기존의 바코드는 기본적으로 가로 배열에 최대 20여 자의 숫자 정보만 넣을 수 있는 1차원적 구성이지만, QR코드는 가로, 세로를 활용하여 숫자는 최대 7,089자, 문자는 최대 4,296자, 한자도 최대 1,817자 정도를 기록할 수 있는 2차원적 구성이다. 때문에 바코드는 기껏해야 특정 상품명이나 제조사 등의 정보만 기록할 수 있었지만, QR코드에는 긴 문장의 인터넷 주소(URL)나 사진 및 동영상 정보, 지도 정보, 명함 정보 등을 모두 담을 수 있다. 최근에는 QR코드가 기업의 중요한 홍보/마케팅 수단으로 통용되면서 온/오프라인을 걸쳐 폭넓게 활용되고 있다.

QR코드의 장점

가장 큰 장점은 기존 바코드에 비해 많은 양의 데이터/정보를 넣을 수 있으면서 코드 크기는 짧고 작은 형태를 유지할 수 있다는 것이다. 일반적인 QR코드의 크기는 약 2cm² 정도지만, 이를 약 ¼ 크기로 줄인 마이크로 QR코드도 사용할 수 있다. 이는 주로 전자부품 등과 같은 작은 공간에 적용된다.

또한 QR코드는 오류 복원 기능이 있어 코드 일부분이 오염되거나 손상돼도 데이터 정보를 복원할 수 있는 것도 장점이다. 물론 손상/오염 정도가 심하면 복원이 불가능하기도 하지만, 기존 바코드에 비해 인식률이 우수한 것은 사실이다. 또한 코드 모양이 정사각형이라 360도 어느 방향으로 읽어도 정확하게 인식된다. 더구나 바탕/배경 그림의 영향을 거의 받지 않으므로 다양한 형태의 홍보/판촉물에 삽입할 수 있다.

아울러 QR코드를 처음 개발한 일본의 덴소웨이브(1994년)가 (고맙게도) 특허권을 행사하지 않아 현재는 누구라도 다양한 목적으로 쉽게 제작, 사용할 수 있다는 점도 빼놓을 수 없다.

QR코드의 활용성

QR코드가 가장 활발하게 적용되는 분야는 아무래도 광고/홍보 업계다. 온라인이든 오프라인이든 공간의 제약으로 충분한 정보를 전달할 수 없을 때 QR코드를 통해 관련 추가 정보를 인터넷에서 참고할 수 있도록 하고 있다. 스마트폰이나 태블릿 PC 등의 QR코드 인식 애플리케이션을 사용해 QR코드를 읽어들이면 해당 상품의 인터넷 사이트에 접속하여 추가 정보를 확인할 수 있다. 여기에는 흔히 사진이나 동영상 등의 상세한 정보가 들어 있다. 또한 백화점이나 쇼핑몰 등에서는 QR코드에 할인 쿠폰 정보를 넣어 제품 구매 시 스마트폰으로 간편하게 쿠폰을 사용할 수 있도록 하고 있다.

아울러 요즘 직장인들 사이에서는 자신의 명함에 QR코드를 추가하는 것이 인기를 끌고 있다. 회사나 자신에 대한 자세한 소개나 개인 블로그 주소, 트위터/페이스북 계정, 각종 전화번호, 사진 등을 넣어 둘 수 있기 때문이다. QR코드는 또한 결혼 청첩장 등 경조사 정보 알림에도 요긴하게 활용된다. 결혼식장의 주소와 지도 정보, 전화번호 등을 저장하면, 스마트폰이나 태블릿 PC로 QR코드를 읽어들여 인터넷 지도 서비스(네이버 맵, 구글 맵 등)와 연동할 수 있어 대단히 편리하다. 이 밖에도 QR코드는 현재 알게 모르게 우리 일상에 깊숙이 파고든 상태다.

QR코드를 만들어 볼까

앞서 언급한 대로, QR코드는 누구라도 자유롭게 제작하여 사용할 수 있다. 제작 방법도 어렵지 않다. QR코드를 제작할 수 있는 인터넷 사이트를 이용하면 되는데, 네이버 등의 포털 사이트 서비스를 이용하는 게 보다 편리하고 유용하다. 네이버를 예로 들면, QR코드 제작 페이지(qr.naver.com)에 접근하여 ‘QR코드 만들기’를 선택한다. 그러면 QR코드에 원하는 정보를 담거나 인터넷 주소 링크를 걸 수 있다.

실례로 ‘정보담기’를 선택한다. QR코드 제목을 원하는 내용으로 작성하고 테두리 컬러도 하나 고른다. ‘다음단계’ 버튼을 누른 후 이제부터 실질적인 공개 정보를 입력하면 된다. 이를 테면 회사 인터넷 주소나 블로그 주소, 전화번호, 사진, 동영상, 지도 등이 이에 해당된다. 정보 입력을 완료한 다음 ‘작성완료’ 버튼을 누른다. 그럼 자신만의 QR코드가 즉시 생성되며, 스마트폰의 QR코드 리더 애플리케이션으로 읽어들이면 방금 저장했던 개인 정보가 스마트폰에 모바일 페이지 규격에 맞춰 출력된다.

이렇게 제작된 QR코드는 이메일 서명으로 첨부하거나 프린터로 인쇄해 사용할 수 있다. 아울러 QR코드는 자체가 이미지 파일이므로 마우스 오른쪽 버튼을 눌러 ‘다른 이름으로 사진 저장’하면 컴퓨터에 저장하여 언제든 사용할 수 있다. 그리고 QR코드는 원하는 수만큼 마음대로 제작할 수 있기 때문에 용도나 목적에 따라 무궁무진하게 활용할 수 있다.

참고로 QR코드를 인식하는 스마트폰 애플리케이션으로는 ‘QRooQRoo(쿠루쿠루)’나 ‘스캐니(Scany)’, ‘바코드 스캐너’, ‘에그몬(EggMon)’ 등이 보편적으로 사용되며, 네이버 등의 포털 사이트 애플리케이션이나 11번가/G마켓 등의 쇼핑몰 앱도 QR코드 인식이 가능하다.

보안 문제는 사용자의 몫

QR코드는 이처럼 누구라도 자유롭게 제작, 사용할 수 있는 만큼 약간의 위험 요소도 잠재해 있다. 기존 바코드보다 많은 정보를 담을 수 있어 컴퓨터/인터넷 악성코드나 유해 웹사이트 주소 등도 마음만 먹으면 얼마든지 QR코드로 전파시킬 수 있기 때문이다. 실제로 그러한 사례가 적잖이 보고되고 있기도 하다.

이에 보안 전문가들은 “유해 정보가 담겨 있는지를 육안으로, 또는 애플리케이션으로 판단할 수 없기 때문에 검증된 기업 등에서 제공하는 QR코드가 아닌 경우 사용 시 각별한 주의가 필요하다”고 경고하기도 했다. QR코드는 눈에 보이는 편리함 이면에 결코 무시할 수 없는 불안감이 내재되어 있음을 의미한다. 결국 최종 사용자에게 이에 대한 세심한 주의가 요구된다. QR코드가 보인다고 무턱대고 스마트폰을 들이 댈 것이 아니라 어떤 목적으로 어디서 제공하는 것인지를 한번쯤 자세히 둘러봐야 하겠다. 이제 일상이 된 신개념 정보 매개체인 QR코드. 악용과 남용으로 얼룩지지 않도록 모두의 관심과 주의가 필요하다.

콘크리트의 기원은 고대 로마에서 찾을 수 있다. 로마인들은 오래전부터 석회와 모래에 물을 혼합한 석회몰탈을 사용해왔다. 그런데 이것은 건조되면 쉽게 부서지는 경향이 있었다. 그러다 기원전 2세기경부터 베수비오 화산 근처 포촐리 지역에서 나오는 화산 회를 석회몰탈에 혼합한 포촐라나를 사용했다. 포촐라나는 수경성이 좋아 도로, 성벽, 수로, 주택, 궁전 등 로마시대의 많은 구조물에 적용됐다. 이를 사용한 구조물 중 주목할 만한 것은 126년에 완공된 판테온 신전의 돔이다. 돔 안쪽에는 거푸집과 골재의 흔적이 남아 있어 현대 콘크리트의 시초로 추측된다.

