스토리 2019.09.11

알아두면 쓸모 있는 양자역학 이야기 – 슈뢰딩거의 고양이와 양자중첩

‘양자역학 이야기’ 시리즈를 연재하며 우리가 분명하게 알게 된 사실이 있다. 빛과 물질은 ‘입자면서 동시에 파동’이라는 것. 이것은 마치 사람이 ‘남자면서 여자이다’라는 이해하기 힘든 표현과 비슷하다. 이 개념은 우리의 직관으로는 쉽게 납득할 수 없지만 이중 슬릿 통과 실험을 통해 입증된, 많은 학자들이 인정하는 양자 역학의 기본적 사실이다. 이러한 양자의 이중성을 조금 더 정확하게 표현하자면 ‘양자중첩(quantum superposition)’이라고 하며, 여러 가능성을 동시에 갖는 상태를 말한다. 우리가 물체를 관찰할 때 이미지는 망막에 전달되어 연속적인 것으로 보이게 되며, 초당 24프레임으로 구성된 애니메이션도 연속적인 영상으로 느끼게 한다. 1/24초로 나눠서 본다면 분명 불연속적인 정지 그림임에도 우리에겐 연속적으로 보인다. 멈춰진 상태1과 상태2가 중첩되어 우리에겐 연속된 상태로 보이는 것이다. 이것이 중첩이며, 거시세계가 아닌 미시 양자세계로 가면 양자중첩이라는 현상이 발생한다. 원자의 모습은 흔히 태양계와 같이 전자가 원자핵의 궤도를 도는 형태로 표현되지만, 앞서 다룬 전자의 확률분포 모델이 양자중첩을 표현하기에는 조금 더 적합하다. 즉, 전자가 원자의 영역 안에서 정확히 어디에 있는지는 알 수 없으므로, 발견 될 위치의 확률을 따져서 이를 그래픽으로 표현한 전자 구름 형태가 양자세계의 중첩을 표현하기에 알맞다. 특이한 것은 입자와 파동의 상호 별개의 상태의 것이 겹치고 겹쳐서 새로운 상태를 만들고 있다는 점이다. 즉, 0 아니면 1인 별개의 상태가 중첩되어 0~1사이의 어중간한…
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스토리 2019.09.02

쉽게 알아보는 공학이야기 13 – Fool-Proof 설계

제품을 설계할 때 잘못될 가능성을 사전에 방지하는 설계를 풀프루프(fool-proof) 또는 이디엇 프루프(idiot-proof) 설계라 합니다. proof는 단어 뒤에 붙어서 방지한다는 의미를 가지므로, 직역하면 바보 방지 설계라는 재밌는 표현이 됩니다. 풀프루프는 원래 제품 생산이나 사용 중 사람의 실수를 방지하기 위한 장치로 시작했습니다. 디지털 시대를 맞으면서 일반 소프트웨어뿐 아니라 인공지능 알고리즘으로 그 적용 대상이 넓어지고 있습니다.   머피의 법칙 ▲ 버터 바른 빵이 식탁에서 떨어지는 과정 흔히 세상일이 안 좋은 방향으로 일어나는 것을 머피의 법칙(Murphy’s law)이라 합니다. 식빵이 탁자에서 떨어질 때 하필이면 버터를 바른쪽이 카펫 바닥으로 떨어진다거나, 줄을 설 때 운이 없게도 내가 선 줄이 가장 늦게 줄어드는 현상 등을 말합니다. (출처: 공대생도 잘모르는 재미있는 공학이야기) 에드워드 머피는 미국 항공국 직원으로 조종사들을 대상으로 여러 가지 실험을 수행하였습니다. 실험하면서 그는 사소한 실수가 치명적인 결과를 가져올 수 있다는 사실을 종종 경험했습니다. 실험 장치에 전원을 연결할 때 양극과 음극을 제대로 연결하면 다행이지만, 무심코 거꾸로 연결하면 실험 장치가 완전히 타버리곤 하니까요. 작은 실수가 커다란 재앙을 만들 수 있기 때문에 머피는 항상 불안해 했습니다. “무슨 일을 하려고 하는데 두 가지 이상의 방법이 있고 그중 하나가 매우 재앙적인 결과를 가져온다면, 그 일은 반드시 일어나고 만다”며 푸념했지요.   작업장에서의 과실…
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선 없이 고속 충전되는 스마트한 시대 무선 충전 기술
칼럼 2019.08.28

