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오늘은 제18대 국회의원선거 투표 날이다. 독자의 지역에는 어떤 후보가 당선될까. 한두 달 전부터 텔레비전과 신문 등에서 발표한 여론조사 결과에서 가장 앞섰던 후보가 당선됐을까, 아니면 2위나 3위였던 후보가 역전했을까. 과연 여론조사는 믿을만한 것일까.

1936년 미국 대통령선거 당시 인기잡지인 ‘리터러리 다이제스트’는 미국의 전화가입자와 자동차 소유자 1천만 명에게 우편엽서를 발송해, 236만 명에게서 답변을 받는 지상투표식 조사를 시행했다. 이를 통해 리터러리 다이제스트는 랜던 57%, 루스벨트 43%로 랜던의 우위를 예측했다. 반면 갤럽은 미국 전역의 유권자 중 할당추출법으로 1,500명을 추출해 이들을 대상으로 면접조사를 시행했다. 이를 토대로 갤럽은 랜던 44%, 루스벨트 56%를 예측했다. 개표 결과는 38% 대 62%로 루스벨트가 당선됐다.

‘리터러리 다이제스트’는 236만 명으로 표본 수는 많았지만 표본이 모집단과 비슷해야 하는 표본의 대표성을 갖추지 못했고, 갤럽은 1500명으로 표본 수는 적었지만 상대적으로 표본의 대표성이 뛰어났던 셈이다. 이후 여론조사는 학문, 산업, 정치 등 안 쓰이는 분야가 없을 정도로 널리 사용되고 있다.

10만명의 유권자(모집단)가 있는 가상의 선거구에서 500명을 대상으로 여론조사를 시행해보자. 먼저 질문지를 작성한다. ‘다음 중 지지하는 후보는 누구입니까? ①홍길동 ②이산 ③김철수’ 다음으로 여론조사 기관이 보유한 해당 지역 5만명의 전화번호부를 활용해 전화조사에 들어간다. 10만명에 대한 전화번호가 있으면 가장 이상적이나 전화가 없는 사람, 있으나 번호 공개를 거부한 사람 등 여러 가지 이유로 제한된 일부만 등록돼 있다. 이때 5만명 모두에게 전화를 하려면 비용이 많이 드는 등의 한계가 있으므로 이 중에 지역의 성별, 나이, 직업 등의 분포도와 근사한 3000명 정도를 비례할당 방법으로 추출한다.

이제 수십명의 조사담당자들에게 이것을 나눠준 뒤 한 명당 수십명의 응답을 받도록 한다. 조사 대상이 전화를 받지 않으면 부재에, 전화를 받았으나 응답을 거부하면 거부에 표시한다. 이렇게 진행해 500명까지는 꼭 답변을 받는다.

조사를 통해 다음과 같은 결과가 나왔다. ‘①홍길동 35%, 이산 28%, 김철수 10%, 무응답 또는 모름 27% ②유권자 500명 전화조사, 응답률 20% ③95% 신뢰수준에 표본오차 ±4.4%p.’ 최근 신문을 보면 여론조사 결과에 이와 비슷한 내용이 제시된다. 복잡하기만 한 이 숫자에는 통계적으로 여론조사 결과의 적절성을 알 수 있는 내용이 담겨있다.

①은 후보자별 득표율이다. ②에서 ‘응답률 20%’는 2500명에게 전화를 걸어 이 중 20%인 500명에게서 답변을 받았다는 뜻이다. ③에서 ‘95% 신뢰수준’은 이 조사를 100번 시도했을 때 95번은 비슷한 결과가 나오며, ‘표본오차 ±4.4%p’는 후보자 간 득표율 차이가 8.8%포인트 정도는 넘어야 둘 사이에 차이가 있다고 볼 수 있다는 의미다.

여기서 홍길동과 이산 후보는 둘 간의 차이가 7%포인트로 우열 관계가 성립되지 않는다. 즉 통계적으로 오차안의 범위에 있기 때문에 홍길동이 앞서고 있다거나 이산이 뒤지고 있다고 볼 수 없다. 다시 조사하면 달라질 수 있기 때문이다. 표본오차는 이처럼 다시 시행했을 때 달라질 수 있는 범위를 의미한다고 보면 된다. 이때 표본의 수를 늘려 표본오차 범위를 ±3.2%로 줄였는데도 같은 비율이 나왔다면 두 후보 간에 우열이 성립된다고 말할 수 있다.