콘크리트가 본격적으로 개발된 시기는 18세기 이후다. 1756년 영국의 건축기사 존 스미턴(John Smeaton, 1724~1792)이 점토를 함유한 석회석을 가열하여 수경성 석회를 만들면서 현대 콘크리트의 기초가 열렸다. 그는 영국 남서 해안 에디스톤 등대의 보수에 이 석회를 사용하면서 그 효용성을 입증했다. 1796년에는 영국의 제임스 파커(James Parker, 1780~1807)가 점토질 석회석을 높은 온도에서 구우면 품질이 좋은 시멘트가 된다는 사실을 알아냈다. 이것이 파커시멘트로, 그 색이 로마에서 사용하던 포촐라나와 비슷하다 하여 로만시멘트라 불리게 됐다. 로만시멘트는 영국의 템스 강 터널 공사와 국회의사당 건축에 쓰이게 되면서 유명해졌으며, 포틀랜드시멘트가 발명되기 전까지 널리 사용됐다.

현대 콘크리트의 시초로 추측되는 판테온 신전의 돔.

1824년에는 영국의 건축사 조셉 애스프딘(Joseph Aspdin, 1779~1855)이 점토와 석회석을 갈아낸 것을 섞은 뒤 그것을 구워 시멘트를 만들었다. 영국 남부 포틀랜드 섬의 석회석인 포틀랜드 돌과 닮아 포틀랜드시멘트라 불리게 됐다. 포틀랜드시멘트는 최초의 인조 시멘트로 품질이 좋았다. 그러나 때때로 시멘트를 생산할 때 혼합물이 과열돼 단단한 덩어리가 만들어졌고, 쓸모없는 것이라 여겨져 버려지곤 했다. 1845년 아이작 존슨(Isaac Charles Johnson, 1811~1911)은 이 단단한 덩어리를 갈면 가장 좋은 시멘트를 얻을 수 있다는 사실을 알아냈다. 이것이 현재에 사용되는 포틀랜드시멘트다. 우수한 품질과 원료를 쉽게 구할 수 있다는 장점 때문에 포틀랜드시멘트의 제조 방법은 곧 전 세계로 퍼졌고, 이를 결합재로 사용한 콘크리트가 건설재료로 사용되기 시작했다.

존 스미톤이 수경성 석회로 보수한 에디스톤 등대.

콘크리트는 압력에는 강하지만 인장력과 유연성이 무척 떨어지는 재료다. 그래서 프랑스의 정원사 조지프 모니에(Joseph Monier, 1823~1906)는 콘크리트의 인장력을 강화하기 위해 콘크리트 속에 철근을 넣는 새로운 시도를 했다. 1867년 철망으로 보강한 콘크리트 화분을 만들어 특허를 획득한 모니에는 교량의 아치, 계단, 철도의 턱 등에 철근 콘크리트를 지속적으로 사용해 나갔다. 이후 1887년 독일의 쾨넨(Koenen)과 웨이스(A. G. Wayss)가 철근 콘크리트 구조 이론을 체계화함에 따라 철근 콘크리트는 건축 세계의 주역이 됐으며, 초고층건물의 등장을 가능케 한 원동력이 됐다.

콘크리트는 인장력이 약한 까닭에 균열 또한 쉽게 생긴다. 철근으로 보강한 콘크리트라 할지라도 균열로부터는 자유롭지 않다. 콘크리트에 균열이 발생하면 콘크리트는 하중을 받지 못하게 되며, 균열은 점차 발달한다. 균열을 통해 수분이나 염분 등이 들어오면 철근은 부식되고, 구조물의 내구성은 크게 저하된다. 프리스트레스트 콘크리트(Prestressed Concrete, PS 콘크리트)는 이러한 단점을 없애기 위한 노력에서 탄생했다. 프리스트레스트 콘크리트는 말 그대로 하중이 작용하기 전에 미리 하중을 상쇄시킬 수 있는 응력, 즉 ‘스트레스를 미리 가해(prestressed)’ 만드는 콘크리트다. 이런 생각은 초기의 콘크리트 기술자들에게도 있었으나 이를 실현한 사람은 프랑스의 유진 프레시네(Eugene Freyssinet, 1879~1962)다. 그는 1930년대에 PS 콘크리트 기술을 실용화했다. 제2차 세계대전 후 전후 복구 과정에서 이 기술을 적용한 교량 건설이 늘어나면서 PS 콘크리트는 급속히 확산됐다.

한편, 콘크리트의 사용량 증대에 지대한 역할을 한 것은 레미콘이다. 레디믹스트콘크리트(Ready Mixed Concrete)를 줄여서 레미콘(Remicon)이라고 한다. 레미콘은 말 그대로 우수한 설비를 갖춘 레미콘 공장에서 시멘트, 모래, 물 등을 ‘미리 반죽해 놓은(Ready Mixed)’ 질이 좋고 균질한 콘크리트다. 또한, 트럭믹서의 발명은 레미콘의 수요를 폭발적으로 증가시켰다.    

콘크리트의 성능을 개선하기 위한 노력은 계속됐다. 철근 대신 유리섬유나 탄소섬유 등 각종 섬유재가 들어간 특수 콘크리트가 개발돼 도로나 활주로의 포장 등에 사용됐으며, 일본에서는 LNG 탱크 건설을 위해 초유동 콘크리트를 개발하기도 했다. 최근에는 콘크리트의 특성을 뛰어넘는 콘크리트도 개발되고 있다. 미국 워싱턴 국립건축박물관에는 콘크리트 벽 뒤에 있는 사람이 비치는 반투명 콘크리트가 설치돼 있다. 리트라콘이라 불리는 이 콘크리트는 헝가리 건축가 아론 로손치(Aron Losonczi)가 개발한 것으로 타임지의 ‘2004년 올해의 발명품’으로 선정되기도 했다. 원리는 광섬유. 다량의 광섬유를 평행으로 정렬해 한쪽에서 빛을 비추면 광섬유를 통해 반대편에 빛이 나타난다. 

물이 통해 식물이 자랄 수 있는 콘크리트도 있다. 부피의 약 30% 정도가 미세한 구멍들로 이루어져 공기나 물이 통하고, 그 구멍을 통해 물이 흡수된다. 물이 있으므로 나무와 풀을 키울 수 있고, 더 나아가 폭우가 내릴 경우 자연스레 물을 흡수하므로 홍수 예방에도 도움을 준다. 게다가 미세 구멍으로 소음 흡수도 가능해 방음벽으로도 사용할 수 있다.

물에 뜰 정도로 가벼우면서도 고강도인 콘크리트도 각광받고 있다. 제조 과정에서 기포를 넣거나 가벼운 골재를 사용해 무게를 크게 줄임으로써 초고층빌딩을 짓는 데 유리하다. 보통 일반 아파트에 사용되는 콘크리트의 강도는 20~40㎫, 반면 초고성능 콘크리트는 100㎫ 이상의 누르는 힘을 견딜 수 있어야 한다. 세계에서 가장 높은 인공 구조물인 아랍에미리트 두바이의 버즈 칼리파 빌딩은 120㎫의 초고성능 콘크리트가 사용됐다. 또한, 무게가 가볍기 때문에 지진이 나도 건물이 받는 충격이 줄어든다. 가벼우니 콘크리트 운송비용도 당연히 적게 든다.

세계 최고층 빌딩 버즈 칼리파에는 120메가파스칼의 초고성능 콘크리트가 사용됐다.

지구를 넘어 우주로 가다

달에 유인기지를 세우기 위한 계획이 진행되면서 건축물을 세우기 위한 방안도 고안되고 있다. 달에는 물이 없기 때문에 보통 콘크리트는 사용할 수 없다. 대신에 달에 있는 토양과 플라스틱 섬유를 녹여 만드는 루나 콘크리트(Lunar concrete)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 밖에도 어떤 색깔도 낼 수 있는 콘크리트, 공해물질을 잡아먹는 콘크리트, 쓰레기로 만든 콘크리트 등 과거에는 상상도 못한 콘크리트가 속속 개발되고 있다. 또한, 첨단 나노기술을 이용해 콘크리트의 화학적 성질을 개선시킨 나노콘크리트까지 콘크리트의 개발은 끝이 없다. 초경량·고강도 콘크리트부터 자연환경을 지키는 콘크리트까지, 콘크리트는 어느새 칙칙한 잿빛을 벗어 던지고 우리 곁으로 성큼 다가오고 있다.

