큐레이션_curation

반도체(半導體) 영어는 semiconductor로 상온에서 전기 전도율이 구리 같은 전도체 하고 애자, 유리 같은 부도체의 중간 정도인 물질입니다. 가해진 전압이나 열, 빛의 파장 등에 의해 전도도가 바뀝니다. 일반적으로는 규소 결정에 불순물을 넣어서 만듭니다. 주로 증폭 장치, 계산 장치 등을 구성하는 집적회로를 만드는 데에 쓰입니다.
지난 한국을 방문한 조 바이든 미국 대통령 앞에서 삼성전자가 최첨단 '3 나노 반도체' 제품을 선보였습니다. 나노미터(㎚)는 길이를 나타내는 단위입니다. 1㎚는 10억 분의 1m로 머리카락 굵기의 10만 분의 1 수준입니다. 3 나노 반도체는 현재 세계에서 가장 작은 크기입니다. 반도체(半導體)는 컴퓨터와 가정용 전자제품은 물론 인공지능(AI)과 로봇, 자율주행 자동차 등 쓰이지 않는 곳이 없어 '산업의 쌀'로 불립니다. 반도체는 첨단 산업의 필수 부품이자 미래 기술 경쟁력을 좌우하는 핵심 요소여서 주요국이 반도체 산업 주도권을 쥐기 위해 치열한 경쟁을 벌이고 있습니다.

도체와 부도체

반도체는 매우 낮은 온도에서는 부도체처럼 동작하고 실온에서는 도체처럼 동작합니다. 다만 반도체는 부도체처럼 동작할 때와 도체처럼 동작할 때 각각 부도체나 도체와 다른 점이 있습니다. 부도체하고의 차이점으로는 띠 틈이 커 전자가 전도 띠로 잘 올라가지 못하는 부도체와 달리 에너지 띠간격이 충분히 작아 실온에서 전자가 쉽게 전도 띠로 올라갈 수 있다는 점이 있으며 도체와의 차이점으로는 절대 영도에서 가장 윗부분의 전자띠가 도체처럼 일부만 차 있는 것이 아니라 가득 차 있다는 점이 있습니다.
우리는 흔히 '전기가 통한다' 또는 '전기가 안 통한다'라는 말을 하곤 합니다. 금·은·동·철과 같이 전기가 잘 통하는 금속을 도체(導體)라 하고, 유리·고무·플라스틱처럼 전기가 통하지 않는 물질은 부도체(不導體)라고 합니다. 반도체는 도체와 부도체의 중간 정도 되는 '전기 전도도' 전기가 흐르는 정도를 갖는 물질입니다.
반도체의 주원료는 '실리콘'(규소)입니다. 실리콘은 보통 모래에서 추출합니다. 그런데 실리콘은 원래 전기가 통하지 않습니다. 여기에 열이나 빛을 가하거나 인(P), 비소(As), 붕소(B), 갈륨(Ga) 같은 특정 불순물을 주입하면 도체처럼 전기가 흐르게 되죠. 첨단 IT 기업이 몰린 미국 '실리콘밸리(Silicon Valley)'는 반도체 원료인 '실리콘'과 미 샌프란시스코만 동남쪽 산타클라라 '계곡(Valley)'을 조합해 만든 지명이랍니다.

반도체는 작을수록 좋아

반도체의 성능은 웨이퍼 하나에 얼마나 많은 트랜지스터를 넣느냐에 따라 달라집니다. 따라서 반도체 기술은 이 트랜지스터를 최대한 작게 만드는 것이 핵심입니다. 연구자들은 지난 50년간 반도체를 더 작게 만들려고 노력해 왔습니다. 보다 작은 칩 면적에 작은 소자(트랜지스터)들이 빽빽이 들어가면, 전기신호가 전달되는 속도가 빨라지고 전력 소모도 줄어들기 때문입니다. 그러면 정보처리 성능 속도가 빨라지고, 반도체 칩의 생산성도 높아집니다.
3 나노 반도체는 반도체 칩 안에 있는 회로의 선폭(線幅)이 3 나노인 것을 의미합니다. 3 나노 반도체 전에 5 나노 반도체를 썼습니다, 미세 공정이 5㎚에서 3㎚로 변화된다는 건 트랜지스터의 폭도 줄어든다는 것이고, 폭이 줄어든다는 건 하나의 반도체 칩 안에 더 많은 트랜지스터를 넣을 수 있다는 의미예요. 3 나노 반도체는 5 나노에 비해 칩 면적을 약 35% 이상 줄일 수 있습니다. 또 소비 전력을 50% 감소시키며 성능(정보처리 속도)은 약 30% 향상할 수 있어요. 이 때문에 기업들이 사활을 걸고 미세 공정 개발에 몰입하는 것이랍니다.
우리가 흔히 말하는 반도체는 칩 안에 여러 개의 소자 일종의 전자 신호 부품이 집적된 회로(IC·집적회로)를 의미합니다. 반도체를 만들 땐 먼저 실리콘을 녹여서 둥근기둥을 만듭니다. 이것을 아주 얇은 두께로 마치 CD처럼 자른 실리콘 판을 '웨이퍼(Wafer)'라고 합니다. 이 웨이퍼에 전류나 전압의 흐름을 조절하는 소자 '트랜지스터(Transistor)'를 집어넣고 작게 자르면 반도체 칩이 되는 겁니다. 트랜지스터는 쉽게 말해 켰다(On), 껐다(Off) 할 수 있는 스위치입니다. 전류와 전압의 흐름을 스위치처럼 조절하는 기능을 합니다.
하나의 웨이퍼로 반도체 칩을 최소 100개 이상, 많게는 500개 이상 만들 수 있습니다. 그리고 손톱보다 작은 크기의 반도체 칩 하나에는 현재 10억 개 이상의 트랜지스터가 들어갑니다. 반도체 칩 생산이 얼마나 어마어마하게 어려운 기술인지 알 수 있습니다.

무어의 법칙은 진화 중

3 나노 반도체의 개발은 '무어의 법칙(Moore's Law)'을 보여주는 사례로도 꼽힙니다. IT 기업인 인텔의 창립자 고든 무어는 1965년 앞으로 10년간의 기술 발전 속도를 예상하며 "반도체 칩 안에 집적되는 트랜지스터 수가 2년마다 2배씩 증가한다"라고 하였습니다. 이는 기술이 꾸준히 발달하며 50년 넘게 업계의 법칙처럼 자리매김해 왔습니다.
그런데 최근에는 무어의 법칙을 폐기해야 한다는 주장이 나오기도 하는데요. 반도체 칩이 잘 작동하려면 모든 웨이퍼에 들어간 트랜지스터가 균일하게 동작하도록 만들어야 합니다. 그런데 한정된 크기의 웨이퍼에 고밀도의 트랜지스터를 넣을수록 발열 문제 등으로 인해 반도체 칩 성능이 떨어질 수 있다고 합니다. 고밀도 트랜지스터를 만들기가 점점 어려워지고 있다는 얘기입니다.
트랜지스터는 미국 벨 연구소의 물리학자인 윌리엄 쇼클리와 존 바딘, 월터 브래튼 세 사람이 발명하였습니다. 하지만 세 사람이 동시에 트랜지스터를 개발한 것은 아녔습니다. 1947년 브래튼과 바딘은 게르마늄에 2개의 철선을 연결해 전기 신호를 출력하는 장치를 고안하는 데 성공하였습니다. 쇼클리는 여기서 더 나아가 1951년 '접합형 트랜지스터'라는 것을 개발했죠. 이 공로로 세 사람은 1956년 노벨 물리학상을 받았답니다.

