[UST 온라인 과학퀴즈대회] 5회차 - 8월 23일

1. 노벨상은 스웨덴의 발명가 알프레드 노벨의 유언에 따라 1901년부터 매년 인류의 문명 발달에 학문적으로 기여한 사람에게 주어지는 상이다. 초창기에는 주로 과학적 원리, 법칙, 특성을 발견한 사람에게 수여하다가 최근에는 새로운 소자와 장비의 발명에 수여하는 경향이 증가하고 있다. 다음 중 노벨상 수상과 관계없는 발명품은?

- 주사형터널현미경(STM)

-> 주사터널링현미경이라고 많이 알려져 있습니다. 1986년도에 Gerd Binnig 와 Heinrich Rohrer 가 STM으로 노벨물리학상을 수상했습니다.

  터널링이라는 현상은...쉽게 얘기하면 순간이동입니다. (오잉?) 저는 그렇게 표현한답니다. ㅎㅎ 순간이동. 자세하게 얘기하자면...너무 어렵고요 ㅠㅠ 양자역학을 알아야 하는거거든요 ㅠㅠ 쉽게 얘기를 해볼께요. 터널링의 대표적인 예는 핵융합입니다.

  가장 간단한 핵융합 모델은 수소 원자 하나와 수소 원자 하나가 만나서 헬륨 원자가 탄생하는 것입니다. 핵융합이 일어나려면 고온과 고압 조건이 있어야 하는데, 이 조건에서는 수소원자는 플라즈마 상태가 됩니다. 플라즈마 상태는 원자를 구성하고 있는 원자핵과 전자가 서로 분리되어 있는 상태를 말합니다. (정상적인 상태에서는 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있죠) 플라즈마 상태의 수소원자끼리 만나야 핵융합이 일어나는데 플라즈마 상태의 수소원자는 공교롭게도 둘다 양전하(전자가 음전하를 띠는데 전자가 없으니 양전하!)를 띠고 있죠. 즉, 서로간에 척력이 작용합니다.(자석에서 같은 극끼리 밀어내는것을 기억하시면 됩니다. 좀 어렵게 말하자면 퍼텐셜에너지(위치에너지)의 장벽이 생긴다는 얘기랍니다.) 서로 가까이 가면 갈수록 밀어내는 힘만 작용하므로 핵융합은 일어날 수 없습니다. 고전역학적으로 말하자면 말이죠!

  하지만, 양자역학적으로 따졌을 때에는 이 장벽을 넘어갈 수 있답니다! 아주 적은 확률이지만 퍼텐셜에너지의 장벽을 넘어가는 녀석이 있고, 이때문에 적은 확률로 핵융합이 일어나게 됩니다! 퍼텐셜에너지의 바깥에 있던 벽을 순간적으로 넘어가는 것이기 때문에 저는 터널링을 순간이동이라고 표현을 한답니다. 

  이 원리를 이용해 원자수준까지 볼 수 있는 것이 주사터널링현미경이랍니다.

  아래 링크에서 오른쪽에 있는 그림 중 위에서 세번째 동영상이 볼만하네요^^

http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_tunneling_microscope

  

- 트랜지스터(Transistor)

-> 증폭과 스위칭 역할을 하는 전자소자입니다. 트랜지스터 덕분에 진공관이 사라지게 되었고, 전자장비들이 급격히 작아지게 되었답니다. 1955년에 William Shockley와 John Bardeen와 Walter Brattain가 노벨 물리학상을 수상했습니다.

http://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%8A%B8%EB%9E%9C%EC%A7%80%EC%8A%A4%ED%84%B0

- 제트엔진(Jet Engine)

-> 제트엔진은 로켓에 사용되는 엔진이고, 요즘은 대부분의 비행기의 엔진으로 사용되고 있죠. 제트기류를 분사해 앞으로 나아가는 원리(작용 반작용의 원리)를 이용하면 제트엔진이라고 부릅니다.

http://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A0%9C%ED%8A%B8_%EC%97%94%EC%A7%84

- 레이저(LASER)

-> 인류가 만들어낸 인공의 빛입니다. 일반적인 빛은 자발방출(spontaneous emission)에 의한 것입니다. 무슨 말이냐면...어떤 원자나 분자가 빛을 방출하기 위해서는 외부에서 빛이나 다른 에너지를 받아서 들뜬 상태(불안정한 상태)가 되어야 합니다. 이 상태에서 다시 바닥상태(안정한 상태)로 돌아가는 과정에서 빛을 내는 경우가 생깁니다. 이것이 바로 형광(fluorescence)입니다. 형광색이 눈에 잘 띠는 이유가 빛을 스스로 내고 있기 때문이고요. 레이저와 관련된 노벨상은...엄청 많습니다...물리학상만 해도 1964년(레이저의 원리 제안), 1971년(홀로그래피 원리), 1981년(레이저 분광학), 1997년(레이저 원자 냉각법), 2001년(보제-아인슈타인 응축) 이렇게 5번이고, 화학상으로는 1999년(펨토초화학) 정도가 있네요.

