금속, 세라믹스, 고분자 소재 특징과 예

금속, 세라믹스, 고분자 소재 특징과 예

금속, 세라믹스, 고분자 소재 특징과 예

가야가 어떤 나라였고, 어떤 문명을 구가하였는지에 대해서 보았습니다. 그래서 지금은 어떤 나라인가? 우리가 석기시대, 청동기시대, 철기시대, 지금도 대체로 철기시대에 속해있다 이렇게 볼 수가 있습니다. 그런데 지금은 굉장히 다양한 소재들이 출현을 했죠. 그래서 소재의 역사에 대해서 살펴보도록 하겠습니다. 그래서 이제 석기시대, 청동기시대, 철기시대를 거쳐서 지금 뭐라고 시대를 규정하고 싶어 하는 분들이 많아요. 그래서 이런 얘기들이 있어요. '실리콘 에이지(Silicon Age)다' 다시 말해서 실리콘 시대다. 왜 실리콘이냐, 반도체를 구성하고 있는 아주 중요한 핵심적인 소재가 바로 실리콘이라는 원소이기 때문에 그렇고요. '세컨드 스톤 에이지(2nd Stone Age)' 이런 말도 있어요. 세라믹이 굉장히 중요한 소재로 떠오르다 보니까 세라믹이 자연소재를 가공해서 만든 것이기 때문에 '제2의 석기시대다' 이런 말 하는 분도 있고요.

플라스틱

플라스틱이 굉장히 주변에 많죠. 그래서 '폴리머(Polymer Age) 시대다' '고분자 시대다' 이런 얘기를 하는 사람도 있습니다. 그런데 다 대중성을 확보하고 있지는 못하고 그냥 철기시대로 통칭하는 것이 대체로 옳은 것 같고, 이건 그만큼 이런 소재들이 앞으로 출현했고 중요하단 얘기구나 그렇게 이해하시면 되겠습니다. 이 그림은 좀 복잡하죠. 복잡한데 소재의 역사를 한그림으로 볼 수 있는 아주 중요한 그림입니다. 이 그림을 저는 독일에서 처음 접했는데 정말 놀란 그런 그림입니다. 지금 여기 보면 세라믹, 고분자 그리고 금속 이렇게 돼있습니다. 우리가 소재를 금속, 세라믹, 고분자로 나눈다는 말씀을 진작 드렸고, 이것을 색깔별로 세로축은 뭐냐면 상대적인 사용량입니다. 그러니까 BC 1만 년 경에는 세라믹이 50% 정도의 비중을 차지하고 있었고 그리고 고분자도 40-50%의 비중을 차지하고 있었고 금속은 아주 미량 그리고 복합재료. 복합재료라는 것은 금속과 고분자가 합쳐지면 하나의 복합재료가 됩니다. 그러니까 두 개 이상의 소재가 합쳐진 것을 복합재료다 이렇게 말합니다. 여기 지금 복합재료, 인간이 제일 먼저 썼던 복합재료를 짚, 벽돌 이렇게 썼죠. 지금도 시골 가게 되면 짚을 흙이랑 같이 섞어서 벽을 바르거나 하는 것을 볼 수 있어요. 그러면 짚은 뭐냐? 짚은 천연 고분자입니다. 우리가 이제 갈대라든지 이런 식물들은 고분자거든요. 그래서 짚은 고분자입니다. 그리고 벽돌을 만드는 소재는 흙이죠. 그래서 흙은 세라믹입니다. 그래서 고분자와 세라믹 복합재료, 이렇게 말씀드릴 수가 있죠. 그러니까 인간이 제일 먼저 썼던 소재가 주변에 아주 쉽게 볼 수 있던 나무라든지, 짐승의 가죽이라든지, 여기 섬유라고 썼지만 거의 천연섬유, 예를 들어서 칡덩굴이라든지, 아까 말씀드린 짚이라든지, 이런 것들이 섬유소재에 해당되고 그다음에 주변에 가장 널려 있었던 것이 돌이죠. 그러니까 돌은 가장 원초적인 세라믹이다 이렇게 말씀을 드릴 수가 있습니다. 그래서 뒤에 부싯돌, 도기, 유리하는 세라믹들이 쭉 출현이 되고요. 그다음에 금속을 보게 되면 인간이 제일 먼저 발견한 금속은 금입니다. 왜 금이냐? 하게 되면, 금은 귀금속이죠. 굉장히 금은 우리가 올림픽에서도 가장 좋은 메달이 금메달입니다. 그래서 금은 귀금속의 대표입니다.