모든 한약재에서 감초가 빠지지 않고 들어가는 것처럼, 현재 우리가 사용하는 모든 전자기기 중에 반도체 안 들어가는 것이 없을 정도입니다. 따라서 반도체를 전자산업 분야의 감초라 해도 과언이 아닙니다.

우리나라의 물리학자인 강대원 박사는 세계적으로 인정받는 반도체 물리학자입니다. 그는 1960년 미국 벨 연구소에서 반도체를 만드는 데 기초가 되는 기술인 '모스펫(MOSFET·전기로 작동하는 스위치)'과 1967년 '플로팅 게이트' 기술을 개발하였습니다. 플로팅 게이트는 메모리칩에 정보를 저장하거나 삭제할 수 있도록 도와주는 역할을 합니다. 스마트폰이나 디지털카메라 등에 정보를 저장하고 삭제할 수 있는 것도 다 이 기술 덕분입니다. 

가스 하이드레이트(clathrate hydrates 혹은 gas clathrates, gas hydrates)는 영구 동토(凍土)나 심해저의 저온과 고압 상태에서 탄소(C) 성분의 기체인 천연가스가 물 분자와 결합해 생기는 고체 에너지원으로, 외관이 드라이아이스와 비슷하며 불을 붙이면 타는 성질이 있어 '불타는 얼음'으로도 불립니다. 대한민국 동해의 울릉분지 수심 1,500m 지역에 6억 톤의 가스 하이드레이트가 있는 것으로 추산되고 있습니다. 이 양이 맞다면 국내에서 30년 정도 사용이 가능합니다.
우리는 에너지의 대부분을 석탄·석유·천연가스 같은 땅속에 매장된 화석 연료에서 얻습니다. 하지만 지나치게 화석 연료를 많이 사용하면 환경오염과 지구온난화가 발생합니다. 그래서 인류는 오염 물질이 나오지 않는 청정에너지를 개발하기 위해 힘을 쏟고 있습니다.

이 연료는 태울 때 석탄과 석유보다 이산화탄소를 적게 배출하고 매장량도 풍부해 차세대 에너지로 주목받고 있습니다. 

바닷속 가스하이드레이트

​가스하이드레이트는 드라이아이스와 같은 형태와 특성을 가졌어요. 얼음은 녹으면 물이 되지만 가스하이드레이트는 드라이아이스처럼 녹으면서 바로 기체가 되지요. 불을 붙이면 메탄이 타면서 강한 불꽃을 만들기 때문에 '불타는 얼음'이라고도 불립니다.
가스하이드레이트는 영구 동토나 심해 등 0℃ 이하의 저온과 높은 압력에서 천연가스와 물이 결합해 생성된 고체 연료입니다. 그래서 '고체 천연가스' 또는 '얼음 석탄'으로도 불립니다.
​가스하이드레이트가 화석 연료의 대체 에너지 자원으로 주목받는 이유는 전 세계 해양에 비교적 광범위하게 분포하고 있는 데다 매장량도 많고, 주성분인 메탄은 연소시키면 물과 함께 일산화탄소, 이산화탄소, 아황산가스와 같은 오염물질이 아주 적게 나오기 때문입니다.
고체인 가스하이드레이트 1㎥당 추출할 수 있는 메탄가스는 160~170㎥에 달합니다. 현재 전 세계에 매장된 가스하이드레이트만도 약 10 조 t으로 추정되고 있습니다. 이는 지구의 석탄·석유 매장량을 합한 것보다 2배 정도 많은 양이고, 인류가 약 500년간 쓸 수 있는 규모랍니다. 우리나라 독도를 비롯해 캐나다, 알래스카, 시베리아, 노르웨이, 일본, 멕시코 등 대륙 주변의 심해와 영구 동토 지역에 매장돼 있는 것으로 알려져 있습니다.
​수압이 높은 심해에선 0℃ 이하에서도 물이 얼지 않고 물과 얼음의 중간 형태를 띱니다. 이때 바닷속 해초, 플랑크톤의 퇴적물이 썩을 때 발생하는 메탄가스 등이 물 분자 사이사이 공간을 채우면서 가스하이드레이트가 만들어집니다. 가스 중 90%가 메탄이어서 '메탄 하이드레이트'라고도 합니다.

온실 효과 20배 메탄가스

​​스웨덴 린네대학교 연구팀도 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 해저에 퇴적된 가스하이드레이트에서 메탄가스가 대량 방출돼 해양 온난화가 가속될 수 있다는 연구 결과를 발표하였습니다.
가스하이드레이트는 아직 널리 상용화되지 못하고 있습니다. 생각만큼 채취가 쉽지 않은 물질이기 때문입니다.
시추 과정에서 물과 분리된 메탄가스는 바닷속이나 공기 중으로 흩어지기 쉬워요. 연소시키지 않은 메탄가스는 이산화탄소보다 온실가스 효과가 20배 이상이나 큽니다. 이 때문에 연소 전에 퍼져 나가면 지구온난화를 더욱 가속시킬 수 있지요. 또 메탄가스를 꺼내는 과정에서 하이드레이트층이 붕괴돼 해저 지반이 가라앉고 해저 생태계가 파괴될 수 있다고 합니다.
연구팀이 가스하이드레이트를 채취하는 장치와 원격 조정형 무인 잠수정을 통해 3년간 남대서양 해저를 탐험한 결과, 수세기에 걸쳐 남반구에서 수온 상승 때문에 가스하이드레이트의 해리(분해) 현상이 일어났고, 이로 인해 메탄가스가 방출되면서 해양 온난화가 발생해 기후 변화가 생기고 있다는 겁니다. 가스하이드레이트의 해리 현상을 막으려면 지구온난화를 막아 수온을 낮춰야 한다고 합니다.

지진 법으로 찾는 가스하이드레이트

​가스하이드레이트를 연료로 쓰기 위해서는 무엇보다 해저 지층 파괴 없이 메탄가스를 물과 분리한 후 안전하게 끌어올리는 기술이 필요합니다. 19세기가 석탄, 20세기가 석유의 시대라면 21세기는 가스하이드레이트의 시대라는 말이 나올 수 있을지 주목합니다.
가스하이드레이트는 어떻게 찾아낼까요? 일반적으로 석유와 천연가스를 포함한 지층 탐사에 사용되는 '지진 법'으로 알아냅니다. 지진 법이란 지진파라는 초음파를 인공적으로 발생시켜서 반사되는 파동을 통해 지질의 특성을 조사하는 방법입니다. 이를 이용하면 특정 해저 지층에서 특별한 반사면을 발견할 수 있는데, 이 반사면이 곧 가스하이드레이트가 존재할 가능성이 높은 곳이라고 합니다.
현재 일본과 미국, 인도, 중국 등 여러 국가에서 가스하이드레이트 채굴을 시도하고 있습니다. 일본은 지난 2013년 세계 최초로 난카이 해역 1000m 심해에서 가스하이드레이트 천연가스 시험 생산을 시작하였습니다. 그리고 2018년 상용화 기술을 개발해 오는 2023~2029년 사이 상업 생산을 시작할 계획입니다. 미국은 주로 알래스카와 멕시코만에서, 중국은 남중국해에서 채굴을 시도하고 있습니다.

