숯이 인체건강에 미치는 영향 및 신소재 탄소온돌

[북경운아 온돌]

숯이 인체건강에 미치는 영향 및 신소재 탄소온돌

- 탄소와 원적외선의 특성 및 관련 산업기술의 발전방안을 중심으로-

신일산 보건학박사 (주)나노카보나 대표이사 / (사)한국원적외선협회 수석부회장

얼마전 제작된 대한민국의 문화컨테츠 산업중 하나인 드라마 한편이 전 세계를 강타했다. 바로 지난 2003년 한국의 한 방송국에서 제작·방영된 ‘대장금(大長今)’으로 지금까지 중국, 일본 등 동아시아지역(15개국)을 넘어 서아시아, 중앙아시아, 중동, 동유럽, 아프리카, 북남미 등 모두 60여개국이 넘는 다양한 문화를 가진 나라들에게 수출돼 지금까지도 큰 인기와 반향을 불러일으키고 있다. 그런데 이 드라마의 극 전개과정에서 한 장면을 주목하지 않을 수 없다.

주인공인 여의(女醫) ‘장금(이영애 분)’이 제주도로 유배를 갔다 한양(漢陽)의 궁(宮)으로 복귀, 처음 사환의녀로 있을 때 자신보다 어린 궁녀들에게 피부가 뽀얗고 건강하게 유지하려면 아궁이에다 밥을 하고 솥뚜껑을 열었을 때 그 증기(김)를 얼굴에 쐬면 좋다고 말하는 부분이 있다.

수분으로 가득찬 밥김이 좋으면 얼마나 좋겠는가. 사실은 오랜 시간 동안 나무를 땐 아궁이는 숯, 즉 탄소성분(50∼60% 구성)이 가득 쌓여 있으며, 여기에 바로 열을 받은 탄소에서 방사된 다량의 원적외선이 사람 얼굴이 닿았을 때 피부도 좋아지고 탄력을 유지하며, 건강에 큰 도움을 주는 것이다. 하물며 숯으로 고기를 구워먹으면 육질이 살아있어 훨씬 맛이 좋다.

예로부터 숯(탄소)은 공기청정이나 습도조절, 탈취 및 정화, 산화방지 등의 놀라운 기능으로 인해 많은 사랑받아온 비금속 물질로 오늘날에도 집집마다 한 두개씩은 두고 습기제거 및 전자차 차폐를 위한 용도로 쓸 만큼 많은 사랑을 받고 있다. 결국 원적외선은 숯이라 하기보다는 바로 탄소에서 다량 방사된다는 측면에서 탄소덩어리를 '원적외선 덩어리'로 불러도 별 무리가 없는 것이다. 그렇다면 원적외선의 어떤 성질과 작용으로 고기의 맛을 좋게 하고 사람의 신체건강에 도움을 주는 것일까.

1. 화석시대의 마감, '천덕꾸러기'에서 새롭게 조명되고 있는 천연소재 '숯'

숯을 땔감, 즉 연료로 쓰이다 연료의 생산주체가 석유가스 등 화석연료로 대체되는 에너지혁명의 영향으로 역사의 뒤안길로 물러났다. 그러나 화석연료의 연소에 따른 대기중의 이산화탄소 농도가 증가해 심각한 지구온난화의 주범이 되자 환경친화적인 재생(리사이클) 소재이자, 절대적으로 인체에 무해한 건강소재인 숯이 새롭게 조명되고 있다.

특히, 숯은 공기와 물의 여과 및 정화재이면서 우수한 원적외선 방사율로 건강산업은 물론 주택산업에 있어서 환경친화적 건자재와 축산 환경농법으로도 활용하는 등 활용도가 광범위하다. 무엇보다 치료와 질병의 예방에 크게 활용되어 노화예방, 혈액과 체액의 약알칼리화, 체내독소를 제거하는 등 수만은 효능이 연구결과 속속 밝혀져 21세기 천연소재로 숯이 무궁무진한 가능성을 인정받고 있다.

숯은 인체해독효과, 제습효과, 항균작용, 음이온과 원적외선 방사와 이로 인한 온열효과 등 여러 순기능들로 인해 선진국인 미국, 일본, 캐나다 등지에서는 약품 또는 건강식품으로 인식되고 있다. 국내에서도 주방류, 침대 및 침구류, 미용, 유기농법 등에 친환경소재인 숯의 상용화 연구가 더욱 확산되고 있다.

그렇다면 실생활에서 숯의 어떤 효능이 사람들로 하여금 맹신토록 하는가. 많은 사람들이 숯을 단순한 땔감으로 알고 있지만 ‘검은 보석’ 혹은 ‘블랙 다이아몬드’라고 불릴 만큼 그 쓰임새가 많다. 실제 다이아몬드도 구성성분이 거의 100% 숯과 마찬가지인 탄소(C)로 되어 있다. 다만 원자의 결합이 다르다. 다이아몬드는 공유결합물(共有結合物)로 원자까지 밀접하게 결합되어 있어 지상의 자연물 중 가장 안정되어 있어서 100만 기압을 걸어도 깨지지 않을 정도로 무척 단단하다.

