광물과 문명의 진화4; 철

청동에 이어 철의 등장은 문명의 진화에 가속도를 붙게한 인류의 생로운 이정표였다.철이란
소재가 없다면 현대 문명 조차 생각할 수 없다.철은 지구 지각에서 산소,규소,알미늄에 이어 흔한 원소이자 지구 중심의 내핵도 철로 이루어져 있다.그러나 금이나 구리와는 달리 원소철은 아주 드물다.이렇게 유용한 철이란 원소를 선사시대 장인들이 어떻게 찾아내게 되었고 더 나아가 이 우주에 어떻게 등장하게 되었는지 그 태생의 비밀도 함께 풀어 가 보기로 하자.

철의 탄생

137억년전 소위 빅뱅[big bang]이라 불리는 이해할 수 없는 특이한 사건을 통해 우리의 우주는 시작되었다.

사이언스2.0에서.빅뱅이미지

원자가 생겨나고 수소,헬륨을 비롯, 원소라는 가벼운 경원소들이 태어나

우주로 퍼져나가게 되었고 시간이 지나면서 이들이 뭉쳐져 별들이 태어났다.이들 별중에서도 태양보다도 월등히 큰 별들은 내부의 초 고온 고압 환경에서 핵 융합이라는 불이 붙게 되어 최초의 수소가 헬륨으로,수소가 소진되면 헬륨이 핵 융합 원료가 되어 리튬으로

이 같은 핵 융합이 지속되어  원자번호 26인 무거운 철이 생겨나면서 더 이상 핵 융합이 불가능해  별의 운명도 끝이 나게 되었다.철은 거대한 별의 마지막 종착역이자 그 재인 셈이다.3세대 별인 태양 정도의 별 규모로는 철을 만들어 낼 수 없다.거대 별의 마지막 단계인 철이란 재가 되면 초신성[super nova]이라는 대폭발을 통해 초기 원소를 비롯 철은 우주로 다시 퍼져 나가게 되고 이 단계에서 상상할 수 없는 고온과 압력으로 철 보다 더 무거운 중 원소들도 만들어져이 우주를 훨씬 더 다양한 물질 원소로 채웠다.

캡션 daily galaxy news에서.supernova이미지

이 새롭고 다양한 소재를 바탕으로 태양,지구를 비롯한 행성,소행성,혜성등 형제들이 함께 태어나게 되었다.

슈퍼 소재 철의 발견 일기

어느시대를 막론하고 인간의 역사에서 전쟁은 피 할 수 없는 숙명이다.인간의 역사는 도구 발명의 역사이자 재료 발명의 역사라 했다.전쟁의 승패를 결정할 수 있는 중요한 요소가 바로 무기의 수준이다.오늘 날에도 첨단 무기 개발에 국가마다 매달리고 ,국력을 쏟아 붓고 있는 데 ,강자 독식의 옛 시대에서는 강력한 무기 개발에 대한 동기는 대단했을 것이다.

이런 첨단 무기를 위한 소재 개발이 무기 뿐 아니라 문명의 진화에 기여했을 것이다.이미 구리,청동이란 소재를 광석에서 얻을 수 있는 기술을 확보한 장인들은 더 강력하고 풍부한 소재를 찾아 수 없는 시행착오를 거쳤을 것이다.이 과정에 어느 돌 보다도 단단하고 무거운 검은 색 돌 덩어리를 발견하여 두드려 보고 어떻게 해 보려했지만, 여의치 않자 그 동안의 경험을 살려 불을 이용 담금질 하는 과정에서 이용법을 터득하게 되었을 것이다.아마 이 검은 색 단단한 돌 덩어리는 철 운석이었을 것이다.

