흑색화약

1. 소개2. 원리3. 조성비4. 단점5. 사용분야

1. 소개

흑색화약( 黑色火藥, black powder)은 초석과 숯, 황을 혼합해서 만든 검은색의 화약이다. 화약의 시작이자 대표적인 저속폭약.[1] 흑색화약이란 명칭이 붙은 이유는 보통 흑색의 분말로 만들어지기 때문이다.[2]

2. 원리

조성은 질산 칼륨 [3]+ 숯( 탄소)[4]+ 황 [5]이 일정 비율로 혼합된 형태이며, 황의 비율에 따라서 폭연(deflagration) 속도가 조절된다. 복합화약이므로 장전법이나 장전밀도에 따라 다르지만 폭연 속도는 수백m/s 정도이다. 위력계수 [6]는 0.55.

각 물질은 흑색화약의 폭발에 다음과 같이 작용한다.

질산 칼륨(KNO₃\, 초석)은 강력한 산화제로 작용한다.

숯(목탄)은 질산칼륨에 의해 산화되어 이산화 탄소 등의 기체와 열을 만들어낸다.

황은 저온에서도 상대적으로 쉽게 발화해 폭발이 쉽게 일어날 수 있도록 한다.

이 구성물들 중에서 질산염이 가장 중요한 위치를 차지하는데, 질산염이 제대로 기능하지 못한다면 산화제로 활용할 수 있는 물질이 공기 중의 산소밖에 없고, 그건 이미 폭발이 아니라 단순 연소이다.

반대로 가장 중요도가 낮은 것은 황으로, 황이 없더라도 목탄 비율만 잘 조절하면 생각보다 꽤 괜찮은 화력의 흑색화약을 만들 수 있기 때문. 황이 없는 흑색화약은 위력은 좀 줄어들어도 연기가 덜 나는 장점이 있다. 전장식 총기라면 줄어드는 위력은 화약을 더 많이 장전하는 것으로 어느 정도 벌충할 수도 있고. (탄피식이라면 탄피 용량 한계가 있어 부적합한 대처법) 무연화약이 개발되기 직전에 무연화약 비슷한 개념으로 황이 없는 저연 흑색화약을 개발한 적도 있을 정도. 다만 점화 온도가 100도 정도 올라간다는 문제가 있어서 플린트락 총기에 쓰기는 껄끄럽다. 하지만 캡락 총기에서는 별 상관 없는 문제점이다.

연소의 실질적인 연료는 목탄(숯)이 담당한다. 그런데 숯 대신에 순수한 탄소를 쓰면 안 된다! 순수한 탄소는 숯에 비해 점화 온도가 훨씬 높기 때문에, 순수한 탄소를 조합해서 만들면 화약이 아닌 성냥대가리마냥 느린 속도로 불타오를 뿐이다.

목질에 따라, 숯의 가공 상태에 따라 특성도 달라지기 때문에 어떤 목탄이 좋은지에 대해서 저마다 레시피가 존재했다. 어떤 목탄을 쓰느냐에 따라 흑색화약의 반응 속도(빠르고 즉각적으로 격발되느냐, 한박자 느리게 행파이어가 되느냐)나 타고 나서 찌꺼기가 얼마나 남느냐 등 좋은 흑색화약을 결정하는 많은 요소가 영향받는다. 용도에 따른 최적 조성비를 결정하고, 초석과 유황의 순도를 확보하고, 제조 공정을 안정화 시킨 후에는 이제 흑색화약을 개량할 수 있는 부분은 이제 목탄의 질 정도이기 때문에 상당히 중요한 요소다.

연목계 나무는 대개 적합한 편이나, 경목에 속하는 나무도 자주 쓰였다. 예를 들어 오리나무도 탄약용 흑색화약의 숯으로 적합해서 군용으로 쓰였고, 분류상 경목이지만 실제론 연목처럼 가공이 편한 발사나무는 탄약 추진제용 흑색화약의 숯으로는 매우 적합하나, 불똥을 화려하게 빛나게 해야 하는 불꽃놀이용 흑색화약으로는 부적합하다.~~애초에 나무 자체가 너무 비싸서 부적합하기도 하다~~ 오동나무도 경목이지만 탄약용 화약으론 적합, 불꽃놀이용으론 부적합. 소나무는 아시아에서 흑색화약용으로 많이 쓰였는데, 사실 수종의 범위가 넓어서 재배 지역에 따라 연목과 경목 모두 소나무 범위 안에 들어가고, 그래서 각 수종마다 특성이 다르다. 대나무 숯은 추진제용으론 괜찮지만, 불꽃놀이용으론 부적합. 버드나무는 추진제용으로도, 불꽃놀이용으로도 매우 우수한 대표 목질. 사과나무 숯은 대개의 수종이 추진제용으론 부적합하다. 코코넛 숯(야자숯)은 구하기 쉬워서 실험용으로 자주 쓰이긴 하나 추진제용으론 부적합하다는 평.