보통 원목(나무)에 불을 붙이면 나무는 열분해가 되어 세가지 형태로 나뉘게 된다. 3분의 1은 탄산가스와 일산화탄소 등의 기체인 목가스, 또 3분의 1은 숯가마의 연기로부터 얻어지는 초산을 주성분으로 한 액체인 목초액과 목타르, 마지막으로 남은 탄소로 고체인 숯이 된다.

즉, 숯은 원재료인 목재에서 연기만을 제거한 것이며, 작은 다공질이 무수히 형성되어 있어 산소가 숯의 내부에 많이 함유되어 있으므로 목재보다 타기 쉽고 불의 기세도 오래간다. 특히 숯은 고온에서 구워졌기 때문에 균이 없는 무수한 구멍을 갖고 있는 다공체이다. 숯 1g 속에 있는 구멍의 넓이를 모두 합하면 200~400㎡(평균 약 90평)이나 된다. 바로 이 미세한 구멍들이 표면적을 넓게 해주는 것이며, 이 구멍은 자신의 공간을 채우려고 강한 흡착력을 일으키며 해로운 바이러스나 박테리아 등 독소를 흡수하거나 제거하기도 하고, 습기조절 및 공기정화, 악취제거 등 실생활에 많은 도움을 준다.

일반적으로 숯이 무조건 다 좋다고 생각하지만 사실 숯은 다공성의 정도, 0.8~50나노(nm는 10억분의 1미터)의 공기구멍이 얼마나 많으냐에 따라 좋은 숯, 나쁜 숯으로 구분할 수 있다. 여기에 좋은 숯일수록 탄소함유량이 많다. 따라서 다공성과 함께 숯의 주성분인 탄소가 얼마나 많이 함유되어 있느냐에 따라 그 질이 큰 차이를 나타낸다.

특히 탄소는 음전자가 많아 물질이 부패하는 것을 막아주고 산성화된 몸을 건강한 상태로 회복시켜 주는 역할을 한다. 또 많은 양의 원적외선을 뿜어내므로 몸을 따뜻하게 하고 혈액순환을 도와 수족냉증과 관절통, 피로감을 완화해주며, 숯불에 갈비를 구우면 맛이 좋은 이유도 바로 숯의 주성분인 탄소에서 뿜어져 나오는 원적외선 때문이다.

숯의 탄소함유율은 보통 원목상태에서 50% 정도이지만 탄화온도가 400℃에서 약 72%, 600℃에서 89%, 1,000℃에서 95%, 1,100℃에서 96%로 탄화온도가 높을수록 탄소량은 증가한다. 숯의 구성성분 중 절대적 비율을 차지하고 있는 탄소를 빼면 미소량의 칼슘, 마그네슘, 철 등 미네랄과 수소, 산소, 회분, 휘발분만 남는다.

여기서 숯이 전자파를 차단한다거나 원적외선이 다량으로 배출된다거나 하는 데에는 바로 탄소 때문이다. 최근에는 콘크리트 같은 건축자재와 벽지, 도료, 수돗물에 포함된 화학물질까지 흡수함으로서 우리의 건강에 직접적인 효과를 주는 것이다.

2. 왜 탄소를 '원적외선 덩어리'라고 부르는가

주지하다시피 숯은 탄소를 주성분으로 하고 있다. 그렇다면 숯을 구성하고 있는 절대적 비율의 탄소와 원적외선은 어떤 관계이기에 사람의 몸에 좋다고 하는 것일까. 우선 원적외선에 대해 알아볼 필요가 있다.

원적외선은 태양방사에너지 중 하나로 흔히 적외선 중 파장이 긴 것(3.5~1,000µ)을 말한다. 적외선은 가시광선의 적색 영역보다 파장이 길어 열작용이 큰 전자파의 일종이며, 특히 파장 7.5~14µ의 원적외선은 대기 투과율이 매우 높아서 그대로 지표상에 도달하게 된다. 이 파장영역의 원적외선은 인체에 매우 좋으므로 생육원적외선이라고도 하다.

열 전달방식으로 대류, 전도, 방사 이 3가지가 있으나 원적외선은 방사로 열을 전달하며, 눈에 보이지 않고 물질에 잘 흡수되는 성질 때문에 침투력이 강하며, 유기화합물 분자에 대한 공진(共振) 및 공명(共鳴) 작용이 강한 것이 특징이다. 유기체인 인체 내에 공명흡수현상이 일어나면 분자 내에서 커다란 에너지가 발생하여 그 대부분이 열로 변하고 일부는 활성에너지로 변하여 분자가 활성화된다.