철 운석으로 빚어 낸 칼등의 무기는 기존의 구리나 청동제 무기와는 비교가 되지 않을 정도의 강력한 무기였을 것이다.실제 순수한 철의 경도는 그 다지 높지 않으나 철과 니켈이 혼재되고 대기권 통과시 고온 열처리된 운석철은 그 어떤 철 합금 보다 더 강할 수 밖에 없다.선사 시대에는 지금 보다는 비교적 많았겠지만,

철 운석은 흔한 것이 아니다.지상에 도달하는 운석중 겨우 5%에 지나지 않으니, 더 이상 자연의 철 운석으로 그 수요를 감당할 수 없게 되어 이전의 금속 재료인 구리,주석,아연,등에서 경험한 탐광,제련,야금 기술을 바탕으로 선사 대장쟁이 장인들은 드디어 철광석을 찾아내고 여기서 철을 뽑아내는 제철법을 익히게 되었을 것이다.이 제철법을 익힌 대장쟁이 장인들은 오늘 날의 기술자 보다는 비교도 안될 정도로 부와 권력도 거머쥔 대단한 실세였을 것이다.

철은 변신이 가능한 재주꾼

 오늘 날에도 여러 분야에 가장 널리 사용되는 금속 소재는 단연 철이다.건축물의 구조재로,

교량의 구조재,비행기를 제외한  각종 운송 수단 즉 선박,기차,승용차의 기본 소재로 산업용은 물론 일상 생활 용품에서도 단연코 가장 많이 사용되는 소재다. 값이 싸고 풍부한 소재이기 때문이기도 하지만 그 특성이 탁월한 소재이기 때문이다.충격에도 강하고 ,주조성도 좋고 박판,후판 ,철사,빔등 어떤 형태의 용도이든 잘 소화해 내는 재료이다.단지 문제라면 쉽게 녹이 쓰는 문제와 타 금속 소재에 비해 무겁다는 정도이다.그래서 무게가 중요한 비행기 소재로는 애초 부터 제외 되었다.원소 기호 26인 철은 화학적으로 안정적 전자수인 18을 넘는 8개의 전자 주개 원소인 데,8개를 동시에 받아 줄 전자 받개 원소는 없어,오히려 무척 융통성이 많은 원소이다.그래서 전자 2개를 내어 주고 +2Fe 이온이나,3개를 내어 주고 +3Fe이온으로 다양한 원소와 결합할 수 있기 때문이다.지각에서는 자연철은 귀하지만 타 원소와는 달리 금속 결합이 쉽게될 수 있는 장점을 갖고 있기 때문에 ,지구 내부 핵중 외핵은 액체 철로 되었고 내핵은 고체 철로 될 수 있었다.[금속화된 철은 무겁기 때문에 내부로 가라 앉게 되었다.].순수철은 단단하지 않고 녹도 잘 쓸지만 다양한 원소와의 합금으로 이런 결점들을 다 해결할 수 있다.제철 과정에서[코크스 나 숯].탄소의 함량 조절을 통해 다양한 특성으로 변화 시킬 수 있고.또 열처리 방법에 의해 그 강도도 조절할 수 있어 공구나 칼등 내구성을 요구하는 소재로도 변신 할 수 있다.단지 최대 약점인 산화에 의한 녹 발생은 구리나 알미늄등은 산화가 되어 막이 형성되면 더 치밀한 보호막이 형성되어 더 이상의 부식이 일어나는 것을 막아 주는 데 비해 ,철은 산화되면 그 산화물 자체의 부피가 원소재인 철 보다 커져 보호막 역활을 하지 못하고 본 소지에서 벗겨져 나가  지속적으로 산화가 계속되는 문제가 있다.그러나 이런 문제 역시 니켈등과의 합금으로 스테인레스강이라는 녹 쓸지 않는 소재로 변신도 할 수 있다.한 마디로 상황에 맞춰 변신이 가능한 재주꾼이다.

다양한 모습의 철 내포 광물들

1.침철석[goethite]

침상결정이 방사형으로 구를 이룬 것.민자연사 소장

표면에 무지개색 훈색 표본.민자연사 소장

2.적철석[hematite]

자철석이 적철석으로 치환.민자연사소장

어란상.민자연사 소장

적철석이 내포된 자수정[붉은색은 내포된 적철석 때문].민자연사 소장

3.황철석[pyrite];일명 fool's gold

황철석위에 수정 결정.민자연사 소장

황철석으로 치환된 암모나이트 화석.민자연사 소장

4.능철석[siderite]

인회석과 공생한 능철석.민자연사 소장

능철석 볼.민자연사 소장

위 사진으로 소개한 몇 가지 외에도 보석 처럼 아름다운 철 내포 광물도 있고 철이 내포된 광물의 모습은 ,변신의 재주꾼 덕택에 다양한 쓰임새에 못지 않게 정말 다양하다.
이번 글로서 광물과 문명의 진화 시리즈는 끝을 맺는다.

