CMF2012. 6. 14. 15:39
Manufacturing Manufacturing 2012년 02월호
[ 소재 _ 대체소재금속 소재를 대체하는 고기능 엔지니어링 플라스틱 ]


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CMF2012. 2. 22. 09:28


디자이너가 알아야 할 재료 중 기초적인 금속에 대한 설명이 잘 나와있는 특허청 디자인맵_디자인테크놀로지

금속, 섬세하고 강한 디자인을 위한 소재

금속은 냉정하다. 또한 이성적이고 미래지향적이다. 그러나 이는 인간의 문명화 과정에 금속이 기여한 바가 너무 커서 갖게 된 고정관념이다. 금속은 작금의 문명을 이끌어 주었으니 앞으로 펼쳐질 알 수 없는 미래의 문명도 견인차 역할을 해주리라는 기대감을 갖게 한다. 그래서 미래를 배경으로 한 SF영화들의 공간이나 소품 디자인은 금속질의 것들이 많다. 예나 지금이나 서늘하게 빛나는 미래를 보는 창은 대부분 금속 재질이었다.
금속 소재가 미래지향적 이미지를 갖게 된 데에는 합금기술의 발달이 기여한 바가 크다. 나날이 발전하는 합금기술은 새로운 소재, 새로운 제품, 새로운 디자인을 꿈꾸게 한다. 때문에 미래를 꿈꾸는 디자이너라면 더 나은 미래 디자인을 위해 금속 소재의 속성을 잘 익혀두어야 할 필요가 있다. 왜냐하면 소재의 본질을 잘 이해한 디자인이 훌륭한 디자인이기 때문이다.

금속 Metal
메탈, 즉 금속은 지속가능한 삶을 위해 필수적인 원소들을 함유하고 있다. 예로부터 금속은 인간 생활에 중요한 역할을 해왔다. 이를테면 금속의 자연 항균효과는 아주 오래전부터 널리 알려져 있었다. 때문에 금속은 질병 퇴치에 유용하게 쓰이곤 한다. 하지만, 이 같은 효과는 금속이 독성과 오염물질을 함유하고 있다는 것을 방증하기도 한다.
디자인계에서 금속은 주로 구조적인 교량이나 장식적인 상품패키지에 적용된다. 아마도 지구상엔 아직 인간이 발견하지 못한 금속이 태반일 지도 모른다. 그들이 '발견'되면 새로운 개념의 디자인도 '발명'될 것이다.



스틸 Steel
스틸, 즉 강철은 가장 흔한 금속으로 주로 산업용과 가정용으로 많이 사용된다. 강철은 탄소함량과 합금에 따라 탄소강(Carbon Steels), 저합금강(Low alloy steels), 스테인리스강(Stainless steels), 공구강(Tool steels) 4가지 타입으로 나뉜다.

◦ 탄소강 Carbon Steels
특성 : 탄소스틸이라고도 불리는 탄소강은 탄소함유량에 따라 저탄소강, 중탄소강, 고탄소강으로 분류되며 대략적으로 0.2~2%의 탄소가 함유되어 있다. 탄소함유량이 높을수록 더 단단하며 연성도(물체가 늘어나는 정도)가 낮다. 탄소강은 산화와 부식에 취약하기 때문에 코팅으로 이를 방지해야 한다.
적용사례 : 강철 생산의 4분의 3 이상이 탄소강이다. 저탄소강은 빌딩이나 교량 건설 등과 같은 건설업에 많이 쓰이고, 중탄소강은 크랭크축 및 자동차 기계장치 제조에 많이 쓰인다. 고탄소강은 용수철 및 고강도 와이어와 저가의 절단기계 등에 주로 사용된다.

◦ 저합금강 Low Alloy Steels
특성 : 철과 탄소로 만들어졌으며 대략적으로 10%의 니켈, 크롬과 같은 다른 금속이 함유되어 있다. 부가적인 합금은 강철의 부식 방지, 인성, 변형성과 같은 특정 속성을 향상시키는데 사용된다.
적용사례 : 빌딩, 교량 등의 건설과 내열부품에 자주 사용된다.

◦ 스테인리스강 Stainless Steels
특성 : 스테인리스강은 탄소 1%와 크롬 10%가 포함된 강철 합금이다. 부식 방지에 탁월한 크롬 덕분에 스테인리스강 역시 부식에 강하다.


