답변 내역

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.리튬 이온 배터리가 추운 겨울철에 성능이 급격히 떨어지는 이유는 내부 전해질 액이 차가워져 리튬 이온의 이동 속도가 느려지고, 이로 인해 내부 저항이 급격히 증가하여 순간 전압이 떨어지기 때문입니다. 좀 더 자세히 설명해 드릴게요.리튬 이온 배터리는 양극(+)과 음극(-) 사이를 액체 상태의 전해질 액을 통해 리튬 이온이 이동하면서 전기를 발생시키는데, 기온에 낮아지면 액체 전해질의 점도가 높아져 둔해집니다. 이로 인해 리튬 이온이 전해질 액을 통과하는 속도가 급격히 느려지며 배터리 내부의 화학 반응 능력이 감소합니다. 이로 인헤 이온의 이동이 원활하지 않게 되면 배터리 내부의 전기 저항이 급격히 상승하고, 배터리의 실질 출력 전압은 내부 저항이 커질수록 크게 감소합니다. 내부 저항이 높아진 상태에서 화면을 켜거나 앱을 실행하여 전류를 사용하면, 배터리의 표면 전압이 순간적으로 떨어지게 됩니다.스마트폰이나 노트북 내부의 배터리 관리 시스템(BMS)은 배터리의 전압을 실시간으로 측정하여 잔량을 추정하고 기기를 보호하는데, 추위로 인해 전압이 기기 동작 최소 기준치 밑으로 떨어지면, BMS는 배터리가 다 소진되었다고 판단하거나 고장을 막기 위해 강제로 전원을 꺼버립니다. 잔량이 30~40% 남아있었음에도 갑자기 전원이 꺼지거나 표기 잔량이 급감하는 것은 바로 이 전압 강하 때문입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.화학적 반응성만 보면 오히려 알루미늄이 철보다 훨씬 산화되기 쉬운 금속입니다. 그럼에도 불구하고 철이 알루미늄보다 더 잘 녹슬고 부식되는 이유는 산화 과정에서 만들어지는 피막의 구조가 완전히 다르기 때문입니다. 이와 관련하여 자세히 설명해 드릴게요.알루미늄은 공기 중의 산소와 접촉하는 즉시 겉표면이 산화되어 산화 알루미늄이라는 물질을 형성합니다. 산화 알루미늄 분자들은 간격이 매우 촘촘하고 단단하여, 알루미늄 금속 표면에 눈에 보이지 않을 정도로 얇은 보호막을 만드는데, 이 피막이 너무 치밀해서 외부의 산소나 수분이 더 이상 내부의 알루미늄 금속으로 침투하지 못하도록 완벽하게 막아줍니다. 칼로 긁혀 보호막이 벗겨지더라도, 드러난 알루미늄이 즉시 공기 중의 산소와 반응하여 수 밀리초 만에 새로운 산화 알루미늄 막을 다시 재건합니다.반면 철은 산소뿐만 아니라 수분이 함께 존재할 때 산화 반응을 일으켜 수산화 산화 철이라는 우리가 아는 붉은 녹을 만듭니다. 철에 생기는 녹은 입자 사이의 간격이 넓어 미세한 구멍이 뚫려 있는 스펀지 같은 구조로, 철이 녹을 만들 때 부피가 원래 철보다 크게 부풀어 오르기 때문에 표면의 녹 껍질이 금속에 붙어있지 못하고 갈라지거나 쉽게 부스러져 떨어져 나갑니다. 또한, 뚫려 있는 구멍과 갈라진 틈새로 산소와 수분이 순식간에 안쪽으로 침투하므로, 속 안의 철이 완전히 다 녹슬어 삭아버릴 때까지 부식이 멈추지 않고 뼈대 전체로 깊숙이 진행됩니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.달리기 선수들이 고속으로 질주하다 갑자기 햄스트링을 잡고 경기를 포기하는 현상은 근육이 길어지는 동시에 극도의 힘을 써야 하는 원심성 수축과 생화학적 에너지 고갈이 합쳐져 발생합니다. ​햄스트링은 허벅지 뒷면에 위치한 3개의 근육 집합체로, 다리를 뒤로 당기고 무릎을 굽히는 역할을 합니다. 선수들에게 햄스트링 부상이 집중되는 구체적인 이유에 대해 설명해 드릴게요.​스프린트 동작 중 발이 땅에 닿기 직전, 허벅지는 앞으로 나가려는 힘에 의해 팽팽하게 늘어나는데, 이때 햄스트링은 다리의 속도를 줄이고 땅을 찍기 위해 늘어나는 상태에서 동시에 강하게 수축해야 합니다. ​근육이 줄어들면서 힘을 쓸 때보다, 늘어나면서 억지로 버틸 때 근육 섬유에 가해지는 물리적 인장 하중이 훨씬 크기 때문에 이때 파열이 집중적으로 일어납니다.