STEEL Talk에서는 STEEL(철강)은 물론 Science, Technology, Energy, Environment and Life에 대한 궁금증과 호기심을 재미있는 이야기로 풀어드립니다.

드라마 <낭만 닥터 김사부>를 아시나요? 언제나 ‘사람’ 살리는 게 최우선인 천재 외과의사 김사부가 있는 돌담병원은 늘 환자들로 넘쳐나고 많은 사람들의 생사가 오가는 긴박한 장소로 드라마에서 묘사되죠. 수술실에서 김사부가 ‘메스~’ 하면 손에 착! 하고 올라오는 수술도구. 너무 차갑고 무서워 보이지만, 뾰족하고 매섭게 생긴 이 수술도구들도 알고 보면 그렇게 무서운 것은 아니랍니다. 그 이유는 스틸로 만든 이 도구들이 우리의 생명을 살리는 데 중요한 역할을 해주기 때문이에요.

특히 요즘엔 날로 확산되는 신종 코로나 바이러스로 ‘청결’과 ‘위생’에 대한 관심이 부쩍 높아지고 있어요. 여러분이 자주 가는 병원이나 극장, 대중교통 시설 등 사람들이 많이 몰리는 곳에서는 청결을 유지하기 위해 정부 및 지자체와 기업, 개인들이 최선을 다하고 있죠. 이때 가장 필요하고 유용한 것이 바로 써지컬 스틸(Surgical Steel)이라 불리는 의료용 스테인리스 스틸이랍니다. 왜일까요? 오늘 뉴스룸에서는 우리의 생명을 살리는 써지컬 스틸에 숨겨진 비밀을 소개해드릴게요.

l 세균 꼼짝마! 의료계 혁신을 가져온 스테인리스 스틸

써지컬 스틸에 대해 자세히 알아보기 전, 먼저 스테인리스 스틸이 발명되었을 당시로 거슬러 올라가 볼게요.

환자들이 위생적으로 의료 치료를 받을 수 있게 된 것은 1913년, 스테인리스 스틸의 발명 이후였답니다. 이전엔 비위생적인 환경에서 수술을 받다가 세균 등에 감염이 되어 많은 사람이 목숨을 잃었다고 해요.

세계보건기구(WHO)는 현대 의료 서비스의 가장 심각한 난제 중 하나로 치료 도중에 환자들이 감염되는 문제를 꼽기도 했는데요. 전 세계적으로 매년 수억 명의 환자들이 감염으로 인한 질환에 노출되고 있기 때문에 병원에서 위생적인 환경을 조성하는 것이 무엇보다 중요하다고 합니다.

실제로 2010년 WHO에서 발표한 자료에 따르면 100명의 환자 당 선진국 기준 7명, 개발도상국 기준 10명이 의료시설이나 기기에 감염이 되고, 고소득 국가에서는 중환자실 환자들의 약 30%가 감염에 시달리며, 저소득 국가에서는 그보다 2~3배 많은 감염 환자가 발생하는 것으로 나타났어요.

그렇다면 의료용 스테인리스 스틸인 써지컬 스틸의 특징은 무엇일까요? 바로 위생적인 면에서 뛰어나다는 것이죠! 써지컬 스틸은 녹슬지 않는 성질인 ‘내부식성’을 갖고 있어 부식될 염려가 없고, 다른 어떠한 부작용 없이 안전하게 살균 처리가 가능한 것이 특장점입니다. 수술용 메스나 주삿바늘, 부러진 뼈를 고정하는 나사처럼 신체 부위에 직접 닿거나 체내에 들어가도 안전한 덕분에 전 세계 병원에서 스테인리스 스틸을 사용하고 있는 것이죠.

만약 써지컬 스틸을 사용하지 않는다면? 녹슨 철이 몸에 들어갈 것이고, 결국 ‘파상풍’이라는 무서운 병에 걸리거나 각종 세균에 감염될 수 있어요. 그런데, 스테인리스 스틸은 무엇으로 만들었길래 부식되지 않는 걸까요? 지금부터는 그 비밀을 소개해드릴게요.

l 철강의 꽃, 스테인리스! 비밀은 상처 나도 재생되는 부동태 피막

여러분, 혹시 스테인리스 스틸의 별명을 아시나요? 바로 ‘철강의 꽃’입니다. 그 이유는 앞서 소개한 바와 같이 스테인리스 스틸에 녹이 거의 생기지 않기 때문이에요. 스테인리스는 철(Fe)에 크롬, 탄소, 니켈, 망간 등 몇 가지 원소를 첨가해 완성한 ‘합금강’이에요. 표면이 매끈하여 별도의 도금 공정을 거칠 필요가 없고, 내식성이 월등하여 사용 환경 제약이 적으며 위생적이죠. 또한 가공성도 우수하여 변형이 쉽고 강도가 높아 외부 충격에도 강하답니다.

스테인리스가 녹이 잘 슬지 않는 이유는 표면에 ‘부동태 피막’이라는 특수한 보호 피막이 형성되기 때문입니다. 이 부동태 피막은 스테인리스를 구성하는 원소 중 크롬(Cr)이 산소(O2)와 만나 산화되어 자연적으로 만들어진 산화크롬 피막(Cr₂O₃)입니다. 두께는 눈에 보이지 않을 정도로 매우 얇은 데요(약 2nm, 100만 분의 2mm). 무척 단단해서 철이 산화되어 녹이 생기는 것을 방지할 수 있어요. 이 산화크롬 피막이 긁혀서 표면의 일부가 파괴되더라도, 크롬이 다시 산소와 만나 피막이 빠르게 재생되는 성질을 갖고 있어요.

l 오래 써도 새것과 차이가 없다고요? 스테인리스 스틸의 놀라운 살균력

2017년 국제스테인리스강협회(ISSF, International Stainless Steel Forum)는 스테인리스 스틸의 놀라운 살균력을 보여주는 연구결과를 홈페이지에 게재했어요.

