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전통 농경사회에서 태어나 AI 시대를 사는
얼리어답터 물리학자의 세대 공감 전기 문명 강의

“살아 보지 않은 시절도 그리워하게 만드는 우리 모두의 전기 문명”

현대인의 일상생활은 전기에 매여 있다. 갑작스런 정전은 재앙이고, 전기 점검으로 한두 시간만 전기가 안 들어와도 전기 없이 할 수 있는 일이 거의 없다는 걸 절감하게 된다. 그런데도 이상하리만치 우리는 전기에 무지하다. 생각해 보자, 만약 로빈슨 크루소처럼 무인도에 혼자 표류하게 된다면 나는 어느 정도의 문명 생활을 영위할 수 있을까? 이 책은 기본적인 전기 현상에서부터 방송·통신, 가전제품, 컴퓨터와 정보 저장 장치, 내비게이션에 이르기까지, 전기 문명의 바탕이 되는 과학 원리와 기술의 내용을 조목조목 이해하기 쉽게 설명하며 우리의 ‘전기 문맹’ 탈출을 돕는다. 또한, 전깃불도 들어오지 않는 시골에서 태어나 서울로 그리고 미국으로 진출하고, 대학에서 오랫동안 물리학과 전자공학을 강의하면서 전기 문명의 발전을 최전선에서 경험한 저자의 인생 이야기는 전기 문명이 우리의 삶과 가치관을 어떻게 바꿔 놓았는지를 구체적으로 증언하며 우리를 ‘그 시절’로 데려간다.

*AI를 만나기 전에, 4차 산업혁명을 논하기 전에 ‘이제라도!’
우리가 매일 공기처럼 누리는 이 모든 일상과 편의의 바탕에는 전기가 있다. 하지만 현대인들 중에 전기의 기본 원리를 이해하는 사람은 얼마나 될까? 정전은 재앙이지만 전기는 잘 모르고, 스마트폰 없이는 하루도 못 살지만 전자기파는 모른다. 당연한 듯 전기 문명을 누리고 살지만 우리는 놀라울 만큼 전기에 무지하다. 하도 들어서 이제 식상하기조차 한 AI 시대, 초연결과 빅데이터로 대표되는 4차 산업혁명도 모두 전기 문명의 기반에서 탄생하고 발전한 것이다. 전기 문명에 대한 이해는, 그래서 현재의 우리 삶을 이해하는 길이면서 동시에 미래를 준비하는 일이다. 일상에서 AI를 만나기 전에, 4차 산업혁명이 야기할 미래 변화를 논하기 전에, 지금 바로 전기 문명을 읽어야 하는 이유다.

*전기 문명의 주인공 전자의 행동부터 생활 속 전기 문명과 첨단 기술까지 ‘아하!’
전기 문명을 아우르는 교양서는 있을 것 같은데 없는 책이다. 물리학자는 개별 기술을 속속들이 알지 못하고, 공학 전공자는 과학 이론을 깊이 있게 설명하기 어려워한다. 그래서 전기 관련 책들을 검색해 보면 전자기학과 빛을 설명하는 과학책이거나 전기·전자공학 교재로 나뉜다. 이 책은 전기 문명의 실질적 주인공인 전자에 대한 이해에서부터 시작해서 발전기의 원리인 전자기 유도 법칙, 전자기파 발견의 바탕이 된 맥스웰 방정식, 반도체의 원리인 양자역학과 에너지띠 같은 과학 지식에서부터 FM, AM 주파수 변조 같은 방송 통신 기술, 직류와 교류의 차이, 가전제품과 검퓨터를 비롯해서 각종 센서와 정보 저장 장치 및 내비게이션의 작동 원리까지, 우리가 필요로 하고 궁금해 했던 것들을 알기 쉽게 조목조목 설명해 준다.
‘정말 코드만 뽑아 놓아도 전기가 절약될까?’, ‘LCD와 OLED는 무슨 차이야, 어떤 텔레비전을 사야 하지?’, ‘이 작은 USB에 어떻게 영화가 몇 편씩이나 담길 수 있을까?’, ‘전기공학과랑 전자공학과는 무슨 차이일까? 인공지능을 연구하고 싶으면 무슨 과를 가야 할까?’ 같은 생활 속 궁금증도 속 시원히 해결할 수 있다.
물리학과 교수로 재직하면서 물리학뿐 아니라 전자공학도 강의하고, 수많은 과학책을 쓰고 번역했을 뿐만 아니라 국립과천과학관의 ‘전기 문명은 이렇게 시작되었다’ 전시 기획을 자문하는 등 과학과 기술 양쪽을 모두 섭렵하고 있는 곽영직 교수였기에 가능한 일이다.