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멜라닌은 영어로 melanin입니다. 여러 동물들의 피부나 눈 등의 조직에 존재하는 흑색 내지는 갈색 색소를 말합니다. 주로 글로불린과 강한 결합을 이루는 멜라닌 프로테인으로 존재하고, 물에는 용해되지 않지만 알칼리 용액이나 진한 황산에는 녹습니다. 멜라닌은 일정량 이상의 자외선을 차단하는 기능이 있어서 피부의 체온을 유지시켜주고 자외선으로부터 피부를 보호해 줍니다. 멜라닌의 양에 의해서 피부색이 결정됩니다.
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표피와 진피 사이에 있는 멜라닌

햇빛이라고 하면 보통 밝은 빛을 먼저 떠올리지만 사실 지구로 오는 태양에너지는 눈에 보이는 가시광선뿐 아니라 적외선, 자외선, 전파, X선, γ선 등 다양한 전자기파로 이루어져 있습니다. 그중 몸의 피부가 타는 현상은 자외선과 관련이 있습니다. 태양이 지구에 미치는 영향은 절대적이라고 할 수 있습니다. 지구 생명체의 역사는 태양과 밀접한 관련이 있습니다. 약 35억 년 전 등장해 지구 최초의 생명체라고 알려진 '시아노박테리아'는 햇빛을 이용해 광합성을 해왔습니다. 광합성의 결과 배출된 산소는 지구 생태계가 지금처럼 다양해지는 데 결정적인 역할을 하였습니다.
사람의 피부는 가장 바깥쪽부터 표피, 진피, 피하조직으로 구성되어 있습니다. 표피에는 각질층이 있어서 단단하게 굳어진 죽은 세포들이 몸을 보호해주고 시간이 지나면 떨어져 나갑니다. 진피는 세포들이 두껍게 층을 이루고 있는 부분으로 혈관이 발달해 있어서 피부 세포에 양분을 공급하고 체온 조절에도 관여합니다. 땀샘과 피지샘과 같은 외분비샘도 진피에 있습니다. 그리고 피하조직에는 세포질 내에 지방을 축적한 지방세포들과 혈관이 있습니다.
​표피의 가장 안쪽이면서 진피와 만나는 부분에 한 층의 세포로 된 기저층이 있습니다. 이 기저층에 멜라닌을 만드는 색소 형성 세포 멜라노사이트가 들어있답니다.

자외선 노출되면 더 많은 멜라닌 생성

​멜라닌은 멜라노 솜이라 불리는 특수한 구조에서 생성되는데, 멜라노 솜이란 작은 자루모양이며 멜라닌 세포의 세포질 내에 생성되는 특이한 구조입니다. 멜라닌 세포는 멜라노 솜이 포함된 돌기를 뻗어서 케라틴 세포 등 주변의 다른 세포에게 멜라닌을 전달하기도 하고, 멜라노 솜 중 티로신과 같은 페놀 종류와 그 산화효소를 가지고 있는 경우에는 형성된 멜라닌을 자기 내부에 축적시키기도 합니다. 생산된 멜라노 솜은 표피세포 내부로 전달되고 이것이 피부나 털의 암 색화를 일으킵니다. 멜라닌은 흑갈색을 띤 색소로 사람의 피부, 모발, 망막, 신경계 등 다양한 곳에 존재합니다. 색소 형성 세포가 멜라닌을 많이 합성하느냐 적게 합성하느냐에 따라 피부 색깔이 진해 지거나 옅어집니다. 이때 색소 형성 세포를 자극해 멜라닌을 증가시키는 대표적인 원인이 자외선입니다.
멜라닌 색소는 우리 몸에 들어오는 자외선을 흡수해서 열에너지로 전환하거나, 산란 또는 반사하여 피부에 들어오는 자외선의 침투를 차단해서 우리 몸을 보호합니다. 따라서 자외선에 노출되면 세포를 보호하기 위해 평소보다 더 많은 멜라닌 색소가 생성됩니다. 그 결과 피부가 검게 변하는 것입니다. 시간이 지나면 각질층의 오래된 세포들은 몸에서 떨어져 나가고 자외선에 자극받지 않은 세포가 기저층에서 만들어져서 표피로 올라옵니다. 그래서 약 60일 정도 지나면 까매진 피부가 원래대로 돌아온다고 합니다. 물론 계속 강한 자외선을 받으면 회복은 더 오래 걸립니다.
​자외선은 DNA에 손상을 주어 생명체에 돌연변이를 유발합니다. 이 원리를 이용해서 살균 소독을 하기도 하지만, 강한 자외선에 과다하게 노출되면 사람이 위험해질 수 있습니다. 피부암이나 백내장의 주요 원인도 자외선입니다.

파킨슨병 진단 지표에도 활용

​손발이 떨리거나 보행에 어려움을 겪는 파킨슨병 환자는 신경세포가 손상되어 도파민 분비량이 부족하기 때문에 멜라닌의 양이 적습니다. 거꾸로 조현병 환자는 도파민이 과다 분비되기 때문에 멜라닌의 양이 많이 검출된답니다. 그래서 지난 2019년 미국 컬럼비아대 의대 연구팀은 신경계의 멜라닌 양을 관찰해서 파킨슨병을 진단하는 방법을 생각해 내고, 이 연구 결과를 미국 국립과학원회보에 발표했답니다. 뇌 속 멜라닌의 양을 측정해서 파킨슨병 진단이나 조현병 진단에 이용할 수 있다는 뜻입니다.
흥미로운 건 멜라닌이 우리의 뇌 속에서 신경세포를 보호해주는 역할을 하고 있다는 사실입니다. 우리 중뇌 속 흑색질 부위에는 골격근육의 움직임에 관련된 신경세포들이 많이 모여 있습니다. 이곳에서 신경세포들 사이에 신호를 전달하는 흥분성 신경전달물질인 도파민(dopamine)이 분비됩니다. 도파민이 분비될 때 멜라닌이 함께 만들어져서 신경세포 안에 축적되기 때문에 뇌의 흑색질이 짙은 색을 나타냅니다.
멜라닌 색소와 관련해 재미있는 연구도 있습니다. 지난 2005년 제브러 피시(zebrafish)라는 물고기에 관한 미국펜실베이니아주립대학연구팀의 연구인데, 제브러 피시는 생물학 연구에 널리 이용되는 물고기로 몸에 얼룩말 같은 줄무늬가 있는 것이 특징입니다. 야생 상태의 줄무늬는 진한 검은색이지만, 특정 유전자가 돌연변이를 일으킨 물고기의 줄무늬는 매우 엷은 색을 띤다고 합니다. 이 돌연변이 물고기의 줄무늬를 현미경으로 보았더니 멜라닌 세포의 크기가 야생형보다 작고 수도 적었습니다. 연구팀은 제브러 피시에서 돌연변이를 일으킨 유전자를 분리한 후 이 유전자가 사람의 피부를 밝게 해주는 특정 유전자 돌연변이와 유사하다는 것을 알아냈답니다. 또 이 유전자가 아프리카와 유럽인 간 피부색 차이에 24~38% 정도의 원인을 제공하는 것도 밝혀졌습니다.

