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고릴라의 외침 - 리튬(Li)과 탄탈럼(Ta) - 목록

조회 : 8497 | 2011-10-25

콩고에서는~
아프리카 중서부의 콩고는 콜탄 광석의 주요 생산지이다. 콜탄은 사금처럼 원시적인 방법으로 채취한다. 강바닥에 쌓인 진흙을 큰 물통에 넣고 저으면서 바닥에 가라앉은 콜탄을 분리한다. 콜탄은 시간이 갈수록 귀한 대접을 받고 있다. 수요가 폭발적으로 증가하는 핸드폰과 노트북, 제트엔진 등의 원료로 사용되고 있기 때문이다. 그러나 콜탄은 고릴라 서식지인 ‘카후지비에가 국립공원’에서 주로 생산된다. 내전 중인 콩고는 반정부군이 콜탄으로 전쟁자금을 조달하기 때문에 내전은 끝나지 않고 장기화되고 있는 것이다. 콜탄을 채취하기 위해 몰려든 사람들이 야생동물들을 마구잡이로 사냥하면서 고릴라의 수도 급격하게 줄어들고 있다. 이처럼 핸드폰은 콩고의 내전과 고릴라의 안타까운 외침으로 얽혀있다. 핸드폰이 울릴 때마다 콩고에서는 고릴라가 위기에 처해지고 있는 것이다.




사랑의 메신저
“띠리리리~” 핸드폰은 언제 어디서나 서로를 연결하는 사랑의 메신저이다. 핸드폰이 없는 세상은 상상할 수 있을까? 최근에는 인터넷, TV, GPS 등의 기능을 갖춘 스마트폰도 널리 보급되고 있다. 여기에는 정보통신 기술과 고성능 이차전지의 개발이 크게 기여했다. 특히 리튬이온 이차전지는 핸드폰의 핵심 부품이다. 이것이 없었다면, 무전기처럼 큰 핸드폰을 자랑스럽게 들고 다니고 있을 지도 모른다. 핸드폰에 부착된 리튬이온 이차전지는 작고 가벼우면서도 강력한 힘을 발휘하고 있는 것이다.










리튬이온 이차전지




볼타전지의 발명
원시시대로부터 오늘날까지, 인류는 에너지를 얻기 위해 끊임없이 노력해 왔다. 화력, 수력, 원자력 혹은 풍력으로 터빈을 돌려서 얻는 전기에너지는 가정의 콘센트로 공급된다. 그렇다면 언제 어디서나 사용할 수 있는 휴대용 전지는 어떻게 만들었을까? 갈바니(1737~1798)의 동물전기를 연구하던 볼타(1745~1827)는 은과 아연 판 사이에 소금물을 적신 천을 끼우고 두 금속을 전선으로 연결하여 최초의 전지인 ‘볼타의 전퇴’를 만들었다. 이것은 순간적으로 전기가 흐르는 정전기와는 달리 두 금속이 있는 한 계속 흐르는 전기였다.





1780년, 갈바니는 철사와 놋쇠를 죽은 개구리의 발에 갖다 대자, 발이 움찔거리는 것을 발견했다. 그는 개구리 안에 있던 전기가 흐르는 것으로 믿었으며 ‘동물전기'라 불렀다. 이것은 엄청난 관심을 불러일으켰으며 많은 과학자들의 재현하기 위한 실험으로 인해 개구리의 씨가 마를 정도였다. 그러나 한 종류의 금속만 사용하면 전기가 흐르지 않았다. 볼타는 전기는 서로 다른 두 금속을 접촉할 때 흐른다는 ‘금속전기설’을 주장했으며 볼타의 전퇴를 발표했던 것이다. 볼타 전지는 양극인 구리와 음극인 아연 금속을 묽은 황산에 담가서 만든다. 음극에서 아연은 아연 이온으로 녹으면서 전자를 음극에 남긴다. 이때 양극과 음극을 연결하면 음극에서 양극으로 전자가 이동하면서 전기가 흐르는 것이다. 볼타 전지는 동전기 시대의 막을 열었으며 오늘날과 같은 스마트폰을 있게 한 위대한 발견이었다.










볼타와 갈바니의 논쟁





위대한 과학자로 칭송을 받았던 볼타와는 달리 갈바니는 ‘개구리의 춤 선생’이라는 조롱까지 받았다. 그러나 볼타는 “갈바니의 연구는 가장 아름답고 놀라운 발견 중의 하나이다"라고 인정했다. 동물전기를 굳게 믿었던 갈바니는 죽은 개구리의 심장에 전기를 흘리면 심장 근육이 수축되는 것을 발견했다. 이것은 오늘날 전기 충격이라는 응급처치법과 심장박동기의 개발로 이어져 수많은 생명을 구하고 있다.




