해변가의 밤하늘은 수많은 불꽃들로 빛나는데요, 바로 폭죽 때문입니다. 심지에 불을 붙여주면 요란한 소리를 내며 하늘로 날아가는 폭죽은 저마다 다른 모양과 색으로 터져 아름답게 빛납니다. 지난 5월 4일에 서울시 송파구의 제2롯데월드 타워에서 열린 불꽃축제는 잠실 일대를 아름답게 수놓았고, 수많은 인파가 몰려 그 불꽃을 넋 놓고 바라보았습니다. 또한 축제하면 가장 먼저 떠오르는 것이 '불꽃놀이'인 만큼 수많은 축제에서 불꽃놀이는 하이라이트를 장식합니다. 이렇게 폭죽은 화려한 빛과 모양으로 사람들의 눈을 즐겁게 해줍니다. 그렇다면 이런 폭죽은 언제 만들어졌으며, 어떤 원리로 날아가다가 하늘에서 터지는 것일까요?
역사속의 폭죽
폭죽의 연원은 중국에서 찾아볼 수 있습니다. 7세기 이후 당나라와 송나라에서 축제가 있을 때 자주 쓰였다고 하는데요, 중국을 배경으로 한 만화영화와 영화들에서 폭죽이 자주 등장하는 것 또한 이 이유일 것 같습니다. 이후 화약이 발달하면서 폭죽 또한 비약적으로 발전하여, 13세기 말에는 이탈리아의 피렌체에 전해지고, 15세기경에는 유럽 전역에 퍼졌습니다. 이후 발전을 거듭한 끝에 현재의 형태에 다다르게 되었다고 합니다. 우리나라의 경우, 귀신을 놀라게 하기 위한 목적으로 설날에 폭죽을 터뜨리는 풍습이 있었다고 합니다.
폭죽은 어떤 원리로 작동할까?
폭죽은 주로 '별'이라고 부르는 좁쌀과 같은 작은 핵에, 화약을 흡착시켜서 만듭니다. 제조 공정은 만드는 곳 마다 조금씩 다르긴 하지만, 대개 수작업에 가까울 정도로 품이 많이 들어간다고 합니다. 그렇기 때문에 농구공 크기에 달하는 대형 폭죽은 한 발에 수십만원대를 오갈 정도로 고가라고 하는데요, 모양을 내기 위해서 '별'을 어떤 기하학적인 모양으로 배치해야 하는가의 노하우도 높은 가격에 일조합니다.
불꽃은 금속의 연소반응과 불꽃반응의 원리로 만들어집니다. 금속의 불꽃 색은 금속 고유의 특성으로, 금속이 산소와 만나서 연소반응을 일으키게 되면 금속마다 서로 다른 불꽃 색을 보이게 됩니다. 폭죽의 경우, 각 금속들이 화약과 함께 연소하면서 산소와 결합하는데, 이 때 금속에 따라서 서로 다른 색깔의 빛을 지닌 불꽃을 내고, 이에 따라 여러 색의 화려한 불꽃이 하늘을 수놓게 되는 것입니다. 알루미늄(Al)은 은색(백색), 나트륨(Na)은 노란색, 스트론튬(Sr)은 붉은색, 구리(Cu)는 파란색, 바륨(Ba)은 녹색으로 연소합니다. 이 외에도 다양한 색들도 낼 수 있는데요, 붉은색과 푸른색을 합치면 보라색이 되는 것 처럼, 스트론튬(Sr)과 구리(Cu)를 함께 연소시키면 보라색을 내게 되는 것 입니다.
불꽃놀이는 폭죽을 일정한 방향과 각도로 쏘아 올리는 '발사포'와 일정 시간과 높이까지 '불꽃별'의 폭발을 지연시켜 주는 '도화선', 흑색 화약과 별을 하나로 모아서 하늘로 쏘아 올리는 화공품인 '꽃불류', 마지막에 연소되면서 아름답게 하늘을 수놓는 불꽃이 되는 '불꽃별'로 구성됩니다. 이중에서도 핵심은 발사포에서 쏘아 올릴 연화 속에 활화약과 함께 차곡차곡 채워진 불꽃별입니다. 이 불꽃별에 어떤 화학제를 넣느냐에 따라 불꽃의 모양과 색이 결정됩니다. 추가적으로, 컴퓨터 프로그램과 전기 점화장치 등을 이용해서 불꽃의 발사 시간과 터지는 시간을 미세하게 조절하면, 우리가 보는 하나의 '작품'이 완성되는 것입니다.
그렇다면, 폭죽은 어떻게 수십미터 상공까지 날아가며, 불꽃은 어떻게 순간적으로 퍼져나가게 되는 것일까요? 해답은 화약에 있습니다. 불꽃놀이에 사용되는 화약은 '흑색화약'인데요, 흑색화약은 질산칼륨, 황, 숯으로 이루어져 있는데 폭발 속도가 소리의 속도에 달하는 초당 300m정도라고 합니다. 하지만 이 또한 폭탄에 사용되는 폭약의 폭발 속도에 비하면 한참이나 느린 것이라고 하는데요, 따라서 흑색 화약으로 인한 충격파는 거의 발생하지 않기 때문에 폭탄과 같은 굉음은 발생하지 않는 것입니다. 이 흑색화약을 이용하여 하늘 높이까지 발사된 폭죽은 도화선이 다 타들어갔을 때 터져 불꽃이 순간적으로 퍼져나가게 됩니다.
화려한 면에 가려진 폭죽의 문제점?
보기에는 화려하고 멋있는 불꽃놀이지만 가려진 문제점도 적지 않습니다. 폭죽이 연소하면서 오존이 발생하기도 하고, 녹색 불꽃을 만드는 데에 사용되는 바륨(Ba)이 눈과 함께 떨어져 인체에 유입되면 천식을 일으킬 수도 있기 때문입니다. 불꽃놀이에 사용되는 다양한 금속 가루들이 인체에 좋은 영향을 주지 않는다는 것입니다. 그렇기 때문에 밤하늘을 화려하게 수놓는 불꽃에 더더 가까이 가려고 하기보다는 어느 정도 거리를 두고 감상하는 것이 더 좋습니다.
바닷가에서 소규모 불꽃놀이를 할 수 있는 완구용 폭죽의 경우도 각별한 주의가 필요합니다. 대형 폭죽들에 비해서 연소 속도가 느리기는 하지만, 폭발력은 여전히 강하기 때문에 손에 잡고 터트리거나, 사람을 향해 발사하는 등의 장난을 치면 매우 위험합니다.
축제의 하이라이트를 장식하는 화려한 불꽃놀이는 과학적인 원리와 치밀한 계산에 따른 설계의 결과입니다. 불꽃놀이의 과학적 원리를 알고, 화려한 불꽃을 즐긴다면 더욱 재미있겠죠? 그렇지만 화려한 구경 보다는 언제나 안전이 우선이라는 점 잊지 말아야겠습니다.
원하던 케미 2019 여름호
작성자: 18-038 목재균
분야: 무기화학
참고문헌:
[1] MSN 뉴스- 불꽃놀이 '불꽃'에 숨은 과학
이미지:
[1] http://www.kookje.co.kr/news2011/asp/newsbody.asp?code=0500&key=20151020.22022191851
[2] https://korean.visitkorea.or.kr/detail/fes_detail.do?cotid=105271ce-7a62-4a5b-967d-a783d4b0ac6f
[3] https://blog.naver.com/all45/221336651528
[4] https://blog.naver.com/ssepingman/166481831
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