멜라닌 부족하면 백색증

​백색증(白色症) 영어로 Albinism입니다.  동물이나 사람의 눈, 피부, 머리카락 등에서 멜라닌 색소가 합성되지 않는 질병입니다. 이것은 멜라닌을 생성하는 티로시나아제가 돌연변이에 의해 형성되지 않거나 부분적으로 형성되어 발생하는 선천성 유전 질환입니다.  멜라닌에는 자외선에 의한 DNA 파괴나 일광화상을 막아주는 기능이 있지만, 백색증인 사람은 멜라닌이 지극히 적거나 아예 없기 때문에, 햇볕이 강한 날에는 햇빛에 노출되는 시간이 짧아도 일광화상을 입을 수 있습니다. 또한, 피부의 멜라닌 함유량이 적은 북유럽계 코카서스 인종보다 피부암 발병 위험이 훨씬 큽니다. 따라서, 백색증인 사람은 자외선을 차단하는 것이 매우 중요합니다. 멜라닌을 만드는 세포에서 멜라닌 합성이 이뤄지지 않는 유전 질환입니다. 피부, 모발, 눈에 존재하는 멜라닌 결핍이 대표 증상입니다. 백색증이 있는 동물들은 피부를 햇빛에서 보호하기 어렵고 보호색도 띨 수 없어서 야생에서 살아남기 힘들다고 합니다. 알비노는 라틴어로 '하얗다'라는 뜻의 알부스(albus)에서 유래한 말입니다.

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무중력이란 정확하게 표현하자면 관찰자와 저울을 포함하는 계 전체가 함께 중력에 의해 자유 낙하하는 특수한 상태에서 중력을 측정할 수 없는 상태를 말합니다.
우주비행사는 지구를 출발해 달에 도착할 때까지 중력이 거의 없는 우주 공간을 이동해요. 지구 중력의 6분의 1 수준인 달에서는 물론 무중력 상태인 우주 공간에서도 화장실이 작동해야 하죠. 이번에 쏘아 올린 우주 화장실은 종전 화장실보다 훨

씬 가볍고 작은 데다 사용하기 편리하다고 합니다.

무중력 공간, 우주정거장

무중력 상태는 단순히 사람을 붕붕 뜨게 할 뿐 아니라 우리 몸의 거의 모든 부분에 큰 영향을 줍니다. 이를테면 우주정거장에서는 걸을 필요도 없이 헤엄치듯 생활하다 보니 1년간 근육량이 최고 20%까지 줄어들고 뼈가 약해진다고 합니다. 척추에 중력이 작용하지 않아 키도 5㎝ 정도 커진답니다. 다만 키는 지구로 돌아오면 즉각 중력의 작용을 받기 때문에 2~3일 내 원래 수준으로 돌아온다고 합니다.

전정기관, 즉 귀에서 균형 감각을 맡은 부분이 제대로 작동하지 않아서 속이 울렁거리고 어지럽다고 합니다. 이 때문에 우주에서 우주인들이 가장 먼저 겪는 증상이 바로 '우주 멀미'입니다. 또 혈액 등 체액이 머리나 가슴 같은 상체로 몰리면서 얼굴이 퉁퉁 붓고,  허리의 혈액이 가슴으로 이동하면서 허리둘레가 약 6~10㎝ 줄고, 양쪽 다리 혈액도 각각 10분의 1 정도 줄어듭니다. 이밖에도 중력이 없는 공간에서는 먹은 음식이 위벽에 달라붙지 않아 소화 장애에 시달릴 수 있습니다. 체액이 머리로 쏠리면서 시신경과 망막에 과도한 압력이 가해져 시력이 나빠지기도 하고, 우주 방사선에 노출돼 암이 발생할 가능성도 있다고 합니다.
사람은 처음 태어날 때부터 평생 중력의 영향을 받습니다. 단 1분 1초도 지구 중력의 영향에서 벗어나지 못합니다. 중력은 질량이 있는 물체가 서로 끌어당기는 힘을 말합니다. 우리 몸은 지구 중력에 항상 저항하고 있기 때문에 운동을 따로 하지 않아도 근육과 뼈를 대체로 단단하게 유지할 수 있습니다.
하지만 우주정거장과 같은 무중력 상태에선 사람을 비롯해 모든 물질이 공중에 둥둥 뜨게 됩니다. 만약 우주비행사가 장기간 거주하는 국제 우주정거장에서 소변을 단 한 방울이라도 흘린다면 어떻게 될까요? 소변 방울이 둥둥 떠다니게 돼서 일단 비위생적인 데다 복잡한 기계 장비에 스며들면 고장을 일으킬 수 있습니다. 이 때문에 오늘날 우주 화장실은 배설물이 나오는 순간 진공청소기처럼 강력히 빨아들여 처리하도록 되어 있답니다. 모인 소변은 화학 처리를 한 뒤 식수로 쓰도록 하고 있습니다.

우주에서 근육 손실 SAS 증후군

우주정거장에서 오랫동안 무중력 상태를 경험한 사람을 조사한 결과, 무중력이 인간의 건강에 해롭다는 것이 밝혀졌습니다. 사람은 지표면에서 사는 데 가장 적합하도록 신체가 구성되어 있습니다. 이 때문에 무중력 상태가 오랫동안 지속된다면, 인간의 다양한 생리 시스템에 문제가 발생을 합니다. 가장 보편적으로 인간이 무중력 상태를 경험할 때의 문제는 바로 우주적응 증후군이 알려진 것입니다. SAS의 증후는 구토, 두통, 현기증, 불안감 등이 있습니다. SAS의 첫 번째 사례는 1961년 체먼 티토프(Gherman Titov)입니다. 그 이후로 우주 경험을 한 사람의 45퍼센트 이상이 이 증후군을 경험하였습니다. 과학자들은 이런 문제를 해결하기 위해 끊임없이 연구하고 있습니다. 그중 가장 활발하게 연구하는 문제가 바로 근육 손실입니다. 미국 비영리 의학 연구소인 잭슨연구소 코네티컷대 의대 이세진 교수팀은 우주에서 동물의 근육량을 유지하는 실험 결과를 국제 학술지 '미국 국립과학원회보(PNAS)'에 발표하였습니다.
연구팀은  민간 우주선 스페이스 X에 암쥐 40마리를 태워 400㎞ 상공의 국제 우주정거장에 보냈습니다. 쥐들은 우주정거장에서 33일간 머문 뒤 무사히 지구로 돌아왔습니다. 이후 연구팀은 쥐 40마리의 건강 상태를 조사하였습니다. 그 결과 무중력 상태에서도 근육이 감소하지 않고 유지될 수 있다는 사실을 확인했답니다.
어떻게 이런 변화가 가능했는지 이세진 교수팀은 쥐들을 우주로 올려 보내기 전 세 그룹으로 나뉬었습니다. 첫째 그룹에는 유전자를 조작해 근육량을 2배로 늘렸습니다. 이렇게 유전자를 조작한 쥐를 '마이티 마우스'라고 하였습니다. 그리고 둘째 그룹에는 우주정거장에서 별도로 근육 생성을 돕는 약물을 투여했습니다. 지구에서 개발한 약이 우주에서도 작용하는지 실험하기 위해서였습니다. 셋째 그룹에는 아무런 처방을 하지 않았습니다.
지구로 돌아온 세 종류 쥐 상태는 각각 달랐습니다. 첫째 그룹은 근육량이 그대로 유지됐고, 둘째 그룹은 지구에 있을 때보다 근육량이 오히려 늘어났답니다. 반면 셋째 그룹은 근육과 뼈 중량이 최고 18%까지 감소하였습니다.

