안녕하세요 염정흠 전문가입니다.
전기·전자
Q. 볼펜심에서 잉크가 나오는 원리가 무엇인가요?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.볼펜의 구성에 따라 간단히 설명해 보겠습니다.볼펜의 핵심인 팁부분부터 설명드리겠습니다. 볼펜의 팁에는 아시다시피 볼이 들어있습니다. 팁의 작은 구멍에 그 볼이 꽂혀 있는데 펜을 사용할 때 회전을 하게 되어 있습니다. 볼 안 쪽에는 스프링이 있어서 평소에는 바깥쪽으로 밀고 있다가 펜을 사용할 때 팁 끝부분을 종이 같은 것에 누르며 사용하게 되는데 이때 볼에 압력을 가해 안 쪽으로 밀면서 볼과 팁 사이에 틈을 벌려줍니다. 볼이 회전하면서 안 쪽에서 묻어나오는 잉크가 그 틈을 통해 바깥으로 흘러 나와서 종이에 묻어 글을 쓰거나 그림을 그릴 수 있는 것입니다. 그 다음은 잉크가 담겨 있는 튜브입니다. 볼펜 팁과 결합되어서 잉크가 팁으로 나오게 해주는 저장공간과 통로의 역할을 해줍니다. 이때 들어가는 잉크는 튜브 안 쪽에 압력이 작용하지 않아도 잉크가 되돌아가지 않도록 점성을 가진 것으로 충전되어 있습니다. 특별히 불량이 있거나 볼팁이 손상되지 않으면 잉크가 다 소진될 때까지 사용이 가능하도록 만들어졌습니다.
지구과학·천문우주
Q. 여름에는 비가 오지 않는 날에도 습도가 높은 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.공기 중에는 수증기를 포함하고 있습니다. 단위 부피당 포함한 수증기 비율이 높으면 습도가 높고 비율이 낮으면 습도가 낮은 것입니다. 공기가 포함할 수 있는 수증기량은 항상 일정한 것이 아니고 기온에 따라 달라집니다. 기온이 높을수록 최대로 포함할 수 있는 수증기량이 많아지는 것입니다. 수증기를 최대로 포함할 수 있는 양을 포화수증기량이라고 합니다. 위 그래프가 포화수증기량 그래프인데 온도가 높아질 때 정비례로 늘어나는게 아니라 온도가 높아지면서 급격히 증가함을 알 수 있습니다. 간단히 그 이유를 말씀드리자면 기온이 높아지면 공기 내 분자들의 열적 운동이 증가하면서 수증기의 열적 운동도 함께 증가합니다. 분자의 운동이 증가하면 분자 간의 간격이 넓어지게 되는데 그 사이에 수증기가 들어갈 공간도 늘어난다고도 볼 수 있습니다. 그렇게 되면서 포화수증기량이 높아지게 되는 것입니다.여름철 기온이 높은 계절에는 비가 오지 않더라도 주변에서 수증기가 생겨날 때 공기 중에 포함해둘 수 있기 때문에 평소에도 습도가 높을 수 있습니다. 땅이 말라 있더라도 수증기를 얻을 수 있는 곳은 많기 때문에 충분히 습도가 높아질 수 있습니다.
화학공학
Q. 강화 유리는 일반 유리와 성분이 어떻게 다르길래 강도가 더 강한가요?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.일반적으로 강화유리는 일반유리를 고열(600도 이상)로 뜨겁게 달군 후 급격하게 냉각시켜주며 내부와 외부의 온도차를 만들어가며 압축되는 힘으로 만들어냅니다. 냉각 처리 후 강화유리 패널의 표면은 압축 응력을 갖고, 내부는 인장 응력을 갖게 됩니다. 이 응력 분포는 유리를 강화하고 파손시 작은 조각으로 분해되도록 만듭니다. 일반유리를 가공해서 만든다고 생각하시면 됩니다.
