주머니 속 동전부터 반짝이는 액세서리, 비행기, 자동차까지! 금속은 우리 생활 전반에 속속들이 자리하고 있는데요. 금속은 아주 오래전부터 인간과 밀접하게 상호작용하면서, 우리의 역사 속에서도 묵직한 존재감을 뽐내왔습니다. 지금부터 스틸캐스트가 인류 역사 속에서 발견한 흥미로운 금속 이야기를 살펴볼까요?

△이미지 제공 – 위키피디아

당시 엔진들은 비행기에 달기에는 크기도 크고 무게도 엄청났는데요. 라이트 형제는 비행기에 적합한 엔진을 만들기 위해 가볍고도 튼튼한 알루미늄을 사용했습니다. 그 덕분에 12마력 4기통 엔진의 무게를 30파운드로 줄일 수 있었죠.

라이트 형제는 알루미늄 엔진을 설치한 비행기를 ‘플라이어 1호’라고 이름 붙였는데요. 1903년 12월 17일, 플라이어 1호는 바람이나 수소 같은 기체의 도움을 받지 않고 엔진과 프로펠러의 힘으로 날아올랐으며, 이는 인류 최초의 동력 비행 성공 기록이었습니다.

알루미늄이 지구에서의 비행을 가능케 했다면, 티타늄은 우주 여행의 포문을 연 금속입니다. 강한 내식성과 극저온에서부터 중온까지의 비강도가 우수하다는 장점 덕분에, 티타늄은 일찍이 우주 로켓의 부품으로 사용되어 왔는데요.  

1961년, 세계 최초의 유인우주선 보스토크 1호 역시 티타늄 합금으로 만든 우주비행체였으며, 이후에도 미국의 머큐리 계획과 아폴로 계획에 쓰였던 우주선에도 티타늄 소재가 적용된 바 있습니다. 현재에도 티타늄은 우주항공 산업의 주요 소재로, 국제 우주 정거장, 무인 탐사선 등 많은 우주 비행체에 활용되고 있답니다.  

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이번 시간에는 인류와 역사를 함께한 흥미로운 금속 이야기를 만나봤습니다. 스틸캐스트와 함께 살펴 본 역사 속 금속 이야기, 재미있게 보셨나요? 더욱 흥미로운 이야기로 채워질 다음 스틸캐스트에도 많은 기대 부탁드립니다!

금속연료의 가장 큰 장점은 바로 여기에서 나온다. 두 방법 모두 반응식에 탄소(C)가 없다. 기후변화의 주범으로 꼽히는 이산화탄소가 나오지 않는다. 장점은 이뿐만이 아니다. 금속연료는 다시 재생해서 쓸 수 있다. 나무나 석탄을 태우면 다시 쓸 수 없는 까만 재만 남고 다른 물질은 공중으로 날아가는데, 금속연료는 태우고 나면 산화 금속이 남는다. 별도 공정을 통해 산소를 떼어 내면 처음 넣은 것과 같은 양의 금속을 얻을 수 있다. 닳지 않는 연료인 셈이다. 태양광이나 풍력 등 재생에너지와 달리 날씨에 관계없이 언제든 쓸 수 있는 데다 송전망을 설치할 필요 없이 화물선에 실어 수출입할 수 있다는 것도 큰 장점이다.

하지만 금속을 연료로 쓰기란 말처럼 쉽지 않다. 일단 웬만한 온도에선 불이 붙지 않는다. 반응성이 크기 때문이다. 금속의 큰 반응성은 아이러니하게도 연료로서 가장 큰 장점이자 단점이다. 불이 붙지 않는 원리는 이렇다. 순수한 금속을 공기 중에 두면, 산소와 반응해 녹이 슬면서 표면에 얇은 막(산화피막)이 생긴다. 금속이 산소 등 산화제와 접촉해야 연소될 수 있는데, 아예 원천 차단 되는 셈이다. 이 막은 보통 녹는점이 매우 높다. 순수한 알루미늄의 녹는점이 섭씨 660도인 데 비해 알루미늄 산화피막의 녹는점은 약 2100℃다. 불을 붙이기가 아예 불가능한 온도는 아니지만, 안정성과 경제성 때문에 온도를 이 정도까지 올리기 어렵다.

