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NASA의 주노 탐사선이 2016년 7월 4일에 목성에 도달하였다. 이후에 극 궤도로 돌면서 목성을 상세하게 탐사할 것이다.
이후의 탐사선.
취소된 임무.
목성의 위성인 유로파, 가니메데, 칼리스토의 표면 아래에 액체 바다가 존재할 가능성 때문에 얼음 위성에 관한 상세한 연구가 큰 관심을 끌어왔다. 그러나 자금 조달의 어려움으로 인해 그러한 계획은 계속 지연되어 왔었다. 2005년에는 NASA의 목성 얼음 위성 탐사선(JIMO) 계획이 취소되기까지 하였다. 이후에는 NASA와 ESA가 협력하는 방식으로 EJSM/라플라스 공동 임무가 계획되어 대략 2020년 쯤에 실행될 예정이었다. EJSM/라플라스 임무는 NASA가 주도하는 목성 유로파 궤도선과 ESA가 주도하는 목성 가니메데 궤도선으로 구성되어 있었다. 그러나 2011년 4월에 ESA가 공식적으로 NASA와 예산 및 주제를 공유하는 파트너쉽을 종료하면서 임무는 무산되고 예정표만 남게 되었다. 대신 ESA는 이를 골자로 L1 코즈믹 비전을 완수하기 위해 유럽만의 임무를 추진할 계획이다.
목성은 97개의 자연 위성을 가지고 있다. 그 중 53개는 지름이 10 km 미만으로, 모두 1975년 이후부터 발견된 것들이다. 갈릴레이 위성으로 알려져 있는 가장 큰 네 위성, 이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토는 지구에서 맑은 밤하늘에 쌍안경으로도 볼 수 있다.
갈릴레이 위성.
태양계에서 가장 큰 위성들인 이오와 유로파, 가니메데의 공전은 라플라스 공명이라 불리는 패턴을 이룬다. 이오가 목성을 네 번 공전할 때 유로파는 정확히 두 번, 가니메데는 한 번 공전한다. 이러한 공명으로 세 위성은 매번 공전할 때마다 동일한 지점에서 주변으로부터 추가적인 잡아당김을 받음으로써 궤도가 타원형으로 변형되는 등 중력에 의한 영향을 받는다. 반면에 목성의 기조력은 이들의 궤도를 원형으로 만드는 역할을 한다.
세 위성의 궤도 이심률로 인해 위성이 목성에 접근함으로써 목성의 중력에 의한 잡아당김으로 세 위성의 형태에 일정한 굽힘이 발생하며, 위성들이 목성으로부터 멀어지면서 다시 구형에 가까운 형태로 되돌아온다. 이러한 조석 굽힘에 의한 마찰로 위성의 내부에 열이 발생하는데, 이런 현상은 세 위성 중에 가장 강한 기조력을 받는 이오의 큰 화산 활동을 통해 가장 쉽게 확인할 수 있다. 또 유로파의 표면이 지질학적으로 어리다는 것(위성의 외형이 최근에 바뀌었음을 의미)을 통해서 알 수 있기도 하다.
보이저 임무 이전에, 목성의 위성은 궤도 요소의 공통점을 통해 네 집단으로 간단하게 분류되었다. 그러나 이후 수많은 위성들이 발견되면서 분류는 아래처럼 복잡해지게 되었다. 현재는 여섯 개의 큰 분류군이 있는 것으로 여겨지나, 일부는 이들과 별개의 특성을 지니고 있다.
기존의 분류군은 목성의 적도면 근처에서 거의 원형의 궤도를 돌고 있는 여덟 개의 내위성(內衛星)들로 이루어져 있다. 이들은 목성과 같은 시기에 함께 만들어진 것으로 여겨진다. 남은 분류군은 궤도가 목성의 적도면에 대해 크게 기울어지고 타원형인 수많은 작은 불규칙 위성들로 구성된다. 이들은 목성에 포획된 소행성이거나 그러한 소행성의 잔해로 여겨진다. 유사한 궤도 요소를 가지는 집단에 속해 있는 불규칙 위성들은 기원이 같을 것으로 추정되는데, 아마 큰 위성이나 포획된 천체가 파괴되면서 만들어졌을 것이다.
태양계와의 상호작용.
태양과 마찬가지로, 목성의 중력은 태양계가 오늘날의 형태를 갖추는데 큰 기여를 하였다. 태양계 행성의 대부분의 궤도는 태양의 적도면보다 목성의 궤도면에 가깝게 기울어져 있다(수성만이 궤도 기울기가 태양의 적도면에 더 가깝다). 그리고 소행성대의 커크우드 간극은 대부분 목성에 의해 발생한 것이며, 과거의 태양계 안쪽에서 일어난 후기 대폭격은 목성에 원인이 있었다.
목성의 중력장은 위성과 마찬가지로 수많은 소행성들을 통제하여 목성의 라그랑주점 영역으로 이주시킨다. 이렇게 이주된 소행성들은 트로이군이라고 불리며, "일리아드"에서 등장하는 것처럼 그리스와 트로이 "측"으로 나뉜다. 이들 중 맨 처음에 발견된 것은 588 아킬레스로, 막스 볼프가 1906년에 발견하였다. 그 그후 2000개 이상의 트로이 소행성이 발견되어 왔다. 가장 거대한 트로이 소행성은 624 헥토르이다.
대부분의 단주기 혜성들은 목성의 궤도 장반경보다 작은 장반경을 가진 혜성족인 목성족("Jupiter family")에 속해있다. 목성족 혜성은 해왕성 궤도 바깥의 카이퍼대에서 형성된 것으로 여겨진다. 목성과 가까이 접근하는 과정에서, 이들의 궤도는 섭동을 받아 공전 주기가 짧아지며 태양 및 목성과의 일정한 중력 상호작용으로 원형에 가까워진다.
목성은 태양계의 진공 청소기라고 불리는데, 그 이유는 목성이 어마어마한 중력 우물을 가지며 태양계 안쪽 근처에 위치해있기 때문이다. 목성은 태양계의 행성 중에서 가장 많은 혜성 충돌을 겪고 있다. 목성은 혜성 폭격으로부터 안쪽 태양계를 부분적으로 보호해 주었을 것이라 여겨졌으나, 최근의 컴퓨터 시뮬레이션에 따르면 목성이 중력을 통해 끌어 당기는 혜성의 수와 방출해내는 혜성의 수가 거의 같기 때문에 태양계 안쪽을 지나가는 혜성들의 수를 전체적으로 감소시키지 않는다고 한다. 이에 관해서는 과학자들 사이에서도 논란이 많다. 일부는 목성이 카이퍼대에서 지구로 혜성을 끌어당긴다고 생각하는 반면, 다른 이들은 목성이 가설상의 오르트 구름으로부터 지구를 보호한다고 생각한다. 목성은 지구보다 소행성 및 혜성 충돌을 200 배나 더 겪었다.
1997년에 옛 천문학 그림들을 조사해본 결과, 카시니는 1690년에 목성에서 일어난 충돌의 자국을 기록하였을 것이라고 한다. 그러한 조사로 여덟 개의 다른 후보 관측들에 대해 충돌 가능성이 낮거나 거의 없다는 것이 밝혀지기도 했다. 보이저 1호는 1979년 3월에 목성에 접근하던 동안 화구를 촬영하였다. 1994년 7월 16일에서 22일 사이에 슈메이커-레비 9(SL9, 공식적으로 D/1993 F2로 명명) 혜성에서 나온 20개 이상의 파편이 목성의 남반구와 충돌하였다. 이는 두 태양계 천체의 충돌에 대한 최초의 관측이었다. 이러한 충돌로 목성의 대기의 조성에 관한 유용한 자료를 얻을 수 있었다.
