005 나노입자
나노입자(nanoparticle)는 일반적으로 한 변 또는 직경이 1~100나노미터(nm) 범위에 있는 입자를 말한다. 1 나노미터는 10⁻⁹ 미터, 즉 100만분의 1 밀리미터이다. 이 크기 영역에서는 단순히 작아진 벌크 물질이 아니라, 벌크 상태에서는 관찰되지 않는 광학적·전기적·자기적 성질이 나타난다.
표면적 대 부피 비
입자의 크기가 줄어들수록 부피에 대한 표면적의 비가 급격히 증가한다. 지름을 절반으로 줄이면 부피는 1/8이 되지만 표면적은 1/4에 그치므로, 단위 부피당 표면적은 두 배가 된다. 나노 스케일에서는 이 효과로 인해 반응성과 촉매 활성이 폭발적으로 증가하며, 같은 화학 조성의 벌크 금속과는 다른 거동을 보이는 경우가 흔하다.
양자 가둠 효과
반도체 나노입자(양자점, quantum dot)에서는 전자의 거동이 입자 경계에 의해 양자역학적으로 가둬진다. 이로 인해 에너지 준위가 이산화되고, 입자 크기에 따라 빛의 흡수·방출 파장이 달라진다. 같은 CdSe 양자점이라도 직경이 2 nm 부근일 때 청록색을, 6 nm 부근일 때 적색을 방출하는 식이다. 디스플레이, 생체 영상 마커, 광전자 소자 등에 응용된다.
안전성과 환경 영향
나노입자의 작은 크기는 생체 조직 침투, 폐포 도달, 세포 내 흡수의 가능성을 높인다. 은나노입자, 산화티타늄, 산화아연 등 일부 나노 물질은 항균성과 자외선 차단 효과로 화장품·의류·식품 포장에 사용되지만, 장기 노출의 생체 영향은 아직 연구가 진행 중이며 안전 데이터의 통합적 평가가 요구된다.
006 나노튜브
탄소 나노튜브(carbon nanotube, CNT)는 탄소 원자가 6각형 격자로 결합한 그래핀 한 장을 둥글게 말아 만든 가상의 원통형 구조에 해당하는 물질이다. 직경은 수 나노미터 수준, 길이는 마이크로미터에서 밀리미터에 이르기까지 다양하다. 벽의 개수에 따라 단일벽(SWCNT)과 다중벽(MWCNT)으로 구분된다.
구조와 전기적 성질
그래핀 한 장을 말 때 어떤 방향으로 말리는지를 (n, m) 키랄리티 벡터로 표현하는데,
이 벡터에 따라 같은 탄소 나노튜브가 금속성으로 거동하기도 하고 반도체성으로 거동하기도 한다.
구체적으로 n - m이 3의 배수일 때 금속성, 그 외에는 반도체성을 보인다.
이러한 성질의 다양성은 응용 측면에서 매력적인 동시에,
균일한 시료를 합성·선별하는 일을 어렵게 만드는 주된 원인이다.
기계적 성질
탄소-탄소 공유결합이 축 방향으로 정렬되어 있어, 탄소 나노튜브의 인장 강도와 탄성 계수는 매우 높다. 보고된 인장 강도는 약 60~100 GPa, 영률(Young's modulus)은 약 1 TPa 수준으로, 동급 강철의 수십 배에 이른다. 다만 실제 복합 재료에서는 나노튜브 자체의 강도가 그대로 거시 강도로 전이되지 않으며, 분산성·계면 결합 강도가 최종 성능을 결정한다.
응용
고강도 복합재, 전도성 박막, 전계 방출 디스플레이, 배터리·슈퍼커패시터의 전극, 반도체 소자의 채널 후보 등 광범위한 분야에서 연구되고 있다. 특히 트랜지스터 채널로서의 CNT는 실리콘이 직면한 미세화 한계를 우회할 가능성으로 주목받지만, 키랄리티 제어와 대량 정렬이라는 제조 측면의 난제가 상용화의 관건으로 남아 있다.
007 뉴런
뉴런(neuron, 신경세포)은 신경계의 기능적 단위이다. 전기적·화학적 신호를 만들어내고 다른 뉴런이나 효과기 세포(근육, 분비세포)에 전달함으로써 지각, 운동, 학습, 기억과 같은 신경계의 모든 기능을 매개한다.