동물을 대상으로 한 실험들을 사람에게 곧바로 적용할 수는 없었습니다. 연구팀은 앞으로 무중력 우주에서 사람들이 근육 손실 없이 지낼 방법을 알아내기 위해 더 많은 시험을 진행할 계획이라고 합니다. 이를 통해 조만간 일반인의 우주 관광이 현실화하리라는 기대가 나온답니다.

빌딩풍은 고층빌딩 사이에 일어나는 풍해(風害)입니다. 도시 내부에는 높은 빌딩들이 많아서 마찰력 때문에 일반적으로 바람이 약합니다. 하지만 빌딩에 바람이 부딪쳐 갈라져 불 때, 건물과 건물 사이에서는 아주 강한 바람이 불게 됩니다. 지상 150미터 이상의 빌딩이 건립되면 상공에서는 바람이 일정 방향으로 불어도 아래쪽에서는 바람이 빌딩의 주위에서 소용돌이치고 급강하하거나 풍속이 2배 이상으로 빨라지기도 하며 때로는 무풍(無風) 상태가 됩니다. 이 때문에 간판이나 지붕이 날려가거나 전선이 끊어질 때도 있습니다. 또 연기나 배기가스가 소용돌이 현상으로 지상에 흘러서 국지적(局地的)인 대기오염이 발생하여 고층빌딩이 밀집한 대도시의 새로운 도시 공해로 나타납니다.

빌딩풍의 원인, 벤투리 효과

문제는 물이나 공기 등 유체를 이루는 분자들의 숫자가 너무 많기 때문에 그들 사이에서 벌어지는 움직임을 일일이 더하고 빼는 것이 사실상 불가능하다는 것입니다. 그래서 과학자들은 액체나 기체 분자의 움직임이 고체와 같다고 가정하고 그 운동을 계산했는데요. 이것이 1738년 발표된 베르누이 방정식입니다.
베르누이 방정식을 실제 실험에서 적용한 것이 '벤투리 효과'입니다. 어떤 관 안을 흐르던 유체가 직경이 작은 좁은 부분을 지날 때 압력이 줄어드는 현상을 말하는데, 이탈리아의 물리학자 조반니 벤투리(Venturi·1746~1822) 이름에서 땄습니다. 실제 일정한 크기의 유리관 안을 흐르던 물은 좁은 부분을 지날 때 동일한 부피의 물을 같은 시간 안에 통과시켜야 하기 때문에 그 속도는 빨라지고 압력은 줄어듭니다. 만약 속도가 빨라지지 않고 일정하게 유지된다면 물이 좁은 구간을 통과하는 시간은 넓은 구간보다 더 걸리게 되는 겁니다.

지난해 부산 태풍 때 마린시티 24곳의 최대 풍속은 초속 30ｍ로 해상보다 7m나 빨랐고, 최대 순간풍속은 해상의 2배가 넘는 초속 50ｍ까지 기록했다고 합니다. 이렇게 공기가 고층 빌딩 사이사이를 지나며 격렬하게 움직이기 때문에 때로는 연기나 배기가스가 한 방향으로만 흘러 국지적인 대기 오염이 발생하기도 하고, 간판 등 거대한 물건이 날아가거나 전선이 끊어지는 재난이 발생하기도 하는 겁니다. 문제가 되는 빌딩풍 역시 바람 공기이라는 유체가 넓은 공간에서 불다가 빌딩 사이의 좁은 공간으로 들어오면서 더 빠른 속도로 움직이는 전형적인 벤투리 효과라고 할 수 있습니다. 특히 높이 150m 이상 약 40층의 고층 빌딩에서는 위에서 부는 바람이 빌딩에 부딪혀 급격히 아래로 내려온 뒤 아래서 부는 바람과 만나 소용돌이치는 식으로 요동을 친답니다. 건물과 건물 사이를 지나는 바람의 속도는 2배 이상 빨라지기도 합니다.

도시의 바람길 공기의 움직임

바람은 공기가 이동하는 현상입니다. 햇볕에 데워진 공기는 위로 상승하면서 움직이게 되고 보통 바람의 양이 많을수록 바람의 속도는 빨라지고, 바람이 지나는 통로의 면적이 좁을수록 속도는 더 빨라집니다.
이런 현상은 주변에서도 많이 볼 수 있습니다. 넓은 지역에서는 느리게 흘렀던 물살이 좁은 시냇가를 지날 때는 빨라지고, 창문을 많이 열었을 때는 서늘하게 불던 바람이 창문 틈을 조금 열었을 때 빠르고 강하게 느껴지는 것을 우리는 경험으로 쉽게 알 수 있습니다. 이는 물이나 바람이 딱딱한 고체였다면 벌어지지 않았을 현상으로, 오직 흐르는 물체에서만 일어나는 일입니다.

빌딩풍으로 전기 생성

많은 과학자가 빌딩풍으로 인한 피해를 줄이기 위해서 다양한 아이디어를 내놓고 있습니다. 먼저 바람이 부는 방향의 건물 뒷부분에서 발생하는 소용돌이를 없애기 위해서 공기의 흐름을 원활하게 해주는 기구 스포일러를 부착하거나, 일본의 NEC 슈퍼타워 빌딩처럼 고층 건물 중간에 바람이 빠져나갈 수 있는 커다란 구멍 풍혈·wind avenue을 내기도 합니다. 과거 동양에서는 '재물이 빠져나간다'는 등 풍수지리적인 이유로 건물에 구멍 뚫는 것을 선호하지 않았는데 이제는 빌딩풍으로 인한 피해를 막기 위해 적극 활용한다고 합니다. 바람이 부는 방향과 어긋나게 창문을 설계하거나 건물의 모서리를 부드러운 곡선으로 만드는 이유도 바람의 피해를 줄이기 위해서입니다. 아랍에미리트 두바이의 부르즈 할리파나 우리나라 잠실의 제2 롯데월드 같은 건물 모양이 대표적입니다.

직육면체 모양으로 건물을 높이 쌓아올린 경우엔 건물 중심축에 커다란 추를 매달아 건물의 흔들림을 흡수하도록 만듭니다. 실제 대만의 고층빌딩 '타이베이 101'에는 무게 660톤짜리 강철 추가 87~88층 사이에 매달려 있습니다. 영국 런던의 스트래타 빌딩과 바레인 세계무역센터는 벤투리 효과를 적극적으로 응용해서 건물 사이에 아예 풍력발전기를 배치하기도 했답니다. 빌딩 사이에 부는 바람을 이용해 아예 전기를 만들자는 겁니다. 실제 바레인 세계무역센터는 3개의 풍력 터빈으로 건물에서 쓰는 전기의 15%를 생산하고 있다니 빌딩풍의 위력이 새삼 느껴집니다.