*살아 보지 않은 시절도 그리워하게 만드는 우리 모두의 전기 문명
"유럽에서는 전통 농경사회에서 고도 전기 문명사회로의 변화가 훨씬 오랜 기간에 걸쳐 일어났다. 따라서 서양 사람들은 전기 문명의 발전 과정을 우리처럼 한 세대가 모두 경험할 수는 없었다."(머리말 중) 하지만 우리나라에서는 그러한 변화가 100년도 안 되는 짧은 기간 동안 일어났고, 6.25 전쟁 막바지인 1952년에 태어난 저자 세대의 사람들은 전깃불도 들어오지 않던 시절부터 오늘날 고도 전기 문명 사회에 이르는 변화를 모두 경험할 수 있었다. 특히 이 책의 저자인 곽영직 교수는 등잔불을 켜고 생활하던 시골에서 태어나 읍내로, 서울로, 미국으로 진출했고, 대학에서 물리학과 전자공학을 가르치면서 급속하게 변화 발전하는 전기문명을 최전선에서 체험했다. 각 장의 도입에 들어 있는 저자의 인생 이야기는 전기 문명의 발전 과정과 그에 따라 변해 온 우리의 생활 모습 그리고 가치관의 변화를 보여 준다. 처음 전깃불을 봤을 때의 감흥, 군대식 학교 모습과 온 동네에 울려 퍼지던 스피커 소리, 대학에 진학하기까지의 우여곡절, 첫 컴퓨터의 추억 등, 아련해지고, 답답하다가도 어느새 그리워지는 그 시절의 이야기는 역사적 사실과 과학적 설명에 따듯한 온기를 더한다.

*읽는 재미와 함께, 보는 재미
저자의 옛 사진을 비롯해서 국립민속박물관, 국립중앙박물관, 국가기록원, 전기박물관, LG전자 등으로부터 제공받아 수록한 다양한 도판은 우리나라의 전기 문명 발전과 근현대 생활사를 이해하는 데 도움을 줄 뿐 아니라, 지난 시절의 향수를 불러일으키며 책을 보는 즐거움을 배가시킨다.


*이제라도!
1. 전기 없인 못 살지만 전기는 모르고, 스마트폰은 늘 쓰지만 전자기파는 모른다? AI를 만나기 전에, 4차 산업혁명을 논하기 전에, ‘이제라도’ 전기 문맹에서 벗어나 보자.
2. 앞선 세대의 경험은 우리의 자산. 배우고 공부하고 가르치며 전기 문명의 역사를 몸소 살아온 저자의 소중한 경험을 ‘이제라도’ 모두와 나누고 기록으로 간직하자.
3. 언제까지 서구의 과학 기술사만 읽을 것인가. 한국 영화에 세계인이 주목하고, 국산 전자 제품과 정보 통신 기술이 경쟁력을 갖춘 오늘날, ‘이제라도’ 우리 삶과 생활이 녹아 있는 우리의 근현대 과학 기술의 역사를 알아보자.

유럽에서는 전통 농경사회에서 고도 전기 문명사회로의 변화가 훨씬 오랜 기간에 걸쳐 일어났다. 따라서 서양 사람들은 전기 문명의 발전 과정을 우리처럼 한 세대가 모두 경험할 수는 없었다. … 지난 50년 동안에 우리 세대는 살아가는 방법이 바뀌고 사람들이 가지고 있던 자연에 대한 생각과 가치관 그리고 인생관이 바뀌어 가는 것을 지켜보았다. 이러한 변화가 우리를 예전보다 더 행복하게 했는지에 대해서는 여러 가지 다른 의견이 있을 것이다. 그러나 나는 그런 가치 판단과는 별개로, 나와 우리 세대가 겪었던 경험 자체를 소중하게 생각한다.

