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내 사전에 불가능이란...- 주석(Sn)과 인듐(In) - 목록

조회 : 7237 | 2012-04-03

통조림 캔
1795년, 유럽을 정복하려는 야심찬 나폴레옹(1969~1821)에게 가장 시급한 문제 중 하나는 전선으로 식량이었다. 어떻게 하면 음식을 상하지 않고 맛을 유지하면서도 오랫동안 보관할 수 있을까? 그는 음식을 1만 2000프랑의 현상금을 내걸었다. 1804년, 마침내 프랑스의 아페르(1750~1841)는 유리병에 식품을 넣고 충분히 가열하여 뜨거워졌을 때 코르크 마개로 단단히 밀봉하여 병조림을 만들어 현상금을 받았다. 그러나 병조림은 잘 깨졌으며 햇빛으로 인해 식품이 변색되기도 하였다. 병조림에 자극을 받은 영국에서도 새로운 방법을 찾기 시작했다. 1810년, 철판에서 요리하던 듀란드에게 새로운 아이디어가 떠올랐다. 그는 유리병 대신에 양철을 납땜한 통조림, tincanister를 발명하였다. 오늘날의 통조림을 캔이라고 부르는 것은 canister에서 유래한다.




양철과 함석
철은 공기 중에서 쉽게 녹슨다. 어떻게 철을 녹슬지 않게 보호할까? 그것은 철의 표면에 다른 금속을 입히는 것으로서 양철과 함석이 있다.










미국 샌프란시스코 금문교의 녹슨 구조물 / 위키백과(www.wikipedia.org) (CC) Marlith





양철은 철보다 안정한 주석을 표면에 처리한 것이다. 그러나 일단 양철의 표면에 흠집이 생기면 철이 산화되면서 방출한 전자가 주석으로 이동하고 주석의 표면에서 수소 이온이 환원되면서 쉽게 부식되고 만다. 반면에 함석은 철보다 쉽게 반응하는 아연으로 도금한다. 이 경우 표면에 흠집이 생기면 아연이 먼저 산화되면서 철을 보호한다.










양철과 함석의 산화․환원 반응 모식도





통조림 캔의 내부에는 흠집이 잘 생기지 않기 때문에 주로 양철을 사용한다. 반면에 지붕 등에는 함석이 쓰인다. 지붕이 긁혀도 철이 녹스는 것을 막을 수 있기 때문이다. 1970년대 전국적으로 전개된 새마을 운동으로 초가집을 개량하기 위해 함석 지붕을 많이 사용했다.




주석의 배신
1812년, 유럽을 호령하던 나폴레옹은 50만 대군을 이끌고 러시아 원정길에 나섰다. 프랑스군은 앞선 전술과 강력한 화력으로 쉽게 모스크바를 점령했다. 그러나 모스크바는 텅 비어 있었다. 러시아군은 후퇴하면서 식량을 남기지 않기 위해 모든 것을 초토화시켰기 때문이었다.










퇴각하는 나폴레옹 군대





프랑스군은 굶주리기 시작했다. 그들은 개, 고양이, 말, 심지어는 가죽 장화와 혁대까지 먹어 치웠다. 어쩔 수 없이 프랑스군은 철수를 시작했지만 설상가상으로 러시아의 겨울이 프랑스군을 덮쳤다. 결국 수많은 프랑스군은 기아와 추위에 죽어갔던 것이다. 나폴레옹은 러시아의 매서운 추위를 예상하지 못했던 것일까? 당시 프랑스군이 입었던 군복의 단추는 주석으로 만들었다. 주석은 회색과 은백색 두 가지 다른 형태가 있는데, 상온에서는 은백색으로 존재한다. 그런데 영하 30 도 이하에서는 회색으로 변한다. 그런데 주석은 은백색에서 회색으로 바뀔 때 부피는 크게 팽창하면서 가루가 되는 ‘주석병’이 나타난다. 러시아의 매서운 추위에 은백색의 주석 단추가 회색 가루로 떨어져 나가면서 병사들은 무기 대신에 옷자락을 붙잡고 있어야 했다. 결국 주석의 성질을 몰랐던 프랑스군은 동사하고 말았던 것이다.




