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서울시립과학단 SEOUL SCIENCE CENTER

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이동하고 흘러가는 흐름, 순환(Cirulation)

에너지에 대한 이해를 바탕으로 도시의 혈액인 에너지의 생산 및 이동, 재생산에 대한 원리를 알아본다. 또한 우리나라 정보통신기술(ICT)의 발달을 이끈 서울의 역사적 현장과 이 속에서 기술적 성장을 만든 사람들의 이야기를 만나본다.

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정전기를 모으면 얼마나 세질까?
R전시실 태그 이미지핵심과학 콘텐츠
라이덴병방전전기전기와 자기정전기정전기 유도물질과 전자기장

정전기(마찰전기)를 발생시켜 라이덴병에 충전한 후, 일시적으로 방전되면서 일어나는 현상을 체험자들이 동시에 느껴보는 체험을 한다. 이를 통해 정전기의 발생과 특징, 충전과 방전, 라이덴병에 전기가 저장되는 원리 등을 이해한다. 자세히 보기
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1 정전기를 모으면 얼마나 세질까?
정전기의 발견

정전기는 전하가 이동하는 전류와는 다르게 전하가 정지하여 한 곳에 모여 있는 전기를 말하며 마찰전기라고 부른다. 기원전 550년 경에 고대 그리스 철학자 탈레스(Thales, BC 624 ~ BC 545)는 나무 수액이 흘러내려 단단하게 굳은 호박에 헝겊을 문지르면 호박에 종이 조각이나 마른 잎 조각들이 달라 붙었다는 기록을 남겼다. 이때 사람들은 호박 속에 신이 숨어 있다고 생각하여 멀리한 사람들도 있었다.

영국의 과학자 윌리엄 길버트(William Gilbert, 1540 ~ 1603)는 정전기를 과학적으로 연구하여 유황, 유리, 가죽이나 면 등에서도 호박과 같은 현상이 나타나는 것을 발견하였다. 1660년 독일의 오토 게리케(Otto Guericke, 1602 ~ 1686)는 대량으로 정전기를 만들 수 있는 장치를 만들었고 전기는 끌어당기는 힘과 미는 힘이 있다는 사실을 발견하였다. 1729년 스테판 그레이(Stephen gray, 1670~1736)는 물질을 도체와 부도체로 구분하였고 도체는 전기가 쉽게 빠져나가므로 부도체에서 정전기가 잘 발생한다는 것을 알아내어 이때부터 한 곳에 머물러 있는 전기 즉, ‘정전기’개념이 생기기 시작했다. 

독일의 폰 클라이스트(Paul Ludwig Ewald von Kleist, 1881 ~1954) 와 네덜란드 라이덴 대학의 물리학자 반 뮈센브루크(Pieter van Musschenbro다, 1692 ~ 1761)는 1745 ~ 1746년 유리병에 담은 물을 대전시키기 위해서 코르크 마개로 병 입구를 막고 중앙에 긴 못을 꽂아 물을 대전시켜 전기를 모으는 ‘라이덴병’을 발명하였다. 라이덴 병은 최초로 발명된 축전기라고 할 수 있다. 전기를 저장하는 것이 무척 신기했던 당시에는 신기한 실험이 많이 이루어 졌다. 프랑스에서는 근위병 180명이 손을 잡고 둥글게 서 있다가 앞 사람이 라이덴병에  손을 대는 순간 전기충격으로 근위병들이 동시에 공중으로 펄쩍 뛰어오르는 모습을 왕에게 보여 주기도 했다. 1752년 벤자민 프랭클린(Benjamin, 1706 ~ 1790)은  비 오는 날 연을 날려 번개로 라이덴병을 충전시키는 방법으로 번개가 전기임을 입증했다. 그는 피뢰침을 발명하여 많은 사람의 목숨을 구하는데 공헌하였다.  1938년 미국의 체스터 칼슨(Chester Carlson, 1906 ~ 1968)은 정전기 현상을 이용하여 복사기를 발명하였다.

정전기의 활용
일상생활에서의 정전기는 미세해서 불쾌감을 느끼는 정도이지만, 첨단 기술 분야에서는 반도체 칩의 파손이나 주유소 화재로 이어질 수 있다. 하지만 정전기는 새로 생기는 에너지로써 미래에 유용할 수도 있는데, 정전기 발전소나 전기자동차 배터리 충전 기술 등에 사용할 가능성이 있다. 스마트 시대에 접어든 21세기에는 일상생활의 액정터치기술이나 웨어러블 디바이스를 작동하는데 정전기가 사용될 수 있다.

생활 속에서 발생하는 정전기는 정전기 방지 스프레이, 정전기 방지 열쇠 걸이 등을 활용하여 정전기를 방지할 수 있다. 첨단기술 분야에 일하는 전자 기술자들은 정전기로 인한 반도체 회로 부품의 파손 방지를 위해 접지 선이 달린 특수한 옷을 입거나 손목 밴드를 사용하여 전하들이 쌓이지 않도록 한다. 또한 비행기에서 발생하는 정전기는 매우 위험하므로 날개 끝에 방전기를 달아 전하를 미리 방전시키고 있다.
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나도 에너지를 만들 수 있을까?
R전시실 태그 이미지핵심과학 콘텐츠
발전기의 원리신재생 에너지에너지열병합발전전기전자기 유도 법칙페러데이 법칙에너지 전환과 보존운동과 에너지발전기

자전거 페달을 굴려 발전기에서 전기가 생산되는 과정을 체험함으로써 운동에너지가 전기에너지로 변환되는 현상을 이해한다. 또한 과학관에서 사용하고 있는 친환경 에너지에 대해 알아본다
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R 전시관 2번 전시물 이미지
2 나도 에너지를 만들 수 있을까?
에너지 보존법칙과 에너지 전환

에너지는 ‘일을 할 수 있는 능력’을 말한다. 장난감 자동차를 움직이게 하려면 경사면이 높은 곳에 놓거나 건전지를 사용하면 되는데 이때 위치에너지와 전기에너지가 필요하다. 이처럼 에너지의 종류는 운동에너지, 위치에너지, 열에너지, 빛 에너지, 소리에너지, 전기에너지, 화학에너지 등 많은 형태가 있다.

