고등학교 1~3학년군[에너지]
무한 에너지, 답을 찾다!
학교급 고등 1~3학년 구 분 학생용
프롤로그 1
'공짜 에너지'의 꿈, 영구기관
현존 最古기록 8세기 인도 … 18세기 유럽선 상류층 상대 사기극도 현재도 계속 도전중이나 자연법칙상 불가 … 세계 주요국 특허 거절
비싼 석유를 태우지 않고도, 방사능의 위험을 감수하지 않고도 무한한 에너지를 영원히 얻을 수 있다면 얼마나 좋을까? 에너지 문제와 환경 문제를 동시에 해결할 수 있지 않을까? 무한 에너지 를 만들어내는 영구기관은 인류의 오랜 꿈이지만, 현재는 자연법칙상 불가능하다고 알려져 있다.
그럼에도 불구하고 실현되기만 하면, 인류의 삶을 근본적으로 개선할 수 있고 큰 돈도 벌 수 있다는 희망으로 많은 사람들이 도전하고 있다.
◆ 영구운동과 영구기관(무한동력기관) = 영구기관 혹은 무한동력기관은 에너지를 공급 받지 않고도 무한정 일을 할 수 있는 장치를 뜻한다. 쉽게 말해 자동차엔진이 영구기관이라면, 폐차할 때까지 기름값 걱정없이 마음대로 차를 굴릴 수 있을 것이다.
옛날에는 어떤 물체가 영구운동할 수 있다면, 즉 멈추지 않고 영원히 움직인다면, 그것을 이용 해서 영구기관도 만들 수 있을 것이라 생각했다. 그러나 뉴턴이 운동의 기본법칙을 정립한 이후, 영구운동과 영구기관은 별개라는 것이 알려졌다. 예를 들어 마찰이나 저항을 완벽하게 없앤다면 영원히 회전하는 바퀴를 만들 수 있다. 그러나 이것을 이용해 다른 일을 하거나 전기를 일으키려고 시도하면 회전을 방해하는 힘이 발생, 바퀴는 멈추게 된다.
◆ 영구기관의 역사 = 기록에 남아 있는 가장 오래된 영구기관은 8세기 인도의 수학자 랄라가 제안한 영원히 움직이는 바퀴이다. 이후 12세기 인도의 수학자 바스카라 2세, 13세기 프랑스 건축 가 빌라르 드 온쿠르, 17세기에는 보일의 법칙으로 유명한 영국의 물리학자 로버트 보일, 증기기관 연구의 선구자 에드워드 서머셋, 수학 명문가 베르누이 가문의 장 베르누이 등이 영구기관에 도전 했다. 이들이 제안한 아이디어는 '평형이 유지되지 않는 바퀴'를 이용해 영원히 회전하는 엔진을 만드는 것이었으나 실제 작동하지는 않았다.
[평형이 유지되지 않는 바퀴] 영구기관의 18세기 모델. 항상 오른쪽이 더 무거워 영원히 회전할 것 같지만, 구슬의 수는 왼쪽이 더 많아 균형을 이룬다. 이런 타입 의 영구기관은 8세기 인도에서 처음 등장한 이후, 변형 모델이 계속 등장했다.
한편 영구기관을 이용해 돈을 챙긴 사기 사건들도 많았는데 특히 유명한 것은 18세기 요한 베슬러 사건이었다. 베슬러는 사람이 숨어서 움직이는 가짜 영구기관을 만들어 여러 나라 귀족이 나 부유한 상류층들으로부터 거액을 지원받으면서 호사스런 생활을 즐겼다. 19세기에는 미국의 존 킬리가 물에서 에너지를 얻어낼 수 있다고 주장하며 시연까지 해보여 거액의 투자를 이끌어냈 다. 그가 죽고 난 후, 그의 시연은 모두 사기였음이 밝혀졌다.
지금도 각국 특허청에 영구기관 특허가 꾸준히 출원되고 있으며, 이를 이용한 사기 사건도 가끔 일어나고 있다. 우리나라에서도 2007년 6월 무한동력 발전기를 개발했다며 다단계 사기행각 을 벌이다 적발된 사례가 있다( TV뉴스 - “무한동력 발전기” 나왔다 황당한 사기극).
프롤로그 2
'에너지 보존의 법칙'에 위배되므로 이론적으론 불가능
◆ 영구기관 정말 불가능한가? = 영구기관은 에너지 보존의 법칙 등 열역학법칙에 위배되므 로 불가능하다. 물론 열역학법칙이 틀렸을 수도 있다. 그러나 이들 법칙은 현대 과학기술의 근간을 이루고 있으며, 지난 몇 백년 간 과학연구 현장이나 건설 현장, 제조 공장 등지에서 끊임없이 검증돼 왔기 때문에 이 법칙들이 틀림없음을 보증해주고 있다. 만약 실제 작동하는 영구기관이 만들어진다면 인류가 쌓아온 대부분의 과학기술은 전면 재검토돼야 한다는 것을 뜻한다.
영구기관과 관련한 대표적 아이디어에는 불균형 상태가 운동을 일으키고, 다시 이 운동이 새로운 불균형 상태를 만들어 무한히 일을 할 수 있다는 것이다. 위에 소개된 '평형이 유지되지 않는 바퀴'가 대표적인 예다. 이 아이디어를 구현하기 위해 단순한 기계장치에서 전기나 자기를 이용한 복잡한 장치들에 이르기까지 다양한 시도가 있었지만, 어느 것도 외부에 일을 한 만큼 에너지를 잃고 안정된다는 에너지 보존의 법칙을 극복하지는 못했다. 이렇게 에너지 보존의 법칙 에 위배되는 영구기관을 제1종 영구기관이라 부른다.
영구기관으로 추정되는 레오나르도 다빈치의 그 림. 물레방아를 이용해 일을 하고, 물도 퍼올린 다는 아이디어에서 비롯 됐다. 그러나 결국은 모 든 물이 바닥에 고여 작 동을 멈추게 될 것이다.
에너지 보존의 법칙에 따르면 에너지는 없어지지도 만들어지지도 않는다. 그렇다면, 한번 쓴 에너지를 계속 재활용하여 사용하면 되지 않을까 생각할 수 있다. 이런 아이디어를 구현하는 가상의 기관을 제2종 영구기관이라 부른다. 그러나 이 발상은 열에너지를 100% 온전하게 일(역학 에너지)로 바꿀 수 없다는 열역학 제2법칙에 의해 실현불가능하다. 이 법칙은 에너지의 변환에는 방향이 있어서 에너지의 총량은 유지되더라도 사용가능한 에너지는 감소한다는 것을 의미한다.
◆ 각국 특허청의 대응 = 자연법칙상 불가능하다는 것이 밝혀졌음에도 불구하고 많은 발명가 들이 영구기관 연구에 매진하고, 꾸준히 특허를 출원하고 있어 각국 특허청을 당혹스럽게 만들고 있다.
일찌기 프랑스 당국은 1775년에 더 이상 영구기관과 관련된 제안은 접수하지 않겠다고 선언한 적이 있고, 미국 특허청은 심사지침에서, 특허 출원시 작동 가능한 모델을 제출받지 않는 것을 원칙으로 하나, 영구기관의 경우 요구할 수도 있다고 밝히고 있다( 미국 특허청 특허 심사 절차 매뉴얼 608.03항 참조). 영국 특허청 역시 심사지침에서 영구기관과 같이 자연법칙에 어긋나는 특 허는 산업적으로 활용이 불가능하므로 발명으로 인정할 수 없다고 밝히고 있다( 영국 특허청 심사 매뉴얼 4절 의 제5항 참조).
우리나라의 경우 영구기관에 대한 규정은 따로 없으나, 특허법 제29조 1항의 '산업상 이용할 수 있는 발명'을 특허로 인정한다는 규정을 근거로 영구기관에 대한 특허는 심사에서 등록을 거절 하고 있다.
그리고 영구기관에 대한 특허 출원 건수가 연 45건('98년)에서 연 110건('02년)으로 급증하자 2002년과 2003년, 보도자료를 통해 영구기관이 불가능하다는 것을 홍보한 바 있다. 하지만 그 이후에도 꾸준히 영구기관에 대한 특허가 출원되고 있고, 그 때마다 거절처분을 받고 있다. 특허정 보검색서비스(www.kipris.or.kr)에서 '영구기관'으로 검색해 보면 심사가 끝났거나 심사 중 공개처 분된 영구기관 특허들을 확인할 수 있다.
◆ 실제 작동하는 영구기관도 있다? = 에너지보존법칙 등 자연법칙을 어기는 영구기관은 불 가능하다. 하지만 가끔 건전지나 다른 에너지 없이도 쉬지 않고 작동하는 장치들을 볼 수 있다. 이 것들은 우리 주변의 작은 에너지를 잘 활용한 장치이다. 다만 대부분 효율이 낮고 출력이 작아
장난감 이상의 가치는 없다.
