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호기심에서 얻는다


종이. 신문에, 잡지에, 소설책에, 복사용지에 그리고 1000원짜리 지폐에 사용되는 그 흔한 종이다. 그런데 이런 평범한 종이가 하늘을 난다면? 그것도 스스로 말이다.

뉴욕타임스 2006년 7월 11일자는 “종이가 ‘똑똑한’ 물질임이 밝혀졌다”며 인하대 기계공학과 김재환 교수와의 인터뷰 내용을 자세히 실었다. 종이가 어떻게 이런 ‘마법’을 부리는 걸까. 아니, 김 교수는 종이에 어떻게 이런 ‘마법’을 걸었을까.

시작은 단순한 호기심이었다. 1999년 우연히 껌종이에 전기를 걸었는데 종이가 부르르 떨렸다. 이유가 궁금했던 그는 화학공학과, 제지과 교수들에게 자문을 구했지만 만족스런 답을 얻지 못했다.

당시 김 교수 본인이 추측한 답은 정전(靜電)효과였다. 종종 프린터에서 용지가 걸리는 경우가 있는데, 이는 종이에 전기장이 걸려 금속 원통(드럼)에 들러붙기 때문이다. 플라스틱 책받침을 옷에 문지른 뒤 머리에 대면 정전효과로 머리카락이 일어서는 것과 같은 원리다.




그런데 프린터에 걸린 용지는 드럼에 들러붙어 있을 뿐 팔랑거리진 않는다. 그렇다면 정전효과는 아니라는 얘기다.

그 때부터 김 교수는 원인을 찾기 위해 종이라면 종류를 가리지 않고 일일이 전기를 걸어봤다. 흔한 복사용지부터 마분지, 셀로판지, 한지까지 종이 종류만 60여가지였다.

2000년과 20001년 그는 국제학회에서 이 실험 결과를 정리해 발표했다. ‘종이가 전기로 움직인다’는 흥미로운 주제에 학계의 관심이 쏠렸다. 특히 미국 항공우주국(NASA)에서 김 교수의 연구 내용에 특별한 관심을 보였다. 2001년 그는 두 차례에 걸쳐 NASA를 방문해 자료 조사와 실험을 진행했다.

2002년 초 김 교수는 드디어 해답의 실마리를 찾았다. 종이 속에 든 셀룰로오스의 특별한 구조 때문에 종이가 움직일 수 있었던 것. 셀룰로오스는 결정구조와 비결정구조가 사슬처럼 반복해서 이어져 있다. 김 교수는 “결정구조에서는 ‘압전효과’가, 비결정구조에서는 ‘이온전이효과’가 나타나 종이가 움직인다”고 설명했다.





압전효과란 쉽게 말해 외부에서 압력이나 진동(기계에너지)을 가하면 전기가 생기고 전기를 흘려주면 진동이 생기는 효과다. 이때 압력이나 진동을 가하면 전기를 생성하는 물질이 압전체다. 종이에서는 셀룰로오스가 이런 압전체 역할을 하는 셈이다.

이온전이효과는 셀룰로오스 내부의 결정구조와 비결정구조 사이에서 움직이는 전하를 힘으로 바꿔 종이를 떨게 한다. 종이에 전기를 걸면 이온들이 전기장을 따라 움직이면서 셀룰로오스 안의 물분자를 끌고 같이 움직이기 때문에 종이가 파르르 떨린다.





2003년 김 교수는 ‘생체모방종이작동기연구단’을 꾸려 셀룰로오스의 이런 특이한 성질을 본격적으로 연구하기 시작했다. 대표적인 예가 ‘종이로봇’이다. 종이로봇은 싼값으로 대량 제작할 수 있기 때문에 우주실험에 적합하다. NASA는 값비싼 탐사선 대신 값싼 종이로봇을 대량으로 화성이나 목성, 토성에 보내 탐지와 정찰 임무를 맡길 계획이다. 현재 연구단은 NASA와 함께 나비나 벌레처럼 움직이는 종이 로봇을 개발 중이다.

‘플라워 스피커’도 연구단의 야심작 중 하나다. 말 그대로 꽃 모양의 스피커를 만들겠다는 것. 전기가 흐를 때 종이의 셀룰로오스가 떨리면서 스피커 역할을 한다. 연구단의 실험 결과 종이 스피커는 5~10V 정도의 작은 전압으로도 소리를 낼 수 있다. 이 정도면 아이팟이나 MP3플레이어처럼 휴대용 기기의 스피커로 쓰기에는 무리가 없다.

그는 “창의연구단에서 개발한 원천 기술을 토대로 산업에 응용할 수 있는 셀룰로오스 기반 기술을 개발할 것”이라며 포부를 밝혔다. 연구단이 셀룰로오스에서 ‘금맥’을 캐낼 그날을 기대한다.


<이현경 기자의 ‘로봇과 스피커, 종이로 만든다 ’에서 발췌 및 편집>
| 글 | 편집부ㆍ |

잠자리 모양으로 만든 전기작동종이.
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