아줌마들의 "아줌마들의 과학수다"

이공계 출신의 아줌마들이 어느 날 우연한 계기로 모여 과학기술에 관해 친절한 수다를 풀어내기 시작했다. 여성과학기술인지원센터(WIST)와 사이언스온 공동기획

[연재] '붙고 떨어지고' 탄소 님 당신이 만든 세상 놀랍군요

아줌마들의 과학 수다 (34)


현대 사회에서는 과학과 기술이 우리 생활에 밀접하게 자리 잡고 있다. 전공이 다른 과학기술자들이 같은 연구를 하는 것을 보면 학문의 경계도 많이 없어진 것 같다. 지구 온난화를 일으키는 나쁜 얼굴로, 그리고 꿈의 물질 그래핀이라는 착한 얼굴로, 두 얼굴을 가진 탄소는 드라마의 주인공만큼이나 다양하게 변신하면서 배신과 사랑을 하는 녀석이다. 산소를 너무나 사랑한 나머지 이산화탄소가 되어 지구 온난화의 주범으로 미움을 사기도 하고, 수소와 다양하게 결합해 고분자라는 가족을 만들기도 하고, 0차원 플러렌, 1차원 탄소나노튜브, 2차원 그래핀… 이렇게 다양한 차원으로 수퍼맨처럼 변신하기도 한다.      / 수다꾼 : 박문영, 신지원, 이인숙, 최동수 (정리: 최동수)



00fullerene » 탄소 60개로 이뤄진 플러렌의 공 모양 분자 모형. 탄소의 '재발견'을 이뤄준 계기가 바로 탄소 60개로 이루어진 플러렌의 발견 아니었을까요? 1985년에 까만 숯검정 안에서 발견한 신물질은 탄소의 가치를 바꾸어놓았어요. 탄소의 0차원 구조인 플러렌은 1996년 노벨화학상을 안겨주었고요. 1991년 이지마 교수도 숯 안에서 탄소의 1차원 구조인 탄소나노튜브를 찾았어요." 그림/ Wikimedia Commons

 



탄소는 '두 얼굴의 사나이'?


SO_DS동수 :  며칠 전 김필립 교수의 강연을 들으러 갔는데 자리가 모자라 서 있는 사람도 많고 계단에도 사람이 앉을 정도로 강연장이 꽉 차서 그 인기에 깜짝 놀랐어요. 강의 내용도 일반인들을 위해 어렵지 않게 준비하셨다고 하더라고요.

 

인숙 :  꿈의 물질로 불리는 ‘그래핀’이 2010년 노벨물리학상을 수상하면서 많은 사람들의 관심을 받았어요. 특히 우리나라 사람들에게는 과학 분야의 첫 번째 노벨상을 놓쳤다는 아쉬움에 더욱 더 안타까운 물질이 되었지요. 하지만 경제 분야에서는 이를 만회하듯이 우리나라의 그래핀 상용화 가능성이 상당히 앞서 있다고 해요. 그래서 그래핀 상용화를 준비하는 업체들의 주가를 오르게 하고 있지요.

 

문영 :  그래핀이라면 탄소로만 이루어진 물질이지요. 탄소는 영어로 카본(carbon)이라고 하고 C로 표시하는데 숯이라는 의미의 라틴어에서 유래했다네요. 가장 바깥쪽 껍질에 4개의 전자를 가지고 있고 4개의 빈자리를 가지고 있어요. 지구온난화의 주범으로 이산화탄소가 지목되고 탄소배출권, 탄소 감축 등의 문제가 떠오르면서, 탄소는 골머리를 썩게 한다는 나쁜 이미지를 떠오르게 했어요. 그런데 그래핀을 연구한 과학자들이 노벨상을 받으면서 신소재로서 탄소의 멋지고 훌륭한 면을 보여주었어요. 그러고 보니 가만히 있는 탄소를 사람들이 나쁘게도 만들고 좋게도 만드네요.

