우리가 매일 만지는 그것, 철은 대체 왜 이렇게 쓰임새가 많은 걸까?

우리가 매일 만지는 그것, 철은 대체 왜 이렇게 쓰임새가 많은 걸까?

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어제 지하철을 타고 출퇴근하다가 문득 이런 생각이 들었어요. "이 지하철, 레일, 건물... 다 뭘로 만든 거지?" 당연히 철이죠. 근데 왜 하필 철일까요? 금도 있고, 은도 있고, 알루미늄도 있는데 말이에요.

사실 저도 학창 시절에는 "철은 그냥 많이 쓰이는 금속이구나~" 하고 넘어갔거든요. 근데 좀 더 파고들어 보니까, 철이 왜 이렇게 오랫동안 인류의 사랑을 받아왔는지 그 이유가 정말 흥미롭더라고요. 오늘은 그 이야기를 좀 나눠볼까 해요.

잠깐, 우리 지금 무슨 시대에 살고 있는 거죠?

혹시 학교 다닐 때 "석기시대 → 청동기시대 → 철기시대" 이렇게 배우신 적 있으시죠? 덴마크의 고고학자 톰센이라는 분이 처음 이런 시대 구분을 제안했는데요, 그의 제자인 월사에가 실제 발굴을 통해 이 이론을 증명하면서 널리 알려지게 됐어요.

근데 여기서 재밌는 점이 있어요. 우리가 지금 어떤 시대에 살고 있냐고요?

아직도 철기시대예요.

네, 진짜로요. 전문가들이 하는 말이에요. 2000년이 넘게 지났는데도 아직 철기시대라니... 뭔가 좀 충격적이지 않나요? 물론 "정보화 시대"니 "디지털 시대"니 하는 말도 있지만, 물질문명의 기반을 보면 여전히 철이 압도적이에요. 스마트폰 들고 다니면서 AI 이야기하지만, 우리가 타는 차, 사는 건물, 걷는 다리... 다 철로 만들어졌잖아요.

이게 바로 '철 문명'의 힘이에요.

철기시대의 시작, 그 드라마틱한 역사

철의 역사를 얘기하려면 히타이트 제국을 빼놓을 수가 없어요. 아마 세계사 시간에 한 번쯤 들어보셨을 거예요.

서기전 4000년대에 이집트에서 철제 구슬이 발견되긴 했지만, 본격적인 철의 시대를 연 건 아나토리아 지방(지금의 터키 근처)에 있던 히타이트 제국이에요. 서기전 1450년에서 1200년 사이에 번성했던 이 제국은 철 제련 기술을 독점하면서 엄청난 군사력을 자랑했죠.

근데 재밌는 건요, 히타이트가 멸망하면서 오히려 철기시대가 본격적으로 열렸다는 거예요. 서기전 1200년경에 히타이트가 망하면서 그동안 꽁꽁 숨겨왔던 철 제련 기술이 사방으로 퍼지게 된 거죠. 마치... 비밀 레시피를 독점하던 회사가 망하면서 그 레시피가 오픈소스가 된 느낌이랄까요?

그 이후로 철기 기술은 빠르게 확산됐어요:

• 서기전 1200~1000년경: 이집트로 전파
• 서기전 900년경: 아시리아로 확장
• 서기전 1000~500년 사이: 유럽 전역으로 퍼짐

우리나라에는요? 서기전 300년경에 중국 대륙을 통해 들어왔어요. 처음에는 북쪽에서 시작해서 점점 남쪽으로 퍼져나갔는데, 흥미로운 건 기존에 있던 청동기 문화와 융합되면서 우리만의 독특한 철기 문화를 만들어냈다는 거예요.

청동기에서 철기로, 왜 바꿨을까?

"청동기도 충분히 좋았는데 왜 굳이 철로 바꿨어?" 라고 물으실 수도 있어요. 합리적인 의문이에요.

청동기 시대에도 금속 도구를 쓰긴 했지만, 문제가 있었어요. 생산량이 턱없이 부족했거든요. 청동의 원료인 구리와 주석은 아무 데서나 나지 않아요. 특정 지역에만 매장되어 있어서, 청동기는 주로 제기(제사 지낼 때 쓰는 그릇)나 무기 같은 특별한 용도로만 쓸 수 있었죠. 일반 농민이 청동 호미를 쓴다? 그건 현실적으로 불가능한 이야기였어요.

그런데 철은 달랐어요.

철광석은 세계 어디에나 널려 있어요. 지구를 구성하는 원소 중에서 철이 차지하는 비중이 무려 32.07%예요! 지각에서는 알루미늄 다음으로 흔한 금속이고요. 심지어 우주에서도 열 번째로 흔한 원소라고 해요.

