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단순한 기술로 평가절하돼 왔던 불꽃제조술이 이제는 과학의 영역에 포함되게 되었다.

해마다 추석 대보름날, 그리고 최근에는 아시안게임과 88서울올림픽 당시 경기장에서 혹은 산위에서 밤하늘을 향해 쏘아 올려지는 폭죽(fireworks)의 찬란함을 경험하지 않은 사람은 없을 것이다. 필자가 유학중인 미국에서도 독립기념일이나 크리스마스 때 각 도시의 공원, 시내 한복판에서 폭죽이 하늘에 치솟곤 한다.

얼른 보기에는 무척 간단해 보인다. 그러나 이 폭죽이 공중으로 높이 치솟게 하려면 여러 분야의 도움이 있어야 한다. 우선 현대식 최신 로켓시설을 필요로 하고, 장엄하고도 휘황한 불꽃을 만들기 위해서는 현대화학과 전자공학 컴퓨터 등의 첨단기술이 요구되는 것이다.

마침내 과학의 대열에

이미 수세기를 두고 밤하늘을 수놓아 온 폭죽. 그러나 이 폭죽의 설계나 제작과정은 오랫동안 과학으로 대접받지 못했다. 단지 기술일 뿐이었다. 실제로 이 폭죽이 담고 있는 물리적 원리가 소상히 연구되고 그 신비한 색깔과 소리의 비밀이 밝혀지기 시작한 것은 10년도 채 되지 않는다. 이 짧은 기간에 이룩한 성과때문에 폭죽은 비로소 과학의 대열에 낄 수 있게 되었다. 이름도 그럴듯하게 지어졌다. '불의 과학'을 뜻하는 파이로테크닉스(pyrotechnics, 불꽃제조술)라는 명칭을 얻게 된 것이다. 여기서 파이로(pyro)는 불을 나타내는 접두어다.

불꽃제조술은 이제 그 활용범위를 계속 확대시키고 있다. 폭죽은 물론이고 그와 유사한 재료를 쓰는 모든 장치에 응용되고 있는 것이다. 예를 들면 안전성냥에서부터 우주왕복선의 고체연료, 로켓추진제에 이르기까지 광범위하게 쓰이고 있다.

역사상 가장 오래된 폭죽의 재료는 흑색화약(black powder)이다.

원래 대포용 화학가루로 제조됐던 이 흑색화약이 최초로 등장한 것은 1천년 전으로 거슬러 올라간다. 당시 세계문화를 선도했던 중국의 기술자들에 의해 처음 선보인 것이다.

중세를 거치면서 흑색화약은 서방에 소개되었고 1242년 영국의 로저 베이컨은 이 폭발물의 제법을 밝혀냈다. 그로부터 이 흑색화약은 채석장과 건설현장에서 선풍적인 인기를 모았다. 14세기에 이르러서는 소총과 대포 등 무기의 추진제로도 활용되기 시작했다.

흑색화약의 제조법은 수세계를 통해 거의 변치 않고 전해 내려왔다. 최초의 배합은 질산나트륨(초석을 말한다) 흑연 황이 각각 75 : 15 : 10의 비율(무게당)로 이뤄져 있었다. 사실 콜롬부스가 활약할 때까지도 이 배합비율 구성성분 제조법을 고스란히 답습하고 있었다. 그만큼 흑색화약은 처음 만들어질 때부터 완전에 가까운 화약이었다.

무엇보다 그 구성성분들이 지구상에 풍부하게 존재한다는 점이 가장 큰 장점이었다. 재료의 값싼 공급을 가능하게 했기 때문이다. 게다가 상대적으로 독성이 적고 어지간한 환경변화에도 '안정'하다는 점도 유리했다. 실제로 이 흑색화약은 건조한 곳에 잘 보관하기만 하면 수십년 이상 저장할 수 있다.

폭죽은 고대 인도 페르시아 그리스 로마에서 이미 시작되었다. 특히 그 원형이라고 할 봉화는 기원전부터 행해졌다. 고대 중국에서도 봉화를 전쟁터의 신호용으로 활용해 왔다. 그러다가 7세기 초 수나라 양제에 이르러서는 원시적인 폭죽이 출현했다.

