자유시간

메탄올(methanol)은 유기용매 등으로 사용되는 알코올의 일종이다. 메틸알코올 (methyl alcohol), wood spirit, 칼비놀(carbinol)이라고도 불린다.

일련의 알코올 중에서 가장 단순한 분자구조를 가지고 있다. 포르말린의 원료, 알코올램프 등의 연료로 널리 사용된다. 연료전지의 수소공급원으로도 주목받고 있다.

제조법

· 목재 유래에 의한 목초액의 증류( 'wood spirit'라는 이름의 유래).
· 석탄 또는 천연가스의 부분산화로 제조된 일산화탄소(CO)에 산화구리 - 산화아연/알루미나 복합산화물을 촉매로서 50 ~ 100기압, 240~260℃에서 수소(H2)를 반응시킨다.

CO + 2H2 -> CH3OH

· 메탄올 생산균에 의한 발효.
· (의도하지 않는 부산물로) 와인 등의 식물을 원료로 한 술의 양조시에 있어서, 세포벽의 주성분 중 하나로 포함된 펙틴의 발효.

현대의 산업공정은 비용면의 사정에 따라 천연가스를 사용한 생산이 주류이다.

주요 용도

화학 용도 : 페놀수지 및 접착제, 아세트산 및 포르말린의 합성원료. 다양한 화학반응의 용매에 사용되기 때문에 중간제품으로써 다양한 산업에서 사용된다.
연료 용도 : 석유를 대체할 자동차 연료로써 에탄올보다 저렴하고 CNG와 대등한 가격경쟁력을 가지고 있다. 또한 노트북 등의 모바일 기기를 장시간 가동시키기 위해 직접메탄올 연료전지(DMFC)가 기대되고 있다.

주요 화학반응

· 연소시의 반응에서 이산화탄소와 물이 생성된다.
2CH3OH + 3O2 -> 2CO2 + 4H2O

· 달군 구리(Cu)와 반응하여 산화되면 포름알데히드(HCHO)를 생성한다.
CH3OH + CuO -> HCHO + Cu + H2O

· 나트륨(Na)과 반응하여 Sodium methoxide(CH3ONa)와 수소(H2)를 생성한다.
2CH3OH + 2Na -> 2CH3ONa + H2

출처 참조 번역
· メタノール
https://ja.m.wikipedia.org/wiki/%E3%83%A1%E3%82%BF%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%AB#:~:text=%E3%83%A1%E3%82%BF%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%AB%20(methanol)%20%E3%81%A8%E3%81%AF%E3%80%81,%E3%82%A2%E3%83%AB%E3%82%B3%E3%83%BC%E3%83%AB%E3%81%AE%E4%B8%80%E7%A8%AE%E3%81%A7%E3%81%82%E3%82%8B%E3%80%82

2003년 8월 동부 북미 대정전

2003년 8월 13일 오후, 오하이오에 있는 FirstEnergy사는 화력발전시설의 모니터링 시스템의 일부가 버그로 인해 잘못된 긴급경보를 받았습니다. 발전소의 운전은 자동제어에 의해 정지되었고 송전선망 전체에서 균형을 취하고 있던 송전은 절단되었습니다. FirstEnergy사의 시스템담당자는 효과적인 대책을 제시했지만, 일련의 급격한 전압변화에 의해 지역의 송전선은 이미 붕괴되어 송전시스템은 자동으로 종료되어 갔습니다. 한 기씩 동해안의 발전소가 오프라인 상태가 되었고 몇 시간만에 뉴욕시는 암흑에 휩싸였고 정전은 곧 토론토까지 도달했습니다.

캐나다의 온타리오주와 미국 8개 도시에 거주하는 5,500만 명의 사람들이 피해를 입었고, 원격지에서는 며칠 또는 몇 주에 걸쳐 일상생활이 정지한 상태가 지속되었습니다. 이 정전으로 인해 적어도 12명이 목숨을 잃었고, 심각한 경제적 피해를 가져왔습니다. 전력인프라의 물질적인 피해는 몇 주에 걸쳐 복구에 이르렀지만 정전으로 인한 피해비용은 7조 원에 달했다고 추정되고 있습니다.

이 대정전 이후 워싱턴에서는 의원들이 더 엄격한 규제를 요구했고 국방전문가들은 이대로 가다가는 송전망의 취약점이 테러리스트의 표적이 될 것이라고 경고했습니다. 분명한 것은 전력망 시스템이 대폭적인 재검토가 필요하다는 것이었습니다.

미국의 국영발전시설의 절반 이상은 운전개시로부터 30년 이상이 경과했습니다. 연방에너지 규제위원회(FERC)는 2016년부터 2017년까지 약 200개의 발전시설의 운전을 정지시킬 예정입니다. 이러한 발전시설의 정지 이후에는 더 깨끗하고 싸고 오래가는 시설로 전환해 나갈 것으로 예상되고 있지만, 전체 시스템의 업그레이드 비용부담 정보는 아직 알 수 없습니다. 왜냐하면 미국의 전력 송전망 시스템은 수많은 경제세력과 정부규제에 의해 관리되고 있으며, 일부 지역에서는 비밀적 네트워크인 경우도 있습니다. 많은 미국인은 전기가 어디서 어떻게 생산되고 있는지를 아는 것은 매우 어렵고 거의 불가능하다고 할 수 있습니다.

동부 북미 대정전이라는 큰 뉴스는 현재의 전력생성 · 송전 · 분배시스템을 검토하고 개선을 도모하는 계기가 되었습니다.

전력을 왕성하게 소비하는 미국

원래 미국은 전기에 대한 수요가 커, 2015년에는 3,863,275기가와트시를 소비했습니다. 이것은 EU 연합 전체와 러시아 전역의 전력소비량 합계와 필적합니다. 연간 전력소비량에서 미국을 상회하는 나라는 중국뿐입니다만, 그래도 전력소비량을 1인당으로 환산하면 중국은 1인당 3,762킬로와트인데 반해, 미국은 그것의 약 4배인 1인당 12,985킬로와트를 소비하고 있습니다. 전력부문은 미국에서 가장 중요한 산업의 하나이며, 전력망 시스템이 미국 최대의 기술적 성과의 하나임에는 틀림없습니다.

미국이 이 같은 전력소비 습관을 유지할 수 있는 이유는 국내에서 생산된 전기로 전력수요가 충족시킬 수 있기 때문입니다. 즉, 소비전력보다 더 많은 전력을 국내에서 생산할 수 있다는 것입니다.

송전력망의 해체

75,000개 이상의 발전소 집단이 24시간 전력을 발전하고 있습니다. 전력은 운동에너지를 전기에너지로 변환시켜 만들어집니다. 일반적으로 회전하는 터빈 안에 자석이 있고, 자석 주위에 구리 와이어 또는 디스크가 있는데, 터빈의 회전에 따라 자석을 돌아가며 와이어에 전기가 흐르는 구조로 되어 있습니다.

발전소의 규모와 종류는 다양하며 화석연료와 풍력 등의 1차 에너지를 연료로 터빈을 회전시킵니다. 일부 발전소는 다른 발전소보다 더 많은 전력을 생산하고 있습니다. 발전한 전력은 장거리 송전에 최적화된 고압전원 케이블을 사용하여 발전소에서 변전소로 송전됩니다. 이 송전케이블은 원격지의 커뮤니티를 연결하는 전기의 고속도로와 같은 것입니다.

변전소에 도착한 전력은 안전한 전압까지 낮춘 후 낮은 전압의 고압선을 통해 공장이나 일반가정에 전달됩니다. 만약 이 송전케이블이 모든 최종사용자에게 연결되어 있다고 가정하면, 그 길이는 약 72만 km나 되는데 이것은 지구와 달을 왕복이 가능한 거리입니다.

전력망의 물리적 인프라의 대부분은 민간의 공익사업회사가 소유하며 운영하고 있습니다. (참고 : 전력 네트워크는 크게 발전 · 송전 · 소매라는 3가지로 이루어져 있습니다. 미국에서는 이 송전부분에서 여러 전력회사가 서로 전력을 융통할 수 있도록 상호연결을 하고 있습니다) 송전 네트워크의 상호연결은 동, 서, 텍사스라는 그룹으로 분류할 수 있습니다. 그룹 내에서의 송전은 쉬운 한편, 그룹간 연결은 주파수가 다르고 비용도 들기 때문에 곤란합니다.

미국의 전력망은 통일된 시스템이 아니라 독립적인 네트워크가 이어붙이기 식으로 모인 상태에서 연결이 필요할 때 임시로 대응하고 있는 상황입니다.

출처 참조 번역
· Wikipedia

5세대 이동통신 시스템(5G)의 상업서비스가 2020년부터 본격적으로 시작하고 있습니다만, 이미 그 다음 세대인 6세대 이동통신 시스템(6G)의 개발이 시작되고 있습니다. 현시점에는 아직 6G의 국제표준은 미수립상태이고 어디까지나 이론적인 단계에 머물러 있지만 이미 중국과 미국 사이에서 개발 경쟁이 격화하고 있다고 Bloomberg가 보도합니다.

Forget 5G, the US and China Are Already Fighting for 6G Dominance
https://www.bloombergquint.com/technology/forget-5g-the-us-and-china-are-already-fighting-for-6g-dominance

Huawei 등 중국의 기술기업은 세계에 앞서서 5G 상용서비스를 전개했습니다. 도널드 트럼프 전 대통령은 미국에서 중국기술 기업을 쫓아내려고 시도했었고, 세계에서도 Huawei 배척운동이 있었습니다만, 현재 5G 관련 기술은 중국기업이 주도하고 있는 상황입니다.

이에 미국은 6G 개발로 기술대국으로서의 지위를 되찾으려 분투하고 있다고 Bloomberg는 전합니다. 미국의 컨설팅회사인 프로스트 & 설리번의 정보통신기술담당 수석 인더스트리 디렉터인 뷔쿠란 간디 씨는 "5G 때와는 달리 미국은 6G를 견인하는 기회를 잃지 않으려 할 것이고, 6G의 개발경쟁은 5G 때보다 심화할 것"이라고 전망합니다.

6G는 아직 국제표준이 정해져 있지 않지만, 전송속도 100Gbps ~ 1Tbps의 초고속 통신에 0.1 밀리초 이하의 초저지연이 구현되는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 현재 1Tbps 정보를 전송할 수 있는 모뎀칩은 존재하지 않기 때문에 실현은 먼 이야기라고 생각됩니다. 간디 씨도 "2021년 2월 시점에서조차 5G서비스는 전 세계적으로 약 100개의 통신사업자가 제한된 지역에서 제공하고 있습니다. 6G의 실현에는 적어도 15년은 걸릴 가능성이 있습니다"라고 말합니다.

그러나 이미 연구자들은 6G 연구를 전력으로 추진하기 위한 체제를 갖추고 있습니다. 미국의 전기통신표준화협회(ATIS)는 6G에서 미국의 리더십을 추진하기 위해 Apple과 AT&T, Qualcomm, Google, Samsung 등 주요 기술기업과 함께 6G 관련 기술개발 추진 조직 'Next G Aliance'를 2020년 10월에 세웠습니다. 또한 EU는 Nokia 주도하에 6G 무선 프로젝트를 시작합니다.

간디 씨는 "기술의 발전, 특히 6G에 의한 무선통신과 같은 미래적이고 복잡한 것은 신중하게 개발해야 합니다. 국가나 민간기업이 곧장 6G의 개발을 시작할 수 없다고 생각되므로, 미국은 Next G Alliance 등으로 6G 개발의 주도권을 얻었습니다"라고 설명합니다.

한편, 중국도 이미 6G 관련 기술의 개발을 진행하고 있습니다. Huawei는 캐나다에 6G 연구센터를 두고 있으며, 통신장비 제조업체 ZTE도 통신사업자 차이나 유니콤 홍콩과 제휴하여 6G 관련 기술을 개발하고 있다고 합니다. Bloomberg는 "미국정부는 5G기술이 중국의 권위주의 정권에 의해 어떻게 사용되고 있는지에 대해 점점 우려를 더해 가고 있으며, 6G 관련 기술을 국민의 감시에 적용할 것으로 예상하고 있습니다. 사실 중국은 이미 감시카메라와 AI, 얼굴인식, 음성이나 DNA 등의 생체인식 기술로 국민을 추적하기 시작했습니다"라고 지적합니다.

독일의 싱크탱크인 European Policy Centre의 선임고문인 폴 티마스 씨는 "중국은 미국시장과 유럽시장을 미래에 확실히 잃을 것으로 보고, 모니터링 및 억제를 실시하고 있습니다. 이것은 6G 기술개발이 국가의 이데올로기와 뗄래야 뗄 수 없는 관계에 있다고 중국이 생각한다는 것을 보여줍니다"라고 설명합니다.

보통의 나무판을 유리처럼 투명하게 한 후, 유리보다 튼튼하고 우수한 단열 특성을 갖게 하는 기술을 메릴랜드대학 연구팀이 발표했습니다. 뛰어난 단열성능을 자랑해 미래에는 유리를 대체할 자재로 활약할 것으로 기대됩니다.

Solar-assisted fabrication of large-scale, patternable transparent wood | Science Advances
https://advances.sciencemag.org/content/7/5/eabd7342

Scientists develop transparent wood that is stronger and lighter than glass | CBC Radio
https://www.cbc.ca/radio/quirks/scientists-develop-transparent-wood-that-is-stronger-and-lighter-than-glass-1.5902739

목재는 기본적으로 식물섬유의 주성분인 '셀룰로오스'와 셀룰로오스를 결합하여 강도를 만들어내는 '리그닌'으로 구성되어 있습니다. 이 리그닌에 포함된 '발색단'이라는 분자에 의해 나무가 갈색으로 염색되어 내부까지 빛이 통과하는 것을 막고 있습니다.

이 리그닌을 제거하여 나무를 투명하게 하는 시도는 이전부터 이루어지고 있었습니다. 그러나 리그닌의 제거는 고온 하에서 장시간의 작업과 유해한 화학물질이 필요했고, 이로 인해 제조비용이 매우 높아진다는 것이 단점이었습니다.

이에 메릴랜드대학 연구팀은 길이 1미터, 두께 1밀리미터의 나무판에 일반페인트 브러시로 과산화수소를 도포하여 햇빛 또는 자외선램프에서 1시간 정도 방치했습니다. 그러자 과산화수소에 의해 리그닌이 표백되어 목재가 하얗게 되었습니다.