문제는 또 있다. 원하는 만큼 큰 화력을 ‘안전하게’ 내는 조건을 아직 정확하게 모른다는 점이다. 금속 가루의 알갱이가 너무 작으면 쉽게 타지만 나오는 에너지가 너무 적거나 오히려 폭발할 위험이 있고, 알갱이가 너무 크면 잘 타지 않는다. 적정한 입자 크기와 혼합 비율, 양을 찾아내는 게 기술적 과제다.

금속연료를 원하는 만큼 안정적으로 공급할 기술이 없다는 것도 상용화를 막는 걸림돌이다. 예를 들어 자동차를 운전할 때 언제든 시동을 켜고 끌 수 있고 원하는 속력을 낼 수 있는 건, 연료를 딱 적당량만큼 엔진 안에 분사해줄 수 있는 기술 덕분이다. 기체 연료는 밸브로, 액체 연료는 스프레이를 이용해 양을 쉽게 조절할 수 있다. 그러나 금속연료는 분말 특유의 응집 현상 때문에 양 조절이 쉽지 않다. 마치 밀가루나 설탕 가루를 오래 두면 뭉치는 것과 비슷하다. 지금까지 여러 연구소에서 시도한 ‘철로 달리는 자동차’ 개발 계획이 실패로 막을 내린 이유다.

다행히 최근까지 금속연료에 대한 기초연구가 이뤄지면서 여러 대안이 나오고 있다. 예를 들어, 순수한 금속 가루의 표면을 녹는점이 낮은 물질로 코팅해서 연소를 쉽게 만드는 방법이 있다. 대표적인 예가 니켈이다. 니켈은 알루미늄보다 점화 온도가 낮은 데다, 금속 간 반응 때문에 열이 발생하면서 알루미늄을 더 빨리 태운다(금속 간 반응이란, 이온화 경향이 다른 금속이 접촉해 있을 때 전자가 이동하면서 일어나는 산화-환원 반응).

전 세계 금속연료 연구 그룹의 선두주자로 꼽히는 캐나다 맥길대 기계공학과 새뮤얼 고로신 교수와 제프리 베르그토르손 교수 공동연구팀은 최근 직접 개발한 금속연료용 열엔진으로 기존의 화석연료용 엔진과 유사한 수준의 동력을 내는 데 성공했다. 연구팀은 학술지 ‘응용에너지’에 발표한 논문에서 “이런 목적으로 쓸 수 있는 1차 후보는 강철”이라며 “전 세계 제철이나 화학, 전자 산업에서 생산되는 강철 분말 수백만 t을 자동차 연료로 사용할 수 있다”라고 밝혔다.

과연 강철로 달리는 자동차를 타게 될 날이 올까. 금속은 아직 다른 연료 물질보다 비싸기 때문에 모든 연료를 대체할 수는 없을 것이다. 그러나 가장 흔히 쓰이는 산화제인 산소가 없는 상황, 즉 물속이나 지구 밖에서 전기를 만들어야 할 때 유용할 수 있다. 예컨대, 배나 잠수함을 타격하는 ‘초공동 수중 비행체’라는 무기는 금속 가루를 물과 반응시켜 추진력을 얻는다. 이를 켜고 끌 수 있는 기술이 개발된다면, 금속 가루와 바닷물을 반응시켜 추진력을 얻는 새로운 패러다임의 선박용 엔진도 기대할 수 있을 것이다.

* 포스코리포트는 해당 분야 전문가 필진이 직접 작성한 것으로, 포스코의 입장이나 전략을 담고 있지 않습니다.

 

 

 

 

석기시대가 돌이 떨어져서 끝난 것은 아니며, 말이 없어서 자동차의 시대가 열린 것도 아닙니다. 과연 ‘철의 시대’도 그럴까요? 인간은 자연에서 가장 손쉽게 얻을 수 있는 자원부터 사용해 왔는데요. 목탄에서 석탄, 그리고 석유와 가스 등 에너지원의 변천이 좋은 예라고 할 수 있습니다.