광물과 문명의 진화3 ;청동과 황동

인간의 역사는 도구 발명의 역사이자 재료 발명 역사라 하였다.석기 시대를 거쳐 어떻게 인간은 청동기 시대를 열어 갈 수 있었을까?조가비,동물의 뼈,특히 흑요석을 비롯한 돌등
자연물을 쓰임새에 맞게 끔 적당히 가공하는 차원과는 달리 금속을 이용하기 시작한 것은
기술적 차원에서 엄청난 비약이 필요하다.잠시 타임머신을 이용해서 선사시대 조상들이 어떻게 그 어려운 과제를 풀어냈는지 여행을 가보자

자연 상태 금속의 발견

구석기를 거쳐 보다 진화된 신석기 시대를 열어간 인간들이 더 좋은 도구를 개발하기 위해 새로운 소재를  찾는 노력을 하는 과정에 자연 상태의 금속을 발견하게 되었을 것이다.

그 중에서도 아마 자연금이 먼저 발견되고 이용되었을 것이다.

석영맥에서 성장한 자연금.미국 캘리포니아.민 자연사 

자연금,호주,민 자연사

금은 대개 자연금[노다지] 상태로 산출되고 금속 중에서도 빛깔이 단연 돋 보여 아름답기도 하지만 굳기도 물러 가공도 쉽고 또 변치 않는 장점을 갖고 있기 때문이다.이러한 금에 대한 인간의 사랑은 세계 어느 곳,어느 시대를 막론하고 오늘 날 까지 변함이 없다.이렇게 금 이라는 금속을 찾아내고 활용한 인간들은 금과 유사한 아름다움을 지닌 자연구리를 또 찾아내게 되었고 가공하기도 좋고 굳기도 금 보다 더 단단해서 도구로서는 더 적합한 재료였다.

자연 구리,미국 아리조나,민자연사

또 희귀한 금 보다는 양적으로 훨씬 풍부한 금속이어서 사냥도구로,무기로,장식품으로 다방면으로 활용하게 되었을 것이다.선사시대를 대별할 때 석기,청동기,철기 시대로 구분하지만, 엄격히 청동기 이전에 동기 시대가 먼저 있었다.

청동기 시대는 어떻게 시작 되었을까?

금과 구리라는 금속의 좋은 점을 알게되어 그런 자연 금속재료가 발견된 지역은 물론  인근 지역을 거쳐 사용하는 지역이 점진적으로 확산되어감에 따라 자연에서 산출되는 구리로는 수요를 감당할 수 없게 되었을 것이다.그래서 당시 장인을 중심으로 이의 대체재를 찾는 데 온갖 힘을 쏟아 구리 성분이 많이 함유된 광석을 찾아 냈을 것이다.광석을 찾아내는 그 자체도 쉬운 것이 아니다.오늘날에도 함량이 충분한 상업적 가치를 지닌 광석,광상을 찾기 위해 첨단 기술과 장비를 사용해도 어려운 데 ,그 당시에는 자연금이나 자연구리가 가진 금속 광택과 특징이 유사한 광석들을 찾아내기 위해서는 엄청난 관찰력과 끈기를 가져야만 했을 것이다.그리고 불을 이용해 이 광석들을 녹여보는 과정에서 새로운 금속재료를 발견 했을 것이고 그것이 구리보다도 훨씬 단단하고 유용한 재료라는 것을 알게 되었을 것이다.

