포스테키안

2021 봄호 / 공대생이 보는 세상

2021-04-19 109

<신소재공학과가 본 교실 >

Dept. of Materials Science & Engineering 

‘딩동댕동’ 종 쳤다! 드디어 쉬는 시간이야! 피곤했었는데 마침 학교 스피커에서 종이 울리네. 그나저나 저 스피커는 무슨 소재로 되어있는 걸까? 그냥 플라스틱인 것 같은데, 단단해 보이기도 하고? 아, 학교 스피커는 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene) 수지로 만들어졌지! ABS는 한 종류의 단위체로 이루어지는 단일 중합체와는 다르게,  아크릴로니트릴(Acrylonitrile),  부타디엔(Butadiene),  스타이렌(Styrene) 이렇게 두 종류 이상의 단량체가 중합되어 있어서 공중합체라고 불러. 공중합체를 형성하는 방법 중 하나가 바로 자유 라디칼 중합(free radical polymerization)으로, 자유 라디칼을 이용해서 단량체들을 중합하는 방법이야. 여기서 자유 라디칼은 홀전자를 가지고 있어서 매우 불안정한 성질을 띠는 원자, 분자, 혹은 이온을 말해. 열, 빛 등 외부 자극에 의해 매우 쉽게 라디칼을 형성하는 물질인 라디칼 개시제(Initiator)를 이용하면 자유 라디칼을 쉽게 얻을 수 있어. 홀전자를 가지고 있어 불안정하다는 말은 화학 반응성이 높다는 거야! 그래서 단량체에서 쉽게 전자를 하나 빼앗아 결합하고, 단량체는 전자쌍에서 전자를 빼앗겼기 때문에 말단에 홀전자가 생기면 또 다른 라디칼이 되어서 다른 단량체와 반응하는 거지! 이 반응이 연쇄적으로 일어나면서 단량체들은 길게 결합해서 사슬이 되고, 사슬 끝에 있는 라디칼끼리 결합하여 아주 긴 사슬을 형성하는 거야. 하지만 꼭 사슬의 말단끼리 결합하지는 않아! 앞서 말했듯이 라디칼은 매우 불안정해서, 다른 고분자 사슬의 중간에 있는 전자를 하나 빼앗아 전자쌍을 이룰 때가 있어. 이렇게 사슬의 중간에 결합이 자주 일어나다 보면 가지를 뻗듯이 고분자가 형성되는데, ABS 역시 세 종류의 단량체가 가지처럼 결합해서 생긴 공중합체야! ABS는 단량체 간의 상호작용 덕분에 내구성과 강도가 좋아서 학교 스피커 말고도 레고, 컴퓨터, 헤어드라이어 등에 사용된다고 해. 앗, 수업 종 쳤다! 난 이만 수업 들으러 가볼게. 안녕 ~. 

글. 무은재학부 20학번 26기 알리미 강아림 

 

 

<화학과가 본 교실 >

Dept. of Chemistry 

와… 벌써 새 학기가 시작했네… 이번 학기도 열심히 해야겠다! 어? 필통에 HB, B심 연필이랑 지우개가 있네! 연필심 앞에 붙는 알파벳은 어떤 차이를 나타내고, 그 차이는 무엇이 만드는 것일까? 또, 지우개는 어떻게 연필을 지울 수 있는 걸까? 연필심을 탄소 동소체의 한 종류인 흑연(Graphite)으로 만드는 것을 다들 알고 있을 거야. 구체적으로는 점토와 흑연의 조합으로 이루어져 있어. 연필과 지우개의 원리를 이해하기 위해서 우선 흑연에 대해 알아보자. 흑연은 그래핀(Graphene)이라고 불리는 육각형 모양으로 결합한 2차원의 탄소층이 반데르발스 힘(van der Waals force)으로 연결된 구조지. 여기서 반데르발스 힘은 무극성 분자에서 다양한 쌍극자 사이의 인력으로 인한 힘이야. 반데르발스 힘은 다른 분자 간 상호작용보다 약한데, 이로 인해 흑연도 무르다는 특징이 있지. 