 

‘철의 시대’도 자연에서 비교적 쉽게 얻을 수 있는 소재인 철과 이것을 녹일 수 있는 기술이 결합하면서 도래했습니다. ‘철의 시대’가 무한정 이어지리라고 장담하기는 어렵죠. 하지만 우리가 상상할 수 있는 한 ‘철의 시대’는 지속될 것입니다. 물론 지금까지 그래왔던 것처럼 변화는 동반될 텐데요. 미래의 ‘철의 시대’는 어떤 과정을 거치면서 어떻게 전개될까요?

 

 

3,000년 이상을 이어오고 있는 ‘철의 시대’가 서서히 끝나고 있다는 의견도 없지는 않습니다. 소위 철을 대체할 만한 소재가 끊임없이 발견되고 만들어지기 때문이죠.

 

 

 

우선 철을 대체할 만한 금속 소재로 티타늄과 알루미늄 등이 거론되곤 합니다. 하지만 티타늄의 경우 앞으로 매년 수요가 10%씩 증가한다고 해도 2050년 경 수요량은 1,000만 톤에 불과합니다.

 

알루미늄 역시 매년 5%씩 수요가 증가한다고 해도 2050년이면 1억 5,000만 톤에 불과합니다. 다소 과장된 면도 없지는 않지만 2050년 철 수요량이 40억 톤 정도 된다고 보면, 티타늄과 알루미늄이 철을 대체하는 정도는 미미하다고 할 수 있죠.

 

한편 강도나 연성, 무게 등의 측면에서 철을 능가하거나 버금가는 소재가 계속 만들어지고 있습니다. 소위 신소재(advanced materials)라 불리는 것으로, 이 역시 철의 시대를 위협하는 요인으로 떠오르고 있는데요.

신소재란 형상기억합금과 같은 신금속재료, 뉴 세라믹 같은 비금속 무기재료, 신고분자재료·복합재료 등을 아우르는 것으로, 이 중 상당히 일반화된 것은 탄소섬유, 혹은 탄소섬유강화플라스틱(CFRP; Carbon Fiber Reinforced Plastic)이라고 할 수 있습니다.

 

탄소섬유는 강도가 좋으면서 더 가벼운 재료를 만들기 위해 플라스틱에 탄소섬유를 넣어 강화한 소재입니다. 또한 광섬유(optical fiber)나 섬유강화금속(FRM; Fiber Reinforced Metal) 등도 기존 산업은 물론 새롭게 성장하는 산업에 두루 사용되고 있으며, 시장 규모도 확대되고 있습니다.

이 외에도 다소 논란이 있기는 하지만 최근 합성생물학(synthetic biology)의 산출물도 조금씩 부각되고 있습니다. 이것은 생물학과 공학을 결합하거나 융합한 학문으로, 목적은 새로운 생물학적 부분(part), 장치(device), 시스템(system)을 디자인하고 구축하는 것. 또는 이미 존재하는 자연 상태의 생물학적 시스템을 새로운 생물학적 시스템이나 인공생명체를 만드는 등의 특정 목적으로 재설계(redesign)하는 것이라고 할 수 있습니다.

예를 들어 DNA를 조작하여 염소의 몸에서 거미줄이 생산되도록 하는 기술 등을 들 수 있는데요, 자연에서 얻을 수 있는 가장 강하고 질긴 소재인 거미줄을 다른 동물의 몸을 빌려 대량 생산할 수 있도록 한다는 것이 핵심이라 할 수 있죠.

물론 아직은 실험 단계에 있기 때문에 향후 어떻게 전개될지는 미지수입니다. 하지만 만일 이러한 것들이 윤리적으로 허용되고 기술적으로 가능하게 된다면, 자연에 존재하는 천연 소재를 무한정 생산할 수 있어 또 한 번 소재의 변혁이 일어날지도 모릅니다.
이처럼 학계와 산업계는 끊임없이 새로운 소재를 찾고 생체모방 기술을 획득하려 하고 있는데요, 결국 이런 것들이 ‘철의 시대’의 종결을 앞당기지 않을까 하는 목소리로 나타나곤 합니다.