영국 맨체스터 메트로폴리탄대학교(Manchester Metropolitan University)와 생명, 환경과학 분야에서 프랑스 최고 권위를 인정받고 있는 아그로파리테크(AgroParisTech) 그랑제콜(대학)이 공동으로 진행한 이 연구는 병원과 같이 세균에 많이 노출될 수 있는 환경에서 스테인리스 스틸을 사용하는 것이 얼마나 위생적이고 우리의 안전과 생명을 위해 중요한지를 설명하고 있어요. 연구결과를 간단히 소개해드릴게요~

먼저 연구자들은 2가지 스테인리스를 준비했어요. 하나는 오염과 세척을 반복했던 스테인리스 스틸(A), 나머지 하나는 완전히 새로운 스테인리스 스틸(B)입니다. 이 (A)와 (B)를 식중독과 감염을 주로 일으키는 치명적인 균인 ‘황색포도상구균’과 저항력이 강해 치료하기 어려운 균으로 꼽히는 ‘녹농균’에 노출시켜보았죠. 그리고 얼마간의 시간이 흐른 뒤 (A)와 (B)를 동일한 살균제로 소독했어요.

(A)와 (B)에서는 어떠한 차이가 있었을까요? 놀랍게도 이 두 샘플에서는 차이가 나타나지 않았고, 황색포도상구균은 99.9%, 녹농균은 97.6% 멸균된 것으로 드러났습니다. 이 실험에서 (A)를 통해 우리는 스테인리스 스틸이 오랜 시간이 지나도 위생적으로 안전하게 사용할 수 있다는 것을 알 수 있어요.

오늘은 철 중에서도 우리의 생명을 지키는 스테인리스 스틸에 대해 알아보았어요. 병원에 갈 때마다 날카로운 도구들을 보고 지레 겁부터 먹었던 친구들이라면 써지컬 스틸의 중요성을 생각하며 마음을 가다듬어 보길 바래요. 병원에서 보는 스테인리스 스틸은 차갑고 무서워 보이지만, 사실 ‘김사부’님처럼 우리의 생명을 지키는 따뜻하고 소중한 존재이니까요!

STEEL Talk에서는 STEEL(철강)은 물론 Science, Technology, Energy, Environment and Life에 대한 궁금증과 호기심을 재미있는 이야기로 풀어드립니다.

상상만 해도 입가에 미소가 번지는 곳, 놀이공원! 친구, 가족들과 함께 맛있는 것도 먹고, 사진도 찍고 즐거운 추억을 만들기에 안성맞춤인 곳이죠. 놀이공원에 있는 놀이기구들은 대부분 스틸로 만들어졌어요. 특히 위에서 한번에 훅하고 떨어지는 드롭 타워, 빠른 속도로 움직이는 롤러코스터처럼 스릴 넘치는 놀이기구에는 스틸이 꼭 사용되었는데요. 놀이기구에 숨겨진 다양한 스틸의 이야기를 지금부터 소개해 드릴게요.

l 스릴 만점 놀이기구에 꼭 필요한 안전!

스릴 만점 놀이기구들은 보기만 해도 짜릿한 기분이 들죠! 놀이기구는 사람이 타는 기구인 만큼 안전해야 하고 단단하지만, 상황에 따라 유연하게 작동되며, 변하지 않고 오래 사용할 수 있는 소재로 만들어야 해요. 이를 모두 만족하는 소재가 바로 ‘스틸’입니다. 그 이유를 함께 살펴볼까요?

l 롤러코스터, 강철 튜브 레일에서 안전하고 신나게!

롤러코스터의 시초가 나무로 만든 석탄차라는 사실을 알고 계시나요? 롤러코스터가 나무차에서 지금의 강철차가 되기 까지 또 하나의 숨겨진 철의 비밀이 있어요.

놀이공원의 필수 코스로 손꼽히는 롤러코스터는 독일의 바바리안 지역에서 탄광을 운반하는 열차에서 유래된 것인데요. 나무로 만든 광차(광산에서 광석을 실어 나르는 뚜껑 없는 화차)에 석탄을 싣고 높은 곳에서 낮은 곳으로 운반할 때, 사람들이 함께 타 보니 스트레스가 해소된다는 것을 발견한 것이죠. 이를 1851년 영국 런던에서 열린 ‘만국박람회’에 선보이면서 롤러코스터라는 개념이 등장하게 됐어요.

그런데 만국박람회에서 사람들에게 소개된 나무로 만든 롤러코스터는 자외선 등에 노출되면서 뒤틀림 현상과 재질이 부식되는 단점이 있었어요. 이런 이유로 스틸로 만든 근대식 롤러코스터가 탄생하게 되었습니다.

이후 제철산업이 발전하면서 1884년, 라 마르쿠스 톰슨(La Marcus Thompson)이 뉴욕에 최초로 근대적인 의미의 롤러코스터라고 할 수 있는 ‘그래비티 플레저 스위치백 레일웨이’를 설치했습니다. 미국 최초의 이 롤러코스터는 뉴욕의 테마파크인 코니아일랜드(Coni Island)에서 큰 인기를 끌었고, 1920년대 미국 전역에 약 2,000여 개의 롤러코스터가 설치될 정도였어요.

하지만 1929년 대공황과 두 번에 걸친 세계대전, TV와 영화 등 새로운 엔터테인먼트 산업의 등장으로 롤러코스터의 인기가 급감하기 시작했어요. 2,000여 개에 육박했던 미국의 롤러코스터 숫자는 1970년 172개로 축소될 만큼 사양기를 맞기도 했는데요. 현대의 철강 기술의 발달로 높이, 속도, 안정성이 월등한 강철 튜브 소재 레일의 롤러코스터가 등장하면서 전성기를 다시 맞게 되었어요.

지난 STEEL Talk 3편에서 스틸에 들어있는 탄소(C) 함유량이 왜 중요한지 배웠는데요. 스틸에 탄소의 함유량이 많아지면 경도(압력에 대한 저항력)가 높아지고 강해지지만, 부서지기 쉽고 늘어나는 성질은 줄어들어요. 반대로 철에 탄소 함유량이 적을수록 유연하고 늘어나는 성질이 커지고요. 그 때문에 스틸이 사용되는 곳에 맞게 탄소로 제품의 경도를 조절하거나, 다른 원소들을 함께 넣어 특성을 부여하는 것이 중요해요. 바로 이런 유연한 성질 덕분에 스틸의 종류는 더욱 다양해지고, 성능은 날로 좋아지고 있어요.

