고등 국어 기술 예상문제

컴퓨터가 문자나 이미지 같은 데이터를 저장하거나 전송할 때, 데이터의 용량을 줄이면서도 원본 정보를 그대로 복원할 수 있게 하는 기술을 무손실 압축이라 한다. 그중 대표적인 방법이 허프만 부호화이다.

일반적인 문자 부호화 방식은 모든 문자에 똑같은 길이의 이진 부호를 부여한다. 예를 들어 알파벳 8개를 표현하는 데 각 문자마다 3비트씩 고정된 길이를 사용하는 식이다. 그러나 실제 문서에서는 어떤 문자는 매우 자주 등장하고 어떤 문자는 드물게 등장한다는 사실에 착안하면, 굳이 모든 문자에 같은 길이의 부호를 부여할 필요가 없다.

허프만 부호화는 데이터에 등장하는 각 문자의 등장 빈도를 먼저 조사한 뒤, 빈도가 높은 문자에는 짧은 길이의 부호를, 빈도가 낮은 문자에는 긴 길이의 부호를 배정한다. 이렇게 빈도에 따라 길이를 달리하는 부호를 가변 길이 부호라 한다. 자주 등장하는 문자를 짧게 표현할수록 전체 데이터의 평균 비트 수가 줄어들어 압축 효과가 커진다.

다만 부호의 길이가 문자마다 다르면 어디까지가 한 문자에 해당하는 부호인지 구분하기 어려운 문제가 생길 수 있다. 허프만 부호화는 이 문제를 해결하기 위해 어떤 문자의 부호도 다른 문자의 부호 앞부분과 일치하지 않도록 설계한다. 이러한 성질을 접두어 조건이라 하며, 이 조건 덕분에 수신 측은 부호를 앞에서부터 순서대로 읽어 나가는 것만으로도 문자의 경계를 정확히 구분하며 부호를 하나씩 복원할 수 있다.

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반도체 집적회로는 실리콘 웨이퍼 위에 나노미터 단위의 미세한 회로 패턴을 새겨 넣는 공정을 거쳐 만들어진다. 이 패턴을 새기는 핵심 공정이 포토리소그래피*이다. 먼저 웨이퍼 표면에 빛에 반응하는 화학 물질인 감광액(포토레지스트)을 얇고 균일하게 도포한다. 그 위에 회로 설계도가 그려진 마스크(레티클)를 놓고 자외선을 비추면, 마스크의 투명한 부분을 통과한 빛만 감광액에 닿는다.

감광액에는 두 종류가 있다. 양성 감광액은 빛을 받은 부분이 현상액에 녹아 제거되어 빛을 받은 영역이 패턴으로 남지 않고, 음성 감광액은 반대로 빛을 받은 부분이 굳어져 현상액에 녹지 않고 남는다. 노광이 끝난 뒤 현상 공정을 거치면 웨이퍼 표면에는 회로 모양의 감광액 패턴만 남는다.

이후 이 패턴을 보호막 삼아 식각 공정을 진행한다. 감광액으로 덮이지 않은 부분만 화학 약품이나 플라스마에 의해 깎여 나가면서, 마스크의 회로 모양이 실리콘 웨이퍼 위에 그대로 옮겨진다. 식각이 끝나면 남아 있던 감광액은 별도의 용액으로 제거되어 다음 공정을 위한 깨끗한 표면이 마련된다.

노광에 사용하는 빛의 파장은 패턴의 정밀도를 좌우하는 핵심 변수이다. 빛은 파동이므로 회절 현상으로 인해 파장보다 훨씬 작은 크기의 선을 선명하게 그리기 어렵다. 따라서 더 미세한 회로를 구현하려면 더 짧은 파장의 광원을 사용해야 하며, 최근에는 기존의 자외선보다 파장이 훨씬 짧은 극자외선(EUV)을 이용하는 공정까지 도입되었다.

* 포토리소그래피: 감광성 물질을 이용해 표면에 미세한 패턴을 형성하는 공정.

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물로만 손을 씻으면 기름기가 있는 때는 잘 씻겨 나가지 않는다. 물 분자는 서로 강하게 끌어당기는 성질이 있어 기름 성분과는 잘 섞이지 않기 때문인데, 비누는 이러한 물과 기름 사이의 관계를 바꾸어 주는 계면활성제* 역할을 한다.

비누를 이루는 분자는 한쪽 끝에는 물을 좋아하는 친수성 부분이, 다른 쪽 끝에는 물을 싫어하고 기름을 좋아하는 소수성 부분이 함께 붙어 있는 독특한 구조를 지닌다. 비누 분자가 물에 녹으면 소수성 부분끼리는 서로 모이려 하고 친수성 부분은 물 쪽을 향하려 하므로, 여러 개의 비누 분자가 소수성 부분을 안쪽으로, 친수성 부분을 바깥쪽으로 향한 채 둥근 공 모양으로 모이는 미셀이라는 구조를 이룬다.

