악어도 감전사시키는 전기물고기, 정작 자신은 살아남는 비밀!

여행은 즐겁다. 특히 낮에는 차가운 계곡물에서 놀아도 춥지 않을 만큼 기온이 올라가고, 밤에는 선선한 바람까지 부는 초여름의 글램핑(glamping, 고가의 장비나 고급 음식 등 다양한 호화 품목이 포함된 일종의 캠핑)은 더욱 즐겁다. 바비큐그릴에서는 두툼한 돼지목살이 지글지글 익어간다. 그러나 이 아름다운 풍경에 딱 하나 난제가 있었으니, 바로 휴대전화 충전기를 집에 놓고 왔다는 것이다! 벌써 한 시간 전부터 태연의 스마트폰은 제가 곧 숨이 넘어갈 예정이란 메시지를 끊임없이 보내고 있다.

“어떡해, 어떡해~~ 롤 챔피언십 봐야 하는데 배터리가 간당간당한단 말이에요.”

“딱 잘됐구만 뭘. 여행 와서까지 꼭 게임동영상을 봐야겠냐? 그리고 아빠가 롤은 나쁜 게임이라고 했지? 리그오브레전드나 리오레라면 모를까.”

“아빠, 그게 다 같은 게임을 다른 말로 부르는 거거든요? 잘 알지도 못하시면서…. 그나저나 제 몸이 충전기라도 됐음 좋겠어요. 제 콧구멍을 콘센트 삼아 전기코드를 딱 꼽아서 충전할 수 있다면 이 한 몸 불사를 수 있을 텐데요.”

“너의 코가 형태상 콘센트와 상당한 유사성을 갖는 건 사실이지만, 인체에서 생산되는 전기는 아주 적은양이란다. 충전은 말도 안 되는 얘기지.”

“예에?? 어쨌거나 저쨌거나 몸에 전기가 있다고요?”

“그래. 모든 살아있는 동식물은 전기를 생산한단다. 수십 밀리볼트의 극소량이지만 말이야. 생물 세포의 안쪽은 음전하의 농도가 높고 바깥쪽은 양전하가 농도가 높은데, 이렇게 세포막을 사이에 두고 전위차가 나타나는 것을 막전위(membrane potential)라고 한단다. 그리고 이 전위차에 의해 전기가 발생하게 되지. 보통은 안정적인 막전위를 나타내지만 흥분성 세포, 즉 신경세포나 근육세포가 흥분을 하면 빠르게 일시적으로 막전위가 확 바뀐단다. 이때 생긴 전기신호로 생물체는 자신이 경험한 자극을 전달하게 된단다. 이렇게 모든 생물은 전기를 생산해서 일종의 전기신호체제를 확보하고 있지.”

“와, 대단해요! 기차나 자동차에만 전기신호체제가 있는지 알았는데 제 몸에도 그런게 있단 말이잖아요. 이왕이면 좀 더 쎈 전기를 생산해서 휴대폰 충전까지 할 수 있음 좋겠지만요, 쩝.”

“충전을 하고도 남을 만큼, 아니 충전하다 감전돼 죽을 만큼 강한 전기를 만들어내는 동물도 있어. 발전어(發電魚) 혹은 전기물고기라고 불리는 것들인데 전기뱀장어, 전기메기, 전기가오리 등이 대표적인 발전어란다.”

“대체 얼마나 강한데요?”

“전기뱀장어는 600~800V(볼트), 전기메기는 400~500V, 전기가오리는 8~400V 정도 되지. 물론 전압이 높다고 다 충격이 큰 건 아냐. 정전기는 전압이 2만 볼트가 넘는데도 따끔할 뿐이잖아. 하지만 발전어들은 높은 전압에 전류량도 상당하단다. 때문에 전기뱀장어 같은 경우엔 말처럼 큰 동물도 기절시키거나 죽일 수 있지. 발전어들은 이렇게 센 전기를 이용해 먹이를 기절시켜 잡기도 하고, 천적으로부터 자신을 보호하기도 한단다.

“멋진데요? 천하무적이잖아요!! 저한테 그런 능력이 있다면 얼마나 좋을까요. 악당들을 물리치고 세계 평화를 지키는 새로운 영웅으로 등극할 수 있을 텐데, 아~ 아쉬워라. 그런데 발전어들은 도대체 어떻게 전기를 만드는 거예요?”

“전기를 만드는 특정 기관이 따로 있단다. 전기뱀장어를 예로 들어 설명해볼게. 큰 경우 2m까지 자라는 이 녀석들은 몸 전체의 90% 그러니까 180cm가 꼬리야. 그 엄청난 길이의 꼬리에 전기판이라고 하는 발전기관을 5,000개도 넘게 직렬구조로 연결해 놨단다. 때문에 순간적으로 엄청난 양의 전기를 방출할 수 있지. 전기판 한 개의 전압이 0.15V라고 가정하면 5,000×0.15V = 750V의 전압을 만들어 낼 수 있다는 거야. 너도 병렬과 직렬에 대해서는 학교에서 배웠지? 건전지를 직렬로 연결하면 연결한 개수만큼 전압이 높아지고, 병렬로 연결하면 전압은 건전지 하나일 때와 똑같지만 대신 오래 쓸 수 있다는 것 말야.”