약물 개발이 활발해질수록 실험에 쓰이는 동물도 늘어납니다. 2021년 국내에서 각종 실험에 쓰인 동물은 488만 마리에 이릅니다. 10년 전인 2012년 183만 4천 마리와 비교하면 166%가 증가하였습니다. 특히 고통을 가장 심하게 야기하는 실험 극심한 고통이나 억압 또는 회피할 수 없는 스트레스를 동반에 이용된 동물 비율이 44%로 역대 최대치를 기록하였습니다. 동물 실험은 사람에게 사용할 약을 만들기 전 다양한 효과와 부작용 등을 확인하기 위해 주로 이뤄집니다. 하지만 실험에 사용되는 동물은 사람과 생물학적 차이가 있기 때문에 동물에게 약을 주입해서 나타난 반응이 사람과 같지 않을 수 있습니다. 동물 실험에서 약이 안전하다고 나왔더라도 사람까지 안전할 거라 확신할 수는 없는 셈입니다.
최근에는 동물도 동물답게 살아갈 권리 동물권리가 있다는 인식이 퍼지면서 과학계에서는 동물 실험을 줄이고 대체 실험 방법을 찾기 위해 다양한 시도를 하고 있습니다.

인간 세포인 오가노이드

해외에선 미국과 유럽을 중심으로 동물 대신 첨단 기술을 이용하려는 움직임이 일고 있습니다. 동물실험을 대체하는 기술로는 컴퓨터 기반의 독성 예측 또는 빅데이터 분석과 같은 기술, 사람 세포 기반의 오가노이드, 사람의 신체를 모사하는 장기 칩 기술 등이 있습니다. 동물 세포가 인간과 달라 약물에 대한 반응을 제대로 확인할 수 없다면 인간 세포를 활용해 실험하면 될 일입니다. 인간 세포로 작은 미니 장기를 만들어서 말입니다. 이런 목적으로 만든 장기를 '오가노이드(organoid)'라고 합니다. 'Organ'(장기)과 'Oid'(유사한) 두 단어가 합쳐진 말입니다. 2009년 한스 클레버스 네덜란드 위트레흐 트대 교수가 생쥐 줄기세포로 작은 내장을 만들어내며 가능성을 세상에 알렸습니다.
최근에는 오가노이드를 크게 키우는 방법에 대한 연구도 이뤄지고 있습니다. 사람의 줄기세포로 콩알만 한 뇌 오가노이드를 만들고, 쥐가 자라면서 이식된 뇌도 함께 자라며 실제로 기능했고, 연구팀에 따르면, 배양기에서만 키운 뇌세포 신경세포보다 쥐 뇌에 이식한 뒤 자란 세포가 압도적으로 크다고 해요. 다만 이 방법은 오가노이드를 만드는 데 또다시 동물 실험이 필요하다는 한계가 있습니다.
오가노이드를 만들기 위해서는 줄기세포가 필요합니다. 줄기세포는 모든 조직 세포로 분화할 능력을 지닌 세포입니다. 이 줄기세포는 특정 장기 세포로 진로가 정해지면 그때부터 본격적으로 장기가 만들어지기 시작합니다. 예를 들어 줄기세포가 피부 세포가 된다면 피부 표면을 덮고 있는 조직 표피와 표피 아래 조직 진피로 나뉘면서 자연스럽게 피부 특유 구조를 만들면서 자라납니다. 오가노이드는 줄기세포의 이런 특징을 이용해 만듭니다. 원리는 간단하지만 실제 장기처럼 크게 만드는 일은 쉽지 않습니다. 게다가 영양을 공급해줄 제대로 된 소화기관도 없이 장기를 키우는 것은 매우 어려운 일 입니다. 이 때문에 현재까지 성공적으로 만들어진 오가노이드는 크기가 매우 작습니다. 

동물 실험 연구 엄격히

동물 실험은 점점 엄격해지고 있습니다. 2016년부터는 동물 실험으로 개발한 화장품 판매가 금지 되었습니다. 연구를 위한 동물 실험도 더 까다로워졌어요. 연구자가 동물로 실험을 하기 위해서는 실험 계획서를 작성한 뒤 '동물실험윤리위원회' 승인을 받아야 했습니다. 특히 동물실험윤리위원회 소속 수의사가 동물의 상태를 계속 확인하고, 실험에 쓰인 동물이 지나치게 고통을 느끼거나 상태가 심각하게 좋지 않으면 실험을 중단하고 '인도적인 안락사'를 진행하도록 권고합니다.

'장기 칩'도 실험

반도체처럼 '장기 칩'을 만드는 방법도 연구되고 있습니다. '랩온어칩(Lab on a chip)'으로 불립니다, 인간 장기와 동일하게 기능하는 부품을 만드는 기술이라고 보면 됩니다. 작은 조각 위에 오가노이드 세포를 놓고 거기에 인공적으로 신체 대사가 이뤄지도록 해 반응을 보는 겁니다.
이 방법은 미국 하버드대 비스생체모방공학연구소가 2010년 폐 세포와 모세혈관 관계를 재현한 약 3㎝ 크기 '렁온어칩(Lung on a chip)'을 처음 만들면서 세상에 알려졌어요. 장기 전체 기능을 다 구현하기보다는 특정 현상을 재현하거나 특정 부위에서 약물이 어떻게 반응하는지 확인하는 데 초점을 맞춥니다. 공학적으로 구조를 만들고, 그 위에 세포나 오가노이드를 얹는 식입니다. 심장은 펌프질을 하면서 혈액이 온몸을 돌게 하고 산소와 영양분을 공급합니다. 혈액은 구석구석 돌면서 갖고 있는 산소를 모두 써버리면 새로운 산소를 공급받기 위해 폐로 갑니다. 폐는 바로 이 혈액에 새로운 산소를 공급합니다. 폐 세포 간 가늘고 길게 퍼진 모세혈관 사이에서 산소와 이산화탄소 교환이 일어납니다. 폐 세포는 모세혈관에 산소를 주고, 모세혈관은 폐 세포로 이산화탄소를 보냅니다. 모세혈관에 있던 혈액은 새로운 산소를 받아 다시 심장으로 향합니다.
렁온어칩은 폐 형태를 본떠 만든 칩 구조물입니다. 그 위에 폐 세포와 모세혈관 세포를 배양해 오가노이드를 만듭니다. 이 폐·모세혈관 세포가 정상적으로 기능하려면 심장이 펌프질을 해 혈액을 돌게 해야 하는데 이 칩에는 실제 심장 대신 인공 진공펌프를 달았습니다. 이 진공펌프가 폐가 숨을 들이마셨다가 내뱉는 것처럼 팽창과 수축을 반복하도록 하면서 모세혈관 쪽에 혈액이 흐르게 합니다. 그러면 폐·모세혈관 세포가 인간 몸속처럼 정상 작동하는 겁니다. 이 상황에서 특정 약물을 주입하면 폐·모세혈관 세포가 어떻게 반응하는지 볼 수 있게 되는 셈입니다.
렁온어칩을 시작으로 다양한 칩이 개발되고 있습니다. 실제 눈처럼 곡면의 각막으로 이뤄져 있고, 눈꺼풀이 깜빡거리도록 설계된 '블링킹 아이온어 칩(blinking eye on a chip)'도 개발되었습니다. 이 인공 눈꺼풀은 실제 눈꺼풀처럼 분당 12회씩 깜빡이는데, 깜빡임 횟수를 조절할 수 있습니다. 눈꺼풀 상태를 안구건조증의 상태와 유사하게 만든 뒤 신약 효과를 검증하거나, 콘택트렌즈 실험 등에도 사용할 수 있답니다.

신기술이 본격적으로 사용되기 위해서는 시간이 필요하고, 그렇기 때문에 우리 사회에 아직은 동물 실험이 필요할지 모릅니다. 신약 후보 물질을 최소한 안전 보장도 없이 실제 사람에게 투여할 수는 없으니까요. 하지만 인간은 늘 그랬듯 새로운 답을 찾을 겁니다.