예를 들어 30℃의 물속에서는 따뜻한 기운을 거의 느끼지 못하지만, 같은 온도의 햇볕을 쐬고 앉아 있으면 따스함을 느낄 수 있는데 그 이유는 햇볕 속에 포함되어 있는 원적외선이 피부 깊숙이 침투하여 열을 만들기 때문이다.

이러한 열작용은 각종 질병의 원인이 되는 세균을 없애는 데 도움이 되고, 모세혈관을 확장시켜 혈액순환과 세포조직 생성에 도움을 준다. 또 세포를 구성하는 수분과 단백질 분자에 닿으면 세포를 1분에 2,000번씩 미세하게 흔들어줌으로써 세포조직을 활성화하여 노화방지, 신진대사 촉진, 만성피로 등 각종 성인병 예방에 효과가 있다.

그밖에도 발한작용 촉진, 통증완화, 중금속 제거, 숙면, 탈취, 방균, 곰팡이 번식방지, 제습, 공기정화 등의 효과가 있어 주택 및 건축자재, 주방기구, 섬유·의류·침구류, 의료기구, 찜질방 등의 여러 분야에 쓰이고 있다.

우리 조상들은 이러한 원적외선의 존재를 모르면서도 오랜 옛날부터 경험과 생활의 지혜로서, 그 잇점을 이용해온 놀라운 지혜를 지녔다고 봐야 한다. 항아리를 땅속에 묻어 겨우내 즐기는 신선한 김치의 맛, 돌로 눌러서 싱싱함을 유지하는 동치미의 맛, 짚을 넣은 항아리에 보관하는 잘 익혀진 홍시, 장맛을 더해지는 뚝배기 등의 비밀이 바로 이 원적외선에 있으며, 배가 아플 때 따뜻한 기왓장을 배위에 올려 놓거나 배를 문질러서 효과를 봐 왔다.

특히, 따뜻한 온돌방에서 자고난 후의 개운함, 숯불구이나 돌구이맛의 뛰어남, 한증막에 의한 질병치료 등, 이 모두가 바로 원적외선 때문이다. 전통 주택에 있어서 방의 난방은 온돌구조로 하였는데 온돌은 돌 위에 흙을 덮어 방바닥을 만들고, 아궁이의 불로 돌을 달구어 방을 따뜻하게 하는 난방형태로 온돌의 돌과 흙이 가열되면 원적외선이 방사되고 체내에 흡수되어 앞서 말한 것과 같이 공명 공진 현상으로 발열현상이 나타난다.

그렇다면 원적외선은 어디에서 많이 방사되는 것일까. 앞서 말한대로 원적외선은 태양광선 중 하나로 지구의 탄생과 밀접한 관련을 맺고 있다. 원적외선이 방사율이 크다는 말은 곧 흡수율이 크다는 말과 같다. 얼마만큼 오랫동안 많은 양의 원적외선을 흡수하느냐는 곧 그만큼 방사해 낸다는 말이다. 결론부터 말하면 지구탄생 초기부터 태양광선을 직접적으로 가장 많이 흡수한 원자가 바로 탄소이며, 원적외선 방사율이 뛰어난 물질 중에는 대표적으로 숯의 원재로인 수목(숯)과 초기 용암작용에 의한 화강석 혹은 화강암과 같은 천연돌, 흙, 모래 등 탄소계 물질 등이다. 자연친화적인 생활재료를 고집하며 수많은 활용을 해온 우리 민족은 자연스럽게 원적외선과 아주 밀접한 관계를 맺어온 것이다.

주지하다시피 태양계의 형성과정에서 지구인 혹성도 먼지가 모인 가스체였으나 차차 응축되어 약 46억년 전에 지구가 탄생됐다. 이 응축으로 인해 지구 내부에 압력이 가해져서 내부의 가스가 지표로 분출되어 원시대기를 형성하였으며, 이 원시대기에는 수증기, 암모니아, 수소, 질소, 메탄 등이 포함되어 있었으나 산소와 탄소는 포함되어 있지 않았다.

대기층의 산소가 없음으로 인해 자외선을 흡수하는 오존층이 형성되지 않아 생물에 유해한 자외선이 그대로 지구표면에 도달하여 광화학반응을 일으키는 역할을 하였으며, 장구한 세월동안 원시대기와 자외선의 작용으로 광화학반응이 모든 형태로 일어나고 드디어 유기물이 형성되었으며, 이들 유기물이 바다로 녹아들어가 대양이 형성된 것이다. 이 대양 속에서 유기물의 상호반응으로 서서히 복잡한 화합물로 되어 결국 약 40억년 전에 DNA(유전물질)가 탄생, 자기증식능력을 갖는 원시세포가 탄생한 것이다.