그러니까 야철 기술만 익히면 어디서든 철을 생산할 수 있게 된 거죠. 이게 진짜 게임체인저였어요.

철기 시대가 열리면서 뭐가 달라졌냐고요?

• 농업 혁명: 철제 농기구 덕분에 농업 생산성이 폭발적으로 증가했어요. 청동 쟁기로는 꿈도 못 꾸던 깊은 땅을 철 쟁기로 갈 수 있게 됐거든요.
• 군사력 강화: 철제 무기와 갑옷은 청동제와는 비교도 안 될 정도로 강력했어요.
• 일상생활 변화: 칼, 냄비, 못 같은 생활용품도 철로 만들 수 있게 됐어요.
  
  

대부분의 지역에서 철기 시대가 시작되면서 본격적인 역사 시대가 열렸다고 해요. 그만큼 철의 등장이 인류 문명에 미친 영향이 컸다는 거죠.

그냥 철? 아니, '강철'이 진짜 혁명이에요

여기서 잠깐, 철과 강철의 차이를 아시나요?

사실 우리가 일상에서 "철"이라고 부르는 건 대부분 '강철(鋼鐵)'이에요. 순수한 철은 의외로 물렁물렁해서 실용적으로 쓰기 어렵거든요. 진짜 마법은 여기에 탄소를 조금 넣을 때 일어나요.

강철은 탄소 함유량이 0.035%에서 1.7% 사이인 철을 말해요.

고작 0.035%에서 1.7%요? 네, 이 작은 차이가 엄청난 결과를 만들어내요.

탄소 함유량에 따라 강철의 성질이 확 달라지거든요:

저탄소강 (탄소 0.3% 미만)

흔히 '연강'이라고도 불러요. 우리가 가장 많이 접하는 강철이에요. 가공하기 쉽고, 용접도 잘 되고, 가격도 저렴해요. 자동차 차체나 건축 자재로 많이 쓰여요.

중탄소강 (탄소 0.3~0.6%)

저탄소강보다 단단하고 강해요. 레일이나 기계 부품에 사용돼요.

고탄소강 (탄소 0.6% 이상)

아주 단단하고 날카로운 날을 만들 수 있어요. 칼, 스프링, 공구에 쓰여요. 대신 용접하기가 좀 까다로워요.

초고탄소강 (탄소 최대 1.5%)

금속 절삭 공구나 트럭 스프링 같은 특수 용도에 써요. 엄청 단단하지만 그만큼 잘 부러질 수도 있어서 주의가 필요해요.

재밌는 건요, 이 원리를 우리 조상들도 알고 있었다는 거예요. 조선시대 대장장이들이 칼을 만들 때 쇠를 불에 달궜다 식혔다를 반복하면서 탄소 함량을 조절했거든요. 과학적 원리를 정확히 알진 못했어도, 경험적으로 "이렇게 하면 더 좋은 칼이 나온다"는 걸 터득한 거죠.

그래서 탄소 함량만 조절해도 300MPa에서 5,000MPa까지 다양한 강도의 강철을 만들 수 있어요. 한 가지 원료로 이렇게 다양한 특성을 낼 수 있다니, 정말 신기하지 않나요?

철은 어떻게 만들어지는 걸까? (용광로의 비밀)

자, 이제 진짜 재밌는 부분이에요. 철이 어떻게 만들어지는지 아시나요?

사실 자연에서 순수한 철을 찾기는 거의 불가능해요. 대부분의 철은 산화철(Fe₂O₃)이나 사산화삼철(Fe₃O₄) 같은 산화물 형태로 존재하거든요. 쉽게 말해서 철과 산소가 찰싹 붙어있는 상태예요.

그래서 철을 얻으려면 이 산소를 떼어내는 '환원' 과정이 필요해요. 여기서 등장하는 게 바로 용광로예요.

용광로, 제철소의 심장

현대식 용광로는 '고로(高爐)'라고도 불러요. 높이가 10~25미터에 달하는 거대한 원통형 구조물이에요. 구조 자체는 의외로 단순해요. 벽돌로 쌓아올린 굴뚝 모양인데, 안에는 특별한 장치가 없어요.

근데 이 단순해 보이는 구조물에서 일어나는 일은 절대 단순하지 않아요.

용광로에 들어가는 세 가지 재료

1. 소결광 (가공된 철광석)
철광석을 바로 용광로에 넣는 게 아니에요. 먼저 '소결공정'을 거쳐서 성분을 균일하게 만들고, 용광로에 넣기 좋은 크기로 정돈해요. 이렇게 정돈된 철광석을 '소결광'이라고 불러요.

