나침반 등 자연자석 활용 이어 20세기 초 전기강판 개발
최대 사용 규소(Si)강은 방향성(GO)·무방향성(NO) 분류
외핵의 Dynamo 현상 지구자기장 생성 태양풍 막아줘
높은 경제성, 비강도(比强度) 가격 4.4…Al 21.2·플라스틱 11.3
핵심 기초산업, 일자리 창출 등 국민경제 성장에 지속적 역할
제3장 철의 특성 ②
가장 우수한 철의 자기적 특성
철에는 물체를 끌어당기는 신비한 성질, 즉 자성(磁性)이 있다. 쉽게 자화(磁化)되는 성질 때문에 철은 강한 자석을 만드는데 편리하게 이용할 수 있다. 철 말고 다른 강(强)자성 물질로는 니켈과 코발트가 있다. 그러나 철의 자기적 성질은 니켈이나 코발트보다 우수하고, 특히 가격 측면에서 비교가 어려울 정도로 저렴한 까닭에 철은 현대 정보 시대에 광범위하게 사용되고 있다.
그림은 오늘날 널리 사용되고 있는 강자성 금속의 자성을 비교해 보여 주는데, 철의 자기적 특성이 타 금속보다 우수함을 알 수 있다. 인류는 자성을 띠는 철 덕분에 발전기, 전동기 등을 만들 수 있었고 여기에서 나오는 전기로 인해 인류 생활은 혁신적 변화를 맞았다.
인류가 자성을 발견해 생활에 이용하게 된 것은 무척 오래된 일이다. 고대 그리스에서는 기원전 6 세기경에 'Lodestone'이라는 자연자석을 발견했다. 이 광석에는 철과 산소의 결합물로서 대표적인 철 산화광물(鐵酸化鑛物)인 Fe₃O₄가 다량 포함되어 있었는데 그 산지가 'Magnesia'이어서 광석의 이름도 'Magnetite(마그네타이트)'라고 지었다고 한다. 기원전 4세기경에는 중국에서도 Lodestone과 유사한 자연자석을 발견하여 이를 이용해 나침반을 만들어 항해술에 적용하였다고 한다. 자연자석의 발견이 비교적 일렀던데 비해 인류가 인공자석을 개발한 것은 1900년대 이르러서야 가능했다. 1915년경에는 철자석, 1930년대에는 Ferrite, 1940년대에는 Amico, 1965년에는 SmCo, 1983년에는 NdFeB 자석이 사용되기 시작하였다.
오늘날 자석은 전자레인지, 텔레비전, 발전기, 모터, 스피커 등 수많은 것들에 광범하고 다양한 목적으로 사용된다. 인류 문명의 발전은, 특히 정보 산업의 발전은 철을 비롯한 자성물질을 효과적으로 이용함으로써 급진적으로 이루어졌다고 해도 과언이 아니다. 서력(西曆) 기원을 전후해 중국에 서는 자석의 일종인 나침반이 발명되었으며, 이 나침반은 서양으로 전래되어 유럽의 배들도 먼 바다를 항해할 수 있게 만들어 주었다.
20세기 초에는 전기강판(電氣鋼板)이 개발되어 이것으로 만든 철심(鐵心)이 변압기, 발전기, 모터 등에 이용돼 전력의 생산, 분배 및 활용에 핵심적 인 역할을 하였다. 그리고 20세기 중․후반에는 카세트테이프, 컴퓨터 기억소자(素子) 및 플로피디스크, 신용카드 및 전화카드, 전철표, 스피커, 고속전 철, 거대한 입자가속기장치 및 자기부상열차 등 다양한 곳에 자성재료가 활용되어 현대 문명의 핵심 소재로 부상하였다. 철의 신비한 성질인 자성은 지금도 그리고 훗날까지도 인류 문명의 발전에 계속해서 중요한 역할을 할 것이다.
자석은 영구자석과 전자석으로 나뉜다. 영구자석은 강한 자화(磁化) 상태를 오래 보존하는 자석을 말한다. 자화된 물체라도 시간이 지나거나, 강한 충격을 받거나, 열을 받으면 작은 자석들이 원래의 상태로 되돌아가서 자석의 성질을 잃어버리게 된다. 영구자석은 전류가 흐르지 않아도 자력을 띠는 자석으로 항상 자석의 성질을 가지고 있으며 극의 위치가 바뀌지 않으나, 자석의 세기를 조절 할 수 없다는 단점이 있다. 다양한 물질들이 영구 자석을 만드는데 사용될 수 있지만, 철(Fe)․코발트(Co)․니켈(Ni) 그리고 여타 합금들이 가장 일반적으로 사용된다.
