히읗

음주 측정기를 불기만 했는데 어떤 원리로 술을 마신 걸 아는 걸까

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술을 마신 뒤 운전을 하는 것을 음주운전이라고 합니다

술을 마시면 반응속도와 운동능력, 판단력이 떨어지고
시야와 집중력이 떨어지게 됩니다

이런 상태로 운전을 하면 나뿐만 아니라
주변 사람들에게 엄청난 피해를 줄 수 있기 때문에
절대로 해서는 안 되는 행위이죠

그래서 음주 운전은 예비 살인 행위라고 말하기도 합니다

하지만 이런 말을 귀 아프게 해도 음주운전을 하는 사람들이 있습니다

2022년 음주운전 사고는 1만 5천 건으로
이중 사망자는 214명이었습니다

이런 이유 때문에 경찰이 도로에 직접 나와 음주운전 단속을 하기도 합니다

음주운전 단속은 음주 측정기에 바람을 부는 것으로 이루어지는데
그냥 후 불기만 했는데 어떻게 술을 마셨는지 아는 걸까요

https://youtu.be/XJqXyp2w8sc

술을 마시면 술에 있는 알코올이 빠르게 흡수돼
혈관을 타고 흐릅니다

이후 간으로 이동해 알코올 탈수효소(ADH)에 의해
아세트알데히드로 분해되고
아세트알데히드 탈수효소(ADLH)에 의해 아세트산으로 분해된 뒤
몸 밖으로 배출됩니다

이렇게 알코올이 소화되는 과정에서
혈관 속에 남아있던 일부의 알코올은
우리가 호흡하는 과정에서 이산화탄소화 함께 배출되기도 하죠

즉 술을 마시면 숨을 쉴 때마다
술을 조금씩 뱉어낸다고 할 수 있습니다

1931년 미국의 화학자 롤라 닐 하거는
중크롬산칼륨이라는 물질을 이용해 음주 측정기를 발명했습니다

중크롬산칼륨은 붉은색 계열의 물질로 알코올과 만나면
알코올은 아세트산으로 바뀌고
중크롬산칼륨은 녹색의 황산크롬으로 바뀌게 됩니다

롤라 닐 하거의 음주 측정기는 풍선 안에 중크롬산칼륨이 있는 형태였습니다
술을 마신 사람이 풍선을 불면 바람과 함께 알코올이 배출되고
알코올은 중크롬산칼륨의 색을 변화시키니
이것으로 술을 마셨다는 것을 알 수 있었죠

하지만 이것은 측정할 때마다 물질을 바꿔줘야 한다는 번거로움이 있었습니다

지금은 전자식 측정기를 이용해 음주단속을 합니다

어떤 물질이 가지고 있는 전자를 빼앗기는 현상을 산화라고 합니다

측정기에는 백금으로 만들어진 전극이 달려있는데
알코올이 백금 양(+) 극과 만나면 산화돼 아세트산으로 바뀌고
전자를 빼앗겨 전류를 흐르게 합니다

술을 마시지 않은 사람이 음주 측정기를 불면 아무 일도 일어나지 않지만

술을 마신 사람이 음주 측정기를 불면
배출되는 알코올 때문에 측정기에 전류가 흐르게 되고

측정기는 전류의 양을 분석해 혈중알코올농도가 얼마나 되는지를 보여줍니다

만약 술을 많이 마셨다면 알코올이 더 많이 배출되니
전류의 세기가 세져 혈중알코올농도 수치가 더 높게 나타나게 되겠죠

음주 측정기는 이런 원리로 이 사람이 술을 마셨는지
마셨다면 얼마나 마셨는지를 보여주는 것입니다

그런데 이런 방식의 음주단속은
바람을 부는 과정에서 운전자의 침이 튈 가능성이 아주 높습니다

과거 코로나가 한참 심각할 때
단속을 하는 경찰들이 바이러스에 전염될 위험이 있었죠

그래서 운전자가 바람을 불지 않아도 알코올을 측정할 수 있는
비접촉 측정기를 만들어 음주단속을 했습니다

비접촉 측정기는 기존의 측정기와 같은 원리지만
알코올에 대한 민감도를 높여
공기중에 있는 알코올을 감지할 수 있게 만들어졌습니다

술을 마신 사람이 운전을 하면서 숨을 쉬면
자연스럽게 알코올이 배출되고
배출된 알코올은 차 안에 머물 것이기 때문에
직접 불지 않아도 술을 마셨는지를 알 수 있게 되는 것이죠