이렇게 시작된 폭죽의 역사는 점차 몇몇 폭죽일가에 의해 독점적으로 지배된다. 대를 잇는 폭죽제조의 명문이 생기고, 그들의 기술개발에 전적으로 의존하게 되었다. 이런 양상은 양의 동서를 불문했다. 일본에서는 16세기부터 폭죽명가가 등장하고, 미국이나 유럽에서도 가족산업 중심으로 발전해 나갔다. 따라서 화약의 제조에 투입되는 화학물질의 성분이 무엇이고 혼합은 어떻게 해야 하는가 등 폭죽생산의 '비방'은 철저히 비밀에 붙여지고 오직 선대에서 직계후손으로만 전해졌다. 미국도 아직 이런 배타적인 폭죽명가가 폭죽산업을 이끌고 있다. 대표적인 가문으로는 그루치가 잠벨리스가 로지스가 소우자스가 등을 꼽을 수 있다.

일본형과 미국-유럽형으로 나뉘어

폭죽에 쓰이는 포탄(shell)에는 두가지 종류가 있다. 미국-유럽형 포탄, 즉 실린더형 포탄은 지름이 7~30cm다. 이 포탄은 금속지지대 판지 플라스틱지지대에서 발사된다. 포탄의 바닥에 있는 흑색화약이 점화되면서 하늘로 치솟는 것이다. 그 비행거리는 수백m. 점화 순간 시간지연퓨즈도 동시에 타들어간다. 포탄이 지상을 떠난 몇초 뒤 '팡' 하고 터지면서 온갖 색('별'이라고 한다)들이 밤하늘을 수놓는 것이다. 또 포탄속에 들어 있는 '소리'와 '섬광'도 제 세상을 만난다.

반면 일본형은 그 모양이 둥글어서 국화포탄이라고 부른다. 이 국화포탄의 직경은 미국-유럽형과 별 차이가 없다. 발사도 지지대에서 한다. 두 포탄의 차이점은 불꽃의 모양을 보면 금방 알 수 있다. 아무튼 포탄들은 그 모양에 따라 국화 작약 호랑이 꼬리 등으로 다양하게 불리어진다. 포탄의 무게는 2~3kg이 보통인데 가벼운 것은 0.3kg, 무거운 것은 18kg이나 나간다.

포탄들은 모두 연료와 산화제를 포함하고 있다. 타들어가기 시작하는 순간 이 연료와 산화제들은 서로 급격히 반응, 2천2백~3천6백℃까지 올라갈 수도 있다. 연료로 주로 쓰이는 물질로는 덱스트린(dextrin), 흑연(charcoal) 그리고 알루미늄(Al) 마그네슘(Mg) 티타늄(Ti) 등 금속들이다.
이중 덱스트린과 흑연은 서서히 타들어가는 작용을 하고 금속들은 한 순간에 갑작스럽게 타들어 가게 해준다. 산화제로는 과염소산칼륨(potassium perchlorate, KClO₄)이나 과염소산 암모늄(ammonium perchlorate, NH₄ClO₄) 등이 종종 쓰이고 있다. 화학주기율표의 1, 2족에 있는 반응성 높은 금속들이 주로 사용되는 것이다.
 

이렇게 해서 만들어진 새 화학물질, 즉 폭죽은 결합이 매우 안정된 상태고, 그 에너지는 열의 형태로 발산한다. 실제로 이 과정은 연소와 하등 다를 바 없다. 단지 차이점이 있다면 산소의 공급원이 다를 뿐이다. 물체가 연소할 때는 산소를 공기로부터 공급받지만, 폭죽은 산소를 그 내부에 가지고 있다.

폭죽이 터질 때의 갖가지 아름다운 색깔들을 만들어내기 위해서는 특별한 화학물질들이 첨가돼야만 한다.

당연한 얘기지만 폭죽이 어떤 색깔의 빛을 내느냐는 전적으로 파장의 길이에 달려 있다. 폭죽이 발생시키는 파장의 범위는 3백80~7백80nm.
폭죽이 빛을 내는 방식은 크게 세가지로 나눌 수 있다. 백열(白熱, 흑체 복사를 말한다) 분자색 방출 원자색 방출 등이다.