그런가 하면 전류가 흐르면 자기화(磁氣化)가 되고, 전류가 끊기면 자기화가 되지 않은 원래 상태로 되돌아가는 자석이 전자석(電磁石)이다. 이는 전류의 공급과 상관없이 항상 자기(磁氣)를 유지하는 영구자석과 구분된다. 도선(導線)에 전류가 흐르면 도선 주위에 동심원 모양의 자기장이 형성되는데, 이러한 원리를 이용하여 영구자석으로는 얻을 수 없는 매우 강력한 자기장을 얻을 수 있다. 전자석의 철심은 연자성체가 주로 사용되는데, 어느 정도 자기화가 진행되면 전류를 더 높여도 더 이상 자기화가 진행되지 않는다. 이를 자기포화(磁氣飽和) 상태라고 한다. 전자석은 전류를 인위적으로 조정하여 비교적 쉽게 자기장의 세기를 바꿀 수 있다. 그래서 통신기의 계전기부터 무거운 재료를 끌어올리는 전자기식 기중기에까지 널리 이용된다.
자성재료 중 양적으로 실생활에 가장 많이 사용되는 것은 실리콘강(Si Steel)이다. 이는 산업적인 관점에서 중요한 소재인데, 에너지 전환용으로 변압기, 전동기, 발전기에 널리 이용되고 있다. 실리콘 강에서 Si를 사용하는 이유는 Fe의 전기비저항을 크게 향상시켜 와전류의 발생에 의한 에너지 손실을 줄일 수 있기 때문이다. 뿐만 아니라, Si는 철의 자기이방성과 더불어 자기변형도 줄이는 추가적인 효과가 있기 때문에 널리 활용된다. 현재 생산되고 있는 실리콘강판은 방향성(GO, Grain-oriented) 전기강판과 무방향성(NO, Nonoriented) 전기강판으로 크게 나뉜다. 방향성 전기 강판은 변압기 등 정지(停止)기기에 많이 사용되고 무방향성 전기강판은 모터 등 회전(回轉)기기에 많이 사용된다.
앞장에서 살펴보았듯이 지구 전체로 보았을 때 철은 지구 중량의 35%를 차지하는 가장 많은 원소이다. 일부만이 지각에 존재하고 대부분의 철은 지 구의 핵에 존재한다. 지구 핵의 철의 양은 91%인데 외핵에는 액체 상태의 철이, 내핵에는 고체 상태의 철이 존재한다. 외핵에 비해 내핵의 온도가 더 높은데도 불구하고 고체의 철이 존재한다는 사실은 이 부위에서는 압력의 효과가 온도효과보다 더 크기 때문으로 생각된다.
우리가 접근할 수 없을 정도로 깊은 곳인 핵에 묻혀 있는 철을 인간이 직접 이용할 방법은 없으나 이 철이 우리와 무관하지는 않다. 외핵에 포함된 액체 철은 지구 자전과 함께 회전하면서 지구 주위에 자기장을 만들어낸다. 비록 이 지구자기장의 세기가 우리가 사용하는 자석에서 나오는 자기장과는 비교할 수 없을 정도로 작지만 우리에게는 더없이 유용하다. 우리가 자석으로 만든 나침반으로 남 북의 방향을 알아낼 수 있는 것도 바로 지구자기장 덕분이다.
결정적으로 중요한 지구자기장의 역할은 따로 있다. 즉 지구 핵의 철에 의해 형성된 지구 자기장은 지구를 태양풍에게서 차단하는 역할을 하고 지구상의 생명체가 안전하게 살 수 있는 환경을 제공해주는 것이다. 지구자기장이 형성되는 원리는 Dynamo이론으로 설명한다. 이 이론에 의하면 지구의 외핵은 액체 상태로서 운동이 쉽고 또 양도체(良導體)로 구성되어 있기 때문에 이와 같은 액체의 운동에 의하여 전류가 발생되고 이 전류에 의해 자기장이 발생할 수 있다. 태양풍은 태양의 상부대 기층에서 방출된 플라스마의 흐름을 말한다. 이는 전자와 양성자의 흐름이므로 결국 방사선이다.
