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“자, 자. 다들 조용히 해 주세요. 거기 플라스틱 의원님, 변신 좀 그만 하세요~. 가볍고 튼튼하고 어떤 모양이든 원하는 대로 다 변하실 수 있는 거 알거든요~? 코를 오똑하게 높여 주는 성형계의 1인자 실리콘 의원님, 압니다. IT 산업의 핵심인 반도체의 재료가 실리콘인 거요. 세라믹 의원님? 금속 의원님들! 모두 조용조용!
휴~, 이제야 좀 조용해진 것 같군요. 오늘 총회는 우리 재료 나라를 강대국으로 이끌어 줄 대표를 뽑기 위해섭니다. 우리 원로 의원들이 걱정이 이만저만이 아니에요. 다들 잘해 주고 있지만 세상은 너무 빠르게 변하고 있어요. 이젠 힘만으로는 안 돼요. 재료도 미래를 대비해 똑똑해져야 한 다고요!
그럼 대표에 도전할 후보를 만나 보시기 전에 철과 나일론 의원님의 기조 연설이 있겠습니다”
강한 재료가 강한 나라를 결정한다
‘재료를 다스리는 자, 세상을 지배하리라’ 인간 세상에 진리처럼 내려오는 말입니다. 그만큼 우리 선조님들은 인간 세상의 역사를 바꾸셨죠. 강한 재료는 강한 무기로 이어져 전쟁을 승리로 이끌었으니까요. 무기 재료는 불과 함께 발전했어요. 나무와 돌로 무기를 만들던 사람들은 불을 발견하면서 광물에 박혀 있던 금속을 녹여 낼 수 있게 됐거든요. 금속은 가벼운데다 잘 구부러지고 깎이는 등 원하는 형태로 만들기 쉬워 자연의 재료보다 훨씬 예리한 무기로 만들 수 있었지요. 그리곤 강한 금속끼리 섞은 무기를 만들어 냈어요. 그것이 바로 구리와 주석을 섞은 합금, 청동이랍니다. 이후, 기술이 발전하면서 녹는점이 더 높은 철을 가공할 수 있게 되었어요. 바로 나, 철이 가장 강력한 무기로 세상을 주름잡게 된 거죠. 에헴!
이렇게 시대를 이끌어 오신 재료 나라의 철과 청동, 그리고 수많은 금속 선조님들은 이젠 무기뿐 만 아니라 목걸이부터 자동차, 우주선 등 일상과 산업을 넘나들며 활약하고 계시답니다.
기원전 9000년 경 석기시대
나무와 돌, 자연 재료를 활용하다.
약 50만 년 전 불의 발견
광물에서 금속을 얻다.
기원전 1700년 경 청동기 시대
구리와 주석을 섞어 청동을 만들다.
기원전 1200년 경 철기시대
가마와 함께 강철이 탄생하다.
신소재 합금
인공재료, 자연의 법칙을 새로 쓰다. 1913년, 녹슬지 않는 강철인 스테인리스강을 발견하다.
플라스틱
1926년, PVC로 만든 첫 제품이 나오다.
합성섬유
1938년, 강철보다 강하고 거미줄보다 가벼운 나일론이 탄생하다.
파인 세라믹스
돌에 숨겨진 놀라운 기능을 발견하다.
신소재 플라스틱
전기가 통하는 플라스틱, 2000년에 노벨상을 받다.이로써 새로운 플라스틱의 시대가 열리다.
나노 기술
기존의 상식을 뒤엎는 재료가 탄생하다.
가마, 강철을 낳다
가마는 지금의 용광로와 같이 1000℃ 이상의 높은 온도를 낼 수 있다. 여기에 철과 탄소로 이뤄진 철광석을 *코크스와 함께 태우면 코크스의 주 원료인 탄소는 철광석의 산소를 빼앗아 일산화탄소가 되고, 철광석에는 순수한 철만 남게 된다. 이 때 철은 함께 탄 코크스 속의 탄소를 일부 갖게 돼, 순수한 철보다 단단하지만 잘부러지는 성질을 갖게 된다. 하지만 철이 가마 속에서 나오는 순간, 철 속의 탄소는 공기 중의 산소와 만나 대부분 타 버린다. 그리고 이 때 남은 약 1%의 탄소는 철을 단단하면서도 유연성 있는 강철로 만들어 준다.
*코크스 : 석탄을 공기와 닿지 않게 가열해 만든 것.
합성섬유,
패션의 문을 열다 나뭇잎이나 짚을 엮어 만든 인류 최초의 옷감은 비에 젖으면 늘어져 버리고, 뙤약볕 아래 잠깐이라도 있으면 말라 부스러지기 일쑤였다. 그 뒤에 나온 것이 누에나 목화 등에서 뽑은 명주와 무명이다. 나무잎보다 부드럽고 질겼지만 구김이 많아 매번 다림질을 해야 했다.
그러던 1938년, 미국의 듀퐁사는 ‘나일론’을 개발한다. 나일론은 석탄에서 얻었지만 어떤 천연섬유보다 강하고 가는데다가 탄력성도 좋았다. 그래서 당시 셔츠, 양발 특히 스타킹시장에는 나일론 붐이 일었다. 사람들이 나일론을 사기 위해 여러 시간 줄을 서 기다릴 정도였다.
이 후 합성섬유는 발전을 거듭했고, 최근에 나온 아라미드와 케블라 섬유는 옷을 넘어 항공기와 장갑차, 방탄복의 재료로 다양한 분야에서 활약하고 있다.
똑똑해야 뜬다! 스마트 재료
선조님들의 공로는 충분히 인정합니다. 하지만 미래를 이끌어갈 재료라면 철, 나일론처럼 쓰이기만 하는 데서 나아가 지능까지 갖춰야 하지 않겠어요? 그래서 출마한 기호 1번, 스마트 재료입니다. 스마트 재료는 환경이 변화함에 따라 스스로 그 기능을 바꿔 적응하는 재료입니다. 주위의 환경을 스스로 진단해 조절 또는 적응하거나 손상을 스스로 복구하는 능력이 있죠.