정종대(한국기술교육대학교 전기전자통신공학부 교수)
저자는 등잔불에 의존해 살아가던 시골에서 태어나 읍내로, 서울로 그리고 미국으로 진출했으며, 대학에서 오랫동안 물리학을 강의하면서 전기 문명의 급속한 발전을 최전선에서 경험했다. 저자의 삶이 녹아 있는 이야기들이 역사적 사실과 과학적 설명에 생생한 재미와 따듯한 온기를 더한다.
이 책은 전자기학의 기본 이론에서부터 전자공학의 최신 기술에 이르기까지 과학과 기술의 많은 내용을 다루면서도 흡사 소설처럼 술술 익히고 흥미롭게 전개되어 전공 분야 교수인 필자조차도 읽는 내내 ‘아!’ 하면서 머릿속 의 상식이 하나씩 늘어 가는 즐거움을 느낄 수 있었다.
전기 문명의 한가운데 살고 있는 현대인으로서 그 바탕을 이루는 기본적인 이론과 기술에 대한 상식을 넓히고 싶은 사람, 우리 세대가 가지는 인류 문명사적인 의미를 다시 생각해 보고 싶은 사람은 물론, 전기·전자 기술 분야의 개념을 쉽고 깔끔하게 정리하고자 하는 전공자들에게도 필독서로 추천 하고 싶은 책이다.

추천의 글: 전기 문명과 함께한 우리 모두의 자서전 4
머리말: 전기 문명을 살다 6

1. 전자가 세상을 움직인다
서낭당에서 과학으로… ……………………………………… 18
전자의 발견과 양자역학의 탄생 22 원자 속 전자의 모습 28 전기 세상을 움직이는 전자 군단 31 정전기 36 유리 막대에 종이가 달라붙는 까닭은? 39 전류와 전기에너지 42

2. 전기 실험을 시작하다
전기 세상에 발을 들여놓은 중학교 시절…………………… 46
전기와 자기 현상의 발견 53 유황 구 전기 발생 장치 57 전기 전달과 감전 실험 58 최초의 전기 저장 장치, 라이덴병의 발명 61 번개도 전기 현상 67

3. 전기에 관한 기본 법칙들
전기를 배우기 시작하다……………………………………… 72
쿨롱 법칙의 발견 77 볼타전지의 발명 82 논란이 많았던 옴의 법칙 88 도체, 반도체, 부도체를 결정하는 전기 저항 93

4. 전류로 자석을 만들다
운동장에 울려 퍼지던 스피커 소리… ……………………… 98
전류의 자기작용 104 앙페르의 법칙 106 영구자석과 전자석 109 전기 모터의 원리 114 헨리와 전자석 116 스피커와 마이크 119

5. 발전기의 원리를 발견하다
거대한 발전기를 직접 보다… …………………………… 124
패러데이의 전자기 유도 법칙 128 청개구리의 법칙 132 자체 유도와 상호 유도 135 교류와 변압기 137 발전소의 건설 139 우리나라의 전기 도입 141

6. 전자기파가 그 모습을 드러내다
먼 길을 돌아서 만난 맥스웰 방정식……………………… 148
맥스웰 방정식 153 전자기파 파동 방정식 159 헤르츠의 실험 161 빛과 전자기파 163 방송과 통신에 주로 이용되는 전파 165 열작용을 하는 적외선 167 가시광선과 3원색 169 화학작용을 하는 자외선 171 질병의 진단에 사용되는 엑스선 173 에너지가 가장 큰 감마선 174

7. 발명의 시대
디트로이트에서 본 에디슨의 실험실… ………………… 178
전신기의 발명 183 전화기의 발명 186 영화의 발명 191 전구의 발명 195 전류 전쟁 198 무선통신의 발전 201 축음기의 발명 202 라디오 방송국의 등장 206 텔레비전 시대 개막 212

