최초의 인공재료 - 복합재료

최초의 인공재료 - 복합재료

최초의 인공재료 - 복합재료

벽돌 속에 숨어 있는 재료 공학을 알아보겠습니다. 우리 인류의 역사상 가장 중요한 것이 뭔가요? 의식주입니다. 의, 식, 주가 굉장히 중요한데 의 경우는 자연에게 얻었던 기간이 굉장히 길었습니다. 뒤에서 한 번 인공섬유에 대해서 얘기를 할 기회가 있을 것이고 반면에 주거에 관련된 것들은 아주 역사가 깊죠. 재료 공학이 함께 달려왔기 때문입니다. 삶에 있어서 살아가는 공간을 해결해주는 가장 중요한 재료 중 하나가 벽돌이라고 할 수 있습니다. 벽돌의 역사를 들여다보면 가장 오래된 인류의 역사 기록 중 하나라고 하는 성경에 보면 창세기의 바벨탑 이야기 중에 이런 이야기가 나옵니다. ‘벽돌을 만들어 견고히 굽자’ 이 말은 예전 사람들도 벽돌을 이미 만들어서 구우면 아주 견고해진다는 것을 이미 알고 있었다는 것을 보여줍니다. 실제로 과거의 유적들을 들여다보면 벽돌을 구웠던 화로들이 많이 발견이 됩니다. 벽돌을 굽기 위해서는 600~700도 이상 올라가야 하는데 그 온도까지 가는 것이 쉽지 않다고 했습니다. 특히 대규모로 벽돌을 구워 내려고 했다면 아주 힘들었을 것입니다. 그 말은 구우면 견고해진다는 것을 알고 있던 시절이지만 그냥 말려서 쓰는 건조한 벽돌도 함께 사용되던 시절이라는 것을 알 수 있겠죠. 그냥 건조한 벽돌을 잘 아시겠지만 쉽게 찰흙을 생각해보면 되겠죠. 조금만 충격을 주면 깨집니다. 옛날 사람들이 아주 고민이 많았을 것입니다. ‘어떻게 하면 깨지지 않게 만들까, 구우면 좋을 텐데 굽기는 힘들고 그러면 어떻게 할까’ 이에 대한 어떤 실마리가 역시 성경에 보면 바벨탑 다음 얘기인 출애굽기에 다음과 같은 얘기가 나옵니다. ‘너희는 백성들에게 다시는 벽돌 소용의 짚을 전과 같이 주지 말고 그들로 가서 스스로 줍게 하라.’라는 얘기가 나오는데 짚을 사용 하면 벽돌을 멋지게 만들 수 있다는 얘기가 되는 것입니다. 실제로 과거에 굽지 않는 벽돌은 보통 adobe 벽돌이라고 부르는데 오른쪽 그림의 경우는 이 진흙 벽돌에 짚을 넣은 것이고 왼쪽 그림은 짚을 넣지 않은 것입니다. 이 두 개의 경우를 비교해보면 견고함이 비교가 되지 않습니다. 짚을 넣는 경우는 말라서 쫙 깨지더라도 짚이 잡아주기 때문에 완전히 깨지지는 않습니다. 여러분들이 등산을 가거나 강가에 갔을 때 갈대를 아래쪽으로 잡고 당겨보면 미세조직과 관계있는데 굉장히 견고한 것을 알 수 있습니다. 반면에 찢으면 찢어지겠지만 당긴다고 끊어지지 않습니다.

짚 벽동의 재료 공학적 측면 - 복합재료

그만큼 외부에서 주는 힘을 견디는 힘이 굉장히 강한데 재료 공학적인 측면에서 짚 벽돌을 살펴보겠습니다. 짚 벽돌은 제가 개인적으로 최초의 복합 재료라고 정의를 합니다. 그 이유가 그림에서 보시는 것처럼 벽돌 안에다 짚을 넣게 되면 이렇게 짚이 쭉 들어가 있습니다. 우리 모든 파괴 공학의 기초는 이 것입니다. 외부에서 에너지를 받게 되면 그 에너지를 어떻게 해서든지 재료가 다 흡수를 해야 합니다. 그 에너지를 흡수하지 못하면 재료는 완전히 깨지게 되는 것입니다. 어느 정도 흡수를 하게 되면 흡수한 만큼 재료가 파괴가 됩니다. 즉, 일반 벽돌, 짚을 넣지 않은 벽돌의 경우는 쫙하고 깨지게 됩니다. 뒤에서 재료 공학적 측면에서 좀 더 자세히 살펴볼 텐데 일단은 쉽게 깨집니다. 찰흙을 생각하면 되겠죠. 건조한 것을 톡 때리면 쉽게 깨져버리죠. 그런데 짚을 중간에 넣게 되면 짚이 아까도 말했듯이 당기더라도 잘 안 끊어집니다. 이렇게 당기는 힘을 장력이라고 부르고, 이 장력에 의해서 재료는 보통 깨지게 되는데 짚은 장력에 굉장히 강합니다. 그러다 보니 외부에서 때려서 충격이 들어와 깨지는 것이 짚을 뚫지 못하기 때문에 빙글빙글 돌아가게 됩니다. 일이라는 것은 힘 ×거리죠. 즉, 똑같은 힘이 들어오더라도 거리가 멀어지게 되면 에너지 소모량이 훨씬 커지게 됩니다. 그래서 짚을 넣게 되면 굉장히 튼튼해지는데 이렇게 서로 다른 물리적 특성을 가진 두 재료를 섞어서 만드는 것을 복합 재료(composite material)라고 합니다. 실제로 짚 벽돌이 아마 최초의 복합 재료이겠죠? 복합 재료는 이미 여기저기서 많이 사용되고 있는데 아주 쉽게 찾아볼 수 있는 것이 자동차 브레이크입니다. 브레이크 같은 경우는 끽하고 밟기 때문에 굉장히 마모 속도가 클 텐데 마모가 잘 안 되는 단단한 Alumina라는 세라믹과 닿으면서 마찰 때문에 열이 발생할 텐데 열 전도가 잘되는 구리를 복합해서 만드는 복합 재료가 될 것입니다. 그리고 최근 스포츠 용품들을 보면 탄성은 좋으면서도 부서지지 않는 재료를 만들기 위해서 대부분 복합 재료를 사용합니다.

복합 재료의 결정체 - 자동차 타이어

복합 재료의 결정체는 자동차 타이어입니다. 플라스틱은 보통 전기가 통하지 않지만 번개가 쳐도 전기가 차 안으로 안 들어오죠. 그 이유가 자동차 안에 전도성 고분자와 도체들이 섞여 있고 뿐만 아니라 마모를 막기 위해서 단단한 재료들도 다 같이 섞여 있습니다. 또 찢어지지 않게 하기 위해서 여러 가지 재료를 같이 넣습니다. 또한 타이어가 갑자기 터지면 굉장히 큰 사고로 이어질 수 있기 때문에 갑자기 터지는 것을 막기 위해서 안에 와이어들도 들어 가 있습니다. 이렇게 복잡한 구조로 되어있는 복합 재료입니다. 그리고 최근에 방탄용으로 많이 사용하는 것이 유리와 플라스틱의 복합 재료입니다. 이렇게 많은 곳에서 복합 재료가 사용되고 있는데 이 복합 재료를 제대로 만드는 방법은 각각의 재료가 가지고 있는 대표적인 물리적 특성을 이해하는 데서 시작되어야 합니다. 지금까지 복합 재료의 기원과 어떻게 활용되는지에 대해 살펴보았습니다.