불꽃놀이의 원리는 무엇일까?

<불꽃놀이의 재료>

  먼저 폭죽의 다양한 색상은 금속 화합물을 고온으로 가열하면 나타나는 불꽃색 반응을 이용한 것이다. 불꽃 반응은 주로 물질에 포함된 금속성 원소에 의해서 나타나는데 노란색은 나트륨 이온에서 방출되는 빛에 의한 것이고 붉은색은 스트론튬염에서 방출되는 광선에 의한 것이다.

  불꽃 반응이 진행될 때 전자를 들뜨게 하는 에너지는 산화제와 연료 사이의 반응에서 나온다. 결국 순간적인 연소 반응을 일으켜 그 불꽃 반응 색을 보는 것이 바로 폭죽의 색인 것이다.

  다음으로 폭죽의 무늬는 다양한 폭발 특징을 가지는 화약들을 혼합하고 심지에 시간 차를 두어 폭발하게 만든다던지, 폭죽탄 내의 작은 폭약 배열을 달리하는 등 그동안의 다양한 경험과 노하우, 그리고 엄격한 수치제어 등에 의해 결정이 된다.

폭죽은 화약류를 연소 폭발시켰을 때 발하는 빛, 불똥, 불꽃, 소리, 연기를 이용하는 화공품을 발사, 폭발시켜 관상하는 것으로 여기에 사용되는 화공품을 연화라 한다.

불꽃놀이와 꽃불은 크게 스파크와 화염이라는 두 가지 요소로 구분할 수 있는데, 스파크를 내는 데에는 질산 칼륨, 유황, 미세하게 간 목탄과 다양한 모양의 스파크를 만들어 내는 여러 첨가물 등이 사용된다.

  가장 일반적인 타상 연화는 발사관으로부터 발사되어 내부의 도화선이 연소되면서 추진하고, 공중에서 할화약에 불씨가 도화선을 통해 전달되면 폭발한다. 그러면 사방팔방으로 타면서 날아간다.

  이 타상 연화의 구성 성분은 다음과 같다.

• 옥피: 종이로 만들어진 박모양의 외피를 말한다. 이것은 불꽃 화약의 내용물을 담아서 공중에 이동시켜 주는 비행 물체이며, 중심의 할화약이 폭발할 때 반작용의 힘을 발휘하여 불꽃이 크고 둥글게 만들어준다.
• 불꽃 화약이 공중으로 추진시키는 데 필요한 힘을 만들어 낸다. 흑색 화약(Black Powder)의 폭발로 발생하는 고압의 가스가 타상 연화를 공중으로 추진시킨다. 흑색 화약(Black Powder)이 주원료이다.
• 도화선: 발사관으로부터 발사된 타상 연화가 추진하여 수초 후에 공중에서 터지는데 이것은 도화선의 지연 초시에 의한 것이다. 도화선의 길이에 따라 타상 연화가 공중에서 개화되는 시점이 다르게 된다. 불꽃 모양이 가장 이상적으로 보이게 하려면 지연 초시를 정확하게 맞추어 주어야한다.
• 할약: 할약 또는 할화약이라고 하며, 타상 연화가 추진하여 일정 고도에 위치했을 때 폭발하는 데 사용되는 화약이다. 이것의 주원료는 흑색 화약(Black Powder), 왕겨(Rice Hull) 등이다.

  타상 연화의 제작 공정은 대체로 수작업에 의존한다. 그것은 기계화될 수 없는 부분이 많기 때문이다. 따라서 타상 연화의 제조 공정은 과거와 현재를 비교할 때 유사한 점이 많다. 하지만 오늘날 더 화려하고 다양한 형태의 불꽃놀이는 새로운 물질의 등장과 과학 기술의 발달로 가능하게 되었다.

  폭죽을 터뜨리는 과정을 보면, 발사관에 타상 연화를 삽입하고, 도화선을 점화하면 발사관으로부터 연화가 추진하여 일정 고도에서 파열되고, 불꽃 형태를 만들어 낸다. 현재에는 안전성과 연출 등을 고려하려 전기 점화 방식을 사용하는데, 발사관은 타상 연화의 크기에 따라서 각각의 발사관이 사용된다. 재질은 종이, 강철, 섬유 강화 플라스틱, 고밀도 폴리에틸렌수지 등이 이용된다.