플라스틱의 역사는 독일인 크리스티안 쇤바인(Christian Friedrich Schönbein, 1799~1868)으로부터 출발한다. 그는 스위스 바젤대학 교수로 재직하던 1846년 폭발성이 강하고 탄성이 큰 질산섬유소(니트로셀룰로오스) 합성에 성공한다. 이어 1862년 영국의 알렉산더 파크스(Alexander Parkes, 1813~1890)가 질산섬유소를 가지고 실험을 했다. 질산섬유소를 에테르와 알코올에 용해시킨 뒤 틀에 넣어 건조시키면 원하는 모양대로 만들 수 있었다. 그는 이 물질에 파크신이란 이름을 붙였다. 파크신은 단단했고, 탄성도 있어 성형하기 쉬웠다. 그러나 건조하면 줄어드는 결점이 있었다.

최초의 플라스틱은 당구공의 재료로써 비싸고 귀했던 아프리카 코끼리의 상아를 대체할 물질을 찾으려는 노력에서 얻어졌다. 미국의 존 하이엇(John. W. Hyatt 1837~1920)은 질산섬유소를 잘 용해시킬 수 있는 물질을 찾으려 노력했다. 그러던 어느 날, 피부약으로 쓰이는 캠퍼팅크를 질산섬유소에 넣었더니 질산섬유소가 녹기 시작했다. 캠퍼팅크란 장뇌를 알코올에 녹인 의약품으로, 그 가운데 장뇌가 질산섬유소를 녹인 것이다.

당구공의 재료가 된 셀룰로이드.

1869년 최초의 천연수지 플라스틱 셀룰로이드는 이렇게 만들어졌다. 이 새로운 물질은 열을 가하면 어떠한 모양으로도 만들 수 있었고, 열이 식으면 상아처럼 단단하고 탄력 있는 물질이 됐다. 그러나 셀룰로이드는 깨지기 쉬워 당구공 재료로는 적합지 않았다. 대신 틀니, 단추, 만년필 등의 용도로 사용됐다.

베이클라이트, 최초의 합성수지 플라스틱

합성수지를 원료로 한 최초의 플라스틱은 1907년 벨기에 태생의 미국인 리오 베이클랜드(Leo Hendrik Baekeland, 1863~1944)가 발명한 베이클라이트다. 전기화학회사를 운영하던 베이클랜드는 기존에 사용하던 절연체를 대체할 새로운 물질을 연구하던 중에 독일의 화학자 아돌프 폰 바이어(Johann Friedrich Wilhelm Adolf von Baeyer, 1835~1917)가 1872년에 썼던, 페놀과 포름알데히드를 반응시키면 나뭇진 같은 것이 생긴다는 논문을 찾아냈다.

최초의 합성수지 플라스틱을 발명한 베이클랜드.

그는 이 사실에 착안해 페놀과 포름알데히드를 이용해 베이클라이트를 만들었다. 베이클라이트는 천연원료를 사용하지 않고 만들어진 최초의 합성수지로, 단단하고 절연성이 있으며 부식되지 않았다. 또한 여러 가지 첨가물을 넣고 가공하면 다양한 특성의 복합재료가 만들어졌다. 열과 압력으로 성형한 뒤에는 다시 열을 가해도 물러지지 않는 열경화성 수지였고, 값싸고 내구성도 뛰어났다. 이런 특성 때문에 베이클라이트는 각종 전자제품에 널리 쓰이기 시작했다. 미국 정부는 제2차 세계대전 중 구리가 부족해지자 베이클라이트로 1센트 동전을 만드는 것까지 고려할 정도였다.

1922년에는 플라스틱이 서로 연결된 수천 개의 분자사슬, 즉 고분자로 이루어졌다는 사실이 밝혀졌다. 이를 밝혀낸 사람은 독일의 화학자 헤르만 슈타우딩거(Hermann Staudinger, 1881~1965)로, 고분자화학에 대한 공로를 인정받아 1953년 노벨화학상을 받았다. 그의 발견 이후 플라스틱은 다양한 형태로 개발되기 시작했다.

폴리에틸렌, 가장 널리 쓰이는 플라스틱

1933년은 가장 많이, 광범위하게 소비되는 플라스틱 폴리에틸렌(PE)이 재발견된 해이다. 폴리에틸렌은 생활주변 어디서든 쉽게 찾아볼 수 있다. 포장용 비닐봉지, 플라스틱 음료수병, 전선용 피복재료 따위가 폴리에틸렌으로 만들어진 것이기 때문이다. 폴리에틸렌의 발견은 우연한 기회에 이뤄졌는데, 그 주인공은 독일의 한스 폰 페치만(Hans von Pechmann, 1850~1902)이다. 그는 실험실의 한 실험튜브에서 우연히 밀랍 성분의 잔여물을 발견하고, 그것이 가변성을 지니고 있어 얇은 필름 형태의 제품을 만들 수 있는 물질이라고 여겼다. 그러나 당시에는 실용성이 없어 보였고, 그래서 그의 실험은 잊혀졌다.

폴리에틸렌의 두 번째 발견 역시 우연한 기회에 나왔다. 1933년 영국 임페리얼화학공업사(ICI)의 에릭 포셋(Eric William Fawcett, 1927~2000)과 레지널드 깁슨(Reginald Gibson) 역시 실험실에서 실험을 하던 중 우연히 이 물질을 발견했던 것이다. 에틸렌을 중합하면 폴리에틸렌이 만들어지는데, 그 밀도에 따라 저밀도 폴리에틸렌과 고밀도 폴리에틸렌으로 나뉜다. 고밀도 폴리에틸렌은 독일의 칼 치글러(Karl Waldemar Ziegler, 1898~1973)가 1953년 발견했다. 고밀도 폴리에틸렌은 저밀도 폴리에틸렌보다 단단하고 높은 온도에 강해 파이프나 연료탱크 같은 딱딱한 제품을 만드는 데 주로 사용된다.

한편 1937년에는 미국 듀퐁사의 월리스 캐러더스(Wallace H. Carothers, 1896~1937)가 합성섬유 나일론을 개발했다. 나일론은 ‘거미줄보다 가늘고 강철보다 질긴 기적의 실’로 불렸다. 듀퐁사는 나일론 스타킹을 만들어 첫 판매 당일 미국 전역에서 400만 켤레의 판매고를 올렸다. 방수·방풍 기능 덕에 낙하산과 텐트 등 군용 제품과 어망이나 로프 등 산업용 제품을 제조하는 데 널리 사용됐다. 당시 연합군 총사령관이었던 미국의 아이젠하워는 그의 이름을 따 ‘아이크 재킷’이라 불리는 나일론 군복을 직접 디자인할 정도였다.

생활주변의 다양한 플라스틱들.

고기능성 플라스틱과 미래의 플라스틱

20세기 후반으로 들어오면서 고기능성 플라스틱의 개발 속도는 더욱 가속화됐다. 일본의 히데키 시라카와(Hideki Shirakawa, 1936~)는 앨런 맥더미드(Alan G. MacDiarmid, 1927~2007), 앨런 히거(Alan J. Heeger, 1936~)와 함께 전기가 통하는 플라스틱을 개발해 2000년 노벨화학상을 받았다. 전도성 플라스틱은 광학재료나 유기물질을 이용한 전기발광소자(OLED 디스플레이), 접거나 말 수 있는 차세대 디스플레이, 가볍고 투명한 태양전지의 제조에 이르기까지 다양한 분야에서 기술 개발이 이뤄지고 있다. 인공피부나 연골 같은 인공장기 역시 플라스틱으로 개발되고 있으며, 생체재료로서 플라스틱은 의학 분야에 광범위하게 사용될 것으로 예측된다.

수백 도의 온도에 견디는 플라스틱도 만들어졌다. 일본 혼다사는 이를 이용해 경주용 자동차 엔진까지 제작했다. 미국 듀퐁사는 철사보다도 인장 강도가 뛰어난 케블러 섬유와 아라미드 섬유를 개발하기도 했다. 이처럼 미래의 플라스틱 신소재 개발의 응용범위에는 한계가 없다. 또한 첨단 기능의 특수 플라스틱 시장은 매우 확대될 것으로 전망된다. 그러나 플라스틱은 환경문제에서 자유롭지 못하다. 쓰고 버려지는 수많은 플라스틱으로 지구의 환경이 오염되고 있기 때문. 따라서 분해성 플라스틱의 개발은 앞으로 플라스틱 기술에서 매우 중요한 과제다. 또한 플라스틱의 원료로써 사용되는 원유의 고갈 역시 플라스틱 산업이 직면한 커다란 위기 가운데 하나다. 천연 소재 기반의 플라스틱을 서둘러 개발해야 하는 이유가 바로 여기에 있다.

