[사이언스칼럼] 진공의 힘

  • 오피니언
  • 사이언스칼럼

[사이언스칼럼] 진공의 힘

손원혁 한국원자력연구원 첨단양자소재연구실 선임연구원

  • 승인 2024-10-17 17:29
  • 신문게재 2024-10-18 18면
  • 임효인 기자임효인 기자
clip20241017101930
손원혁 한국원자력연구원 첨단양자소재연구실 선임연구원
물질이 어떻게 이루어졌는가에 대한 논의는 매우 흥미로워 아주 오래전부터 인류에게 있어 중요한 주제가 되어왔다. 기원전 5세기경 그리스에서는 물질이 물, 불, 흙, 공기의 4원소로 이루어져 있다는 4원소설이 제기됐다. 당시 지금의 원자설과 유사하게 물질은 눈에 보이지 않는 아주 작은 입자들로 구성된다는 고대 원자설도 있었지만, 4원소설에 밀렸다고 하니 흥미로운 이야기다.

이 고대의 원자설은 돌턴(John Dalton)이 약 1800년대 원자설을 다시 제기할 때까지 거의 2000년 가까이 정론과는 거리가 먼 주장으로 받아들여졌다. 현대에 와서는 양성자와 중성자, 전자와 같이 매우 작은 소립자의 세계를 탐구하게 되면서 원자라는 것에 원자핵이 존재하고, 그 주변에 전자가 구름처럼 확률론적으로 퍼져있는 구조를 가짐을 밝혀냈다.



흥미로운 점은 원자핵과 전자가 퍼져있는 곳 사이에서는 비어있는 공간이 존재한다는 것이다. 이렇게 비어있는 공간은 그 어떤 물질도 존재하지 않아 어떤 의미에서는 진정한 진공이라고 부를 수도 있을 것이다(물론 엄밀하게는 아니지만). 재미있게도 진공 역시 고대 그리스에서 논의됐으며, 아리스토텔레스와 같은 학자는 자연적으로 진공을 만들어낼 수 없다고 믿었다고 한다. 이러한 주장 이후로도 수많은 사람들이 진공의 존재를 탐구했지만, 진공을 실제로 만들어 내는 것은 아주 오랜 시간이 걸렸다.

진공을 만드는 것과 관련된 문제의 시작에는 다양한 설이 있지만 간단히 소개하면, 1600년대에는 물 펌프로 우물이나 광산에 고인 물을 끌어올렸는데, 이상하게도 10m를 넘어서는 깊은 곳에서는 물을 끌어올릴 수 없었다고 한다. 이 문제는 결국 당대 유명한 과학자였던 갈릴레오에게도 전달되었으며, 1644년 갈릴레오의 제자였던 토리첼리(Evangelista Torricelli)가 이 문제를 해결하는 과정에서 진공을 확인한 실험이 이루어지게 된다.



토리첼리의 실험은 간단하다. 약 1m의 유리관을 수은으로 가득 채운 뒤, 손가락으로 열린 끝을 막는다. 이후 유리관을 뒤집어 수은이 담겨있는 그릇에 열린 끝을 집어넣은 뒤 손가락을 떼기만 하면 된다. 이렇게 하면 관 속에 차 있는 수은의 무게에 의해 수은이 내려오는데, 이때 수은은 약 760mm에서 더 이상 내려오지 않았다. 이 실험을 통해 그는 유리관 안쪽에 수은이 내려가면서 만들어진 공간이 진공 상태가 된다고 추측했고, 수은의 높이 760mm는 대기압과 평형을 이루는 압력이 만들어지는 높이라고 주장했다.

특히, 수은과 물의 밀도 차이가 약 14배가 나는데, 수은의 높이가 0.76m인 것을 고려하면 물을 10m 이상 끌어올릴 수 없는 것도 정확하게 설명할 수 있는 것이다. 이 실험은 최초로 진공을 증명한 사례였다. 현대의 우리는 이 실험을 기리며 압력을 나타내는 단위로 토리첼리의 이름에서 딴 토르(Torr)를 사용하고, 1기압에 해당하는 압력을 수은의 높이에 해당하는 760토르로 정의하게 된다.

이후 1650년대 오토 폰 게리케(Otto von Guericke)는 진공이 가진 어마어마한 힘을 세상 사람들에게 보여주었다. 반구 형태로 만든 놋쇠 그릇 두 개를 붙인 뒤 본인이 발명한 진공펌프를 이용해 내부를 진공으로 만들었다. 반구 형태의 놋쇠 그릇 두 개는 내부에 공기가 차 있으면 아무런 힘도 들이지 않고 양쪽을 당겨 쉽게 분리할 수 있다. 하지만 내부가 진공인 놋쇠 그릇을 서로 떼어내려고 하니 양쪽에 말 여덟 필씩을 묶어 당겨야 겨우 분리가 될 정도로 매우 강한 힘이 필요했다고 하니, 이를 본 당시 사람들이 얼마나 놀라웠을지 상상이 되는가?