2009년 7월 19일, 제이회전계 경도 216도 부근에서 충돌 자국이 발견되었다. 이 충돌은 목성의 대기에 오벌 BA의 크기와 비슷한 검은 점을 남겼다. 적외선 관측을 통해 충돌 지점에서 밝은 점이 관측되었는데, 이는 충돌로 인해 목성의 남극 주변 영역의 대기 하층부가 따뜻해졌음을 의미한다.
2010년 6월 3일에는 이전에 관측된 것들보다는 작은 화구가 오스트레일리아의 아마추어 천문학자, 앤서니 웨슬리에 의해 발견되었는데, 후에 필리핀의 다른 아마추어 천문학자를 통해 촬영된 영상에서도 발견되었다. 2010년 8월 20일에는 또다른 화구가 관측되기도 했다.
1953년에, 밀러와 유리의 실험은 방전을 통해 원시 지구의 대기에 존재했던 생명체의 구성 요소인 아미노산을 포함한 유기 화합물의 생성을 입증하였다. 상정된 원시 대기에는 물, 메테인, 암모니아, 수소분자가 존재하였는데, 이러한 분자들은 목성의 대기에서도 찾아볼 수 있다. 목성의 대기에는 강력한 수직 공기순환으로 인해, 그러한 화합물들을 아래의 영역으로 이송한다. 그리고 대기 내부의 높은 온도로 화합물들이 파괴되면서 지구에서와 같은 생명체의 발생을 막는다.
목성의 대기에서 물은 적은 양만 존재하고 목성의 고체 표면이 극단적인 압력을 받는 깊은 곳에 있기 때문에, 목성에 지구에서와 같은 생명체가 존재할 것이라는 생각은 신뢰성이 떨어진다. 하지만, 아직도 암모니아 또는 물 기반 생명체가 목성의 상층부 대기에서 진화할 수 있다고 가설화되어오긴 하였다. 목성의 위성 중 일부 표면 아래에 있을 바다의 존재로, 이곳에 생명체가 존재할 가능성이 더 높을 것으로 추측된다.
목성은 고대에도 알려져 있었다. 밤하늘에서 육안으로 관찰 가능하고 가끔은 태양이 낮게 뜬 낮에도 볼 수 있기 때문이다. 바빌로니아인들에게 목성은 그들의 신 마르두크를 상징했다. 이들은 목성이 황도를 따라 약 12년 동안 공전한다는 사실을 통해 황도 십이궁을 만들었다.
로마인들은 목성의 명칭에 원시 인도-유럽의 발음어의 합성어 Dyēu-pəter(주격: Dyēus-pətēr, "하늘의 신" 또는 "낮의 신"를 의미)에서 유래된 명칭인, 로마 신화의 최고신, 주피터()의 이름(조브라고도 불림)을 붙였다. 따라서 목성은 그리스 신화의 "제우스"(Ζεύς) 또는 "디아스"(Δίας)를 상징하기도 한다.
행성을 상징하는 ♃ 심볼은 신의 번개를 표현한 것이다. 그리스의 신을 의미하는 제우스("Zeus")는 "zenographic"(목성의-)과 같이 목성과 연관된 용어를 만드는 데 쓰이는 "zeno-"의 어원이다.
"jovian"(목성의-)은 Jupiter의 형용사적 형태이다. 그보다 오래된 형용사적 형태로는 중세 시대의 점성가들이 만든, "jovial"이 있는데, 목성의 점성술적 영향 덕분에 "행복" 또는 "즐거움"이라는 기분을 의미하는 것이 되었다.
중국, 한국, 일본에서는 행성을 "목성"(木星)이라고 불렀는데, 중국의 오행에서 기원한 것이다. 중국의 도교에서는 행성을 삼성(三星) 중 복성(福星)으로 의인화하였다. 그리스에서는 목성을 "타오름"을 의미하는 파에톤(Φαέθων)이라 불렀다. 베다 시대의 점성술에서, 힌두의 점성가들은 행성에 신들의 스승, "무거운 사람"을 의미하는 "구루"라고 자주 불리는 브리하스파티의 이름을 붙였다.
게르만 신화에서 목성은 토르와 동일하였으며, 로마의 "dies Jovis"에 대한 영명이 "Thursday"이다.
중앙 아시아-터키 신화에서 목성은 "eren"(의미 불명)과 "yultuz"(별)의 합성어로 "Erendiz" 또는 "Erentüz"라고 불리었다. "eren"의 의미에 대해서는 많은 이론이 있다. 이 시기의 사람들은 목성의 공전주기가 11년 하고 300일이 된다는 것을 계산하였다. 이들은 하늘에서 "Erentüz"의 운동이 사회 및 자연적 사건과 어느정도 연관된다고 여겼다.
식목일(植木日, Arbor Day, 라틴어 arbor는 tree를 의미)은 나무를 아끼고 잘 가꾸도록 권장하기 위하여 제정한 날이다. 나무 심기를 장려해 쾌적한 생활환경을 조성하고 산림자원을 확보하는 것을 목적으로 한다. 대한민국에서는 해마다 4월 5일을 식목일로 정하여 국가적인 행사로 나무를 심는다.
1872년 4월 10일 미국 네브래스카주에서 제1회 식목 행사가 열렸으며, 그 뒤 식목 운동을 주장한 의 생일인 4월 22일을 아버 데이(Arbor Day: 식목일 또는 나무의 날)로 정하여 각종 축제를 벌인 것이 시초로 이후 전 세계적으로 퍼져나간 것이다.
한국에서는 1948년 제정되어 1949년 '관공서의 공휴일에 관한 건'에 의해 공휴일로 지정되었다. 1960년에 3월 15일을 ‘사방의 날’로 지정하면서 공휴일에서 제외되었다가 이듬해 공휴일로 부활되었다.
4월 5일이라는 날짜는 신라 문무왕 때인 677년, 당의 세력을 몰아낸 날인 음력 2월 25일을 양력(그레고리력)으로 환산한 것이다. 또, 조선 성종이 선농단에서 제사를 지낸 날이기도 하다.
1973년, 박정희 전 대통령의 요청으로 국회에서 각종 기념일 등에 관한 규정에 따라 기념일로 지정되었다. 1990년 공휴일에서 제외하자는 견해가 있었으나 청명, 한식 등과 겹치는 날이라 하여 공휴일로 유지되었다. 2004년 7월부터 시행된 대한민국 행정기관의 주 40시간 근무제 도입에 맞춰 식목일을 공휴일에서 제외하는 '관공서의 공휴일에 관한 규정' 개정문을 2005년 6월에 공포했고, 시행 부칙에 의해 2006년부터 공휴일에서 제외하고 법정기념일로 변경했다.
노무현 전 대통령은 2007년 4월 5일 식목일 날짜를 앞당기는 것에 대해 검토하라고 지시했다. 그러나 2007년 6월 6일 산림청이 식목일의 이름과 날짜를 변경하는 방안에 대한 찬반여론을 수렴했으나, 2008년 3월 이명박 정부는 식목일의 상징성 등을 고려하여 현행 유지하기로 결정하였다.
뇌(腦, ) 또는 골은 신경 세포가 하나의 큰 덩어리를 이루고 있으면서 동물의 중추 신경계를 관장하는 기관을 말한다. 뇌는 본능적인 생명활동에 있어서 중요한 역할을 담당하는데, 여러 기관의 거의 모든 정보가 일단 뇌에 모이고, 뇌에서 여러 기관으로 활동이나 조정 명령을 내린다. 또한 고등 척추동물의 뇌는 학습의 중추이다. 대부분의 척추동물, 특히 유두동물의 뇌는 머리에 위치하며 머리뼈로 보호된다.
뇌를 이루는 뉴런의 작동 원리에 대해서는 상당한 이해가 이루어지고 있는 반면, 수백만 개의 뉴런이 협동적으로 작동하는 방식에 대해서는 아직 알려진 것이 많지 않다. 현대 신경과학이 제안하는 여러 모델은 모두 뇌를 일종의 생물학적 컴퓨터로 취급한다. 뇌와 컴퓨터는 그 작동 기작이 다르지만, 주변 세계로부터 정보를 획득하여 저장하고 다양한 방식으로 처리한다는 점에서 유사하기 때문에 이러한 관점이 유용하다.
