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OLED는 왜 번인이 생길까: 스스로 빛나는 화면의 원리

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휴대폰 화면을 회색으로 띄웠을 때 위쪽 상태 표시줄 모양이 희미하게 남아 있거나, 매장에 오래 켜 둔 TV에 방송사 로고 자국이 보일 때가 있습니다. 이것을 번인(burn-in) 이라고 부릅니다. 번인은 주로 OLED 화면에서 이야기됩니다. OLED가 왜 번인에 약한지 알려면, 먼저 OLED가 어떻게 빛을 내는지 알아야 합니다. 먼저 핵심만 OLED는 화소 하나하나가 스스로 빛을 냅니다. 뒤에서 비추는 조명(백라이트)이 없습니다. 빛을 내는 유기 물질은 쓸수록 조금씩 어두워집니다. 한 자리만 오래 밝게 쓰면 그 자리만 더 닳습니다. 번인은 이렇게 화소가 고르지 않게 닳아서 생긴 자국입니다. 잠깐 남았다 사라지는 잔상과는 다릅니다. 스스로 빛나는 화소 미국 에너지부는 OLED가 탄소를 바탕으로 한 유기 물질 로 만든 발광 소자라고 설명합니다. 얇은 유기 반도체 층 양쪽에 전극을 대고 전기를 흘리면 빛이 나고, 흐르는 전류의 양으로 빛의 세기를 조절합니다. 빛의 색은 어떤 발광 물질을 쓰느냐로 정해집니다. 애플은 아이폰 화면 안내에서 OLED에는 백라이트가 없고 화소마다 빛을 내기 때문에 화면을 더 얇게 만들 수 있다고 설명합니다. 액정(LCD) 화면은 뒤의 조명을 액정이 가리거나 통과시켜 그림을 만들지만, OLED는 화소마다 작은 전등이 따로 켜지는 셈입니다. OLED TV 화면을 크게 확대한 모습. 작은 점 하나하나가 스스로 빛을 냅니다. 사진: TECH EDU , CC BY-SA 4.0 , 위키미디어 공용 쓸수록 어두워지는 전등 문제는 이 작은 전등들이 쓸수록 조금씩 닳는다는 점입니다. 위키백과의 번인 항목은 OLED 화소가 시간이 지나면서 밝기를 잃는 것은 피할 수 없다고 설명하고, 번인의 원인을 화면을 고르지 않게 오래 쓴 것 으로 정리합니다. 애플도 OLED와 LCD를 포함한 모든 화면은 오래 쓰면 밝기가 줄 수 있다고 안내합니다. 모든 화소가 똑같이 닳는다면 화면 전체가 고르게 조금 어두워질 뿐이라 눈에 잘 띄지...
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터보차저는 어떻게 힘을 더할까: 버려지는 배기가스로 공기를 밀어 넣는 원리

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자동차 뒤에 붙은 "터보"라는 글자를 본 적이 있을 겁니다. 요즘은 작은 엔진에도 터보차저가 흔히 달립니다. 터보차저는 엔진이 내뿜는 배기가스의 힘으로 바람개비를 돌려 엔진에 공기를 더 밀어 넣는 장치입니다. 그냥 버려질 에너지로 엔진의 힘을 키우는 셈입니다. 그 원리를 차례로 살펴보겠습니다. 먼저 핵심만 엔진은 연료를 공기와 함께 태웁니다. 공기를 더 넣으면 연료도 더 태울 수 있습니다. 터보차저는 배기가스로 터빈을 돌리고, 같은 축에 붙은 압축기가 공기를 눌러 엔진에 밀어 넣습니다. 그래서 작은 엔진으로도 큰 엔진만큼 힘을 낼 수 있고, 연비를 높이는 데에도 쓰입니다. 엔진의 힘은 들어오는 공기의 양에 묶여 있습니다 엔진의 에너지는 연료에서 나옵니다. 엔진은 실린더 안에서 연료를 태워 힘을 얻습니다. 연료가 타려면 공기 속 산소가 필요하므로, 한 번에 태울 수 있는 연료의 양은 실린더에 들어온 공기의 양에 묶여 있습니다. 미국 정부의 연비 정보 누리집(fueleconomy.gov)은 터보차저를 엔진 실린더에 공기를 더 밀어 넣는 압축기라고 설명하고, 그래서 연료도 더 넣을 수 있다고 말합니다. 속을 볼 수 있게 자른 터보차저 모형. 사진: Quentin Schwinn (NASA) , 퍼블릭 도메인, 위키미디어 공용 배기가스로 바람개비를 돌립니다 터보차저 제조사 가렛 모션(Garrett Motion)은 터보차저가 쓰이지 않고 버려지는 배기가스로 터빈을 돌리고, 터빈이 공기 압축기를 돌려 실린더에 공기를 더 밀어 넣는다고 설명합니다. 위키백과의 터보차저 항목도 터빈과 압축기가 하나의 축 으로 이어져 있다고 설명합니다. 한쪽 바람개비는 배기가스에 밀려 돌고, 반대쪽 바람개비는 같이 돌며 공기를 빨아들여 누릅니다. 터보차저는 아주 빠르고 뜨거운 환경에서 일합니다. 가렛 모션 자료에 따르면 터보차저 날개는 보통 분당 20만~30만 번 돕니다. 1초에 약 3,300~5,000바퀴입니다(계산값). 온도는 디젤 엔진...
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콘크리트에는 왜 금이 갈까: 수축과 온도 변화로 생기는 균열의 원리