선 없이 고속 충전되는 스마트한 시대! 무선 충전 기술

누구나 한 번쯤, 선이 없는 세상을 꿈꿔본 적이 있지 않을까? 꼭 필요하지만 거추장스러운 USB 케이블이나 전원 코드, 이어폰 선, 랜 선 같은 것이 없는 세상에서 살면 좋겠다고. 수많은 케이블이 뒤엉켜 있는 컴퓨터 책상을 본다거나, USB 케이블이 고장 나는 일을 겪었다거나, 이어폰 선이 걸려 스마트폰이 떨어지는 일을 겪은 사람이라면 더할 듯하다. 말끔한 집 안 인테리어를 늘 망가뜨리는 것도 선이고, 충전 케이블 꽂는 것을 잊어 배터리가 떨어진 스마트폰을 들고 출근해야 하는 일도 있다. 이것들은 모두 선에 의지하기 때문이다. 무선 충전은 그래서 태어났다. 정확하게는 무선전력전송(Wireless Power Transfer)이라 불리는 기술을 이용한 충전 방식이다. 처음에는 전동 칫솔 같은 ‘물에 적셔질 위험이 있는’ 기기 위주로 쓰이다가, 지금은 스마트폰 충전 방식에도 많이 쓰인다. 충전 케이블에 꽂지 않아도 되기 때문에 쓰기 편하다. 물리적인 연결 부분이 없어서 망가질 일도 적어진다. 다만 지금 방식은 진짜 무선 충전이 아니라고 주장하는 사람도 있다. 유선 충전기에 가깝게 놓아야 하니, 스마트폰에 선만 꽂지 않았을 뿐 유선 충전과 뭐가 다르냐는 뜻이다.   처음에는 지금과 달랐던 무선 충전 사실 처음 무선전력 전송을 구상했을 때는 이런 모습이 아니었다. 1905년, 교류 전기의 아버지 니콜라 테슬라가 뉴욕에 테슬라 타워(또는 원더클리프 타워)를 세웠을 때는 말이다. 미국에서 영국으로 전신, 전화, 화상…
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알아두면 쓸모 있는 양자역학 이야기 - 파동함수
스토리 2019.08.06

알아두면 쓸모 있는 양자역학 이야기 – 파동함수

앞서 ‘양자역학 이야기 – 드브로이 물질파’에서 우리는 세상을 구성하는 요소들이 입자 뿐만 아니라 파동으로도 이루어져 있다는 것을 배웠다. 기존의 사유 방식으로는 쉽게 납득할 수 없는 개념이지만, 입자라고만 생각되었던 전자의 움직임이 파동의 특성을 보일 수 있음을 수학적으로 유도했고 이것을 물질파(matter wave)라고 부르게 된 것이다. 오늘은 양자역학에서 전자의 존재를 파동으로 설명한 또 다른 유명한 이론인 ‘파동함수’에 대해서 살펴보고자 한다. 양자역학에 조금이라도 관심이 있었다면, 한 번 정도는 들어봤을 법한 이름 ‘슈뢰딩거’가 바로 이 이론의 주인공이다.   슈뢰딩거의 고양이 ▲ 슈뢰딩거 (출처: 위키백과) 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger, 1887~1961))는 오스트리아의 물리학자로 드브로이의 물질파 개념에 영향을 받아 ‘파동방정식’과 ‘파동함수’를 제안했다. 하지만 보통은 그의 방정식보다 머릿속 상상 실험인 ‘슈뢰딩거의 고양이’가 더 친숙하다. 이 실험은 슈뢰딩거가 물리학자 보어와 하이젠베르크 중심의 ‘코펜하겐 해석’을 반박하기 위함이었다. 코펜하겐 해석은 이 세상을 거시세계와 미시세계로 나눈다. 거시세계와 달리 미시세계에서 전자는 입자이기도 하고 파동이기도 한 ‘중첩상태’에 있다고 주장한다. 상태의 결정은 관찰(측정) 여부에 따라서 정해진다는 일종의 사후 결정론적인 입장을 취한다. 하지만 슈뢰딩거는 그런 일은 있을 수 없다고 하며, 아래와 같은 실험을 상상해 보라고 했다. ▲ 슈뢰딩거의 고양이, 양자역학의 불완전함을 보이기 위해서 고안한 상상 실험 (출처: 위키백과) 이 실험에는 원자와 고양이 한 마리가 등장한다. 고양이는 보이지 않는…
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쉽게 알아보는 공학이야기 12 – 정보 엔트로피
스토리 2019.08.01

