철강 엔지니어링 - 인류 문명 지탱하는 팔방미인 재료
| 글 | 이경우/서울대 공대 재료공학부 교수ㆍyikw@snu.ac.kr |
철의 역사는 문명의 역사다. 지금까지 인류가 발전시킨 문명은 철을 바탕으로 하고 있다. 철은 지구상에 많이 존재하는 재료며 쉽게 채취할 수 있고 가공도 쉽다. 더욱이 재활용이 쉽기 때문에 환경이나 자원고갈 문제에 대한 걱정이 없다. 앞으로의 인류 문명도 철을 기반으로 계속 발전할 것이다.
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길고 긴 기간 동안 꾸준히 문명을 발달시켜 오던 인류가 급격하게 발전을 이루기 시작한 것은 철을 만들고 사용하기 시작하면서부터다. 고도의 문명을 자랑하던 이집트가 변방의 소아시아 군대에 패배한 것은 바로 무기 때문이었다. 연약한 청동기 무기나 깨지기 쉬운 석제 무기는 소아시아 인들이 사용했던 강인한 철제 무기의 상대가 될 수 없었다.
물론 청동기 시대에서 철기 시대로의 이행이 단순하게 무기의 좋고 나쁨에 의해서 결정된 것은 아니다. 무기에서 철의 우수한 성질이 빛을 발하지만, 철의 진정한 장점은 도구로 사용될 때 나타난다. 예를 들어 초기 농경 사회에서 철제 농기구의 등장은 농업 생산성의 획기적인 증대로 이어졌다.
이런 농기구나 칼(무기가 아닌 생활 용품으로써의 칼)은 간단한 모양을 갖고 있어서 어떠한 재료를 사용해서도 상대적으로 쉽게 만들 수 있는 도구다. 그러나 그동안 인류는 1백개 이상의 원소를 발견해 주기율표를 채워왔지만, 그 수많은 재료중에서 철 이외에 농기구나 칼로 사용될 수 있는 재료를 찾는 것은 거의 불가능하다. 그만큼 철이 도구로 사용되기에 우수한 성질을 갖고 있다는 의미다.
무기나 간단한 모양의 도구에 사용되기 시작한 철은 그 자체로 철을 다루는 기술을 갖고 있는 집단에게 강력한 경제력과 힘을 가져다 주었다. 그리고 철 가공 기술의 발달에 따라서 점차로 철이 사용되는 분야가 늘어나기 시작했다. 이후 인류의 문명 발달은 철이 사용되는 분야가 넓어지는 과정이라고 보아도 크게 무리가 없다.
현대에 우리가 사용하거나 이용하는 물건을 들여다보면 대부분 철로 만들어져 있거나 철이 들어있다. 그리고 그 모양도 단순한 농기구와는 달리 매우 복잡한 모양을 하고 있다. 이렇게 철이 광범위하게 사용되는 이유는 철이 우수한 성질을 가졌을 뿐 아니라 가공도 쉽기 때문이다.
무한한 최적의 자원, 철
철이 도구에 사용되기에 적당하다는 것은 지구상에 살고 있는 인류에게는 큰 행운이다. 그 이유는 철이 지구상에서 충분하게 얻을 수 있는 자원이기 때문이다. 인구의 급격한 팽창과 개인 소비의 증가에 따라 인류는 모든 종류의 자원 고갈에 대해 걱정하고 있다.
그러나 인류가 가장 많이 사용하는 재료인 철의 자원(철광석)은 현재까지 파악돼있는 매장량만으로도 앞으로 수백년 동안 자원 고갈에 대한 걱정을 하지 않아도 된다. 예를 들어 브라질에서 현재 알려져 있는 매장량만으로도 인류가 1백년은 사용할 수 있다. 또한 지금까지 사용됐던 철이 회수돼서 다시 자원이 되기 때문에 철은 거의 무한한 자원이라고 볼 수 있다.