8. 전자공학과 기술 혁신
서울 올림픽과 전자공학 강의… ………………………… 220
진공관의 발명 226 다이오드와 트랜지스터의 개발 231 아날로그 신호에서 디지털 신호로 237 집적 회로의 발전 242

9. 컴퓨터 시대
나의 첫 컴퓨터……………………………………………… 250
컴퓨터의 발전 255 개인용 컴퓨터의 발전 262 인공지능 264 세상을 연결하는 인터넷 269 4차 산업혁명과 빅 데이터 시대 273

10. 우리 생활을 바꾼 가전제품
그로서리 한구석에서 마주친 국산 텔레비전… ………… 278
국산 텔레비전의 눈부신 발전 283 음식문화를 바꾼 냉장고 292
가사 노동을 크게 줄인 세탁기 296 여름을 즐길 수 있게 한 에어
컨 300 식생활을 변화시킨 전자레인지 305

11. 센서와 정보 저장 기술의 발전
과학사에 빠지다… ………………………………………… 312
전자 제품의 감각기관 역할을 하는 센서 317 ROM과 RAM 322 강
자성체를 이용한 정보 저장 장치 325 CD와 DVD 329 플래시 메모
리 332 전자결합소자와 디지털 카메라 339

12. 고도 전기 문명 시대
어린이를 위한 과학책을 쓰다… ………………………… 344
RFID를 사용하는 신용카드와 교통카드 349 GPS와 내비게이터 352 무선 호출 시스템에서 스마트폰까지 356 가상현실과 증강현실 362 어디서나 전기를 쓸 수 있게 하는 태양전지 367

맺는말: 다시 농부가 되다. 376
전기 문명 연대표 382
전자기학의 주요 단위 386

원고 작업을 하다가 휴식이 필요할 때는 가끔 영화를 감상하기도 한다. 컴퓨터나 텔레비전의 작은 화면을 생각하면 오산이다. 가상현실 헤드셋 하나면 작은 농막은 대형 스크린을 갖춘 영화관으로 변한다. 가상현실 헤드셋을 통해 보면 액션 연기를 훨씬 실감나게 감상할 수 있다. 커다란 우퍼가 달려 있는 블루투스 스피커까지 연결하면 농막은 나만의 전용 극장이 된다. (8쪽 머리말 중)

만약 서낭당이 국가 권력에 의해 강제로 철거되었다면 반발이 만만치 않았을 것이다. 그러나 과학은 아무런 반발 없이 서낭당을 마을에서 사라지게 했고, 사람들의 마음속에서도 밀어냈다. (20쪽)

전자 제품의 스위치를 누르거나 컴퓨터 자판을 두드리는 것은 전자에게 명령을 내리는 것이다. 아무리 어려운 일을 시켜도 전자들은 아무런 불평 없이 우리의 명령을 잘 수행한다. 그것은 우리가 양자역학을 이용해 전자의 행동을 통제하고 있기 때문이다. (27쪽)

전류의 자기작용을 가장 잘 이용하고 있는 장치가 스피커이다. 예전에 학교 지붕에 설치되어 온 동네를 떠들썩하게 만들었던 스피커에서부터 전화기에 사용하는 스피커에 이르기까지, 대부분의 스피커는 전류의 자기작용을 이용한 다이내믹 스피커이다. 다이내믹 스피커는 자기장 안에 있는 도선에 전류가 흐르면 도선이 힘을 받는 원리에 따라 작동한다. (120쪽)

내가 논산 훈련소에 입대한 것은 1학년 1학기가 미처 끝나기도 전인 그해 6월이었다. 이로 인해 나는 적령기인 22살(만 21살)에 군에 입대했다. 초등학교를 졸업한 이후 적령기에 무엇을 한 것은 군에 입대한 것이 처음이었다. 초등학교 동창들보다 3년이나 늦게 대학에 입학했는데 군 복무로 인해 본격적인 대학 생활이 다시 3년 뒤로 미뤄졌다. 전기 문명의 기초가 되는 전자기학은 물리학의 필수 과목 중 하나이다. 따라서 물리학과에서는 전자기학을 제대로 배울 수 있다. 그러나 전기 문명에서 너무 멀리 떨어져 있었던 내가 전기 문명으로 다가가기 위해서는 숙성의 과정이 필요했던 걸까. (151-152쪽)