자연계에서 항상 적용되는 법칙이 '에너지 보존의 법칙'이 있다. 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 전환될 수 있어도 에너지의 총합은 항상 일정하다는 것이다. 예를 들어, 장난감 자동차를 경사면 위에 놓으면 내려간다. 이때 장난감 자동차가 가지는 위치에너지가 점점 운동에너지로 전환 되면서 빨라지지만 처음 자동차가 가진 에너지 총합은 자동차가 지면에 닿았을 때의 에너지 총합과 같다는 것이다.

19세기 중반에 열에너지가 운동에너지로 전환된 증기기관이나 전기에너지가 운동에너지로 전환되는 전동기 등을 바탕으로 '에너지'라는 개념이 생겼다. 1842년대 독일의 로버트 마이어(Robert Meyer, 1814 ~ 1878)는 『무생물계의 힘에 관하여』에서 “물체의 낙하 운동, 열, 자기, 화학적 에너지는 모두 동일한 대상이며, 단지 여러 가지 현상과 형태를 취한 것뿐이다.”라고 하며, 에너지 보존법칙에 관한 이론을 발표하였다. 하지만 당시에는 학계의 인정을 받지 못하다가 1870년대에 들어서야 ’에너지 보존 법칙’이 자연과학 전반에 적용되는 근본 법칙임을 인정받았다.

제임스 줄(James Joule, 1819 ~ 1890)은 마이어와는 독립적으로 정량적인 실험을 통하여 같은 결론에 도달하였다. 1840년 바늘을 통하여 흐르는 전류에 의해 생기는 열을 이용한 전류의 열 효과에 대한 연구를 통해 전기에너지가 열에너지로 전환되는 것을 발견하였다. 또한 1843년 추를 낙하시켜 추의 위치에너지가 물의 온도를 올리는 실험장치를 만들어 에너지와 열과의 관계를 밝혀 냈다.

이와 같이 에너지는 여러 형태로 전환이 된다. 최근에는 화석연료로 인한 환경문제 에너지 고갈 문제의 해결책으로 태양에너지, 지열에너지, 바이오에너지, 수소에너지 등 신재생에너지를 실용화하고 있다. 또한 지속 가능한 에너지 생산을 위하여 걸어 다니면서 몸의 움직임을 통해 전기를 생산하거나, 계단을 오르거나 내릴 때의 누르는 힘에 의해 전기를 만드는 등 자연이나 인간의 동력을 통해서도 전기 에너지를 얻는 방법들이 실용화되고 있다.
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빛으로 물을 끓일 수 있을까?
(1) 프레넬 렌즈
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굴절의 법칙볼록렌즈오목렌즈빛의 이중성에너지빛과 파동전자기파프레넬 렌즈

프레넬 렌즈를 통과한 레이저의 이동 경로를 확인한다. 자세히 보기
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3 빛으로 물을 끓일 수 있을까?
(1) 프레넬 렌즈
빛의 연구와 렌즈의 발달

빛은 인류문명 초기부터 물리학, 철학, 의학, 신학 등 여러 학문에서 언급되고 있다. 최초로 빛을 연구한 사람은 고대 프톨레마이오스(Ptolemaeus, 85? ~ 165?)로 그는 사람이 물체를 볼 수 있는 것은 눈에서 나온 빛이 물체에 닿아 반사하기 때문이라고 생각했다. 중세의 이슬람 과학자 이븐 알 하이삼(Ibn al-Haytham, 965~1040)은 『광학의 서』라는 책에서 빛의 직전, 분산, 반사, 굴절 등 자신이 직접 관찰한 현상을 기록해 놓았다. 그는 프톨레마이오스와 달리 우리가 물체를 보는 것은 태양이나 다른 광원에서 나온 빛이 물체에 닿아 반사하여 눈에 들어온다는 올바른 이론을 세웠다.

1615년 네델란드 과학자 윌레보드 스넬(Willebrod Snell, 1591~1626)은 진행하던 빛이 다른 물질을 만나게 되면, 입사각과 굴절각의 사인 값의 비가 일정한 값을 가진다는 사실을 발견하였다. 이것을 ‘굴절의 법칙’ 또는 ‘스넬의 법칙’이라고 부른다.

1704년 아이작 뉴턴(Isaac Newton, 1642 ~ 1727)의 저서 『광학』에는 태양광을 프리즘에 통과시켰을 때 빛이 굴절하게 되며, 굴절률에 따라 여러 색상으로 분해된다는 것을 관찰하였다. 1804년 영국의 윌리엄 월라스톤(William Wollaston, 1766 ~ 1828)은 최초로 안경에 사용하는 최초의 렌즈를 발명하였고, 1812년에는 이 렌즈를 카메라 옵스큐라(camera obscura)에 설치하여 그림을 그리는데 사용하였다.