인간의 경우 성인의 뇌 무게는 약 1,400g~1,600g 정도이며 이는 1000억 개 정도의 뉴런을 포함한다. 가로 15cm, 너비 15cm, 깊이 20cm로 평균 1350cc 정도의 부피를 가진다.
뇌는 대부분의 움직임, 행동을 관장하고, 신체의 항상성을 유지한다. 즉 심장의 박동, 혈압, 혈액 내의 농도, 체온 등을 일정하게 유지시킨다. 뇌는 인지, 감정, 기억, 학습 등을 담당한다.
뇌와 척수는 연합 뉴런으로 이루어져 자극의 처리와 가공을 담당하므로 중추신경계로 분류한다. 뇌와 척수의 주체를 이루는 것은 신경 세포인데, 그 밖에도 신경 세포의 주변에서 보조, 지탱의 역할을 하는 신경교세포가 있다. 뇌에 혈관은 존재하지만 림프관은 없다.
대부분의 경우 신경 세포는 집단적으로 존재하며, 신경섬유는 다발을 지어 분포하기 때문에 신경세포와 신경섬유는 육안으로도 구별할 수 있는 경우가 많다. 신경 세포체가 모여 있는 부분은 회백질, 섬유가 많은 부분은 백질이라고 한다. 뇌에서는 회백질이 백질을 에워싸고 있는데, 척수에서는 백질이 회백질을 감싸고 있다.
뉴런을 생성한 최초의 동물은 자포동물이지만, 자포동물은 뇌가 아닌 균일하게 퍼져 있는 산만 신경계를 가지고 있다. 원시적인 조절중추로서의 뇌는 편형동물에서 최초로 진화한 것으로 보인다. 운동성을 갖게 되며 두화가 일어나기 시작한 편형동물은 신경세포체를 2개의 신경삭의 형태로 나누어 신경세포체가 머리부분에 밀집되는 방향으로 진화하였다.
이후 환형동물에 이르러 신경삭으로부터 신경절이 체절마다 한 쌍씩 형성되어 각 체절을 담당하게 됨으로써 중추신경계가 더욱 발달하게 되었다. 특히 환형동물의 체절 신경계는 가로섬유와 세로섬유가 마치 사다리와같이 연결되어있어 사다리 신경계라고 불리는데 그 중 가장 앞에 존재하는 신경절이 가장 잘 발달되어 있어 뇌를 이룬다.
절지동물에서는 흉부에 체절군이 집중하여 흉부 신경절을 형성하여 제 2의 뇌 역할을 한다. 곤충과 같은 고등절지동물은 특정 기관과 기능이 연관됨에 따라 좀 더 복잡한 행동을 가능하게 되어 사회성을 형성한다.
문어의 경우 무척추동물 중에서 가장 정교한 두뇌를 보인다. 척삭동물에 이르러서는 신경섬유가 뇌 뿐만이 아니라 등쪽에 모여 하나의 척수라는 관상구조를 이루는데 척삭동물에서 뇌와 척수를 구분하기는 힘들다.
척추동물의 두뇌 진화는 대뇌를 포함한 전뇌의 부피증가가 특징적이다. 원시어류의 경우 척추 앞부분에 약간 부풀어오르는 돌기모양의 뇌를 갖는다. 그보다 조금 더 발달한 어류는 원시어류에 비해 약간 큰 1~2g 정도의 돌기를 갖게 되었다. 이 돌기가 고등 동물의 후뇌, 뇌간, 중뇌에 해당된다.
현대 어류에 이르러서는 뇌 면적의 대부분을 차지하는 큰 중뇌와 작은 전뇌를 가지게 되었다. 현대 양서류와 파충류는 어류와는 달리 발달된 전뇌와 작은 중뇌를 갖는다. 조류와 설치류의 경우 전뇌가 더 커졌지만 표면이 부드럽다. 반면에 인간의 대뇌는 깊은 홈과 접힌 주름이 있다. 또한 후뇌에서 동작의 조정이나 균형감각을 담당하는 소뇌의 발달도 두드러졌다. 석기 기술의 중요한 변화는 바로 뇌의 크기가 증대할 때마다 일어난 것으로 추측된다. 하지만 최초의 증대만큼 큰 폭의 증대는 없었다. 크기나 조직과 같은 뇌 구조의 중대한 변화가 약 250만 년 전에 일어났다는 것은 확실하다.
발생 초기의 배아에서는 신경계가 될 세포들은 외배엽의 평평한 지역에 위치한다. 발생이 진행되면 외배엽 부분에 길다란 홈이 파이며, 이 홈을 따라 주위의 신경판 세포들은 배아의 속으로 빨려들어가며 서로 융합하여 신경관을 형성한다.
이 신경관의 내강은 속이 빈 채로 중추신경계의 중심 체강을 이루게 되고, 신경관을 둘러싸고있는 세포들은 뇌실막 상피세포로 분화하거나 미분화 신경줄기세포로 남아있게 된다. 신경관의 가장 바깥층 세포들은 중추신경계의 뉴런이나 신경교세포가 된다. 신경판의 양 가쪽에서 유래되는 신경능선 세포는 말초신경계의 체성신경계를 이루는 감각뉴런과 운동뉴런을 이루게 된다.
배아가 자랄수록 신경관 벽은 점차 두꺼워지는데, 특히 앞쪽 끝부분은 크게 부풀어오른다. 이 부분을 뇌관이라 한다. 뇌관의 발생에서는 뇌관 벽이 특히 등쪽이 현저하게 두꺼워지기 때문에 전체가 배쪽으로 구부러지며 앞뇌·중간뇌·마름뇌라는 세 군데가 명확하게 구별할 수 있을 정도로 불룩해진다.
이어서 앞뇌 양쪽이 크게 부풀어올라 대뇌 반구가 되며, 남은 원래의 부분이 사이뇌가 된다. 중간뇌는 그대로 중뇌가 된다. 마름뇌는 이윽고 앞뒤 두 부분으로 갈라져 앞부분의 배쪽이 다리뇌, 등쪽은 눈에 띄게 발달하여 소뇌가 되며, 뒷부분은 숨뇌가 된다. 나머지 신경관 부분에서는 주위의 벽이 거의 같이 발달하여 척수가 된다. 대뇌 반구와 소뇌를 제외한 나머지 부분은 뇌줄기로 발생한다.
인간 발생에서는 4주까지 신경관의 앞부분이 앞뇌와 중간뇌와 마름뇌로 나뉜다. 마름뇌 쪽에 있는 신경관 뒷부분은 척수가 된다. 발생이 계속되면 대뇌의 성장이 급속도로 빨라져 뇌간을 뒤덮는다. 발생 후 6주 정도 되면 중추신경계는 대뇌, 간뇌, 중뇌, 소뇌, 교뇌, 연수, 척수의 뇌의 7개 주 부분을 형성하게 된다. 또한 중심 체강은 속이 빈 뇌실로 확장하기 시작하여 2개의 가쪽뇌실과 2개의 하향뇌실로 발달하게 된다. 신경관의 중앙강은 척수의 중심관으로 발달한다.
이후 청소년 시기에도 뇌의 전두엽 부분이 발달하게 된다. 전두엽 부분의 뉴런들이 수초화가 이루어지고, 네트워크가 형성되면서 일어나게 된다.
대뇌.
대뇌는 감각과 수의 운동의 중추일 뿐만 아니라 기억이나 판단 등 정신활동의 중추이다. 대뇌는 뇌량으로 연결된 2개의 대뇌반구로 이루어져 있으며 뇌량에 의한 연결은 두 대뇌 반구의 신호전달과 상호작용에 중요한 역할을 한다.
