과학과 산업이 주목하는 ‘리튬’
조울증 치료제부터 에너지 분야까지
빅뱅으로 우주가 탄생하여 약 30만년이 되면서 수소원자가 생긴다. 곧이어 헬륨과 리튬이 생겨나고 그 뒤에 생겨난 원소(예를 들면 탄소, 산소 등)들은 하나님의 작품이 아니라 별이란 커다란 용광로 속에서 만들어진다. 우주탄생 약 500만년이 되면서 수소, 헬륨 그리고 리튬으로 된 원시별이 생기고 그 별에서 처음으로 리튬을 넘어선 원소들이 합성된다.(사이언스 타임즈 2015년 8월 17일자, 김제완의 과학세상 “태초의 별 태양보다 몇 천만 배 밝아” 참조)
리튬이야말로 하나님이 만드신 최초의 금속인데 그 금속이 만들어진 양은 물리학 법칙에 의해 계산된다. 흑체복사의 법칙이라는 과학법칙이 있다. 평형 된 상태에 있는 가스의 성분은 그 가스 원자의 질량에 의해 분포된다. 무거운 원자의 수는 적고, 가벼운 원자의 수는 많은데 그 비율이 흑체복사의 법칙에 따라 정확히 정해진다. 우주 탄생 후 최초의 3분 만에 만들어진 수소, 헬륨 그리고 리튬핵의 비율은 1대 10.000분의 1, 10억분의 1로 되어있다.
그런데 2012년부터 여러 팀의 과학자들이 관찰한 결과 빅뱅이론에서 예측한 리튬7은 많게는 3/4, 적어도 1/4은 관측이 안 되고 동위원소인 리튬6은 1000배나 더 많이 관측되었다. 이런 이론과 관측이 맞지 않는 것을 리튬 문제라고 통틀어 말하고 있다.
이탈리아의 Gran Sasso에서 리튬 문제 확인 실험
(2014년 8월/(P.R.L. 113,042501)) ⓒ HZDR 연구팀
이 문제의 해결방향을 이야기하기 전에 리튬은 현재 과학계 뿐만 아니라 산업계에서도 큰 주목을 받고 있다는 것을 말하고 싶다.
리튬이 사회에서 각광을 받기 시작한 것은 의외의 분야에서였다. 정신질환 가운데 조울증(The bipolar disorder)을 알고 있는 사람은 예상 외로 많다. 조울증은 기분이 좋다가도 금방 슬프고 우울해지며 아무것도 할 수 없게 되었다가 짧은 시간 사이에 기분이 변하는 극과 극을 달리는 정신 질환이다.
이 정신질환에 리튬이 특효약이라는 것은 19세기 말에 필라델피아에서 개업한 의사인 미첼(Weir Mitchell)이 처음 발견했고, 1947년이 되어 멜버른 병원의 존 카데(John Cade)가 이를 재발견하여 보편화 하게 되었다. 리튬은 의약품으로도 사용되지만 리튬이 더 필요로 한 곳은 에너지 분야이다. 과학자들은 리튬으로 배터리를 만들 수 있다는 것을 깨달았다. 그 뒤에 리튬 전지는 눈부시게 발전되었고 지금은 실용화되어 있을 뿐만 아니라 세계 굴지의 기업(삼성 포함)들이 여기에 투자와 연구를 아끼지 않고 있다.
현재 학계의 추측에 의하면 핸드폰에만 3000톤의 탄소 리튬 화합물원료(Lithium Carbonate)의 수요가 있고 2025년이 되면 11만 톤의 수요가 있다고 예측하고 있다.
리튬의 수요 예측과 사용처. ⓒ Wikipedia
그뿐만 아니라 종래의 화학반응에 의한 배터리를 리튬 배터리로 대치하기 시작한 전기 자동차회사인 테슬라는 40Kg의 리튬전지로써 전기 자동차를 가동하게 되면서 그 주가가 치솟고 GM보다 재산 가치가 높아지고 있다.
하나님은 가난한 사람들을 돌보시는 모양이다. 남미에 있는 가난한 나라 볼리비아의 남쪽에 있는 살라르 데 우유니(Salar de Uyuni)의 염전 속에 전 세계의 50% 이상의 리튬이 매장되어 있다. 볼리비아는 리튬의 사우디아라비아로써, 21세기에는 사우디처럼 잘 사는 나라가 될 것 같다. 이야기가 너무 옆으로 흘렀는데 본론으로 돌아가 보자.
그동안 여러 가지 학설이 있었다. 예를 들면 원시별이 생기면서 리튬이 별 속으로 흘러들어가서 반응을 일으켜 다른 원소가 되었기에 빅뱅이론이 예측한 리튬 7의 양이 줄었다는 학설도 있고 빅뱅에서 생긴 양성자가 리튬과 충돌하여 2개의 헬륨으로 바뀌었다는 등 여러 가지 학설이 있다.
리튬의 세계 최대의 매장량을 가진 볼리비아의 살라르 데 우유니(Salar de Uyuni)) ⓒ 김제완
가장 최근에 프랑스의 CNRS 소속, 포린과 세르피코(Poulin and Serpico) 교수의 이론에 의하면 빅뱅에서 생긴 아주 높은 에너지의 광량자(Photon)가 리튬을 파괴했다는 것이다. 그들의 생각은 광량자가 리튬을 파괴하여 2개의 헬륨으로 바꾸어 놓았다는 것이다. 그 논문은 올해 3월에 발표되어 아직도 여러 과학자들의 검증을 겪고 있는 중이다. 130억 년 전에 일어난 일을 이론적으로 계산한다는 것이 그렇게 믿음직스럽지 않으며 앞으로 많은 수정이 있으리라 생각된다고 받아 들어야 할 것이다. 우주론이란 그런 것이려니 라고 생각해야 할 것 같다.
- 김제완 서울대 물리학과 명예교수
- 저작권자 2015.09.21 ⓒ ScienceTimes