  그런데 이러한 것은 정밀성을 요하고, 위험하기 때문에 우리가 실험실에서 만들거나 하기는 어렵다. 게다가 우리나라에서는 법에 의해 기본적으로 화약류를 화약, 폭약, 화공품으로 구분하는데 불꽃 화약은 화공품에 속한다. 그리고 다시 불꽃 화약은 꽃불류와 장난감 꽃불류로 구분한다. 화약류 단속법에 의하면 장난감 꽃불류의 경우 일반인이 구입해서 사용할 수 있는 제품이며, 꽃불류의 경우는 사용지 관할 경찰서에 허가가 필요하다. 그래서 화약류 보안관리 책임자의 감독하에 사용하도록 되어 있다. 따라서 장난감 꽃불류와 꽃불류의 구분은 중요한 사항이다. 참고로, 장난감 꽃불류는 단발의 경우 약량 10 g 이하, 연발의 경우 약량 15 g 이하를 말한다.

 

<불꽃 색깔의 원리>

  불꽃놀이는 여러 가지 화학 물질이 채워지고 퓨즈가 설치된 로켓탄이 공기 중으로 발사되고 이 퓨즈가 타 버리면 화약이 발화되면서, 화학 물질을 태운 불꽃이 온 하늘로 퍼진다. 이때 현란한 빛과 소리가 난다. 이 빛과 소리는 여러 가지 화학 물질들을 들뜬 상태로 만드는 데 필요한 에너지를 만들어 내는 화학 반응에 의해서 나온 것이다. 방출되는 빛은 흥분 상태에 있는 원자가 바닥상태로 떨어지면서 나온 것이다.

  각 원자는 특별한 파장의 빛을 내놓는데, 가시광선 영역의 파장의 빛이 색깔 있는 빛으로 보이는 것이다. 예를 들어, 방출된 빛의 파장이 650 nm 근처이면 붉은색으로 보이고 450 nm 근처의 빛이면 파란색으로 보인다.

  불꽃놀이의 여러 가지 색깔은 금속 원소의 불꽃반응을 이용한 것이다. 노란색은 나트륨 이온에서 방출되는 빛에 의한 것이고 붉은색은 스트론튬염에서 방출되는 광선에 의한 것이다. 또한 알루미늄이나 마그네슘 금속은 단순히 흰색을 나타낸다. 우리가 쉽게 구할 수 있는 흰색의 불꽃이 바로 이 금속을 사용한 것이다.

대부분의 불꽃놀이에서 사용되는 연료는 황이나 알루미늄이다. 이것들은 산소와 느리게 반응한다. 효과 있는 기체 상태의 산화제는 과염소산 칼륨(KClO₄)이다. 과염소산 칼륨은 밝고 흰 불꽃을 내면서 연료를 산화시킨다. 여기에서 생기는 열이 연료와 산화제로 가득 찬 여러 가지 원소들을 들뜨게 한다. 한마디로 금속 원소의 고유한 특성인 불꽃색을 이용하여 화려한 색을 만든다는 것이다.

• 나트륨 - 노란색
• 칼슘 - 주황색
• 칼륨 - 보라색
• 구리 - 청록색
• 바륨 - 황록색
• 스트론튬 - 붉은색

위와 같이 많은 원소들이 각각의 고유 불꽃색을 가지고 있다.

 

<불꽃놀이 제작자가 되기 위해서는>

대학에서 연화를 전문적으로 교육하는 학과는 아직 없다. 연화 제조는 일반적으로 물리학과 화학을 접목하여 적용하는 것으로 생각된다. 금속이 산화해서 발생시키는 다양한 색상을 이용하는 것이 연화이며, 수십에서 수백 m 상공으로 연화를 쏴 올리기 위해서는 다량의 추진제가 필요하다. 이때 추진재를 새로 개발하거나 하는 것이 아니라 기존의 개발된 흑색 화약이나 무연 추진제를 사용한다.

  연화 업무를 하기 위해서는 '화약류 제조기사 자격증'과 '화약류 관리기사 자격증'이 필요하다. 연화를 제작하기 위해서는 '화약류 제조기사 자격증', 연화 쇼를 수행하기 위해서는 '화약류 관리기사 자격증이 필요하다. 연화 쇼를 수행하는 것은 연출력도 중요하지만 많은 경험이 우선된다.

  연화의 조합 및 발사 간격은 아주 중요하다. 연화의 크기에 따라서 폭발 후 발생되는 연기의 양이 다르기 때문이다. 바람의 강약에 따라서 연기가 사라지는 데 걸리는 시간이 다르므로 그날그날의 상황에 따라서 조합 및 간격을 조절하는 능력이 필요하다. 큰 연화를 짧은 간격으로 터트리면 보기 좋겠지만, 연기가 자꾸 쌓이면 잘 보이지 않게 되므로 적절한 간격이 필요하다. 불꽃놀이 제작자가 되려면 열정을 가지고 여러 channel을 통해서 자료 수집을 하는 것이 필요하다고 생각된다.