포스테키안

2021 여름호 / 공대생이 보는 세상

2021-07-20 83

<생명과학과가 본 장마철>
Dept. of Life Sciences

아유 오늘도 늦잠을 자버렸네. 장마철이라 매일 비가 오니까 하루가 축축 처지는 기분이야. 비 오는 날 아침에 일어나기 힘든 이유가 생체 호르몬 멜라토닌 때문인 것을 알고 있니? 멜라토닌은 뇌의 송과체(Pineal gland)에서 분비되는 수면 조절 호르몬으로, 사람의 수면과 각성 리듬을 조절해. 주로 밤에 분비되고 보통 새벽 3~4시에 최고치가 되어 체온이 내려가도록 하고 자연적 수면을 유도하지. 그래서 ‘암흑의 호르몬’이라는 별명이 있기도 해. 멜라토닌은 밤과 낮의 길이와 같은 ‘광주기’를 감지해서 합성되기 때문에 ‘일주기성’을 가져. 즉, 주로 빛에 의해 조절이 되어 인간이 아침에 눈을 뜨고 밤에 깊이 잠들 수 있도록 하는 생체 시계를 조절하는 데에 관여하지.
멜라토닌의 분비를 조절하는 것이 바로 ‘시교차상핵(Suprachiasmatic nucleus, SCN)’이야. 시교차상핵은 눈에서 뇌의 시각 중추까지 정보를 전달하는 신경 다발 바로 아래쪽에 위치하면서 빛에 영향을 많이 받아. 주변이 어두우면 눈으로 빛 신호가 유입되지 않게 되고, 시교차상핵이 송과체에 멜라토닌 합성 신호를 보내게 되지. 이때 시교차상핵 내의 세포들이 멜라토닌 수용체를 지니고 있어. 그래서 이 수용체에 송과체로부터 분비된 멜라토닌이 결합하게 되면 체온이 내려가고 졸음이 유발되는 거야. 이와 반대로 주변에 빛이 밝아오면 빛 신호가 시교차상핵에 전달되어서 멜라토닌 생산이 점차 낮아지고, 반대로 세로토닌이라는 각성 호르몬의 생산이 증가하면서 잠이 깨게 되는 거야. 빛이 많을 때는 멜라토닌 억제 신호 활성, 적을 때는 멜라토닌 억제 신호 억제에 의한 분비 신호 전달. 이렇게 시교차상핵에 전달되는 빛의 자극 정도에 따라 멜라토닌의 분비량이 조절되지. 실제로 낮에 어둡게 하고 밤에는 밝게 하면 멜라토닌 리듬이 반대로 변하기도 해.
이렇게 장마철에는 빛 신호가 전달되어야 하는 아침 시간에도 흐린 날씨가 지속되면서 눈으로 빛 신호가 덜 들어오게 되면, 멜라토닌의 억제 신호가 지연되어서 잠에서 더 천천히 깨어지고, 제대로 된 각성 상태가 나타날 수 없어 비몽사몽 하게 되는 것이지.
우리 몸이 빛 신호를 주기로 생체리듬을 조절하는 원리, 정말 신기하지 않니? 장마철 아침에 빛이 부족한 만큼 더 정신 바짝 차려야겠다! 그럼 다들 오늘도 좋은 하루 보내~

[참고 자료]
Silversufers Articles, Oh to sleep, 2013.
김지현, 이향운, 멜라토닌과 수면 Melatonin and human sleep, J Kor Sleep Soc, 2005.
약학정보원 Korea Pharmaceutical Infromation Center, 멜라토닌, 약물 백과.
Edwin, Melatonin Supplementation: How Long Does Melatonin Last in the Body?, VitaBasix, 2020.10.28.

