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계정을 잊어버리셨나요?

by 김영철 Jul 15. 2019

인간의 발전과 도약을 이끈 12가지 신소재 이야기

세계사를 바꾼 12가지 신소재

세계사를 바꾼 12가지 신소재(사토 겐타로 지음/송은애 옮김_북라이프)

12가지 신소재가 모였다.

각자 자기가 세계사를 바꾼 신소재라고 이야기하며 모여 있다.

그 12가지 신소재들 틈에 끼지 못한 나름의 다른 소재들이 삼삼오오 모여서 자신이 세계사를 바꾼 12가지 신소재 중 하나라고 주장하는 이야기를 듣고 있었다.

"근데, 신소재가 뭐에요?"

이야기를 듣고 있던 어린 아이가 손을 들고 12가지 신소재들에게 질문을 던졌다.

"음.. 신소재가 뭐냐구? 우리에겐 당연한 듯 보이는 이것이 우리 꼬마에겐 가장 궁금한 것의 첫 출발이구나!"

금(Gold)이 어린 아이의 질문에 답을 해주려는 듯 이야기했다.

"음~~, 이건 너에겐 좀 어려운 이야길 수 있지만, 신소재라는 건 기존의 금속이나, 무기물 또는 유기물 같은 원료(소재)들을 섞어서 새로운 기술을 이용해서 기존 소재들의 단점을 보완하거나 전에 없던 우수한 특성을 만들어 냄으로 해서 새로운 성능이나 용도를 가지게 된 재료(소재)를 신소재라고 한단다."

"그럼, 그럼 여러분들은 각자가 세계사를 바꾼 12가지 신소재라고 하시는데, 어떤 점에서 그런 건지 이야기해 주세요."

'음~~ 그럴까? 그럼 먼저 이야기를 꺼낸 내가 먼저 얘기해 줄께."

어린 아이의 질문에 답을 해준 금(Gold)이 이야기를 시작했다.

"나는 아마도 사람들의 사랑을 가장 많이 받는 신소재일꺼야. 나는 광택도 나고 다른 금속과는 달리 자연에서 순수한 형태로 좀 더 쉽게 얻을 수 있단다."

"그럼 굉장히 다양한 용도로 쓰일 수 있겠네요?"

아이는 금의 이야기를 듣고 이렇게 물었다.

"음~~ 지금은 다양한 용도로 쓰이지만, 사실 처음부터 그렇진 않았어. 금인 나는 상당히 무겁고 쉽게 무르고 상처가 나기 쉬운 금속(p23)이란다. 그래서 나는 상당히 오랫동안 몸을 치장하는 장신구나 물품과 교환하는 용도의 화폐 등으로 주로 사용되어 왔어. 특히, 누구나 가지고 싶어하는 귀중한 물품이고, 작고 운반하기 쉬워야 하며, 오랜기간 변하지 않아서 가치가 유지되어햐 한다는 화폐의 조건에 나만큼 딱 맞는 것도 없지! (p25)

너 금화나 올림픽에서 1등한 선수에게 주는 금메달, 모두 들어 봤지?"

"와~~ 그럼요. 그럼 아저씨가 그 무지무지 비싸고 가치 있는 금화, 금메달을 만드는 주인공이에요?"

"그렇지!! 하하하!!"

"그럼, 그것 말고 아저씨의 다른 용도는 뭐가 있어요?"

아이의 질문이 계속 이어졌다.

"가장 대표적인 것이 전자 기기의 부속품으로 쓰이는 거란다. 금은 상당히 길고 가늘게 늘일 수 있는 성질과 높은 전도성을 이용해서 지금 네가 가지고 있는 그 스마트폰이나 컴퓨터에 들어 가는 반도체의 전극과 칩을 연결하는 배선으로 주로 이용된단다. 한 예로 스마트폰 한 대에 들어가는 금이 약 30 mg 정도되는데, 전 세계적으로 정말 수많은 사람들이 스마트폰을 사용하고 있으니까 거기에 사용되는 금만해도 어마어마한 양이 쓰이겠지!"(p34)

"와~~~ 금이 그런 곳에 쓰인다는 것은 처음 알았어요.

그런데, 저는 왜 사람들이 아니 어른들이 금을 그렇게 좋아하는지 궁금해요."

