▶ 지구의 외핵에 포함된 철이 회전하면서 지구자기장을 만들어낸다. 이러한 지구자기장은 태양풍의 방향을 바꾸게 하여 지구를 보호하는 역할을 한다.

2. 철의 기원-철은 어떻게 만들어졌을까

포스코신문과 포스코경영연구소가 창간·창립 20주년을 기념해 세계 철강산업의 과거를 되돌아보고, 이를 교훈 삼아 향후 철강산업이 나아갈 길을 찾아보는 ‘철이 미래다’를 공동기획, 1년에 걸쳐 연재합니다. 독자 여러분의 많은 관심 부탁드립니다.  <편집실>

▶ 철은 가장 안정적인 원소로, 모든 원소들은 철로 변환되려는 성질을 가지고 있다.

본격적인 인류 문명을 가능하게 만들어준 철은 지금도 인류에게 가장 중요한 소재다. 원자번호 26번, 원소기호 Fe로 명명되는 철은 지구 중량의 35%를 차지하고 지각에는 5.2%가 있다. 지구를 철의 행성이라고 불러도 좋을 정도로 지구에는 엄청난 양의 철이 존재하는 셈이다. 사람의 몸에도 3g 정도 있다. 이러한 철은 어떻게 만들어졌을까?

가장 안정적인 원소 철, 지구 중량의 35% 차지

26개의 양성자와 30개의 중성자로 만들어진 가장 안정적인 원소가 바로 철이다. 철은 아득한 옛날 우주 공간에서 빛나던 별에서 일어나는 핵융합 반응에서 만들어진 것이다.

거대한 별에서 만들어진 철이 지구에 존재하기까지는 기적과도 같은 우주적 과정이 필요했다. 빅뱅 이후 초기에는 우주에 수소, 헬륨보다 무거운 원소는 존재하지 않았다. 즉 철은 존재하지 않았다는 얘기다. 모든 원소는 핵분열이나 핵융합으로 안정해지려 하는데, 철이 우주에서 가장 안정한 원소로서 철보다 가벼운 원소는 핵융합을 통해, 철보다 무거운 원소는 핵분열을 통해 철이 되려고 한다.

그렇지만 초기 우주의 가벼운 원소들이 핵융합을 통해 철이 되려면 높은 온도가 필요하고, 높은 온도를 얻으려면 높은 압력이 필요하다. 태양도 수소 핵융합을 통해 헬륨을 만들고 있지만 철은 만들지 못한다.

결국 이러한 조건은 거대한 별의 내부에서만, 그것도 폭발하는 초신성에서만 만족된다. 즉 초신성이 폭발할 때 무거운 원소인 철이 만들어지게 되는 것이다. 결국 별의 탄생과 죽음을 통해 여러 원소가 만들어지는 셈이다. 별이 우주의 철공장이라는 별칭이 붙은 것도 바로 이러한 이유에서다.

그렇다면 지구 중량의 3분의 1을 차지하는 철은 어디에 있을까? 대부분의 철은 지구의 핵에 존재한다. 실제 지구의 지각에 있는 양은 일부에 불과하다. 지구에 존재하는 철의 대부분은 지각이 아니라 액체 상태의 외핵과 고체 상태의 내핵에 들어 있다. 지구 핵의 91%가 바로 철이다. 지구의 핵에 묻혀 있는 철을 우리가 직접 이용할 수 있는 방법은 없다. 핵에 접근할 수 있는 가능성은 전혀 없기 때문이다.

그렇다고 해도 지구의 핵에 들어 있는 철이 우리와 전혀 무관하지는 않다. 지구의 외핵에 포함된 철이 회전하면서 지구자기장을 만들어낸다. 비록 지구자기장의 세기는 우리가 사용하는 자석에서 나오는 자기장과는 비교할 수 없을 정도로 작지만 우리에게는 더없이 유용하다. 우리가 자석으로 만든 나침반으로 남북의 방향을 알아낼 수 있는 것도 바로 지구자기장 덕분이다.

