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서문

공대상상 웹진 독자 여러분 안녕하세요! 벌써 올해의 마지막이 다가오고 있는데요, 매 학기 시험 기간이 다가오면 우리는 모두 각자의 방식으로 공부를 합니다. 누군가는 가지각색의 화려한 펜을 이용해서 아름다운 필기를 하기도 하고, 누군가는 샤프만 써서 필기하기도 하고, 아예 태블릿 필기 앱에 필기하기도 합니다.

그런데, 우리가 이렇게 당연하게 쓰는 필기도구가 어떻게 작동하는지 궁금하셨던 적은 없나요? 태블릿은 어떻게 터치펜의 위치와 상태를 인식하는 것일까요? 더 나아가, 우리가 가장 흔하게 쓰는 필기구인 볼펜에는 어떤 공학적인 구조가 숨어 있을까요?

누구나 편리하게 사용할 수 있는 필기도구가 개발되기까지는 수많은 공학자의 고민과 연구가 필요했습니다. 이번 기사에서는 만년필부터 터치펜까지, 필기구에 숨어 있는 공학이 무엇인지 알아보도록 하겠습니다.

중세 시대 귀족들의 필수 아이템, 깃펜과 만년필

우리가 현재 쓰는 볼펜이 개발된 것은 의외로 최근의 일입니다. 최초의 볼펜 관련 특허는 18세기 말~19세기 초에 발급되었습니다. 그렇다면, 그 이전부터 역사적으로 많이 쓰였던 필기구는 무엇이었을까요? 바로 과거를 다루는 영화나 드라마에서 자주 등장하는 깃펜입니다.

깃펜은 말 그대로 새의 깃털로 만든 펜입니다. 새는 비행에 최적화된 신체를 가지고 있는데, 깃털 또한 최대한 무게를 줄이기 위해 깃털의 줄기 가운데 부분이 비어 있습니다. 깃털의 끝을 깎아서 이 빈 공간을 드러내면 구멍이 생기고, 그 구멍에 잉크를 찍으면 모세관 현상으로 인해 잉크가 빨려 올라옵니다. 종이에 힘을 줘 깃털의 촉 부분을 누르면 촉의 결 사이가 벌어지면서 잉크가 쏟아지고, 원하는 대로 글씨를 쓸 수 있게 됩니다.

모세관 현상이란 무엇일까요? 모세관 현상은 액체가 외부 도움 없이 아주 좁은 틈/관을 스스로 올라가거나 내려가는 현상을 말합니다. 이 현상은 액체 분자들 사이에 작용하는 힘인 응집력과, 액체 분자와 관 사이에 작용하는 힘인 부착력의 관계로 설명할 수 있습니다. 부착력이 응집력에 비해 강하면 액체가 관에 딸려 올라가는 현상을 보이고, 응집력이 부착력에 비해 강하면 액체가 관에서 흘러내리는 현상을 보입니다.

다시 명확하게 깃펜의 원리를 알아봅시다. 깃펜의 촉을 잉크 통에 찍으면, 잉크-깃털 사이의 부착력이 잉크 사이의 응집력보다 강하기 때문에 잉크는 촉의 구멍 사이로 딸려 올라오게 됩니다. 잉크를 머금은 촉과 종이가 닿으면 종이와 잉크 사이의 부착력이 잉크-깃털 사이의 부착력보다 강하기 때문에 잉크는 종이 쪽으로 딸려 내려갑니다. 그에 따라 잉크는 깃털 내부 공간에서부터 쏟아지게 되고, 종이와 촉 사이에 글씨가 쓰이는 것입니다.

깃펜은 모세관 현상을 활용하여 만들어진 영리한 공학적 산물이었습니다. 어찌 보면 현대의 생체 모방 공학의 가장 좋은 예시라고 할 수 있겠습니다. 그러나, 깃펜은 잉크를 따로 저장할 수 없기 때문에 몇 글자 쓰고 계속 잉크에 펜을 찍어주어야 하거나, 촉 부분이 뭉개지면 다시 뾰족하게 깎아야 하는 등 번거로운 점이 많았습니다.