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주차장 바닥, 마당, 새로 지은 벽에서 가는 금을 본 적이 있을 겁니다. 콘크리트는 아주 단단한 재료인데 왜 이렇게 쉽게 갈라질까요? 미국 레미콘협회(NRMCA)는 금이 전혀 없는 콘크리트는 만들 수 없다고 설명합니다. 대신 금이 왜 생기는지 알면 줄이고, 생길 자리를 정해 줄 수 있습니다. 열쇠는 줄어드는 콘크리트 와 그것을 붙잡는 힘 입니다. 먼저 핵심만 콘크리트는 누르는 힘에는 강하지만 당기는 힘에는 약합니다. 콘크리트는 마르거나 식으면 줄어듭니다. 줄어들려는 것을 바닥이나 벽이 붙잡으면 당기는 힘이 생겨 금이 갑니다. 바닥에 일부러 내는 줄눈은 금이 갈 자리를 미리 정해 주는 장치입니다. 콘크리트는 줄어드는 재료입니다 NRMCA의 줄눈 안내서는 콘크리트가 수분과 온도에 따라 늘었다 줄었다 하며, 전체적으로는 줄어드는 쪽 이라고 설명합니다. 같은 자료는 콘크리트가 당기는 힘에 약하기 때문에, 줄어들려는 것이 붙잡히면 견딜 수 있는 것보다 큰 당기는 힘이 생겨 금이 간다고 말합니다. 바닥 슬래브를 예로 들면 이렇습니다. 슬래브가 줄어들려고 하는데 밑의 땅이 마찰로 붙잡습니다. 벽은 아래쪽 기초가 붙잡습니다. 혼자라면 조용히 줄어들었을 콘크리트가, 붙잡힌 탓에 어딘가에서 끊어지는 것입니다. 벽이 기초에 붙잡힐 때도 같은 원리로 금이 갑니다. 출처: 필자 작성 개념도 주차장 바닥에 불규칙하게 생긴 금. 사진: Dimitrios Savva , CC0 , 위키미디어 공용 굳기 전에 생기는 금 소성 수축 균열 은 콘크리트를 붓고 아직 말랑할 때 생깁니다. NRMCA는 표면의 물이 증발하는 속도가 안쪽에서 올라오는 물(블리딩 물)이 채우는 속도보다 빠를 때 이 금이 생긴다고 설명합니다. 바람이 시속 5마일(약 8km, 환산값)보다 세거나, 공기가 건조하거나, 기온과 콘크리트 온도가 높을 때 증발이 빨라집니다. 이 금은 보통 서로 나란히 30~90cm(1~3피트를 환산한 값) 간격으로 얕게 생깁니다. 침하 균열 도 굳기 ...
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GPS는 어떻게 내 위치를 알까: 위성 시계와 거리 계산의 원리