지구과학·천문우주
Q. 이스라엘에 있는 아이언돔(미사일 요격기)원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.아이언돔은 다연발 요격미사일이 적절히 배치되어 있고, 적의 비행기나 미사일, 박격포탄, 로켓포탄 등을 레이더로 감지하면 요격미사일을 발사합니다. 요격미사일은 적의 미사일(여러 형태의 포탄들 포함)이 지나가는 방향에서 폭발하여 소형 다탄두를 뿌리며 공중에서 적의 미사일을 폭발시킵니다. 아이언돔은 탐지레이더와 추적시스템 등으로 구성되어 있습니다. 이스라엘이 2011년 실전에 재치한 방어용 시스템으로 적의 미사일이 목표지점에 와서 터지는 것 보다 공중에서 격추 시키는 것이 더욱 안전하기 때문에 개발되었습니다.하루 빨리 전쟁이 끝나길 바랍니다.
지구과학·천문우주
Q. 이스라엘의 아이언돔은 어떻게 뚫렸죠?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.우선 아이언돔에 대해서 간단히 설명드리자면 미사일, 박격포, 로켓포탄 등이 발사되면 레이더로 포착하여 공중에서 격추하는 미사일을 발사해서 막는 시스템입니다. 이때 격추에 걸리는 시간이 대략 15~25초 정도 걸립니다. 격추시킬 수 있는 확률도 95%가 넘어가는 것으로 알려져 있습니다. 지난 5월 아이언돔의 실제 격추 성공률이 95.6%였습니다.아이언돔이 뚫리게 된 이유는 간단히 세가지로 추릴 수 있을 것 같습니다.첫째는 하마스가 아이언돔의 격추 미사일의 발포 수를 압도하는 양의 로켓발사입니다. 하마스가 로켓을 5000발 정도 발포하였다고 하는데 이스라엘에서 레이더로 포착한 로켓수는 2200발 정도였다고 합니다. 이 발표는 이스라엘의 발표가 더 신뢰도가 높습니다. 그렇다면 2200발 중 하마스 로켓의 정확도가 대략 50% 정도라고 하는데 그러면 유효 로켓은 1100발 정도였을 것으로 예상됩니다. 이스라엘의 아이언돔은 한발의 비용이 5000만~6000천만원 가량으로 고가이기 때문에 이 유효 로켓에만 반응하도록 설정되었다고 합니다. 그리고 재장전 없이 800발 가량 발사됩니다. 그래서 단시간에 많은 수의 로켓을 발포한 것으로 보입니다. 이스라엘에 떨어진 로켓은 200발 내외 정도로 추정되며, 그것으로아이언돔이 뚫린것은 사실입니다.둘째는 하마스의 로켓포탄의 정확도가 높아졌다는 것입니다. 이번 공격 전까지는 사거리도 현재 보다 짧고 정확도가 매우 낮았다고 합니다. 이전에는 명중률이 20% 내외였지만 이번 공격은 2021년부터 50% 정도로 높아졌다고 합니다. 그리고 이 과정에 이란의 기술이 들어갔습니다. 정확도가 높아진 로켓이 2200발 정도 발포되었기에 아이언돔을 압도할 수 있었을 것으로 보입니다.셋째는 우리나라 언론의 검증이 부족한 보도입니다. 외신을 본 후 정확한 번역이나 검증을 거치지 않고 보도된 것으로 보입니다. 로켓은 주요거점을 목표로 발사되었지만 실제 그 거점들은 피해를 입지 않았으며, 이번 공격으로 생겨난 사망자나 부상자는 대부분 로켓 보다 이스라엘로 침투한 하마스 병사들에 의해서 발생한 것입니다. (민간인을 감안하지 않은 무차별 로켓 발포도 잔인하지만 병사들이 직접 침투해서 민간인을 살상한 것이 더욱 잔인한 행위로 느껴집니다.)아이언돔이 뚫리고 안 뚫리고 문제 보다 이 전쟁이 빨리 끝이 나길 바랍니다.
지구과학·천문우주
Q. 이번에 아프리카나 미국등지에서 일식본다고 많은사람들이몰렸다하던데 일식이 뭔가요?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.태양과 지구 사이에 달이 위치해서 햇빛을 일부 가리는 현상입니다. 태양과 달, 지구가 일직선 상에 위치하고 달에 의해서 생긴 그림자 안에 있는 사람들이 보면 달이 태양을 가리는 일식을 관측할 수 있습니다. 그림자의 중앙부에 가까울수록 태양을 많이 가리는 것을 볼 수 있습니다.