이 새로운 금속재료는 청동[Bronze ; 구리와 주석의 합금]으로 절대 굳기는 구리에 비해 2배가 넘고 주조성도 훌륭해 다양한 형태로 청동기 시대라는 한 차원 높은 새로운 문명을 열어가는 주인공이 되었다.[BC 3,500년 경]

돌에서 금속으로  ;   청동과 황동

지각을 구성하는 바위나 돌은 금속이나 비금속 원소등이 화학적[산화,황화,탄산염,규산염,황산염등]으로 결합한 광물들의 집합체이다.주위에 지천으로 널린 것이 돌 ,바위이지만 원하는 금속 원소를 뽑아 내기 위해서는 그 함량이 특별히 높은 돌[광석]을 찾아 내는 것이 필요하다.이런 광석이 집중된 곳을 광상이라 하고 채굴하는 곳이 광산[Mine]이다.이 광산에서 채굴한 돌[광석]에서 금속을 뽑아 내기 위해서는 최소 섭씨 1,000도 이상으로 온도를 올려서 돌을 용융시키는 기술이 필요하다.다른 동물과 달리 인간은 일찌기 불을 발견하고 이용할 줄 아는 원천기술이 있었기 때문에 이것이 가능했다.오늘날 제련기술도 돌에서 금속을 추출해내는 기술인데 용광로를 이용 돌을 녹이고 고온 환경에서 환원,산화 원리를 이용하는 것이다.그 당시 대장쟁이 장인들도 원시 용광로 형태의 가마를 이용했을 것이다.

그러나 광물의 종류에 따라 화학 결합의 정도가 달라 제련 자체가 상당히 어려울 수 있다.

지각에서 가장 흔한 금속 원소인 알미늄의 경우 근세인 나폴레온 시대 만 해도 제련 비용이 비싸 손님 접대시 그 중요도에 따라,은 접시,금 접시.가장 귀한 손님의 경우에 알미늄 접시를 사용했다는 일화가 있을 정도이다.이 정도로 제련 기술이 단순하지 않다는 것을 의미한다. ,더군다나 합금 기술은 오늘날에도 어려운 기술인 데,선사 시대에 제련은 물론 합금기술을 어떻게 터득했는지 수수께끼일 수 밖에 없다.구리의 주요광석인 황동석[Chalcopyrite;CuFeS2]이나 주석광인 석석[Cassiterite;SnO2]같은 광물은 납,베릴,리튬,금,은등이 함께 포함된 광물등과 함께  산출되는 경우가 많고 때로는 운좋게 한 돌덩이에 함께 포함된 경우도 있을 수 있다.

황동석,포르투갈,민 자연사

석석,중국,민 자연사

이런 광석을 녹여 제련하는 과정에 절로  원시 청동이 얻어지게 되고 ,이 것을 재현하고 탐구하는 과정에서 경험적으로 구리광과 주석광을 적절히 혼합하여 원시적인 청동을 얻게 되었고 기술의 발전에 따라 구리와 주석을 따로 따로 추출해서 적절히 혼합 비율을 조정하여 특성이 우수한 청동을 얻을 수 있는 기술을 터득하게 되었을 것이다.

섬아연석 과 석영,중국,민 자연사

이후 아연광인 섬아연석[Sphalerite;ZnS]등을 이용

아연광의 일종인 스미스손 나이트[ZnCO3],나미비아,민 자연사

황동[Brass; 구리와 아연의 합금]도 만들어 내어[BC 500년 경] 청동기 시대의 문명은 더욱 발전하게 되었다.이 과정에서 지역간 광석 무역도 활발해져 문명의 전파 속도가 가속화 되었다고 본다.

청동기 시대를 연 기술혁신의 요체는?

정리하면 첫째 ,인간이 불을 이용할 줄 알았다는 것,둘째 청동기 문명의 발상지는 구리 관련 광석이 풍부한 곳,미케네 문명으로 알려진 곳도 현재 Cyprus 인근 지역인 데 이름 어원 자체가 구리가 나는 곳이이라는 뜻이다.세째 뭐니 뭐니해도 바로 자연을 깊게 관찰하고 끈기있게 시행 착오를 통해 새로운 기술을 찾아내는 원동력인  인간의 호기심과 탐구심이 아닐까 한다.

마이다스[Midas]의 손은 그저 신화속 이야기만은 아니다.

각 나라마다,또 각 지방마다 특이한 신화도 많고 구전되어 오고 있는 설화도 많다.냉정히

과학적으로나,이성적으로는 납득이 되지 않는 비 현실적인 이야기들이다. 그러나 많은 경우

완전히 허무맹랑한 이야기가 아니라 어느 정도 사실에 근거를 두고 좀 뻥튀기하여 재미있는 이야기거리로 만들어진 경우가 많다고 본다[필자 생각].신화속의 마이다스왕의 손이 닿으면 모든 것이 황금으로 변한다는 이야기도 어느 정도의 실체가 있는 것이라고 보고 있다.