"글쎄, 그건 아저씨도 잘 모르겠다. 하지만 그건 금의 번쩍거리는 빛이 태양이나 불의 색깔과 비슷하기 때문이라고 생각해. 만약, 금이 은색이나 청색과 같은 그런 색이었다면, 우리 세계사가 어떻게 변했을지 상상해 보는 것도 나름 재있을 것 같은데? 하하하!!" (p36 ~ 37)

세계사를 바꾼 12가지 신소재 - 금(Gold)

"금 아저씨 이야기는잘 들었어요. 그럼 두 번째로 이야기해 주실 신소재는 누구세요?"

어느덧 어린 아이는 세계사를 바꾼 12가지 신소재들의 이야기를 진행하는 지행자가 된 듯하다.

아이의 진행은 자연스럽게 다음 이야기를 이어지게 해 주는 것 같았다.

"다음은 내가 이야기해 볼까?"

"아줌마는 누구세요?"

진행자를 맡은 아이가 물었다.

"아줌마라니....하하하! 나는 누나, 바로 도자기 누나란다. 지금부터 내가 할 이야기는 인간들이 살고 있는 생활에서 가장 많이 볼 수 있는 그릇에 대한 이야기란다."

아이의 아줌마라는 말에 다소 당황한 듯한 도자기가 이야기를 이어갔다.

"그릇요? 그릇이 신소재에요?"

"아~~ 그릇은 여러가지 재료와 형태가 있지만, 여기서 내가 얘기하려는 것은 도자기란다.

그릇은 아마도 인간이 가장 먼저 발명한 것일거야. 너도 박물관에 가면 아주 오래 전에 원시인들이 사용했던 흙으로 만든 그릇 본 적 있지?"

"네. 저도 박물관에서 많이 봤어요. 그런데, 흙으로 만든 그릇은 물이 닿으면 다 흐물흐물해 지지 않나요?

저도 친구들하고 놀 때, 물에 흙을 섞어서 그릇을 만들어 놀곤 했었어요. 그럴 때 물이 뭍으면 그냥 무서지던데요?"

"그치. 맞아. 흙으로 만든 그릇은 그런 단점이 있지. 그런데 도자기는 다르단다."

"어떤 점이요?"

"음~~ 좀 쉬운 예로 들어줄까? 너 혹시 집에 머그컵 있지? 어쩌면 학교에서 도자기 체험 학습 가서 만들어 본 것도 있을텐데."

"아! 예, 있어요."

"그 머그잔은 대부분 흙으로 만든거야."

"네? 머그잔은 단단하고 거기다가 물도 마시잖아요. 그리고 유리같이 반짝이 잖아요."

"바로 그 점이 도자기에 담긴 비밀이란다. 아주 옛날에 흙으로 만든 그릇에 열을 가하면 단단해 진다는 것을 알게 되었지."

"왜 단단해 지는 거에요?"

"간단히 설명하자면, 흙으로 만든 그릇에 높은 열을 가하면, 화학반응이 일어나서 흙을 이루는 원자끼리 서로 연결되어 새로운 결합을 만들어 내기 때문이란다(p44)."

"그럼 머그잔처럼 반짝반짝 빛나는 것은 왜 그런거에요?"

"도자기는 흙으로 만든 그릇을 높은 온도에서 구워 만든단다. 하지만 초기의 그릇은 낮은 온도에서 구웠어, 이걸 질그릇이라고 한단다. 이런 질그릇은 전체적으로 미세한 구멍이 나 있어서 이곳으로 물이나 공기가 통과하지. 그러다 보니 화분과 같은 용도 정도로 쓰기에만 딱 좋지.. 그런데 인간은 유약이라는 것을 발견하게 된단다."

"유약이 뭐에요?"

"도자기의 표면을 매끈하게 해주고 반짝이게 하는 것이 결국 유약인데 고운 돌가루나 나무의 재 등을 발라서 높은 온도에서 구우면 흙 그릇 표면에 유리질을 형성해서 점토의 구멍을 막고 강도와 방수성이 좋아지게 된단다. 머그잔과 같은 도자기는 그렇게 만들어진거야. 즉, 우리가 흔희 보는 그런 흙이 이런 과정을 거쳐서 새로운 소재로 이루어진 도자기가 되는 거란다." (p48)

"근데 인간은 도자기를 언제부터 만들어 사용했어요?"