지구과학·천문우주
Q. 태양계의 범위는 어디까지인가요? 명왕성을 벗어나면 태양계를 벗어나는 것인가여?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.태양계의 범위는 태양의 중력 영향을 받는 곳까지입니다. 태양을 공전하는 행성, 그 행성을 공전하는 위성, 왜소행성과 소행성, 카이퍼대 천체, 태양계 소천체, 행성간 먼지, 오오트 구름대까지 포함하고 있습니다. 학설에 따르면 5만AU(지구에서 태양까지의 거리 1억4960만km가 1AU입니다.) 정도가 태양계의 범위라고 봅니다.
화학
Q. 급궁금한건데 보일러는어떤원리로 집을따뜻하게 해주었는지가 궁금합니다.
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.우리나라에서 난방기로 흔히 쓰이는 보일러는 본체 내부에서 물을 가열하여 그 물로 난방을 합니다. 보일러 안에는 버너가 있는데 거기에 불을 점화합니다. 그 위에는 온수코일이 지나가는데 그 안에 있는 물이 데워져서 난방이 필요한 공간으로 이동합니다. 방이나 거실 공간의 바닥콘크리트 안에는 보일러에서 데워진 온수가 지나가는 배관이 깔려 있는데 온수가 배관을 지나가면서 바닥 콘크리트를 데워줍니다. 열전도현상을 이용하는 것이죠. 그러면 데워진 콘크리트에서 생활공간으로 열을 방출하여 공기도 따뜻하게 만드는 것입니다. 이때 바닥 온수배관을 콘크리트로 덮는 이유가 옛 선조들이 돌판을 깔고 그 밑으로 뜨거운 공기가 지나가면서 데우게 되면 온기가 오래 갔던 것처럼 콘크리트가 서서히 식으면서 보일러를 끄고 나서도 한동안 난방이 이루어지게 하는 목적이 강했는데 요즘은 콘크리트를 대신해서 온기를 머금고 있으면서 서서히 식게 해주면서 시공이 쉬운 자재도 출시되었습니다. 시공 비용과 공사기간을 비교하여 적절히 선택하면 됩니다. 거실과 방을 데우고 다시 보일러로 돌아오는 물은 많이 식어서 오는데 그것이 버너를 지나는 코일로 이어져서 재가열이 됩니다. 그 과정이 계속 순환되는 것입니다. 물론 욕실이나 주방 온수로도 사용이 됩니다.외국의 난방 방식은 집 안에 난로(화로)를 설치해서 불을 피워서 그 열기가 집 안으로 퍼지게 하는 것이기 때문에 실내 공기질이 좋지 않으며 실내에서는 공기의 대류가 잘 이루어지지 않기 때문에 난방 면적이 그리 넓지 않습니다. 하지만 우리나라의 바닥난방 방식은 보일러를 적절한 위치에 설치하고 온수배관을 각 공간에 깔아주면 넓은 공간을 효율적으로 난방하면서 공기질에 악영향을 주지 않습니다. 단점은 공사비용이 난로에 비해 높고, 공사기간이 더 오래 걸리지만 위에서 잠시 언급했듯이 공사기간에 대한 문제를 해결한 제품이 출시되었습니다. 그리고 그 제품은 한국이 아닌 외국에서 먼저 개발해서 적용되고 있었습니다. 그만큼 한국식 난방방식이 우수하여 적극적으로 적용하고 있음을 알 수 있습니다.