우리가 보는 글씨는 연필을 쓸 때 연필심 속 흑연의 그래핀이 층층이 밀려나면서 종이에 남은 검은 자국이야. 이때 점토와 흑연 조합 비율의 차이가 진하기의 차이를 만드는데, 점토 비율이 높아질수록 연필심이 단단해지고, 적을수록 연필심이 물러져. B 앞에 붙은 숫자가 클수록 점토의 비율이 낮아서 연필심이 더 무르고, 더 많은 흑연이 종이에 남아 글씨가 진하게 보이는 거지. 이런 의미를 담아서 연필심의 B는 Black, H는 Hard의 앞글자를 따온 거라고 해. 

지우개는 연필과 정확히 반대의 원리야. 플라스틱 지우개는 염화 비닐, 가소제, 세라믹스 분말 등으로 이루어져 있어. 이때 가소제에는 흑연의 분자 구조와 비슷한 탄소의 이중 결합이 있어서 흑연과의 결합력이 크다는 특징이 있지. 지우개로 종이를 문지르면, 먼저 세라믹스 분말이 종이 섬유를 적당히 깎아내어 가소제와 흑연이 결합하기 쉽게 해. 그리고 가소제와 흑연 사이의 결합력이 흑연과 종이 섬유 사이의 인력보다 크기 때문에 가소제가 종이 섬유에 남아있던 흑연을 떼어내고, 필기를 지울 수 있는 것이야. 

출처 http://chemistrycarbons.blogspot.com/2012/11/explanation-on-structure-of-graphite.html 

지금까지 우리가 쓰는 연필과 지우개에 어떤 원리가 숨어져 있는지 알아보았어! 간단해 보이는 연필과 지우개에도 이렇게 많은 과학적인 원리가 있다니 정말 신기한 것 같아. 앗! 종이 쳐서 나는 다시 수업 들으러 갈게! 안녕~. 

글. 무은재학부 20학번 26기 알리미 김민수 

 

 

<물리학과가 본 교실 >

Dept. of Physics 

아~ 졸려… 누워서 숙제할 수는 없을까… 어? 만년필을 거꾸로 들어도 글씨를 쓸 수 있잖아! 중력이 잉크가 나오는 부분과 반대로 작용할 텐데, 이게 어떻게 가능한 거지? 

정답은 모세관 현상이야! 모세관 현상은 액체 속에 모세관을 넣었을 때, 액체 사이의 인력과 액체와 모세관 사이의 인력에 의해 가느다란 관을 채운 액체가 올라가거나 내려가는 현상을 말해. 예를 들어서, 가느다란 유리관을 물속에 넣으면 물 분자 사이의 응집력보다 물 분자와 유리벽 사이의 인력이 더 강하기 때문에 유리관의 안쪽을 따라 물이 따라 올라오게 돼. 반대로, 수은은 수은과 관과의 부착력보다 수은 분자끼리의 응집력이 더 강하기 때문에 모세관을 따라 내려가게 돼. 그리고 만년필에도 이 원리가 적용되어 잉크가 나오고 종이 위에 글씨가 써지게 되는 거야. 만년필 펜촉을 보면 가운데 얇은 틈이 있어. 그리고 그 틈이 일종의 모세관 되어 잉크 카트리지에 있는 잉크들이 타고 올라오게 되는 거지. 그렇게 올라온 잉크가 종이로 옮겨지는 과정도 중력 때문이 아닌 모세관 현상에 의한 힘 때문이야. 종이는 우리 눈에는 매끈해 보이지만 확대해 보면 셀룰로스 섬유가 복잡하게 뒤엉킨, 일종의 모세관이라고 볼 수 있어. 그렇기에 펜촉과 종이가 잉크를 두고 벌이는 모세관 힘의 상호작용으로 잉크가 펜촉에서 종이로 이동하게 되지. 중력 때문이 아닌 모세관 작용으로 잉크가 나오는 것이기 때문에 거꾸로 써도 나오지만, 필름으로 코팅되어 표면에 모세관이 없는 경우, 모세관의 상호작용이 일어나지 않기 때문에 종이 위에는 글씨가 잘 안 써지는 거지. 펜촉을 종이에 대고 천천히 움직이는 것보다 빨리 움직이면 더 얇은 선이 나오게 되는 것도 모세관 힘 사이의 동적 평형에 의한 결과라고 해. 그리고 한 연구팀에서 모세관 작용을 계산하여 아래 수식과 같이 펜을 쓸 때 종이에 남는 잉크 반점의 크기와 선의 두께를 예측하는 수식을 만들기도 했어.