“어쩌면 배웠을지도 모른다는 기억의 흔적 같은 것들이 살짝 뇌를 흔들며 지나가긴 하네요…. 그런데 그 정도로 센 전류를 흘려보내면 전기뱀장어 스스로도 감전되지 않을까요?”

“아니, 저 자신은 아주 말짱하단다. 전기뱀장어는 몸의 구조가 140개의 병렬회로로 돼 있어서 밖에서 들어오는 전기충격을 1/140밖에 받아들이지 않거든. 전기뱀장어가 바보가 아닌 다음에야 저 살 궁리도 안하고 그렇게 센 전기를 방출하겠냐?”

“아, 그렇구나. 그런데 아빠, 지금 이 시점에서 문득 하나의 창의적 사고가 튀어나왔어요. 그릴 위에서 맛나게 익어가는 저 돼지목살 옆에 발전어들을 올려놓으면 어떨까 하는 생각이요. 살아있는 발전기인 그 녀석들은 대체 어떤 맛일까요?”

“그 어떤 것이든 먹을거리로 끝매듭을 짓는 너의 창의적 태도는 언제나 놀랍고도 신비하구나…. 전기뱀장어와 전기메기는 주로 남아메리카 나일강 근처나 적도 근처 아프리카의 강에서 많이 사는데, 맛이 상당히 좋고 잡는 방법도 간단하단다. 전기어들이 위협을 느껴 전기를 마구 방출하도록 물 위를 막대기로 막 친 다음, 방전된 전기어가 정신을 못 차리고 있을 때 건져 올린다는 거야. 참 쉽죠잉~~.”

“아…! 침이 꼴깍꼴깍 넘어가요. 저 탐스러운 목살 옆에 2m짜리 전기뱅장어가 나란히 누워있다면 그 얼마나 아름다운 풍경일까요? 아아아, 먹고 싶다 전기뱀장어~ 전기메기~! 왜 한국에는 없는 거니, 왜왜~~. 나쁜 뱀장어, 나쁜 메기!!”

글 : 김희정 과학칼럼니스트

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[실험] 정전기 꼼짝마! 미니 검전기 만들기

털목도리를 칭칭 감고 나갔다가 실내에 들어와 푸는 순간 머리카락이 한 올 한 올 살아나 목도리를 향해 달라붙는다. 머리카락을 정리하려고 빗으로 머리를 빗자, 이번엔 빗을 향해 머리카락이 달라붙는다. 간신히 머리카락을 진정시키고 방문 손잡이에 손을 올리자, 갑자기 손끝으로 전해지는 찌릿함. 화들짝 놀라 방에 들어가는 걸 포기하고 거실 소파에 털썩 주저앉는다. 마침 TV를 보던 동생이 자신이 먹던 과자봉지를 건넨다. 동생과 손끝이 닿는 순간, ‘따닥’ 소리와 함께 다시 한 번 손끝에 느껴지는 찌릿함. “에잇, 안 먹어~.”

쉽사리 진정되지 않는 머리카락과 손끝으로 전해지는 톡 쏘는 아픔의 정체, 이 일련의 상황들은 모두 ‘정전기’ 때문이다. 찬바람이 부는 계절이 돌아오면 유독 정전기 현상이 심해진다. 그 이유는 무엇일까. 정전기를 이용한 실험을 통해 정전기에 대해 알아보자.


[교과과정]
초등 5-1 전기 회로
중 1 정전기
중 3 전류의 작용

[학습주제]
전기의 특징 알아보기
정전기유도현상 이해하기
주변에서 정전기 현상 찾아보기

<실험 방법 및 원리>




<실험 동영상>


* 실험 참고사항 : 포일은 칼로 자를 경우 찢어지기 쉬우니 가위를 사용해 자르는 것이 편리하다.

주변에서 간단한 재료를 사용해 만들어 본 검전기(檢電器)는 물체나 전기 회로에 전기가 있는지 검사할 수 있는 장치다. 풍선을 목도리에 비벼 마찰시킨 후 검전기에 가져다 대자, 알루미늄 포일 조각이 양 옆으로 활짝 벌어졌다. 풍선을 떼면 포일 조각은 서서히 가라앉고, 다시 가까이 가져가면 활짝 벌어진다. 이는 전기가 발생했다는 것을 뜻한다.

두 물체를 단지 마찰시키기만 했는데, 어떻게 전기가 발생한 걸까. 모든 물체는 원자로 구성돼 있다. 이 원자는 다시 (+) 전기를 띠는 원자핵과 (-) 전기를 띠는 전자로 나뉜다. 전체 원자는 전기적으로 중성을 띠고 있지만, 일부 전자는 자유롭게 움직일 수 있다. 물체를 마찰시키면 이 전자가 다른 물체로 이동하며 전기적인 중성이 깨지게 된다. 전자를 받은 물체는 순간적으로 (-)극이 되고 전자를 잃은 물체는 (+)극이 되는 것이다. 이렇게 두 물체를 서로 비벼 마찰시켰을 때 발생하는 전기를 정전기라고 한다.

