흑색화약

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1. 개요

흑색화약은 화약의 일종으로, 질산칼륨, 숯, 황을 혼합하여 만든다. 중세 시대에 군사 기술로 사용되기 시작했으며, 19세기에는 무연화약의 등장으로 인해 점차 쇠퇴하여 오늘날에는 불꽃놀이 등에 사용된다. 흑색화약 제조 기술은 14세기부터 발전해 왔으며, 19세기에는 압축 기술과 숯 제조 방식 개선 등을 통해 품질이 향상되었다. 흑색화약은 문신, 내연 기관 실험, 불꽃놀이, 산업 도구 등 다양한 용도로 사용되었으며, 한국의 화약사에서도 중요한 역할을 했다.

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초석은 질산칼륨의 천연 광물로, 건조 지역에서 주로 산출되며 흑색화약, 염료, 비료, 식육 보존제 등으로 사용되는 무색 또는 백색의 광물이다.

흑색화약
일반 정보
흑색 화약
다른 이름	흑화약 흑색 화약
성분	질산칼륨 (KNO3) 숯 (C) 황 (S)
혼합 비율 (중량 백분율)	질산칼륨: 75% 숯: 15% 황: 10%
화학식	혼합물, 화학식 없음
CAS 등록 번호	해당사항 없음 (혼합물)
성질
분자량	해당사항 없음 (혼합물)
밀도	0.90 g/cm³
녹는점	해당사항 없음 (분해)
끓는점	해당사항 없음 (분해)
폭발 온도	약 300 °C
폭발 속도	300-500 m/s
위험성	가연성, 폭발성
역사 및 용도
발명	중국 (9세기)
주요 용도	총기 추진제 폭죽 광산 발파

2. 역사

흑색화약의 발명과 초기 발전은 화약의 역사에서 찾을 수 있다.

중세 시대는 화약이 유럽과 아시아에서 군사 기술로 활용되기 시작한 중요한 시기이다.

흑색화약은 19세기에 들어서 니트로글리세린과 나이트로셀룰로스를 주성분으로 하는 새로운 화약들이 발명되면서 쇠퇴하기 시작하였다. 새로운 화약들은 연기가 나지 않아 무연화약이라 불렸고, 성능 또한 흑색화약보다 월등하여 군용과 산업용 양쪽에서 흑색화약을 대체하였다. 오늘날 흑색화약은 총기의 탄약으로는 더 이상 사용되지 않지만, 불꽃놀이와 같은 곳에서는 여전히 사용되고 있다.

2. 1. 흑색 화약의 발명과 초기 발전

흑색화약의 발명과 초기 발전은 화약의 역사에서 찾을 수 있다.

2. 2. 중세 시대의 화약

중세 시대는 화약이 유럽과 아시아에서 군사 기술로 활용되기 시작한 중요한 시기이다.

2. 3. 19세기 이후의 화약

흑색화약은 19세기에 들어서 니트로글리세린과 나이트로셀룰로스를 주성분으로 하는 새로운 화약들이 발명되면서 쇠퇴하기 시작하였다. 새로운 화약들은 연기가 나지 않아 무연화약이라 불렸고, 성능 또한 흑색화약보다 월등하여 군용과 산업용 양쪽에서 흑색화약을 대체하였다. 오늘날 흑색화약은 총기의 탄약으로는 더 이상 사용되지 않지만, 불꽃놀이와 같은 곳에서는 여전히 사용되고 있다.

3. 제조 기술

가장 강력한 흑색 화약에는 목탄이 사용된다. 이 목탄을 만드는 데 가장 좋은 목재는 태평양 버드나무이다. 그러나 Alder나 '''B'''uckthorn과 같은 다른 것들도 사용될 수 있다. 15세기와 19세기 사이에 영국에서는 Alder Buckthorn의 숯은 화약 재조에 많이 쓰였다. 또한 미루나무는 미국 남부 동맹국에 의해 사용되었다.

14 세기 후반, 유럽의 화약 제조업체들은 혼합을 개선하고 먼지를 줄이기 위해 분쇄하는 동안 액체를 첨가하기 시작했다. 분말 제조사는 밀 케이크로 알려진 약화된 화약의 반죽을 옥수수 또는 곡물로 성형하여 건조시킨다. 이 화약은 표면적이 작아서 더 잘 유지되었을뿐만 아니라 포수가 총으로 더 강력하고 쉽게 들어간 것으로 나타났다. 얼마후 파우더 제조사들은 손으로 분말을 코닝하지 않고 분쇄기를 통과시켜 공정을 표준화했다.

