인류가 발견해 온 철, 세라믹, 합금, 반도체…

첨단 소재가 바꿔 가는 오늘과 내일! 

주기율표에 있는 수많은 원소들은 다 어디에서 왔을까?

철은 인류 문명을 어떻게 바꿨을까?

플라스틱이 왜 문제일까?

반도체는 왜 쓰임새가 많을까?

아이언맨의 아크 원자로를 정말 만들 수 있을까?

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한국공학한림원 공학기술도서 선정

첨단 소재를 발견하고, 발명하며 발전을 거듭해 온 인류 문명

지금 이 세상에 존재하는 모든 것은 우주로부터 온 하나의 원소에서 시작되었어요. 바로 수소죠. 우주의 시작이 큰 폭발에서 시작되었다는 빅뱅 이론에 따르면, 최초의 대폭발을 통해 처음 수소 원자가 생겨났고 이후 결합을 통해 다양한 원소들이 만들어졌어요. 현재까지 지구상에서 발견된 원소는 모두 118개예요. 이 안에는 우리가 아는 산소, 수소, 탄소, 철 같은 원소도 있고, 잘 모르는 원소도 많아요. 우리가 늘 쓰는 스테인리스 수저는 철과 탄소와 크롬, 니켈 등 원소 주기율표에 있는 물질들을 조합해 만든 거예요. 다른 물건들을 이루는 재료도 다 마찬가지예요. 이렇게 생각해 보면 우리가 늘 보고 만지고 사용하던 사물들이 그냥 단순한 사물이 아니라 꽤 의미 있는 존재라는 걸 느끼게 되지요.

《궁금했어, 첨단 소재》는 인류가 발견하고 발명해 온 다양한 소재들을 살펴보면서 첨단 소재의 과학적 원리와 그것이 세상에 미친 영향을 다루고 있어요. 우리가 익히 알고 있던 철, 세라믹, 플라스틱, 합성 섬유뿐 아니라 반도체, 초전도체, 나노 물질까지 꼼꼼히 설명하고 있지요. 10대의 눈높이에 맞춘 친절하고 상세한 설명 덕분에 최근 이슈가 되고 있는 첨단 소재들까지 크게 어렵지 않게 이해할 수 있어요. 

오랫동안 과학 잡지를 만들어 온 저자는, 독자들이 좀 더 새로운 소재에 관심을 갖기를 바라는 마음으로 이 책을 썼다고 말해요. 과학을 공부한다는 건 주변의 사물을 더 세세히 더 멀리까지 바라볼 수 있는 눈을 가지는 것이기 때문이죠. 

새로운 소재가 발견되었다는 소식이 들려도 사람들은 대부분 무관심하거나 과학자들의 일이라고만 생각하는 경우가 많아요. 하지만 첨단 소재가 있기에 우리는 각종 전자 기기를 사용하고, 빠른 교통수단을 이용할 수 있어요. 그런 점에서 앞으로의 세상을 이끌어 갈 독자들이라면 새로운 물질이 가져올 변화에 관심을 가지고, 또 그로 인한 문제점에 대해서도 고민해 보는 자세가 필요해요. 이런 과정 속에서 창의력과 사고력을 키울 수 있고, 과학 지식도 쌓을 수 있으니까요.

인류는 더 강하고, 더 우수한 새로운 소재를 찾을 수 있을까?

합금은 철 등을 원재료로 해서 다른 금속이나 물질을 첨가한 것을 말해요. 금속의 종류는 90종이나 되고 합금의 종류는 10만 가지가 넘을 정도예요. 철은 인류가 아주 오래전부터 사용해 온 소재지요. 강철을 만들 수 있게 되면서 인류는 문명을 일으킬 수 있었어요. 하지만 녹이 슨다는 철의 단점을 보완하기 위해 스테인리스강을 만들었고, 보다 널리 활용하기 위해 형상기억합금까지 만들어 냈어요.