1822년 오귀스탱 프레넬(Augustine Fresnel, 1788 ~ 1827)은 등대 빛을 평행광선으로 먼 곳까지 보내기 위해서 프레넬 렌즈(Fresnel lens)를 발명하였다. 이는 유리 렌즈보다 두께를 훨씬 줄일 수 있고, 플라스틱 재질로 만들어 가볍고 크기가 더 큰 렌즈를 만들 수 있는 장점이 있다. 빛을 굴절시키는데 기여하는 곳은 렌즈의 표면 곡선이므로 두께를 없애고, 이 곡면의 기울기를 유지한 채 프리즘처럼 붙여서 만든 것이 프레넬 렌즈이다.

오늘날 프레넬 렌즈는 태양빛을 모으는 집광렌즈, 등대나 탐조등, 무대 조명에서부터 넓은 시야를 제공하는 버스나 캠핑용 자동차의 후면경, 돋보기 및 오버헤드 프로젝터(overhead projector)에 이르기까지 널리 이용되고 있다.
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빛으로 물을 끓일 수 있을까?
(2) 물 끓이기
R전시실 태그 이미지핵심과학 콘텐츠
굴절의 법칙볼록렌즈오목렌즈빛의 이중성에너지빛과 파동전자기파프레넬 렌즈

광원에서 나온 빛을 볼록렌즈를 이용해 중앙의 물통에 모으고 빛 에너지로 물을 끓어오르게 한다. 이 체험을 통해 빛의 굴절과 열복사에 대한 원리를 이해한다
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공기의 흐름 변화를 알아볼까?
R전시실 태그 이미지핵심과학 콘텐츠
베르누이의 정리일과 에너지힘과 에너지

공기통에 공기를 주입하고, 공기가 노즐이 넓은 것과 좁은 것을 통과할 때, 속력의 차이가 발생하고, 압력의 차이가 생겨서 원반의 높이가 달라지는 것을 확인한다. 공기가 통과하는 단면적과 속력과의 상관관계를 통해 연속방정식을 이해한다.
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R 전시관 5번 전시물 이미지
5 공기의 흐름 변화를 알아볼까?
유체의 운동

유체란 공기나 물과 같이 흐르는 성질이 있고, 연속적으로 변형이 일어나는 기체나 액체를 말한다. 유체역학은 물이나 공기의 운동을 다루는 물리학의 한 분야로서, 오늘날 선박이나 항공기 운항 등 공학과 밀접한 관계를 가지고 있어 급격하게 발전하였다.

유체의 운동에 대한 해석은 연속방정식과 베르누이 원리로 이해할 수 있다. 유체가 연속적인 흐름을 유지한다고 가정했을 경우, 단위 시간에 관을 흘러 들어가는 물의 양이나 흘러 나오는 물의 양이 같아야 연속성이 유지된다. 이를 수식으로 나타낸 것이 ‘연속방정식’으로 “흐르는 유체의 단면적과 이동속도의 곱은 일정한 값을 가진다.”는 것이다. 이러한 식은 근본적으로 질량이 보존된다는 원리에서 유도될 수 있다. 따라서 관에 물이 단면적이 넓은 곳에서 좁은 곳으로 물이 흐를 때, 넓은 곳을 통과한 유체가 좁은 곳에 같은 양이 통과해야 하므로 유체의 속도는 빨라지게 되는 것이다. 반대로 수돗물이 아래로 갈수록 가늘게 되는 것처럼 유체의 속도가 빨라지면 유체의 단면적이 작아지기도 한다.

1738년 다니엘 베르누이(Daniel Bernoulli, 1700~1782)는 그의 저서 『유동체 역학』에서 유체의 이동 속력과 압력, 높이의 관계를 밝힌 유명한 ‘베르누이 원리’를 발표하였다. 이상적인 유체이고, 유체가 규칙적으로 흐를 경우 유체의 압력과 속력과의 관계를 밝힌 것으로 유체의 이동 속력이 빨라지면 압력이 낮아지고 반대로 속력이 느리면 압력이 높아진다는 원리이다. 이는 위치에너지와 운동에너지의 합이 일정하다는 역학적 에너지 보존법칙이 유체에 적용되는 것이다.

유체의 운동 원리가 적용된 것은 우리 주변에서 쉽게 발견할 수 있다. 연속 방정식과 관련된 것으로 물이 흘러갈 때 좁은 개울 물의 유속은 넓은 곳보다 더 빠르게 흐르는 모습을 관찰할 수 있다. 또한 호스에 물이 흐를 때 호스 입구를 눌러 물이 흐르는 면적을 좁게 하면 속력이 빨라져서 물이 멀리까지 나가게 된다. 최근에는 높은 건물이 많이 들어서는데 건물과 건물 사이 좁은 공간에 센 바람이 부는 것도 같은 원리이다.

베르누이 원리가 적용되는 예는 더 많다. 대표적으로 비행기 날개의 모양이다. 날개 위쪽은 둥근 모양이고 아래쪽은 편평하게 되어 있으므로 공기가 이동할 때 위쪽으로 더 빠르게 흐르게 된다. 따라서 날개의 위쪽은 압력이 낮고 아래쪽은 압력이 더 높게 되어 높은 압력에서 낮은 쪽으로 힘을 만들 수 있게 된다. 이 힘으로 비행기를 띄우는 양력이 생길 수 있다. 휘어지는 축구공도 마찬가지이다. 축구공 입장에서는 공기가 공을 향해 움직이고 있는 상황이다. 이때 공을 위에서 볼 때 시계 반대방향으로 회전하게 찬다고 가정하면 오른쪽은 공 회전방향과 공기 이동방향이 반대로 되어 압력이 높고, 왼쪽은 공기 움직임과 공의 회전방향이 같아 공기 이동이 빨라져 압력이 낮아진다. 따라서 공은 왼쪽으로 휘어지면서 갈 수 있게 된다.