사실 지구는 훨씬 더 많은 철을 갖고 있다. 아니 지구 자체가 철로 이뤄져 있다고 할 수 있다. 내핵이나 외핵의 구성 성분은 대부분 철이다. 물론 인류는 아직 지구의 핵을 구성하는 재료를 이용하는 기술이 없기 때문에 이것은 실제 자원은 아니다. 인류가 철의 자원으로 사용하는 것은 지구가 생성되던 시기에 지구의 주요한 구성 성분인 철이 산소와 화학반응해 만들어진 산화철이다. 지구의 주성분이 철이기 때문에 산화철이 많은 것은 당연한 이치다.
인류가 살고 있는 지각은 대부분 금속의 산화물로 구성돼 있다. 따라서 지표면 근처의 지각 성분을 분석해 보면 산소가 46.6%로 가장 많다. 산소 이외의 원소를 보면 실리콘(27.7%)이 가장 많고 다음으로는 알루미늄(8.1%), 철(5.0%) 순서다. 이 외에도 칼슘이나 칼륨, 나트륨, 마그네슘 등이 2-3% 존재한다.
전지 사용 시간 늘인 숨은 공신
지표의 양이 막대하기 때문에 1%라 해도 대단히 많은 양이다. 따라서 이 재료들은 매장량으로 보면 모두 산업의 기본 재료로 사용될 가능성이 있다. 여기서 하나 더 고려해야할 변수는 광석이 대부분 산화금속 형태로 돼 있기 때문에 실제 인류가 사용하기 위해서는 산화금속에서 산소를 떼어 내야 한다는 사실이다. 그런데 철 이외에 지각에 많은 다른 원소들의 산화물은 산소와의 결합력이 너무 세기 때문에 산소를 제거하기 위해서 철에 비해 매우 큰 에너지를 투입해야 한다.
물론 철을 얻기 위해서도 적지 않은 에너지가 필요하다. 철이 성질이 우수함에도 청동기 문화가 먼저 나올 수 있었던 이유가 철을 얻기 위한 온도(최소한 1천3백℃)가 청동기를 구성하는 재료들을 얻을 수 있는 온도(6백-9백℃) 보다 높기 때문이다. 따라서 고온을 다루는 기술이 미약하던 시기에는 인공적으로 철을 얻을 수 없었다. 청동기를 구성하는 재료들 같이 철보다 낮은 온도에서 얻을 수 있는 재료들도 많이 있다. 그런데 자연계에서 철보다 적은 에너지로 얻을 수 있는 금속들은 대부분 매장량도 적고, 강도 등이 약하기 때문에 산업의 기본 재료로 사용될 수 없다.
소규모 대장간들에서 생산된 철을 기반으로 발전해오던 인류는 18세기 후반부에 철의 대량 생산에 성공하면서 산업 혁명을 맞이한다. 대량 생산된 철은 각종 기계, 운송 수단, 그리고 건축물 등에 사용되기 시작했다. 각 분야에서 철의 우수한 특성을 활용하는 기술이 발달하면서 급속하게 산업의 발전이 이뤄지게 된다.
예를 들어 돌이나 나무가 주재료였던 건축물은 철을 사용함으로써 높이나 크기의 한계를 극복할 수 있었다. 교량을 예로 들어보자. 1779년 철을 사용한 최초의 다리인 아이언 브리지가 세워지기 전까지는 개수도 제한적이었고, 다리가 세워질 수 있는 폭도 한계가 많았다. 그러나 철이 사용되기 시작하면서 교량의 건설이 급격하게 늘어났다. 1920년대에 세워진 샌프란시스코의 골든게이트 브리지(금문교)는 주기둥 사이의 간격이 1천3백m에 달하는 현수교로 강철 기술 발전의 상징이었다.철의 강도가 향상됨에 따라서 다리의 간격이 계속 긴 다리들이 건설되고 있다.
철로 된 기념비적인 건축물로 1889년에 세워진 유명한 파리의 에펠탑이 있다. 이 탑은 강철 이전의 재료인 연철로 만들어진 것으로 건축물의 주재료가 철로 변화했음을 보여주는 상징적인 건축물이다. 20세기에 들어와서는 고강도의 강철을 사용한 초고층 건축물들이 계속 세워지고 있다. 이렇게 다리의 장대화나 건축물의 고층화 등은 건축 기술의 발달보다도 건축 재료인 철강의 성질 향상에 더 크게 의존한다.
