중등교실 9

“철강과 첨단산업”

현재에 이어 미래 산업의 중심이 될 첨단산업에 철강이 어떤 역할을 담당하고 있는지 알아본다.

1. 브라운관의 발전, 섀도우 마스크

80년대 초반 컬러 텔레비젼이 나오면서 현대로 오면서 점점 대형화면으로 바뀌고 선명한 화질로 발전하고 있다. 이처럼 대형화면에도 선명한 화질이 나올 수 있는 것은 바로 ‘섀도우 마스크’의 발전 때문이다.

섀도우 마스크는 칼라 텔레비젼 및 컴퓨터 모니터용 브라운관의 내면에 장착하여 전자총에서 발사되는 빨강, 녹색, 파랑 등 3색의 전자광선이 형상 스크린 상에 투사되면서 화상으로 나타나게 한다. 섀도 마스크는 형상 스크린 안쪽에 있는 금속판을 말하는 것으로 525줄의 구멍이 규칙적으로 배열된 얇은 철판이다. 섀도 마스크는 전자총에서 나온 빨강, 파랑, 초록빛이 각각의 형광판에 도달하도록 스크린하는 것이다. 즉, 텔레비젼 화면의 색이 구별되도록 하는 것이다. 이런 역할을 제대로 수행하지 못하면 색이 번져 선명한 색상을 기대할 수 없다.

전자총에서 나온 광선의 영향을 받아 온도가 올라가면 섀도 마스크가 팽창한다. 이 결과로 섀도 마스크 구멍의 위치가 변하면 빨간색 전자총에서 나온 광선이 녹색 또는 파란색의 형광 색소 위에 떨어지게 돼 색이 번지거나 엉뚱한 색으로 나오게 된다. 이러한 현상은 화면이 커질수록 더욱 심각해진다. 그래서 섀도우 마스크의 소재로는 열에 쉽게 변형되지 않는 고순도의 철강이 사용되고 최근에는 합금강이 사용되기도 한다.

섀도우 마스크의 구멍이 촘촘할수록 고화질이 되는 것인데, 일반용 구멍수가 15만개라면 고화질용 구멍수는 80만개나 된다.

2. 반도체 산업의 중심, 리드 프레임

반도체 산업에도 철강은 아주 중요한 역할을 하는데, 그 중에서 반도체 칩을 올려 부착하는 금속 기판인 리드프레임이 있다. 리드 프레임은 반도체 칩에 전기를 공급하고 이를 지지해 주는 역할을 한다. 리드 프레임은 주로 니켈과 철의 합금인 퍼멀로이(Permalloy)라는 얇은 철판이다. 퍼멀로이는 자기적 특성이 뛰어나고 주파수의 왜곡이 적어 IC 등의 리드 프레임용 재질로 많이 쓴다.

한편 반도체 제조장치에도 많은 철계 특수강들이 사용되고 있다. 반도체 제조공정은 고청정을 요구하기 때문에 반도체 제조장치의 부품 제조에는 청정 스테인리스강이 많이 사용된다.

또한 전해연마 장치의 튜브에는 비금속 개재물과 잔류가스 성분을 크게 줄인 초청정 스테인리스강(super clean stainless steel)이 사용된다.

그리고, 초고진공용 금속 배관 이음매가 개발돼 극한의 진공에서 실험 및 정밀 부품 제조가 가능해졌다.

3. 우주 정거장의 기본도 철강

우주시대가 열리면 우리는 태양계와 우주에 관한 호기심을 풀 수 있을 것이다. 즉 우주 기원에 관한 천문학 연구, 우주의 생성과 진화, 태양계 탐사, 태양과 지구의 관계 등을 연구할 수 있다. 이러한 면에서 ‘우주의 창’이라고 불리는 국제우주정거장에서 실시하는 우주과학 연구는 매우 중요하다. 국제우주정거장에서는 우주공간을 바로 볼 수 있고, 외부에 특별한 장비를 설치해 직접적인 연구가 가능하다. 이 대형 프로젝트에도 철강은 빠질 수 없다. 합금강은 알루미늄과 함께 기체구조용 재료로 사용되며, 강도가 높은 초강력강은 착륙장치, 지붕, 결합기구, 볼트, 핀 등에 사용되며, 엔진시설, 배기관 등에는 스테인리스 강이 사용된다. 특히 800-1,200℃ 이상의 고온에서는 주로 니켈합금이 사용된다. 최근엔 결정입자를 작게 해 고온의 압력에도 견딜 수 있는 초합금을 개발, 사용하고 있다. 100개 이상의 구성요소를 가진 국제우주정거장의 조립에는 우주인의 작업과 로봇 기술이 필요하다.

4. 철 없인 로켓도 없다

우주는 우리 인류가 개척할 수 있는 마지막 공간으로 남아 있다. 순조로운 우주개발을 위해서는 지구에서 사람과 기자재를 우주 공간으로 실어 나를 운송 수단인 로켓이 반드시 필요하다. 곧 어떻게 하면 우수한 성능의 로켓을 개발하느냐 못하느냐 하는 것이 우리 미래의 삶터, 즉 우주 개척의 가장 중요한 관건이다.