쉽게 알아보는 공학이야기 12 – 정보 엔트로피

안다는 것과 모른다는 것의 상태를 어떻게 정량화할 수 있을까요? 이는 정보 공학의 핵심 주제입니다. 우리는 정보화 시대에 살면서 다양한 방면에서 정보를 활용합니다. 그리고 정량화를 위해 통계열역학의 엔트로피 개념을 응용한 ‘정보 엔트로피’를 사용합니다. 정보 엔트로피는 정보를 저장하고 효과적으로 전송하는 정보통신 기술의 기초입니다. 또한 학습기구나 지식구조를 체계화하는 인공지능 기술의 이론적 토대가 되고 있습니다.   엔트로피 증가의 법칙 자주 사용되는 용어지만 ‘엔트로피’ 개념은 늘 아리송합니다. 엔트로피는 자연 물질이 변형되어, 원래의 상태로 돌아갈 수 없는 현상을 말합니다. 흔히 ‘무질서도’라고도 말하는 엔트로피는 원래 온도, 압력, 엔탈피 등과 같은 열역학적 성질의 하나로, 열전달량을 절대온도로 나눈 값으로 정의됩니다. 열역학 제2법칙은 고립된 시스템의 엔트로피를 항상 증가하는 방향으로 진행된다고 설명합니다. 즉, 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 열이 전달되는 것처럼 자연현상과 시간의 방향성을 가리킵니다. ▲ 두 물체의 에너지와 엔트로피 변화 (출처: 공대생도 잘모르는 공학이야기) 자연현상은 자발적으로 두 물체 사이의 온도 차이가 사라지는 방향으로 일어납니다. 온도차가 없어지면서 더 이상 열전달이 이루어지지 않고, 아울러 에너지(available energy)를 사용할 수 없게 됩니다. 온도뿐 아니라 물에 잉크 방울을 넣거나, 두 기체 사이의 격리막을 제거하면 완전히 서로 섞여서 구별할 수 없는 상태가 됩니다. 엔트로피의 증가법칙이란, 변화를 유발하는 온도차나 물질 구분이 없어지면서 더 이상 변화가 일어나지 않는 상태로…
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무더운 여름철에 꼭 필요한 기술은? 물 차단 IT 기술 '방수'
칼럼 2019.07.22

무더운 여름철에 꼭 필요한 기술은? 물 차단 IT 기술 ‘방수’

만화 원피스의 해적선, 버버리 트렌치코트, 갤럭시S 스마트폰의 공통점은 뭘까? 바로 방수다. 지난 8일 필리핀에서 20명의 승객이 탑승한 보트가 전복하는 사고가 있었다. 갤럭시 S8의 방수 기능 덕분에 탑승자들 모두 신속하게 구조될 수 있어서 화제가 되었다. 30분 넘게 소지품들이 물에 잠겼지만 한 승객이 소지한 갤럭시 S8이 정상 작동해 구조 요청이 가능했기 때문이다. 배의 방수 역사는 길다. 기원전 5000년부터 뗏목이나 원시 목선에 동물 뼈로 만든 아교와 역청질을 발라 방수를 했다고 한다. 버버리 트렌치코트는 개버딘이란 소재를 써서 만들어진 군용 방수 코트로 태어났다. 가볍고 방수가 잘되면서 보온력과 통기성이 뛰어나 사랑받게 된다. 갤럭시S 스마트폰은 ‘갤럭시 S4 액티브’부터 방수 방진을 지원하기 시작했다. 잠깐, 그렇다면 애당초 전자 기기와 물은 상극인데 스마트폰은 어떻게 방수가 되는 걸까? 지금도 그렇지만 피처폰을 썼을 때 세면대나 변기에 실수로 휴대전화를 떨어트려 망가지는 일이 많았다. 노트북 컴퓨터는 어떨까? 마시던 커피가 실수로 쏟아지는 바람에 기기를 망가뜨린 사람이 한둘이 아니다.   방수기술 어디까지 적용됐나 IT 기기의 방수 기술은 이런 아찔한 상황에서 우리를 구해준다. 이런 기술이 처음 대중화된 곳은 일본이다. 일본에선 피처폰부터 방수가 기본 사양이었으며, 소니는 2013년 첫 번째 마개 없는 방수 스마트폰을 선보였다. 물론 이전부터 방수가 되는 전자 기기는 있었다. 이름에 러기드(Rugged)라는 말이 들어가는 제품은 꽤 물에…
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칼럼 2019.07.16