하지만 이것은 동승자가 술을 마셨거나
알코올이 들어있는 손 소독제를 사용했을 경우에도 작동했기 때문에
비접촉 측정기가 알코올을 감지하면
기존의 측정기로 다시 측정하는 식으로 단속을 했다고 합니다

일부의 사람들은 음주단속을 피하기 위해
측정하기 전 껌이나 사탕을 먹거나 물을 마시곤 합니다

음주 측정기는 혈액 속에 녹아있는 알코올에 반응하는 것이기 때문에
당연히 이런 방법은 통하지 않습니다

음주단속을 피하기 위해 굳이 이런 행동을 하기보다
술을 마셨다면 운전대를 잡지 않는 것이
모두를 위한 가장 좋은 선택이 아닐까요?

풍력 발전, 수력 발전처럼 번개 발전으로 에너지를 얻는 건 어떨까

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석탄, 석유, 천연가스 같은 화석연료로
막대한 에너지를 얻을 수 있게 된 뒤로
인류는 많은 발전을 할 수 있었고 삶의 질이 올라가게 되었습니다

하지만 화석연료는 영원하지 않기 때문에
언젠가 고갈되었을 때를 대비해야 합니다

화석연료를 대체하는 에너지를 대체 에너지라고 하는데
태양을 이용하거나 물을 이용하거나 바람을 이용하곤 합니다

구름과 땅 사이에 강력한 전류가 흐르면서 방전이 발생하는 경우가 있는데
이것을 낙뢰라고 하며 우리는 흔히 번개라고 부르죠

번개는 전기 에너지입니다

그렇다면 태양을 이용해 태양광 발전
물을 이용해 수력 발전, 바람을 이용해 풍력 발전으로 에너지를 얻는 것처럼
번개를 이용해 번개 발전으로 에너지를 얻는 건 어떨까요

https://youtu.be/nfADN-qVJOY

일정 시간 동안 사용되는 전기 에너지의 양을
전력량이라고 합니다

단위는 Wh를 사용하는데
1Wh라고 하면 1W 짜리 전자제품을 한 시간 동안 사용했다는 뜻입니다

우리가 사용하는 컴퓨터의 전력량은 250Wh 정도 되는데
하루 종일 사용한다고 하면 6000Wh가 됩니다

번개가 치는 순간 만들어지는 전기 에너지를 전력량으로 환산하면
번개에 따라 다르지만 1000kWh~10,000kWh 정도 된다고 합니다

그렇기 때문에 번개가 한 번만 쳐도
1000명의 사람이 컴퓨터를 하루 종일 할 수 있는
전기 에너지를 얻을 수 있습니다

우리나라의 경우 평균적으로 1년에 10만 번 정도 번개가 칩니다

이것을 모두 전기 에너지로 바꿀 수 있다면
1억 명의 사람이 컴퓨터를 하루 종일 할 수 있는 에너지를 얻을 수 있는데
우리나라 인구는 5천만 정도 되니까
전 국민에게 컴퓨터 48시간 무료 쿠폰을 뿌릴 수 있다는 것이죠

번개는 자연현상이니 잘 이용할 수만 있다면
별다른 노력을 하지 않아도
엄청난 에너지를 얻을 수 있습니다

하지만 안타깝게도 번개를 전기 에너지로 바꾸는 일은
현실적으로 불가능한 일이라고 합니다

번개를 에너지로 바꾸기 위해선
발전소가 번개를 잡아야 하는데
번개는 어디에 떨어질지 예측할 수 없기 때문에
번개를 잡을 수가 없습니다

만약 이것을 예측할 수 있어도
번개는 언제나 일정한 장소에만 떨어지는 것이 아니기 때문에

이곳저곳에 발전소를 지어야 하는데
이것 자체가 엄청난 낭비가 되겠죠

어마어마한 피뢰침을 만들어
번개가 한 곳에만 떨어지게 할 수 있다고 해도

번개를 전기 에너지로 바꾸고 저장하는 과정에서
전기저항에 의한 손실이 발생하기 때문에
이야기했던 엄청난 에너지는 얻을 수 없습니다

최근 이슈가 되었던 전기저항이 0인 초전도체를 만들 수 있다면
번개 발전이 현실적으로 다가올 수 있었겠지만

아쉽게도 인류는 아직 초전도체를 포함해
번개를 예측하고 한곳에 떨어지게 할 수 있는 기술을 가지지 못했기 때문에
번개 발전은 불가능하다고 할 수 있습니다