글. 생명과학과 19학번 25기 알리미 정채림

 

 

<신소재공학과가 본 장마철>
Dept. of Materials Science & Engineering

며칠째 비가 주룩주룩 내리는 게, 장마가 시작되었나 봐. 방금 동생한테 우산을 갖고 학교로 마중 나와달라는 연락을 받았어. 아휴, 귀찮아… 그런데 여기서 잠깐, 우산은 어떻게 거센 비에도 젖지 않을 수 있는 걸까?
그 비결은 표면 개질(Surface Modification)에 있어. 표면 개질이란 물질 표면에 원래는 없던 특성을 부여하는 일인데, 우산의 경우에는 표면에 소수성(Hydrophobicity)을 추가하는 것이 되겠지. 일반적으로 우산은 폴리에스터(Polyester)라는 소재로 만들어져. 폴리에스터는 에스터기(Ester)가 연결된 고분자 화합물의 총칭인데, 내구성이 강하고, 주름이 잘 가지 않고 모양도 잘 변하지 않아. 물의 흡수와 배출이 빠르기까지 해서 우산의 소재로 적합하지. 폴리에스터로 우산을 촘촘하게 만든다고 해도 작은 틈새가 발생하는데, 이 틈새를 은 코팅으로 메꿔서 비를 완벽하게 차단해. 이렇게 코팅이나 밀폐로 물을 차단하는 것을 방수(Waterproof)라고 해.
그런데 이러한 방수에 발수(Water Repellent) 기능을 더하면 방수 효과를 극대화할 수 있어! 발수는 물이 맺히지 않고 흐르도록 하는 성질이야. 요새는 폴리에스터 원단을 긁어서 면의 느낌을 낸 폰지(Pongee)라는 소재에, 발수 코팅을 한 우산이 많이 나오고 있어. 이런 형태는 연잎 효과(Lotus Effect)와 비슷한 효과를 내서, 매우 큰 소수성을 띠어 물에 젖지 않는 초소수성(Superhydrophobic) 표면을 만들어. 연잎 표면에는 나노 크기의 돌기들이 있어서 물방울과 잎의 접촉 면적이 매우 작고, 소수성인 왁스 성분도 있어. 그러니까 표면장력에 의해 물방울이 퍼지지 않고 구형을 이뤄서, 물방울이 잎을 따라 또르르 흘러내리게 되지. 원단을 긁어서 작은 돌기들이 나 있는 폰지에 발수 코팅을 한 것도 연잎과 같은 발수 효과가 있는 거야.
이제 우산이 젖지 않도록 표면에 방수와 발수 기능을 부여하는 표면 개질에 대해 조금 알겠지? 앗! 저기 날 기다리는 동생이 보여서 이만 가봐야겠어. 안녕~

글. 무은재학부 20학번 26기 알리미 이승은

 

 

<컴퓨터공학과가 본 장마철>
Dept. of Computer Science and Engineering

어? 장마철 끝난 줄 알았는데 갑자기 비가 오네… 우산 없는데 어쩌지? 이렇게 갑자기 비가 오는 일에 대비할 수 있다면 좋을 텐데. 아 맞아, 인공지능으로 날씨도 예측할 수 있다고 해!
실시간 기상 예측에는 관측 데이터가 늘어나서 처리하기에 많은 시간이 걸리는 등의 한계점이 있어. 구글은 인공지능으로 5~10분 만에 6시간 뒤 기상 예보를 알려주는 나우캐스트를 발표했는데, 레이더 영상만을 합성곱 신경망(CNN) 모델 중 U-Net으로 분석해 기후를 예측한다고 해. CNN은 여러 레이어로 구성되어 데이터를 스스로 학습해 패턴을 찾는 인공신경망으로, 기상예측에서 영상을 처리할 때 변화 양상을 유추할 수 있지. 나우캐스트에서도 미국 전역을 256km2짜리 타일로 분할해 타일별 복합 데이터를 학습시켰어. U-Net은 영상 신호로 데이터로 변환하는 인코딩 과정에서 데이터의 크기를 줄이면서도 중요 데이터를 유지하고, 다시 영상으로 변환하며 선명한 영상을 유지할 수 있다는 장점이 있어서 더욱 정확한 예측이 가능해. 시시각각으로 바뀌면서 전 지역적으로 영향을 주는 이상 기후를 예측하기에 효과적일 거야.