 

지원 :  지구온난화에 대한 홍보 교육이 잘 돼서 이제는 초등학생에게까지 탄소는 친숙한 물질이지요. 온 국민을 대상으로 탄소 포인트제까지 실행하고 있으니 분명 가장 유~명한 원소인 것은 틀림없는 것 같네요. 원자번호 6번인 탄소는 지구에 4번째로 많이 존재하는 비금속 원소에요. 또 원자량이 12로 다른 원자들의 원자량을 정할 때 기준이 되는 원자죠. 탄소 원자에 대해서는 많은 연구가 이루어져 정보들이 넘쳐요. 하지만 탄소 원자에 대해 정보가 많다고 해서 탄소로 이루어진 물질에 대해 모두 알고 있다고 말할 수는 없어요. 분명 같은 부모 밑에서 나고 자란 우리 두 아들의 성격이 확연히 다른 것처럼 똑같은 탄소로만 이루어진 물질이라도 너무 다른 성질을 나타내기도 해요.

 

동수 :  지구온난화 문제가 나왔을 때 탄소 하면 공장에서 올라오는 시커먼 연기가 연상되었어요. 사람 마음이 간사하다더니, 이제는 어느 기업의 광고가 먼저 떠오르네요. 광고의 주인공이 디스플레이 화면을 구부려서 손목시계처럼 차더군요. 갑자기 '두 얼굴의 사나이'라는 제목이 떠오르는 건 왜 일까요? 호호…  탄소가 마치 영화 주인공처럼 흥미롭게 느껴지네요. 시청률 높은 드라마 보고 수다를 떨듯이 우리는 탄소에 대한 뒷담화를 해보면 어떨까요?

 

00graphenW » 그래핀 모형. "그래핀의 결합구조를 보면 탄소 원자 6개가 육각고리 모양의 결합을 이루며 평면으로 연결된 한 층으로 두께가 0.2nm(나노미터, 10억분의 1m 단위)라고 해요. 그래서 매우 얇고 단단하며 빛의 98%를 통과시키는 투명한 물질이지요. 또 실리콘보다 전자의 이동성이 100배 이상 좋아 반도체의 가능성도 부각되죠." 그림/ Wikimedia Commons

 

 

 

탄소의 다양한 형제들

 

동수 :   흑과 백…탄소하면 가장 먼저 떠오르는 것이 이란성 쌍둥이예요. 동소체라고 해야 하나? 흑연과 다이아몬드에요. 다이아몬드는 탄소 원자의 가장 바깥쪽 껍질에 있는 전자 4개 모두가 이웃의 탄소와 공유결합을 이뤄 단단하고도 광학적으로 투명해서 보석의 여왕이라고 할 수 있지요.  다이아몬드를 전반사가 일어나는 각도로 가공하면 영롱한 빛이 나와요. 다이아몬드 얇은 막은 단단함을 키우기 위해서 공구의 표면이나 기계, 반도체 소자 기판의 코팅에 사용하기도 해요. 다이아몬드 칼은 안경렌즈나 유리를 자를 때 사용하지요. 맑고 투명한 다이아몬드와는 달리 새까맣게 탄 얼굴로 연필 끝에 빼죽이 나와 글을 써 주는 흑연은 4개의 전자 중에서 3개만 옆에 있는 탄소와 결합하고 여분의 하나는 수직으로 존재하고 있어 여러 겹의 판을 쌓아 놓은 구조를 하고 있어요. 전기난로의 발열체나 배터리 전극, 공기 정화 장치 등에 사용되지요. 김장할 때 숯을 넣는 것도 정화 장치의 일종이라고 볼 수 있겠지요?

 

인숙 :  자연 상태에서 탄소는 대부분 안정한 동위원소인 12C(98.89%)와 13C(1.11%)으로 이루어져 있다고 해요. 하지만 5개의 방사성 동위소를 가지며 그 가운데 반감기가 5,730 ± 40년으로 매우 긴 14C는 500~5만년 정도 된 화석의 연대를 측정하는 데 이용되고 있어요. 탄소는 생명체만이 만들어 내는 물질이라는 의미에서 유기물질(Organic Compounds)을 분류하는 기본 원소에요. 하지만 1828년 프리디리히 벨라가 무기물인 시안산암모늄을 가열하여 유기물인 요소를 합성하면서 유기와 무기 물질을 구분하는 본래의 의미는 잃었지만 생명체가 아닌 석유로 탄소화합물을 합성할 수 있는 길을 열었어요. 그래서 부족한 천연자원을 대체할 염료와 섬유와 의약품의 생산을 석유라는 화석연료가 맡게 되었지요.

