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"불꽃놀이의 과학" | 내셔널지오그래픽채널 2010-06-20 (일) 20시

본 다큐멘터리는 불꽃축제를 기획하는 전문가들의 숨겨진 기술과 비밀스런 세계를 HD 스페셜로 아주 가까이서 엿볼 수 있다. 내셔널지오그래픽은 미국 펜실베니아 뉴캐슬의 잠벨리 인터내셔날의 특별 허가를 받아 뉴 멕시코 로스 알라모스의 로켓 과학자와 화학자들과 함께 최초로 이 불꽃 세상의 비밀을 파헤쳐본다.

화려한 불꽃을 만드는 기본 원리는 화학입니다. 오늘 소개될 불꽃놀이는 해변에서 하는 폭죽놀이가 아닙니다. 키보드를 눌러 밤하늘을 화려한 불꽃으로 장식하는 이 불꽃놀이는 첨단 화학물질과 컴퓨터 안무가 결합한 빛의 퍼레이드입니다. 도대체 이를 가능케 하는 비밀은 무엇일까요? 지금부터 하이테크 불꽃 제조술의 세계를 최첨단 카메라로 포착해 불꽃놀이에 숨은 과학을 파헤쳐보겠습니다.

 

 

흑색 화약과 불꽃 제조술의 원리   흑색 화약은 연소에 필요한 요소를 모두 갖추고 있습니다. 질산칼륨은 산소를 공급하고 황과 탄소 성분의 숯은 연료입니다. 숯과 황이 연소하면서 질산칼륨을 가열하면 산소가 방출되는데 그 산소가 불에 공급되고 황은 연기 상태로 배출됩니다. 황은 자연에서 얻어지는 광물로 질산칼륨과 숯이 밀착하게 만드는 역할을 합니다. 흑색 화약은 곱게 갈수록 빨리 연소하는데, 큰 입자를 잘게 갈면 전체 입자수가 증가하고 표면적도 증가하기 때문에 불이 붙을 공간이 늘어나게 됩니다. 가스가 증가하는 연쇄반응을 일으키는 것입니다. 가스를 가두고 압력을 가하면 연소 속도는 더욱 가속되고 연소하면서 아주 빠른 속도로 고온의 기체가 됩니다. 고체에서 기체로 변할 때 폭발 효과가 발생하는데, 불꽃 제조 기술자들은 이 효과를 불꽃탄 안에서 구축합니다.

 

불꽃의 다양한 형태와 크기, 그리고 안전성   색색의 불꽃을 '스타'라고 합니다. 소형 스타는 빨리 타면서 작은 불꽃을 만들고, 대형 스타는 천천히 타면서 폭포수처럼 떨어집니다. 무지개 색을 내는 스타도 있습니다. 바륨은 녹색을 만들고 스트론튬은 빨강, 칼슘은 주황, 나트륨은 노랑, 구리는 파랑, 보라는 구리와 스트론튬을 혼합해서 만듭니다. 문제는 스타가 탈 때 연기가 많이 발생하고 설계상 가연성이 높다는 점입니다. 혹시라도 스타를 가득 채운 불꽃탄을 떨어뜨리면 마찰의 충격 때문에 폭발할 위험이 있습니다. 이러한 이유로 뉴멕시코 DMD 시스템의 폭약 화학자 마이클 히스키는 탄피 속 색상 물질의 연기를 줄이고 안전성을 높일 방법을 연구했습니다. 군에서 무연 추진제를 만들 때 주로 사용하는 산업용 추진제 등급의 아질산 셀룰로오스를 이용하는 것입니다. 덕분에 눈에 거슬리는 연기를 없애고 깔끔하게 타는 불꽃을 제조할 수 있게 되었습니다. 또한 마술에 사용되는 수분을 함유한 섬유 가공품을 이용하여 취급에 안전성을 높였습니다.

 

불꽃놀이를 완성시키는 소리의 설계   제작자는 시각 효과만큼 소리도 중요하게 여깁니다. 창문을 흔들고 관객의 흥분과 공포를 자아내는 폭음 역시 설계를 통해 완성됩니다. 이 ‘살루트’의 배합법은 두 가지로 단순합니다. 첫째, 재료 '플래시 파우더'는 곱게 간 티타늄과 급속히 연소하는 산화제의 혼합입니다. 둘째, 일반 용기보다 두꺼운 2센티미터 두께의 용기를 쓰는데 폭발 시간이 약간 연장되고 열과 압력이 증가합니다. 불꽃이 타면서 주변 공기를 가열하여 큰 폭음을 발생시키는데 큰 폭발음에 비해 들어가는 양은 많지 않습니다. 물론 살루트의 폭발음은 음향 효과의 일부입니다. 알루미늄 등 금속 박편으로 지직거리는 소리를 만들기도 하고 탄피에 구멍을 뚫어 휘파람 소리를 만들기도 합니다. 화약 연소 시 뜨거운 기체가 분출되면서 휘파람 소리를 내는 것입니다.

 

 

우리가 모르는 불꽃놀이의 세밀한 기획   ‘은색 꼬리’라고 불리는 코메트 특수 효과의 가장 큰 특징은 점화에서 폭발 순간까지 흔적이 남는다는 것입니다. 코메트는 빨강 크로세트로 마무리됩니다. 빨강 코메트는 여러 개의 코메트로 분리되어 하늘에 은색 꼬리를 그립니다. 국화꽃을 닮은 불꽃은 원형 탄피에 꼬리를 남기지 않는 스타를 넣어서 만듭니다. '문직 버드나무' 또는 '금색 카메루'로 불리우는 불꽃은 보라색 스타로 마무리됩니다. 쇼를 기획하는 리처즈는 전용 프로그램을 사용하여 배경음악과 지속 시간부터 설정합니다. 전체적인 프로그램의 연출과 균형을 맞추어 음악의 템포에 신경을 쓰고 한 부분에 같은 색상을 반복하지 않도록 주의하기도 합니다. 피날레에는 반드시 티타늄 살루트를 투입하는데, 이는 극적인 엔딩으로 불꽃놀이의 여운을 선사하기 때문이라고 합니다.