반면 탄소는 원시대기가 아닌 지구 대기권 밖에 층을 형성해 있었으므로 당연히 직접적인 태양광선을 많이 받았으며, 초기 원시세포의 등장 이후 바다 속 엽록소를 갖는 하등의 조류로 되고, 탄산가스와 빛의 에너지에 의해 유기물 광합성작용으로 지구상에 처음으로 대량의 산소(O2)가 출현하고, 광화학반응에 따라 발생한 산소로 대기권 밖에 오존(O3)층이 형성됨에 따라 자외선을 차단하면서부터 약 4억년 전부터 식물이 육상으로 진출하게 되면서부터 대기는 물론 지구상에 탄소가 안착한 것으로 설명되고 있다.

생명의 기원을 연구한 소련의 생화학자 오파린(Oparin, 1894~1980)에 따르면 생명의 탄생을 3단계로 나누어 설명하고 있다. 바로 그 1단계, 유기화합물 생성에 있어서 그 골격을 이루는 것이 바로 탄소원자 C라고 밝힌 바 탄소는 지구의 탄생 이후 생명의 기원에서부터 현 인류의 인체건강 및 생활에 가장 큰 공헌자이자 주요한 물질인 셈이다.

3. 탄소와 원적외선, 그리고 인체건강과의 관계

탄소는 주기율표 제4B족에 속하는 탄소족 원소. 원소기호 C, 원자번호 6, 원자량 12.011이다. 녹는점은 3,550℃(非結晶形), 끓는점은 4,827℃이다. 비중은 1.8∼2.1(비결정성), 3.15∼3.53(다이아몬드), 1.9∼2.3(흑연)이다. 자연계에 널리 존재하는 원소이며, 비금속원소로서는 황과 함께 기원전부터 알려져 있는 가장 오래된 원소의 하나이다.

영어 carbon의 어원은 분명치 않으나, 흔히 라틴어의 carbo(석탄·목탄)에서 유래된 것으로 알려져 있다. 천연으로는 C(98.90％)와 C(1.10％)의 2종류의 동위원소가 있는데, C는 원자량의 표준(C의 원자량을 12.0000000으로 함)이 되고 있다.

방사성 동위원소로서는 C(β, 외에 반감기 19.2초), C(β, EC ＜전자포획＞, 20.38분) C(β, 5730년), C(β, 외, 2.449초)가 있다. 홑원소물질로서는 그을음 등의 비결정성 탄소, 흑연·다이아몬드 등의 동소체(同素體)가 존재하며, 그 밖에 각종 화합물로서 자연계에 널리 분포한다. 또한 탄소는 비금속 원소 중 유일한 고체로 결합력이 매우 뛰어나기 때문에 다른 원소들과 반응해 수많은 물질을 구성한다.

탄소는 얼마나 지나야 원자구조가 바뀔까. 즉 변할까? 답은 최소한 잡아도 5,000년 이상의 시간이 흘러도 변하지 않는다. 이렇듯 탄소가 오랜 시간이 흘러도 변하지 않는다는 사실을 실제 현재 과학에서 적용하는 사례를 통해 알수가 있다. 바로 탄소연대측정법이다.

흔히 고대의 문화재 및 유물, 유적 등의 연대를 측정하는 방법으로 사용된다. 과거를 규명하는 열쇠인 셈이다. 예를 든다면 공룡이나 수천만년이 지난 생물체의 연대를 가늠해보고자 할 때, 아니면 고대 이집트 미이라의 연대 등을 알려고 할 때 흔히 쓰인다. 이 방법은 모든 생물의 조직속 특정 탄소 성분이 일정한 비율로 유지되고 있다는데 착안한 연대측정법이다. 이를 학술적으로 풀어 말하면 탄소14(C14, 양성자6개, 중성자8개 들어있는 탄소)의 붕괴를 이용하여 물질의 연대를 측정하는 방법이라 할 수 있다. C14는 대기 속의 질소가 중성자와 핵반응을 일으켜 생성되는 것으로, 식물이 광합성할 때 이 탄소를 흡수하게 된다.

생물의 조직을 이루는 탄소의 동위원소 중 C14는 그 비율은 식물이든 동물이든 살아있는 생물체라면 모두 일정하게 유지된다. 이것은 먹이사슬에 의해 동물의 체내에 들어가 서서히 붕괴되며, 감소한 양은 호흡과 먹이에 의해 계속 보충된다. 그러나 생물체가 죽으면 C14는 더 이상 보충되지 않고 감소만 하게 돼 죽은 생물체내에 남아있는 C14의 양만 측정하면 언제 생물체가 죽은 지 알아낼 수 있는 것이다.

C14는 반감기가 약 5,750년으로 다만 C14 연대측정법을 사용하기 위해서는 생물체가 분해되지 않은 상태에서 유지돼야 한다. 따라서 탄소연대측정법은 탄소의 동위원소 가운데 C14의 비율을 찾는 것이라 할 수 있다.