"천연 유약을 처음 사용한 것은 지금부터 약 3,700년 전 쯤(기원전 17세기 ~ 11세기) 중국의 은왕조 시대이고, 우리가 박물관에서 보는 아름다운 색깔의 도자기를 만들기 시작한 것도 지금부터 약 2,300여년 전에 중국에서 시작되었단다. 그래서 지금도 도자기를 'china(차이나)'라고 하는데, China는 중국이니까, 도자기의 원조가 중국인 셈이지. 그리고 이런 도자기 기술은 그로부터 한참 지나서인 1,700년대에 와서 유럽으로 전파되었고 대량 생산을 통해 지금과 같은 생활 도자기로 전파되게 되었단다."

"그럼 지금도 도자기를 이용한 기술이 적용된 것들이 있나요?"

"바로 파인 세라믹이란다. 도자기의 강도는 알갱이 크기/순도와 굽는 온도에 따라 달라진단다. 파인 세라믹은 화학 합성된 순도가 높은 재료를 이용하여 도자기를 만들 수 있는데, 이런 재료를 파인 세라믹이라고 한단다. 파인 세라믹도 도자기를 만드는데 이용되기도 하는데, 요즘에는 축전지나 건전지 전극과 같은 전기 재료를 만드는데도 사용된단다. 도자기를 만드는 원료는 100가지가 넘는 데다가 조합이나 비율, 굽는 온도에 따라 도자기를 만드는 재료의 능력은 얼만큼인지 상상하기 조차 어렵겠지!!"

세계사를 바꾼 12가지 신소재 - 도자기(Fine China)

"네, 도자기 누나의 이야기 잘 들었습니다. 그럼, 다음으로 이야기해 주실 분은 누구시죠?"

"다음은 내가 이야기해 줄께."

"와~~ 굉장히 말랑말랑하신 분이네요. 누구세요?"

"나는 콜라겐이야."

"콜라겐요? 어 혹시 피부에 엄청 좋다는 그 콜라겐요? 우리 엄마한테 들은 적 있어요."

"음~~ 뭐 그렇다고 할 수 있지! 하하!! "

"하지만, 콜라겐이 인간의 역사에서 정말 좋은 신소재였는지를 이야기 하려면 앞에서 얘기했던 도자기보다도 더 오래 전으로 가야할거야."

"얼마나요?"

아이는 무척 궁금하다는 표정으로 물었다.

"바로 빙하기 시기지. 인간이 생겨난 건 약 20만년 전 아프리카에서란다. 하지만, 지금처럼 전세계적으로 인간이 퍼져 살기 시작한 것은 불과 몇 만년 전부터이고, 특히 빙하기를 이겨내고 추운 지방에서 살수 있게 된것은 모두 내 덕분이란다."

"콜라겐은 먹는 거로 알고 있는데, 왜 아저씨가 인간이 추위를 이겨내는데 도움주셨다는 얘기에요?"

"그건 바로 동물의 털가죽 덕분이지. 지금 우리도 옷을 입고 다니잖아! 특히 추운 겨울에는 두꺼운 옷을 입으면 춥지 않게 지낼 수 있잖아? 아주 오랜 옛날 인간에게 방한복이 되어준 것도 털가죽이고 이 털가죽을 이루는 주된 성분이 바로 콜라겐이란다." (p65)

"콜라겐은 어떤 거에요?"

"콜라겐은 단백질의 일종으로 인간의 몸을 구성하는 단백질 중 3분의 1을 차지하는 단백질이지. 동물의 세포에서 콜라겐은 세포와 세포의 간격을 메꿔 서로 붙게하는 접착제 역할을 하는 단백질이란다. 콜라겐은 다른 단백질과는 다르게 삼중 나선으로 촘촘하게 꼬인 단백질로 세포밖에서 작용을 해. 하지만, 인간의 경우에도 나이가 들수록 콜라겐이 늘어나서 유연성이 사라지고 주름이 생기는 이유도 그래서 그런거란다. 콜라겐을 먹으면 피부가 탱탱해지고 좋아진다는 것은 아마도 이런 것 때문에 그런거겠지! (p66)

마찬가지로 털가죽의 질기고 단단한 것도 바로 삼중 나선 구조의 촘촘하게 연결된 콜라겐 단백질 덕분이지."