정작 중요한 지구자기장의 역할은 따로 있다. 즉 지구 핵의 철은 지구자기장을 형성해 우리가 태양풍으로부터 안전하게 지구에서 살 수 있는 환경을 제공해주는 것이다. 태양풍은 태양의 상부대기층에서 방출된 플라스마의 흐름을 말한다. 플라스마는 전자와 양성자의 흐름으로 결국 방사선이다. 이 우주 방사선에 노출된다면 DNA를 변형시켜 암을 유발하거나 우리 몸을 구성하는 원자에 에너지가 전달되어 전자를 떼어내거나 원자에 에너지가 흡수되어 결국 사망하게 된다. 이러한 태양풍을 지구자기장이 막고 있다. 즉 지구자기장이 태양풍의 방향을 바꾸게 하여 지구를 보호하는 역할을 하는 것이다. 지구의 핵에 철이 없었다면 우리는 처음부터 지구상에 등장할 수도 없었던 셈이다. 극지방의 오로라도 그런 과정에서 만들어지는 장관이다.

채광착오설·산불설·운석설 등 철 기원설 다양

철의 기원에 대해서는 3가지 설이 있다. 첫째가 채광착오설이다. 청동의 원료인 황동석(Cu2Fe2S4) 대신 비슷한 색깔의 적철석을 잘못 채취하여 제련하게 되면서 철을 알게 되었다는 설이다. 이 채광착오설은 철기시대보다 앞서 형성된 청동기시대에 청동을 제조하는 기술이 있었다고 가정해야 가능하다. 이때에 청동을 다룰 줄 아는 장인들이 광석을 채취할 때 동광석 대신 철광석을 채취했다는 것이다.

두 번째는 산불설이다. 즉 지구 표면에 나타난 철광석이 산불에 녹아버려 철을 알게 되었다는 설이다. 산불에 의해 겉으로 드러난 철광석이 환원된 상태로 된 것을 가져다 두드려 다른 모양으로 만들어 사용했다는 설이다. 일반적으로 인간의 생활에 사용되는 화력(火力)은 그 온도가 800℃ 이하이기 때문에 그 온도로 가열된다 할지라도 철광석을 환원시키는 데에는 불충분하다. 그러나 고대 원시밀림에서 대형 산불이 발생하면 그 화력도 대단히 크고 상당히 오랫동안 지속되기 때문에 철광석이 환원될 수 있는 조건이 될 수도 있다는 주장이다.

마지막으로 운석설이 있다. 즉 하늘에서 떨어진 ‘운석’에서 철을 발견했다는 설이다. 실제로 지구에 떨어지는 운석 중에는 철 성분을 많이 담고 있는 운석이 많은데, 이를 ‘운철’이라고 부른다. 운석은 철(Fe)과 니켈(Ni)의 합금으로 되어 있다. 운석에는 철 이외에도 니켈 성분이 4~20% 함유되어 있고 코발트(Co) 성분이 0.3~1.6%로 구성되어 있는 것으로 보고되고 있다. 이 세 가지 설 중에서 가장 가능성 있게 받아들여지는 설은 채광착오설이다.

옛 문헌과 발굴된 유적에 의하면 인류가 처음으로 철을 사용한 것은 기원전 4000년경 소아시아 지역에서였다. 그리고 기원전 3000년 무렵에는 메소포타미아와 이집트 지역까지 철을 제련(製鍊)하는 기술이 알려졌다. 이후 철을 본격적으로 사용하게 된 것은 기원전 8세기경이었다. 당시에는 절반쯤 녹은 철을 두드려 물건을 만드는 단철(鍛鐵) 기법이 주를 이루었고, 유럽에서는 14세기에 이르러서야 주물(鑄物)을 사용하는 주철(鑄鐵) 작업이 시작되었다.