 

 

 

글·영상 내셔널지오그래픽채널

발행일  2010.06.19

 

 

 

지구의 겉 부분인 지각을 이루는 단단한 암석은 하나 이상의 광물의 집합체인데, 광물 또한 더 작은 알갱이인 원소로 이루어진다. 이번 시간에는 암석을 이루는 구성요소인 광물에 대해 알아보도록 하자.

 

활석(滑石), talc Mg3Si4O10(OH)2 경도 1.

석고(石膏), gypsum CaSO4·2H2O 경도 2.

 

 

광물 – 명확한 화자연산 무기 결정 고체   광물(鑛物; mineral)은 자연산 무기물이며 규칙적인 결정구조와 명확한 화학구성을 갖는 고체로 정의되는데, 한 종류의 원소 또는 화합물로 이루어진다. 예를 들어, 원자번호 79번인 금(Au)과 원자번호 47번인 은(Ag) 같은 원소들은 한 종류의 원소로 이루어진 광물들이다. 반면, 암염(소금; NaCl)은 나트륨 이온(Na+) 1개와 염소 이온(Cl-) 1개가 결합하여 만들어진 화합물이다. 대부분의 광물들은 화합물로 2개 이상의 원소들로 이루어진다.   일상생활에서 흔히 관찰되는 광물을 살펴보면, 광물은 일반적인 지표온도에서 고체이어야 하므로 얼음은 광물이지만 물은 광물로 취급하지 않는다. 예외적인 경우도 있어, 액체인 수은은 광물로 취급된다. 수은은 영하 39도에서 고체로 변한다. 자연산이며 고체인 다이아몬드는 규칙적인 결정구조와 분명한 화학조성을 가지므로 광물이다. 반면 조개껍질은 화학적, 물리적으로 방해석과 유사하나 유기적으로 생성되었기 때문에 광물이 아니다.

 

방해석(方解石), calcite CaCO3 경도 3. <출처: (cc) Jarno from Rotterdam, Netherlands>

형석(螢石), fluorite CaF2 경도 4. <출처: (cc) H at en.wikipedia>

 

 

조암광물 – 암석을 구성하는 중요한 광물   현재까지 약 4,000개에 이르는 광물들이 보고됐지만, 지구의 지각을 구성하는 광물은 수십 종류에 불과하다. 이처럼 지구 지각의 암석을 구성하는 중요한 광물을 조암광물(造巖鑛物; rock-forming minerals)이라고 하는데, 이 조암광물들은 단 8개의 원소로 이루어진다. 즉, 지각을 이루는 암석은 산소(46.6%), 규소(27.7%), 알루미늄(8.1%), 철(5.0%), 칼슘(3.6%), 나트륨(2.8%), 칼륨(2.6%), 마그네슘(2.1%)로 이루어지며, 이중 산소와 규소가 지각에서 가장 풍부한 원소이다. 산소와 규소는 쉽게 결합하여 석영, 장석, 운모, 각섬석, 휘석, 감람석 등 규산염광물을 이룬다. 규산염광물은 지구 지각의 90% 이상을 차지한다. 지구 전체적으로 보면 약간 다른데, 지구는 산소(O), 규소(Si), 알루미늄(Al), 철(Fe), 칼슘(Ca), 니켈(Ni), 황(S), 마그네슘(Mg)의 8개의 원소로 이루어지며, 이중 철(35%), 산소(30%), 규소(15%) 및 마그네슘(13%)의 4개 원소가 90% 이상을 차지한다.

 

인회석(燐灰石), apatite Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-) 경도 5.

정장석(正長石), orthoclase KAlSi3O8 경도 6. <출처: (cc) Didier Descouens(Archaeodontosaurus at wikimedia.org)>

 

 

광물의 성질 – 광택, 투명도, 조흔색, 경도 등   모든 광물들은 규칙적인 결정구조와 명확한 화학조성을 갖기 때문에, 독특한 물리적ㆍ화학적 특성을 갖는다. 광물이 갖는 일차적인 특성으로는, 광물의 표면에서 반사되어 나오는 빛의 모습이나 성질을 나타내는 광택(luster), 빛을 투과하는 능력을 나타내는 투명도(transparency), 광물을 가루로 만들었을 때의 색깔인 조흔색(streak), 긁힘에 대한 광물의 저항성을 나타내는 경도(hardness), 약한 방향이나 면을 따라 쉽게 쪼개지는 성질인 벽개(cleavage), 광물에 대한 역학적인 작용에 의해 일어나는 변형의 유형이나 정도를 나타내는 점착성(tenacity), 광물 결정의 특징적인 모양을 나타내는 결정형(crystal form), 단구(fracture), 밀도(density), 색깔(color) 등이 있으며, 이차적인 특성으로는 맛, 냄새, 탄성, 감촉, 자성, 이중회절, 염산과의 화학반응 등이 있다. 특히, 경도의 크기는 모스경도계로 알려진 10개의 표준광물과 시험광물을 서로 비교함으로써 구할 수 있다.   모스경도계(모스굳기계)는 가장 부드러운 광물 1번부터 자연계의 가장 단단한 광물을 10번으로 놓은 것이다. 모스경도계 1번은 활석, 2번은 석고, 3번은 방해석, 4번은 형석, 5번은 인회석, 6번은 정장석, 7번은 석영, 8번은 황옥, 9번은 강옥 그리고 10번은 다이아몬드이다. 따라서, 손톱의 경도는 2,5이므로 손톱으로 석고를 긁으면 긁혀지지만 방해석은 긁혀지지 않는다. 모스경도계의 번호는 상대적인 단단함이며, 절대적인 굳기는 전혀 다르다. 예를 들어, 모스경도계 1번인 활석의 절대굳기를 1로 놓는다면 석영의 절대굳기는 100이며, 다이아몬드의 절대굳기는 1,500이다.