만약 지구자기장이 없다면 무슨 일이 일어날까? 사람이 이 우주방사선에 노출되면 DNA가 변형되어 암을 유발하기도 하고, 인체를 구성하는 원자에 서 전자를 떼어내는 등 원자를 손상하기도 한다. 이로 인해 피부, 내장 등 인체기관이 망가져 결국 사망하게 된다. 또 X선과 고에너지 입자가 지구로 쏟아지면 전파를 이용하는 무선통신은 물론 발전소 전력 시스템에 피해를 입힌다. 강력한 자기장파가 섞여 있는 태양풍은 인공위성에도 피해를 줄 수 있으며 인터넷 연결을 포함한 무선통신을 차단하게 되는데 이러한 태양풍을 지구자기장이 막고 있다. 즉 지구자기장이 태양풍의 방향을 바꾸게 하여 지구를 보호하는 역할을 하는 것이다. 특히 초연결, 초융합, 초지능의 4차 산업혁명 시대에서 인터넷이 핵심적인 역할을 하고 있다. 이 기능이 태양풍에 의해 차단되어 사용이 불가능하게 된다면 인류의 삶은 엄청나게 지장을 받을 수 밖에 없을 것이다. 뿐만 아니라 지구의 핵에 철이 없었다면 인간은 말할 것도 없고 생물 자체가 지구상에서 존립할 수 없었을 것이다. 한마디로 철은 지구의 수호자인 것이다.
가장 우수한 철의 경제적 특성
철은 지구상에서 모든 원소를 통틀어 첫 번째로 많은 원소이지만 인간에 의한 채취가 가능한 지각(地殼)으로 범위를 한정하면 알루미늄에 이어 두 번째로 많은 금속이다. 전기를 많이 소모하는 알루미늄 제련 비용은 매우 높지만 철은 가격이 저렴한 석탄을 주원료로 사용해 정련할 수 있어 가격이 상대적으로 매우 싸다. 대표적인 철강제품인 열연코일은 톤당 약 55만 원으로 물보다 저렴하다. 예컨대 시중의 생수 1ℓ의 가격은 소매가격 기준 1,500원 정도이다. 이것을 톤 단위로 환산하면 150만 원에 달 해 같은 무게의 철강재 가격의 약 3배나 된다. 대표적인 대체재라 할 수 있는 알루미늄 가격은 톤당 1,700달러~2,000달러인데, 이와 비교해도 철강제품 가격은 3분의 1 수준에 불과하다. 또 강도에 비해 가격이 어느 정도인지를 나타내는 비강도(比强度) 가격을 추정해보면 철강제품은 4.4로 알루미늄 합금 21.2와 플라스틱 11.3에 비해 크게 낮다. 그만큼 우수한 강도를 갖고 있으면서도 가격이 저렴하다는 의미다. 물론 사용 용도나 제품을 만드는 공정 등이 다르기 때문에 직접적으로 비교하기는 어렵지만 아무튼 철강제품은 다른 소재에 비해 가격이 크게 낮은 것만은 분명하다.
전 세계적으로 가장 많이 쓰이는 소재는 건축물에 주로 사용되는 시멘트로서 그 소비량은 연간 25억 톤이다. 철강은 연간 15억 톤이 생산돼 시멘 트 다음으로 가장 많이 사용되는 소재다. 플라스틱은 연간 3억 톤 내외가 생산되고 있고, 알루미늄은 4000만 톤 안팎이 만들어진다. 구리는 연간 사용되 는 양이 2000만 톤에 불과하다. 철은 주거용이든 상업용이든 건물을 지을 때 건축가들이 가장 선호 하는 건축자재이다. 철은 이점이 매우 많으며, 그 때문에 철골구조물은 건축 산업에서 높은 인기를 누린다.
내구성은 철의 경제성을 증명하는 뚜렷한 특성이다. 철이 튼튼하다고 여겨지는 데에는 몇 가지 이유가 있다. 무엇보다 철은 허리케인․폭풍 같은 험악한 기상조건, 그리고 심지어 지진에도 견딜 수 있다. 주택의 철골구조물은 화재에 견디며 웬만한 고온에도 버틴다. 철은 화재에만 강한 것이 아니라 목재가 지니는 온갖 약점, 즉 벌레 먹음, 변형, 균열, 쪼개지기, 부패 등으로부터 완전히 자유롭다. 게다가 철은 다른 건축자재들만큼 신속하게 감쇠 (減衰)되지 않기 때문에 비교적 긴 수명이 보장된다. 건물 확장이나 개보수 시에도 철은 본질적으로 융통성과 유연성이 충분해 손상을 최소화하면서 취급할 수 있다.