 

그렇지만 새로운 소재가 만들어지고 사용이 확대된다 하더라도 근본적으로 ‘철의 시대’를 대체하기는 어렵다고 할 수 있습니다. 철은 소재적 특성이나 다양한 용도, 경제성 등 어느 측면에서 보아도 대체재와의 경쟁관계에서 우위에 있습니다.

‘철의 시대’가 지속될 수 밖에 없는 이유는 다양한데요, 첫 번째로 철(Fe)은 이제까지 발견된 혹은 인공적으로 창출된 원소들 중 결합에너지가 가장 커서 매우 안정적이기 때문입니다.

 

또한 금속 중에서는 알루미늄 다음으로 풍부하여, 다른 금속이나 신소재에 비해 경제적일 뿐만 아니라 지구 곳곳에 상당히 골고루 분포되어 있어 사용하기가 편리하다는 이점도 있습니다. 더욱이 다양한 목적에 따라 여러 합금으로 만들 수 있으며, 그런 이유로 거의 모든 산업 부문에 사용될 수 있죠.

 

둘째로 산업화 및 도시화의 요구도 ‘철의 시대’를 지속하도록 만드는 주요한 요인입니다. 지금까지의 성장 패러다임이 종식될 가능성도 전혀 배제할 수는 없지만, 현실적으로 글로벌 수준에서 성장이 멈추거나 후퇴한다고 보기는 어려운데요. 그렇다면 산업 및 경제의 성장은 여전히 지배적이고 필수적인 패러다임으로 남게 될 것입니다.

 

물론 경제가 성장하고 산업이 성숙함에 따라 철의 수요는 상대적으로 덜 증가할 수도 있습니다. 하지만 성숙한 경제나 산업이라 해도 제조업이나 에너지 분야 등 거의 모든 산업 부문에서 철강 수요는 지속될 것이며, 또한 건설 등과 같은 부문에서도 대체수요와 함께 철강 수요는 늘어날 것입니다.

특히 이제 본격적인 성장을 하고 있거나 앞으로 성장하려는 나라의 경우 산업화와 도시화 등이 추진되면서 철강 수요는 지금까지의 수요 이상으로 확대될 가능성이 큽니다.
금세기 들어 본격적인 성장 국면에 들어선 중국과 인도 등은 물론이고, 앞으로 인도네시아 등의 동남아 국가, 중동 지역, 그리고 아프리카 등지에서 도시화와 산업화가 이루어진다고 보면 글로벌 수준에서 철강 수요는 지금까지와는 비교가 안 될 정도로 늘어날 가능성도 없지 않습니다.
셋째로 철강산업 자체도 시대적 상황이나 요구에 부응하여 친환경 및 에너지 저소비형으로 탈바꿈하고 있다는 것입니. 사실 철만큼 친환경적인 소재는 없다고 해도 과언이 아닙니다. 철은 그 자체로 자연에서 와서 자연으로 돌아가는, 그리고 재활용도가 매우 높은 소재입니다.

문제는 철을 인간의 필요와 목적에 맞게 가공하는 단계에서 에너지가 다량 소비된다는 것과 환경오염 물질이 배출된다는 것 등인데, 이런 부작용조차 기술의 발달과 노력에 의해 많이 축소되고 있는 것이 사실입니다.

최근 개발되고 있는 소재 중에는 아직 지구 및 인간의 환경에 생태적으로 어떤 영향을 미칠지 제대로 검증받지 못한 것이 다수 있고, 앞으로도 그럴 것입니다. 그러한 것에 비한다면 인간의 몸을 구성하는 주요 원소의 하나인 철은 제대로 검증된 소재원이라 할 수 있습니다.

 

 

 

‘철의 시대’가 지속된다고 해서 변화가 없는 것은 아닙니다. 모든 것이 그렇듯이 철, 그리고 철강산업도 나름대로의 진화 경로를 겪고 있습니다. 단순히 철을 생산·가공하는 방식의 진화만은 아닙니다. 철 그 자체가 인간과 맺는 관계도 변하고 있습니다. 즉 인간과 자연, 그리고 지구에 더 나은 방향으로 진화하고 있는 것입니다.