이후로 진공을 만드는 기술은 계속 발전해 현대에는 날개를 이용해 주기적으로 공기를 밀어내는 로터리 베인 펌프, 터보 펌프와 같은 기계적인 방식부터 모든 기체를 얼어붙게 만드는 극저온 펌프, 기체를 이온화한 뒤 포집하는 이온 펌프와 같이 다양한 초고진공 기술이 개발돼 사용되고 있다. 이러한 진공기술은 현대 기술에 있어 무척 중요하다. 점점 고도화되는 나노 반도체 소자를 제작하기 위해선 공정 과정에서 오염 요인을 모두 제거해야 하는데, 이때 바로 진공의 힘이 필요한 것이다. 손원혁 한국원자력연구원 첨단양자소재연구실 선임연구원

중도일보(www.joongdo.co.kr), 무단전재 및 수집, 재배포 금지

기자의 다른기사 보기

랭킹뉴스

  1. 대전경찰청, 청내 159대 주차타워 완공 후 운영시작
  2. 용역노동자 시절보다 월급 줄어드나… ADD 시설관리노동자들 무슨 일
  3. 대전교육감 예비후보 등록 시작… 첫날 5명 서류 접수
  4. 대전·충남 통합 추진에 지역대 지원 정책 방향도 오리무중
  5. '대전특별시' 약칭에 충남지역 반발
  1. 김지철 충남교육감 "민주당 발 행정통합특별법 조속한 보완 필요"
  2. 재료연 세라믹 분리막 표면 제어하는 소재 기술 개발로 수처리 한계 개선
  3. 6.3지선 예비후보자 등록, 양승조 충남도백(道伯) 도전
  4. 충남도의회 제363회 임시회 폐회… 올해 주요업무 계획 모색
  5. 입춘에도 춥다… 일교차로 인한 빙판사고 주의보는 계속

헤드라인 뉴스


대통령실·국회의 완전한 이전...어게인 `여·야 합의` 이를까

대통령실·국회의 완전한 이전...어게인 '여·야 합의' 이를까

대통령 집무실과 국회의 완전한 세종시 이전 가능성이 지방선거 국면에서 한층 무르익고 있다. 이재명 정부의 '행정수도 완성' 의지와 국정과제 채택에 이어 국민의힘 장동혁 대표가 대한민국 공통의 과제인 수도 이전에 힘을 다시 실으면서다. '대통령 집무실법(행복도시건설특별법)과 국회 세종의사당법(국회법)'이 통과된 2022년과 2023년의 어게인 '여·야 합의' 기대감을 높이고 있다. 앞선 지난해 12월 더불어민주당 복기왕(충남 아산시갑)·국민의힘 엄태영(충북 제천·단양) 의원이 행정수도특별법을 공동 발의한 흐름도 이와 궤를 같이 한다...

행정통합 거세지는 충청홀대론…黨政 대책마련 주목
행정통합 거세지는 충청홀대론…黨政 대책마련 주목

더불어민주당 대전충남 행정통합법안과 관련해 불거진 충청홀대론이 성난 지역 민심을 등에 업고 국회 심사과정에서 정부 여당의 기류 변화를 불러올지 주목된다. 자치 재정과 권한 등에서 광주·전남 통합법안과 비교해 크게 못미치면서 불거진 형평성 문제를 당정이 어떻게 풀어가느냐에 관심이 쏠린다. 이와 함께 지역 간 차별 논란을 지우고 '지방 분권'이라는 본질을 찾는 행정통합 법안 설계 변경을 위한 3개 통합지역 간 연대 필요성도 커지고 있다. 충남도와 대전시는 행정통합에 대한 시·도민의 의견을 수렴하는 타운홀 미팅을 각각 4일과 6일 개최했..

이재명 대통령 설 명절 선물에 담긴 ‘5극 3특’의 집밥 재료들
이재명 대통령 설 명절 선물에 담긴 ‘5극 3특’의 집밥 재료들

2026년 설 명절을 앞두고 이재명 대통령이 국가균형성장의 핵심정책인 ‘5극 3특’에서 생산한 집밥 재료를 담은 선물을 각계각층에 보냈다. 청와대는 “편안한 집밥이 일상이 되는 진짜 대한민국을 만들겠다는 대통령의 의지를 담은 그릇·수저 세트와 5극 3특 권역의 특색을 반영한 집밥 재료로 구성했다”고 4일 밝혔다. 특별 제작된 그릇·수저 세트에는 편안한 집밥이 일상이 되고 소박하지만 따뜻한 한 끼가 국민 모두의 삶에 평온과 위로가 되길 바라는 대통령의 의지를 담았다. 집밥 재료는 밥의 기본이 되는 쌀(대경권, 대구 달성)과 떡국 떡(..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 초미세먼지에 갇힌 대전 도심 초미세먼지에 갇힌 대전 도심

  • 단속 무시한 건축 폐기물 무단 투기 단속 무시한 건축 폐기물 무단 투기

  • ‘봄이 왔어요’ ‘봄이 왔어요’

  • 제9회 전국동시지방선거 예비후보 등록 시작 제9회 전국동시지방선거 예비후보 등록 시작