 

석영(石英), quartz SiO2 경도 7, 수정 혹은 크리스털이라 한다. <출 처: (cc) Didier Descouens(Archaeodontosaurus at wikimedia.org)>

황옥(黃玉), topaz Al2SiO4(OH-,F-)2 경도 8. 토파즈라고 한다.

 

 

규산염광물 – 지구 지각의 90%이상을 차지   규산염광물은 지구 지각의 90%이상을 차지하는 가장 흔한 광물군이다. 모든 규산염광물은 하나의 규소 원자를 네 개의 산소 원자가 둘러싸는 규소-산소 사면체 구조를 갖는다. 독립된 사면체는 광물에 따라 산소 원자를 공유함으로써 사슬구조, 층상구조 또는 3차원 망상구조로 결합한다. 예를 들어, 감람석은 하나의 규소 원자와 네 개의 산소 원자가 결합된 독립사면체 구조를, 휘석은 2개의 독립사면체 구조가 결합되어 공유된 산소 원자에 의해 서로 연결된 단일사슬 구조를, 각섬석은 2개의 단일사슬 구조가 결합되어 공유된 산소 원자에 의해 서로 연결된 이중사슬 구조를, 흑운모와 백운모는 각 사면체의 세 개의 산소원자가 인접한 사면체와 공유되어 층상형태로 연결된 층상 구조를, 그리고 정장석과 석영은 각 사면체가 다른 사면체의 모든 산소 원자를 공유하는 3차원 망상구조를 갖는다.

 

 

단일사슬 구조.

 

이중사슬 구조.

 

 

 

비규산염광물 – 지구 지각의 약 8% 차지   비규산염광물은 지구 지각의 약 8%를 차지한다. 흔히 관찰되는 비규산염광물로는 탄산염 음이온(CO32-)과 결합된 탄산염광물, 황산 음이온(SO42-)과 결합된 황산염광물, 그리고 할로겐 음이온(Cl1-, F1-, I1-, Br1-)과 결합된 할로겐광물, 산소 음이온(O2-)과 결합된 산화광물, 그리고 황화 음이온(S2-)과 결합된 황화광물 등이 있다. 예를 들어, 시멘트의 주요 원료인 석회암 또는 장식용으로 사용되는 대리암의 주 구성성분인 방해석(CaCO3)은 흔히 관찰되는 탄산염광물이다. 경석고(CaSO4O)는 황산염광물로, 주로 회반죽에 사용되는데, 이집트의 피라미드 내부에서도 사용된 흔적이 발견된다. 우리가 일상생활에서 사용하는 소금(NaCl)은 염소 음이온(Cl-)과 나트륨이 결합한 할로겐광물이다.

 

강옥(鋼玉), corundum Al2O3 경도 9. 루비는 붉은 강옥. 사파이어는 푸른 강옥이다.

금강석(金剛石), diamond C 경도 10.

 

 

무기화 되는 광물자원   현대산업사회는 광물자원에 많은 부분을 의존하고 있다. 철, 납, 아연, 구리 등의 금속이 없으면 우리는 가정과 산업에 필요한 기계를 제작할 수 없으며, 시멘트의 원료인 방해석이 없다면 도로를 포장하지 못할 것이다. 그러나 현실적으로 지구에 또는 각 국가에 매장된 광물자원의 양은 무한하지 않으므로, 계속해서 파내어 소모한다면, 언젠가는 고갈될 것이다. 최근 중국이 일본과의 영토분쟁에서 희토류의 수출중단이라는 조치를 통해 일본을 압박한 것처럼, 자원은 점차 무기화될 것으로 판단된다. 중요 광물자원의 대부분을 해외에 의존하고 있는 우리나라로서는 광물자원 확보 및 대체물질 개발, 그리고 광물자원고갈에 어떻게 대처할 것인지? 등에 대한 국가적 고민이 절실히 요구되고 있다.

  

글 김동희 / 국립중앙과학관 연구사

충북대학교 과학교육학과를 졸업하고 서울대학교 지질과학과에서 이학박사 학위를 받았다. 미국 오클라호마대학 자연사박물관과 서울대학교 지구환경과학부에서 박사 후 연구원으로 일했으며 지금은 국립중앙과학관 연구사로 일하고 있다. 저·역서로는 [공룡화석은 왜 우리나라에서 많이 발견될까요], [지구], [지구시스템의 이해] 등이 있다.