그래서 스마트 재료는 그 어떤 재료보다 눈치가 빠릅니다. 온도, 빛, 압력, 진동, PH 등이 조금만 달라지면 바로 알아채요. 그리고 바로 조치를 취합니다. 예를 들어 안전을 담당하는 우리 아들은 다리에 가해지는 압력이 커져 붕괴 위험에 있다고 판단되면 바로 경보음을 울려요. 탱크가 총알에 맞아 충격을 느끼면 그 순간 동체를 단단하게 만들죠. 그뿐이 아니에요. 우리 딸은 어찌나 사려가 깊은지, 집안에 햇빛이 너무 많이 들어와 더워지면 유리를 불투명하게 바꿔 빛의 양을 조절하죠.
제 아내요? 이번에 동계올림픽에서 스케이트며 봅슬레이 장비 곳곳에 쓰여 선수들이 금메달을 따는 걸 크게 도왔죠. 그럼 똑똑한 우리 가족들을 직접 만나 보실까요?
➊안전
위험을 느끼면 경보음을 울리는 다리
철근 콘크리트 아래 깔린 압전성 재료는 외부에서 가해지는 압력을 측정해 전기신호로 바꿔 주는 성질이 있다. 따라서 다리가 무너질 정도의 큰 압력을 받으면 압전성 재료는 경보 시스템으로 전기 신호를 보내 경보음을 울리게 한다. 또한 다리 내부에 들어 있는 형상 기억 재료
는 원래의 형태로 돌아가려는 성질이 있다. 따라서 센 압력을 받아 다리가 휘어 지더라도 다시 원래의 모습으로 되돌아 가려고 한다. 이 덕분에 붕괴 위험에서 다리를 지탱할 수 있다.
적의 레이더망에 잡히지 않는 전투기
나이크 호크, F-117과 같은 초기의 전투기들은 적의 레이더망에 잡히지 않기 위해 비행체의 여러 면을 각지게 만들었다. 각진 면이 레이더에서 오는 전파를 모든 방향으로 반사해 위치를 교란시키기 때문이다. 그러나 각진 비행체는 공기의 저항을 너무 많이 받아 연료를 많이 쓸 뿐만 아니라 비행 속도도 크게 높일 수 없었다.
이를 해결하기 위해 개발 된 것이 전파를 흡수하는 재료인 ‘스텔스’다. 스텔스는 여러 재료가 합쳐진 복합재료로, 각각의 재료는 군사기밀로 비밀에 붙여져 있다. 하지만 더해지는 재료에 따라 특정 주파수의 레이저를 더 많이 흡수하는 것으로 알려졌다.
카멜레온 전투복
온도나 빛에 민감한 유기 색소 재료는 주위의 온도가 변하거나 빛의 세기가 달라지면 화학 구조가 새롭게 바뀌며 다른 색을 낸다. 카멜레온 전투복은 전투복의 섬유에 이 유기 색소재료를 염색해 만들었다. 현재는 산에서 쓸 수 있는 녹색과 사막 지역에서 사용할 수 있는 황토색만 낼 수 있다. 하지만 색상이 변하는 온도나 빛의 범위를 미세하게 조절하는 기술이 개발 중이어서, 가까운 미래에는 다양한 환경에 맞게 여러색상으로 변하는 전투복이 나올 것으로 기대되고 있다.
총알을 맞으면 단단해지는 탱크
“탕탕탕” 총알을 맞자 탱크에 발라진 액체 속의 입자가 서로 어깨를 맞대고 촘촘히 붙기 시작한다. 그러자 총알이 튕겨 나간다. 영국방위산업체가 개발한 이 탱크의 비밀은 탄소섬유를 녹여 만든 페인트다.
탄소로 촘촘히 짜여진 탄소섬유는 열과 충격에 강하면서도 알루미늄보다 가볍과 철보다 단단하다. 게다가 총알을 튕겨내는 놀라운 *탄성력까지 갖췄다.
*탄성력 : 외부에 힘에 의해 변형된 물체가 원래 모양으로 돌아가려는 성질.
➋스포츠
총 14개의 메달로 이번 동계올림픽에서 종합 5위를 차지한 대한민국의 숨은 공신은? 바로 탄소복합재료다. 탄소복합재료는 머리카락 굵기의 10분의 1도 안 되는 가는 탄소섬유에 플라스틱을 섞어 만든다. 여기서 플라스틱을 섞는 순서나 방법, 탄소가 들어 있는 양과 형태에 따라 성능도 천차만별이다. 하지만 공통적으로 탄소의 양은 많을수록 튼튼하고 낮을수록 탄성이 좋다.
시속 150㎞ 이상으로 얼음트랙을 도는 봅슬레이 썰매는 탄소복합재료와 *세라믹으로 만든다. 세라믹을 이용해 가볍게, 탄소복합재료로 튼튼하고 탄성력 있으면서도 공기저항을 덜 받는 구조로 만들 수 있기 때문이다. 이러한 이유 때문에 진동을 계속해서 잡아 주어야 하는 스키판, 스키 막대, 스케이트 신발에서 금속 날을 제외한 부분 등 거의 대부분의 동계 스포츠 장비에 탄소복합재료가 쓰인다.
*세라믹 : 금속과 비금속 원소가 화학적으로 결합해 만들어진 재료. 단단하고 열에 강하지만 충격을 받으면 쉽게 깨지는 성질이 있다. 유
리, 도자기, 벽돌 등이 세라믹을 사용한 대표적인 예다.
➌ 생활
빛의 투과율과 반사율을 조절하는 똑똑한 유리
커튼 없이도 빛의 양을 자동으로 조절 할 수 있는 유리가 개발됐다. 덕분에 햇빛이 강한 날, 눈이 부셔커튼을 친 뒤 어두워진 실내 때문에 조명을 켜는 등의 에너지 낭비를 막을 수 있게 됐다. 한국의 DM디스플레이에서 만든 이 유리는 스위치를 눌러 전기를 보내면 색이나 투명 정도를 바꿔 빛의 반사율과 투과도를 조절 할 수 있다. 또 금속재료를 미세하게 코팅해 빛을 내는 가시광선은 실내로 들어오게 하면서 열을 내는 적외선은 차단할 수 있다. 따라서 여름에는 강한 햇빛이 실내로 들어오지 않도록 하고, 겨울엔 열이 밖으로 새어나가지 않도록 할 수 있다.
