화약의 진짜 병목은 염초였다 — 흙에서 질산칼륨을 긁어내던 공정과 그 한계

고려 말, 최무선은 중국 강남에서 오는 상인을 만날 때마다 같은 것을 물었다. 화약은 어떻게 만드느냐고. 어느 상인이 대강은 안다고 하자 집으로 데려가 옷과 음식을 주며 수십 일을 붙잡고 물었다. 그렇게 요령을 얻은 뒤 집안의 종들에게 익히게 해 시험했고, 몇 해에 걸친 건의 끝에 1377년 10월 화통도감 설치 허가를 받아냈다. 3년 뒤인 1380년 진포에서, 1383년 관음포에서 그 결과가 나타났다.

이 이야기는 대개 ‘화약 제조법을 알아낸 집념’으로 읽힌다. 그런데 기술사 쪽에서 보면 질문의 무게가 달라진다. 화약 제조법의 어느 부분이 그렇게 알아내기 어려웠던 걸까. 배합비 자체는 비밀이라 할 것도 없다. 어려운 것은 따로 있었다.

세 성분 중 둘은 쉽고 하나가 어렵다

흑색화약의 표준 구성은 질산칼륨 75퍼센트, 숯 15퍼센트, 황 10퍼센트다. 각 성분의 역할은 명확하다. 숯이 연료고, 황은 발화 온도를 낮추고 연소를 돕는다. 그리고 질산칼륨이 산화제다. 질산기가 지속적으로 산소를 공급해 나머지 성분의 연소와 폭발을 밀어붙인다.

화약이 밀폐된 총열 안에서도 타는 이유가 여기 있다. 바깥 공기가 필요 없다. 산소를 자기가 들고 들어간다. 화약의 본질은 이 자급식 산화제에 있다.

조달 난이도를 보면 세 성분의 처지가 완전히 다르다.

숯. 나무를 태우면 된다. 어디서나 만들 수 있고 값도 싸다.

황. 광물로 산출되며 화산 지대에서 비교적 쉽게 얻는다. 한반도 사정에서는 수입에 의존한 면이 있으나, 어쨌든 ‘어딘가에 광물 형태로 존재하는 것을 가져오는’ 문제다.

질산칼륨. 여기서 막힌다. 질산염은 물에 대단히 잘 녹는다. 비가 오면 씻겨 내려간다. 그래서 천연 질산염 광상은 비가 거의 오지 않는 극도의 건조 지대에만 축적된다. 오늘날 천연 질산염 광상이 칠레 아타카마 사막에 집중된 것도 그 때문이다. 다만 그곳에서 나는 것은 질산칼륨이 아니라 질산나트륨, 이른바 ‘칠레초석’이어서 화약에 그대로 쓸 수 있는 물질도 아니다. 사계절 비가 내리는 한반도에는 그런 광상이 있을 수 없다.

즉 조선에서 질산칼륨은 캐 오는 물질이 아니라 만들어 내야 하는 물질이었다. 최무선이 수십 일을 붙잡고 물어야 했던 요령의 핵심도 여기였을 것이다.

어떻게 만드나 — 미생물이 먼저 일한다

원리는 이렇다. 자연에 질산염을 만들어 주는 존재가 있다. 토양의 질산화 세균이다.

동물의 배설물과 오줌에는 요소와 단백질 형태의 유기 질소가 들어 있다. 이것이 분해되면 암모니아가 나오고, 토양의 세균이 암모니아를 아질산으로, 다시 질산으로 산화시킨다. 만들어진 질산 이온은 흙 속의 칼슘·마그네슘·칼륨과 결합해 질산염 형태로 남는다.

그래서 사람과 가축이 오래 머문 자리의 흙에는 질산염이 축적된다. 마구간 벽, 오래된 집의 마루 밑, 담장 아래, 온돌 아궁이 주변처럼 비를 직접 맞지 않으면서 유기물이 꾸준히 공급된 흙이 표적이 된다. 비를 맞으면 씻겨 나가므로 반드시 지붕 밑 흙이어야 한다는 점이 중요하다.

유럽에서는 15세기 초부터 아예 이것을 인공적으로 조성했다. 배설물과 흙을 섞어 쌓아 두고 미생물이 질산염을 만들게 하는 ‘니터 베드’다. 기다림으로 물질을 생산하는 방식이었다.

흙에서 결정까지 — 세 번의 분리

거둬 온 흙이 곧바로 화약이 되는 것은 아니다. 세 단계의 분리가 필요하다.

첫째, 물로 우려낸다. 흙을 물에 담가 질산염을 녹여 낸다. 질산염은 물에 잘 녹고 흙의 대부분은 녹지 않으므로 이 단계에서 분리된다. 다만 이때 얻어지는 것은 대개 질산칼슘과 질산마그네슘이다.

둘째, 잿물로 칼륨으로 바꾼다. 여기가 공정의 핵심이다. 질산칼슘은 흡습성이 강해서 공기 중 수분을 빨아들인다. 이런 상태로는 화약을 만들어도 눅눅해져 제 성능이 나오지 않는다. 반드시 칼륨염으로 바꿔야 한다.

나무를 태운 재를 물에 우려내면 탄산칼륨이 녹아 있는 잿물이 나온다. 이 잿물을 질산칼슘 용액에 넣으면 다음 반응이 일어난다.

Ca(NO₃)₂ + K₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2KNO₃

탄산칼슘은 물에 거의 녹지 않아 흰 앙금으로 가라앉고, 질산칼륨은 용액에 남는다. 앙금을 걸러 내면 원하는 물질만 남긴 용액이 된다. 영문 자료에서 ‘흙에서 물로 뽑아낸 질산염을 나무재를 더해 초석으로 정제한다’고 기술하는 공정이 정확히 이것이다.

