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[2021 봄호] 4 - 전자전기공학과가 본 교실

  • 김현우
  • 2021-07-09 07:01:09

2021 SPRING 공대생이 보는 세상 4

전자전기공학과가 본 교실
Dept. of Electrical Engineering







‘띠링 띠링’ 앗! 늦잠을 자버렸잖아?

그래도 비대면 수업이라 정말 다행이야. 그런데 멀리서 수업하시는 교수님의 수업을 어떻게 볼 수 있는 걸까?

자연에 존재하는 모든 신호는 연속적인 아날로그 신호야.

그럼 교수님의 목소리와 움직임은 연속적일까? 맞아! 바로 연속적인 신호지. 하지만 컴퓨터는 아날로그 신호를 그대로 전달할 수 없어. 그래서 이때 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환 시켜 주는 ADC Analog to Digital Conversion를 진행하는 게 바로 ‘센서 Sensor야. 카메라, 마이크가 대표적인 예시이지.
아날로그 신호의 디지털 변환 예시

아날로그 신호는 샘플링을 통해 디지털 신호로 변환되는데, 사진과 같이 신호 $S(t)$가 있을 때 미리 정한 Sampling Rate (Sample/sec)에 따라 샘플링을 진행해! 샘플링을 진행하고 나면 신호 $S(t)는 S(nT)$라는 이산신호 Discrete time signal로 표현될 수 있어. ($n$ = 정수, $T$ = 샘플링 주기)

그럼 변환된 디지털 신호는 어떻게 우리가 보는 아날로그 신호로 바뀔까?

이렇게 변환된 디지털 신호는 다시 아날로그 신호로 복원되어야겠지? 이때 필요한 것이 바로 DAC Digital to Analog Conversion로, 샘플링 과정의 역과정을 수행해.[링크] 신호 복원 과정 여기엔 Nyquist-Shannon theorem등과 같이 디지털 형식으로 바뀌었던 신호를 최대한 손상 없이 복원하기 위한 이론들이 사용돼.

먼저 Nyquist 식을 나타내보면, $C = 2 × BW × log2(L)$이야.


Nyquist Shannon theorem은 신호를 전송할 때 채널에서 신호의 왜곡을 발생시키지 않을 최대 전송 속도를 구할 수 있는 식이야.

Nyquist Shannon theorem 자세히 알아보기


이와 다르게 Shannon Channel Capacity 식은 $C = BW × log2(1 + SNR)$로 나타나. ($C$ = 채널 용량(bits/sec), $BW$ = 주파수 대역폭, $SNR$ = 신호 대 잡음 비, $L$ = 비트 수)

Nyquist와 Shannon 식의 차이를 보면 바로 Shannon은 잡음 Noise을 고려했다는 거야.
ADC와 DAC 과정

지금까지 비대면으로 교수님의 수업을 어떻게 볼 수 있는지에 대해 간단히 알아봤어.
만약 신호 분석에 호기심이 생긴다면 더 공부해 보는 것도 좋을 거야.

그럼, 모두 파이팅!


ALIMI 25기 전자전기공학과 김현우

고교 생활 중 진로에 대한 고민이 생긴다면 언제든지 편하게 질문해주세요!!!

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[2021 봄호] 3 - 물리학과가 본 교실

  • 서동희
  • 2021-07-09 07:00:58

2021 SPRING 공대생이 보는 세상 3

물리학과가 본 교실
Dept. of Physics







아~ 졸려.. 누워서 숙제할 수는 없을까...

어? 만년필을 거꾸로 들어도 글씨를 쓸 수 있잖아! 중력이 반대로 작용할 텐데 이게 어떻게 가능한 거지?

정답은 모세관 현상이야!


물과 수은의 모세관 현상 비교

모세관 현상 Capillary action은 액체 속에 모세관을 넣었을 때, 액체 사이의 인력과 액체와 모세관 사이의 인력에 의해 가느다란 관을 채운 액체가 올라가거나 내려가는 현상을 말해. 예를 들어 가는 유리관을 물속에 넣으면 물 분자 사이의 응집력보다 물 분자와 유리벽 사이의 인력이 더 강하기 때문에 유리관의 안쪽을 따라 물이 따라 올라오게 돼. 반대로, 수은은 수은과 관과의 부착력보다 수은 분자끼리의 응집력이 더 강하기 때문에 모세관을 따라 내려가게 돼. 그리고 만년필에도 이 원리가 적용되어 잉크가 나오고 종이 위에 글씨가 써지게 되는 거야.

만년필 펜촉을 보면 가운데 얇은 틈이 있어. 그리고 그 틈이 일종의 모세관 되어 잉크 카트리지에 있는 잉크들이 타고 올라오게 되는 거지. 그렇게 올라온 잉크가 종이로 옮겨지는 과정도 중력 때문이 아닌 모세관 힘 때문이야. 종이는 우리 눈에는 매끈해 보이지만 확대해보면 셀룰로스 섬유가 복잡하게 뒤엉킨, 일종의 모세관이라고 볼 수 있어. 그렇기에 펜촉과 종이가 잉크를 두고 벌이는 모세관 힘의 상호작용으로 잉크가 펜촉에서 종이로 이동하게 되지. 중력 때문이 아닌 모세관 작용으로 잉크가 나오는 것이기 때문에 거꾸로 써도 나오지만, 필름으로 코팅되어 표면에 모세관이 없는 경우, 모세관의 상호작용이 일어나지 않기 때문에 종이 위에는 글씨가 잘 안 써지는 거지.

모세관 작용을 이용해서 선의 두께를 예측해볼 수도 있어!

펜촉을 종이에 대고 천천히 움직이는 것보다 빨리 움직이면 더 얇은 선이 나오게 되는 것도 모세관 힘 사이의 동적 평형에 의한 결과라고 해. 그리고 한 연구팀에서 모세관 작용을 계산하여 아래 수식과 같이 펜을 쓸 때 종이에 남는 잉크 반점의 크기와 선의 두께를 예측하는 수식 [링크] Hydrodynamics of writing with ink 논문을 만들기도 했다고 해.
$$\boldsymbol{wf} = \boldsymbol{0.16(f-1)γh/(fμu_0)}+\boldsymbol{5.55R}$$
$\boldsymbol{wf}$ : 선의 두께
$\boldsymbol{f}$ : 종이의 거친 정도(roughness)
$\boldsymbol{γ}$ : 잉크의 표면장력
$\boldsymbol{h}$ : 종이에 옮겨지는 잉크 필름의 두께
$\boldsymbol{μ}$ : 잉크의 점도
$\boldsymbol{u_0}$ : 펜이 움직이는 속도
$\boldsymbol{R}$ : 펜촉 틈 폭의 절반

종이의 거친 정도 잉크의 표면장력 등 다양한 변인들을 함께 고려해 선의 두께를 구할 수 있다니 정말 신기하지 않니?
이렇게 얘기하다 보니 어느덧 잠이 깼네!

이제 나는 만년필로 다시 숙제하러 가볼게! 안녕~

ALIMI 25기 전자전기공학과 서동희

다들 포스텍에서 만나요!

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[2021 봄호] 2 - 화학과가 본 교실

  • 김민수
  • 2021-07-09 07:00:19

2021 SPRING 공대생이 보는 세상 2

화학과가 본 교실
Dept. of Chemistry







와...벌써 새 학기가 시작했네...