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지도 앱을 켜면 내 위치가 파란 점으로 나타납니다. 휴대폰이 위성에게 "나 여기 있어요"라고 알려 주는 것일까요? 사실은 반대입니다. 미국 GPS 공식 누리집은 GPS 위성이 땅 위의 무엇도 추적하지 않는다고 설명합니다. 휴대폰은 위성이 보내는 신호를 듣기만 하고, 위치 계산은 스스로 합니다. 그 계산의 열쇠는 시간 입니다. 먼저 핵심만 GPS 위성은 정확한 시각과 자기 위치를 담은 신호를 계속 보냅니다. 휴대폰은 신호가 도착하는 데 걸린 시간으로 위성까지의 거리를 구하고, 여러 거리가 만나는 점을 찾습니다. 휴대폰 시계는 위성의 원자시계만큼 정확하지 않아서 위성이 최소 4개 필요합니다. 하늘에 떠 있는 시계들 미국 GPS 공식 누리집(GPS.gov)에 따르면 GPS 위성은 약 20,200km 높이의 궤도를 하루에 두 바퀴씩 돕니다. 미국은 운용 위성을 최소 24개 유지하기로 약속하고 있으며, 실제로는 그보다 많이 띄워 둡니다. 위성들은 지구 어디서든 최소 4개가 보이도록 배치되어 있습니다. 각 위성에는 원자시계가 여러 개 들어 있습니다. 같은 누리집은 GPS 수신기가 위성 신호를 풀어 원자시계에 맞춰지기 때문에, 원자시계 없이도 시각을 1억분의 1초 단위까지 알 수 있다고 설명합니다. 통신망과 금융 시스템이 GPS로 시간을 맞추는 것도 이 때문입니다. GPS 위성의 시험용 기체(미국 샌디에이고 항공우주박물관). 사진: Blervis , CC0 , 위키미디어 공용 시간으로 거리를 잽니다 위성 신호는 빛의 속도, 곧 1초에 약 30만km를 달립니다. 휴대폰은 신호가 출발한 시각과 도착한 시각의 차이에 빛의 속도를 곱해 위성까지의 거리를 구합니다. 위성이 약 20,200km 위에 있으니, 바로 위의 위성 신호도 도착하는 데 약 0.067초가 걸립니다(계산값). 거리를 하나 알면 "나는 그 위성에서 이만큼 떨어진 어딘가"까지만 알 수 있습니다. 거리가 둘, 셋으로 늘면 가능한 자리가 좁혀집...
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엘리베이터는 왜 떨어지지 않을까: 평형추와 비상 정지 장치의 원리

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엘리베이터를 타면 한 번쯤 이런 생각이 듭니다. "줄이 끊어지면 어떻게 되지?" 영화에서는 엘리베이터가 끝없이 떨어지곤 합니다. 하지만 실제 엘리베이터는 줄 하나에 매달린 상자가 아닙니다. 무게를 맞추는 장치 와 떨어지지 않게 붙잡는 장치 가 함께 들어 있습니다. 먼저 핵심만 엘리베이터 반대편에는 평형추가 매달려 있어 모터가 들어 올릴 무게를 크게 줄입니다. 평형추는 모터의 부담을 덜어 주는 장치이고, 떨어지지 않게 하는 일은 따로 있는 안전장치가 맡습니다. 너무 빨리 내려가면 조속기가 알아채고 비상 정지 장치가 레일을 붙잡아 멈춥니다. 레일을 붙잡는 생각은 1854년 오티스가 처음 공개했습니다. 갇혔을 때는 비상 버튼이나 인터폰으로 알리고, 문을 억지로 열지 않는 것이 가장 안전합니다. 시소처럼 무게를 맞춥니다 요즘 건물에 많이 쓰는 견인식 엘리베이터는 강철 줄(와이어로프)을 홈이 깊게 파인 바퀴(도르래) 위에 걸고, 줄과 바퀴 사이의 마찰로 움직입니다. 줄의 한쪽 끝에는 사람이 타는 칸(카)이, 다른 쪽 끝에는 무거운 평형추 가 달려 있습니다. 실제로는 줄이 여러 가닥이고 도르래 배치도 다양합니다. 원리만 단순하게 그렸습니다. 출처: 필자 작성 개념도 위키백과의 엘리베이터 항목은 평형추의 무게가 보통 칸의 무게에 정원 무게의 40~50%를 더한 값 이라고 설명합니다. 예를 들어 칸이 1,000kg이고 정원 무게가 1,000kg이라면 평형추는 1,400~1,500kg입니다(설명을 위해 고른 값과 계산값). 평형추가 없다면 모터는 꽉 찬 칸 전체, 곧 2,000kg을 들어 올려야 합니다. 평형추가 있으면 모터가 감당할 무게는 두 쪽의 차이뿐입니다. 빈 칸일 때는 평형추 쪽이 400~500kg 무겁고, 꽉 찬 칸일 때는 칸 쪽이 500~600kg 무겁습니다(계산값). 시소의 양쪽에 비슷한 무게를 올리면 살짝만 밀어도 움직이는 것과 같은 원리입니다. 견인식 엘리베이터의 승강로. 사진: Harriheale...
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단열재는 어떻게 열을 막을까: 공기를 가두는 단열의 원리