회백질은 대뇌피질, 기저핵, 변연계를 포함하고 있다. 기저핵은 운동기능의 조절과 관련이 있고 변연계는 대뇌에서 가장 원시적인 부분으로 공포와 같은 감정반응을 담당하며 편도체, 띠이랑, 해마 등을 포함한다. 대뇌피질은 위치에 따라 전두엽, 두정엽, 측두엽, 후두엽의 네 개의 엽으로 구성되어 있다.
전두엽.
두정엽.
두정엽은 마루엽이라고도 하며 중심고랑과 두정후두고랑 사이, 바깥쪽 틈새 상부에 있어 기관에 운동명령을 내리는 운동중추가 있다. 체감각 피질과 감각연합영역이 있어 촉각, 압각, 통증 등의 체감각의 처리에 관여하며 피부, 근골격계, 내장, 미뢰로부터의 감각신호를 담당한다.
측두엽.
측두엽은 대뇌반구의 양쪽 가에 있는 부분으로 청각연합영역과 청각피질이 있어 청각정보의 처리를 담당한다. 이외에도 일차시각피질에서 유래한 정보가 도달해 색, 모양등이 인지되며, 얼굴에 특이적으로 인식하는 세포가 존재한다. 내측두엽 부분은 해마와 함께 기억형성에 주요한 역할을 수행한다.
후두엽.
후두엽은 뒤통수엽이라고도 하며 바깥쪽 표면에서 두정후두고랑 위쪽 끝부분과 후두전 패임을 잇는 가상적인 선의 뒤쪽 부분이고, 안쪽 표면에서는 두정후두고랑의 뒤쪽 부분이다. 시각연합영역과 시각피질이라고 하는 시각중추가 있어 시각정보의 처리를 담당한다. 눈으로 들어온 시각정보가 시각피질에 도착하면 사물의 위치, 모양, 운동 상태를 분석한다. 여기에 장애가 생기면 눈의 다른 부위에 이상이 없더라도 볼 수 없게 된다.
해마.
해마는 장기기억 전환에 중요한 역할을 수행하는 기관이다. 또한 대뇌 피질에 저장되어 있는 기억들의 인출을 담당하며
해마 앞에 있는 편도체는 감정적 기억형성에 주된 역할을 수행한다. 해마와 함께 주변에 있는 비피질 영역들은 해마와 함께 기억형성을 담당한다. 또한 해마는 파페츠 회로라고 알려진 기억회로의 일부를 담당하고 있다.
소뇌.
소뇌의 주된 작용은 골격근의 활동 조절을 하는 것이다. 어떤 운동을 할지, 그러기 위해서는 몇 가지 근육을 어떻게 사용해야 하는지에 대한 계획은 대뇌 피질의 전두엽에서 세워지는데, 실제로 운동이 시작되고 나서 그 계획대로 여러 활동이 실현되도록 피드백 기구로 관여하는 것은 소뇌이다.
소뇌로 들어갈 감각정보는 몸의 주변부에 있는 체성 수용체와 내이 안에 위치한 반고리관과 전정기관으로부터 보내진다. 또한 소뇌는 대뇌 피질의 뉴런으로부터 오는 운동정보를 받아 움직임을 조절하게 된다.
소뇌는 근육운동, 평형감각 조절을 한다. 만약에 소뇌가 없다면 땅에 있는 물건을 잡으려고 할 때 손이 엉뚱한 방향으로 가더라도 조절할 수 없고, 다리에 힘이 없어져서 서있지도 못한다.
뇌간.
뇌와 척수를 이어주는 역할을 한다. 다양한 운동과 감각정보를 매개하는 신경핵들이 집중되어 있다. 특히 뇌간의 연수는 안구 운동, 심장박동, 호흡 등 매우 기본적인 생명활동의 중추라고 볼 수 있는 부분이다. 또한 뇌간의 중뇌에는 신경전달물질을 분비 및 조절하는 신경세포들이 모여있다.
간뇌.
간뇌는 항상성의 중추로 뇌줄기와 대뇌 사이에 존재한다. 간뇌는 시상, 시상하부와 뇌하수체와 송과샘을 포함하는 내분비조직으로 나뉜다.
시상하부.
시상하부는 시상 밑에 위치하여 항상성 유지를 위한 중추로 작용한다. 시상하부는 내분비계와 자율신경계의 기능을 조절하며 망상계를 통해 다양한 감각수용기를 포함한 여러 부위로부터 정보를 받아 시상으로 보낸다. 대표적인 기능으로는 체온 유지, 삼투압 유지, 음식 섭취 조절, 생식기능 조절등이 있다.
뇌하수체.
뇌하수체는 뇌하수체전엽과 뇌하수체후엽으로 이루어져 있다. 뇌하수체 후엽은 시상하부핵에서 합성된 신경호르몬을 분비하는 역할을 하며 뇌하수체 전엽은 뇌하수체 전엽 호르몬을 분비하여 다른 기관에서의 호르몬 분비를 조절한다. 뇌하수체 전엽 호르몬의 조절은 시상하부의 신경호르몬에 의해 조절된다.
송과샘.
중뇌.
중뇌는 뇌줄기 아래쪽 부위와 간뇌 사이의 비교적 작은 지역으로 주로 안구 운동, 홍채 조절의 역할을 한다. 중뇌는 상구와 하구로 나눌 수 있는데 각각의 기능은 차이를 보인다. 상구는 주로 시각에 관여하는 부분이다. 조류에서는 이 상구 부분이 시각의 주된 처리를 담당하지만 인간 같은 포유류에서는 단지 시각의 반사 작용에만 관계할 뿐이다. 눈에 빛이 들어왔을 때 동공을 수축하거나, 수정체의 두께를 조절하여 초점을 맞추는 작용 등이 여기에 관계한다. 하구는 주로 청각에 관여하여, 귀에서 들어온 신호는 여기를 한 번 거쳐 대뇌로 향하게 된다. 대뇌각, 흑질, 적핵 등의 구조는 소뇌와 함께 운동에 관련된 신호를 대뇌에서 척수로 전달하는 역할을 맡고 있다.
교뇌.
교뇌는 중뇌와 연수 사이 뇌줄기에 존재하며 앞쪽으로 돌출되어있다. 교뇌의 주요 작용은 소뇌와 대뇌 사이의 정보전달을 중계하는 것이며 연수와 함께 호흡 조절의 역할을 하기도 한다.
숨뇌(연수).
숨뇌(연수)는 뇌간에서는 가장 아래이며 전체 뇌의 구조에 있어서도 가장 아래에 있다. 척수와 곧바로 연결되어 있으며 호흡이나 혈액 순환을 조절한다. 연수에서 나가는 신경은 뇌 전체에서 나가는 뇌신경 12쌍 중 8쌍에 달하며 이들은 동물의 생존을 유지하는 데 중요한 역할을 한다.
주변 조직.
뇌막과 두개골.
뇌와 척수 표면에는 연막이라는 엷은 막이 밀착되어 있다. 그 바깥쪽에는 약간 떨어져 거미막이라는 엷은 막이 있으며, 그리고 그 바깥쪽을 튼튼한 결합 조직성 경막이 에워싸고 있다. 연막과 거미막 사이에는 뇌척수액이 있다. 이와 같이 뇌와 척수는 세 겹의 막으로 둘러싸여 뼈 용기에 담겨 있다.
뇌의 용기는 뇌 두개라고 하며, 부드러운 뇌의 모양에 맞추어 단단한 뼈 모양이 만들어진다. 뇌두개 안쪽의 골막은 일부를 제외하고는 경막과 유착하여 하나로 보인다. 경막이 뇌의 홈에 들어가는 부분은 삼각형의 공간을 만들어 이곳에 정맥피가 흐른다. 이를 경막 정맥동이라고 하며, 모이면 내경 정맥이 되어 두개 밖으로 나와 심장으로 돌아간다.
