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202005.19

[발명의 날] 탄광을 밝혀 생명을 구한 최초의 전구 발명가

커뮤니케이션팀   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/nuclear-fusion/1112

 

 

18세기, 영국에서부터 시작된 산업혁명은 인류 문명을 켜켜이 변화시켰습니다. 사람의 힘으로만 가능했던 농업 기술이 기계화되었고, 제철 공업이 발전하였으며, 석탄과 증기 기관 같은 새로운 동력원이 사용되기 시작했죠. 점점 가속되는 산업화에 무수한 석탄이 필요해졌고, 수많은 광부가 탄광으로 향했습니다. 하지만 탄광 안에는 메탄이나 일산화탄소와 같은 가연성 가스가 가득했습니다. 당시 광부들이 어둠을 밝히기 위해 사용했던 횃불은 빈번하게 탄광 내 가스를 점화시켜 폭발하며 많은 생명을 앗아가곤 했죠. 그러던 어느 날, 어둠 속 생명의 위협과 싸워야만 했던 광부들의 앞에 반짝반짝 빛나는 발명품이 하나 등장했습니다. 바로 ‘안전등’입니다.

 

 

|목숨 앗아가던 탄광의 어둠, 안전등으로 빛나다


1815년, 해외 출장을 마치고 영국으로 돌아온 험프리 데이비는 광부들로부터 한 편지를 받았습니다. 그 편지에는 광부들이 시시때때로 발생하는 폭발로 인해 생명의 위협을 매일 느끼고 있다는 고민이 담겨 있었죠. 이에 데이비는 실험을 통해 인화성 기체가 폭발하기 위해서는 온도가 발화점에 도달해야 한다는 사실을 밝혀냈습니다. 이 발견을 통해 광부들의 목숨을 살릴 ‘램프’가 발명되는데요. 바로 금속철망으로 램프의 불꽃을 감싸, 온도가 발화점에 도달하지 못하도록 한 험프리 데이비의 ‘안전등’입니다. 열을 흡수하는 금속의 특성을 이용해 촘촘한 금속철망을 만들어 불꽃의 열기를 흡수하고 확산시켜 인화성 기체의 발화점보다 낮은 온도를 유지하게끔 한 것이었죠.

 

험프리 데이비가 발명한 안전등의 모습 

ⓒetc.usf.edu

 

뿐만 아니라 이 금속철망은 산소가 흡수될수록 점점 붉게 물들었고, 그 범위가 커질수록 메탄의 농축이 높아져 폭발 가능성이 커지고 있다는 것을 작업하고 있는 광부들에게 알릴 수 있었습니다. 비교적 간단한 원리의 이 램프는 ‘안전등’이라 불리며, 광부들의 생명을 지키는 소중한 존재가 되었는데요. 데이비는 자신이 발명한 안전 램프에 대해 이윤을 추구하거나 특허를 출원하지 않고, 전 세계에 무료로 보급했습니다. 도리어 광부들을 불러모아 램프의 사용법을 단단히 일러두며, 그들의 생명을 안전하게 지키고자 힘썼죠. 이 안전등은 그의 이름을 딴, ‘데이비램프’로 명명되었습니다.

 

 

|최초의 전구 발명가 에디슨? 그보다 앞섰던 플라즈마 아크등


그리고 사실, 에디슨보다 먼저 백열등을 발명한 것 또한 험프리 데이비입니다. 그가 발명한 백열등은 에디슨이 백열전구를 발명했다고 알려진 1879년보다 무려 77년이나 앞선 1802년이었습니다. 데이비는 왕립과학 연구소에서 볼타 전지를 이용, 전지와 연결된 두 개의 탄소 조각 사이에 전류를 통과시킴으로써 최초의 백열등을 탄생시켰습니다. 비록 밝기가 촛불 4천 개에 맞먹을 만큼 너무 강했고 오랜 시간 지속되지 않는 탓에 가정용으로는 사용되지 못했지만, 최초 백열전구의 가능성을 일깨워주었죠.

 

험프리 데이비의 모습 

험프리 데이비 ⓒopen.edu

 

이때 그가 최초로 개발한 백열등은 바로, ‘아크등’입니다. 전류가 연결된 두 개의 탄소봉을 접근시키면, 전극 사이에서 아크 방전이 일어나 주위의 공기가 이온과 전자가 분리됩니다. 아크 방전은 기체 방전이 절정에 달하여 전극 재료의 일부가 증발하여 기체가 된 상태를 일컫는데요. 이때 음극과 양극 사이는 고온의 플라즈마로 연결되어 큰 전류가 흐르게 됩니다. 이렇게 전극 사이에 비교적 낮은 전압과 큰 전류를 내보낼 때 전극이 가열되어 전자를 방출하며 강렬한 빛을 내는 것이죠.

 

 

|아크등 속 ‘플라즈마’, 산업 발전의 씨앗이 되다.


아크등의 발명을 시초로, 세계 산업계는 1960년대까지 플라즈마에 대한 관심을 가스방전 레이저와 램프 개발에 두었습니다. 하지만 연구를 거듭하며 플라즈마의 활용도가 높다는 것을 깨닫고, 보다 다채로운 분야에 접목시키기 시작했습니다. 우주의 90%를 차지하며, 제 4의 상태라 불리는 ‘플라즈마’는 기체가 초고온 상태로 가열되어 전자와 양전하를 가진 이온으로 분리된 상태를 의미하는데요. 기체나 액체보다 훨씬 활발한 반응을 가졌고 그 내부는 항상 높은 전기 에너지를 유지하기 때문에 기체나 액체로 불가능했던 여러 공정을 가능케 합니다. 디지털 시대 핵심 산업 분야로 꼽히는 ‘반도체’ 역시 공정 과정에서 플라즈마 기술을 빼놓고 이야기할 수 없죠. 이처럼 산업 공정뿐 아니라 플라즈마의 활용 범위는 환경, 생명공학, 재료, 의학 등 다양하게 확대되며, 없어서는 안 될 존재로 자리 잡았습니다. 더 나아가 플라즈마는 인류의 미래에너지로 기대되고 있는 ‘핵융합에너지’ 개발을 위한 핵심기술이기도 합니다.

 

 플라즈마의 활용 범위는 환경, 생명공학, 재료, 의학 등 다양하게 확대되며, 없어서는 안 될 존재로 자리 잡았다. 

 

이렇듯 200여년 전 아크등 속에 있던 ‘플라즈마’는 오늘날 반도체, 우주 플라즈마, 바이오, 에너지 등 더 다양한 분야의 귀재로 나아가며, 기술의 발전에 큰 도움을 주고 있습니다. 우연한 발견을 시작으로 인류의 끊임없는 도전과 노력이 더해진 ‘발명’이 있었기에 이룰 수 있던 일이었겠죠. 어두운 탄광에서 광부들의 목숨을 구했던 험프리 데이비의 ‘안전등’처럼 언젠간 핵융합에너지도 에너지 고갈이라는 어둠에서 인류에게 빛을 선사해줄 날이 오지 않을까요? 지금처럼 반짝이는 아이디어와 땀방울들이 계속되는 한 말이죠.

 

지금처럼 반짝이는 아이디어와 땀방울들이 계속되는 한 핵융합에너지의 상용화도 성큼 다가오리라 기대한다.
 

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