연자시편 - < 배터리(battery) > - 한국문학신문 7월 6일(제552)

< 배터리(battery) >

 

충전하지 않으면 힘을 쓸 수 없네

충전되지 않으면 소멸하고 마네

하나님이 주신 성령(聖靈)의 배터리

충전되지 않으면 영성(靈性)이 붕괴되네

아침을 충전하여 하루를 살아가고

하루를 충전하여 한 주를 살아가네

날마다 거듭나 새로워지는 영혼

감사가 마중물 되 기쁨 생수 솟아나네

 

산화(酸化), 환원(還元)의 화학반응 통하여 인간은 자신의 생명을 유지한다. 우리는 힘을 사용함으로 에너지를 방전(放電)하고, 음식물을 섭취함으로 에너지를 충전(充電)한다. 사람들은 각자 적합한 방식으로 생활에 필요한 에너지를 몸에 충전하고, 방전을 한다. 지구의 모든 에너지는 태양에서 나온다. 태양은 공기와 물을 덥히고, 식물은 광합성을 통하여 에너지를 만들어낸다. 생명체는 광합성이 가능한 식물과 세균이 태양 에너지를 이용하여 대기 중의 이산화탄소와 물(수증기)을 반응시켜 만든 당 화합물을 섭취함으로 생명을 유지한다. 태양 에너지가 당 화합물에 저장되어 있기 때문이다. 생물이 섭취한 당 화합물은 복잡한 반응을 거쳐 분해, 마지막에는 이산화탄소와 물로 돌아간다. 이는 광합성의 역반응으로, 당 화합물에 저장되어 있던 에너지를 이용하게 된다. 이때 많은 화학반응이 연쇄적으로 일어나는데, 이와 관련된 반응의 대부분은 한 화합물에서 다른 화합물로 전자가 이동하는 산화와 환원의 반응이다. 어떤 물질이 전자를 잃게 되면 산화가 되었다고 하고 전자를 받으면 환원이 되었다고 하는데, 산화와 환원반응은 동시에 일어난다.

 

이산화탄소와 물이 반응하여 당 화합물과 산소가 만들어 지는 것을 광합성이라 말한다. 식물의 엽록체에서 일어나는 광합성 반응의 첫 번째 단계는 빛을 이용하는 단계로 잎 속 엽록체 내의 틸라코이드 막(thylakoid membranes)에서 일어나는 물의 산화환원 광분해반응으로, 물이 분해되면서 수소원자의 전자가 산소로 이동하여 산소분자가 만들어지면서 에너지를 저장한 아데노신 3인산(adenosine triphosphate; ATP)과 니코틴아마이드 아데닌 다이뉴클레오타이드 인산(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate; NADP)의 산화효소가 만들어진다. 빛의 에너지를 저장하는 반응의 경로가 Z자 형태여서 Z-scheme이라고 불린다. 두 번째 단계는 이산화탄소를 이용하여 당을 만들어내는 캘빈 사이클(Calvin Cycle)이다. 여러 효소단백질이 관여하여 빛 없이 진행되는데, 이산화탄소가 첫 단계의 생성물인 NADP와 ATP의 산화환원반응에 의해 당과 물이 만들어진다. 이렇게 만들어진 작은 분자의 당이 사슬처럼 연결되어 식물의 구조를 이루는 고분자물질이 되고, 이 물질을 동물이 섭취하면 소화과정에서 다시 작은 분자의 당으로 분해된다. 분해된 당은 동물의 체내에서 산화환원 반응(광합성의 역반응)에 의해서 이산화탄소와 물이 만들어지고 호흡을 통하여 배출된다. 식물은 인간을 비롯한 동물이 먹고 소화되는 과정을 거쳐 원래의 이산화탄소와 물로 다시 돌아간다. 이 과정에서 태양으로부터 축적되었던 에너지가 생명을 유지하기 위한 다양한 활동의 에너지로 사용된다.

 

화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 기구를 배터리라고 한다. 두 개 이상의 전지를 연결시켜 전류가 같은 방향으로 흐르게 하면 배터리가 구성되며 배터리에는 두 가지 기본적인 형태가 존재한다. 첫 번째는 화학물질을 다 사용하면 전류가 멈추는, 재충전할 수 없는 형태이고, 두 번째는 충전이 가능한 형태이다. 알레산드로 볼타는 1799년에 도선으로 연결하면 전류를 공급하는 해수에 담근 섬유조각들에 의해 분리된 은과 아연 더미인 '볼타 전퇴(電退)'를 발명했다. '볼타 전퇴(電退)'는 서로 다른 두 개의 금속을 접촉시키면 죽은 개구리의 다리가 경련을 일으킨다는 사실을 발견한 루이기 갈바니의 연구에 기반 한 발명품이다. 각 전지에는 두 개의 전극인 양극과 음극이 전해질이라고 하는 액체 속에 떠 있다. 그 이후로 수많은 발명가들이 보다 효율적인 배터리를 만들기 위해 다른 금속과 전해질을 조합했다. 1880년대에 고체 전해질이 사용되고 내용물이 덮개로 씌워지면서 건전지(乾電池)라는 이름이 붙여졌다. '플래시라이트(회중전등)'라고 알려진 최초의 안전한 휴대용 기구는 1896년에 생산되었다. 1895년에는 프랑스의 물리학자 가스통 플랑테가 재충전이 가능한 배터리를 만들었으며, 이는 오늘날의 자동차에 사용되는 배터리와 유사하다. 이 배터리에서는 납으로 된 전극판을 황산에 담가서 사용했다.

 

전지의 종류에는 한번 사용하고 폐기처분 하는 1차 전지와 여러 번 반복해서 사용이 가능한 2차 전지가 있다. 2차 전지는 ‘충전(充電)’을 하면 재사용할 수 있다. 산화(酸化)·환원(還元) 반응으로 전지 내부에 축적된 생성물을 본래의 반응물 상태로 되돌리는 작업을 충전이라고 한다. 산 위에서 굴러 떨러진(산화·환원반응) 돌을 산 위로 끌어 올리려면(역 산화·환원 반응) 에너지를 필요로 한다. 충전기를 통해서 역 반응에 필요한 전기에너지를 넣어주면, 전지는 산화·환원 반응이 진행되기에 충분한 조건을 갖추게 된다. 1차 전지를 재사용하기 위해서 충전기를 사용 역 반응을 진행시키면 위험한 일이 발생한다. 역 반응의 결과 가스와 같은 부산물이 발생, 내부 압력이 증가하여 전지가 폭발할 가능성이 높기 때문이다. 전기차 는 배터리가 생명이다. 폭발하지 않고 효율이 좋은 저렴한 배터리 개발이 자동차 산업의 미래를 좌우하는 시대를 우리는 살아가고 있다.

 

재미있는 것은 영어의 'battery'는 투수와 포수를 합쳐서 영어로 'battery'라고 한다. '맹렬히 폭격하다'라는 뜻의 'batter'에서 파생된 말로 '포병 중대'라는 뜻으로도 쓰인다. 적(敵)을 공격할 때 보병이 투입되기 전 먼저 포병이 집중 포화를 퍼붓는다. 야구시합 중 9명의 공격 팀 타자가 공격을 하기 전에 투수와 포수가 먼저 제압한다는 것에서 유래되었다.