음악을 연주하는 식탁보
새로운 재료가 식사 시간을 흥겹게 만든다? 건반이 그려진 식탁보 아래 숨겨져 있는 압전성 재료는 건반을 누를 때 가해지는 압력을 전기
신호로 바꿔 준다. 그리고 이 전기 신호는 전기가 통하는 식탁보의 섬유를 타고 스피커로 전달되고, 스피커는 해당 건반의 음을 소리로 낸다.
몸을 들썩거리게 하는 옷
노래 소리에 맞춰 파티복이 화려한 빛을 내기 시작한다. 전기가 통하는 섬유와 LED로 만든 옷감 때문이다. 이 파티복은 주변의 소리를 감지해 전기가 통하는 광섬유로 신호를 전달하고, 이 신호를 받은 LED가 분위기에 맞는 빛을 낸다.
옷에서 음악도 나오게 할 수 있다. 전기가 통하는 섬유에 MP3를 단 것. 태양전지도 붙여 별도의 건전지 없이도 스스로 MP3 충전할 수 있게 했다.
사람을 살리는 생체 재료
똑똑한 것도 좋지만 사람의 생명을 살리는 일만큼 고귀한 일이 또 있을까요? 기호 2번, 생체 재료입니다. 우리는 몸 속에서 인공 피부, 인공 심장, 인공 수정체 등 인공 조직과 장기의 일부가 되어 사람을 살리는 일을 합니다.
사람을 치료하는 재료로 선택되기 위해서는 여러 조건이 필요하죠. 일단 독이 없어야 해요. 몸에 쌓이면 신경과 근육 마비를 일으키는 납이나 뼈를 무르게 하는 카드뮴? 오~, 노! 또 재료가 몸속으로 들어갈 때는 균이 없는 상태를 만들기 위해 높은 온도나 방사선을 쪼이는데, 이렇게 혹독한 조건에서도 본래 성질이 변하지 않는 의지가 굳센 재료여야 해요.
무엇보다 중요한 것은 우리 몸을 구성하고 있는 DNA나 단백질 등과 얼마나 친한가예요. 몸을 구성하고 있는 물질들이 우리와 친하지 않다면, 들어가는 즉시 적으로 오해받아 항체의 공격을 받게 되거든요. 그럼 이 까다로운 조건을 뚫고 몸 곳곳에서 생명을 살리고 있는 우리 식구들을 직접 만나 볼까요?
하이드로젤
*고분자의 일종으로 물을 잘 흡수 할 뿐만 아니라, 물에 잘 녹으며 부드럽고 투명해 콘택트 렌즈, 인공수정체(➊)의 재료로 쓰인다.
폴리우레탄
오랜 시간 반복적으로 움직여도 고무와 같은 탄성력, 유연성, 질긴 성질 등이 줄지 않는다. 또한 물에 의해 분해되지 않고, 혈액과 접촉해도 부작용이 없어 인공 심장(➋), 인공 혈관(➌) 등에 사용된다.
폴리에스터와 테플론
고분자를 이용한 플라스틱 계통의 재료다. 잘 늘어나며 탄력이 있어 뇌의 신호에 따라 줄어들었다가 늘어났다가 해야 하는 인공 힘줄이나 인공 인대(➍)에 사용된다. 몸 안에서 분해가 되지 않기 때문에 오래도록 사용할 수 있다.
*고분자 : 분자량이 1만 이상인 큰 분자로, 100개 이상의 원자로 구성돼 있다. 우리가 입는 옷의 섬유, 플라스틱 등이 인공적으로 만들어 낸 합성 고분자이며 천연고분자로는 포도당, 단백질 등이 있다.
티타늄과 스테인리스 스틸
둘 다 금속으로, 단단하고 부식이 잘 되지 않는다. 특히 티타늄은 다른 합금에 비해 뼈에 잘 붙고 거부 반응이나 부작용이 없어 인공 관절(➎)과 인공 치아에 쓰인다.
최근에는 티타늄 합금 위에 세라믹의 한 종류인 수산화아파타이트를 덧씌워 몸의 거부감을 더욱 줄였다. 세라믹의 한 종류인 수산화아파타이트는 실제 뼈의 성분인 칼슘, 나트륨, 마그네슘, 칼륨, 인 등의 원소를 대부분 포함하고 있어 부작용이 없다.
그뿐이 아니에요. 요즘 우리 가족은 몸 안에 있는 DNA, 항체 등과 결합한 하이브리드 재료로 우리 몸과 더 친한 생체 재료로 거듭나고 있지요.
지금은 하이브리드 시대
➊ 탄소나노튜브에 DNA를 감아 인공 근육을 만들다
모든 운동은 근육이 줄어드는 ‘수축’과 늘어나는 ‘이완’ 과정을 통해 이뤄진다. 근육을 이루고 있는 근섬유들은 뇌에서 오는 전기 자극을 재빠르게 읽어 스스로 근섬유를 줄였다 늘렸다 하며 근육을 움직인다.
한양대학교 김선정 교수팀은 이런 근섬유를 본떠 탄소나노튜브에 DNA를 감은 인공 근육을 개발했다. 이 인공 근육은 DNA가 있어 전기 자극에 민감하면서도, 탄소나노튜브의 뛰어난 탄력을 갖고 있다.
그 결과 실제 근육처럼 자유롭게 늘어났다 줄어들었다 할 수 있다.
➋ 나노섬유 속에서 자란 세포, 우리 몸을 재생하다
세포가 몸의 기관과 조직의 한 부분으로 역할을 할 수 있으려면, 원래 세포가 자라는 환경과 같은 3차원 공간에서 자라야 한다. 그래서 개발된 것이 나노섬유로 만든 3차원 그물. 나노섬유를 지지대 삼아 자란 세포는 비커 등의 바닥에서 자라던 세포와 달리 입체모양으로 자라기 때문에, 손상된 부위에 이식했을 때 그 부위에 맞는 세포로 자라날 수 있다. 실제로 미국 노스웨스턴대학교의 스툽교수팀은 큰 상처를 입은 나노섬유를 이식해 환자에게 인공피부가 아닌 진짜 피부를 선물했다.
