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풍선의 재발견!
- 풍선으로 풀어나가는 고분자공학 -

 안녕하세요? 국가과학기술위원회 블로그 기자단 2기 이다호라입니다.
우리 주변에서 쉽게 볼 수 있는 풍선. 그런데 이 풍선은 어떤 재질로 이뤄져 있을까요? 왜 잘 늘어났다가 다시 원상태로 돌아가는 것일까요? 또 시간이 지나면서 풍선의 부피가 줄어드는 이유는 무엇일까요? 그리고 왜 오래된 풍선은 흐물흐물해지며 쉽게 찢어져버릴까요? 여러분은 평소에 이런 질문들을 해보신 적이 있나요?

 

@fotobydave / http://www.flickr.com/photos/fotobydave/244541336

당연한 듯 지나쳤던 이 질문들은 모두 풍선의 고분자적인 성질과 관련이 있습니다. 그래서 오늘은 여러분의 궁금증을 풀어드리기 위해, 고분자 공학적인 관점에서 풍선에 대한 이야기를 하고자 합니다.

고분자 물질이란 무엇일까요?
고분자 물질이란 저분자 물질들이 모여 화학적 결합을 통해 형성한 긴 물질입니다. 또한 고분자 물질은 일반적으로 분자량이 10,000이 넘는 화합물입니다. 고분자 화합물에는 천연으로 합성되는 천연고분자와 화학적으로 합성하여 만드는 합성 고분자가 있습니다.

천연 고분자에는 식물의 줄기나 감자에서 추출할 수 있는 ‘녹말’, 그리고 식물의 잎에서 추출할 수 있는 ‘셀룰로오스’, 그리고 우리 몸을 구성하는 ‘단백질’과 ‘천연 고무’가 있습니다. 합성 고분자에는 우리가 ‘플라스틱’이라고 부르는 PVC와 PP 등과 ‘합성수지’라고 불리는 나일론과 폴리에스테르. 마지막으로 ‘합성고무’가 있습니다. 고분자 공학은 천연적으로 합성되어 있는 천연고분자를 모방하면서 시작되었습니다. 고무의 역사도 천연고무에서 시작되었으니까요. 

고무의 원료가 되고 있는 고무나무 @SJ photography / http://www.flickr.com/photos/sjliew/2247052944


고분자 물질의 대표적인 특성은 무엇일까요?
고분자 물질은 탄성(Elasticity)과 점성(Viscosity)이라는 특성을 가지고 있습니다. 여기서 탄성이란 외부 힘에 의하여 물체의 모양에 변형을 일으킨 후 그 힘을 없앴을 때 다시 원래의 모양으로 돌아가려는 성질을 말합니다. 고무나 스프링을 양 옆으로 늘렸을 때 그것들이 다시 제 모습으로 돌아가려고 하는 것을 쉽게 볼 수 있죠? 고무와 스프링이 바로 탄성의 대표적인 예입니다.

점성이란 흐르는 물체가 흐르는 운동에 저항하는 특성을 말하며, 운동하는 액체나 기체 내부에 나타나는 마찰력이라고도 말할 수 있습니다. 쉽게 말하면 점성은 액체가 가지는 끈끈한 성질로, 치약을 튜브에서 짰을 때 흐르는 성질이랑 같습니다.

@hey mr glen / http://www.flickr.com/photos/glenscott/3492619886


  물체에 따라서는 탄성만 가지기도 하고, 또는 점성만을 가지기도 합니다. 또한 어떤 물질은 중간적 성질인 점탄성(Viscoelasticity)을 가지기도 하며, 일부 물질은 온도에 따라 점성과 탄성의 성질과 그 영향력이 달라지기도 합니다.

풍선은 어떤 고분자 물질로 이뤄져 있으며, 왜 잘 늘어났다 다시 돌아갈까요?

예전에는 돼지 방광 등의 건조된 동물 방광으로 풍선을 만들었다고 합니다. 현대에서 가장 많이 쓰이는 고무풍선은 마이클 패러데이에 의해 1824년 처음 발명되었으며, 현재는 고무나 라텍스, 폴리클로로프렌, 또는 나일론 섬유로 풍선을 만들고 있습니다.

