신문은 선생님

새 학기를 맞았습니다. 우리는 학교에서 공부하면서 매일 연필로 글씨를 쓰죠. 미술 시간에는 연필로 멋진 풍경을 그리곤 하지요. 그러다 틀린 부분이 생기면 지우개로 쓱쓱 문질러 다시 고칩니다. 그렇게 연필의 검은 흔적은 어느 순간 깨끗하게 사라집니다.

너무 익숙한 장면이지만, 잠깐만 멈춰 생각해보면 신기하지 않나요? 물감처럼 번지지도 않고, 볼펜처럼 잉크가 흐르는 것도 아닌데 어떻게 또렷한 선이 생길까요? 그리고 지우개로 지우면 종이에 남아 있던 선은 어디로 사라지는 걸까요?

글씨가 생기고 사라지는 순간, 종이 위에서는 아주 작은 입자들의 이동이 일어납니다. 눈에 보이지 않는 세계에서 물질이 붙었다가 떨어지고, 자리를 옮깁니다. 우리가 연필을 움직이는 동안 종이 표면에서는 원자 수준의 변화가 진행되고 있는 셈입니다. 이 놀라운 현상의 출발점에는 한 가지 원소가 있습니다. 바로 탄소입니다. 오늘은 연필 속에 숨은 탄소에 대해서 알아볼게요.

연필심 흑연, 어떤 구조일까?

연필심은 탄소 원소로 이루어진 '흑연'이라는 물질로 만들어집니다. 흑연 속에는 탄소 원자들이 서로 단단히 연결돼 육각형 모양을 이루고 있는데, 그 모습이 마치 벌집처럼 보입니다. 이 육각형 구조가 모여 하나의 얇은 판을 이루고, 그런 판들이 여러 겹으로 차곡차곡 쌓인 것이 흑연입니다. 얇은 종이를 여러 장 포개 놓은 모습과 비슷하다고 생각하면 이해하기 쉽습니다.

한 장의 판 안에서는 탄소 원자들이 강하게 붙어 있지만, 판과 판 사이에는 비교적 약한 힘만 작용합니다. 그래서 종이 뭉치를 옆으로 밀면 한 장씩 미끄러지듯이, 흑연의 층도 서로 쉽게 미끄러집니다. 그래서 연필로 종이를 문지르면 가장 끝에 있는 얇은 층이 살짝 떨어져 나옵니다. 그 작은 조각들이 종이 표면에 붙으면서 우리가 보는 연필의 흔적이 만들어지는 것이지요. 결국 연필이 글씨를 남길 수 있는 이유는 바로 흑연의 겹겹이 쌓인 구조 덕분입니다.

그럼 연필에서 떨어져 나온 흑연 조각은 어디로 갈까요? 그 답은 종이의 구조를 알면 알 수 있습니다. 종이는 나무에서 얻은 아주 가는 섬유들이 서로 얽혀서 만들어집니다. 겉으로 보면 매끈해 보이지만, 실제로는 틈이 많은 울퉁불퉁한 표면을 가지고 있습니다. 현미경으로 들여다보면 작은 홈과 돌기가 가득해요.

연필로 종이를 문지르면 떨어져 나오는 흑연의 탄소 조각들은 종이 위에 단순히 얹히는 게 아닙니다. 섬유 사이 틈으로 들어가 자리를 잡는 거지요. 종이와 연필심 사이에 생기는 마찰이 흑연을 벗겨내는 동시에, 그 조각을 종이 표면에 눌러 붙게 만드는 역할을 하는 것입니다.

탄소 입자가 종이 섬유 사이에 자리 잡기 때문에 연필 자국은 쉽게 지워지지 않고 또렷하게 남게 됩니다. 결국 연필을 사용하는 건 흑연 조각이 종이 섬유 사이에 안정적으로 자리 잡는 과정이라고 할 수 있습니다.

지우개는 탄소를 옮기는 역할

그렇다면 지우개는 이 탄소 입자를 어떻게 없애는 걸까요? 지우개는 흑연을 녹이거나 화학 반응으로 없애는 것이 아닙니다. 대신 마찰력과 점착력이라는 물리적 힘을 이용합니다. 지우개는 말랑하고 탄성이 있는 재질로 만들어지는데, 이런 성질 덕분에 종이와 문질러질 때 적당한 마찰력이 생겨납니다.

지우개로 종이를 문지르면 종이와 지우개 사이에 마찰력이 생기고, 이 힘이 종이 섬유 사이에 붙어 있던 흑연 입자를 조금씩 떼어냅니다. 떨어져 나온 흑연 조각은 공중으로 날아가는 것이 아니라 지우개 표면에 달라붙습니다. 지우개는 마찰력으로 흑연을 떼어낸 뒤, 점착력으로 흑연 입자를 붙잡기 때문입니다.

지우개를 계속 사용하면 지우개 일부가 떨어져나와 지우개 가루가 생기죠. 지우개 가루는 회색빛을 띱니다. 그 안에는 흑연, 즉 탄소가 섞여 있습니다. 결국 글씨를 지운다는 것은 종이에 붙어 있던 탄소 입자가 지우개로 자리를 옮기는 과정이라고 할 수 있습니다.

지워지는 볼펜

연필은 흑연이라는 고체 입자를 종이에 남기는 방식입니다. 반면 볼펜은 연필과 달리 액체 상태의 잉크를 사용합니다. 펜 끝에는 아주 작은 금속 구슬이 있는데, 우리가 글씨를 쓸 때 이 구슬이 종이 위를 굴러가면서 잉크를 얇게 펴 바르는 역할을 합니다. 이 잉크는 액체이기 때문에 종이 섬유를 물들이며 색을 남깁니다. 마치 물이 종이에 닿으면 천천히 퍼지듯, 볼펜 잉크도 종이 내부까지 침투해 색을 남기는 것이지요.

볼펜 잉크는 종이 섬유에 물들기 때문에 단순히 마찰력만으로는 쉽게 제거되지 않습니다. 그렇다면 요즘 나오는 지워지는 볼펜은 어떻게 가능할까요? 지워지는 볼펜에는 '열 반응 잉크'가 들어요. 이 잉크는 온도에 따라 색이 보였다가 사라지도록 만든 물질입니다. 지워지는 볼펜으로 글씨를 쓴 뒤 펜 뒤에 달린 고무로 문지르면 마찰력이 생기고, 그 과정에서 열이 발생합니다.

이 열 때문에 잉크 색이 투명하게 바뀝니다. 중요한 점은 잉크가 없어지는 것이 아니라, 우리 눈에 보이지 않게 되는 것이라는 사실입니다. 그래서 아주 차가운 곳에 두면 색이 다시 나타나는 경우도 있습니다. 온도가 낮아지면 색소 구조가 다시 원래 상태로 돌아가기 때문입니다.

우리가 매일 반복하는 '필기'라는 행동에는 탄소, 마찰력, 열과 같은 과학 개념이 함께 작용하고 있습니다. 종이 위에서 항상 물질의 이동과 변화가 일어나고 있는 셈이죠. 우리가 남긴 연필 글씨 한 줄은 탄소가 만들어낸 과학의 흔적입니다.