귀금속

귀금속은 우리가 흔히 은, 동, 백금, 이렇게 귀금속에 속합니다. 귀금속은 그야말로 귀한 금속이죠. 산출량이 적어서 귀하기도 하지만 녹이 안 슬어서 귀합니다. 그런데 은과 동은 자연 상태에 놔두면 약간의 녹이 습니다. 그런데 금만은 녹이 슬지가 않습니다. 녹이 안 슨다는 말은 다시 말해서 천연 상태에서 그대로 있다는 말입니다. 사금이라는 말 혹시 들어보셨습니까? 사금은 모래하고 금하고 섞여있는 겁니다. 그것을 잘 물로 채질을 하게 되면 무거운 금은 가라앉고 가벼운 모래는 떠서 금을 얻을 수가 있어요. 그것을 사금 채취라고 합니다. 그래서 미국 애리조나 이런 데 가게 되면 사금 채취하는 그런 걸 보여주기도 하고 그래요. 그다음에 또는 광산의 금덩어리로 있습니다. 그래서 금은 자연 상태에서 그대로 출토되는 거의 유일한 금속이라 해도 과언이 아닙니다. 그래서 금은 인류가 제일 먼저 썼던 금속입니다. 그 이후에 이와 같은 청동이라든지 철기 같은 것이 나오게 되고요. 다음에 세라믹이 나오고 그다음에 이런 소재들이 지속적으로 발전하면서, 아시다시피 아까 말씀드린 대로 철기가 도래하면서 철의 중요성이 굉장히 커지게 되죠. 변곡점을 죽 내려가다 1950년쯤 돼서 V자로 꺾이게 됩니다.

한국전쟁

1950년에 어떤 일이 있었습니까? 바로 한국전쟁입니다. 그래서 전쟁을 겪으면서 인간들은 생각했습니다. '강한 소재를 갖는다는 것이 국력에 굉장히 중요한 역할을 하는구나'라는 것을 알게 되었고, 그 이후로 철을 대체할 수 있는 더 좋은 소재를 개발하기 시작했습니다. 그래서 금속에서도 중요한 좋은 소재들도 많이 나왔지만 더욱더 높은 열에 견디고, 더욱더 강하고, 더욱더 튼튼한, 녹이 안스는, 그런 소재들에 대한 출현을 지속적으로 바랬고 거기에서 대안으로 강력하게 떠오르는 것이 세라믹입니다. 이게 파인 세라믹(fine ceramic)하고 뉴 세라믹(new ceramic)하고 나오는 거고요. 그다음에 1920년대에 뭐가 나오냐면 우리가 나일론을 대체하는 합성수지가 나옵니다. 합성수지는 석유화학산업이 발전함으로써 수련이 되게 되는 겁니다. 굉장히 가볍거든요, 그리고 튼튼합니다, 만들기도 엄청 쉽습니다. 그래서 합성수지가 출현한 이후에 고분자 소재도 어느 정도 중요성을 갖고 나타나고 있고, 그다음에 이 소재가 각각 개발됨으로써 복합재료도 새로운 복합재료도 나오게 됐습니다. 우리가 FRP, FRP 그럽니다. 여기 FRP도 나와 있죠. FRP라는 것은 Fiber Reinforced Plastics입니다. Fiber Reinforced Plastics 그러니까 섬유 강화 플라스틱이 되는 거죠. 여기서 섬유는 무엇이냐 하면 유리섬유입니다. 세라믹이죠. 그래서 세라믹과 고분자의 복합재료가 FRP입니다. 유리섬유보다 더 좋은 섬유가 탄소섬유입니다. GFRP 이렇게 나오죠. 탄소섬유입니다. 그 이후에 다양한 실험과 연구가 개발되면서 아주 훌륭한 복합재료들이 나오고 있고, 또 금속과 고분자와 세라믹들이 각각의 장점을 갖고 사람들의 선택을 기다리고 있고, 그리고 더 나은 소재를 개발하기 위해서 각국이 아주 치열하게 경쟁을 하고 있는 상황을 이 그래프에서 상대적 사용량으로 보여드렸습니다. 그래서 각각의 소재에 대해서 우리가 좀 공부할 필요가 있겠다는 겁니다. 그래서 말씀드렸던 데로 금속, 세라믹, 고분자. 지금도 금속이 제일 친숙하죠？.

금속

주변에 금속 굉장히 많습니다. 그래서 이런 거라든지 또 주변에 쓰는 거라든지 굉장히 많은데, 왜 금속을 그렇게 중요하게 생각하고 또 많이 쓰느냐 하게 되면, 아주 강합니다. 그리고 그동안 노하우가 많이 개발이 돼서 금속을 아주 값싸게 잘 만들 수가 있어요. 그런데 파괴되는 것을 보게 되면 금속은 우그러지던지 그렇게 파괴가 이루어지죠. 우그러지잖아요. 그게 아주 금속의 아주 중요한 특징 중 하나입니다. 그다음에 열과 전기를 잘 통합니다. 우리 양은 냄비 같은 거 쓰잖아요. 그래서 열이 잘 통합니다. 전기도 잘 통합니다. 그다음의 특징은 투명하지 않습니다. 대체로 빛을 반사하죠. 그래서 색깔을 보게 되면 금색 아니면 은색입니다. 그리고 구분은 철과 비철 이렇게 나눕니다. 철이 그만큼 중요하기 때문에 그렇습니다. 그래서 금속을 나눌 때 철과 비철 이렇게 나눕니다. 철 아닌 것이라는 의미가 되겠죠. 그래서 말씀드린 대로 철과 비철입니다.