그 후 에디슨에 대한 이야기가 나오면 어두컴컴하던 그 실험실을 떠올리곤 했다. 아무리 성능이 좋은 컴퓨터가 있어도 그 컴퓨터에서 사용할 수 있는 소프트웨어가 없으면 컴퓨터는 무용지물이다. 패러데이가 발견한 전자기 유도 법칙을 이용해 세계 곳곳에 발전소가 건설되기 시작했지만 전기로 작동하는 제품들이 발명되지 않았다면 전기의 쓸모는 제한적이었을 것이다. (182쪽)

킬비가 집적회로를 발명하고 몇 달 뒤 페어차일드 반도체 회사의 로버트 노이스Robert N. Noyce, 1927~1990는 킬비의 집적회로를 개선한 새로운 집적회로를 고안했다. 노이스가 고안한 집적회로는 게르마늄을 바탕으로 했던 킬비의 집적회로와는 달리 실리콘을 바탕으로 한 것이었다. 공유띠와 전도띠 사이의 에너지 간격이 1.14전자볼트인 실리콘은 0.67전자볼트인 게르마늄보다 높은 온도에서도 안정적으로 작동한다. (243쪽)

유학 생활이 끝날 때쯤에는 개인용 컴퓨터도 등장했다. 나는 애플에서 나온 애플 IIc라는 모델의 컴퓨터를 사서 논문 작성에 사용하고, 귀국할 때 가져왔다. 애플에서 애플 IIc를 판매하기 시작한 것이 1984년 4월 24일이었는데 내가 산 것은 1984년 6월이었으니까 이 모델이 나오고 두 달도 안 되었을 때였다. 8비트 디지털 신호를 사용하던 이 컴퓨터는 128킬로바이트의 메모리가 내장되어 있었고, 하드디스크는 없었으며, 5.25인치 플로피디스크를 사용할 수 있었다. 나는 이 컴퓨터를 1295달러를 주고 샀다. 우리 돈으로 환산하면 대략 150만 원 정도 된다. 당시로서는 물론 지금으로 보아도 매우 비싼 가격이었다. (253-254쪽)

많은 사람들은 인공지능이라고 하면 사람과 똑같은 일을 할 수 있는 로봇을 생각한다. 실제로 현재 개발되고 있는 로봇 중에는 인간의 행동을 흉내 내는 것들이 많아 이런 생각을 하는 것이 이상하지 않다. 그러나 인공지능 연구와 로봇을 만들기 위한 연구는 많이 다르다. 사람의 두뇌가 할 수 있는 기능을 수행하는 소프트웨어와 그런 소프트웨어를 구현할 수 있는 컴퓨터 환경을 만드는 것이 인공지능 연구라면, 로봇 개발에서 중요한 것은 로봇의 각 부분을 구동하는 구동 시스템과 원하는 행동을 하도록 구동 시스템을 제어할 수 있는 제어 시스템을 만드는 것이다. (268쪽)

오래전 어떤 강의에서 플로팅 게이트에 정보가 저장되는 원리를 설명했는데 강의가 끝난 후 한 수강생이 도저히 이해할 수 없다는 표정을 지으며 질문을 했다. 그 수강생은 하나의 플로팅 게이트에 많은 정보가 저장되는 것으로 생각했던 모양이다. 그러니 플로팅 게이트를 이용해서 정보를 저장한다는 내 설명을 도저히 이해할 수 없었던 것이다. 하나의 플로팅 게이트에는 한 비트의 정보가 저장된다. 따라서 32비트로 이루어진 한 바이트의 정보를 저장하기 위해서는 32개의 플로팅 게이트가 있어야 하고, 1기가바이트의 정보를 저장하기 위해서는 320억 개의 플로팅 게이트가 필요하다. 손톱만 한 플래시 메모리에 이렇게 많은 플로팅 게이트를 만들어 넣을 수 있는 것은 집적 기술의 발전 덕분이다. (335쪽)