제작하고 이를 플라스틱이나 종이, 스티커, 볼펜 등에 100% 전사인쇄하여 소자의 성공적인 작동을 확인하였습니다.

 

* SU-8 : 에폭시 기반의 투명한 음성감광제(negative photoresist)로 자외선을 이용하는 리소그래피 공정을 통해 원하는 형태로 패턴이 가능합니다.

 

* 박막트랜지스터(thin film transistor) : 증착 등의 방법으로 기판 위에 형성시킨 반도체 박막을 이용하여 만든 트랜지스터로 액정 디스플레이의 구동소자 등에 널리 이용됩니다.

 

특히 이 기술은 기판의 뛰어난 유연성 때문에 롤에 기판을 감았다가 풀 수 있어 차세대 디스플레이 프린팅 기술인 롤투롤 공정*에도 적용할 수 있어 대면적 전자소자 개발에도 응용할 수 있을 것으로 기대됩니다.

 

 * 롤투롤(Roll to Roll) : 두루마리처럼 말린 얇은 기판에 연속적으로 인쇄하는 기법입니다.

 

고 교수는 “이 연구는 직접 공정할 수 없는 곳에서도 심미성을 유지하면서 전자소자 기능을 부여할 수 있어 스티커형 디스플레이, 에너지 전환 소자, 의료 및 환경 감시 센서 등에 적용할 수 있다”고 연구의의를 밝혔습니다.

 

 

 

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