TV나 모니터와 같은 영상 기기는 화면의 정밀도가 높을수록 화질이 우수하며 가격도 비싸다. 이러한 화면의 정밀한 정도는 화면해상도(Display Resolution)에 따라 결정되는데, 화면해상도란 화면을 구성하는 점, 즉 화소(畵素, Pixel)가 얼마나 많은지를 나타내는 것이다.

화면해상도 = 화면을 구성하는 점이 얼마나 많은가

이를 테면 ‘640 x 480’의 해상도의 모니터라면 화면 전체에 가로 640줄, 세로 480줄의 화소가 배열되어 약 30만개의 화소가 화면 전체를 채우고 있다는 뜻이다. 만약 ‘1,024 x 768’ 해상도의 모니터가 있다면 약 79만개의 전체 화소를 가진 것이니 화면의 크기가 같다면 당연히 640 x 480 해상도의 모니터 보다 정밀한 화면을 볼 수 있다.

영상 기기의 광고에서 자주 볼 수 있는 ‘SD(Standard Definition: 표준 선명도)급’, ‘HD(High Definition: 고 선명도)급’ 등의 용어는 해당 영상 기기가 갖추고 있는 해상도를 등급에 따라 나눈 것이다. 720 x 480의 해상도는 SD급이며, 1,280 x 720이나 1,920x1,080 해상도는 HD급에 해당한다.

비월주사와 순차주사

그런데 같은 해상도라도 화면을 출력하는 방식, 즉 주사(走査, Scanning) 방식에 따라 2가지로 나뉘어진다. 예를 들면 1,920x1,080 해상도의 화면을 완벽하게 표시하기 위해서는 화면의 세로축에 총 1,080 줄의 주사선(走査線, Scanning Line)이 있어야 한다. 하지만 만약 사용하는 영상 기기가 540개의 주사선만을 가지고 있다면, 1,080줄의 영상 신호를 각각 540줄씩 짝수 줄과 홀수 줄로 나눠 1초에 각각 30번씩 교차적으로 화면에 출력해주는 방식을 써야 한다. 이렇게 짝수 수사선과 홀수 주사선에 해당하는 영상을 순간적으로 교차시켜 화면을 출력하는 것을 비월주사(飛越走査, Interlaced Scanning) 방식이라고 한다.

비월주사 방식은 TV가 막 개발되기 시작했던 시기인 1920년대부터 쓰였으며, 아날로그 방식의 TV는 대체로 비월주사 방식이었다. 비월주사 방식은 적은 용량의 영상 데이터, 혹은 주사선의 수가 적은 영상기기를 사용하더라도 본래 사양보다 2배에 달하는 해상도를 얻을 수 있는 장점이 있다. 때문에 데이터 전송 기술 및 영상기기의 성능이 열악했던 개발 당시의 사정에 적합했다. 하지만 화면이 약간 떨리는 느낌이 있기 때문에 눈이 쉽게 피로해지고, 동작이 빠른 영상을 표시할 때 화면 선명도가 떨어지거나 잔상이 발생한다는 단점이 있다. 때문에 비월주사 방식은 TV에만 쓰이며, 사용자의 눈과 가까운 곳에 두어야 하는 PC용 모니터에는 적용되지 않는다.

위와 같은 비월주사 방식과 비교가 되는 것이 바로 순차주사(Progressive Scanning) 방식이다. 순차주사 방식은 주사선의 교차 없이 한 번에 짝수 줄과 홀수 줄을 초당 60번씩 동시에 출력하는 것이다. 때문에 화면의 떨림이 없으며, 화면 선명도 역시 같은 해상도의 비월주사 방식 영상에 비해 2배로 우수하다. 때문에 PC용 모니터는 모두 순차주사방식을 쓰며, TV 역시 디지털 방식의 제품이라면 순차주사 방식의 화면 표시를 지원하는 경우가 대부분이다. 다만, 같은 해상도의 비월주사 방식 영상에 비해 2배의 데이터량이 필요하며, 이를 표시하는 영상 기기 역시 2배에 해당하는 주사선을 가지고 있어야 하기 때문에, 한 차원 높은 데이터 전송 기술 및 화상 표시 기술이 필요하다.

주사 방식에 따라 해상도의 표기 방법도 다르다. 비월 주사 방식의 영상은 해상도의 표시 뒤에 Interlaced(비월)의 약자인 ‘i’가 붙으며, 순차 주사 방식의 영상은 Progressive(순차)의 약자인 ‘p’가 붙는다. 예를 들면 1,920 x 1,080 해상도의 경우, 비월 주사 방식은 ‘1080i’라고 표기하며, 순차 주사 방식은 ‘1080p’라고 표기하는 것이다.

업계에서 ‘HD급’으로 분류하는 해상도는 720p와 1080i, 그리고 1080p다. 그 중에서도 1080p는 완전한 형태의 HD 해상도를 감상할 수 있다는 의미에서 ‘풀 HD(Full High Definition)급’ 영상으로 따로 분류한다. 따라서 시장에서 ‘풀 HD TV’, 혹은 ‘풀 HD 모니터’라고 부르는 기기들은 1080p의 영상을 표시할 수 있는 기기라는 의미다.

그리고 1080p보다 선명도가 높은 2160p(3,840×2,160), 4320p(7,680×4,320) 등의 해상도를 ‘울트라 HD(Ultra High Definition)급’ 영상이라고 하기도 하는데, 이는 아직(2010년 12월 기준) 업계에 완전히 공인된 명칭은 아니다. 더욱이, 2160p나 4320p 해상도로 제작된 영상 콘텐츠, 그리고 이를 표시할 수 있는 영상 기기는 시중에서 좀처럼 찾아볼 수 없기 때문에, 울트라 HD라는 용어가 시장에 자리잡기 위해서는 상당한 시일이 걸릴 것으로 예상된다.

DVD=SD, 공중파=HD, 블루레이=풀HD 

참고로, 시중에서 접할 수 있는 영상 미디어들은 각각 해상도가 다르다. DVD의 경우 480p의 영상을 담고 있으며, 공중파 HD 디지털 방송의 경우 1080i로 전송된다. 그리고 블루레이(Blu-ray) 디스크는 1080p의 영상을 담고 있기 때문에 풀 HD TV나 풀 HD 모니터로 재생해야 최적의 영상을 감상할 수 있다. 때문에 DVD나 공중파 HD 디지털 방송만을 시청하는 경우에는 풀 HD TV가 그다지 필요 없다는 의견도 있다. 하지만 풀 HD TV는 해상도의 우위 외에도 각종 화질 보정 기능을 함께 갖추고 있는 제품이 많은데, 이 경우에는 1080p 영상이 아니더라도 기존의 HD TV에 비해 화질 향상 효과를 얻을 수 있다.

멀티미디어, 아날로그에서 디지털로

영화나 게임 등의 멀티미디어 콘텐츠를 즐기기 위해서는 반드시 필요한 3가지 요소가 있다. 첫 번째가 TV나 모니터, 혹은 스피커와 같은 영상/음향 출력기기, 두 번째가 DVD 플레이어나 PC, 비디오 게임기와 같은 재생기기이며, 마지막 세 번째가 재생기기와 출력기기 간에 영상/음향 신호를 전송하기 위한 케이블 및 단자를 나타내는 인터페이스(Interface)다. 출력기기와 재생기기가 아무리 훌륭하더라도 인터페이스의 품질이 좋지 못하다면 신호가 전달되는 도중에 화질이나 음질이 저하될 수 있다. 이는 전파나 신호가 잘 통하지 않는 지하실, 혹은 바다 한가운데에서 FM 라디오가 제대로 나오지 않는 것과 동일한 이치다.

이러한 문제는 VHS 비디오가 DVD로, LP 레코드가 CD로 바뀌는 등, 멀티미디어 콘텐츠의 품질이 점차 향상되면서 심화 되기 시작했다. 특히 영상용 인터페이스의 경우, 컴포지트(Composite)나 S영상(Separate Video)과 같이 나온 지 오래된 아날로그 방식의 인터페이스로는 고화질 멀티미디어 신호를 제대로 전달할 수 없다. 물론, 컴포넌트(Component)나 D-Sub(D-Subminiature)와 같이 아날로그 방식이면서도 HD급 영상의 전달이 가능한 인터페이스도 있다. 하지만 컴포넌트의 경우, 영상 신호만 전달하는데 무려 3개의 케이블이 필요하다는 불편이 있으며, D-Sub는 본래 PC용으로 개발된 것이라 일반 AV 기기에서는 지원하지 않는 경우가 많다는 것이 단점이다.