또한, 근육이 수축한 뒤 다시 이완되기 위해서는 세포 내 에너지원인 ATP가 반드시 결합해야 합니다. 경기 후반부나 극도의 피로 상황에서는 순간적으로 ATP가 고갈되면 근육 수축 단백질인 마이오신과 아크틴이 서로 분리되지 못하고 굳어버립니다. ​이 상태에서 억지로 힘이 가해지면 미세 근섬유가 강제로 찢어지거나 쥐가 나듯 수축 상태에서 굳어버리게 됩니다.이외에도 최고 속도에 도달했을 때 햄스트링에는 자기 체중의 약 8~10배에 달하는 충격력이 0.1초도 안 되는 순간에 가해집니다. 전해질 균형이 조금이라도 깨져 있거나 미세한 피로가 누적되어 있다면, 이 짧은 순간의 충격을 견디지 못하고 근육이 끊어지듯 다치게 됩니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.구름이 우주 바깥으로 빠져나가지 않고 특정 높이의 하늘에 머물러 있는 것은 수증기의 상변화, 열역학적 부력의 한계, 그리고 성층권에 있는 오존층 때문입니다. 이와 관련하여 자세히 설명해 드릴게요.기체 상태의 물 분자 분자량은 약 18 g/mol로, 대기의 주성분인 질소나 산소의 평균 분자량(약 29 g/mol)보다 가볍습니다. 따라서 수증기를 품은 따뜻한 공기는 자연스럽게 위로 올라가게 되고, 공기가 위로 올라갈수록 기압이 낮아져 단열 팽창을 일으키고 기온이 떨어집니다. 이슬점 도달 시 기체였던 수증기 분자들은 수소 결합을 통해 서로 뭉치며 작은 액체 물방울이나 미세한 얼음 결정으로 응결합니다. 이때 투명한 기체가 빛을 산란시키는 미세한 물방울 입자 집합체, 즉 에어로졸 상태의 구름이 되면서 하얗게 눈에 보이게 됩니다. 기체 상태일 때는 주변 공기보다 가벼워 부력을 얻고 올라갔지만, 물방울로 응결된 공기 덩어리는 점점 차가워지며 밀도가 높아집니다.​올라가다 보면 공기 덩어리의 밀도가 주변 대기의 밀도와 정확히 같아지는 높이에 도달하게 됩니다. 이 지점에서는 더 이상 위로 밀어 올리는 부력이 작용하지 않아 구름은 상승을 멈추고 해당 높이에 멈춰 서게 됩니다.또한, 대류권에서는 위로 올라갈수록 기온이 낮아지지만, 성층권은 오존 분자들이 태양의 유해 자외선을 흡수하면서 아래쪽보다 위쪽이 더 따뜻해지는 온도 역전이 일어납니다. ​위쪽 공기가 더 따뜻하고 가볍기 때문에, 아래 대류권에서 올라오던 공기 덩어리는 이 따뜻한 공기층을 뚫고 올라가지 못합니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.달의 뒷면에 크레이터가 훨씬 많은 것은 사실이지만, 그 원인은 혜성 때문이 아니라 소행성 충돌과 달 내부의 화학적 원소 분포 차이 때문입니다. 달의 앞면과 뒷면이 다르게 생긴 진짜 이유를 설명해 드릴게요.​말씀하신 대로 지구에서는 달의 한쪽 면만 보입니다. 이는 달의 자전 주기와 공전 주기가 약 27.3일로 완전히 일치하기 때문으로 지구의 중력이 달을 계속 끌어당기면서 자전 속도를 공전 속도와 똑같이 때문입니다.​달 표면의 수많은 크레이터는 혜성보다 소행성이나 유성체에 의해 만들어졌습니다. ​혜성은 주로 얼음과 먼지로 이루어져 있어 충돌 시 휘발성 물질이 증발하는 비율이 높지만 ​소행성은 규산염 암석이나 철, 니켈 같은 단단한 금속으로 이루어져 있어 충돌 시 강력한 물리적 충격과 깊은 구멍을 남깁니다.지구가 앞면을 막아주어서 뒷면에만 운석이 많이 떨어졌다고 생각하기 쉽지만, 지구의 중력이나 가림 효과는 극히 일부에 불과하며 앞면과 뒷면이 맞은 운석의 양은 거의 비슷했습니다. 정리하자면, 운석은 두 면 모두 비슷하게 맞았으나 앞면은 화학 원소의 열에 의해 용암으로 지워졌고, 뒷면은 지워지지 않아 운석 자국이 그대로 남아있는 것입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.