이번 학기도 열심히 해야겠다! 어? 필통에 HB, B심 연필이랑 지우개가 있네!
연필심 앞에 붙는 알파벳은 어떤 차이를 나타내고, 그 차이는 무엇이 만드는 것일까? 또, 지우개는 어떻게 연필을 지울 수 있는 걸까?

흑연의 구조
흑연의 구조

연필심을 탄소 동소체의 한 종류인 흑연 Graphite으로 만드는 것을 다들 알고 있을 거야. 구체적으로는 점토와 흑연의 조합으로 이루어져 있어.

연필과 지우개의 원리를 이해하기 위해서 우선 흑연에 대해 알아보자.
흑연은 그래핀 Graphene이라고 불리는 육각형 모양으로 결합한 2차원의 탄소층이 반데르발스 힘 van der Waals force으로 연결된 구조지. 여기서 반데르발스 힘은 무극성 분자에서 다양한 쌍극자 사이의 인력으로 인한 힘이야. 반데르발스 힘은 다른 분자 간 상호작용보다 약한데, 이로 인해 흑연도 무르다는 특징이 있지.


반데르발스 힘에 대해 더 알고 싶다면, 아래 영상을 참고해봐!

반데르발스 힘 더 알아보기

그렇다면 글씨는 어떻게 쓰여지는 걸까?

우리가 보는 글씨는 연필을 쓸 때 연필심 속 흑연의 그래핀이 층층이 밀려나면서 종이에 남은 검은 자국이야. 이때 점토와 흑연 조합 비율의 차이가 진하기의 차이를 만드는데, 점토 비율이 높아질수록 연필심이 단단해지고, 적을수록 연필심이 물러져. B 앞에 붙은 숫자가 클수록 점토의 비율이 낮아서 연필심이 더 무르고, 더 많은 흑연이 종이에 남아 글씨가 진하게 보이는 거지. 이런 의미를 담아서 연필심의 B는 Black, H는 Hard의 앞글자를 따온 거라고 해.

지우개는 연필과 정확히 반대의 원리야!

플라스틱 지우개는 염화 비닐, 가소제, 세라믹스 분말 등으로 이루어져 있어. 이때 가소제 PlasticizerPlasticizer에는 흑연의 분자 구조와 비슷한 탄소의 이중 결합이 있어서 흑연과의 결합력이 크다는 특징이 있지. 지우개로 종이를 문지르면, 먼저 세라믹스 분말이 종이 섬유를 적당히 깎아내어 가소제와 흑연이 결합하기 쉽게 해. 그리고 가소제와 흑연 사이의 결합력이 흑연과 종이 섬유 사이의 인력보다 크기 때문에 가소제가 종이 섬유에 남아있던 흑연을 떼어내고, 필기를 지울 수 있는 것이야.

지금까지 우리가 쓰는 연필과 지우개에 어떤 원리가 숨어져 있는지 알아보았어! 간단해 보이는 연필과 지우개에도 이렇게 많은 과학적인 원리가 있다니 정말 신기한 것 같아.

앗! 종이 쳐서 나는 다시 수업 들으러 갈게! 안녕~.

ALIMI 기 김민수

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[2021 봄호] 1 - 신소재공학과가 본 교실

  • 강아림
  • 2021-07-09 07:00:13

2021 SPRING 공대생이 보는 세상 1

신소재공학과가 본 교실
Dept. of Materials Science & Engineering






‘딩동댕동’ 종 쳤다! 드디어 쉬는 시간이야!

피곤했었는데 마침 학교 스피커에서 종이 울리네.

그나저나 저 스피커는 무슨 소재로 되어있는 걸까? 그냥 플라스틱인 것 같은데, 단단해 보이기도 하고? 아, 학교 스피커는 ABS Acrylonitrile Butadiene Styrene 수지로 만들어졌지! ABS는 한 종류의 단위체로 이루어지는 단일 중합체와는 다르게, 아크릴로니트릴 Acrylonitrile, 부타디엔 Butadiene, 스타이렌 Styrene 이렇게 두 종류 이상의 단량체가 중합되어 있어서 공중합체라고 불러.

그럼 공중합체는 어떻게 형성할 수 있을까?

공중합체를 형성하는 방법 중 하나가 바로 자유 라디칼 중합 free radical polymerization으로, 자유 라디칼을 이용해서 단량체들을 중합하는 방법이야.

여기서 자유 라디칼은 홀전자를 가지고 있어서 매우 불안정한 성질을 띠는 원자, 분자, 혹은 이온을 말해. 열, 빛 등 외부 자극에 의해 매우 쉽게 라디칼을 형성하는 물질인 라디칼 개시제Initiator를 이용하면 자유 라디칼을 쉽게 얻을 수 있어. 홀전자를 가지고 있어 불안정하다는 말은 화학 반응성이 높다는 거야! 그래서 단량체에서 쉽게 전자를 하나 빼앗아 결합하고, 단량체는 전자쌍에서 전자를 빼앗겼기 때문에 말단에 홀전자가 생기면 또 다른 라디칼이 되어서 다른 단량체와 반응하는 거지! 이 반응이 연쇄적으로 일어나면서 단량체들은 길게 결합해서 사슬이 되고, 사슬 끝에 있는 라디칼끼리 결합하여 아주 긴 사슬을 형성하는 거야.

하지만 꼭 사슬의 말단끼리 결합하지는 않아!


앞서 말했듯이 라디칼은 매우 불안정해서, 다른 고분자 사슬의 중간에 있는 전자를 하나 빼앗아 전자쌍을 이룰 때가 있어. 이렇게 사슬의 중간에 결합이 자주 일어나다 보면 가지를 뻗듯이 고분자가 형성되는데, ABS 역시 세 종류의 단량체가 가지처럼 결합해서 생긴 공중합체야! ABS는 단량체 간의 상호작용 덕분에 내구성과 강도가 좋아서 학교 스피커 말고도 레고, 컴퓨터, 헤어드라이어 등에 사용된다고 해.

앗, 수업 종 쳤다! 난 이만 수업 들으러 가볼게. 안녕 ~.


ALIMI 26기 신소재공학과 강아림

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[2021 봄호] 극한환경로봇공학 연구실

  • POSTECHIAN
  • 2021-07-01 09:00:43

2021 SPRING 포스텍 연구실 탐방기

극한환경로봇공학 연구실
Hazardous & Extreme environment RObotics Lab - POSTECH HERO Lab


HERO Lab은 통제가 가능한 실내에서 나와 특수 환경에 직접 투입될 수 있는 로봇을 개발하고 이와 관련된 항법 및 센싱 기술을 연구하고 있다.
연구실 구성원들이 서로를 보완하고 협동하며, 보다 완성된 로봇이 실제 현장에서 활약하는 미래를 위해 꾸준히 발걸음을 내딛고 있다.
미래의 포스테키안 또한 이 미래를 함께 꿈꾸고 도전하기를 기대해 본다.