"아~~~ 그런데 아직 콜라겐이 신소재라는 생각이 잘 안들어요. 콜라겐이 신소재라고 생각될 수 있는 다른 용도로 쓰인 예가 있나요?"

"음~~ 아주 옛날부터 콜라겐을 사용한 또 다른 예는 바로 무기야."

"무기요? !!!"

아이는 말랑말랑할 줄로만 알았던 콜라겐이 무기로 사용됐었다는 얘기를 듣고 또 한 번 놀라며 물었다.

"응. 우리 몸을 지탱하게 해주는 뼈있지? 이 뼈의 주된 성분도 콜라겐이야. 그리고 근육과 근육을 연결해 주는 힘줄은 거의 콜라겐으로 이루어져 있단다."

"힘줄은 엄청 질긴 걸로 알고 있는데, 그럼 이런 성질을 이용해서 무기를 만드는데 사용했나요?"

"오~~~ 역시 똑똑하구나! 바로 그거야. 단단한 뼈로는 화살촉을 만들고 질긴 힘줄은 활을 만드는 재료로 사용되었지. 지금은 이것들보다 더 단단한 것들이 많지만, 옛날 구석기 시대에는 정말 훌륭한 무기의 소재였지."(p71)

"하지만, 네가 알고 있는 것처럼 콜라겐은 말랑말랑한 특성으로 다양한 것에 사용된단다. 젤리나 푸딩을 만드는 재료로도 쓰이고, 풀의 일종인 갖풀의 주성분도 콜라겐이란다. 가장 최근에는 의약품이나 화장품의 재료로도 널리 이용되고 있는데, 대표적인 예가 상처가 난 곳을 꿰멜 때 사용하는 실중에서 꿰멘 자리에서 천천히 분해되어 흡수되는 실, 바로 이 실을 만드는 재료가 콜라겐이란다.(p72)

이렇게 보면 콜라겐도 멋진 신소재 중 하나인것이 맞지?!!"

"넵, 제가 알고 있던 것보다 더 많은 일을 할 수 있는 콜라겐이네요. 정말 잘 들었습니다."

세계사를 바꾼 12가지 신소재 - 콜라겐(Collagen)

"자, 그럼 세계사를 바꾼 12가지 신소재 중에서 네 번째 이야기 손님을 모셔 볼까요?

어느 분이시죠?"

"네 번째 이야기를 할 나는 바로~~~~~ 철(Iron)이야. 아이언 맨~~~~~..하하하

농담이고, 그만큼 단단하고 강한 소재란다."

"예. 저도 철은 잘 알아요. 우리 주면에서 정말 흔하게 볼 수 있는 금속이잖아요. 철 아저씨는 어떤 이야기를 들려 주실 거에요?"

"나는 사실 여러가지 이야기를 하진 않을 거구, 녹이 슬지 않는 스테인레스 강철에 대한 이야기만 조금 하려구. 뭐 철이야 다른 것들 보다는 잘 알려져 있으니까!"

"와우! 철의 가장 큰 단점이 녹이 슨다는 것인데, 녹이 슬지 않는 철에 대한 이야기라구요? 이게 정말 흥미로운데요!

빨리 얘기해 주세요!"

"근데, 녹슬지 않는 철을 발견하게 된것은 정말 우연이었단다. 1921년에 영국의 해리 브리얼리는 카드뮴을 20% 정도 넣어 혼합한 합금을 만들었는데 이건 가공성이 나쁜 실패작이었지. 그리고 실패작이라고 그냥 내버려 둔거야. 해리는 몇 개월 후에 우연히 그 내버려진 합금을 보게 됐는데, 신기하게도 전혀 녹슬지 않았던거야. 그때 해리는 생각했지. 단점인 가공성만 좋게 하면 이건 정말 대박 좋은 강철이 될 수 있다는 것을.. 그리고 연구에 연구를 거듭해서 마침내 가공성도 좋고 녹슬지 않는 강철을 만들게 됐지. 이게 바로 우리가 사용하고 있는 스테인레스 강철이란다."