백열현상은 연료중의 고체나 액체입자가 고열을 받으면서 발생한다. 이 뜨거워진 입자들이 과잉의 에너지를 방출하는 순간 발광을 하는 것이다. 이때 온도가 높으면 높을수록 발광된 빛의 파장은 짧아진다. 대체로 3천℃의 열을 받으면 백열현상이 나타난다.

또 과염소산 칼륨과 순수한 알루미늄 또는 마그네슘분말을 적절히 혼합하면 흰빛을 내는 화합물을 만들 수 있다. 이것은 19세기 말이나 20세기 초를 배경으로 하는 영화에서 곧잘 볼 수 있다. 사진을 찍을 때 '펑' 터뜨리는 보조기구(요즘의 플래시 같은) 속에 있는 화합물이 그것이다. 이 화합물의 용도는 지금도 매우 광범위하다. 폭죽경연장이나 록 음악 공연장에서 '불티나게' 터뜨려지고 있는 것이다. 물론 밤에 사진을 찍을 때도 유용하다.

한편 숯이나 철입자는 다른 금속입자만큼 뜨거워지지 않는다. 기껏해야 1천5백℃에서 '두손을 들기'(연소해 버리기) 때문이다. 따라서 그들은 좀더 어둡거나 금색의 빛을 만들어 내는데 쓰인다.

현대 불꽃제조술이 자랑하는 정말로 현란한 색깔은 분자나 원자의 색을 재현함으로써 얻어진다.

나트륨은 빛을 방출하는 원자중 가장 대표적인 것이다. 1천8백℃ 이상의 열을 나트륨원소에 가하면 노란색과 오렌지색을 합친 듯한 색깔을 낸다. 이 발색과정은 매우 강력하기 때문에 다른 원자나 분자가 방출하는 색을 압도하고 만다. 그래서 소량의 나트륨만 섞여 있어도 다른 색을 내기가 어렵게 된다.

나트륨의 '위력'은 군대에서도 활용되고 있다. 조명탄의 기본재료로 쓰이고 있는 것이다. 실제로 미군은 질산나트륨과 마그네슘을 혼합해 전쟁터의 밤을 대낮같이 훤하게 밝히고 있다. 이때 마그네슘은 질산나트륨에 의해 금방 산화된다. 이렇게 산화된 마그네슘 입자에 3천6백℃의 열을 가하면 하얗게 백열현상을 일으키게 되는 것이다.

이처럼 원자나 분자가 타면서 색을 내는 반응을 이해하려면 여기상태 기저상태 등 화학의 필수적인 개념들을 먼저 알아야 한다. 그 자세한 과정은 고등학교 화학시간에 배우게 되므로 여기서는 설명을 생략한다.
 

폭죽과 음악의 만남

폭죽의 색깔은 수많은 시행착오를 거쳐 하나씩 개발되었다. 여기서는 무슨 이론적인 배경보다는 단순한 반복실험을 통한 경험의 축적이 중시되었다. 지난 수십년동안 이 분야를 이끌어 온 사람은 미국의 B. 도우다, H. 웹스터 등이었다. 일본 코아폭죽회사의 다케오 시미즈의 역할도 컸다.

폭죽의 색깔을 내는 데는 제한된 몇몇 분자들이 주역을 담당한다. 예컨대 스트론튬(Sr)을 함유하고 있는 분자는 붉은 색을 발산한다. 특히 수산화스트론튬(SrOH)이나 염화스트론튬(SrCl)이 6백5~6백82nm의 붉은 빛을 내는 것은 잘 알려진 사실이다. 또 바륨(Ba)를 포함한 분자(예로 염화바륨 등)는 녹색의 '창조자'다.

그런데 이 분자들은 매우 취약하다는 약점을 안고 있다. 실내온도에 두었을 때에도 화학적 안정을 찾지 못할 정도다. 따라서 제조업자들은 이 분자들을 진정시키기 위해 몇가지 물질들을 첨가한다. 바륨이나 스트론튬 용기에 염소화된 고무, PVC 과염소산 염소산 등을 함께 넣어 주는 것이다. 방금 열거한 첨가물질들의 공통점은 염소원자를 가지고 있다는 점이다(PVC도 따지고 보면 염소를 포함하는 플라스틱이다). 평상시에는 이 염소원자들이 단단하게 묶여진(화합) 상태로 존재하나 일단 고열이 가해지면 '자유'염소를 방출하게 된다. 바로 이 자유 염소가 스트론튬 또는 바륨과 재빨리 반응해 색을 내는 분자가 되는 것이다.