현대의 흑색화약은 정전기로 인한 폭발을 방지하기 위해 알갱이에 흑연을 도포(코닝)한다.

3. 조성비

현재 사용되고 있는 흑색 화약은 1780년대에 불꽃 제조사들이 발명한 것으로 질산 칼륨 75%, 숯(탄소) 15%, 황 10%의 질량비로 이루어져 있다.[7] 75-15-10은 외우기 쉬워서 현재 대표적인 질량비이지만, 실제론 최적화 비율은 아니다.

과거에는 각국마다 이러한 구성비가 달라서 조선시대에는 중국과 일본의 화약을 각각 '명화약', '왜약'이라고 부르기도 했다. 유럽 역시 각국이 흑색화약 조성비와 위력이 달라서, 영국제 화약이 더 성능이 좋았다 같은 기록이 있다. 한마디로 만든 시대와 만든 나라에 따라 다 성분비가 달랐다.

조합비를 달리 하면 조금 다른 용도로 쓸 수도 있다. 총의 추진제용과 포의 추진제용, 로켓의 추진제용은 조합비가 다르다. 예를 들어 목탄의 탄화가 덜 된 것을 조합해서 만든 경우 갈색으로 보이기 때문에 갈색화약이라고 부르는데, 연소 속도가 느려 대포의 추진제로 적합하다. 화약에 불을 붙이는 도화선도 연소속도가 느린 흑색화약을 흡수성의 삼끈 등에 바르거나 흡수시켜 만든다. 폭죽용 흑색화약은 다양한 색깔을 위해 금속 원소나 자연물 등의 불순물을 혼합한다.

현대에도 과거와 조합비만 다르지 흑색화약은 여전히 사용되고 있다. 대표적으로 블라스팅 파우더라고 부르는, 바위를 깨트리는 등의 광산용으로 사용하는 흑색화약은 질산염 70%, 목탄 14%, 황 16% 비율을 사용한다. 질산칼륨보다 더 싼 질산나트륨을 사용하는 블라스팅 파우더의 경우, 질산염 40%, 목탄 30%, 황 30% 비율로도 만든다. 돈 없는 테러단체나 민병대 등은 로켓이나 트럭 등 좀 덜 정교해도 되는 무기체계에 흑색화약을 대량으로 넣어 쓰기도 한다.

흑색화약은 각 성분을 잘 섞은 혼합물 분말 형태로는 습기에도 약하고 사용하기도 어렵고 성분이 불균일하게 나뉘기도 하므로 알갱이 형태로 가공해서 만든다. 이렇게 흑색화약 가루를 가공해 알갱이 형태로 만드는 것을 코닝(corning)이라고 하며 알갱이의 굵음으로 연소속도를 조절할 수 있다. 같은 화약으로도 알갱이 굵기에 따라 연소 속도와 용도를 나눌 수 있다는 것은 흑색화약의 대표적인 장점 중 하나다. 덤으로 습기에도 강해져서 보관성이 좋아져서 안전성도 올라간다.

코닝은 잘 갈아서 한데 섞어준 흑색화약 가루 혼합물에 적당한 분량의 물을 뿌려 흡수시키고 일정한 틀에 넣어 굳힌 후 다시 절구와 맷돌 같은데 갈아서 적당한 크기의 알갱이로 분쇄시킨 후에 적절한 굵기의 체로 걸러주는 작업이다. 이를 통해 물에 녹은 질산염이 다공질 숯 속으로 파고들어가 재결정화되고 이후 분쇄된 가루를 체에 쳐서 적당한 크기의 입자로 모아 연소속도를 일정한 수준으로 보장할 수 있게 되므로 대포용 장약과 소총용 장약을 구분해서 사용할 수 있게 해 준다. 흑색화약 제조의 핵심이 바로 덩어리가 된 화약을 잘 갈아서 굵은 체와 가는 체로 잘 걸러서 알갱이의 크기를 되도록 균일하게 품질을 균일하게 유지하는 분류 과정이다. 코닝한 알갱이의 굵기에 따라 용도가 갈리는 데 F가 제일 굵고 아래로 내려갈수록 고와진다.