대표적인 것으로 ‘물 마시는 새’란 장난감이 있다. 물과 공기의 작은 온도 차이를 에너지로 이용해 작동하는 장난감으로 시원한 물이 있는 한 물을 마시는 동작을 계속 반복한다. 이 외에도 주변의 온도 변화를 이용해 태엽을 감기 때문에 건전지 없이도 작동하는 Atmos 시계나, 미세한 온도차이를 이용해 가동되는 모세관 펌프 등이 있다.
[물마시는 새]건전지 없이도 움직이는 장난감. 시원한 물과 주변 공기의 온도차를 이용 계속 움직인 다.
세상에 ‘공짜’는 없다는 법칙은 에너지 분야에도 적용된다. 오랜 기간 많은 사람들이 찾던 영구기관이 실패를 거듭한 것이 바로 그 증거이다. 에너지 문제 해결을 위해 새로운 에너지 자원 개발에 힘을 써야겠지만, 에너지를 아껴 쓰는 노력이 더욱 필요한 이유다.
<웹툰 무한동력>
생각열기
영구기관(무한동력장치)의 제작은 가능한가?
-영구기관을 설계해 보자-
요즘 인터넷을 사용하는 사람 치고 포털 사이트에서 제공하는 무료 웹툰을 보지 않는 사람은 드물다. 그 중
‘무한동력’이라는 웹툰이 많은 인기를 끌고 있다. 그 내용 은 정규 교육을 받지 못한 사람이 무한동력을 개발하면서 겪는 여러 가지 사건을 다룬다. 여기서 주인공이 개발하는 무한동력은 영구기관이라고 불리는 기계로 한번 외부에서 동력을 전달받으면 추가적인 에너지 공급이 없어도 스스 로 영원히 운동해 에너지를 제공 한다. 그러므로 만약 이 영구기관이 실제로 개발이 된다면 전 세계가 에너지난에 허덕일 필요가 없을 것이다.
영구기관의 조건에는 다음의 세 가지가 있다.1)
1. 외부에서 에너지를 공급받지 않고 계속 일을 할 수 있어야 한다.2)
2. 계속 일을 하기 위해서 순환과정으로 이루어져야 하며 1회 순환이 끝나면 초기 상태로 되돌아와야 한다.
3. 순환과정이 한 번 반복될 때마다 외부에 일정량의 일을 해야 한다.
1) 중요한 것은 외부에서 에너지를 지속적으로 받지 않으면서 외부에 에너지를 지속적으로 공급할 수 있어야 한다는 것이다. 즉 일(계 밖으로의 에너지의 방출 즉 계에서의 에너지의 변화와 관계 있다.)이라는 개념이 중요해 진다. 이 조건이 없어지면 영구 운동이 되는데 영구 운동은 딱히 부정되지 않는다. 마찰만 없어도 영 구운동은 달성될 수 있다.
2) 물리학적인 일을 의미한다. 물리학에서 '일'이란, '다른 물체에 에너지를 공급하는 작용'이라고 봐도 틀리지 않 는다.
생각펼치기
학습문제
[1] 에너지의 정의
① 에너지는 [ 일 ]을 할 수 있는 능력이라고도 정의되며, 자연 현상을 이해하는 데 가장 유용하고도 중요한 개념이다.
② 에너지의 종류는 매우 다양하며, 모든 자연 현상은 에너지의 [ 전환 ] 과정을 포함한다.
③ 에너지는 일과 같은 물리량으로 일과 같은 단위인 [ 줄(J) ]을 사용한다.
[2] 역학적 에너지
① [ 운동 ] 에너지와 [ 위치 ] 에너지의 합을 역학적 에너지라고 한다.
② 운동 에너지는 운동하는 물체가 갖는 에너지로 운동하는 물체가 정지할 때까지 할 수 있는 [ 일 ]의 양과 같다.
③ 운동 에너지는 물체의 [ 질량 ]과 [ 속도 ]의 제곱에 비례한다. ➡
④ 중력에 의한 [ 위치 ] 에너지는 중력이 작용하는 공간 내에서 물체의 위치에 따라 결정되는 에너지이다.
⑤ 중력에 의한 위치 에너지는 물체의 [ 질량 ]과 [ 높이 ]에 비례하여 커진다.
(중력 가속도 )
⑥ 탄성력에 의한 위치 에너지는 용수철과 같은 탄성체에 저 장된 에너지로 [ 탄성 ] 에너지라고도 한다.
⑦ [ 탄성 에너지 ]는 탄성을 가진 물체가 변형된 상태일 때 원래의 상태로 되돌아가려는 복원력에 의해 탄성체에 저 장된 에너지이다.
(k: 용수철 상수 또는 탄성 계수, x: 늘어나거나 줄어든 길이)
[3] 다양한 에너지의 종류
에너지는 역학적 에너지, 열에너지, 전기 에너지, 화학 에너지, 빛에너지 등 다양한 종류의 에너지가 존재한다.
(1) [ 열에너지 ]: 물체를 구성하는 분자들의 무질서한 운동에 의한 에너지로 온도가 높을수록 열량 즉, 열에너지의 양이 커진다.
(2) [ 전기 에너지 ]: 전기력에 의해 전하들이 갖는 위치 에너지나 도선 내에서 운동하는 전자들 의 운동 에너지 등을 뜻한다. 인간이 발전기를 돌려 이용하는 전기 에너지를 제2의 [ 불 ]이라고 부르는 것은 전기 에너지가 가장 편리하게 이용할 수 있는 형태의 에너지로 인류 문명의 발전에 큰 기여를 했기 때문이다.
(3) [ 화학 에너지 ]: 화학 결합에 의하여 물질 내에 보존되어 있는 에너지로, 다른 물질과 화학 반응을 일으킬 때 방출 또는 흡수된다.
(4) [ 화석 에너지 ]: 현재 인류가 사용하고 주 에너지원은 석유나 석탄, 천연가스 등의 화석 연료를 연소시킬 때 발생하는 열에너지이다. 화석 에너지는 화석 연료들이 갖는 화학 에너
지라고 할 수 있다.
(5) [ 빛에너지 ]: 빛은 전자기파의 일종이므로 파동 에너지라고 할 수 있다. 빛을 쪼여 물체가 뜨거워지면 열에너지로, 광합성에서와 같이 화학 반응이 일어나면 화학 에너지로 전환된다.
(6) [ 소리 에너지 ]: 음파는 매질 없이는 전파될 수 없는 파동으로 고체나 액체, 기체 등 모든 매질을 통과할 수 있다. 우리가 소리 에너지를 이용하는 흔한 예는 상대방과 대화를 나누는 것이다. 가습기, 세척기, 어군이나 해저 탐사, 잠수함 추적, 비파괴 검사 등은 직진성 과 투과력이 강한 초음파의 에너지를 이용하는 예들이다.
[4] 에너지의 전환
(1) [ 에너지의 변환 ]: 자연에서 저절로 일어나는 에너지의 전환 과정이 아니라 인간이 에너지 를 이용하는 측면에서 일으키는 에너지의 전환 과정을 뜻한다.
(2) [ 에너지의 전환 ]: 에너지는 일상생활뿐만 아니라 모든 자연 현상과 관련을 가지며, 자연에 서 일어나는 모든 변화는 에너지의 형태가 전환되는 과정으로 쉽게 이해할 수 있다.
① 광합성: 빛 에너지 → [ 화학 ] 에너지
② 호흡: 화학 에너지 → [ 열 ] 에너지
③ 수력 발전: [ 역학적 ] 에너지 → 전기 에너지
④ 화력 발전: 화학 에너지 → [ 열에너지 ] → [ 역학적 ] 에너지 → 전기 에너지
⑤ 열기관 : [ 화학 ] 에너지 → 열에너지 → 운동 에너지
[5] 에너지의 보존
① 다양한 에너지의 전환 과정에서 전환 과정의 전후에 관계되는 에너지의 총합은 언제나 일정하다.
② 에너지는 형태가 바뀌거나 한 장소에서 다른 장소로 이동할 수는 있어도 소멸되거나 새로이 생겨나지는 않는다. 이를 에너지 [ 보존 ] 법칙이라고 한다.
③ 1843년 영국의 [ 줄 ]은 다음 그림과 같은 장치를 고안하여 중력에 의해 추가 낙하하면서 열량계 속의 날개를 회전시키는 데 한 일과 그 결과로 발생한 열량을 측정하여 둘 사이에 비례 관계가 있음을 밝혔다. 즉, [ 역학적 에너지 ]가 열에너지로 전환되는 과정에서 양적인 관계를 밝혔으며, 에너지가 보존된다는 에너지 보존 개념을 확립하였다.