IT융합공학과 통합과정 송석용


나날이 발전하는 로봇 기술로 인해 로봇이 일상과 산업에 점차 자리 잡고 있다. 로봇은 인간의 삶을 보조하고 편리하게 하기 위하여 이용될 뿐만 아니라, 인간이 직접 작업하기에 위험하거나 어려운 지역에 투입되어 임무를 수행하기도 한다. 대표적으로 바다는 아직 관측되지 않은 지역이 80% 이상으로, 지금껏 발견하지 못한 수많은 자원이 존재하는 곳이지만 수압과 어두운 시야, 미지의 지형, 조류로 인하여 기술의 도움 없이는 접근이 어려운 환경이다. 또한 원자력 발전소의 방사선 노출 지역에서 구조물을 유지 보수하거나, 화산 지대 및 재난 지역을 탐사하는 데에는 이를 위해 특수 제작된 로봇의 도움이 필요하다.



심해, 북극, 재난 지역과 같이 인간이 접근하기 어려운 극한 환경에서 활약할 수 있는 로봇을 극한환경로봇이라 하며, 이와 관련된 기술을 POSTECH의 극한환경로봇공학 연구실이하 HERO Lab, Hazardous & Extreme environment RObotics Lab에서 연구하고 있다.

극한환경로봇공학 연구실 홈페이지


HERO Lab에서 수행하고 있는 연구의 주요 주제를 아래와 같이 소개한다.

HERO Lab 연구팀은 해저 탐사용 수중 로봇인 ‘Cyclops’와 같은 많은 로봇 시스템을 직접 개발하고 있으며, 실제 현장에서 로봇을 운용하며 취득한 센서 데이터를 통해 로봇의 항법 기술 연구를 진행하고 있다. Cyclops는 8개의 추진기를 통해 수중에서 3차원의 모든 방향으로 정밀하게 위치 제어할 수 있는 로봇이며, 광학 카메라, 초음파 카메라(Sonar), 레이저, 수질 다항목 측정기 등 다양한 센서를 탑재하고 있다. 이 로봇을 이용해 해저면을 촬영한 수많은 사진을 이어 붙여 수중 지도를 만드는 이미지 모자이킹image mosaicking 작업을 진행하였고, 이것을 다시 3차원으로 복원하여 포항 연안 바다의 3차원 해저 지형도 및 실사 모형 제작에 성공하였다.


그림 1. 실제 해역에서 운용 중인 수중 로봇 ‘Cyclops’


또한, 기존에 제작한 Cyclops로부터의 사출 및 회수가 가능한 소형 수중 로봇을 제작하였고, Cyclops와 협동하여 목표 물체의 회수 임무를 진행하는 데에 필요한 물체 인식 기술 및 정밀 작업 기술을 구현하였다. 그리고 앞선 두 수중 로봇을 포함한 대부분의 수중 로봇이 이동을 위해 프로펠러 형태의 추진기를 사용하는 것과는 다르게, 핀(물갈퀴)을 이용하여 수영하거나 해저면을 걸을 수 있는 수중 로봇 또한 개발하여 수중에서의 운동 및 제어 기술의 연구를 진행하고 있다. 이외에도 양식 어업에 활용될 수 있는 방수 시스템을 개발하여 어업 현장에서 그 효과를 검증하는 한편, 원자력 발전소에서 임무를 수행할 수 있는 로봇의 개발을 시도하고 있다.

이와 같은 극한환경로봇을 제작하기 위해서는 로봇이 운용되는 환경의 특수성을 고려해야 한다. 특히 수중 로봇의 선체를 설계할 때에는 일반적인 육지의 로봇에 비해 추가로 내압과 방수, 이동 방법 등의 추가적인 요소를 고려해야 한다.
수중에서는 10m 더 깊이 잠수할수록 약 1기압만큼의 압력이 강해지므로, 로봇이 더 깊은 해역을 탐사해야 할수록 더 높은 수압을 충분히 견딜 수 있는 선체가 필요하다. 또한 침수로 인한 전기 및 전자 부품의 훼손을 방지하기 위해 선체의 방수 수단 역시 모색해야 한다. 물속에서의 추진을 위해서는 드론과 같이 프로펠러를 가진 추진기를 일반적으로 사용하며, 생체 모방에 대한 학계의 관심이 늘어남에 따라 앞서 언급한 것과 같이 지느러미나 물갈퀴를 이용한 추진 방식도 활발히 연구되고 있다. 또한 3차원 수중에서의 균형 유지와 이동을 위해 선체의 무게와 부력을 조절하는 것 또한 중요하다.

수중에서의 통신 방면에서는 공기 중과는 달리 전파가 물에 흡수되기 때문에 전파를 이용한 통신을 사용할 수 없게 된다. 지상 로봇에서 일반적으로 사용하는 원격 통신의 신호나 GPS 신호가 수중에는 도달하지 않기 때문에, 로봇이 지상의 PC와 명령과 센서 데이터를 교신할 방법이나 로봇이 자신의 위치를 파악하는 방법을 고려해야 한다. 따라서 통신 케이블을 통해 정보를 주고받는 방법이나, 초음파나 시각적인 신호를 이용한 통신 방법, 또는 로봇이 완전 자율로 바닷속을 탐사하고 해수면으로 부상하는 방법 등을 이용한다.

그림 2. 소나(Sonar) 영상을 이용한 물체의 3차원 복원


위와 같이 제작한 로봇은 자신의 위치나 방향을 계산하기 위해 사용되는 항법 센서와 주변 환경에 대한 정보를 얻기 위한 여러 종류의 관측 센서를 탑재하게 된다. 특수 환경에서 로봇이 이동하며 취득하는 센서 데이터를 활용하여 환경으로부터 새로운 정보를 추출하는 로봇의 센싱 기술은 활발히 연구되고 있는 분야이다. 수중에서는 전파의 흡수와 감쇠로 인해 레이더 RADAR라이다LiDAR, GPS를 사용할 수 없는 등 지상에 비해 사용할 수 있는 센서가 상당히 제한된다. 따라서 수중에서는 물체를 관측하기 위해 광학카메라나 초음파를 이용한 소나Sonar [링크-소나 더 알아보기] 를 주로 사용한다. 광학 카메라는 해상도가 높고 물의 탁도와 광원 등의 영향을 많이 받는 반면, 소나 영상은 수중 조건의 영향으로부터 강인하지만, 해상도가 낮고 정보량이 적어 물체의 인식이 어렵다. HERO Lab에서는 이와 같은 장단점을 지닌 수중 센서의 데이터를 개선할 방법을 연구하고 있다.

극한환경로봇공학 연구실에서는 정보량이 적은 소나 영상의 해상도를 높이기 위해 인공지능을 활용하였으며, 기존 초음파 데이터로써는 파악할 수 없었던 물체의 높이 정보를 추정하는 방법, 또한 이를 활용하여 물체를 3차원 데이터로 복원하는 방법을 개발하고 검증하였다. 이로써 수중 환경의 제약 없이 로봇에 탑재된 소나를 이용하여 해저 지형의 지도를 제작할 수 있게 되었다. 또한, 어류의 형상을 학습한 인공지능을 활용하여 광학 카메라 영상을 통해 어류를 인식하는 연구를 진행하는 등 광학 비전 방면에서도 활발한 연구가 이루어지고 있다.

