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[2021 여름호] 2- 최소 신장 트리

  • 박정은
  • 2021-10-08 07:02:59

2021 SUMMER 지식더하기

최소 신장 트리

Minimal Spanning Tree

여러분, 여러 도시가 있을 때 최소의 비용으로 모든 도시가 연결되도록 하려면 어떻게 해야 할까요?
물론 도시 사이에 도로를 모두 설치하면 도시들이 모두 연결되겠지만, 한정된 예산 안에서 도로를 설치하기 위해서는 최적의 방안을 생각해내야 합니다. 이때 이용하는 것이 바로 ‘최소 신장 트리 Minimal Spanning Tree’입니다.
다소 낯선 이름의 최소 신장 트리, 기초적인 것부터 하나하나 함께 알아볼까요?

최소 신장 트리


우선, 신장 트리가 무엇인지부터 알아봅시다.
그래프는 점과 선으로 구성되는데, 이때 점을 노드, 선을 간선이라 합니다. 신장 트리는 모든 노드, 즉 그래프의 모든 점이 연결된 연결 그래프에서 몇 개의 간선을 제거함으로써 간선을 최소한으로 가지면서, 동시에 모든 노드가 적어도 한 간선에 연결되어 있도록 한 그래프입니다. 이때, 그래프에 사이클이 만들어져서는 안 되며, 노드가 n개일 때 (n - 1)개의 간선을 갖습니다. 신장 트리 중에서 사용된 간선의 가중치의 합이 최소인 트리를 최소 신장 트리라고 합니다. 여기서 가중치란, 간선을 지날 때 드는 거리, 시간 등 비용을 뜻합니다. 아래의 그림을 보면, 왼쪽이 연결 그래프, 오른쪽이 최소 신장 트리입니다.
연결 그래프와 최소 신장 트리

최소 신장 트리를 만드는 알고리즘에는 여러 개가 있는데 그중 가장 대표적인 크루스칼 Kruskal 알고리즘프림 Prim 알고리즘을 이해해 봅시다.

크루스칼 알고리즘


노드가 n개인 그래프에서 크루스칼 알고리즘의 작동 과정은 아래와 같습니다.
1. 간선들을 가중치에 따라 오름차순으로 정렬한다.
2. 가장 가중치가 낮은 간선을 선택해 최소 신장 트리의 집합에 포함한다.
3. 집합에 포함된 간선의 개수가 (n - 1)개가 될 때까지 정렬된 순서에 따라 간선을 선택하여 해당 간선이 사이클을 형성하지 않을 경우 최소 신장 트리의 집합에 포함한다.
글만으로는 이해가 어려울 수 있으니 예시를 통해 작동 과정을 확인해 봅시다.

아래 사진의 윗 부분은 그래프이며 아랫 부분은 그래프의 노드를 가중치를 기준으로 정렬한 것입니다.

크루스칼 알고리즘의 원리

먼저, 가장 가중치가 낮은 a - b 간선을 최소 신장 트리의 집합에 포함합니다. 그리고 다음으로 가중치가 낮은 a - d 간선을 보면, 집합에 포함된 간선과 사이클을 형성하지 않기 때문에 최소 신장 트리의 집합에 포함합니다. 다음으로 b - d 간선은 집합에 포함된 a - b, a - d 간선과 사이클을 형성하기 때문에 집합에 포함하지 않고, b - c 간선은 집합에 포함합니다.
그래프의 노드가 총 4개고, 현재 집합에 포함된 간선이 3개이므로 동작을 종료합니다.
결과적으로 네 개의 노드와 이를 잇는 간선 a - b, a - d, b - c로 이루어진 최소 신장 트리를 얻을 수 있습니다.

프림 알고리즘


프림 알고리즘은 한 정점에서 시작하여 최소 신장 트리 집합을 단계적으로 확장해 나가는 방법으로, 노드가 n개인 그래프에서 프림 알고리즘의 작동 과정은 아래와 같습니다.
1. 임의로 시작 노드를 잡고 이를 최소 신장 트리 집합에 포함한다.
2. 최소 신장 트리 집합과 인접한 노드 중 가중치가 가장 작은 간선으로 연결된 노드와 이를 잇는 간선이 최소 신장 트리 집합에 포함한다.
3. 트리가 (n - 1)개의 간선을 가질 때까지 2번 과정을 반복한다.
이것 역시 예시를 통해 이해해 봅시다.

아래와 같은 그래프가 있고 시작 노드를 a로 잡았다고 가정합시다.

프림 알고리즘의 원리

먼저, a 노드와 가중치가 가장 작은 간선으로 연결된 노드는 f 이므로 이를 최소 신장 트리 집합에 포함합니다. 그래프가 7개의 노드를 가지므로, 6개의 간선을 가질 때까지 이 과정을 반복합니다.
순서대로 27의 가중치를 갖는 간선과 e, 22의 가중치를 갖는 간선과 d, 12의 가중치를 갖는 간선과 c, 16의 가중치를 갖는 간선과 b, 15의 가중치를 갖는 간선과 g가 집합에 포함되어 최소 신장 트리를 얻을 수 있습니다.

이렇게 최소 신장 트리에 대해 알아봤는데요.
최소 신장 트리는 우리에게 최적의 해답을 제시하는 것으로, 도로 건설, 네트워크 구축, 이미지 프로세싱 등 다양한 분야에서 활발히 활용되고 있어 관심이 있는 친구들은 이와 관련하여 더 공부해 보는 것을 추천드려요 :)

[1] Catherine B. Klein et al. DNA methylation, heterochromatin and epigenetic carcinogens, Mutation Research 386 (1997) pp.163~180
[2] 후성유전체와 전사 조절 https://blog.daum.net/claus/8931893
[3] DNA METHYLATION과 CPG ISLAND https://2wordspm.com/2020/03/12/dna-methylation과-cpgisland/
[4] 후성유전학(epigenetics), 유전자 조절에서 DNA 메틸화 https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=hyouncho2&logNo=60090909848

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[2021 여름호] 1- DNA 메틸화

  • 최건우
  • 2021-10-08 07:01:50

2021 SUMMER 지식더하기

DNA 메틸화

DNA methylation

‘용불용설’이라는 말을 들어본 적이 있나요?
이는 동물들이 평생 자신의 필요로 특정 형질을 발달시켜 자손에게 물려준다는 내용을 담은 이론입니다.
현대의 진화론의 관점에서는 후천적으로 환경과 생활 양식에 의해 얻어진 형질, 즉 획득 형질은 유전되지 않는다는 사실이 밝혀지며
사실상 ‘용불용설’은 잘못된 이론이라는 것이 밝혀졌습니다.
하지만 DNA가 변화하지 않고도 환경에 대해 반응할 수 있다는 것이 후성유전학 Epigenetics이라는 분야가 개척되며 밝혀졌습니다.
여기서 후성유전학은 DNA 자체의 변화 이외의 방법에 따라 일어나는 형질이나 유전자 발현의 변화연구하는 분야를 말합니다.
후성 유전학의 과정에서 사용되는 메커니즘으로는 DNA 메틸화 DNA methylation, 히스톤의 메틸화와 아세틸화 histone methylation and acetylation 등이 있는데요.
그중에서도 후성 유전적 발현에 중요한 역할을 한다고 알려진 과정 중 하나인 DNA 메틸화에 대해 알아볼까요?