수송 수단인 자동차나 선박도 모두 철 재료의 적용과 성질 개선에 힘입어서 발전하고 있다. 대량 생산이 가능한 철 재료를 사용하지 않았다면 현재와 같은 자동차의 대량 생산은 꿈도 꾸지 못할 일이다. 자동차의 안전성 향상, 성능 향상 등 상당 부분도 철 재료의 성능 개선에 의존하고 있다. 또한 범선에서 시작해서 현재와 같은 대규모 운송선, 유조선, 대형 관광선이나 항공 모함, 그리고 잠수함 등은 모두 철의 성능 향상에 따라 발전하고 있다.
이 외에도 각종 기계나 전기 제품 등의 눈에 잘 보이지 않는 내부의 주요 부분은 대부분 철로 구성돼 있으며, 다른 재료가 사용됐던 부분들도 점차로 철로 대치되고 있다. 예를 들어서 플라스틱이나 알루미늄이 대부분이었던 음료수 등의 용기가 최근에는 철제(스틸캔)로 대체되고 있으며, 대부분의 주방 용품의 주재료가 녹슬지 않는 스테인리스강인 것은 이미 오래 전 이야기다.
이런 철의 역할은 기계공업뿐만 아니라 전자공업의 발전에도 기여하고 있다. 우리가 많이 사용하는 미니 카세트를 생각해 보자. 시간이 갈수록 전지를 사용하는 시간이 길어지고 있다. 이것은 전지의 용량 증가에도 일정 정도의 영향이 있지만, 기본적으로는 카세트의 핵심 역할을 하는 모터의 철심에 사용되는 전기 강판의 성능이 향상돼 모터의 효율이 증가했기 때문이다.
우리나라 산업 경쟁력의 원천
또한 텔레비전 브라운관 크기가 계속 커지면서도 선명한 화면을 보여주는 까닭은 인바(invar)라고 하는 열에 의한 변형이 거의 없는 고성능 합금 덕분이다. 브라운관에는 전자총에서 나온 빛을 서로 간섭 없이 형광판에 도달할 수 있도록 도와주는 섀도 마스크(shadow mask)가 있다. 이 섀도 마스크는 열을 많이 받아 변형돼 색상이나 선명도를 유지하기 어려웠다. 그런데 인바 합금을 사용한 마스크는 온도가 올라가도 원래 모양을 유지하기 때문에 선명도를 유지한다. 이 외에도 각 산업 분야에서 활약하는 철을 찾는 것은 아주 쉬운 일이다.
우리 생활에 밀접하게 연관돼 있고 산업 발달의 기초가 되는 철강 산업은 크게 철 제조 산업, 철 가공 산업 그리고 철 제품 산업으로 나눌 수 있다.
철 제조 방법은 크게 두가지로 나눠진다. 하나는 철광석에서 산소를 제거해 철을 만드는 방법이다. 이 방법은 철과 석탄을 같이 가열함으로써 탄소를 사용해서 산화철을 철로 환원시킨다. 초기에는 이런 철이 바로 사용됐지만, 최근에는 환원된 철의 불순물을 제거하는 정련 공정을 거침으로써 더 우수한 성질의 철강을 생산하고 있다.
다른 방법은 고철을 용해해서 재사용하는 방법이다. 즉 고철을 전기로에서 전기 에너지를 사용해서 용해하고, 용해된 철에서 불순물을 제거하거나 성분 조절을 해 다시 사용할 수 있는 철강을 생산한다. 현재 국내에서는 철광석을 사용해서 제조하는 철이 전체 철 생산량의 반이 넘는 수준이지만, 점차 고철을 용해해서 제조하는 철의 양이 늘어나고 있다.