뇌두개는 8개의 뼈로 되어 있다. 전두골·2개의 두정골·2개의 측두골·후두골·첩형골·사골이다. 이들 뼈 사이는 신생아 때는 상당히 떨어져 있으나 성장하면 접근한다. 그러나 완전히 유착하는 것이 아니라 중간에 결합 조직이 남아 있어 봉합이라고 한다. 성인이 된 이후 나이가 들어감에 따라 유착이 진행되고 나서 봉합이 어느 정도 골화되어 있는지를 보고 나이를 추정할 수 있다.
혈관.
뇌로 혈액을 보내는 혈관은 두 개이다. 하나는 내경동맥, 또 하나는 추골동맥인데, 두개 속에 들어가면 뇌 밑부분에서 합류하여 대동맥륜을 형성한다. 이곳에서 대뇌로 가는 3개의 동맥, 소뇌·교뇌로 가는 동맥 등이 나온다. 이들 동맥은 거미막 아래나 연막 속에서 가지가 가늘게 갈라져 뇌 속에 들어간다. 뇌에 들어간 가지는 종동맥이 되어 다른 가지와 연락이 안되기 때문에 이 혈관이 절단되면 이 가지가 분포하는 구역에는 어디에서도 혈액이 공급되지 못해 조직은 사멸한다.
뇌혈관장벽.
뇌에는 뇌척수액과 혈액사이에서 높은 선택적 투과성을 갖고 있어 혈액 내의 신경전달물질의 조절이나 독소로부터의 뇌 보호등 기능적 장벽의 역할을 하는 뇌혈관장벽이 존재한다. 뇌모세혈관의 내피세포는 성상교세포의 발돌기로부터 분비되는 물질에 의해 밀착연접을 형성하여 세포간 용질의 이동을 방해하여 고분자와 친수성 물질의 통과를 막는다. 이로 인해 수용성분자가 뇌혈관장벽을 통과하기 위해서는 특별한 채널이나 운반체단백질을 필요로 한다.
뇌신경.
뇌신경은 뇌로부터 나와서 뇌와 가슴 부분의 근육이나 감각 기관을 직접 연결시켜주는 말초신경으로 12쌍이 존재한다. 이들은 앞쪽에서부터 제1뇌신경부터 제12뇌신경이 배열되어있으며 그 기능에 따라 고유이름을 가지고 있다.
중추신경계는 타 기관과는 차별화된 대사를 갖고 있다. 뇌는 뉴런에서의 이온교환과 신경전달물질의 수송을 위해 필요한 아데노신 삼인산을 만들기 위해서 포도당과 산소를 필요로 한다. 산소와 포도당 중 하나라도 부족해질 경우 뇌에 치명적인 손상이 가해질 수 있다. 뇌는 신체의 소비 산소량중 약20% 가까이를 소비하는 중요 장기이다.
뇌의 뇌혈관장벽은 산소를 자유롭게 통과시키지만 뇌는 산소를 매우 많이 필요로 하기 때문에 심장으로부터 압출되는 혈액의 15%정도를 요구한다. 이에 반해 뉴런에서 사용할 수 있는 에너지원으로는 포도당이 결핍된 상황에서 사용하는 지방대사산물인 케톤체를 제외하고는 포도당이 유일하기 때문에 뉴런은 포도당 결핍에도 매우 민감하다. 또한 포도당은 뉴런이 직접적으로 뇌혈관으로부터 공급받을수도 있으나 별아교세포(Astrocyte)로 불리는 뇌혈관장벽에 위치하는 특회된 세포와의 커플링(coupling)를 통해 세포막 수송체를 필요로 하기도 한다.
감정은 사람이 오감이 아닌 다른 방식으로 느끼는 것으로 정의될 수 있으며 분노, 기쁨, 행복, 두려움, 슬픔 등이 있다. 실험적으로 편도체에 자극이 가해질 경우 두려움의 느낌을 가지게 된다고 보고되어 있으며, 편도체가 파괴된 동물의 경우 유순해지고 성욕이 생기는 현상이 나타난다. 이 때문에 인간의 뇌에서의 감정의 중추는 대뇌 변연계로 알려져 있다.
대뇌피질로 들어오는 감각 자극이 뇌에서 구성되어 인간은 지각과 인식을 하게 되는데, 이때 정보가 연합영역에서 통합된 후 변연계로 전달된다. 변연계에서 피질로의 피드백 작용을 통해 감정을 인식하게 되는것으로 보인다.
학습은 기억과 함께 인지 기능에서 매우 중요한 역할을 하며 연습이나 경험의 결과로 생기는 비교적 지속적인 유기체의 행동변화로 정의할 수 있다. 생명체 내에서의 학습에대한 메커니즘은 완벽히 알려지지 않았지만 뉴런간의 네트워크가 조합과 조화를 반복하며 지식을 획득하고 체계화 시킨다고 한다. 이에대한 방법으로는 세가지가 있다고 한다.
둘째는 뇌가 감각기관을 통해 환경을 경험하며 만들어가는 방법으로 출생 후부터 사춘기까지 출생 시 가지고 태어나는 미성숙한 뇌의 활발한 변화를 통해 신경네트워크가 변하는 것이다. 이때 자주 사용하는 신경세포들은 신경회로의 결합이 활발하게 일어나는 반면 자주 사용하지 않는 신경세포는 점차 그 회로 결합이 적어지게 된다.
사춘기 이후에는 신경회로의 변화가 크게 일어나지 않게되는데 이 때문에 이때 감각기관을 통해 들어온 정보를 변환하는 메커니즘을 익히지 못한 경우 성인이 된 후에는 해당 감각기관을 사용하지 못하게 되기도 한다. 예를 들어 어릴적 시력을 상실하였다가 성인이 된 후 시력이 회복되어 눈과 뇌의 기능이 정상적이라 해도 이 사람은 평생을 시각장애인으로 살아가야 한다.
세 번째는 뇌 발달이 끝난 성인에게서 나타나는 학습 방법인데, 이 시기에는 새로운 신경세포 결합이 거의 일어나지 않아 신경 회로의 생성이나 소멸을 거쳐 학습이 이루어지지 않는다. 그 대신 기존에 존재하는 세포결합이 더 발달하는 형태로 학습이 일어나게 되어 지식이 더 정교하게 변화되어간다.
연합학습.
연합학습의 대표적인 예로는 고전적 조건화가 있는데, 고전적 조건화란 행동주의 심리학의 이론으로, 특정 반응을 이끌어내지 못하던 자극이 그 반응을 무조건적으로 이끌어내는 자극과 반복적으로 연합되면서 그 반응을 유발하게끔 하는 과정을 말한다. 우리에겐 이반 파블로프의 개 실험으로 잘 알려져 있다.
비연합학습.
비연합학습은 한 자극에 반복적으로 노출될 때 일어나는 행동의 변화를 말한다. 대표적인 예로는 습관화와 민감화가 있는데, 습관화란 동물이 계속되는 부적절한 자극에 감소된 반응을 보이는 것이다. 예를 들어 갑자기 큰 소음이 나면 소리에 반응하지만 소음이 반복적으로 계속된다면 뇌가 그것을 무시하게 된다. 이에 반대되는 작용인 민감화는 유해한 자극에 계속적으로 노출 될 경우 반응이 촉진되는 경우이다. 습관화와 민감화의 두 행동형태가 모두 존재함으로써 개체가 살아남을 기회가 증가한다고 볼 수 있다.
기억은 정보를 간직하고 다시 생각해낼 수 있는 능력으로 단기기억과 장기기억, 반사성, 서술성 등이 있다. 자기공명영상(MRI)과 양전자방출단층촬영술(PET)을 통해 연구한 결과 서로 다른 종류의 기억에 대한 처리 과정은 다른 경로에 의해 일어나는 것으로 보인다.