지구상에 존재하는 대부분의 생명체는 DNA에 개체의 정보를 저장합니다.
이렇게 DNA에 저장되어 있는 정보는 중심원리Central Dogma에 의해 실제 형질로 나타나게 됩니다. 중심원리는 DNA, RNA, 단백질이 서로 전이되는 과정을 말하는 것으로, 일반적으로는 DNA에서 RNA로, RNA에서 단백질로 전이됩니다.
이때 DNA를 이용해 RNA를 만드는 것을 전사 Transcription, RNA가 단백질로 해석되는 것을 번역 Translation이라고 합니다.

특히 DNA가 RNA로 전사되기 위해서는 전사가 시작되는 부위인 프로모터 Promoter가 필요합니다. DNA의 단위체는 인산과 당, 그리고 염기로 구성되어 있는데요. 그중에서 염기는 아데닌, 티민, 구아닌, 사이토신이 있습니다.
DNA 메틸화는 이 중에서 아데닌과 사이토신이라는 염기에 DNA 메틸 전이 효소 DNMT, DNA Methyltransferase에 의해서 메틸기($-CH3$)가 더해져 일어납니다.

일반적인 염기의 구조(왼쪽부터 $Adenine$, $Cytosine$)

메틸화된 염기의 구조(왼쪽부터 $6mA(6-methyl-Adenine)$, $5mC(5-methyl-Cytosine)$, $4mC(4-methyl-Cytosine)$)

그림에서 보이는 것처럼 메틸 아데닌($mA$)은 6번 탄소에 결합한 질소에 메틸기가 붙는 형태를 가지고, 메틸 사이토신($mC$)은 5번 탄소에 메틸기가 붙는 형태와 4번 탄소에 결합한 질소에 메틸기가 붙는 두 가지의 형태가 존재합니다.
아데닌과 사이토신 중에서 사이토신에 특히 메틸화가 많이 일어나는데, DNA 상에 존재하는 사이토신 중에서 메틸화가 되는 것들이 무작위로 결정되는 것은 아닙니다. 사이토신($C$)과 구아닌($G$)이 인산 하나를 두고 연속적으로 나타나는 CpG site $Cytosine - phosphate- Guanine site$에만 사이토신에 메틸화가 일어나게 됩니다.

CpG site는 DNA 염기서열 상에 무작위로 분포하지 않고, 주로 단백질을 암호화하고 있는 영역의 앞에 존재하는 조절 부위나 프로모터 영역에 주로 분포합니다. 특히 CpG가 많이 분포하고 있는 염기서열의 특정 위치를 CpG island라고 부릅니다. 일반적으로 CpG island는 메틸화가 되지 않은 경우가 많은데요, 이 부분이 메틸화가 되면 후성 유전적인 조절에 영향을 주게 됩니다.

DNA의 발현 과정 중 전사 과정에서는 다양한 전사 인자 transcription factor를 필요로 합니다. 프로모터 영역에 존재하는 CpG island가 메틸화되면 구조적 변화가 생기기 때문에 전사 인자의 접근이 저해됩니다.
동시에 MBD Methyl-CpG-binding domain protein라는 단백질이 CpG지역에 결합하게 되고, 이들은 DNA를 응축하는 히스톤 단백질의 탈아세틸화를 촉진합니다. 아세틸기($-COOH$)는 음전하를 띠기 때문에 탈아세틸화가 되는 경우 음전하를 띠는 DNA가 히스톤 단백질에 더 강하게 응축됩니다.
결과적으로 DNA는 히스톤 단백질과 함께 헤테로크로마틴 heterochromatin이라고 불리는 강하게 응축된 형태가 되어 유전자의 발현이 저해됩니다. 이렇게 DNA의 메틸화는 특정한 유전자의 발현을 줄이는 방식으로도 작동합니다.

DNA 메틸화에 따른 유전자의 발현

지금까지 DNA의 메틸화와 그에 따른 유전자의 발현 변화를 알아보았습니다.
DNA 메틸화가 일어나는 위치는 자손에게 전해지며 일부 보존되기에 환경에 대한 적응이 유전되도록 만들기도 하고, 유전자의 활성을 조절하여 각종 질병과의 연관성도 존재한다고 합니다.

글의 내용이 흥미로웠다면 다른 후성유전학의 요소들을 공부해보는 것은 어떨까요?


후성유전학적 발현에는 DNA뿐만 아니라 히스톤 단백질도 중요한 역할을 하는데요.
이 히스톤 단백질의 아세틸화와 메틸화에 대해 더 알아봅시다!

히스톤 H4 단백질에서의 $lysine$의 아세틸화

히스톤에서의 메틸화와 유전자 발현 조절


[1] Catherine B. Klein et al. DNA methylation, heterochromatin and epigenetic carcinogens, Mutation Research 386 (1997) pp.163~180
[2] 후성유전체와 전사 조절 https://blog.daum.net/claus/8931893
[3] DNA METHYLATION과 CPG ISLAND https://2wordspm.com/2020/03/12/dna-methylation과-cpgisland/
[4] 후성유전학(epigenetics), 유전자 조절에서 DNA 메틸화 https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=hyouncho2&logNo=60090909848

ALIMI 기 최건우

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[2021 여름호] 선택을 후회 없게 만드는 방법

  • 김나림
  • 2021-10-08 07:00:58

2021 SUMMER 알스토리①

선택을 후회 없게 만드는 방법
Make the best choice, and do not regret about that choice


후회 없는 선택을 하는 것은 너무나도 중요하지만, 만족스럽지 못한 선택을 후회 없게 만드는 것이 무엇보다 중요하다고 생각해요.
선택 자체에 너무 큰 부담감을 가지지 말고, 그 선택 뒤의 행동에 무게를 두고 실천해 나간다면
조금 더 마음 편하게 선택하고 열심히 살아가게 하는 원동력을 얻을 수 있으리라 믿어요.

무은재학부 21학번 김나림
2020년 여름, 저의 입시가 시작되었어요. 대학 지원으로 예민해진 친구들과 서로의 눈치도 보고 어느 대학에 지원해야 하나 정말 고민이 많았던 시기였던 것 같아요. 상담 기간에 선생님, 부모님과 함께 다양한 진로와 학과를 알아보기도 하고, 방학에는 대학교 홈페이지에 들어가서 자료도 찾아보았죠. 그렇게 고민에 고민을 거듭해서 대학을 지원했던 것 같아요. 이렇듯 대학과 진로를 자신이 선택해서 살아가는 것처럼 우리의 인생에는 크고 작은 선택들이 많이 있어요. 이 글에서는 선택을 후회 없게 만드는 방법에 대해 알아보려 합니다!

# 과학고등학교로의 진학

과학고등학교로의 진학은 당시에 선택을 잘못한 건가 싶은 생각이 들기도 했지만, 지금은 제 인생에서 최고의 선택이었다고 자부할 수 있어요. 인생에 대한 태도와 방향이 달라질 정도로 중요했던 선택이었죠. 고등학교를 진학하기 전까지 저는 수동적으로만 공부했던 학생이었어요. 누군가가 시켜야만 공부를 하고 그 공부마저 어떻게든 하지 않으려는 궁리만 했던 것 같아요. 이때 제 인생의 모토는 ‘후회 없는 선택을 하자’이었기 때문에, 초등학교 중학교 시절에는 후회 없이, 하고 싶은 일만 하려 했던 것 같아요. 그래서인지 부모님께서는 모든 것을 자율적으로 해야 하는 기숙사 학교 진학에 대해 굉장히 걱정을 많이 하셨죠.