또한, 날개 없는 선풍기나 자동차에서 연료와 공기를 섞어주는 벤추리 관이 있다. 날개 없는 선풍기는 원모양의 테두리에서 공기를 빠르게 나오게 압력을 낮추면 주변의 공기들이 힘을 받아 이동하게 만든 것이고, 벤추리 관에서는 좁게 만든 관의 아래쪽에 연료 관을 수직으로 끼워 공기를 빠르게 지나갈 때 압력이 낮아 아래쪽 연료를 자동으로 위로 올라오게 만든 장치이다.

‘서울시립과학관’에서 베르누이의 원리를 살펴볼 수 있는 체험물은 ‘R05 공기의 흐름 변화를 알아볼까?’뿐만 아니라, G전시실의 ‘G11 빌딩 사이에서 바람이 어떻게 불까? 등이 있다. 다른 전시실에 있는 체험물을 체험하면서, 베르누이의 원리에 대해 더 자세히 알아보자.
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마찰이 없을 때 물체는 어떻게 이동할까?
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관성의 법칙마찰력운동과 마찰에너지물체의 빠르기운동과 에너지힘과 운동

마찰이 있는 일반 테이블과 마찰을 최소화한 에어 테이블 위에 원판을 동일한 초기 속도로 출발시키면 마찰의 차이에 따라 원판의 움직임이 달라지며, 마찰이 없을 때 외력이 주어지지 않으면 물체는 등속 직선운동을 한다는 것을 상부 카메라 이미지를 통해 직접 확인해 본다.
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R 전시관 6번 전시물 이미지
6 마찰이 없을 때 물체는 어떻게 이동할까?
물체의 운동

아리스토텔레스(Aristoteles, BC 384 ~ BC 322)는 기원전 4세기에 살았던 철학자이며 과학자였다. 그는 생물학, 물리학, 수학, 철학, 천문학, 정치학, 종교학, 교육학 분야에서 뛰어난 업적을 남긴 학자였다. 아리스토텔레스는 지상의 물체는 물, 불, 흙, 공기의 네 원소로 이루어져 있다고 믿었으며 원소는 다른 원소들을 찾아서 운동을 한다고 믿었다. 예를 들어 공을 던져 물체가 손을 떠나면 공기가 교란되면서 물체 뒤로 와 물체를 앞으로 나아가게 하여 계속 운동 할 수 있다는 것이다. 따라서 아리스토텔레스는 물체가 일정한 속력으로 운동을 계속하기 위해서는 일정한 크기의 힘이 계속 필요하다고 주장했다. 또한 같은 높이에서 물체를 떨어뜨린다면 무거운 물체가 가벼운 물체보다 먼저 땅에 도착한다고 믿었다.

거의 2천여년 동안 이어진 물체의 운동에 대한 이러한 생각은 17세기 갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei, 1564 ~ 1642)의 등장으로 바뀌게 된다. 갈릴레이는 『두 개의 새로운 과학』이란 책에서 낙하 운동은 등가속도 운동이며, 무거운 물체와 가벼운 물체를 동시에 낙하시키면 동시에 땅에 떨어진다고 주장하였다. 빗면 실험을 통해 물체가 빗면을 따라 움직인 거리는 시간의 제곱에 비례하고, 물체의 질량에 상관없다는 것을 발견했고, 이를 증명하기 위해 1591년 갈릴레이는 피사의 사탑에서 질량이 서로 다른 두 개의 추를 낙하시키는 공개실험을 했다는 이야기가 전해져 오고 있다. 또한 갈릴레이는 마찰을 거의 받지 않은 표면이 매끄러운 구슬은 같은 높이에 이르지 않으며, 마찰이 없으면 구슬이 계속 굴러갈 것이라고 생각하였다.

아이작 뉴턴(Isaac Newton, 1643 ~ 1727)은 갈릴레이의 업적을 바탕으로 물체의 운동에 대한 3가지 법칙을 정리한 『프린키피아』를 출판하였다. 뉴턴 제1법칙은 갈릴레이로부터 영감을 받아서 한 번 운동한 물체는 계속 그대로 운동한다는 ‘관성의 법칙’으로 표현했고, 제2법칙은 ‘가속도 법칙’으로 물체가 힘을 받으면 속력이 증가하거나 감소한다는 것이다. 제 3법칙은 작용과 반작용 법칙이다. 뉴턴의 제2법칙(F = ma)에 의하면 힘이 일정하게 작용하는 경우 물체의 속도는 일정한 비율로 증가하는데 이를 ‘등가속도 운동’이라고 한다. 하지만 힘이 작용하지 않은 물체는 가속도가 0이고 속력이 일정하게 유지되므로 관성에 의해서 그대로 운동을 계속 하게 된다.

마찰력이란 물체의 운동을 방해하는 힘으로 항상 물체의 운동 방향과 반대 방향으로 작용한다. 따라서 힘이 물체의 운동과 반대방향으로 작용하고 있으면 운동하는 물체는 속력이 점점 줄어들면서 결국 정지하게 된다. 이러한 운동은 등가속도 운동으로 속력이 일정하게 증가하거나 감소하는 운동에 해당한다. 하지만 공기 중에 원반을 띄워서 마찰을 최대한 줄인 상태로 원반을 한 번 밀어주면 운동하던 물체는 관성에 의해서 속력이 일정하게 계속 운동을 하게 될 것이다. 이를 등속직선운동이라고 하며, 운동하던 물체는 힘을 받지 않아도 계속 등속직선운동을 할 수 있다. 이러한 운동은 마찰력이 없는 곳에서 가능하다.
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도시를 움직이는 에너지원에는 어떤 것이 있을까?
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신재생 에너지에너지원에너지에너지 전환과 보존에너지 발전

