기술 / 광석 반도체, 수정, 쇳물 이야기 32

인류의 역사가 시작된 이후 전쟁은 피할 수 없는 운명으로 보인다.

현재도 소리 없는 경제 전쟁이 계속되고 있다.

남들보다  20% 싸게 만들 수 있는 기술을 알아낸다면

저 넓은 중원의 시장을 간단히 나의 지배하에 평정 할 수 있으리라.

 

시장을 지배하기 위하여 위정자와 자본가는 기술자를 키우고

기술자는 자신의 명예와 물질적인 보수를 위하여 첨단의 길을 파고든다.

여기 글은 고차원적인 학술이야기가 아니라 일반인들의 기술에 대한 관심을 유도하기 위하여

상식적인 이야기로 기술에 관하여 횡설수설 해본다.

 

 

 

1.트랜지스터는 나의 운명이었다. 금성사 트랜지스터라디오의 붐이 우리나라를 휩쓸었던 것을 40대 이상은 기억할 것이다. 트랜지스터의 혁명을 쉽게 설명하자면   음악감상을 할때 종전에는 전축에서 엘피판으로 듣거나 오디오에서 카셋트 테이프나 시디로 들었다 그러나 요즈음에 손톱만한 유에스비에 저장하여 듣고 있다. 전과 요즈음의 차이점은 전에는 회전하는 모터가 필요해서 장치가 대형이었는데 요즈음은 움직이는 요소는 아무것도 없는 조그만 유에스비 속의 반도체 즉 돌 속에서 모든 일이 일어나고 있다.   따라서 반도체(트랜지스터)가 발명됨으로서 큰 상자였던 라디오가 손안에 쏙 들어가는 트랜지스터라디오가 되었고 집체만한 컴퓨터가 노트북 정도로 작아지고 손 안에 쏙들어가는 스마트폰으로 컴퓨터 전축 카메라 등등의 기능을 다 수행하는 상상을 뛰어넘는 기술의 발달을 가져왔고 먼저 기술을 상업화 한 벤쳐들은 세계적인 거부가 되고 있는 것이다.   그 마법의 기술을 이끌고 있는 반도체..... 가장 기초적인 반도체가 트랜지스터 이고 트랜지스터는 미국 벨연구소에서 태어났는데   그 해에 나도 태어난 것이었다.  ^^       2.광석 라디오와 물리학     기술에 관심 있는 사람은 어릴 때 누구나 접해봤던 광석라디오........ 그 중 핵심부품이 광석 검파기인데     산에서 캐어낸 광석의 결정체 위에 바늘을 올려놓고 바늘로 전파를 통과 시키니 전파가 걸러지고 리시버(헤드폰) 에서 소리가 나오더라 는 원리로 지금도 검파기의 회로 표시는 그림과 같다.       화살표가 바늘이고 받침대가 광석이다. 겔마늄 다이오드라는 말은 광석으로 겔마늄 결정체를 쓰고 검파기(정류기)를 영어로 다이오드라고 부른다고 보면 된다.   다이오드 옆에 전극을 하나 더 달아서 다이오드에 흐르는 전류를 제어하도록 한 것이 트랜지스터 인데 따라서 표시모양도 다이오드 비슷하고 전극이 3개가 된다 미국 벨연구소에서 처음 발명했다.     현대의 유에스비 속의  반도체들은 이 트랜지스터를 자그마한 하나의 실리콘 칩 속에 수만 개씩 넣어 만든 것으로 보면 되겠다.   원래 산에서 캔 광석이 금속과 다른 물질이 결합하여 결정을 이룬 자연 반도체인데 성능도 빈약하고 균일 하지 못하므로 광석의 결정 즉 반도체의 결정을 인공적으로 만드는데 소재는 주로 모래의 주성분인 실리콘으로 만든다.   천연반도체의 일종인 황철광 , 금처럼 생긴 광석을 본적 있죠^^   고 순도의 실리콘이 녹아있는 액속에 전자적 특성이 좋은 특수 불순물을 첨가하고 서서히 결정을 시키면 단결정체로 성장하는데 팔뚝 만하게 성장하면 꺼내어 다이야몬드 칼(그라인더)로 얇게 베어내고 그 위에 여러 가지 공법으로 복잡한 전자회로를 형성시켜나가나 보다.     