화약

/ gunpowder

1. 설명
2. 역사
3. 구분
3.1. 화약(gunpowder)
3.2. 1종폭발물(Primary Explosive)
3.3. 2종폭발물(Secondary Explosive)
3.4. 화공품
3.5. 역사상 존재했던 미지의 화약
3.6. 참고

1. 설명

, 전기, 충격 따위의 가벼운 자극에 의하여 순간적으로 연소 또는 분해 반응을 일으키고 높은 온도의 열과 압력을 가진 가스를 발생시켜 파괴, 추진 따위의 작용을 행하는 화합물이나 혼합물을 말한다.

일반적으로 연소에 필수적인 세 조건은 가연성 물질과 산화제(정확히는 산소), 발화점 이상의 온도로 알려져 있는데, 대부분의 폭발성 물질은 혼자서 이 세 조건 중 둘 이상을 만족시킬 수 있는 물질이다. 쉽게 말해 그 자체가 가연성이면서, 연소과정에서 산화제나 고열, 혹은 셋 모두를 스스로 내놓는 물질은 대부분 폭발성을 가지고 있으며, 화약으로 쓸 수 있다.

다수의 니트로기(─NO2)를 가진 유기물 류나 질산에스테르(*NO3) 류가 대표적인데, 이들 화합물에서 질소의 산화수가 크다보니[2] 강한 산화제로 작용하게 되어 산화-환원 반응이 폭발적으로 일어난다. 때문에 대부분의 재래식 화약 제조에는 질산이 필수요소급으로 들어간다. 이런 니트로기를 가진 폭발물은 연소과정에서 산화제를 스스로 공급할 수 있기 때문에 질식소화가 불가능하다. 반대로 말하면 물 속이나 진공에서도 잘 작동한다. 로켓의 산화제로 질산이 자주 쓰이는 것도 우연이 아닌 것이다.

결론만 말해서 그냥 폭발을 위해 사용되는 폭발 전용 화학 합성물. 군 생활 중에서 특정 병과 전투공병-폭파병의 경우에 공병학교에서 실제로 구경해 볼 수 있다.

용도에 따라서 산업용/군용으로 나누어지며, 현대의 화약은 안전문제 때문에 대체로 둔감(폭발반응이 어렵게 일어남)한 편. 폭속에 따라서 저속 폭약, 고속 폭약으로 나뉘기도 한다. 폭발 효과에 따라서 1차폭약(기폭약) 2차폭약(주폭약)으로 구분하기도 한다.

중국의 4대 발명품[3]의 하나로 꼽히며 그 위력덕에 초기에는 외국으로 기술이 유출되는 것을 엄히 금했었다. 최무선의 경우 이 기술을 얻으려고 무진 고생을 했다. 또한 기술이 있어도 재료인 유황이나 염초 같은 것을 얻기가 쉽지 않아서 어지간한 재력을 가진 사람이 아니면 사사로이 만들기도 쉽지 않았다.

여담이지만 화약이 발명된 때에는 도가 사상이 유행하고 있었고 이에 따라 불로장생을 위한 약을 만드는 연단술이 발달했기 때문에 영약을 만드는 과정에서 우연하게 발견했을 거라는 주장이 나오기도 했다.

그 자체가 가연성 물질로 이루어져 있으므로 불에 잘못 닿으면 위험하다. 그러나 1종 화약(뇌관)을 제외한 나머지 화약은 꽤나 둔감해서 불에 넣어도 아무 반응이 없거나 활활 타기만 한다. 군대에서 요구하는 화약의 성질 중에 안전성(=둔감성)도 있기 때문이다. 물론 잔뜩 쌓아놓고 불을 지르면 내부에 열이 축적돼서 폭발한다.

반물질이나 핵분열 물질들도 폭발을 일으키긴 하나 화약으로 취급하지 않는다.더욱 위험한 것으로 취급하지[4]

2. 역사

시작은 2~7세기 정도 시기의 중국에서 도교의 도사 들이 불로장생의 약을 만들기 위해서 각종 화학물질들을 이용해 연단술을 하던 중 만들어진것으로 추측되며, 중국의 기록상으로는 의사 손사막이 발명했다고 한다.[5] 손사막 이전에도 화약으로 추정되는 기록들이 있다고 하나 그냥 떡밥수준.