1 kcal = 4200 J
[6] 에너지의 이용과 절약
① 에너지의 형태는 다양한 과정을 거쳐 전환되나, [ 비가역적 ]인 경우가 대부분이다. 일례로 난방을 위해 석유를 연소시켜 열을 발생시킬 수는 있으나, 열을 다시 석유로 바꿀 수는 없다.
② 우주의 총 에너지가 일정하게 보존되지만, 에너지를 절약해야 하는 이유는 우리가 [ 쉽게 ] 사용할 수 있는 유용한 에너지가 줄어들고 있기 때문이다.
③ 에너지 문제를 해결하는 방법은 에너지 [ 절약 ]과 더불어, 기술을 발달시켜 우리가 사용할 수 있는 새로운 [ 대체 ] 에너지원을 개발하는 것이다.
④ 우리가 사용하는 가장 편리한 형태의 에너지인 전기 에너지는 생산하기 위해 많은 비용이 들며, 환경오염 문제도 발생한다. 따라서 가급적 사용 시간을 줄여야 하며, 에너지 [ 효율 ]이 높은 제품을 개발하고 이용해야 한다.
[7] 열역학 제1법칙
(1) 열역학 제1법칙은 [ 에너지 보존 법칙 ]의 또 다른 표현이다. 즉, 다양한 에너지의 전환 과정에서 전환 과정의 전후에 관계되는 에너지의 총합은 언제나 일정하다.
(2) 에너지는 [ 형태 ]가 바뀌거나 한 장소에서 다른 장소로 [ 이동 ]할 수는 있어도 [ 소멸 ]되거나 새롭게 생겨나지는 않는다.
(3) 우주의 총에너지는 복잡하고 다양한 자연 현상과는 상관없이 소멸되거나 생기지도 않는다 는 것으로, [ 에너지 보존 ]의 관점으로 보면 자연 현상을 쉽게 이해할 수 있다.
(4) 즉, 열현상(Q)과 역학적 현상(W)이 동시에 발생하더라도, 이 과정에 관련된 모든 에너지의 합은 [ 일정하게 보존 ]된다.
(5) [ 내부 에너지 ]: 분자들은 병진, 회전, 진동 운동을 하며, 어떤 물체가 가지는 모든 에너지를 합하여 내부 에너지라고 한다.
(6) [ 열 ]: 열의 본질은 입자가 아니라 분자들의 무질서한 운동 에너지의 합이다.
(7) 마찰이나 공기 저항 등에 의해 열이 발생하지 않는 경우 [ 역학적 ] 에너지 보존 법칙이 성립한다. 마찰이 작용하는 경우 역학적 에너지는 보존되지 않으나, 에너지 보존 법칙은 어떤 경우에도 항상 성립한다.
[8] 열역학 제2법칙
(1) [ 엔트로피 증가의 법칙 ]: 자연 현상은 항상 확률이 큰 쪽, 무질서도(엔트로피)가 증가하는 방향으로만 일어난다. 즉, 자연 현상의 방향성(비가역성)에 대한 설명이 열역학 제2법칙 이다.
(2) 열은 외부로부터 에너지 공급이 없는 한 항상 [ 고온 ]의 물체에서 [ 저온 ]의 물체로만 흐른다.
(3) 열을 전부 일로 바꾸는 기관 즉, 열효율이 [ 100% ]인 열기관은 만들 수 없다.
(4) 무질서도가 증가하는 대표적인 예
① 뜨거운 물과 찬 물을 섞어 미지근한 물이 된 상태에서 다시 원래의 상태로 되돌릴 수 없다.
② 공기 중으로 퍼져버린 향수 입자들을 다시 병 속으로 들어가게 할 수는 없다.
③ 화석 연료를 태울 때 발생하는 열에너지를 이용한 후 다시 회수하여 이용할 수는 없다.
[9] 열기관
(1) [ 열기관 ]: 열에너지를 역학적인 일로 바꾸는 장치로 증기기관, 디젤이나 가솔린 기관, 가스터빈, 제트 엔진 등이 있으며, 고온의 기체가 열팽창하는 것을 이용하여 외부에 일을 한다.
(2) [ 열효율 ]: 열기관이 외부로부터 흡수한 열량에 대하여 외부에 한 일의 비를 뜻하며, 가솔린 기관이 30% 정도이다.
≤
(3) [ 영구 기관 ]: 영구적으로 작동하는 열기관은 열역학 제 1, 제 2 법칙에 위배되므로 만들 수 없다.
① [ 제1종 영구 기관 ]: 외부의 에너지 공급없이 영원히 일을 할 수 있는 기관으로 열역학 제 1법칙(에너지 보존 법칙)에 위배되어 만들 수 없으며, 이를 제 1종 영구 기관이라고 한다.
② [ 제 2종 영구 기관 ]: 열역학 제2법칙에 위배되어 만들 수 없는 기관으로, 열효율이 100%인 열기관을 뜻한다.
영구기관의 꿈은 실현 가능한가?
산업혁명 이후에 석탄을 태워 발생한 열로 물을 수증기로 변환시켜 생기는 에너지를 이용하는 열기관이 많이 사용되면서 열과 일의 관계에 대한 이론이 필요하게 되어 확립된 이론이 열역학 제1법칙과 제2법칙들이다. 열역학 제1법칙은 1840년 영국의 물리학자 J. P. 줄3) (1818~1889)에 의하여 체계화되었으며 한 형태의 에너지가 다른 형태로 변환될 때 없어진 에너지양과 만들어진 에너지양은 동일하다는 법칙이다. 이 법칙은 에너지보존의 법칙이라고도 불리기도 하며 에너지는 다른 에너지로 바뀌며 무에서 새로 만들어지거나 소멸되지 않는 다고 정의된다. 예를 들면 날아가 는 테니스공이 담에 부딪히면 공이 가지고 있던 운동에너지가 소리에너지, 열에너지, 감소된 운동에너지 등으로 변환된다. 아인슈타인의 상대성 원리에 의하면 에너지는 질량으로 변환될 수 있으므로 열역학 제1법칙을 에너지-질량 보존법칙이라고 부르기도 한다.
3) 영국의 물리학자이며 전류와 열의 관계를 규명한 줄의 법칙과 W. 톰슨 (W. 켈빈 경)과 같이 연구하여 발표 한 줄-톰슨 효과 등의 업적을 남겼다.
제1법칙에 위배되는 기관이 제 1종 영구기관이다. 즉, 무에서 에너지를 만들 수 있는 기관이 제1종 영구기관이다. 상당히 많은 사람들이 만들었다고 주장했지만 실제로는 존재할 수 없는 기관이다. 18세기 초에 독일의 오르피레우스가 만든 자동바퀴가 유명한 제 1종 영구기관을 이용 한 사기사건이다.
오르피레우스의 자동바퀴
조금 경사지게 설계된 큰 톱니바퀴에 4개의 추가 달려있고 추이 낙하하는 힘으로 옆에 있는 작은 톱니바퀴가 계속 돌아간다는 것인데 마찰과 공기 저항 등으로 불가능이다. 사실 마루 밑에 사람이 숨어 움직이게 한 것이었다. 이런 사기가 아직도 남아있는 이유는 일반인들은 전문지식을 잘 모르고 있다는 점과 우리 인간이 근본적으로 논리적이지 못하다는 점 등일 것 이다.그 외에도 여러 영구기관이 선을 보였는데 예를 들면 다음과 같다.
(1) 경사가 다른 삼각형에 걸린 구슬
기전기의 원판
크랭크
용수철 철판
전자석
오른쪽 사면과 왼쪽 사면의 경사 각도를 다르게 한 삼각형에 구슬을 넣어 사슬로 만들면 왼쪽에 있는 구슬의 수가 오른쪽보다 더 크므로 왼쪽으로 끄는 힘이 더 클 것이다. 즉 A>B가 되므로 구슬들이 왼쪽으로 이동하게 되므로 결국 사슬이 시계 반대방향으로 회전한다. 그럴싸하 게 보이지만 왼쪽 사슬이 더 긴 것은 확실하지만 사슬에 작용하는 중력을 고려하면 사슬방향의 성분은 왼쪽이 작으므로 a>b 의 이점이 사라진다.
(2) 윌킨스의 자석을 이용한 영구기관
이 장치에서 사면 꼭대기에 있는 강력한 자석 에 의하여 아래에 있는 쇠공이 끌려 올라간다.
올라간 쇠공이 꼭대기 근처에 있는 구멍으로 빠 져 아래로 떨어지면서 바퀴를 돌린다는 원리이 다. 그러나 자석에 의하여 올라간 쇠공은 구멍이 있어도 아래로 떨어지지 않고 자석에 붙게 된다.