내가 탐닉했던 물리학에는 이론물리학이라는 뉴튼의 만류인력 법칙 이라 던지 아이슈타인의 상대성 원리 들이 있지만 내가 관심을 보인 것은 이러한 결정체의 특성을 연구하고 전자적 원리에 관심이 더 많다 보니 트랜지스터라면 그림만 봐도 가슴이 울렁거릴 정도였고 트랜지스터를 발명한 벨연구소는 내가 정말 한번 가보고 싶던 곳이었다.   3.당시 부산대학 물리학과는 고체결정에 대한 연구 분야에서 앞서 나가고 있었다 한다. 특히 인공다이아몬드 제조 설비를 갖추고 연구하면서 생산된 다이아몬드를 시중에 내다 팔기도 한다는데     자연 다이아몬드는 지구 생성과정에서 용암이 굳어질 때 속에 들어있던 탄소(숯)성분이 고온고압으로 스트레스를 받을 때 변형되어 영롱한 다이아 몬드결정체가 생겨난 것인데 보석의 왕으로 우리는 대접해 준다. 그 아름다운 다이아몬드가 숯으로 만들어지다니......... 인공다이아몬드도 마찬가지로 숯에다가 고온고압을 가하여 다이아몬드를 만들어내는데 자연처럼 영롱하고도 커다란 다이아몬드를 만들진 못하고 조그마한 다이아몬드밖에 만들진 못하나마 경도가 높은 성질은 자연산과 똑 같아서 공업용 연마가루로 팔려 나가나 보다   고교 은사였던 노동택 교수님은 날 부산대학에 잡아 둘려고  설득하기에 바쁘셨다. 그러나 부산대학 공대면 모를까 물리학과는 기껏 고교 교사 정도밖에 진로가 없었고 당시 고교졸업만으로도 내가 받던 보수에 비해서 별로였기 때문에 나의 주의를 끌진 못하고 유학에의 꿈에만 정진했다.   4.수정진동자 후에 언급을 하겠지만 내 고교 동창 중에 수정진동자로 거부가 된 친구가 있다. 그는 수정진동자 원리도 제대로 모르면서 큰돈을 벌었다. 삼성전자 이근희씨가 어디 반도체의 원리를 알겠는가?? 친구나 이근희 씨 같은 분은 기술자가 아니라 위대한 사업가다   누에는 뽕잎을 먹으랬다고 기술자나 학문을 하는 자는 자기가 담당하는 그 분야에서 두각을 나타내면 된다. 돈은 장돌뱅이가 따지는 문제이다.   내가 군제대후 다시 복학 할 때까지 잠시 아르바이트로 일본회사 수정진동자 만드는 회사에 근무한 적이 있다.   가스라이터에 불을 붙일때 손잡이를 누르면 스프링이 튀면서 스파크가 일어나 불이 붙게 되는 것을 본다.     그것은 압전효과라 하여 수정 등의 결정에 충격을 가하면 순간적으로 결정 양단에 높은 전압이 발생하는 원리를 이용한다. 반대로 수정에 전압을 가하면 수정이 움찔 하게 되는데 이 압전효과 원리로 수정에 전극을 붙이고 교류전압을 가하면 가하는 전압의 맥동에 따라 수정이 진동을 하게 된다.   그런데 모든 물체는 고유공진 주파수라는 것이 있다.  우리가 차 시동을 끌 때 엔진 회전수가 얼마 이하로 떨어지면 심하게 흔들리다가 차가 정지를 한다 즉 차가 심하게 흔들리는 고유 엔진 회전수가 있다는 말이다. 수정에서도 수정이 심하게 진동하는 고유 주파수가 있는데 수정은 이주파수가 아주 정확하게 일정하므로 수정의 이 정확한 주파수 특성을 이용하여 정확한 수정시계도 만들고 정확한 주파수가 필요한 무전기에도 이용한다.     여기에 이용되는 수정도 자연산은 성능이 안 좋고 일정하지 않아서 순수 수정을 단결정으로 만들어 이용한다. 