옷감이나 피부에 묻은 기름때에 비눗물이 닿으면, 비누 분자의 소수성 부분이 기름때 쪽으로 파고들어 기름때를 감싸고 친수성 부분은 바깥의 물 쪽을 향한 미셀 형태의 작은 알갱이가 만들어진다. 이렇게 기름때를 감싼 미셀은 표면이 친수성을 띠게 되므로 물에 잘 섞여 함께 씻겨 내려갈 수 있게 된다.

비누는 또한 물 표면의 표면장력을 낮추는 역할도 한다. 표면장력이 낮아지면 물이 옷감의 섬유 사이나 피부의 미세한 틈 사이로 더 잘 스며들 수 있게 되어, 때를 감싸는 미셀이 만들어지는 과정을 더욱 원활하게 돕는다.
* 계면활성제: 서로 잘 섞이지 않는 두 물질의 경계면에서 작용하여 두 물질이 섞이도록 돕는 물질.

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물체는 자연 상태에서 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 저절로 열을 내보내며, 그 반대 방향, 즉 온도가 낮은 곳에서 높은 곳으로 열이 저절로 이동하는 일은 일어나지 않는다. 히트펌프는 외부에서 에너지를 투입함으로써 이러한 자연스러운 흐름을 거슬러, 온도가 낮은 곳의 열을 온도가 높은 곳으로 끌어올려 이동시키는 장치이다.

히트펌프는 냉매라는 특수한 유체가 압축과 팽창을 반복하며 상태를 바꾸는 순환 과정을 통해 작동한다. 먼저 압축기는 기체 상태의 냉매를 압축하는데, 기체를 압축하면 온도가 크게 올라간다. 이렇게 뜨거워진 고온·고압의 기체 냉매는 응축기를 지나면서 주변의 공기나 물보다 높은 온도를 유지한 채 열을 방출하고, 그 과정에서 기체에서 액체로 상태가 바뀐다.

액체가 된 냉매는 팽창 밸브를 통과하며 압력이 급격히 낮아지는데, 이 과정에서 냉매의 온도도 크게 떨어진다. 이렇게 저온·저압 상태가 된 액체 냉매는 증발기를 지나면서 주변보다 낮은 온도를 유지한 채 주변의 열을 흡수하고, 그 과정에서 액체에서 다시 기체로 상태가 바뀐다. 기체가 된 냉매는 다시 압축기로 돌아가 같은 과정을 반복한다.

이러한 순환을 통해 히트펌프는 증발기가 있는 쪽(저온)에서 열을 흡수하여 응축기가 있는 쪽(고온)으로 열을 옮겨 방출하는 역할을 한다. 겨울철 난방에 히트펌프를 사용하면 차가운 실외의 공기에서도 열을 흡수해 실내로 옮겨 방출할 수 있으며, 여름철에는 응축기와 증발기의 위치를 서로 바꾸어 반대로 실내의 열을 흡수해 실외로 내보내는 냉방 기능으로도 활용할 수 있다.

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태양전지는 빛 에너지를 곧바로 전기 에너지로 바꾸는 장치로, 그 핵심 원리는 광전효과에 있다. 광전효과란 물질에 특정 에너지 이상을 지닌 빛(광자)이 닿으면 물질 속 전자가 그 에너지를 흡수하여 원래의 위치를 벗어나 자유롭게 움직이게 되는 현상을 말한다.

태양전지는 대부분 실리콘으로 만든 p형 반도체와 n형 반도체를 접합한 구조로 이루어져 있다. 이 접합부에 빛이 닿으면 광전효과에 의해 반도체 내부의 전자가 원자에서 떨어져 나오면서 전자와 정공의 쌍이 새로 생겨난다. 이때 접합부 부근에 이미 형성되어 있던 내부 전기장은 새로 생긴 전자를 n형 쪽으로, 정공을 p형 쪽으로 밀어 보낸다.

이렇게 전자는 n형 반도체 쪽에, 정공은 p형 반도체 쪽에 모이면서 태양전지의 양쪽 끝에는 전위차, 즉 전압이 만들어진다. 이 상태에서 태양전지의 양극과 음극을 외부 회로로 연결하면 전자가 회로를 따라 이동하며 전류가 흐르게 되고, 이 전류가 곧 태양전지가 만들어 내는 전기 에너지가 된다.

태양전지가 만들어 내는 전류의 세기는 태양전지에 도달하는 빛의 세기가 강할수록, 즉 단위 시간당 태양전지에 흡수되는 광자의 수가 많을수록 커지는 경향을 보인다. 다만 빛이 전혀 없는 상태에서는 전자와 정공의 쌍이 새로 생겨나지 않으므로 태양전지는 전류를 만들어 내지 못한다.

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OLED(유기발광다이오드)는 전류가 흐르면 스스로 빛을 내는 유기 화합물을 이용한 디스플레이 소자이다. 기존에 널리 쓰이던 LCD(액정표시장치)가 화면 뒤편에 별도의 광원인 백라이트를 두고 그 빛의 양을 화소마다 조절하는 방식으로 영상을 표시하는 것과 달리, OLED는 화소 하나하나가 각자 빛을 내는 발광원 그 자체이기 때문에 별도의 백라이트가 필요하지 않다.