(3) 전기장치로 된 영구기관
마찰전기에 의하여 생긴 전자석을 이용한 영구기관이다. 손으로 왼쪽 원판을 회전시키면 마찰 전기에 의해 원판이 전기를 가지게 되고 전기에 의해 만들어진 전자석이 왼쪽에 있는 철판을 끌어당긴다. 그러면 철편에 연결되어 있는 크랭크가 왼편으로 회전하고 원판이 반만큼 돌게 된다.
물이 올라오는 가는 유리관
수차
물
이 과정에서 늘어난 용수철이 원래의 길이로 복귀하면서 철편이 전자석에서 떨어지게 하고 이 힘에 의하여 원판이 다시 회전하게 되고 마찰전기가 일어나 전 과정이 영원히 반복된다. 역시 있을 수 있는 일 같지만 전기저항과 마찰 등을 고려하지 않았다. 이것들을 고려하면 이 기계는 얼마 안 되어 정지하게 된다.
(4) 모세관현상을 이용한 영구기관
수건을 물에 넣으면 모세관 현상에 의 하여 물이 수건으로 올라가지만 올라간 물이 수건의 끝에서 저절로 아래로 떨어 지지 않는다. 올라간 물은 섬유에 달라붙 어 있다.
(5) 좌우 힘의 불균형을 이용하여 돌리는 바퀴
이 장치 역시 작동되지 않는다. 좌우의 길이가 다르므 로 계속하여 회전할 것으로 예상했는데 실제로는 시계방 향의 힘과 역방향의 힘이 같으므로 상쇄되어 일어나지 않는다.
열역학 제2법칙은 에너지의 전환방향을 정의하는 법 칙이며 카르노의 연구에 기반을 두고 있다. 열에너지는 언제나 고온의 열기관에서 저온의 열기관으로 전달되며 저온의 열기관에서 고온의 열기관으로 전달하려면 에너 지가 필요하다는 법칙이다. 제2법칙의 다른 정의에 의하 면 자발적인 반응에서는 엔트로피가 증가한다. 한 예를 들면 높은 위치에 있는 공은 땅으로 떨어지지만 땅에 있
는 공이 주위에서 에너지를 흡수하여 저절로 튀어 오르는 현상은 일어나지 않는다. 제2법칙에 위배되는 기관이 제2종 영구기관이다. 제 2종 영구기관이 존재한다면 바다에서 배가 주위의 찬 바닷물에서 에너지를 얻어 움직일 수 있지만 역시 제2종 영구기관도 만들 수 없다.
양손을 문지르면 따뜻해지는 것을 경험해 보았을 것이다. 마찰하면 열이 발생하는 것으로 이해할 수 있다. 물을 끓이면 물의 온도가 올라가면서 수증기가 발생하다가 100℃가 되면 온도는 더 이상 오르지 않고 물이 전부 수증기로 변하는 것도 경험상 알고 있다. 다르게 표현하면 물을 이루고 있는 분자의 운동과 열은 관계가 있다. 열은 분자의 운동에너지 합이라고 정의될 수 있으며 온도는 열의 척도 즉 분자운동이 활발한 정도이다. 물론 어느 온도에서 개개의 분자가 가지는 운동에너지는 확률분포에 따르지만 총에너지는 열에너지가 커지면 즉, 온도가 올라가면 증가해야 한다. 또한 온도가 증가하면 개개 분자가 가질 수 있는 에너지의 상태도 커진다. 다시 말하면 온도가 올라가면 무질서도가 증가한다는 이야기이다. 만약 온도가 내려가면 어떻게 될까? 무질서 도가 점점 감소하여 어느 온도에서는 최저값인 0이 될 것이다. 이온도에서는 모든 분자의 운동에 너지가 0인 상태에 도달한다. 이때의 분포는 하나인 완전질서상태이다. 수학적으로 표시하면 열역 학적 분포수 W는 1이 된다 (W= 1). 이온도가 절대영도이다.
절대온도는 1848년에 영국의 물리학자 W. 톰슨 (W. 캘빈 경4), 1824～1907)에 의해 도입되었으 며 그는 이상기체의 열역학적 고찰에서 이 온도척도를 생각하였다. 이상기체는 기체분자의 자체 부피는 0이고 상호작용이 없는 기체로 정의된다. 보일의 법칙에 의하면 일정한 온도에서 기체의 부피는 압력에 반비례한다 (PV = 일정, P:pressure, 압력; V:volume, 부피). 샤를에 의해 보완된 보일-샤를의 법칙을 섭씨온도5), t℃로 나타내면 PV = nR(t + 273)이 된다. 여기에서 n은 기체의 몰수이고 R은 기체상수이다.
W. 켈빈 경은 t +273 = T로 표시하고 T를 절대온도라고 하였다. 그러면 보일-샤를의 법칙은 PV = nRT가 된다. 따라서 T = 0인 온도 즉, 절대영도에서는 기체의 부피가 0이 된다. 보다 정확한 실험결과에서 현재 1기압일 때 물이 어는점은 섭씨온도로는 0℃, 절대온도로는 273.15K가 얻어졌으므로 절대온도와 섭씨온도의 관계는 다음 식으로 주어진다.
T = t + 273.15
4) 영국의 물리학자로 열역학에 공헌을 하였음. 줄-톰슨 효과와 절대온도가 유명함.
5) 물의 어는 온도는 0도, 끓는 온도를 100도로 하고 그 사이를 백 등분하여 나타낸 온도척도임.
실제로 온도를 하강시키면 절대0도에 도달하기 전에 기체가 액체 또는 고체로 변하므로 절대 영도는 이론상으로만 가능한 도달할 수 없는 온도이다. 열기관은 온도 차이를 이용하여 에너지를 얻는 장치이므로 저온 열원의 온도를 절대영도로 유지할 수 있다면 효율이 100%가 된다. 그러나 실제로는 절대영도에 도달할 수 없고 절대영도에 가까운 온도에서는 열기관이 작동하지 못할 가능성이 높으므로 제 3종 영구기관 또한 가능하지 않다.
J. C. 맥스웰6) (1831~1879)이 생각해낸 가상적인 맥스웰의 도깨비는 엔트로피가 감소하는 방향으로 반응이 일어나게 할 수 있다. 맥스웰의 도깨비는 물과 술의 혼합물에서 알코올 분자만을 모아서 질 좋은 술을 만들 수도 있고 자동차 배기가스에서 유해성분만을 제거할 수도 있다.
100℃의 물 10L과 0℃의 물 10L을 혼합하면 50℃의 물 20L이 생긴다. 그러나 50℃의 물 20L는 100℃의 물 10L과 0℃의 물 10L로 저절로 분리되지 않으며 에너지를 가해야만 분리할 수 있다. 물에 파란 잉크를 한 방울 떨어뜨리면 점차 퍼져 전체가 연한 파란색이 되지만 반대 현상 즉 연한 파란 잉크 물에서 잉크 한 방울이 자발적으로 생성되지는 않는다. 이 과정에는 에너지 변화가 없다고 생각해도 무방하므로 다음과 같이 결론지을 수 있겠다. 분리되어 있는 상태보다 혼합되어 있는 상태가 일어날 확률이 훨씬 크다.
거리의 쇼윈도에 가끔 진열되어 있는 평화새 일명 물먹는 새의 비밀은 무엇일까? 태엽이나 전기장치 없이 머리 쪽에 있는 컵의 물을 마신 후 머리를 들고 일어섰다가 다시 수그리는 동작이 되풀이 되니 제 2종 영구기관이 아닌가 하는 의문이 생길 수도 있겠다. 원리는 다음과 같다.
6) 영국의 물리학자로 전자기학에서의 장의 개념을 집대성하였으며 또한 기체분자이론에도 공헌하였다. 유명한 맥스웰의 도깨비를 만들어 내기도 하였다.
펠트
물
①
물이 증발한다.
일어 선다.
냉각된다.
머리를 흔들면서 수그린다 지럼
에테르는 액화
②
③
물먹는 새의 원리
물먹는 새는 유리로 만들며 안의 공기를 제거하고 끓는점이 낮아 휘발성이 강한 에테르를 넣고 밀봉한다. 머리는 펠트라는 물을 잘 흡수하는 헝겊으로 싸고 눈과 부리를 그린다. 처음에 부리를 수그리게 하여 컵 물에 넣어 적시면 머리에 있던 에테르가 몸통으로 흘러 나가므로 머리가 가벼워져 일어선다. 일어선 새의 머리의 펠트에 있던 물이 증발되어 에테르에서 증발열을 뺏는다.