더욱이, 주변의 다른 기기에서 발생하는 노이즈(잡음), 혹은 케이블의 길이나 굵기 등의 외부 요소로 인해 품질이 변하는 아날로그 인터페이스 특유의 문제는 그대로였다. 이리하여 선보이게 된 것이 디지털 방식의 인터페이스다. 초기에 나온 디지털 방식의 인터페이스는 영상용인 DVI(Digital Visual Interface)와 음향용인 S/PDIF(Sony Philips Digital InterFace)가 대표적이다. 이러한 디지털 방식의 인터페이스는 외부 요소의 영향을 거의 받지 않으며, 한 번에 더 많은 데이터를 전달할 수 있으므로 고품질의 영상과 음향을 즐기는데 유리하다.

HDMI, 고품질의 영상과 음향을 케이블 하나로

다만, DVI 인터페이스는 PC 관련 업체들이 주축이 되어 개발한 것이라 일반용 AV 기기에 적용하기에는 부적합한 면이 있었다. 아울러 S/PDIF 인터페이스의 경우, 고가의 음향 장비를 주로 사용하는 AV전문가들의 전유물처럼 인식되어 대중화가 예상 보다 느리게 진척되었다. 때문에 DVI와 S/PDIF가 나온 후에도 사람들은 한동안 아날로그 인터페이스를 사용하는 일이 많았다. 특히, 2000년 즈음까지만 하더라도 DVD 영화나 비디오 게임을 HD TV에 연결하여 만족스러운 화질로 즐기려면 3개의 케이블로 구성된 컴포넌트 인터페이스 외에 선택의 폭이 그다지 넓지 않았다. 여기에 각 채널 별 음성 케이블까지 꽂아주자니, 각종 케이블들이 얽히고설켜 혼란의 도가니가 되기 일쑤였다. 이러한 이유로 등장한 것이 바로 HDMI(High-Definition Multimedia Interface) 인터페이스다. HDMI는 디지털 방식의 영상과 음향 신호를 하나의 케이블로 동시에 전달하는 방식으로, 2003년에 히타치, 파나소닉, 소니, 필립스, 톰슨 등의 AV 가전 업체들이 주축이 되어 공동 개발하였다.

재생기기와 출력기기가 모두 HDMI 단자(포트)를 갖추고 있을 경우, HDMI 케이블 하나만 연결하면 간편하게 영상과 음향을 동시에 즐길 수 있다. 또한, 품질 저하가 없는 디지털 방식이므로 화질과 음질도 매우 우수하다. 풀 HD급의 영상과 7.1채널의 음향도 단 하나의 케이블로 전송할 수 있다는 의미다.

2010년 현재, HDMI는 PC, DVD 플레이어, 블루레이 플레이어, 디지털 TV, 비디오 게임기, 멀티미디어 재생기(Divx 플레이어) 등 다양한 기기에 적용되면서 이용 범위가 넓어지는 추세다.

DVI + S/PDIF = HDMI?

HDMI 인터페이스로 전달되는 디지털 신호는 기본적으로 DVI의 영상 신호와 S/PDIF의 음향 신호를 합친 것이라 할 수 있다. 때문에 단자의 형태를 변환하는 젠더나 변환 케이블을 사용하면, HDMI 방식의 재생기기와 DVI 방식의 출력기기를 연결하거나 그 반대의 경우도 가능하다. 다만 이 경우 영상만 전달되고 음향은 전달되지 않는 경우가 일반적이지만, 일부 PC용 그래픽카드 중에는 전용 젠더를 사용하면 음향 전달도 가능한 제품도 있다.

한편 HDMI는 영상 신호와 음향 신호 외에 내부적으로 HDCP(High-bandwidth Digital Content Protection)라고 하는 저작권 보호용 암호화 신호가 함께 전달된다. 때문에 HDCP 규격을 지원하지 않는 일부 DVI용 기기의 경우, HDMI-DVI 변환 젠더/케이블을 통해 연결하더라도 영상이 제대로 출력되지 않을 수 있음을 인지해야 한다. 예를 들어, 블루레이 플레이어나 비디오 게임기(소니 플레이스테이션3 등)와 같은 기기가 대표적인데, 이들을 HDMI–DVI 변환 케이블을 통해 DVI용 모니터와 연결할 경우 모니터가 HDCP를 지원하지 않으면 화면이 정상적으로 출력되지 않는다.

이 밖에 휴대폰이나 스마트폰, PMP 등과 같은 소형기기에서는 제품의 크기를 줄이기 위해 표준형 HDMI 단자보다 작은 미니 HDMI, 혹은 마이크로 HDMI 규격을 제공하기도 한다. 단자의 크기만 다를 뿐 내부적으로 전달되는 신호는 같으므로, 이 경우 단자 형태를 변경하는 젠더나 변환 케이블을 통해 표준 HDMI 기기와 연결해 사용할 수 있다.

같은 모양의 HDMI 단자라도 버전이 달라

HDMI는 단자의 모양이 같아도 출시 시기에 따라 버전이 다를 수 있으며, 버전이 올라갈수록 세부적인 기능도 추가된다. 2006년 6월에 나온 HDMI 1.3 규격의 경우, 기존의 HDMI 1.2보다 대역폭(한 번에 전달할 수 있는 데이터의 크기)이 2배(165MHz → 340MHz)로 향상되어, 기존 해상도 1,920 x 1,200보다 개선된 2,560 x 1,600 해상도의 화면을 전송할 수 있으며, 기존의 24비트 컬러보다 방대한 48비트 컬러를 표현할 수 있다. 

HDMI 1.3은 영상뿐 아니라 음향 부문도 개선이 있었는데, 기존의 입체 음향 규격인 돌비 디지털/DTS(DVD급 입체 음향)보다 음질 및 채널 수가 한층 향상된 돌비 트루 HD와 DTS HD 마스터오디오(블루레이급 입체 음향) 신호의 전송도 가능해졌다. 2006년 11월에는 HDMI 1.3의 개량형이라고 할 수 있는 HDMI 1.3a가 발표되었다. HDMI 1.3a는 각 기기의 제어를 연동할 수 있는 기능이 추가된 것이 특징이다. 예를 들어 HDMI 1.3a 규격을 지원하는 블루레이 플레이어와 TV를 각각 연결할 경우, 복잡한 설정 없이 블루레이 플레이어 리모컨으로 TV까지 제어가 가능할 수 있다.

HDMI 1.4는 2009년 5월에 발표된 것으로 신호 전송폭은 HDMI 1.3과 같지만, 최대 전송 가능 해상도가 4,096 x 2,160으로 대폭 향상되었고, 영상/음향 신호 외에 인터넷 등의 데이터 통신을 위한 이더넷(Ethernet) 신호도 함께 전송할 수 있는 것이 특징이다. 각 버전의 HDMI 인터페이스는 하위 호환성을 제공하고 있기 때문에 상위 규격의 재생기기와 하위 규격의 출력기기를 연결해 사용하거나 혹은 그 반대의 경우, 하위 규격에 해당하는 기능에 맞춰 양쪽 기기 모두 정상적으로 사용할 수 있다.

HDMI 1.4 규격은 기존의 영상/음향 신호 외에 이더넷(Ethernet) 신호도 함께 전송할 수 있다.

MP3란 음악 등 소리 데이터를 저장한 컴퓨터 파일로 ‘MPEG-1 Audio Layer 3’을 줄인 말이다. 이는 CD에 가까운 고음질을 유지하면서 데이터를 그보다 약 12분의 1 이하로 줄일 수 있는 압축 기술을 담고 있어 개발 당시 멀티미디어 혁명으로 불렸었다. 여기에서 MPEG이란 동화상 전문가 단체(Moving Picture Experts Group)의 약자로 국제 표준화기구 속에 있는 동영상 연구모임이다. 이들은 비디오나 오디오 압축에 대한 표준들을 담당하고 있어 이 조직에서 정하는 것을 MPEG 표준이라고 부른다. 따라서 MPEG는 전문가 모임과 기술표준이라는 두 가지 뜻을 담고 있는데, 보통 초기부터 후자인 기술표준 규약으로 불려오고 있다. MPEG-1은 맨 처음 버전을 의미하며, Layer 3의 의미는 MPEG 오디오의 압축비중 세 번째를 가리키는 말이다.