스마트폰을 계속 사용하면 배터리 수명이 줄어드는 이유

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스마트폰을 산지 얼마 안 됐을 땐 몇 시간을 사용해도
배터리가 넉넉하게 남아있습니다

하지만 1년, 2년, 3년 사용하다 보면
배터리 닳는 속도가 점점 빨라지게 됩니다

그래서 한 시간도 안 썼는데
다시 충전을 해야하는 상황이 되기도 하죠

스마트폰을 사용하면 사용할수록
배터리의 수명이 점점 줄어드는 이유는 무엇일까요

https://youtu.be/xDWG7F68eDw

배터리는 전자기기가 작동할 수 있도록
전기 에너지를 공급해 주는 장치입니다

전지라고 말하기도 하는데
충전이 불가능한 1차 전지와 충전이 가능한 2차 전지로 나눌 수 있습니다

스마트폰, 노트북, 무선 이어폰, 전기 자동차에 사용되는 것이
바로 2차 전지이며 2차 전지에는 여러 가지 종류가 있지만

리튬을 소재로 해 만들어진 전지인
리튬이온 전지가 가장 많이 사용되고 있습니다

리튬이온 전지는 리튬이온을 보관하고 있는
쉽게 말해 리튬이온의 집이라고 할 수도 있는
플러스(+), 마이너스(-) 즉 양극재와 음극재

리튬이온이 양극과 음극 사이를
이동할 수 있도록 도와주는 전해질

배터리가 사용되지 않을 때 리튬이온의 이동을 막는
분리막으로 구성되어 있습니다

충전된 배터리의 리튬이온은 음극재에 머물러 있습니다
이때 스마트폰을 사용하면 음극재에 있는 리튬이온이
전자를 잃어버리게 되고 전해질을 통해
양극재로 이동하게 됩니다

잃어버린 전자는 도선을 따라 음극재에서 양극재로 이동하는데
이때 이동하는 과정에서 전기 에너지가 만들어져
스마트폰이 작동하게 됩니다

즉 배터리가 닳는다는 것은 음극재에 있는 리튬이온이
양극재로 이동하는 현상이라고 말할 수 있습니다

이것을 방전이라고 하죠

배터리를 전부 사용하면 모든 리튬이온이 양극재에 머물러 있습니다
이때 리튬이온은 산소와 결합해 리튬 산화물 형태로 존재하는데
이런 상태에서 충전기를 연결하면

양극재에 있는 리튬 산화물이 다시 리튬이온으로 분리돼
음극재로 이동하게 됩니다
그리고 잃어버렸던 전자를 다시 얻게 되죠

이것을 충전이라고 합니다

배터리의 사용과 충전은 이런 원리로 이루어지는 것입니다

리튬이온 전지의 음극재, 즉 리튬이온의 집은
흑연으로 만들어집니다

연필에 있는 그 흑연과 같은 것으로
안정적인 구조를 가지고 있고 리튬이온을 많이 저장할 수 있고
가격이 싸기 때문에 음극재로 사용하기 적합한 소재라고 할 수 있습니다

그런데 흑연은 사용할수록 구조가 점점 변해
저장할 수 있는 리튬이온의 수가 줄어들게 됩니다

사용하고 충전하고
사용하고 충전하다 보면
리튬이온이 머물 수 있는 집이 하나 둘 무너진다는 것이죠

집이 무너지면 음극재에 머무는 리튬이온의 수가 줄어들게 되고
리튬이온의 수가 줄어들면 전자의 수도 줄어들게 되니
만들어지는 전기 에너지도 줄어들게 됩니다

그래서 스마트폰을 사용하면 사용할수록
배터리의 수명이 줄어들게 되는 것입니다

이렇게 집이 무너지기 시작하면
아무리 충전을 해도 리튬이온이 머무를 집이 없어지게 되니
이전과 같은 성능을 내지 못하게 되는 것입니다