이렇게 제조된 철은 철 가공 산업에서 압연 공정을 거쳐서 판재나 선재와 같은 다양한 형태의 중간재로 만들어진다. 또한 가공 산업에서는 각종 표면 처리를 통해서 철의 내식성을 향상시켜 극한 조건에서 철이 견딜 수 있게 하기도 한다. 표면에 각종 무늬를 만들어서 건축의 내장재로 사용할 수 있도록 가공하기도 한다.
우리나라는 1인당 철 소비량이 세계 최대에 이를 정도로 철 제조 산업이나 가공 산업이 발달해 있고 국제 경쟁력을 갖고 있다. 또한 철 제조 산업과 철 가공 산업은 우리나라 산업의 중심 부분인 여러 철 제품 산업의 경쟁력의 원천이 돼 왔다. 세계 제일의 생산능력을 보이는 조선 산업이나 놀라운 발전을 거듭하고 있는 자동차 산업은 모두 국제 경쟁력을 갖추고 있는 철 산업의 뒷받침이 있기에 가능한 것이다.
무궁무진한 개선 가능해
앞으로 철의 위상에 대해서도 철의 시대가 계속 될 것이라고 단언할 수 있다. 그 이유는 앞에서 든 여러가지 이유들을 만족시키는 대체 재료를 찾는 일이 불가능하기 때문이다. 또한 인류 역사와 더불어 발달해온 철강을 다루는 고도의 기술 수준이 있기 때문에 다른 어느 재료보다도 인류에게는 다루기 쉬운 재료라는 것도 큰 장점이다. 철의 시대가 계속 된다는 것은 앞으로도 철강 재료의 성능 개선에 따라서 각 산업 분야의 발전에 큰 영향을 미친다는 것을 의미한다.
앞으로 철강 기술의 발전 방향을 살펴보자. 우선은 철강의 고순도화가 계속 진행될 것이다. 현재 철강 내의 불순물들의 농도는 수십ppm(1ppm은 1kg에 1mg의 불순물이 들어있는 농도) 정도다. 반도체에 사용되는 고순도 실리콘 내에 산소 불순물이 10-20ppm 함유돼 있는 것과 비교하면 거의 반도체 수준에 육박하는 고순도 제품이 얻어지고 있는 것이다. 앞으로 철강 재료의 고순도화는 불순물의 농도가 반도체 수준이나 그 보다 낮은 수준으로 진행될 것이다. 이런 고순도화 기술이 확보되면 철의 가공성이나 성능이 더욱 향상해 새로운 산업 분야를 만들어 낼 수 있을 것이다.
또한 다른 재료와의 조화 속에 새로운 기능성을 갖는 제품들이 얻어질 것이다. 철의 시대가 강화된다는 것이 모든 재료가 철로 대체된다는 것은 아니다. 지구상의 각 원소들은 각각의 특징과 장점을 갖고 있으며, 이런 각 재료의 장점과 철의 보편적인 장점이 결합해서 새로운 기능을 갖는 재료들이 만들어질 수 있다.
이런 재료들의 결합으로 우선 생각할 수 있는 것은 합금이다. 철에 니켈과 크롬이 첨가돼서 만들어진 녹슬지 않는 철 바로 스테인리스강은 개발 초기에는 아주 값비싼 재료로 소수만이 사용할 수 있었다. 하지만 이제는 주방 용품이나 건축의 외장재 등 우리 눈에 가장 잘 띄는 재료가 됐다.
이 외에도 심한 변형에도 약간의 열만 가해주면 쉽게 원래의 모습으로 복원되는 형상 기억합금이나 철선 한가닥으로 자동차를 들 수 있는 고강도의 비정질 금속 등은 몇가지 원소들의 합금으로 만들어져서 재료 자체가 특수한 기능을 갖게된 재료들이다. 이런 합금의 세계는 가능한 조합이 무궁무진하기 때문에 앞으로도 어떤 새로운 기능을 갖는 재료가 나타날지 알 수 없는 미지의 세계라고 하겠다.
합금이 서로 다른 원소들이 만나서 단일한 상태로 되는 것을 의미한다면, 이미 서로 다른 재료의 모습이 된 상태에서 서로의 장점을 살릴 수 있는 조합의 형태를 복합 재료라 한다. 건축물에 많이 사용되는 철근 콘크리트와 같은 모습을 상상하면 된다. 복합 재료를 구성하는 각 성분의 장점을 살려줌으로써 한개의 재료가 갖고 있는 한계를 극복하는 것이다.