2. 코크스 (연료이자 환원제)
석탄을 1000℃ 내외로 가열해서 만든 고체 연료예요. 코크스는 두 가지 중요한 역할을 해요:

• 원료를 녹이는 열원
• 철광석에서 산소를 분리시키는 환원제

한 가지 재료가 두 가지 역할을 동시에 한다니, 효율적이죠?

3. 석회석
불순물을 제거하는 역할을 해요. 철광석에 섞여 있는 불순물들과 결합해서 '슬래그'라는 찌꺼기를 만들어요.

용광로 안에서 일어나는 마법

자, 이제 진짜 흥미진진한 부분이에요.

용광로 밑에 있는 열풍관으로 약 800℃로 가열한 뜨거운 공기를 불어넣어요. 그러면 코크스가 불완전 연소를 하면서 일산화탄소(CO)가 생겨요.

C + O₂ → CO (일산화탄소 생성)

이때 발생하는 연소열로 온도가 무려 2000℃까지 올라가요. 엄청나죠?

그러면 이 일산화탄소가 철광석과 만나서 산소를 빼앗아요.

CO + Fe₂O₃ → Fe + CO₂

철광석에서 산소가 빠져나가면? 남는 건 순수한 철이에요!

근데 여기서 또 신기한 일이 일어나요. 순수한 철의 녹는점은 1,538℃인데, 탄소가 녹아들면 녹는점이 약 1,200℃로 낮아져요. 그래서 철이 더 쉽게 녹을 수 있게 되는 거죠.

이렇게 녹은 철은 아래로 흘러내리고, 불순물인 슬래그는 철 위에 떠요. 철의 비중은 약 7이고, 슬래그의 비중은 약 3.5니까 자연스럽게 분리되는 거예요. 마치 물 위에 기름이 뜨는 것처럼요.

용광로의 놀라운 점

용광로에 대해 제가 가장 놀랐던 사실은 이거예요.

한번 불을 붙이면 수년간 24시간 내내 가동된다는 것.

껐다 켜는 게 아니에요. 한번 불이 붙으면 몇 년 동안 쉬지 않고 돌아가요. 노의 꼭대기로는 계속 원료가 들어가고, 밑에서는 2~3시간 간격으로 철과 슬래그를 빼내요.

만약 용광로의 불이 꺼지면요? 거의 못 쓰게 돼요. 안에 있던 재료들이 덜 빠져나온 상태에서 식어버리면 전체가 굳어버리거든요. 그래서 용광로 관리는 정말 중요하고, 제철소에서는 용광로를 "심장"이라고 부르기도 해요.

그래서 철은 왜 이렇게 많이 쓰이는 걸까?

여기까지 읽으셨으면 이제 감이 좀 오셨을 거예요. 철이 이렇게 오래, 이렇게 많이 쓰이는 데는 분명한 이유가 있어요.

1. 압도적으로 저렴해요

이게 제일 중요한 이유일 거예요.

철은 전 세계에서 대량으로 생산되기 때문에 가격이 정말 저렴해요. 얼마나 저렴하냐고요?

• 철괴: 1톤에 약 10만원
• 알루미늄: 1톤에 약 200만원
• 구리: 1톤에 약 700만원

철이 알루미늄보다 20배, 구리보다 70배나 저렴해요!

같은 강도의 구조물을 만든다고 했을 때, 철을 쓰면 비용을 엄청나게 아낄 수 있어요. 그래서 대형 건물이나 다리, 배 같은 거대한 구조물은 대부분 철로 만드는 거예요.

2. 어디에나 있어요

앞서 말했듯이, 철은 지구에서 가장 흔한 원소 중 하나예요. 지구 전체 질량의 32%가 철이에요. 지각에서는 알루미늄 다음으로 많고요.

이게 왜 중요하냐고요? 원료를 구하기 쉬우니까 어디서든 생산할 수 있어요. 특정 국가나 지역에 의존할 필요가 없다는 거죠. 물론 품질 좋은 철광석이 나는 곳이 따로 있긴 하지만, 기본적으로 철광석은 세계 곳곳에 분포해 있어요.

3. 특성을 마음대로 바꿀 수 있어요

이것도 정말 큰 장점이에요.

탄소 함량을 조절하면 부드러운 철부터 아주 단단한 철까지 다양하게 만들 수 있어요. 거기다 다른 금속을 섞으면 또 다른 특성을 가진 합금을 만들 수 있고요.

• 스테인리스강: 철에 크롬, 니켈을 넣으면 녹이 슬지 않는 스테인리스가 돼요
• 내열강: 고온에서도 버티는 특수강
• 초고강도강: 자동차 차체에 쓰이는 가볍고 튼튼한 강철

이렇게 용도에 따라 원하는 특성의 철을 만들 수 있으니, 활용 범위가 무궁무진해요.