이후 기술 개선은 고밀도 조성물의 표면적을 감소시키는 것에 기초하게 된다. 19세기 초, 제조사들은 정적 압박에 의한 밀도를 더욱 높였다. 그들은 습기가 많은 밀 케이크를 2 피트 크기의 상자에 넣고 이것을 스크류 프레스 밑에 놓고 1/2로 줄였다. 압축된 케이크는 슬레이트의 경도를 가졌다. 그들은 망치 나 롤러로 말린 슬래브를 부러 뜨렸으며, 체와 함께 과립을 다른 등급으로 분류했다. 미국에서는 Eleuthere Irenee du Pont이 말린 곡물을 회전하는 배럴에서 굴려서 운송 및 취급 중에 가장자리를 둥글게하고 내구성을 높였다. (날카로운 곡물이 운송과정에서 깎여나가 연소 특성을 변화시키는 미세한 "분진"을 생성한다.)

또 다른 발전은 가열된 철 증류기에서 나무를 토양 구덩이에 태우는 대신에 증류하여 숯을 제조하는 것이었다. 온도 조절은 완성된 화약의 힘과 일관성에 영향을주었다. 1863년에 인도 질산염의 높은 가격때문에 DuPont의 화학자들은 칠레의 탄산나트륨을 질산 칼륨으로 전환하기 위해 칼륨 또는 탄산 칼륨을 사용하는 공정을 개발했다.

다음 해 (1864년) 영국 칸 브리아 (Cumbria)에 소재한 Gatebeck Low Gunpowder Works는 본질적으로 동일한 화학 공정으로 질산 칼륨을 생산하는 공장을 설립했다. 이것은 현재 회사 소유주의 '웨이크 필드 프로세스 (Wakefield Process)'라고 불린다.

18 세기에 화약 공장은 점점 기계적 에너지에 의존하게 되었다. 기계화에도 불구하고, 특히 습도 조절과 관련된 생산상의 어려움은 19세기 후반에도 여전히 존재했다. 화약은 사람의 매우 긴장되고 민감한 정신으로 1885년에 제작 된 종이로, 기후 변화에 따라 거의 모든 제조 과정에서 사람의 기술에 따라 변화한다. 원하는 밀도로 누르는 시간은 대기 습도에 따라 3 배 정도 변할 수 있다.

3. 1. 코닝 (Corning)

가연성 성분이 신속하고 효율적으로 산화 및 점화되기 위해서는 최대한 작은 입자 크기로 축소되어야 하며, 가능한 한 철저히 혼합되어야 한다. 그러나 일단 혼합된 후에는 불이 빠르게 퍼지는 톱밥과 같은 형태를 하고 있어야 더 나은 결과를 얻을 수 있다.

3. 2. 재료 및 배합

흑색화약 제조에는 질산칼륨, 숯, 황이 사용된다. 가장 강력한 흑색 화약을 만들기 위해서는 목탄이 사용되며, 태평양 버드나무로 만든 목탄이 가장 좋다. Alder Buckthorn으로 만든 숯은 15세기에서 19세기 사이 영국에서 화약 제조에 많이 사용되었다. 미국 남부 동맹국에서는 미루나무를 사용하기도 했다.

14세기 후반, 유럽의 화약 제조업자들은 혼합을 개선하고 먼지를 줄이기 위해 분쇄 과정에서 액체를 첨가했다. 이후 밀 케이크 형태로 만들어 건조시키는 방식이 사용되었는데, 이는 보관성이 좋을 뿐만 아니라 총에 장전하기에도 더 편리했다. 얼마 후에는 분쇄기를 사용하여 균일한 품질의 화약을 생산하는 공정이 표준화되었다.

이후의 기술 발전은 고밀도 조성물의 표면적을 줄이는 방향으로 이루어졌다. 19세기 초에는 정적 압착 방식으로 밀도를 더욱 높였다. 습기가 많은 밀 케이크를 상자에 넣고 스크류 프레스로 압축하여 슬레이트와 같은 경도를 가지도록 만들었다. 이렇게 압축된 케이크는 망치나 롤러로 부수고 체를 사용하여 크기별로 분류했다. 미국에서는 Eleuthere Irenee du Pont가 운송 및 취급 과정에서 내구성을 높이기 위해 건조된 곡물을 회전하는 배럴에서 굴리는 방식을 도입했다.