도시의 모든 시스템이 어떤 에너지원을 통해 운영되는지를 살펴보는 정보 영상을 통해 석탄, 석유, 가스, 전력으로 구성된 도시를 움직이는 기본 에너지원의 종류와 특성을 알아보고 도시 동력의 원천이 되는 각 에너지의 역할과 중요성에 대해 이해한다.
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7 도시를 움직이는 에너지원에는 어떤 것이 있을까?
신재생에너지의 사용

국제에너지기구(IEA)는 화석연료 사용에 대해 2008년 “현재와 같은 에너지 수급 추세는 명백히 지속 불가능하다(unsustainable).”고 하였다. 또한 화석연료에 의한 심각한 대기오염과 건강 피해, 온실가스 배출, 에너지 빈곤층 확대 등의 문제점에 대해서도 지적하였다. 이에 국제사회가 추구하는 기후변화 완화 2 ℃ 목표 달성을 위해 ‘에너지의 효율 향상’과 풍력이나 태양광 등 ‘신·재생에너지 보급 확대’ 등 지속 가능한 에너지로 온실가스를 감축해야 한다고 호소하고 있다.

세계 에너지는 75%가 도시에서 소비되고 온실가스의 80% 정도가 도시에서 배출되고 있다. 이에 친환경 도시, 에너지 자립 도시를 위해 식량, 물, 에너지 등 필수자원의 외부 의존을 줄이고 폐기물과 온실가스 등 오염물질 배출을 최소화하는 신재생에너지 자립 도시로 삶의 질을 높이는 지속 가능한 도시를 만들려고 한다.

신재생에너지는 ‘기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛·물·지열·강수·생물유기체 등을 포함하여 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지’를 말한다. 신에너지에는 연료전지, 수소, 석탄액화·가스화가 있고, 재생에너지에는 태양광, 태양열, 바이오, 풍력, 수력, 해양, 폐기물, 지열이 있다.

신재생에너지 도시에서는 자전거 도로, 방음터널, 주차장 등에 태양전지를 설치하여 빛에너지를 전기에너지로 전환시켜 태양광 안심가로등 등에 전기를 사용하고 있다.

지열 냉·난방 설비는 지표면 300 m 이내에 저장되어 있는 15 ℃ 온도를 이용한 시스템으로 여름에는 실외에 시원한 지열이 공급되고, 영하의 추운 겨울에는 따뜻한 지열이 공급되는 방식으로 현재의 냉·난방 시스템 보다 훨씬 높은 효율을 가지고 있다.

또한 바다에서는 조력, 해류, 파력, 해수 온도 차이 등 다양한 방법으로 전기에너지를 얻고 있다. 파력 발전은 부표나 실린더를 띄워 놓고 파도의 상하운동을 피스톤운동으로 바꿔 전기에너지를 얻는 방법으로 상용화되고 있다.

사탕수수나 미생물 등 생물체로부터 에너지원으로 사용할 수 있는 메테인(CH4)가스나 에탄올 등을 얻는 바이오매스 에너지는 자동차 연료로 많이 사용되기도 한다. 이러한 신재생에너지를 이용하여 전기를 얻거나 화석 연료를 대체할 수 있는 가스나 연료를 얻는 것이다.

전기에너지 사용량은 전기가 일을 할 수 있는 능력으로 ‘전력×시간’으로 나타내며 이를 ‘전기에너지’ 또는 ‘전력량’이라고 한다.
전력은 ‘전류×전압’으로 1초 동안 소비하는 전기 에너지로 W(와트)로 나타낸다. 따라서 전력량은 여기에 시간을 곱하여 구하게 되고 단위는 Wh(와트아우어)가 된다. 1 Wh는 1 W의 전력을 한 시간 동안 사용하였을 때의 전력량이 되고, 1 kWh = 1000 Wh, 1 MWh = 1,000,000 Wh가 된다.
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쓰레기는 썩어서 무엇을 남기나?
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가수분해매립가스신재생 에너지생태계와 환경

쓰레기가 부패할 때 일어나는 화학 작용을 영상으로 살펴보고, 발생하는 매립 가스를 재활용하여 에너지원으로 사용하는 과정을 모형으로 체험한다. 서울 난지도를 기준으로 발생하는 매립 가스의 종류와 사용 현황을 알아본다. 자세히 보기
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8 쓰레기는 썩어서 무엇을 남기나?
매립가스 LFG

매립가스(LFG : Landfill Gas)를 쉽게 설명하면 쓰레기 더미에서 발생하는 기체라고 말할 수 있다. 주로 메테인(CH4) 50 ~ 60%, 이산화탄소(CO2) 30 ~ 50%로 구성되어 있으며, 매립지에 매립된 폐기물 중 유기 물질이 혐기성 조건(즉 산소가 없는 조건)에서 분해되어 발생한다.

쓰레기가 쌓이게 되면 여러 가지 화학 반응이 일어난다. 처음에 쓰레기가 쌓였을 때는 산소가 있으므로 호기성 분해 단계가 진행되고, 이 때는 메테인이 거의 생성되지 않는다. 그러나 곧 산소가 모두 소비되고 산소가 없는 혐기성 조건이 되면, 메테인을 생성하는 세균이 폐기물을 분해하여 메테인을 발생시킨다.