이러한 불편을 공학적으로 해결한 것이 바로 만년필입니다. 만년필은 크게 잉크를 저장하는 몸체, 몸체와 촉을 잇는 피드(Feed), 그리고 금속제 촉(Nib)으로 구성되어 있습니다. 촉은 깃펜을 모방한 형태로, 금속으로 제작되며, 잉크가 빠져나갈 수 있도록 작은 틈이 있습니다. 촉을 종이에 대고 꾹 누르면, 틈새가 금속의 탄성에 의해 벌어지고, 깃펜의 촉과 동일한 원리로 잉크가 흘러나오게 됩니다.

피드는 만년필의 핵심입니다. 잉크 저장 공간(Reservoir)과 촉을 이어주며, 깃펜에서 일어나는 모세관 현상을 차용한 구조입니다. 평소에는 깃펜과 같이 잉크를 모세관 현상으로 잡아두고 있다가, 펜촉 끝이 종이에 닿으면 마찬가지 원리로 잉크가 빠져나가는 방식으로 작동합니다.

피드의 핵심은 잉크의 양 조절, 즉 원활한 잉크 흐름을 유지하는 것입니다. 잉크가 펜촉으로 흘러나오기 위해서는 잉크 저장 공간 내부의 압력이 최소한 외부 대기압과 같거나 높아야 합니다.

하지만 만약 잉크가 빠져나가는 통로만 있고 공기가 들어오는 통로가 없는 단순한 구조라면, 잉크가 소모될수록 내부 공간은 점차 진공 상태에 가까워집니다. 이렇게 되면 잉크 저장 공간 내부의 압력이 외부 대기압보다 훨씬 낮아지게 되고, 이 압력 차이로 인해 외부 공기가 잉크가 나오는 것을 막아 더 이상 잉크가 흘러나오지 못하게 됩니다.

피드는 이 문제를 해결하기 위해 잉크가 나가는 통로와는 별개로, 외부의 공기가 잉크 저장 공간으로 들어올 수 있는 미세한 공기 통로를 함께 설계했습니다. 잉크가 펜촉을 통해 밖으로 흘러나감에 따라, 이 공기 통로를 통해 정확히 그만큼의 공기가 저장 공간으로 유입됩니다. 이 과정을 통해 잉크 저장 공간 내부의 압력은 항상 외부 대기압과 거의 동일한 수준으로 유지되며, 압력 불균형 문제 없이 잉크가 지속적으로 원활하게 공급될 수 있게 됩니다.

피드 내부에 한 번에 너무 많은 잉크가 흘러서도 안 됩니다. 잉크가 넘칠 수 있기 때문입니다. 이 문제를 해결하기 위해 모세관 현상이 한 번 더 응용됩니다. 피드 내부에는 빗살무늬 형태의 작은 홈이 많이 파여 있습니다. 각 홈은 모세관 현상으로 잉크를 붙들어 둘 수 있기 때문에, 너무 많은 양의 잉크가 한 번에 이동하는 경우에도 필요한 양만큼만 촉으로 흐르고 나머지는 피드 내부에 저장됩니다.

만년필은 깃펜의 불편함을 멋지게 해결한 좋은 공학의 사례입니다.

불편함에서 시작된 위대한 발명, 볼펜

그러나, 만년필도 해결하지 못한 불편함이 아직 많이 남아있었습니다. 만년필로 쓴 글씨는 마치 붓글씨처럼 종이에서 번져버렸습니다. 이 때문에 너무 힘을 줘서 쓰지 않도록 주의해야 했습니다. 또한, 잉크가 촉에서 말라 버리면 잉크가 흘러나오지 않았기 때문에, 꾸준히 만년필을 분해해 청결히 관리해 주어야 했습니다. 이 외에도 잉크가 필기 도중에 뚝뚝 떨어지거나, 기온이 높아지거나 기압이 낮아지면 잉크가 새는 등의 문제도 있었습니다.