처음 군사적으로 쓰이기 시작한 것은 당나라 말기[6]로 보이며, 이후 오대십국시대에도 몇몇 화기들에 대한 기록이 남아있지만[7], 본격적인 군사적 사용은 북송대로 추측된다. 송사에 의하면 서기 1000년 당복(唐福)이라는 장수가 화전, 화질려, 초기 폭약의 일종인 화구 등의 무기를 발명했다는 기록이 있고, 1040년에는 수도 카이펑에 화약 공장이 세워졌다고 한다. 이후 1044년에 편찬된 무경총요에 초기 형태의 화기인 화창이나 화전, 맹화유궤, 화구 등이 등장하며, 12세기경에야 비로소 사천에서 발견된 조각상에서 최초의 대포가 등장한다. 이후 초기 전장식 화포머스킷등에 사용되면서 동서양 할것 없이 널리 사용되었다. 이후 19세기 말에 무연화약강선등이 개선된 소총, 화포가 등장하기 전까지 모든 추진장약에는 흑색화약이 사용되었다.

3. 구분

다음으로 화약들을 구분해 보겠는데 사실 폭속의 구분은 모호하다. 보통 우리나라에서 사용하는 구분을 사용하겠다.

3.1. 화약(gunpowder)

폭속이 상대적으로 낮은 수준의 화약으로, 총포의 장약이나, 발사체의 추진제로 사용되는 경우가 많다. 실제 산업 현장에서 사용되는 대부분의 물건이 이쪽에 속한다. 폭속이 낮다고 우습게 볼 것이 아닌 것이, 산을 허물어뜨리거나 건물을 주저앉히는 쪽에서는 고성능 폭약보다 더 우수한 성능을 보일 때가 많다.

참고로 총포의 장약에 고성능 폭약을 사용하면 가스의 팽창 속도가 지나치게 빨라 총이 폭발해서 사수를 잡는다! 그리고 발파 등을 할 때에도 고성능 폭약을 사용하면 파편을 고속으로 비산 시켜서 위험한 주제에 가스의 양은 많지 않아 그냥 바위를 쪼개 놓기만 하고 끝난다. 추진 장약과 탄두 작약이 따로 구분되는 이유 중 하나가 이것이다.

  • 흑색화약: 고전적인 전장식 총기 시절부터 사용해온 전통 화약이며, 현재는 공업용이나 불꽃놀이, 화약총 클립 재료 등 여러 가지 용도로 쓰인다. 사실 요즘에 와서 흑색화약은 발사약보다는 도화선 같은 화공품으로 더 많이 쓰인다. 하지만 최초의 화약인 흑색화약은 조건에 따라 폭약으로도 충분히 사용할 수가 있다. 현재는 다른 화약이 충분히 개발되어 특수한 목적으로도 많이 쓰인다.
  • 갈색화약: 흑색 화약과 성분은 동일하나, 일반 숯 대신 덜 탄화된 갈색 목탄을 사용한다. 때문에 일반 흑색화약보다 색이 옅어 코코아 화약이라고도 부른다. 일반 흑색화약보다 발화 속도는 느리지만 압력이 점차 강해진다.
  • 무연화약(Smokeless powder): 기존의 흑색화약이 연소 시 잔여물이 너무 많이 나와서, 이것을 개량하기 위해 만들어진 화약. 연기가 없는 화약이라는 뜻이지만, 사실 조금만 생각해봐도 질량 보존의 법칙 때문에 뭐가 타는데도 미세한 재를 포함한 연기가 안 날 리가 없기 때문에 실제로 완전히 연기가 없지는 않다. 그저 한 발에 자욱하게 안개가 끼는 흑색화약에 비해 매우 적은 것뿐. 구성분 대부분이 가스화해서 연소하기 때문에 잔여물이 거의 없다. 이것 덕분에 현대적인 자동화기가 등장할 수 있는 발판이 생겼다. 흑색 화약이 흑색이듯이, 무연화약이라고 하면 어감상 무색이나 흰색일 것 같은 느낌이 들게 만들지만 무연화약의 색상은 흰색으로 정리되지는 않는다. 흰색도 있지만 요즘 무연화약은 대개 정전기에 의한 실화를 방지하기 위해 흑연 코팅을 해놓기 때문에, 보통 검은색이 도는 편.