셋째, 끓여서 결정으로 뽑는다. 용액을 졸인 뒤 식힌다. 질산칼륨은 온도에 따른 용해도 차이가 매우 큰 물질이라, 뜨거울 때 많이 녹아 있다가 식으면 결정으로 석출된다. 반면 함께 섞여 있던 소금은 온도가 내려가도 용해도가 거의 변하지 않아 용액에 남는다. 온도 차이만으로 두 물질을 갈라내는 분별 결정이다. 순도를 높이려면 이 과정을 반복한다.

정리하면 조선의 염초 제조는 미생물학, 침전 반응, 용해도 차를 이용한 분리를 순서대로 밟는 화학 공정이었다. 이론적 설명이 없던 시대에 경험으로 확립된 절차였다는 점이 놀랍다.

그리고 이 공정의 한계

문제는 이 공정이 대단히 비효율적이었다는 데 있다.

수율이 낮다. 흙 속의 질산염 농도는 원래 희박하다. 상당한 양의 흙을 파서 우려내야 얼마 되지 않는 결정이 나온다. 화약 한 근을 만들기 위해 옮겨야 하는 흙의 양이 그 자체로 부담이었다.

시간이 오래 걸린다. 질산화는 미생물의 활동이라 사람이 재촉할 수 없다. 흙을 한 번 파낸 자리에 질산염이 다시 쌓이려면 오랜 시간이 필요하다. 같은 장소를 반복해서 수확할 수 없다는 뜻이다.

민간에 부담이 간다. 질산염이 모이는 곳은 사람이 사는 집 주변이다. 마루 밑과 담장 아래의 흙을 걷어 간다는 것은 남의 집을 파헤치는 일이다. 국가가 염초를 확보하려 할수록 민가와 마찰이 생기는 구조였다.

연료를 먹는다. 우려낸 물을 졸이는 데 장작이 든다. 숯도 나무고 연료도 나무다. 화약 생산이 임산 자원 소비와 직결됐다.

계절을 탄다. 미생물 활동도, 야외에서의 용액 농축도 기온의 영향을 받는다.

이 다섯 가지가 겹치면 결론은 하나다. 화약은 늘 모자랐다. 전근대 전쟁에서 화기의 사용이 예상보다 절제되어 보인다면, 그것은 기술 수준의 문제가 아니라 재고의 문제였을 가능성이 크다. 화포는 한 번 주조하면 수십 년 쓰지만 화약은 쏘는 순간 사라진다. 화력의 상한을 정한 것은 대포의 성능이 아니라 염초의 연간 생산량이었다.

염초가 국가 통제 물자가 되고, 제조법이 기밀로 다뤄지고, 관련 관청이 따로 설치된 이유가 여기 있다. 최무선이 화통도감 설치를 몇 해에 걸쳐 건의해야 했던 것도, 이것이 개인의 기술이 아니라 국가 규모의 생산 체계를 요구하는 일이었기 때문이다.

실무 적용 — 이 이야기를 어디에 쓸 것인가

• 완제품이 아니라 소모품을 본다 — 화포는 자산이고 화약은 소모품이다. 어떤 체계의 실제 가동률은 대개 재생산이 어려운 소모품이 결정한다.
• 병목은 가장 비싼 부품이 아니라 가장 구하기 어려운 부품이다 — 화약 세 성분 중 값이 아니라 조달 가능성이 문제였다. 공급망을 점검할 때 단가표만 봐서는 병목이 보이지 않는다.
• 생물학적 공정에는 리드타임이 있다 — 질산화는 돈을 더 써도 빨라지지 않는다. 시간이 물리적 제약인 공정은 재고를 미리 쌓는 것 외에 방법이 없다.
• 유물의 수량을 성능의 증거로 읽지 않는다 — 화기 유물이 많다고 화력이 충분했다는 뜻은 아니다. 탄약 보급 기록이 함께 있어야 판단이 선다.

유물을 볼 때 확인할 것

박물관에서 조선 화기를 만나면 대포 자체보다 함께 놓인 것들을 보는 편이 재미있다. 화포에 넣어 쏘던 대형 화살, 화약을 담던 용기, 발사체의 형태가 그 시대의 화약 사정을 말해준다. 둥근 탄환 대신 화살 형태 발사체를 오래 쓴 것도 화약량과 총열 구조의 조합에서 나온 선택이다.

국립중앙박물관을 비롯한 주요 박물관과, 임진왜란·병자호란 관련 유적지 전시관에서 조선 화기 유물을 볼 수 있다. 개별 유물의 지정 현황과 소장처는 국가유산청 국가유산포털에서 조회할 수 있으며, 전시 교체가 잦으므로 방문 전 확인을 권한다.

화약의 역사를 배합비로 기억하면 절반만 아는 것이다. 그 75퍼센트를 어디서 어떻게 구했는가 — 진짜 이야기는 거기 있다.

최무선의 화약법 습득 경위와 연도는 한국학중앙연구원 『한국민족문화대백과사전』 「화통도감」 항목에, 염초 자취법과 화약 배합에 관한 서술은 같은 사전의 「신전자초방」·「화포식언해」 항목에 따랐습니다. 본문의 화학 반응식과 분별 결정 원리는 표준 무기화학의 내용을 정리한 것이며, 조선의 구체적 염초 생산량·소요 흙 무게 등 수치는 확인된 자료를 찾지 못해 제시하지 않았습니다.