그 덕에 스틸은 까다로운 공학 기술이 필요한 롤러코스터 설계에서 제 몫을 톡톡히 하고 있습니다. 건설 구조용 스틸, 특수 스틸 등의 다양한 고성능 스틸이 롤러코스터에 사용되고 있는데요. 위에 있는 worldsteel의 영상을 보면 잘 이해할 수 있을 거예요.(영어로 만들어진 영상이지만, 번역 자막을 켜고 감상해볼까요? ^^)

특정 유형의 롤러코스터에 사용되는 목재를 제외하고는 롤러코스터 제작에 있어서 스틸을 대체할 수 있는 소재는 없어요. 튼튼한 구조로 제작할 수 있고, 기계 부품 강도 저하 등을 고려했을 때, 스틸은 앞으로도 쭉~ 사랑받는 소재가 될 거예요.

l 드롭 타워(자이로드롭) 의자 뒤에 자석이?

드롭 타워(Drop Tower)는 우리에게 롯데월드 자이로드롭으로 익숙하죠? 이 자이로드롭은 극강의 스릴을 맛볼 수 있는 놀이기구로, 1998년 첫 등장 이후 국내 최고의 인기를 누리고 있는데요. 이 자이로드롭에 철의 ‘자성’과 관련된 재미있는 원리가 숨어 있어요.

자이로드롭을 타본 사람이라면, 꼭대기에 올라간 후 언제 떨어질지 모를 긴장감과 불안감에 초조했던 경험이 있을 거예요. 그런데 초조함도 잠시, 갑자기 낙하할 때의 스릴과 땅에 도착했다는 안도감이 불과 몇 초 사이에 일어나죠! 바로 그 짜릿함 때문에 자이로드롭이 많은 사람들에게 사랑받는 놀이기구일 텐데요. 자이로드롭이 땅에 안전하게 착지할 수 있는 이유는 바로 철의 ‘자성’ 덕분이에요.

자석의 N극과 S극 사이에 금속을 넣으면 순간적으로 전류가 흐르면서 금속은 자석의 성질, 즉 자성을 띠게 되는데요. 이때 이 금속 주위로 자기장이 생기게 되고, 금속의 자기장과 자석의 자기장은 서로 밀어내려는 성질, 즉 반발력을 갖게 됩니다. 자이로드롭은 바로 이 반발력을 브레이크로 활용하는 거예요.

놀이기구에 탄 사람들의 안전이 제일 중요하기 때문에, 자이로드롭의 브레이크는 혹시 놀이공원이 갑자기 정전이 되어도 꼭 작동해야 해요. 그리고 자이로드롭은 빠른 속도로 떨어지기 때문에 마찰력을 이용한 브레이크는 부품이 마모되거나 오래 사용하면 파손될 우려가 있어요. 그럼 어떤 브레이크를 써야 안전할까요?

자이로드롭의 의자 뒤에는 12개의 말굽 모양의 자석이, 중앙 타워 기둥에는 12개의 금속판이 각각 설치되어 있는데요. 약 70m 꼭대기에 도달한 의자가 빠르게 낙하할 때 의자 뒤에 붙어있는 자석이 지상 25m 높이에 다다르면, 타워 기둥에 설치된 금속판과 만나게 됩니다. 이때 타워 기둥에 있는 금속에 순간적으로 전류가 흐르면서 금속은 자성을 띄게 되고, 의자의 자석과 금속 사이에는 서로 밀어내는 강한 반발력이 생기게 됩니다. 이 반발력에 의해 자이로드롭은 외부의 힘이나 물리적 접촉이 없어도 멈추게 되는 거랍니다! 정말 신기하죠?

놀이기구의 생명은 무엇보다 안전이에요. 그 안전을 책임지는 소재가 바로 ‘스틸’이죠. 철이 없었다면 재밌는 놀이기구도, 가족들과 나들이 가는 놀이동산도 이 세상에 없었을 거예요. 안전하고, 오래 탈 수 있고, 설치도 간편한 스틸로 만든 놀이기구는 앞으로도 계속 우리에게 즐거움과 재미를 제공할 텐데요. 과학적인 원리를 함께 생각해보면서 즐겨본다면 어떨까요? 그럼, 다음 번에도 재미있는 이야기를 들고 찾아올게요. 또 만나요~!

STEEL Talk에서는 STEEL(철강)은 물론 Science, Technology, Energy, Environment and Life에 대한 궁금증과 호기심을 재미있는 이야기로 풀어드립니다.

‘품위’라는 단어를 떠올리면 어떤 것이 연상되나요? 세련미, 위엄, 기품.. 이런 것들일 테죠. 질문을 보내준 친구는 “철광석의 품위”라는 말을 들었다는데요. 돌멩이에 웬 품위냐고요? 포스코에서도 자주 쓰는 ‘품위’라는 단어, 뉴스룸이 설명해드릴게요. ٩(ˊᗜˋ*)و

l 품위? 그게 대체 뭐예요?

구리 원석, 아연석, 철광석 등 세상에는 여러 종류의 광물이 있어요. 이 광물이 자연 상태에 있을 때는 그 안에 담긴 금속의 함량이 제각기 다 달라요. 광물들은 100% 순수 단일 원소로 존재하지 않거든요. 그래서 채광을 통해 세상 밖으로 나와, 경제성 있는 상품으로 재탄생되는 과정을 거쳐야 해요.

이 과정에서 중요한 것이 바로, “품위(品位, Ore Grade)”입니다. 품위란, 광물에 우리가 필요한 성분이 얼마나 포함되어 있는지를 비율로 나타낸 걸 말해요. 해당 광물에 대한 가치 판단의 기준이 되고, 퍼센트로 표기해요. 예를 들어 품위 2.5% 아연석이라면, 이 광물에 담긴 아연(Zn) 원소 함유량이 2.5%이고 1kg의 아연석에는 25g 정도의 아연이 포함되었다는 것을 뜻합니다.

이러한 광물 중에서도 유용한 원소를 함유한 광물을 ‘광석광물’이라고 부르고, 유용한 원소를 함유하지 않은 광물을 ‘맥석광물’이라고 불러요.

