왜 면도날은 쉽게 무뎌질까?
미세 균열과 응력 집중
면도날은 스테인리스 스틸과 같은 고강도 금속으로 만들어지지만, 몇 번 사용하다 보면 쉽게 무뎌집니다. 면도날이 무뎌지는 원인은 단순한 마찰 때문이 아니라, 더 정밀한 물리적·재료적 요인이 작용합니다. MIT의 Roscioli et al. (2020) 논문에서는 면도날이 수염보다 훨씬 단단함에도 불구하고 짧은 시간 내에 무뎌지는 이유를 밝혀냈습니다.
이 글에서는 면도날의 미세 구조가 어떻게 형성되는지, 면도 과정에서 어떤 일이 일어나는지를 살펴보고, 면도날이 무뎌지는 근본적인 원인을 과학적으로 분석해 보겠습니다.
면도날은 어떻게 만들어질까?
면도날은 기본적으로 스테인리스 스틸로 제작되며, 극도로 날카로운 단면을 갖도록 정밀하게 가공됩니다.
이 과정에서 면도날의 강도와 예리함을 결정하는 미세 구조가 형성됩니다.
(1) 압연 및 절단
• 스테인리스 스틸 판을 얇게 압연한 후, 초정밀 절단 장비로 날카로운 단면을 형성합니다.
• 이 과정에서 금속의 결정 구조(grain structure)가 재배열되며, 날 끝부분이 매우 얇고 예리한 형태를 갖게 됩니다.
(2) 열처리
• 면도날의 강도를 높이기 위해 열처리(heat treatment)를 진행합니다.
• 열처리를 통해 금속의 결정립 크기(grain size)가 조절되며, 날의 내구성이 향상됩니다.
(3) 연마 및 코팅
• 다이아몬드 연마제 등을 이용해 미세 연마(micro-polishing)가 이루어집니다.
• 크롬, 텅스텐, 티타늄 등의 코팅이 추가되어, 날의 내구성을 증가시키고 마모 속도를 늦춥니다.
면도날과 수염의 비교: 어느 쪽이 더 단단할까?
면도날이 수염보다 훨씬 단단한 금속으로 만들어졌음에도 불구하고, 시간이 지나면 마모됩니다.
그 이유를 이해하려면 면도날과 수염의 물성을 비교해야 합니다.
특성 면도날 (스테인리스 스틸) 수염 (케라틴 단백질)
강도 400~600 MPa 100~200 MPa
경도(HV). 200~300 HV 50~80 HV
지름 0.1~0.3 μm (날 끝) 50~100 μm
• 수염의 강도는 금속보다 낮지만, 면도날 끝 부분은 0.1~0.3μm 수준으로 매우 얇기 때문에
특정 조건에서 오히려 면도날이 손상될 수 있는 상황이 발생합니다.
면도날이 무뎌지는 진짜 이유
기존에는 면도날이 마찰(wear) 때문에 마모된다고 생각했지만, Roscioli et al. (2020) 연구에서는
면도날의 마모가 단순한 마찰이 아니라, 미세 균열(microcracking)과 국소적인 응력 집중(localized stress concentration) 때문이라는 사실을 밝혀냈습니다.
(1) 국소적인 응력 집중
• 수염이 면도날과 만날 때, 힘이 균등하게 분포되지 않고 날 끝의 특정 지점에 집중됩니다.
• 면도날이 완벽한 직각(perfectly perpendicular)이 아니라 비스듬한 각도로 수염과 접촉하면,
특정 부분에 극심한 응력이 가해지면서 균열이 발생합니다.
(2) 미세 균열과 결정립 경계의 영향
• 면도날은 미세한 결정립(grain boundary)으로 이루어져 있습니다.
• 면도 과정에서 반복적으로 응력이 가해지면, 결정립 경계에서 균열(microcracks)이 성장합니다.
• 시간이 지나면서 균열이 합쳐져 면도날 끝이 부서지고, 면도 성능이 저하됩니다.
(3) 칩핑(Chipping) 현상
• Roscioli et al. (2020) 연구에서는 면도날 끝에서 발생하는 마모 형태가 단순한 마모(wear)가 아니라, 작은 조각들이 떨어져 나가는(chipping) 형태임을 확인했습니다.
• 면도날이 일정 횟수 이상 사용되면, 날 끝 부분에 불규칙한 손상이 누적되면서 절삭 성능이 급격히 저하됩니다.
오래가는 면도날을 만들 수 있을까?
이 연구 결과를 바탕으로 면도날의 내구성을 개선하기 위한 몇 가지 방법을 생각해 볼 수 있습니다.
더 균일한 미세 구조(ultra-fine grain structure) 적용
결정립 크기를 줄이면 균열 전파 속도를 늦출 수 있습니다.
응력 집중을 방지하는 새로운 코팅 기술 개발
텅스텐 또는 DLC(Diamond-Like Carbon) 코팅을 적용하면 칩핑 현상을 줄일 수 있습니다.
면도날의 절삭 각도 조정
수염과 면도날이 비스듬하게 맞닿는 것을 최소화하면 국소적인 응력을 줄일 수 있습니다.
정리: 면도날이 무뎌지는 이유는 마찰 때문이 아니다!
- 면도날의 마모는 단순한 마찰(wear)이 아니라, 국소적인 응력 집중과 미세 균열(microcracking) 때문입니다.
- 면도날과 수염의 물리적 특성 차이 때문에, 오히려 날이 손상되는 현상이 발생할 수 있습니다.
- 이러한 연구는 면도날의 내구성을 개선하고, 더 오래 지속되는 면도날을 개발하는 데 중요한 역할을 할 것입니다.
참고 문헌
【1】 Roscioli, J. R., et al. How hair deforms steel. Science, 2020.