▲ 나노섬유로 만든 그물망. 세포가 본래 환경과 같이 3차원적으로 자랄 수 있는 지지대 역할을 한다.
녹색 환경을 지켜라! 바이오플라스틱
아무리 똑똑하고 사람을 살리는 재주가 있다 해도, 환경이 파괴되면 우리 모두 살 수가 없잖아요? 기호 3번 친환경 재료 가족 대표, 플라스틱과 합성섬유예요. 저희가 무슨 친환경 재료냐고요?
그렇죠. 사실 합성섬유나 플라스틱은 석유에서 만들어 내기 때문에 만들어지면서부터 온난화 물질인 이산화탄소를 엄청 내뿜지요. 자연에서는 잘 썩지도 않고요.
그랬던 우리가 변했어요. 식물의 세포벽에서 셀룰로오스를, 새우와 게 등껍질에서 키틴을, 세균에서는 플라스틱의 재료인 폴리유산 등 천연 고분자를 얻었거든요. 이 천연 고분자로 만든 플라스틱은 ‘바이오플라스틱’으로 거듭나 이제 햇빛을 받거나 땅 속에 묻으면 썩는답니다. 그렇다고 본래 의무를 소홀히 하진 않아요. 바이오플라스틱은 자동차, 선박, 생활용품에서, 천연섬유는 최신패션에서 활약하고 있거든요.
바이오섬유
▲일본의 양말회사인 오카모도는 거미줄의 유전자를 염소의 배아에 이식해, 염소의 젖에서 거미줄 단백질을 얻었다. 그리고 이 단백질로 인공 거미줄 섬유를 만들었다.
‘바이오스틸’이라 불리는 이 실크는 총탄에도 파괴되지 않을 만큼 튼튼하면서도 매우 가벼워 인공 힘줄, 방탄복, 스포츠 의류, 가방, 밧줄, 항공기 몸체 등에 이용될 예정이다.
자연에서 얻은 섬유이기 때문에 만들어지는 과정에서 나오는 오염 물질은 전혀 없다. 또, 사용한 이후에도 자연 상태에서 100%가 분해되기 때문에 친환경 섬유라 볼 수 있다.
에너지를 절약하라!
미국 슈퍼소닉이 개발하고 있는 미래 초음속 자가용 제트기 QSST.
▲ 유럽에서 미국을 하루만에 오고가던 비행기인 콩고드 초음속 여객기는 소리보다 빠른 속도로 최대 6000㎞까지 한 번에 날 수 있었다. 그 비결은 현재 금속 중 가장 가벼운 알루미늄 합금으로 만든 동체다. 하지만 6000㎞는 서울과 샌프란시스코 거리에 비한다면 3분의 2정도. 세계를 1일 생활권으로 만들기 위해서는 알루미늄 보다 가벼우면서도 대기와의 마찰로 올라가는 몇백 도의 온도도 버틸 수 있으면서도 더 가벼워야 한다. 최근 차세대 초음속 비행기 동체로 폴리아미드 수지가 주목받고 있다. 우주 재료로 개발된 폴리아미드 수지는 알루미늄보다 가벼우면서도 170℃의 높은 온도에서도 최소 6만 시간 이상 안정적으로 비행할 수 있다.
▲스위스 자동차 업체인 린스피드와 바이엘머티리얼사이언스가 공동개발한 ‘엑사시스’는 철판 대신 마크로론이라는 플라스틱으로 차체를 만들었다. 투명한 마크로론은 철과 유리의 장점을 다 갖고 있으면서도 무게는 유리의 절반. 그 결과 엑사시스는 같은 속도를 내는 다른 차에 비해 연료가 적게 든다.
바이오플라스틱
▲ 일상에서 쓰이는 바이오플라스틱 제품.
▲ 삼성전자가 2008년 출시한 에코폰은 겉면에 옥수수 전분으로 만든 바이오플라스틱을 사용했다.
▲ 2008년 콩섬유 바이오플라스틱으로 만든 자동차 시트를 적용한 ‘포드 무스탕2’.
▲ 일본의 자동차 회사인 도요타는 2007년 세계 최초로 옥수수에서 추출한 폴리유산에 양마섬유를 섞어 만든 바이오플라스틱으로 ‘아이유닛’ 이라는 자동차를 만들었다. 도요타는 2015년까지 자동차 부품의 20%를 바이오플라스틱으로 바꾸겠다는 계획을 발표하기도 했다.
한계 돌파! 우주를 정복하다
이런, 이런~. 우물 안에 재료들 같으니! 이 지구는 너무 좁아! 미래는 우주를 개척하는 시대라구! 기호 4번, 우주의 비밀을 밝힐 우주 재료예요. 극저온과 고온, 또 초음속으로 비행하거나 대기권을 돌파하는 경우 만나는 가혹한 환경에도 우주선을 보호하면서 제 기능을 다 할 수 있는 끈기 있는 재료들이죠. 우주의 비밀을 밝히고 외계 생명체와 교류하는 미래의 지구, 멋지지 않나요? 그 중심엔 우리 가족들이 있답니다. 만나 보시죠!
지구에서 우주까지! 탄소나노튜브
9만 2,200㎞ 상공에 떠 있는 우주정거장과 지구 표면을 연결할 재료는? 미국항공우주국은 오는 2018년을 목표로 짓고 있는 우 주엘리베이터의 케이블 재료로 탄소나노튜브를 선택했다. 나노크기의 탄소가 실처럼 짜여진 탄소나노튜브는 강철보다 100배 더 단단하고 충격에도 잘 견딘다. 또 원래 형태에서 15%까지 변해도 부러지지 않고 버틸 수 있는 유연함도 갖췄다.
우주복
우주복에는 쭉 펼치면 무려 92m까지 이어질 만큼 긴 플라스틱 튜브가 들어 있다. 우주복 안의 온도가 올라가면 물이 튜브 속을 흘러가면서 얼어 체온을 늘 일정하게 유지시켜 준다.
헬멧
강한 폴리카보네이트로 만들며, 태양으로 부터 눈을 보호하기 위해 헬멧 앞쪽의 창은 얇은 금으로 덧씌웠다.