F: 포탄 장약용. 느리게 탄다.

FF: 산탄총, 머스킷 등 대구경 총기에 사용. F보다 조금 빠르게 탄다.

FFF: 권총, 50구경 미만의 소총 등에 사용한다. FF보다 조금 더 빠르게 탄다. 같은 양이면 탄속이 더 나오는 편. 그래서 대구경 머스킷용으로도 애용하는 사람들이 꽤 있다만, 그만큼 약실 압력이 올라가므로 장단점이 있다. 아무래도 총열이 짧고 장약이 적은 권총은 탄속을 뽑기 위해 3F가 좋다.

FFFF: 점화용 화약으로 사용한다. 제일 빠르게 탄다.

체로 치고 남은 고운 먼지 상태의 4F 이하의 화약 가루는, 물 뿌려 굳히기 전 단계의 흑색화약 가루 혼합물에 도로 던져넣어서 다음 제작에 재활용하면 된다.

구성 자체는 단순하지만 그만큼 제조 와중의 사소한 노하우가 실제 성능을 좌우하기에, 의외로 만들기 힘들다. 전근대보다 훨씬 고순도로 정제된 화공약품을 사다가 불을 붙여봤더니 폭발하는 대신 불쏘시개처럼 잘 타버린 적도 있다. 재료의 고른 혼합에 충분히 시간을 들이느냐로 화력 차이가 나는 일도 다반사.

4. 단점

하지만 흑색화약은 만들어질 당시부터 문제가 많았으며 특히 취급과 보관에 상당한 신경을 써야 했다.

발화시 탄매(그을음)과 금속을 부식시키는 연소생성물(특히 수산화칼륨)이 엄청나게 생성된다. 어느 실험에 따르면, 고체형 생성물은 56% 가량에 달하며, 43% 정도만이 탄환을 밀어주는 가스형 생성물이다. 그래서 매번 발사시 마다 꽂을대로 총강에 낀 탄매를 닦아내고 화기를 사용한 다음에는 구석구석 청소를 해주어야 한다. 심지어 전투중에 몇 발만 쏘더라도 재사용을 위해 간략한 청소를 해주어야 동작한다. 머스킷을 장전할 때 탄알과 함께 헝겊을 넣거나, 종이탄피를 사용하는 이유가 바로 이것이다. 천 재질이 총열로 들어가고 발사되는 과정에서 탄매를 닦아내어주기 때문이다.[8] 전투가 끝난 후 이를 잘 청소해주지 않으면 총강이니 약실이 부식하여 불량이나 고장의 원인이 된다.

이는 흑색화약을 사용하는 화기가 자동사격을 할 수 없게 만드는 중요한 원인이었다. 만약 이걸 현용 돌격소총이나 기관총 같은 가스압이나 반동을 이용한 자동화기에 적용한다면 잘 해봐야 서른발 남짓 쏘고 총열을 포함한 가스통로 등이 다 찌꺼기로 막혀버려 작동을 못 한다.[9] 게다가 현장에서 수리가 거의 불가능하고 통로가 아주 막혀버리거나 하는 심한 상황이 되면 아예 병기창에 총을 후송해야 한다. 부사관에게 요구되는 자질 중 하나가 이렇게 막혀버린 총을 수리할 수 있는지 없는지 판단하고, 있으면 그 자리에서 뚝딱 하는 재주였다.

흑색화약 머스킷의 발사 장면.