 

SO_JW지원 :  탄소는 수소, 산소, 질소 같은 다른 원소와 결합해서 갖가지 화합물을 만들어요. 이 탄소 화합물들은 우리의 몸은 물론이고 지구상의 모든 생명체와 생명 현상의 근간이 되는 물질들이라 의미가 크다고 생각해요. 그리고 탄소 화합물의 구조와 성질은 정말 다양하죠. 예를 들어, 고분자 화합물은 사슬 형태, 그물망 형태, 선형 형태가 있는데 그 중심이 되는 골격은 탄소 원자로 된 긴 줄이에요. 탄소 원자가 서로 전자 1개씩 제공하여 형성되면 단일 공유결합, 탄소가 2개씩 내어 놓아 공유하면 이중결합, 전자를 3개씩 제공하여 총 6개를 공유하면 삼중결합이에요.

 

SO_MY문영 :  고생물 중에서 산소의 위험을 극복한 최초의 생명체는 시아노박테리아처럼 광합성을 할 수 있는 박테리아였대요. 시아노박테리아가 산소를 이기기 위해 탄소를 이용했다고 말할 수 있지 않을까요? 고생대에는 울창하게 번성한 양치식물의 광합성 작용이 대기 중에 산소 증가를 촉진했고 성층권에 오존층이 생기면서 육지 위에도 생물이 나타나 번성할 수 있는 토대를 만들었어요. 그리고 초기 생명체 뿐 아니라 고등동물인 사람도 항상 탄소를 사용해요. 특히 에너지원으로요. 우리의 전래동화에도 나무꾼 이야기가 심심찮게 나오잖아요. 나무를 태워 연료로 사용했고 나무가 타서 만들어지는 숯까지도 알뜰히 사용했지요. 해방과 전쟁을 겪으면서 먹을 것이 부족해 나무껍질도 벗겨먹었다는 할머니 이야기를 들은 적이 있어요. 지구생명체는 탄소에 의존해 살고 있다고 말해도 틀리지 않을 것 같네요.

 

 

 

탄소! 화석 에너지가 되다

 

지원 :   문헌에 따르면, 중국에서는 석탄을 기원전 4000년대부터 사용했다는군요. 하지만 세계적으로 볼 때 석탄이 본격적으로 연료로 자리를 잡기 시작한 것은, 16세기 경 영국에서 목재 자원이 고갈되면서 이를 극복하기 위한 대안으로 석탄을 이용하기 시작했을 때라고 해요. 이후에 산업혁명으로 기계화하고 증기기관차 같은 교통수단이 발달하면서 석탄과 석유 같은  화석 연료의 사용이 증가되었고요. 그 다음은 우리가 알고 있듯이 자동차, 항공기, 기차, 선박 같은 교통수단이 발달되면서 세계는 하나로 이어졌지만 화석 연료의 사용량은 감당할 수 없을 만큼 많아졌잖아요. 또 현재 인간 생활의 거의 모든 것을 가능하게 하는 전기를 생산하기 위해 가장 많은 부분을 화석 연료에 의존하고 있고요. 그러고 보면 고생대 석탄기에 영국에 형성된 지층에서 얻은 석탄은 참 많은 것을 변화시킨 시작이라 볼 수도 있겠어요.

 

00carbon » "주 에너지원으로 화석 연료를 선택한 사람들에게 지구온난화라는 풀기 어려운 문제가 생겼네요....현재로서는 이산화탄소 배출을 국제협약을 통해 규제하거나 과잉으로 배출된 이산화탄소가 대기 중에 머무르는 것을 줄이는 일 외에는 온난화를 막을 뚜렷한 대책이 없는 것 같아요." 기후정의연대 출범 기자회견이 열린 지난 5월25일 오전 서울 덕수궁 대한문 앞에서 참석자들이 핵폐기물과 이산화탄소 등 선진국이 배출한 쓰레기를 떠안고 망가진 기후정의 아래 신음하는 제3세계 민중을 표현한 행위극을 벌이고 있다. 사진/ 한겨레 자료사진, 이정아 기자