세라믹은 매우 다양한 모양을 가지고 있어요. 흔히 말하는 도자기부터 타일, 인공 뼈, 반도체까지 모두 만들 수 있는 흥미로운 소재죠. 진흙을 불에 굽다가 우연히 발견한 세라믹은 전기를 만들어 내는 압전 소자뿐 아니라 태양 전지로도 사용되지요. 

인공 물질, 합성수지 플라스틱은 현대에 가장 많이 쓰이는 소재예요. 칫솔에서부터 빨대까지 두루 사용되면서 편리함을 선물했지만 그만큼 지구 환경과 생태계를 위협하는 물질이 되고 말았어요. 플라스틱 남용 문제는 전 지구가 힘을 모아 해결해 나가야 할 과제이기도 해요.

합성 섬유는 플라스틱과 마찬가지로 인류를 편하게 만들어 준 소재지요. 힘들게 누에고치를 기를 필요도 없고, 코트에 좀이 슬까 걱정할 필요도 없어졌으니까요. 가볍고, 잘 늘어나고, 잘 해지지도 않고, 가격도 저렴한 합성 섬유는 지금도 발전을 거듭하고 있지만 미세 섬유나 쓰레기 문제를 일으키고 있어요. 

초전도체는 전기 저항을 0으로 줄이고 자기장을 차단해, 핵융합이 가능한 장치를 만들 수 있게 해 주는 소재예요. 특히 상온 초전도체는 냉각 장치가 필요 없어서 그 활용 범위가 무궁무진하지요. 물론 앞으로도 계속 연구를 이어 가야 하지만, 머지않아 아이언맨이 가진 것 같은 아크 원자로까지 만들 수 있는 날이 오지 않을까 기대를 갖게 해요.

《궁금했어, 첨단 소재》에는 이외에도 반도체와 나노 물질까지, 다양하고 놀라운 첨단 소재에 대한 흥미로운 이야기가 담겨 있어 10대 어린이 청소년 독자들이 과학에 대한 깊은 관심을 가지게 될 거예요. 그리고 그중에서 우리 인류가 더 강하고 더 우수한 소재를 발견하고 발명하는 데 기여하는 과학자가 탄생할지도 모를 일이죠! 

어쩌다가 과학 잡지 기자가 된 뒤, 무려 20년간 과학 잡지를 만들며 살았어요. 과학을 알면 알수록 안 보이던 게 보이고, 안 들리던 게 들려서 일하는 것이 참 신기하고 즐거웠거든요. 과학 잡지를 읽고 과학을 싫어했던 독자들이 흥미를 갖게 되고, 과학 성적까지 오르는 걸 보는 것도 행복했지요.

과학 전문 잡지인 <과학소년> 외에 창의력 논술 잡지 <위즈키즈>, 학부모 교육정보지 <플러스맘>, 교육입시 전문지 <틴플> 등의 편집장으로도 일했어요. 지금은 한국코치협회(KCA) 및 국제코칭연맹(ICF)의 전문 코치로도 활동하고 있으며, 《강팀장을 변화시킨 열 번의 코칭》 《궁금했어, 과학사》를 썼어요. 요즘은 사람에 대한 이해를 바탕으로 어떻게 하면 과학을 더 말랑하고 친근하게 전달할지를 고민하고 있어요.

서울의 끝자락, 아름다운 도봉산 아래 터를 잡고 일하고 있는 행복한 일러스트레이터입니다. 서울여대 시각디자인과를 졸업하고 문구디자인 회사에서 제품디자인과 일러스트 작업을 맡아 일했습니다. 지금은 프리랜서로서 다양한 그래픽 디자인 분야에서 일하고 있습니다. 작업한 책으로《먹고 마시고 요리하라》 《왜 학교에는 이상한 선생이 많은가?》 《꼬불꼬불한 컬링 교과서》 《낯선 기술들과 함께 살아가기》 《인류세 쫌 아는 10대》 등이 있습니다. 

