인류는 개구리에 감사해야 한다

영국의 일간지 ‘인디펜던트’는 지난 2007년 11월 5일자 테크놀로지 특집기사에서 ‘세상을 바꾼 101가지 발명품’을 선정해 소개했다. 그 목록에는 인류가 59만년 전부터 사용한 것으로 추정되는 ‘불’로부터 2001년 미국 애플사가 출시한 MP3 플레이어 ‘아이팟’까지 시대를 초월한 발명품들이 모두 망라되어 있었다.

그런데 인디펜던트는 그 기사에서 “인류는 개구리에 감사해야 한다”는 다소 엉뚱한 말을 늘어놓았다. 그 이유에 대해서는 ‘발표된 101가지 발명품 중 3분의 1가량이 건전지로 움직이기 때문’이라고 설명했다.

이미 알려진 대로 전지는 1800년 이탈리아 파두아대학의 전기화학교수였던 A. 볼타에 의해 발명됐다. 그럼 왜 인디펜던트는 난데없이 전지 발명의 공을 개구리에게로 돌린 것일까. 그것은 볼타에게 전지 발명이란 혁신적 아이디어를 제공한 것이 바로 동물해부학자 L. 갈비니의 개구리 해부 실험이었기 때문이다.

갈바니의 개구리 경련 실험에서 아이디어를 얻어 전지를 발명한 A. 볼타. ⓒ 위키피디아 Public Domain

1780년경 이탈리아 볼로냐대학의 해부학과 루이지 갈바니 교수의 아내 루치아는 평소 몸이 약해 개구리 뒷다리로 만든 수프를 즐겨먹곤 했다. 그런데 어느 날 루치아가 수프를 만들기 위해 껍질을 벗겨서 금속 접시에 놓아둔 개구리의 뒷다리가 마치 살아 있는 것처럼 경련을 일으키는 광경이 목격된 것. 바로 그 옆에서는 갈비니 교수의 제자들이 정전기를 이용해 전기를 모으는 장치인 기전기를 작동하며 불꽃을 일으키고 있었다.

이런 현상이 전기와 관계있다는 것을 확신한 갈바니는 번개가 칠 때 개구리를 베란다 철책에 매달아 놓는 실험 등으로 개구리 뒷다리에 경련을 일으키는 원인을 밝혀내는 데 몰두했다. 그리고 그는 1791년 ‘전기가 근육운동에 주는 효과에 대한 고찰’이라는 제목의 논문을 발표해 동물의 근육은 ‘동물전기’라는 부르는 생명체 전기를 가지고 있다고 주장했다.

즉, 개구리 뒷다리의 경련은 동물의 신경 및 근육에 존재하는 음전하와 양전하의 작용에 의해 전류가 흐른 것이라고 결론지었던 것. 이 논문이 발표되자 많은 학자들이 개구리를 가지고 실험을 되풀이하며 동물전기 현상의 구체적인 실체를 밝히기 위해 매달렸다.

인간의 발명품 중 가장 훌륭한 도구

그중에는 평소 갈비니와 친분이 있던 볼타도 포함되어 있었다. 개구리 다리를 이용해 여러 가지 전기 실험을 하던 그는 이상한 사실을 발견했다. 양쪽에 같은 종류의 금속을 대면 개구리 다리가 움직이지 않지만, 각기 다른 종류의 금속을 댈 때에는 개구리 다리가 움직인다는 것이다.

이후 볼타는 갈바니가 주장한 ‘동물전기’는 존재하지 않으며, 두 종류 금속의 접촉만으로도 전기가 일어난다고 주장했다. 이 같은 그의 주장은 큰 논쟁을 불러일으켰다. 갈바니의 이론을 지지하던 학자들로부터는 비판을 받은 대신 금속 전류 지지자들로부터는 지지를 받았던 것.

양쪽의 논란을 종식시킨 건 볼타가 1800년에 만들어 영국왕립학회에서 발표한 ‘볼타의 기둥’이었다. 이 장치는 구리판과 아연판 사이에 물에 적신 천을 끼워서 만든 것으로, 이를 수십 개 연결하면 전류를 얻을 수 있었다. 이것이 바로 마찰에 의해서가 아니라 화학적 방법으로 전기를 발생시키는 전지의 시초로서, ‘볼타전지’로 불린다.