다음으로 연구팀은 해양개발용으로 설계된 투명한 에폭시수지를 목재에 주입하여 나무에 존재하는 작은 공간이나 구멍을 채운 후 경화시켰습니다. 목재에 에폭시수지가 채워지며 백색이었던 목재가 투명하게 되었습니다. 이 투명화의 원리는 희고 불투명한 직물을 물에 적시면 반투명이 되어 건너편이 비쳐 보이게 것과 같은 원리라고 연구팀은 설명합니다.

에폭시수지에 의해 투명해진 나무는 가시광선의 약 90%를 투과시키기 때문에 유리처럼 높은 선명도를 자랑합니다. 동시에 투명한 목재는 목재 유래의 강도와 유연성도 가지고 있기 때문에 유리보다 깨지기 어려우면서도 유리보다 가볍다고 합니다.

그리고 이 투명한 목재는 단열성이 매우 우수한 것으로 밝혀졌습니다. 유리창은 건물에서 열손실의 큰 요인이기 때문에 투명한 나무는 건물의 에너지효율을 높게 유지하는 데 도움이 될 것으로 기대됩니다. 또한 열악한 환경에 설치되는 태양광 패널의 커버에 응용할 수도 있습니다.

연구팀에 따르면 투명하게 할 수 있는 목재는 발사(balsa)에서 오크까지 다양하며 목재가 절단된 방향에 관계없이 투명화가 가능하다고 합니다.

이번에 발표된 기술은 고온의 환경을 필요로 하지 않기 때문에 제조비용이 적게 든다고 연구팀은 주장합니다. 그러나 이번에 발표된 기술은 어디까지나 실험실 규모에서 이루어진 것이며, 산업 규모로 확장된 것이 아니어서 실용화에는 시간이 걸립니다.

연구원은 투명한 나무를 "새로운 건축자재로서 큰 잠재력을 가지고 있으며, 이론적으로 집 전체를 투명하게 만들 수도 있습니다"라고 말합니다.

연료전지 자동차의 연료인 수소는 고압탱크에 운송 · 보관해야 하는 등 취급이 어렵습니다. 그런 수소를 취급이 용이한 페이스트 상태의 물체에 저장한 'POWERPASTE'가 독일의 프라운호퍼 연구기구의 생산기술 · 응용재료 연구소(IFAM)에서 개발되었습니다.

Hydrogen-powered drives for e-scooters
https://www.fraunhofer.de/en/press/research-news/2021/february-2021/hydrogen-powered-drives-for-e-scooters.html

IFAM에 따르면, 독일은 수백만 대의 연료전지 자동차가 이미 도로를 달리고 있다고 합니다. 그러나 연료전지의 재료가 고가이고 고압탱크를 갖춘 수소스테이션의 건설에 많은 비용이 소요되며 스쿠터와 소형차량에 수소를 저장하는 고압탱크를 탑재하기 어려운 점 등 여러 문제점이 지적되고 있어 해결을 위해 많은 연구가 이루어지고 있습니다.

Spinach Gives Fuel Cells a Power Up - IEEE Spectrum
https://spectrum.ieee.org/energywise/green-tech/fuel-cells/spinach-gives-fuel-cells-a-power-up

이번 IFAM의 개발을 발표한 'POWERPASTE'는 비교적 저렴하게 구할 수 있는 수소저장재료인 수소마그네슘을 기반으로 한 페이스트로 상온의 대기압에서 수소를 안전하게 보관할 수 있다고 합니다.

'POWERPASTE'는 다른 탱크에서 공급되는 물과 반응하여 연료전지에 필요한 양의 수소를 발생시킵니다. 이때 에너지로 사용되는 수소의 절반은 반응용의 물에서 공급되기 때문에 'POWERPASTE'는 실질적인 에너지밀도가 매우 높은 것입니다. IFAM은 "POWERPASTE는 리튬이온 배터리에 비해 10배 이상의 에너지를 안전하게 저장할 수 있으며, 250도 미만의 온도에서 수소를 발생시키지 않기 때문에, 더운 날씨 속에서 차량을 장시간 방치해도 안전하다"고 에너지 저장량과 높은 안전성을 강조합니다.

고압탱크를 갖춘 수소스테이션을 운영하려면 수소펌프 1대당 100만 ~ 200만 유로(약 12억 7000만 ~ 25억 4000만 원)의 설비투자가 필요하지만, 'POWERPASTE'는 상온의 대기압에서 보관이 가능하므로 수만 유로 수준의 설비투자로 운영할 수 있다고 합니다. 또한 고압탱크가 필요없기 때문에 비교적 저렴하게 운송할 수 있습니다. 이런 강점에 IFAM은 수소스테이션의 설비가 갖추어지지 않은 지역에 'POWERPASTE'의 공급시설이 늘어날 것으로 기대하고 있습니다.

IFAM은 "POWERPASTE는 소형카트리지로 운용할 수 있으므로 전기스쿠터와 소형승용차에 탑재할 수 있고, 그 밖에도 배터리 구동 전기자동차의 주행거리 연장용으로 이용될 것으로 기대됩니다. 또한 무인항공기에 'POWERPASTE'를 이용한 전력공급 시스템을 탑재하여 비행가능 시간을 대폭 늘리고, 임업 및 전선점검 등 장시간의 비행이 필요한 분야에서 드론을 활용할 수 있게 될 가능성도 있습니다. 그 외에도 캠핑카에 탑재한 'POWERPASTE'를 이용하여 커피메이커와 토스터에 전력을 공급하는 등 사용방법도 생각할 수 있습니다"라며 'POWERPASTE'가 다양한 용도로 사용될 미래를 전망합니다.

IFAM은 연간 최대 4톤의 'POWERPASTE'를 생산할 수 있는 공장을 건설 중이며, 2021년에 가동을 개시할 예정입니다.

물리학자 리처드 P 파인만은 양자전기역학(QED)의 발전에 크게 기여한 공로로 노벨물리학상을 수상했습니다. 일반인에게는 난해한 파인만의 업적 중 하나인 파인만 도형에 대해서 Quanta Magazine이 애니메이션으로 설명합니다.

What Are Feynman Diagrams? - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=qe7atm1x6Mg

1948년 봄, 미국의 포코노산맥에서 리처드 파인만 등 세계 굴지의 물리학자로 구성된 회의가 열렸고, 이 자리에서 입자의 운동에 대한 논의가 이루어졌습니다.

아인슈타인의 특수상대성이론과 일치하는 형태로 입자의 운동을 설명하는 작업은 물리학의 큰 문제이며, 수많은 가능성과 문제가 고려되고 있습니다.

입자의 운동을 추적하고 계산하기 위해 파인만이 고안한 것은 간단한 그림이었습니다.

이 그림은 이후 물리학계에서 '파인만 도형'이라고 불리게 됩니다.

세계대전 이후 물리학자들은 전자기력을 설명하는 이론을 더 발전시키고 싶다고 생각했습니다.

왜 같은 하전입자가 서로 반발하고 서로 반대의 전하입자가 끌어당기는지를 규명하는 양자전기역학(QED)은 입자의 운동으로 일어날 수 있는 결과의 개연성을 계산하게 해줄 것으로 기대되었던 것입니다.

하지만 여기에는 넘을 수 없는 두 가지 문제가 있었습니다. 첫 번째 문제는 '방정식을 쓰기 위해서는 고려할 수 있는 입자의 운동을 계속해서 추적해야 한다'는 것. 이것은 아무리 유능하고 참을성 있는 물리학에서도 실신할 정도로 불가능에 가까운 일입니다.

그리고 두 번째 문제는 입자가 어떻게 모이고 산란하며 다른 입자로 변환되는가라는 가능성인 '산란진폭'을 수량화할 때 계산은 파탄이 나고 무한대가 만들어진다는 것입니다.

1948년에 고안된 파인만 도형은 입자의 운동에 대해 계산하고 마지막으로 정량화하기 위한 간단한 시각화라고 할 수 있습니다.

파인만 도형은 공간과 시간에서 입자의 운동을 나타내는 것입니다. 파인만 도형에서 직선 그래프는 전자와 같은 입자를 나타내고, 물결 그래프는 광자와 같은 힘을 전달하는 입자를 나타냅니다.

아래의 그림은 세로축이 시간, 가로축이 공간을 나타내며 입자끼리 광자를 캐치볼하면서 힘을 주고받는 모습을 나타내는 다이어그램입니다. 먼저 왼쪽의 전자가 광자를 방출하며 진로를 바꾸고 튕겨 나온 광자가 다른 전자의 방향을 바꾸는 식으로, 산란이 일어나고 과정을 보여줍니다.

뒤집으면 전자가 나타내는 화살표가 반대 방향이 되며, 양전자가 전자가 되었습니다.

다이어그램의 각 좌표는 QED에 대응한 방정식에 의해 정의되며, 이것들이 소립자의 반응과정을 표현하고 있는 것입니다.

이러한 산란은 입자가 반응하는 모든 곳에서 발생합니다. 이때 에너지, 속도, 전하가 저장되게 됩니다.

파인만 도형의 기묘한 점은 이 가상입자가 소멸하거나, 시간을 거스른다는 것. 즉, 공간 속에서 어떤 불가사의한 반응도 일어날 수 있다는 것을 의미합니다.

입자의 반응에는 무한한 가능성이 있습니다만, 파인만 도형은 이 가능성을 단순화하여 발생할 수 있는 결과를 계산할 수 있게 합니다.

파인만이 파인만 도형을 발표했을 때, 동료들은 파인만 도형을 자신의 연구에 어떻게 사용하면 좋을지 몰라 혼란스러워했지만......

이론물리학자 프리먼 다이슨은 연구자가 이해하고 자신의 연구에 사용할 수 있도록 파인만 도형을 수학적으로 변환하였습니다. 또한 다이슨은 재규격화를 통해 어떻게 무한대가 유한한 값으로 바뀌는지를 제시해 보였습니다.

다이슨의 노력이 결실을 맺어, 파인만 도형은 널리 퍼져 현대의 이론물리학에 큰 영향을 주었습니다. 그러나 시간이 흐르면서 파인만 도형에 한계가 있다는 것도 알게 되었습니다. 예를 들어, 아원자입자의 충돌은 비교적 간단한 산란진폭을 계산할 때에도 수천 개의 다이어그램이 필요합니다.

그래서 물리학자 중에는 새롭게 'Amplituhedron'라는 다차원적인 기하학적 접근으로 산란진폭을 계산하려는 움직임도 있다고 합니다.

그러나 이 모든 것은 1948년에 열린 포코노산맥에서 비롯된 것으로, 파인만 도형은 작은 그림으로 광대한 우주의 이해를 돕는 혁신적인 도구라고 평가할 수 있습니다.

저온에서 장기간 저장한 감자는 전분의 당화가 진행되어 달콤하지만, 상온에 노출되면 단맛이 떨어져 버립니다.

상온에서는 당분이 호흡 등으로 사용되어 당분의 기반이 되는 전분이 분해되어 버린 것이 원인같습니다.

'일본식품과학공학회지 제62권 제1호 2015년 1월'의 '식용감자 품종의 저온저장에 의한 당분함량의 증가 특성'이라는 연구에 따르면, 수확 후 2℃에 저장한 '잉카노메자'라는 감자의 저장기간에 따른 당함량의 변화를 꺾은선 그래프로 보여줍니다. 표를 보면 저장과 함께 당함량이 증가하고 있는 것이 알 수 있습니다.

저온저장에 의한 감자의 당화로 증가한 당도는 상온에서의 운송과 판매로 감소합니다.

출처 참조 번역
· Wikipedia
· データ発見！　やっぱり甘さ激減でした。
https://suzutatsu831.com/%E3%83%87%E3%83%BC%E3%82%BF%E7%99%BA%E8%A6%8B%EF%BC%81%E3%80%80%E3%82%84%E3%81%A3%E3%81%B1%E3%82%8A%E7%94%98%E3%81%95%E6%BF%80%E6%B8%9B%E3%81%A7%E3%81%97%E3%81%9F%E3%80%82/

99번째 원소 '아인슈타이늄(einsteinium)'이 인공생성되어, 구조적 및 분광학적 특성이 밝혀졌습니다.

Structural and spectroscopic characterization of an einsteinium complex | Nature
https://www.nature.com/articles/s41586-020-03179-3

Chemists create and capture einsteinium, the elusive 99th element | Live Science
https://www.livescience.com/einsteinium-experiments-uncover-chemical-properties.html

아인슈타이늄은 최초의 수소폭탄 실험 '아이비 작전'에 의해 생성된 낙진 속에서 우연히 발견된 인공방사성원소로 그 이름은 '20세기 최고의 물리학자'라고 불리는 알베르트 아인슈타인에서 딴 것입니다. 아인슈타이늄은 원자로의 기동용 연료로 사용되는 원자번호 98의 캘리포늄의 부산물로 생성될 수도 있지만, 분리가 어려운 데다 반감기가 짧아서 연구가 곤란했습니다.

캘리포니아대학 로렌스 버클리 국립연구소의 연구팀은 전용원자로에서 원자번호 96의 퀴륨에 중성자와 양성자를 충돌시켜 아인슈타이늄의 동위원소인 254Es를 200나노그램 미만 정도 생성하는 데 성공했습니다. 또한 인체에 유해한 감마선 방출에 대처하기 위해 3D 프린터로 특별한 보호기를 작성하여 아인슈타이늄을 보관했습니다.

그러나 반감기가 짧은 아인슈타이늄은 1개월마다 질량의 7.2%를 잃어가고 신종 코로나바이러스 감염(COVID-19)의 대유행 등의 어려움 속에서, 연구팀은 생성된 아인슈타이늄을 구조적 및 분광학적 분석을 실시하였고 아인슈타이늄의 결합길이 및 발광특성이 악티니드(원자번호 89 ~ 103의 원소)에 보이는 규칙성에 반한다는 것을 입증했습니다.

연구팀의 코레이 카터 씨는 이번 실험에 대해 "소량의 원소로 화학분석을 할 수 있는 토대를 마련하는 작업입니다"라고 설명합니다. 과학계열 뉴스사이트 Live Science는 "이번 실험을 통해 아인슈타이늄의 생성이 촉진되어, 아인슈타이늄에서 미발견 원소를 생성할 수 있는 길이 열릴 가능성이 있습니다"라고 평가합니다.

'들러붙지 않는다는 광고를 보고 구입한 프라이팬이 가열하는 동안 음식이 들러붙는 경험이 있는 사람도 많을 것입니다. 이런 기능성 프라이팬에 음식이 들러붙는 현상에 대해, 체코과학아카데미가 '온도차에 의해 기름의 두께에 차이가 있는 것이 원인'이라는 연구결과를 발표했습니다.