볼타전지 따라잡기
볼타전지 이후로 새로운 전지들이 개발되었다. 전지에는 일차전지, 이차전지 그리고 삼차전지가 있다. 일차전지란 볼타전지처럼 한 번 사용 후 폐기하는 일회용 전지이다. 이차전지는 자동차의 납축전지처럼 충전해서 다시 사용할 수 있으며 니카드전지, 리튬이온전지 등이 있다. 삼차전지는 연료전지를 말한다. 볼타전지는 어떻게 만들까? 준비물 : 아연 판과 구리 판(1.5cm × 6cm), 거름종이(1.7cm × 7cm), 10% 소금물, 약국용 과산화수소수, 집게 전선, LED, 투명 테이프, 스포이트





① 아연판과 구리판을 1/3 지점에서 ㄱ 자 모양으로 구부린다. ② 아연판의 긴 부분에 거름종이를 댄다. ③ 아연판-거름종이-구리판을 밀착시킨 후 투명 테이프로 위와 아래를 단단하게 감아서 고정한다. ④ 네 개의 전지를 구리와 아연이 겹치도록 직렬로 배열하여 투명 테이프로 고정한다. ⑤ 10% 소금물로 거름종이를 적신 후 과산화수소수를 2∼3 방울 떨어뜨린다. ⑥ LED의 긴 다리를 구리판에, 짧은 다리에 아연에 집게전선으로 연결한다.










볼타전지의 제작




몰리와 소니
스마트폰의 핵심 부품인 반도체와 디스플레이 장치는 사람의 머리와 눈과도 같다. 그러나 이러한 부품들도 이차전지가 없다면 무용지물이다. 전지는 인체 구석구석에 피를 공급하는 심장처럼 스마트폰 전체에 전기를 공급하기 때문이다. 1990년, 캐나다의 몰리 에너지는 리튬 음극을 사용한 리튬 이차전지를 일본에 수출했다. 그러나 사용자가 통화하던 중 휴대폰이 폭발하고 말았다. 그 원인은 리튬 음극에 나뭇가지처럼 자라난 리튬 금속 때문이었다. 충전할 때 양극으로 이동했던 리튬이 방전할 때 음극에서 나뭇가지처럼 자라나면서 양극에 닿아 단락이 일어난 것이다. 이 때 발생한 열로 인해 내부 물질들의 분해로 기체가 발생하였다. 전지 내부의 압력은 점점 높아지고 결국에는 폭발에 이르렀던 것이다. 결국, 몰리 에너지는 리튬 이차전지의 생산을 포기하였다. 어떻게 이 문제를 해결할 것인가? 그것은 바로 앞뒤로 왔다갔다하는 흔들의자의 원리였다.










리튬 이차전지의 충․방전과 단락





1991년, 일본의 소니는 음극 물질로 리튬 대신에 탄소로 교체하였다. 이것은 간단한 교체였지만 엄청난 차이를 가져왔다. 몰리 에너지의 리튬 이차전지와는 달리 마치 흔들의자처럼 리튬들이 탄소 층 사이로 안정적으로 왕복했기 때문에 리튬들이 더 이상 자라지 않았다. 이로써 리튬이온 이차전지는 다른 이차전지들을 제치고 새로운 강자로 떠올랐던 것이다.










리튬이온 전지의 충․방전




왜 리튬이온 전지일까?
전지는 양극과 음극의 화학에너지 차이를 전기로 바꾼다. 따라서 전지를 오래 사용하려면 무엇보다도 이들의 에너지 차이가 커야 한다. 대부분 이차전지들은 전압이 1.2 V로 낮다. 그러나 리튬이온 이차전지는 전압이 3.7 V로 높기 때문에 그만큼 많은 양의 전기를 만들어낼 수 있는 것이다.




이차전지 강국, 코리아
리튬이온 이차전지는 다양한 용도로 시장을 넓혀가고 있다. 특히 가장 큰 자동차 시장인 미국이 자동차 산업을 회생시키기 위한 환경규제를 강화하면서 전기자동차 용 전지로서 큰 주목을 받고 있다. 휘발유 자동차는 이미 일본과 한국, 유럽에 주도권을 빼앗겼기 때문이다. 그 중심에 우리나라의 리튬이온 이차전지가 있다. 비록 소니가 리튬이온 이차전지를 최초로 개발했지만, 20 여 년 동안 꾸준히 기술을 개발한 끝에 지금은 우리나라의 기업들이 세계의 리튬이온 이차전지를 주도하고 있는 것이다.