"그런 엄청난 발견이 실패에서 비롯된 버려진 합금이었다는 것이 더 놀랍네요. 저도 앞으로 안된 일이라고 그만 두지 말고 잘 살피고 끝까지 지켜봐야 겠습니다."

아이가 어깨를 으쓱하며 상기된 표정과 자신에 찬 목소리로 말했다.

"좋은 생각이야. 사실 인류 역사에서 발견된 많은 것들 중에는 그런 실패를 그냥 지나치지 않아서 발명된 것들도 많단다."

"넵. 녹슬지 않는 스테인레스 강철에 대한 이야기 잘 들었습니다."

세계사를 바꾼 12가지 신소재 - 철(Iron)

"그럼 이제 다섯 번째 이야기를 들려 주실 분은 누구신가요?"

"그 다음 이야기의 주인공인 나는 종이를 만드는 주 재료인 셀룰로오스란다. 지구상에서 가장 많이 존재하는 유기물재료(소재)이지."

"지구상에서 가장 많이 존재 한다구요? 왜요?"

"지구상에서 가장 많이 존재하는 생명체가 바로 식물이란다. 우리 주변을 둘러 봐도 가장 많이 보이는 것이 식물이잖아? 바로 그 식물을 이루는 주된 성분이 바로 셀룰로오스란다."

"그럼 셀루로오스를 이용한 인간의 발명 중 가장 뛰어난 것은 뭐에요?"

"그건 바로, 아까도 얘기한 종이의 발명이지. 종이도 도자기와 마찬가지로 중국에서 처음으로 발명했단다. 중국 후한시대(25 ~ 220)의 환관이었던 채륜이 서기 105년에 나무껍질이나 모시 조각, 찢어진 어망 등을 원료로 삼아 얇고 질긴 종이를 발명했단다(p99). 종이의 장점은 정보를 기록하고 전달하며 남기기에 적합하다는 점이지. 종이가 발견되기 전까지는 동물의 뼈나 등껍질, 또는 대나무 등에 기록을 했었는데, 기존의 기록 매체보다 부피도 작고 보존하기도 쉽고 운반하기도 편리한 종이의 발명은 문화를 전파하는데 엄청나게 큰 공헌을 했단다. (p104)

이렇게 중국에서 처음 발명된 종이는 고구려를 거쳐 일본으로 전파되었어(p105). 하지만, 이런 종이의 전파와 보급은 동아시아에서는 아주 오래 전에 이루어 졌지만, 상대적으로 유럽에는 훨씬 늦게 전파되고 보급되었단다. 8세기에 당나라와 이슬람제국의 전쟁에서 당나라 군이 지면서 많은 당나라 포로들이 이슬람제국으로 끌려 갔는데 이를 계기로 중동을 통해 유럽으로 종이 만드는 기술이 전파되었단다. 하지만, 실제 종이 만드는 기술은 이로부터 약 300여년이 지난 후인 1056년에 스페인에 전파된 이후로, 1235년에 이탈리아, 1391년에 독일, 1586년에 네덜란드, 그리고 1690년에 북미로 전파되었단다(p107 ~ 109)."

"문화가 발달한 유럽 및 서양에 왜 이렇게 종이 만드는 기술은 늦게 전파 되었어요?"

아이가 질문했다.

"그것은 유럽에서는 종이를 만드는데 적합한 식물을 구하기가 동양보다 정말 어려웠단다(p109). 그런 것을 봐도 소재(재료)를 쉽게 구할 수 있는 환경이 어떤 기술을 발전시키는데 매우 중요한다는 걸 알 수 있지."

"그럼 최근에 셀룰로오스를 이용한 다른 기술도 소개해 주세요."

"셀룰로오스를 이용한 최신 기술 중 하나는 셀룰로오스를 나노 입자 크기만큼 작게 잘라서 만든 나노파이버라는 거야. 우리가 알고 있는 종이는 불투명한데, 이 나노파이버를 굳히면 투명하단다. 그리고 이 나노파이버와 플라스틱을 혼합하면 무게는 강철의 5분의 1밖에 안되는데 강도는 5배가 더 강한 재료가 만들어 진단다. 이건 전기도 통할 수 있어서 앞으로 다양한 분야에 사용될 수 있을 거야. 또한 최근에는 석유 같은 화석연료 대신 사용할 수 있는 바이오연료를 만든 재료로도 많은 연구가 되고 있단다."