철의 분류

그다음에 철은 두 가지로 나눕니다. 스틸(Steel)입니다. 강(鋼)입니다. 강철, 강철 그럽니다. 강과 철이죠. 강은 무엇을 강이라 하느냐면 탄소가 아주 중요한 역할을 한다고 얘기했어요. 그래서 탄소를 1. 4% 이하로 함유한 것을 강이라고 하고, 그것보다 좀 많이 탄소가 함유하게 되면 융점이 떨어지고 그럼으로써 쉽게 주물로 부어서 쇠를 만들 수 있게 됩니다. 그래서 주철(鑄鐵) 그럽니다. 부어서 만드는 철이라는 뜻이고, 주철의 탄소 비율은 3 내지 4. 5% 기억하실는지 모르겠습니다만, 4. 3%가 가장 낮은 융점을 갖는 온도입니다.

비철

그다음에 비철입니다. 여기 잘 알려진 구리 그다음에 철 다음으로 중요한 알루미늄이 있죠. 알루미늄도 주변에 굉장히 우리가 많이 쓰고 있는 금속 중에 하나입니다. 알루미늄 특징은 무엇보다 가볍다는 데 있습니다. 철의 비중은 7. 8이고, 알루미늄은 2. 7이에요. 1/3 정도로 가볍죠. 알루미늄은 굉장히 양이 많습니다. 지구에서 채취할 수 있는 굉장히 양이 많아요. 그래서 우리가 지각을 구성하고 있는 원소로 예전에 고등학교 때 지리 지학을 했으면 그런 게 나오는데, O, Si, Al, Fe 그럽니다. 산소, 실리콘, 알루미늄, 철 이게 지각을 구성하고 있는 것 중에 많은 순서 대로입니다. 산소와 지각은 그대로 있지 않죠. 무엇이냐 실리콘이 산소와 만나서 SiO₂라는 산화물을 만들고, SiO₂라는 것으로서 지각이 존재하는 겁니다. 순수한 SiO로 거의 되어있는 것이 모래입니다. 그래서 실리콘, 아까 실리콘 에이지 그런 말도 했습니다만, 반도체 소재의 실리콘은 굉장히 쉽게 구할 수 있는. 모래에서 산소만 떼내면 얻을 수 있는 그런 원소가 되는 거고, 알루미늄은 O, Si, Al, Fe. 마찬가지로 알루미늄도 산소랑 결합해서 산화물로 존재합니다. 알루미늄은 산소에서 떼내는 게 상당히 어렵습니다. 그래서 알루미늄이 굉장히 좋은 금속임에도 불구하고 제련이 어려워요. 그래서 그다음 그것 말고도 마그네슘(Mg). 최근에 마그네슘으로 휴대폰 케이스도 만들고 하는 걸 볼 수 있고, 티타늄(Ti) 이런 것들이 아주 대표적인 비철금속에 속하고, 귀금속 같은 것도 마찬가지로 비철금속에 속합니다. 말씀드린 대로 철이 너무나 중요한 비중을 차지하고 있고, 철과 비철 이렇게 금속을 나누는 것이죠. 철의 합금의 장점으로 따지게 되면 구조재료, 구조재료는 구조물을 만드는 재료입니다. 구조재료에서 제반 물성이 대단히 좋습니다. 그러니까 대체로 다 우수합니다. 모든 특성들이 강도도 좋고 이렇습니다. 원료가 풍부합니다, O, Si, Al, Fe 그랬죠. 그래서 철광석이 원료인데, 원료가 대단히 풍부합니다.