자연 상태에 존재하는 광물들이 모두 품위가 높아 그대로 사용할 수 있다면 좋겠지만, 그렇지 않은 경우가 많아요. 그래서 맥석광물 중에서도 품위가 높은 것들을 선별하여 품위를 향상하는 과정을 거치는데요. 이 과정을 ‘선광(選鑛)’이라고 불러요. 즉 선광은 광석의 몸값을 높이는 과정이라고 할 수 있죠. 중·저품위의 광물을 골라서 물리적, 화학적 공정을 통해 고품위의 광물로 만들어내는 거예요. 이렇게 탄생한 광물을 ‘정광(精鑛)’이라고 부릅니다.

l 품위 높은 광물, ‘철광석’ 나야 나!

우리 친구들 학교에서 석기시대, 청동기시대, 철기시대 공부했죠? 그럼 지금 우리는 어떤 시대에 살고 있을까요? 맞아요. 여전히 철기시대에 살고 있어요!

철의 원료는 ‘철광석’이죠. (철광석이 스틸이 되는 과정이 궁금하다면? 용광로 해부학으로!) 철광석은 매장량이 풍부할 뿐만 아니라 품위가 높아서 인류 문명 발달에 큰 역할을 해왔어요. ‘철광석’의 기준 품위는 약 60%예요. 이 말은 곧 100톤의 철광석을 채굴하면, 60톤의 순수 철(Fe)을 뽑아낼 수 있다는 것이죠. 비철금속인 알루미늄의 원광인 보크사이트(Bauxite)는 평균 품위가 약 13%라고 하니, 철광석의 품위가 얼마나 높은 편인지 감이 오죠? 다시 말해, 같은 양의 성분을 얻기 위해서는 보크사이트는 철광석보다 훨씬 더 많이 채굴해내야 한다는 뜻이죠. 품위로만 따졌을 때, 철광석을 채굴하는 것이 알루미늄석을 채굴하는 것보다 지구환경에 더 친화적이라는 것!

▲ 철광석과 더불어 인류가 가장 많이 사용하는 광물들의 품위를 비교해보세요. 철광석은 무려 60%로(고품위 철광석 기준) 다른 광물에 비해 압도적으로 품위가 높아요!

철광석은 품위만 높은 게 아니래요. 철광석을 가공해 얻은 철은 100% 재활용할 수 있고, 가공하기 쉬우며, 튼튼하다는 장점을 가지고 있으니까요. 철을 발견한 이후로 철만큼 인류에게 사랑을 많이 받고 있는 소재는 없어요. 그래서 우리가 여전히 ‘철기시대’에 살고 있는 거죠!  ◟( ˘ ³˘)◞

오늘의 스틸톡을 통해 깨알 지식을 하나 더 얻게 되었죠? 광물은 지구가 우리에게 주는 아주 소중한 자원이에요. 그래서 포스코는 가장 친환경적인 방법으로 광물을 채굴하고, 최대한 경제적으로 사용하기 위해 노력 중이죠. 과학 지식으로 우리 자신의 품위도 높이고, 광물의 품위도 배우는 재미있는 스틸톡 시간! 다음에도 여러분의 호기심을 채워줄 재미있는 이야기를 들고 돌아올게요~ 안녕!

STEEL Talk에서는 STEEL(철강)은 물론 Science, Technology, Energy, Environment and Life에 대한 궁금증과 호기심을 재미있는 이야기로 풀어드립니다.

굴뚝 모양의 용광로 내부 온도는 약 1500℃. 용광로에 관한 이야기는 그동안 여러 번 소개해드렸었죠. 아마 오늘 질문은 용광로 해부학 콘텐츠(링크)를 열심히 본 친구가 아닐까 추측되는데요~

‘용광로는 과연 얼마나 뜨거울까?’ 도저히 상상하기도 어렵습니다. 그렇다면 이 용광로는 그렇게 뜨거운 불과 쇳물에 닿아 있으면서 어떻게 녹지 않을 수 있는 걸까요? 오늘 포스코 뉴스룸에서 그 해답을 알려드릴게요!

l 미션, 뜨거운 쇳물을 담아라! 해답은 내화물(耐火物)

자자, 먼저 온도 이야기를 잠깐 해보겠습니다. 얼음은 0℃ 이상에서 녹아 물이 되지만, 철의 원료인 철광석은 1535℃가 되어야 쇳물로 바뀝니다. 아주아주 뜨겁기 때문에 용광로 안에 가두어서 녹여야 해요.

그런데 그 뜨거운 쇳물을 가두어 놓으려고 하니, 너무 뜨거워 사용할 수 있는 재료가 많지 않았습니다. 다행히 우리의 영리한 선조들은 불을 만드는 방법을 터득할 때, 그 불이 대부분의 것을 태우거나 녹이더라도 돌과 모래는 태우지 못한다는 것을 발견했어요. 모래나 돌을 쌓아서 불을 가두어 놓고 불이 번지지 않도록 한 것이죠. 그렇게 도자기와 그릇 등을 만들 때나, 청동을 주조하고 칼을 만들 때도 돌과 모래를 활용했다고 합니다.

▲ 불이 모래를 태우거나 녹이지 못하는 원리를 활용한 도자기 가마

이처럼 불에 타지 않는 모래와 돌을 섞어 만든 재료를 내화물(耐火物)이라고 합니다. 내화물이 뭐냐고요? 낯선 용어일 수도 있는데, 실내화에 쓰이는 그런 용어는 아니고요~^^; 내화물이란 견딜 내(耐), 불 화(火), 물건 물(物)의 한자어인데요. ‘높은 온도에서 견디는 물질’이라는 뜻이랍니다. 여기서의 높은 온도는 1580℃ 이상을 말해요. 쇳물이 만들어진 용광로 안의 온도는 약 1500℃, 내화물이 견디는 온도는 1580℃이니 용광로가 녹지 않는 거랍니다.

l 심화학습!! 내화물에 대해 알아봅시다

내화물은 형상, 화학적 성질, 열처리 방식에 따라 종류를 나눌 수 있어요. 크게는 벽돌처럼 만들어 사용하는 정형내화물, 포대에 담아 시멘트처럼 사용하는 부정형내화물로 구분합니다. 용광로에는 정형내화물을 사용해요.