정전기는 인류가 만들어 낸 최초의 전기다. 정전기의 가장 오래된 기록은 기원전 600년 경, 탈레스가 호박을 천으로 닦다가 작은 먼지들이 더 많이 달라붙는 현상을 보고 발견했다고 알려져 있다. 탈레스는 이를 통해 물체를 마찰시키면 가벼운 물체를 잡아끈다는 사실을 알아냈다. 전기(electricity)의 어원도 호박을 의미하는 희랍어의 엘렉트론(elektron)에서 만들어졌다.

정전기는 겨울에 더 많이 발생하는데, 그 이유는 습도와 관계가 있다. 춥고 건조한 겨울에는 옷 속에 쌓인 전기가 공기 중에 흡수되지 못하고 그대로 있기 때문에 정전기가 발생하기 쉽다. 반면 습도가 높은 여름에는 옷 속에 전기가 쌓이기 전에 피부를 통해 공기에 있는 수분으로 빠져나간다.

그렇다고 여름에 정전기가 발생하지 않는 것은 아니다. 습도가 10∼20%일 때 발생하는 정전기의 전압이 약 3만 5,000V라면, 습도가 60~90%일 때 발생하는 정전기의 전압은 약 1,500V로 미약하기 때문에 정전기를 잘 느끼지 못하는 것이다. 일반적으로 3,000V의 정전기가 손에 흐르면 침으로 찔린 듯한 가벼운 통증을 느끼게 된다.

정전기의 순간 전압은 높지만 전류가 거의 흐르지 않아 우리 몸에 큰 위험은 없다. 그렇다 해도 겨울철 잦은 정전기는 신경 쓰이기 마련이다. 한편으로 정전기 현상은 우리 일상생활을 더 편리하게 만들어주기도 한다. 먼지떨이나 비닐 랩, 공기청정기, 자동차 도색, 복사기 등은 모두 정전기 현상을 활용한 것들이다.

글 : 유기현 과학칼럼니스트
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“첫사랑은 누구인지 기억하니? 그럼 네 번째 사랑은?”
“백화점 1층에서는 뭘 팔지? 그럼 6층에서는?”

첫사랑은 기억해도 그 다음 사랑들을 기억하는 사람은 별로 없다. 백화점 1층에서 명품을 판다는 것은 쉽게 떠오르지만 2층 이상에서 무엇이 어떻게 진열돼 있는지 아는 사람은 적다. 과학의 세계에서도 마찬가지다. 최초로 전구를 발명한 ‘에디슨’을 아는 사람은 많지만, 그에 버금가는 천재 과학자, ‘테슬라’를 기억하는 사람은 많지 않다.

인기를 얻고 있는 개그프로그램의 ‘1등만 기억하는 더러운 세상’이라는 유행어를 들으면 비운의 과학자, 테슬라가 떠오른다. 에디슨의 그늘에 가려 제대로 평가받지 못했던 그의 인생을 돌아보며 우리 사회에 뿌리 깊게 박혀 있는 ‘1등지상주의’에 대해 생각해보는 것도 좋겠다.



미국의 주간지 ‘라이프 매거진’은 20세기 가장 영향력 있는 100인 중의 한 사람으로 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)를 꼽았다. 이보다 앞서 2005년 말 크로아티아는 테슬라 탄생 150주년을 맞아 2006년을 ‘니콜라 테슬라의 해’로 정했고, 세르비아는 2006년 3월 베오그라드 국제공항이름을 ‘테슬라 공항’으로 바꿨다.

테슬라를 두고 미국, 크로아티아, 세르비아가 서로 자기 나라의 발명왕이라고 주장하고 있다. 1856년 크로아티아에서 태어난 세르비아인으로 젊은 시절 미국으로 이민 간 테슬라의 특이한 이력 때문이다. 과학자 테슬라, 그가 어떤 사람이기에 세계가 이렇게 새롭게 주목을 하는 것일까?

테슬라는 현대 전기문명을 완성한 천재 과학자다. 현대 전기 문명의 근간이 되는 교류를 발명했으며, 수많은 전기 실험으로 ‘거의 모든 현대기술의 원조’라는 칭호를 갖고 있다. 시대를 앞선 과학적 통찰력과 독특한 삶 덕분에 많은 문학과 영화의 소재가 되기도 했다.

그의 업적을 대표하는 교류발전기와 송·배전 시스템은 웨스팅하우스사(社)에서 일하면서 만들어냈다. 교류는 전기가 흐르는 방향이 주기적으로 바뀌는 전기다. 직류에 비해 적은 손실로 전류를 보낼 수 있는 장점이 있어 현대 전기 문명을 일으킨 원천기술이다. 이 발명은 1895년 웨스팅하우스사가 나이아가라 폭포에 교류발전기를 사용한 수력발전소를 만들면서 빛을 보게 된다. 지금 보고 있는 컴퓨터, 인터넷은 등 수많은 전기문명이 테슬라의 교류 전기시스템이 없었다면 불가능했을지 모른다.

1891년에는 유명한 테슬라코일(Tesla Coil)을 제작했다. 테슬라코일은 간단한 장치로 수십만 볼트의 전압을 만들어내는 장치다. 당시 60Hz에 불과했던 가정용 전기를 수천Hz의 고주파로 바꾸며 엄청난 고전압을 발생시킨 것이다. 이를 사용해 테슬라는 최초의 형광등과 네온등도 만들었다.