볼타전지는 두 가지 다른 금속을 전해액 속에 넣어서 전기를 발생시킨다. 서로 다른 물질이 음극과 양극으로 작용하며, 전해액을 사용한다는 이 두 가지 기본적인 원리는 오늘날에도 모든 전지에 공통적으로 적용되고 있다.

당시 사람들은 볼타전지에 대해 망원경이나 증기기관을 포함해 지금까지 인간의 손에서 나온 것 가운데 가장 훌륭한 도구라고 평가했다. 그는 1801년 나폴레옹 1세의 초청으로 파리학사원에서 볼타전지 실험을 재현하고 이를 이용해 물을 전기분해하는 실험을 시연했다. 이 실험으로 그는 많은 상금과 훈장을 받았으며, 1810년에는 이탈리아에서 백작 작위를 받고, 원로원 의원까지 되었다.

하지만 그가 발명한 전지는 오늘날의 지식재산권처럼 특허화되지는 못했다. ‘산업재산권’의 국제적 보호를 위한 ‘파리조약’이 1883년에야 채택되었기 때문이다. 대신 그는 볼타전지 덕분에 죽을 때까지 부와 명예를 누렸으니 훨씬 더 큰 보상을 받은 셈이다.

사실 전지의 아이디어가 되는 개구리 경련 현상을 처음 발견한 이는 갈바니였다. 그런데 그는 이것을 ‘동물전기’라고 잘못 분석해 결정적인 기회를 놓쳤다. 즉 해부학자였던 갈바니는 동물에 집착하다 위대한 발견을 놓친 것이다. 이에 비해 물리학자였던 볼타는 갈바니의 잘못된 주장을 반복된 실험에 의해 진실을 가림으로써 전압의 단위 ‘볼트(V)’에 그의 이름을 남기는 영광을 누렸다.

새 전지 개발 위해 치열한 경쟁 중

하지만 근육 수축이 전기적인 자극에 의해 발생한다는 갈바니의 발견과 업적이 과학사에서 완전히 묻힌 것은 아니다. 이후 인체에서의 전기 에너지 검출 기술이 임상의학분야에서 중요한 진단 기술로 자리 잡았기 때문이다. 심전도 및 뇌전도, 근전도, 망막전도 등이 모두 인체의 기능과 관련된 전기신호이다. 또한 전기충격으로 심장박동을 회복시키는 응급처치법과 심장에 전기자극을 보내는 심장박동기 역시 갈바니의 발견 덕분에 나올 수 있었다.

실용화된 볼타전지처럼 한 번 사용하면 쓸 수 없는 1차 전지와 달리 몇 번이고 다시 충전해서 사용할 수 있는 것을 2차 전지라고 한다. 자동차 등에 쓰이는 납축전지나 니켈수소전지 등이 바로 그것인데, 요즘 2차 전지 분야의 대세는 바로 ‘리튬이온전지’이다.

리튬이온전지는 전류가 흐르는 상태의 전압을 뜻하는 공칭전압이 니켈수소전지의 3배이며, 에너지밀도도 니켈수소전지의 2배에 이른다. 또한 자기방전율이 낮아 수명이 긴 것이 장점이다. 그러나 전기자동차에 사용하기에는 에너지밀도에 한계가 있어 한 번 충전으로 200㎞를 채 가지 못한다는 단점도 지니고 있다.

따라서 리튬이온전지의 단점을 보완할 수 있는 새로운 전지를 개발하기 위해 전 세계는 지금 치열한 경쟁을 벌이고 있다. 한국전기연구원 엄승욱 박사팀이 지난해 개발한 아연금속공기전지의 경우 리튬이온전지에 비해 에너지밀도가 거의 2배에 달하며, 제작 단가도 10분의 1 수준으로 낮아 차세대 축전지로 유망하다는 평가를 받고 있다.

또한 지난달 미국에서 처음 공개된 NFF(나노일렉트로퓨얼) 플로 배터리는 전혀 새로운 개념의 기술이어서 주목을 끌고 있다. 전기자동차용으로 적합한 것으로 알려진 이 첨단 전지 기술은 에너지밀도가 리튬이온전지의 3배 이상이며, 충전시간이 매우 짧다는 장점을 지니고 있다

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