[첨단기술 따라잡기]결정화 기술…고순도 물질합성등 활용

화학 합성으로 얻은 화약 입자(왼쪽)와 결정화 기술로 얻은 입자(오른쪽).

김장을 하면서 아이와 함께 해볼 수 있는 재미있는 과학실험이 있다. 물을 가열하면서 소금을 녹이면 보통 때보다 더 많은 양의 소금이 녹아있는 과포화상태가 된다. 이 소금물을 밖에 가지고 나와 손가락으로 저어주면 주사위 모양의 소금 결정이 만들어지는 것을 볼 수 있다.

바로 최근 화학산업의 핵심기술이 되고 있는 결정화 기술을 눈으로 볼 수 있는 실험이다.

이러한 결정화 기술을 이용하면 화학물질의 형태를 원하는 대로 만들 수 있으며 불순물이 없는 고순도의 물질도 합성해낼 수 있다.

예를 들어 일반 합성 공정으로 만들어진 화약 입자는 바늘모양이어서 흔들림과 같은 외부의 자극에 바늘 끝이 쉽게 부러진다. 그 결과 활성이 비정상적으로 높아져 의도하지 않은 폭발을 일으키기도 한다.

또 폭탄이나 탄환 속에 화약입자를 채워 넣을 때도 바늘모양이면 빈 공간이 많아진다.

이 문제는 화약입자를 결정 공정으로 만들어내면 해결된다. 우선 화약입자가 녹아있는 용액의 과포화도를 아주 높여준다. 이렇게 하면 결정 성장 속도가 빨라져 공 모양의 결정이 만들어진다. 구형 화약입자는 충격에 대한 안정성이 바늘모양 입자에 비해 3배나 증가하며 탄환 등에 채워 넣을 때의 밀도도 1.5∼2배 가량 증가한다.

반면 고순도의 물질을 얻을 때는 결정성장 속도를 낮춰 불순물이 결정에 달라붙는 것을 최대한 억제한다. 최근 한국화학연구소 김광주 박사팀은 고체 원료 물질을 액체 상태로 만든 다음 여기서 다시 결정을 얻는 방법으로 반도체 웨이퍼 제작에 이용되는 고순도 인산을 합성해내는데 성공했다.

이번에 개발된 인산의 순도는 기존 제품에 비해 1000배나 높아졌다. 그래서 정밀화학 제품 가운데 약 80%가 이런 결정성 물질인 것으로 알려져 있다.

이밖에도 결정화 기술은 최근 각광 받고 있는 나노 입자 제조나 대기와 수중의 유해 물질을 처리하는 환경산업에도 널리 활용되고 있다.

<이영완 동아사이언스기자>puset@donga.com