C14의 경우가 그렇다면 우리가 아는 일반적인 탄소의 경우도 거의 진배 없다. 바로 이러한 탄소가 숯의 구성성분 중 적게는 50%에서 많게는 70% 가량 차지하고 있다. 이 숯은 나무를 토벽 속에 넣어 밀폐하여 밖에서 열을 가하여 만든 것으로 소재가 되는 수목은 그의 성장과정에서 태양광선, 특히 원적외선을 듬뿍 흡수한 만큼 나무에서 숯으로 형태를 바꿨지만 보다 센 원적외선(생육원적외선)을 방사한다. 육류나 생선류를 숯불에 구워 먹어도 숯불에 원적외선이 대량 포함되어 음식물의 내부까지 깊이 도달, 외측과 내부가 거의 동시에 구워져 맛의 근본이 되는 이노신산을 잔류시키기 때문에 맛이 더욱 깊고 좋다. 반면 가스불에 구우면 일부만 타서 이노신산을 태워버리기 때문에 숯불에 비해 맛이 떨어진다.

최근에는 숯을 이용하여 일상생활에서 이용하고 있는 원적외선 제품인 돌솥, 돌구이판, 뚝배기, 약탕기, 옹기 등 식생활에 이용되고 있는 것들이 있으며, 최근에는 탄소 99%의 신소재로 숯침대, 숯솥, 숯구이판 등을 비롯하여 컵, 잔, 뚝배기, 전골기, 후라이팬, 약탕기, 각종 주발 혹은 다기세트 등의 혁신적인 제품들이 개발되어 시중에 판매되고 있다. 특히, 잠을 잘 때 사용하는 숯침대의 경우는 특별한 의미를 가진다 하겠다.

그렇다면 높은 방사율을 자랑하는 원적외선은 인체건강에 어떠한 영향을 미칠까. 우선 온열효과를 들 수 있다. 우리 인간의 신체는 75% 정도의 수분과 단백질, 지방, 기타 물질로 구성되어 생명활동을 하고 있다.

7.5~14µ 정도의 원적외선이 생체에 흡수되면 물과 유기화합물의 흡수 스펙트럼과 부합하여 생체 내의 분자가 공명·흡수하여 공진운동을 일으키고, 그 결과 열에너지가 높아져서 온열효과가 일어난다. 체내 깊은 곳에서부터 세포가 활성화되고 대사가 촉진된다.

신체가 요구하는 파장을 흠뻑 받으면 자기발열작용이 일어나 체내 온도가 상승한다. 피부의 온도가 높아지거나 혈액의 온도가 높아지면 뇌의 발한신경 중추가 흥분하여 교감신경을 통해 전신에 땀을 나게 한다. 체온을 조절하기 위해서이다.

원적외선이 주요 인체 내의 작용을 간추려 보면 첫째, 피부를 통하여 30~50mm까지 침투하므로, 신체표면의 근육층으로부터 혈관, 림파관 혹은 신경을 비롯한 모든 세포에 작용하여 열효과를 미친다. 이 효과를 다른 관점에서 보면 세포조직의 마이크로 마사지와 진동적 분자운동의 공명작용에 의한 세포 내의 화학물질의 활성화라고 할 수 있다.

둘째, 생체반응으로서는 신체를 내부에서부터 데워 모세혈관을 비롯한 미세동정맥을 확장하고, 그에 의한 신진대사의 강화로 체액의 순환장해를 제거하는 동시에 조직의 재생력을 높여 넓게 생육촉진을 진행한다.

셋째, 생체 내에서의 종합작용 및 보관작용을 가지므로 미숙아용의 보육기나 온열형 물리치료기, 그 위에 한선과 피지선으로부터의 노폐물, 중금속, 독성물질의 배설에도 도움이 되며, 신체 깊숙이부터 발한에 의하여 피로가 회복되고 숙면, 어깨 뻐근함과 요통, 근육피로를 부드럽게 한다는 임상결과도 나온 바 있다.

그 외로 발암물질이라고 하는 유해중금속류(Pb, Cd, Hg 등) 가공식품중의 유독물, 혹은 피로나 노화의 원인인 유산, 유리지방산, 지방, 피하지방, 고혈압의 원인으로 되는 여분의 나트륨, 동통의 원인이 되는 뇌산 등의 배설을 촉진시키는 기능도 갖고 있다.

앞서 설명에서 밝혔듯이 이같은 효능의 원적외선을 듬뿍 흡수해왔던 탄소성분은 지구탄생의 시기에서부터 지금까지도 우리 태양계에 태양이 존재하는 한 지속되고 있다. 특히 우리 일상에서 흔히 볼 수 있는 수목을 이용한 숯은 탄소성분이 대략 50~70%을 차지하고 있어 이를 이용하여 고온에서 오랫동안 압착해 탄소비율을 99%까지 끌어올린 탄소성형체야 말로 지구상에서 거의 변하지 않는 비금속 물질이며, 이 탄소덩어리는 그야말로 변하지 않는 '원적외선 덩어리'라고 할 수 있다.