On formation of dry spots in heated liquid films: Physics of Fluids: Vol 33, No 2
https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0035547

Why food sticks to nonstick frying pans
https://phys.org/news/2021-02-food-nonstick-pans.html

체코과학아카데미의 알르페 돌체 씨 연구팀은 기능성 세라믹 냄비와 테플론 코팅 프라이팬 2가지로 해바라기 기름을 가열하는 실험을 실시했습니다. 알르페 돌체 씨 연구팀은 실험의 모습을 비디오로 촬영하였고 가열하는 동안 프라이팬 중앙부에 기름이 없는 부분이 형성되는 것을 확인했습니다.

이 현상에 대해 알르페 돌체 씨 연구팀은 온도구배가 원인이라고 지적합니다. "해바라기 기름 등의 일반적인 액체의 경우는 온도상승에 따라 표면장력이 저하되기 때문에 특히 온도가 높은 중심부의 표면장력은 다른 부분에 비해 한층 낮아져, 결과적으로 유막이 중심에서부터 파괴된다"고 결론내렸습니다. 프라이팬의 중앙에 기름이 없는 부분이 생기는 것으로 인해 중앙 부분에서 들러붙거나 타버리기 쉬워진다는 것입니다.

돌체 씨 연구팀은 유체역학에 근거한 계산으로 유막이 중앙부에서 파괴되는 조건을 특정했고, 중앙부에 기름이 머물도록 하는 조건으로 '기름의 양을 늘린다', '가열을 적당히 한다', '깨끗하게 프라이팬 표면의 기름을 제거한다', 바닥이 두꺼운 프라이팬을 사용한다', '요리 도중에 적절히 휘젓는다' 등이 포인트라고 말합니다.

돌체 씨 연구팀은 문제의 현상이 대기오염 방지장치의 세정탑 등의 산업시설에서도 발생할 수 있다고 지적하며 "유막파괴는 전자부품에 급격한 가열을 일으켜 타격을 줍니다"라고 설명하며, 이번 연구결과가 프라이팬에 한정된 것이 아닌 다양한 분야에 전용될 가능성이 있다고 주장합니다.

독자적으로 개발한 인공위성을 통해 기존의 위성사진보다 고해상도의 위성사진을 제공하는 서비스 'Albedo'가 2024년부터 서비스가 시작된다고 예고합니다.

Albedo
https://www.albedo.space/

Launch HN : Albedo (YC W21) - Highest resolution satellite imagery | Hacker News
https://news.ycombinator.com/item?id=25989085

위성사진은 측정 가능한 범위를 나타내는 분해능에 의해 그 해상도가 결정되며, 수치가 낮을수록 해상도가 높습니다. 기존의 위성사진에서 가장 해상도가 높은 것이 30cm 정도였는데 Albedo는 해상도 10cm로 훨씬 고해상도의 위성사진을 제공합니다.

Albedo의 설립자인 Topher Haddad 씨는 Albedo가 제공할 예정인 해상도 10cm의 위성사진과 현시점에서 얻을 수 있는 가장 높은 해상도인 30cm의 위성사진을 비교한 이미지를 자신의 Twitter에 게시하며 Albedo가 제공하는 위성사진의 선명도를 어필합니다.

Albedo의 인공위성은 해상도가 높은 온도센서도 탑재될 예정이라고 합니다.

고해상도 위성사진과 온도센서를 이용할 수 있으므로 Albedo를 이용하여 산불감시를 손쉽게 할 수 있습니다.

Haddad 씨는 커뮤니티 사이트 Hacker News에서 Albedo를 설립하게 된 경위를 설명하며 "기존의 위성사진 판매서비스는 위성사진의 구매까지 영업담당자와의 기나긴 거래가 필요하거나 구매한 데이터가 손에 들어올 때까지 시간이 걸리고 한 번에 구입할 수 있는 위성사진의 최소 구매 면적이 정해져 있는 등 구매에 장벽이 되는 요소가 많이 있었습니다. Albedo는 이러한 문제의 해결에 최선을 다하고 있습니다"라고 말합니다.

Albedo의 가격설정은 연간 100만 ㎢ 이상의 위성사진을 구입하면 선택할 수 있는 'Believer' 플랜은 1㎢당 2달러 정도로 위성사진을 구입할 수 있습니다.

Hacker News에 게시된 'Albedo의 위성사진은 어떤 용도를 상정하고 있습니까?'라는 질문에 대해 Haddad 씨는 "GPS가 '포켓몬GO'나 'Uber'라는 서비스에서 사용되는 것을 상정하지 않았던 것처럼, Albedo는 특정 용도를 상정한 서비스가 아닙니다. 그러나 지금까지 없었던 고해상도 위성사진은 농업, 지도 제작, 환경 보호 등 다양한 용도로 이용될 것으로 생각합니다"라고 답변했습니다.

덧붙여 Albedo가 개발중인 인공위성은 2024년에 발사될 예정입니다.

테슬라와 SpaceX의 CEO인 일론 머스크 씨는 2017년에 인간의 뇌를 AI에 연결하는 것을 목표로 스타트업 'Neuralink'을 세웠습니다. Neuralink는 지금까지 사람의 뇌와 AI를 잇는 임베디드 칩 'Link'를 발표했는데, 머스크 CEO는 새로운 'Clubhouse'라는 앱에서, 뇌에 칩을 삽입한 원숭이가 비디오게임을 생각으로 플레이하는 데 성공했다고 발언했습니다.

Elon Musk: Neuralink wires up monkey to play video games using mind
https://www.cnbc.com/2021/02/01/elon-musk-neuralink-wires-up-monkey-to-play-video-games-using-mind.html

Elon Musk claims a monkey's using Neuralink to 'play games with his mind'
https://thenextweb.com/neural/2021/02/01/elon-musk-claims-neuralink-created-a-brain-implant-that-a-monkey-is-using-to-play-video-games-with-his-mind/

Clubhouse는 초대제의 음성채팅 앱으로 10일 만에 200만 사용자를 모았고 현재 500만 사용자가 이용하고 있는 것으로 알려져 있습니다. 머스크 씨는 2021년 1월 31일 Clubhouse를 사용하여 토크쇼를 열었고 그 와중에 Neuralink에 대해 언급했습니다.

Neuralink의 임베디드 칩에 대해 머스크 CEO는 "두뇌로 이어지는 작은 철사를 가진 두개골 속의 Fitbit 같은 것"이라고 설명합니다. 이미 실험에서 원숭이의 뇌에 칩을 삽입하여 '생각'으로 비디오게임을 플레이하는 데 성공했다고 밝혔습니다. 또한 원숭이를 대상으로 한 실험은 미국농무부(USDA)의 감찰에서 "훌륭한 원숭이 시설"이라고 평가받았다고 덧붙였습니다.

Neuralink가 개발중인 임베디드 칩이 어떤 것인지는 아래 링크에서 확인 가능합니다.

Musk says that Neuralink implants are close to ready for human testing | Ars Technica
https://arstechnica.com/science/2020/08/musk-says-that-neuralink-implants-are-close-to-ready-for-human-testing/

Elon Musk trots out pigs in demo of Neuralink brain implants - The Verge
https://www.theverge.com/2020/8/28/21406143/elon-musk-neuralink-ai-pigs-demo-brain-computer-interface

Neuralink는 돼지와 원숭이의 뇌에 칩을 삽입하는데 성공하고 있지만, 인간을 대상으로 한 실험은 아직 완료되지 않았습니다. 한편 머스크 CEO는 과거에 "인간의 뇌에 삽입하면 텔레파시가 가능해져 커뮤니케이션이 가속화된다"거나 "사람의 사후에 정신을 로봇에 주입한다"라는 아이디어에 대해서도 공개적으로 발언했습니다. 그리고 가까운 미래에는 뇌와 척추에 손상을 입은 사람이 칩을 이용하여 생각으로 장치를 제어할 수 있도록 하고 싶다고 말했습니다.

또한 토크쇼의 다음날인 2월 1일, 머스크 CEO는 Twitter에서 "Neuralink에서 일하는 것을 고려해보십시오!"라고 직원을 모집하는 글을 올렸습니다.

빛이 가진 '입자'와 '파동'이라는 이중의 성질을 시각화하는데 스위스 연구팀이 처음으로 성공했다. 이 실험의 키는 전자를 매체로 한 독자적 촬영방법에 있다.

빛은 '입자'나 '파동'이라는 이중적 성질이 있는데, 그런 성질을 가진 마이크로 물질(입자, 전자, 원자, 분자 등)을 '양자'라고 부른다. 이 작은 물질의 운동은 어떤 의미에서는 매우 직관적인데, 유명한 이중슬릿실험에서도 빛의 이중성이 확인되었다. 발사된 하나의 입자는 2개의 슬릿 중 하나를 통과한 다음 표면에 '점'으로 착탄하지만, 이를 반복하면 착탄한 입자의 확률분포가 서로 간섭하는 파동을 방불케하는 간섭무늬를 그린다.

문제는 입자와 파동, 둘의 성격을 모두 동시에 관측한 적이 없다는 것이다. 애초에 양자가 입자처럼 운동할지 파동처럼 할지는 관측방법에 따라 달라진다. 그러나 이 입자라고도 파동이라고도 할 수 없는 것이 양자이므로, 이 이중성의 해석에 연구자들은 고민해왔다.

로잔연방공과대학교(EPFL)의 연구팀은 어느 실험방법을 통해 파동과 입자의 이중성을 동시에 시각화하는 데 세계 최초로 성공했다. 일반적으로 물질의 촬영에는 빛이 필요하지만, 이번 실험의 난제는 빛 자체를 어떻게 피사체화할지 계획하는 데 초점이 맞춰져 있었다. EPFL의 하브리지오 카르보네 박사가 이끄는 연구팀은 빛의 이중성의 시각화에 '전자'를 매체로 이용하였다.

실험에서는 우선 작은 금속제 나노와이어에 레이저 펄스를 맞추고, 와이어 내의 하전입자에 에너지를 가하여 진동시켰다. 이 전자파 ── 즉 빛은 마치 도로의 대면통행처럼 나노와이어에 따라 두 방향으로 흘러 반대방향의 파동과 간섭하여 정상파를 만들어낸다. 나노와이어를 둘러싸도록 방사되는 이 정상파야말로 이번 실험의 빛의 원천이 될 것이며, 빛의 파동으로서의 성질을 나타내는 것이다.

그 다음 연구진은 나노와이어를 향한 전자빔을 가까운 거리에서 발사하여 빛의 정상파에 간섭시켰다. 전자는 나노와이어를 타고 광자(즉 '입자'로서의 성질)에 부딪쳐 이것을 가속시키거나 감속시킨다. 이러한 속도변화는 전자와 광자의 충돌로 교환되는 에너지의 패킷(또는 양자)으로 표현되고, 그 위치를 초고속 전자현미경으로 포착하여 광파(정상파)와 그 속에 존재하는 각각의 빛의 입자를 동시에 시각화할 수 있다.

집합체로서의 빛은 입자에 가깝거나 파동에 가까운 것, 또는 그 어느 쪽이라고도 할 수 없는 것 등 다양한 상태의 광자가 혼재하고 있다.

이번 실험에서는 파동처럼 운동하는 빛의 집합체 속에 전자를 충돌시킴으로써 입자로 행동하는 광자를 찾아내어, 파동과 입자를 한번에 이미지화하는데 성공했으며, 하나의 실험에서 양자의 이중성을 확인하는 좋은 아이디어이다. 이것은 강의 물결의 표면에서 각각의 물분자의 운동을 아는 것은 불가능하더라도, 염료를 첨가한 미세입자를 대량으로 투입하면 입자와 파동이 동시에 보인다는 예를 상상하면 이해하기 쉽다.

양자물리학의 돌파구가 되는 이 실험의 자세한 내용은 'Nature Communications'에 오픈저널로 공개되어 있다.

"이 실험은 상반되는 성질을 가지는 양자역학을 직접 촬영할 수 있다는 것을 보여준 최초의 실험입니다. 양자적 현상을 나노스케일에서 컨트롤하고 시각화하는 것은 양자연산 분야에 새로운 길을 열 것입니다."라고 카르보네 박사는 말한다.

출처 참조 번역
· Wikipedia
· Simultaneous observation of the quantization and the interference pattern of a plasmonic near-field
https://www.nature.com/articles/ncomms7407

· 光の「粒子」と「波動」を同時に可視化、世界で初めて成功
https://wired.jp/2015/03/28/visualize-light-wave/

이중 슬릿 실험(Double-slit experiment)은 파동과 입자의 이중성을 전형적으로 보여주는 실험으로 리처드 파인만은 이를 '양자역학의 정수'라고 불렀다. 영의 실험에서는 빛 대신에 1개의 전자를 사용했다.

이 실험은 고전적인 사고실험이었다. 실제 실험은 1961년에 튀빙겐대학의 클라우스 옐슨이 여러 전자로 실시한 것이 최초이며, 1회에 1개의 전자를 이용한 실험은 1974년에 피에르 조르조 메르리 연구팀이 밀라노대학에서 실시했다. 1989년에 기술의 발전을 반영하는 추가시험을 도노무라 아키라 연구팀이 실시했다.

1982년 광자 1개 분량 이하로 약하게 한 레이저광에 의한 유사한 실험이 하마마츠 포토닉스(주) 중앙연구소에 의해 이루어졌다.

2002년 이 실험은 Physics World의 독자투표에서 '가장 아름다운 실험'에 선정되었다.

◆ 실험

전자총에서 전자를 발사하여 반대편의 사진건판에 도달시킨다. 그 사이는 진공으로 되어 있다. 전자가 지나가는 길목에 해당하는 위치에 칸막이를 둔다. 그 칸막이에는 2개의 슬릿이 있고, 전자는 여기를 통과해야 한다. 그러면 사진건판에는 전자에 의한 감광에 의해 농담의 줄무늬가 상으로 그려진다. 그 줄무늬는 파도의 간섭무늬와 같고 전자의 파동성을 보여준다.

이 실험에서는 전자를 1개씩 발사시켜도 같은 결과를 얻을 수 있다. 즉 전자를 1번에 1개씩 발사하는 것을 여러 번 반복한 후 그 합계에 해당하는 것을 사진건판에서 확인해보면 역시 같은 간섭무늬가 발생하고 있다.