우리나라의 여론조사는 종종 신뢰를 떨어뜨리는 예측 결과를 내놨다. 1988년 제1야당 예측 실패, 1996년 여당의 과반수 붕괴 예측 실패, 2004년 국회의원선거 출구조사 예측 실패 등이 대표적인 사례다. 왜 우리나라 여론조사 기관은 예측에 실패했을까.

여론조사는 전수조사를 하지 않는 이상 표본의 수보다는 표본을 어떻게 추출하느냐가 더 중요하다. 미국 등의 여론조사 기관에서는 무작위로 표본을 추출해 조사한 다음 전체 모집단과 비교해 지역과 성, 연령 등의 비율을 맞춰 조정하는 방식을 사용한다. 하지만, 무작위 추출을 하려면 사용되는 조사에 사용되는 표본의 분포가 모집단의 분포와 비슷해야 한다.

그런데 여론조사 관계자에 따르면 주로 가정집 전화로 조사를 진행하는 우리나라는 20대 남성 등 젊은 층의 전화가입자가 적거나 통화가 쉽지 않아 무작위 추출 방법으로는 모집단과 비슷하게 조사하는 것 자체가 불가능에 가깝다고 한다. 그래서 많은 여론조사 기관은 모집단이 가지는 지역과 성, 연령별 비율을 고려한 비례할당 추출 방법을 이용한다. 이 방법은 비용과 시간 등을 고려할 때 가장 효과적이긴 하지만 전문가들은 학문적인 관점에서 표본 추출시 어느 한쪽에 치우칠 수 있다는 이유 등으로 선호하지 않는 방법이다.

특히 국내에서 시도하는 가정집 전화 할당추출방식은 ①전체에서 57%만 전화를 걸 때 사용하는 표본이 되는 전화번호부에 등재돼 있고 ②끝까지 답변하는 응답률이 20% 내외로 낮으며 ③응답하지 않는 약 80% 중 절반은 전화를 받긴 했으나 답변을 거절한 사람일 정도로 많으며 ④ 끝까지 답변한 사람 중 주부가 30%를 차지할 정도로 주부의 비율이 높다는 한계를 가지고 있다. 선진국에서는 응답률이 30%이하면 조사 결과를 버리는데 우리는 10%대의 값도 사용한다.

그러나 이런 문제만 있는 것은 아니다. 표본이 모집단을 완벽하게 대변할 수 없어서 여론조사에서는 다양한 변수를 사용한다. 특히 선거 관련 조사에서는 출신지역, 성별, 학력, 투표율 등을 주요한 변수로 활용한다. 여론조사는 표본뿐 아니라 질문 문구와 시기 등 여러 가지 변수가 예측과 신뢰성에 영향을 준다. 여론조사가 한계 표본 내에서 정확한 예측을 하려면 다양한 변수를 충분히 고려해 정확하게 설계돼야 한다.

독자 모두가 나라와 지역 발전에 진정 도움이 되는 후보를 선택했길 바라며, 또한 그 후보가 당선됐으면 하는 바람을 가진다. 또 개표 방송을 볼 때 여론조사와 비교해보길 권한다.(글:박응서 과학칼럼니스트)

2015년 4월 7일, 자동차 손잡이에 열쇠 대신 손을 대자 문이 열리고 운전석에 앉으니 자동으로 운전하기 가장 편한 자세가 만들어진다. 회사에 도착해 보안이 철저한 사무실 문에 손을 대는 것만으로 신분이 확인된다. 자신의 신상에 대한 모든 정보를 담은 시계를 차고 있어, 이 정보가 손을 댈 때 몸을 타고 전해져 몸이 열쇠가 되고 보안카드가 된다.

앞으로 무선통신보다 인체통신이 각광받을 가능성이 큰 이유는 감성시대에 딱 맞기 때문이다. 기계 대신 악수나 손을 가깝게 대는 것만으로 정보를 주고받으면 친밀성이 높아진다. 또한 보안문이나 서명이 필요한 인증시스템처럼 사람이 직접 접촉해야만 처리가 가능한 상황에서 인체통신을 이용하면 보안성과 편리성을 높일 수 있다. 그런데 전파에 신호를 담아 전송하는 방식도 아닌데 어떻게 몸을 통해 전기신호를 주고받을 수 있을까.