바닷물이나 소금이 녹아있는 물을 비커에 넣고 끓이면 물이 아직 많이 남아있는데도 바닥에 소금의 결정이 생기는 것을 볼 수 있다. 단결정을 만드는 원리도 이와 같이 수정이나 실리콘이 녹아있는 약품 속에 적당한 조건을 가하면 약품 속에 넣어둔 조그만 씨앗 단결정 주위로 녹아있던 수정이나 실리콘이 고체가 되어 붙으면서 1~2주 후에는 점점 커다란 단 결정으로 성장된다. 내가 담당했던 영역은 일본에서 단결정으로 성장한 소세지 크기의 수정 잉곳이 도착하면 다이아몬드 그라인더로 얇게 잘라서 연마하여 두께 0.7미리정도의 웨이퍼로 만들고 웨이퍼의 두께가 바로 주파수를 결정하기 때문에 연마하면서 일일이 주파수를 측정하여 완성하고 진공증착으로 전극을 붙여 조립하게 된다.   수정진동자의 내부 구조(실물 크기 임)   잉곳을 자를 때도 가장 성능이 뛰어난 주파수 영역을 결정하는 각도가 있는데 에이티 각도가 제일 좋은 것으로 인정되어 그 에이티 각도를 측정하는 엑스레이 측정기 까지 동원되었다.   교육은 고유진동수에 대한 전자적 이론까지 배우면서 유학은 가지 못했으나 정말 함 공부해보고 싶었던 학문을 만나 아쉬움을 달랬다 할까   수정 진동자 사업하는 친구 넘한테 데이터를 넘겨주려니까 친구는 슬하에 있는 기술진을 대면 시켜주었다.   5.철(쇠) 이야기 뭍에 있는 촌락을 뜯어내고 서변동과 동변동을 만들기 위하여 택지 조성을 하는 중에 신석기 시대유적을 발견하게 된다.   내가 발굴 현장을 봤을 때는 키 두 길 정도로 깊이 판 구덩이에 사람이 살았던 흔적 썩어 문드러진 감나무 뿌리가 나왔다. 그 뿌리옆을 고고학 전공 학생들이 살살 파헤쳐 나가니까 돌칼 돌도끼 등의 유물들이 나왔다.   인류가 만물의 영장으로 오늘날처럼 발전한 것은 연장을 사용한 덕이라 하고 연장으로 돌을 깨어 사용한 싯점을 구석기 시대라 하고 돌을 뾰족하게 갈아서 사용한 싯점을 신석기 시대라 한다면 대구 금호강변에 위치한 무태는 대구지방에서 가장먼저 깨어난 신석기 시대 사람들이 살았던 유적으로 보인다.   신석기 시대 사람들이 둘러앉아 불을 피워놓고 사냥한 고기를 구워먹고 있는데 피워놓은 불에 의하여 주위의 어떤 돌이 녹아서 흘러내리는 것을 발견하게 되었다. 이 녹아내린 쇳물은 참으로 기이한 능력을 가졌는 기라 녹이면 돌로서 만들 수 없는 여러 가지 모양으로 만들 수 있고 나무처럼 잘 부러 지지도 않는 강한 성질을 갖고 있기 때문에 여러 가지 연모와 무기를 만들 수 있어 이렇게 만든 무기를 가진 사람들이 기껏 나무로 만든 죽창과 활 밖에 없던 신석기 사람들과 전쟁을 벌려 이겨 큰 부족으로 형성하는 기틀을 열게 된다.   자연의 돌(광석)을 열을 가하여 쉽게 쇳물을 만들 수 있는 금속이 바로 공원에 서있는 동상 등에 쓰이는 푸른 색깔의 구리 청동이며 그래서 신석기 이후 인류는 청동기 시절로 넘어오게 된다. 청동은 무기뿐만 아니라 당시 돌이나 나무로 땅을 파서 농사를 짓던 시절에 획기적인 농기구로 사용되어 농경부족의 번성을 가져왔다. 더 단단한 칼과 창을 만들기 위하여 연구하던 청동기 사람들은 결국 철을 발견하게 된다.   강가에 있는 모래를 물로서 조리질 하면 조리 밑에 씨꺼먼 쇳가루가 모인다 이 쇳가루를 모아서 불을 피워 녹이노라면 쇳물이 만들어 지는데 이 쇳물로 만든 창과 칼은 그 강하기가 청동기와는 비교가 되지 않아서 곧 청동기 문명은 사라지고 철기 문명이 인류를 지배하게 된다.   