연소 과정에서 많은 연기를 만든다. 덕분에 흑색화약을 쓴 화승총같은 무기를 2-3발만 발사해도 사수 주변이 흑색과 회색의 연기로 휩싸이며 대포나 화차 등의 무기는 더 이상 말할 필요가 없다. 이 연기는 화기 내부에도 탄매의 형태로 낄 뿐만 아니라, 사수의 시야를 막아서 조준사격을 불가능하게 만들며 질식을 일으킬 수 있는 성분이나 독성 기체도 있다. 이 역시 화기 내부에 불순물이 끼는 문제와 함께 자동사격을 못하게 된 원인이었다. 흑색화약을 주로 사용한 전열보병 시대에는 부대원들을 밀집해 열을 맞춰 정렬시키고 군복도 매우 화려하고 눈에 잘 띄게 디자인하였다. 몇 발 쏘면 벌써 전장 전체가 연막탄을 쓴 것처럼 연기가 자욱해져 이렇게 눈에 잘띄게 하지 않으면 부대를 구분하기 힘들어서 제대로 된 지휘를 할 수 없었기 때문이다. 적의 눈에도 잘 띈 것은 덤. 결국 총기와 화약발전이 전투복 발전에도 영향을 끼친 셈이다. 또한 개별 조준사격이 아니라 집단사격 교리를 채택하게 만들기도 했다. 한두명도 아니고 수백 수천명이 쏘면 연막탄 수준으로 눈앞이 깜깜해지니, 총기 숫자가 늘어날수록 조준사격이 불가능해졌기 때문이다.

습기에 매우 취약해서 비가 오면 사실상 사용이 불가능하다. 질산염이 스스로 물기를 끌어모으는 흡습성이 있어서다. 맑더라도 습기 찬 곳에서는 질산나트륨을 베이스로 한 흑색화약이 덩어리로 뭉치는 경향이 있어서 난감해진다.[10] 질산칼륨을 베이스로 만든 흑색화약은 습기정도는 문제가 없지만 사용하기 힘들어지는 것은 마찬가지. 습기를 먹어 덩어리가 된 흑색화약은 반드시 폐기해야 하는데 사용해보겠다고 두들겨서 가루로 다시 만들다가 까딱하면 터져서 엄청난 인명피해가 발생할 수 있다. 실제로 명나라 말기 이렇게 굳어버린 화약을 명나라 군인들이 다시 사용해 보겠다고 도끼로 쳐서 부수려다가 오히려 폭발해서 도끼로 친 사람과 근처 사람들이 몽땅 날아가버린 사고가 있었다고 한다. 그러다보니 흑색화약을 관리하는 것이 보통 힘든게 아니다.

가루형태의 흑색화약은 성분마다 비중이 달라 브라질 땅콩 효과로 인해 질산염 + 탄소 + 황이 진동 때문에 서로 분리될 가능성이 있다. 이러한 상태의 분말을 그린 믹스라고 하는데 불발이 자주 일어나며 성능 또한 매우 저질이다. 이러한 문제를 막기 위해 위에서 설명한 코닝(corning)이란 작업을 거쳐 만든다. 덤으로 습기에도 강해져서 보관성이 좋아져서 안전성도 올라간다. 하지만 이래도 조해성 문제를 완전히 해결하는 것은 불가능하다.

화력 자체는 무연화약보다 낮은데도 밀폐 공간에서 통 크기로 모아서 불을 붙이면 폭발하는 습성이 있다.[11] 그에 반해 무연화약은 많이 모아서 태워도 폭발이 아닌 연소에 가까운 결과가 나온다. 때문에 소용량 통으로 취급할 때 무연화약보다 훨씬 위험하다. 게다가 흑색화약 쪽은 워낙 점화가 쉽다보니 고폭약보다도 훨씬 사고가 나기 쉽고. 총기의 사용이 보편화된 미국에서는 화약을 통으로도 판매하는데, 무연화약보다는 흑색화약을 더 위험한 물질로 간주한다. 특히 미국에서는 흑색 화약을 많이 구입하면 ATF에서 확인하러 찾아온다.
반면 이 특성은 고폭약이 없던 흑색화약 시대에는 장점으로 쓰이기도 했는데, 성문파괴나 공사장 바위 깨트리기 같은 파괴용 공작용으로도 쓸 수 있는 다용도성을 갖게 되기 때문이다.