사이배슬론 Cybathlon은 취리히 연방 공과대학교(ETH Zürich)가 주최하는 신체 일부가 불편한 장애인들이 로봇과 같은 생체 공학 보조장치로 예를 들어 착용 컴퓨터를 통해 경기를 겨루는 방식으로 진행하는 대회입니다. 사이배슬론이라는 단어는 인조인간을 뜻하는 ‘사이보그(cyborg)’와 경기를 뜻하는 라틴어 ‘애슬론(athlon)’이 합쳐진 것입니다.
대회에서 선보인 웨어러블 로봇은 허리부터 다리를 감싸 하반신이 마비된 사람도 기계 힘으로 일어서게 합니다. 로봇이 아닌 간단한 웨어러블 기기들은 이미 우리 생활 속에 들어와 있습니다. 웨어러블 기기는 입거나 몸에 착용해 휴대할 수 있는 정보 통신 기기입니다. 스마트 시스템을 갖춘 안경, 시계, 옷 등이라고 보면 됩니다. 미국 시장조사 기업 가트너는 올해 글로벌 웨어러블 기기 시장 규모를 520억 달러 수준으로 추정했습니다. 지난해 410억 달러보다 약 27% 증가한 겁니다.

실시간 통역하는 이어웨어

가장 주목받는 웨어러블 기기는 이어웨어입니다. 귀에 걸거나 착용하는 방식인데요. 한마디로 블루투스 이어폰을 말해요. 단순히 무선으로 소리만 전달하는 게 아니라 컴퓨터가 필요한 여러 기능을 더하고 있다는 점에서 웨어러블 기기에 속합니다. 구글은 '픽셀 버즈'란 이름의 이어폰을 개발하였습니다. 구글의 음성 비서인 구글 어시스턴트를 불러올 수 있을 뿐 아니라 실시간 통역 기능으로 상대방이 하는 말을 동시에 우리가 알아들을 수 있도록 통역해줍니다. 40여 개 언어를 지원합니다. 미래를 다루는 영화들에서 나오는 것처럼 언어 장벽을 이어폰으로 허무는 것입니다.
애플의 에어팟은 스마트폰을 꺼내지 않아도 음성으로 정보를 검색하거나 콘텐츠를 재생할 수 있는 음성 비서 기능을 갖췄니다. 주변 소음을 줄여주는 노이즈 캔슬링, 스마트폰 위치를 파악해 고개를 돌릴 때 소리가 화면 방향과 거리에 따라 실제처럼 들리는 공간 오디오 기술 등도 개발하였습니다. 이어웨어 기기는 올해 7000만 대나 팔릴 전망이라 합니다.
웨어러블 기기는 스마트폰처럼 세상을 바꾸고 있습니다. 다만 이제 사람들이 원하는 건 신기한 제품이 아니라 실제 나에게 꼭 필요한 도구라는 겁니다. 웨어러블 기기의 관심이 최고조로 달했던 2012~2013년엔 기술적 한계 때문에 주로 신기한 물건이란 인상만 줍니다. 이제는 센서와 배터리, 디스플레이 등 웨어러블 기기에 필요한 기술들이 이전과 비교할 수 없을 만큼 발전했습니다. 생활에 쓸모가 있게 된 겁니다. 기술 발전과 함께 조만간 우리 삶을 더 편리하게 할 다양한 웨어러블 기기들이 등장할 겁니다.

몸에 입는 컴퓨터

한국 월드컵 축구 대표팀은 2018년 러시아월드컵을 앞두고 웨어러블 기기를 입고 훈련했습니다. 스포츠 브라와 비슷한 전용 의류에 스마트 기기가 장착돼 있습니다. 자력계와 가속도 센서, 회전량을 측정하는 자이로스코프까지 탑재되었습니다. 부상을 막으려고 데이터를 측정해 선수들 몸에 무리가 가는 정도를 파악하기 위해서였습니다. 인공위성 55개와 통신해 50㎝ 이내 선수들의 미세한 움직임을 감지했습니다. 선수가 얼마나 높이 뛰었는지, 어떤 속도로 달렸는지, 다른 선수와 얼마나 세게 부딪혔는지 등 400개가 넘는 지표를 측정할 수 있었습니다.
고기능성 섬유에 정보통신기술을 접목한 스마트웨어도 있습니다. 옷 안에 발열, 운동량 측정, 질병 진단 등 첨단 기술을 적용하였습니다. 일본 섬유 기업인 도레이는 전기신호를 실어 나르는 섬유를 만들어 심장이 건강하게 뛰고 있는지 측정할 수 있는 옷감을 만들었습니다. 삼성은 옷소매에 칩을 넣어 디지털 명함을 주고받거나 스마트폰을 다룰 수 있는 정장을 공개했습니다. 청바지를 만드는 기업으로 유명한 리바이스는 구글과 손잡고 옷을 만지면 스마트폰을 조작할 수 있는 재킷을 만들었습니다. 스마트 장식품도 많습니다. 허리에 차고 있다가 당겨지는 힘을 읽어 과식을 했는지 알려주는 등 몸의 변화를 감지하는 벨트도 발명되었습니다. 화면을 달아 스마트폰 화면을 볼 수 있는 여성용 팔찌도 있습니다. 렌즈를 통해 넷플릭스나 유튜브 등 콘텐츠를 보여주는 안경도 있습니다

심장 기능 측정하는 시계

가장 대중적인 웨어러블 기기는 스마트워치 입니다. 손목은 사람들이 아주 오랫동안 무엇인가를 차 왔기 때문입니다. 스마트워치는 올해 8600만 대가 팔릴 전망이라고 합니다. 스마트워치는 스마트폰을 꺼내지 않고 그 기능을 이용할 수 있는 시계입니다. 전화를 받을 수 있고, 문자메시지를 주고받는 것도 됩니다. 작은 카메라가 달려 있기도 합니다.
스마트워치로 우리 몸의 정보를 수집해 건강관리가 가능합니다. 지난 6일 애플은 자사 스마트워치인 애플 워치를 이용해 심전도 검사 기능을 사용할 수 있도록 운영체제를 업데이트하였습니다. 심전도 측정은 심장이 뛰면서 생기는 미세한 전류의 흐름을 읽어내는 겁니다. 병원에서 손목과 발목을 집게로 잡고 잠시 동안 복잡한 그래프를 읽는 것을 경험해본 사람도 있을 겁니다. 심장이 고르게 뛰지 않는 부정맥이나, 심장이 살살 뛰는 심방세동 등의 이상 현상을 찾아낼 수 있었습니다. 최근엔 헤모글로빈 속에 들어 있는 산소의 비율을 측정하는 혈중 산소포화도 기능을 더했습니다. 대학과 의료 연구 기관들은 이렇게 확보한 우리 몸의 정보들을 연구합니다. 예컨대 어바인 캘리포니아대 등은 애플 워치의 혈중 산소포화도 측정 기술로 혈중 산소량과 코로나 바이러스의 연관 관계를 파악하는 등의 연구를 하고 있습니다.