고주파를 발생시키는 테슬라코일은 대중의 관심을 사로잡았다. 심지어 테슬라코일을 이용하면 물체에 자기장을 걸어 순간이동 시킬 수 있다는 황당한 이론까지 나올 정도였다. 지난해 말 개봉한 ‘프레스티지’(Prestige) 영화를 보면 마술사 로버트가 순간이동마술을 펼치기 위해 테슬라를 찾아가 테슬라코일을 얻는 장면이 나온다. 테슬라코일의 유명세와 신비주의를 따르는 추종자 덕분에 테슬라는 ‘몽상가’ ‘미친 과학자’ ‘마술가’ 등의 호칭도 갖고 있다.

또 테슬라는 한 발 앞선 발명가로 현대 과학기술의 발전 방향을 알려 줬다. 그가 완성하지는 못했지만 후대 과학자들이 테슬라의 이론으로 만들어낸 기기들은 무궁무진하다. 그는 테슬라코일을 이용한 실험 도중 라디오 신호를 같은 진동수로 공명시키면 송수신이 가능해진다는 것을 발견했다. 이 원리는 현재 라디오나 TV 등에 응용돼 다양하게 쓰이고 있다. 무선조종장치를 연구하던 테슬라는 현대 로봇의 가능성도 언급했다. 제 1차 세계대전 무렵 잠수함을 탐지하는 아이디어를 냈는데 2차 대전에서 레이더로 실용화됐다. 지금도 수많은 과학자들은 그의 발명노트를 열심히 들여다보며 아이디어를 얻으려고 하고 있다.

테슬라의 발명을 헤아리자면 끝이 없다. 그는 전기기계용 전류전환장치, 발전기용 조절기, 무선통신기술, 고주파기술 발전에 핵심적인 역할을 하면서 전기시스템을 획기적으로 향상시켰다. 그리고 전자현미경, 수력발전소, 형광등, 라디오, 무선조종보트, 자동차 속도계, 최초의 X선 사진, 레이더 등도 그의 작품이다.

많은 발명품을 만들고 현대 과학기술을 예견하고 아이디어를 준 테슬라는 그의 업적만큼 살았을 때 인정받지 못했다. 특히 라이벌이었던 에디슨 때문에 그의 업적은 많이 가려졌다. 1882년 테슬라가 에디슨 연구소에 들어가 발전기와 전동기를 연구할 때부터 에디슨은 천재적인 테슬라의 재능을 질투에 불타는 눈으로 바라보기 시작했다.

애초 에디슨은 테슬라에게 전기를 싼값에 효과적으로 전달하는 방법을 고안하면 거액을 안겨주겠다고 약속했다. 이에 테슬라는 에디슨의 직류시스템의 문제를 지적하며 교류시스템을 만들었다. 하지만 에디슨은 테슬라에게 돈을 주기로 한 약속을 어겼고, 테슬라는 에디슨에게 사표를 던진다.

직류방식을 고집한 에디슨은 테슬라의 교류에 대해 나쁜 이미지를 심어주기 위해 고압 교류로 동물을 죽이는 공개 실험을 하고, 교류 전기의자로 사형집행을 했다. 이 과정에서 테슬라는 교류를 널리 보급하기 위해 자신의 특허권을 포기하기도 했다. 1915년 뉴욕타임즈에 테슬라와 에디슨이 노벨물리학상 공동 수상자로 선정됐다는 기사가 났지만 결국 둘 다 노벨상을 받지 못했는데, 테슬라가 에디슨과 함께 상 받기를 거부했기 때문이라는 설이 있다.

기이한 삶처럼 그의 성격도 특이했다. 식사 전 광택이 나도록 스푼을 닦아야 하는 결벽증이 있었고, 손수건은 하얀 비단으로 된 것만 썼다. 호텔방의 호실은 3의 배수여야만 했고, 비둘기에 집착해 말년 그의 호텔방에는 비둘기 새장이 가득했다고 한다. 평생 독신으로 살며 발명에 혼신의 힘을 기울였던 테슬라는 1943년 뉴욕의 한 호텔에서 쓸쓸히 숨을 거뒀다.

그러나 세상은 시대를 앞서갔던 테슬라를 잊지 않았다. 1961년 국제순수 및 응용물리학 연맹(IUPAP)의 표준단위 및 그 정의에 관한 위원회는 자기장의 세기를 나타내는 단위로 테슬라의 이름을 딴 T(Tesla)를 쓰기로 했다. 전기를 이용한 수많은 발명품을 만들었던 테슬라의 이름에 걸맞는 단위라 하겠다. 이를 통해 테슬라의 이름도 많은 이들의 기억 속에 살아나게 되길 기대한다.

글 : 남연정 과학전문 기자

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“이번 주말에는 소풍이나 가볼까?”
짠돌 씨가 아이들에게 먼저 소풍을 가자고 제안했다. 주말마다 집에서 쉬지도 못하고 시달리느니 아예 밖으로 나가는 게 낫겠다는 생각이었다.
“와~ 아빠. 어디로 가는데? 난 공원이 좋더라.”
“서방신기 콘서트는 어떨까? 요즘 신곡도 나왔다고 하던데.”
옆에서 듣고 있던 초보주부 김 씨가 상황을 정리했다.
“요새 서울광장에서 문화공연 한다던데 거기 가요.”