파일압축의 원리

MP3의 원리를 알기 위해서는 데이터 압축의 원리를 이해해야 한다. 파일 압축은 저장 공간을 절약하거나 데이터 전송시간을 줄이기 위해 데이터 크기를 줄이는 것이다. 가장 기본적인 압축원리는 데이터 원본에서 공란이나 연속된 글자, 그리고 반복된 글자의 조합 등과 같은 반복 패턴을 적은 수의 비트로 바꿈으로써 파일 크기를 줄이는 것이다. 압축 방법에는 크게 엔트로피 코딩(Entropy coding)과 사전(Dictionary coding) 코딩이 있다.

엔트로피 코딩은 연속된 문자가 중복되었을 때 이를 짧은 코드로 만들어 길이를 줄이는 것이다. 예를 들어 A라는 문자가 10번 나오고 B라는 문자가 10번 나오고 C가 5번 나온다면 연속된 ABC 문자에 짧은 코드를 할당해서 전체 길이를 줄이는 것이다. 예를 들어 A:10B:10C:5 이런 식으로 표기하는 것이다.

사전 코딩은 특정 문자를 어떤 인덱스로 표현하는 것으로 예를 들면, ABCABCABCDEFDEFGHIGHI 라는 문자가 나온다고 하면 ABC:1, DEF:2, GHI:3 으로 정의하고 1112233 라고 표현하는 것이다.

음향파일의 압축은 데이터 파일의 것과 다른 면이 있다

WAV 파일은 음향 데이터를 원음 그대로 덩어리째 저장하는 방식으로, 윈도 시스템의 기본 포맷 방식인데 비압축형 오디오 포맷이어서 파일의 크기가 크다. 한편 FLAC 파일은 무손실 포맷 방식으로, 소리 없는 구간 등 동일한 샘플의 블록들에 대한 반복 길이 부호화를 통해 오디오 소스를  온전한 모습으로 보존하면서 원래 파일 크기를 40~50%로 줄여준다.

그러나 MP3는 WAV 파일이나 FLAC 파일과는 전혀 다른 심리음성학을 이용한 압축방식이다. 우리가 아는 바와 같이 소리는 종파로 매질의 진동방향과 진행방향이 서로 평행한 파동이다. 이 음파는 사람의 인식여부와 관계없이 기계적으로 거의 모두를 저장할 수 있다. 하지만 사람의 경우 너무 작거나 너무 낮은 소리와 너무 높은 소리는 인식할 수 없다. 연구자들은 이 사실을 이용하여 녹음된 오디오 파일에서 사람이 들을 수 없는 부분을 잘라내고 다시 연결한 것이 바로 MP3 압축파일이다.

소리의 높고 낮음은 오직 음파의 진동수에 의존한다. 낮은 소리는 진동수가 작고, 높은 소리는 진동수가 크다. 한편 소리의 크기는 음파의 세기와 관련이 있다. 또한 음파의 세기는 물리적으로 볼 때 음파가 단위시간동안 단위면적을 지나며 나르는 에너지를 말하는 데, 이는 진폭의 제곱뿐만 아니라 음파의 진동수의 제곱, 음파의 속도 및 매질의 밀도에 비례한다.

사람의 귀로 들을 수 있는 음파는 사람에 따라 또는 음의 크기에 따라 다르지만 보통 1초에 매질이 20~20,000번 진동하는 범위의 소리(audio frequency, 가청주파수)만을 인식하는 것으로 알려져 있다. 

WAV파일이 모든 대역의 주파수를 기록하는데 반해서 MP3는 사람의 가청주파수대만을 남기고 나머지는 압축을 한다. 이 때 MP3는 일반 WAV보다 약 12% 이하의 크기가 된다. 기본적으로 MP3는 잘라내어 버린 부분이 있기에 음질을 100% 까지 재생 수는 없다.

MP3 파일 속은 어떻게 되어 있을까?

우리가 흔히 보는 MP3 파일은 여러 개의 음향접속단위(AAU,Audio Access Unit)들과 노래제목, 가수 등의 부가 정보가 들어있는 1개의 음향 꼬리표(Audio tag)로 이루어져 있다.

각 AAU는 또다시 머리부분(Header), CRC, SideInfo, 음향데이터로 구성되어 있다. 음향데이터는 실질적인 데이터가 담겨있는 메인 데이터영역을 말한다.

MP3 플레이어는 어떻게 작동할까?

MP3 플레이어는 MP3파일을 사람이 들을 수 있도록 하는 장치로 여러 가지 부품과 소프트웨어로 구성되어있다. 이 기기는 종전의 카세트테이프 플레이어와 비교해볼 때 큰 차이를 가지고 있다. 이것의 핵심은  DSP, MICOM 그리고 코덱이며 디지털신호의 처리와 관련이 깊다. DSP(Digital Signal Processor)는 음원의 막대한 양의 디지털 신호를 기계장치가 빠르게 처리할 수 있도록 해주는 집적회로이다. MICOM(MIcroprocessor COMputer)은 기기의 중심적인 지휘자로 입·출력관련 및 각 구성요소를 제어하고 있다. 또한 코덱(CODEC)은 음성의 아나로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 코더(COder)와 디지털 신호를 음성 또는 영상으로 변환하는 디코더(DEcorder)의 합성어이다. 음악을 감상하는 경우 압축된 파일을 풀어서 보는 것이 중요하기 때문에 압축된 파일을 풀어주는 프로그램이나 장치를 코덱이라 한다.

한국은 MP3 플레이어의  종주국

1997년 국내 업체인 새한정보시스템이  MP3파일을 재생할 수 있는 휴대용 플레이어를 개발했는데, 이것이 최초의 MP3 플레이어이다. 그래서 한국은 1998년 2월 세계 최초로 휴대용 MP3 플레이어 `엠피맨(mpman-F10)'을 내놓게 되었다. 엠피맨은 손바닥만 한 크기에 무게는 65g으로 지금과 비교하면 엄청 큰 덩치를 갖고 있었지만, 당시에는 획기적인 제품이었다. MP3플레이어 시장은 급속히 성장하여 이를 만든 우리나라의 벤처기업이 한 때 세계적인 주목을 받기도 했다. 왜냐하면 우리가 개발한 MP3플레이어가 종전 카세트테이프 플레이어의 대명사인 소니의 워크맨을 순식간에 옛것으로 만들어 시장에서 퇴출시켜버렸기 때문이다. 첨단 기술과 함께 더해진 깜찍한 디자인은 세계 시장을 놀라게 했다. 그런데 이후 애플의 등장으로 시장의 판도는 많이 바뀌었다. 현재는 애플이 기본적으로 MP3가 콘텐츠 비즈니스라는 점을 간파하여 국산 MP3 플레이어를 누르고 세계 1위를 거머쥐고 있다.

어떤 물건을 구입할 때 판매원이 제품의 한 쪽 끝에 있는 검은색 줄무늬에 빨간 색 빛을 쏘아 자동 계산하는 것을 본 적이 있을 것이다. 바코드는 암호처럼 되어 있는 검은 줄무늬 부분을 말한다. 이를 자세히 보면 굵기가 서로 다른 검은 막대와 흰 막대가 섞인 채 배열되어 있는 모양을 가지는데, '막대(Bar) 모양으로 생긴 부호(Code)'라는 뜻으로 바코드란 이름을 가진다.

바코드의 탄생

바코드는 1948년 미국 필라델피아 드렉셀 공과대학의 대학원생인 버나드 실버(Bernard Silver)에 의해 시작되었다. 그는 우연히 식품체인점 업계에서 자동으로 상품정보를 읽을 수 있는 시스템을 필요로 한다는 소식을 들었다. 실버는 이 소식을 친구 우드랜드(Norman Joseph Woodland)에게 이야기하면서 결국 현재의 바코드를 발명하고, 1952년 ‘분류 장치와 방법’이란 특허를 냈다. 그들이 생각해낸 바코드 체계의 핵심은 일종의 이진법 표시체계였다. 아래 ‘네 줄로된 바코드’ 그림은 그들이 제안한 세 줄짜리 기본 바코드인데, 검은 바탕에 4개의 흰 줄이 그어져 있다. 이중 1번 줄은 기준선이 되고 나머지 2,3,4번 줄은 위치가 고정되어 있어 정해진 곳에 있는 경우 1, 그렇지 않은 것은 0을 나타낸다.