기억은 기억자취로 알려진 대뇌 피질 상의 경로에 저장된다. 예를 들어 그림과 같은 정보는 시각피질에 저장이 되고, 음악과 같은 정보는 청각 피질에 저장이 되는 것이다. 이런 정보의 조직화는 저장되어있는 정보를 떠올리기 용이하게 한다. 또한 특정 작업을 학습하거나 상기시키는 작용에는 뇌에서 병행하여 작용하는 다양한 회로를 포함한다. 이러한 병행처리는 회로의 손상에 대비하여 백업을 준비하거나 특정 기억을 보편화시키는 방법의 하나로 생각된다.
습득된 정보의 저장은 두 단계를 거쳐 저장된다. 새로 습득한 정보는 단기기억에 저장되어 몇 초에서 몇 시간 유지되며 이를 복습을 통해 공고화 시키면 장기기억에 저장되어 며칠에서 수 년간 저장된다. 단기기억에 저장된 정보는 곧 잊혀지는 게 대부분이지만 장기기억은 기억의 망각이 상대적으로 덜 일어나며 대개 일시적으로 기억나지 않는 데 그친다. 또한 단기기억은 매우 제한된 용량을 가져 모든 척추동물은 7~10개의 단기기억밖에 갖지 못한다고 한다.
장기기억은 단기기억보다 용량이 훨씬 커 정보가 처리되고 코드화된 상태로 저장되는 것으로 보인다. 최근 발전한 개념에 작업기억이라는 것이 있는데 이는 현재의 감각정보를 관련된 과거의 저장된 지식과 비교하고 조작한 후 이에 근거하여 미래의 행동을 계획할 수 있게 해준다.
인지.
뇌에서의 언어 인지는 베르니케 영역에 해당하는 후부 언어영역과 브로카 영역에 해당하는 전부 언어영역에서 일어난다. 전두엽 운동피질 부근에 존재하는 브로카영역에서는 언어정보의 통합과 처리 후 운동피질의 정보 출력이 일어나기 때문에 말하기와 쓰기를 담당한다.
측두엽에 존재하는 베르니케영역은 언어정보의 입력을 담당한다. 따라서 시각피질 또는 청각피질로부터 입력된 언어 정보는 베르니케영역을 거쳐 브로카영역에서 처리되며 그 이후 운동기관을 통해 말하기와 쓰기로서 출력된다.
일반적으로 좌반구가 언어기능을 담당하고 있다고 생각하지만, 실제로는 오른손잡이의 97%가 이에 해당된다. 왼손잡이의 19%는 우반구에 언어영역이 존재하고 68%는 언어영역이 우반구와 좌반구에 모두 존재한다. 또한 양손잡이와 왼손잡이의 70%가 언어활동을 위해 좌반구도 사용하는 것으로 알려져있다.
커넥톰.
커넥톰은 뉴런이 어느 뉴런과 연결되는지, 그 모양과 패턴은 어떠한지를 파악해 전체 뉴런들의 연결망(네트워크)을 그린 것이다. 2006년 처음 개념이 제기 되었으며, 관련 학문으로는 커넥토믹(Connectomic)이 있다.
우울증.
우울증은 대한민국에서 매년 320만명정도 발병하며 미국 인구의 거의 10%가 걸릴 정도로 흔한 정신 질환으로 뇌의 여러 다른 부위에서의 비정상적인 신경전달물질의 방출과 수용이 그 원인인 것으로 보인다. 대표적으로 도파민과 세로토닌, 노르에피네프린 등의 신경전달물질이 이상을 보일 때 발생한다.
우울한 기분이 들어 수면, 식욕, 흥미의 저하와 불안, 자살 생각, 무기력감 등의 증상과 함께 나타난다. 우울증이 걸릴시 체중의 변화가 심각한 정도이며, 매우 둔하고 느려진다. 또한 자신에 대한 무가치감, 부적절한 죄책감이 동반되며 집중력과 기억력이 떨어진다. 만성적으로 피곤하며 잠을 못자는 경우가 많고 잠이 많아져 자더라도 개운하지 않다. 감정과 생각, 욕구와 더불어 신체 증상도 나타나는데 두통, 소화불량, 목과 어깨 결림, 가슴이 답답함 등이 나타난다. 심한 우울증의 경우 망상이나 환각이 나타나기도 한다.
우울증은 치료기간에 따라 다르지만 거의 80% ~ 90%가 완치되는 질환이며, 치료는 약물치료와 정신치료를 함께 해야한다. 약물 치료에 사용되는 항우울제 약물로는 삼환계 항우울제, MAOI 억제제, 세로토닌-노르에피네프린 재흡수 억제제, 선택적 세로토닌 재흡수 억제제 등을 들 수 있다. 세로토닌-노르에피레프린 재흡수 억제제는 노르에피네프린과 세로토닌이 시냅스 전 뉴런으로 재흡수 되는것을 억제하여 신경전달물질의 활성 수명을 연장하도록 한다. 세로토닌 재흡수 억제제는 시냅스로부터 세로토닌을 제거하는 것을 억제해 시냅스후 뉴런에서 세로토닌 관련 활성이 증가하여 항우울작용을 한다.
치매.
치매는 다양한 원인에 의해 뇌신경이 파괴됨으로써 기억력장애, 언어능력 장애, 변뇨실금, 편집증적 사고, 실어증과 같은 정신기능의 전반적인 장애가 나타나는 질환으로, 진행되는 과정에서 우울증이나 인격장애, 공격성 등의 정신의학적 증세가 동반되기도 한다. 의학계에서는 노화와 유전에 의한 원인성에 주목하고 있지만, 아직 정확한 발병원인과 치료법은 규명되지 않은 상태이다.
미나마타병.
미나마타병은 수은중독으로 인해 발생하는 다양한 신경학적 증상과 징후를 특징으로 하는 증후군이다. 1956년 일본의 구마모토현 미나마타시에서 메틸수은이 포함된 조개 및 어류를 먹은 주민들에게서 집단적으로 발생하면서 사회적으로 큰 문제가 되었다. 문제가 되었던 메틸수은은 인근의 화학 공장에서 바다에 방류한 것으로 밝혀졌고, 2001년까지 공식적으로 2265명의 환자가 확인되었다. 1965년에는 니가타현에서도 대규모 수은중독이 확인되었다.
뇌졸중.
뇌졸중은 뇌혈류 이상으로 인해 갑작스레 유발된 국소적인 신경학적 결손 증상을 통칭하는 말이다. 예로는 뇌출혈과 뇌경색이 있다.
디지털 회로 혹은 정답조합회로()는 디지털 신호를 이용하는 전자 회로로, 아날로그 신호를 이용하는 아날로그 회로와는 반대되는 개념이다. 일반적으로 불 대수로 표현할 수 있으며, 디지털 회로는 기본적으로 논리 회로와 정답조합회로를 조합하여 만들어진다. 디지털 회로는 컴퓨터와 같은 장치에 많이 사용된다.
주요 회로.
수학적 개념의 논리를 전자회로로 표현하기 위해 표준화 된 방법이 필요하다. 우선 결정할 것이 논리 0과 1을 어떻게 표현할 것인가이다.
기본적인 개념은 논리표현에서 전압을 기준으로 표현한다. 전류를 흐르면 1아니면 0으로 표현할 수 있지만 이것을 전자회로를 표현하기는 전압으로 하는 표현보다 어렵다. 입력과 출력에서 많은 다양한 회로를 수용하기가 경험적으로 쉽지 않다. 따라서 초기에 전압을 기준으로 논리를 표현한다.
보통 논리회로에서는 단일전원을 사용하는 것이 보통이다. 그렇다면 입력과 출력이 반드시 Vcc나 0V이어야 하는가 하는 문제이다. 이것은 BJT나 FET등을 이용해서 논리소자를 만드는데, 스위치 기능상 Vcc 또는 0V로 출력되지는 않는다. 보통의 전기 스위치는 저항이 0이지만, BJT나 FET로 스위치 할 때는 저항이 0이 아니다. 따라서 특정 전압 범위안에서 결정하면 된다. 다음과 같은 최소 고려 전압 밖에서 고려해야 한다.