협조국립중앙과학관

발행일  2011.08.18

 

 

 

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보석은 빛깔과 광택이 아름다워 장식물로 이용하는 광물로, 견고하며 산출량이 적은 특징을 가지고 있다. 현재 지구상에는 4,000개 이상의 광물들이 알려져 있는데 이중 50여종만이 보석으로 분류된다. 일반적으로 보석은 질과 크기에 의해 가격이 매겨진다. 보석은 캐럿(Carat; ct)을 무게단위로 쓰는데, 1캐럿은 0.2g이다. 이 글에서는 사람이 애용하는 주요 보석들을 알아보도록 하자.     자수정(Amethyst) 자수정은 지각에서 가장 흔한 광물인 석영(수정, SiO2)에 철이나 알루미늄 같은 불순물이 포함되어, 보라색부터 적자색까지의 색깔을 내는 결정질 석영이다. 짙은 자색을 띈 적색에서부터 적자색까지의 색깔을 내는 자수정이 가장 이상적인 자수정으로 알려져 있다. 모스 경도는 7이며 비중은 2.56~2.66이다. 자수정은 세계 곳곳에서 발견되며, 시베리아 자수정이 최고로 여겨지지만 지금은 더 이상 산출되지 않는다. 현재는 주로 브라질, 우루과이, 잠비아, 멕시코, 러시아 등지에서 많이 산출된다. 우리나라에서는 울산광역시 언양 자수정이 널리 알려져 있다.

 

자수정 원석. <출처: (cc) JJ Harrison(http://www.noodlesnacks.com)>

가공한 자수정. <출처: Gettyimage>

 

 

루비(Ruby) 루비는 크롬(Cr)이 포함되어 붉은색을 띠는 광물로, 보석 중의 보석으로 일컬어지며 널리 사랑받고 있다. 루비는 강옥(Al2O3; Corundum)에 속하는 보석으로, 비중은 3.9~4.1이며, 모스 경도는 9로 다이아몬드 다음으로 단단하다. 기원전 600년부터 스리랑카에서 채굴되었으며, 현재는 태국, 미얀마, 케냐 등지에서 산출된다. 영국 자연사박물관에 있는 167캐럿의 에드워드 루비, 미국 스미소니언 자연사박물관에 있는 138.7캐럿의 로저리브스 스타루비(The Rosser Reeves Ruby), 뉴욕 자연사박물관에 있는 100캐럿의 드롱 스타루비(DeLong Star Ruby) 등이 유명하다.

 

루비 원석. <출처: (cc) StrangerThanKindness at wikimedia.org>

가공한 루비. <출처: Gettyimage>

 

 

사파이어(Sapphire) 사파이어는 철 또는 티타늄이 포함되어 파란색을 띠는, 강옥에 속하는 보석으로, 모스 경도는 9이다. 중세 이후 붉은색의 루비를 제외한 모든 강옥에 속하는 보석은 사파이어로 알려져 왔으나 현재는 파란색 보석만 사파이어로 부른다. 기원전 7세기경에 최초로 알려져, 초기에는 스리랑카, 인도에서 채굴되었는데, 현재는 호주, 태국, 마다가스카르, 동 아프리카, 북미 등 전 세계에서 생산되고 있다. 지금까지 발견된 가장 큰 사파이어는 현재 링컨 대통령의 흉상 머리 부분에 조각되어 있는 1,318캐럿의 사파이어이다. 1935년 호주에서 발견됐는데, 발견당시 무게는 2,302캐럿이었으나 가공에 의해 무게가 줄었다.

 

사파이어 원석. <출처: (cc) Kluka at wikipedia>

가공한 사파이어. <출처: Gettyimage>

 

 

에메랄드(Emerald) 에메랄드는 녹주석(Beryl; Be3Al2Si6O18)의 일종으로, 모스 경도는 7.5~8이며, 비중은 2.6~2.8이다. 녹주석에 크롬 또는 바나듐(V)이 포함되어 녹색을 띠면 에메랄드로, 철이 포함되어 남청빛을 띠면 아콰마린(아쿠아마린, Aquamarine)으로 불린다. 콜롬비아 코르딜레라 산에 있는 무죠(Muzo) 광산과 치보르(Chivor) 광산은 세계적인 에메랄드 산지이다. 브라질, 잠비아, 러시아 등지에서도 산출된다.

 

에메랄드 원석. <출처: (cc) Mmlynczak at wikimedia.org>

미국 국립자연사박물관에서 전시하는 후커 에메랄드 브로치. <출처: (cc) dbking at flickr.com>

 

 

석류석(Garnet) 석류석[X3Y2Si3O4(X=Ca, Fe, Mg, Mn; Y=Al, Fe, Ti, Cr)]은 청동기시대부터 보석으로 사용된 광물로, 광물의 원자구조에 들어가 있는 원소에 따라 적색, 녹색, 검정색, 핑크색 또는 무색 등 다양한 색으로 산출된다. 모스경도계의 굳기는 6.5~7.5 사이이며, 비중은 3.1~4.3이다. 석류석은 다양한 종류의 암석에서 산출되며, 그중 특히 높은 변성을 받은 편암, 편마암, 그리고 이 암석들이 풍화되어 운반된 후 퇴적된 사광상에서 많이 산출된다. 석류석은 미국, 인도, 호주 등에서 주로 산출되는데, 1960년대부터 연마제나 베어링 등의 산업용으로 사용하기 위해 인공 석류석이 만들어졌다.

 

석류석 원석.

가공된 석류석. <출처: Gettyimage>

 

 

터키석(Turquoise) 터키석[CuAl6(PO4)4(OH)8, · 4H2O]은 옅은 청록색을 띠는 인산염광물이다. 구리의 함량에 따라 하늘색부터 녹색을 띤 파랑색까지 여러 가지 색깔을 나타낸다. 모스 경도는 4~6이며 비중은 2.6~2.8로, 예로부터 이집트, 페르시아, 티베트, 몽골 등지에서 가장 귀한 돌로 여겨졌다. 현재는 멕시코, 이란, 미국, 중국 등지에서 산출된다.

 

터키석.

페리도트.