1999년 Anton Zeilinger가 전자나 광자같은 극미입자 대신에 풀러렌(fullerene)이라는 큰 분자를 사용하여 마찬가지로 실험한 경우에도 유사한 간섭무늬가 생기는 것을 확인했다. Zeilinger는 다음으로 바이러스에 의해 간섭무늬를 만들어내는 것을 목표로 하고 있다.

◆ 해설

양자는 공간의 한 점에 자리잡은 입자성과 공간에 퍼지는 파동성을 보여주지만, 확률해석은 파동의 진폭의 크기가 입자의 존재확률을 나타내는 것으로 해석된다. 실험 이전에는 여러 입자가 파동을 구성한다는 예측도 있었지만, 공간상의 광자의 수로 인해 여러 입자가 파동을 구성하는 것은 곤란하다고도 예상되었다. 이중 슬릿 실험에서는 단위양자라도 입자성과 파동성의 이중성을 나타낸다는 것을 증명하고 있다.

이 실험결과는 루이 드 브로이의 이중해의 이론과 데이비드 봄의 양자 포텐셜 이론, 에드워드 넬슨의 확률역학 등의 확정된 입자궤도를 상정한 이론과도 모순되지 않는다. 이 중 이중해의 이론과 양자 포텐셜 이론으로 계산하면 초기 위치와 운동량이 정해지면 입자의 궤도는 확정되어 서로의 궤도가 교차하지 않으며, 오른쪽 슬릿을 통과한 입자는 스크린 오른쪽에 도달하고 왼쪽 슬릿을 통과한 입자는 스크린 왼쪽에 도달한다. 이러한 이론에서도 입자의 통과하지 않는 슬릿을 막거나 통과하는 슬릿을 특정하는 감지장치를 설치해 놓으면 양자의 포텐셜에 영향을 주어 간섭무늬는 사라진다.

출처 참조 번역
· Wikipedia
· 二重スリット実験
https://ja.m.wikipedia.org/wiki/%E4%BA%8C%E9%87%8D%E3%82%B9%E3%83%AA%E3%83%83%E3%83%88%E5%AE%9F%E9%A8%93

자연방전이란 화학전지에서 축적된 전기의 양이 시간이 지남에 따라 점차 감소하는 현상을 말한다. 자기방전이라고도 한다. 특히 이차전지에서 이 문제가 크게 나타나는 경향이 있다.

전지에 축적된 전기의 양이 전지를 사용하지 않더라도 시간이 지남에 따라 점차 줄어든다. 감소속도는 전지의 종류나 환경에 따라 다르다. 일반적으로 온도가 높을수록 빠르다.

일차전지

건전지는 제조시에 보유하고 있던 전기가 시간이 지남에 따라 점차 줄어들고 출력할 수 있는 전기가 줄어든다. 1년에 몇 퍼센트의 감소로 알려져 있다. 장기간 저장된 건전지는 미사용이라도 기전력을 잃어 사용할 수 없었다는 경우도 드물지 않다. 이 때문에 건전지는 소비기한이 정해져 있는 것도 적지 않다.

리튬전지는 일차전지 중에서는 자연방전이 적다는 특징을 가진다. 따라서 시계용IC의 구동 등에 사용된다. 또한 장기간 방치해도 열화되지 않아 방재용 라이트 등에도 이용된다.

이차전지

니켈카드뮴 축전지(NiCd 전지) 또는 니켈수소 축전지 등의 이차전지는 용량 가득 충전해도 시간이 지남에 따라 점차 전기의 양이 줄어든다. 예를 들어, 1개월만에 전기의 양이 수십%나 손실되는 경우도 드물지 않다. 따라서 충전해두고 비상시에 사용한다는 방식에는 적합하지 않다. 비상시에 대비한 방법으로 평상시는 세류충전을 하여 충전상태를 유지하고 비상시에 전원을 이차전지로 전환하는 방법도 있지만, 기기측의 회로가 복잡해진다.

또한 자연방전이 크기 때문에 유통되는 사이에 전기가 크게 손실된다. 따라서 일반적으로 충전하지 않고 출하하고 소비자가 구매 후 충전하여 기기에 사용한다.

이차전지를 내장하는 비디오카메라와 디지털카메라 등의 기기는 일정기간 방치해두면 자연방전이 진행되어 촬영시간이 단축된다.

니켈수소 축전지의 자연방전의 원인은 '양극의 자기분해'와 '질소화합물에 의한 셔틀효과', '세퍼레이터로의 도전성 화합물 석출'이라고 한다. 이전에는 세퍼레이터의 두께를 증가시킴으로써 자기방전을 줄이고 있었지만, 세퍼레이터의 소재를 기존의 에틸렌비닐 알코올계의 친수성 폴리올레핀보다 더욱 개선된 슬폰화 폴리올레핀을 채용하여 자연방전을 줄였다. 또한 음극의 수소흡장합금에 포함된 코발트와 망간이 원인임이 밝혀져 코발트 및 망간을 사용하지 않는 '초격자 합금'을 채용함으로써 크게 자연방전을 억제하는 것이 가능하게 되었다. 2004년 무렵부터 자연방전이 거의 일어나지 않도록 개량한 니켈수소 축전지가 개발 · 출시되고 있다. 예를 들어 eneloop는 자연방전이 적은 특징을 살려 충전된 상태로 판매된다. 낮은 자기방전형 니켈수소 전지는 세퍼레이터의 부피가 크기 때문에 기존의 동급 제품보다 용량이 감소하였는데, 최고 용량의 저자기방전형 AA형 충전지는 2500mAh이므로 동급의 2700mAh와 비교하면 용량이 떨어진다.

출처 참조 번역
· Wikipedia
· 自然放電
https://ja.m.wikipedia.org/wiki/%E8%87%AA%E7%84%B6%E6%94%BE%E9%9B%BB

중국은 더 많은 전력을 필요로 하고 있습니다. 중산층이 급속히 확대하여 전력수요가 증가하고 있기 때문입니다. 중국국가에너지국(Chinese National Energy Administration)의 발표에 따르면, 국가의 연간 전력소비량은 연평균 8% 증가하고 있으며, 이는 미국의 2배를 넘는 수치입니다.

전력의 수요증가는 반드시 환경오염의 악화를 의미하지는 않습니다. 중국은 수력발전소로 국내에 필요한 전력량을 발전할 수 있습니다. 그러나 불행히도 이러한 수력발전소의 대부분은 국내에서 가장 전력소비가 많은 연안지역의 도시에서 멀리 떨어진 곳에 위치해 있습니다.

그래서 중국정부는 첨단 송전기술을 사용하여 멀리 떨어진 장소로 송전하고 있습니다. 아이러니하게도 이 기술은 전기기술의 초창기에 탄생했습니다.

2010년 중국은 다른 나라에 앞서 세계 최초로 초고압직류(UHVDC) 시스템을 채용했습니다. 전기의 아버지라 불리는 토머스 에디슨은 19세기 말에 직류송전시스템을 제안하고 있었습니다만, 장거리 송전선로에 필요한 초고압전류와 일반가정에서 사용되는 저압전류의 변환이 더 쉬운 교류(AC)가 표준송전시스템으로 채택되었습니다.

AC는 전송 중에 전력을 손실한다는 단점이 있습니다. 전류의 방향이 교대로 변화(따라서 '교류'라고 합니다)하는 과정에서 대량의 전력이 손실되는 것입니다. 같은 전압의 송전시스템이라면, AC시스템에서 손실되는 전력량은 DC의 약 2배가 됩니다.

세계적 기업인 지멘스(Siemens)와 ABB그룹(ABB Group)은 UHVDC시스템을 설치하여 사천성의 向家댐에서 약 2000킬로미터 떨어진 상하이까지 일반 장거리 송전선의 2배의 압력인 800킬로볼트(kV)로 6.4기가와트의 송전에 성공했습니다.

UHVDC는 최대 10기가와트까지 송전이 가능하며, 이 전력으로는 중국의 약 2000만 가구의 전력을 충분히 충당할 수 있습니다. 올해 초 지멘스는 원자력 발전소 10기의 발전량에 해당하는 최대 13기가와트까지 송전할 수 있는 세계 최초의 1,100kV대응 변압기를 중국에 납품했습니다. "수천킬로미터 이상의 송전을 할 경우 고압시스템의 건설이 필수적입니다."라고 지멘스의 HVDC Plus부 제품라이프사이클 매니저인 Frank Schettler 씨는 말합니다.

DC시스템은 효율적으로 송전을 할 뿐만 아니라 시설건설시 사용되는 자재가 적고 저비용이며 환경부하가 작다는 장점도 있습니다. 일반 AC시스템에서는 6개의 와이어를 사용하지만, DC시스템에서는 약간 굵은 도선을 3개만 사용합니다. 즉, DC시스템은 와이어를 제조하는 알루미늄의 양이 적게 들고 송전탑도 소형, 경량이기 때문에 사용하는 철의 양이 적고, 접지면적도 작아 총비용을 절감할 수 있습니다.

 
"1126킬로미터 이상, 800kV의 장거리 송전시스템은 AC시스템에 비해 크게 비용을 절감할 수 있습니다"라고 GE파워(GE Power)의 그리드솔루션 사업부의 HVDC사업개발 매니저인 Neil Kirby 씨가 말합니다. 그가 소속한 그리드솔루션 사업부는 지난해 초기의 800kV 6000메가와트 송전망 공사를 담당했습니다.

이 비용절감분을 AC시스템에서 DC시스템으로 전환하는데 필요한 시설 및 운영스테이션의 건설비용에 투입할 수 있습니다. 이러한 시설이나 스테이션의 건설비용은 고액으로, 최대 10억 달러에 이를 수 있다고 Kirby 씨는 추정합니다. 송전망의 설계, 발전비용, 전기요금 등의 변수를 고려해야 하기 때문에 어느 시점에서 UHVDC 시스템이 경제적으로 더 효과적인 솔루션이 되는지를 언급하는 것은 곤란하지만, 특정 상황에서는 AC시스템보다 경제적이라는 것을 알 수 있습니다.

현재 UHVDC 시스템의 도입에 적합한 조건은 대량으로 발전할 수 있는 능력이 있고, 멀리 떨어진 도시로 송전할 필요가 있는 대국입니다. 2018년에 최초의 800kV 6000메가와트 송전망을 설치한 중국과 인도뿐만 아니라 전력공급의 75% 이상을 수력발전에 의존하는 브라질이 이에 따를 수 있으며, 실제 프로젝트의 대화가 진행되고 있습니다. 브라질의 수력발전소는 북부 아마존 지역에 있는 반면, 대부분의 전력을 필요로 하는 곳은 남동부의 리우데자네이루와 상파울루 등의 도시입니다.

북유럽의 풍력발전과 사막의 태양광발전에서도 UHVDC 송전망 건설에 대한 논의가 이루어지고 있습니다. 한편 기술적 과제 이외에 여러 관할지역을 지나는 송전망은 관계정부간 합의서 서명이나 전력회사들의 경쟁 등의 문제도 간과할 수 없습니다.

 
미국의 캘리포니아주 팔로알토의 비영리단체 전력연구소(Electric Power Research Institute)의 전력공급 · 사용부문 수석기술연구원인 Ram Adapa 씨는 오클라호마의 풍력발전소에서 테네시주의 멤피스 소비자에게 송전하는 600kV의 HVDC 송전선 프로젝트가 계획되었지만, 이 두 주 사이에 위치한 아칸소주가 이 계획에 반대하였고, 올해 초에 미국에너지성이 프로젝트의 지원을 취하했다고 합니다.

미국에 메리트가 있는 프로젝트임에도 불구하고 고압 DC송전망의 미래는 밝다고 단정할 수 없습니다.

출처 참조 번역
· Wikipedia
· 送電の効率化を目指し、中国が超高圧直流送電（UHVDC）を導入
https://mega.online/ja/%E8%A8%98%E4%BA%8B/%E3%83%91%E3%83%AF%E3%83%95%E3%83%AB%E3%81%AA%E6%96%B0%E4%BB%A3%E6%9B%BF%E3%82%A8%E3%83%8D%E3%83%AB%E3%82%AE%E3%83%BC

고압송전으로 전력손실을 줄일 수 있습니다. 전기는 에너지의 일부가 열로 변환되어 버립니다.
전자기기나 사용 후 모터에서 열이 나는 원인으로 전기가 열로 변환되어 버린 증거입니다. 이 낭비되어 버린 전력을 전력손실이라고 합니다.

전력손실이라는 것은 흐르는 전류가 커지면 질수록 커집니다. 줄의 법칙을 살펴보면...

열량 = 전류^2 × 저항 × 시간

이 수식에서 '저항, 시간이 동일한 경우 전류의 제곱분 많은 열이 발생한다'는 것을 알 수 있습니다. 그래서 전력손실을 방지하기 위해 전류를 줄여 줄 필요가 있습니다.

전력 = 전압 × 전류

전력이란 전류가 일정 시간마다 하는 일을 말합니다. 단순하게 말하면 '전기를 얼마나 사용했나 = 전기에 어느 정도 일을 시켰나'는 의미입니다. 따라서 전력손실은 전류가 무슨 일을 완수하는 것도 아니고 불필요하게 줄어버리는 것을 의미합니다.

그런데 위의 식을 보면 전압을 크게 하면 흐르는 전류를 줄일 수 있다는 것을 알 수 있습니다.
만일 600W의 전력을 사용하는 경우,

(1) 전압 12V × 전류 50A = 600W
(2) 전압 100V × 전류 6A = 600W

위와 같이 전력손실이 적은 고전압으로 송전하는 편이 훨씬 좋은 것입니다.

고압송전에는 또 다른 장점이 있습니다. 바로 전선을 가늘게 처리하는 것이 가능합니다. 전선의 굵기는 전류의 크기에 비례합니다. 전류가 많이 흐르는 경우 그에 걸맞은 굵고 무거운 전선을 마련해야 합니다. 대량의 전류를 흐르도록 하기 위해서는 거대한 전선을 사용하기도 하지만, 굵은 전선은 그만큼 가격도 높아집니다. 그런 비싼 전선을 전국에 설치한다면 막대한 예산이 소요되어 버립니다. 예산이 필요하다는 것은 전기요금이 높아진다는 것을 의미합니다. 그러므로 우리가 편안하고 가계 친화적인 금액으로 사용하기 위해서는 역시 고압송전이 효율적입니다.

덧붙여서, 저압으로 송전하는 경우 너무 먼 곳이라면 전력손실이 송전용량을 초과할 것으로 생각됩니다.