숯 제조 방식도 개선되었는데, 가열된 철 증류기에서 나무를 증류하는 방식으로 숯을 제조하여 온도 조절을 통해 화약의 품질과 일관성을 향상시켰다. 1863년에는 듀폰의 화학자들이 칠레 초석(탄산나트륨)을 질산칼륨으로 전환하는 공정을 개발했다. 1864년 영국 칸브리아의 Gatebeck Low Gunpowder Works에서는 이와 유사한 화학 공정을 통해 질산칼륨을 생산하는 공장을 설립했는데, 이는 '웨이크필드 프로세스(Wakefield Process)'라고 불린다.

18세기에는 화약 공장이 기계적 에너지에 점점 더 의존하게 되었지만, 19세기 후반까지도 습도 조절 등 생산상의 어려움은 여전히 존재했다. 1885년에 제작된 한 논문에 따르면, 화약 제조는 기후 변화에 민감하여 거의 모든 과정에서 사람의 기술에 의존해야 했으며, 원하는 밀도로 압착하는 시간은 대기 습도에 따라 3배까지 차이가 날 수 있었다.

3. 3. 제조 과정의 발전

14세기 후반, 유럽의 화약 제조자들은 혼합을 개선하고 먼지를 줄이기 위해 분쇄 과정에서 액체를 첨가하기 시작했다. 분말 제조사는 밀 케이크(mill cake)로 알려진 약화된 화약 반죽을 옥수수 또는 곡물로 성형하여 건조시켰다. 이 공정을 통해 만들어진 화약은 표면적이 작아 더 잘 보존되었을 뿐만 아니라, 총에 더 강력하고 쉽게 장전되었다. 얼마 후, 제조사들은 분쇄기를 통해 화약을 코닝(corning)하여 공정을 표준화했다.

19세기 초에는 정적 압축을 통해 밀도를 더욱 높였다. 습기가 많은 밀 케이크를 상자에 넣고 스크류 프레스 밑에 놓아 부피를 줄이는 방식이었다. 압축된 케이크는 슬레이트와 같은 경도를 가졌으며, 망치나 롤러로 말린 슬래브를 부숴 체로 과립을 분류했다. 미국에서는 엘뢰테르 이레네 뒤퐁이 건조된 곡물을 회전하는 배럴에서 굴려 가장자리를 둥글게 하고 내구성을 높였다.

가열된 철 증류기에서 나무를 증류하여 숯을 제조하는 방식이 도입되면서, 온도 조절이 화약의 힘과 일관성에 영향을 미치게 되었다. 1863년, 듀폰(DuPont) 사의 화학자들은 칠레 초석(탄산나트륨)을 질산칼륨으로 전환하기 위해 칼륨 또는 탄산칼륨을 사용하는 공정을 개발했다. 1864년, 영국 컴브리아(Cumbria)의 게이트벡 저(Gatebeck Low) 화약 공장에서는 '웨이크필드 프로세스(Wakefield Process)'라 불리는, 질산칼륨 생산 공정을 설립했다.

18세기 화약 공장은 기계적 에너지에 의존하게 되었지만, 19세기 후반까지도 습도 조절 등 생산상의 어려움이 존재했다. 1885년에 제작된 종이에 따르면, 화약 제조는 기후 변화에 민감하여 거의 모든 과정에서 사람의 기술에 의존해야 했으며, 압축 시간은 대기 습도에 따라 크게 변할 수 있었다.

4. 화학 반응

화학반응식으로 흑색 화약 폭발은 다음과 같이 간단히 표현할 수 있다.^[5]

:2 KNO₃ + S + 3 C → K₂S + N₂ + 3 CO₂.

보다 정확한 화학반응식은 다음과 같다.(그러나 이 반응식도 여전히 간단히 표현한 것이다.)^[5]

:10 KNO₃ + 3 S + 8 C → 2 K₂CO₃ + 3 K₂SO₄ + 6 CO₂ + 5 N₂.

4. 1. 단순화된 화학 반응식

화학반응식으로 흑색 화약 폭발은 다음과 같이 간단히 표현할 수 있다.^[5]

:2 KNO₃ + S + 3 C → K₂S + N₂ + 3 CO₂.