 

 

탄생석 탄생석은 1월부터 12월까지 사람이 태어난 달과 보석을 연관 지은 것으로, 태어난 달에 해당하는 보석을 몸에 지니면 행운이 따른다고 알려져 있다. 탄생석은 오랫동안 초자연적인 힘이 있다고 알려져 왔으며 사람의 운명을 점치는 보조적인 역할을 수행하기도 한다. 세월에 따라 보석에 대한 가치와 평가가 달라지면서 새로운 보석이 탄생석으로 추가되기도 하였다. 현대에 일반적으로 통용되는 탄생석과 그 의미를 알아보면, 1월의 탄생석은 석류석이며 사랑과 진실의 의미를, 2월의 탄생석은 자수정으로 성실과 평화의 의미를, 3월의 탄생석은 아콰마린으로 용기와 총명을, 4월의 탄생석은 다이아몬드로 영원한 사랑과 행복의 의미를, 5월의 탄생석은 에메랄드로 청순과 행운의 의미를, 6월의 탄생석은 진주로 장부의 권위와 건강을, 7월의 탄생석은 루비로 애정과 영원한 생명을, 8월의 탄생석인 페리도트는 행복한 결혼과 지혜의 의미를, 9월의 탄생석인 사파이어는 덕망과 자애의 의미를, 10월의 탄생석인 오팔은 희망과 안락의 의미를, 11월의 탄생석인 황옥은 충실과 우정을, 그리고 12월의 탄생석인 터키석은 부와 성공의 의미를 갖는다. 진주는 광물은 아니나 보통 보석에 포함한다.

 

황옥(토파즈).

금강석(다이아몬드).

 

 

결혼기념석 결혼 기념주년과 보석을 연관 지은 것이다. 결혼 2주년은 석류석, 20주년은 에메랄드, 30주년은 진주, 40주년은 루비, 45주년은 사파이어, 그리고 결혼 60주년은 다이아몬드이다.

 

글 김동희 / 국립중앙과학관 연구사

충북대학교 과학교육학과를 졸업하고 서울대학교 지질과학과에서 이학박사 학위를 받았다. 미국 오클라호마대학 자연사박물관과 서울대학교 지구환경과학부에서 박사 후 연구원으로 일했으며 지금은 국립중앙과학관 연구사로 일하고 있다. 저·역서로는 [공룡화석은 왜 우리나라에서 많이 발견될까요], [지구], [지구시스템의 이해] 등이 있다.

협조국립중앙과학관

 

 

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영원한 보석 다이아몬드. 오랫동안 변하지 않는 아름다움과 부의 상징으로 여겨지며, 인간이 가장 갖고 싶어하던 보석이기도 합니다. 하지만 현대의 과학자들은 이 고귀한 보석에 완전히 새로운 가치를 부여합니다. 단순한 장식용 보석이 아니라, 전화기용 마이크로 칩에서부터 우주 탐사 장비에까지 활용되며 기술적 혁명까지 가능하게 하는 다이아몬드. 자연이 수십 억년 걸려 만들어내던 다이아몬드를 이제 인간은 단 며칠 만에 만들 수 있습니다. 기술적으로 더욱 발전한 ‘슈퍼 다이아몬드’의 비밀과 그 가치를 살펴봅니다.

 

 

자연의 선물, 천연 다이아몬드   다이아몬드는 지구에서 매우 흔한 원소인 탄소로 이루어져 있으며, 맨틀이라고 불리는 지구 깊숙한 곳에서 생성됩니다. 맨틀은 지구 지각과 초고온의 핵 사이에 존재하는 층입니다. 이 밑에서 탄소의 분자 구조는 엄청난 압력에 의해 변합니다. 원자들이 서로 짓눌려 새로운 격자 구조로 바뀌는 것입니다. 극한의 압력과 온도 속에서 탄소는 다이아몬드가 됩니다. 온도는 약 섭씨 1,500도까지 올라가고 압력은 약 50킬로바(Kb)에 육박 - 50킬로바는 약 성인 남성 4,000명의 무게로 발을 밟는 것과 같은 압력- 합니다. 이제 발원지인 맨틀에서 지면까지는 160km가 남았습니다. 다행히 킴벌라이트라는 물질 덕분에 지면 위까지 빠르게 올라옵니다. 킴벌라이트는 지구 깊숙한 곳에서 형성되는 화산암으로, 다이아몬드를 함유하고 있는 암석입니다. 다이아몬드를 만들지는 않지만 운반해 주는 역할을 합니다.

 

이것이 지면으로 상승하며 뿌리 모양의 통로를 뚫고 그 안에는 마그마와 맨틀 조각, 다이아몬드가 가득 채워집니다. 그리고 지각을 뚫고 나오면서 작지만 격렬한 화산으로 폭발합니다. 지면 위에선 마그마가 산더미처럼 쌓아 올린 화산 분출물이 서서히 식으며 단단하게 굳습니다. 이 속에 숨겨진 다이아몬드는 킴벌라이트에 둘러싸인 매우 희귀하고 완벽한 결정체입니다. 더군다나 호프 다이아몬드처럼 붕소 함량이 높은 청색 다이아몬드는 더 귀해서 생성 확률이 10만 분의 1도 안 됩니다.