출처 참조 번역
· Wikipedia
· 高圧で送電する理由は？電力損失の謎
https://tohokuseigyo.net/tcs_column_all/tcs_column_single/%E9%AB%98%E5%9C%A7%E9%80%81%E9%9B%BB/

음수의 의미

양수는 ... 0보다 큰 수
음수는 ... 0보다 작은 수

지금까지 초등학교에서 사용해 온 모든 수는 0보다 큰 수이다.

양수 ...+7, 2015, +3.8, +1/2 등
음수 ...-11, -3600, -0.4, -2/5 등

정수뿐만 아니라 소수와 분수도 플러스와 마이너스를 붙여 나타낸다.

수의 종류

0은 양수도 부정도 아니다. 자연수는 양의 정수이다. 0은 양수에도 음수에도 포함되지 않는다. 즉 수는 양수와 음수, 0으로 나뉜다.
또한 양의 정수의 수를 자연수라 한다.

[문제]
-18, +11, 350, 0, -0.8, -1/3, +1.1
• 자연수를 모두 선택
+11, 350
• 음수를 모두 선택
-18, -0.8, -1/3

음수

음수는 0보다 얼마나 작은가를 나타낸다.

[문제]
• 0보다 7 작은 수는 몇입니까.
-7
• 어제의 기온은 0℃였습니다. 오늘은 2℃ 낮아졌습니다. 오늘의 기온은 몇℃입니까.
-2℃

수직선과 절대값

수직선의 0점을 원점이라 한다.
수직선에서 원점의 오른쪽이 양수, 왼쪽은 음수가 된다. 그리고 오른쪽으로 갈수록 큰 숫자, 왼쪽으로 갈수록 작은 숫자가 된다.

절대값은 수직선에서 원점으로부터의 거리를 의미한다. 수직선에서의 수에 대응하는 점과 원점과의 거리를 그 수의 절대치라 한다.
2, -2는 모두 절대값이 2이다. 양음의 수에서 부호(+, -)를 없앤 것이 절대값이다.

[예]
-4의 절대값은 4, +15의 절대값은 15, -0.8의 절대값은 0.8이다.

양음의 수의 대소

수직선에서 오른쪽에 있을수록 크다. 수직선에서 알 수 있듯이 양수는 0보다 크고, 0은 음수보다 크다. 그리고 양수는 음수보다 크다. 양수끼리라면 절대값이 클수록 크다. 음수끼리라면 절대값이 클수록 작다.

음수 <0 <양수

전류(electric current)는 전자로 대표되는 하전입자의 이동에 따른 전하의 이동(전기전도)의 수 및 그 물리량으로 어떤 면을 단위 시간에 통과하는 전하의 양이다.

전류의 전하를 담당하고 있는 것은 전자와 양성자이다. 전선 등의 전기전도체에서는 전자이고, 전해액에서는 이온(전자가 과부족한 입자)이며, 플라즈마에서는 둘 다 포함된다.

국제단위계(SI)에서 전류의 크기를 나타내는 단위는 암페어이며, 단위 기호는 A이다. 1암페어의 전류로 1초 동안에 옮겨지는 전하가 1쿨롱이 된다. SI에서 전하의 단위가 전류와 시간의 단위로 구성하는 이유는 전하보다 전류의 측정이 더 용이하기 때문이다. 전류는 전류계를 사용하여 측정한다. 수식 중에서 전류량을 나타내는 경우에는 I로 표현한다.

좁은 의미로는 전위차이에 기인한 하전입자의 흐름을 말한다. 여기에는 전자유도에 의해 발생하는 유도전류도 포함된다.

시간적으로 흐르는 방향이 변하지 않는 전류는 직류전류라고 부르며, 시간이 지남에 따라 흐름의 방향이 바뀌는 전류를 교류전류라고 부른다. 교류전류의 값을 나타내는 방법으로는 일반적으로 실효값이 사용된다.

전류의 방향은 양의 전하가 흐르는 방향으로 정의되어 있다. 이 정의는 전류가 개념적 존재로 취급되고 전류의 실체가 밝혀지지 않은 무렵에 정해진 것으로, 언제, 누구에 의해 정해졌는지에 대해서는 알려져 있지 않다. 또한 전선 등 금속도체에 흐르는 전류의 실체는 전자의 이동이기 때문에 정의상의 전류는 공상적이다.

전선 등의 금속도체에 흐르는 전류처럼 많은 경우에서 전류를 구성하는 하전입자는 전자이지만, 전자의 흐름은 전류와 반대방향이어서 개념에 준거한 정의에 반하는 것이다. 따라서 음의 전하를 띠는 전자가 흐르는 방향은 정의상 전류의 방향과 반대된다. 이것은 도전현상의 연구가 18세기 말부터 진행되었던 반면, 전자의 세부사항이 알려지게 된 것이 19세기 말부터 20세기 초까지의 발견이었기 때문에 이 전류의 방향정의를 반전하는 데 따른 혼란을 피하기 위해 지금도 실태에 반하는 정의를 사용하고 있다.

규정상의 정의

양의 전하는 전류와 같은 방향으로 흐르지만, 음의 전하는 반대방향으로 흐른다. 본래 전류는 직류에서는 양 또는 음의 전하의 흐름이고, 교류에서는 양과 음 모두 흐르지만 전류가 흐르는 방향을 그 전하 운반자가 흐르는 방향과는 독립적으로 정의할 필요가 있었다. 따라서 규정상 전류의 방향은 양의 전하가 흐르는 방향으로 정의되어 있다.

전기회로의 도체부분의 대부분은 금속이며, 양의 전하는 금속 내에서 이동할 수 없고 음의 전하를 가진 전자만이 흐른다. 전자는 음의 전하를 가지고 있으므로 금속도체에서 전자의 흐르는 방향은 규정상의 전류가 흐르는 방향과는 반대된다.

안전성

전류가 인체의 근처에서 취급하는 경우에는 감전의 위험이 있다. 낙뢰나 전철 가선에 접촉하면 고전압과 대전류로 인해 화상을 입는다. 심장과 뇌에 흐른 경우에는 화상과는 별도로 심장마비 등의 기능부전을 초래할 수 있다. 특히 주파수가 심장박동이나 뇌파에 가까운 조건의 교류전원은 저전압에도 위험하게 된다.

감전에 의해 인체에 미치는 피해의 정도는 접촉한 부위나 접촉부의 표면적과 젖은 상태, 전압 / 전류 및 주파수 등에 달려 있다. 일반 가정의 전원은 마른 상태에서 순간 만지는 정도라면 접촉한 부위에 저림을 느끼는 정도이지만, 변압기를 사용하는 경우나 물을 사용하는 장소에서는 주의가 필요하다.

또한 감전과는 별도로 전류에 의해 발생하는 열의 위험도 있다. 송전선에 과부하가 걸리면 고열이 발생하여 화재의 원인이 될 수 있다. 작은 버튼전지와 금속동전을 함께 주머니에 넣어 두면 접촉에 의해 전류가 생겨 발화할 수 있다. 니켈카드뮴 전지, 니켈수소 충전지, 리튬 전지는 특히 내부저항이 작기 때문에 취급에 주의가 필요하다.

송전 손실

먼 곳의 발전소에서 전기에너지를 소비하는 장소로 전달하기까지 송전선이나 배전선 저항에 따라 일부 전기에너지가 줄열로써 소비되어 에너지 손실이 일어난다. 이 손실은 전류의 양의 제곱에 비례하여 증가하기 때문에 송전 측에서 변압기로 전압을 높임으로써 전류의 양을 줄이고 송전 도중의 손실을 줄이도록 노력하고 있다. 송전망과 배전망에서 소비자에게 접근함에 따라 변압기에서 전압을 단계적으로 떨어뜨린다. 변압기에 의해 쉽게 전압을 올리고 있어서 현재는 대부분의 송전은 교류전류가 사용되고 있다. 송전손실(송배전 손실)율의 감소는 발전전력량의 감소에 의한 발전용 에너지 자원의 절약에 기여한다.

출처 참조 번역
· Wikipedia
· 電流
https://ja.m.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E6%B5%81#cite_ref-1

2021년 일리노이 주립대학에 근무하는 조 힐가드 교수가 자신이 했던 원고의 부정에 대한 항의와 그 결과에 대해 보고하고 있습니다.

Crystal Prison Zone : I tried to report scientific misconduct. How did it go?
https://crystalprisonzone.blogspot.com/2021/01/i-tried-to-report-scientific-misconduct.html

Journal retracts two papers linking exposure to violence to aggressive behavior - Retraction Watch
https://retractionwatch.com/2019/12/06/journal-retracts-two-papers-linking-exposure-to-violence-to-aggressive-behavior/

2018년의 초, 힐가드 씨는 중국의 서남대학 교육학부 치엔 찬 씨들에 의해 집필된 논문 '폭력적인 게임이 사춘기의 공격성에 미치는 프라이밍 효과'에 대해 의문을 품고 독자적으로 동료평가를 실시했습니다. 힐가드 씨는 논문에 기재된 분산분석 결과의 수치가 아무런 의미가 없는 것으로 나타나 논문의 대표저자인 치엔 씨에게 보고하였습니다. 치엔 씨로부터 '수정'한다는 응답을 받았고 2018년 5월 논문은 수정되었지만, 힐가드 씨는 논문이 통계상 있을 수 없는 수치데이터로 표현되는 있는 등 기괴한 점이 그 밖에도 몇 가지 있다는 것을 추가로 알게 됩니다.

힐가드 씨는 "치엔 씨의 논문은 아주 복잡한 통계데이터를 보여주고 있다"며, 치엔 씨가 과거에 집필한 논문에서도 유사한 통계데이터가 보인다고 지적합니다. 힐가드 씨는 치엔 씨가 2013년에 발표한 '공격적인 말이나 폭력적인 영화가 주는 프라이밍 효과', '사춘기의 공격적인 태도에 미치는 미디어의 폭력묘사의 영향', 2018년에 발표한 '청년기에 단기간 노출되는 영화의 폭력과 잠재적인 공격성'이라는 3개의 논문에서 표를 뽑아 비교한 결과, 각 논문에서 사용된 샘플데이터의 모집단이 전혀 다름에도 불구하고 산출된 수치는 놀랄 만큼 비슷했다는 것. 힐가드 씨는 똑같은 실험을 두 번 반복해도 이처럼 비슷한 수치가 나올 가능성은 낮다고 생각하여 치엔 씨가 논문의 데이터를 재사용하고 있는 것이 아닐까 의문을 품게 되었다고 합니다.

힐가드 씨가 여러 논문을 조사하고 있는 동안에도 치엔 씨의 과거 논문에 대해 계속해서 정오표를 게재했지만, 그 정정은 데이터가 통계적으로 유리하도록 F값에 정수를 가산하는 등 신빙성에 의심이 가는 것도 포함되어 있었다는 것. 중요한 것은 이러한 개정에 따라 치엔 씨의 다른 논문의 통계에도 영향이 나타나는 것입니다만, 힐가드 씨는 "통계의 유의 수준과 F값이 일치하도록 정정만 하면 되는 것일까"라고 말합니다.

치엔 씨는 계속해서 새로운 논문의 작성을 했는데, 방대함에 비해 엉성한 논문의 데이터량이 미치는 영향을 우려했던 힐가드 씨는 치엔 씨에게 원시데이터를 요청합니다. 그러나 치엔 씨는 "연구팀만이 데이터보기가 가능하다"며 이를 거부합니다. 힐가드 씨는 치엔 씨 논문의 공동저자인 몇몇 미국인에게 "논문의 원시데이터를 보았느냐"고 묻자 공동저자조차 "보지 않았다"고 답변했습니다. 힐가드 씨는 치엔 씨에게 데이터를 요청하라고 공동저자들에게 제안했고, 실제로 그들이 요청한 결과 치엔 씨는 거부하였습니다. 힐가드 씨는 "이상하다고 생각하지 않는가?"라고 공동저자들에게 묻자 "중국이니까"라는 답을 들었다고 합니다.

힐가드 씨는 치엔 씨의 연구에 연구부정 혐의가 있다고 판단하여 2019년 5월에 서남대학 학술위원회 위원장 앞으로 보고했습니다. 한 달 후에 힐가드 씨는 치엔 씨로부터 원시데이터가 포함된 메일을 받을 수 있었고 이것의 분석을 실시한 결과, 치엔 씨 등이 발표한 데이터와는 전혀 다른 결과가 산출되었습니다. 왼쪽의 이미지는 힐가드 씨의 결과이며 오른쪽 이미지는 치엔 씨의 결과. 힐가드 씨는 "치엔 씨가 산출한 데이터에는 상관관계가 전혀 없고, 일반적인 정규분포와 대수정규분포에서 볼 수 없는 이상한 상자모양을 하고 있다"고 지적합니다.

힐가드 씨는 이 결과를 바탕으로 다시 서남대학에 보고를 했습니다만, 서남대학에서의 답변은 "치엔 씨는 통계 및 조사방법에 대한 지식이 부족했지만 데이터가 부정한 것이라는 증거는 부족하다"는 것. 연구절차 및 데이터의 불일치는 인정했지만, 연구부정의 증거로 가장 의심스러운 데이터의 재사용과 원시데이터에 통계상 있을 수 없는 수치가 표기되어 있는 것에 대한 의견은 없었다는 것입니다. 힐가드 씨는 위원장에게 추가답변을 요구한 4개월 후 위원장이 상담한 두 명의 전문가로부터 "이것은 학문적 분쟁에 관한 문제이다"라는 답변을 받았습니다. 그 전문가에게 자세한 보고를 요구하자 2021년 1월 현재까지 아직 회신이 없다고 합니다.

연구기관은 아무것도 수정하지 않을 것이라고 판단했던 힐가드 씨는 학술지에 기사의 게재를 취소하도록 조치했습니다. Youth and Society 등 일부 기관은 신속하게 기사를 철회했지만 전혀 움직이지 않는 기관이나 불성실한 수정을 실시한 기관도 있었다는 것. 힐가드 씨는 "편집자와 출판사의 힘의 관계와 편집자의 경험부족으로 인해 취급에 차이가 있는 것"이라고 말합니다.

이 일련의 문제를 언급하는 것은 힐가드 씨뿐만이 아니라, 심리학자 제임스 벤자민 씨와 멜버른대학 시민 반지르 씨도 SNS에서 문제제기를 하고 있습니다.

건전지를 예로 들면 전류가 흐르는 방향은 '플러스'에서 '마이너스'로 흐른다고 배웁니다. 그리고 나중에서야 전자의 흐름은 전류의 흐름과 반대로 '마이너스'에서 '플러스' 방향으로 흐른다고 배우게 됩니다.

