불꽃놀이는 화약의 연소반응과 금속의 불꽃반응이 만들어내는 과학예술이다. 탄 속의 성(星) 배치 등에 따라 불꽃 모양이 달라진다.

화약과 금속이 만드는 과학예술

불꽃의 색깔들은 어떻게 만들어질까. 한국기초과학지원연구원 부산센터의 원미숙 박사는 "불꽃놀이는 화약의 연소반응과 금속의 불꽃반응이 만들어내는 과학예술"이라며 "불꽃탄 안에 어떤 금속이 들어있느냐에 따라 그 색깔이 달라진다"고 설명했다. 불꽃놀이는 금속 물질이 무색의 불꽃에 닿으면 그 물질 고유의 빛깔을 나타내는 점을 이용한 것. 예를 들면 나트륨은 노란색, 리튬은 빨간색 등을 띤다. 불꽃반응은 화학분석 방법의 하나로 이를 이용해 정체불명의 금속물질이 무엇인지 알 수 있다.

원 박사는 "화약이 폭발했을 때 에너지를 받은 금속원자의 제일 바깥쪽을 도는 전자가 흥분하게 되고 다시 안정상태인 제자리로 돌아오기 위해 빛 형태로 에너지를 내놓는데 그 에너지 양에 따라 색깔이 달라진다"고 설명했다.

부경대 최재욱(안전공학부) 교수는 "특허와 안전성 등의 이유 때문에 한국과 일본 등 동양에서는 동그란 형태의 불꽃탄(연화옥)을 사용하고 유렵에서는 원통형을 사용한다"며 "첨가된 금속 분말 종류에 따라 색깔이 달라지고 도화선 길이를 다르게 해 불꽃 높이와 모양 등을 조절한다"고 덧붙였다.

꽃보다 아름다운 불꽃

그럼 불꽃 모양은 어떻게 만들까. 대표적인 불꽃인 '국화 연화'를 예로 살펴보자. 국화 연화는 수백개의 불꽃(星)이 한 점을 중심으로 360도 방면으로 퍼져나가 마치 국화가 활짝 핀 것과 같은 모양을 연출하는 것.

국화 연화옥을 절반으로 쪼개 살펴보면 금속 등 각종 물질로 빚어진 동그란 모양의 '성(星)'이 2개(2중심)의 크고 작은 원 형태로 배치되어 있으며, 이 사이에 성을 점화시켜 날리는 할약이 채워져 있는 모습을 볼 수 있다. 또 연화옥 겉(옥피)은 여러 장의 종이로 이루어져 있다.

전기점화 등에 의해 발사포에서 쏜 불꽃탄은 공중에서 할약에 이어진 도화선이 다 타는 순간 폭발하고 이때 성이 사방이 날아가면서 정해진 시간에 따라 독특한 모양의 불꽃을 만들게 된다. 성의 성분과 배치, 반응시간차 등에 따라 '코스모스'와 '은하수' 등 다양한 모양과 색의 불꽃을 만들 수 있는 것이다.

올해 제3회 불꽃축제에서는 사상 최대 크기인 직경 500m짜리 '대형 불꽃'이 등장하는 등 8만발의 불꽃이 발사될 예정이다. 한편 불꽃축제에서 쏘아 올릴 수 있는 불꽃의 최대 크기는 안전거리(발사장소에서 관람객이나 인근 빌딩까지의 거리)를 고려해 결정된다.

반응속도가 음속 이상 등

최 교수는 "불꽃놀이에 사용되는 화학은 흑색화약으로 질산칼륨(75%)과 유황(15%), 목탄(10% 내외) 등이 주성분"이라며 "질산칼륨의 양에 따라 폭발 위력이 달라진다"고 설명했다. 질산칼륨 등이 산화반응을 일으켜 일산화탄소, 이산화탄소, 질소, 황산칼륨 등으로 분해되면서 엄청난 열을 낸다. 화학적으로 연소반응 속도가 음속 이상(340~1000㎧)일 때 폭발이라고 하며, 음속의 약 3배(1000㎧)이상이면 '폭경'이라 부른다. 이때 음파에 의해 주위 건물의 유리창이 파손되거나 벽에 균열이 생기고 고막이 손상되는 피해가 발생하게 된다.

한편 인도 등에서는 불꽃놀이로 인해 대기 중 알루미늄, 나트륨 등의 금속농도가 급증, 심각한 환경오염을 일으킨다는 연구가 나오기도 했다. 부산대 오광중(환경공학과) 교수는 이 같은 우려에 대해 "1년에 하루 정도 불꽃놀이를 하기 때문에 인체 축적 등의 위험은 크기 않을 것으로 생각하지만 매년 열릴 예정이기 때문에 이에 대한 점검도 고려할 필요가 있다"고 밝혔다.

임원철기자 wclim@busanilbo.com