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겨울에 집이 따뜻하게 유지되는 것은 보일러만의 덕이 아닙니다. 벽 속에 든 단열재가 열이 빠져나가는 것을 늦춰 주기 때문입니다. 그런데 단열재를 만져 보면 대부분 솜이나 스티로폼처럼 가볍고 푹신합니다. 이렇게 가벼운 재료가 어떻게 열을 막을까요? 답은 재료 자체보다 그 안에 갇힌 공기 에 있습니다. 먼저 핵심만 열은 언제나 따뜻한 쪽에서 차가운 쪽으로 흐르고, 전도·대류·복사 세 가지 길로 움직입니다. 가만히 있는 공기는 열을 잘 전하지 못합니다. 흔히 쓰는 섬유·발포 단열재는 공기를 잘게 나눠 움직이지 못하게 가둡니다. 진공 단열재나 반사형 단열재는 다른 원리를 함께 씁니다. 단열재가 두꺼워도 기둥처럼 열이 잘 통하는 재료가 안팎을 이으면 그 길로 열이 샙니다. 열이 움직이는 세 가지 길 캐나다 천연자원부(NRCan)는 열이 늘 따뜻한 곳에서 차가운 곳으로 흐르며, 전도·대류·복사 세 가지 방법으로 움직인다고 설명합니다. 미국 에너지부의 건축과학 교육 자료도 열이 이 세 가지 방법으로 흐르고, 단열재는 작은 공기 주머니를 가둬 열이 벽과 천장, 바닥을 지나가지 못하게 한다고 설명합니다. 전도: 맞닿은 물질을 따라 열이 옮겨 갑니다. 뜨거운 냄비 손잡이가 데워지는 것과 같습니다. 대류: 데워진 공기나 물이 움직이면서 열을 실어 나릅니다. 데워진 공기는 위로 오르고 식은 공기는 내려옵니다. 복사: 물질을 거치지 않고 열이 직접 건너갑니다. 햇볕이 얼굴을 데우는 것이 복사입니다. 벽 속에 빈 공간만 있으면 어떨까요? 공기는 열을 잘 전하지 않지만, NRCan 자료는 벽 속처럼 넓은 공간에서는 대류와 복사로 열이 건너갈 수 있다고 설명합니다. 따뜻한 쪽에서 데워진 공기가 올라가고 차가운 쪽에서 식어 내려오며 계속 돌기 때문입니다. 주황 화살표는 공기의 흐름, 흰 원은 단열재 속 공기 칸을 뜻합니다. 실제 크기와 모양은 다릅니다. 출처: 필자 작성 개념도 단열재는 공기를 가둡니다 NRCan 자료의 설명을 간단히 정...
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터치스크린은 어떻게 손가락을 알아챌까: 정전식 터치의 원리

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겨울에 장갑을 끼고 휴대폰 화면을 누르면 아무 반응이 없습니다. 힘을 더 줘도 마찬가지입니다. 맨손으로는 살짝만 닿아도 움직이는데 왜 그럴까요? 요즘 스마트폰 화면은 누르는 힘이 아니라 손가락의 전기적 성질 을 알아채기 때문입니다. 이 원리를 알면 장갑뿐 아니라 손이 건조할 때나 화면이 젖었을 때 터치가 말을 듣지 않는 이유도 함께 보입니다. 먼저 핵심만 스마트폰 화면에는 눈에 보이지 않는 투명한 전극이 깔려 있고, 작은 전기장이 만들어져 있습니다. 전기가 통하는 손가락이 다가오면 그 자리의 전기 신호가 바뀌고, 화면은 이 변화로 위치를 찾습니다. 보통 장갑은 전기를 잘 통하지 않아 이 변화를 막습니다. 힘을 줘도 소용없는 이유입니다. 힘이 아니라 전기를 봅니다 스마트폰에 널리 쓰이는 방식을 정전식 이라고 합니다. 화면의 유리 아래에는 전기가 통하는 투명한 재료가 깔려 있습니다. 전극 재료로는 인듐 주석 산화물(ITO) 같은 코팅이 쓰입니다. 이 전극 덕분에 화면 위에는 작은 전기장이 만들어져 있습니다. 사람의 몸은 전기가 통합니다. 그래서 손가락이 유리에 다가오면 유리를 사이에 두고 손가락과 전극이 작은 축전기처럼 이어집니다. 전하가 유리를 뚫고 지나가는 것이 아니라, 이 결합 때문에 전극에 모이는 전하의 양과 그 자리의 전기장이 달라집니다. 노르웨이 연구기관 신테프(SINTEF)와 미국 컨슈머리포트의 설명도 이와 같습니다. 화면은 이 작은 변화를 읽어 "여기에 손가락이 있다"고 판단합니다. 연한 파랑은 유리, 초록은 투명 전극, 주황 표시는 전기의 영향을 뜻합니다. 실제 구조를 단순하게 그렸습니다. 출처: 필자 작성 개념도 손가락으로 스마트폰 화면을 넘기는 모습. 사진: Japanexperterna.se , CC BY-SA 2.0 , 위키미디어 공용 위치는 어떻게 찾을까 전극은 가로줄과 세로줄로 화면 전체에 깔려 있습니다. 두 줄이 겹치는 자리마다 전기를 조금 담아 두는 작은 축전기가 생깁니다...
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