우주장갑
한 짝에 무려 2400만 원이나 하는 장갑의 손가락 끝부분은 실리콘 고무로 만들어졌다. 덕분에 장비를 조작할 때 손가락으로 직접 누르는 것처럼 느낄 수 있다.
우주왕복선
미국의 우주왕복선 디스커버리 호는 1500℃ 이상의 고온에도 견딜 수 있는 세라믹단열재로 덮여 있다.
어떤가요? 원로 의원님들, 미래 재료 후보들을 만나 보니 걱정이 싹 사라지시죠? 똑똑해진 재료 덕분에 사람들은 다리가 무너질까, 가스가 새지는 않을까 걱정할 필요가 없어질 거예요. 바로 경보음이 울리면서 안전 조치가 취해질 테니까요. 또 스마트 섬유로 만든 옷은 여름에는 시원하게, 겨울에는 따뜻하게 체온을 유지시켜 주고 기분에 맞는 음악도 틀어 줄 테죠. 아마 병원에 갈 필요도 없어질지 몰라요.
높은 지능에 섬세한 팔을 가진 나노 크기의 로봇이 몸 속으로 들어가 아픈 곳이 생길 때 마다 고쳐 주면 되니까요. 전기가 통하는 플라스틱을 이용해 TV를 지갑에 돈처럼 넣고 다니는 것도 문제 없겠죠?
와우! 누구 한 재료만을 뽑기 어렵겠는데요? 그렇다면 공동대표는 어떨까요? 모든 미래 재료들이 함께 재료 나라를 이끌어간다면 정말 최고가 될것 같아요! 앞으로 우리 미래 재료들이 나라를 잘 이끌어 가는지 ‘어린이과학동아 친구들도 관심을 갖고 지켜봐 주세요!
휴~, 이제야 좀 조용해진 것 같군요. 오늘 총회는 우리 재료 나라를 강대국으로 이끌어 줄 대표를 뽑기 위해섭니다. 우리 원로 의원들이 걱정이 이만저만이 아니에요. 다들 잘해 주고 있지만 세상은 너무 빠르게 변하고 있어요. 이젠 힘만으로는 안 돼요. 재료도 미래를 대비해 똑똑해져야 한 다고요!
그럼 대표에 도전할 후보를 만나 보시기 전에 철과 나일론 의원님의 기조 연설이 있겠습니다”
강한 재료가 강한 나라를 결정한다
‘재료를 다스리는 자, 세상을 지배하리라’ 인간 세상에 진리처럼 내려오는 말입니다. 그만큼 우리 선조님들은 인간 세상의 역사를 바꾸셨죠. 강한 재료는 강한 무기로 이어져 전쟁을 승리로 이끌었으니까요. 무기 재료는 불과 함께 발전했어요. 나무와 돌로 무기를 만들던 사람들은 불을 발견하면서 광물에 박혀 있던 금속을 녹여 낼 수 있게 됐거든요. 금속은 가벼운데다 잘 구부러지고 깎이는 등 원하는 형태로 만들기 쉬워 자연의 재료보다 훨씬 예리한 무기로 만들 수 있었지요. 그리곤 강한 금속끼리 섞은 무기를 만들어 냈어요. 그것이 바로 구리와 주석을 섞은 합금, 청동이랍니다. 이후, 기술이 발전하면서 녹는점이 더 높은 철을 가공할 수 있게 되었어요. 바로 나, 철이 가장 강력한 무기로 세상을 주름잡게 된 거죠. 에헴!
이렇게 시대를 이끌어 오신 재료 나라의 철과 청동, 그리고 수많은 금속 선조님들은 이젠 무기뿐 만 아니라 목걸이부터 자동차, 우주선 등 일상과 산업을 넘나들며 활약하고 계시답니다.
기원전 9000년 경 석기시대
나무와 돌, 자연 재료를 활용하다.
약 50만 년 전 불의 발견
광물에서 금속을 얻다.
기원전 1700년 경 청동기 시대
구리와 주석을 섞어 청동을 만들다.
기원전 1200년 경 철기시대
가마와 함께 강철이 탄생하다.
인공재료, 자연의 법칙을 새로 쓰다. 1913년, 녹슬지 않는 강철인 스테인리스강을 발견하다.
플라스틱
1926년, PVC로 만든 첫 제품이 나오다.
합성섬유
1938년, 강철보다 강하고 거미줄보다 가벼운 나일론이 탄생하다.
파인 세라믹스
돌에 숨겨진 놀라운 기능을 발견하다.
신소재 플라스틱
전기가 통하는 플라스틱, 2000년에 노벨상을 받다.이로써 새로운 플라스틱의 시대가 열리다.
나노 기술
기존의 상식을 뒤엎는 재료가 탄생하다.
가마는 지금의 용광로와 같이 1000℃ 이상의 높은 온도를 낼 수 있다. 여기에 철과 탄소로 이뤄진 철광석을 *코크스와 함께 태우면 코크스의 주 원료인 탄소는 철광석의 산소를 빼앗아 일산화탄소가 되고, 철광석에는 순수한 철만 남게 된다. 이 때 철은 함께 탄 코크스 속의 탄소를 일부 갖게 돼, 순수한 철보다 단단하지만 잘부러지는 성질을 갖게 된다. 하지만 철이 가마 속에서 나오는 순간, 철 속의 탄소는 공기 중의 산소와 만나 대부분 타 버린다. 그리고 이 때 남은 약 1%의 탄소는 철을 단단하면서도 유연성 있는 강철로 만들어 준다.
*코크스 : 석탄을 공기와 닿지 않게 가열해 만든 것.
합성섬유,
패션의 문을 열다 나뭇잎이나 짚을 엮어 만든 인류 최초의 옷감은 비에 젖으면 늘어져 버리고, 뙤약볕 아래 잠깐이라도 있으면 말라 부스러지기 일쑤였다. 그 뒤에 나온 것이 누에나 목화 등에서 뽑은 명주와 무명이다. 나무잎보다 부드럽고 질겼지만 구김이 많아 매번 다림질을 해야 했다.
그러던 1938년, 미국의 듀퐁사는 ‘나일론’을 개발한다. 나일론은 석탄에서 얻었지만 어떤 천연섬유보다 강하고 가는데다가 탄력성도 좋았다. 그래서 당시 셔츠, 양발 특히 스타킹시장에는 나일론 붐이 일었다. 사람들이 나일론을 사기 위해 여러 시간 줄을 서 기다릴 정도였다.