서울광장에 도착한 짠돌 씨 가족은 잔디밭에 자리를 잡고 앉았다.
“엄마, 저 기계는 뭐에요? 물 나오는 거!”
“아~ 저건 잔디밭이나 농장에서 식물들에게 물을 주는 스프링클러라는 기계란다.”
아이들은 신기한지 그 옆으로 다가가서 놀다가 온 몸에 물을 뒤집어쓰고 돌아왔다.

“아빠. 스프링클러를 보니 전기선이 안보여요. 전에 아빠가 ‘우리 집에 있는 기계들은 다 전기를 엄청나게 처먹는 것들이야’라고 말했잖아요. 전기도 없이 어떻게 움직이지?”
집에서 했던 실험의 결과인가. 호기심이 왕성해진 아이들을 보니 짠돌 씨의 마음이 뿌듯해졌다. 아내는 아이들의 옷을 갈아 입히느라 정신이 없다.

“왜 그럴까? 힌트를 주자면 스프링클러는 전기가 아닌 물로 움직여.”
“어. 그래요? 어떻게 물로 움직이지?”
“좋아. 여기서 실험을 통해 바로 확인할 수 있지. 막희야, 어서 캔 음료수 먹던 거 마저 마시고 아빠 주련. 당신은 뜨개질 하던 실 좀 줘 봐요. 난 어디 못이 없나 찾아봐야지.”

[실험 방법]
1. 준비물 : 음료수 캔, 실 , 물, 송곳(본문은 못이지만 송곳으로 실험했습니다.)
2. 송곳으로 캔 바닥 가까운 옆면에 일정한 간격으로 4개의 구멍을 뚫는다.
3. 송곳으로 각각의 구멍을 한쪽으로 눌러 한 방향으로 기울어지도록 한다. 구멍의 크기는 송곳으로 만들 수 있는 최대 크기로 한다. 크게 뚫을수록 깡통이 잘 돌아간다.
4. 캔 뚜껑 손잡이를 똑바로 세운 뒤 뚜껑 연결부위에 실을 맨다.
5. 구멍을 막고 캔에 물을 가득 채워 넣은 뒤 구멍을 막는다.
6. 구멍을 막던 손을 놓으면 캔이 돌아간다.

※구멍의 개수를 늘리면 깡통의 회전 속도가 빨라집니다.. 그러나 깡통에 물을 넣고 손으로 막기 힘들기 때문에 적절한 개수로 뚫으세요.

“우와~ 캔이 막 돌아요~!”
“스프링클러처럼 빙글빙글 돌면서 물을 뿜어내요.”

“스프링클러의 기본 원리는 이 캔이 도는 것과 똑같아.”
“에이 그건 아니라고 보는데. 스프링클러는 팍팍 절도 있게 끊어서 돌지만 얘는 그냥 빙빙 돌기만 하잖아.”
“하하~. 그건 스프링클러에 좀 특수한 장치가 달려있어서 그래. 물을 모았다가 스프링의 힘으로 밀면서 하는데…. 어쨌든 기본 원리가 이거랑 같은 거야.”
“알겠어, 아빠. 우리가 그건 봐주도록 하지. 계속 설명해봐.”
(※스프링클러는 수압으로 움직입니다. 이를 위해서 펌프가 필요하니 스프링클러가 작동하는데 전력 소모가 전혀 없는 것은 아닙니다. 스프링클러의 노즐은 수압을 모았다가 일정 수압 이상이 되면 분출합니다. 물은 잘게 만들어 멀리 뿌리고, 이때 생기는 힘으로 노즐은 일정한 각도로 회전하게 됩니다.)

이것들이…. 가장의 권위가 떨어지는 소리가 나는군. 하긴, 언제는 있었나.
“자~ 저번에 우리 물 풍선 만들어서 놀던 기억나지?”
“네.”
“그때 풍선에 물을 넣은 뒤 풍선 입구에서 손을 떼면 어떻게 됐었지?”
“물이 막 빠져 나오면서 풍선은 뒤로 날아갔어!”
“맞아, 내가 조준을 잘못하는 바람에 오빠 옷을 다 버렸지.”
“그래, 이것도 똑같은 원리란다. 바로 작용과 반작용의 원리야. 모든 물체에 가해지는 힘은 반대 방향으로 똑같은 힘이 작용하는 거야. 봐~. 캔 구멍을 막고 있던 손가락을 떼면 물이 흘러나오기 시작하지? 물이 나오는 반대 방향으로 물 풍선이 움직이듯 깡통도 물이 나오는 방향과 반대 방향으로 가는 거야. 여러 구멍에서 나오는 힘이 합쳐지면, 깡통이 빙빙 돌게 되지.”
“음…. 그럼 내가 막희에게 알밤을 먹이면 내 손도 아픈 게 작용과 반작용의 원리 때문이야?”
“그렇다고 할 수…. 막신아, 동생 좀 그만 때려!”

