인류 역사와 함께한 재료공학

인류 역사와 함께한 재료공학

인류 역사와 함께한 재료공학

재료공학에서 미세조직이 차지하는 비중이 얼마나 큰 지를 계속 강조를 했지만 실제로 미세조직이 어떻게 영향을 주는지는 확인을 못했죠. 그것을 확인하기에 앞서 머리를 식힐 겸 재료공학의 역사, 그리고 왜 재료공학의 역사가 인류의 역사라고 하는지에 대해서 잠깐 살펴보도록 하겠습니다.

인류의 역사와 재료공학의 역사

인류의 역사와 혹은 재료공학의 역사는 항상 함께 해 왔습니다. 불의 발견과 함께 시작됐던 거죠. 불이 어떻게 발견되었는지 정확하게 알려져 있지는 않지만 ‘자연에서 천둥 번개가 치는 어느 날 번개가 나무를 때리고 나무에 붙은 불을 보면서 사람들이 불을 발견하지 않았을까?’라고 생각합니다. 불이 주는 중요한 성질 중 하나가 바로 음식이죠. 음식을 불에다 익혀 먹으면 엄청 맛이 좋고 소화도 잘되고 병균을 죽여주게 됩니다. 인류가 비약적으로 발전하는 데 있어서 불의 기여도는 굉장히 컸습니다. 그런데 과거에 원시인들은 불을 제대로 만들 줄은 몰랐을 것입니다. 그래서 불을 붙여놓고 꺼지지 않도록 항상 보관을 했을 것 같습니다. 그러던 중에 실수로 꺼지는 경우가 생겼겠죠. 실수로 꺼졌을 때 부족 전체는 위기이고 굉장히 슬픔에 빠지겠지만 그 꺼진 불씨 사이로 반짝이는 물건들이 보였을 것입니다. 그것은 보통 바닷가 근처에 많이 살았기 때문에 나중에 배우겠지만 유리라는 물질인데 불이 모래의 성질까지 바꾼다는 것을 자연적으로 인류는 습득했을 것 같습니다. 그러면서 인류가 돌의 성질, 모래의 성질들을 바꾸는 기술들을 개발하기 시작했고 그 기술에 나아가서 불의 온도를 더 높일 수 있게 됨에 따라 금속의 성질까지 바꿀 수 있는 혹은 금속을 자연에서 추출해낼 수 있는 능력까지 갖추게 됐고 금속을 ‘다른 사람들이 만든 금속보다 더 강하게 만들어야지’하는 충동에서 금속 가공술도 발전했을 것입니다. 처음에 인류의 역사가 석기시대부터 철기시대로 넘어오는 것을 여러분들은 잘 알고 있죠? 아마도 불의 발견과 연관을 짓는다면 여러분들이 그 과정을 좀 더 쉽게 이해할 수 있을 것 같습니다.