4. 미래국력의 새로운 척도 탄소소재와 탄소성형체 산업의 재조명

한편 나노소재이자 다공질 탄소소재를 이용하여, 탄소의 분리, 비표면적 증대, 경량화, 고강도, 항균 및 살균기능 등을 가지고 숯침대, 숯생활용품, 원적외선 온열치료기, 자동차와 항공기용 부품, 환경산업, 전기전자부품, 정밀기계 및 바이오산업과 우주산업에 이르기까지 다양한 영역에서 활용할 수 있다. 실제 탄소원자의 배열을 새롭게 조성함으로써, 탄소강, 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube ; CNT) 등의 첨단기술을 이용하여 우주로켓 및 미사일 발사체의 노즐 및 주요 장치, 우주탐사선의 외부선체 등에 이용되었거나 지금도 한창 연구개발이 진행되고 있다.

대표적인 예로 우주엘리베이터의 예를 들 수 있다. 최근 미 항공우주국(NASA)은 지면(地面)과 지상 9만2,200㎞ 상공에 떠있는 우주정거장을 연결하는 우주 엘리베이터 건설 프로젝트를 추진 중이다. 소위 버튼만 누르면 엘리베이터를 타고 우주여행을 하는 시대가 열릴지에 대한 열쇠는 바로 신소재 탄소나노튜브 복합재료 등 신소재를 이용하면 얼마든지 가능하며, 실제 이 프로젝트가 진행되고 있다.

이렇듯 탄소나노튜브가 최근 철강 이상의 파괴력을 가진 ‘꿈의 신소재’로 꼽히고 있는 이유는 기존의 모든 소재를 압도하는 탁월한 물성(物性) 때문이다. 우선 강도. 강철보다 100배 이상 강하고, 탄소섬유보다 우수한 섬유를 만들 수 있다. 다음은 빛. 탄소나노튜브는 효율이 아주 높은 빛을 얻을 수도 있다. 또한 탄소소재는 금속의 고강도와 전도성, 비철금속의 가벼움, 세라믹의 내열성과 내화학성 등 여러 소재의 장점을 고루 가지고 있으며 다른 소재와 융합력이 뛰어나다는 특성이 있다. 이에 따라 탄소소재의 활용은 생활용품과 수소연료 전지·IT 제품 등 만병통치약처럼 그 가능성이 무한하다.

세계 각국이 지금 탄소나노튜브 기술개발 열풍에 휩싸여 있다 해도 과언이 아니다. 그도 그럴 것이 탄소소재는 에너지, 환경, 우주항공, 토목건축, 전기전자, 생체 및 군수 등 산업 전반에 필수 재료로 사용되며 탄소과학의 정도가 국가의 과학기술 및 산업, 국방력을 재는 척도란 말이 있을 정도로 핵심 소재이기 때문이다. 현재 CNT만 해도 지난 1991년 첫 발견된 이후 무려 2만 편 이상의 논문이 쏟아졌다. 미국 나노조합이 예측하는 2010년 나노기술 산업 규모는 1조달러(약 950조원). 핵심 소재로 꼽히는 탄소나노튜브 시장 규모는 6조원대로 추산된다.

특히나 고유가가 세계 경제 전 분야에 걸쳐 큰 그림자를 드리우는 상황에서 원료의 제한을 받지 않고 에너지 효율이 높은 고강도 초경량 탄소소재는 이른바 ‘저탄소 녹색성장’의 실현을 선도할 산업으로 탄소소재 시장이 떠오르고 있다.

우리 실생활에서도 이미 탄소소재는 광범위한 부문에 걸쳐 활용되고 있다. 산업별 비중만 보더라도 자동차 23%, 건설 21%, 우주항공 17%, 스포츠 11%, 산업재 8%, 전자와 조선이 6%, 전기 3%, 기타 5%로 항공기와 인공위성, 로켓 등 항공우주 분야와 자동차, 골프채(카본 샤프트), 낚싯대, 테니스 라켓에 이르기까지 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 대한민국의 현실은 그다지 밝지 않다. 탄소섬유의 한국시장은 매년 20%가량 성장해 2015년에는 수요가 연간 6,000t에 이를 것으로 전망돼 탄소소재 국산화는 경제적 가치 그 이상으로 평가받는다. 현재 대한민국의 탄소소재 수요는 연간 2,500t(800억원 상당)으로 전량 일본 미국 대만에서 수입하고 있다. 특히 일본은 세계 탄소소재 시장의 70%를 차지할 만큼 독보적인 위치를 굳혔다.

