009 다이오드
다이오드(diode)는 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 2단자 반도체 소자이다. 가장 일반적인 형태는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합한 p-n 접합 다이오드이며, 양극(anode)에서 음극(cathode)으로의 순방향에서만 의미 있는 전류가 흐른다.
전류-전압 특성
이상적인 p-n 접합 다이오드의 전류-전압 관계는 쇼클리 다이오드 방정식
I = I_s(e^(V/nV_T) − 1)로 근사된다. 여기서 I_s는 포화전류,
V_T = kT/q는 열전압(상온에서 약 25.85 mV), n은 이상도(1~2)이다.
실리콘 다이오드는 약 0.6~0.7 V, 게르마늄은 약 0.3 V에서 본격적으로 도통하며,
역방향 바이어스에서는 매우 작은 누설 전류만 흐른다.
활용
다이오드는 교류를 직류로 정류하는 회로의 핵심 부품이며, 제너 다이오드는 역방향 항복 영역의 안정적인 전압을 이용해 전압 기준원으로 사용된다. 발광 다이오드(LED)는 정공-전자 재결합 시 에너지가 빛으로 방출되는 현상을 활용하여 직접적인 광 출력을 얻는다. 적외선 통신, 광검출, 태양전지 또한 다이오드 구조의 변형이다.
010 DNA
DNA(deoxyribonucleic acid, 데옥시리보 핵산)는 거의 모든 생물 종에서 유전 정보를 저장하는 분자이다. 뉴클레오타이드라는 단위가 길게 연결되어 만들어지며, 각 뉴클레오타이드는 디옥시리보스 당, 인산기, 그리고 네 종류의 염기(아데닌 A, 티민 T, 구아닌 G, 시토신 C) 중 하나로 구성된다.
이중나선 구조
1953년 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭은 모리스 윌킨스와 로절린드 프랭클린의 X선 회절 자료를 기반으로 DNA가 두 가닥의 폴리뉴클레오타이드가 서로 반대 방향으로 감긴 이중나선 구조를 갖는다고 제안하였다. 두 가닥은 염기 사이의 수소결합으로 연결되며, 결합은 A-T, G-C 쌍으로 한정된다. 이 상보성 덕분에 한 가닥의 서열로부터 다른 가닥의 서열이 유일하게 결정된다.
유전 정보의 흐름
분자생물학의 중심 가설(central dogma)에 따르면 유전 정보는 일반적으로 DNA → RNA → 단백질의 방향으로 흐른다. DNA는 RNA 폴리메라아제에 의해 mRNA로 전사(transcription)되고, mRNA는 리보솜에서 코돈 단위로 읽혀 아미노산 서열의 단백질로 번역(translation)된다. 예외로 역전사효소(reverse transcriptase)는 RNA로부터 DNA를 합성하며, 이는 일부 바이러스(예: HIV)와 텔로미어 유지 등에서 발견된다.
저장 밀도와 안정성
DNA의 정보 저장 밀도는 부피 대비 매우 높다. 염기 한 쌍은 약 2비트의 정보를 담을 수 있으며, 인간 유전체 약 30억 염기쌍을 모두 펼치면 길이가 약 2미터에 이른다. 세포 내에서는 히스톤 단백질과 결합하여 뉴클레오솜 단위로 응축되고, 다시 응축되어 염색체 구조를 이룬다. DNA는 적절한 조건에서 수만 년 단위로 안정성을 유지하며, 고대 DNA 분석은 이러한 안정성을 활용한 연구 영역이다.
011 단백질
단백질(protein)은 아미노산이 펩타이드 결합으로 연결된 거대 분자로, 촉매, 구조 지지, 수송, 신호 전달, 면역 등 거의 모든 세포 기능을 수행한다. 살아 있는 세포의 건조 중량의 절반 이상을 차지한다.
구조의 계층
단백질 구조는 네 단계로 기술된다.
- 1차 구조
- 아미노산의 선형 서열. 유전자에 직접 부호화된다.
- 2차 구조
- 주쇄의 수소결합으로 형성되는 국소 구조. α-나선(alpha-helix)과 β-병풍(beta-sheet)이 대표적이다.
- 3차 구조
- 측쇄들 사이의 상호작용으로 결정되는 3차원 접힘 전체. 단백질의 기능은 대개 이 단계에서 결정된다.
- 4차 구조
- 여러 폴리펩타이드 사슬(소단위)이 모여 하나의 단백질 복합체를 이루는 구조. 헤모글로빈의 4량체가 예이다.
효소와 활성자리
단백질의 큰 비중을 차지하는 효소(enzyme)는 생체 반응의 활성화 에너지를 낮춰 반응 속도를 수십 자릿수까지 가속한다. 효소의 작용 부위인 활성자리(active site)는 기질의 형태에 맞도록 진화되어 있으며, 기질이 결합한 후의 변형을 포함하는 유도 적합 모형(induced-fit model)이 단순한 자물쇠-열쇠 모형보다 정확한 기술로 알려져 있다.
접힘과 잘못된 접힘
단백질이 1차 구조로부터 자발적으로 안정한 3차 구조로 접히는 과정은 세포 내 샤페론(chaperone)의 도움을 받아 가속된다. 잘못된 접힘이 누적되면 응집체를 형성하며, 알츠하이머병, 파킨슨병, 프리온 질환과 같은 단백질 응집 관련 질환의 분자 수준 기전으로 연구되고 있다. 한편 AlphaFold 등 기계학습 기반 구조 예측은 2020년대 이후 단백질 구조 결정의 속도를 크게 변화시켰다.
012 디지털 신호
디지털 신호(digital signal)는 시간과 진폭이 모두 이산적인 값으로 표현되는 신호이다. 연속적인 시간·진폭을 가지는 아날로그 신호와 대비된다. 디지털화는 표본화(sampling)와 양자화(quantization)의 두 단계로 이루어진다.
표본화 정리
샤논-나이키스트 표본화 정리는 신호의 최고 주파수 성분이 f_max일 때
표본화 주파수가 2f_max 이상이면 원래 신호를 손실 없이 복원할 수 있음을 보장한다.
반대로 표본화 주파수가 이보다 낮으면 고주파 성분이 저주파 영역으로 접혀 들어가는
에일리어싱(aliasing)이 발생한다. 실용 시스템은 표본화 직전에 안티에일리어싱 저역 통과 필터를 둔다.
양자화 오차
진폭을 유한한 수의 비트로 표현하는 과정에서 발생하는 차이는 양자화 잡음으로 나타난다.
n비트 양자화의 신호 대 잡음비(SQNR)는 이상적인 경우 약 6.02n + 1.76 dB이다.
오디오용 16비트, 24비트, 영상용 8~10비트 같은 비트심도는 이 관계에서 도출된 실용 기준이다.
디지털 신호의 이점
디지털 신호는 잡음이 일정 임계값 이하인 한 원본을 정확히 재구성할 수 있다. 오류 검출·정정 부호를 부착하면 더 강인한 전송이 가능하며, 압축·암호화·필터링 등 신호 처리가 결정론적 디지털 연산으로 환원된다. 오늘날 통신, 저장, 영상, 음향 시스템이 거의 전적으로 디지털 영역에서 동작하는 이유이다.