엔진 오일을 오래 교체하지 않을 때 점도가 떨어져 묽어지는 현상으로 인해 엔진 마모 및 소음이 발생하는 이유는 첨가제의 물리화학적 파괴와 보호 유막의 손상 때문입니다.사계절용 엔진 오일에는 엔진이 뜨거워져도 오일이 너무 묽어지지 않도록 긴 사슬 구조의 고분자 화합물이 들어있지만 피스톤과 실린더 벽 사이, 베어링 등에서 발생하는 극심한 압력과 마찰력에 지속적으로 노출되면 이 분자 사슬이 끊어지면서 본래의 고온 점도 유지 능력을 잃고 묽어지게 됩니다. 시동을 걸거나 짧은 거리를 주행할 때 실린더 내부에서 미처 다 타지 못한 미량의 미연소 연료가 피스톤 틈새를 통해 오일 팬으로 흘러 들어가, 연료가 오일과 섞이면서 엔진 오일 자체를 희석시켜 점도를 낮춥니다.묽어진 오일이 마모와 소음을 유발하는 이유는 엔진 오일의 가장 중요한 역할은 금속 부품 사이에 얇지만 튼튼한 액체 쿠션을 만들어 금속끼리 부딪히지 않게 하지만 오일의 점도가 낮아져 지나치게 묽어지면, 부품이 고속으로 회전하거나 가속할 때 가해지는 강한 압력을 견디지 못하고 유막이 쉽게 찢어지고 얇아집니다. 또한, 유막이 깨지면 피스톤, 캠축, 크랭크샤프트 베어링 등 고속으로 움직이는 금속 표면이 서로 직접 맞닿아 긁히게 되면서, 금속 입자가 깎여 나가는 부품 마모가 발생하고, 쇠가 부딪히는 거친 마찰 소음과 진동이 커지게 됩니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.불꽃놀이의 화려한 색깔은 금속 원소가 특정한 빛을 방출하는 불꽃 반응과 선스펙트럼 원리를 이용한 것으로 불꽃의 색을 결정하는 금속 화합물의 종류, 원소마다 고유한 색이 나오는 원리, 그리고 파란색 불꽃이 불꽃 연출가들에게 성배라 불릴 만큼 만들기 어려운 이유를 설명해 드릴게요.금속 원소마다 방출하는 빛의 색이 다른 이유는 각 원소가 가진 전자 껍질의 고유한 에너지 준위 때문입니다. 화약이 폭발하면서 발생하는 높은 열에너지를 금속 원자가 흡수하면, 원자핵 주변을 돌던 전자가 에너지를 얻어 더 높은 에너지 준위인 들뜬 상태로 올라갑니다. 들뜬 상태는 매우 불안정하므로, 전자는 아주 짧은 시간 안에 다시 원래의 안정적인 궤도인 바닥 상태로 떨어지는데, 이때 전자가 떨어지면서 두 간격의 에너지 차이 만큼을 빛의 형태로 외부에 방출합니다. 주요 금속 원소의 불꽃 색을 보면, 리튬과 스트론튬은 빨간색, 칼슘의 주황색, 나트륨은 노란색, 바륨의 초록색, 구리는 청록색을 나타냅니다. 파란색 불꽃이 가장 만들기가 어렵습니다. 파란색을 내는 핵심 화합물은 염화구리지만 염화구리는 열에 매우 약해 약 1,200도가 넘어가면 화학 결합이 깨져 분해되어 버립니다. 분해된 구리는 파란색이 아닌 무색이나 희미한 백색 빛을 내어 파란색 고유의 선명함을 잃습니다. 온도가 너무 낮으면 화약이 원활하게 타지 않아 불빛이 어두워지고, 온도가 조금만 높아지면 파란색 발색 물질이 전부 파괴됩니다. 즉, 불꽃의 밝기를 유지하면서 파란색 물질이 파괴되지 않는 정밀한 온도 구간을 맞추기가 극도로 어렵습니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.화장품이나 안약의 내용물에 미세한 알갱이가 들어있거나 사용 전 흔들어 쓰세요라는 문구가 적힌 제품은 내용물이 현탁액 또는 에멀전 형태로 제조되었기 때문입니다. 좀 더 자세히 설명해 드릴게요.안약의 약효 성분, 파운데이션의 색소 파우더, 자외선 차단제의 무기자차) 알갱이 등은 물이나 기름에 완전히 녹지 않고 미세한 입자 형태로 떠 있는 상태이기 때문에 가만히 세워두면 입자의 밀도가 액체 용매보다 크기 때문에, 중력의 영향으로 바닥에 가라앉는 침전 현상이 일어납니다. 