철광석

철광석도 마찬가지로 철이 산소하고 반응해서 FeO 또는 Fe2O₃로 돼있는, 그 함량이 많은 것을 철광석 이렇게 얘기합니다. 뒤에 철을 제련하면서 어떻게 제련하는지 보면서 말씀드릴 텐데, 원료가 풍부한 편이고요. 그다음에 아주 대량생산기술이 오래전부터 확보가 되었죠. 그래서 값싸게 많이 가성비가 소위 좋은 그런 게 있습니다. 근데 단점이라고 따지면 무거워요. 그래서 밀도가 높다, 아까 말씀드렸던 비중이 7. 8 알루미늄보다 3배가 무겁다는 거고, 그다음에 열과 전기의 전도성이 낮다 하는 것이고 무엇보다도 큰 단점이 잘 녹이 슨다는 거예요. 녹이라는 것은 철이 대기와 만나게 되면 산화물이 도로 생기고, 나 돌아갈래지요. 원래 내가 산화물이었으니까 산화물로 돌아가겠다는 거고요. 그다음에 수분과 만나게 되면 수산화물이 형성이 됩니다. 그걸 우리가 흔히 녹이라고 얘기합니다. 그걸 녹이라고 얘기하는 거죠. 그런데 금속은 가만히 놔두게 되면 녹이 슬죠. 물론 녹이 안스는 철도 있습니다. 스테인리스 스틸(Stainless steel)이라는 거죠. 그것은 철에다 크롬이라는, 이건 조금 어려운 얘기인데 크롬이라는 원소가 들어가서 표면을 살짝 코팅을 해줌으로써 녹이 안 스느 걸로 우리가 알려져 있는 그런 철이 스테인리스 스틸입니다. 그래서 철이 순수한 철을 우리가 '순철 '이렇게 얘기합니다. 철을 보여드렸고, 그다음에 1. 4% 아래 것을 강(鋼) 이렇게 얘기했고, 그다음에 3-4. 5%까지 주철 그렇게 얘기했습니다. 여기에 4. 3% 융점이 제일 낮은 부분이 있습니다. 그래서 대체로 우리가 철강, 철강 합니다만, 강도가 많이 요구되는 그러한 구조재료는 우리가 강(鋼) 1. 4% 정도 더 줄여서 쓰는 그런 강을 쓰고, 그다음에 주철, 물을 부어서 예를 들어서 삼겹살 구워 먹는 가마솥이라든지 솥뚜껑이라든지 이런 것 만들 때는 금속구조의 주철(鑄鐵)을 많이 사용합니다. 이게 아무래도 값이 싸죠, 그리고 만들기도 쉽고요. 우리가 이제 주몽이라는 드라마가 있었어요. 여러분 어릴 때 일 겁니다. 주몽에서 굉장히 저는 재미있게 본 부분이 바로 '모팔모'라는 사람입니다. 이계인 씨입니다. 조금 전 보여드렸던 모팔모가 바로 쇠를 만드는 사람입니다, 대장장이입니다. 그래서 국가의 건국에, 국가의 발전에 소재 기술자가 얼마나 중요한 역할을 하는가를 잘 볼 수 있는 그런 드라마였습니다. 흔히 이제 주몽 보게 되면 고구려 건국 이런 것만 생각하는데, 실제로 그 드라마에서 굉장히 중요한 부분들이 바로 소재 기술자, 기술자, 과학자의 역할이 어떠한가?라는 것을 볼 수 있는 드라마였습니다. 소철을 만들기 위해서는 높은 온도가 필요합니다. 아까 말씀드렸다시피 1600℃ 정도 온도가 필요한데, 그냥 나무를 떼 가지고는 높은 온도를 얹을 수가 없습니다. 나무보다는 더 높은 온도를 낼 수 있는 것이 숯입니다.