다시 콜탄으로
콜탄에는 탄탈럼 금속이 많이 들어 있다. 탄탈럼은 녹는점이 높고 다른 금속과 내구성이 높은 합금을 만든다. 이러한 특성으로 탄탈럼은 광학용 유리, 컬러 TV, 절삭 공구 및 항공기의 중요한 재료로 쓰인다. 그렇다면 리튬이온 이차전지와 고릴라는 어떤 관계가 있을까? 탄탈럼은 커패시터의 주요한 원료이다. 커패시터는 핸드폰에 공급되는 전기를 잠시 저장했다가 내부에 일정한 전압으로 흘려준다. 즉, 리튬이온 이차전지의 3.7 V 전압을 탄탈럼 커패시터가 일정하게 공급함으로서 휴대폰을 안정적으로 사용할 수 있는 것이다. 핸드폰은 리튬이온 이차전지의 성능과 함께 폭발적으로 수요가 증가했다. 그런데 핸드폰 안에는 커패시터가 2∼6 개 들어 있다. 이로 인해 탄탈럼의 수요도 크게 증가한 것이다. 지금도 콩고에서는 콜탄에 함유된 탄탈럼을 얻기 위해 고릴라를 포함한 수많은 야생동물들의 서식지가 파괴되고 있는 것이다.










휴대폰과 고릴라의 눈물




리튬과 탄탈럼
리튬은 1818년에 알페드손에 의해 발견되었다. 그는 엽장석의 성분을 분석하던 중 이들 모두를 합해도 전체 양보다 4%가 부족한 것을 발견하였다. 그는 엽장석에서 새로운 원소를 찾기 위해 노력한 끝에 리튬을 발견하였다. 베르셀리우스(1779~1848)는 이 원소를 ‘돌’을 뜻하는 그리스어 ‘리토스’에서 리튬으로 명명하였다. 탄탈럼은 1802년 에케베리(1767~1813)가 발견하였으나 나이오븀의 성질과 비슷했기 때문에 둘은 동소체(다이아몬드와 흑연처럼 같은 원소로 되어 있으나 구조나 물리적·화학적 성질을 서로 다른 홑원소 물질)로 여겨졌었다. 탄탈럼 산화물은 강산에서도 녹지 않는다. 이러한 특성을 가진 탄탈럼은 지옥에서 영원한 형벌을 받는 탄탈로스 이름에서 유래되었다.




탄탈로스의 접시와 계영배
그리스 신화의 신들은 탄탈로스를 친구처럼 그를 총애했다. 오만해진 탄탈로스는 신들을 시험하려고 집으로 초대한 후 아들을 죽여서 만든 요리를 내놓았다. 분노한 제우스는 탄탈로스를 지하세계의 연못 말뚝에 묶어 버렸다. 목마른 탄탈로스가 물을 마시려고 고개를 숙이면 물은 내려가 버렸다. 또한 배고픈 그가 코끝에 달린 과일을 따먹으려고 팔을 뻗으면 과일이 위로 올라가버려 먹을 수가 없었다. 탄탈로스는 많은 물과 풍성한 과일을 목전에 두고도 영원한 목마름과 배고픔에 시달리게 된 것이다. 탄탈로스의 접시는 끓는점에 도달할 때 까지는 수면이 점차 높아지다가 끓는점에 이르면 모든 물이 바닥으로 쏟아지도록 만든 실험기구이다. 이렇게 용기에 가득 차지 않게 만들어진 모양이 탄탈로스가 처한 상황과 비슷하기 때문에 탄탈로스의 접시라 부른다.










사이펀의 원리와 계영배





이와 비슷한 계영배라는 술잔이 있다. ‘가득차는 것을 경계하는 잔’이라는 뜻을 가진 계영배는 과음을 경계하기 위해 술이 일정 이상 차오르면 술이 모두 새어나가도록 만든 잔으로 절주배라고도 불린다. 인간의 끝없는 욕심과 지나침을 경계하는 선조들의 교훈이 담겨 있는 잔이다. 계영배도 역시 사이펀(siphon, 용기를 기울이지 않고 높은 곳의 액체를 낮은 곳으로 옮기는 연통관)의 원리로 작동한다. 즉, 관을 진공으로 만들 때 대기압에 의해 물이 상승하는 토리첼리의 정리를 이용한다.










사이펀의 원리





예를 들어 욕조에 고무호스를 사이펀처럼 집어넣고 호스 끝에서 공기를 빨아내면 물이 올라온다. 욕조에 찬 물의 높이보다 빨아올린 물의 높이가 낮으면 둘의 높이가 같아질 때까지 물은 욕조 밖으로 흘러나온다. 고층아파트 옥상의 저수탱크에 물을 올리거나, 우물 급수펌프 및 드럼통의 석유를 호스로 작은 통에 옮기는 것도 사이펀의 원리를 이용한 것이다.




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