우리나라 정사에도 군사를 풀어서 강변 모래 속에서 철 성분을 모아 창과 칼을 만드는 기록이 나오고 우리나라의 철기 문명은 일본으로 전파하게 된다.   현대의 철은 용광로에서 만드는데 흙(내화벽돌)으로 만들어진 용광로에 산에서 캔 철광석과 석탄으로 만든 코크스를 교대로 섞어 쌓아놓고 불을 붙이면 코크스에 붙은 불은철광석을 녹여 내리는데 이때 흘러내리는 쇳물이 선철(무쇠)이다.   선철(무쇠)은 주물공장에서 가마솥이라 던지 기계의 본체 등 여러 형태로 만들어 지는데 아무리 복잡한 물건이라도 형만 만들면 쉽게 만들어 지지만 쉽게 깨어지고 용접이 잘 안된다.     코크스로 철을 녹이기 때문에 철에는 탄소가 가장 많이 들어있는데 이 그림이 철과 탄소의 평형상태도 이다 이 그라프를 처음 접하고 철에대한 이렇게 오묘한 학문이 있다는데 난 정말 놀랐다. 그림에서 쉽게 알 수 있는 것은 같은 철이라도 탄소 함유량에 따라 녹는 온도가 다르다는 것인데 탄소 4.3% 함유할 때 가장 낮은 온도 1100도 남짓에서 녹기 때문에 주물 만들기가 제일 좋고 순수철에 가까울 수록 1500도 이상에서 녹기 때문에 애를 먹는 다는 것을 알 수있다.   철기인들이 녹은 쇳물(무쇠)로 칼을 만들어 싸움에서 청동기 시대 사람들을 크게 무찔렀지만 무쇠칼은 잘 부러져서 강하면서 부러지지 않는  무기 (칼)을 만들기 위하여 여러가지 공법으로 쇳물중의 코크스 잔재(탄소) 성분을 자꾸 제거해 나가다보니 순수한 철 보다는 철 중에 탄소 성분이 0.45% 함유한 것이 제일 강하고 열처리가 잘 된다는 것을 알게된다 우리는 이 제일 강한 철을 S45C 라는 기호를 쓰는데 여기서 S는 철을 뜻하고 C는 탄소를 뜻하고 45 숫자는 탄소함유량을 뜻하는데 시중에서는  "하가네" 라는 일본말을 쓰기도  한다.   잘 굽혀지는 철사는 순수철에 가까운데 질기지만 무르고 열처리가 잘 안된다. 순수철에 닉켈 크롬 모리브덴 바나듐 등 특수원소를 첨가하면 녹이 쓸지않는 스텐이나 아주 강한 고속도강등이 만들어 지고 이러한 강을 만들때는 탄소등 불순물이 함부로 들어가면 안되기 때문에 전기로 내지는 고주파로를 사용하여 만들게 된다.     이러한 강이나 특수강은 녹이기도 어렵고 녹이는 과정에서 성분이 변해버릴 수도 있기 때문에 전문 공장에서 잉곳이라는 덩어리로 만들어 그 다음부터는 덩어리를 불에 벌겋게 달구어 떡 주무르듯이 로라로 눌러서 판으로 만들거나 봉으로 만들어 시중에 나오게 되면 자르고 기계로 깍아서 여러가지 정밀 부품과 공구를 만들게된다.   탄소강과 특수강은 열처리를 해야만 진가가 발휘되는데 탄소강은 열처리하면 아주 단단하게 되지만 무쇠처럼 잘 깨어지는 성질이 있다. 그리서 칼을 열처리 할때는 칼날만 열처리하여 날이 강하도록 하고 칼의 몸체는 열처리를 조금밖에 하지 않도록 하여 쉽게 부러지지 않는 칼이 되도록한다. 우리는 대장간 장인들이 벌겋게 달은 칼을 물에 담구어 열처리(담금질) 할때 칼날만 살짝 살짝 물에 담구는 것을 보게된다.   탄소강은 벌겋게 달구어 찬물에 넣으면 열처리가 되지만 특수강은 열처리가 간단하지 않다. SKD(특수공구강) 는 대구열처리 공장에서 열처리를 잘해내는데 SKH(고속도강) 는 대구 열처리 공장에서 제대로 열처리를 못하는 것으로 알고 있다.