정전기에 많이 취약하다. 상당히 민감해서 잘못하면 화약 플라스크 상태로도 펑 터지는 수가 있고, 코닝을 하더라도 이리저리 통을 내돌리다보면 알갱이가 부스러져서 더욱 민감한 작은 가루가 생기게 된다. 요샌 흑연을 도포해서 정전기 점화는 거의 막았는데, 그러지 못했던 옛날엔 그래서 나무나 뿔로 된 플라스크에 화약을 담아 다녔다.[12] 또한 흑색화약 관련 금속 부품(계량컵, 금속제 파우더 플라스크 등)을 반드시 황동이나 플라스틱제로 고집하는 것도 같은 이유에서다. 일반 쇠통이나 쇠컵을 썼다가 정전기가 내부에 전도돼서 폭발할 위험이 크기 때문이다.

5. 사용분야

이렇듯 취급과 보관이 까다롭고 성능도 떨어진다는 이유 때문에 21세기 현재에는 군용으로도 산업용으로도 잘 사용되지 않는다. 무연화약이 개발되자 대부분 그쪽으로 갈아탔고, 특히 개인화기류에서는 무연화약의 개발로 인해 엄폐와 속사가 가능해져 전술상의 이유로도 흑색화약은 버려졌다.

성능과 별개로 무연화약을 구할 수 없어 흑색화약을 쓰는 경우가 있다. 제 2차 세계대전 당시 독일이 무연화약의 부족을 이유로 판처파우스트의 추진제를 흑색화약으로 만든 기록이 있다. 지금도 중동이나 아프리카 등지에서 만드는 사제 RPG-7 추진제는 흑색화약이 흔히 쓰인다. 흑색화약으로 만든 탄약을 M1911, AK-47에 넣고 쏠 수도 있다. M1911은 연기가 좀 많이 나는 것 말고는 정상적으로 발사된 반면 AK는 15발 정도 쏜 후에 잼이 걸렸다. M1911은 발사반동으로 작동해서 별 타격이 없는 반면, AK-47은 가스로 작동하기 때문에 가스관이 막혀버려서 그렇다. 이 영상은 양덕의 취미활동일 뿐이지만, 만일 포스트 아포칼립스 상황이 도래한다면 비축해둔 탄약을 다 쓴 뒤에 이렇게 흑색화약으로 재생탄을 만들어 쓸 수 있을 것이다. 가스튜브를 통해 가스직결식으로 작동하는 AR은 흑색화약 찌꺼기에 좀 더 취약하고, 자동권총이나 SMG같은 반동 작동식(쇼트 리코일, 롱 리코일)이나 블로우백은 서너 탄창까지 조금 더 버티는 편. 그리고 애초에 흑색화약을 사용하던 시대에 사용된 리볼버나 레버액션, 볼트액션 라이플은 무연화약을 사용하는 탄약에 흑색화약을 넣고 쏴도 별 문제없이 작동하는게 대부분이다.

그나마 흑색화약이 현역으로 사용되는 분야는 불꽃놀이용 폭죽. 장난감용 폭죽에 위험한 고성능 고폭약을 쓸 수는 없기 때문인데, 대한민국이나 일본 등 총기 통제가 비교적 엄격한 나라에서는 사제 총기를 만들기 위해 이런 폭죽의 흑색화약을 모아서 사용하는 경우가 많다. 한국의 오패산터널 총격 사건과 일본의 아베 신조 피살 사건 등에 사용된 총기가 이렇게 폭죽에서 흑색화약을 모은 뒤 볼 베어링 용 쇠구슬을 탄환으로, 쇠파이프를 총열로 써서 만들어졌다. 사실상 일회용 총기이고 명중률도 조악하지만 명중만 한다면 인명을 살상할 정도의 위력은 낼 수 있다.

요즘에는 대체 흑색화약(또는 유사 흑색화약, black powder substitute)이란 것도 있다. 현대 전장식 총기에 사용하기 위해 흑색화약과 비슷한 성질을 띠도록 조합한 화약이다. 부피당 화력을 일부러 흑색화약과 비슷하게 조성하고[13] 대신에 무연화약과 같이 탄매 등의 잔여물이 거의 남지 않는다. 고전적인 흑색화약에 비해 점화가 어렵지만, 퍼커션 캡이나 뇌관이 따로 사용되는 총기를 사용한다면 점화 및 발사에는 큰 어려움이 없다. 조성비는 각 회사의 노하우라 자세한 성분비가 알려지진 않은 물건인데, 특성을 보면 아마도 무연화약을 조금 섞어 흑색화약 찌꺼기를 날려버리는 부스터 형식 흑색화약이거나, 무연화약에 연소속도를 줄이고 부피를 늘리기 위한 불순물을 넣은 물건에 가깝지 않을까 추정 중.