밝은 대낮에도 잘 보이는 스마트폰 화면, 비결은? 삼성디스플레이 OLED의 야외 시인성 이야기

스마트폰은 TV나 모니터와는 달리 실내는 물론, 야외에서 사용하는 빈도가 무척 높다. 당연히 주변 조명 환경에 따라 체감 화질도 크게 달라진다. 특히 강한 햇볕이 내리쬐는 화창한 날씨에 스마트폰을 보면, 생각만큼 화면이 또렷하게 보이지 않을 때가 있다. 밝은 대낮 야외에서도 스마트폰 디스플레이가 잘 보이려면 어떤 기술이 필요할까? 스마트폰 디스플레이의 ‘야외 시인성’은 무엇이 결정하는 것일까?   야외 시인성을 결정하는 최대 밝기와 화면 반사율 ▲ 야외 시인성의 이해를 돕는 그래픽 디스플레이 야외 시인성에 가장 큰 영향을 미치는 첫 번째 요소는 디스플레이의 밝기다. 태양은 직접 눈으로 쳐다볼 수 없을 만큼 상당히 밝기 때문에 이런 환경에서 디스플레이의 빛은 쉽게 묻혀 버린다. 밤에는 손전등 불빛이 잘 보이지만 대낮에는 켜진 것만 겨우 확인할 수 있는 것, 밤에는 잘 보이던 별들이 낮에는 안 보이는 것 모두 강한 태양빛에 가려지기 때문이다. ▲  DisplayMate 평가 결과 주변의 밝은 빛 때문에 상대적으로 화면이 보이지 않는다면, 가장 원론적인 해결 방법은 디스플레이의 최대 밝기를 높이는 것이다. 최신 스마트폰의 디스플레이들은 야외 시인성을 높이기 위해, 밝기 성능을 계속 높이고 있다. 미국의 화질 평가 전문 기관인 DisplayMate는 갤럭시S10 디스플레이를 평가하며, “갤럭시S9 보다 최대 밝기가17% 밝은 1215니트를 달성하며, 야외 시인성이 크게 향상됐다”고 밝힌 바 있다. 야외 시인성을 높일…
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스마트 디바이스 쇼 2019
트렌드 2019.07.12

스마트 기술, 어디까지 발전했을까? , ‘스마트 디바이스 쇼 2019’

스마트 디바이스의 현재와 미래를 한눈에  국내 최대 규모의 스마트 디바이스 박람회, ‘스마트 디바이스 쇼 2019’가 11일 코엑스에서 열렸습니다. 스마트 디바이스 쇼는 스마트 기술의 변화를 국내에서 가장 생생하게 접할 수 있는 IT 박람회입니다. 모바일 액세서리, 컴퓨터 주변기기뿐 아니라 스마트 홈,스마트 헬스케어, IoT, 스마트 카 디바이스까지~ 우리 일상을 편리하게 바꿔줄 혁신적인 제품과 기술을 만날 수 있는 ‘스마트 디바이스 쇼 2019 (KITAS)’ 현장. 함께 만나보겠습니다. 혁신적이다, 편리하다! ‘KITAS TOP 10’ 스마트 디바이스 쇼에서는 혁신성, 디자인, 시장성, 기능성을 기준으로 해마다 가장 주목할 만한 제품 ‘KITAS TOP 10’을 선정하고 있습니다. 이 10개의 제품만 살펴봐도 현재 스마트 디바이스 기술과 디자인 트렌드를 이해할 수 있겠죠? 1.  스마트 IoT 디퓨저 ▲ ‘피움(Pium)’ 기분 좋은 향기는 스트레스 해소와 집중력 향상에 도움이 됩니다. 만약 생활 패턴에 맞춰 어울리는 향기를 맡을 수 있다면 어떨까요? 아침에는 뇌를 깨우는 레몬향을, 퇴근하면 집안에 라벤더향이 은은하게 퍼져 있다면 조금 더 상쾌함을 느낄 수 있겠죠? ‘피움(Pium)’ 스마트 IoT 디퓨저는 3가지의 향기 캡슐을 기반으로, 시간과 상황, 취향에 따라 각기 다른 향기를 뿜어줍니다. 특히 스마트폰 애플리케이션으로 향의 강도와 캡슐 및 스케줄 설정이 가능하니 본인에게 맞는 디퓨저 커스터마이징도 가능합니다. (출처: KITAS)   2. 인체공학 IoT 체어  ▲ ‘포핏체어’ 대부분의 직장인이나 학생들이 가장 많은 시간을 보내는 곳은 의자라고 합니다. 아마도 키가 크거나 작은 분들은 의자나 책상 때문에 불편함을 겪은 경험이 많으실 텐데요. ‘포핏체어’를 사용하시면 그런 불편함을 해소할 수 있을 것 같습니다. 앱과 연동하여…
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디지털 펜
칼럼 2019.07.11