한편 중국에서는 춘추시대(기원전 7~5세기경) 이후 단조철기와 거의 동시에 주조철기가 세계 최초로 만들어지기 시작하였다. 이러한 중국의 철기 주조기술은 유럽에 비해 무려 2000년이나 앞서는 것이었다.

박현성 수석연구원 <포스코경영연구소>

新철기시대

철은 산업·생활용품 등 폭넓게 사용되는 ‘소재의 왕좌’

석기시대로 시작한 인류의 역사는 가장 오랜 기간 철기시대를 맞이하고 있다. 인류 문명의 꽃이 피기 시작한 것도 철기시대에 이르러서다.

지금도 구조용 재료의 90% 이상이 철을 기본소재로 사용하여 만들어질 정도로 철기시대가 계속되고 있다.

1800년대의 연간 세계 철 생산량은 50만 톤에도 미치지 못하였다. 그러던 것이 19세기 말에는 약 350만 톤이 되었으며, 1970년대부터 약 30년 동안 7억 톤 수준을 유지하다 지금은 생산량이 연 15억 톤에 달하고 있다.

현재 철의 용도는 수력발전소, 송전탑, 고층건물의 철골, 선박, 자동차, 비행기 등은 물론 수도관, 송유관, 가스관, 하수도관 및 화학공장의 반응탑 등에 다양하게 사용되고 있다.

또한 철은 모든 공업의 핵심이 되는 금속가공용 공구뿐만 아니라 가정에서 사용하는 통조림통·칼·못·바늘 등 사용되지 않는 곳이 없을 정도로 용도가 다양하다.

향후 철을 부분적으로나마 대체할 수 있는 소재들, 즉 비철금속, 합성수지, 신소재합금 등이 등장하고 있지만 철을 완전히 대체할 수 있는 소재가 나오기까지 상당기간이 걸릴 것으로 보이며 그때까지 철기시대는 계속될 것이다.

철의 진화

철을 뽑아내는 기술따라 산업 급성장

14~15세기경 유럽서 목탄고로 첫 등장

1856년 베서머 전로, 근대 제철의 시초

14~15세기 무렵 유럽 독일지역에서 목탄을 원료로 하는 고로가 만들어졌다. 수차를 이용하여 고로 안에 강한 바람을 불어넣어 선철을 만들어냈다. 그러나 선철은 탄소 성분이 높아서 주조는 가능했으나 단조는 어려움이 많았다. 이 때문에 목탄고로에서 만든 선철을 연로(Bloomery) 속에 목탄과 함께 넣고 다시 연소시켜 탈탄하는 방법이 고안되었다. 이것을 정련로라고 하는데 이와 같이 고로에서 선철을 만들고 정련로에서 탈탄시켜 가단철을 만드는 2단계 제철법이 현재 제철법의 기본이 되었다. 그 후 이 제철법은 유럽대륙에서 영국으로 넘어가면서 전성기를 맞이하게 된다.

헨리 코트, 정련법의 대혁명 ‘퍼들법’ 발명  

영국 잉글랜드 지역에서 석탄이 많이 나왔고 16세기부터 석탄을 일반연료로 쓰고 있었기 때문에 석탄을 제철원료로 이용할 생각을 하게 되었다.

제철원료로 석탄이 사용되기 어려웠던 점은 석탄 속에 함유된 유황(S) 성분이 철에 흡수되면서 철이 물러져 못쓰게 되기 때문에 유황 성분 제거가 문제가 되었다. 또한 석탄은 목탄보다 연소가 힘들고 회분이 많은 것도 있기 때문에 고로 내부가 막힐 염려가 있었으며 고온에 견디는 노의 건설도 문제였다. 이러한 문제점은 1709년 에이브러햄 다비 1세(1677~1717)가 처음으로 코크스를 사용한 고로제철에 성공함으로써 해결되었다.