BJT의 경우 포화상태(Saturation Mode)에서 걸리는 C-E간의 전압이다. 일반적인 BJT가 0.2V 이하이다. 쇼트키-트랜지스터는 ON시 0.35V로 또 다른 전압으로 동작한다. 그렇다면 논리 0이 0~0.2V 범위인가의 범위 설정문제가 나온다. 실제로 동작할 때는 위와 같은 범위에서는 동작하지만, 표준화 과정에서 전압범위는 외부회로의 전압관계를 고려하여 마진이 더 크다. TTL LS형의 경우 0 ~ 0.8V로 설정되어 있다. 이것은 스위칭하는 트랜지스터의 포화영역의 전압과 노이지 마진을 추가한 전압 범위이다.
전압 레벨.
논리에서 전압으로 논리상태를 표시하는데 이것은 경험적인 회로 구현에서 나온개념이라고 볼 수 있다. 전류는 다양한 상황에서 적용하는데 어려움이 많다. 그렇다면 전압을 몇 V로 할것인가를 생각해야 한다. 칩을 만드는 회사가 여러개가 존재하므로 표준화 하지 않으면 안 된다.
초기의 논리회로는 5V 기준이였다. 5V를 정해 놓고 이것에 맞추어 논리게이트든 마이크로프로세서든 만들어졌다. 그래서 5V를 Vcc라고 표시한다.
그렇다면 굳이 5V을 계속 해야 하는가가 문제이다. 전압이 높으면 고속의 클럭등에서 전력면에서 불리하다. 그리고 엣지에서 변화하는 속도가 존재하므로 고속의 처리에 불리하다. 따라서 전압은 낮으면 좋을 것이다. 따라서 경향은 점점 낮아지고 있다. 3.3V 많이 사용하는 전압이다.
TTL에 비해 CMOS는 전압 적응성이 좋다. 그리고 마이크로프로세서 분야에서는 FET을 이용한다. 그렇다면 무조건 전압을 낮출수 있는가이다. 이것은 여러 가지 이유에서 불가능하다.
논리0을 표시할 때, 0V가 출력이 되면 좋지만 BJT나 FET을 사용하면 내부저항 때문에 전압이 나타난다. 따라서 개별 스위칭하는 전자소자의 포화상태 전압을 낮는 것이 전체 전원을 낮추는 열쇠다.
디지털 회로는 두 가지 전압 레벨을 이진수나 논리 레벨의 0과 1로 나타내기 위해 사용된다. 액티브 하이(정논리)에서는 L는 이진수 0, H는 이진수 1을 나타내며, 액티브 로우(부논리)에서는 반대의 의미로 사용된다. 예를 들어 0 ~ 1.5 볼트는 논리 0, 3.5 ~ 5 V는 논리 1과 같다. 1.5 ~ 3.5 V는 논리가 변경될 때 사용되는 상태로 이상 상태라고 한다. 논리가 변경될 때 사용되는 상태는 대부분의 회로가 순수한 저항 회로가 아니기 때문에 전압 수준이 빠르게 변경되지 않아서 발생된다. 이러한 이상 상태를 인식하는 논리 회로도 있지만, 대부분 랜덤으로 0 혹은 1로 해석한다.
시모스의 디지털 회로는 내부 구조로 인하여 이러한 이상 상태에 있을 때 많은 전력을 소비해 버린다. 그렇기 때문에 이상 상태를 계속하면 소자가 발열로 인하여 파괴 될 수 있고, 회로를 설계할 때 이상 상태를 피해야 한다.
초기의 디지털 회로는 실리콘 기판에서 트랜지스터 제작에 제한이 있어서 PMOS나 NMOS에 의하여 내부 회로를 구성했었다. 이 경우에 입력이 0일 때는 전력소비가 적었지만 입력이 1일 때는 큰 전력을 소비한다. 또는 반대의 특성을 가지기도 했으며, 이 특성에 따라서 논리 회로를 액티브 하이 혹은 액티브 로우로 설계를 해야 하는 것이 중요했었다.
NMOS의 로직에서 논리 1의 H출력시 전류가 흐르면 저항에 전압이 걸린다. 출력회로에 따라서는 가끔은 토템폴의 출력구조에 비해 전력면에서 불리하다.
슈미트 트리거 (Schmitt trigger).
파형의 상승이나 하강으로 논리의 의도적으로 다르게 해서 이상 상태를 피하는 방법으로 히스테리시스(이력 현상)을 이용하는 경우도 있다. 슈미트 트리거(Schmitt Trigger)라고 불리는 로직 게이트가 별도로 존재한다.
위 그림에서 논리 A 출력은 엣지에서 실제로 발생할 수도 있다. 따라서 전압이 상승할 때, 논리를 인식하는 전압 레벌의 차이를 두어 이 문제를 어느정도 극복할 수 있다.
74LS04는 LS의 타입의 일반적인 전압 기준에 따라 동작하나 74LS14는 슈미트 트리거 특성을 갖는다. 슈미트 트리거의 동작에서 LS와 HC타입의 동작범위가 다르므로 선택적으로 사용하면 된다.
입력은 논리전압 기준을 따라 특정전압을 입력하면 된다. 논리 1은 Vcc로 규정되어 있기 때문에 어떤식으로든 Vcc을 입력하면 된다. 반대로 논리0은 0V로 입력하면 된다.
전류는 회로의 구성에 따라 전압과 저항의 옴의 법칙에 따라 전류가 흐른다. 논리를 입력한다고 해서 반드시 전류가 흘러 들어가지는 않는다. 오히려 논리 0일 때 입력의 반대방향으로 전류가 흐른다. 입력을 드라이브 하는 쪽이 씽크(sink)가 된다. 전력측면에서는 오히려 입력이 전력을 소모할 수도 있고 전력을 공급할 수도 있다. 즉, 입력이 전력입력과는 다른 문제이다. 단지 입력 노드에 특정 전압을 유지함으로써 신호가 입력되는 것이다.
그리고 입출력의 전류는 받드시 존재하는가이다. 이 역시 경우에 따라 전류가 있는 경우도 있고 전류가 거의 없어도 전압을 인가할 수 있기 때문에 전압 입력이 전력이 거의 0이 되는 경우도 있다. 이것은 BJT 보다 FET에서 더 적은 전력을 사용한다.
우선 출력은 특정 노드에 전압이 Vcc로 하이볼트 면 논리 1이다. 반대로 0V로 전압이 나타나면 논리 0이다. 출력노드에서는 정해진 전압이 나타나면 된다. 그렇다고 출력노드가 전력의 관점에서 전력을 출력하는 것만은 아니다. 즉, 출력 노드에서 출력회로에 전류가 흘러 나오지 않을 수도 있다. 경우에 따라 출력노드에 전력이 나오기도 하고, 전류가 흘러들어 오히려 전력을 소모하는 경우도 있다. 경우에 따라 전류가 흐르지 않을 수도 있다. 전력적인 측면에서 구성되는 회로에 따라, 전력출력과 전력소모는 여러 양상이 존재한다.
이러한 개념에 따라 출력을 구사하는 방법은 여러 가지가 있다. 그러나 현재 가장많이 사용하는 방식이 토템폴 출력 방식이다.
토템폴 출력.
논리게이트 단위의 TTL 중에 74시리즈가 가장 유명하고 많이 사용되어 왔다. 여기서 중요한 출력 방식이 토템폴(Totem Pole) 방식이다. 두개의 스위치를 배치하고 다음 개념적 표현과 같이 구성한다.
위 개념도에서 스위치가 Vcc와 GND 사이에 2개의 스위치 구조를 토템폴(Totem Pole)이라고 한다. 논리 1일 때는 위의 스위치를 열어 출력 노드에 Vcc가 출력되도록 하고, 반대로 0일 때는 GND 쪽의 스위치를 열어 0V을 유지하도록 한다.