몸으로 전기신호를 주고받도록 하는 인체통신기술의 원리를 처음 생각해낸 사람은 미국 MIT 미디어랩의 토마스 짐머맨 박사다. 그는 1995년 인간의 몸을 통해 전기신호를 전달하는 원리와 방법을 담은 논문을 발표했다. 그는 몸을 하나의 도선으로 여겨 몸에 약한 전기신호를 흘려보낸 뒤 이를 수신하는 센서를 만들었다. 몸의 흐르는 전류의 변화를 이용한 방식이다. 또 몸에 두 개의 전극을 붙이고 전압을 달리하며 이때 변하는 전위차를 측정해 신호를 주고받는 방법을 고안하기도 했다. 이때 몸에 흐르는 전류는 인체에 흘렀을 때 위험한 전류 크기(최대 1mA)의 10만분의 1 수준이다.

인체통신의 원리를 경민이가 은지와 손을 잡는 예로 생각해보자. 인체통신 송수신기를 건전지로 가정하면 경민이의 손가락쪽은 +전극, 어깨쪽은 -전극으로 설정할 수 있다. 경민이의 손이 은지와 접촉하면 경민이의 손가락쪽에서 흘러나온 전류가 은지의 몸을 통해 은지의 송수신기로 흐른다. 또한 이 전류는 은지의 송수신기를 통과해 다시 몸을 통해 경민이에게로 흐른다. 이렇게 해서 고리가 만들어져 전류가 흐르는 것이다. 이 전류에 고주파 변조를 걸면 신호의 송수신과 데이터 통신이 가능해진다.

짐머맨 박사는 이 원리를 이용해 인간의 몸을 통해 정보를 전달하는 최초의 송수신기를 만들었다. 그가 만든 장치는 크기가 매우 컸을 뿐만 아니라 데이터 전송 속도도 60kbps(1초당 6만 비트전송)에 불과했다. 이는 10초에 1번 짧은 음성 정보만을 보낼 수 있는 정도다. 하지만, 그는 손목시계 같은 소형 통신기를 이용해 손가락을 접촉하는 순간 데이터 통신이 이뤄지는 일이 가능하다는 사실을 보여줬다는 점에서 인체통신기술의 선구자로 여겨진다.

언제 어디서나 악수를 하는 동시에 서로 명함을 PDA로 주고받고 ‘몸을 통해’ 많은 분량의 서류파일을 전달하려면 송수신장치의 크기가 작고 전송속도도 빨라야 한다. 이 목표를 이루려고 인체통신기술을 연구하는 과학자들은 다양한 시도를 하고 있다.

2000년 일본 동경대의 노조무 하치스카 교수가 개발한 인체통신 송수신장치는 크기가 가로세로 각각 5cm에 불과했다. 하지만, 데이터 전송률은 여전히 100kbps 정도로 낮았으며 통신 거리도 몸 전체를 포함하지 못했다. 이후 다른 과학자들의 다른 연구에서 통신 거리는 몸 전체로 넓어지고, 속도는 더 나아졌다. 이런 과정에 2003년 일본의 통신회사인 NTT는 전광(electro-optic)현상을 이용해 크기와 속도 두 마리의 토끼를 잡는 인체통신 모듈을 개발했다. 전광현상은 매질에 전기장을 걸었을 때 매질의 굴절률 같은 광학적 성질이 변하는 현상이다.

당시까지 인체통신 장치들이 순수하게 전기 신호의 전달을 통해 데이터 통신을 했다면, 이들은 몸을 통과한 미세한 전기 신호에 의해 굴절률이 크게 변하는 전광크리스털을 이용했다. 예를 들어 철수가 영희와 접촉하면 전달하려는 정보가 전기신호로 바뀌어 영희와 철수의 몸을 거쳐 철수의 송신기에 도달한다. 이때 전달된 전기신호를 송신기에 장착된 전광크리스털로 받은 다음, 전광크리스털에 레이저를 쏘면 전기신호의 크기에 따라 전광크리스털을 투과하는 빛의 양이 변한다. 이를 광센서로 감지해 송신기에서 보낸 데이터를 식별한다.