구성은 니트로셀룰로오스, 니트로글리세린, 니트로구아니딘 세 가지가 대세를 차지하고 있다.니트로셀룰로오스만을 주재료로 사용한 것을 싱글 베이스 파우더라고 부르며, 폭속은 대략 7,300 m/s 가량, 소화기의 탄약에 사용한다. 다만 니트로셀룰로오스는 그 자체로 굉장히 불안정한 편이라서, 저것으로만 만들면 가만히 내버려두어도 불이 날 수 있을 정도로 위험하다. 때문에 디니트로톨루엔 같은 완연제(연소 속도를 낮춤), 디페닐라민 같은 안정제(자기 분해를 막거나 늦춤), 질산칼륨 같은 소염제 등등 온갖 것을 다 섞어준다. 조성은 제조사마다 다르지만, 미군에서 쓰는 싱글 베이스 화약의 예를 들면 니트로셀룰로오스 84.2%에 완연제로 디니트로톨루엔 9.9%과 프탈산 디부틸 4.9%, 안정제로 디페닐라민 1.0% 조성을 쓴다. 니트로셀룰로오스에 니트로글리세린을 섞은 것을 더블 베이스 파우더라고 하며 싱글 베이스보다 폭속이 빠르고(대략 7,700 m/s), 박격포 추진제 등 좀 큰 놈에 쓴다. 실제 조성은 니트로셀룰로오스 77.45%에 니트로글리세린 19.50%, 안정을 위한 기타 조성물 3.05% 정도. 니트로셀룰로오스 20% 정도에 니트로글리세린 19%과 니트로구아니딘 54.7%가량, 기타 안정을 위한 조성물 6.3%쯤을 혼합한 것을 세 가지 재료를 주축으로 한다 하여 트리플 베이스 화약이라고 부른다. 싱글이나 더블 베이스보다 연기는 좀 더 나지만, 연소 속도가 더 빠르고(대략 8,200 m/s) 안정성이 더 높으며 포구 화염이 적게 나고 가스 발생량이 크다. 주로 전차포, 함포 등 대구경 화포에 사용하는 화약이다. 그 외, 20세기 후반부터는 니트로구아니딘과 RDX를 섞은 신형 추진제도 개발됐다.

3.2. 1종폭발물(Primary Explosive)

1종폭발물 즉 1차 폭약들은 보통 화약이나 폭약따위 들을 기폭시키기위한 기폭제로 사용한다. TNT나 C4같은 폭약들은 충격과 마찰에 둔감하여 폭발시키기 어려우므로 기폭약을 사용하여 기폭한다. 화약의 경우는 열만으로도 기폭시키기 쉬우나 용이한 기폭을 위해 기폭약이 들어있는 뇌관을 사용하기도 한다. 보통 1차 폭약은 열, 충격, 정전기 등에 민감하기 때문에 취급에 각별히 유의해야 한다. 참고로 기폭제를 뭘 쓰냐에 따라 2차 폭약의 폭발 특성이 바뀐다.

폭발물이 왜 1종과 2종으로 나뉘게 되는지는 아래 2종폭발물 항목을 참고하면 된다.

3.3. 2종폭발물(Secondary Explosive)

고성능 폭약(High Explosive)이라고 불리는 폭약으로, 매질 내에서 발생한 충격파의 일종인 폭굉에 의해 연소가 일어나는 폭약을 총칭한다.

흑색화약과의 가장 큰 차이점은 연소가 전달되는 메커니즘. 일반적인 흑색화약의 경우 흑색화약 무더기의 한 부분에 불이 붙으면 그 화염의 열이 순차적으로 옆으로 전파되면서 종래에는 화약 전체를 연소시키게 된다. 즉 연소-열전달-연소-열전달 의 연쇄과정이 발생한다.

하지만 2차폭약류는 폭약의 한 부분에 일정 수준 이상의 충격을 가하게 되면 충격을 받은 폭약의 부분이 급격히 연소를 시작하고 연소된 폭약이 다시 충격을 생성하고 그 충격이 다시 옆의 폭약을 연소시키고... 충격-연소-충격-연소-충격의 연쇄과정에 의해 급격한 연소, 즉 폭발이 일어난다. 흑색화약은 화약 본체 내의 열전달에 의해 연소가 전파되는 반면 2차폭약류는 폭약이라는 고체 내의 압력파, 즉 음파의 전달속도에 준한 충격파의 전달속도에 따라 연소속도가 결정되어서 흑색화약에 비해 비교도 안될 정도로 빠른 속도, 즉 초당 수천미터급의 폭속으로 연소가 진행된다.

