인류는 철을 언제부터 이용했을까?

[하은초]

[궁금한 S] 인류는 철을 언제부터 이용했을까?

https://science.ytn.co.kr/program/view.php?mcd=0082&key=201911221721132474

https://youtu.be/KlxwT-jnGaA

■ 이효종 / 과학 유튜버

안녕하세요! 과학의 모든 궁금증을 해결하는 궁금한 S의 이효종입니다.

궁금한 S와 함께할 오늘의 이야기 만나볼게요.

인류 역사를 보통 석기시대, 청동기 시대, 철기시대로 구분하는데요. 철기시대에 이르러서야 비로소 인류의 문명 생활이 시작되었다고 볼 수 있을 정도로 철이 인류에 미친 영향은 실로 막대했습니다. 철은 우리가 사용하는 금속의 90% 이상을 차지하며 우리 생활을 지탱하는 중심적 역할을 하고 있는데요. 그래서 오늘 '궁금한 S'는 철의 기원과 역사에 대해 알아보도록 하겠습니다.

주기율표 26번에 있는 철은 기호로 Fe인데요. 이는 Ferrum이라는, 철을 의미하는 라틴어로부터 파생되었음을 알 수 있어요. 일반적으로 자연 상태에 있을 때는 산소와 결합하여 녹이 슨 상태, 즉 산화철의 상태로 존재하는 이 원소는 순수한 상태일 때는 알루미늄보다도 무르지만, 약간의 불순물이 섞인 형태, 즉 합금이 되면 아주 단단하고 강한 금속으로 탈바꿈된다는 재미있는 특징도 지니고 있습니다.

생물학적으로도 철은 너무 중요한 원소 중 하나인데요. 인간에게 있어서는 적혈구 속의 단백질. 즉, 헤모글로빈의 주원료로 사용되고 있으며, 산소 운반과 세포 호흡에 아주 중요하게 이용되고 있는 단순히 생활에서 이용되고 있는 도구를 넘어 아주 여러 방면에서 여러 형태로 이용되고 있는 원소가 바로 Fe! 철이라고 하는 원소입니다.

이러한 철을 자연에서부터 추출해 인간이 유용한 도구로써 이용하기 시작한 것은 언제부터일까요? 정확하게는 알 수 없지만 수많은 고고학자들은 청동기 시대 후기로 알려진 기원전 1500년경 히타이트 왕국으로부터 철의 야금이 본격적으로 시작되었다고 알고 있습니다.

생소한 단어가 등장했는데요. '야금'이라는 건 대체 무엇일까요?

야금은 영어로 metallurgy 즉, 금속을 다룬다는 의미를 지니고 있는 용어입니다. 야금을 분류하자면 광석으로부터 금속을 추출, 정련하는 '금속 제련', 제련에 의하여 얻어진 금속으로부터 각종 목적에 적합한 성질의 금속과 합금을 만드는 '금속재료' 나아가서는 그 금속을 가공 성형하는 금속 가공의 세 분야로 크게 나뉩니다.

이중 가장 중요하고 핵심을 담당하는 분야는 역시 1단계인 '제련'으로서 이 제련이 불가능하다면 애초부터 2, 3단계로 진행할 수 없기 때문에 어떻게 금속을 추출하는지에 관한 기술을 보유하고 있는가가 얼마만큼 강력한 국력을 가질 수 있는지와 직결될 수 있는 문제였죠. 그렇다면 고대인들은 어떻게 철을 제련할 수 있었을까요?

고대인들은 불에 단단하게 견딜 수 있는 흙이나 돌을 이용해 만든 열로라고 불리는 커다란 화로를 이용했습니다. 이 안에 철의 원료로 알려진 철광석을 목탄과 함께 넣은 다음 열로를 뜨겁게 달궈 녹아내리는 철을 얻을 수 있었습니다. 그래서 초기 철기 시대에는 표면은 철이지만, 안은 공기로 차 있는 스펀지 철, 해면철만 청동과 비슷한 온도에서 얻을 수 있었습니다. 화덕에 넣어 빨갛게 달구고 두들기고, 다시 빨갛게 달구고 두들기는 일련의 과정을 반복하면서 주변으로부터 탄소를 머금게 하는 방법을 이용해 단단한 강철을 만드는 게 초기 역사 속에서 철을 제련하는 방법이었습니다.

당연히 이 기술은 쉽사리 다른 집단에 이전되지 않았고, 숙련된 기술자를 확보하는 것도 어려웠습니다. 이러한 이유로 대장장이는 고대 사회에서 나름의 독점적 지위를 갖는 집단이 되었고, 여러 신화에서도 대장장이 신은 꽤 높은 서열을 차지하기도 하는 것이죠.

그러나 철이 본격적으로 오늘날과 같은 제련방식을 얻게 된 것은 그보다 한참 뒤인 약 5세기경 중국에서부터 시작되었습니다. '고로법'이라고 불리는 이 방식은 용광로를 이용해 철을 제련하는 방법으로써 용광로 아래에서는 공기를 주입하면서 위에서는 철광석과 석회석, 그리고 화로를 달구기 위한 연료를 계속 넣어주는 방식으로 작동하게 됩니다.

보통 이때 이용되어 철광석 속에 있는 철은 주로 산소가 3개 (Fe203), 또는 4개 (Fe304)가 결합하여 있는 철로써 용광로 내부에서는 바로 이 철에 붙어있는 산소가 지속적인 화학 반응을 통해 떨어져 나가는 과정이 계속해서 일어나면서 이러한 일련의 과정을 이용해 순수한 철을 얻어낼 수 있는 것이 이 기술의 핵심 원리입니다.

이런 고로법은 유럽에서는 중세 중반에 사용되기 시작했으며, 15세기경 벨기에와 영국으로 전파되었습니다. 처음에는 연료로 목탄을 썼으나 효율도 낮고 무엇보다 목탄이 부족했기 때문에 석탄을 쓰기 시작했습니다. 하지만 석탄에는 철강의 질을 낮추는 황이 많이 들어있기 때문에 18세기에는 석탄 대신 코크스를 만들어 사용하기도 했죠.

또한, 산업혁명 속에서 고로법에 사용되는 용광로도 한 차례의 업그레이드를 거치게 되었습니다. 1855년 영국의 기술자인 헨리 베세머에 의해 불순물을 쉽게 걷어낼 수 있는 새로운 고로인 베세머 전로가 탄생하게 되면서 인류는 이전과 비교하여 더욱 값싸고 질 좋은 형태의 철을 만들어낼 수 있는 기술을 획득할 수 있었습니다. 이는 증기기관의 발달과 맞물려 인류를 폭발적으로 성장할 수 있게 만드는 원동력으로서 작용하게 되죠. 이처럼 철은 인류 문명의 발전에 상당한 영향을 미쳤다는 것이, 정말 놀랍지 않나요?

오늘은 철에 대한 역사에 대해 알아봤는데요. 현대에서의 철은 차량이나 선박, 항공기, 주택부터 각종 생활용품에 이르기까지 많은 분야에서 사용되고 있습니다. 철의 탄생을 알게 되니, 한층 철과 친해진 느낌이 들지 않나요? 그럼 궁금한 S는 여기서 이만 인사드릴게요.