고등학교에서의 첫 자습 시간은 저에게 큰 충격으로 다가왔어요. 처음이라 책도 준비하지 않았던 저와는 달리, 옆자리에 앉은 친구는 ‘시키지 않은 공부’를 하고 있었기 때문이죠. 그 순간 저는 과학고등학교를 선택한 것에 대해 다시 고민해 보게 되었고, 모든 선택이 후회 없이 좋을 수만은 없다는 것을 깨달았어요. 그렇지만, 이미 한 선택이고 되돌릴 수 없었기에, 저는 제 선택을 후회하고 싶지 않았고, 오히려 이 선택에 후회가 남지 않게 열심히 노력하고 싶다는 생각이 들었어요. 그날을 계기로 대단한 친구들이 많았던 학교에서 뒤처지지 않고 나의 선택을 후회 없이 만들기 위해, 다시 돌아간다면 해내지 못할 정도로 정말 이를 악물고 공부를 했던 것 같아요. 이전의 모습은 상상도 못 할 정도로 저에게 엄격했고, 능동적인 삶을 살게 되었죠. 그렇게 고등학교 시절은 제 인생을 바꿀 정도로 최고의 선택이 되었고, 부모님마저 지금의 저를 신기하게 생각하시기도 해요.

# 선택을 후회 없게 만들기

후회 없는 선택을 하는 것은 너무나도 중요하지만, 만족스럽지 못한 선택을 후회 없게 만드는 것이 무엇보다 중요하다고 생각해요. 선택 자체에 너무 큰 부담감을 가지지 말고, 그 선택 뒤의 행동에 무게를 두고 실천해 나간다면 조금 더 마음 편하게 선택하고 열심히 살아가게 하는 원동력을 얻을 수 있으리라 믿어요. ‘최선을 선택하고, 그 선택을 후회 없게 만들며 살자!’가 이제는 제 인생의 모토가 되었답니다.

그럼에도 불구하고 ‘대학 입시’라는 큰 파도는 너무나도 어려울 거예요. 학창 시절의 정점을 찍을 결과이기도 하고, 대학이나 학과를 선택함으로써 나의 남은 인생을 좌우하기도 하겠죠. 저 또한 제 모토를 두고도 ‘이 학교를 가는 것이 맞을까’, ‘이 대학을 가면 후회하지 않을까’ 끊임없이 생각했어요. 입시를 끝낸 지금으로 말씀을 드리자면, 중요한 것은 어떤 선택이든, 자신이 고른 선택이라면 그 후에 절대 후회 없게 열심히 사는 것이 더 중요하다는 것이에요. 저도 제 인생의 모든 선택을 최고의 선택으로 만들기 위해 열심히 살고 있는 것처럼, 포스테키안 구독자 여러분들도 앞으로 선택을 했다면 후회 없게 열심히, 긍정적으로 살아가길 바라요!! 늘 응원할게요! :)

ALIMI 27기 무은재학부 김나림

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[2021 여름호] 감정 소모에 에너지를 허비하지 마세요

  • 남현동
  • 2021-10-08 07:00:56

2021 SUMMER 알스토리②

감정 소모에 에너지를 허비하지 마세요
Do not waste your energy on emotional exhaustion


‘감정 소모에 에너지를 낭비하지 마라’
이 말을 가슴에 깊게 새긴 후에는 절대로 자신과의 싸움을 하지 않으려고 했어요.

지금을 떠올렸을 때, 학업에 대한 후회가 남지 않을 정도로 자신의 자리에서 최선을 다하는 태도를 가지는 것이 필요해요.

무은재학부 21학번 남현동
작년부터 계속된 비대면 상황에 여러분들은 잘 적응하고 있나요? 어느덧 밖에 나갈 때 마스크를 쓰는 것과 어디를 가든 사람들과 거리를 두는 것이 일상이 되었는데요. 이러한 상황 속에서 자신이 원하는 것들을 계획하고 목표를 달성해 나가는 여러분들이 굉장히 대견스럽습니다. 그래도 아직 이 상황 속에서 공부해 나가는 것이 굉장히 어렵다고 생각해요. 저 역시 고3 수험 생활을 코로나 19 상황 속에서 보냈고, 그 시기에 정신적으로나 육체적으로 굉장히 힘들었던 기억으로 자리하고 있어요. 특히나 미래를 위해 지금 뭘 해야 할지, 내가 한 활동이 혹시나 다른 친구들에 비해 뒤떨어지는 것이 아닌지 등과 같은 고민과 걱정으로 매일을 보냈어요. 지금 여러분들 중에서도 저와 같은 고민을 하는 친구가 있을 것 같아요. 지금부터 제가 해드릴 이야기가 고3 수험생뿐만 아니라 전국의 포스테키안 구독자 친구들에게 조그마한 도움이라도 되었으면 좋겠어요.

# 자신과의 싸움

학교라는 공동체 안에서 살아가다 보면, 친구들이나 선생님들 혹은 부모님, 심지어는 자기 자신과 다투는 경우가 있을 거예요. 원인이 무엇이 되었든, 다툼의 결과는 항상 자신과 남을 무기력하고 우울하게 만들죠. 이렇게 생긴 부정적인 감정들은 인간관계에 대한 불신과 더불어 공부에도 지장을 줄 수 있어요. 남과의 다툼은 화해의 과정을 통해 해결할 수 있지만 자신과의 싸움은 스스로를 위로하기 굉장히 힘들어요. 여기서 말하는 자신과의 싸움은 남과의 비교, 이루지 못한 목표에 대한 자책, 성적에 대한 불안감 등을 말해요. 이러한 것들은 자신에게 있어서 굉장한 감정적인 소모를 일으켜요. 저 역시도 불안함과 무기력함이 최고조에 달했던 시기가 있었어요. 친구들은 얼마나 공부했을까, 친구들보다 내 생활기록부가 부실하면 어떡하지, 공부 방법이 이게 맞는 건지 등과 고민이 코로나 19 상황과 겹치면서 정신적으로 굉장히 힘들었어요. 부정적인 감정들은 공부에 집중해야 하는 시기인 고3이었던 저를 무기력함과 걱정 속에 하루하루 보내게 했죠.

# 감정 소모에 에너지를 낭비하지 말기

그럴 때마다 저는 이 말을 떠올렸어요. ‘감정 소모에 에너지를 낭비하지 마라’ 즉, 하루에 자신이 쓸 수 있는 에너지의 총량이 정해져 있다고 생각하고, 이를 감정 소모로 헛되이 보내는 일을 최대한 줄이자는 말이에요. 특히 공부할 때, 공부와 관련되지 않은 일들을 생각하거나, 다른 사건들이 공부에 영향을 주는 일을 줄이는 것은 더더욱 필요해요. 이 말을 가슴에 깊게 새긴 후에는 절대로 자신과의 싸움을 하지 않으려고 했어요. 남들이 공부를 얼마나 많이 하고 생활기록부를 채우기 위해 얼마나 열심히 활동하든, 신경 쓰지 않았어요. 내가 해야 할 일, 내가 하고 싶은 일, 내 목표를 위한 일들에 최선을 다하고, 나중에 다시 돌아봤을 때 나 자신에게 부끄럽지 않은 결과물을 내는 데 집중했어요. 그렇게 하니 자연스럽게 공부나 활동에 온전히 집중할 수 있었고, 전보다 훨씬 높은 효율로 좋은 퀄리티의 결과물을 만들어낼 수 있었어요.

