최근 한국표준과학연구원 가스분석표준그룹 김진석 박사 연구팀은 정밀 가스질량분석기를 이용해 공기의 조성을 측정해본 결과, 공기 중 아르곤(Ar)의 농도는 지금까지 알려진 0.917%가 아닌 0.9332%로 나타나 공기의 무게가 우리가 알고 있던 것 보다 0.01% 가량 더 무거운 것으로 밝혀졌다고 발표했다.
이는 지난 1969년 미국표준기술연구소(NIST)가 정의한 아르곤의 농도가 사실과 다르다는 것을 35년만에 밝혀낸 것으로 공기의 무게가 달라지면 각 물질들이 대기중에서 받는 부력의 정도도 달라지기 때문에 사람의 몸무게를 비롯 돼지고기 1근, 쇠 1㎏ 등 대기중에서 측정했던 이세상 모든 물질들의 무게가 실제보다 조금씩 다르다는 것을 밝혀낸 셈이다.
결국 김 박사팀의 연구로 인해 전세계의 모든 저울(특히 정밀저울)은 새롭게 교정을 받아야 하며 교과서나 MSDS(물질안전보건자료) 등에 수록된 공기의 조성 및 무게에 대한 내용도 수정이 불가피해졌다.
측정분야에서 국제적 권위를 자랑하는 메트롤로지아(Metrologia)誌도 이번 연구의 중요성을 인정, 김박사의 논문을 ‘이달의 논문’으로 선정해 12월호에 게재했다.
다음의 내용은 이같은 아르곤의 농도분석에 대한 김 박사의 기고문으로 독자들의 이해를 돕기 위해 기고문 원문(原文)에 편집자의 부가설명과 첨언, 각색이 더해졌음을 미리 밝혀둔다.
<편집자주>
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공기의 주요 화학 조성은 질소(N2), 산소(O2), 아르곤(Ar), 수증기(H2O), 이산화탄소(CO2) 등이다.
이중 수증기는 날씨의 변화에 따라 약 1%에 이르는 많은 편차를 보이며 온실가스의 주성분인 CO2는 산업혁명이후 농도가 급격히 증가하고는 있지만 공기중 함량은 약 0.04%에 불과하다.
산소의 경우에도 CO2의 농도에 따라 차이가 발생하는데 CO2의 농도가 높을수록 산소의 농도는 낮아지는 반비례 현상이 나타난다.
반면 공기중에 약 0.9%가량 함유된 것으로 알려진 Ar은 대표적인 불활성가스로서 N2와 함께 그 조성이 일정한 것으로 알려져 있다.
이러한 Ar과 관련 지난 1894년 세계최초로 공기에서 Ar을 분리, 실체를 규명한 영국의 J.W.Rayleigh와 W.Ramsay는 공기중 Ar의 농도가 약 0.8% 수준이라고 발표했다.
Ar의 존재가 밝혀진 이래 많은 화학자들이 공기 중의 정확한 Ar 농도를 측정하기 위해 많은 노력을 기울였으며 측정결과를 속속 발표했다. 지난 1945년까지 5개 실험실에서 발표한 건조 공기중 Ar의 농도는 0.932~0.937%이었으며 이후 1969년까지 NIST를 포함한 3개 실험실에서는 모두 Ar의 농도가 0.917%라고 보고했다.
이에 따라 지금까지 전세계 각국은 공기의 밀도를 구하는 요소로서 Ar의 농도를 0.917%로 사용하고 있으며 이것이 공기중 Ar의 농도로 받아들여져 왔다. 질량원기(모든 질량의 기준이 되는 1㎏의 원통형 합금, 백금 90%+이리듐 10%)와 질량분동(질량원기를 기준으로 제작한 표준금속, 스테인리스강)의 부피차이에서 발생하는 부력의 보정에도 이같은 Ar 농도가 적용되었음은 물론이다.
공기밀도의 불일치와 재측정
부피가 다르지만 질량이 똑같은 분동을 여러 개 만들어 진공상태와 공기중에서 각각 무게를 측정하면 진공상태에선 동일했던 분동의 무게가 공기중에서는 서로 미세한 차이를 나타낸다.
<사진-1>은 프랑스 파리에 위치한 국제도향형국(BIPM)이 보유하고 있는 질량 비교실험용 저울장치로서 진공상태와 공기중에서 작동이 가능해 연구자들은 이 장비를 이용한 실험을 ‘납과 깃털의 실험’이라고 부르기도 한다.
무게나 부피가 다르면 발생하는 부력(浮力)에도 차이가 나타난다는 ‘아르키메데스의 원리’를 적용, 실험을 통해 나타난 부력의 차이를 정확한 부피차이로 나누어주면 공기의 밀도를 구할 수 있다.
이와 관련 전세계에서 질량표준을 연구하는 과학자들은 이미 10여년 전부터 위와 같은 방식으로 얻어진 공기밀도 값과 공기의 조성, 분자량, 기체상수(gas constant) 등을 활용하여 계산한 공기밀도의 값이 항상 미세한 불일치를 보인다는 사실을 발견해냈지만 지금까지 이러한 불일치의 근본적인 원인이 어디에 있는지를 밝혀내지 못하고 있었다.