한편 완전한 푸른 색은 모든 불꽃제조관련자들의 꿈이다. 현재까지 푸른 색은 대개 염화구리 (CuCl)를 통해 얻고 있다. 그런데 이 화합물이 상당한 '말썽꾸러기'다. 적절한 가열온도를 조금만 벗어나도 화학적으로 불안정해지는 것이다. 따라서 푸른 색을 제대로 내려면 가열온도의 적정선을 유지하는 것은 물론이고 염화구리의 입자크기나 혼합비율을 엄밀히 규격화하는 등 세심한 관리를 기울여야 한다.

진홍색이나 보라색을 내는 일도 까다롭기는 마찬가지다. 이 색깔은 염화스트론튬과 염화구리를 적절히 혼합해서 탄생시킨다.

폭죽의 포탄에는 이밖에도 기본적인 몇가지 화약가루들이 포함된다. 이것들은 주로 포탄을 공중으로 쏘아올리고 공중에서 포탄을 사방으로 흩뿌리는데 필요한 것들이다.

포탄을 만드는 첫번째 단계이자 또한 가장 위험한 작업은 연료와 산화제 그리고 색깔을 내는 화합물을 서로 알맞게 섞는 과정이다. 이들을 서로 결합시켜 주는 결합제(binding agent)를 악간 첨가한 뒤 압축기로 눌러주면 0.2cm 정도의 조그만 알약이나 정육각형 모양을 얻을 수 있다. 이것들이 소위 별들(stars)이라 불려지는 것들이다.

포탄의 핵심인 이 별들을 조그만 양철통에 잘 쌓아 올리고 난 후, 통의 한가운데는 전하(charge)들을 폭발시키는데 필요한 흑색화약을 넣어 주어야 한다. 다음으로 시간조절용 퓨즈를 이 흑색화약과 연결시킨 뒤, 종이상자 속에 넣어져 밀봉되어진다.

이렇게 만들어진 포탄들을 공중으로 쏘아 올리는 데 주로 금속지지대(metalmortars)가 사용된다. 포탄들을 금속지지대 속에 잘 정렬시킨 다음 전하를 폭발시키는 흑색화약을 다시 넣은 뒤 이 화약들과 금속지지대의 밑바닥을 연결하는 퓨즈를 달아주면 된다.

정전기적 충격(spark)에 의해 불이 붙으면 퓨즈는 점차 타들어 가면서 전하량을 높여준다. 마침내 이 전하가 폭발을 일으키면서 포탄들을 공중으로 밀어 올리게 된다. 지지대에서 출발해 솟아오르기 시작한 포탄들은 1초동안에 1백17m라는 경이로운 거리를 내달린다.

이렇게 높이 솟아 오른 포탄이 공중을 향해 올라가다 그 정점에 이르게 되면 시간조절용 퓨즈가 작동을 시작한다. 마침내 퓨즈가 타들어 가게 되고, 별들 속에서 전하가 폭발하면서 찬란한 빛을 사방으로 흩뿌리게 된다. 이것이 바로 우리가 보는 밤하늘 폭죽의 아름다운 광경이다. 12.5cm의 포탄은 폭발후 99m까지 뻗어나갈 수 있는 것으로 알려져 있다.

미국의 그루치사가 개발한 한 유명한 폭죽은 지름이 15cm, 무게가 8.2kg 정도고 35개의 별들로 구성돼 있다. 별이 한 층에 10개씩 쌓여져 있는데 꼭대기인 4층에는 원모양으로 5개가 놓여 있다. 그 가운데 공간에는 전하폭발을 위한 흑색화약이 들어가 있다. 각각의 별들은 종이로 싸여 있고 이 종이들이 천천히 타들어가는 퓨즈의 역할을 수행한다.

종이가 다 타면 35개의 별들이 공중으로 일제히 내달려 공중비행의 정점에서 그 빛을 발하게 된다. 35개의 별들이 들어있는 포탄 20개를 동시에 쏘아 올리면 격자운동효과(latticework effect)로 인한 장관을 볼 수 있다.