이 후 합성섬유는 발전을 거듭했고, 최근에 나온 아라미드와 케블라 섬유는 옷을 넘어 항공기와 장갑차, 방탄복의 재료로 다양한 분야에서 활약하고 있다.
똑똑해야 뜬다! 스마트 재료
선조님들의 공로는 충분히 인정합니다. 하지만 미래를 이끌어갈 재료라면 철, 나일론처럼 쓰이기만 하는 데서 나아가 지능까지 갖춰야 하지 않겠어요? 그래서 출마한 기호 1번, 스마트 재료입니다. 스마트 재료는 환경이 변화함에 따라 스스로 그 기능을 바꿔 적응하는 재료입니다. 주위의 환경을 스스로 진단해 조절 또는 적응하거나 손상을 스스로 복구하는 능력이 있죠.
그래서 스마트 재료는 그 어떤 재료보다 눈치가 빠릅니다. 온도, 빛, 압력, 진동, PH 등이 조금만 달라지면 바로 알아채요. 그리고 바로 조치를 취합니다. 예를 들어 안전을 담당하는 우리 아들은 다리에 가해지는 압력이 커져 붕괴 위험에 있다고 판단되면 바로 경보음을 울려요. 탱크가 총알에 맞아 충격을 느끼면 그 순간 동체를 단단하게 만들죠. 그뿐이 아니에요. 우리 딸은 어찌나 사려가 깊은지, 집안에 햇빛이 너무 많이 들어와 더워지면 유리를 불투명하게 바꿔 빛의 양을 조절하죠.
제 아내요? 이번에 동계올림픽에서 스케이트며 봅슬레이 장비 곳곳에 쓰여 선수들이 금메달을 따는 걸 크게 도왔죠. 그럼 똑똑한 우리 가족들을 직접 만나 보실까요?
➊안전
위험을 느끼면 경보음을 울리는 다리
철근 콘크리트 아래 깔린 압전성 재료는 외부에서 가해지는 압력을 측정해 전기신호로 바꿔 주는 성질이 있다. 따라서 다리가 무너질 정도의 큰 압력을 받으면 압전성 재료는 경보 시스템으로 전기 신호를 보내 경보음을 울리게 한다. 또한 다리 내부에 들어 있는 형상 기억 재료
는 원래의 형태로 돌아가려는 성질이 있다. 따라서 센 압력을 받아 다리가 휘어 지더라도 다시 원래의 모습으로 되돌아 가려고 한다. 이 덕분에 붕괴 위험에서 다리를 지탱할 수 있다.
나이크 호크, F-117과 같은 초기의 전투기들은 적의 레이더망에 잡히지 않기 위해 비행체의 여러 면을 각지게 만들었다. 각진 면이 레이더에서 오는 전파를 모든 방향으로 반사해 위치를 교란시키기 때문이다. 그러나 각진 비행체는 공기의 저항을 너무 많이 받아 연료를 많이 쓸 뿐만 아니라 비행 속도도 크게 높일 수 없었다.
이를 해결하기 위해 개발 된 것이 전파를 흡수하는 재료인 ‘스텔스’다. 스텔스는 여러 재료가 합쳐진 복합재료로, 각각의 재료는 군사기밀로 비밀에 붙여져 있다. 하지만 더해지는 재료에 따라 특정 주파수의 레이저를 더 많이 흡수하는 것으로 알려졌다.
온도나 빛에 민감한 유기 색소 재료는 주위의 온도가 변하거나 빛의 세기가 달라지면 화학 구조가 새롭게 바뀌며 다른 색을 낸다. 카멜레온 전투복은 전투복의 섬유에 이 유기 색소재료를 염색해 만들었다. 현재는 산에서 쓸 수 있는 녹색과 사막 지역에서 사용할 수 있는 황토색만 낼 수 있다. 하지만 색상이 변하는 온도나 빛의 범위를 미세하게 조절하는 기술이 개발 중이어서, 가까운 미래에는 다양한 환경에 맞게 여러색상으로 변하는 전투복이 나올 것으로 기대되고 있다.
“탕탕탕” 총알을 맞자 탱크에 발라진 액체 속의 입자가 서로 어깨를 맞대고 촘촘히 붙기 시작한다. 그러자 총알이 튕겨 나간다. 영국방위산업체가 개발한 이 탱크의 비밀은 탄소섬유를 녹여 만든 페인트다.
탄소로 촘촘히 짜여진 탄소섬유는 열과 충격에 강하면서도 알루미늄보다 가볍과 철보다 단단하다. 게다가 총알을 튕겨내는 놀라운 *탄성력까지 갖췄다.
*탄성력 : 외부에 힘에 의해 변형된 물체가 원래 모양으로 돌아가려는 성질.
총 14개의 메달로 이번 동계올림픽에서 종합 5위를 차지한 대한민국의 숨은 공신은? 바로 탄소복합재료다. 탄소복합재료는 머리카락 굵기의 10분의 1도 안 되는 가는 탄소섬유에 플라스틱을 섞어 만든다. 여기서 플라스틱을 섞는 순서나 방법, 탄소가 들어 있는 양과 형태에 따라 성능도 천차만별이다. 하지만 공통적으로 탄소의 양은 많을수록 튼튼하고 낮을수록 탄성이 좋다.
시속 150㎞ 이상으로 얼음트랙을 도는 봅슬레이 썰매는 탄소복합재료와 *세라믹으로 만든다. 세라믹을 이용해 가볍게, 탄소복합재료로 튼튼하고 탄성력 있으면서도 공기저항을 덜 받는 구조로 만들 수 있기 때문이다. 이러한 이유 때문에 진동을 계속해서 잡아 주어야 하는 스키판, 스키 막대, 스케이트 신발에서 금속 날을 제외한 부분 등 거의 대부분의 동계 스포츠 장비에 탄소복합재료가 쓰인다.
*세라믹 : 금속과 비금속 원소가 화학적으로 결합해 만들어진 재료. 단단하고 열에 강하지만 충격을 받으면 쉽게 깨지는 성질이 있다. 유
리, 도자기, 벽돌 등이 세라믹을 사용한 대표적인 예다.