그림 3. 인공지능을 활용한 어류 인식 알고리즘


이처럼 HERO Lab은 통제가 가능한 실내에서 나와 특수 환경에 직접 투입될 수 있는 로봇을 개발하고 이와 관련된 항법 및 센싱 기술을 연구하고 있다. 앞서 살핀 것과 같이 심도 있는 로봇공학의 연구에는 기계공학뿐만이 아닌 전자공학, 컴퓨터공학 및 IT융합공학까지 넓은 분야의 지식과 경험이 필요하다. 이를 위해 연구실 구성원들이 서로를 보완하고 협동하고 있으며, 보다 완성된 로봇이 실제 현장에서 활약하는 미래를 위해 꾸준히 발걸음을 내딛고 있다. 미래의 포스테키안 또한 이 미래를 함께 꿈꾸고 도전하기를 기대해 본다.

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[2021 봄호] 2 - MOSFET 트랜지스터

  • 윤명지
  • 2021-06-25 13:02:23

2021 SPRING 지식더하기

MOSFET 트랜지스터

MOSFET transistor

우리가 일상생활에서 사용하는 전자기기에는 손톱 정도의 크기에 수십억 개의 트랜지스터가 모여 있는 ‘집적회로’가 들어 있는데요.
포스테키안 구독자 여러분들은 ‘트랜지스터’라는 단어를 들었을 때 발이 3개 달린 npn, pnp 접합 트랜지스터의 이미지와 함께
증폭’이라는 단어를 먼저 떠올리실 것이라 생각됩니다.
하지만 집적회로가 등장하기 위해서는 접합형 트랜지스터와 다른 형태가 필요했다고 하는데요.

이번 지식 더하기 코너에서는 집적회로의 시작, MOSFET 트랜지스터에 대해 알아보도록 하겠습니다.


MOSFET은 Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor의 줄임말로 ‘금속 Metal, SiO2와 같은 산화물 Oxide, 그리고 반도체로 이루어져 있습니다.

아래 그림의 Source, Gate, Drain 부분은 금속으로 이루어진 전극 부분입니다.

Source에서부터 전자와 양공의 흐름이 시작되어 중간에 있는 Gate가 전기장을 이용하여 흐름을 제어하고, 마지막으로 Drain에서 전자와 양공이 빠져나갑니다. Gate 전극의 아래 산화물에서는 반도체와 Gate 사이의 절연을 담당하고 그 절연체 밑의 Channel 부분에는 전자나 양공이 쌓이거나 흐릅니다.

Channel 부분이 바로 MOSFET동작 원리의 핵심인데요! 이곳에 모이는 것이 전하이냐, 양공이냐에 따라서 n-channel MOSFETp-channel MOSFET으로 나눌 수 있습니다. 오늘은 그중에서 전자가 모이는 n-channel MOSFET을 기준으로 설명을 해보도록 하겠습니다.

n-channel MOSFET, 줄여서 nmosp형 반도체 기반 substrate 위에 n형 반도체가 올라와 있는 형태로 구성되어 있습니다. N형 반도체로 이루어진 Source와 Drain 부분에서는 전자가 더 많고 전류가 흐르기 위해서는 이 전자들이 이동해야 합니다. Gate 부분에 (-)전압을 걸어주면 Gate 쪽으로 p형 반도체의 양공이 모여 부분적으로 (+)전하를 띄게 됩니다. 이 (+)전하로 인해 Source에서 Drain 영역으로 전자가 흐를 수 없게 됩니다. 이 상태를 바로 Accumulation이라고 합니다.

반대로, Gate에 일정량 이상의 (+)전압을 인가하면, 산화물 근처로 p형 반도체 내의 전자들이 쌓여 부분적으로 (-)전하를 띄는 채널 영역이 생기고 Source에서 Drain으로 전자가 이동할 수 있는 Inversion 상태가 됩니다.

Inversion 상태에서 Source와 Drain의 전압 차가 0보다 커질 때부터 양극을 흐르는 전류가 점점 증가하다가 어느 순간 포화되어 더 이상 증가하지 않습니다. 이것을 모두 정리하면, MOSFET에서는 수평 흐름의 전류를 제어하기 위해서 수직 방향의 전기장을 사용한다는 것을 알 수 있겠죠!

nmos 가 (+)전압이 Gate에 걸렸을 때 전류가 흐른다면, pmos는 이와 반대로 (-)전압을 걸었을 때 전류가 흐르는 스위치의 역할을 합니다. 이 정반대로 동작하는 두 개의 소자를 이용하여 CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor를 만들 수 있고, 이 CMOS를 이용하여 디지털 회로를 구성합니다. 0을 (-)전압, 1을 (+)전압이라고 생각해봅시다. 가장 간단하게 nmos와 pmos를 1개씩 직렬로 연결하면 입력이 0일 때 pmos는 연결, nmos는 연결이 끊어지면서 1이 출력되고 반대로 입력이 1이 들어왔을 때는 0이 출력되는 inverter를 만들 수 있답니다.

이번 지식더하기에서 설명한 MOSFET의 작동 원리는, 정말 이상적인 상황을 가정하고 있습니다.
하지만, 각 반도체의 도핑 농도나 인가전압, 크기 등 다양한 조건에 의해서 현실세계의 MOSFET은 작동을 못하기도 합니다. 대표적으로 아주 작은 MOSFET에서는 Source와 Drain 영역이 겹쳐, Gate 전압이 0이더라도 전류가 흐르는 Punch Through 문제가 발생하기도 합니다.

포스테키안 독자 여러분들이 현실 세계의 MOSFET의 작동 원리에 대해 이해하고 더 찾아보기를 바랍니다.

ALIMI 25기 전자전기공학과 윤명지

포스테키안이 되고 싶은 친구들 모두 다 파이팅!

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[2021 봄호] 1 - 슈뢰딩거 방정식

  • 김은진
  • 2021-06-25 13:00:37

2021 SPRING 지식더하기

슈뢰딩거 방정식

Schrödinger Equation

여러분은 슈뢰딩거 방정식에 대해 들어보신 적이 있나요?
조금 어렵게 느껴지실 수도 있지만, 이번 호에서는 슈뢰딩거 방정식 Schrödinger Equation에 관해 이야기해 보려고 합니다.


우리는 빛이 파동성과 입자성을 함께 가지고 있다는 빛의 이중성에 대해 배우면서 이를 확장하여 전자와 같은 입자들도 파동의 성질을 가지고 있음을 알게 되었습니다. 기존의 고전역학에서는 좌표로 위치를 나타내고 질량(m)과 속도(v)로 입자의 상태를 나타냈는데요. 이러한 방식으로는 전자의 파동적 거동에 대해 정확히 설명할 수 없기 때문에 양자역학의 측면에서 바라본 슈뢰딩거 방정식을 도입하게 되었습니다.

슈뢰딩거 방정식의 모습을 먼저 살펴봅시다. 슈뢰딩거 방정식은 다음과 같이 시간 의존적인 방정식시간 독립적인 방정식이 있습니다.


시간 의존적 슈뢰딩거 방정식 : $(-ℏ^2/2m ∇^2 + V(r)) (r, t) = iℏ ∂ (r, t)/ ∂t$
시간 독립적 슈뢰딩거 방정식 : $(-ℏ^2/2m ∇^2 + V(r)) (r) = E (r)$


이 방정식은 미분 방정식이라 낯설게 느껴질 수도 있을 것 같은데요. 이는 다양한 변수를 가진 방정식에서 하나의 변수에만 주목하여 나머지 변수를 고정시킨 채 그 변수로 미분하는 편미분이라는 개념을 이해하면 조금 더 쉽게 이해할 수 있습니다.
예를 들어 변수가 두 개인 함수 $f(x, y)$에서 $y$를 상수로 보고 $x$로 미분한 함수를 $x$로 편미분한 함수$(∂f/∂x)$라고 합니다.
다시 슈뢰딩거 방정식으로 돌아가면 $∇^2$는 $∂^2/∂x^2+∂^2/∂y^2+∂^2/∂z^2$를 나타내는 연산기호이며, $ℏ$는 플랑크 상수 $h$를 $2π$로 나눈 값을, $V(r)$은 거리 $r$에 대한 위치에너지의 고윳값을 나타냅니다.