스마트 기기에 입력하는 펜의 정확한 이름은 '스타일러스', 혹은 '스타일러스 펜'입니다. 라틴어의 '스틸 루스(stilus)'에서 따온 말인데, '길고 날카롭고 뾰족한 금속 조각'을 의미하는 말입니다. 펜과 종이가 대중화되기 전, 고대에는 판화처럼 날카로운 물건으로 벽을 긁어내서 그림을 그리거나 글씨를 쓰곤 하였습니다. 펜에 잉크나 흑연을 묻히는 것이 아니라 밑판에 자극을 줘 자국을 남기는 방식입니다. 스마트 기기에 사용하는 펜도 실제 잉크나 흑연을 묻히는 것이 아니라 화면에 자극을 줘 기록하기 때문에 이 이름이 붙었습니다.
이후 스타일러스는 축음기에서 레코드 판에 닿는 바늘을 의미하는 단어로도 사용되기 시작했다. 바늘이 판을 긁으며 소리를 기록하는 모습이 스타일러스를 사용하는 것과 같기 때문입니다.
종이에 펜으로 글을 쓰거나 그림을 그리는 것처럼 컴퓨터·태블릿·스마트폰 화면에도 마우스나 키보드를 이용하지 않고 글을 쓰고 그림을 그릴 수 있습니다. 대학생들은 이제 교과서에 필기하는 것보다 스마트 패드에 문서 파일을 띄워놓고 강의 내용을 적는 경우가 더 많다고 합니다.

종이에 쓰는 것처럼 정확하게 인식

정전식은 화면에 미세하게 흐르는 전류를 가로막으면 그 부분에 입력이 이뤄진다고 판단하는 방식이에요. 2007년 등장한 아이폰의 터치스크린이 이 방식입니다. 이 화면의 주 입력 도구는 펜이 아니라 '손가락'입니다. 이 정전식 터치 스크린이 대중화되면서 손가락을 대신할 수 있는 물건들이 나왔습니다. 전기 흐름을 방해할 수 있도록 끝이 뭉툭한 고무 형태의 펜입니다. 현재 대중적으로 쓰이는 스타일러스 펜의 입력 방식은 감압식, 정전식, 그리고 디지털 방식 등 크게 세 가지를 꼽을 수 있어요. 감압식은 센서가 눌리는 힘을 읽어서 지금 펜이 어느 지점을 지나고 있는지 읽는 방식으로 X축과 Y축 평면에 압력 센서들을 집어넣고, 누르는 힘을 읽는 겁니다. 휴대용 게임기 '닌텐도 DS'가 바로 이 방식을 썼어요. 펜뿐 아니라 손이나 볼펜 등 끝이 뾰족해서 점을 누를 수 있는 물체라면 아무것이나 펜으로 쓸 수 있었고, 센서의 적용이 쉬웠기 때문에 화면과 펜 입력이 함께 이뤄지는 초기 터치스크린의 대중적인 기술이었습니다. 하지만 각 점이 눌리는 힘만으로 펜의 위치를 계산하기 때문에 정확도가 떨어졌고, 수시로 센서를 바로잡아 줘야 했어요. 그림은커녕 선을 제대로 긋는 것도 어려운 일이었고  또한 힘을 주어서 써야 했기 때문에 화면이 긁히는 일도 많았습니다.

디지털 방식은 펜 끝의 정확한 위치를 파악해 가장 뛰어난 기술로 꼽힙니다. 디지털 펜은 마치 마우스를 쓰는 것처럼 태블릿 위에서나 화면 위에서 정확하게 한 점을 짚어낼 수 있습니다. 펜 끝을 읽어내는 반응 속도도 빠릅니다. 그래서 종이에 쓰는 것과 똑같이 글자를 쓰고 그림을 그릴 수 있습니다. 또한 센서를 통해 펜과 화면 사이의 거리를 아주 미세하게 읽어냅니다. 최근에는 펜의 기울기까지 인식하여 연필이나 목탄으로 스케치하는 느낌을 디지털로 구현할 수 있습니다
디지털 방식은 전자기 공명 방식과 정전기식 두 가지로 나뉘는데, 기본적인 원리는 펜과 센서가 전자기 혹은 정전기를 내보내고 읽어내는 방식입니다. 전자기 공명 방식은 갤럭시 노트 시리즈를 비롯해, 와콤 등 전통적인 태블릿 입력 장치가 써 왔습니다. 정전기식 펜은 아이패드의 애플펜슬이 대표적입니다.

화면에 점과 선을 그리는 펜

컴퓨터나 스마트폰에 펜으로 어떻게 글을 쓰고 그림을 그리는 걸까요? 스타일러스 펜의 역할은 펜촉이 닿는 곳의 화면 위치를 스마트 기기가 인지해서 점, 혹은 선 등을 남겨주는 방식입니다. 펜은 위치와 입력 정보를 남겨주고, 실제로 그림이 그려지는 것은 디스플레이, 즉 화면 안에서 일어납니다. 이 입력 장치가 컴퓨터에 쓰이기 시작한 것은 사실 아주 긴 역사를 갖고 있습니다. 처음으로 컴퓨터에 펜을 이용한 사람은 1957년 톰 디몬드입니다. 그는 '스티야라토르'라는 컴퓨터에 펜을 이용한 입력 장치를 선보였는데, 지금처럼 화면에 직접 쓸 수 있는 것은 아니었고 전자펜의 입력을 받아들여서 컴퓨터로 보내주는 방식이었습니다. 이 기술이 조금 더 대중적으로 받아들여진 것은 1964년 등장한 RAND라는 이름의 태블릿입니다. 태블릿 터치 인식 입력 장치의 출발이었습니다. 그래픽 전문가나 일러스트레이터, 그리고 요즘의 웹툰 작가들에게까지 이 펜은 아주 중요한 입력 장치가 되었습니다.

종이에 쓴 글 디지털 정보로

최근에는 스타일러스 펜 기술에 인공지능이 더해지고 있습니다. 사람이 아무리 글씨를 예쁘게 쓴다고 해도 컴퓨터 입장에서는 그저 이미지 형태의 선일 뿐입니다. 그래서 악필이더라도 인공지능 기술로 분석해 텍스트로 변환해 줍니다. 마찬가지로 원이나 별 같은 도형을 대강 그려도 찰떡같이 알아보고 정확한 모양을 그려줍니다.
스타일러스 펜은 디스플레이나 태블릿 패드를 벗어나는 시도를 하고 있습니다. 펜의 위치를 디지털로 읽어낼 수 있는 센서를 이용하는 겁니다. 스케치북이나 노트 등 종이 위에 초음파와 적외선을 이용한 센서를 꽂아두고 전용 펜으로 종이에 그림이나 글씨를 쓰면 그대로 디지털 정보로 옮겨줍니다. 센서가 펜의 위치를 실시간으로 읽어내기 때문에 정확도가 높을 뿐 아니라 일반 펜촉을 쓸 수 있기 때문에 종이에 직접 그려진 그림과 디지털 복사본을 동시에 갖게 됩니다. 우리나라 기업 네오랩이 내놓은 스마트 펜은 볼펜 끝에 작은 카메라가 달려 있어서 눈에 보이지 않는 좌표가 새겨진 전용 종이에 쓰면 펜의 위치를 읽어내 이미지 파일로 만들어줍니다. 이 역시 펜촉은 볼펜이기 때문에 필기 본이 그대로 남습니다. 공책부터 다이어리 등 종이만 있으면 어떤 크기의 그림도 글자도 모두 디지털로 기록합니다.