그렇다면 이러한 내화물은 무엇으로 만들어졌는지 좀 더 자세히 살펴볼까요? 과거 초창기 내화물은 주원료로 점토, 카오린, 보크사이트, 실리카, 마그네사이트, 흑연 등의 천연 원료를 사용했어요. 그러다 점차 내화물의 사용 분야가 넓어지고, 기능이 발달하면서 천연원료만으로는 질적, 양적 요구 수준을 만족할 수 없게 되었다고 해요.

뮬라이트, 고순도 알루미나, 스피넬, 해수를 이용한 마그네시아, 탄화규소, 질화규소와 같이 합성원료를 만드는 기술이 개발되면서 마침내!! 내화물의 고급화, 고기능화가 시작되었답니다.

▲ 벽돌처럼 만들어 사용하는 정형내화물. 내화물의 기술이 개발되면서 이처럼 다양한 모양의 내화물을 만드는 것이 가능해졌어요!

내화물은 사용하는 환경에 따른 다양한 특성이 요구되는데요. 간단히 살펴보자면, 용광로가 있는 제선 공정에서는 고강도, 내마모성, 저열전도성, 내가스성 등이 필요하고, 쇳물을 깨끗하게 정련하는 제강 공정에는 내열충격성, 내침식성, 저열팽창성 등이 필요하답니다. 내화물은 하나의 특성을 높이면 다른 특성이 낮아지는 관계를 가지고 있어요. 내화물은 이러한 관계 속에서 사용 환경에 따른 적절한 특성 합의점을 찾아서 사용한답니다.

l 그럼 내화물은 절대 닳지 않는 걸까?

그렇다면 이쯤에서 ‘용광로를 만드는 내화물은 불에도 녹지 않고 거뜬하니까 닳지도 않는 걸까?’라는 궁금증이 생긴 친구들도 있을 텐데요. 1500℃ 이상의 쇳물과 닿고, 필요에 따라 1800℃까지 온도를 올려 쇳물을 정련하는 공정을 거치기 때문에 내화물의 손상을 완전히 막을 수는 없답니다. 이는 내화물의 사용 기간이 길어질수록 손상량이 증가하는 관계를 가지기 때문이랍니다.

▲ 용광로는 이렇게 생겼어요!

우리나라는 국토 크기가 작고 내화물의 원료 매장량이 적기 때문에 내화물 원료 중 일부를 중국 등을 통해 수입하고 있어요. 전세계 원료 가격이 증가함에 따라 내화물 가격도 증가한답니다. 포스코는 이러한 문제를 해결하기 위해 그룹사인 ㈜포스코케미칼을 통해 이런 고급 내화물들을 개발함으로써 알맞는 제품을 적기에 공급 받고 있다는 사실! 오늘의 STEEL Talk 코너를 함께 살펴본 친구들 중 철강 박사님이 탄생하여 그 획기적인 기술의 주인공이 될 수도 있겠죠? 그럼 다음 스틸톡에서 만나요~^^

* 도움말 주신 분: 포스코 공정엔지니어링연구소 제강연구그룹 이영주 책임연구원

STEEL Talk에서는 STEEL(철강)은 물론 Science, Technology, Energy, Environment and Life에 대한 궁금증과 호기심을 재미있는 이야기로 풀어드립니다.

요즘처럼 추운 날씨에는 주머니 속 핫팩 하나가 넘나 소중 하죠. 여러분은 어떤 핫팩을 주로 사용하나요? 말랑말랑한 액체 ‘아세트산나트륨’이 들어 있는 얇은 플라스틱 주머니 핫팩, 스마트하게 진화한 USB 충전식 손난로, 그리고 가루가 들어있는 1회용 주머니 핫팩 등, 요즘은 핫팩도 종류가 다양해요.

이 중 가장 많이 쓰이는 핫팩은? 바로 가루형 핫팩이래요. 사용하기에 간편하면서도 따뜻하고, 가격도 저렴하기 때문에 시중에서 가장 많이 팔린다네요. 다들 핫팩을 쉐킷쉐킷~ 흔들어서 따뜻하게 손을 데워봤죠? 그런데 그렇게 핫팩을 흔들다 보면..킁킁 왠지 철 냄새가 나지 않았나요? 이 핫팩에 들어 있는 재료가 바로 ‘철가루’거든요! 그렇다면 또 포스코 뉴스룸에서 파헤쳐 보지 않을 수 없겠죠? 호주머니 속 든든한 손난로, 핫팩에 숨겨진 철의 비밀을 소개해드릴게요~

l 몇 초만 흔들면 따뜻해지는 핫팩의 비밀, 철(Fe)의 산화 발열 반응!

겨울철 빼놓을 수 없는 필수품인 핫팩. 비닐 포장을 뜯은 뒤 핫팩을 흔들거나 주무르면 뜨거운 열이 발생하고, 그 열은 최대 12시간 지속되죠. 호기심이 남다른 친구라면 핫팩을 뜯어서 내용물을 확인하기도 했을 거예요. 그 안에 무엇이 들어 있던가요? 바로 철가루! 정확히는 철가루, 소금, 활성탄, 톱밥, 질석 등이 들어 있어요.

엥? 철이 열을 낸다고? 당연히 가만히 있는 철이 저절로 열을 내지는 않아요. 따뜻함의 비밀은 바로 철가루가 녹스는 현상에 있답니다. 철가루는 공기와 만나면 ‘철(Fe)의 산화 발열반응’이 일어나면서 녹이 슬게 되는데요. 이때 발생하는 열로 핫팩이 뜨거워지는 거에요. 하지만 철이 공기와 만난다고 해서 바로 녹스는 게 아니죠. 그래서 소금과 활성탄으로 구성된 촉매제가 함께 들어있는 거랍니다. 산화 시간을 줄여서 불과 몇 분 만에 핫팩의 온도가 30~70℃까지 높아질 수 있어요. 톱밥과 질석은 이 열을 지켜주는 단열제의 역할을 하고요.

핫팩에 들어있는 가루들은 아주 곱고 미세해요. 그래서 핫팩을 흔들면 주머니 밖 외부 공기와 만나면서 빠른 속도로 철가루가 산화될 수 있어요. 우리가 보통 물에 무언가를 녹일 때, 덩어리보다 가루가 빨리 녹는 것을 알 수 있죠? 마찬가지로 미세한 가루들도 화학반응이 빨리 일어난답니다. 이러한 핫팩은 사용 전에 공기가 잘 투과되지 않도록 포장해서, 제품을 운반하거나 보관할 때 산화 반응이 일어나지 않도록 하고 있어요.