메테인은 불이 잘 붙어 화재의 위험성이 있으며, 온실 효과를 일으키는 온실 기체로서 온실 효과에 영향을 미치는 정도도 이산화탄소보다 훨씬 더 강력하다. 따라서 매립지에서 발생하는 매립 가스를 적절하게 처리해야 하는데, 소규모 매립지의 경우 발생하는 기체를 공기 중으로 발산하거나 태워버린다. 대규모 매립지의 경우 난지도 매립지와 같이 발생하는 기체를 열원으로 재활용하는 방법을 이용한다. 매립 가스의 재활용은 환경적 측면, 경제적 측면에서 긍정적인 효과를 가져올 수 있으며, 매립지의 위생적이고 효율적인 관리에 대한 사회적 인식을 높이는 효과가 있다.
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ICT 서울의 어제와 오늘, 그리고 내일
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ICT벤처기업소프트웨어정보통신컴퓨터게임

CT 기업을 창업하기 위한 4단계를 살펴보고 미래에 창업을 할 수 있는 아이템에 대한 아이디어를 생각해본다. 또한, 미래의 ICT 기업가를 꿈꾸며 대형 잡지 표지 모형 앞에서 표지 모델의 주인공이 되어보는 체험을 한다
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데이터 클러스터
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강수량강우량기상관측 데이터대기상태도로교통정보빅데이터

서울시에서 제공하는 실시간 빅데이터를 시각적으로 표현한 사이아트(Sci-Art)를 관람한다. 여러 데이터를 점·선·면으로 치환하여 LED와 구조물로 연출한 작품을 통해 데이터를 다양한 관점으로 재해석 하는 과정을 이해한다.
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17 데이터 클러스터
데이터 클러스터
서울시에서 생산하는 빅데이터를 시각적으로 구성한 사이아트(Sci-Art) 작품이다.
작가는 3종류의 빅데이터를 점·선·면으로 구분하고, LED의 색상 변화와 금속구의 움직임으로 나타냈다. 이 작품은 3단으로 구성되어 있다. 상단에는 LED 전구가 점으로 빛을 발하며 서울시의 눈, 비, 낙뢰 등의 기상 현황을 표현한다. 중단에는 선으로 연결된 LED가 서울시의 기온, 습도, 풍향과 같은 기상관측데이터를 표현한다. 하단의 평면은 어제의 일출과 일몰 시간이 LED로 시각화되어 나타난다. 또한 하단에 연결된 줄에 매달린 금속구가 모터에 의해 움직이며 ‘서울시립과학관’ 주변 지역의 실시간 교통정보를 표현한다. 이렇게 서울시의 기상 현황, 기상관측데이터, 실시간 교통정보 3종류의 빅데이터를 키네틱 아트(Kinetic Art-움직이는 예술 작품)로 표현한 작품이 <데이터 클러스터>이다.
 
빅데이터
기존의 데이터보다 규모(Volume)가 방대하고, 수치, 문자, 영상, SNS 등 다양한(Variety) 종류의 데이터를 의미한다. 데이터는 매우 빠른 속도(Velocity)로 생산되기 때문에 이를 실시간으로 저장, 유통, 수집, 분석하는 것이 중요하다. 분석자가 통찰력을 가지고 데이터를 필요에 따라 가공하면, 사용자가 원하는 가치(Value) 있는 정보를 얻어낼 수 있다.
 
과학기술분야의 미래유망직업
앞으로 세계는 국경 없는 경쟁과 과학기술의 발달로 수많은 가능성이 열려있다. 한국과학기술기획평과원(KISTEP)에서는 이공계 각계전문가들과 자료조사를 통해, 미래사회안전분야(2015), 사회격차해소분야(2016)에서 유망신직종을 선정하였다.
과학기술분야 미래 유망 직종과 다양한 분야의 이공계 관련 직종을 살펴보며 앞으로 관련 자격증과 적성 등을 고려해 이공계 전공자가 택할 수 있는 광범위한 직업의 세계를 이해하고 미래 나의 모습을 상상할 수 있다.
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움직임은 어떻게 전달될까?
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그림자빛에너지운동에너지전기에너지

기계가 움직이기 위해서는 수많은 부품이 서로 그 움직임을 전달해 주어야 한다. 움직임을 전달하는 ‘로봇’ 잭슨을 통해 사람이 활용하는 빛, 전기, 열 등의 다양한 에너지가 어떤 에너지를 활용해 얻어지고 우리에게 전달되는지 생각해본다.
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릴레이 톱니바퀴를 돌려보면?
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기계요소기계운동동력전달장치

기어를 다양한 형태로 조립해보며 기어의 작동 원리에 대해 이해한다.
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움직임의 변환, 어떻게 바꿀 수 있을까?
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기계요소동력전달장치기계운동의 원리기어링크회전운동

대표적인 기계장치인 기어, 캠, 링크를 이용해 운동 방향에 변화가 생기는 것을 체험을 통해 이해한다
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진자가 흔들릴 때 옆의 진자를 흔들리게 할 수 있을까?
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관성의 법칙에너지역학적 에너지진자에너지 전환에너지 보존운동

진자 운동을 관찰하여 진자의 움직임이 전달되는 공진현상을 체험하고 이해한다.
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21 진자가 흔들릴 때 옆의 진자를 흔들리게 할 수 있을까?
진자가 흔들릴 때 옆의 진자를 흔들리게 할 수 있을까?

두 물체의 고유진동수가 같으면 가능하다. 물체는 진동을 할 때 물체가 지닌 고유한 진동수로 진동을 하게 된다. 이때 외부에서 물체의 고유진동수와 같은 진동수로 힘을 가하면 물체의 진폭이 점점 커지게 되는데, 이러한 현상을 ‘공진’이라 한다. 공진은 어떤 물체의 에너지가 다른 물체에 전달되는 현상으로 서로 길이가 다른 진자가 매달려 있을 때 어느 한 진자의 주기와 같은 주기로 공진은 이심전심하고 비슷하다. 공명현상이 일어난다는 것은 힘과 속도의 방향이 같아서 연속적으로 물체의 운동방향으로 밀어내기 때문에 진폭이 커짐을 의미한다.