"와~~~ 신소재에 대한 이야기 들으면 들을 수록 정말 흥미로워요. 우리 셀룰로오스 누나 이야기도 잘 들었어요."

세계사를 바꾼 12가지 신소재 - 셀룰로오스(Cellulose)

"이번에 이야기를 들려 주실 분은 제가 처음들을 때부터 느낀 건데요, 정말로 다양한 능력을 가진 신소재인 것 같아요. 아마도 세계사를 바꾼 12가지 신소재 중에서 가장 다양한 얼굴을 가진 분이 아닐까 생각합니다.

소개합니다. 바로 탄산 칼슙입니다!"

"하하하, 우리 꼬마 친구가 이제 제법 멋진 사회자의 모습을 갖추었네요. 마치 배우가 된 것 같아요.

네, 방금 전에 소개받은 탄산 칼슘입니다. 우리 꼬마 사회자가 정말 저를 정확히 본 것 같은데요.

맞습니다. 저는 정말 천의 얼굴을 가진 배우같은 신소재입니다."

"정말 궁금합니다. 탄산 칼슘의 능력이 어디까지인지요? 빨리 얘기해 주세요. 너무 긍금해요."

"자~~, 무릇 배우라면 영웅부터 악역까지 다양한 역할을 소화해야 되잖아. 그런 점이라면 아마도 나를 따라 올 신소재는 없을걸! 우리 주변에서 가장 흔하게 볼 수 있는 탄산칼슘을 이용한 것은 바로 교실에 있는 분필이지. 그 다음 연마력이 있는 탄산칼슘은 치약, 지우개 성분으로 쓰이고, 도자기 재로로 쓰이기도 한단다. 심지어 우리가 먹는 음식에도 들어가는데 탄력있는 라면 면발을 만든데 사용하는 함수, 빵을 빨리 발효하게 해주는 이스트, 햄, 소시지, 과자류와 영양 강화제나 의약품 알약의 기본 재료가 되는 등 정말 다방면에 걸쳐서 활약하는 것이 바로 나 탄산칼슘이란다(p120). 건축자재로 쓰이는 대리석의 주된 성분도 탄산칼슘이지. 바티칸 궁정 내 시스티나 성당의 천장에 미켈란젤로가 그린 최후의 심판 그림을 그린 재료도 탄산칼슘이 주된 성분인 석회 가루이지(p121)."

"와아~~~~ 정말 탄산칼슘은 다재다능한 신소재네요!"

"탄산칼슘이 사용된 좀 더 구체적인 예를 몇가지만 얘기해 주세요."

"그럴까! 첫 번째는 너도 잘 알고 있는 시멘트란다."

"아~~~ 건물지을 때 사용하는 그 시멘트요?"

"그렇지. 시멘트는 70 ~ 80%의 석회암과 규석, 산화철 등을 나머지로 섞어 빠은 후, 1,450도 구우면 탄산칼슘에서 이산화탄소가 빠져 산화칼슘이 된단다. 이 덩어리를 다시 빻은 것이 바로 시멘트란다. 시멘트가 처음 사용된 것은 약 9,000여년 전이라고 하는데, 이를 가장 효율적으로 사용한 시대는 고대 로마였단다. 로마의 도로가 얼마나 튼튼하면 2000여년 이 지난 지금도 그대로 남아 있을 정도니까(p124 ~ 125).

탄산칼슘이 만든 두 번째 예는 바로 최고의 보석 '진주'란다."

"그 귀한 보석 진주도 탄산칼슘으로 이루어져 있어요?"

아이는 다시 한번 신기하다는 듯이 물었다.

"바닷속에 사는 조개나 산호 등은 바닷물에 녹아 있는 칼슘과 이산화탄소를 이용해서 탄산칼슘 성분의 껍질을 만들어 자신을 보호한단다. 그런데, 일부 조개에서는 외부 껍질을 만드는 성분이 조개 껍질 안으로 들어가서 구슬모양으로 만들어지는데 이것이 바로 진주란다."