전기라고 하면 가정의 콘센트에서 나오는 전기나 전지 등을 떠올릴 것입니다. 인류가 번개 이외에서 최초로 발견한 전기는 정전기였습니다.
정전기를 발견한 시기는 대략 기원전 600년(지금으로부터 약 2600년 전) 입니다.

그리스의 탈레스라는 사람이 앰버(호박)를 천으로 문지르면 물체를 끌어당기는 힘이 일어난다는 것을 발견했습니다. 탈레스는 호박을 헝겊으로 문지르면 먼지 등이 호박에 붙는다는 것을 알고 나서 다양한 실험을 하였던 것 같습니다.

탈레스는 정전기라는 존재를 명확하게 증명한 것은 아니지만, 호박을 문지르면 정전기가 발생하여 물체를 끌어당긴다는 원리를 발견했습니다.

1600년 영국의 윌리엄 길버트가 호박 이외에 수지와 유황, 유리 등에도 마찰에 의한 정전기가 일어난다는 것을 확인했습니다.

영어로 전기라는 의미의 'electricity'라는 말은 1646년에 토마스 브라운이 처음 사용했습니다.
이것은 길버트가 라틴어 'electricus'라는 말을 사용한 것의 영향을 받은 것으로 보입니다.

정전기는 아무리 저장해 놓아도 사용하는 '순간' 없어져 버립니다. 다시 전기를 사용하려면 또 어떤 방법으로 정전기를 저장하지 않으면 안됩니다.

볼타에 의한 전지의 발명

1800년경 이탈리아의 물리학자 볼타에 의해 발명된 것이 '볼타전지'입니다. 볼타전지의 '전류'는 일정한 전기가 지속적으로 계속 흐른다는 점이 가장 큰 특징입니다. 볼타는 전류의 정체를 파악하여 전류를 발생시키는 장치의 발명이라는 위대한 공적을 기려, 현재 전압의 단위로 '볼트'가 사용되고 있습니다.

전류의 흐름과 전자의 흐름

볼타전지가 발명된 1800년경에는 전기는 '플러스의 전기'와 '마이너스의 전기' 두 가지가 존재한다고 알려져 있었습니다. 그리고 전지 속을 흐르고 있는 것을 '전류'라고 불렀습니다. 이 전류는 플러스 전극에서 나와 마이너스 전극으로 흐르는 것으로 결정했습니다. 그러나 이 때는 아직 실제로 어떤 것이 흐르고 있는지 알고 있지 않았습니다.

전극의 변화 차이

볼타전지의 구조는, 전극에 동판과 아연판을 사용하였고 전해액으로 소금물이나 묽은 황산을 사용했습니다. 볼타전지는 전기가 발생하면 전극에 변화가 일어납니다. 동판은 색이 검어지고 아연판은 전해액에 녹아 점점 작아져 버립니다.

전지의 플러스와 마이너스를 누가 결정했는지는 모르겠지만, 그 당시 사람들이 봤을 때 녹아 나오지 않는 동판을 플러스(양극), 녹아 나와 작아져 아연판을 마이너스(음극)로 생각했다고 추측해 보아도 이상하지 않습니다. 그렇게 생각하면 전기가 흐르는 방향 즉 '전류'가 플러스(양극)에서 마이너스(음극)로 흐른다는 생각은 자연스러운 일처럼 느껴집니다.

그 후, 볼타전지는 은, 소금물을 적신 종이, 아연판을 여러 층으로 겹쳐진 구조로 만들어 강력한 전류를 발생시키는 것에 성공했습니다.

전자의 발견

19세기 말(1800년대 말)에 전자(자유전자)가 발견되었습니다. 그 전자가 마이너스의 전하(음전하)를 가지고 있기 때문에 전기가 마이너스에서 플러스로 흐른다는 것을 알게 되었습니다.

전자는 마이너스 전하를 가지고 있기 때문에 전압의 플러스에 끌리고 마이너스에 반발합니다. 따라서 전자의 흐름은 전류의 흐름과 반대입니다.

전류의 흐름과 전자의 흐름이 반대인 이유

전지에서 무언가가 흐르고 있다. 그 뭔가를 전류라 했을 때, 전류는 플러스에서 마이너스로 흐르는 것으로 결정했습니다. 그리고 나중에 전자라는 것이 전기를 구성하는 입자라고 알려졌습니다.

전류는 플러스에서 마이너스로 흐르고 있다.
전자는 마이너스에서 플러스로 흐르고 있다.

전류도 전자도 각각 하나의 인위적 결정이라고 생각하면 좋은 것이 아닐까요.

출처 참조 번역
· Wikipedia
· 電流と電子はなぜ向きが逆なのか？
https://hegtel.com/nagare-gyaku.html

전류가 흐르는 방향과 실제로 이동하는 전자의 방향이 다른 이유는, 전자가 발견되기 전에 전류가 흐르는 방향을 결정해버려, 지금도 그것을 그대로 사용하고 있기 때문입니다.

전류의 연구가 시작될 무렵(기원전 1800년경) 볼타라는 사람이 전지를 만드는 데 성공했습니다.
그리고 "전류는 전지의 +극에서 -극을 향해 흐른다"고 정의했습니다. 그러나 실제로 어떤 것이 흐르고 있는지는 아직 밝혀지지 않은 시점이었습니다.

그로부터 약 100년 후, 전자(-의 전기를 띤 작은 입자)가 발견되었습니다. 전자는 - 전기를 가지고 있기 때문에 전지의 +극 쪽으로 끌립니다. '전류는 -극에서 +극으로 향하는 전자의 흐름'인 것을 알 수 있습니다. 그러나 "전류의 방향은 +극에서 -극'이라는 생각이 이미 퍼져있었기 때문에, 그대로 변경되지 않았습니다. 좀 헷갈리지만 현재에도 그대로 '전류의 방향은 +극에서 -극'을 사용하고 있습니다.

출처 참조 번역
· Wikipedia
· なぜ，電子の流れる方向と，電流の流れる方向は違うのか？
https://chu.benesse.co.jp/qat/5790_r.html

현실에는 마이너스가 존재하지 않습니다. 일상생활에서 마이너스라는 말을 자주 듣다 보니 우리는 마이너스의 세계가 있다고 착각하고 있는 것 같습니다.

1. 마이너스 1마리의 양은 어디에 있느냐?

숫자는 크게 실수와 허수로 나뉩니다. 허수에 대해서는 후술합니다.

실수는 유리수와 무리수로 나뉩니다. 무리수는 제곱근과 파이 등과 같이 분수로 나타낼 수 없는, 즉 순환하지 않는 소수입니다.

유리수는 정수와 분수로 나누어집니다. 분수는 소수로 나타낼 수 있지만, 무리수가 아니면 나눌 수 없는 소수라도 분수라면 할 수 있습니다. 예를 들어 1/3은 소수로 표현하면 0.333...로 영원히 계속됩니다만 분수로 표현하면 간단합니다.

정수는 소수점이 없는 숫자입니다. 예를 들어 1, 2, 3, 192 등입니다. 그리고 정수는 양의 정수, 제로, 음의 정수로 나누어집니다. 이 음수가 이른바 마이너스입니다.

또한 양의 정수는 자연수라고 합니다. 즉 자연계에 있는 숫자이기 때문입니다. 사과 3개, 양 1마리 등입니다. 그러나 양이 -1마리? 유령인가?

덧붙여서 제로는 존재하지 않는 것입니다. 그러나 과거의 참고서 등을 보면 0을 양수로 취급하는 경우가 있습니다.

물론 마이너스의 소수와 분수, 무리수도 만들 수 있으므로 수를 크게 나누면 플러스, 제로, 마이너스로 나뉩니다. 그러나 현실 사회에 있는 숫자는 기본적으로 모든 것이 플러스입니다.

2. 온도에도 마이너스는 없다

◆ 영하
영하는 얼음이 되는 점 아래, 즉 0℃ 이하라는 것입니다. 온도의 표기인 섭씨(℃)는 물이 어는 온도를 0, 끓는 온도를 100으로 정하고 그 사이를 백등분한 개념입니다. 그리고 0℃ 이상을 플러스 온도, 0℃ 미만을 마이너스 온도로 정한 것입니다.
마이너스 온도는 편의적인 수치일 뿐입니다. 미국은 화씨 기준을 채택하고 있습니다.

◆ 절대온도
고등학교에서 화학이나 물리를 배울 때 절대온도라는 말이 나옵니다. 과학적으로 생각하는 때는 이쪽을 사용합니다. 마이너스가 있다면 계산이 복잡하게 되기 때문입니다.

즉 궁극적인 최저온도는 더 이상 낮출 수 없다고 예상되는 온도를 0도(절대영도)로 규정하고 있습니다. 단위는 K켈빈이라고 합니다.

제로K를 섭씨로 나타내면 -273.15℃이고 0℃는 약 273.15K이 됩니다. 따라서 켈빈의 세계에서는 마이너스 온도가 없습니다. 즉 온도에 관해서는 마이너스가 없습니다.

3. 수직선으로 생각하기

◆ 좌표의 개념
중학교 수학에서는 좌표를 사용하는데. 거기서 마이너스 좌표가 나옵니다. 하지만 여기에서도 마이너스는 편의적인 개념에 지나지 않습니다. 제로를 기점으로 하여 오른쪽으로 가면 플러스, 왼쪽으로 가면 마이너스. 마찬가지로 위로 가면 플러스 아래에 가면 마이너스로 정한 것일 뿐입니다. 깊이 생각할 필요는 없습니다.

◆ 마이너스를 빼면 플러스가 된다
계산에서 '마이너스'는 뺄셈입니다. 그렇다면 '3 - (- 4) ='의 정답은 몇일까요? 즉 3에서 마이너스 4를 뺍니다. 여기에서 마이너스 4를 뺀다는 것은 플러스 4를 더하면 됩니다. 대답은 플러스 7입니다.

즉 '마이너스'를 뺀다는 것은 모두 네거티브 한 것이고 반대의 반대는 찬성! 즉 플러스가 될 것입니다. 이 근처의 논리가 깔끔하게 머리에 들어오지 않으면 수학을 잘하지 못할 것입니다.

◆ 마이너스 5분 후란 무엇인가
숫자뿐이라면 혼란스러우므로 방향으로 생각해 봅시다. 예를 들어 '동쪽으로 3m 이동'은 즉 '서쪽으로 -3m 앞으로'라는 의미입니다.

마찬가지로 '마이너스 5분 후'라는 것은 오분 후의 반대, 즉 5분전이라는 것입니다. 이러한 말의 조작을 할 수 있게 되면 수학도 재미있어집니다. 또한 마이너스가 편의상의 말이라는 것도 이해할 수 있을 것입니다.

4. (-1) × (-1) = (+ 1)의 수수께끼

중학생이 의문을 품는 최대의 포인트는 마이너스 곱셈입니다. (-1) × (-1)가 왜 (+1)이 되는 것일까?

학교나 학원에서는 다양한 설명이 이루어지고 있는데, 원리적으로는 곱셈은 덧셈입니다. 즉 2 × 3은 2를 3번 더하고 있습니다. 즉 2 + 2 + 2 = 6이라는 것입니다.

마찬가지로 생각하면, (- 1) × (-1)은 마이너스 1을 마이너스 1회 더하고 있습니다. 좀 복잡한 것입니다. '(-1)을 마이너스 1번 더한다'는 것은 '(-1)을 플러스 1번 뺀다'는 것과 같습니다.

마이너스는 개념적인 것으로 계산하기 위해 필연적으로 사용하고 있는 것에 지나지 않기 때문에, 깊이 생각할 필요는 없을지도 모릅니다. 마이너스 × 마이너스는 플러스! 이렇게 기억하는 것이 수학은 쉽게 이해할 수 있습니다.

5. 허수란 무엇인가

고등학생이 되면 허수를 배웁니다. 즉 거짓수, 있을 수 없는 숫자입니다. 제곱해서 마이너스가 되는 값입니다. 편의적으로 문자 아이(i)를 기호로 사용합니다. 그리고 정의는 i × i = -1입니다.

마이너스 × 마이너스는 플러스라고 배웠습니다. 같은 수를 제곱, 2번 같은 수를 곱하면 플러스가 됩니다. 그 상식을 뒤집는 개념입니다.

하지만 이름 그대로 거짓수입니다. 계산상 필요하기 때문에 만들어진 것에 지나지 않습니다. 그러나 허수가 있어서 고등학교 이상에서 배우는 수학과 물리의 계산이 원활하게 되는 것도 사실입니다.

마무리

마이너스는 편의상의 세계입니다. 마이너스라는 개념은 인간이 편의적으로 만들어 낸 세계에 지나지 않습니다. 따라서 수학자들도 최근까지 마이너스의 존재를 인정하지 않았습니다. 다시 말해 마이너스 1마리의 양이 현실에 등장하지 않는 한 우리가 마이너스의 세계를 생각할 필요는 없는 것입니다. 제로라는 경계가 있기 때문에 플러스와 마이너스가 있습니다. 기준에 따라 마이너스의 범위가 변하는, 단순한 인위적 결정에 지나지 않습니다.

출처 참조 번역
· Wikipedia
· マイナスとは何か？マイナスの世界は存在するのか
https://www.inc-reliance.jp/science/53976?amp=1

불가사의한 6자리 숫자

'142857'이라는 아무렇지도 않은 자연수가 단순한 곱셈에서 재미있는 현상을 보여줍니다.

142857에 1, 2, 3, 4, 5, 6을 순서대로 곱해봅니다.

　142857 × 1 = 142857

　142857 × 2 = 285714

　142857 × 3 = 428571

　142857 × 4 = 571428

　142857 × 5 = 714285

　142857 × 6 = 857142

이 계산에서 어떤 일이 일어나고 있을까요?

각각의 곱에 1, 4, 2, 8, 5, 7의 6개의 숫자만 나오고 있습니다. 곱셈을 하는 순서를 바꾸자...

　142857 × 1 = 142857

　142857 × 3 = 428571

　142857 × 2 = 285714

　142857 × 6 = 857142

　142857 × 4 = 571428

　142857 × 5 = 714285

선명하게 규칙성이 떠오릅니다.

142857을 순서를 바꾸지 않고 순회시키면 6가지 수가 되는데, 그 6가지 수가 모두 나타나고 있습니다.

이번에는 142857을 142, 857로 2등분하여 더해봅시다.

　142 + 857 = 999

합에 9가 정렬됩니다.