남극 탐험과 주석
나폴레옹의 프랑스군 외에도 주석으로 비극적인 운명을 맞은 사람은 남극을 정복한 스콧(1868~1912)이었다. 19세기 말부터 20세기 초는 극지 탐험의 시기였다. 많은 탐험가들이 경쟁적으로 북극과 남극을 정복하기 위해 나섰다. 스콧와 아문센(1872~1928)도 그들 중 하나였다. 원래 아문센의 목표는 북극점이었다. 그러나 1909년 피어리(1856~1920)가 북극점을 정복했다는 소식이 들리자 남극으로 목표를 수정한 것이었다. 그들은 조국의 영광과 명예를 걸고 남극점을 향했다. 1911년, 스콧 탐험대는 남극점으로 전진하면서 귀로에 사용할 식량과 연료를 사이사이에 묻어두었다. 그들은 천신만고 끝에 남극점에 도달하였으나 이미 34일 전에 아문센 탐험대가 남극점을 정복한 후였다. 눈물을 삼키고 돌아서는 그들에게는 더 큰 시련이 기다리고 있었다.










아문센과 스콧





돌아오는 길에 남극의 매서운 바람과 눈보라가 불어 닥쳤다. 그들은 사력을 다하여 식량과 연료를 묻어둔 곳에 도달하였지만 석유통에 연료는 남아있지 않았다. 어떻게 된 것일까? 문제는 석유통이었다. 석유통에 불순물로 있던 주석이 낮은 온도에서 가루로 되면서 작은 구멍들이 생긴 것이었다. 연료들은 이 구멍으로 모두 새어 나가버린 것이었다. 결국 혹심한 추위로 인해 스콧 탐험대는 모두 사망하고 말았다.




남극점
남극점은 남극 대륙의 깊숙한 내부에 2,800 m의 거대한 빙상 위에 있다. 가장 가까운 해안도 1,230 km나 떨어져 있다. 남극의 연간 강수량은 200 mL에 불과하며 마치 사막과 같지만 추위로 인해 거의 증발되지 않는다. 따라서 눈은 오랫동안 차곡차곡 쌓여서 두꺼운 얼음을 형성한다. 남극과 북극 중 어느 곳이 더 추울까? 남극이다. 그 이유는 첫째, 북극의 대부분은 비열이 큰 바다이기 때문에 온도 변화가 작다. 둘째, 두꺼운 빙상으로 덮여있는 남극의 평균 고도는 2,300 m로 매우 높기 때문이다. 높이가 100 m 높아지면 기온은 1도씩 낮아진다.




화면표시장치와 ITO
나폴레옹과 스콧에게 좌절과 시련의 금속이었던 주석은 오늘날 유비쿼터스 산업의 핵심 소재로 거듭나고 있다. 그것은 ITO라 불리는 투명전극 때문이다. 이것은 안정한 원소인 인듐에 주석을 첨가한 산화물로서 전기를 전도할 뿐만 아니라 투명한 성질을 갖고 있다. 즉, 휴대폰 등의 화면은 유리 이에 주석이 첨가된 인듐산화물을 코팅된 투명 전극이다. 이 전극은 모기장처럼 가와 세로로 배열되어 있어 전기 신호를 받아 다양한 빛을 낼 수 있도록 한다. 이러한 투명 전극의 개발로 그 사용량은 폭발적으로 증가했다. 화면표시장치, 즉 디스플레이는 빛을 내는 광원에 따라서 브라운관, 액정 디스플레이(LCD), 플라즈마 표시장치(PDP), 발광 다이오드(LED) 등이 있다. 휴대폰과 TV는 주로 LCD를 사용한다.