머리에 있는 에테르 증기는 냉각되어 액화되므로 증기압이 감소하여 몸통의 증기압보다 작아진다. 따라서 몸통의 에테르가 머리로 그리고 부리로 들어가 무거워지니 다시 수그러지고 물을 마신다. 태양에너지에 의하여 물이 증발하므로 물먹는 새의 운동은 계속된다.
열역학 제 3법칙에 의하면 완전고체의 엔트로피는 절대영도에서 영이다. 이 법칙에 따르면 절대영도에 도달할 수 없다. 이 법칙에 위배되는 기관이 제 3종 영구기관이다. 저온을 만드는 방법에는 여러 가지가 있다. 소금과 얼음을 혼합하면 마이너스 21℃까지 내릴 수 있고 드라이아이 스유기용매 슬러리를 사용하면 마이너스 110℃까지 내릴 수 있다. 절대1도 (1K)까지는 줄톰슨 효과를 이용하여 온도를 내릴 수 있다. 줄-톰슨효과 (Joule-Thomson effect)는 J. P. 줄과 W. 톰슨 (W. 캘빈 경)이 1854년 실험을 통하여 발견한 것으로 압축한 기체를 단열된 상태에서 넓은 공간으 로 보내면 온도가 내려가는 현상이다. 150기압 정도로 압축한 공기를 단열된 용기에서 팽창시키면 액화공기가 만들어지며 이때의 온도는 80K 정도이다. 액화공기 속에 수소기체로 채워진 용기를 넣고 줄-톰슨 효과를 이용하여 액화수소를 만들고 (온도: 약 20K). 액화수소를 사용하여 액체헬륨 을 만들 수 있다 (온도: 4.2K). 절대영도에 가까운 온도를 얻기 위해서는 단열자기소자법을 사용한 다. 1926년경 P. J. W. 디바이 (1884~1966)와 W .F. 지오크 (1895~1982)가 고안한 방법이며 1K 이하의 극저온을 만들 수 있다. 낮은 온도에서 상자성체에 강한 외부자기장을 가하면 입자들이 외부 자기장에 평행한 방향으로 배열된다. 이 때 단열된 상태에서 외부자기장을 제거하면 배열이 무질서해지면서 온도가 내려가게 된다. 배열이 무질서해지는 데 필요한 에너지를 잃기 때문에 온도가 내려가며 이 방법을 여러 번 반복하면 원하는 극저온을 얻을 수 있다.
생각다지기
영구기관의 제작 가능성 발표 계획 세우기 -
1. 발표는 지금까지 여러분이 연구하거나 학습한 내용을 여러분의 관객이 되는 사람들에게 발표하는 기회가 되어야 합니다. 여러분이 산출물을 발표할 때 고려해야 할 중요한 요소는 무엇이라고 생각합니까?
- 관객의 특성을 고려하였는가?
- 다양한 매체를 활용하였는가?
- 적절한 목소리인가?
- 내용이 간결하고 잘 정리되었는가?
- 발표형태가 독특한가?
- 자신의 흥미와 재능을 고려하였는가?
2. 여러분이 본 주제와 관련하여 학습하거나 연구한 자료의 목록을 작성하여 봅시다.
자료번호 생산날짜 자료주제(제목) 자료형태 자료 내용
3. 여러분이 발표할 형식에 대해 다음과 같은 점을 고려하여 선택하여 봅시다.
3-1 자신이 즐겨하는 형식
<보기>
- 활동자료 : 광고방송, 춤, 토의, 설명, 인터뷰, 역할극, 인형극, 게임
- 기술자료 : PPT, OHP, 실물화상기, 에니메이션, 컴퓨터, 슬라이드, 프로젝션, 사진, 녹음테이프, 비디오 - 시각자료 : 게시판, 사진, 그래프, 지도, 모빌, 차트, 그림, 모형
- 문서자료 : 보고서, 포트폴리오, 관찰기록장, 수집자료, 복사물, 탐구일지, 참고서적
3-2 관객의 흥미도 고려
3-3 다른 사람과의 차별화 - 자신만의 독특한 아이디어
4. 발표 과정상 예상되는 문제점은 무엇입니까?
5. 발표 설계하기
※ 지금까지 계획된 내용을 바탕으로 여러분이 발표할 형식과 순서를 다음 표에 설계하여 봅시다. 마치 지금 발표하는 것과 같이 매우 상세하게 기록하는 것이 중요합니다.
발표 제목
발표내용 및 순서 묘사하기
내가 필요로 하는 자료
* 활동자료 : * 기술자료 : * 시청각자료 : * 문서자료 :
생각되돌아보기
특허청 보도자료
□ 역사상 최초의 ‘영구기관’의 설계자로 알려진 아르키메데스 이후 수많은 연구와 실험에도 불구하고 영구기관은 개발되지 못하였다.
□ ‘연속적인 운전에 의하여 에너지를 창출하는 기계장치 또는 열을 모두 남김없이 일로 변환 하는 기계장치’로 정의되는 영구기관(무한동력장치)은 만들어질 수 없는 말 그대로의 ‘꿈의 장치’에 불과하다는 것이 과학적으로 증명되었으나 아직도 많은 사람들이 이 꿈에서 벗어 나지 못하고 있다.
□ 평생 아무것도 먹지 않고 매일 마라톤을 할 수 있는 사람은 존재할 수 없듯이 외부에서 지속적으로 공급되는 에너지 없이 스스로 에너지를 창출하여 작동하는 영구기관도 존재할 수 없다.
□ 영구기관은 특허법상 등록대상이 아닌 “산업상 이용할 수 없는 발명”, “완성될 수 없는 발명 즉, 실시불가능한 발명”임에도 불구하고 출원은 지속적으로 증가하고 있는 추세이다.
□ 영구기관과 관련하여 ‘98년부터 ’03년 6월까지 최근 5년여간 총 464건이 출원되었으며, 연도별로는 ‘98년 45건, ’99년 42건, ‘00년 79건, ’01년 96건, ‘02년 110건’이 출원되었으며,
‘03년 상반기에만도 ’92건이 출원되어 출원건수의 증가세가 지속될 것으로 예상되고 있다.
영구기관의 대표적 예
□ 회전기를 이용하는 영구기관(H02K 53/00)
◦ 모터를 구동하는 에너지를 주입한 후 모터출력을 발전기에 연결하여 전기를 생산하고 일부 전기를 축전지에 저장하거나 외부에 출력하고, 동시에 나머지 전기로 모터를 구동하 는 에너지로 투입하여 다시 발전기가 발전하는 장치.
- 발전기와 모터 사이의 에너지 전달수단으로 자기력을 이용하는 등의 응용이 있으나 근본적으로 위의 장치와 동일합니다.
- 마찰 등에 의해 모터와 발전기간 에너지의 이동 시 에너지 손실이 발생하므로 투입된 에너지를 100% 출력하는 것이 불가능하므로 지속적인 에너지 공급이 없으면 결국 정지 하게 됩니다.
- 외부에 일을 해주고도 계속 작동하려면 에너지가 내부에서 생성되어야 하므로 열역학 제1법칙 즉, 에너지 보존법칙을 위배하는 제1종 영구기관입니다.
□ 전자기적, 정전기적 수단을 이용하는 영구기관(H02N 11/00)
◦ “변압기의 1차측 코일보다 더 많은 권수와 더 굵은 직경의 코일을 2차측에 감아서 변압기의 1차측 코일에 충전된 콘덴서, 혹은 전자회로에 의해 적은 양의 전기 에너지를 인가하면, 2차측 코일에는 인가된 전기 에너지보다 더 많은 양의 전기에너지가 발생되므로, 이 에너지 를 이용하여 1차측의 축전기나 콘덴서에 다시 충전시켜 활용하고 남은 에너지는 출력으로 이용하는 전기 에너지 생산원”(한국특허공개 특1987-9522)
- 변압기의 1차측 코일보다 더 많은 권수와 더 굵은 직경의 코일을 감은 경우 1차측 코일보다 더 높은 전압이 2차측 코일에 유기되나 2차측 코일에 흐르는 전류는 1차측에 흐르는 전류보다 적은 것으로, 1차측에 투입된 전력을 , 1차측 전압과 전류를 각각
이라 하고, 2차측에서 생성된 전력을 , 전압과 전류를 각각 라 하면, 손실이 전혀 없는 이상적인 경우에, × × 의 관계가 성립하며 1차측에 공급 되는 에너지보다 더 많은 에너지를 생성하는 2차측을 가지는 변압기는 존재하지 않을 뿐만 아니라, 변압기 내부에 각종 손실이 발생하므로 2차측에서 생성되는 에너지는 1차측에 공급되는 에너지보다 적으며 × × 의 관계가 성립됩니다. - 위에서 제시한 변압기는 외부에서 에너지를 공급하지 않고도 외부에 일을 해주므로
열역학 제1법칙 즉, 에너지 보존법칙을 위배하는 제1종 영구기관입니다.
