주방용 칼, 그 역사와 과학
과학이랑 산다-1
정년퇴직을 하고 집에서 지내는 시간이 많아지면서, 필자의 생활공간인 집안에는 참 많은 과학과 기술이 숨겨져 있다는 사실을 깨닫게 되었다. 아내의 주방 보조로 식사를 준비하면서 특히 주방에는 오래전부터 익숙한 도구들이 많지만 그들을 자세히 들여다볼 기회는 별로 없었던 것을 깨닫게 되었다. 얼마 전 새로 과도 하나를 구입하였다. 보기에도 날렵하였는데, 처음 사용하면서 그만 손가락을 살짝 베고 말았다. 피가 나는 손가락을 소독하고 밴드를 붙이면서 칼에 대한 이야기를 해보고 싶었다. 날카로운 칼날의 과학을.
우주에서 온 칼
1922년, 영국의 고고학자 하워드 카터는 이집트 룩소르에 있는 왕가의 계곡(Valley of the Kings)에서 투탕카멘(기원전 1332~1323년 통치) 왕의 무덤을 발견했다. 투탕카멘은 기원전 1332년, 9살에 이집트 왕이 된 뒤 18살에 사망한 소년 파라오로 알려져 있다. 그 후 무덤 속을 발굴하다 1925년에 투탕카멘의 미라를 감싸고 있던 천 속에서 두 개의 단검이 발견되었다. 하나는 금으로 제작된 단검이고 다른 하나는 철제 단검이었다. 그런데 3,000 년이 넘은 철제 칼이 녹슬지 않고 잘 보존되어 있어 경이롭게 생각되었다. 그 후 연구를 통해 그 신비가 풀려나갔다. 2016년 이탈리아 연구팀은 X-선 형광분석 방법을 통해 단검의 성분을 분석했는데, 놀랍게도 철(Fe)이 88.3 %, 니켈(Ni)이 10.8 % 그리고 코발트(Co)가 0.6 %로 구성된 합금으로, 지구상에서 자연적으로 발견될 수 없는 합금의 조성이었다. 연구진은 이집트 북부에서 발견된 운석과 성분을 비교한 결과 이 칼이 우주에서 날아온 운석으로 만들어진 것임을 확인하였다. 그야말로 ‘우주에서 온 칼’이었던 것이다. 우리가 현재 사용하고 있는 녹슬지 않는 강철인 ‘스테인레스강’으로 만든 칼의 원조격이 되는 칼이 3,000년 전에 이미 존재하고 있었다는 이야기가 된다.
또 다른 미스터리는 이집트에서 투탕카멘 시대(기원전 14세기)는 청동기 시대였으니, 그로부터 200년 후에나 시작되었을 것으로 추정되는 철기 시대가 아직 도래하기 전이었다. 그렇다면 우주에서 타임머신을 타고 온 미래의 칼이었을까? 최근 일본 연구팀의 연구에 의하면 이 단검은 이집트의 라이벌 격이었던 터키 아나톨리아 지역에 성립됐던 미타니 왕국의 왕이 투탕카멘왕의 할아버지인 아멘호텝 3세에게 보낸 선물이라는 것이 밝혀졌다. 아마도 미타니 왕국에는 운석을 이용한 철기 제작 기술이 이미 일부 존재하고 있었던 것으로 추정된다. 인류는 철기 시대 이전에도 자연에서 얻을 수 있는 철(운석 철)을 먼저 사용할 줄 알았으며, 이후 철광석에서 철을 추출하는 제련 기술이 개발되었음을 의미한다.
칼의 역사
인류의 역사를 분류할 때 인류가 사용한 도구의 재료에 따라 석기 시대, 청동기 시대, 철기 시대 등으로 나눈다. 새로운 시대로 변화할 때 가장 중요했던 것이 신소재의 출현이었으며, 이러한 새로운 소재는 이전보다 혁신적이고 강력한 도구나 무기를 만들 수 있게 함으로써 그를 사용하는 부족이나 민족이 부강해지고 발전할 수 있게 되었기 때문이다. 많은 도구들은 새로운 문명의 출현과 함께 사라지는 구시대의 유물이 되었지만, 칼은 석기 시대부터 지금까지 지속적인 변화와 발전을 하면서 우리 곁에 유용한 도구로 남아있다. 무엇을 쉽게 자를 수 있게 하는 칼과 같은 절단 도구는 이렇게 수백만 년 전부터 인류 생존에 필수적인 역할을 해왔다.