빛의 투과율과 반사율을 조절하는 똑똑한 유리
커튼 없이도 빛의 양을 자동으로 조절 할 수 있는 유리가 개발됐다. 덕분에 햇빛이 강한 날, 눈이 부셔커튼을 친 뒤 어두워진 실내 때문에 조명을 켜는 등의 에너지 낭비를 막을 수 있게 됐다. 한국의 DM디스플레이에서 만든 이 유리는 스위치를 눌러 전기를 보내면 색이나 투명 정도를 바꿔 빛의 반사율과 투과도를 조절 할 수 있다. 또 금속재료를 미세하게 코팅해 빛을 내는 가시광선은 실내로 들어오게 하면서 열을 내는 적외선은 차단할 수 있다. 따라서 여름에는 강한 햇빛이 실내로 들어오지 않도록 하고, 겨울엔 열이 밖으로 새어나가지 않도록 할 수 있다.
음악을 연주하는 식탁보
새로운 재료가 식사 시간을 흥겹게 만든다? 건반이 그려진 식탁보 아래 숨겨져 있는 압전성 재료는 건반을 누를 때 가해지는 압력을 전기
신호로 바꿔 준다. 그리고 이 전기 신호는 전기가 통하는 식탁보의 섬유를 타고 스피커로 전달되고, 스피커는 해당 건반의 음을 소리로 낸다.
노래 소리에 맞춰 파티복이 화려한 빛을 내기 시작한다. 전기가 통하는 섬유와 LED로 만든 옷감 때문이다. 이 파티복은 주변의 소리를 감지해 전기가 통하는 광섬유로 신호를 전달하고, 이 신호를 받은 LED가 분위기에 맞는 빛을 낸다.
옷에서 음악도 나오게 할 수 있다. 전기가 통하는 섬유에 MP3를 단 것. 태양전지도 붙여 별도의 건전지 없이도 스스로 MP3 충전할 수 있게 했다.
똑똑한 것도 좋지만 사람의 생명을 살리는 일만큼 고귀한 일이 또 있을까요? 기호 2번, 생체 재료입니다. 우리는 몸 속에서 인공 피부, 인공 심장, 인공 수정체 등 인공 조직과 장기의 일부가 되어 사람을 살리는 일을 합니다.
사람을 치료하는 재료로 선택되기 위해서는 여러 조건이 필요하죠. 일단 독이 없어야 해요. 몸에 쌓이면 신경과 근육 마비를 일으키는 납이나 뼈를 무르게 하는 카드뮴? 오~, 노! 또 재료가 몸속으로 들어갈 때는 균이 없는 상태를 만들기 위해 높은 온도나 방사선을 쪼이는데, 이렇게 혹독한 조건에서도 본래 성질이 변하지 않는 의지가 굳센 재료여야 해요.
무엇보다 중요한 것은 우리 몸을 구성하고 있는 DNA나 단백질 등과 얼마나 친한가예요. 몸을 구성하고 있는 물질들이 우리와 친하지 않다면, 들어가는 즉시 적으로 오해받아 항체의 공격을 받게 되거든요. 그럼 이 까다로운 조건을 뚫고 몸 곳곳에서 생명을 살리고 있는 우리 식구들을 직접 만나 볼까요?
하이드로젤
*고분자의 일종으로 물을 잘 흡수 할 뿐만 아니라, 물에 잘 녹으며 부드럽고 투명해 콘택트 렌즈, 인공수정체(➊)의 재료로 쓰인다.
오랜 시간 반복적으로 움직여도 고무와 같은 탄성력, 유연성, 질긴 성질 등이 줄지 않는다. 또한 물에 의해 분해되지 않고, 혈액과 접촉해도 부작용이 없어 인공 심장(➋), 인공 혈관(➌) 등에 사용된다.
폴리에스터와 테플론
고분자를 이용한 플라스틱 계통의 재료다. 잘 늘어나며 탄력이 있어 뇌의 신호에 따라 줄어들었다가 늘어났다가 해야 하는 인공 힘줄이나 인공 인대(➍)에 사용된다. 몸 안에서 분해가 되지 않기 때문에 오래도록 사용할 수 있다.
*고분자 : 분자량이 1만 이상인 큰 분자로, 100개 이상의 원자로 구성돼 있다. 우리가 입는 옷의 섬유, 플라스틱 등이 인공적으로 만들어 낸 합성 고분자이며 천연고분자로는 포도당, 단백질 등이 있다.
둘 다 금속으로, 단단하고 부식이 잘 되지 않는다. 특히 티타늄은 다른 합금에 비해 뼈에 잘 붙고 거부 반응이나 부작용이 없어 인공 관절(➎)과 인공 치아에 쓰인다.
최근에는 티타늄 합금 위에 세라믹의 한 종류인 수산화아파타이트를 덧씌워 몸의 거부감을 더욱 줄였다. 세라믹의 한 종류인 수산화아파타이트는 실제 뼈의 성분인 칼슘, 나트륨, 마그네슘, 칼륨, 인 등의 원소를 대부분 포함하고 있어 부작용이 없다.
그뿐이 아니에요. 요즘 우리 가족은 몸 안에 있는 DNA, 항체 등과 결합한 하이브리드 재료로 우리 몸과 더 친한 생체 재료로 거듭나고 있지요.
➊ 탄소나노튜브에 DNA를 감아 인공 근육을 만들다
모든 운동은 근육이 줄어드는 ‘수축’과 늘어나는 ‘이완’ 과정을 통해 이뤄진다. 근육을 이루고 있는 근섬유들은 뇌에서 오는 전기 자극을 재빠르게 읽어 스스로 근섬유를 줄였다 늘렸다 하며 근육을 움직인다.
한양대학교 김선정 교수팀은 이런 근섬유를 본떠 탄소나노튜브에 DNA를 감은 인공 근육을 개발했다. 이 인공 근육은 DNA가 있어 전기 자극에 민감하면서도, 탄소나노튜브의 뛰어난 탄력을 갖고 있다.
그 결과 실제 근육처럼 자유롭게 늘어났다 줄어들었다 할 수 있다.