한마디로 폭굉을 형성할 수 있는가 아닌가에 따라 흑색화약과 1,2종 폭발물의 차이가 결정된다. 다만 2종폭발물의 경우 초기에 폭굉을 형성할 수 있는 충격 없이 그냥 태우기만 할 경우 흑색화약과 마찬가지로 점차적으로 타들어가는 양상을 보이는 경우가 많다[8]. 이는 2종폭발물 자체가 안전을 위해 강력한 충격이 가해지지 않는 한 폭굉연쇄를 스스로 일으키지 않을 정도의 안정성을 가질 수 있도록 개발되었기 때문이다.

그리고 폭발물을 1종폭발물과 2종폭발물로 나뉘는 이유가 여기에 있는데 1종폭발물과 2종폭발물 모두 폭굉을 형성할 수 있으나 1종폭발물은 라이타불, 전기충격, 마찰 등 극히 약한 자극에도 스스로 폭굉을 형성하면서 폭발할 정도로 민감한 반면 2종폭발물은 어지간하면 스스로 폭굉을 형성하지 않는다. 따라서 폭굉 형성이 용이한 1종폭발물은 매우 소량으로 사용하여 2종폭발물에 폭굉을 형성할만한 충분한 충격을 가하기 위한 용도, 즉 뇌관으로 주로 쓴다.

폭발시 발생하는 가스의 팽창속도와 가스의 양, 가스의 온도에 따라 다양한 화약이 만들어져 있다. 예를 들어 도폭선등 절단을 목적으로 하는 폭약은 폭속이 빠른 대신 가스의 양이 많지 않으며 발파 등에 사용하는 ANFO폭약은 폭속이 느린 대신 발생하는 가스의 양이 많아 더 많은 흙더미를 밀어내 흩어놓는다. 모든 경우에 다 들어맞는 만능화약은 없으며 사용하려는 목적에 알맞은 화약을 선택해서 사용한다.

3.4. 화공품

화약과 폭약을 제외한 화약류 물질을 말한다. 당연히 화약이나 폭약과 같이 총포 도검 화약류 등 단속법의 규제를 받는다.

3.5. 역사상 존재했던 미지의 화약

3.6. 참고


  1. [참고] 1.1 전기 음성도는 플루오린이 4로 가장 크고, 산소가 3.5 정도로 2번째, 염소가 3.1로 3번째, 그리고 질소가 3으로 4번째로 크다.
  2. [2] 최소 -3에서 최대 +5. 질소는 모든 원소 중 전기 음성도가 4번째로 크므로[참고] 웬만해선 음의 산화수를 갖게 되는데, 예외적으로 자신보다도 전기 음성도가 더 큰, 전체에서 2번째로 큰 산소와 결합하고 있다보니 이렇게 된다. 이런 상태에서는 자신의 산화수를 감소시키는, 즉 다른 물질을 산화시키는 방향으로 반응이 일어나기 매우 쉬워진다.
  3. [3] 종이, 화약, 나침반, 인쇄술
  4. [4] 화약은 화학적 반응을 통해 폭발하지만 핵분열, 핵융합은 핵물리학으로 취급하는 만큼 화학적 반응이라기 보단 물리적 반응으로 취급한다. 반물질도 같은 이유라고 생각됨.
  5. [5] 수양제 시절 폭죽을 사용했다는 기록이 있는 것을 보면 이 즈음에 화약이 만들어졌을 가능성이 높다.
  6. [6] 송대 편찬된 구국지의 기록에 의하면 904년 당이 예장을 공격할 때 비화를 썼다는 기록이 있다.
  7. [7] 940년 편찬된 호령경에 화전에 대한 상세한 묘사가 있으며, 돈황에서 발굴된 950년경의 그림에서는 초기의 화기 중 하나인 화창이 나온다.
  8. [8] 다만 양이 많으면 흑색화약과 마찬가지로 대폭발을 일으킬 수 있다.
  9. [9] 실제로 이 그룹의 모태가 화약 제조 회사였다. 이름부터가

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