고등학교 때 배운 내용으로는 슈뢰딩거 방정식이 의미하는 바를 이해하기는 어렵습니다.
하지만 슈뢰딩거 방정식이 기존에 배웠던 뉴턴의 운동방정식과 다른 성질을 가지고 있는 것은 확인할 수 있습니다.

단 한 개의 해만 구해졌던 뉴턴의 방정식과 다르게 슈뢰딩거 방정식은 여러 개의 해가 구해 지는데요. 이 해들은 각각 다른 전자의 파동함수를 의미합니다. 따라서 해를 구하기만 하면 현재의 상태와 앞으로 어떤 일이 일어날지를 정확히 예측할 수 있었던 고전역학에서의 뉴턴의 방정식과 다르게, 양자역학에서는 여러 해가 나타내는 서로 다른 에너지 중 하나의 에너지를 가질 것이며 이를 예측하기는 힘들다는 것을 알 수 있습니다.

슈뢰딩거 방정식은 해를 구하는 것뿐만 아니라 해를 해석하는 것도 중요한데요. 슈뢰딩거 방정식에서 볼 수 있는 $Ψ$(프사이)는 전자의 파동함수로서 그 자체로는 별다른 의미를 가지지 않지만, 이 값의 제곱 형태인 $Ψ^2$전자가 발견될 확률을 나타냅니다. 는 보통 sin 함수의 형태를 띠고 있는데 이를 제곱하면 치역이 0보다 큰 파동함수의 그래프를 나타내게 됩니다.

파동함수 개형

위의 오른쪽 그림에서 가로축과 함수 사이 부분의 넓이가 전자가 존재할 확률을 의미합니다. 따라서 당연히 이 면적들의 총합은 1이 됩니다.
이때 node라고 불리는 확률이 0이 되는 지점을 볼 수 있습니다. 여기에서 우리는 화학 시간에 배웠던 보어의 수소 원자 궤도 모형을 떠올려 볼 수 있는데요. 원자의 궤도 사이사이에는 전자가 존재할 수 없다는 것입니다. 이를 통해 나온 것이 ‘오비탈 orbital’이라는 개념인데요. 원자를 둘러싼 전자에 대한 슈뢰딩거의 파동함수 값을 ‘오비탈’이라고 합니다. 슈뢰딩거 방정식은 이렇게 전자가 양자화되어 있다는 것을 보여 주기도 합니다.

이렇게 이번 호에서는 슈뢰딩거 방정식에 대해 알아 보았는데요. 사실 고등학생의 입장에서 슈뢰딩거 방정식을 완전히 이해하는 것은 매우 어렵습니다.
하지만 양자역학을 공부하기 위해선 빼놓을 수 없는 방정식인 만큼 양자역학에 관심이 있는 친구들에게는 도움이 될 것 같습니다!

ALIMI 25기 화학공학과 김은진

항상 더 나은 내가 되도록 노력하는 알리미입니당!

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[2021 봄호] 내 기술이 도움이 될 수 있다는 것을 처음 깨닫다

  • POSTECHIAN
  • 2021-06-17 09:00:19

2021 SPRING CREATIVE POSTECHIAN

내 기술이 도움이 될 수 있다는 것을 처음 깨닫다


기술은 결국 누군가에게 도움이 되어야 하고,
특히 사회적 약자에게 도움을 줄 때 비로소 빛이 나는 것이라고 생각하게 되었다.

IT융합공학과 17학번 김도윤

잊었던 목표를 다시 일깨우다

이 글을 읽는 많은 독자분께서는, 공학 관련 공부를 통해 훗날 사회에 도움이 되고 싶다고 생각할 것이라 예상한다. 나 또한 입학 전에는 여러 기술을 배워 사회에 긍정적인 영향을 끼치고 싶다는 생각을 항상 해 왔다. 그러나, 막상 학교에 입학하고 시간이 흐르면서 이런 나의 목표는 사라지고 어느새 눈앞에 있는 전공 공부에만 매진하는 나의 모습을 발견할 수 있었다. 과목이 어렵고 바쁘다는 핑계로, 내 큰 목표를 잃고서 그저 바쁜 대학 생활을 하고 수강하는 과목을 공부할 뿐이었다. 과목에서 배우는 여러 가지 과학적 기술에 대해서도 이론적 배경을 내가 제대로 이해했는지만을 중요시했다. 학교생활을 하면서 ‘내가 왜 공부하는가?’에 대한 질문보다는 ‘어떻게 하면 학점을 잘 받을까?’라는 생각을 하는 내 모습은, 결코 내가 고등학교 때 대학교에 입학하여 꿈꿨던 나의 모습이 아니었다. 그렇게 학교생활을 하는 와중에, 나는 창의IT융합공학과의 인터렉션 디자인 스튜디오 Interaction Design Studio 과목을 수강하게 되었다.



IT융합공학과(전 창의IT융합공학과)에는 인터렉션 디자인 스튜디오 외에도 다양한 학생참여형 과목이 있습니다.
더 궁금하다면 아래 링크에서 살펴보세요!


IT융합공학과 교육프로그램 살펴보기

IT융합공학과 홍보영상



해당 과목에서는 조를 짜서 치매 환자를 돕기 위한 프로젝트를 진행하였다. 치매 환자분들은 일상생활을 할 때 큰 어려움이 있고, 치매 환자의 가족분들 역시도 많은 어려움을 겪고 있었기 때문에 기술적 도움이 꼭 필요해 보였다. 프로젝트를 본격적으로 진행하기에 앞서, 직접 치매 환자분들을 만나기 위해 교수님이 연결해 주신 치매 환자 보호 센터에 방문하게 되었다. 방문하여 그곳의 선생님들, 그리고 치매 환자분들과 함께 프로그램을 진행하였다. 사실 단순히 치매 환자의 어려움을 영상이나 논문을 통해서만 접했다면 크게 와닿지 않았을 주제였는데, 직접 치매 환자분들과 만나고 소통을 하면서 많은 생각과 고민을 할 수 있었다. 치매 환자에 대해 내가 많은 편견을 가지고 있었음도 느꼈다. 치매 환자들을 모두 하나의 그룹으로 생각해서는 안 되고, 경증/중증 등 단계별로 필요한 기술과 대해야 하는 방식 등이 모두 달랐다. 또한, 치매 환자분들도 우리와 같이 모여서 놀고, 놀이를 진행하면서 행복감을 느끼며, 중증 치매 환자의 경우 해당 상황을 마련하기 어려운 현실을 알게 되었다. 중증 치매 환자분들의 심리상태를 직접적으로 파악하는 데 어려움이 있겠지만, 아마 심적으로 아주 힘드실 것이라는 생각이 들었다. 그러다 내가 잊고 있었던 목표, 내가 공부한 기술을 바탕으로 사회에 도움을 주자는 목표가 다시 생각나기 시작하였다.