 

 

 

이제 처음으로 되돌아 가서 경제전쟁 기술전쟁 이야기를 해보자

우리가 만들던 전자부속들은 당시엔 철판으로 프레스에서 하나하나 찍어서 만들었는데

자동화 하여 고속으로 찍어 내는 방법을 연구하므로서 경쟁자들을 저 멀리 따돌리기는 했다. 그러나

자동화 되었다 해도 프레스에서 찍어 만들다 보니까 고철(기리빠시)로 나가는 것이 재품보다 더 많았다.

 

그런데 일본에서 주물로 만드는 기술이 국내에 상륙하자 마자

프레스 공법에 매달린 기존 업계들은 추풍낙엽으로 흔들리기 시작했다.

주물로 만들면 고철로 나가는 양이 얼마 안되어 원재료 값도 절약되지만

제작공정을 획기적으로 줄일 수 있어서 프레스로 만드는 업계는 고전을 면치 못 했다.

전쟁에서 패자가 겪는 설움은 비참하다.

결국

우리도 거금을 새로 투입하여 주물로 만드는 공법을 도입 했는데

 

이제 주물공법에서

국내를 석권하기 위하여 주물로 만드는 원재료를 연구하기 시작했다,

원재료는 당시에 신품이 180만원 정도였고 재생품이 120만원 정도로 구입이 가능했는데

우리의 전자부속은 너무 살이 얇아서 재생품으로서는 작업이 안되었다.

그래서 우리나라 뿐만아니라 해외에서도 모두 신품으로 만들었는데

어느날 우연히 재생품으로도 아무 이상없이 작업이 잘 되는 현상을 발견했다.

 

신품과 재생품의  차이를 학술적으로 규명하기 위하여 북부도서관을 뒤졌다.

공학서적 저 한 구석에 입간부식이라는 용어에 눈이 멈쳤다.

우리가 얼음을 자세히 관찰하면 수많은 육각형의 눈같은 결정들이 서로 붙어서 얼음을 이루듯이

쇳덩어리도 수많은 쇠의 결정들이 서로 붙어서 덩어리를 이루는데

그 결정들의 사이에 불순물이 들어와서 결정들끼리 서로 붙는 것을 막는 바람에

겉으로는 단단한 덩어리로 보이지만 조금만 충격을 주면 푸석 푸석하게 부셔지는 바람에

살이 얇은 우리의 부품들은 재생품으로는 아예 작업 자체가 안되는 것이었다.

 

문재는 입간부식을 이르키는 그 불순물을 재거하기만 하면 재생품으로도 작업이 되는 것이었다.

수년전에 거래처 직원으로 가장하고 경인지방 일본 주물회사를 스파이 견학을 했을때

일부지만 자체에서 재생품을 만들던 것을 본 기억이 났다.

그때 나와 같이 갔던 거래처 직원에게 다시 부탁하여 재생품을  만들때 입간부식을 막기위하여 넣던

약품이름을 유여곡절끝에 알아내고 일본 수입상에 수배를 하여 약을 입수하는데  성공했다.

 

남들은 180만원의 원재료를 사용해야하는 공정을

130만원 이내의 재료로 생산이 가능한 기술의 성공으로 국내 시장은 수월찮게 석권하게 되었고

중국쪽 시장 까지 시야를 넓힐 수 있을 것 같아서

중국 청도공단과 가까운 홍콩에 지사를 만들 계획을 새우는데 까지 이르렀다.

 

이러한 공정을 연구한다고 밤에 연구용 로에 붙어서 작업하다가

큰 화상을 입었다. 원래 쇳물과 물은 정말 무서운 관계라서 주의에 주의를 거듭했는데도

빈그릇속에 남아있던 보이지 않던 습기 때문에

쇳물을 붓자 마자 폭발하는데 순간적으로 얼굴을 손으로 가려 방어하다보니.....

지금도 자세히 보면 손과 팔에 상흔이 남아있다.

 

 

 

 

 

 

 

배경음악으로 영화 자이언트 동영상 첨부 합니다.

음악도 좋지만 중반 넘어가면

농장주의 아내 에리자베드 테일러를 짝사랑하는 농장 노동자가

자기몫으로 할당받은 천박한 들판에서 석유가 터져나와 거부가 되는 장면이 나옵니다.

 

여러분도 기술계에 투신하여 노다지를 발견하고 거부가 되는 꿈을 꾸지 않으실래요?

 

 

 

 

 

 

 

 

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