□ 유체의 중량, 부력을 이용하는 영구기관(F03B 17/04)
◦ 여러 개의 속이 빈깡통을 체인 모양으로 연결하여 고정 도르래에 감아 아래 부분을 물 속에 잠기게 하며, 물 속에 잠긴 통의 부력에 의해 도르래가 돌아가고 그로 인해 물 밖으로 나와 있는 통이 물 속으로 들어가게 되어 영구운동을 한다고 주장하는 장치.
- 물 속에 있는 통이 받는 부력은 물 밖에 있는 통을 물 속으로 밀어 넣는 데 소요되므로 작동할 수 없으며, 외부에 일을 해주면서도 따로 에너지를 공급받지 않는 제1종 영구기 관에 해당됩니다.
□ 중력, 관성력, 탄성력을 이용하는 영구기관(F03G 7/00, 7/10)
◦ “진자운동력을 이용하여 전기동력을 발전할 수 있도록 이루어진 진자 운동을 이용한 발생장치로, 지구중력과 단진자 운동력을 에너지원으로 이용”하는 장치(한국특허공개 특1997-11386)
- 마찰 등의 손실이 없는 경우 진자가 영원히 운동한다는 것에 착안한 장치이나, 마찰 등의 손실이 없다고 하더라도 영구운동은 가능하나, 영구기관은 외부에 일을 해주어야 하므로 발전기를 돌리는 데 에너지를 소모하게 되므로 진자의 에너지가 감소하게 되어 결국 정지하게 됩니다.
- 영구운동과 영구기관을 오인한 것으로, 영구운동의 대표적인 경우로 마찰이 전혀 없는 면에서 운동중인 물체는 영원히 운동하는 것이 가능하나, 영구기관은 외부에 일을 하는 것이 필수적으로 수반하여야 하므로, 위의 영구 운동을 가정할 때, 영구운동을 하는 물체가 외부에 일을 하면 물체가 가지고 있는 운동에너지가 일로 변하게 되고 결국에는 운동에너지가 다 소모되어 정지하게 되며 외부에서 에너지 공급이 없이는 외부에 일을 지속적으로 할 수 없으며, 만일 그렇다고 하면 이는 에너지를 스스로 창출하는 장치로 열역학 제1법칙 즉, 에너지 보존법칙을 위배하는 제1종 영구기관에 해당됩니다.
프롤로그 1
김학생의 하루
아직은 어두운 아침 6시, 스마트 폰 알람이 방안에 쩌렁쩌렁 울리지만 김학생은 침대에서 일어날 줄 모릅니다. 이런 오늘도 또 지각인가요? 하지만 역시 똑똑한 스마트 폰이 10분후에 또 알람을 울려주는군요! 역시 똑똑이 폰은 현대인의 필수품인 듯 합니다. 김학생은 잠을 떨쳐내며 샤워를 재빨리 마치고 EBS라디오를 들으면서 학교에 갈 준비를 합니다.
어느새 시간은 통학 버스 시간을 알리고... 오늘도 김학생은 우샤인 볼트처럼 전력질주로 정류장에 간신히 도착하네요. 통학버스를 타고 학교에 도착하자 마자 형광등을 켜고 스마트폰으로 공부 계획을 확인합니다. 오늘도 11시까지 야간자율 학습을 생각하는순 간 험난한 하루를 예상합니다. 수업과 자기주도적 학습에 정신없는 하루를 보낸 김학생은 집으로 돌아와 삶의 활력소 드라마를 시청한 후 내일을 기약하며 다시 잠자리에 듭니다.
김학생의 하루 잘 보셨나요? 김학생의 하루는 사실 우리들의 일상은 크게 다르지 않을 것 같습니다.
아침에 일어나서 학교를 등하교하고 친구 만나고... 그런데 눈에 보이지는 않지만 보통의 일상 을 가능케 해주는 중요한 것이 하나 있습니다. 바로 "전기 에너지" 입니다. 일상에서 쓰는 컴퓨터, TV, 스마트폰, 조명 등... 심지어 샤워를 위한 수도까지..우리의 일상 속에서 전기로 움직이지 않는 것이 거의 없습니다. 현대인들은 전기 에너지에 의존하여 살아가고 있습니다. 전기 에너지의 중요성은 굳이 2012. 9.15 정전 사태 때를 예를 들지 않아도 스마트 폰의 배터리가 방전 되면 느끼는 불편함만으로도 알 수 있습니다.
이처럼 우리 생활과 땔래야 땔 수 없는 전기 에너지는 다양한 방법으로 생산이 됩니다. 대표적 인 예로 화석연료를 이용한 화력 발전, 댐을 이용한 수력 발전 그리고 핵분열을 이용한 원자력 발전이 있습니다.
그러나 2011.3.11 후쿠시마 원전 사태로 인해 원자력 발전의 안정성에 대한 의문이 제기되었고 일본, 유럽 등의 각국에서는 원자력 발전소 건설 계획을 백지화 하거나 보류하기로 하거나기존의 원자력 발전소를 점진적으로 줄여나가겠다고 선언하고 있습니다. 또한 기후변화의 문제로 인해 저탄소 녹색 에너지 사용이 요구 되고 있습니다. 도쿄의정서에서는 온실가스 배출감축을 위한 국가전략 수립, 시행의무를 부여하였습니다. 현재 선진국부터 탄소 배출권제가 시행되고 있고 우리나라도 곧 의무 시행국이 될 것이라고 예상하고 있습니다.
이러한 상황에서 신재생 에너지는 화력발전과 다르게 친환경 에너지, 무한한 원료를 이용하여 지속가능한 발전을 가능케 하고 원자력발전과 다르게 안전한 에너지로써 각광을 받고 있습니다.
신재생에너지의 종류는 태양광, 풍력, 바이오매스, 지열, 수력, 조력 등 다양합니다만, 그 중
태양 전지는 가장 성장이 기대되는 에너지 중 하나 입니다. 태양 전지가 이렇게 주목받는 이유는 여러 가지가 있습니다.
태양전지는 발전 원가가 하락하는 유일한 전력원입니다. 또한 발전소를 건설하게 되면 유지보 수 비용 이외의 비용이 들지 않습니다. 무한한 자원인 태양광을 이용하여 전력을 생산하기 때문이 죠. 그리고 원자력 에너지와 다르게 안전한 에너지이고, 친환경 에너지 입니다.
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광합성이 전기에너지를 만들어낸다?
자원의 고갈과 새로운 대체에너지 개발이 이슈인 현재까지도, 우리는 화석연료를 중심적으로 사용하고 있다. 하지만 화석연료는 각종 환경오염을 초래하고, 지구온난화를 가속화시키는 등 그 문제점이 끊임없이 제기되어 왔다. 이러한 추세 때문에, 태양전지에 대한 관심이 더욱 많아졌 다. 환경오염도 없을 뿐더러 오랫동안 사용할 수 있고, 원자력과 같은 다른 발전 방법보다 위험성 도 낮은 태양전지는 최근 5년간 적게는 30% 이상 그리고 많게는 50% 이상 매년 꾸준히 생산량이 증가해왔다. 그리고 2009년에 이르러서는 전 세계 태양전지 생산량이 10기가와트(GW)를 넘어섰 다고 한다.
태양전지 소재 측면에서 보면 현재 실리콘 중심에서 다양한 소재로 이동하고 있다. 실리콘의 뒤를 이을 제2세대 태양전지에 속하는 '염료감응형 태양전지(DSSC)'는 CIGS(구리·인듐·갈륨·셀 레늄 박막 태양전지) 다음으로 유망한 태양전지 기술이다. DSSC는 나노크기의 색상을 가지는 염료를 이용하는 기술이기 때문에 투명하게도 만들 수 있고 여러 가지 색상 연출이 가능해, 광발전 이라는 고유의 기능 외에도 예술품과 같이 보기에도 좋은 일석이조의 태양전지 기술이다. 현재까 지의 기술개발 결과로 얻은 염료감응 태양전지의 효율은 약 11%이다. 아직 실리콘 태양전지에 비해 절반 수준이지만, 기존의 실리콘으로 만들어진 태양전지보다 1/5 ~ 1/3 정도의 제조 비용으 로 만들 수 있기 때문에 충분히 연구할 가치가 있는 분야이다. 염료에 따라 달라질 DSSC의 효율을 더욱 높여 사용할 수 있는 방법을 찾아보자.
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학습문제
[1] 지구의 에너지원
(1) 지구의 에너지원으로 가장 큰 에너지원은 [ 태양 에너지 ]이며, 지구 내부 에너지, 조력 에너지 등이 있다.