갑자기 등골이 서늘해지는 느낌이 들어 돌아보니 아내가 째려보고 있다. 실험을 재현하며 설명하려다 자리가 온통 물바다가 됐고 애들 옷도 다시 흠뻑 젖은 것이다.
“모든 일에는 작용과 반작용이 있는 법. 아빠가 옷을 다 버리는데 기여했으니 오늘 빨래도 아빠가 기여해야겠지?”
공원에 나가 어찌 하루를 버텨 보려던 짠돌 씨의 계획은 또 수포로 돌아갔다. 그날 밤 짠돌 씨 화장실에는 밤 늦도록 빨래하는 소리가 들렸다고 한다. (글: 과학향기 편집부)

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지난 8월말 제주 북동부 구좌읍 일대에 국내 첫 스마트그리드(Smart Grid) 실증단지를 구축하는 작업이 시작됐다. 이달 13일부터 일산 킨텍스에서 열리는 2009 IT융합국제전시회에도 스마트그리드가 한 꼭지를 차지하고 있다.

미국도 스마트그리드를 그린뉴딜의 핵심으로 보았고, 일본은 에너지 기술혁신 계획인 쿨어스(Cool Earth) 프로그램을 통해 스마트그리드를 구축하고 있다. EU 또한 2006년 스마트그리드 비전을 발표하면서 상용화 작업에 착수했고, 독일과 프랑스는 별도로 시범 도시를 통해 스마트그리드 구축작업을 하고 있다. 대체 스마트그리드가 무엇이기에 이처럼 세계가 주목하는 것일까?

스마트그리드를 설명하려면 우선 현재의 전력 시스템에 대해서 알아야 한다. 우리가 사용하는 전기는 실제 사용량보다 10% 정도 많이 생산하도록 설계돼 있다. 이는 전력의 최대소비량에 맞춰진 양으로 혹시라도 더 많이 사용할 경우에 대비해 전기를 미리 확보해 놓은 것이다. 연료는 물론 각종 발전설비도 추가적으로 필요하고, 버리는 전기 또한 많아 에너지 효율이 떨어진다. 또 석탄, 석유, 가스 등을 태우는 과정에서 이산화탄소 배출도 늘어난다.

꼭 필요한 만큼 전기를 생산하거나 생산량에 맞춰 전기를 사용할 수 있다면 전기를 더 효율적으로 사용하면서 지구온난화도 막을 수 있다. 이것이 바로 전력망에 IT기술을 융합해 전기사용량과 공급량, 전력선의 상태까지 알 수 있는 스마트그리드가 주목받는 이유다. 이미 미국 경제주간지 비즈니스 2.0은 지구온난화로 인한 기상이변 및 환경오염으로부터 인간을 구할 영웅 중 하나로 스마트그리드를 소개한 바 있다.

글자 그대로 해석하면 똑똑한 전력망인 스마트그리드의 핵심은 전력망에 IT기술을 합쳐 소비자와 전력회사가 실시간으로 정보를 주고받는 것이다. 이 시스템을 이용하면 소비자는 전기요금이 쌀 때 전기를 쓸 수 있고, 전자제품이 자동으로 전기요금이 싼 시간대에 작동하게 하는 것도 가능하다.

전력생산자 입장에서는 전력 사용 현황을 실시간으로 파악하기 때문에 전력공급량을 탄력적으로 조절할 수 있다. 전력 사용이 적은 시간대에 최대전력량을 유지하지 않아도 되므로 버리는 전기를 줄일 수 있고, 전기를 저장했다가 전력 사용이 많은 시간대에 공급하는 탄력적인 운영도 가능하다. 또 과부하로 인한 전력망의 고장도 예방할 수 있다.

결국 스마트그리드는 일반 가정에서 사용하는 TV, 냉장고와 같은 전자제품뿐 아니라 공장에서 돌아가는 산업용 장비들까지 전기가 흐르는 모든 것을 묶어 효율적으로 관리하는 신개념 시스템이다. 집, 사무실, 공장 어느 곳에서나 사용한 전기요금을 실시간으로 확인할 수 있고, 전기요금이 비싼 낮 시간대를 피해 세탁기를 밤에 돌리는 등 가전제품을 선별해 사용하는 것이 가능하다.

<제주도 스마트그리드 실증단지의 개념도. 스마트그리드 시대에는 건물마다 스마트계량기가
설치돼 실시간으로 요금정보가 제공되고, 가전기기 등도 연결된다. 또 풍력, 태양광 등의 신재생
에너지로부터도 전원을 공급받을 수 있다. 사진제공. 동아일보>


스마트그리드 하부에는 마이크로그리드가 존재한다. 마이크로그리드란 자체적으로 전력을 생산하는 소규모 네트워크를 말하는데 아파트라면 단지별로, 마을이라면 마을별로 전력을 생산하는 것이다. 이 시스템은 송전 손실을 고려하지 않아도 되고 발전소의 전력사용량을 줄일 수 있기 때문에 온실가스 배출도 줄일 수 있다.

마이크로그리드 체제가 활성화된다면 지역에 맞춰 일조량이 높은 지역은 태양광을, 바람이 많이 부는 해안가에는 풍력으로 전기를 생산하면 된다. 이는 현재의 중앙집중형 대신 분산전원시스템을 가능하게 한다. 그래서 자연환경에 따라 발전량이 들쑥날쑥한 신재생에너지의 문제점을 해소할 수 있어 신재생 에너지를 확산시키는 필수 인프라로 인식되고 있다.