소형 스노즐렌 장치를 구현하다

우리는 치매 환자들을 위한 많은 기술이 주로 경증 치매 환자에게 집중되어있다는 것, 중증 치매 환자분들의 심리적인 안정과 행복감을 위한 기술이 부족하다는 것을 느꼈다. 수많은 조 회의를 거치면서, 우리는 스노즐렌 Snoezelen 장치가 이러한 상황에 가장 적합한 장치라는 결론에 도달하였다. 스노즐렌 장치는 방 내부에 빛, 향기, 소리 등으로 사람의 감각 기관을 자극하면서 심리적인 안정감을 줄 수 있는 장치이다.

그림 1. 스노즐렌 장치를 테스트하는 장면



스노즐렌 장치에 대해 더 알아보고 싶다면, 아래 링크에서 살펴보세요!

스노즐렌 더 알아보기



이미 기존에도 스노즐렌의 효과는 많은 논문에서 검증되었지만, 매우 넓은 방이 필요하고, 현실적으로 치매 환자들에게 사용하기에는 설치비, 공간의 문제 등 제약 조건이 매우 많은 것이 현실이었다. 우리는 기존의 값비싼 스노즐렌 장치를 소형화하여, 작은 구 형태에서 빛, 소리와 향기가 나오는 프로토타입을 개발하였다. 이 과정에서 예산과 시간의 제한이라는 문제들이 존재하였다. 그러나 우선 프로토타입을 완성이라도 하면, 그 과정에서 생각하지 못한 문제점 혹은 아이디어가 나올 수 있어서 정말 프로토타입이라는 의미에 맞게 필요한 기능들만 간단한 회로로 연결하여 구현하였다. 추가로 치매 환자가 수행할 수 있는 간단한 업무로 환자들의 상태를 파악할 수 있는 앱을 개발하였다. 앱을 통해 간단하게 물방울을 터뜨리면서 스노즐렌 장치가 이에 반응하여 주변 환경이 바뀌는 효과를 구현해 방에만 주로 지내야 하는 중증 치매 환자를 위한 놀이 기능을 넣었다.

앱과 프로토타입을 완성한 후, 우리는 전에는 생각하지 못한 추가적인 기능들에 대해 파악할 수 있었고 우리의 아이디어는 점차 발전해 나갈 수 있었다. 이 과정에서 나는 개인의 능력도 중요하지만, 조를 이루어 역할을 분담하고 집단 지성을 발휘해야 아이디어의 완성도가 높아진다는 것을 깨달았다. 때로는 내가 좋은 아이디어를 내기도 하고, 때로는 내가 전혀 생각지도 못한 아이디어를 조원이 제시하면서 우리의 프로젝트는 계속 발전해 나갈 수 있었다. 포스텍에는 워낙 아이디어도 좋고, 기술적 능력도 좋은 친구들이 많아 우리 학교, 포스텍에 오길 잘했다고 생각하면서, 즐겁게 프로젝트를 진행할 수 있었다.

APRU 상을 수상하다


그림 2. APRU 대회 상장

이후 운이 좋게도 기회가 생겨 해당 프로젝트에 관한 포스터를 만들어 APRU student poster contest에서 입상할 수 있게 되었다. 뻔한 이야기이지만 몸소 기술을 이론적으로 배우는 것과 실제 현장에서 기술을 써야 하는 사람들을 만나고, 조사하면서 이를 구현하는 과정은 아예 다르다는 것을 느낄 수 있었다. 또한 다른 과목에서도 기술의 이론만 알려주는 것이 아닌, 특정 대상에게 기술을 적용한다면 어떠한 방식으로 적용을 해야 할지를 고민하도록 유도한다면 큰 도움이 될 것 같다.

나는 이 활동을 통해 기술은 결국 누군가에게 도움이 되어야 하고, 특히 사회적 약자에게 도움을 줄 때 비로소 빛이 나는 것이라고 생각하게 되었다. 포스텍의 어떤 과목들은 정말 어렵고, 공부만 하기에도 벅차지만, 그 과목들을 통해 기른 능력을 이용해 인터렉션 디자인 스튜디오와 같은 과목에서 남에게 도움도 주고, 인정도 받는 과정에서 개발자로서의 자신감과 뿌듯함을 느낄 수 있었다. 많은 고등학생 친구들 또한 대학교에 입학해서 어느 순간 자신의 목표를 놓칠 수 있지만, 포스텍에서 제공하는 다양한 참여형 과목, 대회 등을 통해 자신의 꿈을 때로는 간접적으로 이룰 수 있기를 기원한다.

ALIMI 기 POSTECHIAN

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[2021 봄호] 과학으로 세상과 소통하기

  • POSTECHIAN
  • 2021-06-17 09:00:03

2021 SPRING 포라이프

과학으로 세상과 소통하기
Communicate with the world through science


여러분도 좋아하는 일이 있다면 자신 있게 이것저것 도전해 보기를 추천해 드려요.

심심해서 참가한 공모전에서 과학 저술가로의 길이 시작된 저처럼,
어쩌면 사소한 용기가 인생을 바꿀지도 모르니까요.

생명과학과 졸업 대학원생 곽민준

#말보다_글

저는 솔직한 편입니다. 사람들을 대할 때 속에 있는 말을 편하게 하는 게 좋아요. 그런데 그게 쉽지가 않습니다. 솔직하게 내 생각을 전하다 보면 의도했던 바와는 다르게 내 뜻이 잘못 전달되는 일도 있고, 그래서 원하지 않게 서로 기분이 나빠지는 일이 생길 수도 있으니까요. 진심을 확 꺼내는 것이 마냥 좋지만은 않은 것 같습니다. 그래서 항상 조심스럽게 이야기를 하려고 하는데, 그럼 또 불편해지더라고요. 말은 한번 내뱉으면 주워 담을 수 없잖아요. 친구에게 가족에게 모두에게, 내 진심을 편히 털어놓고 싶은데, 어쩔 수 없이 눈치 보고 불편하게 이야기하게 되고, 그러면 마음속 이야기가 확 밖으로 나오지 못하더라고요.

그래서 고민 끝에 찾은 방법이 ‘글’입니다. 글은 말과 달리 주워 담을 수 있어요. 한번 실수로 잘못 내뱉은 말은 듣는 사람과 말한 사람 모두에게 상처로 남을 수 있죠. 하지만 한번 실수로 잘못 적은 글은 그냥 고쳐 쓰면 됩니다. 내가 원하는 만큼 몇 번이고 심사숙고해서 수정한 최선의 결과물을 상대에게 전달할 수 있어요. 의도하는 바와 다르게 글이 써졌다면, 그냥 지우고 다시 고쳐 쓰면 돼요. 그래서 저는 마음속에 있는 생각을 상대에게 제대로 전하기에는 말보다 글이 훨씬 좋다고 생각합니다. 때로는 백 마디 말보다 한 문장의 글이 마음에 더 와닿을 때도 있거든요.

#제대로_한번_써볼까?