마이다스왕은 BC3,000년 경 터키에 있었던 프리기아 왕국의 두번째 왕으로 실존 인물이라고 한다.과학적 분석 기술이 없었던 고대에는 누렇게 보이는 금속은 금으로 오인할 수도 있었다.금 보다 더 금 같은 광물로는 번쩍이는 노란색 황철석이 대표적인 데 그래서 별칭으로 Fool's Gold라 불리기도 한다.

황철석과 수정,중국,민 자연사

또 황철석 못지 않게 더 금 같은 금속으로는 황동석[

Chalcopyrite ;CuFeS2]인데 구리의 주요 광석이다.

황동석 과 방연석,포르투갈,민 자연사

이 황동석은 섬아연석[Sphalerite ;ZnS]같은 광물과 함께 산출되는 데 이것을 함께 제련하면 황동[Bronze; 구리와 아연의 합금]이라는 합금이 될 수 잇는 데 이것은 금 만큼 광택을 가진 멋진 금속이어서 도구 장식품등 다방면에 활용될 수 있는 금속이다. 바로 이런 광물이 이 마이다스의 왕국에서 많이 산출되어 

금이 온 사방에 널린 곳으로 전해져 만들어진 이야기가 아닌가 한다.우리 나라에서는 안성맞춤으로 유명한 유기 그릇이 바로 놋쇠라 불리는 황동으로 만들어진 것이다.신화 때로는 구약 성서 ,설화등을 토대로 유익한 사실들을 밝혀 낸 경우가 많으니 그저 아야기로만 흘릴 것이 아니라 중요한 정보의 원천으로 삼아 대박을 터트릴 수 도 있다.- 금회 끝-

인류의 영원한 베스트 셀러 "금"이야기

황금의 꽃,Eagle Nest 광산,캘리포니아,미국

하얀 차돌위에 핀 "황금의 꽃"은 지구라는 연금술사가 빚어낸 자연산 금의 특이한 결정이다.이런 특이한 금은 광물 수집가들의 로망이기도 하다.금은 화학적으로 안정되어 있기 때문에 자연금 형태로 광석에 포함된 미량을 제련하거나,모래에 숨어있는 사금을 채취하는 것이 일반적이다.

광물과 문명의 진화 2 - 구리

석기에서 금속으로

문명은 인간의 욕구가 동기가 되어 이루어 낸 기술의 산물이다.구석기,신석기 시대를 거쳐 인간은 더 효과적인 도구를 갈망했고 그 결과로 돌을 위주로 한 자연물을 이용하는 단계에서 구리라는 획기적인 재료인 금속을 찾아 내고 또 이를 추출해 내는 기술을 개발함으로서 이전에 비해 월등한 도구를 만들 수 있게 되었다.이를 토대로 구리와 또 다른 금속인 주석 또는 아연을 합금하는 기술 까지 개발하여 더 우수한 특성을 가진 재료도 만들어 낼 수 있게 되었다.무기로,생활용품으로 ,공예품,조각등 예술품으로,건축 재료로 소위 청동기[Bronze Age]시대를 열어가게 되었다.

왜 구리였을까?

사실 지각을 구성하는 금속 원소중 알미늄8.13%, 철이 5% 인 데 비해 구리는 75ppm[part per million.1/10,000%]밖에 안되는아주 미미한 양이다.그럼에도 불구하고

가장 먼저 사용된 금속의 하나가 된 것은 몇가지 훌륭한 특성을 갖고 있기 때문이다.첫째,

금과 마찬가지로,자연 형태로 발견된다.[native element].야금 기술이 없으니 있는 그 데로
사용할 수 있는 재료이어야 하기 때문이다.상대적으로 양이 많은 알미늄은 자연원소 상태로 존재하지 않고 철도 자연원소 상태로는 희귀하고 , 우주에서 날아온 운석에서 발견되기 때문이다.

석영맥에서 성장한 자연금

광물과 문명의 진화 -흑요석(Obsidian)

인간의 역사는 도구 발명의 역사이자 재료 발명의 역사

문명(civilization)은 인간의 욕구가 동기가 되어 이루어 낸 기술의 산물이다.