아래 ‘미국 특허’ 그림에서 그림.2는 기준선 외에 세 개의 선이 다 그어져 있으므로 111₍₂₎,이고, 이는 1*2²+1*2¹+1*2⁰=7을 나타낸다. 그림.3은 기준선과 2번 선과 3번 선이 있고 4번 선은 없으므로 110₍₂₎=이 되어 1*2²+1*2¹+0*2⁰=6이 된다. 이와 같이하면 그림.4는 101₍₂₎=1*2²+0*2¹+1*2⁰=5,  그림.5는 100₍₂₎=1*2²+0*2¹+1*2⁰=4를 나타낸다. 그리고 이들은 십진수로 환산된 숫자에 물건에 대한 정보를 대응시켜  정보를 표시할 수 있게 하였다. 기준선을 제외한 줄의 수가 3개인 이 경우 0~7인 8가지를 표시할 수 있지만, 한 자리수가 더 늘어나 네 자릿수가 되면 8(=2³)가지를 더 표현할 수 있다. 이같이 줄의 수를 늘림으로 간단히 정보의 수를 기하급수적으로 표시할 수 있게 했다. 실버와 우드랜드는 정보를 나타내는 줄의 색을 달리하거나 직선으로 된 줄을 변형하여 그림.10과 같은  동심원(Bull’s eye로 불림)으로도 정보를 표기할 수 있다고 했다.

바코드의 해독의 구성과 원리

바코드에 있는 정보를 읽어내는 시스템에는 스캐너, 디코더 및 컴퓨터가 포함되어 있다. 스캐너에는 레이저 빛을 쏘는 부분과 빛을 검출하는 부분이 있다. 바코드에 빛을 쏘면(①) 검은 막대 부분은 적은 양의 빛을 반사하고, 흰 부분은 많은 양의 빛을 반사한다.(②) 스캐너는 반사된 빛을 검출하여 전기적 신호로 번역되어 이진수 0과 1로 바뀌어 진다.(③④⑤) 이는 다시 문자와 숫자로 해석되어진다.(⑥) 이는 디코더에 의해  컴퓨터가 바코드를 수집할 수 있는 형태로 변환한 뒤에 호스트컴퓨터로 데이터를 전송하게 된다.

바코드의 종류

바코드를 국가단위로 사용한 것은 실버와 우드랜드가 특허를 낸 후 20여년이 지나서였다. 이렇게 늦어진 것은 먼저 한 나라 안에서 유통되는 각각의 상품에 대하여 규격화된 규칙을 정해야 했기 때문이다. 이를 최초로 실시한 나라는 미국이다. 1973년 미국음식연쇄조합은 세계상품코드(Universal Product Code, 이하 UPC)을 도입하여 사용했다. 유럽에서도 1978년, 영국, 프랑스, 독일 등과 일본이 연합하여 국제공통상품번호(European Article Number, EAN)를 도입하였다. 우리나라의 경우 1988년 EANA에 가입하여 국가 번호코드 ‘880’을 부여받아 한국상품번호(KAN)를 사용하고 있다. 현재 EAN 체계를 따르는 나라는 전 세계적으로 100개국이 넘는다. 한편 UPC체계는 미국 외 캐나다에서 사용되고 있다.

바코드의 구성

우리나라에서 사용하는 KAN 코드는 표준형 13자리와 단축형 8자리가 있다. 표준형코드의 13자리는 국가코드(3)+제조업체 코드(4)+자체상품코드(5)+검증코드(1)로 구성되어있다. 단축형 코드는 국가코드(3)+제조업체 코드(3)+자체상품코드(1)+검증코드(1)로 크기가 표준형보다 약간 작아서 인쇄 공간이 부족하거나 표준형 코드 사용이 부적당한 경우에 사용한다.

2차원 바코드

기존의 바코드는 정보의 배열이 나란히 나열된 선 모양을 가지므로 흔히 1차원 바코드라 부른다.  이에 반해 2차원 바코드는 점자식 또는 모자이크식 코드로 조그만  사각형 안에 정보를 표현한다. 1차원 바코드가 막대선의 굵기에 따라 가로 방향으로만 정보를 표현할 수 있는데 반해, 2차원 바코드는 가로와 세로 모두에 정보를 담을 수 있다. 따라서 2차원 바코드는 기존의 것에 비해 100배나 많은 정보를 담을 수 있다. 특히 그 자체로 파일 역할을 할 정도의 정보를 가지고 있기에 1차원 바코드와 같이 데이터베이스와 연동되지 않아도 정보파악을 할 수 있다. 또한 코드가 상당부분 훼손되어도 해당정보를 파악할 수 있다.

현재 ISO 국제 표준화된 2차원 바코드로는 QR 코드, 데이터 매트릭스, PDF417, Maxi Code가 있다. 이 중에서 QR 코드와 데이터 매트릭스 중  업코드(UPCODE)는 스캐너 외에 모바일 환경에서 작동되도록 설계되어 휴대폰에서 많이 사용되고 있다.

실제로 스마트폰에 2차원 바코드를 인식할 수 있는 애플리케이션을 설치하여, 관심 있는 상품에 인쇄된 바코드를 스마트폰 카메라로 인식하게 한 후 온라인 마켓의 데이터를 불러와 최저가를 검색할 수도 있다. 또한 명함에 이런 바코드를 넣을 경우 스마트폰으로 손쉽게 연락처를 등록할 수도 있다. 신문이나 잡지 등의 기사 끝에도 2차원 바코드를 넣어 기사와 관련된 멀티미디어 콘텐츠를 보여줄 수도 있다.  그 외에도 광고, 영화안내, 관광이나 전시, 박물관 등에서는 휴대폰과 연계하여 원하는 내용을 보여주거나 들려줄 수 있어 그 활용도는 대단히 크다고 할 수 있다.

전통적인 조리는 용기를 가열해 전도나 대류를 통해 열이 전달되고, 용기 안의 재료를 덥힌다. 오븐은 오븐 안의 공기를 뜨겁게 해 대류열로 내부의 음식물을 익히며 가스레인지는 가스열로 용기를 가열하고 용기 안의 음식물로 열이 전도되어 요리를 하는 것이다.

그런데 전자레인지는 음식물을 뜨겁게 하는 데 마이크로파(Micro Wave)를 이용한다. 그래서 전자레인지를 영어로 ‘Microwave Oven’이라고 한다. 마이크로파는 주파수(진동수) 300㎒~300㎓, 파장으로 보면 1㎜~1m인 전자기파의 한 영역을 말한다. 전자기파의 영역은 진동수에 의해 임의로 구분되어지는데 진동수는 1초 동안 파동이 진동하는 횟수이다. 진동수의 단위는 ㎿로 나타내며 1㎐는 1초에 파동이 1번 진동한 것을 나타낸다. 진동수(f), 파장(λ), 빛의 속도(c)의 관계는 다음과 같다.

즉, 파장이 짧을수록 진동수가 크고 파장이 긴 전자기파는 진동수가 작다.

전자기파의 구분.

이렇게 파장에 따라 전자기파는 파장이 가장 짧은 영역인 감마선, x선, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로파, 라디오파 등으로 구분된다. 마이크로파는 진동수가 매우 크고 파장이 짧은 전자기파로 레이더나 네비게이션, 통신 등에 이용된다.

전자레인지 속 음식은 어떻게 데워질까?

1945년 군사용 레이더를 점검하던 미국의 한 연구원이 주머니 속의 과자가 녹는 것을 관찰하여 이를 계기로 전자레인지에 대한 아이디어를 얻었고 1947년에 ‘Radarange’라는 첫 제품이 탄생하였다. 이 최초의 전자레인지는 높이 1.8m, 무게 340㎏의 거대한 몸집에 가격도 5,000달러로 매우 비쌌다. 이후 개량을 거듭하여 현재 가정에서 흔히 볼 수 있는 크기의 전자레인지가 보급되기에 이르렀다.

전자레인지에는 2.45㎓의 진동수를 가진 전자기파가 사용된다. 이 마이크로파는 통신용으로 쓰이지 않는 범위의 주파수이며 비용적으로 저렴하고 전세계적으로 사용이 가능하다. 이러한 마이크로파에 의한 음식물의 가열 원리는 유전가열(Dielectric Heating) 방식이라 불린다. 유리나 종이, 플라스틱과 같은 물질은 이 마이크로파에 의해 영향을 받지 않고 파를 통과시키지만 음식물 속 대부분을 이루는 물 분자나 그 외 지방, 당과 같은 분자에 흡수되어 음식물을 덥히는 작용을 한다.