142857에 2, 3, 4, 5, 6을 곱해 나온 숫자로도 동일한 현상이 발생합니다.

　285 + 714 = 999

　428 + 571 = 999

　571 + 428 = 999

　714 + 285 = 999

　857 + 142 = 999

모든 합이 999가 되었습니다.

자 다시 142857을 14, 28, 57로 3등분하여 더해봅시다.

　14 + 28 + 57 = 99

합에 9가 정렬됩니다.

142857을 1, 4, 2, 8, 5, 7로 6등분하여 더해봅시다.

　1 + 4 + 2 + 8 + 5 + 7 = 27

불행히도 9가 되지 않습니다. 자연수를 6개나 더하는 것이기에 9가 되지 않는 것은 자연스러운 것일지도 모릅니다. 그러나 이 덧셈의 합 27의 각각의 수를 더하면...

　2 + 7 = 9

이처럼 142857의 6등분도 9와 관계하고 있습니다.

출처 참조 번역
奇跡の数「142857」に隠された神秘を知っていますか
https://gendai.ismedia.jp/articles/-/51045

전기자동차(EV)용으로 겨우 5분 안에 충전할 수 있는 배터리를 개발했다고 이스라엘의 스타트업 'StoreDot'가 발표했습니다. StoreDot는 현재 배터리에 대한 많은 정보를 공개하고 있는데, 기술미디어 Ars Technica가 'StoreDot 어떻게 5분만에 충전할 수 있는 배터리를 개발할 수 있었나?'라는 수수께끼를 풀어갑니다.

StoreDot : ultra-fast charging batteries for EVs & more
https://www.store-dot.com/

What’s the technology behind a five-minute charge battery? | Ars Technica
https://arstechnica.com/science/2021/01/whats-the-technology-behind-a-five-minute-charge-battery/

Ars Technica에 따르면, StoreDot은 기존의 아이디어를 조금 모험적인 형태로 배터리 개발에 도입하고 있다고 합니다. StoreDot가 중시한 것은 '배터리를 얼마나 빨리 충전할 수 있는가'라는 점으로, 그 목표달성을 위해 리튬이온 배터리의 용량 등을 희생하고 있습니다. StoreDot의 아이디어를 쉽게 설명하면 '완전충전에 1시간 걸리는 600km 주행 가능한 EV용 배터리 대신에 5분으로 300km 주행 가능한 EV용 배터리로 만들었다'라는 식입니다.

무릎에서 노트북을 충전하면서 사용했던 경험이 있는 사람이라면 알 수 있듯이, 충전할 때 배터리는 대량의 열을 발생시킵니다. 그리고 더 빨리 충전하면 할수록 배터리가 발산하는 열은 커집니다. 이 열에 대처하기 위해 StoreDot은 배터리셀의 간격을 크게 확보하도록 EV용 배터리를 설계했습니다. 아래 그림에서 보이는 정렬된 판상의 물체가 배터리셀로, 셀 사이에는 분명히 간격이 존재합니다.

또한 배터리셀 사이에 큰 간격을 마련했을 뿐만 아니라 배터리 하우징도 셀 사이의 공기를 순환시키기 위한 구멍이 형성되어 있고, 충전기에는 배터리에 공기를 흐르게 하기 위한 팬도 갖추어져 있습니다.

기존의 배터리 기술도 StoreDot과 같은 아이디어를 채용할 수 있지만 이렇게 하려면 비용이 소요됩니다. 또한 배터리셀의 밀도를 낮게 하는 것은 에너지 밀도가 낮아진다는 것을 의미하기 때문에 기존의 것과 동일한 배터리 용량을 실현하면 배터리의 크기가 커집니다 .

그러나 StoreDot의 EV용 배터리는 배터리셀의 밀도가 낮은 것을 상쇄할 수 있는 훨씬 더 높은 전하밀도를 가능하게 하는 배터리셀 기술이 이용됩니다. 따라서 셀의 양이 동일한 크기의 배터리보다 적음에도 불구하고 동일한 배터리 용량을 실현하는 데 성공하고 있습니다.

모든 리튬이온 배터리는 한 전극에서 다른 전극에 전하를 운반하는 리튬이온을 저장할 수 있는 재료로 만들어진 전극을 갖추고 있습니다. 일반적으로 이 전극 부분에는 다층 그래핀시트로 구성된 흑연이 사용되고, 리튬이온을 시트 사이에 저장한다고 합니다. 하지만 유황이나 실리콘 등은 흑연보다 훨씬 많은 리튬이온을 저장할 수 있기 때문에 더욱 효율적인 배터리를 만들 수 있는 것으로 알려져 있습니다.

유황은 배터리 내부에서 화학반응을 일으킬 위험이 있지만, 기존의 리튬이온 배터리의 4배나 성능이 높은 리튬유황배터리가 이미 개발되어 있습니다.

Expansion-tolerant architectures for stable cycling of ultrahigh-loading sulfur cathodes in lithium-sulfur batteries | Science Advances
https://doi.org/10.1126/sciadv.aay2757

A new battery could keep your phone charged for five days | New Scientist
https://www.newscientist.com/article/2228681-a-new-battery-could-keep-your-phone-charged-for-five-days/

New lithium-sulfur battery could charge your phone for five days - CNN
https://edition.cnn.com/2020/01/06/tech/lithium-sulfur-battery-scli-intl-scn/index.html

실리콘은 유황과 같은 위험은 없지만 대량의 리튬을 축적하면 팽창해 버린다는 문제가 있습니다. 충전과 방열에 따른 팽창 · 수축 사이클은 실리콘에 에칭(etching)된 작은 구조를 손상시키거나 배터리의 구조 자체가 손상될 수 있어서 실리콘을 이용한 리튬배터리가 제조되지 않는 이유입니다. 따라서 부피변화를 제대로 관리할 수 ​ 있다면 실리콘 기반의 리튬배터리를 만들 수 있다고 기대되어 왔습니다.

StoreDot의 EV용 배터리는 발열문제를 해결한 결과, 실리콘 기반의 리튬이온 배터리가 안고있는 문제의 일부를 해결하는 데에도 성공하고 있습니다. StoreDot의 EV용 배터리는 배터리셀이 매우 얇으며, 이에 따라 방열성능이 향상되었습니다. 배터리셀의 팽창속도를 이전보다 낮게 억제하는 것에 성공하고 있기 때문에 실리콘을 전극 부분에 사용하는 것이 현실화하고 있다는 것입니다.

그러나 팽창계수가 낮은 것만으로는 팽창과 수축이 전혀 일어나지 않는 것은 아니므로 StoreDot의 EV용 배터리가 전극 부분의 팽창 · 수축 문제를 완전히 해결한 것은 아닙니다. 또한 StoreDot이 전극 부분에 도입한 솔루션은 '실리콘을 나노입자로 만들고 전극을 나노입자의 층으로 구성한다'는 기존의 연구와 비슷한 방법입니다. 나노입자는 유연한 메쉬에 의해 전극에 유지되는데, 이 연구에서는 그래핀이 사용되어 있었고 StoreDot는 유연한 자가치유 폴리머를 사용하고 있습니다. 이로 인해 전하가 실리콘과 리튬화합물 사이를 출입이 가능해져 리튬이온 배터리로 작동하게 된다고 합니다.

또한 StoreDot는 이외에는 전극 및 전해질에 대한 세부사항을 공개하고 있지 않습니다. 그러나 대부분의 배터리 관련 기업이나 인터넷의 유용한 정보도 전극과 전해질에 대해서는 '독자적인 화합물로 구성되어 있다'고 모호한 설명으로 일관하고 있어, 더 자세한 것을 알기는 어렵다고 합니다.

StoreDot는 2018년에 배터리의 대량생산을 위탁받는 중국업체와의 제휴를 발표했습니다. 이미 시험적 단계의 배터리가 생산이 시작되었고 합니다만, 이 배터리는 최종적인 대량생산 버전의 성능과 일치하도록 설계되어 있지만, 화학적으로는 동일한 것이 아닌 모양. 따라서 현시점에서는 어느 정도의 과제가 StoreDot의 배터리에 남아있는지를 판단하는 것은 어렵다고 Ars Technica는 설명합니다.

또한 Ars Technica는 "StoreDot가 실리콘을 이용한 리튬이온 배터리를 개발하기 위해 사용하는 원리와 유사한 논문을 특정하는 데 성공했지만, 논문 및 StoreDot의 기술 사이에는 많은 차이점이 존재합니다. StoreDot의 배터리는 자가치유 폴리머와 같은 재료과학의 발전에 의존한 기술이며, 해당 연구는 배터리로 사용되는 것을 상정한 것이 아니라는 점에 주의가 필요합니다"라며 StoreDot의 배터리에 대해서는 아직도 많은 수수께끼가 남아있다고 지적합니다.

수학의 양수(positive number)는 0보다 큰 실수를 말한다. 대조적으로 음수(negative number)는 0보다 작은 실수이다.

수학에서 음수는 마이너스 기호를 숫자 앞에 붙여 표현하지만, 부기 등에서는 숫자를 붉게 하거나 삼각형을 숫자 앞에 붙여서 나타낼 수도 있다.

제로는 증감이 없는 상태이기 때문에 양도 음도 아니다. 음수가 아닌 수(non-negative number)는 제로보다 작지 않은, 즉 제로 또는 양의 실수이다. 양이 아닌 숫자(non-positive number)는 제로보다 크지 않은, 즉 제로 또는 음의 실수이다.

복소수의 체계로 생각하고 있다면, 그 중 실수에 대해서만 양음을 논하고 허수는 양도 음도 없다고 한다. 예를 들어 '양수'라고 말하면, 그것은 실수임을 암시적으로 나타내는 것이지만, 명확히 하기 위해 '양의 실수'라고 표현할 수도 있다.

음수

음의 정수는 방정식 x - y = z가 어떤 x와 y에 대해서도 z에 관한 방정식으로 의미를 갖도록 자연수 체계를 확장하여 얻어지는 것이라고 생각된다. 이러한 음의 정수를 파악하는 방법과 동일한 방법으로 음의 유리수와 음의 실수도 얻을 수 있다.

음수는 온도와 같이 측정에서 제로보다 낮은 값을 설명하는 데 유용하다. 부기에서도 부채의 표현에 사용할 수 있다. 부기에서 부채는 종종 붉은 숫자(적자)와 삼각형을 앞에 붙인 숫자로 나타낸다.

음수가 아닌 수

제로에 동일하거나 그것보다 큰(즉 양이거나 제로이다) 실수를 음수가 아닌 실수라 한다.

덧셈과 뺄셈

수열은 영 · 양수 · 음수의 세 가지 조합으로 구성되어 있으며 기준점이 제로, 기준점으로부터 증가하고 있는 분이 양수, 기준점으로부터 줄어들고 있는 분이 음수가 된다.

따라서 가산 및 감산에서는 음수는 부채이며, 양수는 수익이라고 생각할 수 있다. 마찬가지로 시간과 세대의 거리로 계산하면 제로는 현재와 나 자신, 음수는 과거와 연장자(부모나 조부모 등), 양수는 미래와 연하자(자녀와 손자 등)인 것으로 생각할 수도 있다.

음수를 추가하는 것은 해당 양수를 줄이는 것이다. 반대로 음수를 줄이는 것은 해당 양수를 더하는 것이 된다.

감산과 음수 부호의 개념혼동을 피하기 위해 음수 부호를 위첨자로 쓰는 경우도 있다(회계는 음의 부호를 △로 표현한다).

5 + (-3) = 5 - 3 = 2
(5원을 가지고 3원을 빌리면, 순자산은 2원)

4 - 6 = -2
(4원을 가지고 6원을 사용하면 부채 2원이 남는다)

5 - (-2) = 5 + 2 = 7
(순자산 5원을 가지고 빚을 2원 줄이면 새로운 순자산은 7원이 된다)

곱셈

음수를 곱은 양음의 방향을 반전시키게 된다. 음수와 양수를 곱하면 곱은 음수로 유지된다. 하지만 음수에 음수를 곱하면 곱은 양수가 된다.

(-20) × 3 = -60
(부채 20원을 3배로 늘리면 부채는 60원이 된다.)

(-40) × (-2) = 80
(뒤로 시간당 40km 진행하는 차량은 2시간 전에 현재 위치에서 앞쪽으로 80km 위치에 있었다.)

이것을 이해하는 방법의 하나로는, 양수에 의한 곱셈을 덧셈의 반복으로 간주하는 것이다. 3 × 2는 각 그룹이 2를 포함한 3개의 그룹으로 생각한다. 따라서 3 × 2 = 2 + 2 + 2 = 6이고 당연히 -2 × 3 = (-2) + (-2) + (-2) = -6이다.

음수에 의한 곱셈도 가산의 반복으로 볼 수 있다. 예를 들어 3 × -2는 각 그룹이 -2를 포함한 3개의 그룹으로 생각된다.

3 × -2 = (-2) + (-2) + (-2) = -6

이것은 곱셈의 교환법칙을 만족한다.

3 × -2 = -2 × 3 = -6

'음수에 의한 곱셈'과 같은 해석을 음수에 대해서도 적용하면 다음과 같다.

-4 × -3 = - (-4) - (-4) - (-4)
= 4 + 4 + 4
= 12

그러나 형식적인 관점에서 두 음수의 곱셈은 곱의 합에 대한 분배법칙에 의해 직접 얻을 수 있다.

-1 × -1 = (-1) × (-1) + (-2) + 2
= (-1) × (-1) + (-1) × 2 + 2
= (-1) × (-1 + 2) + 2
= (-1) × 1 + 2
= (-1) + 2
= 1

나누기

나누기도 곱셈과 마찬가지로 음수로 나누면 양음의 방향을 반전시키게 된다. 음수를 양수로 나누면 몫은 음수로 유지된다. 그러나 음수를 음수로 나누면 몫은 양수가 된다.

두 수의 부호가 다르다면 지수는 음수가 된다.

(-90) ÷ 3 = -30
(부채 90원을 3명으로 나누면 부채는 30원씩 상속된다.)

24 ÷ (-4) = -6
(동쪽을 양수 서쪽을 음수로 하는 경우 : 4시간 후에 동쪽으로 24km 지점에 이동하는 차량은 1시간 전에 서쪽으로 6km의 위치에 있었다.)

두 수가 같은 부호를 갖는다면 모두 양수가 된다.

(-12) ÷ (-3) = 4

거듭제곱

거듭제곱은 곱셈이나 나눗셈과 마찬가지로 지수가 양수라면 'n승'에 두배가 된다. 그러나 지수가 음수라면 '1/n승'으로 분할된다.