몇 가지 예를 들어보겠습니다. 우선 고장력강판은 높은 장력, 즉 강도를 갖는 것으로서 동일한 두께의 강판인 경우 최대 5배의 강도를 갖습니다. 고장력강판은 자동차 차체의 무게를 줄여 연비를 높이므로 환경친화적입니다. 또한 강도가 세기 때문에 충돌 안전성이 높아, 인간의 생명을 지켜주는 기능에 있어서도 효과적이라 할 수 있습니다.

 

에너지 손실을 최소화함으로써 에너지 사용을 줄이고 지구환경을 보전하는 강판으로 전기강판을 들 수 있습니다. 자동차에는 수많은 모터가 사용되는데, 고급 차량의 경우 대략 1대당 120여 개의 모터가 사용됩니다.
한정된 에너지원과 주어진 공간에서 에너지 이용을 극대화하기 위해서는 에너지 효율이 좋고 자기적 특성이 좋은 모터가 필요합니다. 전기강판은 바로 이러한 필요를 충족하는 강판이죠.  또한 소음과 진동을 줄임으로써 인간의 생활환경을 더 좋게 하는 제진강판도 있습니다.

 

소음이나 진동은 인간이 견딜 수 있는 최소한의 강도를 넘어설 경우 육체적으로는 물론 정신적으로도 상당한 손상을 일으킵니다. 이에 따라 자동차의 경우 연비 규제와 함께 진동과 소음 규제도 점점 강화되는 추세인데요. 제진강판은 엔진 부품 등에 사용되어 소음과 진동을 줄이는 역할을 합니다. 그리고 적용범위도 세탁기 드럼통이나 팬히터, 스피커 외장재는 물론 지붕이나 마루 벽면 등 건축재와 엘리베이터 소재 등으로 점점 더 확대되고 있죠.

철 그 자체는 친환경적 소재이지만, 강판의 특수한 기능을 확보하거나 강화하기 위해 유해물질을 코팅하거나 첨가해온 것은 사실입니다. 하지만 최근에는 기존 강판에 코팅되거나 첨가되었던 유해물질을 제거하고 친환경성을 부각하는 환경친화형 강판이 널리 사용되고 있습니다. 앞서 언급한 고장력강판과 자동차연료탱크용 도금강판, 가정용 크롬 프리(Cr-free) 아연도금강판, 전자파 차폐 강판 등이 바로 환경친화형 강판에 속합니다.
앞으로는 수소 시대, 즉 에너지원으로서 수소가 널리 사용되는 시대가 열린다고 합니다. 그런데 문제는 수소를 경제적으로 생산하고 안정적으로 저장할 수 있느냐는 점입니다. 이에 대비한 합금으로 수소저장합금이라는 것도 있는데요.

 

이는 합금 금속의 원자 사이 빈 공간(원자의 핵과 전자 사이는 텅 비어 있으며, 원자와 원자 간에도 척력 때문에 비어 있다)에 수소를 저장해두었다가 필요할 때 꺼내 쓸 수 있도록 하는 것입니다.

 

수소를 금속수소화물 형태로 저장하면 고압으로 수소를 저장하거나 저온 액체 상태로 수소를 저장하는 것보다 훨씬 안정적이며, 액체수소 대비 수소 밀도를 높일 수 있다는 장점이 있습니다.
현재 실용화 단계에 있는 수소저장합금은 티타늄과 철의 합금 등으로 여기에도 철이 사용됩니다. 아직 초기 단계이기는 하지만 향후 수소 자동차, 냉난방 시스템 등 다양한 분야에 적용될 것으로 기대됩니다.

이처럼 철은 인간에게 유용하면서도 자연이나 생태계를 덜 훼손하는 방향으로 진화해 왔으며, 모든 소재 중 가장 기본적이며 광범위하게 사용되어 왔고, 앞으로도 그럴 것으로 예상됩니다. 특히 향후 가장 발전속도가 빠를 것으로 예상되는 해양과 우주 분야에서도 철은 기본 소재로서의 위상을 잃지 않을 것입니다.