유기체인 나무

나무는 C, H, O라는 세 원소가 합쳐져서 구성된 유기체입니다. 그런데 숯은 나무를 밀폐된 공간에서 떼게 되면 수분, H와 O는 결합해서 날아가고 C만 남습니다. 그래서 숯은 나무를 태워서 C, 탄소만 남긴 겁니다. 그러니까 탄소랑 바로 산소를 접속시키게 되면 굉장히 높은 온도가 나오게 됩니다. 그보다 더 높은 온도를 얻기 위해서는 산소를 팍팍 넣어줘야 합니다. 이게 지금 송풍장치로 보이는데, 이게 풀무입니다. 풀무는 한쪽 방향으로만 공기가 투입될 수 있게, 그러니까 탄소가 공기와 굉장히 격렬한 반응을 일으킬 수 있게 돕는 그런 부가장치입니다. 아주 중요한 도구입니다. 그래서 풀무를 사용하고 숯을 쓰므로 해서 1600℃라는 높은 온도를 얻을 수가 있었어요. 그래서 탄소, 그다음에 풀무의 결합이 우리가 철기시대를 열었던 아주 대표적인 것이라고 볼 수 있는데, 여기서 모팔모는 굉장히 고민을 많이 합니다. 어떻게 철을 만들면 잘 부러져요. 어떤 재질이 잘 부러지냐면 탄소가 많이 들어가면 부러집니다. 거기 몇몇 주인공들이 칼싸움을 하면서 칼을 시험하는 장면들이 있는데, 어떻게 만들면 칼이 잘 부러져요. 싸우다 칼이 부러지면 어떡합니까, 당하는 거죠. 근데 어떻게 또 만들게 되면 우그러져요. 그냥. 이것은 바로 탄소의 함량과 밀접한 연관성이 있습니다. 그걸 알 리가 있었겠어요? 당연히 없었죠. 어떻게 하니까 이렇게 되고, 어떻게 하니까 이렇게 되고. 많은 경험을 하면서 자기 나름대로의 부러지지 않고 우그러지지 않는 칼을 만들었을 겁니다. 아까 철을 만드는 데 탄소를 썼다고 했죠. 융점을 낮추기 위해서도 탄소가 필요하지만, 탄소가 적절하게 들어가면 아주 강한 강(鋼)이 됩니다, 강철이 됩니다. 실제로 요새는 어떻게 만드느냐, 지금 현재 다양한 공법들이 많이 나왔습니다만 아직도 대부분의 국가에서 제철을 하는 데 있어서는 용광로를 사용합니다. 그래서 용광로 법을 말씀을 드리게 되면 철광석이라고 나오죠. 철광석의 원료는 아까 Fe2O3, SiO₂, Al2O3, O, Si, Al, Fe 이렇게 되죠. 그래서 네 가지 원소가 어우러진 건데, 철광석은 세 가지 산화물이 어우러진 돌 중에서 Fe2O3 성분이 유독 좀 많은 것을 철광석이다 이렇게 얘기합니다. 어떤 돌에도 철은 약간씩은 포함되어있습니다. 우리가 누런 황토 보죠, 황토도 철분입니다. 그런데 그중에서도 50% 이상 정도, 철분이 많이 포함되면 많이 포함될수록 수율이 높겠죠. 그래서 철분이 많이 포함된 돌을 철광석이라고 이야기합니다. 어디에 많으냐? 오스트레일리아 호주에 철광석 산지가 있습니다. 우리나라 포철도 거의 철광석을 호주에서 수입을 해오게 됩니다. 철광석이 굉장히 중요한 원소이고. 그다음 코크스(Cokes)라고 나오죠, 이게 탄소입니다. 그래서 콜라를 코크 그러거든요, 시커멓다고. 탄소입니다, 탄소가 들어가고요. 그다음에 석회석, 이 세 가지가 쇠를 만드는 데 있어서 중요한 역할을 하는 세 가지 원료입니다. 화학식이 나오긴 합니다만, 여기에 지금 들어간 원소를 보면 C 가있고, C는 불을 때게 되죠. 그러면 산소랑 만나서 Co2를 만듭니다. 그다음에 여기서 만들어진 C는 CO2는 C랑 계속 코크스가 위에서 부어지니까 탄소가 만나서 일산화탄소가 됩니다. 일산화탄소는 철광석을 만나게 되지요. 철광석을 만나서 철광석 중에 Fe2O3 이 성분을 만나 가지고 Co가 Co2가 되기 위해서 옆에 있는 Fe2O3라고 되어있는데, Fe2O3는 산소를 잡아먹습니다. 빼앗아 와요. 그래서 Fe2O3에 있는 산소를 얘가 떼어가고 철만 남게 되는 겁니다. 아까 철광석을 보게 되면 Fe2O3 말고도 SiO₂, Al2O3 얘네들은 어디 갔냐? 얘네를 잡아먹는 게 뭐냐면 석회석입니다. 석회석은 제일 아래쪽에 나오죠, 석회석은 온도를 올리게 되면 CaO와 CO2로 나누어집니다. 일산화탄소가 나오죠. 그리고 CaO는 이 CaO 말입니다, 이 만들어진 CaO는 여기 있는 SiO2 하고 Al2O 3가 만나서 슬래그(Slag)라고 얘기하는 복합물을 만듭니다. 덩어리인데요, 슬래그라는 걸 만들어요. 슬래그는 녹은 철에 비해서 무겁습니다. 그래서 높은 온도를 거쳐서 이 안에서 높이가 50m에서 100m가 되는데, 그게 막 이루어지면 결국 내부에서 반응이 다 이루어져서 녹은 철은 비중이 높으니 아래 깔리고, 이건 비중이 7. 