NTT는 감도가 뛰어난 크리스털 덕분에 기존 인체통신 장치보다 10배 이상 빠른 10Mbps의 데이터 전송속도를 얻었다. 하지만, 이 장치를 바로 상용화하기는 어려워 보인다. 값비싼 크리스털을 사용할 뿐만 아니라 레이저를 쏘는데 전기를 많이 쓰기 때문이다. 과학자들은 값싸면서도 데이터 전송속도가 빠른 인체통신장치를 만들려고 다양한 접근방법으로 연구하고 있다.

손으로 직접 닿지 않고 수 cm 떨어져 있거나 헝겊 같은 절연체를 사이에 두고서도 데이터를 주고받을 수 있는 기술도 개발됐다. 2007년 일본의 통신기기 회사 알프스는 인체통신모듈을 탑재한 휴대전화를 개발했다. 휴대전화를 주머니에 넣어 둔 상태에서 휴대전화 안에 저장해둔 MP3파일을 코드가 없는 헤드폰으로 재생해 감상할 수 있다. 알프스는 2009년까지 이 휴대전화의 제품화 여부를 검토할 예정이다.

인체통신기술은 하나의 송신기와 수신기 사이에만 정보를 주고받던 수준을 넘어 인간의 몸에서 수십~수백 개 장치가 동시에 데이터를 주고받는 다중접속네트워크로 진화하고 있다. 이 기술이 정착될 미래에는 인간의 몸에 부착된 작은 센서들이 혈압, 체온, 혈당을 수시로 검사하며 건강 상태를 종합적으로 진단한다. 또 팔이나 다리가 없는 장애인은 뇌파를 측정해 그의 의지를 미리 감지하고 이에 따라 의수나 의족이 적절히 움직일 수 있게 할 수도 있을 것이다.

인체통신기술은 아직 걸음마 단계다. 하지만, 2007년 12월 특허청이 발표한 자료에 따르면 인체통신과 관련된 특허 출원은 2004년까지 한해 1건에서 2005년에는 9건, 2006년에는 25건, 그리고 2007년에는 30건이 넘었을 정도로 해마다 가파르게 늘고 있다. 전문가들은 기술적인 문제를 해결하는 일 만큼이나 인체통신기술을 응용할 수 있는 새로운 분야를 찾는 일도 중요하다고 입을 모은다.
(글:안형준 과학칼럼니스트)

소문만복래(笑門萬福來). ‘웃으면 복이 온다’는 뜻이다. 그런 때문인지 우리는 행복 기준의 하나를 ‘웃음’으로 꼽는다. 웃음을 연구한 학자들에 따르면 인간은 일생 동안 50만 번 이상 웃는다고 한다. 성인은 하루 평균 8번 웃고, 어린이는 평균 400번쯤 웃는다. 성인이 되면서 웃음이 사라지는 것이다. 웃음은 강한 전염성이 있다. 남이 웃으면 따라 웃고, 다른 사람의 웃음에 내 마음이 덩달아 즐거워지니, 웃음은 아름다운 얼굴을 만드는 최고의 화장품이라 할 수 있다.

인간의 특징 중 다른 생물과 구별되는 것 중의 하나가 웃음이다. 인간은 지구상에서 유일하게 무리지어 웃어대는 동물이다. 하지만 웃을 줄 아는 유일한 동물은 아니다. 과학자들은 뇌를 정밀히 조사하여 침팬지와 쥐들이 웃는다는 사실을 밝혀냈다. 침팬지는 끼리끼리 놀면서 살갗을 문지르거나 건드려 접촉을 통한 만족감에 웃음소리를 낸다고 한다. 그들의 웃음소리가 인간과 달라 우리가 모를 뿐이다.

쥐들도 웃는다. 쥐들은 간지럼이나 특수한 감촉을 가할 때 웃음소리를 낸다. 하지만 쥐들의 웃음소리는 인간의 귀에 들리지 않는다. 과학자들은 특수기계를 이용해 쥐들이 간지러울 때 손가락을 장난스럽게 물며 내는 초음파 소리를 감지해 냈다. 실험쥐들은 간지럼 타는 것을 좋아해 감촉을 계속 가하면 초음파 소리를 계속 낸다. 또 개들도 웃는다. 개들은 상대방 꽁무니를 쫓으며 놀 때 사람의 웃음과 비슷한 방식으로 숨을 헉헉거리며 웃는다. 앞으로는‘개가 웃을 일’이라는 말의 의미가 바뀌어야 할 것 같다.