또 다양한 분산전원을 전력 규모에 따라 독립적으로 운영할 수 있고, 각 계통에 센서를 달아 소비자의 요구에 실시간으로 반응하게 된다. 이러한 네트워크때문에 스마트그리드를 ‘에너지 분야의 인터넷’이라고 부르기도 한다.

신재생에너지로 생산한 전력을 가둘 수 있는 저장장치도 스마트그리드의 일환으로 개발되고 있다. 대표적인 예가 플라이휠인데, 이는 마찰이 최소화된 거대한 금속바퀴이다. 바람이나 햇볕이 풍부할 때 생산한 전기로 회전하고 바람이 안 불거나 햇볕이 가리더라도 관성 때문에 돌던 힘을 꾸준히 유지해 지속적으로 전기를 만들게 된다.

가전제품도 스마트그리드 시대를 맞아 똑똑해진다. 집안에서 폐쇄적으로 운영하던 가전제품이 인터넷을 통해 외부와 연결되는 것이다. 특히 조작버튼을 전력회사가 통제할 수 있다. 여름철 한낮에 전기료를 비싸게 매겨도 사용량이 떨어지지 않는다면 전력회사가 강제로 에어컨 온도를 높이는 등 비상조치를 취할 수 있다.

물론 이같은 일은 가전제품 소유자의 동의가 있어야 가능하다. 또 인터넷과 연결되는 스마트그리드의 구조상 해킹에 노출될 수밖에 없어 보안 위협에 대한 대비책도 마련되어야 한다.

이런 우려에도 스마트그리드에 거는 기대는 높다. 에너지 효율을 높이고 신재생에너지 사용을 확대할 수 있는 가장 효율적인 방안이기 때문이다. 또한 싼 전기료는 소비자에게도 매력적이다. 무엇보다 중요한 것은 스마트그리드를 통한 지구온난화 방지에 있다. 전 세계 온실가스의 3분의 1이 전력 생산을 위한 발전소에서 만들어지는 만큼 똑똑하게 전기를 만들고, 사용하는 기술은 지구를 위해서도 꼭 필요하다.

글 : 박태진 동아사이언스 기자


KISTI NDSL(과학기술정보통합서비스) 지식링크


○관련 논문 정보
Smart Grid 구축을 위한 기술 연구[바로가기]
배전자동화 계통의 루프 운전시 보호협조에 관한 연구[바로가기]
Smart Grids Need Even Smarter Governance[바로가기]

○관련 특허 정보
METHOD AND SYSTEM OF ROUTING IN A UTILITY SMART-GRID NETWORK(국제공개특허)[바로가기]
3D SMART POWER MODULE(미국공개특허)[바로가기]
격자 형태의 다중 스마트 노드 시스템 및 그 시스템에서의스마트 노드들의 위치 자동 인식 방법 (한국등록특허)[바로가기]

○해외 동향분석 자료
미국, 스마트 그리드 정책 - 2009년 [바로가기]
스마트 그리드 단체, 에너지 효율분에 대한 세금 감면 방안 찾다 - 2008년 [바로가기]
그린 에너지 - 어떻게 전력2.0이 웹 2.0보다 더 발달할 수 있을지에 대해 - 2008년 [바로가기]



ndsl링크 <출처 : 한국과학기술정보연구원 >

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미국의 주간지 ‘라이프 매거진’은 20세기 가장 영향력 있는 100인 중의 한 사람으로 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)를 꼽았다. 이보다 앞서 2005년 말 크로아티아는 테슬라 탄생 150주년을 맞아 2006년을 ‘니콜라 테슬라의 해’로 정했고, 세르비아는 2006년 3월 베오그라드 국제공항이름을 ‘테슬라 공항’으로 바꿨다.

테슬라를 두고 미국, 크로아티아, 세르비아가 서로 자기 나라의 발명왕이라고 주장하고 있다. 1856년 크로아티아에서 태어난 세르비아인으로 젊은 시절 미국으로 이민 간 테슬라의 특이한 이력 때문이다. 과학자 테슬라, 그가 어떤 사람이기에 세계가 이렇게 새롭게 주목을 하는 것일까?

테슬라는 현대 전기문명을 완성한 천재 과학자다. 현대 전기 문명의 근간이 되는 교류를 발명했으며, 수많은 전기 실험으로 ‘거의 모든 현대기술의 원조’라는 칭호를 갖고 있다. 시대를 앞선 과학적 통찰력과 독특한 삶 덕분에 많은 문학과 영화의 소재가 되기도 했다. 과학향기링크

그의 업적을 대표하는 교류발전기와 송·배전 시스템은 웨스팅하우스사(社)에서 일하면서 만들어냈다. 교류는 전기가 흐르는 방향이 주기적으로 바뀌는 전기다. 직류에 비해 적은 손실로 전류를 보낼 수 있는 장점이 있어 현대 전기 문명을 일으킨 원천기술이다. 이 발명은 1895년 웨스팅하우스사가 나이아가라 폭포에 교류발전기를 사용한 수력발전소를 만들면서 빛을 보게 된다. 지금 보고 있는 컴퓨터, 인터넷은 등 수많은 전기문명이 테슬라의 교류 전기시스템이 없었다면 불가능했을지 모른다.