구글 같은 기업 이외에도 국가적 차원에서 기상 예측 모델을 연구하고 있고, 우리나라 기상청에서도 기상 분야 인공지능 ‘알파웨더’를 도입해 기상 예측에 활용한다고 발표했어. 인공지능은 판단 근거를 알 수 없는 블랙박스이기 때문에, 설명 가능 AI(XAI)를 알파웨더에 적용한다고 해. 인공지능 기반 기상 예측은 대용량 데이터를 빠르게 분석한다는 장점이 있지만, 레이더 영상만으로는 정확한 상태를 알 수 없어 데이터의 공백이 생긴다는 문제가 있어. 따라서 대기 과학 같은 사전 기상 지식을 기반으로 한 기존 기상 예보보다 인공지능 기법이 효과적일지 아직 연구 중이야.
이런 기상 예보 말고도, 장기적인 기후 변화 예측에도 인공지능을 활용해. IBM에서는 딥러닝을 통해 오염 감소 전략을 시뮬레이션하고 오염을 예측하며, 국립환경과학원에서는 미세먼지 예보에 대해서 인공지능을 활용해 예측 정확도가 기존 대비 79%나 상승했어. 이렇게, 인공지능을 활용해 기상을 예측하면 일상생활에 도움을 줄 수 있겠지?
[참고 자료]
Jason Hickey, 「Using Machine Learning to “Nowcast” Precipitation in High Resolution」, 2020.1.13. https://ai.googleblog.com/2020/01/using-machine-learning-to-nowcast.html
김예림, 「공익을 위한 구글의 AI 기상 예측 모델…구글 AI 포럼」, 『마소』, 2020.2.4,
https://www.imaso.co.kr/archives/5675
신찬옥, 「[데이터] ‘변화무쌍’ 날씨 빅데이터…AI로 콕 잡았다」,
『매일경제』, 2021.1.27, https://www.mk.co.kr/news/it/view/2021/01/85791/

글. 무은재학부 20학번 26기 알리미 유현아

 

 

<화학과가 본 장마철>
Dept. of Chemistry

더울 뿐만 아니라 습하기까지 하다니! 장마철은 정말 찝찝한 것 같아… 이런~ 옷장에 습기가 차서 옷에 곰팡이가 폈잖아? 습기 제거제를 두었어야 했는데!! 그런데 습한 장마철을 책임지는 습기 제거제의 원리는 뭘까?? 시중에 판매되는 습기 제거제는 대부분 염화칼슘 또는 실리카겔로 이루어져 있어.
먼저 염화칼슘(CaCl2)은 염소와 칼슘의 화합물로 조해성을 가지고 있어. 조해성이란 공기 중에 노출된 고체가 수분을 흡수하여 녹는 현상이야. 염화칼슘이 조해성을 가지는 이유는 분자구조를 살펴보면 알 수 있어. 염화 이온의 반지름은 약 181pm, 칼슘 이온의 반지름은 약 100pm로 크기 차이가 매우 커서, 물이나 이산화탄소와 같은 작은 분자를 흡수하여 결정 내 빈 공간을 채우려는 특성을 나타내. 이 때문에 염화칼슘이 공기 중의 물 분자와 결합하면서 수화 반응이 쉽게 일어나는 거야. 이러한 조해성 때문에 염화칼슘은 자신 무게의 무려 14배 이상의 물을 흡수할 수 있어.
다음으로 실리카겔(SiO2nH2O)은 다공성 물질로 미세한 구멍이 많아서 1g의 표면적이 800m2/g로 매우 넓어 물 분자를 잘 흡착해.

Na2OxSiO2 + H2SO4 → xSiO2 + Na2SO4 + H2O

Na2OxSiO2 + 2HCl → xSiO2 + 2NaCl + H2O

실리카겔은 위의 식과 같이 규산나트륨(Na2OxSiO2) 수용액을 황산(H2SO4)이나 염산(HCl)으로 처리하여 생성돼. 반응 결과 생성된 물을 증발시키면 산화규소(SiO2) 입자, 즉 실리카겔만 남게 돼. 이때 증발한 물이 원래 있던 공간이 텅 비게 되어 그물망상 구조가 형성되고 이 공간에 물 분자를 가두어 흡습이 이루어지는 거야.
너희는 미리미리 습기 제거제를 놓아서 나처럼 옷을 버리는 일이 없길 바라. 그럼 안녕~~!!

 

글. 무은재학부 21학번 27기 알리미 조윤경