인류는 석기 시대를 지나 청동기 시대로 진입하면서 금속을 이용하기 시작하였다. 이러한 시대 변화는 불의 사용과 깊은 연관이 있다. 기원전 3000년경, 인류는 금속을 불에 달궈 망치로 두드리는 단조 기술을 개발함으로써 손잡이가 있는 금속 칼이 제작되기 시작했다. 초기에는 구리가 가장 흔한 재료였지만, 이후 주석과 같은 다른 금속과 합금하는 제련 기술이 발전하면서 더 강한 칼이 만들어졌다. 이러한 기술 발전으로 인류는 석기 시대를 마감하고 기원전 1500년경 청동기 시대로 들어서게 되었다. 하지만 구리로 만든 칼은 돌로 만든 칼보다는 정교했지만 돌 도구보다 오히려 약하고 녹과 부식에도 취약했다.
이로부터 약 500년 후, 즉 기원전 1000년경부터 인류는 철이라는 신소재를 다룰 수 있게 되었다. 유럽에서는 철로 만든 칼과 도구가 청동기를 빠르게 대체했으며, 이러한 변화는 전 세계로 확산되었다. 철제 칼은 청동 칼보다 훨씬 내구성이 뛰어나고, 날도 오랫동안 무뎌지지 않았다. 또한, 청동에 비해 쉽게 부식되지 않아 주방에서 더욱 유용하게 사용될 수 있게 되었다.
14세기까지 이어진 서양의 중세 시대 동안 칼은 철보다 강하고 가공성이 우수한 강철로 제작되기 시작하였다. 강철 칼은 당시 최고의 품질을 자랑하는 도구였지만, 강철을 대량 생산하는 기술이 개발되지 않았기 때문에 이를 소유할 수 있는 사람은 부유층에 한정되었으며, 강철 칼을 지니고 다니며 식사할 때 사용하는 것은 일종의 신분을 나타내는 상징이었다고 한다. 강철 칼의 등장으로 식재료를 정교하게 다지거나, 껍질을 벗기고 손질하는 작업이 수월해졌으며, 뼈를 발라내는 과정도 훨씬 쉬워져 요리 기술이 발전하기 시작하였다. 20세기에 들어서면서 녹이 슬지 않는 강철인 스테인레스강이 개발되면서 현재 대부분의 칼의 주 재료는 스테인레스강으로 바뀌게 되었다.
주방용 칼의 시작
주방용 칼이 전 세계적으로 널리 보급되기 시작한 것은 1600년대에서 1700년대 사이라고 한다. 특히 1660년대 프랑스 국왕 루이 14세가 폭력을 줄이기 위해 날카로운 끝을 가진 칼의 사용을 금지하는 법을 제정하면서, 가정용 주방용 칼과 식탁용 칼이 개발되었고, 일반 대중도 쉽게 구입할 수 있는 가격대로 보급되었다.
일본에서는 에도 시대(1603~1868) 동안 기존의 강철보다 더욱 강한 강철(하가네, 鋼)이 개발되었다. 이는 곧 일본 주방칼의 주재료로 자리 잡았으며, 곡선형 칼날을 가진 디자인이 등장해 현재 우리가 사용하는 칼과 유사한 형태로 발전했다. 비슷한 시기인 1731년 독일에서는 피터 헹켈스(Peter Henckels)가 오늘날 가장 널리 사용되는 독일식 셰프 나이프를 개발했다. 이는 현재 세계적으로 표준이 된 셰프 나이프 디자인의 기초가 되었다.
오늘날 대부분의 주방용 칼, 특히 셰프 나이프는 헹켈스(Henckels)가 개발한 독일식 칼과 일본 세키(Seki)에서 유래한 일본식 칼로 나뉜다. 독일식 칼은 일본식 칼에 비해 칼날이 더 두껍고 무거우며, 힘을 가해 사용할 수 있도록 설계되었다. 일본식 칼과 달리, 독일식 칼에는 볼스터(Bolster)라는 칼날과 손잡이 사이의 두꺼운 부분이 있어, 사용자가 칼의 손잡이를 잡고 있지 않은 자유로운 손으로 추가적인 압력을 가할 수 있게 디자인되어 있다. 또한, 독일 셰프 나이프의 칼날은 일본식보다 둥근 형태를 띠고 있어 칼날을 앞뒤로 흔들며 자르는 록킹 모션(Rocking Motion)이 훨씬 쉽다. 하지만 칼날이 두껍고 무거운 만큼, 매우 얇거나 정교한 절삭에는 적합하지 않다.
반면, 일본식 주방용 칼은 섬세하고 정확한 슬라이스와 정교한 칼질에 훨씬 더 뛰어나다. 독일식 칼보다 칼날이 얇고 날카로운 것이 특징이다. 칼날이 얇은 덕분에 무게도 가벼워져 다양한 절삭 작업에서 다루기 쉽고 컨트롤하기 용이하다. 하지만 두꺼운 칼날과 볼스터가 없는 만큼, 강한 힘이 필요한 작업에는 적합하지 않다. 또한, 칼날이 더 얇기 때문에 독일식 칼보다 깨지거나 이가 나갈 위험이 크다.