금속 시대와 재료공학

금속 시대를 금속 시대를 지나게 되고 금속 시대를 지나면서 금속을 어떻게 가공하면 보다 나은 금속을 만들 수 있는지를 사람들이 알게 됐습니다. 그때 알게 된 지식을 통해서 단순히 금속뿐만 아니라 여러 가지 인공 재료에도 적용을 하기 시작했고 인류의 재료공학 역사의 비약적인 발전을 가져온 것이 아닐까 싶습니다. 원래는 철기시대부터 시작을 했지만 철기 시대 때는 화학이라든지 원자의 개념이 전혀 없었을 것입니다. 그러다 보니 순수한 물질이 가지고 있는 성질을 전혀 몰랐던 것입니다. 그러다가 화학과 물리 여러 가지 지식이 발달하면서 순수한 물질을 얻을 수 있는 능력이 얻어졌고, 그 순수한 물질을 통해서 만든 것이 바로 파인 세라믹스라고 해서 마법의 돌이라고도 부르죠. 어떤 분들은 마법의 돌에서 나온 것이 실리콘, 즉 반도체의 원료가 되다 보니까 철기 시대 다음에 온 규석기 시대라고도 정의하기도 합니다. 반도체가 그만큼 인류 발전에 준 공헌도가 아주 크기 때문이겠죠. 뿐만 아니라 거기서 더 넘어가서 자연이 몰랐던 새로운 기능까지 재료에서 찾아내는 단계까지 왔습니다. 즉, 재료공학의 미래가 될 것이고 그것이 바로 인류 역사의 미래가 될 것입니다. 이 일련의 흐름으로 저는 인류의 역사와 재료공학의 역사는 항상 함께 해왔다고 이야기를 드리겠습니다. 그러면 인류의 역사뿐만 아니라 재료공학의 역사 어느 것이든 마찬가지지만 좀 더 자세히 보겠습니다. 여러분들도 잘 아시다시피 시작은 구석기시대이죠? 구석기시대에 시작해서 신석기시대로 넘어가고 청동기 시대, 철기 시대로 이어지는 이 과정을 인류의 발달사라고 합니다. 여러분들이 이미 느끼셨겠지만 이 발달사가 이미 재료 발전과정과 연관이 되어있죠. 그런데 여기서 많은 분들이 한 번쯤 궁금했을 것 같습니다. ‘왜 우리 역사상에서 청동기가 철기보다 먼저 나와있는가’가 궁금하셨을 것인데 철기가 매장량도 많고 가공하기도 쉬운데 왜 청동기가 먼저 나왔는지를 같이 살펴보겠습니다.

청동기가 먼저 나온 이유

청동기가 철기를 앞선 이유라는 제목을 붙인 슬라이드입니다. 청동기의 기본은 구리입니다. Bronze(청동)이라고 하는 것은 구리에 여러 가지 다른 금속들이 들어가서 만들어진 것을 청동이라고 부르는데, 구리 자체의 녹는점은 1085도입니다. 철이 녹는점은 1538도입니다. 즉, 무슨 얘기를 하는 것인가 하면 철이 청동기보다 늦게 나올 수밖에 없었던 이유는 우리가 불을 다루는 기술 자체가 계속 발전해왔기 때문입니다. 과거에 청동기 시대로 들어갔을 때는 1000도 이상으로 올리는 것 자체가 엄청난 모험이었던 것입니다. 구리에 다른 것들을 넣어주면 녹는점이 조금 낮아지는데 마침 1000도 근방까지 올라갔을 때 다른 금속을 포함한 구리를 얻어낼 수 있었던 것입니다. 그럼 ‘온도를 올리는 것이 왜 어려운가?’를 같이 한 번 보겠습니다. 온도를 올리기 위해서는 네 가지 요소가 만족이 되어야 하는데, 일단 외부 온도가 낮기 때문에 불을 아무리 때어서 온도를 올리려 하더라도 외부의 차가운 공기 때문에 계속 식습니다. 따라서 첫째는 단열을 잘 시켜야 합니다. 뿐만 아니라 불타는 면적이 넓으면 넓을수록 같은 연료를 넣어서 온도를 올리는 데는 더 많은 시간과 더 많은 연료를 필요로 합니다. 그리고 어떤 연료를 쓰냐에 따라서 최고 점으로 올라갈 수 있는 온도 자체도 다릅니다. 물론 산소도 굉장히 중요합니다. 산소가 굉장히 많으면 폭발을 하는 경우도 있고 산소가 너무 적으면 불이 꺼지는 수도 있습니다. 이 네 가지 요소를 잘 조합을 해야만 온도를 높일 수 있는데 여러 분들이 캠핑에 가서 하는 캠프 파이어 같은 경우는 최대로 올려봤자 200 도도까지 밖에 못 올립니다. 그 이유는 주변 공기가 너무 차갑기 때문에 아무리 온도가 올라가려고 해도 계속 식어버리는 것입니다. 그런데 땅을 파서 구덩이를 만들고 그 위에 돌을 쌓아서 어느 정도 단열을 시켜주게 되면 도달할 수 있는 온도가 600도 정도 된다고 합니다. 즉, 과거에 신석기시대에서 사용하던 구워 놓은 토기들은 이런 돌무지 가마에서 만들었다고 추정을 하고 있습니다. 이렇게 해도 600도 밖에 되지 않습니다. 그런데 아까도 말했듯이 금속을 얻으려면 기본적으로 1000도 이상으로 올려야 합니다. 그래서 사람들이 계속 ‘어떻게 하면 온도를 더 올릴 수 있을까’ 고민을 했겠죠. 그러면서 나온 것이 여러 가지 형태의 가마(kiln)가 나오게 됩니다.