[1] 폭속이 느린 low explosive materials. 반대되는 개념으로는 고폭약/고폭발물질 high explosive materials가 있으며 구분기준은 폭심지에서의 최초 충격파 속도가 음속을 넘는가 안 넘는가로 구분한다. 그러나 일반적으로 현대 고폭탄/고폭약의 폭속은 초속 3km, 즉 마하 9 이상이다. 고폭탄은 폭발력/폭발압력/폭압/충격파가 워낙 강력하기 때문에 저폭발물질에 비해 둔감하게 만든다. 그래서 일반적으론 스파크나 불만으로 잘 폭발하지는 않고 별도의 기폭장치가 필요하다. [2] 다만 무연화약이라고 백색이거나 그런 것은 아니고... 대개의 무연화약 역시 검은색. [3] 또는 질산염. 일반적으로는 질산 칼륨이 주로 쓰이는데, 질산암모늄이나 질산나트륨도 사용 가능하다. 과거에는 자연에서 초석을 캐다 썼는데, 자원이 유한하여 여기저기서 초석을 찾아 헤매다 공중질소고정법을 발견하고부터는 만들어 사용한다. [4] 보통은 버드나무, 소나무 숯이 사용된다. [5] 또는 산화철, 그러니까 녹슨 철로도 대체가 가능하다고 한다. [6] TNT의 위력을 1로 놓고 다른 폭약의 위력을 비교한 수치. [7] 유의할 점은 질량비와 조합법은 전혀 다르다. 특히 폭발 문서에도 나오지만 산화/연소/폭발은 본질적으로 같은 반응이기 때문에 질량비가 완전히 같은 물질이라고 해서 언제나 똑같이 폭발한다는 보장은 없다. 게다가 화약의 특성상 재료의 구성비뿐만 아니라 습도, 밀도, 질량, 재료의 순도 등등 수많은 조건에 영향을 받기 때문에 전문적 지식 없이 흑색화약을 만드는 것은 매우 어렵다. [8] 전열보병 시기에도 탄약 휴대량이 50~60여발에 달했으며 레드코트같이 사격에 특화된 사수들이 방어사격을 파부으며 굳히기에 들어가면 이 탄약마저 다 써서 시체를 뒤지는 일도 있었다. [9] 맥심 기관총 초기형(마티니-헨리 소총탄: 흑색화약)처럼 잘만 작동하는 신박한 케이스도 있지만, 무연화약에 비해 불리한 요인 건 확실하다. [10] 이런 상황이라면 현대의 무연화약도 사용할 수 없긴 하다. 하지만 현대에는 금속제 탄피 속에 무연화약을 밀봉해 넣어 상당한 방수성을 갖춘 반면, 흑색화약은 별도의 방수 처리 없이 그대로 사용하는 경향이 큰 탓에 영향을 쉽게 받는다. [11] 무연화약과 흑색화약을 동시에 불을 붙여보면 흑색화약이 훨씬 빨리 타오른다. 처음 불을 붙인 오른쪽이 무연화약, 반쯤 가다 대량의 연기를 뿜으며 순식간에 타들어 가는 것이 흑색화약이다. 대부분의 무연화약은 불만 붙여서는 폭굉이 형성되지 않기 때문이다. 서부영화나 캐리비안의 해적과 같은 영화에서 흑색화약을 한 줄로 뿌려 기폭시키려고 할 때 화약이 천천히 타들어가는 것은 실제로 일어나기 어려운 일이다. 실제론 무연화약이 그 정도 속도로 타야 정상이다. 흑색화약으로는 일부러 불량한 상태로 혼합하는 등 잘못 만들어야 연소 속도가 느려진다. [12] 미국 초창기 이민시대 사냥꾼들이 뿔 플라스크를 차고 다니는 걸 매체에서 흔히 볼 수 있다. [13] 위력이 너무 강하거나 계량 부피가 달라지면 흑색화약용 장비를 써서 재래식 전장총에 화약을 쟀다가는 총이 터질 위험이 있기 때문이다.