흔들리는 램프를 보고 갈릴레오가 발견한 것은?

괘종시계의 추처럼 한 점에 고정되어 매달려 움직이는 물체를 진자라고 하고 이 물체가 운동하는 것을 진자운동이라고 한다. 진자의 주기는 추의 질량이나 진폭의 크기와 관계없이 언제나 같다.(단, 진폭이 크지 않을 때) 진자의 주기는 중력의 크기와 실의 길이에만 영향을 받는다. 이를 진자의 등시성이라고 하며 갈릴레오가 피사의 사원에서 램프가 바람에 흔들리는 것을 보고 발견했다. 램프의 무게가 가벼우나 무거우나 한 번 갔다 오는 데 걸린 시간(주기)은 같았던 것이다. 괘종시계는 진자의 등시성을 이용하여 만든 장치이다. 진폭이 작은 진자일 때, 단진자의 주기는 진자의 질량이나 진폭에 영향을 받지 않는다.
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세상을 관찰하는 또 다른 방법 “적외선”
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전자기파

우리 눈에는 보이지 않는 빛인 적외선에 대해 이해하고, 열을 감지하는 적외선 카메라를 이용해 열에 대해 다각도로 관찰 및 체험을 하며 열 현상에 대해 알아본다.
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22 세상을 관찰하는 또 다른 방법 “적외선”
적외선의 발견

영국의 천문학자 윌리엄 허셀(1738-1822)은 스펙트럼으로부터 분리되는 색깔들의 온도를 측정하기 위하여 각 색깔들에 수은온도계를 설치하여 온도를 측정했는데 우연히 빛이 보이지 않는 부분에서도 온도가 상승하는 것을 발견했다. 이는 열기가 눈에 보이지 않는 빛의 상태로도 전달된다는 사실을 발견한 최초의 실험이었다.

적외선의 분류와 응용

적외선은 전자기파 중의 하나로 가시관선보다 파장이 길고 전자레인지에 사용하는 마이크로파보다는 파장이 짧다. 적외선 카메라를 사용하면 우리가 평소에는 보지 못하던 것들을 발견할 수 있다. 예를 들어 적외선 카메라로 잉크를 구분하여 위조 문서나 위조 미술품을 찾아낼 수 있고, 수사현장에서 새로운 단서를 얻을 수 있다.
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전류의 세기가 변하는 이유는?
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병렬연결옴의 법칙직렬연결전기자기전자기장

전압과 저항을 변화시키며 전류를 측정하는 체험 장치를 실험 장치와 시뮬레이션 장치로 체험하며 옴의 법칙에 대해 탐구한다, 자세히 보기
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23 전류의 세기가 변하는 이유는?
옴의 법칙

옴의 법칙(Ohm's law)은 도체의 두 지점 사이에 나타나는 전위차(전압)에 의해 흐르는 전류가 일정한 법칙에 따르는 것을 말한다. 두 지점 사이의 도체에 일정한 전위차가 존재할 때, 도체의 저항(resistance)의 크기와 전류의 크기는 반비례한다. I 는 도선에 흐르는 전류로 단위는 암페어(A,ampere), V 는 도체에 양단에 걸리는 전위차로 단위는 볼트(V,volt), 그리고 R 는 도체의 전기저항(resistance)으로 단위는 옴(Ω, ohm)이다. 특히, 옴의 법칙에서 저항 R는 상수이고, 전류와 독립적이다.
회로망에서 저항은 두 노드(node) 사이에 존재한다. 옴의 법칙은 다른 회로 법칙과 함께 회로 해석에 중요한 요소이다. 저항은 물리적으로 특정 형태를 갖는 일정한 길이의 물체로 존재하므로, 전체 전위차가 저항체의 길이 전체에 나누어 분포한다. 그러나 회로망 해석에서는 두 노드 사이에 존재하는 한 점으로 모델링하여 전체 저항값(상수값)을 저항의 대표값으로 취급하여 해석한다.
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서로 다른 색의 빛이 섞이면 어떻게 될까?
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빛의 합성그림자

조명기구와 다양한 색 필터를 이용해서 빛의 색을 합성해 보며, 체험을 통해 빛의 성질을 이해한다
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24 서로 다른 색의 빛이 섞이면 어떻게 될까?
빛은 모든 종류의 전자기 파동(일정한 떨림)을 말하는데 특히 사람의 눈으로 볼 수 있는 영역의 전자기 파동인 가시광선만을 말하기도 한다. 가시광선은 파장의 길이에 따라 고유의 색을 띄는데 편의상 빨강색-주황색-노랑색-초록색-파랑-남색-보라색을 기본으로 구분하여 지칭한다.

물체는 어떻게 색을 띄게 될까?

물체가 특정색을 띄는 것은 그 물체의 표면에 닿는 수많은 빛 중 그 물체가 반사시키는 빛의 색이 그 물체가 띄는 색이 된다.
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인증샷 전자방명록
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멘델반트호프베르거베일리스테슬라파블로프파스퇴르

‘서울시립과학관’의 주요 전시물과 관련된 과학자와 함께 기념 촬영을 한다. 촬영 사진은 체험자가 본인의 메일로 전송할 수 있다.
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노래하는 의자
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도체반도체부도체전기전기회로전자기장

긴 의자의 양쪽 팔걸이에 전류 판을 설치하고, 인체가 전선이 되어 양쪽 전류 판을 연결하면 음악이 나오는 것을 체험한다.
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26 노래하는 의자
사람의 몸에도 전기가 통할까?