➋ 나노섬유 속에서 자란 세포, 우리 몸을 재생하다
세포가 몸의 기관과 조직의 한 부분으로 역할을 할 수 있으려면, 원래 세포가 자라는 환경과 같은 3차원 공간에서 자라야 한다. 그래서 개발된 것이 나노섬유로 만든 3차원 그물. 나노섬유를 지지대 삼아 자란 세포는 비커 등의 바닥에서 자라던 세포와 달리 입체모양으로 자라기 때문에, 손상된 부위에 이식했을 때 그 부위에 맞는 세포로 자라날 수 있다. 실제로 미국 노스웨스턴대학교의 스툽교수팀은 큰 상처를 입은 나노섬유를 이식해 환자에게 인공피부가 아닌 진짜 피부를 선물했다.
녹색 환경을 지켜라! 바이오플라스틱
아무리 똑똑하고 사람을 살리는 재주가 있다 해도, 환경이 파괴되면 우리 모두 살 수가 없잖아요? 기호 3번 친환경 재료 가족 대표, 플라스틱과 합성섬유예요. 저희가 무슨 친환경 재료냐고요?
그렇죠. 사실 합성섬유나 플라스틱은 석유에서 만들어 내기 때문에 만들어지면서부터 온난화 물질인 이산화탄소를 엄청 내뿜지요. 자연에서는 잘 썩지도 않고요.
그랬던 우리가 변했어요. 식물의 세포벽에서 셀룰로오스를, 새우와 게 등껍질에서 키틴을, 세균에서는 플라스틱의 재료인 폴리유산 등 천연 고분자를 얻었거든요. 이 천연 고분자로 만든 플라스틱은 ‘바이오플라스틱’으로 거듭나 이제 햇빛을 받거나 땅 속에 묻으면 썩는답니다. 그렇다고 본래 의무를 소홀히 하진 않아요. 바이오플라스틱은 자동차, 선박, 생활용품에서, 천연섬유는 최신패션에서 활약하고 있거든요.
바이오섬유
‘바이오스틸’이라 불리는 이 실크는 총탄에도 파괴되지 않을 만큼 튼튼하면서도 매우 가벼워 인공 힘줄, 방탄복, 스포츠 의류, 가방, 밧줄, 항공기 몸체 등에 이용될 예정이다.
자연에서 얻은 섬유이기 때문에 만들어지는 과정에서 나오는 오염 물질은 전혀 없다. 또, 사용한 이후에도 자연 상태에서 100%가 분해되기 때문에 친환경 섬유라 볼 수 있다.
에너지를 절약하라!
미국 슈퍼소닉이 개발하고 있는 미래 초음속 자가용 제트기 QSST.
바이오플라스틱
▲ 일상에서 쓰이는 바이오플라스틱 제품.
한계 돌파! 우주를 정복하다
이런, 이런~. 우물 안에 재료들 같으니! 이 지구는 너무 좁아! 미래는 우주를 개척하는 시대라구! 기호 4번, 우주의 비밀을 밝힐 우주 재료예요. 극저온과 고온, 또 초음속으로 비행하거나 대기권을 돌파하는 경우 만나는 가혹한 환경에도 우주선을 보호하면서 제 기능을 다 할 수 있는 끈기 있는 재료들이죠. 우주의 비밀을 밝히고 외계 생명체와 교류하는 미래의 지구, 멋지지 않나요? 그 중심엔 우리 가족들이 있답니다. 만나 보시죠!
지구에서 우주까지! 탄소나노튜브
9만 2,200㎞ 상공에 떠 있는 우주정거장과 지구 표면을 연결할 재료는? 미국항공우주국은 오는 2018년을 목표로 짓고 있는 우 주엘리베이터의 케이블 재료로 탄소나노튜브를 선택했다. 나노크기의 탄소가 실처럼 짜여진 탄소나노튜브는 강철보다 100배 더 단단하고 충격에도 잘 견딘다. 또 원래 형태에서 15%까지 변해도 부러지지 않고 버틸 수 있는 유연함도 갖췄다.
우주복에는 쭉 펼치면 무려 92m까지 이어질 만큼 긴 플라스틱 튜브가 들어 있다. 우주복 안의 온도가 올라가면 물이 튜브 속을 흘러가면서 얼어 체온을 늘 일정하게 유지시켜 준다.
헬멧
강한 폴리카보네이트로 만들며, 태양으로 부터 눈을 보호하기 위해 헬멧 앞쪽의 창은 얇은 금으로 덧씌웠다.
우주장갑
한 짝에 무려 2400만 원이나 하는 장갑의 손가락 끝부분은 실리콘 고무로 만들어졌다. 덕분에 장비를 조작할 때 손가락으로 직접 누르는 것처럼 느낄 수 있다.
미국의 우주왕복선 디스커버리 호는 1500℃ 이상의 고온에도 견딜 수 있는 세라믹단열재로 덮여 있다.
어떤가요? 원로 의원님들, 미래 재료 후보들을 만나 보니 걱정이 싹 사라지시죠? 똑똑해진 재료 덕분에 사람들은 다리가 무너질까, 가스가 새지는 않을까 걱정할 필요가 없어질 거예요. 바로 경보음이 울리면서 안전 조치가 취해질 테니까요. 또 스마트 섬유로 만든 옷은 여름에는 시원하게, 겨울에는 따뜻하게 체온을 유지시켜 주고 기분에 맞는 음악도 틀어 줄 테죠. 아마 병원에 갈 필요도 없어질지 몰라요.
높은 지능에 섬세한 팔을 가진 나노 크기의 로봇이 몸 속으로 들어가 아픈 곳이 생길 때 마다 고쳐 주면 되니까요. 전기가 통하는 플라스틱을 이용해 TV를 지갑에 돈처럼 넣고 다니는 것도 문제 없겠죠?
와우! 누구 한 재료만을 뽑기 어렵겠는데요? 그렇다면 공동대표는 어떨까요? 모든 미래 재료들이 함께 재료 나라를 이끌어간다면 정말 최고가 될것 같아요! 앞으로 우리 미래 재료들이 나라를 잘 이끌어 가는지 ‘어린이과학동아 친구들도 관심을 갖고 지켜봐 주세요!
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