무엇보다 탄소소재는 미국, 러시아, 중국, 독일 등 군사 강대국에서 우주개발이나 군사목적의 모든 발사체(탄소99,9%)에 사용되는 것으로, 대한민국이 미국과 맺은 한·미 미사일협정에 의해 군사목적의 탄소소재는 지금도 국방부에서 미국무성에 신고하여 미국무성의 허가에 의해 99.9% 탄소소재를 허가된 양만큼만 국내로 들여와서 가공해 군사목적의 발사체 노즐로 사용하고 있는 실정이다. 또한 탄소소재 중 순도가 99,9%는 산화작용을 하지 않는 소재로 학문에는 5,730년동안 산화되지 않는 만큼 기상이변 등에 대비하여 제3의 에너지원으로서 발열량이 너무나 뛰어나 고압축 고체에너지로 사용할 수 있는 만큼 100년 아니 500년 후에라도 그 나라의 어떠한 위기환경에 대비하여 다량보유에 혈안이 되고 있을 정도다. 이렇듯 고순도 탄소소재가 원래 미래 국력의 척도라 할 만큼 아주 소중한 소재임에도 우리나라에서는 역사적으로 한 번도 만들어 보지 못 한 소재이기 때문에 현재 어디에 쓰이는 지조차도 모르고 있는 실정이어서 관련 분야의 기술개발에 더욱 적극적인 관심과 노력을 필요로 하고 있다.

5. 현대인의 인체건강과 건강한 생활의 새로운 대안 '탄소온돌'

이렇듯 첨단과학의 소재로서 뿐만 아니라 우리 실생활에서부터 그 활용도를 높이는 것도 무한한 부가가치를 창출할 수 있음도 사실이다. 특히 탄소소재, 혹은 탄소성분의 성형체를 이용하여 사람의 잠자리에 활용한다면 인류의 건강증진 및 보건환경 개선에도 막대한 영향을 미칠 수 있다. 대표적인 예가, 탄소소재, 적어도 탄소성분이 90% 이상인 고순도 성형체로 된 숯침대, 소파 등 가구와 건축설비의 자재 및 인테리어 소재로 활용한다면 숯의 숱한 좋은 기능들로 인해 거주환경의 획기적인 개선을 기대할 수 있다. 우리의 탄소소재기술은 바로 여기에 방점을 두고 시작하여 첨단 우주공학에 이르기까지 비전을 제시할 수 있어야 할 것이다.

특히 한국의 전통적인 온돌, 혹은 구들이 단순 난방설비의 하나가 아니며, 서구의 대류난방과 달리 접촉식 난방으로 머리를 차게 하고 발을 따뜻하게 하는 두한족열(頭寒足熱)과 온열효과로 건강에 많은 도움을 주는 보물덩어리라고 한다면 탄소소재를 기존 돌 혹은 흙을 대체하여 응용발전시킬 경우 막대한 부가가치를 창출할 수 있다.

일반적인 온돌의 구조에서 온돌과 흙을 탄소 99% 고순도이자 적어도 화재시 불이 나도 연소되지 않는 불연소재이며, 혹은 설사 연소가 된다 하더라도 인체에 유해한 유독가스 등이 발생하지 않는다면 인류의 건강과 행복증진에 크다란 기여를 할 수 있다.

전술한 바와 같이 숯은 무수한 다공체의 흡착력에 따라 살균 및 항균효과, 공기청정효과, 제습효과, 악취제거, 독소 흡수 및 제거기능을 갖고 있기에 친환경 주거환경으로 탈바꿈하는 데 결정적인 역할을 할 수 있다. 여기에 숯을 구성하는 절대적 비율의 탄소로 인해 강한 공명과 공진을 특징으로 하는 원적외선이 무수히 방사되어 사람의 몸에 좋은 온열효과와 이로 인한 생체에너지 활성화, 혈액순환 및 신진대사 촉진, 숙면, 아토피 등 피부질환 개선효과를 기대할 수 있으며, 현대생활에서 피할 수 없는 각종 스트레스와 중금속 등 유해환경도 한방에 날릴 수 있음도 주지할 점이다.

이렇듯 고순도 친환경 탄소소재의 성형체를 만들어 온돌에 활용했을 때 기대할 수 있는 효과는 더욱 무궁무진해 진다. 이를 부르기 쉽게 표현한다면 일명 ‘탄소온돌’로 명명해도 될 것 같다. 일반 온돌을 탄소온돌로 정하기만 한다면 탄소소재의 디자인 확장성과 고기능성을 구현할 수 있다는 것도 큰 장점 중 하나다.

일반적으로 온돌구조에 있어서 민자무늬의 탄소판넬을 열을 전달하는 온수파이프 등의 바로 위 바닥에 조립식으로 끼워 넣은 뒤 그 위에 장판을 깔아버리면 된다. 다만 여기에 장판을 깔지 않고 판넬 자체로 방바닥을 구성할 경우에는 무수한 디자인 컨셉을 적용할 수 있는 잇점도 있다.

예를 든다면 보통 주거공간에서의 방의 구조는 특별한 목적이 있는 경우를 제외하고 대개 사각형의 틀 내에 구성된다. 탄소온돌과 신체가 직접 접촉하게 되는 탄소판넬을 바닥에 깔 때 현재 시판되고 있는 숯침대와 같이 그 크기를 가로 세로 20cm의 정방형으로 하고, 두께를 20mm 정도의 조립식 타일로 만든다면 구들이 꺼지거나 깨어지는 부분 파손이 일어나도 그 해당 부분만 판넬 몇 개로 교체해버리면 그만이다.