펜으로 쓰고 그려서 감정을 표현하다! 디지털 펜의 진화

펜은 칼보다 강하다 (the pen is mightier than the sword.). 영국 작가 에드워즈 불워 리튼이 쓴 「리슐리외 또는 모략」에 나온 대사다. 출처는 몰라도 이 말을 한 번도 안 들어본 사람은 드물다. 글이 무력보다 사람에게 더 큰 영향을 끼칠 수 있다는 말이다. 그렇게 생각하면 펜은 참 독특하다. 인류가 만든 수많은 도구 가운데, 생각을 담고 표현하기 위해 사용되는 몇 없는 도구이기 때문이다. 펜은 참 쓰기 편한 도구이기도 하다. 연필(16C)과 만년필(19C), 볼펜(20C)이 발명된 후에는 어디서나 흔히 볼 수 있는 물건이 됐다. 스마트폰이 등장하기 전에는 공부하거나 일할 때, 메모나 일기를 적을 때, 간단한 메시지를 전달하거나 중요한 계약을 맺을 때도 펜은 빠질 수 없는 존재였다. 2007년 스티브 잡스가 “(손가락을 쓰면 되는데) 누가 펜을 원하지?”라고 묻기 전에는.   처음부터 디지털 기기와 함께였던 펜 ▲ 뉴턴 메시지 패드 110 (출처: ExplainingComputers) 1993년 애플에서 출시한 원조 PDA ‘뉴턴 메시지 패드’는 스마트 기기에 스타일러스 펜을 도입한 장본인이다. 이때 도입된 스타일러스 펜은 1990년대 중후반 ‘팜 파일럿 PDA 시리즈’가 큰 인기를 얻으면서, 스마트 기기 표준 인터페이스로 자리매김하게 된다. 얼마나 인기가 있었냐 하면, 닌텐도DS 같은 게임기를 비롯해, 터치스크린을 가진 노트북, 컴퓨터와 휴대전화 등 대부분의 디지털 기기에 표준 디지털 펜으로 탑재됐을 정도다. 물론, 누군가는 아무것도 쓰지 않는, 그저 꾹꾹 누르기만 하는 스타일러스 펜이 어째서 디지털 펜이 될 수 있냐고 말할 수 있다. 이는 틀린 말은 아니다. 스타일러스 펜이 없으면 손톱이나 다른 둥글고 뾰족한 물건으로…
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알아두면 쓸모있는 양자역학 이야기 – 불확정성의 원리
스토리 2019.07.08

알아두면 쓸모있는 양자역학 이야기 – 불확정성의 원리

1차 세계대전이 발발하기 몇 년 전인 1927년 제 5차 솔베이 회의에는 많은 물리학자가 참석했다. 참석한 물리학자 29명 중 무려 18명이 노벨상 수상자다. 양자역학의 큰 획을 그었던 솔베이 회의를 역사가들은 이렇게 얘기한다. “과학사에서 그렇게 짧은 시간에, 그렇게 소수의 사람들에 의해, 그렇게 많은 것이 밝혀진 적은 없었다”라고. 아인슈타인과 보어 사이에 오간 유명한 담론인 “신은 주사위 놀이를 하지 않는다(아인슈타인)”, “신이 주사위 놀이를 하든 말든 당신이 상관할 바 아니다(보어)”도 이 회의에서 나온 얘기다. ▲ 보어와 아인슈타인의 담론 장면 (출처: 위키백과) 두 사람 사이의 담론에서 아인슈타인의 말은 양자론의 불완전성을 비꼬는 말이다. 양자론은 자연현상을 일정한 수준에서는 바르게 표현하고 있지만, 완전하지 않기 때문에 확률이라는 생각으로 시작할 수밖에 없다. 즉 자연현상은 어떠한 물리량으로 결정되어 있다는 아인슈타인의 생각과 상반되는 양자론은 그의 입맛에 맞을 수 없었다.   하이젠베르크의 불확정성의 원리 ▲ 하이젠베르크 불확정성원리에 관한 기념우표 (출처: Amazon) 하이젠베르크는 1901년 독일 뷔르츠부르크에서 태어났다. 그의 나이 24세에 라이프치히 대학교에서 교수직을 제안했지만, 제안을 거절하고 양자역학 해석 문제를 연구하기 위해 덴마크 코펜하겐에 있는 보어를 찾아가 비정규직 연구원을 자청한다. 그리고 이를 통해 노벨 물리학상을 받게 된다. 하이젠베르크는 오직 측정 가능한 것만 이론으로 삼는다는 실증주의 신념을 과감히 깨뜨린다. 위치와 운동량을 동시에, 정확하게 측정하는 것은 절대 불가능하다는…
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