철강은 인류가 우주 개발을 시작한 때부터 지금까지 로켓의 구조물에 없어서는 안 될 기본 소재로 사용되고 있다. 더욱이 최근에는 신소재 복합 재료의 등장으로 많은 부품들이 대체됐음에도 불구하고, 핵심적인 부분에서는 여전히 철이 그 자리를 차지하고 있다.

로켓에는 철강이 어디에, 어떻게 사용될까? 고체 추진제 로켓은 크게 추진제, 추진제 케이스, 분사구멍(노즐) 등으로 구성된다. 이 중 추진제 케이스는 추진제를 저장하는 구조물로, 비행 중의 연소실 내부 압력뿐 아니라 공기 중 비행에 의한 굽힘하중도 받게 된다. 따라서 높은 압력, 고온, 부식, 충격, 공기저항 등에 의한 부하를 잘 견딜 수 있어야 한다. 때문에 대형 고체추진 로켓 케이스로는 철강 합금 중에서도 인장강도와 경도가 높은 철강 합금이 쓰인다. 또 용접성이 뛰어난 고강도 특수강이나 18Ni 말레이징강 등이 주로 사용된다.

이러한 철강 합금을 사용한 로켓에는 미국의 미니트맨 1단, 타이탄iii 1단, 우주왕복선 추력보강용 고체추진 로켓, 스카우트1, 2단 등이 있다.

그런데 최근 들어 신소재 복합 재료가 우주탐사용 소형 추진기관에 응용되기도 한다. 그러나 이러한 경우에도 단과 단의 연결 부위나 부품, 보조 로켓의 분리장치, 각종 고장력 볼트 등에는 고강도 특수강을 반드시 사용하고 있다.

액체 추진제 로켓에는 스테인리스강을 주로 사용한다. 액체 추진제 로켓은 추진제 저장탱크, 압축 가스탱크, 추진제 공급 시스템, 연소실과 노즐 등으로 구성된다. 특히 극저온 추진제용 탱크는 몸체 구조물의 재질이 극저온에서 변질되지 않아야 한다. 나아가 큰 온도차에 의한 열응력과 추진제의 증발에 의한 압력 저하에도 잘 견뎌야 한다. 극저온에서도 이러한 기계적 특성을 잘 유지, 만족시켜 주는 소재가 바로 스테인리스강이다.

또한 고압으로 연료를 공급하기 위한 디보펌프 공급 시스템에도 철을 사용한다. 일본의 LE-5 엔진의 산화제 펌프 인듀서는 스테인리스강을 가공해 제작했다. 또한 연소실 벽 등에도 기계의 가공성 때문에 스테인리스강을 많이 사용하며, 고압가스 및 유압 계통의 배관 튜브에도 역시 철을 유용하게 쓴다.

우리 나라의 본격적인 과학 관측 로켓은 1993년 6월 4일 아침 9시 58분, 서해안 안흥 시험장에서 성공적으로 발사된 한국항공우주연구소의 □과학 1호□다. 이어 그 해 9월 1일 □과학 2호□ 역시 성공적으로 발사됐다. 이 로켓은 한반도 상공의 오존층 분포를 관측하는 임무를 맡고 있었다.

5. 인간의 친구 로봇

로봇은 사람의 손발과 같은 동작을 하는 기계를 지칭하며 ‘인조인간’이라고 불리기도 한다. 로봇이라는 말은 체코어의 □일한다(robota)□는 뜻으로, 1920년 체코슬로바키아의 작가 K.차페크가 희곡 《로섬의 인조인간：Rossum□s Universal Robots》을 발표한 이래 관심을 가지게 되었다.

인조인간을 만들려는 시도는 고대부터 있었으며, 그리스 ․로마 시대 및 기원전에는 종교의식의 한 도구로 만들어졌다. 중세 때에는 건물의 문을 열거나 악기를 연주하는 자동인형을 만들었다. 이들 자동인형은 장식용이었거나 또 사람들을 놀라게 하거나 또는 신(神)과 결부시켜 지배자의 권위를 과시하는 데 이용되었다. 한편으로는 기계기술자들의 장난이기도 하였다. 그러나 이들 자동인형의 제작은 과학기술의 진보에 직접적으로 기여하지는 못하였다. 20세기에 들어와서도 자동인형의 제작은 여러 가지로 시도되었고, 과학이나 기술이 진보되어 전보다는 정교하게 만들 수 있었는데, 그것은 상품 전시용이었거나 박람회의 관객 유치용이었으며 실용적인 것은 아니었다.