우선 물질의 기본인 원자부터 알아볼까? 모든 물질, 그러니까 우리 몸부터 거대한 비행기까지 모두 원자들의 결합으로 이루어진 거야. 그리고 모든 원자들은 한 가지 원소에서 출발했어. 바로 수소(H)지. 원소 주기율표 맨 앞에 있는 수소가 지구는 물론 우주에 존재하는 모든 물질을 만들어 낸 조상님과 같아.  -11쪽에서

영화에서처럼 금속 중에도 자기 모양을 기억해 되돌아오는 금속이 있어. ‘형상기억합금’이라고 하는데, 말 그대로 금속이 일정한 모양을 기억하고 있다가, 변형되었다가도 돌아오는 거지. 형상기억합금은 안경테에 많이 사용하는데, 실수로 구부러뜨리거나 부러뜨리는 경우가 많기 때문이지  -28쪽에서

흙을 구워서 탄생한 세라믹이 어떻게 반도체도 되고 인공뼈도 되는지 신기하지? 세라믹은 쓰임새가 다양하기 때문에 금속, 플라스틱과 더불어 3대 소재라고 불리기도 해. 이 때문에 철기 시대가 곧 끝나고 세라믹 시대가 될 거라고 말하는 학자들도 있을 정도야.  -40쪽에서

플라스틱을 ‘합성수지’라고도 하는데, 인공적으로 물질을 합성해서 얻은 ‘수지’라는 뜻이야. 천연수지나 합성수지나 모두 열이나 압력을 가하면 모양을 변형시킬 수 있다는 공통점이 있지. 플라스틱이란 단어는 ‘플라스티코스(plastikos)’라는 그리스어에서 온 건데 ‘원하는 대로 모양을 만들 수 있다’는 의미를 갖고 있어.  -58쪽에서

더 심각한 문제는 눈에 보이지 않는 미세 플라스틱이 바다는 물론 공기와 땅속까지 스며들고 있다는 거야. 머리카락 굵기보다 작은 플라스틱이 물고기의 뇌에 축적되고 있다는 연구 결과도 있고, 머지않아 사람의 뇌에까지 들어왔다는 발표가 나오는 건 아닌지 걱정이 크지.  -75쪽에서

합성 섬유는 석탄이나 석유에서 뽑아낸 실로 만든 섬유야. ‘나일론’이 최초의 합성 섬유지. 나일론을 처음 만들 때는 석탄에서 추출한 물질로 만들었다고 해. 그러다 석유로 교체되었지. 나일론이 개발되고 나서 가장 먼저 만든 건 바로 칫솔이었어. 나일론 칫솔이 나오기 전에는 돼지털로 만들었고 가격도 비쌌지. 그런데 나일론으로 만들면서 가격이 싸졌어.  -86쪽에서

전도체는 전기를 전달할 수 있는 물질이야. 여기에 ‘초’라는 글자가 붙은 건, 우리가 잘 쓰는 ‘초대박’처럼 엄청나다는 뜻이지. 그러니까 초전도체는 전기를 엄청나게 잘 전달하는 물질이야.  -103쪽에서

초전도체가 처음 발견되고 100년이 넘는 시간 동안 과학자들이 연구에 연구를 거듭해도 찾아내지 못한 게 있었어. 바로 꿈의 물질이라고 부르는 ‘상온 초전도체’야. 상온 초전도체를 발견하면 온도를 낮추기 위해 액체 질소나 액체 헬륨 같은 물질을 사용하지 않아도 되니까 말이야. 거대한 냉각 장치가 없어도 초전도 현상을 만들어 낼 수 있는 거지.  -108쪽에서

실리콘 칩을 만드는 실리콘, 즉 규소는 대표적인 반도체 물질이야. 반도체 칩과 반도체는 어떻게 다를까? 흔히 두 단어를 혼용해서 쓰기도 하는데, 반도체 칩은 규소가 주재료인 스마트폰이나 컴퓨터에 쓰이는 ‘부품’이고, 반도체는 반도체의 성질을 띠는 ‘물질’이야.  -117쪽에서