▲ 이렇게 녹슨 철은 아주 아주 오랜 시간 공기(산소)에 노출된 철이랍니다.

l 핫팩의 비결 산화 반응, 주변에서 쉽게 볼 수 있을까?

그런데 철의 산화 반응을 듣고 의문이 생긴 친구들도 있을 거예요. “그럼 녹슨 철은 다 따듯한 거예요? 녹슨 거 만져도 차가운데요?” 하고 말이죠. 우리 주변의 못 같은 철 제품에 녹이 생기는 것도 산화 반응이고, 그 과정에서 물론 열이 발생합니다! 하지만 우리 생활 속에서 일어나는 철의 산화 현상은 주로 ‘아주 천천히’ 진행돼요. 그래서 우리가 그 열을 인식하기가 어렵죠.

l 한 번 사용한 핫팩, 다시 쓸 수 있을까?

핫팩 속 철가루는 발열 후 산화철로 바뀌는데요. 완전히 녹슨 상태가 된 철은 더 이상 산화 반응을 일으키지 않아요. 그래서 일회용 핫팩인 거죠!

그럼 일회용 핫팩을 좀 더 오래~ 잘~ 사용하기 위한 팁은? 첫째로 제조일자가 최근인 제품을 고르는 것입니다. 최근에 생산한 제품일수록 공기 접촉 가능성이 낮기 때문이죠. 두 번째로는 핫팩을 사용하지 않을 때 지퍼백과 같은 밀폐된 용기에 넣어두는 거예요. 철을 필요할 때만 산소에 노출하면 산화를 늦춰 사용 시간을 연장할 수 있어요.

오늘은 일상 속 따뜻한 철, 핫팩 속에 숨겨진 비밀에 대해 알아봤습니다. 요즘처럼 추운 날씨에 없어선 안 될 존재로 철의 중요성을 다시 한번 느낄 수 있었는데요. 남은 겨울 주머니 속 철과 함께 따뜻하게 보내시길 바라겠습니다. 아는 만큼 보이는 철 이야기, 스틸톡의 다음 스토리도 기대해주세요~!

* 도움말 주신 분: 포스코 자동차소재연구소 자동차소재표면연구그룹 김영하 수석연구원

STEEL Talk에서는 철강(STEEL)은 물론 Science, Technology, Energy, Environment and Life에 대한 궁금증과 호기심을 재미있는 이야기로 풀어드립니다.

자석은 철을 강하게 끌어당기는 성질을 가지고 있어요. 그런 특징 덕분에 자석은 우리 주변에서 다양하게 활용되고 있는데요. 치킨 쿠폰을 냉장고에 붙여 놓거나, 철제 선반에 종이 등을 붙여 놓는 등, 생활 곳곳에서 유용하게 사용되고 있죠.

그런데 우리 몸에도 철이 있다면, 왜 자석에 안 붙을까요? 그 이유가 무엇인지 자세하게 설명해드릴게요.

 l 철은 일상뿐 아니라 우리 몸속에서도 필수적인 요소!

우리가 생명을 유지하기 위해서는 산소가 반드시 필요하고, 그 산소를 몸속 곳곳의 세포들에게 전달하는 역할을 하는 것이 ‘적혈구’ 예요. 적혈구 안에 있는 ‘헤모글로빈’이라는 분자가 철을 가지고 있는데, 이 철에 산소가 붙어 몸속 곳곳을 돌아다녀요. 철은 우리의 생활을 이롭게 해 줄 뿐만 아니라 우리 몸속 곳곳을 돌아다니며 산소를 전달하는, 없어서는 안 되는 존재예요.

여기서 바로 ‘적혈구 안에 철이 들어있으니까, 피에 자석을 가까이 대면 끌어당겨지지 않을까?’라는 질문이 생기게 됩니다. 재미있고 기발한 질문인데요. 많은 과학자들 또한 이런 궁금증을 가져왔고, 답을 풀어왔어요. 만약 자석이 정말 피를 끌어당긴다면, 우리 주변에 있는 자석들을 반드시 조심해야만 할 테니까요!

다행히 우리의 피 속에 들어있는 철은 자석에 끌어당겨지지는 않아요. 왜 그럴까요? 간단히 설명하면, 우리 몸속 거의 모든 곳에 철이 들어있지만, 그 양이 매우 적기 때문이에요. 어른 한 사람의 몸 안에 들어있는 철의 양을 다 모아봐야 3.5g밖에 안 되거든요. 그중에 피 안에 들어있는 철은 고작 2g밖에 안 되고요. 이렇게 적은 양이 몸 여기저기에 퍼져 있으니 자석의 유혹에도 크게 영향을 받지 않겠죠?

하지만 이 설명이 완벽한 설명은 아니에요. 아무리 양이 적다 하더라도, 초강력 자석을 이용하면 달라붙게 될 테니까요. 그럼, 좀 더 정확한 이유를 알아볼게요!

l 우리의 몸이 자석으로부터 안전한 이유는?

철이 들어있는 헤모글로빈 분자는 산소가 붙어있을 때는 오히려 자석에서 밀려나는, 자석으로부터 멀어지려는 성질을 가지고 있어요. 반대로 산소가 떨어진 헤모글로빈 분자는 자석에 아주 살짝 끌려가는 성질을 가지고 있고요.

우리와 같은 질문을 가지고 유튜버 <과뿐싸>가 실험을 진행했어요. 실제 실험 영상을 함께 살펴볼까요?

우리 피 안에 들어있는 헤모글로빈은 대부분 산소가 붙어있는 상태인데요. 피의 대부분을 차지하고 있는 ‘물’ 또한 약하긴 하지만 자석으로부터 멀어지려는 성질을 가지고 있어서 강한 자석을 우리의 몸에 가까이 댄다고 하더라도 붙지 않고 오히려 조금씩 멀어지는 현상을 관찰할 수 있어요. 정말 신기하죠?