(이것이 자발방출입니다. 출처 : http://en.wikipedia.org/wiki/Spontaneous_emission)

  그런데 자발방출이 아닌 유도방출(stimulated emission)이란 것이 있습니다. 아인슈타인이 예견하였는데요, 들뜬 상태에서 가만히 놔둬도 바닥상태로 가면서 빛을 내면서 바닥상태로 돌아갈 녀석한테 외부 자극(빛에너지의 형태)을 주면 강제적으로 바닥상태로 가는 현상이 나타납니다. 외부 빛에 의해 바닥상태로 돌아가는 현상이 유도되었기 때문에 유도 방출이라고 합니다.

(이것이 유도방출입니다. 출처 : http://en.wikipedia.org/wiki/Stimulated_emission)

  레이저는 이 유도방출을 이용하는 것입니다. 레이저 매질(active medium)을 인공적으로 들뜬 상태로 만들어주고(pumping) 방출되는 빛들이 일정한 방향으로 움직일 수 있도록 물꼬를 터주면(cavity) 유도방출이 일어나게 되고, 이것이 바로 레이저가 되는 것입니다.

  레이저 매질을 인공적으로 들뜬 상태를 만들어주는 과정에서 밀도반전분포(population inversion)이 일어나야만 하는데, 이 과정이 자연적으로는 일어나기 어렵습니다. 그렇기 때문에 레이저는 인류가 만들어낸, 자연계에 존재하기 어려운 인공의 빛이랍니다.

  참, 레이저라는 단어가 지금은 동사로도 사용되고 명사로도 사용되는데...사실은 약자랍니다. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, 번역하면 '유도방출을 이용한 빛의 증폭' 정도가 되겠네요. 

- 자기공명영상법(MRI)

-> NMR이라는 기술이 의료계로 넘어가면서 만들어진 녀석입니다. NMR이라는건 유기화학을 다루시는 분들이 자주 사용하는 장비랍니다. 원리는...이것도 좀 어려운데...

  강한 자기장속에 놓인 분자는 한쪽 방향으로 정렬하게 됩니다. 분자가 전기적으로 극성을 띠기 때문(dipole moment)입니다. 극성 무극성 분자 얘기 들어보신 기억이 있을겁니다. 한쪽 방향으로 정렬된 분자에 약간의 에너지를 가하면 반대방향으로 분자가 돌아갈 수 있는데, 그 약간의 에너지를 흡수하는지 안하는지 가지고 이 분자는 어떤 구조를 가지고 있구나~ 라는걸 판별하게 됩니다. 주로 수소 원자와 탄소원자를 구분하는데 사용하기 때문에 유기물의 분석에 적합합니다.

  이것이 어떻게 MRI가 되었냐 하면...사람도 유기물입니다. 즉, 몸속에 수소가 엄청나게 많다는 얘긴데요(유기물은 주로 탄소, 산소, 수소, 질소로 이루어져 있습니다. 탄수화물 단백질 지방의 구성요소를 생각하시면 됩니다.) 이 수소가 어디에 얼마나 있는지를 확인하면 몸속 상태를 알 수 있는 것이죠!! 그래서 NMR을 인체에 맞게 변형하여 만든 것이 MRI가 됩니다! 즉, MRI는 몸속의 수소의 분포를 통해 몸속을 들여다 보는 것이라고 보면 되는 것이죠.

  2003년에 Paul Lauterbur와 Peter Mansfield가 노벨상을 받았습니다.

노벨 물리학상 수상 목록

http://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%85%B8%EB%B2%A8_%EB%AC%BC%EB%A6%AC%ED%95%99%EC%83%81

노벨 화학상 수상 목록

http://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%85%B8%EB%B2%A8_%ED%99%94%ED%95%99%EC%83%81

노벨 생리 의학상 수상 목록

http://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%85%B8%EB%B2%A8_%EC%83%9D%EB%A6%AC%ED%95%99%C2%B7%EC%9D%98%ED%95%99%EC%83%81

2. 1997년 교토의정서에서는 6대 온실가스를 지정했다. 6대 온실가스란 CO@, CH4, N2O, HFCs, PFCs, SF6를 말하며, 지구의 복사열인 적외선을 흡수하고 지구로 다시 방출하는 기체를 말한다. 각각의 온실가스는 지구온난화에 기여하는 정도인 지구온난화지수(GWP, Global Warming Potential)을 가지고 있는데, 6개 온실 가스 중 가장 높은 GWP를 갖는 가스는?