여러분이 지금 겪고 있는 시기가 얼마나 어려운지 알고 있어요. 스스로도 ‘너무 힘들어… 포기하고 싶어…’, ‘내가 이걸 왜 하는 거지?’라는 생각도 여러 차례 들 것이고, 점점 공부하는 목적을 잃어갈 수도 있어요. 하지만, 여러분들은 아직 인생의 약 20% 정도의 지점을 지나고 있을 뿐이에요. 누구나 다 겪을 수 있는 일이고, 여러분들을 격려해 줄 사람들도 주변에 많을 거예요. 그렇기에 스스로 나중에 지금 이 시점을 떠올렸을 때, 학업에 대한 후회가 남지 않을 정도로 자신의 자리에서 최선을 다하는 태도를 가지는 것이 필요해요. 또한, 괜한 일로 감정적인 스트레스를 받지 않았으면 좋겠어요. 그래도 만약, 너무 힘들다는 생각이 든다면 그날 하루는 편히 쉬면서 잡다한 생각들을 다 날려버리는 시간을 가져보세요. 포스테키안 구독자 여러분들! 자신의 감정을 잘 컨트롤하면서 모든 일에 크게 스트레스 받지 않는 수험생활 보내길 바라요. 여러분들이 만들어갈 후회 없는 수험생활을 응원하겠습니다:D

ALIMI 27기 무은재학부 남현동

예비 포스테키안 여러분! 궁금한 점이 있으면 언제든지 편하게 질문하세요!

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[2021 여름호] 4 - 화학과가 본 장마철

  • 조윤경
  • 2021-10-01 07:03:11

2021 SUMMER 공대생이 보는 세상 4

화학과가 본 장마철
Dept. of Chemistry





더울 뿐만 아니라 습하기까지 장마철은 정말 찝찝해…

이런~ 옷장에 습기가 차서 옷에 곰팡이가 폈잖아? 습기 제거제를 두었어야 했는데!! 그런데 습한 장마철을 책임지는 습기 제거제의 원리는 뭘까??

습기 제거제는 대부분 염화칼슘 또는 실리카겔로 이루어져 있어!

먼저 염화칼슘 $\mathrm{CaCl_2}$, Calcium Chloride은 염소와 칼슘의 화합물로 조해성을 가지고 있어. 조해성이란 공기 중에 노출된 고체가 수분을 흡수하여 녹는 현상이야. 염화칼슘이 조해성을 가지는 이유는 분자구조를 살펴보면 알 수 있어. 염화 이온의 반지름은 약 181pm, 칼슘 이온의 반지름은 약 100pm로 크기 차이가 매우 커서, 물이나 이산화탄소와 같은 작은 분자를 흡수하여 결정 내 빈 공간을 채우려는 특성을 나타내. 이 때문에 염화칼슘이 공기 중의 물 분자와 결합하면서 수화 반응이 쉽게 일어나는거야. 이러한 조해성 때문에 염화칼슘은 자신 무게의 무려 14배 이상의 물을 흡수할 수 있어.

다음으로 실리카겔 $\mathrm{SiO_2nH_2O}$, Silica Gel은 다공성 물질로 미세한 구멍이 많아서 1g의 표면적이 800$\mathrm{m^2/g}$로 매우 넓어 물 분자를 잘 흡착해.

$$\mathrm{Na_2O_xSiO_2} + \mathrm{H_2SO_4} \rightarrow \mathrm{xSiO_2} + \mathrm{Na_2SO_4} + \mathrm{H_2O}$$ $$\mathrm{Na_2O_xSiO_2} + \mathrm{2HCl} \rightarrow \mathrm{xSiO_2} + \mathrm{2NaCl} + \mathrm{H_2O}$$


실리카겔은 위의 식과 같이 규산나트륨 $\mathrm{Na_2O_xSiO_2}$, Sodium Silicate 수용액을 황산 $\mathrm{H_2SO_4}$, Sulfuric Acid이나 염산 $\mathrm{HCl}$, Hydrochloric Acid으로 처리하여 생성돼. 반응 결과 생성된 물을 증발시키면 산화규소 $\mathrm{SiO_2}$, Silicon Dioxide 입자, 즉 실리카겔만 남게 돼. 이때 증발한 물이 원래 있던 공간이 텅 비게 되어 그물망상 구조가 형성되고 이 공간에 물 분자를 가두어 흡습이 이루어지는 거야.

너희는 미리미리 습기 제거제를 놓아서 나처럼 옷을 버리는 일이 없길 바라. 그럼 안녕~~!!

ALIMI 27기 무은재학부 조윤경

예비 포스테키안 여러분 부담 가지지 말고 언제든 질문해주세요!! 모두 포스텍에서 만나요~~

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[2021 여름호] 3 - 컴퓨터공학과가 본 장마철

  • 유현아
  • 2021-10-01 07:00:37

2021 SUMMER 공대생이 보는 세상 3

컴퓨터공학과가 본 장마철
Dept. of Computer Science & Engineering





어? 장마철 끝난 줄 알았는데 갑자기 비가 오네… 우산 없는데 어쩌지? 이렇게 갑자기 비가 오는 일에 대비할 수 있다면 좋을 텐데. 아 맞아, 인공지능으로 날씨도 예측할 수 있다고 해!

인공지능을 활용한 기상 예측 모델

실시간 기상 예측에는 관측 데이터가 늘어나서 처리하기에 많은 시간이 걸리는 등의 한계점이 있어.


구글은 인공지능으로 5~10분 만에 6시간 뒤 기상 예보를 알려주는 나우캐스트를 발표했는데,
레이더 영상만을 합성곱 신경망 CNN 모델 중 U-Net으로 분석해 기후를 예측한다고 해.

구글 나우캐스트 자세히 알아보기


CNN은 여러 레이어로 구성되어 데이터를 스스로 학습해 패턴을 찾는 인공신경망으로, 기상예측에서 영상을 처리할 때 변화 양상을 유추할 수 있지. 나우캐스트에서도 미국 전역을 256km2짜리 타일로 분할해 타일별 복합 데이터를 학습시켰어. U-Net은 영상 신호로 데이터로 변환하는 인코딩 과정에서 데이터의 크기를 줄이면서도 중요 데이터를 유지하고, 다시 영상으로 변환하며 선명한 영상을 유지할 수 있다는 장점이 있어서 더욱 정확한 예측이 가능해. 시시각각으로 바뀌면서 전 지역적으로 영향을 주는 이상 기후를 예측하기에 효과적일 거야.

나우캐스트의 PR(Precision-Recall) 그래프

인공지능 활용 기상 예보의 발전



구글 같은 기업 이외에도 국가적 차원에서 기상 예측 모델을 연구하고 있고,
우리나라 기상청에서도 기상 분야 인공지능 ‘알파웨더’를 도입해 기상 예측에 활용한다고 발표했어.