건축가들은 철제 반자틀이 목제 반자틀보다 더 긴 간격을 지탱한다는 것을 일찌감치 알아냈다. 이 점은 건축 설계에 더 많은 기회를 제공한다. 건축 가들은 이제 철제품을 활용하기 이전에는 가능하지 않았던 공간을 창조하고 있다. 철은 건축가들이 탐구하기를 즐기는 미적(美的) 특질을 갖는다. 예 를 들어, 철골구조를 사용하면 기둥 없는 실내를 구현하는 것이 가능해지는데, 이렇게 해서 조성된 공간은 멋진 개방감을 사람들에게 선사한다. 멋들어진 건물 형태의 설계가 가능한 것은 철의 강성 덕분인데, 건축가들은 그들의 아이디어를 구현할 때 철 덕분에 더 큰 자유를 누린다. 철은 건축에 사용할 때 비용 대비 효율성이 매우 높은 자재이다. 필자는 여기서 비용 대비 효율성이 높다고 했지 철이 무턱대고 싸다고는 말하지 않았다. 왜냐 하면 최초 경비로서 철을 구매하는 것은 결코 싸지 않기 때문이다. 하지만 철은 장기적으로는 그 특성으로 인해 건축주에게 이득을 준다. 그러므로 철에 지급하는 가격은 효과적인 투자가 되는 것이다.
철의 비용 대비 효율성이 높은, 즉 경제성이 높은 이유를 몇 가지 열거해 보자. △철은 내화성(耐 火性)이 강해 화재 위험이 낮다 △건사하기 쉽다 △철의 품질은 예측 가능하며 신뢰할 수 있다 △디지털 모델링 기법을 사용하면 철 구성물이 처음부터 결함 없이 제조될 수 있다 △철이 구조적으로 효율적이기 때문에 철골구조 건물은 흔히 더 가벼우며 기초가 더 작다 △콘크리트 같은 다른 건축자재와 비교하여 철골구조를 세우는 것은 공사현장에서 소음, 분진, 쓰레기를 덜 발생시킨다.
건축에 사용될 때 철의 비용 대비 효율성에 가장 크게 기여하는 것은 아마도 절약되는 시간일 것 이다. 철골구조는 더 적은 현장인력으로 더 빠르게 세워질 수 있다. 따라서 노동비용은 물론이고 장비 임차와 도로 점유에 따르는 비용을 절약할 수 있다. 또한 건물 건축기간이 더 짧으므로 건축 때문 에 사업을 영위하지 못하는 데에서 생기는 기회비용이 줄어든다.
최근에 선진국에서는 최신 정보통신(ICT) 기술과 모듈(Modular) 건축 방법을 활용하여 건축 효율성을 향상시키는 스마트건축(Smart Construction) 기술이 개발, 적용되고 있다. 여기에서 ICT 기술의 적용은 CAD/CAM을 활용한 BIM(Building Information Modelling) 기술, 가상현실(VR)/증강현실(AR)(Virtual Reality/ Augmented Reality) 기술을 활용한 프리콘(PreConstruction) 및 강재를 활용한 Modular 건축 기술을 융합해 설계, 시공, 조립 및 준공까지 공정의 공기를 단축하고 품질을 향상시키고 경비 절감을 추진한다. 여기에 활용되는 Modular 건축은 철강재 부품을 사용할 때 가장 효율성이 높은 것으로 알려져 있는데, Smart Construction이 시대의 흐름이라는 관점에서 보면 철강재의 건축 분야 활용성은 향후 크게 증대될 것으로 사료된다.
전통적으로 철은 국부의 상징으로 표현되어 왔다. 한국의 경우 철강 산업이 국내 총부가가치 창출액에서 차지하는 비율이 2013년 27.1%로 국가 경제에서 차지하는 비율이 매우 높다. 또 산업연계효과가 매우 높아 2010년을 기준으로 철강 산업의 전방연관효과를 보면 1.25로 자동차(0.74), 선박 (0.53), 전기전자(1.1) 보다 높다. 원료산업 등 후방연관효과 역시 높아 철강이 1.28로 1.15인 자동차와 더불어 가장 높은 수준이다. 특정 산업 생산물의 수요 변화가 타 산업 전체 생산에 미치는 영향인 생산유발계수를 보면, 2010년 기준으로 철강은 2.62로 전 산업 평균인 2.04보다 높다. 즉 철강제품에 대한 신규수요가 100억 원 발생할 때 철 수요산업의 생산액은 262억이 증가 한다는 것을 의미한다.
이와 같이 철강 산업은 핵심 기초산업으로 국민 경제 주요 부분의 성장에 지속적인 역할을 하고 있으며 일자리 창출에도 기여하고 있다. 뿐만 아니라 수출에 기여하는 바도 커서 부가가치 측면에서 철강 산업은 2016년 전 산업의 1.5%, 제조업의 4.9% 를 차지하고 있다. 그러나 수출 여건은 세계적인 보호주의 경향으로 최근 들어 나빠지고 있고 이런 경향이 장기화되고 있어 철강 산업체의 어려움이 커지고 있는 실정이다.