이러한 문제를 해결한 것은 다름아닌 라슬로 비로(László Bíró)라는 헝가리 언론인이었습니다. 그는 이러한 불편함을 느끼던 와중, 문득 신문에 찍히는 잉크는 번지지 않는다는 사실을 깨닫게 되었습니다. 이는 신문에 쓰이는 잉크가 만년필에 쓰이는 수성 잉크가 아닌 유성 잉크였기 때문이었습니다.

당시의 수성 잉크는 색소가 물에 용해되어 있는 용액 형태였습니다. 그와 반대로, 유성 잉크는 고체 안료¹⁾가 기름에 녹지 않고 섞여 있는 혼합물 형태였습니다. 수성 잉크를 사용한 문서는 물뿐만 아니라 색소까지 종이에서 함께 번졌는데, 유성 잉크를 사용한 문서는 안료를 담고 있는 기름이 번지더라도 안료 자체는 번지지 않았던 것입니다.

라슬로는 이 점에 착안하여 초기에는 단순히 유성 잉크를 그대로 만년필에 넣어 보려고 시도하였지만, 유성 잉크는 점도가 매우 높아 잉크가 만년필 밖으로 흘러나오지 않는 문제가 있었습니다. 그는 이를 보완하고자 잉크가 중력으로 끌려 나오는 방식을 포기했습니다. 그 대신, 펜의 끝부분에 소켓(작은 구멍)을 만들고, 회전하는 작은 공을 끼우는 방식을 선택했습니다. 그러한 구조에서는 종이 표면에 대고 글씨를 쓰면, 잉크가 중력 없이도 공과의 마찰력에 의해 끌려 나올 수 있었습니다. 이러한 구조는 끈적한 유성 잉크를 도입한 경우에만 구현 가능했는데, 수성 잉크의 경우에는 공과 소켓 사이의 틈으로 잉크가 전부 새어 나올 수 있었기 때문입니다.

그는 곧바로 화학자였던 그의 형제 죄르지 비로(György Bíró)와 협업하였습니다. 가장 중요한 문제는 잉크였습니다. 일상적으로 자주 접하는 물과 기름과 같은 액체는 점도가 일정합니다. 그러나, 볼펜에 필요한 잉크는 평소에는 점도가 높아 새어나오거나 흘러넘치지 않지만, 글을 쓰는 순간에는 점도가 순간적으로 묽어져 공에 잘 묻어 나올 수 있어야 했습니다. 이런 특이한 성질의 잉크를 어떻게 제조할 수 있었을까요?

그들은 "전단력 약화"(Shear Thinning)라는 현상에 집중했습니다. 물체 안의 어떤 면에 크기가 같고 방향이 서로 반대인 힘을 전단력이라고 정의합니다. 이러한 전단력을 받을 때 점도가 낮아지는 유체가 있고, 점도가 낮아지는 현상을 "전단력 약화"라고 부릅니다.

전단력 약화 현상을 보이는 유체에는 폴리에틸렌 등의 수지(Resin)가 있습니다. 수지는 사슬 형태의 분자 구조를 가지는데, 평소에는 이 분자들끼리 복잡하게 얽혀 있다가, 전단력이 가해지면 사슬들이 당겨지며 특정 결 방향대로 풀리면서 부드럽게 움직일 수 있게 변합니다. 그에 따라 평소에는 분자끼리 섞여 잘 움직이지 않는 점도가 높은 형태로 저장되어 있다가, 전단력이 가해지는 순간 묽게 변할 수 있는 것입니다.

죄르지는 이러한 수지의 특성에 주목하였습니다. 글씨를 쓴다는 것은 곧 볼펜의 공이 저장된 잉크의 표면을 스치고, 마찰력이 작용하면서 굴러간다는 것입니다. 즉, 우리가 글씨를 쓰는 순간에 잉크에는 전단력이 작용합니다. 결국 전단력 약화 현상을 보이는 유체는 정확히 비로 형제가 원하는 조건을 만족했던 것입니다. 그들은 유성 잉크에 수지를 섞어 원하는 조건을 정확히 만족하는 잉크를 만들었습니다. 기름에 안료를 섞고, 수지를 어떤 비율로 섞었을 때 가장 펜이 잘 나오는지 테스트하여 최종적으로 잉크를 완성하였습니다.