이 기술의 원천, 그 본바탕은 재료의 진화이다.있는 그 대로의 자연상태의 재료 즉,돌,나무,동물뼈,조가비,흙을 이용하는 단계에서 인간은 자연으로 부터 새로운 재료를 추출해 내는 기술을 발전시켜 더 진화된 도구를 발명하게되었다.

재료의 진화는 새로운 도구의 발명으로 새로운 문명의 탄생에 기여하게되고,이를 바탕으로 한 시대를 열어가는 문화가 형성되는 데 결정적 역활을 하게 된다.결국 인간의 역사는 도구발명의 역사 이자 그 원천인 재료 발명의 역사라 할 수 있다.

선사이전의 시대 구분도 바로 사용된 도구의 재료로 구분하여 석기(구석기,신석기 ),동기 ,청동기,철기 시대로 나누고 있다.

이 재료는 인간이 자연 즉 광물로 부터 얻어낸 것이다. 각 시대를 열어가는 데 기여한 광물에촛점을 맞추어 이야기를 이미지를  깃들여 전개해 나가고져 한다.

 석기시대의 첨단 소재; 흑요석(Obsidian)

인간( 엄격히 현생 인류 이전의 원인 포함)이 최초로 석기를 사용한 것은 270만년에서 258만년전,인류의 고향으로 알려져 있는 에티오피아의 고나에서 호모 하빌리스가 그 주인공 으로 알려져 있다.

수정((Quartz)과 창조경제

다보스포럼 슈밥[Schwab]회장의 선물.수정[quartz]

년초 박근혜 대통령이 페이스북을 통해 밝힌 2014WEF[다보스포럼]기조 연설시 Schwab회장으로 부터 선물 받은 수정이 화제가 된바 있다.Schwab회장은 복잡한 돌 형상위에 툭툭 튀어나온 수정처럼 창조경제의 영감을 얻어시라는 설명과 함께 사려깊고 창의적인 선물을 박대통령에게 증정했다.

광물에 관심이 깊은 필자인지라 실물을 접할 수 없었지만, 사진을 통해 자세히 관찰해 보았다.지구 지각에서 가장 흔한 산소와 규소가 화학 결합[이산화규소;SiO2]하여 아름다운 석영이 만들어진다.Schwab회장이나 박 대통령도 평범한 것일지라도 서로 융합하는 과정에서 대단한 가치를 창조할 수 있다는 것에서 수정을 통해 창조경제의 영감을 얻을 수 있다고 본 것이다.

지구 옛 생명체의 기록" 화석 이야기"

바쁘다는 핑계로 매월 1-2테마의 글을 올리다 한참만에 글을 쓰게 되었다.여기서 다루는 화석에 관한 이야기는 전문인을 위한 것이라기 보다는 필자 역시 아마추어 수집가에 지나지 않기 때문에 우리가 일상에서 알아두면 좋을 것이라는 취지에서 일반적인 궁금증을 해소하는 데 촛점을 맞추었다.

화석은 옛 생명체의 역사 기록

인간의 역사는 문자 기록을 기준으로 역사시대와 선사시대로 구분한다.역사기록이 체계적으로 잘 정비되어 있으면  타임머신을 타고 ,시간을 거슬러 올라간 것 처럼 그 시대 상황을 잘 알 수 있다.그러나 기록이 부실하면 잘 알 수가 없어 파편적 기록으로 유추한 수 밖에 없다.선사 시대라 할 지라도 울산의 암각화나 프랑스의 선사시대 동굴 벽화등에서도 많은 정보를 얻을 수 있다.
현세 인간의 역사는 불과 몇 만년에 지나지 않으나 ,자연의 역사는 지질 시대로 46억년의 아득히 먼 상상의 역사다.그러나  옛 생명체의 흔적인 화석이라는 기록물을 통해 ,자연 특히 생명체들의 역사를 알 수 있게 되었다.지구에 최초 생물의 출현은 35억년전 단세포 형태로 이는 과거나 현재의 모든 생명체의 공통 조상[last universal common ancestor]으로 알려져 있다.

luca화석이 발견된 호주 해변가의 스톨로마이트