- CO2

-> 1

- CH4

-> 21

- HFCs

-> 1300

- PFCs

-> 7000

- SF6

-> 23900

http://en.wikipedia.org/wiki/Global-warming_potential

-> 교토의정서에서는 6대 온실가스 배출을 규제하고 배출량을 줄이지 않는 나라에 대해서 경제적인 제재를 가하기로 한 조약입니다. 이 당시 우리나라는 선진국이 아니었기 때문에 온실가스 감축 의무는 없었답니다.

  요즘 마트같은데서 볼 수 있는 것 중 하나가 어떤 물건을 만들 때 이산화탄소가 얼마나 배출되는지 여부를 알 수 있게 해놓은 물건들이 많습니다. 바로 탄소배출권 때문인데요, 탄소배출권은 한 나라에서 어느정도 이상 이산화탄소를 만들어내면 안된다는 취지에서 만들었습니다. 탄소배출권 이상 탄소를 배출하게 되면 탄소배출권을 다른 나라에서 사와야 하는데 1톤당 13유로정도라고 하네요. 또 조림사업을 하면 나무가 이산화탄소를 흡수하니 그만큼 탄소배출을 덜하게 되어 탄소배출권에 여유가 생긴답니다.

http://ko.wikipedia.org/wiki/%EA%B5%90%ED%86%A0_%EC%9D%98%EC%A0%95%EC%84%9C

http://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%83%84%EC%86%8C_%EB%B0%B0%EC%B6%9C%EA%B6%8C

3. 한국전자통신연구원(ETRI)은 정보, 통신, 전자, 방송 관련 융·복합기술 분야의 원천기술 개발과 성과 확산을 통해 국가 경제·사회 발전 기여를 목적으로 설립되었다. ETRI는 지난 35년간 메모리반도체, 전자교환기(TDX), CDMA, Wibro, 지상파 DMB, 4세대 이동통신, 투명 AMOLED 디스플레이 등 많은 연구 성과를 통해 우리나라 산업 발전에 크게 기여하였다. ETRI가 창립 35주년을 맞아 과학기술정책 연구원을 통해 실시한 연구개발 성과의 경제적 파급효과 분석에서 가장 큰 경제적 효과를 나타낸 것은?

- TDX

-> 전전자 교환기(Digital Electronic Switching System). 유선전화 걸면 상대방 번호로 연결시켜주는 시스템이 있습니다. 아주 옛날에는 사람이 직접 교환기 역할을 하였는데, 세상이 발전하면서 기계가 이 일을 대신해주었죠. TDX는 한국형 전자식 교환기입니다.

http://ko.wikipedia.org/wiki/TDX

- DRAM

-> 초고집적 반도체. 저장장치에는 ROM과 RAM이 있는데...뭐 일반적으로 컴퓨터 살때 '너 메모리 얼마짜리 써?' 할 때의 메모리라고 보시면 됩니다. 우리나라가 메모리 사업분야는 세계에서 최고죠...

http://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%8F%99%EC%A0%81_%EB%9E%A8

- CDMA

-> 코드분할다중접속(Code Division Multiple Access). 디지털 이동통신 시스템, 2G라고 하죠. 전에는 전화걸 때 아날로그 신호가 왔다갔다 했는데 CDMA의 개발로 인해 디지털 신호가 왔다갔다 하게 되었고, 그때문에 문자 전송이 가능하게 되었답니다~

http://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%BD%94%EB%93%9C%EB%B6%84%ED%95%A0%EB%8B%A4%EC%A4%91%EC%A0%91%EC%86%8D

- Wibro

-> 휴대 인터넷 와이브로...4G의 표준이 될뻔했죠. 표준이 되지 않아 지금은 몰락해버렸네요 ㅠㅠ

http://ko.wikipedia.org/wiki/WiBro-WiMAX

- LTE-Advanced

-> 요새 선전 많이 나오죠? LTE-A라고요~ 그냥 LTE는 4G가 아니라 3.9G쯤 되고, 진정한 4G는 LTE-A라고 합니다.

LTE가 3.9G인 이유는 음성은 3G를 이용하고 데이터 통신만 4G이기 때문이었답니다. LTE-A부터는 음성도 4G를 이용하기 때문에 진정한 4G죠.

http://ko.wikipedia.org/wiki/LTE_%EC%96%B4%EB%93%9C%EB%B0%B4%EC%8A%A4%ED%8A%B8

->CDMA가 54조, TDX가 20조, DRAM이 18조, LTE-A가 13조, Wibro가 1조 정도의 경제적 효과를 주었답니다. LTE-A가 이제 시작단계인데도 13조라니...앞으로 기대가 되네요~

http://www.etri.re.kr/etri/int/int_06000000.etri

오늘도 그다지 어려운 문제가 없네요. 사람들이 어렵다고 해서 좀 쉽게 내고 있는건 아닐까 궁금하네요 ^^;;

정답은 내일 공개하겠습니다~

주말 즐겁게 쉬고 월요일날 뵙겠습니다^^

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