8이죠. 슬래그는 비중이 3이 안 됩니다. 위에 떠요. 그러니까 쇳물 위에 마치 딱지처럼 뜹니다. 슬래그가. 그럼 그걸 싹 걷어내면 됩니다. 그래서 아래에다 쇳물이 통하는 구멍을 통해서 이렇게 하게 되면 쇳물이 나오고 슬래그는 걷어내어서 이것도 쓸데가 있죠, 시멘트 원료로 사용합니다. 이게 오랫동안 국가 기반 산업으로 만들어졌던 용광로 공법입니다. 그런데 이제 자동차 얘기를 아무래도 많이 하게 되는데, 자동차 산업만큼 현대산업에서 아주 중요한 산업은 별로 없습니다. 그래서 자동차를 어떻게든 가볍게 만들려고 합니다. 자동차에서 자동차가 가벼워지려면 어떻게 해야 되느냐, 얇게 만들어야 되겠죠, 쇠판을. 얇게 만들면 불안하죠, 강도가 약합니다. 그러니까 얇아지면서 강한 재료를 만들어야 됩니다. 자동차를 가볍게 만들게 되면 다른 이점도 있습니다. 연비가, 자동차를 10% 정도 무게를 줄이게 되면 연비가 거의 7%까지 올라갑니다. 그다음에 가볍게 되면 어떻습니까, 조향성이 좋아집니다. 빨리빨리 움직일 수 있게 되고요. 그다음에 기계적인 하중을 전부 줄이니까 내구성이 굉장히 좋아지게 되고, 그래서 가급적이면 강도를 제어하지 않는 측면에서 나쁘게 하지 않은 측면에서 자동차는 어떻게든 가볍게 만들려는 노력들이 세계 각국에서 벌어지고 있습니다. 당연히 연비가 좋아지니까, 지금 미국 같은 경우에는 리터당 15km를 요구했었는데, 2030년 경우에는 리터당 25km 가야 된다 그런 얘기를 지금 하고 있어요. 그래서 각종 다양한 강판들을 만들어내서 하고 있습니다. 철을 가지고 더욱더 강한 철을 만드는 것도 중요할 것이고요. 그럼 '철로 하는 데는 아무래도 한계가 있다 그러니 다른 걸 한번 써보자' 그렇게 해서 대체재로 나온 것이 알루미늄입니다. 아까 알루미늄 얘기도 잠깐 말씀드렸는데, 철보다 1/3 가볍습니다. 그래서 대부분의 자동차에서 엔진 같은 것은 알루미늄으로 대체할 수 있는 건 많이 해요. 근데 전체 다 알루미늄으로 만든 차도 있습니다. 테슬라(Tesla)라든지, 몇몇 재규어(Jaguar)라든지, 몇몇 차들은 차체 전체를 알루미늄으로 만드는 경우도 있습니다. 당연히 가격이 많이 비싸지겠죠. 그리고 알루미늄에 대체되는 비율은 점차 높아지고 있습니다. 알루미늄보다 더 가볍고 튼튼한 것이 뭐냐면 탄소, 탄소복합재료입니다. 이건 가격이 많이 비싸기 때문에 경주용 차에서는 쓰고 있지만 아직까진 대중화되기는 시간이 좀 걸립니다. 대중화된 차 중에서 BMW에서 탄소 복합재로 만든 그런 차도 나오고 있어요. 어쨌든 자동차의 무게를 줄인다는 것은 환경적인 측면에서, 소재적인 측면에서 아주 중요합니다. 전기차 조차도 어떻습니까?　가벼워야 배터리 소모가 적겠죠. 그래서 전기차에서도 가벼운 소재를 쓰려는 노력들이 굉장히 강하게 일어나고 있습니다. 가만히 여러분 지켜보시면 점점 더 가벼운 차가 앞으로 출현할 것입니다. 두 번째 세라믹입니다. 세라믹의 특징은 딱 때리면 깨지죠. 그리고 딱딱한 편입니다. 전기가 안 통하고, 열이 잘 안 통합니다. 우리가 세라믹을 나눌 때 도자기류 소결체, 유리, 시멘트, 내화물, 내화물은 금속을 녹여서 담는 그릇입니다. 용기라고 볼 수 있을 거예요. 내화물 불에 견디는 물질 이렇게 되는 겁니다. 그다음에 샌드페이퍼가 있습니다만, 샌드페이퍼에 붙어있는 모래같이 생긴 거 있죠, 그것도 마찬가지로 세라믹입니다. 세라믹이 어떻게 발달되어왔는지를 가만히 우리가 한번 살펴보겠습니다. 우리가 신석기시대, 석기시대, 청동기시대, 철기시대 얘기합니다만, 인간들은 그릇이 필요했겠죠. 아무래도 물을, 우리가 흔히 물을 뜨기 위해서 이렇게 해서 물을 뜹니다. 이렇게 움푹한 게 필요했을 겁니다. 주변에 볼 수 있는 건 조개라든지 또는 바가지, 천연 고분자 소재입니다. 바가지 같은 것을 했을 건데, 그러면서 똑똑한 어떤 인간이 흙을 이렇게 빚어서, 주변의 흙을 우리가 막 흙장난하잖아요. 점토로 흙장난하듯이 흙으로 빚어서 구웠더니 물이 안 새더 라 하는 것을 발견했어요. 그래서 흙을 구워서 그릇을 만들었죠, 이게 토기입니다. 제일 먼저 나오는 게 빗살무늬토기입니다. 토기가 이런 식으로 발달을 합니다. 색깔들이 대체로 거무튀튀하거나 붉거나 이렇게 됩니다.