4. 가공하기 쉬워요

철은 녹는점이 적당하고(약 1,538℃), 단단하면서도 어느 정도 유연해서 가공하기 좋아요. 두드리고, 구부리고, 용접하고, 잘라내기가 비교적 수월하죠.

물론 다른 금속들도 가공은 가능하지만, 가격 대비 가공성을 따지면 철을 따라올 금속이 없어요.

5. 재활용이 잘 돼요

철은 녹여서 다시 쓸 수 있어요. 폐철을 모아서 녹이면 새 철을 만드는 것보다 에너지도 적게 들고, 환경에도 좋아요. 그래서 전 세계적으로 철 재활용 산업이 크게 발달해 있어요.

우리 일상 속 철, 어디에 있을까?

한번 주변을 둘러보세요. 철이 안 쓰인 곳을 찾기가 더 어려울 거예요.

건축과 인프라

• 건물의 철골 구조
• 다리의 구조물
• 철도 레일
• 지하철과 엘리베이터

교통수단

• 자동차 차체와 엔진
• 배의 선체
• 항공기 부품
• 자전거 프레임

생활용품

• 냄비, 프라이팬, 칼
• 못, 나사, 볼트
• 문손잡이, 경첩
• 가구 프레임

산업

• 공장 기계
• 파이프라인
• 컨테이너
• 크레인

심지어 우리 몸속에도 철이 있어요. 헤모글로빈이라는 적혈구 속 단백질에 철이 들어있거든요. 산소를 운반하는 중요한 역할을 하죠. 그래서 철분이 부족하면 빈혈이 생기는 거예요.

'산업의 쌀', 철

철은 '산업의 쌀'이라고 불려요. 쌀이 밥상의 기본이듯, 철은 산업의 기본이라는 뜻이에요.

실제로 전 세계 금속 생산량의 약 95%가 철이에요. 압도적이죠? 나머지 5%에 알루미늄, 구리, 아연, 니켈 등 다른 모든 금속이 포함되는 거예요.

한 해에 전 세계에서 생산되는 철강의 양이 약 19억 톤 정도 돼요. 이 숫자가 잘 와닿지 않으시면... 지구상 모든 사람이 1인당 약 250kg의 철강을 쓴다고 생각하시면 돼요.

철의 미래는?

그럼 앞으로도 계속 철의 시대가 이어질까요?

아마 당분간은 그럴 것 같아요. 아직까지 철을 완전히 대체할 수 있는 소재가 없거든요.

물론 탄소섬유나 알루미늄 합금 같은 신소재들이 특정 분야에서 철을 대체하고 있긴 해요. 특히 무게가 중요한 항공기나 고급 스포츠카에서요. 하지만 가격 대비 성능을 생각하면, 대부분의 용도에서 철은 여전히 최고의 선택이에요.

다만 환경 문제는 해결해야 할 과제예요. 철을 만들 때 이산화탄소가 많이 나오거든요. 그래서 요즘은 '친환경 제철'에 대한 연구가 활발해요. 수소를 이용해서 철을 만드는 방법이 대표적이에요. 코크스 대신 수소를 환원제로 쓰면 이산화탄소 대신 물만 나오니까요.

마무리하며

오늘 철에 대해 꽤 길게 이야기했네요.

정리해보면, 철이 이렇게 많이 쓰이는 이유는:

• 풍부하고
• 저렴하고
• 특성을 다양하게 조절할 수 있고
• 가공하기 쉽고
• 재활용도 잘 되기 때문이에요

2000년이 넘는 시간 동안 인류 문명을 지탱해온 금속, 철. 어쩌면 우리는 앞으로도 한참 동안 '철의 시대'를 살아갈 것 같아요.

다음에 지하철을 타거나 다리를 건널 때, 한번 생각해보세요. "이 철은 수천 도의 용광로에서 태어나서 여기까지 왔구나." 일상의 풍경이 조금 다르게 보일지도 몰라요.

여러분은 오늘 하루 동안 철로 만든 물건을 몇 개나 만지셨나요? 한번 세어보시면 재밌을 것 같아요. 아마 생각보다 훨씬 많을 거예요.

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참조

• 철기 시대 - 위키백과
• 철기시대 - 한국민족문화대백과사전
• 강철 - 나무위키
• 철(원소) - 나무위키
• 용광로 - 나무위키
• 제철소의 심장 용광로 - 포스코 뉴스룸
• 철의 제련 - 금성출판사 티칭백과
• 강철 - 위키백과
• 탄소강 - 나무위키
• 철강과 인문학 - 페로타임즈