풍선의 일반적인 원료인 고무(Rubber)는 고분자 물질 중에서 탄성의 영향력이 더 큰 물질입니다. 따라서 고무를 힘을 주어 늘릴 경우, 다시 원래대로 돌아가려는 성질이 강하기 때문에 힘을 제거했을 경우 본 모습을 다시 찾게 되는 것입니다. 풍선이 잘 늘어났다가 다시 줄어드는 이유도 바로 ‘탄성’과 관련이 있습니다. 힘을 줄 경우 늘어나지만 탄성 때문에 다시 원래 모양으로 돌아오는 것이지요. 그래서 손바닥보다 작은 풍선에 바람을 불어넣어 사람 머리 만하게 풍선을 불더라도, 바람을 빼면 다시 줄어드는 것입니다.

@Accretion Dischttp://www.flickr.com/photos/befuddledsenses/1333672492


시간이 지나면서 풍선의 크기가 줄어드는 이유는 무엇일까요?
풍선은 사슬구조의 고분자로 이뤄져있습니다. 고무가 사슬구조의 분자이기 때문에 어느 정도 공기가 출입하는 것을 막을 수 있지만, 시간이 지나면서 그 사슬구조 사이사이로 공기분자가 빠져나갈 확률이 높아집니다. 그래서 공기가 확실하게 차단되지 않기 때문에 시간이 지나면서 풍선의 크기가 줄어드는 것입니다.

왜 오래된 풍선은 흐물흐물해지며 쉽게 찢어져버릴까요?
우리가 맨 처음 풍선을 사고 손으로 늘리면 쉽게 찢어지지 않지만, 불어 놓은지 일주일이 지난 풍선은 흐물흐물하며 쉽게 찢어집니다. 풍선은 굉장히 복잡한 사슬구조의 고분자로 이뤄져있지만, 고분자안의 결합은 항상 안정하지만은 않습니다.

시간이 지날수록 사슬구조가 끊기게 되어 이전보다 저분자의 물질이 많이 생기게 됩니다. 따라서 고무끼리의 분자 결합력도 작아지게 될 뿐 아니라, 풍선 안의 고무 분자들 사이사이로 공기가 더 쉽게 빠져나가게 되는 것입니다. 그래서 풍선이 더 흐물흐물해지며 쉽게 찢어져버리는 것입니다. 여러분은 오래된 바지의 고무줄이 뚝뚝 안에서부터 끊겨버린 경험을 해보셨나요? 이처럼 오래된 머리끈이나 고무줄에서도 이 현상을 관찰 할 수 있답니다.

고무줄이 오래되면 끊긴 경험 다들 있으시죠?@MrVJTod http://www.flickr.com/photos/mrvjtod/212060990/

풍선은 어떤 용도로 사용되고 있나요?
풍선은 단지 장식용으로 쓰일까요? 아닙니다! 기상청이나 군사 방어, 운송 등의 여러 가지 분야에서 실용적인 목적으로도 사용되고 있답니다. 풍선은 밀도가 낮고 가격도 저렴하기 때문에 다양하게 응용될 수 있는 것이지요. 풍선은 의학적인 용도로도 사용되고 있는데요, 혈관 성형 수술에서는 매우 작은 풍선이 막혀있는 혈관에 삽입되어 동맥 안의 이물질을 없애거나 압축시키기 위해 팽창하여 혈관 벽을 늘리는 역할을 합니다. 뿐만 아니라 위장이나 자궁의 출혈을 막는데도 사용되고 있답니다. 참 신기하죠?

혈관 성형 수술용 풍선@denn / http://www.flickr.com/photos/denn/2482754723


  평범한 줄 알았던 풍선의 재발견, 어떠셨나요? 우리 주위에 있는 평범한 것들을 매의 눈으로 살펴보며, 과학적으로 분석하는 것도 흥미롭지 않을까요. 모두가 과학을 사랑하는 그날까지, 국과위 블로그 기자단이 앞장서겠습니다!

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