예를 들어서 구리는 전기 전도도는 좋지만 가격이 비싸고, 강도가 약한 특성이 있는 반면에 철은 전기 전도도가 낮지만 강도가 강한 특성이 있다. 그런데 교류가 흐르는 전선에서 전류는 대부분 표면부를 따라서 흐르기 때문에 내부는 철을 사용하고 외부에 구리를 입힌다면 두개의 장점을 살리는 전선이 된다. 이런 복합 재료는 비단 금속과 금속뿐만 아니라 금속과 세라믹, 고분자와 같이 서로 다른 종류의 재료들 사이에서도 활발한 연구와 새로운 복합 재료의 개발이 계속 이뤄지고 있다.
철강 재료의 고순도화, 합금이나 복합 재료를 통한 성능 향상을 바탕으로 미래 산업들은 발달해 갈 것이다.
재활용으로 환경 오염도 적어
철의 사용이 유지될 뿐 아니라 더 늘어나게될 큰 이유 중의 하나로 환경 문제를 들 수 있다. 현재까지 알려진 바에 따르면 모든 금속 중에서 철이 거의 유일하게 인체에 해가 없는 재료다. 사실 철은 인류가 가장 많이 접해온 금속이며 지금까지 특별한 유해성이 발견되지 않았고, 앞으로도 별다른 유해성이 발견될 확률이 거의 없다.
사실 철은 인체의 중요한 구성 성분의 하나이기 때문에 해가 없을 뿐 아니라 오히려 철이 부족하면 우리 인체는 여러가지 문제가 발생한다. 이는 철로 만든 제품들을 사용해서 인체에 특별한 문제가 발생하지 않는다는 것을 의미한다. 갈수록 환경과 인체에 대한 관심이 높아지고 있는 산업 환경의 변화는 철에게 더 많은 가능성을 주고 있다.
환경과 관련돼서 철이 가지는 또다른 장점은 재활용이 쉽다는 것이다. 사실 철 산업이 환경에 영향을 미치는 것은 최초에 산화철을 환원시키는 과정에서 온실 가스로 알려진 이산화탄소(CO2)를 발생시키는 것과 이 과정에서 일부 환경 오염물질(SOx, NOx 등)을 배출하는 것이다. 따라서 기존에 생산됐던 철을 사용 후 재활용할 수 있다면 이런 문제가 근원적으로 해결될 수 있다.
철은 재활용이 아주 쉽고, 또 현재에도 잘 되고 있는 재료이다. 특히 철은 강자성체여서 자석에 붙는 성질이 있기 때문에 철의 회수나 재처리 과정이 다른 금속에 비해서 매우 간단하다. 또한 회수 과정에서 화학적 처리 등을 하지 않기 때문에 새로운 오염 물질의 배출이 거의 없다. 철은 환경적인 측면에서도 가장 경쟁력을 갖고 있는 재료이다.
철은 인류 사회의 기본 재료로 사용될 수 있는 수많은 장점들을 갖고 있기 때문에 앞으로도 인류의 문명은 철을 기반으로 발전할 것이다. 우리가 어떠한 미래 사회를 꿈꾸더라도 철 제조와 가공 기술이 뒷받침 돼야만 그러한 꿈이 실현될 수 있다. 철강 산업과 철강 엔지니어들은 이런 꿈의 실현을 선도하고 있다.
철강 엔지니어가 되기 위해서는 금속공학과 또는 재료공학과에서 철강 재료의 제조나 가공을 공부해야 한다. 특히 최근 학부제로 변하면서 재료 관련 학과들이 통합됐기 때문에 학부 이름에 ‘재료’ 또는 ‘소재’라는 단어가 들어가는 학부를 진학해야 한다. 이들 학부에는 철강 엔지니어의 꿈을 키울 수 있는 다양한 교과목들이 개설돼 있다.
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