구조
전형적인 뉴런은 다음 세 부분으로 구성된다.
- 세포체(soma)
- 핵과 대부분의 소기관을 포함하며 단백질 합성 등 세포의 일반 기능을 담당한다.
- 수상돌기(dendrite)
- 다른 뉴런으로부터 신호를 받는 부위. 표면에 수많은 시냅스가 형성된다.
- 축삭(axon)
- 활동전위를 다른 뉴런으로 전달하는 긴 돌기. 사람의 운동 뉴런 축삭은 최대 1미터에 달한다.
활동전위
뉴런은 세포막 안팎의 이온 농도 차이로 인해 안정 시 약 -70 mV 정도의 막전위를 유지한다. 충분한 자극이 가해져 막전위가 역치(약 -55 mV)를 넘으면 전압 의존 나트륨 통로가 열려 세포 안으로 Na⁺이 급격히 유입되어 막전위가 양의 값으로 뒤집힌다. 이 짧은 펄스가 활동전위(action potential)이다. 뒤이어 칼륨 통로가 열리고 K⁺이 빠져나가면서 막전위는 다시 안정 상태로 복귀한다. 이 사건은 축삭을 따라 자체적으로 전파되며, 그 전파 속도는 미수초화 축삭에서 약 0.5~10 m/s, 수초화 축삭에서는 도약 전도(saltatory conduction)에 의해 약 100 m/s에 이른다.
시냅스 전달
활동전위가 축삭 말단에 도달하면 시냅스 전 막의 전압 의존 칼슘 통로가 열리고, Ca²⁺ 유입이 신경전달물질을 담은 소포의 융합을 유도한다. 방출된 신경전달물질은 시냅스 틈을 가로질러 시냅스 후 막의 수용체에 결합하고, 그 결과 시냅스 후 뉴런에 흥분성 또는 억제성 변화를 일으킨다. 시냅스 강도의 장기적 변화는 학습과 기억의 신경 기전으로 이해되며, 이를 시냅스 가소성(synaptic plasticity)이라 한다.
008 뇌파
뇌파(腦波, brain waves)는 다수의 뉴런이 동기화되어 만들어내는 전기적 활동을 두피 표면에서 측정한 신호이다. 측정 도구는 뇌전도(electroencephalogram, EEG)이며, 1929년 한스 베르거가 인간 두피에서 처음 안정적으로 기록한 이래 뇌 기능 연구와 임상 진단의 주요 도구로 사용되어 왔다.
대역별 분류
뇌파는 주파수 대역에 따라 관습적으로 다음과 같이 분류된다. 같은 대역이라도 측정 위치와 상태에 따라 의미가 달라지므로, 대역명은 해석의 출발점일 뿐 결론이 아니다.
- 델타(δ) — 0.5~4 Hz, 깊은 비REM 수면에서 두드러진다.
- 세타(θ) — 4~8 Hz, 졸음·명상 상태, 해마 의존성 기억 과제에서 관찰된다.
- 알파(α) — 8~13 Hz, 눈을 감고 안정한 상태의 후두부에서 우세하다.
- 베타(β) — 13~30 Hz, 깨어 있는 사고·집중 상태와 연관된다.
- 감마(γ) — 30~100 Hz 이상, 다중 영역 정보 통합 또는 의식적 처리와 관련된다는 가설이 있다.
해상도와 한계
EEG의 시간 해상도는 밀리초 단위로 매우 높지만, 공간 해상도는 수 센티미터 수준에 머문다. 두피 표면 신호는 두개골을 통해 흩어지고 평균화되기 때문이다. 보다 정밀한 공간 정보가 필요할 때는 MEG, fMRI, 침습적 ECoG 등이 보완적으로 사용된다. 한편 뇌파를 통해 의도를 분류하는 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 운동·언어 장애 환자를 위한 보조 기술로 임상 단계에 진입한 영역이 있으나, 측정의 신호 대 잡음비와 사용자별 보정이 여전히 주된 과제로 남아 있다.
임상 응용
EEG는 간질 발작의 발생 부위 추정, 수면 단계의 분류, 의식 수준의 평가(예: 혼수 환자의 잔존 의식 평가)에 임상적으로 활용된다. 다만 본 사이트는 의학적 진단·치료 권고를 다루지 않으며, 실제 임상 적용은 자격을 갖춘 의료진의 판단에 따른다.