칼의 과학
칼의 성능을 결정하는 가장 중요한 요소 중 하나는 바로 날카로움(Sharpness) 일 것이다. 날카로움이란 칼날이 최소한의 힘으로 물체를 절단할 수 있는 능력을 의미한다. 칼날이 날카로운 이유는 같은 힘을 가하더라도 집중되는 면적이 작아져 더 높은 압력이 발생하여 절삭력을 높이기 위해서다. 날이 무딘 칼보다 날카로운 칼이 더 적은 힘으로도 쉽게 자를 수 있는 이유가 바로 여기에 있다.
날카로운 절단날과 칼등까지의 곡선이 이루는 쐐기의 각도인 칼날 각도는 날카로움에 영향을 미친다. 각도가 15 ~ 20 도로 작은 칼이 각도가 25 ~ 30 도로 큰 칼에 비해 날카롭고 절단이 용이하다. 하지만 날카로운 칼은 깨지거나 손상이 잘 되며, 작은 각도의 쐐기 모양으로 연마된 날카로운 칼은 절단 시에 절단하는 재료가 밀착되어 마찰력이 발생해 절단을 방해할 수도 있다. 주방 칼의 절단날 부분의 두께는 0.25 mm가 이상적이라고 하며, 대부분의 서양식 주방용 칼의 각도는 약 20 도 정도로 제작되어 있다.
칼을 만드는 주 재료는 강철이다. 강철은 대부분 철 원자로 이루어져 있다. 하지만 순수한 철로만 칼을 만들면 물러서 칼로써의 기능을 제대로 할 수 없게 된다. 그래서 순수한 철에 적당한 량의 탄소나 크롬과 같은 특수한 원소가 일부 첨가된 강철을 만들어 사용한다. 그런데 이렇게 유용한 강철을 누가 처음 발명했는지는 말하기 어렵다. 인류의 조상들은 아주 오래전부터 철을 이용하기 위해 불을 사용하였으며, 이 과정에서 나무나 석탄 등에서 나온 탄소가 철과 결합하면서 자연스럽게 탄소가 함유된 강철이 만들어졌다고 할 수 있기 때문이다.
기원전 13세기경에 대장장이들은 철이 석탄로에 남겨진 후 탄소가 첨가되면 더 단단하고 강하며 내구성이 좋아진다는 사실을 이미 발견했다. 그 후 기원전 6세기에는 인도에서 도가니를 이용해 연철과 숯을 함께 녹여 '우츠 강철'을 만들었다. 또한 중국은 기원 후 3세기 경 고품질 강철을 대량 생산한 최초의 문명으로 알려져 있는데, 그들은 19세기에야 유럽에서 개발 및 보급된 베세머 공법과 유사한 기술을 사용했을 가능성이 큰 것으로 알려져 있다. 11세기에 중동에서는 다마스쿠스 강철이 개발되었으며, 주로 칼날 제조에 사용되었다. 다마스쿠스 칼날은 인도와 스리랑카에서 수입된 우츠 강철 주괴로 만들어졌다. 이 칼에는 독특한 물결무늬가 있는 것으로도 유명한데, 이는 칼을 만들 때 강철을 불에 달궈 여러 번 접어 두드리는 단조 과정을 통해 만들어지기 때문이다.
그 후로도 강철 제조 기술은 지속적인 발전이 계속되다 1855년에 영국의 엔지니어인 베세머에 의해 베세머 공법이 도입되었다. 이는 용해된 선철에 공기를 불어넣어 강철의 품질을 떨어뜨리는 불순물을 산화시켜 제거하는 방식으로, 높은 품질의 강철을 저렴하게 대량 생산할 수 있는 최초의 산업 공정이었다.
1912년, 미국의 발명가 엘우드 헤인즈(Elwood Haynes)는 철에 크롬을 첨가하여 스테인리스강 합금의 특허를 등록했으며, 이 특허는 1919년에 등록되었다. 영국의 해리 브리얼리(Harry Brearley)도 총열이 부식되지 않도록 하는 합금을 개발하는 과정에서 스테인리스강을 발견했지만 헤인즈가 이미 특허를 출원했기 때문에 특허 출원 대신 두 사람은 협력하여 American Stainless Steel Corporation을 설립했다. 그리고 브리얼리는 이 새로운 합금을 "녹슬지 않는 강(Rustless Steel)"이라고 명명하였다. 이들이 만든 스테인리스강의 조성은 철에 크롬이 12 ~ 14 %를 첨가되었으며 탄소 함량은 약 0.2 ~ 0.3 %였다. 요즘 주방용 칼은 이와 유사한 조성에 소량의 망간(Mn, 0.5 ~ 1 %)을 첨가한 400 시리즈의 마르텐사이트계 스테인리스강을 사용한다. 또한 전문가용 고급 셰프 나이프에는 날카로운 칼날 유지력이 좋은 고 탄소(~ 1 %), 고 크롬(~ 15 %) 및 소량의 바나듐, 몰리브데넘, 코발트 등이 포함된 VG-10 같은 스테인리스강이 사용된다.