wf = 0.16(f-1)γh/(fμu0) + 5.55R 

(wf는 선의 두께, f는 종이의 거친 정도(roughness), γ는 잉크의 표면장력, h는 종이에 옮겨지는 잉크 필름의 두께, μ는 잉크의 점도, u0는 펜이 움직이는 속도, R은 펜촉 틈 폭의 절반) 

종이의 거친 정도 잉크의 표면 장력 등 다양한 변인들을 함께 고려해 선의 두께를 구할 수 있다니 정말 신기하지 않니? 이렇게 얘기하다 보니 어느덧 잠이 깼네! 이제 나는 다시 만년필로 숙제하러 가볼게! 안녕~. 

글. 전자전기공학과 19학번 25기 알리미 서동희 

 

 

<전자전기공학과가 본 교실 >

Dept. of Electronics and Electrical Engineering 

‘띠링 띠링’ 앗! 늦잠을 자버렸잖아? 그래도 비대면 수업이라 정말 다행이야. 그런데 멀리서 수업하시는 교수님의 수업을 어떻게 볼 수 있는 걸까? 자연에 존재하는 모든 신호는 연속적인 아날로그 신호야. 그럼 교수님의 목소리와 움직임은 연속적일까? 맞아! 바로 연속적인 신호지. 하지만 컴퓨터는 아날로그 신호를 그대로 전달할 수 없어. 그래서 이때 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환 시켜 주는 ADC(Analog to Digital Conversion)를 진행하는 게 바로 ‘센서’야. 카메라, 마이크가 대표적인 예시이지. 

출처 https://en.wikipedia.org/wiki/Sampling_(signal_processing) 

아날로그 신호는 샘플링을 통해 디지털 신호로 변환되는데, 사진과 같이 신호 S(t)가 있을 때 미리 정한 Sampling Rate (Sample/sec)에 따라 샘플링을 진행해! 샘플링을 진행하고 나면 신호 S(t)는 S(nT)라는 이산신호로 표현될 수 있어. (n = 정수, T = 샘플링 주기) 이렇게 변환된 디지털 신호는 다시 아날로그 신호로 복원되어야겠지? 이때 필요한 것이 바로 DAC(Digital to Analog Conversion)로, 샘플링 과정의 역과정을 수행해. 여기엔 Nyquist-Shannon theorem등과 같이 디지털 형식으로 바뀌었던 신호를 최대한 손상 없이 복원하기 위한 이론들이 사용돼. Nyquist-Shannon theorem은 신호를 전송할 때 채널에서 신호의 왜곡을 발생시키지 않을 최대 전송 속도를 구할 수 있는 식이야. 먼저 Nyquist 식을 나타내 보면, C = 2 × BW × log2(L)이야. 이와 다르게 Shannon Channel Capacity 식은 C = BW × log2(1 + SNR)로 나타나. (C = 채널 용량(bits/sec), BW = 주파수 대역폭, SNR = 신호 대 잡음 비, L = 비트 수) Nyquist와 Shannon 식의 차이를 보면 바로 Shannon은 잡음을 고려했다는 거야. 지금까지 비대면으로 교수님의 수업을 어떻게 볼 수 있는지에 대해 간단히 알아봤어. 만약 신호 분석에 호기심이 생긴다면 더 공부해 보는 것도 좋을 거야. 그럼, 모두 파이팅! 

참고 : https://blog.naver.com/ptm0228/222245562749  / 
https://en.wikipedia.org/wiki/Nyquist%E2%80%93Shannon_sampling_theorem 

글. 전자전기공학과 19학번 25기 알리미 김현우