시각과 청각의 미학
아름답고 화려한 불꽃놀이 속 숨은 과학

지난 해, 서울과 부산에서는 세계불꽃축제가 세계인의 관심 속에 성대하게 열렸다. 밤하늘을 화려하게 수놓는 불꽃이 펑, 펑 하는 소리와 함께 형형색색 다양한 모양을 그리며 터지자 사람들의 환호성이 터져 나온다. 커플들에게는 따뜻한 사랑의 불꽃을, 가족들에게는 또 하나의 추억을 선사해주는 불꽃놀이, 그 속에는 어떤 과학이 숨어있을까?

불꽃놀이

화려한 불꽃의 향연

아름답고 화려한 불꽃을 만드는 기본 원리는 화학인데, 화약의 경우 75%의 질산칼륨(KNO3)과 15%의 숯(C3) 그리고 10%의 황(S)으로 만들어진다. 여기서 황은 촉매제로, 낮은 온도에서 연소할 수 있도록 만들어주는 역할을 한다. 황과 숯이 연소되면서 질산칼륨의 산소(O3)를 방출하게 되고, 이 산소가 불에 공급되면 황은 연기 상태로 배출되면서 화약 특유의 냄새를 만드는 것이다. 이러한 화약을 숯의 검은색과 연기가 나온다해서 흑색화약이라 부르는데, 곱게 갈수록 입자의 표면적이 증가하기 때문에 빨리 연소하는 것이 특징이다.


전문가들은 색색의 불꽃을 ‘스타’라고 부른다. 불꽃놀이의 아름다움은 스타들의 다양한 형태와 크기에 있다. 스타의 색깔과 모양은 배합제 속 금속원소의 불꽃반응과 연소반응에 따라 결정된다.



불꽃반응이란 어떤 물질을 겉불꽃 속에 넣었을 때 그 속에 포함된 원소에 따라 독특한 불꽃색을 나타내는 반응을 말하며, 연소반응은 물질이 산소와 결합하여 다른 물질로 변하면서 열과 빛을 내는 현상을 말한다. 배합제 내에 있는 금속원소가 어떤 것이냐에 따라 불꽃의 색이 결정되고 이 배합제가 연소반응을 일으키면서 강렬한 빛을 내며 하늘을 수놓았다가 사라지게 된다.

불꽃의 색깔을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 칼륨(K)은 주황색을 만들고 스트론튬(Sr)은 빨강색, 바륨(Ba)는 녹색, 나트륨(Na)은 노랑색, 구리(Cu)는 파랑색을 만든다. 이때 조금 더 고급스러운 색깔을 내기 위해서는 색을 혼합하는데, 예를 들면 구리와 스트론튬을 혼합하여 보라색을 만드는 식이다. 


                                    
불꽃놀이는 그 시각적 아름다움과 더불어 관객들을 들뜨게 만들고, 흥미를 자극하는 소리를 통해 완성된다고 할 수 있다. 그래서 스타(불꽃)의 제작자들은 불꽃의 크기와 형태뿐만 아니라 제작할 때 소리도 고려해 만든다. 전문가들은 이것을 ‘살루트’라고 부르는데, 만드는 방법은 의외로 간단하다.

먼저 곱게 간 티타늄과 급속히 연소하는 산화제를 혼합하여 ‘플래시 파우더’라는 소리를 증폭하는 가루를 만든다. 이 플래시 파우더는 열과 압력을 증가시켜 소리를 더 크게 만드는 작용을 한다. 또한 알루미늄을 사용하여 지지직거리는 소리를 만들거나 탄피에 구멍을 뚫어 휘파람 소리가 나게 만들기도 한다. 이런 식으로 다양한 소리를 불꽃에 맞도록 제작하여 불꽃이 터질 때 그 현장감과 화려함을 배가 시키는 것이다.

하지만 스타를 가득 채운 불꽃탄은 실수로 떨어뜨릴 경우 마찰의 충격 때문에 폭발할 위험이 있다. 이러한 문제 때문에 안전성을 높이는 연구가 시작되었고, 뉴멕시코 DMD 시스템의 폭약 화학자 마이클 히스키는 탄피 속 색상 물질의 연기를 줄이고 안전성을 높일 수 있는 방법을 만들었다. 이러한 연구 과정 속에서 아질산 셀룰로오스를 사용하여 무연 추진제를 만들어 연기 없는 깔끔한 불꽃을 제조할 수 있게 되었다. 최근에는 수분이 포함된 섬유 가공품들을 이용하여 안전성을 더욱더 높이고 있다.


사람들에게 즐거움과 설렘을 선사하는 불꽃. 그 불꽃 속에 담긴 과학은 계속 진보하고 있다.

2012년도 세계불꽃축제 일정

일시: 2012년 10월 6일 13:00-22:00
장소: 여의도 한강시민공원 (63빌딩 앞)
참가국: 이탈리아, 중국, 미국, 한국 (총 4팀)
불꽃축제 본격 시작 시간 : 19:30~21:30



국가과학기술위원회 블로그 기자 박인환

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