 

 

 

미래란 주어지는 것이 아니라 만들고 개척해야 할 대상입니다. 앞으로 어떤 ‘철의 시대’가 도래할지 예측하는 것도 중요하지만, 그보다는 우리가 어떤 ‘철의 시대’를 만들 것인지가 훨씬 더 중요한 과제라고 할 수 있습니다.

먼저 기술적으로 보면 철강산업에 큰 영향을 주는 기술적 변화는 25년에서 50년이라는 긴 시간의 경과가 필요했습니다. 예를 들어 전기로는 100년 전에 개발되었고, 1950년대에 개발된 산소 전로로 인해 사양화된 평로는 1980년대 후반에 이르러서야 미국에서 사라졌습니다.

 

그리고 1960년대에 개발된 연주기술도 1990년대가 되어서야 기술적으로 성숙해졌지만, 여전히 개선 중입니다. 최근 들어 철강산업에서 중점을 두고 있는 기술은 비용절감과 높은 생산성, 단순한 공정, 저가원료 활용, 신제품 개발 관련 기술 등입니다.

특히 석탄이라는 탄소계 환원제로 인해 철강산업이 지구 온난화를 심화하는 주요 요인의 하나로 간주되고 있고, 대체 환원제인 전기 및 수소 등을 적용하려는 기술도 개발되고 있습니다.

여전히 경제적 및 환경적 장벽이 가로막고는 있으나, 철의 가공, 그리고 철강산업에 관한 한 개발 가능한 기술은 무궁무진하며 실제로 개발이 시도되고 있죠.

 

이와 관련하여 원칙적으로 미래의 철, 그리고 철강산업은 지금보다 더 인간과 사회, 그리고 지구 생태계에 적합한 방향으로 나아가지 않으면 안 된다고 할 수 있습니다. 그리고 기능적으로 훨씬 다양하고 가장 경제적인 소재로서의 지위를 유지하는 방향으로 나아가야 합니다. 예를 들어 인간의 편의성을 위한 철이라면 투명한 철이라든가, 굳이 도금을 하지 않더라도 나비처럼 빛의 강도와 방향에 따라 색깔이 달라지는 철도 개발될 수 있을 것입니다.
자동차를 생각하면 쉬울 것 같은데요. 자동차 A필러(A-pillar)를 만들 때 동일한 강도의 강판을 사용하면서 투명하게 만든다면 전방 및 좌우측 방향의 시야가 확 트여 안전에 큰 도움이 될 것입니다. 또한 차체의 색깔이 때때로 달라지는 것을 선호하는 사람도 많이 있을 것이라는 생각이 듭니다.

 

이렇게 인간에 대한 철의 유용성이 확대될 때 철의 미래, 철강산업의 미래는 희망적일 것입니다. 그리고 그러한 방향으로 철과 제품을 연구하고 생산하는 철강기업만이 미래의 철강산업을 선도할 수 있는 자격을 갖게 될 것입니다.

포스코는 미래의 철, 미래 철강산업의 선두주자로 우뚝 서야 할 시대적 사명을 안고 있습니다. 새로운 ‘철의 시대’가 바로 포스코로부터 시작되어야 하는 것입니다.
이를 위해서는 무엇보다 미래 관점에서 철과 철강제품을 바라보는 시각이 필요합니다. 현실적으로 당면하는 문제 해결과 함께 미래의 눈을 갖고 있어야만 미래 철강산업을 리드할 수 있기 때문입니다. 그러한 시각에서 인간적이고 친환경적이며 전 지구적 생태계를 강건히 할 수 있는 철강기술 및 제품개발에 주력한다면, 미래 ‘철의 시대’는 포스코 앞에서 활짝 펼쳐질 것입니다.

 

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티타늄과 알루미늄을 비롯해 다양한 신소재들까지, 이번 ‘철이 미래다’ 시간에는 철을 대체할 다양한 소재들에 대해 살펴보았는데요, 그럼에도 불구하고 ‘철의 시대’가 변함없이 지속되리라는 것에는 의심의 여지가 없는 것 같습니다. 깊이 있고 흥미진진한 철과 철강산업 이야기, 다음 ‘철이 미래다’ 코너에서 또 전해드릴게요!