코크스로 제조된 선철은 인과 유황이 아직도 많이 함유되어 주철로 사용할 수는 있었지만 목탄철에 비해 품질이 떨어졌다. 1735년 다비 2세는 단철용 선철 제조에 성공했으며 1776년 제임스 와트의 증기기관 원리를 이용, 기존 수차를 대신하여 강한 바람을 고로에 불어넣을 수 있게 되었다.

18세기 이후 반사로에서 주철을 재용해하는 기술이 상업화되어 철주조에 많이 이용되었다. 콜브룩데일제철소의 기술자이던 크레이니지와 오니온에 의해 반사로에서 석탄을 사용하여 선철을 정련하는 방법이 기초되었고 1784년 헨리 코트가 이 선철 정련기술을 완성했다. 헨리 코트는 퍼들법이라 불리는 이 정련법을 증기기관에 의한 압연공정과 결합, 판이나 봉을 강력한 롤러 사이로 여러 번 통과시켜 단조하는 방법을 확립했다. 퍼들법에 의해 정련된 단철은 품질이 우수해 퍼들철 또는 연철이라고 불리며 주철 대신 구조물에 많이 사용하게 되었고 1850~1860년 이후 50여 년 동안 연철 시대가 계속되었다.

19세기 접어들어 유럽의 제철은 영국을 선두로 각국이 코크스고로, 퍼들압연법 등을 도입하면서 급속히 발전했고 유럽 내 철도 확장에 의해 한층 더 가속되었다. 1828년 닐슨은 종래의 냉풍을 대신해 열풍을 이용한 고로 조업법을, 나스미스는 증기해머를 발명하여 제철 규모는 더욱 확장되었다. 그러나 다시 철 생산에 있어 문제가 발견되었다. 즉 고로는 냉풍대신 열풍으로 이용하게 만들 수 있었으나 이 고로와 압연기 사이에 있는 퍼들로는 더 크게 만들 수 없었기 때문이다. 퍼들로의 작업은 사람의 손에 의한 것이었기 때문에 고로와 같은 진보는 불가능했다.

근대 제강법의 두 축, ‘전로·평로법’ 개발

이러한 문제점은 1856년 베서머가 전로를 발명함으로써 해결되었다. 퍼들법은 정련의 특수성 때문에 일반적으로 탄소 성분이 적은 연철이 제조되었으나 베서머 전로는 노 밑에서 공기를 계속 불어넣어 얻어지는 높은 정련온도에 의해 탄소 성분이 높은 선철을 만들 수 있었을 뿐 아니라 탄소 성분이 적은 단철도 쉽게 만들 수 있었다. 베서머 전로의 발명은 고로와 더불어 정련로를 원하는 크기로 만들 수 있게 하였고 이후부터 고로·제강로·압연기 등이 갖추어진 근대제철소가 탄생하게 되었다.

그 후 평로가 발명되었다. 강의 정련을 위해 기존 퍼들법으로는 온도를 1500~ 1600℃까지 올리지 못했다. 1864년 마르탱은 1856년 런던에서 지멘스 형제가 발명한 축열로를 이용하여 강을 제조하는 지멘스 마르탱법, 즉 평로법을 발명했다. 전로법과 평로법은 근대 제강법의 두 축이다. 그러나 이 방법으로도 인은 제거할 수 없었다. 인은 철강에 함유되어 품질을 저하시키는 역할을 하기 때문에 인이 많이 함유된 유럽의 철광석은 퍼들법으로도 정련되지 못했다.

이러한 문제는 1875년 재판소 서기직으로 일하면서 독학으로 화학을 공부한 토머스(Sidney Gilchrist Thomas·1850~1885)에 의해 해결됐다. 토머스는 염기성 내화재, 염기성법 및 후취 등 세 가지를 결합하여 새로운 제강법으로 탈린을 해결했으며 이 방법을 토머스법이라고 한다. 이렇게 하여 19세기 초부터 강의 시대가 열린 것이다.