칼을 만드는 대장장이들이 주방용 칼을 만드는 과정을 본 적이 있는가? 대장장이들은 칼을 만들 강철을 불에 달구어 두드려 조직을 치밀하게 만든 후 모양을 다듬은 뒤 기름이나 물에 담가 빠르게 냉각시키는 과정 등을 통해 강하면서도 쉽게 깨지지 않는 칼을 만든다. 강철에는 대략 2 % 미만의 탄소가 포함되어 있는데 이 탄소의 영향과 열처리 과정을 통해 강철은 강인한 조직으로 변하게 된다. 철 원자(iron atoms)는 온도와 탄소 함량에 따라 서로 다른 구조로 결합하기 때문이다.
강철의 온도가 700 ℃ 이상이 되면 강철은 오스테나이트(austenite)라는 결정을 형성하면서 철 원자 사이에 공간이 생겨 탄소가 그 자리에 들어가게 되면서 철 원자가 재배열 된다. 이 상태에서 물이나 기름 같은 냉매에 빠르게 냉각을 하는 급속 냉각(퀜칭, quenching)을 하게 되면 마르텐사이트(martensite)라는 매우 단단한 바늘 모양의 결정 조직을 형성하게 된다. 하지만 마르텐사이트는 강한 대신 잘 부서지는 성질을 가지고 있어 강하면서도 질긴 조직으로 바꿔주는 템퍼링(tempering) 과정이 필요하다. 약 200 ℃ 정도에서 몇 시간 정도를 유지하면서 내부의 응력을 풀어주는 과정이다.
칼의 강도를 측정하는 방법으로는 로크웰 경도(Rockwell Hardness) 측정이 있다. 예를 들어 원추형의 끝이 뾰족한 다이아몬드 압자를 일정한 하중으로 시료에 압입 한 후, 압자의 뾰족한 끝부분이 들어간 깊이로 재료의 경도를 측정한다. 깊이가 얕을수록 경도가 높게 된다. 주방용 칼의 경우 로크웰 경도 (HRC)가 56 정도다. 경도가 낮으면 칼날이 쉽게 무뎌지고, 너무 높으면 부서지기 쉽기 때문에 적정 경도를 맞추는 게 중요하다.
날카로움 그 넘어
날카로움이란 칼날이 최소한의 힘으로 물체를 절단할 수 있는 능력을 의미한다. 칼날의 날카로움은 여러 가지 방법으로 측정할 수 있지만, 가장 일반적인 방법은 날카로움 측정기(Sharpness Tester)를 사용하는 것이다. 예를 들어 종이를 고정한 상태에서 일정한 속도와 힘으로 칼날을 움직여 절단하고 이때 필요한 힘을 측정한다. 측정한 힘의 크기가 작을수록 날카로운 칼이 된다. 그 밖에도 팔이나 다리의 털을 얼마나 부드럽고 깨끗하게 제거하는 지를 검사해 봄으로써 칼날의 날카로움을 알 수도 있다.
날카로워서 때로는 베이기도 하지만 여전히 주방에서 없어서는 안 되는 주방용 칼은 인류의 문명과 함께 새로운 신소재로 변신을 해오면서 오늘날까지 우리와 함께 하고 있다. 현재는 스테인리스강이 주 재료지만 그 뒤를 이어 세라믹이나 티타늄으로 만든 칼도 등장하였다. 앞으로는 더 혁신적인 소재와 기술이 적용된 스마트 주방용 칼이 등장할 것이다. AI가 들려주는 주방용 칼의 미래는 다음과 같다.
미래의 주방용 칼은 단순한 절삭 도구를 넘어, 스마트 기술과 첨단 소재를 결합한 혁신적인 도구로 발전할 것이다. 즉 나노세라믹, 탄소나노튜브, 그래핀 코팅 등 더 강하고 가벼운 신소재 칼이 등장할 것이다. 또 AI 기반의 정밀 연마와 3D 프린팅 맞춤 제작, 스마트 기능이 탑재된 스마트 칼날 센서와 자동 샤프닝, 안전성과 친환경성을 고려한 설계 등이 적용될 것이다.
기능은 더 뛰어나지만 손가락은 베이지 않는 스마트한 미래의 주방용 칼을 꿈꾸어 본다.
* 이 글은 한국표준과학연구원 사보 <KRISS> 2025 봄호에 실린 제 과학 칼럼입니다.
글을 실어준 '한국표준과학연구원'과 멋진 편집을 해준 '(주)홍커뮤니케이션즈'에 감사드립니다.