화학
Q. 예전부터 과자봉지에는 질소가 들어있다고 알고 있는데 어떤 과학적 이유인가요?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.과자 같은 음식물은 산소와 만났을 때 산패됩니다. 특히나 과자는 기름에 튀겨서 만들어지는 것이 많아서 기름성분이 산소와 만나서 산패되기 쉽습니다. 그리고 산소가 있으면 미생물이 번식할 수 있기 때문에 부패도 발생할 수 있습니다. 이를 막기 위해서 진공포장을 하게 될 경우 과자가 다 부셔질 수 있기 때문에 기체를 채워서 최대한 형태를 유지하고 산패와 부패를 막는 것입니다. 내용물과 화학 반응을 하지 않는 불활성 기체를 채워야 하는데 아르곤, 네온, 헬륨 같은 기체는 비싼 반면 질소를 공기 중에서 얻기 쉬워서 비용도 싸고 무색, 무취의 기체라서 과자의 색과 맛, 향에 영향을 주지 않아 과자 봉지에 함께 충전하기 적합한 기체인 것입니다. 그래서 과자 봉지나 라면, 김 등의 봉지 안에 질소를 충전하는 것입니다.
화학
Q. 건물의 에너지 효율을 높이기 위한 과학적 방법이 있을까요?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.에너지 효율을 높이려면 건축물 내부 환경을 유지하는데 있어서 기계와 전기 설비 사용을 줄이면 됩니다. 내부 환경이라 하면 온도와 습도, 공기 청정도 등입니다. 주택을 기준으로 생각한다면 사람이 생활하기 쾌적한 환경을 유지하기 위해서 냉난방기와 공기조화설비 등을 가동하고, 필요에 따라서 여러가지 전기제품을 가동시킵니다. 그런 것들의 가동을 최소화하는 것이 에너지 효율을 높이는데 크게 작용하며, 장비의 효율이 높은 것을 사용하는 것이 그 다음일 것입니다. 설비 가동을 줄이려면 기본적으로 외부 환경의 영향을 적게 받도록 건축되어야 합니다. 우선 단열계획이 중요합니다. 단열은 박스와 같은 직육면체 공간을 기준으로 상하부와 측면부를 모두 감싸서 온도 변화를 최소화하면 됩니다. 그러면 외부가 춥거나 더울 때 내부의 온도 변화를 줄일 수 있어서 냉난방기의 가동시간을 줄일 수 있습니다. 하지만 단열에는 헛점이 한가지 있습니다. 단열재들의 연결이 끊어지는 구간을 통해서 열교현상이 발생합니다. 그럴 경우 해당 부위에 단열보강을 하기도 하고 단열재 설치가 끊김 없이 연결되도록 치밀하게 계획하여 시공하면 됩니다. 그렇게 하고도 문제점이 있는데 단열재와 구조체의 열전도율 차이가 크기 때문에 그 사이에 습기를 머금은 공기가 들어갈 경우 결로가 발생합니다. 장시간 결로가 발생하면 곰팡이 같은 인체에 해로운 것이 생겨날 수 있습니다. 그래서 가장 좋은 단열계획은 내부와 외부를 다 단열재로 덮고 마감작업을 하는 것입니다. 대신 시공비용이 높아집니다. 그 부분은 건축주의 선택사항이기 때문에 여건이 된다면 내외부 단열작업을 다 하는 것이 좋습니다. 그리고 단열에 가장 취약한 부분이 창과 문인데 필요 이상의 설치면적을 줄이고, 열효율이 좋은 제품이 계속 개발되고 있기 때문에 그런 제품으로 시공하는 것이 최선일 것 같습니다. 생활하면서 필요할 때마다 자연환기를 해주는 것으로 공기조화기 사용도 줄이면 좋습니다. 하지만 냉난방기 작동시 환기로 인해 열손실이 발생할 우려가 있다면 공기조화기를 통한 환기가 더 효율적일 때도 있습니다. 주택 외에 공장이나 영업을 위한 건축물의 경우에는 에너지 효율이 좋은 작업장비를 사용해야 됩니다. 기계장비의 사용이 불가피한 용도이기 때문에 최대한 효율이 높은 장비를 사용하고, 불필요한 가동시간을 줄이면 됩니다. 그 외에는 초기 비용을 더 들이더라도 지열을 이용하는 방법이나 자연환경을 최대한 활용할 방법을 찾아서 적용하는 것으로 에너지 효율을 높일 수 있습니다. 태양광이나 풍력 발전설비 설치를 생각하는 사람도 더러 있는데 에너지 효율을 높이는 방법이라기 보다 에너지를 생산하여 사용하는 방법이기 때문에 에너지 효율과는 다른 성향일 것 같습니다.