저는 글쓰기를 좋아합니다. 내가 하고 싶은 말을 진심을 담아 전할 수 있거든요. 하지만 대학 입학 때까지는 진지하게 글을 쓸 생각은 못 하고 있었어요. 제가 글을 잘 쓰는지 의문이었거든요. 사실 모든 이들이 좋아하는 일과 잘하는 일 사이에서 많이 고민하잖아요. 저도 그랬습니다. 글쓰기를 조금 더 본격적으로 해도 될 정도로 글을 잘 쓴다는 자신이 없었어요. 그런데 대학교 2학년 때 우연히 좋은 기회로 제 글쓰기 실력이 그렇게 부끄러울 정도는 아니라는 사실을 알게 되었습니다. 그렇게 본격적으로 글쓰기에 빠지기 시작했고 5년이 지난 지금, 드디어 저의 첫 번째 책 출판을 위해 열심히 원고를 쓰는 상황까지 오게 되었죠.

그때 아마 친구랑 술 마시러 가는 길이었을 거예요. 우리 학교 캠퍼스의 108계단이라는 까마득한 높이의 계단을 내려오다 발목을 삐끗해 2달 정도 목발을 짚고 다니게 되었습니다. 너무 심심하더라고요. 그래서 기숙사 방에서 편하게 할 수 있는 일이 없을까 고민하다가, 우연히 우리 학교 학술정보관에 있는 ‘박태준미래전략연구소’[링크-박태준미래전략연구소] 에서 대학생 에세이 공모전을 연다는 사실을 알게 되었습니다. 마침 심심했는데 잘됐다고 생각해 ‘너 살고 나 살자’라는 제목으로 한국 사회가 행복해 질 방안에 대한 제 생각을 담은 간단한 글 한 편을 적어 제출했죠. 그리고 놀랍게도 1등, 대상이라는 결과를 받았어요. 사실 운이 좋았다고 생각합니다. 다들 좋게 봐주셨지만, 사실 그렇게 훌륭한 글은 아니었거든요. 지금 와서 그때 쓴 글을 읽어 보면 부끄러울 정도죠.

저는 어쨌든 1등을 했고, 거기서 엄청 자신감을 얻었습니다. 내가 글쓰기를 좋아하는데, 또 나쁘지 않게 잘한다는 것을 알게 된 거죠. 그래서 본격적으로 글을 써야겠다고 생각했습니다. 그리고 운 좋게도 생물학연구정보센터BRIC에서 꾸준히 에세이를 연재할 기회를 얻었어요. 2018년 봄부터 2020년 봄까지 2년 동안 [일상 속 생명과학 이야기]라는 제목으로 생명과학으로 배울 수 있는 생활 속 지혜와 교훈을 다루는 에세이를 연재했습니다. 그리고 이때부터 본격적으로 과학 저술가의 길에 관심을 두기 시작했습니다.

#내가_작가가_된다고?

BRIC 덕분에 남들에게 보여줄 글을 처음 제대로 쓰기 시작했고, 나와 비슷하게 글과 소통에 관심 있는 과학인을 많이 알게 되었습니다. 그러면서 새로운 사실을 깨닫게 되었어요. 내가 좋아서 재밌어서 하는 글쓰기가 상당히 의미 있는 행위라는 걸 알게 된 거죠.
많은 이들이 과학을 곧 지식으로 생각합니다. 하지만 지식은 과학적 과정에 의한 결과에 불과해요. 과학의 진짜 가치는 결과가 아니라 과정에 있습니다. 자연을 느끼고 이를 설득력 있고 논리적인 문장으로 풀어내기까지의 관찰, 가설 설정, 실험, 검증, 결론 도출 등의 과학적 과정이야말로 우리가 꼭 배워야 할 삶의 지혜를 담고 있죠. 논리적인 시선으로 자연을 바라보고, 여러 상황을 종합적으로 판단해 이를 설명할 가설을 세우고, 가설을 확인하기 위해 자연을 효과적으로 재현하여 실험하고, 그 결과를 해석해 최종적으로 자연 현상을 설명하는 과학적 태도는 분명 우리가 삶을 더욱 현명하고 행복하게 살아가게 만들어 줄 수 있습니다.
과학 글쓰기는 과학의 진짜 가치를 프로 과학자가 아닌 사람들과 나누는 아주 소중하고 뜻깊은 행위입니다. 과학은 삶의 태도이기에 과학을 직업으로 삼지 않아도 충분히 과학적인 삶을 살 수 있어요. 이 과학 대중화의 의미를 깨닫고 점점 더 진지해지며, 어쩌면 내가 쓴 글이 다른 이의 과학적인 삶에 도움이 되지 않을까 생각하기 시작했죠. 그러면서 짧은 글이 아니라, 내 생각과 지식이 깊게 담긴 제대로 된 책 한 권을 써보고 싶다고 생각하게 되었습니다. 그리고 이번에도 운이 좋았어요. 한국장학재단의 과학문화 전문인력 양성과정 ‘과학 저술가 과정’ 1기로 뽑혔거든요.

곽민준 선배님이 참여하신 '내가 쓰고 싶은 과학 이야기'

이 과정이 끝난 작년 봄, 저술가 과정 멘토 선생님의 추천으로 한 출판사 대표님과 만나게 되었습니다. 제가 대학원에서 연구하는 신경 유전학의 역사와 연구 동향을 소개하는 과학책에 대한 구상을 전해드렸죠. 지식을 전달하기보다 과학자들이 유전자, 뇌, 그리고 동물 행동을 연구하는 과정에서 배울 수 있는 과학적 태도를 보여주는 책을 쓰고 싶다고 말씀드렸어요. 다행히 좋아하시더라고요. 그렇게 바로 출판 계약을 하고, 본격적으로 원고를 쓰기 시작했습니다. 이제 작가가 된 거죠.

대학원 연구가 바쁘다 보니, 생각보다 시간이 오래 걸려 아직 책을 완성하지는 못했습니다. 그래도 올해 안에 출판되는 걸 목표로 열심히 글을 쓰고 있어요. 또, 제가 처음 본격적으로 글을 쓰게 도와준 BRIC에도 [랩노트]라는 제목으로 제 대학원 생활 일화를 담은 글도 연재하고 있어요. 연구자가 실험실에서 겪는 진짜 과학적 과정을 생생히 보여주려 시작한 연재죠. 다행히 생각보다 많은 사람이 재미있게 보는 것 같습니다. 앞으로도 저는 계속 글을 쓸 거예요. 지금 대학원생이고, 연구자의 길도 계속 가겠지만, 제가 좋아하는 글쓰기도 함께 할 계획입니다. 여러분도 좋아하는 일이 있다면 자신 있게 이것저것 도전해 보기를 추천해 드려요. 심심해서 참가한 공모전에서 과학 저술가로의 길이 시작된 저처럼, 어쩌면 사소한 용기가 인생을 바꿀지도 모르니까요.


BRIC에서 곽민준 선배님이 연재하시는 ‘랩노트’ 보러가기

BRIC 랩노트




ALIMI 기 POSTECHIAN

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[2021 봄호] 프로그래밍 언어를 만든 과학자들

  • 유현아
  • 2021-06-11 03:00:47

2021 SPRING SCIENCE BLACK BOX

프로그래밍 언어를 만든 과학자들

The scientists who created the programming language

여러분은 프로그래밍 언어를 사용해 본 적이 있으신가요?