(2) [ 지구 내부 에너지 ]: 지구 내부에는 마그마를 만들거나 맨틀의 대류를 일으키는 지열을 방출하는 열원이 존재한다. 지열 에너지의 근원은 지각과 맨틀에 포함된 우라늄과 같은 방사성 원소들이 붕괴하면서 방출하는 열이다.
(3) [ 조력 에너지 ]: 조수간만의 차이(밀물과 썰물의 차이)는 태양보다는 주로 달의 인력의 해 발생한다. 우리는 조수간만의 차이에 의해 발생하는 물의 흐름을 이용하여 에너지를 얻을 수 있으며, 이를 조력 에너지라고 한다. 조력 발전(潮力發電, tidal power generation)은 조수간만의 수위차로부터 [ 위치 에너지 ]를 운동 에너지로 바꾸어 전기 에너지로 변환하는 발전 방식이다.
[2] 태양 에너지
(1) [ 태양 에너지(solar energy) ]: 태양 표면으로부터 방출되는 복사 에너지이다. 태양 표면에서 전자기파 형태로 방출되는 에너지이다.
(2) [ 전자기파의 속도 ]: 진공에서 가장 빠르게 전파되며, 진공에서의 속도 × 로 매질 없이도 전파되는 파동이다.
(3) 인간을 포함한 생명체들이 태양의 복사 에너지를 어떻게 이용하는 가에 따라 [ 태양열 ]에너지와 [ 태양광 ] 에너지로 나눌 수 있다.
① [ 태양열 에너지 ]: 태양에서 복사된 전자기파의 에너지가 물체에 흡수되면 물체의 온도가 높아진다.
② [ 태양광 에너지 ]: 우리가 눈을 통해 세상을 볼 수 있는 것은 태양열이 아니라 태양광 때문이다. 즉, 밤보다 낮에 활동하기 쉬운 것은 태양광 에너지를 이용하기 쉽기 때문이고, 겨울에 양지바른 곳에서 햇볕을 쬐는 것은 태양열 에너지를 이용하는 것이라고 할 수 있다.
③ [ 광합성 ]: 녹색 식물은 빛에너지를 이용하여 대기 중의 이산화탄소와 물을 유기물로 합성하는 광합성을 한다. 그 외의 생물은 이 유기물을 섭취하여 생활에 필요한 에너지를 얻는다. 그러므로 지구 상의 모든 생물은 직접 또는 간접적으로 태양 에너지를 이용하여 생활하고 있다.
④ [ 화석 연료 ]: 석유나 석탄, 천연가스 등의 화석 연료는 땅속에 묻힌 고생물의 유해가 오랜 세월에 걸쳐 변환된 것이므로 태양 에너지를 이용한 광합성과 관련이 있다.
염료감응형 태양전지(Dye-sensitized solar cell; DSSC, 染料感應太陽電池)
DSSC란 Dye-sensitized solar cell이란 말의 줄임으로 염료감응형 태양전지를 의미한다. DSSC 는 식물이 광합성을 할 때 엽록체의 단백질이 가진 염료에서 태양 에너지를 흡수하여 화학적 에너지를 생산해내는 것처럼 이와 비슷한 원리로 태양광 흡수용 고분자(염료분자)가 태양 에너지 를 흡수하여 전기에너지를 생산하는 것이다. 이로 인해 DSSC는 일반 태양전지와는 다른 구조를 가지게 된다.
▶ 작동원리
DSSC는 염료, 전자이동층(반도체입자), 투명전극, 전해질로 구성되어있는데 염료에서 빛을 받고, 전자가 나오면 전자는 반도체 입자로 들어가 투명전극을 지난다. 투명전극을 지난 전자는 반대편 백금막으로 가게 되고 전해질은 도착한 전자를 받아 염료로 보낸다. 이러한 과정을 반복하 여 전기가 흐르게 된다.
▶ DSSC의 장점
기존의 태양전지는 검은색에 가까운 어두운 색이었지만, DSSC의 경우 사람눈에 보이는 다양 한 색상과 무늬를 태양전지에 적용하여 디자인으로써의 장점을 지니고 있다. 또한 햇빛이 약한 흐린 날에도 효율적으로 이용할 수 있으며 기존의 태양전지보다 제조단가를 3분의 1에서 5분의 1수준으로 낮출 수 있다.
염료감응형 태양전지의 제작 방법
가. 준비물
① 상대전극 유리판-연필로 탄소막을 형성하거나, 촛불로 그을음막을 형성한 전도성 유리판
② 에탄올 - 염료를 세척할 때 사용
③ 염료 - 인공광합성 작용을 위한 태양빛 흡수체로서 지지체인 TiO2 코팅전극의 침지를 위한 매개체
④ TiO2 코팅전극 유리판 – 염료의 흡착을 위한 나노크기의 지지체를 바른 전도성 유리판
⑤ 바인더 클립 – 상대전극 유리판과 TiO2 코팅전극 유리판을 고정하는 역할
⑥ 악어클립, 족집게 – 발생된 전기의 확인을 위해 태양전지와 회로시험기를 연결하는 역할
나. 만드는 과정
1) 전도성 유리를 준비한다.
태양 전지는 태양에너지를 이용하여 전기에너지를 얻는 장치이므로 태양에너지가 투과되어야 한다. 따라서 투명한 전도성 유리를 준비한다.
< 전도성 유리 >
전도성 유리는 FTO와 ITO 두 종류가 있다. 두 면 중 한 면만 전류가 통하므로 멀티미터(회로시험기)를 이용하여 전류가 흐르는 면을 찾아서 네임펜 등으로 표시를 하여 사용하도록 한다. 멀티미터를 저항으로 놓고 멀티미터의 두 극을 대었을 때 수치가 나타나야 전류가 흐르는 면이다. 현재 실험용으로 주로 사용하는 전도성 유리의 저항은 8 ~ 13Ω 정도다. 주로 사용할 전도성 유리는 FTO이며, 사용할 때 업체에서 절단해 달라고 하여 사용하면 된다. 태양 전지는 면적이 넓어야 효율이 좋으나 FTO의 가격이 비싸므로 1인치 × 1인치정도의 크기로 연습을 하도록 한다. 전도성 유리를 실험실에서 제작할 수도 있다. 까다롭지만 참고해본다면 유리를 450 ~ 500℃로 가열한 상태에서 Sn용액을 스프레이로 뿌려주 면 된다. Sn용액은 다음과 같이 제작한다.
Sn용액 만들기: SnCl4․5H2O 25g을 메탄올 6ml에 녹이고 용액을 50℃로 만든 후 Sb2O3 용액 (Sb2O3 1g을 HCl과 메탄올 3ml에 녹인 용액) 2ml를 가한다.
2) 3면을 테이프로 가드한다.
테이프를 이용하여 테이프의 두께로 TiO2의 두께를 조절한다. 테이프를 두겹을 붙이면 더 두꺼워진다. 요즘 은 스프린프린팅 기법을 많이 사용하여 시판되는 실험 키트들은 TiO2 mortar를 스프린 프린팅 기법으로 붙인 상태의 전도성 유리로 구성되어 있는 경우가 많다.
3) TiO2 mortar를 만든다.
씨그마 알드리치나 알파이져 등에서 시약으로 판매되는 TiO2 nanoparticle을 구입한다.
매우 묽은 아세트산 용액과 Triton-X용액을 몇 방울 섞어서 TiO2 mortar를 만든다. 막자사발에 용액들을 넣어서 만든 TiO2 mortar의 경우 용매가 증발하면서 여러 기판을 만들기가 어려워진다. 미리 초음파세척기 에 넣어서 장시간 놓아두면 TiO2 mortar가 쉽게 만들어지고 사용후에 뚜껑을 닫아놓으면 오래 사용이 가능하다.
4) 가드된 전도성 유리위에 3)을 얇게 바른다.
5) 핫플레이트 위나 알코올램프에서 가열하고, 천천히 식힌다.
(높은 온도로 가열할 수 있다면 높은 온도로 오븐에서 굽습니다. 450~500℃가 좋다.) 유기용매가 휘발되면 서 하얀색 TiO2 mortar가 갈색이나 검은색 계열로 바뀌었다가 돌아온다.
6) 5)를 기다리면서 반대 전극으로 쓸 전도성 유리를 탄소 코팅한다.
7) 염료를 준비한다.
염료 감응 태양전지용 판매 염료는 염료 감응 태양 전지 자체가 광합성을 모티브로 한 것이므로, 광합성을 하는 식물을 이용하면 된다. 안토시아닌 색소를 추출하면 되는데, 메탄올이나 에탄올 수용액을 이용하여 추출하여 사용한다.