또 상하 표면을 별도로 디자인하여 한 면을 반원형 구멍(2φ)을 36개까지 내어 부항과 뜸을 뜰 수 있게끔 하여 그 기능성을 높일 수 있고, 일부 타일은 나사식으로 홀을 파 볼록한 반원구를 형성한다면 방바닥 일부를 이용해 지압도 할 수 있다.

물론 탄소온돌로 사용되는 탄소판넬의 반대편 면은 사용자 측면에서 이러한 오목 구멍이 취향에 맞지 않거나 불필요하다고 판단했을 때는 타일자체 조립식이기 때문에 별도로 분리해 아무 모양이 없는 쪽으로 뒤집어 깔면 된다. 이 때의 판넬은 순수한 온돌의 돌과 다를 바 없으나 그래도 탄소 성분이 가진 여러 가지 기능을 그대로 만끽할 수 있음은 당연한 일이다.

여기에 주택 내부 방의 사각형 구조에 적당한 다른 디자인적 요소를 가미할 수 있다. 예를 든다면 부항과 뜸 기능을 갖추면서도 동물이나 꽃, 구름 등 자연물 혹은 생물 등을 형상화함으로써 특별히 취향에 맞는 무늬를 탄소판넬에 꾸밀 수 있으며, 기존 방에서도 전체가 아닌 일부만 개조함으로써 얼마든지 활용할 수 있는 유연한 디자인 확장성을 가진다.

또한 조립식 판넬 역시 말 그대로 조립식이기 때문에 별도의 접착제나 부착을 위한 고정틀 및 부대설비를 갖출 필요가 없어 이상적인 친환경 주거환경을 구현할 수 있다. 다만 건축재료로서의 조건을 갖추기 위해서는 탄소판넬은 화재시를 대비해서라도 불연소재이자 유해가스가 절대 방출되어서는 안된다. 또한 에너지효율성을 높이고 전력손실 등을 줄이기 위해서 탄소판넬의 열전달력, 혹은 열전도율이 뛰어나야 한다. 적어도 열이 직접적으로 전달되는 바닥면보다도 더 뜨거워져야 한다.

장판을 깔지 않고 탄소판넬을 드러나게 하여 사용할 경우 그 성분 자체가 숯의 탄소성분을 압착, 분말 성형화한 것이므로 표면이 일반 숯과 마찬가지로 검댕이가 묻을 수 있으므로, 여기에 타당한 탄소소재의 별도 코팅기술력이 필요하다. 물론 장판을 깔 경우에는 별도 코팅을 할 이유가 전혀 없어 탄소판넬 제작비용을 현저히 줄일 수 있다.

앞서 언급한 열전도율을 높이거나 청결을 유지하기 위해서는 같은 탄소소재의 텍스타일을 탄소판넬과 바닥 사이에 깔아 기능성 침대 등에 쓰이는 기존 단순 방습천을 대신하여 숯의 탄소성분이 가진 다양한 순기능, 즉 다량의 원적외선 방사, 우수한 음이온 방사, 우수한 탈취율, 거의 100%에 가까운 뛰어난 항균기능 등을 그대로 적용함으로써 기존 온열효과를 극대화하고, 특히 탈부착이 가능하도록 하여 언제 어디서나 손쉽게 청소를 할 수 있게 함으로써 불편함을 없앰은 물론 현대병 중 하나인 환경호르몬으로부터 산성화되어지는 것을 중화하는 등 보다 쾌적한 가구 및 실내환경을 실현하는 데 크게 도움을 주는 효과를 볼 수 있다.

실제 이 기술들은 상용화되어 숯침대에 적용되어 시판 중에 있어 전술한 기술적 요구사항을 현재 기술로 충분히 만족시키고 있어 기술적 어려움은 없는 상태다. 나머지 온돌의 구성요소는 기존의 전통적이거나 혹은 온수 파이프를 이용한 바닥난방 구조를 그대로 따르면 되기 때문에 전기를 이용한 온열효과를 볼 수 있는 숯침대 등 일반 기능성 침대보다 열전원의 유무, 열전도율의 정도, 에너지효율성 등은 훨씬 크게 볼 수 있다.

이렇듯 기존 온돌의 우수함과 숯을 이용한 탄소판넬이 결합된 탄소온돌이 실현된다면 한마디로 원적외선 덩어리 위에서 잠을 자면서 손쉽게 건강한 삶을 영위할 수 있으며, 21세기 새로운 주거문화 창출은 물론 인류의 건강증진, 친환경 거주문화, 에너지효율 극대화를 기대할 수 있다. 여기에서부터 우리는 미래 첨단소재로서의 탄소소재에 대한 접근을 시도할 수 있는 단초를 마련할 수 있을 것이라 감히 주장한다.