영국의 물리학자이자 전자기학자인 스티븐 그레이(1690-1736)는 사람의 몸에도 전기가 통할 수 있는지 알아 보기 위해 실험을 했다. 실험을 위해 한 소년을 튼튼한 끈으로 묶어 천장에 매달아 놓은 후 유리 막대를 다른 물체로 문질러 전기를 띠게 하여 준비했다. 그는 대전된 유리 막대를 소년의 발바닥에 댄 후 자신의 손을 소년의 머리카락에 갖다 대었더니 따끔따끔한 느낌을 받았다. 그는 이 실험을 통해 사람의 몸에도 전기가 통한다는 사실을 알아냈다.

 전기 실험을 할때 마다 유리 막대를 문질러야 할까?

18세기까지 과학자들은 전기에 관한 실험을 할 때마다 유리 막대를 손으로 문질러 전기를 얻어야 했다.
이러한 불편한 일은 최초의 축전기 '라이덴 병'이 발명되면서 사라졌다. 전기를 저장한다는 것이 신기했던 당시에는 라이덴병과 관련하여 특이한 실험도 많이 했다. 그 중 한 실험에는 180명이나 되는 근위병들이 동원되었다.
근위병들이 서로 손을 잡고 둥근 원을 만든 후 중간의 두 명의 병사만 손을 떼어 충전된 라이덴 병을 잡게 했다. 라이덴병에 저장되어 있던 전기가 근위병들을 통하여 흘러 그들 모두 따끔따끔한 느낌을 받을 수 있었다. 이 실험을 비슷하게 재현시킨 전시물이 "R03 정전기를 모으면 얼마나 세질까?"이며, 전시물 아래에 라이덴병이 숨어있다.
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진자가 왜 뱀처럼 춤출까?
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관성의 법칙에너지역학적 에너지진자에너지 전환에너지 보존운동시간공간

길이가 다른 진자의 운동으로 연출되는 뱀이 기어가는 듯 한 모습을 확인해보고 진자의 길이에 따라 주기가 달라짐을 탐구한다.
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아인세 인포메이션 월
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SNS네트워크사이버 폭력인터넷 윤리

‘아름다운 인터넷세상(아인세)’ 전시공간을 통해 첨단 디지털산업이 발달하고 있는 대한민국에서 떠오르는 문제인 사이버폭력을 알아보고 사이버폭력의 대처요령에 대해 알아본다.
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아인세 맵핑 월
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인터넷 윤리역량

인터넷의 발달은 편리함을 가져오지만 부작용도 있다. 올바르게 인터넷을 사용하기 위해 개개인이 갖추어야할 역량에 대해 알아본다
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홀로그램 웹툰 <아름이와 다운이의 사이버폭력 없는 학교 만들기>
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유사 홀로그램SNS사이버폭력

사이버폭력은 가해자뿐만 아니라 방관자에게도 책임이 있으므로 경각심을 가지고 적극적으로 사이버폭력 문제 해결에 참여하도록 한다.
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인터랙티브 미디어 월
<아인세 야구>
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객체 트레킹모션센서인터랙티브AR운동에너지

야구장의 포수가 되어 악성 댓글이 아닌 긍정적인 말이 쓰여져 있는 선플 공을 잡아 인터넷 사용 시 곱고 올바른 말을 사용해야 함을 일깨운다.
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인터랙티브 애니
<아인세와 함께 댕댕이 찾기>
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인터랙티브스토리게임SNSURL검색데이터온라인 커뮤니티정보처리

가상공간과 현실공간의 경계가 흐려지는 21세기에서 현실에서 일어날 법한 사건을 모티브로 하여 SNS를 활용한 긍정적 인터넷 문제해결 사례를 소개한다
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아인세를 지켜라!
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대포입력장치잠수정조이스틱

조이스틱을 사용하여 대포를 쏘아 콘텐츠 불법 사용, 악성댓글, 개인정보유출과 같은 단어를 제거한다. 이를 통해 온라인 공간에서 윤리적으로 해서는 안 되는 행동에 대한 경각심을 가진다
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달려라! 인터넷세상 지킴이!
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자동차가속도엔진속도원심력운동에너지마찰력브레이크핸들

레이싱 게임 속 인터넷 윤리에 관한 퀴즈를 풀며 올바른 인터넷 사용법과 잘못된 인터넷 사용법을 구별할 수 있고 비윤리적 행동을 피하려는 노력을 할 수 있다/
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아인세 포토존
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네온아름다운 인터넷 세상웰리진공관포토존플라스마

아인세를 상징하는 캐릭터 ‘웰리’와 함께 사진을 찍어 아인세 체험을 기념한다. 웰리의 이름처럼 함께 협력하고 공존하며 더욱 아름다운 인터넷 세상을 만들어가는 다짐을 할 수 있는 장소이다.
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안내데스크
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안내데스크

 
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오늘의 이벤트는?
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오늘의 이벤트

매일 과학관에서 재미있는 이벤트가 펼쳐집니다.

전시관과 관련된 이론을 다양한 체험 및 강연 등으로 쉽게 이해하기 위한 전시 연계 프로그램이 진행됩니다.

오늘의 이벤트 참여는 선착순으로 G전시실 체험 발권기에서 발권이 가능합니다.

체험 주제는 변경될 수 있으며, 주제별로 난이도에 따라 연령이 제한 될 수 있습니다.

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