불 다루는 기술의 발전

불을 다루는 기술이 인간이 발달하면서 더욱더 높은 온도로 흙을 구울 수 있었겠죠. 높은 온도로 구우면 구울수록 더 단단해지고, 그다음에 기안에 포함됐던 공기가 적어집니다. 그래서 물이 더 안 새게 됩니다. 거기다가 위에다 유약이라는 걸 바르게 되면 유리거든요, 유리질이거든요. 그래서 물이 안 새게 되는 그릇들을 만들 수가 있게 되는 거죠. 그래서 토기부터 시작된 것이 쭉 이어집니다, 이어지고 색깔들이 거무튀튀하고 색깔들이 그렇습니다. 이런 것들을 우리가 주변에서 얼마든지 볼 수 있는 그냥 토기들입니다. 그러다가 고려 시대에 오게 되면 청자가 나오게 됩니다. 청자. 아주 우리나라의 도자기 기술 우수성을 보여주는 청자들이 나오죠. 청자라는 것은 푸른빛, 흔히 비색이라고 얘기합니다. 푸른빛을 내는 것인데, 푸른빛을 내는 것은 철분 때문입니다. 아까 거무튀튀한 것들, 여기도 붉은 게 몇 개 보이는데, 이렇게 거무튀튀하거나 붉은 것을 보이는 것도 철분입니다. 산소를 많이 공급하면서 도자기를 만들면 붉은색 계열이 나오고, 산소를 많이 안 넣어주면서 도자기를 굽게 되면 청색 계열이 나옵니다. 그래서 철분은 크게 어느 정도 포함돼 있기 때문에 철분이 포함된 흙을 가지고 그릇을 만들게 되면 색깔은 피할 수 없는 것이었습니다. 그러다 백자가 나옵니다 백자가 쭉 나오죠, 여기 돈이 뭔가 그러실 텐데 경매 가격입니다. 그래서 여기 지금 용무늬 도자기 64억, 그다음에 달항아리 15억 하는데, 우리나라 도자기가 상대적으로 국제적으로 많은 평가를 못 받고 있어요. 중국 도자기 같은 경우는 몇 백억짜리도 흔합니다. 앞으로 우리나라 도자기도 소더비(Sotheby's) 경매 같은 데서 높은 가격을 아마 받아낼 수 있을 것으로 판단합니다. 사람들이 보는 눈이 잘 없어요. 그래서 백자를 보게 되면 백자는 그럼 뭘로 만들었느냐, 철분이 포함되지 않은 흙으로 만들었습니다, 그것을 백토라고 얘기합니다. 하얀 흙으로 어쩌다 흙을 파게 되면 하얀 흙이 나옵니다. 백토를 가지고 철분이 포함되지 않은 흙을 가지고 만들게 되면 하얀 도자기가 나오게 되고, 하얀 도자기에다 예를 들어 그림을 청화백자 같은, 크롬 같은 안료를 써서 그림을 그리게 되는 거죠. 그래서 도자기 역사를 가만히 보면 철분을 제거하는 역사였다. 여기에다 다양한 모양을 만들어서 우리가 오늘날 도자기를 생활 깊숙이 사용하고 있습니다. 그럼 생활만 했느냐, 그렇지 않습니다. 세라믹 기술이 발달하면서 지금 현재 쓰고 있는 많은 부품에서, 제품에서 세라믹 제품의 비율이 굉장히 커지고 있습니다. 주위에 휴대폰, 디스플레이 보시죠. 여기에서 세라믹 소재가 쓰이고 있는 것이고요. 그다음에 항공이나 자동차 엔진 분야, 그래서 제너럴 일렉트릭(General Electric Company) 회사에서는 터빈 엔진 자체를 전부 세라믹으로 만드는 연구를 지금 하고 있습니다. 그럼 가벼워지죠. 더 엔진들이 빨리빨리 돌아가게 됩니다, 고온에서 견딜 수 있게 됩니다. 그래서 세라믹 엔진이 점차 앞으로 나오게 되고, 세라믹 엔진을 장착한 차들도 보게 될 걸로 생각됩니다. 물론 그 엔진이 나오기 전에 전기차가 대세가 되면 전기차로 넘어가겠죠.