8) 식힌 5)번 전국의 하얀색 TiO2 위에 염료를 떨어뜨리거나 높은 온도로 장시간 가열한 경우 염료에 담가서 몇시간 또는 하루 정도 두면 TiO2 다공성 구조 안으로 염료가 잘 스며든다.
9) 전해질을 두 방울 정도 떨어뜨리는데, 염료 감응 태양전지용 전해질을 사용하거나 KI + I2 전해질을 직접 준비한다.
10) 준비된 두 전도성 유리를 겹치고 태양전지 셀을 완성한다.
생각다지기
학생활동지
염료감응형 태양전지
( )학교 ( )학년 ( )반 이름: ( )
우리 모둠에서 만든 염료감응형 태양전지의 특징에 대해 설명해 봅시다.
▣ 염료감응형 태양전지의 전압을 측정해 보자.
▶ 전압 측정결과
염료
광원의 종류 태양광측정시 투과면에 따라
태양 형광등 TiO2 전극 탄소상대전극
적색양배추 블루베리 포도과피 비트 토마토 시금치
▶ 측정결과분석
▶ 건물과 함께 어울리는 디자인의 염료감응형 태양전지를 그려보자!
▶ 수업 후 느낀 점을 아래에 적어보자!
생각되돌아보기
▶ 태양전지의 특징
장 점 단 점
에너지원이 청정·무제한 / 지속가능성 필요한 장소에서 필요량 발전가능 작동시 화석연료 불필요
유지보수가 용이, 무인화 가능 긴 수명(20년 이상)
가변성, 융통성 /지역부하 대응성
초기투자비와 발전단가 높음 전력생산량이 지역별 일사량에 의존 에너지밀도가 낮아 큰 설치면적 필요 설치장소가 한정적, 시스템 비용이 고가 직류생산으로 교류변환 손실발생 의도적 파괴에 쉽게 노출
▶ 태양전지의 기본단위
한 장의 솔라셀 출력 : 약 0.5 V, 3 A -> 1.5 W (모듈 : 셀 32 - 36매로 구성)
▶ 태양광발전 시스템 구성도
은평구, 새는 전기 잡는 '에너지 클리닉'
가정 방문 사용실태 진단 후 7일 이내 처방책 발송
[시민일보] 서울 은평구(구청장 김우영)가 가정에서 불필요하게 낭비되고 있는 에너지 사용실태를 점검해 맞춤형 에너지 진단 및 처방책을 제시해준다.
구는 '에너지클리닉 서비스'에 참여할 가정을 모집하고 있다고 20일 밝혔다.
‘에너지클리닉 서비스’는 사전에 기후변화대응, 에너지 절감, 현장실습 등 환경교육을 받아 양성된 20명의 ‘홈 에너지 컨설턴트’가 에너지 진단을 신청한 가정을 방문하여 에너지 사용실태를 점검하고
▶ 태양전지별 원리와 종류
구분 염료감응형
(DSSC)
화합물형 (CIGS)/(CdTe)
유기형 (OPV)
실리콘형 (a-Si)
실리콘형 (Si)
투명성 가능 불가능 가능 반투명 불가능
Flexible 가능 가능 가능 가능 불가능
색상 다양한 색상 흑, 청, 황동 다양한 색상 흑 흑, 청
모듈효율 (Wh)
~7%(서브)
(7시간) ~12% ~3%(서브) ~4%
(4.5시간)
~12%
(3.5시간) 제품가격 1$ / W 3.8$ / W 1$ 이하 / W 3.5$ / W 4$ / W
프롤로그 1
▶ 에너지 절약 관련 신문기사
생활특성에 맞는 에너지 절감 방안을 제시해주는 서비스이다.
주요 진단내용은 에너지 사용실태 측정 및 진단, 고지서 분석이며, 특히 대기전력, 보일러 조사 등을 통해 체크리스트를 작성하여 불필요하게 낭비되고 있는 에너지를 찾아낸다. 또한, 전자제품의 올바른 사용법, 냉ㆍ난방 에너지 절약법, 단열 및 창호시스템과 조명기구 개선방법 등을 안내하고, 서울시의 에너지 관련 정책과 제도를 소개하여 적극적인 참여를 독려한다.
진단을 실시하고 난 후, 7일 이내에 에너지클리닉 처방책이 각 가정으로 발송되며, 진단 1개월 후부터는 에코마일리지를 통한 모니터링을 실시, 실질적 에너지 절감량을 측정하게 된다.
아 파트, 단독주택 등 거주유형과 관계없이 은평구민이면 누구나 가구 단위로 신청할 수 있으며, 진단을 원하는 가정에서는 서비스 희망일 7일 전까지 에코마일리지 홈페이지(http://ecomileage.
seoul.go.kr) 또는 은평구 홈페이지(http://www.eunpyeong.go.kr)의 배너를 통해 신청하거나 은평구 맑은도시과(351-7613)로 전화접수하면 된다.
가정방문 시간은 오전 10시 및 오후 2시, 4시 중 신청자가 자유롭게 선택할 수 있으며, 신청이 완료된 자를 대상으로 에너지 컨설턴트가 방문 일정을 협의하여 가정별 에너지 진단을 실시하며, 절전형 멀티탭(약 1만원 상당)을 제공한다.
프롤로그 2
공익광고에는 방송공익광고와 인쇄공익광고가 있는데, 2012년도 공익광고제 일반부 금상을 받은 인쇄공익광고이다.
▶ 공익광고의 정의
인간존중의 정신을 바탕으로 사회/공동체의 발전을 위한 의식개혁을 목표로 하며 광고라는 설득 커뮤니케이션을 통하여 제반 사회문제에 초점을 맞추고 국민들의 태도를 공공의 이익을 지향하는 모습으로 변화시키는 것을 목적으로 하며, 휴머니즘, 공익성, 범국민성, 비영리성, 비정 치성을 기본 이념으로 합니다.
역사적으로 공공광고의 시작은 미국이나 영국의 예에서 볼 수 있는 것처럼 전쟁 중에 국민의 사기 앙양이나 통일체 의식을 고취하여 국가적 위기를 극복하기 위해 정부에서 시행한 일련의 캠페인 활동이라고 할 수 있습니다. 그러나 그 후 공익광고는 차원을 높여 인류가 직면하고 있는 각종 사회문제, 부조리 해결이라는 문제에 대해 광고라는 가장 현대적이고 설득력이 뛰어난 수단 을 통해 해결하고자 하는 시도로 자리매김 하였습니다. 여기에 공익광고의 가장 큰 의의가 있다고 할 수 있습니다.
생각열기
학습주제
단언컨대 환경은...
(Ⅲ. 에너지와 환경-3. 에너지 문제와 미래-01.미래의 에너지- 자원 고갈에 따른 문제점을 알고 그 대안을 창의적으로 찾는다.)
학습목표 에너지 절약에 관한 공익 광고를 만들 수 있다.
▶ 상황제시
TV를 보다보면, 프로그램 사이사이에 방영되는 광고를 자주 보곤한다. 그런데, 요즘 어느 한 광고가 눈에 들어온다. 이병헌이 한 핸드폰 광고를 패러디 한 라면 회사의 광고인데, 30초도 안 되는 시간이지만, 계속 나의 머리 속에 남아 있는다. 광고는 참 짧은 시간 동안 메시지를 전달할 수 있는 좋은 매체인 것 같다. 그럼, 아무리 말해도 사람들의 실천이 더딘 에너지 절약에 대한 광고를 만들어서 실천할 수 있게 할 순 없을까?
생각펼치기
▶ 스토리 보드에 대해 알아보자.
▶ 매체에 대해 알아보자.
◎ 매체와 매체 자료
1. 매체: 음성이나 문자와 같이 일반적으로 사람들의 생각이나 정서, 정보와 지식 등을 전달하 는 매개 역할을 하는 것을 말하지만, 이보다 좁은 의미로 현대의 기술 발전이 만들어 낸 텔레비전, 영화, 인터넷 등의 다양한 종류의 의사소통 및 정보 전달 수단을 뜻한다.
2. 매체 자료: 매체에 의해 전달되는 영상 작품, 이미지, 웹 문서 등을 의미한다.
◎ 광고
1. 광고의 창의적인 표현: 광고는 상품의 구매 의욕을 자극하는 등 소비자를 설득하기 위해 깊은 인상을 남길 수 있는 창의적인 표현을 사용한다.
2. 비유, 상징, 패러디 등 문학 작품의 언어 표현과 형상화 방법은 광고에서도 유용하게 활용된다.
▶ 가장 기억에 남는 광고나 영상을 떠올려보고, 그 것을 패러디해서 에너지 절약 공익광고를 만들어보자.
1. 가장 기억에 남는광고는?
2. 우리 학교, 집, 주변에서 에너지가 낭비되는 있는 상황에 대해 자유롭게 적어보자.