물 분자는 수소와 산소 원자로 이루어져 있는데, 수소 원자 쪽이 양전하를 띠고 있고 산소 원자 쪽이 음전하를 띠고 있는 극성분자이다. 음식물에 마이크로파를 쪼이면 이와 같은 극성 분자는 전자기파의 전기장이 양과 음으로 진동할 때 분자가 양과 음의 방향을 바꾸며 매우 빠르게 회전하여 전자기장을 따라 정렬한다. 분자의 회전에 의해 분자들이 서로 밀고 당기거나 충돌하는데 이러한 운동에너지가 음식물의 온도를 높이게 된다. 전자레인지에서 만들어지는 전자기파의 진동수는 물 분자의 고유 진동수에 가까워 물 분자는 매우 강하게 진동한다.

전자레인지의 핵심은 마그네트론

전자레인지의 핵심적인 구조는 마이크로파를 만들어내는 마그네트론(Magnetron)이다. 마그네트론은 높은 주파수의 진동을 만들어내는 장치로 기본 구조는 음극, 필라멘트로 된 양극, 안테나, 그리고 자석이다. 가정 내 교류 전압인 220V를 4,000V 이상의 고전압으로 바꾸어 마그네트론에 전류를 흘리면 마그네트론에서 2.45㎓의 높은 주파수로 진동하는 마이크로파가 만들어진다. 이 마이크로파가 웨이브가이드를 따라 전자레인지 용기 내부에 쏘이게 되면 금속으로 된 벽에 반사되어 식품에 흡수된다.

전자레인지 내부는 금속인 철로 만들어져 있고 투시창을 통해 전자기파가 외부로 나오는 것을 막기 위해 설치한 그물망도 금속망이다. 전자레인지 용기 밖으로 전자기파가 유출되는 것을 막기 위해 2.45㎓의 마이크로파가 투과하지 못하고 반사되는 금속을 사용한 것이다. 그런데 보통 전자레인지에는 금속 용기의 사용을 금하고 있다. 그 이유는 우선 마이크로파가 금속을 통과하지 못하므로 금속 용기에 음식물을 넣어 사용할 경우 음식물을 데울 수 없기 때문이다. 또한 내부 벽면도 금속이므로 금속을 넣을 경우 금속과 금속의 접촉에 의한 마찰 부위에서 전자기파의 간섭이 일어나 스파크나 화재가 발생할 수 있다. 특히 금속의 뾰족한 모서리나 꼭짓점과 같은 부분에는 전자기파의 집중도가 커지므로 주의해야 한다. 또한 유리문에 금속망이 있어 전자기파의 유출을 막아주지만 안전을 위해 전자레인지가 작동하는 동안 너무 가까이에 있지 않도록 한다.

마이클 패러데이(1791-1867)는 1820년에 압축-액화된 암모니아가 다시 기화할 때 공기가 차갑게 변하는 것을 발견했다. 암모니아의 독성이 문제였으나 아무튼 모든 현대의 냉각 기술은 마이클 패러데이의 발견에 바탕하고 있다고 볼 수 있다. 1842년에는 존 고리에가 패러데이의 압축 기술을 얼음을 만드는 데 이용했고 1902년에 미국의 윌리스 하빌랜드 캐리어가 최초의 상업적인 에어컨을 만들어 인쇄 공장에 이용했다. 캐리어의 설계 역시 패러데이의 암모니아에 의한 냉각 시스템에 기초한 것이다.

초기 에어컨과 냉장고의 냉각제로 암모니아, 염화메틸, 프로판 등의 기체가 쓰였는데 독성과 가연성 때문에 이러한 기체들이 누출될 경우 위험했고 사고도 잦았다. 1920년대 인체에 안전한 프레온을 개발했으나 이후 프레온이 대기의 오존층을 파괴한다는 사실이 밝혀졌다. 현재 에어컨에 가장 많이 사용되는 냉매는 R-22로 알려진 HCFC인데 역시 오존층을 파괴하는 물질이다. 이 R-22는 우리나라의 경우 2013년까지 생산·수입을 제한해 2030년에는 완전히 금지될 전망이다.
 

에어컨의 기본 원리: 기화열에 의한 냉각

에어컨의 기본적인 원리는 한마디로 기화열에 의한 냉각 이다. 액체가 기체로 기화할 때는 열을 흡수하고 기체가 액체로 응축할 때는 열을 방출한다. 기화할 때 흡수하는 열이 기화열이다. 에어컨은 압축기로 압력을 크게 변화시켜 기체 상태였던 냉각제를 액체로 응축한 후 압력을 낮춰서 증발기 안에서 액체 상태의 냉각제가 다시 증기로 기화할 때 열을 빼앗아 주위의 온도를 낮춘다. 에어컨과 냉장고에 의한 냉각은 많은 기화열을 효율적으로 얻을 수 있는 간단한 냉각 사이클을 통해 이루어진다. 열은 원래 높은 온도에서 낮은 온도로 이동하지만 에어컨의 냉각 사이클을 통해서 반대 방향인 낮은 온도의 실내에서 높은 온도의 실외로 옮겨간다. 실내기에서는 찬 바람이 나오고 실외기에서는 더운 바람이 나온다. 냉장고도 마찬가지로 열이 낮은 온도의 기기 안에서 높은 온도의 기기 밖으로 옮겨간다.

구체적인 냉각 과정은 냉각제가 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기를 거치며 이루어진다.

1. 압축기

실외기 속에 있다. 기체 상태의 냉각제는 먼저 압축기에서 고온, 고압의 상태가 된다. 대부분의 냉각 시스템은 압축기를 작동하기 위해 전기 모터를 사용한다.

2. 응축기

실외기 속에 있다. 압축기를 나온 고온, 고압의 기체는 외부에서 흡입된 공기와 만나 식으면서 액체가 된다. 이 때 열을 방출하므로 실외기에서는 더운 공기가 토출된다.

3. 팽창밸브

실내기나 실외기 어느 한 곳에 있다. 좁은 곳을 통과할 때 유체의 속도가 커지고 압력이 낮아지는 현상을 이용해 모세관을 통과시켜 고압 상태인 액체의 압력을 낮춘다. 압력을 낮추어야 액체가 증발기에서 잘 증발될 수 있기 때문이다.

4. 증발기

실내기에 있다. 팽창밸브를 나온 액체 상태의 냉각제는 온도와 압력이 낮다. 이러한 액체는 주위의 더운 공기에서 열을 흡수해 기체 상태로 증발한다. 주위의 공기는 차가워 지고 팬이 돌면서 이 공기를 실내로 내보낸다. 완전히 증발된 기체는 다시 압축기로 들어가 냉각 시스템의 순환이 계속된다.

시원한 공기에는 전기에너지라는 대가가 필요하다

이렇듯 에어컨은 저온에서 고온으로 열에너지를 전달한다. 여기에 이상한 점이 있다. 뜨거운 국에 담긴 숟가락이 뜨거워지듯이 열에너지는 고온에서 저온으로 이동하는 것이 아닌가? 증기 엔진을 살펴보자. 이 열기관은 뜨거운 열원에서 열에너지를 얻어 바퀴를 돌리는 등의 일을 하는데 이 때 일부의 열은 저절로 낮은 온도로 흘러가 손실된다. 엔진을 아무리 잘 설계해도 주어진 열을 100% 일로 바꾸는 열기관을 만드는 것은 불가능하다. 이것이 열역학 제2법칙 이다. 이것은 자연계에 비가역적인 과정이 있음을 의미한다. 저온에서 고온으로 열에너지를 전달하는 대표적인 열 펌프인 에어컨은 열역학 제2법칙에 어긋나는 것처럼 보인다. 그러나 에어컨은 전기 에너지를 소비해야만 작동한다. 즉 저온에서 고온으로 열에너지를 전달하기 위해 그보다 더 많은 에너지를 소모하므로 계 전체의 엔트로피는 증가하게 되고 결국 열역학 제2법칙을 만족시킨다. 에어컨이 없는 여름을 생각할 수 없는 세상이 되었지만 시원한 공기가 저절로 주어지는 게 아니라는 것을 고려한다면 지나친 냉방을 삼가게 될 것이다.

참고문헌: Oxtoby, [현대일반화학], 박영동 역, 자유아카데미, 2000