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[비센의 재미있는 과학 이야기] 신기하고 위험한 액체 질소

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작성자 석준영 작성일17-09-07 08:54 조회64회 댓글0건

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지난달 한국에서 용가리 과자라는 음식을 먹은 어린이가 위에 구멍이 생기는 사고가 있었습니다. 용가리 과자란 과자를 먹으면 공상 과학 영화 캐릭터 용가리처럼 코에서 연기를 뿜어낸다고 해서 붙여진 이름입니다. 용기에 과자를 담고 액체 질소를 부어 급냉을 시킬때 기화된 질소가 많은 양의 연기를 내는 효과를 이용한 것입니다. 

 

질소(Nitrogen)는 실온에서 기체상태로 존재합니다. 인체와 직접적인 상호작용을 하지 않기 때문에 잘 알려져 있지는 않지만, 공기 중에 가장 많은 분포하고 있으며 무려 전체 대기의 78%를 차지하고 있는 물질입니다. 질소의 끓는점(boiling point)은 영하 196도로 매우 낮기 때문에, 액체 질소는 약 영하 200도 정도의 낮은 온도를 유지하고 있습니다. 낮은 끓는점을 갖고 있으면서, 공기 중에서 추출이 비교적 쉽게 추출이 가능하기 때문에 오래전부터 실험실에서 낮은 온도를 세팅해야 할 경우 자주 사용되던 물질입니다. 비교적 전문적인 분야에서만 사용되던 액체질소가 최근 들어서는 대중적인 분야에서도 자주 사용되는 추세입니다. 용가리과자도 그 중에 하나이며, 밴쿠버에서도 몇몇 수제 아이스크림 가게들이 액체 질소를 이용해서 아이스크림을 만들고 있기도 합니다. 그들의 설명에 따르면, 보통 아이스크림을 만들 때 온도를 낮추기 위해서 첨가하는 화학물질을 사용하지 않고, 액체 질소를 이용해서 급속 냉동을 가능하게 하기 때문에, 더욱 신선하고 천연 재료만의 완벽한 유기농 아이스크림을 만들 수 있다고 합니다. 

 

액체 질소가 사용되는 또 다른 분야는 크라이오 테라피(Cryotherapy)라는 분야입니다. 유명 스포츠 스타들이 운동후에 재활의 목적으로 사용한다는 것이 알려지면서 관심을 끌고 있기도 합니다. 쉽게 이야기하면 이는 액체 질소를 이용한 급속 냉동 사우나라고 할 수 있습니다. 액체 질소를 이용하여 영하 120도 정도를 유지하는 챔버에 약 3분간 들어가 온몸을 담그고 있는 요법입니다. 피부의 온도를 영하 10도정도까지 낮춤으로써, 격렬한 운동 후에 몸의 한 부분에 집중되었던 혈액의 순환을 원활하게 만들어 주는 효과가 있는 것으로 알려져 있습니다. 이는 매우 극단적인 얼음 냉찜질이라고 생각할 수 있습니다. 원래 사마귀과 같은 피부질환 치료를 위해서 환부를 국부적으로 급냉각시킬 때 사용했던 방식인데, 이러한 냉각방식이 신체의 통증 완화, 혈액 순환 등에 도움이 된다는 것이 알려지면서 전신을 위한 테라피로 바뀐 요법입니다. 액체 질소를 이용해 영하 120도정도의 낮은 온도를 유지하고 있는 공간에 들어가 있어면서도 피부의 실제 온도는 영하 10도정도밖에 떨어지지 않는 것은 건식 사우나의 온도가 100도이상임에도 불구하고 그 안에서 몇분씩 견딜 수 있는 것과 비슷한 이치라고 이해할 수 있습니다. 

 

액체질소는 낮은 온도의 물질이지만, 짧은 시간동안 손을 액체 질소에 담근다던지, 액체질소를 몸에 붓는 행동을 하는 것은 가능합니다. 이러한 효과는 마술사나 비슷한 퍼포먼스를 하는 분들이 자주 사용하기도 합니다. 액체질소의 온도에 비해 상대적으로 높은 체온을 갖고 있는 피부에 질소가 닿는 순간 질소는 기화되기 때문에, 액체질소와 신체사이에 얇은 기체층이 생기게 되며, 이 기체층이 액체질소와 피부의 직접적인 접촉을 막아주게 됩니다. 이러한 효과를 라이덴프로스트 효과(Leidenfrost effect)라고 합니다. 액체상태의 물질이 끓는점보다 높은 온도를 갖고 있는 물체에 접촉하면 액체가 순간적으로 끓어오르면서 액체와 물질 사이에 증기층을 만들어 내는 효과입니다. 뜨겁게 달구어진 프라이팬에 물방울을 떨어뜨리면 물방울이 마치 공중부양을 하고 있는 것처럼 프라이팬 위를 움직여 다니는 것이 바로 라이델프로스트 효과에 의한 현상입니다. 하지만, 기화되지 않는 액체질소를 피부에 오래 닿게 하면 심각한 세포 괴사를 입을 수 있습니다. ‘오랫동안’ 이라고 이야기했지만, 수초만 접촉하고 있어도 부상을 입을 수 있기 때문에 각별히 조심해야 합니다.  

 

요컨대, 액체질소는 인체에 짧은 시간동안 접촉하는 것은 큰 무리가 없을 수 있습니다. 하지만, 이것은 빠른 기화가 이루어진다는 가정하에서일 뿐이며, 만약 어떤 이유에서 기화되지 않은 액화질소가 신체에 닿는다면 매우 큰 통증과 동상을 동반할 수 있습니다. 앞서 말씀드린 어린이의 경우도 액체질소를 이용해 냉각된 과자만을 먹었어야 하는데, 용기 맨바닥에 남아있던 기화되지 않은 액체질소 방울을 먹은 것이 화근이 되었습니다. 몸속으로 들어간 액체질소는 빠른 속도록 위벽을 상하게 하였고, 끝내 구멍이 생기게 한 것입니다. 

 

앞서 말씀드렸듯이 질소는 공기중에 많이 분포하고 있는 기체입니다. 또한 공기중에서 질소를 분리해 응집시키고, 냉각시키는 일은 기술적으로 그리 어렵지 않은 일입니다. 그렇기 때문에 경제적으로도 다른 기체들에 비해 단가가 낮은 편에 속합니다. 덕분에 많은 실험에서 사용되어 왔고, 이제는 음식, 마술 등의 다양한 분야에서도 액체질소의 특성을 이용하고 있습니다. 조금은 생소하게 들릴 수 있지만, 이론적으로는 모든 냉각시스템을 필요로하는 곳에 사용될 수 있다고 볼 수 있습니다. 컴퓨터 CPU의 냉각장치로 사용되기도 하고, MRI와 같은 의료기기의 주요 장치를 냉각하는 곳에도 활용되고 있습니다. 이제는 대중들에게도 친숙하게 사용되기 시작하고, 또 그 분야는 무궁무진하게 늘어날 수 있을 것이라고 생각합니다. 안전하게 활용할 경우 매우 좋은 냉매이지만, 잘못 사용될 경우 큰 사고를 당할 수도 있는 물질입니다. 아직은 어린이나 그 원리를 잘 모르는 분들은 단지 신기한 현상으로 생각할 뿐 위험성을 인지하지 못하는 경우가 많은 듯 합니다. 이런 분들에게 올바른 사용법에 대해 대중적으로 널리 알리고, 액체 질소를 이용해서 음식을 만들거나 하는 이용자들은 적절한 규제와 교육 등의 제도가 필요할 것이라고 생각합니다. 

 

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