환기구와 재료공학의 발전

Beehive kiln이라고 해서 우리나라보다는 서구 쪽에서 많이 쓰던 가마 형태인데, 보시는 것처럼 벽돌을 쌓아서 완전히 주변과 차폐를 시키고, 공기의 흐름을 좋게 하기 위해 위에 이렇게 환기구를 만들었습니다. 이것이 굉장히 중요합니다. ‘고온으로 올라가려면 완전히 막아야 되지 않을까’ 싶은데 그렇지 않습니다. 완전히 막게 되면 산소가 결국엔 소모돼서 불이 꺼지는 거죠. 그래서 환기구를 어떻게 설계하는가도 굉장히 중요한 재료공학의 기술 중 하나입니다. 여기서는 charcol을 집어넣었는데 밑에다 연료를 집어넣고 불을 땐 다음 공기의 흐름을 따라 지나가면서 온도가 올라가게끔 만든 것, beehive klin을 사용하면 1300도까지 도달할 수 있다고 합니다. 그리고 여기서 더 개량된 것을 climbing klin라고 해서 우리나라에서 만드는 대부분의 도자기들은 climbing klin에서 만들어집니다. 도자기는 1300도 이상으로 올라가야 만들 수 있는데, 그렇게 하기 위해서 순차적으로 데워주는 형태의 climbing klin을 사용할 수밖에 없었습니다. 여기도 환기구 설계라든지 이런 것들이 굉장히 과학적 지식이 필요한 기술이었다고 합니다. 이천 도자기 축제라든지 이런 곳에 가시면 이것을 보실 수가 있는데, 이렇게 하면 아래쪽에서 온도가 높은 것이 아니라 위쪽의 온도가 1400도까지 도달할 수 있다고 합니다. 지금이야 여러 가지 기술을 동원해서 온도를 쉽게 올리죠. 그런데 과거에는 불의 온도를 올리는 것 자체가 그 나라의 국력에 맞먹을 정도로 엄청난 기술이었다고 합니다. 그럼 과거의 우리 선조들은 온도를 어떻게 측정했을까요? 지금이야 온도를 분광기를 사용하면 몇 도인지 알 수 있는데, 과거의 사람들은 옆에 보시는 것처럼 색깔을 보고 온도를 결정했다고 합니다. 오른쪽에 있는 사진들은 가마 내에서 온도를 올리는 과정에서 한 번씩 찍은 사진들인데, 보시면 하얗게 나타나는 지점까지 도달하게 되면 온도가 약 1400도 가까이 이르렀다 생각하시면 되고 노란 불꽃이 되는 이런 영역 정도 되면 약 1000도 이상 1400도 이하라고 보시면 되고 불그스름한 부분들은 약 700도로 온도가 낮은 것입니다. 아직도 전통적인 방법으로 도자기를 구우시는 분들은 보통 색깔을 보고 온도를 예측하신다고 합니다. 그래서 과거에 1400도까지 도달하면서 나온 것이 도자기인데, 이 도자기가 나오기까지 어마어마한 기술력이 축적되었다는 것입니다. 이런 내용들을 보시기 좋은 것이 YTN 사이언스에서 ‘가마 발전의 역사 및 불의 기술’이라는 다큐멘터리를 제작해서 방영한 적이 있는데 이 다큐멘터리의 링크를 저희가 제공할 테니 한번 보시면 ‘불의 온도를 올리는 기술’ 그리고 ‘도자기를 만드는 기술’이 어마어마한 기술이었다는 것을 느낄 수 있지 않을까 생각합니다.