 

 

흑색 다이아몬드, 카보나도   이 암석은 석탄과 비슷해서 ‘카보나도’라고 불리는 유명한 흑색 다이아몬드입니다. 카보나도의 존재는 수백 년 전부터 알려져 있었지만 형성 과정은 여전히 의문으로 남아 있으며 최근에 와서야 과학적 가치를 인정받기 시작했습니다. 과학자들에게 카보나도는 수수께끼 같은 존재입니다. 맨틀에서 형성된 다이아몬드와 같은 특성이 전혀 없기 때문입니다. 맨틀에서 형성된 다이아몬드는 고온, 고압에서 만들어져서 밀도가 높고 조밀한 하나의 결정체로 압착되지만, 이 흑색 다이아몬드는 그렇지 않습니다. 카보나도를 현미경으로 관찰해보면 빈 공간도 아주 많고 수많은 구멍이 보입니다. 또한, 하나가 아닌 수백만 개의 결정이 서로 연결되어 있습니다. 과학자들은 카보나도가 일반 다이아몬드와 달리 고압이 아닌 저압 상태에서 형성됐다고 결론을 내렸습니다. 과학자들은 카보나도의 기원을 탐구하며, 다시 한 번 소멸 직전의 적색 거성으로 눈을 돌립니다.

 

현재 학설에 의하면, 이 작은 다이아몬드는 초신성 폭발로 생성됐고, 그 독특한 구조는 우주의 진공 상태로 설명할 수 있습니다. 뜨거운 다이아몬드가 서로 강하게 충돌하고 서로 엉겨 붙어 커다란 다이아몬드를 형성합니다. 이 격렬한 형성 과정에서 광물 가루가 달라붙으면서 커다란 다이아몬드는 검은색을 띱니다. 그리고 운석에 실려 지구로 운반됩니다. 아마도 운석이 충돌했을 때 다이아몬드가 운석에서 떨어져 나오며 장관이 연출됐을 겁니다. 카보나도에게는 일반 다이아몬드를 능가하는 장점이 또 있습니다. 다결정 구조 덕분에 크기도 더 클 뿐만 아니라, 절단이 불가능할 정도로 경도도 더 셉니다.

 

슈퍼 다이아몬드 탄생 과정, CVD   단단한 슈퍼 다이아몬드를 만들려면 카보나도의 다결정 구조를 본떠야 합니다. 특히, 카보나도가 우주의 진공 상태에서 형성된다는 이론은 슈퍼 다이아몬드 제조에 새로운 전기를 마련합니다. 이 이론을 바탕으로 더 단단하고 큰 다이아몬드, 자연에선 볼 수 없는 다결정 구조의 다이아몬드를 만들 수 있습니다. 핵심은 낮은 압력으로 진공 상태의 우주에서처럼 만드는 것입니다. 이 공정은 화학 증착법, 줄여서는 CVD라 부릅니다. 먼저 기압보다 약간 낮은 진공실에 작은 다이아몬드 씨앗을 넣고 섭씨 2,000도 가까이 가열합니다. 그 다음엔 탄소를 함유한 메탄 가스를 주입한 후 수소를 주입합니다. 그리고 전파로 수소와 메탄 분자를 충돌시키며 흥분 상태로 만들어 혼합 가스를 폭발시킵니다. 이 과정에서 탄소 원자가 발생해 씨앗 위에 달라붙으며 다이아몬드를 서서히 키워나갑니다. 이 공정을 한 단계 더 발전시키는 곳도 있습니다.

 

워싱턴 D.C.에 있는 미 해군 연구소에서는 한 개가 아닌 웨이퍼처럼 얇은 다이아몬드 박판을 만듭니다. 이들은 실리콘 웨이퍼 위에 다이아몬드 씨앗을 얇게 뿌린 후, CVD 공정을 거쳐 크기를 키웁니다. 성장 과정에서 서로 부딪히며 덩어리를 형성하고, 다양한 결을 지닌 다이아몬드가 탄생합니다. 그리고 다이아몬드 결정이 서로 결합해, 웨이퍼 위에 두께 0.05mm미만의 조직 결정체를 형성합니다. 다이아몬드 박판의 모양은 웨이퍼의 모양에 따라 달라질 수 있으며, 실리콘 웨이퍼를 완벽하게 대체할 수 있습니다. 또한, 천연 다이아몬드보다 훨씬 강하고 뛰어난 내열성과 전기 전도성을 자랑합니다.

 

 

삶의 혁명, 슈퍼 다이아몬드   슈퍼 다이아몬드의 활용은 한 분야에 국한되지 않습니다. 고감도 전자 감지기에서부터 인공 관절 같은 초고강도 의료용 이식물, 그리고 외계 생명체 탐색에까지 사용되기 때문입니다. 또한, 통신 분야에서 획기적인 변화를 만들어낼 수 있습니다. 초당 1천 억 번까지 진동하여 최고의 음질을 만들어내는 나노 공진기보다 1천 배 정도 더 미세한 다이아몬드 공진기는, 휴대 전화 같은 일상 용품에 사용되어 통화 시간의 증가와 깨끗한 음질을 보장할 수 있을 것입니다. 또한, 다이아몬드의 투명도도 많은 기술 분야에 활용될 것입니다. 독특한 광학적 투명성을 지닌 다이아몬드는 첨단 광학 장비에 사용할 수 있는 최적의 물질입니다. 다이아몬드는 자외선부터 적외선까지 광범위한 빛을 투과시킵니다. 또한, 빛이 변형되지 않고 통과하는 유일한 물질이기도 합니다. 슈퍼 다이아몬드를 이용해 NASA 는 고강도의 선명한 유리창을 만들 수도 있습니다. 이처럼 슈퍼 다이아몬드의 가능성은 무한합니다.

 

지금은 시작에 불과합니다. 자연은 수십 억 년이 걸려 다이아몬드를 만들어냈지만, 이제 우리 인간은 며칠 만에 더 강하고 더 크고 우수한 슈퍼 다이아몬드를 만들어 낼 수 있습니다. 다이아몬드 제조 기술이 향상되고 비용은 떨어지고 있는 만큼, 언젠간 다이아몬드가 길거리의 돌처럼 흔해지는 날이 올 겁니다. 삶의 혁명을 일으킬 슈퍼 다이아몬드에 우리 모두 주목해야 하는 이유이기도 합니다.