보다 정확한 화학반응식은 다음과 같다.(그러나 이 반응식도 여전히 간단히 표현한 것이다.)^[5]

:10 KNO₃ + 3 S + 8 C → 2 K₂CO₃ + 3 K₂SO₄ + 6 CO₂ + 5 N₂.

4. 2. 상세 화학 반응식

화약 폭발은 다음과 같은 화학 반응식으로 간단히 표현할 수 있다.^[5]

:10 KNO₃ + 3 S + 8 C → 2 K₂CO₃ + 3 K₂SO₄ + 6 CO₂ + 5 N₂.

그러나 이 반응식도 여전히 간단히 표현한 것이다.^[5]

5. 기타 용도

영국 선원들은 잉크를 사용할 수 없을 때 피부를 찌르고 상처에 화약을 문지르는 방식으로 문신을 새기기도 했다. 1673년 크리스티안 하위헌스는 흑색화약을 사용한 내연 기관 실험을 진행하였으나 실패하였다. 이와 유사한 현대의 실험 또한 실패로 끝났다. 불꽃놀이는 대부분 흑색화약을 추진체로 사용하지만, 작은 포탄에서 성능을 향상시키거나 더 큰 소리를 내기 위해 강력한 화약을 넣기도 한다. 하지만 대부분의 현대 폭죽에는 더 이상 흑색 화약이 들어 있지 않다. 1930년대부터 흑색 화약이나 무연 분말이 리벳 건, 동물 기절용 총, 케이블 절단기 및 기타 산업 건축 도구에 사용되었다. "스터드 건"은 못이나 나사를 단단한 콘크리트로 박아 넣을 수 있었는데, 이는 유압 공구로는 불가능했기 때문이다. 1853년 런던 근처에서 Shrapnel 선장은 금광석을 대포로 발사하는 방법을 고안했다. 그는 그것이 캘리포니아와 오스트레일리아의 금광 지대에서 유용 할 것이라고 기대했다. 하지만 더 안정적인 분쇄를 달성한 분쇄기가 이미 사용되고 있었기 때문에 발명품이 나오지는 않았다.

5. 1. 문신

영국 선원들은 잉크를 사용할 수 없을 때 피부를 찌르고 상처에 화약을 문지르는 방식으로 문신을 새기기도 했다.

5. 2. 내연 기관 실험

1673년 크리스티안 하위헌스는 흑색화약을 사용한 내연 기관 실험을 진행하였으나 실패하였다. 이와 유사한 현대의 실험 또한 실패로 끝났다.

5. 3. 불꽃놀이

불꽃놀이는 대부분 흑색화약을 추진체로 사용하지만, 작은 포탄에서 성능을 향상시키거나 더 큰 소리를 내기 위해 강력한 화약을 넣기도 한다. 하지만 대부분의 현대 폭죽에는 더 이상 흑색 화약이 들어 있지 않다.

5. 4. 산업 도구

1930년대부터 흑색 화약이나 무연 분말이 리벳 건, 동물 기절용 총, 케이블 절단기 및 기타 산업 건축 도구에 사용되었다. "스터드 건"은 못이나 나사를 단단한 콘크리트로 박아 넣을 수 있었는데, 이는 유압 공구로는 불가능했기 때문이다.

5. 5. 광업

1853년 런던 근처에서 Shrapnel 선장은 금광석을 대포로 발사하는 방법을 고안했다. 그는 그것이 캘리포니아와 오스트레일리아의 금광 지대에서 유용 할 것이라고 기대했다. 하지만 더 안정적인 분쇄를 달성한 분쇄기가 이미 사용되고 있었기 때문에 발명품이 나오지는 않았다.

6. 한국의 화약사

6. 1. 최무선과 화약 개발

6. 2. 조선시대 화약 무기 발전

6. 3. 일제강점기와 현대의 화약

참조

_[1] 서적 물질문명과 자본주의Ⅰ-2 일상생활의 구조 下 까치
_[2] 웹사이트 흑색화약의 역사 http://www.chuckhawk[...]
_[3] 서적 Gunpowder, Explosives and the State: A Technological History Ashgate
_[4] 서적 Cornish Explosives The Trevithick Society
_[5] 웹사이트 Flash! Bang! Whiz! http://mysite.du.edu[...]

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