3^3 = 27
(× 3 × 3 × 3 = 27)

3^-3 = 1/27
(÷ 3 ÷ 3 ÷ 3 = 1/27)

360 × 2^3 = 2880
(360 × 2 × 2 × 2 = 2880)

36 × 5^-1 = 7.2
(36 ÷ 5 = 7.2)

출처 참조 번역
· 正の数と負の数
https://ja.m.wikipedia.org/wiki/%E6%AD%A3%E3%81%AE%E6%95%B0%E3%81%A8%E8%B2%A0%E3%81%AE%E6%95%B0

세계에는 여러가지 '세계에서 가장 빠른 기록'이 존재합니다. 시속 1000km의 자기부상열차부터 시속 790km의 자동차, 시속 약 50km의 쓰레기통 등 다양한 것의 속도가 세계 최고로 기록되어 있습니다. 놀라운 사실은 사람이 지금까지 만들어 온 것 중에서 가장 빠른 물체는 비행기도 로켓도 아닌 '핵실험으로 날라간 맨홀 뚜껑'이라고 과학계 뉴스미디어 ZME Science가 설명합니다.

The fastest man-made object is a manhole cover that was blasted into space by an underground nuclear test
https://www.zmescience.com/science/news-science/fastest-manmade-object-manhole-cover-nuclea-test/

미국의 핵무기 개발 프로젝트 '맨해튼 프로젝트'를 시작으로, 미국에서는 1945년~1992년 사이에만 1000회를 넘는 핵실험이 실시되었습니다.

이러한 실험으로는 비키니 환초에 거대한 버섯구름을 발생시킨 크로스로드 작전이 특히 유명하지만, 실험의 대부분은 지하에서 이루어졌습니다.

1957년 7월 26일 밤, 네바다 핵실험장에서 열린 '파스칼A'라는 핵실험도 그 중 하나로, 핵미사일의 개발을 목적으로 한 Operation Plumbbob를 추진하던 실험팀은 깊이 150미터의 세로 구멍의 바닥에 폭탄을 설치하고, 무게 900kg의 철판을 용접하여 뚜껑으로 사용했습니다. 폭탄은 무사히 폭발했고 철판은 기폭 후 몇 밀리초만에 실험장의 상공으로 날려졌습니다.

계속해서 '파스칼B'의 실험을 실시하기에 앞서 과학자 로버트 브라운 리 씨는 지하 샤프트에서 발생하는 충격파의 크기를 계산하도록 명령을 받았습니다. 브라운 리 씨는 이후에 쓴 칼럼에서 "실험을 담당한 빌 오그루 부사단장으로부터 3번이나 뚜껑이 하늘로 날아오른 속도를 질문받았다"고 밝히고 있습니다.

브라운 리 씨는 뚜껑을 하는 목적은 폭발의 충격을 반사시키는 것이지, 뚜껑이 날라가는 것은 중요하지 않다고 반복해서 설명했지만, 오그루 씨가 뚜껑이 날아오르는 것에 집착했기 때문에 어쩔 수 없이 계산한 결과 '뚜껑은 지구에서의 탈출속도의 약 6배까지 가속화될 것'이라는 결론을 이끌어냈습니다.

이때 오그루 씨의 반응에 대해 브라운 리 씨는 "그는 속도에 대한 보고를 듣고 다른 사람에게 떠벌리는 것이 좋아했지만, 지구에서의 탈출속도라는 척도의 속도에 대해서 아는 바가 없었던 것 같았지만, 탈출속도의 6배라고 여기저기서 떠벌리고 다녔습니다. 그는 실험으로 인해 뚜껑이 지구에서 튀어나가버리는 것이라고 말하고 있었습니다. 물론 나는 그런 것은 아니라고 생각했지만..."이라고 회고했습니다.

실험팀은 철의 뚜껑이 날아가는 속도를 확인하기 위해 8월 27일에 열린 '파스칼B'의 실험장에 하이스피드 카메라를 설치했습니다. 그러나 뚜껑은 단 1프레임밖에 촬영되지 않았기 때문에 영상을 통해 직접 뚜껑의 속도를 측정할 수 없습니다만, 브라운 리 씨는 후에 "뚜껑의 속도는 시속 약 12만 5000마일(시속 약 20만 km)이었다"고 산출했습니다. 탈출속도는 시속 약 4만 km이기 때문에 뚜껑은 브라운 리 씨가 예측한 속도에 가까운 '탈출속도의 약 5배'에 도달하게 됩니다.

그리하여 가장 빠른 인공물이 된 뚜껑 대해 ZME Science는 "모두가 어딘가에서 맨홀 뚜껑을 찾을 것으로 기대하고 있었습니다만, 뚜껑은 발견되지 않았습니다. 이 뚜껑은 소련이 인류 최초의 인공위성인 스푸트니크 1호보다 먼저 우주에 뛰쳐나갔을 가능성이 있으므로 가장 빠른 인공물이면서 우주에 도달한 최초의 인공물이었을지도 모릅니다"라고 말합니다.

그 이후의 테스트에서는 핵폭발을 완전히 봉쇄하기 위해 뚜껑이 날라가지 않도록 개량이 이루어졌다고 합니다.

오랫동안 문제에 대한 마이너스의 답은 '오류'라고 생각했다. 그 이유는 음수를 실생활에서 발견할 수 없었기 때문이다(예를 들어, 음수의 사과를 가질 수 없다). 이 추상적 개념은 기원전 100년 ~ 기원전 50년에 인식되고 있었다. 중국의 '구장산술'에는 그림의 면적을 구하는 방법이 포함되어 있다. 붉은 산목(算木)으로 양의 계수를, 검은 산목으로 음의 계수를 나타내었고, 음수가 포함된 방정식을 풀 수 있었다. 기원후 7세기경에 쓰여진 고대 인도의 '바크샤리(Bakhshali) 사본'에서는 "+"를 마이너스 부호로 사용하여 음수에 의한 계산을 하고 있었다. 이것들이 현재 알려진 가장 오래된 음수의 사용이다.

프톨레마이오스왕조의 이집트에서는 디오판토스가 3세기에 '산술'에서 4x + 20 = 0(답은 음수)과 등가의 방정식에 대해 언급하며 이 방정식은 엉망이라고 평했는데, 이것은 고대 지중해 세계에 음수의 개념이 없었다는 것을 보여주고 있다.

7세기 사이에 음수는 인도에서 빚을 나타내는 데 사용되고 있었다. 인도의 수학자 브라마 굽타는 'Brahmasphutasiddhanta(628년)에서 오늘날 사용되고 있는 일반화된 형식의 해의 공식을 만들기 위해 음수를 사용하는 것에 대해 논하고 있다. 그는 이차방정식의 음수의 답을 발견했고 음수와 제로가 관련된 연산의 규칙도 부여했다. 그는 양수를 '재산', 제로를 '0(cipher)', 음수를 '부채'라고 불렀다. 12세기 인도에서 바스카라 2세도 이차방정식에 음의 제곱근을 부여하고 있었지만, 문제의 맥락상 잘못된 것으로 치부하여 음의 제곱근을 거부했다.

8세기 이후 이슬람 세계에서는 브라마 굽타의 아랍어로 번역된 저서로 음수를 배웠고 서기 1000년 무렵에는 대부분의 아랍의 수학자는 부채에 음수를 사용하는 것을 이해하고 있었다. 음수의 지식은 결국 아랍어와 인도어 저서의 라틴어 번역을 통해 유럽에 도달했다. 그러나 유럽의 수학자 대부분이 17세기까지 음수의 개념에 저항을 하였다. 그러나 피보나치는 '주판의 서(Liber abaci 1202년) 제13장에서 음수를 부채로 해석했고, 그 이후 '정화'에서 손실로 해석하며 금융문제에서의 음의 해를 인정했다. 동시에 중국은 오른쪽의 제로가 아닌 자릿수에 사선을 그어 음수를 나타냈다. 유럽인의 저서에서 음수가 사용된 것은 15세기 중 슈케에 의한 것이 최초였다. 그는 음수를 지수로 사용했지만, '터무니없는 숫자'라고 불렀다.

영국의 수학자 프랜시스 마세레스는 1759년 음수는 없다는 결론에 도달했다.

음수는 현대까지 충분히 이해되지 않았다. 18세기 스위스의 수학자 레온하르트 오일러는 음수가 무한대보다 크다고 믿고 있었으며(이 견해는 존 월리스와 같다) 방정식이 도출하는 모든 음의 해를 의미가 없는 것으로 무시하는 것이 일반적이었다.

출처 참조 번역
· 正の数と負の数
https://ja.m.wikipedia.org/wiki/%E6%AD%A3%E3%81%AE%E6%95%B0%E3%81%A8%E8%B2%A0%E3%81%AE%E6%95%B0

■ 자연수에 대해
사과 1개, 2개, 3개라든지, 오른쪽에서 첫 번째, 두 번째, 세 번째 같이 물건의 개수를 세거나 순서를 나타내거나 할 수 있는 1,2,3 ...을 자연수라고 합니다.

■ 음수에 대해
0보다 큰 수를 양수, 0보다 작은 수를 음수라고 합니다. 음수는 '-' 마이너스 부호를 붙여서 나타냅니다. 양수는 보통은 아무것도 붙이지 않지만, 양수라고 강조하고 싶을 때 플러스(+) 부호를 붙여 나타냅니다.

■ 정수에 대해
초등학교에서는 자연수에 0을 더한 수를 정수라고 했습니다. 중학교에서는 자연수에 마이너스 부호가 붙은 음의 정수가 추가됩니다. 그리고 자연수의 수를 양의 정수라고 합니다.

2021년 1월 22일, 도쿄대학대학원의 나카무라 에이치 특별교수 연구그룹이 지금까지 곤란했던 결정이 완성되는 순간의 촬영에 성공했다고 발표했습니다.

結晶はどうやってできる？その瞬間を見た！ - 東京大学 大学院理学系研究科・理学部
https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2021/7211/

Capturing the Moment of Emergence of Crystal Nucleus from Disorder | Journal of the American Chemical Society
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c12100

균일한 용액에서 고체의 결정이 생성되는 결정화는 의약 및 재료 등 다양한 분야에서 필수적인 기술입니다. 그러나 지금까지 결정에서 원자배열 등의 구조가 밝혀져 온 반면, 결정화 현상의 초창기 과정인 핵생성은 기존의 실험방법에 의한 해석이 곤란했고, 시뮬레이션 등에 의한 이론연구 등에서 연구가 진행되어 왔지만 결정적인 성과를 얻을 수 없었다고 합니다. 이번 나카무라 교수의 연구그룹은 원자 하나하나를 구분하여 관찰할 수 있는 '원자분해능투과 전자현미경'이라는 특수한 전자현미경을 이용하여 관찰하였고, 결정화의 순간과 성장과정을 영상에 담는데 성공했습니다.

나카무라 교수의 연구그룹은 염화나트륨(NaCl) 수용액을 원뿔형상의 카본나노튜브(CNT)에 내포한 후 건조하여 물을 제거함으로써 CNT 내부의 NaCl이 진공 하에서 결정화하는 모습을 촬영했습니다. 이 촬영은 원뿔이라는 특수한 형상이 CNT의 끝자락에서 NaCl의 핵생성을 유도하고 CNT의 나노미터 크기의 내부공간이 분자의 확산을 억제함으로써 달성된다는 것.

아래의 동영상에서 CNT의 끝자락에서 1나노미터 크기의 NaCl 결정핵이 반복적으로 생성되는 양상을 확인할 수 있습니다.

9回繰り返すNaClの結晶化スローモーション映像 - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=SK6PCPVPja8

또한 이번 연구에서 결정화 이전의 분자집합체가 유동적으로 구조를 변화시키면서 무질서한 구조와 결정에 유사한 질서있는 구조를 오가고 있다는 점도 밝혀져, 핵형성 과정에서 분자집합체의 크기뿐만 아니라 그 구조역학이 중요한 역할을 한다는 것을 시사하고 있다고 연구팀은 말합니다.

핵형성에 걸리는 시간은 매회 2초~10초로 재현성이 있어 "적절한 공간을 설계함으로써 제어가 곤란했던 핵형성 과정을 원자 수준의 정밀한 제어가 가능하다는 것을 나타낸 것이며, 결정 크기 및 결정다형제어기법으로의 전개가 예상된다"고 말합니다. "원하는 모양이나 성질을 가진 신소재를 분자 수준에서의 관찰을 바탕으로 설계 · 개발하는 등 혁신적인 분자기술로의 응용이 기대된다"고 전망합니다.

메타물질은 빛이나 전자파에 대해 자연계에 없는 작용을 하도록 구조화된 인공재료로, 연구자들이 원했던 특성과 형상을 실현하기 위해 작성되었습니다.

최근 자기특성을 재구축할 수 있는 새로운 메타물질을 개발했다고 로잔연방 공과대학교 fleXLab가 발표했습니다.

New metamaterial offers reprogrammable properties - EPFL
https://actu.epfl.ch/news/new-metamaterial-offers-reprogrammable-properties/

New metamaterial merges magnetic memory and physical changes | Ars Technica
https://arstechnica.com/science/2021/01/new-metamaterial-merges-magnetic-memory-and-physical-changes/

메타물질은 물질마다 단독의 특성을 가지고 있으며 그 강성과 강도 등의 물리적 특성을 변경하기 위해서는 새롭게 다시 만들어야 했습니다. 그러나 fleXLab의 박사연구원인 티안 첸 씨는 "새로운 메타물질은 자기특성이 변경 가능하다"고 주장합니다.

첸 씨 연구팀이 개발한 메타물질은 4개의 다리로 지탱한 상자모양을 하고 있으며, 자성입자가 포함된 실리콘으로 되어 있다는 것. 외부에서 자기장을 추가로 변형하고 그 상하에 배치된 자석 장치마다 다른 모양을 취할 수 있습니다. 개별 셀에 자기장이 걸리면 하드디스크 드라이브와 같은 작용도 가능하다고 말합니다.

첸 씨 연구팀이 이 메타물질의 자기상태를 읽은 결과, 형상을 변화시킴으로써 최대 5배 다른 자기특성을 나타내는 것으로 밝혀졌다는 것. 첸 씨는 "지금까지 한정된 성질밖에 실현될 수 없었던 메타물질이 하나의 재료로 모든 물리적 특성을 재현할 수 있게 될 것으로 기대하고 있다"고 말합니다.