사람의 웃음은 동물보다 좀 더 사회적이다. 사람은 혼자 있을 때보다 다른 사람들과 함께 있을 때 30배쯤 더 웃는다. 웃기는 말과 웃기는 상황에도 웃지만, 그보다는 다른 사람과 대화를 나누고 서로를 연결하는 감정적 배경을 만들기 위해 웃는다. ‘웃음’이란 혼자가 아닌 상태에서 생기는 ‘사회적 표정 변화’이며 언어와 같은 맥락이다.

웃음은 뇌 활동에 의한 것이다. 뇌에 웃을 수 있는 회로가 갖춰져 있기 때문이다. 웃음은 15개의 안면 근육을 동시에 수축시키고 몸속에 있는 650개의 근육 가운데 203개를 움직이는 최고의 뇌 운동이다. 뇌는 우스운 소리만 들어도 웃을 준비를 한다고 한다. 웃음의 실행단계는 뇌의 ‘웃음보’에서 맡고 있다.

1988년 3월 미국 캘리포니아 대학의 이차크 프리트 박사는 고단위 단백질과 도파민으로 형성된 4㎠ 크기의 웃음보를 발견했다. 이것은 변연계와 전두엽 사이에 있는 뇌에서 웃음을 유발하며 좋은 호르몬 21가지가 방출되는 효과를 나타낸다. 그 웃음보를 자극하자 우습지 않은 상태인데도 웃음을 터트렸고, 또 웃음보가 뺨의 근육을 움직이며 즐거운 생각을 촉발해 웃음동기를 부여했다.

변연계도 웃음에서 빼놓을 수 없는 부위다. 변연계에 속한 시상하부의 가운데 부분은 크고 조절할 수 없이 터져 나오는 웃음을 만드는 데 중요한 역할을 한다. 이 외에도 뇌의 여러 영역이 함께 작용하여 웃음을 만든다. 그래서 웃음은 뇌 곳곳에서 벌어지는 종합 작용이라고 할 수 있다.

영국의 철학자인 버드란트 러셀은 ‘웃음은 만병통치약’이라고 했다. 웃으면 면역기능이 높아지고, 심장박동수가 2배로 늘어나며, 폐 속에 남아 있던 나쁜 공기가 신선한 공기로 빨리 바뀐다. 또한 웃을 때는 암과 세균을 처리하는 NK세포, 감마 인터페론, T세포, B세포 등이 증가한다.

스트레스는 면역체계를 무너뜨리지만, 편하고 밝은 마음은 면역 체계를 강하게 한다. 웃음은 내장활동도 활성화시킨다. 뱃속으로부터 뻗쳐오르는 웃음을 터트리게 되면 복식호흡이 되어 횡격막의 상하 운동이 늘어나 폐의 구석구석까지 산소와 혈액이 공급되고, 얼굴과 다리 등의 근육을 빠짐없이 운동시킨다. 배꼽 빠지게 웃는 웃음은 질병을 고치는 치료 수단이 된다.

건강한 뇌와 몸을 가진 사람은 그만큼 많이 웃고 적절할 때 웃는다. 여성들이 유머감각이 있는 남성을 선호하는 이유를 뇌의 관점에 본다면 가장 우수한 배우자를 선택하기 위한 당연한 판단인지도 모른다. 미국 루이빌 대학의 심리학과 클리포드 컨 교수에 따르면 일부러 웃는 웃음도 자연스러운 웃음과 똑같은 효과를 낸다고 한다. ‘행복해서 웃는 것이 아니라 웃기 때문에 행복하다’는 의미다.

힘차게 웃으며 하루를 시작하라. 활기찬 하루가 펼쳐진다. 돈을 벌려면 웃어라. 5분간 웃을 때 5백만 원 상당의 엔도르핀이 몸에서 생산된다. 10분 동안 배꼽을 잡고 깔깔 웃으면 3분 동안 힘차게 노를 젓는 것과 같은 운동효과가 있다. 아무쪼록 웃고 살 일이다. (글 : 김형자 과학칼럼니스트)