OLED 소자는 기본적으로 양극과 음극 사이에 여러 층의 유기 박막을 쌓은 구조로 이루어져 있다. 이 박막에는 양극에서 정공을 받아들여 발광층까지 전달하는 정공수송층과, 음극에서 전자를 받아들여 발광층까지 전달하는 전자수송층이 포함되며, 그 사이에 실제로 빛을 만들어 내는 발광층이 자리한다.

양극과 음극에 전압을 걸어 주면 정공은 정공수송층을 통해, 전자는 전자수송층을 통해 각각 발광층 쪽으로 이동한다. 발광층에서 전자와 정공이 만나 결합하는 것을 재결합이라 하는데, 이 재결합 과정에서 전자가 지니고 있던 에너지의 일부가 빛으로 방출된다. 이때 방출되는 빛의 색깔은 발광층을 이루는 유기 물질의 종류에 따라 달라진다.

화소 하나하나가 독립적으로 빛을 내고 꺼질 수 있기 때문에, OLED는 화면의 특정 부분을 표시할 필요가 없을 때 해당 화소를 완전히 꺼서 순수한 검은색을 표현할 수 있다. 반면 LCD는 백라이트가 항상 켜져 있는 상태에서 액정으로 빛을 얼마나 차단할지만 조절하는 방식이므로, 빛을 완전히 차단하지 못해 검은색 표현이 OLED만큼 완벽하지 않은 경우가 많다.

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밀폐된 용기 안에 담긴 유체(액체)의 한 지점에 압력을 가하면, 그 압력은 유체의 모든 지점에 동일한 크기로 전달된다는 원리를 파스칼의 원리라 한다. 이 원리는 자동차 정비소의 리프트나 굴착기, 유압 브레이크 등 다양한 유압 기계 장치의 기본 원리로 활용된다.

압력은 힘을 그 힘이 작용하는 면적으로 나눈 값으로 정의된다. 파스칼의 원리에 따라 밀폐된 유체 내부의 압력이 어디서나 같다는 사실을 이용하면, 단면적이 서로 다른 두 개의 피스톤을 하나의 유체로 연결했을 때 작은 피스톤에 작은 힘을 가하더라도 큰 피스톤에서는 훨씬 큰 힘을 얻어 낼 수 있다.

구체적으로, 단면적이 작은 피스톤에 힘을 가해 유체에 일정한 압력을 만들어 내면, 이 압력은 단면적이 큰 피스톤이 있는 곳까지 동일하게 전달된다. 이때 큰 피스톤이 받는 힘은 압력에 그 피스톤의 단면적을 곱한 값이 되므로, 단면적이 클수록 같은 압력에서도 더 큰 힘을 얻을 수 있다. 즉 두 피스톤의 단면적 비율이 곧 힘이 증폭되는 비율이 되는 것이다.

이러한 원리 덕분에 사람이 작은 힘으로 페달이나 손잡이를 눌러도, 유압 시스템을 거치면 자동차 한 대를 들어 올리거나 무거운 건설 자재를 옮길 수 있을 만큼 큰 힘으로 증폭되어 전달될 수 있다. 다만 힘이 증폭되는 만큼 큰 피스톤이 움직이는 거리는 작은 피스톤이 움직이는 거리보다 짧아지는데, 이는 유체의 부피가 보존되기 때문에 나타나는 현상이다.

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수정이나 특정 세라믹 결정처럼 기계적인 힘을 가하면 전기적인 성질이 나타나는 물질을 압전 소자라 한다. 압전 소자에 압력을 가해 변형을 일으키면, 결정 내부의 양전하와 음전하의 배열이 미세하게 뒤틀리면서 소자의 양쪽 표면에 서로 다른 전하가 나타나 전압이 발생한다. 이처럼 기계적 변형을 전기 신호로 바꾸는 현상을 압전 효과라 한다.

반대로 압전 소자에 외부에서 전압을 걸어 주면, 이번에는 전기장의 영향으로 결정 내부의 전하 배열이 뒤틀리면서 소자 자체가 미세하게 변형되어 늘어나거나 줄어드는 현상이 나타난다. 이처럼 전기 신호를 기계적 변형으로 바꾸는 현상을 역압전 효과라 하며, 압전 효과와 역압전 효과는 서로 반대 방향의 에너지 변환을 수행한다는 점에서 짝을 이룬다.

압전 효과는 라이터의 점화 장치나 압력을 감지하는 센서 등에 활용된다. 라이터의 버튼을 누르면 내부의 압전 소자가 순간적으로 강한 압력을 받아 높은 전압을 발생시키고, 이 전압으로 만들어진 스파크가 가스에 불을 붙인다. 반대로 역압전 효과는 스피커나 초음파 발생 장치처럼 전기 신호를 미세한 진동으로 바꾸어야 하는 장치에 활용된다.

최근에는 사람이 걷는 진동이나 자동차가 지나가는 진동처럼 일상적으로 버려지는 기계적 에너지를 압전 소자로 흡수해 전기 에너지로 바꾸어 저장하는 에너지 하베스팅 기술에도 압전 효과가 응용되고 있다.

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