알파웨더 자세히 알아보기


인공지능은 판단 근거를 알 수 없는 블랙박스이기 때문에, 설명 가능 AI(XAI)를 알파웨더에 적용한다고 해. 인공지능 기반 기상 예측은 대용량 데이터를 빠르게 분석한다는 장점이 있지만, 레이더 영상만으로는 정확한 상태를 알 수 없어 데이터의 공백이 생긴다는 문제가 있어. 따라서 대기 과학 같은 사전 기상 지식을 기반으로 한 기존 기상 예보보다 인공지능 기법이 효과적일지 아직 연구 중이야.

이런 기상 예보 말고도, 장기적인 기후 변화 예측에도 인공지능을 활용해. IBM에서는 딥러닝을 통해 오염 감소 전략을 시뮬레이션하고 오염을 예측하며, 국립환경과학원에서는 미세먼지 예보에 대해서 인공지능을 활용해 예측 정확도가 기존 대비 79%나 상승했어. 이렇게, 인공지능을 활용해 기상을 예측하면 일상생활에 도움을 줄 수 있겠지?

[1] Jason Hickey, 「Using Machine Learning to “Nowcast” Precipitation in High Resolution」, 2020.1.13. https://ai.googleblog.com/2020/01/using-machine-learning-to-nowcast.html
[2] 김예림, 「공익을 위한 구글의 AI 기상 예측 모델…구글 AI 포럼」, 『마소』, 2020.2.4, https://www.imaso.co.kr/archives/5675
[3] 신찬옥, 「[데이터] ‘변화무쌍’ 날씨 빅데이터…AI로 콕 잡았다」, 『매일경제』, 2021.1.27, https://www.mk.co.kr/news/it/view/2021/01/85791/

ALIMI 26기 전자전기공학과 유현아

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[2021 여름호] 2 - 신소재공학과가 본 장마철

  • 이승은
  • 2021-10-01 07:00:20

2021 SUMMER 공대생이 보는 세상 2

신소재공학과가 본 장마철
Dept. of Materials Science & Engineering





우산이 비를 막는 원리는 무엇일까?

며칠째 비가 주룩주룩 내리는 게, 장마가 시작되었나 봐. 방금 동생한테 우산을 갖고 학교로 마중 나와달라는 연락을 받았어. 아휴, 귀찮아… 그런데 여기서 잠깐, 우산은 어떻게 거센 비에도 젖지 않을 수 있는 걸까? 그 비결은 표면 개질 Surface Modification에 있어. 표면 개질이란 물질 표면에 원래는 없던 특성을 부여하는 일인데, 우산의 경우에는 표면에 소수성 Hydrophobicity을 추가하는 것이 되겠지. 일반적으로 우산은 폴리에스터 Polyester라는 소재로 만들어져.


폴리에스터의 전형적인 구조

폴리에스터는 에스터기 Ester가 연결된 고분자 화합물의 총칭인데, 내구성이 강하고, 주름이 잘 가지 않고 모양도 잘 변하지 않아. 물의 흡수와 배출이 빠르기까지 해서 우산의 소재로 적합하지. 폴리에스터로 우산을 촘촘하게 만든다고 해도 작은 틈새가 발생하는데, 이 틈새를 은 코팅으로 메꿔서 비를 완벽하게 차단해. 이렇게 코팅이나 밀폐로 물을 차단하는 것을 방수 Waterproof라고 해.

우산이 젖지 않는 이유가 또 있지!

그런데 이러한 방수에 발수 Water Repellent 기능을 더하면 방수 효과를 극대화할 수 있어! 발수는 물이 맺히지 않고 흐르도록 하는 성질이야. [링크 - 방수와 발수의 차이점] 요새는 폴리에스터 원단을 긁어서 면의 느낌을 낸 폰지(Pongee)라는 소재에, 발수 코팅을 한 우산이 많이 나오고 있어. 이런 형태는 연잎 효과 Lotus Effect와 비슷한 효과를 내서, 매우 큰 소수성을 띠어 물에 젖지 않는 초소수성 Superhydrophobic표면을 만들어.

연잎의 발수 효과

연잎 표면에는 나노 크기의 돌기들이 있어서 물방울과 잎의 접촉 면적이 매우 작고, 소수성인 왁스 성분도 있어. 그러니까 표면장력에 의해 물방울이 퍼지지 않고 구형을 이뤄서, 물방울이 잎을 따라 또르르 흘러내리게 되지.


원단을 긁어서 작은 돌기들이 나 있는 폰지에 발수 코팅을 한 것도 연잎과 같은 발수 효과가 있는 거야. 이제 우산이 젖지 않도록 표면에 방수와 발수 기능을 부여하는 표면 개질에 대해 조금 알겠지? 앗! 저기 날 기다리는 동생이 보여서 이만 가봐야겠어. 안녕~

ALIMI 26기 전자전기공학과 이승은

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[2021 여름호] 1 - 생명과학과가 본 장마철

  • 정채림
  • 2021-10-01 06:00:29

2021 SUMMER 공대생이 보는 세상 1

생명과학과가 본 장마철
Dept. of Life Sciences





아유 오늘도 늦잠을 자버렸네. 장마철이라 매일 비가 오니까 하루가 축축 처지는 기분이야.

그건 기분 탓만은 아니야!

비 오는 날 아침에 일어나기 힘든 이유가 생체 호르몬 멜라토닌 Melatonin 때문인 것을 알고 있니? 멜라토닌은 뇌의 송과체 Pineal Gland에서 분비되는 수면 조절 호르몬으로, 사람의 수면과 각성 리듬을 조절해. 주로 밤에 분비되고 보통 새벽 3~4시에 최고치가 되어 체온이 내려가도록 하고 자연적 수면을 유도하지. 그래서 ‘암흑의 호르몬’이라는 별명이 있기도 해. 멜라토닌은 밤과 낮의 길이와 같은 ‘광주기’를 감지해서 합성되기 때문에 ‘일주기성’을 가져. 즉, 주로 빛에 의해 조절이 되어 인간이 아침에 눈을 뜨고 밤에 깊이 잠들 수 있도록 하는 생체 시계를 조절하는 데에 관여하지.

혈중 멜라토닌 농도와 심부 체온의 일주기성

생체 시계는 어떻게 조절되는 걸까?

멜라토닌의 분비를 조절하는 것이 바로 ‘시교차상핵 Suprachiasmatic nucleus, SCN'이야. 시교차상핵은 눈에서 뇌의 시각 중추까지 정보를 전달하는 신경 다발 바로 아래쪽에 위치하면서 빛에 영향을 많이 받아. 주변이 어두우면 눈으로 빛 신호가 유입되지 않게 되고, 시교차상핵이 송과체에 멜라토닌 합성 신호를 보내게 되지. 이때 시교차상핵 내의 세포들이 멜라토닌 수용체를 지니고 있어. 그래서 이 수용체에 송과체로부터 분비된 멜라토닌이 결합하게 되면 체온이 내려가고 졸음이 유발되는 거야. 이와 반대로 주변에 빛이 밝아오면 빛 신호가 시교차상핵에 전달되어서 멜라토닌 생산이 점차 낮아지고, 반대로 세로토닌이라는 각성 호르몬의 생산이 증가하면서 잠이 깨게 되는 거야. 빛이 많을 때는 멜라토닌 억제 신호 활성, 적을 때는 멜라토닌 억제 신호 억제에 의한 분비 신호 전달. 이렇게 시교차상핵에 전달되는 빛의 자극 정도에 따라 멜라토닌의 분비량이 조절되지. 실제로 낮에 어둡게 하고 밤에는 밝게 하면 멜라토닌 리듬이 반대로 변하기도 해.

