NEVERENDING

석유 매장량은 앞으로 약 30년 정도만 쓸수 있다고들 한다. 호주에서 많은 양의 석유가 발견되었다고는 하지만, 그것 역시 써버리면 끝이다.

"에너지는 사라지거나 생겨나지 않는다. 단지 그 형태만 변할 뿐이다."

라고 열역학 교재나 기타 공학 교재 첫 부분에 설명되어 있다. 이게 무슨 말이냐...

쉽게 설명해 보자. (만약 더 세부적인 정보를 원하시는 분이라면 포스팅 후반부를 기다리시면 된다. 점점 세부적으로 갈테니..)

아침에 해가 뜬다. 

사과나무의 잎 속에 있는 엽록소들이 광합성 (photosynthesis) 과정을 통해 사과나무를 살게 하고, 계절이 지나면 사과를 열게 한다.

그 사과가 에너지의 다른 형태이며 에너지가 사용된 결과물이다.

원숭이가 사과를 따서 먹는다. 

사과는 원숭이의 몸 속으로 들어가서 분해되고, 분해된 당분 등은 다시 원숭이가 움직이는데 필요한 ATP 등의 에너지원으로 바뀌어 원숭이가 살아갈 수 있게 해 준다.

원숭이의 몸 역시 에너지원이 바뀐 또다른 형태다.

원숭이가 사과나무에서 떨어져 죽었다. 

땅에 떨어진 원숭이의 몸이 썩어서 사과나무에 흡수되어 다시 사과를 맺게 한다. 

에너지의 순환이다.

더 쉽게 보자.

냄비에 물을 넣고, 가스렌지에 불을 켠다.

물이 끓으며 증기를 만든다.

냄비뚜껑이 증기때문에 들썩인다.

이건 가스렌지 (열에너지) 가 냄비뚜껑을 들썩이게 하는 (운동에너지) 형태로, 에너지의 변환인 것이다.

이론적으로는 열에너지가 운동에너지보다 작을 수는 없다.

다시 말해서 input 은 output 보다 작을 수 없다는 뜻이다. 같을 수는 있으나, 모든 열에너지가 운동에너지로 전환되기는 거의 불가능하다고 보면 된다. 이러한 에너지의 손실을 줄이는 기술의 개발이 필요하다.

앞으로 포스팅할 이야기들은 제법 광범위하다.

지열발전, 태양열발전, 조력발전, 풍력발전, Biofuel (생물연료??) 등의 대체 에너지 분야 뿐 아니라, 우리가 살아가는 공간 속에 가득 차 있는 자기장과 전기장을 에너지로 바꾸어 주는 기술과, 에너지를 저장하는 배터리 분야 및 무한동력 발전기까지 거론해 보려 한다.

필자 역시, 나노분야를 공부하기 전에는 에너지에 대해 너무나 무지했다. 하지만, 하나하나 알아 갈 수록 많은 아이디어가 떠오르고 그 중 어떤 것은 실제로 시도해 볼 만한 것도 있다. 

에너지 문제는 남의 일이 아니다. 사람들이 깨닫지 못하지만, 이것은 모든 사람들이 인지하고 있어야 할 우리 자신의 문제이다. 직접 무언가를 할 수 없을지라도 이게 이거구나 하고 알고있는 것만으로도 이 거대한

문제 해결이 조금 더 쉬워질 수 있다는 것을 명심하자.

써놓고 보니 괜한 일을 저질렀나 싶다. 꽤 많은 포스팅을 준비해야 하니...

필자는 현재 나노센서라는 분야에서 일을 하고 있다.

사실, 필자 역시 조금 생소했던 분야라서 처음에 시도하기가 약간 두려웠으나 공부를 하면 할수록 이 분야에 매료되기 시작했으나 아직 대중에게는 그다지 알려지지 않은 것이 조금 아쉬웠다. 혼자 공부할 때도 교재의 부족 뿐 아니라 출판된 교재의 전문성 역시 조금 부족한 감이 있어서, 차후에 기회가 되면 직접 교재를 써 보고 싶기도 하다.

우선, 여기는 개인 블로그니까, 간단하게 몇 차례에 나누어 나노센서에 대한 개요만 짚고 넘어가자. 짧고 간단하게...

센서: sensor, 감지기

주위에서 센서는 너무나 흔히 접하고 있으나 대부분 깨닫지 못하고 넘어간다. 사방에 숨겨진 센서의 종류와 갯수만 살펴봐도, 놀라우리만큼 센서와 생활은 연결되어 있다.

예를 들면 엘리베이터 문이 닫힐 때 손이나 발을 문틈으로 넣으면 열리는 동작감지센서. 실내 온도가 어느 온도 이하로 떨어지면 히터가 돌아가는 온도센서, CCTV 등 보안에 사용되는 장치에 쓰이는 적외선 감지 센서 (열감지 혹은 동작감지), 건물마다 엄청나게 설치되어 있는 화재경보기 (가스센서), 집에서 당뇨병 검사를 할 수 있는 혈액센서, 맨날 쓰는 카드키 등, 무지하게 많다. 그런데 잘 모를뿐이다. 

필자는 현재 폭발물을 감지할 수 있는 폭발물가스센서와, 질병을 감지할 수 있는 호기가스센서 (정식한국이름이 없어서 임시로 붙였다), 그리고 혈액이나 침 등에서 질병을 검출할 수 있는 면역센서(immunosensor) 를 연구하고 있다. 이것들에 대한 세부적 내용은 아직 밝힐만큼 훌륭한 단계가 아니라서 간단하게 설명하려 한다.