문영 :  화석 연료는 지구가 현재 사용하는 에너지의 85% 이상을 차지한다고 해요. 수백만 년 전에 죽어 바다 속에 침전된 플랑크톤을 포함해 동·식물의 유해가 수만 년에서 수억만 년에 걸쳐 쌓인 뒤 열과 압력을 받으면 화학적으로 변해 카타지네시스로 알려진 탄화수소 복합물로 변하는데 그것이 화석 에너지에요. 그런데 우리는 50만년이 걸려야 만들어질 수 있는 분량의 화석에너지를 하루에 태워 버리고 있다고 하네요. 2010년 미국 금속학회 심포지엄에서 자원과 에너지 소비가 지구가 수용할 수 있는 범위를 넘었다는 발표가 있었어요. 2006에 이미 지구 수용 능력의 1.4배에 도달했고, 2040년에는 2배가 될 것이라고 해요.

 

인숙 :  주 에너지원으로 화석 연료를 선택한 사람들에게 지구온난화라는 풀기 어려운 문제가 생겼네요. 온난화로 인한 기후변화는 요즘 날씨를 말할 때마다 얘기되지만 현재로서는 이산화탄소 배출을 국제협약을 통해 규제하거나 과잉으로 배출된 이산화탄소가 대기 중에 머무르는 것을 줄이는 일 외에는 온난화를 막을 뚜렷한 대책이 없는 것 같아요. 이런 대책은 각 나라의 산업과 경제상황을 제대로 고려하지 못하고 일률적으로 적용하려는 문제 때문에 크게 진전이 이루어지고 있지도 않고요.

 

동수 :  지구온난화가 사람들에 의해 배출된 이산화탄소 때문만은 아니라고 주장하는 과학자들도 있어요. 후진국 개발을 막고 싶은 선진국의 음모라는 의견을 말하는 사람들도 있고요. 지구온난화에 대한 유치원생들의 그림 전시회에 가서 그림을 본 적이 있는데, 탄소 잡아먹는 괴물을 만들겠다는 아이의 그림은 어쩐지 씁쓸한 웃음을 주더군요. 언론이나 정치적인 이유로 탄소라는 원소를 나쁘게 인식하는 건 옳지 않아요. 탄소는 생명체에도 화학, 생물학, 공학 등의 학문에도 매우 중요한 원소 중 하나이니까요.

 

 

 

새로운 탄생과 계속될 변신


Kohlenstoffnanoroehre_Animation » 탄소나노튜브 모형. 그림/ Wikimedia Commons

문영 :  탄소의 '개과천선'을 이뤄준 계기가 바로 탄소 60개로 이루어진 플러렌의 발견 아니었을까요? 1985년에 까만 숯검정 안에서 발견한 신물질은 탄소의 가치를 바꾸어놓았어요. 탄소의 0차원 구조인 플러렌은 1996년 노벨화학상을 안겨주었고요. 1991년 이지마 교수도 숯 안에서 탄소의 1차원 구조인 탄소나노튜브를 찾았어요. 타고 남은 재 안에서도 무엇인가 찾으려고 뒤적이는 과학자의 모습을 상상하니 꺼져가는 불 속에 감자며 고구마를 넣었다가 꺼내주시던 할머니의 모습이 생각나네요. ^^

 

지원 :   여러 형태의 탄소 구조는 노벨상과 인연이 있는 것 같아요. 60개의 탄소로 이루어진 플러렌을 발견한 스몰리와 컬, 크로토가 1996년 노벨화학상을 받았고, 지난해 노벨 화학상은 ‘탄소-탄소 결합형성 짝지음 반응’이라는 합성 방법을 고안한 리처드헤크, 네기시 에이이치, 스즈키 아키라가 받았어요. 노벨물리학상은 얇은 막 형태의 탄소인 그래핀을 발견한 가임, 노보셀로프가 받았고요. 그래핀을 발견한 방법이 정말 엉뚱하고 기발해서 더 기억에 남아요. 미래 최고의 신소재라 불리는 그래핀을 정말 원시적(?)이게도 스카치 테이프를 붙였다 떼는 방법으로 얻었다니, 정말 아이러니하잖아요. 나노 연필을 만들어 10개 층의 그래핀을 분리한 김필립 교수에 대해서는, 노벨상 문 앞까지 갔다가 문턱을 못 넘은 것 같아 같은 한국인으로 너무 아쉬워요. 그렇게 생각하면 탄소나노튜브를 발견한 일본의 이지마 교수도 비슷한 생각을 할 수도 있겠네요.