빛 신호에 의한 멜라토닌 분비 조절


멜라토닌에 의한 수면 조절에 대해 더 궁금하다면?

[PDF] 멜라토닌과 수면 조절 원리 더 알아보기


이렇게 장마철에는 빛 신호가 전달되어야 하는 아침 시간에도 흐린 날씨가 지속되면서 눈으로 빛 신호가 덜 들어오게 되면, 멜라토닌의 억제 신호가 지연되어서 잠에서 더 천천히 깨어지고, 제대로 된 각성 상태가 나타날 수 없어 비몽사몽 하게 되는 것이지.

우리 몸이 빛 신호를 주기로 생체리듬을 조절하는 원리, 정말 신기하지 않니? 장마철 아침에 빛이 부족한 만큼 더 정신 바짝 차려야겠다! 그럼 다들 오늘도 좋은 하루 보내~
 
[1] Silversufers Articles, Oh to sleep, 2013. https://www.silversurfers.com/health/diet-exercise/oh-to-sleep/
[2] 김지현, 이향운, 멜라토닌과 수면 Melatonin and human sleep, J Kor Sleep Soc, 2005.
[3] 약학정보원 Korea Pharmaceutical Infromation Center, 멜라토닌, 약물 백과.
[4] Jodi Cohen, How Essential Oils Detoxify the Pineal Gland, vibrant blue oil https://vibrantblueoils.com/how-essential-oils-detoxify-the-pineal-gland/

ALIMI 25기 생명과학과 정채림

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[2021 여름호] 촉망받는 물리학도에서 예술가가 되기까지, 배요섭 선배님과의 만남

  • 문준혁
  • 2021-09-24 07:00:40

2021 SUMMER 알리미가 만난 사람
촉망받는 물리학도에서 예술가가 되기까지, 배요섭 선배님과의 이야기
From being a promising physicist to becoming an artist, a story with Yousub Bae

여러분께서는 급격하게 진로가 바뀐 적이 있나요?
포스텍에서 얻은 경험을 백 프로 활용하여 ‘뛰다’라는 공연창작집단에서 연출가로 활동 중이신 배요섭 선배님.
분명 진로가 바뀌었지만, 그 이전의 경험들이 새로운 도전에 좋은 양분이 되었다고 하는데요.

촉망받는 물리학도에서 예술가가 되기까지 선배님의 이야기를 함께 들어볼까요?


배요섭 선배님에 대하여


간단한 자기소개 부탁드립니다.


안녕하세요. 저는 ‘궁리소, 뛰다’에서 연출가이자, 연구원, 그리고 작가로 활동하는 배요섭입니다. 90년도에 포항공과대학교 물리학과에 입학했고, 97년부터 한국예술종합학교 연극원에 연출을 전공하면서 본격적으로 연극의 꿈을 펼쳤어요. 2001년에 졸업하고, 그 해에 동료들과 함께 공연창작집단 ‘뛰다’를 창단했습니다. 20년 넘게 극단을 이어가고 있고, 현재 강원도 화천에서 예술가 레지던시 Artist Residency ‘예술텃밭’을 운영하면서 예술 문화 확대에 힘쓰고 있어요.


예술가 레지던시는 예술가들이 어느 지역이나 공간에 머물면서 창작 활동을 하는 것을 의미해요.
[YOUTUBE] 뛰다의 예술가 레지던시, 예술텃밭

1장 # 포스텍, 진로, 물리학


포스텍의 입학부터 졸업까지의 이야기를 들어볼까요?


고등학생 때 공부를 열심히 해서, 포스텍을 수석으로 입학했어요. 물리와 수학에 관심이 많아 물리학과를 진학했는데, 물리 공부가 재밌어서 열심히 공부하다 보니 성적이 좋았죠. 방학 때는 열심히 연구하는 촉망받는 물리학도였답니다. 그리고 ‘삶터’라는 풍물반에서 장구를 치는 것을 매우 좋아했어요. 친구와 함께 새벽에도 동아리방에서 장구를 칠 정도였죠. 장구를 직접 제작해보기도 했어요. 통을 만들고 칠 작업과 말리는 것까지 모든 과정을 거쳐 장구를 만들었죠. 좋은 소리를 내기 위해 통 구조, 가죽 소재, 줄의 장력 등을 바꿔가며 소리를 녹음하여 그것의 파형을 분석했고, 이를 논문으로 기재했답니다. 방학에는 효자동에 방을 잡아 풍물놀이를 전수할 만큼 풍물을 즐겼어요. 이렇게 포스텍에서 4년을 정말 알차게 보냈어요. 포스텍은 저에게 집이고 학교이면서 놀이터였답니다.


그렇다면 연극은 어떻게 시작하신 걸까요?


대학 졸업 직전까지도 물리학자가 되겠다고 생각했어요. 하지만, 졸업 한두 달 전에 직관적으로 이 길이 아니라는 생각이 들었어요. 연구실의 하얀 벽 때문이었죠. 방학 때마다 연구를 하면서, 온종일 바라보는 하얀 벽에서 외로움을 느꼈어요. 새로운 길을 찾다가, 풍물 공연 때 느낀 무대가 떠올랐어요. 우리 삶에 관한 이야기를 가깝게 들여다볼 수 있는 것이 바로 공연이란 생각이 들었고, 문득 연극이 떠올랐죠. 연극 경험이 없었기에, 졸업 직전에 부산의 한 극단에 들어가 6개월간 현장에서 연극을 배웠어요. 이후 군대를 다녀오고 연극을 전문적으로 배우고 싶어서 한국예술종합학교를 입학했어요. 나름 교수님께 촉망받는 물리학도였기에, 처음에는 주변 사람들이 ‘왜 굳이 다른 길을 선택하냐’며 많이 반대했어요. 하지만, 저는 연극이 물리학과 다른 길이라고 생각하지 않아요. 포스텍에서 배운 물리학적 지식이 현재하는 일에 큰 도움을 주고 있죠.


물리학과의 경험이 현재에도 좋은 영향을 끼쳤다고 하시네요!


‘뛰다’에서는 구체적인 질문을 가지고 그것을 풀어가는 과정이 매우 중요한데, 물리학과에서 겪었던 사고방식과 작업 방식이 현재의 연구에 큰 도움이 되고 있어요. 현재 벨기에 리에주 국립극단과 함께 작업 중인 라는 작품이 있는데, 쿼크 이론을 최초로 주장한 물리학자인 머리 겔만의 자서전 제목에서 따왔어요. 물리학의 끈이론처럼 증명할 수 없는 것들을 사람들이 계속해서 알아내려는 이유를 그는 이렇게 말해요. “맥스웰 방정식, 양자역학, 상대성 이론… 얼마나 아름답습니까?” 물리학 이론들이 증명될 거라는 기대나 근거에는 ‘아름다움’이 있기에 계속해서 연구하는 거죠. 이때 ‘아름다움은 어디서 왔을까’하는 의문이 생겼어요. 이러한 질문을 여러 분야의 예술가들과 나누면서 각자의 경험을 토대로 작품을 만들고 있어요. 작품이 물리학에서 하는 근원적인 질문으로 시작한다는 점에서, 물리학의 도움을 많이 받고 있죠.