 

 

글·영상 내셔널지오그래픽채널

발행일  2011.01.01

 

 

 

네이키드 사이언스 시즌 6 - 슈퍼 다이아몬드 | 내셔널지오그래픽채널 2011-01-02 오전 10시

지구 상 가장 단단한 물질인 다이아몬드는 수 세기에 걸쳐 인간이 가장 경외하고 갖고 싶어하는 광물이다. 오랫동안 이 값비싼 보석은 변하지 않는 아름다움과 엄청난 부의 상징으로 각광 받았고 이것을 둘러싼 고대의 전설과 신화들도 많았다. 그러나 현대의 연금술사들의 손에서 이 고귀한 보석에는 완전히 새로운 가치가 매겨진다. 이제 3개의 대륙에 흩어져 다이아몬드의 비밀을 밝히려 애쓰는 과학자들을 만나서 기술의 혁명을 가능하게 할 수도 있는 그들의 발견에 대해 알아본다. 보석으로서 다이아몬드는 가격이 비싸지만 원석으로서 기술적으로 더욱 발전한 ‘슈퍼 다이아몬드’의 가격은 측정할 수도 없다.

다이아몬드(Diamond)는 가장 인기 있는 보석의 하나로, 과거에는 왕이나 귀족의 전유물이었으나 지금은 대중화되어 결혼식 예물로도 흔히 쓰인다. 다이아몬드가 최고의 보석으로 자리매김 하게 된 것은 17세기말 이탈리아에서 브릴리언트 컷 연마방법이 알려진 이후부터이다. 그 뒤 19세기 후반에 남아프리카공화국에서 대규모 다이아몬드 광산이 발견되고 현대적인 방법으로 채굴되면서 널리 보급되어 대중화되기 시작했다.     최고의 보석, 다이아몬드   다이아몬드는 순수한 탄소로 이루어져 있는데, 각 탄소 원자가 4개의 다른 탄소 원자와 정사면체 형태로 결합된, 지구상에서 가장 단단한 물체이다.

화려하게 빛나는 다이아몬드. <출처: Gettyimage>

 

기원전 약 800년 전에 인도에서 최초로 발견됐으며, 지금은 남아프리카, 브라질, 러시아, 캐나다 등지에서 산출되고 있다. 다이아몬드가 약혼반지로 많이 쓰이게 된 계기는 1477년 오스트리아의 막시밀리안 대공이 프랑스 버건디 왕국의 공주에게 청혼의 의미로 다이아몬드 반지를 선물하면서부터다. 다이아몬드는 4월의 탄생석으로 예로부터 승리와 변하지 않는 사랑을 상징한다. 다이아몬드의 모스 경도는 10이다.

 

 

다이아몬드의 가치 평가 기준, 4C

 

노란색의 티파니 다이아몬드. 128.54 캐럿. <출처: (cc) Shipguy at wikimdia.org>

일반적으로 다이아몬드는 색상(Color), 투명도(Clarity), 무게(Carat), 및 연마(Cut)의 4가지 요인에 의해 가치가 결정되는데 이를 ‘4C’라고 한다. 다이아몬드는 포함된 불순물에 의해 색상이 표현되는데, 가장 흔한 불순물인 질소가 포함되면 노란색이 나타나며, 붕소가 함유되면 청색을 띄게 된다. 다이아몬드는 무색, 노랑, 파랑, 검정 등 자연 상태에서 다양한 색으로 산출되지만, 무색에 가까울수록 빛이 쉽게 투과되어 찬란한 무지갯빛을 발할 수 있으므로 더 귀하고 가치 있는 것으로 평가된다. 따라서 무색을 중심으로 색 등급이 형성되어 있다. 즉, 가장 무색에 가까운 다이아몬드를 DIAMOND의 첫 글자인 D를 따서 표기하고, 색이 짙어질수록 E, F, G, H, I, J, K, L, M, N, O, P, Q, R......Z순으로 표기한다.   투명도는 다이아몬드를 10배의 확대경으로 보았을 때 나타나는 상태를 기준으로 크게 6등급으로 구분한다. 다이아몬드의 내외에 아무런 결점이 없는 거의 완벽한 상태를 Flawless, 내부에 아무런 결점이 없고 외부에 미세한 결점이 존재하는 상태를 IF(Internally Flawless) 등급, 매우 매우 작은 내포물을 포함하고 있는 상태를 VVS(Very Very Slightly Included) 등급, 매우 작은 내포물을 포함하고 있는 경우를 VS(Very Slightly Included) 등급, 작은 내포물을 포함하고 있는 경우를 S(Slightly Included) 등급, 그리고 현미경이 없이도 내포물을 직접 눈으로 확인할 수 있는 상태는 I(Included) 등급으로 구분된다.

 

 

다이아몬드의 무게는 캐럿(carat)으로 표시된다. 캐럿의 어원은 캐럽나무 씨앗에서 유래하는데 그 이유는 캐럽나무 씨앗들의 무게가 서로 균등했기 때문이다. 현재 1캐럿은 200mg으로 정해져 있다. 일반적으로 다이아몬드는 크기가 클수록 더 귀하다.

