번개

2021년 7월 19일 4시 20분경 한강에 떨어지는 양전하 번개.

호주 애들레이드 지역에서 장노출로 촬영된 다수의 음전하 번개.

번개(lightning)는 구름과 구름, 구름과 대지 사이에서 일어나는 방전 현상이다. 특히 큰 소리를 내는 천둥이 동반된다. 대기 내부의 대전된 부분은 낙뢰를 통해서 일시적으로 안정화되며 특히 지표면의 물체를 맞췄을 경우 낙뢰라고 표현한다. 이 번개에는 3가지 종류가 있는데, 한 구름의 내부에서 발생하는 것, 구름과 다른 구름 사이에서 발생하는 것, 그리고 마지막으로 구름과 지표면 사이에서 발생하는 것으로 나뉜다. 하지만 구름과 지표면 사이에 발생하는 번개를 제외하고는 아직 많은 연구가 진행되어 있지 않다.

번개는 한 번 에너지를 방출할 때 대략 10억J 이상의 에너지를 지표면으로 전달하는 에너지원이다.

인공번개의 일종으로 아크방전 현상이 있다. 아크방전은 가스를 통한 연속적인 방전으로 보통의 상태에서는 비전도성인 가스가 전위 차이에 의해 이온화된 플라즈마가 되면서 빛을 방사하는 현상이다. 국내 연구진이 인공 번개를 이용해 차세대 친환경 에너지원인 알칼리 연료전지(AFC)에 사용하는 고효율 촉매 생산에 성공했다.

개요

번개는 구름과 구름, 구름과 지표면 사이에서 공중 전기의 방전이 일어나 만들어진 불꽃으로, 기상현상 중 하나다. 이 중 구름과 지표면 사이에서 발생한 번개를 벼락 혹은 낙뢰라고 한다. 즉, 위의 사진은 엄밀히 말해 낙뢰를 찍은 것이다. 번개에 의한 방전으로 파열음이 들리는데, 이를 천둥 또는 우레라 한다.

번개는 대기의 질소를 땅으로 환원시키는 질소고정 메커니즘의 중요한 요인 중 하나이다. 번개가 자주 치면 질소가 환원되는 양이 늘기 때문에 지력(地力)이 올라가기 때문이다.

번개가 내리치는 속도(음전하가 지상으로 내리 꽂히는 속도)를 뇌속(雷速)이라 부르며 일반적으로 시속 약 360,000,000km이다. 초속은 약 100,000km/s으로 표기한다.

번개는 아래의 초고속카메라 영상처럼 위에서부터 내려오는데 이 내려오는 것의 가장 끝부분을 중심으로 반경 60m짜리 구를 그리고 이 구에서 가장 중심에 가까운 부분에 친다. 만약 구 안에 아무것도 없으면 무작위적인 방향으로 진행한다.

번개 형성 원리

• 다량의 비구름이 비를 쏟아낸다.

• 비가 안 오더라도 공기 중에 가득한 습기로 인해 번개가 칠 수 있다. 이를 마른뇌전(마른 하늘에 날벼락, 청천벽력; bolt from a blue)이라고도 부른다.

• 빗방울이 상승기류로 인해 파열되고, 파열된 빗방울은 양전하를 띠게 된다. 양전하는 주변 공기를 들뜨게 만들어 음전하를 띠는 플라즈마 상태로 만든다. 빗방울이 아래로 떨어지며 파열하기 때문에, 이 음전하를 띠는 공기도 지상으로 퍼져간다. 이렇게 형성된 대량의 양전하와 음전하가 전자를 주고받으며 대량의 전기를 만든다.

• 이 전기로부터 전자기파(가시광선)이 뿜어지는데, 이것이 우리가 눈으로 보게 되는 번개다.
• 이 전기로 인해 주변 공기가 순식간에 뜨거워지며 팽창(폭발)하는데, 이때 들리는 폭발 소리가 바로 천둥이다.

• 그리고 하늘에서 지상으로 전자가 내리꽂힌 뒤에 꽂힌 길을 따라 지상에 있던 양전하를 띈 입자가 구름으로 치고 올라가는 되돌이 뇌격(Return Stroke)이 일어난다. 되돌이 뇌격은 번개가 내려오고 1/1000초 만에 일어나기에 연속적인 섬광으로 보이게 된다.

아크방전을 활용한 금속 촉매

KIST 연구팀이 개발한 인공번개 활용 차세대 알칼리 연료전지용 촉매 개념도. 한국과학기술연구원 제공

한국과학기술연구원이 전기 용접에 사용하는 아크방전(인공 번개)를 활용해 단일 단계의 반응만으로 저렴하면서 동시에 높은 성능을 가지는 코발트 기반 단일 원자 촉매를 상용화 수준(10g/h scale)으로 양산할 수 있는 원천기술을 개발했다. AFC는 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는데, 에너지 발생 단계에서 물만 배출하기 때문에 차세대 친환경 에너지원으로 주목 받고 있다. 하지만 백금 촉매를 사용하기 때문에 가격이 비싸고 안정성에도 한계가 있다. 탄소 지지체에 형성된 단일 원자 촉매(SACs)를 개발 중이지만 금속 원자끼리 뭉치는 현상을 방지하기 위해 복잡한 공정을 거치면서 촉매 성능이 저하된다는 문제가 있다.

연구진은 아크방전 상태에서 다양한 원소들이 원자 수준으로 분해됐다가 재결합하는 특징에 주목했다. 금속과 탄소 소재를 섞어 아크방전 과정을 거치면 금속이 분해됐다가 고결정성 나노탄소 격자 안에 채워지며 결합하는데, 이때 뭉침 현상 없이 촉매를 합성할 수 있는 것이다. 연구팀은 이런 단일 원자 촉매 합성 방법을 백금을 포함한 다양한 코발트, 망가니즈, 니켈, 철 등 전이 금속 계열에 보편적으로 적용할 수 있다는 사실을 확인했다.

참고자료

• 〈번개〉, 《위키백과》
• 〈번개〉, 《나무위키》

같이 보기

• 인공번개
• 아크방전

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