2장 # 연극, 뛰다


공연창작집단 ‘궁리소, 뛰다’는 창작 공연, 예술가 또는 지역과의 커뮤니티 활동을 진행해요. 선배님은 어떠한 일을 하고 계실까요?


‘심장이 뛴다, 어디든 가자’라는 뜻의 ‘뛰다’로 이름을 지었어요. 저는 주로 연출을 담당하며, 배우들과 함께 훈련을 받고 글쓰기, 소리 분석 등 다방면으로 작품 창작 방식을 연구하고 있어요. 2010년에는 강원도 화천에 있는 폐교를 스튜디오로 만들어 변화를 시도했어요. 전통적인 연극 방식에서 벗어나 연극이 사람들의 삶 속으로 들어가도록 커뮤니티 연극 Community Theatre을 진행해왔는데, 서울에서는 한계가 있었죠. 화천에 오니까 커뮤니티와의 협업이나 자유로운 공연이 가능하여 더욱 적극적으로 활동할 수 있었어요. 또한, 예술텃밭을 매개로 다양한 예술가들을 만나 관심 있는 분야에 대해 함께 논의할 수 있는 네트워크를 성장시키고 있어요.


커뮤니티 연극은 커뮤니티 구성원과 연극인들 간의 협력으로 만든 연극이에요.

예술텃밭과 커뮤니티 연극



실제로 한 연극에서 관객 중 한 할머니의 이야기를 듣고 즉흥 공연을 한 적이 있으시다고 해요. 그렇다면, 선배님께 연극은 어떠한 의미일까요?


연극은 일상을 살아가기 위한 기술은 아니죠. 연기를 못한다고 회사를 못 차리고 취직을 못 하는 게 아니거든요. 일상에서 쓸모가 없습니다. 하지만, 인생에서 쓸모없음은 필요하며, 연극이 그러하다고 생각해요. ‘예술은 왜 필요할까?’, ‘내가 이 일을 계속하는 이유는 무엇일까?’에 대한 질문을 던지면, 결국 판단의 주체인 ‘나’는 누구일까에 대해 의문이 들죠. 저에게 연극은 나를 알아내기 위한 과정입니다. 그 과정에서 발견한 것들을 가지고 공연을 하는 것이 제가 연극을 하는 이유입니다.

3장 # 마무리


진로를 고민 중인 전국의 포스테키안 구독자 여러분! 선배님의 진심을 담은 한마디를 들어볼까요?


저는 고등학생 때의 기억이 많이 없어요. 사춘기 때 하고 싶은 게 없어서 ‘공부나 하자’라는 생각으로 공부만 하는 암울한 시기를 보냈죠. 제가 고등학생 시절로 돌아간다면, 공부 이외의 삶을 충만하게 해줄 기회를 찾을 것 같아요. 또한, 물리학과에서 공부할 때, 수식을 외우고 문제를 풀 줄 알면 그만이라고 생각했어요. 그것이 세계에 어떠한 의미를 가지고 우주를 바라보기 위해서 이러한 도구들이 왜 필요한지에 대한 중요한 고민을 하지 못했죠. ‘만약 이러한 조언을 해줄 수 있는 분이 계셨다면, 물리학에서 재미있는 것들을 더 발견할 수 있지 않았을까? 학교를 또 4년 다니면서 새로운 길을 찾지 않아도 되지 않았을까?’ 하는 상상을 해요. 여러분이 학교에서 무슨 공부를 하고 어느 학과를 가든, 공부를 재밌게 할 수 있는 방법을 찾고 조금 더 넓은 관점에서 공부를 바라보는 시간을 가지면 좋겠어요.




언제나 새로운 도전을 즐기는 배요섭 선배님.

인터뷰 내내 물리학을 배우기를 참 잘했다며, 현재를 살아가는 데 있어 포스텍에서의 경험이 많은 도움이 되었다고 합니다.
과거의 경험이 새로운 도전을 위한 디딤돌이 된 거죠.

여러분도 공부에 대한 스트레스는 줄이시고,
남은 학교생활 동안 자신이 흥미를 느끼는 활동을 도전해 보는 것은 어떨까요?


분명 지금까지 배워온 공부가 도움이 되는 것을 느낌과 동시에 새로운 도전을 하는 계기가 될 거라고 생각합니다.
포스테키안 구독자 여러분이 선배님의 이야기를 읽고 진로를 진지하게 고민해 보았으면 하는 바람입니다.

바쁘신 와중에도 유쾌하게 이야기를 전해주신 배요섭 선배님께 감사의 마음을 전하며 글의 막을 내리겠습니다.


ALIMI 27기 무은재학부 문준혁

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[2021 여름호] 세탁의 과학

  • 조혜인
  • 2021-09-17 07:00:26

2021 SUMMER SCIENCE BLACK BOX

세탁의 과학

Science In Laundry

어느덧 따스한 봄과 함께 시작된 1학기가 마무리되고, 여름방학과 함께 무더운 더위가 찾아오고 있습니다.
전국의 포스테키안 구독자 여러분은 여름을 생각하면 무엇이 떠오르시나요?
시원한 에어컨 밑에서 먹는 수박, 휴가철에 떠난 해수욕장, 습하고 무더운 장마 등이 떠오르실 것 같은데요.
저는 끝없는 ‘빨래’가 떠오릅니다!
날이 더워진 만큼 땀이 많이 나서 하루만 옷을 입어도 세탁을 하는 횟수가 잦아집니다.
여러분들도 각자의 집이나 기숙사에서 여름이 되면 세탁을 자주 하는 모습을 볼 수 있을 겁니다.
여름을 맞이해 이번 ‘SCIENCE BLACK BOX’에서는 이처럼 여러분의 일상에 자연스레 녹아있는 세탁의 과학에 대해 소개해 보겠습니다!


#1. 뜨거운 물로 세탁하면 옷이 줄어드는 이유



여러분은 혹시 빨래를 하고 난 뒤 옷이 원래의 크기보다 확 줄어서 당황한 경험이 있으신가요? 많은 분이 한 번쯤은 옷이 줄어든 경험이 있으실 것 같은데요.

특히 니트 종류의 옷감은 빨래를 잘못했을 경우, 다시는 입지 못하는 상황이 벌어지기도 합니다. 이는 실의 ‘잔류 응력 residual stress[링크] 잔류응력때문에 일어나는 현상입니다.

잔류 응력을 자세히 알아보기 위해 옷을 만드는 과정으로 거슬러 올라가 봅시다.

화학적인 가공에 의해 인공적으로 만드는 섬유인 화학 섬유로 옷을 만드는 경우, 화학 섬유를 뽑아내기 위해 먼저 섬유 재질을 녹입니다. 녹인 섬유 재질을 작은 구멍에 고압으로 밀어내 실을 뽑아내고 냉각시켜서 화학 섬유를 만들게 되는데요. 이때 실이 만들어지는 과정에서 섬유가 받은 힘이 갑자기 냉각되면서 완전히 제거되지 않고 남아 있게 됩니다.