병원이나 의학 드라마에서 자기 공명 영상(MRI) 장비를 본 적이 있을 거예요. MRI는 강력한 자기장을 이용해서 몸 안의 구조를 볼 수 있게 해주는 장비인데요. 만약 피가 자석에 끌린다면 MRI 장비 안에 들어간 사람은 아주 위험한 상황에 빠지게 되겠지만, 철이 들어있는 피는 아주 강력한 자석에도 크게 반응하지 않기 때문에 그런 일은 발생하지 않아요. 심지어 피는 혈관 안에서 강하게 움직이고 있기 때문에, 자석이 주는 효과는 무시할 정도! 아무리 초강력 자석이 몸에 닿더라도 걱정할 필요가 없답니다.

어때요? 이제 궁금증이 많이 풀렸나요? 포스코처럼 철강회사가 만들어내는 다양한 철 제품들이 우리의 일상을 더 편안하고 행복하게 해주는 것처럼, 우리 몸 안의 철 또한 우리 안에서 중요한 역할을 하고 있다는 사실 꼭 기억해 주셨으면 좋겠습니다. 그럼 다음에 또 만나요, 안녕~!

* 도움말 주신 분: 목정완 과학커뮤니케이터, 유튜버 <과뿐싸>

STEEL Talk에서는 STEEL(철강)은 물론 Science, Technology, Energy, Environment and Life에 대한 궁금증과 호기심을 재미있는 이야기로 풀어드립니다.

지구가 철(Fe)의 행성이라, 아빠께서 일리 있는 말씀을 해주셨네요. 우리가 사는 지구는 약 46억 년 전에 탄생했다고 해요. 우주에는 가스와 먼지 같은 것들이 떠돌아다니는데, 암석이나 금속 덩어리로 이뤄진 조그만 미행성들이 서로 충돌하고 합쳐지면서 지구가 만들어졌다고 해요. 그 당시 지구는 뜨거운 마그마 상태였는데, 차차 식으면서 무거운 철과 니켈 성분이 지구 중심으로 가라앉고, 가벼운 암석 성분이 표면으로 떠오르면서 지각(땅)이 되었지요.

많은 연구를 통해 알려진 지구 탄생기이지만, 그 누구도 본 적은 없기 때문에 유력한 가설일 뿐이기는 합니다. 하지만 정말 확실한 건, 철은 지구가 탄생하는 그 순간부터 지구와 함께하고 있었고, 지구에 뿌리내린 인류의 문명에 지대한 영향을 끼쳤다는 사실이랍니다. 그럼 지금부터 자세하게 살펴볼까요?

l 3천 년 넘게 인류 문명을 발전시킨 철

인류는 석기시대와 청동기시대를 거쳐 ‘철기시대(Iron Age)’를 맞게 됩니다. 철은 청동보다 단단하고 자연에서 쉽게 구할 수 있어 도구를 만들기 적합했죠. 인류가 철을 제일 처음 사용한 건 기원전 4000년경 이집트에서 만든 철제 구슬이고, 그 후 기원전 1000년경 본격적으로 철기시대의 막이 올랐어요. 여러분, 혹시 지금은 무슨 시대인지 아시나요? 놀랍게도 우리는 아직 철기시대를 살고 있답니다. 무려 3000년이 넘는 시간 동안 말이죠!

철기시대 이전의 인류는 땅을 파서 움집을 만들거나, 자연에 있는 돌을 부수고 깎아서 고인돌이나 피라미드를 지었어요. 하지만 문명이 발전하여 철기시대에 들어서면서 우리는 철을 사용해 건물을 짓게 됩니다. 단단한 철은 우리의 삶의 공간을 튼튼하게 만들어준다는 걸 깨달았기 때문이에요. 옛날에는 건물을 지을 때 사용된 주재료가 돌과 벽돌, 나무였기 때문에 건물을 높게 지으면 건물이 그 자체의 무게를 지탱하지 못해 무너질 위험이 높았어요. 하지만 철이 건축의 주요 소재로 등장하면서 고층 건물을 짓는 것이 가능해졌습니다. 튼튼한 철 기둥이 높은 건물의 무게를 지탱할 수 있게 된 거죠.

▲ 우리나라에서 가장 높은 롯데월드타워! 포스코의 강판이 사용되었어요.

한국에서 1번째, 세계에서 5번째로 높은 잠실 롯데월드타워에 가보셨나요? 이런 초고층 빌딩을 지으려면 매우 강하고 질긴 철이 필요합니다. 높이 555m의 롯데월드타워에는 포스코가 자체 개발한 최신 고성능 열가공 고장력강판 등이 사용되었습니다. 튼튼한 철 덕분에 높고 멋진 건축물이 탄생할 수 있었죠. 이렇게 철은 건설의 주역으로서 도시를 안전하고 편리하게 만들어주고 있습니다. 또 우리가 매일 타는 버스와 자동차, 매일 밥을 먹는 주방의 프라이팬과 수저에도 철이 있죠.

l 철 덕분에 두 발 뻗고 잔다!

우리 지구에서 가장 큰 질량을 차지하는 원소가 무엇일까요? 바로 철(Fe)이랍니다. 지구의 무게 중 35%나 차지하고 있거든요. 그런데 아무리 주위를 둘러봐도 철이 35%나 될 것 같진 않아요. 그 많은 게 다 어디 있냐고요? 바로 우리 눈에 보이지 않는 땅 아래, 지구의 중앙부인 ‘핵’에 들어 있어요. 아까 지구의 탄생 순간에서 이야기한 것처럼, 철은 무거운 물질이어서 핵에 가라앉아 있답니다.

핵 속의 철은 어떤 임무를 할까요? 바로 ‘자기장’을 만듭니다. 방향을 모를 때 나침반의 N극과 S극을 확인하죠? 이건 지구에 ‘자기장’이 형성돼 있기 때문이에요. 자기장은 철이나 니켈처럼 전도성이 강하고 자성을 띤 물질이 자기력을 만들어내서 생긴 거예요. 지구 내부의 핵에 들어 있는 액체 상태의 철은 지구가 빙글빙글 자전할 때 회전하면서 자기장을 만듭니다.