고분자

그다음에 말씀드릴 것이 고분자입니다. 금속 봤고, 세라믹 봤고, 그다음 고분자입니다. 고분자는 말 그대로 고분자. 폴리머라고 하는데, 그냥 편안하게 플라스틱이라고 얘기해도 큰 문제가 없겠습니다. 사실 그런데 고분자에는 플라스틱만 있는 것이 아닙니다. 뒤에 보이는 타이어 고무도 있고, 그다음에 섬유, 옷을 만드는 섬유도 고분자에 속합니다. 그래서 고분자의 특징이 뭐냐면 부드럽습니다. 물론 딱딱한 것도 있습니다. 그리고 연성입니다, 조금 부드럽죠, 잘 우그러진다 그런 뜻이고. 탄소하고 수소로 주로 되어있습니다. 석유화학 제품이기 때문에 강도와 밀도가 낮은 편이고, 열적, 전기적으로 대체로 안 통하고요. 광학적으로는 투명한 것도 있고 그렇지 않은 것도 있습니다. 이와 같은 경우에는 플라스틱입니다. 유리도 있지만 투명한 플라스틱도 있게 되는 거죠. 고분자의 예로 자동차 얘기를 계속했으니까 바퀴, 타이어 얘기를 좀 해야 되겠습니다. 바퀴라는 것은 무거운 물건을 움직이기 위해서 필수적으로 요구되는 것입니다. 과거에는 통나무를 깔아서 이집트의 피라미드를 만드는 것을 보면 통나무를 깔아서 그 위에다 판때기를 깔고 무거운 걸 이동하는 걸 볼 수 있었는데, 둥그런 것, 통나무가 발전해서 둥그런 바퀴라는 것을 만들게 됩니다. 바퀴가 제일 처음 나왔던 것은 주변에 아주 가공하기 쉬운 나무에다 틀을 기어서 만들었는데, 나무가 자체적으로 무거우니까 '굳이 전부다 나무로 할 필요가 있나'그래 가지고 이렇게 원형으로 나무를 만들고 살을 끼어서 바퀴를 많이 사용했죠. 그리고 축을 만들어서 가운데다 쇠로 된 축을 만들어서 마차라든지 그런 것들을 만들어 왔을 겁니다. 그리고 거기다 철기시대가 발달하면서 '나무로 하니까 마모가 심하고 잘 망가져. ' 그렇게 돼서 나무 주위에다 철판을 둘러서 내구성을 향상한 것이 기원전 백 년경에 이루어지게 됩니다. 이랬던 바퀴가 지금은 바퀴는 거의 타이어죠. 조금 전에 봤다시피 타이어는 타이어드(Tired)에서 왔다고 합니다. 설입니다. 타이어드(Tired)는 피곤하다는 거죠. 자동차에서 가장 피곤한 게 타이어죠. 타이어는 새카맣죠, 대체로. 타이어의 원료는 고무입니다. 천연고무입니다. 요즘은 인조고무도 많이 나옵니다. 천연고무는 색깔이 흰색입니다, 굳게 되면 노랗게 변합니다. 고무에다 탄소 가루를 넣습니다. 탄소 가루를 넣게 되면 내구성과 강도가 증가합니다. 그리고 거기다가 알루미늄이라든지 쇠로 된 어떤 가운데 축을 만들고 가운데 공기를 넣어서 만든 게 타이어가 되죠. 타이어는 지금 던롭(Dunlop), 미쉐린(Michelin) 이런 유명한 회사가 나오게 됩니다. 던롭이 나무 바퀴에다 굳이 철을 달 필요가 있느냐, 고무를 부착합니다. 연도가 1888년인데, 유럽에는 고무나무가 살 수가 없죠. 세계적으로 교역이 활발해지고 대항해시대가 열리면서 말레이시아, 인도네시아에 있었던 고무라는 희한한 소재가 유럽에 들어오게 됩니다. 우리가 씹는 껌 있죠. 껌은 검(Gum)입니다, 말 그대로. 그래서 껌은 일본식으로 들어가서 껌껌 그러는데 검이죠. 고무입니다 바로, 검에서 고무가 왔다고 얘기합니다. 탄성체인데, 고무가 유럽에 들어오니 희한하거든요. 아주 단단하다, 아주 탄력 있단 말이에요. 그래서 고무를 쇠 대신에 부착한 사람이 바로 던롭입니다. 그리고 던롭이 가만히 보니까 자기 손자가 노는데 자꾸 다쳐요. 그러지 말고 그러면 나무 대신에 바퀴에 고무로 두르고 그 안에 공기를 집어넣어서 쓰자. 그렇게 해서 공기를 주입해서 던롭이 자전거 바퀴를, 고무로 된 자전거 바퀴를 만들었는데 이것을 눈치 빠르게 영국에, 영국 사람입니다. 미쉐린 형제, 프랑스의 미쉐린 형제가 자동차 바퀴로 상용하면서 그야말로 고무 타이어 시대가 열리게 됩니다. 요새 미슐랭 가이드다 어쩌다 많이 얘기하는데, 던롭이나 미쉐린은 아직까지도 유명한 타이어 회사로서 세계에서 잘 알려진 회사죠.

타이어

오늘날 타이어를 보게 되면 복잡합니다. 보면 고무 안에도 다양한 복합재료들이 층을 두어서 타이어의 탄성을 또 강도를 보강하고 있는 것을 볼 수 있고, 그 아래 깔려있는 게 복합재료입니다. 아까 타이어가 뭐라 그랬습니까, 탄소가 들어간 고무라 그랬죠. 타이어 자체도 복합재료입니다. 탄소강화 고무 복합재료 이렇게 말씀드릴 수가 있겠죠. 그래서 타이어가 이렇게 있지만, 간혹 타이어가 펑크가 나서 사고가 나고 그런 경우도 있습니다. 그래서 타이어가 끝은 아니죠. 그래서 다양한 타이어를 대체하는 그러한 재료들이 나오고 있습니다. 펑크가 나더라도 자체적으로 수리가 돼서 가는 것, 아예 공기를 넣지 않는. 잘 아는 차죠, 레이라는 차죠. 거기에다 공기가 안 들어가는, 공기를 주입할 필요가 없는 그런 타이어도 나오고 있어서 타이어의 발전도 굉장히 놀랍습니다. 지금 우리 부산에 본사를 두고 있고 창녕에도 공장이 있는 넥센타이어가 2조 정도의 매출을 기록하고 있다는데, 우리나라에 지금 넥센타이어 말고도 한국타이어, 금호타이어 해서 우리나라 국산 타이어의 어떤 품질이 세계에서 아주 잘 알려져 있는 그런 모습을 우리가 볼 수 있습니다. 세계 명차들도 국산 타이어를 달고 있는 그런 것을 볼 수 있습니다.