센서가 작동하려면

센서가 어떤 변화를 탐지했을 때는 분자 수준의 변화가 일어난다. 무슨말이냐 하면, 폭발물 센서를 예를 들어보자... 폭발물은 화학물질이다. 특정 화학물질은 비록 그것이 고체형태일지라도 공기중으로 증발하는 현상을 나타낸다. 나프탈렌이 시간이 지날수록 작아져서 결국 사라지고 마는 것과 같은 원리이다. 이 과정에서 눈에 보이지 않는 화학물질이 공기중에 퍼지는데 (sublimation, 기화) 그 화학물질이 센서의 표면에 닿아 전기적인 변화를 일으키는 것을 가리켜 'sensing, 탐지 등등' 이라고 부른다. 센서는 이런 비슷한 원리로 목표물질을 탐지하여 display 하여 사용자에게 알려주는것이다. 

필자의 연구는 이런 전류차이를 보는 것이다. 만약 A라는 물질이 B라는 센서에 닿았다면, 그 물질과 센서금속 사이에 미세한 전류차이가 생기게 된다. 비록 '미세한'이라고 말은 했으나, target molecule 물질의 양에 따라 전류차이는 커질수도 있다. 어느 정도 이상의 전류차이가 생기면 센서는 특정 방법으로 신호를 보낸다 (소리, 영상, 진동 등등). 

아래 그림에서 보듯이, 일정한 전압 하에서 전류량의 변화를 시험한 결과, 그 차이가 보인다. y축이 전류량의 변화이며 x축이 시간(초)이다. 실험 조건에 따라 전류량의 변화가 몇 피코암페어 (pA, 10의 -12승) 에서 밀리암페어 (mA, 10의 -3승)까지 변할 수 있다.  

센서를 구성하는 재료

센서를 만들기 위해서는 다양한 재료가 사용된다. (반도체 등)

1. 전기적 변화를 보기 때문에 전도성이 좋은 재료여야 한다. 주로 금속재료가 사용된다.

2. 목적에 따라 거기에 걸맞는 재료를 선택한다. 예를 들면 신체 내에 적용되는 바이오센서일 경우, 독성이 강한 금속을 쓰면 안된다.

3. 내구성과 친환경성을 고려해 봐야 한다.

4. 재료의 가격이 경제성이 있어야 한다.

5. 기타 등등...

다음 포스팅에는 나노센서에 대한 간단한 설명을 해 보겠다.

필자는 타이타늄 나노튜브 (티타늄 나노튜브, Titanium nanotube, Titanium dioxide nanotubes, TiO2, TiO2-NT) 에 관해 연구를 하고 있다. 필자가 전자현미경으로 촬영한 사진을 몇장 소개한다.

나노튜브 아랫면  (둥그스럼한 부분이 아랫부분)

나노튜브 윗면. 정말 호스처럼 생겼다.

나노튜브 옆면.  길다...

사람의 키는 2미터가 채 되지 않는다. 일반적으로, 사물을 볼 때 크게 비교하게 된다. 높은 건물, 큰 차, 큰 덩치 등...

하지만 작게 비교를 해 보려고 하면 막상 떠오르는것이 없다. 기껏해야 기어다니는 개미나 눈에 겨우 보이는 벼룩 정도?

눈으로 보이지 않으니 딱 떠오르지가 않는 것이 아닐까.

눈으로 보이지 않는 것들 중에 사람들이 유용하게 쓰는 것들이 꽤 있다. 미생물이나 DNA 등은 유전공학이 발달하면서 잘 알려졌으나, 아직까지 나노튜브에 관해서는 전문가가 아닌 이상은 잘 알고 있지 못하다.

나노튜브는 1900년대 말, 일본의 이이지마라는 사람이 처음 발견했다고 한다.

나노 사이즈의 대롱처럼 생긴 튜브를 나노튜브라고 말하는데, 이것이 유용한 이유는 우선 표면적을 넓혀주기 때문이다.  사람 내장이 꾸불꾸불한 이유 역시 흡수할 수 있는 면적을 넓게 하기 위한것과 마찬가지이다.  

그리고 어떤 재료로 만들어졌느냐에 따라 그 튜브의 특성이 조금씩 달라진다.

우선, 나노라는 것이 얼마나 작은지 보자.  1미터의 천분의 일은 1밀리미터이다.

미터 m 

밀리미터 mm

마이크로미터 um

나노미터 nm

피코미터 pm

지금 눈앞에 있는 키보드는 대략 30-40 센티미터 정도일 것이다.

그것의 10억 분의 1이 30-40 나노미터 정도 된다고 생각하자. 잘 짐작이 안된다. 10억분의 1이라...

아뭏든, 필자가 연구하고 있는 나노튜브의 직경은 약 50 나노미터 정도 되며, 길이는 1000 나노미터 (1 마이크로미터) 정도 된다.

다시말해서, 무지하게 작고 작은 놈이라서 아무 현미경으로 볼 수도 없는 놈이라는거다.

나노튜브의 아주 개략적인 소개는 이쯤 하고, 다음에는 좀 더 세부적으로 들어가보자.  어떻게 만드는지, 왜 필요한지, 어디 쓰는지 등등등.

앞서 쓴 포스팅에서 금속의 녹는점 이야기가 나와서 한번 올려본다. 위키사전에서 퍼 왔다.

(출처: http://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%85%B9%EB%8A%94%EC%A0%90_%EC%88%9C_%EC%9B%90%EC%86%8C_%EB%AA%A9%EB%A1%9D)