1891년에는 유명한 테슬라코일(Tesla Coil)을 제작했다. 테슬라코일은 간단한 장치로 수십만 볼트의 전압을 만들어내는 장치다. 당시 60Hz에 불과했던 가정용 전기를 수천Hz의 고주파로 바꾸며 엄청난 고전압을 발생시킨 것이다. 이를 사용해 테슬라는 최초의 형광등과 네온등도 만들었다.

고주파를 발생시키는 테슬라코일은 대중의 관심을 사로잡았다. 심지어 테슬라코일을 이용하면 물체에 자기장을 걸어 순간이동 시킬 수 있다는 황당한 이론까지 나올 정도였다. 지난해 말 개봉한 ‘프레스티지’(Prestige) 영화를 보면 마술사 로버트가 순간이동마술을 펼치기 위해 테슬라를 찾아가 테슬라코일을 얻는 장면이 나온다. 테슬라코일의 유명세와 신비주의를 따르는 추종자 덕분에 테슬라는 ‘몽상가’ ‘미친 과학자’ ‘마술가’ 등의 호칭도 갖고 있다.

또 테슬라는 한 발 앞선 발명가로 현대 과학기술의 발전 방향을 알려 줬다. 그가 완성하지는 못했지만 후대 과학자들이 테슬라의 이론으로 만들어낸 기기들은 무궁무진하다. 그는 테슬라코일을 이용한 실험 도중 라디오 신호를 같은 진동수로 공명시키면 송수신이 가능해진다는 것을 발견했다. 이 원리는 현재 라디오나 TV 등에 응용돼 다양하게 쓰이고 있다. 무선조종장치를 연구하던 테슬라는 현대 로봇의 가능성도 언급했다. 제 1차 세계대전 무렵 잠수함을 탐지하는 아이디어를 냈는데 2차 대전에서 레이더로 실용화됐다. 지금도 수많은 과학자들은 그의 발명노트를 열심히 들여다보며 아이디어를 얻으려고 하고 있다.

테슬라의 발명을 헤아리자면 끝이 없다. 그는 전기기계용 전류전환장치, 발전기용 조절기, 무선통신기술, 고주파기술 발전에 핵심적인 역할을 하면서 전기시스템을 획기적으로 향상시켰다. 그리고 전자현미경, 수력발전소, 형광등, 라디오, 무선조종보트, 자동차 속도계, 최초의 X선 사진, 레이더 등도 그의 작품이다.

많은 발명품을 만들고 현대 과학기술을 예견하고 아이디어를 준 테슬라는 그의 업적만큼 살았을 때 인정받지 못했다. 특히 라이벌이었던 에디슨 때문에 그의 업적은 많이 가려졌다. 1882년 테슬라가 에디슨 연구소에 들어가 발전기와 전동기를 연구할 때부터 에디슨은 천재적인 테슬라의 재능을 질투에 불타는 눈으로 바라보기 시작했다.

애초 에디슨은 테슬라에게 전기를 싼값에 효과적으로 전달하는 방법을 고안하면 거액을 안겨주겠다고 약속했다. 이에 테슬라는 에디슨의 직류시스템의 문제를 지적하며 교류시스템을 만들었다. 하지만 에디슨은 테슬라에게 돈을 주기로 한 약속을 어겼고, 테슬라는 에디슨에게 사표를 던진다.

직류방식을 고집한 에디슨은 테슬라의 교류에 대해 나쁜 이미지를 심어주기 위해 고압 교류로 동물을 죽이는 공개 실험을 하고, 교류 전기의자로 사형집행을 했다. 이 과정에서 테슬라는 교류를 널리 보급하기 위해 자신의 특허권을 포기하기도 했다. 1915년 뉴욕타임즈에 테슬라와 에디슨이 노벨물리학상 공동 수상자로 선정됐다는 기사가 났지만 결국 둘 다 노벨상을 받지 못했는데, 테슬라가 에디슨과 함께 상 받기를 거부했기 때문이라는 설이 있다.

기이한 삶처럼 그의 성격도 특이했다. 식사 전 광택이 나도록 스푼을 닦아야 하는 결벽증이 있었고, 손수건은 하얀 비단으로 된 것만 썼다. 호텔방의 호실은 3의 배수여야만 했고, 비둘기에 집착해 말년 그의 호텔방에는 비둘기 새장이 가득했다고 한다. 평생 독신으로 살며 발명에 혼신의 힘을 기울였던 테슬라는 1943년 뉴욕의 한 호텔에서 쓸쓸히 숨을 거뒀다.

그러나 세상은 시대를 앞서갔던 테슬라를 잊지 않았다. 1961년 국제순수 및 응용물리학 연맹(IUPAP)의 표준단위 및 그 정의에 관한 위원회는 자기장의 세기를 나타내는 단위로 테슬라의 이름을 딴 T(Tesla)주1)를 쓰기로 했다. 전기를 이용한 수많은 발명품을 만들었던 테슬라의 이름에 걸맞는 단위라 하겠다. 이를 통해 테슬라의 이름도 많은 이들의 기억 속에 살아나게 되길 기대한다.
(글 : 남연정 과학전문 기자)


주1) 1T : 1㎡ 당 1Wb의 자기력선속밀도를 가리키는 단위. 자기장에 수직인 단위면적당 자기력선속으로 자기유도 된 정도를 나타낸다.

<출처 : 한국과학기술정보연구원> ndsl링크 
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