이 문제를 해결하기 위해 지난 2002년 4월 BIPM은 부력 보정시 적용하는 공기의 조성에 오류가 있을 것으로 판단, 산하조직인 물질량 자문위원회에 이를 문의했고 자문위원회는 우리나라의 표준연을 비롯 미국, 영국, 네덜란드 등 4개국의 표준기관에서 공기의 조성을 정밀 재분석하여 보고키로 결정했다.
그러나 한국을 제외한 3개국은 BIPM이 요구하는 측정정확도 수준에서 공기의 조성을 측정해내지 못했고 오직 표준연만이 마감시한인 지난 2003년 4월 측정결과를 보고했다. 표준연은 보고서에서 공기중 Ar의 농도가 0.9332%(±0.0006%)로서 기존에 알려져 있는 조성(0.917%)보다 0.0162% 많으며 Ar의 농도 상승량 만큼 N2의 농도가 낮다는 새로운 측정값을 제시했다.
표준연이 새롭게 발견한 Ar의 농도를 적용하면 위에서 언급한 ‘납과 깃털 실험’에서 나타난 1㎏ 표준분동의 무게 차이에 대한 해석이 가능해진다.
그러나 표준연의 보고서 제출 이후에도 BIPM은 Ar의 새로운 농도에 대한 인정을 보류하고 여타 3개국의 표준기관들의 측정성공을 기다렸다. 하지만 1년여가 지나도록 아무도 측정치를 내놓지 못했고 결국 BIPM은 올해 4월 산하기관인 질량․화학자문위원회 소속 전문가들을 초빙, 세미나를 개최하고 표준연의 실험방법 및 측정결과의 타당성 조사에 나섰다.
이 세미나를 통해 보고된 데이터의 정확성이 입증되면서 BIPM이 발간하는 Metrologia誌 2004년 12월호에 특집 논문으로 게재된 것이다.
세미나 당시 BIPM내에서 ‘질량의 아버지(Father of Mass)’라 불리는 데이비스 박사는 “표준연의 데이터가 정확함을 확인했다”며 역사적 사실을 발견해낸 표준연 연구원들에게 축하의 인사를 건내기도 했던 것으로 알려졌다.
공기 조성 측정방법
공기를 조성하고 있는 물질의 농도를 정확하게 측정하기 위해서는 공기의 조성과 유사한 표준공기(수증기를 함유하지 않은 건조한 공기, 표준대기)가 필요하다.
이러한 표준공기와 대기 중에서 채취한 건조 공기의 시료를 비교․분석함으로써 공기 시료가 함유한 각 물질의 농도를 구할 수 있다.
<사진-2>는 표준공기의 제조에 사용하는 실린더 자동 질량 측정 장치로 순도를 정확히 알고 있는 고순도 원료가스를 공기 비율과 유사하게 혼합하여 표준공기를 제조한다.
이렇게 만들어진 표준공기가 대기중에서 채취한 건조 공기의 측정기준이 되며 정밀가스질량분석기(사진-3)를 사용해 표준공기와 시료간에 정밀 비교분석을 함으로서 건조공기의 정확한 조성비율을 측정한다.
이번 표준연의 연구에 사용된 정밀가스질량분석기는 이온화된 분자에 자기장을 걸어주면 질량 차이에 따라 분자들의 휘는 정도가 다르다는 점을 이용해 각 분자별로 질량을 측정하는 장비이며 조성을 정확히 알고 있는 표준공기와 시료공기를 별도로 측정한 후 표준공기를 기준으로 시료공기의 조성을 구해냈다.
이와 관련 전세계적으로 지구의 배경대기를 관측하는 장소는 세계기상기구(WMO)에서 지정, 운영하고 있으며 이번 연구에서 시료로 채취하여 분석한 표준공기도 WMO 지정관측소에서 채취한 것을 사용했다.
시료공기의 경우 안면도의 한국지구대기감시관측소(기상청 소속)와 미국 콜로라도洲의 Niwot Ridge Site(미국해양기상청 소속) 등 2곳에서 채취했다.
두 곳 모두 질소, 산소, 아르곤의 농도가 측정 불확도 내에서 일치했으며 단지 지역편차를 보이는 CO2 농도에서만 차이가 나타났다.
<표-1>은 표준연의 연구를 통해 밝혀진 건조 공기의 주성분(N2.O2.Ar)에 대한 농도값이다.
한편 이번 연구로 밝혀진 건조공기 중 아르곤의 정확한 농도는 20세기에 정의된 공기밀도의 오류를 바로잡은 것으로서 정밀질량측정의 기반을 확립하는 역할을 수행하게 될 것으로 전망된다. 또한 이같은 연구결과가 직접적인 상품생산에는 영향을 미치지 않지만 이번 연구를 통해 얻어진 경험과 대내외적으로 입증받은 세계 최고 수준의 가스분석기술은 국내 산업의 경쟁력 향상에 커다란 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.