 

동수 :  그래핀을 합성하는 방법도 많이 다양해졌어요. 스카치 테이프를 이용한 방법은 질 좋은 그래핀을 얻을 수 있고, 황산 같은 강한 산을 이용해 산화흑연에서 산소를 떨어뜨리는 화학적 환원방법으로 경제적인 그래핀을 얻을 수 있고, 수소와 결합한 탄소인 메탄에서 수소를 떼어 버리고 탄소만 금속 위에서 자라게 하는 화학진공증착(CVD)을 이용한 방법은 넓은 면적의 그래핀을 얻을 수 있어요.

 

SO_LIS인숙 :  그래핀은 흑연, 다이아몬드, 플러렌, 탄소나노튜브와는 탄소동소체에요. 그래핀은 층층이 쌓이면 흑연이 되고, 둘둘 말 면 탄소 나노튜브가 되고, 잘 접어 공 모양을 만들면 플러렌이 되는 나노 크기를 지닌 나노 물질이에요. 그래핀의 결합구조를 보면 탄소 원자 6개가 육각고리 모양의 결합을 이루며 평면으로 연결된 한 층으로 두께가 0.2nm(나노미터, 10억분의 1m 단위)라고 해요. 그래서 매우 얇고 단단하며 빛의 98%를 통과시키는 투명한 물질이지요. 또 실리콘보다 전자의 이동성이 100배 이상 좋아 반도체의 가능성도 부각되었고, 또 더 빠르고 얇고 투명한 손목에 차는 컴퓨터나 둘둘 말 수 있는 휴대용 컴퓨터처럼 영화에서나 등장할 법한 상상 속의  컴퓨터를 실용화하는 데 쓰일 가능성을 열어 주고 있어요.

 

문영 :  1개의 트랜지스터가 들어가던 전자 디바이스가 이제는 10억 개 정도의 트랜지스터가 들어갈 수 있는 정도로 발달했어요. 기술의 발달로 전자 디바이스들이 점점 더 소형화하면서 그 안에 탄소나노튜브를 집적하는 기술은 가지기 더욱 어려운 기술이 되었어요. 그런데 어느 기업에서는 이제 겨우 10개의 탄소나노튜브를 집적하는 기술을 개발했다고 발표했더라고요. 10억 개 집적하는 기술은 언제나 나오려나? 탄소나노튜브가 당장 전자제품의 혁명적인 변화를 줄 것 같았는데…  이제는 2차원 그래핀에게 기대를 해봐야 할까요? 과학은 꿈의 물질을 찾아내고, 그 물질을 상용화하려고 하고. 그 순환이 맞물려 정말 끝이 없네요.

 

동수 : 그래핀의 특성은 상대론적 양자역학으로 이해해야 하고, 이미 나노 세계에서는 색상이나 끓는점 등으로 물질 고유의 특성을 규정할 수 없는 시대가 되었는데, 첨단 기술이 상용화되는 미래에는 고등학교 물리 교육에 양자역학 내용이 필수로 들어가야 할 시대가 올지도 모르겠어요.  최근에 약물 전달체나 바이오센서 등에 쓰일 수 있는 캡슐 모양의 ‘그래핀 할로 셸’이 개발되었다는 기사를 봤어요. 그래핀이 다양한 분야에 상용화되고, 같은 구조의 2차원 물질인 질화붕소, 황화니오븀, 황화몰리브덴 등의 새로운 물질들을 합성해내는 시대가 오면, 휴대폰이나 센서, 모니터 등등의 전자제품에 변혁이 일어날까요? 탄소 덕분에 공상과학 영화처럼 사는 시대가 올까요?


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과학수다팀
머릿속 과학을 쉽게, 편안하게, 재밌게 생활에서 끌어안다.” 못생긴 평 발의 등번호 21번 수다꾼(박문영), 뾰족코에 둥근 안경 수다꾼(신지원), 살포 시 웃음 짓는 빼빼 수다꾼(최동수), 볶음밥 위의 노른자 수다꾼(이인숙)이 수 다 팀을 꾸렸다.
이메일 : scienceon@hani.co.kr      

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