이 개념도에서 각각의 스위치는 디지털회로에서 BJT, FET등으로 대처된다. 고속의 논리신호처리를 위해서는 전자 스위치로 바꿀수 밖에 없다. 각각의 스위치는 BJT나 FET로 만들어지고, 시대별로 발전하는 과정을 거쳐 트랜지스터의 모양도 변화한다.
하이 임피던스.
그림에서 출력 Z는 출력측에서 어떤 전압도 드라이브 하지 않는 상태다. 즉, 신호가 없고 뜬 상태이다.
하나의 신호선에 복수의 출력 소자를 연결하는 버스 구조를 사용하는 경우에는 신호를 출력할 소자와 수신할 소자만 연결되어 있어야 한다. 회로 제어를 잘못하여 복수의 출력 회로가 동시에 접속되어 버리면 회로 사이에 비정상적인 전류가 흘러서 소자가 파괴될 수도 있다.
이와 같이 출력 신호선에서 전기적으로 절연된 상태를 하이 임피던스()라고 부르며 H, L 둘 다 아닌 제3의 상태로 취급된다. 하이 임피던스 상태는 기호로 "Z"라고 표기한다.
어떤 입력 단자에 연결되어 있는 모든 출력 단자가 동시에 하이 임피던스 상태가 되면 전기적으로 입력 단자에 아무것도 연결되어 있지 않는 것과 동일한 상태가 되어서 안정적인 논리상태를 구현할 수 없다. 그렇기 때문에 하이 임피던스 상태를 수반하는 신호선은 풀업 또는 풀다운을 하는 것이 보통이다.
하이 임피던스 출력과 비슷한 것으로 아래의 오픈 컬렉터 출력이 있다. 이것은 출력이 논리 1일 때 L의 전압을 출력 하지만 논리 0일 때는 H의 전압을 출력하는 것이 아니라 하이 임피던스 상태가 되는 출력 소자이다. (부논리의 출력이 됨)
출력상태에서 Y 상태를 만들기 위해, EN(Enable) 또는 OE(Output Enable) 신호입력에 의해 제어한다. 심볼에서 EN의 신호에 작은 동그라미가 있을 때는 0일 때 액티브(정의된 기능의 동작 상태, 입력신호에 따라 0 또는 1을 출력)되고 아래 회로처럼 그냥 연결되면 1일 때 액티브 된다.
마이크로프로세서의 버스구조에서 여러개의 칩에서 출력을 공동으로 연결하는 것은 일반적이다. 따라서 각각의 칩에서는 자기의 출력을 원할때만 버스에 출력하는 방식이 필요하다.
오픈-컬렉터 출력.
위의 스위치를 제거하고 다음과 같이 출력하는 것을 오픈-컬렉터 (Open-Collector, TTL 게이트) 또는 오픈-드레인(Open-Drain, FET 게이트)라고 한다.
논리 0을 출력할 때는 GND 쪽의 스위치를 닫아 0V를 유지하고 논리1일 때는 Z 상태를 유지한다. 논리1일 때 외부에서 전압을 결정하도록 회로를 구성해야 한다.
논리 1 출력할 때 하이 임피던스가 되므로 여러 오픈 컬렉터 출력들을 단순하게 연결한 다음에 풀업을 하면, 출력의 어떤 것이라도 논리 0이 되었을 때 L가 되므로 논리곱 연산을 하게 된다. 이와 같이 논리합 디지털 회로 소자 없이 논리곱을 구현한 회로를 「와이어드 AND」라고 부른다.
마이크로프로세서에서 다른 칩과의 통신을 위해서 이 회로를 많이 사용한다. I2C등의 회로가 이 경우이다.
논리의 입력과 출력 예.
어떤 게이트의 논리 출력은 다음 게이트의 입력이 된다. 따라서 실제 스위치처럼 완전히 0V 또는 Vcc 전압으로 입력되지 않고 마진 전압이 입력된다.
트랜지스터-트랜지스터 논리(TTL,Transistor–Transistor Logic)은 내부적으로 스위치와 제어신호를 BJT을 사용한다. 속도면에서 쇼트키-트랜지스터를 사용하면서 쇼트키 TTL(S 타입)로 개발되었고 다시 저전력을 위해 LS타입이 개발되어 대중화되었다.
입력이 0으로 되었을 때의 각각의 스위치 반응이다. 여기서 빨간색은 전류 흐름의 방향이다. 왼쪽의 0입력은 내부의 저항을 통해 전류가 흐른다. 출력쪽은 출력 회로에 의해 전류가 결정되지만 방향은 안쪽으로 들어온다.
입력과 출력 예.
풀업과 풀다운.
위 언급처럼 디지털 회로는 원칙적으로 H나 L의 전압 인가가 되어 있어야 한다. H와 L의 중간 전압이 되게 되면 내부 상태가 불안정하게 되거나 전력 소비가 증가한다. 그리고 L보다 낮은 전압이나 H보다 높은 전압이 인가되면 방해 전류 흐름이 생겨서 회로를 파괴할 수 있다.
일반적으로 디지털 회로의 입력 단자는 내부 임피던스가 높기 때문에(전원 회로와 저항이 큼) 입력 단자가 어디에도 연결되어 있지 않으면 근처의 정전기나 전자기 유도에 의하여 예상할 수 없는 전압이 인가될 수 있다. 그렇기 때문에 연결기에 의하여 외부로 연결되는 입력 단자는 커넥터가 잘못 연결되어 비정상적인 전압이 인가되지 않도록 해야 한다. 추가로 입력 단자가 어디에도 연결되어 있지 않은 상태를 「플로팅」란 표현이 널리 사용된다.
이러한 경우에는 수kΩ ~ 수백kΩ 정도의 높은 저항으로 전원선이나 접지선에 연결시킨다. 전원선에 연결한 것을 「풀업」이라고 하고 접지선에 연결한 것을 「풀다운」이라고 한다.
여기서 다른 디지털 회로의 출력 단자가 접속되었을 경우에는 디지털 소자의 출력 회로는 내부 임피던스가 지극히 작으므로 풀업 또는 풀다운에 사용된 저항값은 거의 무시할 수 있는 상태가 된다. 큰 저항과 작은 저항을 병렬로 연결한 경우에는 전류는 작은쪽으로 흘러서 큰 저항의 영향은 거의 없다.
풀업 저항값이 너무 크면 플로팅 상태와 비슷하게 되어서 전자 유도에 의해서 약해져 버린다. 그러나 너무 작으면 연결된 출력 소자에 큰 전류가 흘러서 회로의 소비 전력이 증가되고 최악의 경우에는 출력 소자가 파손된다.
입력 단자로 연결되는 신호선이 통신선처럼 비교적 길 경우에는 신호선으로 전자 유도가 일어나 전원 전압이나 접지 전압의 범위 밖의 이상 전압이 더해질 가능성이 높아진다. 이러한 경우에는 풀업 저항에 병렬로 다이오드를 연결해서 이상 전압에 의한 전류가 전원선 쪽으로 흘러 나가게 해서 디지털 회로 소자가 안전하게 동작하게 한다. 이 용도의 다이오드를 「클램프 다이오드」라고 불린다. (디지털 입력의 보호 목적 외에도 전압 치역을 제한하는 목적으로도 사용됨)
디지털 회로 설계상 하나의 IC속에 있는 모든 디지털 회로를 사용하지 않고 일부의 회로만 사용하는 경우도 있다. 이때 사용하지 않는 회로의 입력 단자는 그 상태가 H혹은 L이겠지만 동작에 전혀 관계 없기 때문에 플로팅시켜 버리는 경우가 있다. 논리적으로는 상관 없겠지만 전기적으로는 앞과 같은 이상 전압이 더해졌을 때는 회로가 파괴될 수 있으므로 쓰지 않는 입력 단자는 반드시 풀업이나 풀다운하는 것이 좋다. 다만 이 경우에는 다른 출력 단자의 상황을 고려하지 않아도 되기 때문에 직접 전원선이나 접지선에 연결해도 된다.