핸드폰의 LCD 화면(500배 확대)





LCD는 램프의 빛을 화면에 비추어 주는 백라이트와 패널로 구성된다. 패널은 ITO가 코팅된 두 장의 얇은 유리 사이에 액정 고분자를 넣어서 만든다. 액정은 액체이면서도 조건에 따라 고체처럼 규칙적인 배열을 가질 수 있는 고분자 물질이다.










LCD 패널의 구성과 빛의 합성 / (CC) 위키백과(www.wikipedia.org)





그렇다면 어떻게 다양한 빛을 나타낼까? 백라이트에서 나온 빛이 편광 유리를 통과하면 한쪽 방향으로만 진행하는 빛이 된다. 이 빛은 액정 고분자에 의해 차단되거나 통과하게 된다. 즉 액정 고분자의 배열에 따라서 컬러 필터를 통과하는 빛의 세기가 달라진다. 화면표시장치는 이렇게 통과한 빛들의 합성으로 다양한 색깔을 화면에 표시하는 것이다.




터치 스크린
투명 전극은 디스플레이뿐만 아니라 터치스크린 등으로 발전하고 있다. 터치폰의 터치스크린은 어떻게 작동하는 것일까? 어떤 화면은 젓가락으로 눌러도 작동되지만 손가락이나 전용 펜을 사용해야만 하는 것도 있다. 이것은 터치 패널의 작동 원리가 다르기 때문이다. 터치 패널은 크게 압력으로 작동하는 감압식과 전기 신호를 감지하는 정전식이 있다. 정전식은 몸에서 생기는 정전기를 감지한다. 즉, 스크린에 손을 대면 표면에 흐르는 전자의 일부가 손가락으로 빠져나가는데, 이러한 전류의 변화를 센서가 감지하는 것이다. 따라서 정전식은 장갑을 끼거나 일반 펜으로는 작동되지 않는다.










감압식은 압력을 감지해야하기 때문에 유리 대신에 플라스틱을 사용한다. 따라서 표면이 약하고 잘 긁히지만 정확도가 높다. 이외에도 저항막 방식은 서로 직각으로 놓인 필름이 맞닿으면 전기가 흐른다. 손가락으로 누르면 두 판이 닿아 전기가 흐르면서 신호를 인식한다. 초음파 방식은 표면에 초음파를 쏘아 위치를 감지한다. 화면을 누를 때 초음파가 손가락에 흡수되기 때문에 초음파가 약해진 곳을 찾는다. 적외선 방식은 적외선이 장애물에 의해 차단되는 것을 활용하며 주로 50인치 이상의 화면에 적용된다.




꿈의 신소재, 그래핀
투명전극 ITO는 높은 온도와 높은 압력에서 단단한 유리 위에 코팅된다. 따라서 열에 약한 고분자에 ITO를 코팅할 수 없다. 만약에 고분자에 코팅할 수 있는 새로운 투명전극이 개발된다면 새로운 세계가 열릴 것이다. 배낭이나 옷에 전극을 착용하고 다니면서 에너지를 얻거나, 둘둘 말린 컴퓨터를 가방에 넣고 다니면서 신문과 뉴스를 볼 수도 있는 것이다.










6각형 그물 모양의 그래핀 모형/ 위키백과(http://wikipedia.org) (cc) AlexanderAlUS





아직까지 고분자를 사용한 전극은 투명하지 않다. 따라서 많은 사람들이 신소재를 이용한 투명전극을 개발 중이다. ‘꿈의 신물질’로 각광받는 그래핀도 그 중 하나이다. 두께가 0.2 ㎚로 얇으면서 안정한 그래핀은 구리보다 전도도가 크며 열전도율이 높고 강철보다 더 강하다. 게다가 늘리거나 접어도 전기가 흐르기 때문에 구부릴 수 있는 투명전극을 만들 수도 있는 것이다. 과연 그래핀을 이용한 투명전극이 개발될 날이 올 것인가?




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물질
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