라슬로는 더 나아가 공이 펜 끝에 완벽히 맞물리면서도, 간신히 회전할 수 있는 정도의 작은 틈새를 구현하기 위해 수 마이크로미터 단위의 초정밀 공정을 진행해 볼펜의 기계적 구조를 완성했습니다.

마침 그 무렵, 영국 공군은 전투기 조종사들이 사용하는 만년필 때문에 큰 골머리를 앓고 있었습니다. 전투기가 고도를 높여 공중으로 올라가면 만년필 내부의 기압보다 외부의 기압이 낮아지는데, 이 기압 차이로 인해 만년필 잉크가 안에서 밖으로 터져 나와 조종사와 비행 지도, 중요 서류 등을 엉망으로 만들기 일쑤였기 때문입니다.

바로 이 때, 두 사람의 발명품인 볼펜이 이 고질적인 잉크 샘 문제를 해결할 완벽한 대안으로 영국 공군의 눈에 띄게 되었습니다. 애초에 끈적한 유성 잉크를 사용하는 볼펜은 잉크가 샐 일이 없었습니다. 곧, 특허는 영국 공군에 팔렸습니다.

얼마 지나지 않아 볼펜은 전 세계로 퍼져 나갔습니다. 미국의 기업 BIC에서는 흔히 "볼펜 똥"이라고 불리우는, 볼펜의 잉크가 굳어버리는 문제와 같은 각종 실용적 문제점이 해결된 볼펜을 대량생산하는 기술을 발명하였습니다. 이는 볼펜의 가격을 크게 낮추었고, 볼펜은 현재 전 세계에서 가장 사랑받는 필기구가 되었습니다.

필기 기술의 첨단, 디지털 터치 펜의 원리

요즘은 태블릿과 터치 펜을 이용해서 문제를 풀거나 필기하는 경우도 많습니다. 대중적으로 사용하는 태블릿의 디지털 터치 펜은 어떻게 작동하는 것일까요?

우리가 사용하는 스마트폰이나 태블릿의 화면은 대부분 정전기²⁾를 감지합니다. 우리 손가락이 화면에 닿을 때 발생하는 미세한 정전기 변화를 입력으로 인식하는 것입니다. 초기 터치 펜(Stylus)은 이 원리를 그대로 이용하여, 손가락이 만드는 정전기를 흉내 낸 구조를 가지고 있었습니다.

하지만, 이 방식은 근본적인 불편함을 안고 있었습니다. 펜촉이 너무 가늘면 정전기가 작아져 화면이 인식하지 못했기 때문에, 펜촉은 손가락처럼 뭉툭하게 만들어져야만 했습니다. 이 때문에 정밀한 필기감을 느끼기 어려웠고, 필압이나 펜의 기울기를 감지하는 것은 불가능했습니다. 또한, 글씨를 쓰기 위해 손바닥을 화면에 대면 펜과 손바닥이 동시에 인식되어 글씨가 엉망이 되는 문제도 있었습니다.

이 지점에서 공학자들은 훌륭한 역발상을 해냈습니다. 펜이 화면에 인식되기를 기다리는 수동적인 도구가 아니라, 태블릿과 직접 능동적으로 통신하는 별개의 전자기기가 되어야 한다는 아이디어에 도달한 것입니다. 이것이 바로 '액티브 스타일러스'(Active Stylus), 즉 오늘날의 스마트 터치 펜의 시작이었습니다.

이러한 능동적 펜의 구현 방식은 크게 두 가지로 나뉩니다. 첫째는 EMR(전자기 공명, Electro-Magnetic Resonance) 방식입니다. EMR 방식 펜에는 내부 전원 없이 작은 코일만 탑재되어 있습니다. 태블릿 스크린이 전자기장을 방출하면, 펜 내부의 코일이 전자기 유도 현상에 의해 전력을 공급받아 펜이 동작하게 됩니다. 둘째는 AES(능동 정전기, Active Electrostatic) 방식입니다. AES 방식 펜에는 내부에 자체적인 전력원이 존재합니다. 충전 등을 통해 자체적으로 전력을 공급받아 펜이 동작하게 됩니다. 전원이 공급된 디지털 펜은 자신의 위치와 상태를 알리는 고유 신호를 태블릿으로 되돌려 보냅니다. 태블릿은 이 고유 신호를 인식해 펜의 위치, 기울기 등을 파악합니다.