프로그래밍 언어는 컴퓨터가 사용자의 요구에 따라 동작할 수 있도록 하는 소프트웨어를 작성하는 언어입니다.
“Hello, world!”로 알려진 C언어는 가장 대중적인 프로그래밍 언어이며,
C++, Python, JAVA 등 컴퓨터 프로그램을 하나의 객체로 보는 객체지향 언어들이 많이 사용되고 있습니다.

그렇다면, 이런 다양한 프로그래밍 언어들을 누가, 언제, 어떻게 탄생시켰는지 궁금하지 않으신가요?

이번 호에서는 프로그래밍 언어들의 탄생 배경에 대해 알아봅시다!




#1. Python의 탄생, 귀도 반 로섬

Python 개발자 귀도 반 로섬

오픈소스의 사용 등이 용이한 Python을 들어보셨나요?
파이썬의 개발자는 귀도 반 로섬 Guido van Rossum으로 1989년 12월 크리스마스 때 일주일 동안 취미로 프로그래밍을 해 보다가 새로운 인터프리터를 개발하게 되었다고 합니다.

Python’이라는 이름은 그가 좋아하는 코미디 프로그램 ‘Monty Python’s Flying Circus’에서 따왔다고 하며, Github [링크] 깃헙 저장소 요소들의 이름도 각 배역의 이름이라고 합니다. Python은 쉽고 효율적이며 가독성을 중요시하는 언어로, 귀도 반 로섬의 말에 의하면 프로그래밍은 프로그래밍 언어를 통해 다른 프로그래머에게 자신의 아이디어를 표현하는 방법이라고 합니다.

그가 개발한 Python의 핵심 철학인 “아름다운 것이 추한 것보다 낫다.”, “명시적인 것이 암시적인 것보다 낫다.”, “단순함이 복잡함보다 낫다.”, “복잡함이 난해한 것보다 낫다.”, “가독성은 중요하다.”와 같은 말들에서 Python의 특징을 알 수 있는데요.


Python의 철학에 대해 더 알아보러 가볼까요?

Python 철학 더 알아보러 가기


Python은 프로그램을 하나의 객체로 취급하는 객체지향 언어 Object-Oriented Programming, OOP로 코드의 재사용이 가능하게 만들어야 하기 때문에, 들여쓰기로 블록을 구분하는 등 명확하며 불필요한 변화를 줄인 언어를 만들었다고 합니다. 또한, 오픈소스를 쉽게 사용할 수 있는 장점을 가지기 때문에, 본인의 아이디어를 프로그래밍 언어로 옮겨 프로젝트를 진행할 수 있어 교육기관과 기업, 연구기관까지 등에서 두루 사용되고 있습니다.


#2. JAVA의 탄생, 제임스 고슬링

ZAVA 개발자 제임스 고슬링

전 세계에서 가장 많이 사용되는 프로그래밍 언어인 JAVA의 개발자는 제임스 고슬링 James Gosling입니다. 썬 마이크로시스템즈에 입사한 제임스 고슬링은 운영체제와 프로그램 사이의 가상머신을 만들어, 한 운영체제에서 개발된 소프트웨어가 다른 운영체제에서는 활용되지 못하는 문제를 해결할 호환성 높은 언어인 JAVA를 개발했습니다.

Oak라는 언어는 원래 냉장고 등의 하드웨어에만 사용될 목적으로 개발되었지만, 웹용 개발 언어의 단점을 보완하기 위해 프로그래밍 언어를 웹과 결합한 JAVA는 어떤 플랫폼에서도 사용할 수 있게 되었습니다. JAVA는 세계에서 가장 많이 사용하는 프로그래밍 언어인 만큼, 다양한 PC 소프트웨어나 안드로이드 애플리케이션, Mojang의 마인크래프트 같은 게임들이 JAVA의 플랫폼에서 작동합니다. JAVA라는 이름은 제임스 고슬링이 평소 커피 애호가로서 자주 마시던 인도네시아 JAVA산 커피에서 유래했다고 합니다. 이는 JAVA 로고의 커피잔과 접시에서도 알 수 있습니다.

JAVA의 커피잔 모양 로고


제임스 고슬링은 사교적이지 않은 성격 때문에 대중적으로 많은 사람이 알고 있지는 않지만, 이렇게 가장 영향력 있는 프로그래머 중 하나입니다. 제임스 고슬링은 미래는 일어나는 게 아니라 선택하는 것이라고 말했습니다. 실패를 하더라도 시도를 해봐야 하며, 다양한 도전을 통해 얻을 수 있는 경험과 가치가 있기 때문입니다. 제임스 고슬링은 오라클을 퇴사하고, 구글, 리퀴드 로보틱스에서 근무한 후 아마존 닷컴의 AWS [링크] 아마존의 AWS에 합류하여 새로운 모험을 하고 있다고 합니다.


#3. 스크래치, MIT 미첼 레스닉 교수

스크래치 개발자, 미첼 레스닉 교수

스크래치 Scratch는 초등학교 프로그래밍 교육 과정에 포함되어 있어, 많은 학생이 한 번쯤은 접해 봤을 언어입니다. 교육과정 내에서는 스크래치를 활용해 캐릭터가 움직이는 모습을 구현하거나 단순한 게임을 만들곤 했었는데요. 스크래치는 전 세계 150개국 등록 사용자 2500만 명으로, 실제로 어린이의 코딩 경험을 위해 설계된 언어입니다.

스크래치는 DJ가 레코드판을 앞뒤로 움직여 새로운 소리를 합성하는 것에서 착안했다고 합니다. 미첼 레스닉 Michel Resnick 교수는 창의성 교육을 강조하며 어린이에게 코딩을 가르치면 주변의 기술을 습득하고 기술을 통해 다른 사람들과 소통하는 능력과 창의성을 기를 수 있다고 했습니다. 미첼 레스닉 교수는 코딩을 자신의 생각을 논리화하는 글쓰기의 연장이라고 생각했을 때 모든 사람이 전문 작가는 아니지만 글로 자기 생각을 표현하는 것처럼, 학생들이 모든 코드를 만들기보단 기존에 만들어진 여러 코드의 필요한 부분을 결합해 자신의 작품을 만들어야 한다는 생각에서 스크래치를 개발했습니다. 또한, AI의 시대가 도래함에 따라 전통적인 교과 수업보다는, 기술 변화의 흐름에 따라 교육의 융합과 프로젝트가 필요하다고 말하며, 코딩 교육의 가치를 강조했습니다.


코딩 교육을 위한 스크래치, 더 알아보고 싶지 않나요?

스크래치 더 알아보러 가기




인공지능, 블록체인 등 최근 주목받고 있는 기술들은 모두 소프트웨어를 탑재하고 있는데요.

이러한 소프트웨어는 Python, JAVA 등의 다양한 프로그래밍 언어로 구축됩니다.
각 언어의 탄생 배경을 살펴보니, 언어들만의 특징을 더 잘 이해할 수 있을 것 같습니다.
개발자들의 이야기에서 공통적으로 찾아볼 수 있었던 것은 프로그래밍 언어는 최대한 쉽게,
인간이 생각하는 대로 쓸 수 있어야 한다는 것이었습니다.

여러분도 이러한 생각에 따라 개발된 프로그래밍 언어 중 본인에게 필요한 언어를 찾아,
자신만의 아이디어를 프로그램으로 만들어 보는 것은 어떨까요?


ALIMI 26기 전자전기공학과 유현아

궁금한 점이 있다면 언제든지 물어보세요!

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