버섯구름을 재현하기도

폭죽이 원자핵폭발 대비 훈련용으로 자주 쓰여진다는 얘기를 들어본 독자는 그리 많지 않을 것이다. 1950년대부터 60년대 중반까지 그루치가는 군대와 특별계약을 맺었다. 원자핵폭발이 일어난 직후에 볼 수 있는 버섯구름이 어떻게 생겼는가를 군인들에게 가르쳐 주기 위한 프로젝트였다. 연구결과 원자 '구름'과 똑같은 모양의 폭죽이 만들어졌다. 1백50m 상공에서 지름이 30m나 되는 버섯구름을 재현한 것이다.

그런가 하면 최근에는 폭죽과 음악의 결합이 이뤄지고 있다. 대개는 인기있는 록음악들이 등장하는데 매순간 각각의 포탄에 어울리는 적절한 노래를 선택하는 것이 중요하다.

대략 20분동안 진행되는 폭죽공연을 하려면 1천개가 넘는 포탄이 필요하고 또한 엄청난 양의 음악작동 및 조절장치가 필요하다. 이러한 일련의 작업들을 쉽게 처리하기 위해 불꽃제조회사들도 최근 컴퓨터를 이용하기 시작했다.

컴퓨터를 이용, 모양과 색깔을 정하고

그 방법은 매우 간단하다. 각각의 폭죽의 색깔과 모양 그리고 발사시간 등을 데이터 프로그램에 입력시키면 된다. 예컨대 음악이 시작된 뒤 40초만에 포탄이 폭발되기를 원한다면, 컴퓨터 스크린에 나타난 포탄의 코드 숫자 옆에 '40'이라고 써 주기만 하면 그것으로 그만이다. 그 다음 모든 것은 자동적으로 컴퓨터가 알아서 해주기 때문이다. 폭죽의 모양과 색깔을 미리 알고 있는 컴퓨터는 적절한 음악까지 선택하는 등 모든 것을 알아서 척척 해낸다.

그러나 현대의 기술에만 전적으로 의존해서는 안된다. 정확한 발사시간과 폭발시간은 컴퓨터가 수행하지만 포탄을 포장하는 일과 발사하는 일은 아직 인간의 손을 요구하고 있다. 예를 들어 포탄의 포장을 풀어서 지지대 위에 올려 놓는 일 그리고 스위치를 누르는 일 등은 사람이 직접 해야 한다.

포탄이 발사대에 놓이면 폭죽쇼를 위한 모든 것이 준비되어진 셈이다. 드라마틱하고 이중(二重)시각적인 효과를 노릴 때는 물위에 떠 있는 배 위에서 발사가 종종 시도되기도 한다. 이때 적어도 한 사람은 발사버튼을 누르기 위해 배 위에 있어야 한다. 이곳에서 바라보는 폭죽들의 휘황한 모습은 매우 감동적이다. 비록 컴퓨터 프로그램이 어떻게 작동되고 있는지는 모를 테지만.

컴퓨터 프로그램의 작동은 육지에 있는 다른 한 사람이 수백개의 버튼을 조절함으로써 이루어진다. 배 위와 육지에 있는 두 사람은 무전기나 이중방식라디오를 통해 서로 교신한다.

폭죽회사에서는 안전을 가장 중요하게 여긴다. 실제로 크고 작은 폭발사고가 종종 일어나기 때문이다. 1983년 그루치사의 연구소에서도 폭발사고가 발생, 세사람의 인명을 앗아갔다.

그 사고의 정확한 원인은 아직까지 미스터리로 남아 있다. 작업 중 떨어뜨린 용구 때문에 또는 정전기로 인해 발생하는 강력한 스파크는 종종 대폭발의 원인이 되곤 한다. 몇해 전만 해도 사람들은 정전기에 대해 그다지 관심을 기울이지 않았다.

많은 사람들이 양모로 만든 스웨터를 입고 열이 차단된 지역에서 일을 한다고 가정하자. 그곳의 온도가 올라가면 사람들은 더위를 느껴 옷을 벗고 싶은 충동을 느끼게 될 것이다. 옷을 벗을 때 나오게 되는 수많은 스파크들이 바로 폭발의 원인이 될 수 있다.