이것을 잔류 응력이라고 하는데, 잔류 응력은 당기거나 미는 등의 외부에서 발생하는 힘이 모두 제거된 뒤에 상온임에도 불구하고 재료 내부에 남아 있는 힘을 말합니다. 이렇게 만들어진 화학 섬유로 옷을 제조하게 되고 우리가 옷을 몇 차례 입은 후에 세탁하게 됩니다. 뜨거운 물로 세탁을 하게 되면, 여전히 섬유에 남아 있던 잔류 응력이 풀어지면서 섬유가 오그라들게 되고 이에 전체적으로 옷이 줄어들게 되는 것이죠.

세탁을 하는 과정에서 옷이 줄어드는 이유가 옷을 구성하는 실의 제조 과정에서 발생한 잔류 응력 때문이라니 신기하지 않나요?

다행히 요즘에는 섬유 기술이 발달한 덕에 화학 섬유를 제조하는 과정에서 잔류 응력을 최대한 제거한 뒤에 옷감을 짜기에, 뜨거운 물에 넣어도 줄어들지 않는 경우가 대부분이라고 합니다!


#2. 햇볕에 말린 수건이 건조기로 말린 것보다 빳빳한 이유


자연 건조한 면직물(왼)과 물을 완전히 제거한 후 건조한 면직물(오)

혹시 속옷이나 수건과 같은 옷감을 세탁한 후 바로 햇볕에 말려본 적이 있으신가요?

그런 경우, 완전히 건조되었을 때 옷감이 빳빳해지곤 하는데요. 그림에서 왼쪽 사진은 자연 건조 후 빳빳해진 면직물이고 오른쪽 사진은 세탁 후에 물을 완전히 제거한 후 말려서 부드러운 면직물입니다.

사진만 보아도 한눈에 빳빳한 정도의 차이를 알 수 있습니다.
결합수에 의해 단단히 결합한 섬유

이와 관련하여 2020년 3월 27일, 일본의 카오주식회사와 홋카이도 대학의 공동 연구진이 국제학술지인 ‘물리화학 저널 C’에 연구 결과를 밝혔습니다.

세탁 후 햇볕에 말린 수건이 빳빳해지는 이유는 섬유 사이에 있는 ‘결합수 bound water[링크] 결합수때문이었습니다. 결합수는 유기물과 수소 결합을 이루어 쉽게 분리되지 않는 물입니다.

이에 반해 유기물과의 결합이 약해서 쉽게 이동이 가능한 물을 ‘자유수 free water[링크] 자유수라고 하는데, 이는 쉽게 건조가 되어 사라집니다. 그러나 결합수는 쉽게 분리되지 않기에 건조는커녕 ‘모세관 현상’으로 수건 섬유들을 교차 결합시켜 옷감을 단단하게 만듭니다.

모세관 현상은 표면 장력이 매우 큰 물의 특성이 만들어내는 현상으로, 두 고체 표면 사이에 있는 물이 마치 풀처럼 두 고체를 달라붙게 만드는 현상입니다. 이에 세탁을 한 수건을 자연 건조하면 그림처럼 수건 섬유 사이에 있는 결합수가 완전히 제거되지 않고 존재하여 섬유들끼리 교차 결합을 유도하고 그 상태로 완전히 건조되면 면직물이 빳빳해지게 됩니다. 오히려 건조기에 수건을 넣고 돌리게 되면 빠른 시간에 열을 가해 물을 건조하기에 섬유들끼리 얽히지 않아 부드럽고 오히려 수건의 보송함을 살릴 수 있다고 합니다.

결합수에 의해 수건이 빳빳해지는 원리를 알게 되었으니, 부드러운 수건을 원하신다면 어떻게 건조를 해야 할지 명확히 아실 것으로 생각합니다!
 

#3. 물 없이 세탁하는 드라이클리닝



모직, 가죽 등의 소재로 만들어진 옷들은 집에서 세탁기로 빨래하는 것이 아닌, 세탁소에 가서 드라이클리닝을 맡기는 경우를 많이 보셨을 겁니다.

드라이클리닝은 물 대신 휘발성 유기 용제를 사용해 옷감의 오염을 제거하는 세탁 방식입니다.

이런 드라이클리닝은 언제 어떻게 발견이 되었을까요?

1820년, 프랑스 염색 공장 사장인 장 바티스트 졸리는 가정부가 더러운 식탁보 위에서 실수로 등유 램프를 넘어뜨리자 그 부분만 깨끗해지는 것을 발견했습니다. 이 사실을 알고 난 이후에 소나무에서 얻은 기름인 테레빈유Turpentine를 사용해 세탁하기 시작한 것이 드라이클리닝의 시초라고 합니다.

그 이후로 가솔린, 벤젠, 나프타 등 다양한 드라이클리닝 용제가 사용되었으나 테레핀유는 세탁 후에 냄새가 많이 났고 벤젠은 옷에 남아 몸에 해로웠으며 앞서 언급한 용제들은 모두 불이 잘 붙고 쉽게 폭발한다는 위험성이 있었다고 합니다. 이에 불에 타지 않으면서도 세척력이 강한 퍼클로로에틸렌perchloroethylene, PCE을 주로 사용하면서 드라이클리닝이 우리의 일상생활로 들어왔다고 합니다. 그러나 훗날 퍼클로로에틸렌의 유해성이 밝혀지면서 현재에는 석유계 용제인 솔벤트solvent가 드라이클리닝 용제로 주로 사용되고 있습니다.

여기서 ‘용제’란 물에 잘 녹지 않는 유지나 수지를 녹여 균일한 용액으로 만드는 물질을 말하는데요. 유기 용제는 기름이나 지방을 잘 녹이고 휘발성과 인화성이 강하다는 특징과 함께 탄소와 수소로 이루어져 있기에 극성인 물과 달리 무극성을 띱니다.

이에 지용성 얼룩을 잘 제거하는 반면 수용성 얼룩은 완벽하게 제거하지 못한다는 단점이 있습니다. 그러나 유기 용제는 물보다 밀도가 낮아서 섬유에 가하는 힘과 압력이 매우 작아 옷의 형태와 색상 변화가 거의 없다는 큰 장점이 있어 많은 사람이 번거롭더라도 세탁실에 가서 드라이클리닝을 맡기곤 합니다. 


드라이클리닝에 대해 더 알고싶으시다면, 아래의 기사를 참고해보세요!

드라이클리닝 원리


이렇게 이번 여름호에서는 ‘세탁의 과학’에 대해서 알아보았는데요.
우리 일상 속 가까운 곳에서 일어나고 있는 과학적 지식을 알려드렸는데, 여러분도 가벼운 마음으로 재미있게 읽으셨다면 좋겠습니다.
모두 무더운 여름을 세탁과 함께 산뜻하게 보내시길 바랍니다.

 

세탁의 과학에 대해서 추가적으로 알고 싶으시다면, 아래의 영상을 참고하세요!

세탁의 과학 더 알아보기

ALIMI 25기 화학공학과 조혜인

포스텍과 알리미를 사랑하는 25기 조혜인입니다! 포스텍에 대해 궁금증이 있는 친구들 부담 가지지 말고 언제든 연락 주세요!!

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