반대로 기름과 물이 섞인 제형은 밀도가 가벼운 기름층이 위로 뜨는 층분리가 발생합니다. 흔들어 써야 하는가장 중유 이유는 제품을 사용하는 내내 일정한 성분 비율을 유지하기 위해서이고, 흔들지 않고 사용하면 초반에는 약효나 기능성 성분이 전혀 들어있지 않은 맹물만 퍼져 나오게 됩니다. 반대로 제품을 다 써갈 때쯤에는 바닥에 빽빽하게 뭉쳐있던 고농도 입자만 나와 사용감이 뻑뻑해지거나 성능이 변질됩니다. 또한, 스테로이드 성분이나 소염제가 들어간 현탁성 안약의 경우, 흔들지 않고 넣으면 유효 약성분이 눈에 거의 전달되지 않아 치료 효과가 현저히 떨어지고, 반대로 용기 바닥 부분의 고농도 안약이 눈에 들어가면 안구 자극이나 부작용을 유발할 수 있습니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.영구동토층과 해저 동토층에 갇혀 있는 메탄 하이드레이트는 시한폭탄으로 불립니다. 고온, 고압 조건에서 얼음 형태로 존재하던 메탄 하이드레이트는 온도가 올라가면 1부피당 약 160~180배의 기체 메탄으로 급격히 부풀어 오르며 분해됩니다. 지구온난화로 인해 이 소재가 대기 중으로 노출될 경우 심각한 문제들이 발생합니다.메탄은 방출 후 20년 기준으로 이산화탄소보다 80배가 넘는 강력한 온실효과를 발휘하기 때문에, 대량 유출된 메탄은 지구 온도를 단기간에 폭발적으로 상승시킵니다. 이는 다시 더 많은 동토층을 녹여 메탄을 추가 방출시키는 악순환으로 이어지며, 인류의 탄소 감축 노력과 상관없이 기후 시스템이 돌이킬 수 없는 임계점을 넘어서게 만듭니다. 이와 함께 지형 파괴와 북극권 인프라 붕괴가 심각해집니다. 지하 깊은 곳에서 메탄 하이드레이트가 기화하면 내부 압력이 극도로 높아져 지표면을 뚫고 대형 폭발을 일으키며, 그 자리에 거대한 구멍을 남깁니다. 또한 지반을 지탱하던 얼음과 가스가 빠져나가 땅속에 빈 공간이 생기면 지표면이 푹 꺼지는 싱크홀과 대규모 산사태가 빈번해집니다.해양 생태계와 보건 위생 측면에서도 치명적인 재앙이 뒤따릅니다. 해저 동토층에서 유출된 메탄이 바닷속 미생물에 의해 산화되는 과정에서 수중 산소가 급격히 소모되어 생명체가 살 수 없는 무산소 수역이 넓게 형성되고, 부산물로 인해 해양 산성화가 진행됩니다. 영구동토층에 얼어붙어 있던 고대 바이러스와 박테리아, 그리고 오랫동안 농축되어 있던 수은 등의 독성 중금속이 수계로 흘러들어오면서 인류와 생태계 전체에 새로운 바이러스성 감염병과 중독 위험을 초래할 수 있습니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.세라믹은 금속 원소와 비금속 원소가 이온 결합 또는 공유 결합을 형성하고 있는 비금속 무기 재료입니다. 구성 성분과 순도, 제조 공정에 따라 크게 전통 세라믹과 첨단 세라믹으로 나뉩니다.전통 세라믹은 천연 광물을 원료로 사용하여 도자기, 유리, 시멘트, 내화물 등을 만드는 데 사용됩니다. 규사, 석영 등의 주성분으로 세라믹의 뼈대를 형성하며, ​알루미나는 점토에 포함된 성분으로 강도와 내열성을 높여줍니다.​그리고 산화칼륨, 산화나트륨, 산화칼슘 등으로 소결 온도를 낮추거나 특성을 조절합니다.첨단 세라믹은 정제된 고순도 인공 원료를 사용해 전기적, 기계적, 열적 특성을 극대화한 소재입니다. 알루미나와 치르코니아와 같은 산화물계와 탄화수소와 질화수소 같은 비산화물계로 구성됩니다.세라믹은 고온 견딤, 마모에 강함, 전기 통하지 않음, 부식되지 않음 등의 특성을 바탕으로 첨단 산업 전반에 쓰입니다. 반도체 및 디스플레이 산업에서 ​반도체 공정용 부품과 적층 세라믹 콘덴서, 방열 기판 등에 사용되며, 우주 항공및 방산에서 내열 단열재 및 방열 장갑 등에 사용됩니다.이외에도 바이오 및 의료 분야, 에너지 및 친환경 산업 등에 활용되기도 합니다.