로봇이 처음 등장한 것은 1960년대 초반으로, 이때의 로봇은 우리가 생각하는 것과 다르다. 팔만 있는 형태로 공장에서 물건을 조립하거나 하는 단순한 일에 사용하는 산업용 로봇이었던 것이다. 그 후 1980년대에 들어와 자동차 산업과 정밀한 작업을 요구하는 반도체 산업에 이용되었고 이러한 작업은 로봇에게 딱 맞는 일이었다. 또한 바닷속이나 원자력 발전소 등 사람이 작업할 수 없는 환경이나 위험한 환경속에서 많이 사용되었다. 이렇게 공장에서만 사용되돈 로봇은 점점 더 발전되면서 1990년대에 들어와 사람들과 같이 생활하며 사람들에게 유익한 서비스를 제공하는 ‘서비스 로봇’이 나타나기 시작하였다. 로봇의 모양도 팔만 있던 형태에서 점점 인간 모양의 로봇으로 바뀌기 시작하여, 다리․얼굴도 생기고 심지어는 사람과 같은 얼굴에 표정도 생겼다. 이런 서비스 로봇에는 아주 많은 종류의 로봇이 있고 지금도 계속해서 다양한 종류의 서비스 로봇이 나타나고 있다. 또한 축구 로봇이나 장난감 로봇 같은 ‘엔터테인먼트 로봇’이나 어린이나 노약자를 보호해주고 의료에 쓰이는 ‘의료용 로봇’, 간단한 청소나 설겆이를 해 줄 수 있는 ‘가정용 로봇’의 출현도 예상되고 있다. 센서를 사용하여 환경변화를 인지하고 판단해서 자율적인 행동을 하는 ‘지능형 로봇’ 또한 미래산업 중의 하나로 21세기 사이버그의 등장이 예측되고 있는 상황이다. 또한 이러한 로봇에도 철은 로봇의 팔에 형상기억합금이 쓰이는 등 아주 중요한 부분에 사용되고 있어서 미래산업에 큰 몫을 해내고 있다.

6. 물에 뜨는 금속, 액체로 된 금속

쇳덩이를 물에 넣으면 어떻게 될까? 답은 당연히 ‘순식간에 가라앉는다’ 이다. 그러나 물에 뜨는 쇳덩이도 있다. 바로 □스펀지 금속□이 그것이다. 어떻게 그것이 가능할까?

스펀지 금속 안에는 공기 방울이 가득 들어 있어 밀도가 낮다. 물보다 3배정도 무거운 알루미늄을 스펀지 금속으로 만들면 물 무게의 1/5로 가벼워진다. 스펀지 금속을 만드는 방법은 식빵 제조와 비슷하다. 금속 안에 계란처럼 끈적끈적한 점증제를 넣어 점도를 높인 뒤 베이킹 파우더 역할을 하는 발포제를 넣는다. 그러면, 발포제에서 수소가스가 나와 빵처럼 금속이 부풀어오르고 스펀지 금속이 만들어진다.

스펀지 금속은 현재 서울 지하철 당산역과 성내역, 아셈빌딩 엘리베이터 등에서 방음판으로 사용되고 있다.

경상대 허보영 교수팀은 한국자원재생공사와 함께 최근 다 쓴 알루미늄캔을 스펀지 금속으로 만들어 자동차 사고의 충격을 줄여주는 장치를 개발했다. 스펀지 금속이 가벼우면서도 충격과 진동, 소음을 워낙 잘 흡수하기 때문이다. 캐나다에서는 차체 전체를 스펀지 금속으로 만든 스포츠카가 등장했다.

또한□액체 금속(비정질 금속)□도 재미있는 금속의 하나다. 보통 금속은 딱딱한 결정 구조지만 액체금속은 액체처럼 원자 배열이 매우 자유로와 □액체 금속□이란 이름이 붙었다. 겉은 고체, 속은 액체인 셈이다. 액체금속은 원자 사이의 틈이 매우 작고 모든 방향에서 충격에 강해 강도가 강철의 수십 배에 달한다. 액체 금속은 재미교포 형제가 운영하는 미국의 □리퀴드메탈 테크놀로지스□사가 세계 시장을 주도하고 있다.

게다가 어린이도 쉽게 끊을 수 있는 금속도 있다. 실이나 머리카락보다 가는 □금속 섬유□다. 금속 섬유는 금속을 머리카락 1/50 굵기까지 가늘게 잘라 매우 가볍다. 금속 섬유는 전자파나 정전기를 흡수하는 능력이 뛰어나고, 자유롭게 구부릴 수 있어 연구복 등 특수옷에 많이 사용된다.

또한 한때 여성 브래지어로 사용돼 화제를 낳은 형상기억합금도 점점 활용 범위가 넓어지고 있다. 형상기억합금은 온도에 따라 모양이 변하는 성질과 뛰어난 탄성력을 이용한다. 최근 나온 핸드폰 안테나는 대부분 형상기억합금으로 만들어 탄력이 아주 뛰어나다. 이 합금은 요즘 첨단 비닐하우스나 안경테에도 쓰인다. 농구하다 안경이 심하게 휘어도 라이터 불꽃만 갖다 대면 안경이 다시 펴지는 것이 바로 형상기억합금의 성질이다.

얼마전에는 연세대 민노중 교수님이 ‘철로 만든 비누’를 개발하여 화제가 되기도 하였다. 유럽에서는 이미 철 합금으로 비누를 만들어서 사용하고 있는데, 물 없이도 잘 닦이는 것이 그 장점으로 군인들에게 유용하게 쓰이고 있다고 한다. 또 앞으로 어떠한 새로운 금속과 제품이 나올지 더 더욱 기대되는 바이다.