지구 자기장이 있기 때문에 우리는 나침반도 쓸 수 있고요, 멋진 오로라도 볼 수 있어요. 그리고 태양이 쏘아 보내는 입자와 자기 등 강력한 에너지(태양풍)를 막아 지구를 보호해 줍니다. 자기장이 없었다면, 철이 없었다면 지구는 금성처럼 생물체가 살지 못하는 행성이 되었을 거예요. 그러니까 오늘날 우리가 이 땅에 발붙이고 살 수 있는 거죠!

이 정도면 우리별 지구를 ‘철의 행성’으로 불러도 되겠지요? 우리는 지구의 주인이니, 꼭 기억해두세요!  그럼 다음 시간에 다른 이야기로 찾아올게요. 안녕~!  (*•̀ᴗ•́*)و ̑̑

* 도움말 주신 분: 포스코 기술연구원 최응수 수석연구원

STEEL Talk에서는 STEEL(철강)은 물론 Science, Technology, Energy, Environment and Life에 대한 궁금증과 호기심을 재미있는 이야기로 풀어드립니다.

스틸은 거대하고 무거운 구조물에 많이 쓰여서 그런지 포스코를 어려워하는 느낌이 드네요. 사실 질문을 보내준 어린이뿐만 아니라 많은 사람들이 비슷하게 생각하고 있는 것 같아요. 건물이나 자동차같이 큰 사이즈에 스틸이 들어가는 게 아니냐는 질문을 많이 받았거든요.

스틸이 어디에 쓰였을지 생각해 볼까요? 학교 운동장에 있는 철봉부터 초고층 빌딩 건물, 달리는 자동차나 기차, 철교, 태평양을 횡단하는 선박… 뭔가 무겁고 네모지고 차가워 보이는 것들이 많이 떠올라요. 여러분 생각이 맞아요. 스틸은 무겁고 크다는 게 통념이죠. 그렇지만 전부 그런 건 아니랍니다. 스틸은 무겁고 큰 동시에, 작고 가벼울 수 있거든요!

l 중력을 이겨내고 우주로 올라가다

우주선의 소재로 스틸이 쓰일 수 있다는 사실, 알고 계셨나요? 여기까지만 보면 ‘애걔~ 우주선도 무겁고 큰 거 맞잖아요~!’라고 생각할 수도 있어요. 그런데 스틸이 정말 무겁기만 한 소재라면, 하늘 높이 올라가야 하는 우주선의 소재로 쓰일까요? 한 번 생각해 보세요.

물론 비행기 몸체의 소재는 가벼운 게 좋아요. 기체가 무거울수록 중력의 영향을 많이 받아 연료 소모량이 늘어나고, 비행 속도가 느려지니까요. 그렇다고 플라스틱처럼 가벼운 소재로 만들 수 없기 때문에 두랄루민(Duralumin) 같은 특수 합금 소재가 주로 사용되고 있는데요.

▲ 로켓 제조회사 SpaceX의 스테인리스 스틸 우주선을 보고싶다면 여기를 눌러주세요!

지난 1월, 전기차 테슬라의 CEO로 유명한 일론 머스크는 스테인리스 스틸로 스타십(Starship)을 만들겠다고 발표했습니다. 그가 설립한 로켓 제조회사 SpaceX는 화성을 비롯한 우주로 사람들을 왕복 실어나를 수 있는 스타십을 개발하고 있어요.

원래 스타십은 가볍고 튼튼한 탄소섬유(Carbon fiber)로 만들어질 계획이었는데요. 스테인리스 스틸이 탄소섬유보다 비용이 100분의 1 수준으로 저렴하고, 녹는점이 높아(1,538℃) 고온을 더 잘 견딜 수 있기 때문에 소재를 변경하게 되었다고 해요. 이렇게 만들어지게 될 스타십은 길이가 50m, 지름이 9m나 될 예정이랍니다. 건물이나 다리처럼 땅 위에만 굳게 서 있을 것 같은 스틸이 지구를 벗어나 화성까지 갈 수 있는 소재라니, 엄청 능력자 같지 않나요?

l 지금 여러분 손안에도 있는걸요

얼마 전에 난 신문 기사를 보셨는지 모르겠어요. 우리가 맨날 쓰는 스마트폰에도 스틸이 들어가 있답니다. 바로 애플 ‘아이폰X’의 옆면 은색 테두리, 이게 바로 포스코의 스테인리스 스틸이에요.

▲ 반짝이는 아이폰X의 은색 테두리! 포스코 스테인리스 스틸로 만들어졌어요~!

여기에 사용된 포스코 제품의 이름은 ‘비자성 고청정 스테인리스 스틸(non-magnetic, ultra-clean stainless steel)’이에요. 이름이 길어서 어렵게 느껴지는데요. 영어단어와 함께 보면 이해하기 쉬울 거예요. 핸드폰에 들어가야 하니까 전파 방해를 하지 않아야겠죠? 그래서 자석 성분이 없는 비자성(non-magnetic)이어야 하고요. 모든 제품이 그렇듯 흠집이나 기포, 변형 없이 표면이 깨끗해야 하니까 고청정성(ultra-clean)을 가져야 한답니다. 그래서 비자성 고청정 스테인리스 스틸이 스마트폰 소재로서 제격인 거죠!

손바닥 한 뼘 크기에, 무게는 174g밖에 되지 않는 스마트폰에 들어간 스틸이라니, 우주선에 쓰이는 것과 같은 스테인리스 스틸이지만 이렇게 얇고 가벼울 수도 있어요. 매끈하고 깨끗한 ‘엣지 있는’ 디자인을 완성한 스틸, 왠지 무겁고 두껍기만 할 것 같지만 이렇게 작고 세련된 소재이기도 하답니다.

포스코는 무겁고 큰 스틸만 만드는지에 대한 질문에 답을 정리하자면 ‘절반은 맞고 절반은 틀리다’예요. 앞서 이야기한 것처럼 스틸은 지구 밖 거대한 우주선에도, 내 손 안의 핸드폰에도 있거든요. 우주선에 쓰인 스틸이든 핸드폰에 쓰인 스틸이든 똑같은 쇳물에서 시작하지만, 그 활용 기술은 정말 넓고 넓어서, 작게는 바늘부터 크게는 우주선까지도(From needle, to aerospace) 활용된답니다. 이것이 진짜 스틸의 힘이고 포스코의 힘 아닐까요?  ⌯’▾’⌯