이와 같은 방식으로 태블릿과 연결된 디지털 펜은 정밀 센서 공학을 통해 기울기/필압과 같은 정보를 전송합니다. 필압을 위해서는 압전소자와 같은 센서를 활용해 펜촉의 압력을 감지합니다. 사용자가 펜촉을 누르면, 이 센서가 미세하게 짓눌리면서 센서의 내부 저항값, 혹은 전기 용량과 같은 물리적 성질이 변합니다. 펜은 이 미세한 변화를 "압력 512단계", 혹은 "압력 8192단계"와 같은 디지털 데이터로 변환하여 태블릿 본체로 전송합니다.

기울기는 어떻게 알아챌까요? 펜 내부에는 우리가 스마트폰에서 사용하는 '자이로스코프(Gyroscope)' 및 '가속도계(Accelerometer)' 센서가 탑재되어 있습니다. 이 센서들은 펜이 스크린 표면 대비 얼마나 기울어져 있는지(X축, Y축 각도)를 실시간으로 계산합니다. 태블릿은 각도 데이터를 송신해 연필을 눕혀서 칠하는 듯한 '음영 효과'를 구현하는 등 실제 펜과 같은 효과를 만들어냅니다.

마지막으로, 글씨를 쓸 때 손바닥이 화면에 닿는 문제는 소프트웨어 공학으로 해결할 수 있습니다. 태블릿은 펜이 가지는 좁은 신호와, 손가락 혹은 손바닥이 닿을 때 발생하는 넓은 정전기 신호를 구분할 수 있습니다. 태블릿의 운영체제는 펜의 고유 신호가 감지되는 동안에는 그 주변에서 발생하는 넓은 면적의 손바닥 신호를 의도적으로 무시하도록 프로그래밍되어 있습니다.

펜이 능동적으로 태블릿과 통신한다는 근본적인 아이디어에서부터 시작해, 펜 내부에 초정밀 센서를 탑재하는 전기/기계공학적 기술, 그리고 펜과 손바닥을 구분하는 소프트웨어 공학이 합쳐져 아날로그 연필처럼 정밀하고 자연스러운 필기감을 구현하는 현대적 디지털 펜이 탄생할 수 있었습니다.

이번 기사에서는 새 깃털의 섬세한 구조에서부터 시작해, 물리학에서 등장하는 모세관 현상, 화학공학에서 등장하는 전단력 약화 현상, 그리고 현대적인 센서/소프트웨어 공학에 이르는 수많은 지식에 대해 알아보았습니다. 현재 저희가 당연하게 쓰고 있는 필기구들은 역사적으로 수많은 공학자들의 노력이 누적되지 않았다면 만들어질 수 없었을 것입니다.

이 모든 발전은 거창한 연구실에서 이루어지지 않았습니다. "어떻게 하면 더 편리하게 쓸 수 있을까?"라는 아주 작은 불편함과 호기심, 그리고 가벼운 관찰에서부터 시작된 것이었습니다. 볼펜을 발명한 라슬로 비로 역시 처음부터 공학자가 아니었습니다. 그는 단지 '불편함을 해결하고 싶다'는 마음 하나로 끊임없이 시도했고, 마침내 세상을 바꾼 발명가가 될 수 있었습니다.

위대한 공학자의 발견은 당연한 것들에 '왜 그럴까?'라고 질문하는 태도에서 비롯됩니다. 여러분도 일상 속에서 작지만 진지한 호기심을 품어보는 것은 어떨까요? 그 작은 질문 하나가 미래의 혁신으로 이어질지도 모르는 일입니다.