 

 

다아아몬드에 가장 흔히 쓰이는 브릴리언트 컷. <출처: (cc) Danuthaiduc at Wikimedia.org>

 

지금까지 살펴본 색상, 투명도 그리고 무게는 자연적인 요소이지만 연마는 사람에 의해 결정된다. 가장 많이 사용하는 브릴리언트 컷은 1700년에 이탈리아 베니스의 페루치에 의해 개발된 연마방법이다. 브릴리언트 컷의 모양은 총 58면으로 되어 있다. 브릴리언트 컷은 보석의 낭비를 가장 적게 그리고 가장 빛나게 깎는 가공방법으로 알려져 있다. 이 방법으로 연마한 다이아몬드에 백색광이 들어가면 파장에 따라 굴절이 달리 일어나서 다시 다이아몬드 표면에 분산될 때에는 무지개색이 나타나게 된다.     유명한 다이아몬드 다이아몬드는 승리와 변치 않는 사랑의 상징성 때문에 고대부터 현대에 이르기까지 많은 이들이 더 좋은 다이아몬드를 차지하기 위해 쟁탈전을 벌여왔다. 그러나 일부 희귀한 다이아몬드의 경우 소유주들이 연속적으로 액운을 당해 저주의 다이아몬드라고 불린다. 세계적으로 널리 알려진 다이아몬드는 유럽 4대 다이아몬드라고 하여, 호프 다이아몬드, 상시 다이아몬드, 리전트 다이아몬드(피트 다이아몬드), 그리고 피렌체 다이아몬드가 유명하다.   호프 다이아몬드 호프(Hope) 다이아몬드는 45.52캐럿의 푸른색 다이아몬드이다. 인도에서 황무지를 경작하던 농부에 의해 발견된 이후 프랑스 왕실의 마리 앙투아네트 왕비 등 여러 소유자를 거치다가, 1830년 아일랜드의 헨리 호프(Henry Phillip Hope)가 소유하게 되면서 호프 다이아몬드라는 이름을 갖게 되었다. 호프 다이아몬드는 소유자들이 살해되거나, 고문을 당해 죽거나, 이리에 잡아 먹히거나, 천연두에 걸려 사망하거나, 자살하거나, 익사하거나, 정신이상을 일으키는 등 수많은 희생자를 낳은 다이아몬드이다. 마지막 소유주인 해리 윈스턴이 1958년에 미국 스미소니언에 기증했다.

 

호프 다이아몬드, 45.52캐럿, 미국 스미소니언 국립자연사박물관 소장. <출처: (cc) David Bjorgen (Cybjorg at Wikimedia.org)>

상시 다이아몬드. 55.23캐럿, 루브르 박물관 소장.

 

 

상시 다이아몬드 복숭아 씨앗 모양의 상시(Sancy) 다이아몬드는 55.23캐럿의 담황색 다이아몬드이다. 인도에서 산출된 것으로 알려져 있는데, 1605년 당시의 소유주인 상시(Sancy)가 영국의 제임스 1세에게 이 다이아몬드를 판매하면서 현재의 이름을 얻게 된 것으로 추정된다. 다이아몬드를 소유했던 영국왕실이 1688년 명예혁명에 의해 몰락하고, 그 후 소장자인 프랑스 왕실의 마리 앙투아네트 왕비가 프랑스 대혁명기간 중 단두대의 이슬로 사라지는 등 소유자들이 비극적인 결말을 맞이했다. 상시 다이아몬드는 1906년 월리엄 월도프 아스토(William Waldorf Astor)가 구매한 후 72년 동안 그 집안의 소유로 있다가 1978 년부터 프랑스 루브르 박물관에 전시되어 있다.   리전트 다이아몬드 140.64캐럿의 리전트(Regent) 다이아몬드는 1698년 인도의 콜러광산(Kollur Mine)에서 발견됐다. 1701년 스웨덴 마드리드의 총독인 토마스 피트(Thomas Pitt)가 상인으로부터 이 다이아몬드를 구입하면서 피트(Pitt) 다이아몬드라고도 불린다. 여러 소유주를 거쳐 1717년 프랑스 왕실 소유가 되었다. 나폴레옹 1세는 이 다이아몬드를 칼자루 끝에 달고 다녔다고 한다. 1887년부터 현재까지 프랑스 루브르 박물관에 전시되어 있다.

 

나폴레옹 1세의 초상화에 나타난 리전트 다이아몬드.

피렌체 다이아몬드의 마지막 소유주, 치타 황후(Zita von Bourbon-Parma).

 

 

피렌체 다이아몬드 약 2,000년 전에 인도에서 최초로 발견된 피렌체 다이아몬드(Florentine Diamond)는 137.27캐럿의 연노랑 다이아몬드이다. 오스트리아의 황후 마리아 테레지아의 소유가 되면서 피렌체 다이아몬드라고 불렸다. 마리아 테레지아의 딸 마리 앙투아네트가 프랑스 루이 16세와 결혼하면서 혼수품으로 프랑스에 가져왔다. 그 후 나폴레옹의 부인인 마리 루이즈, 오스트리아 황후 엘리자베트 폰 비텔스바흐를 거쳐 오스트리아 황후 치타 황후가 마지막 소유주가 되지만, 1922년 오스트리아 제국의 멸망 이후 행방이 묘연해졌다.

 

 글 김동희 / 국립중앙과학관 연구사

충북대학교 과학교육학과를 졸업하고 서울대학교 지질과학과에서 이학박사 학위를 받았다. 미국 오클라호마대학 자연사박물관과 서울대학교 지구환경과학부에서 박사 후 연구원으로 일했으며 지금은 국립중앙과학관 연구사로 일하고 있다. 저·역서로는 [공룡화석은 왜 우리나라에서 많이 발견될까요], [지구], [지구시스템의 이해] 등이 있다.

협조 국립중앙과학관

발행일  2011.10.15

• 탄소 숯, 흑연, 다이아몬드, 풀러렌은 모두 탄소 화학용어해설
• 보석 장식물로 쓰이는 광물 지학
• 광물 암석의 구성단위 지학
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