[이미지 1] Bird Kettle / Alessi / 1985 / Stainless steel
마이클 그레이브가 디자인한 케틀, 1985년 발표된 세계적인 베스트셀러로 알레시사 제품. 주전자 주둥이 끝에 붙어 있는 새는 물이 끓으면 울음소리로 이를 알려준다. 이탈리아 북부 산악지방에서 금속 주방용품 가내수공업체로 출발해 오늘날 세계적인 고급 디자인 생활용품업체로 성장한 알레시는 스테인리스강 소품으로 유명하다. 한 제품을 위한 110가지 공정들이 숙련공의 완벽한 수작업을 통해 이루어진다고 한다.
(이미지 출처 : www.alessi.com )

적용사례 :
주로 장식적, 기능적인 용도로 사용된다. 싱크대, 조리대, 조리기구, 나이프, 포크, 숟가락은 물론 건축물의 금속 공사에도 두루 쓰인다. 또한 가구에서부터 조명, 쥬얼리까지 디자인 용품에도 널리 쓰인다.
 

◦ 공구강 Tool Steels
특성 : 공구강은 주로 가공용 공구 제작에 사용하며 탄소와 합금 함유량이 인성, 내마모성을 높여 준다. 특성을 향상시킨 고속도강(HSS, High-speed steel)과 다이스강과 단조형용의 강철 등이 있다.
적용사례 : 스크루드라이버, 망치, 절단팁, 톱날 등 공구 제작에 주로 쓰인다.

스틸의 가격 : 탄소강이 가장 저렴하고 공구강이 가장 비싸다. 탄소강 < 저합금강< 스테인리스강 < 공구강

 

알루미늄합금 Aluminium Alloys
가볍고 열전도성이 있는 알루미늄합금은 무독성으로 음식과 음료의 맛에 영향을 주지 않는다. 음료수 캔 깡통으로 널리 쓰이는 알루미늄합금은 우리에게 가장 친숙한 금속 중에 하나다. 이 금속은 주로 장식용이나 여러 기능적인 용도에 사용된다.

특성 : 알루미늄의 원료는 보크사이트 광석이다. 대략적으로 보크사이트 3kg에서 0.5kg의 알루미늄밖에 얻지를 못한다. 그래서 알루미늄을 재활용하면 보크사이트 광석으로 알루미늄을 만드는데 필요한 에너지를 절약할 수 있다. 순수 알루미늄은 매우 부드럽고 연성이 있다. 우리가 흔히 접하는 알루미늄합금은 적은 양의 구리, 마그네슘 등의 금속이 첨가된 합금으로 강도가 크며 내식성이 우수하다. 또한 알루미늄합금은 내열, 광휘 등 목적에 따라서 다른 금속을 배합하여 다양하게 사용한다.

[이미지 2] Beosound 3200 / Bang&Olufsen / 2003
뱅앤올룹슨은 스피커 캐비닛에 주로 알루미늄을 사용한다. 알루미늄은 소리의 전달력이 좋고 공명성(소리가 울리는 정도)이 뛰어난 금속이다. 이 스피커의 알루미늄은 자연조명이나 인공조명에 반사되면 은은한 빛을 띠면서 집안에 활기를 불어넣어 주는 조명 역할까지 한다. (이미지 출처 : www.bang-olufsen.com )

적용사례 : 패키지, 음료수 캔, 조리기구 등 일상적인 생활용품 전반에 걸쳐 널리 사용된다. 몇몇 가전제품과 가정용 기기들도 알루미늄으로 만들어 진다. 또한 자동차 기계장치, 엔진, 몸체 등에도 사용되고 비행기, 기차 등에도 사용된다. 특히 선박에는 다량의 알루미늄이 사용된다. 창틀, 문 등을 비롯한 건축자재에도 널리 사용된다.

알루미늄합금의 가격 : 중가에서 고가까지 다양하다.

 

마그네슘합금 Magnesium alloys
마그네슘합금은 알루미늄에 비해 높은 하중을 견디는 장점을 가지고 있지만 상대적으로 고가이다.

특성 : 마그네슘은 은백색의 가벼운 금속으로 가늘고 길게 늘어나는 성질이 있어 얇은 박 또는 철사 등으로 만들기 쉽다. 그러나 마그네슘을 제련하기 위해서는 많은 에너지를 소비해야 하고 산화물을 제거하는 과정을 거쳐야 하기 때문에 알루미늄에 비해 비싸다. 마그네슘은 주로 알루미늄, 규소 또는 아연과 합금을 만드는데 이는 특별한 제품 성형에 응용하기 위해서이거나 노화에 의한 균열에 민감한 성질을 줄이기 위해서이다.
마그네슘합금은 통상적으로 다이캐스팅(die casting), 수퍼포밍(superforming), 아노다이징(anodizing)과 같은 마감 공정을 거친다. 마그네슘합금은 알루미늄에 비해 광택이 적고 전도성이 낮으며 알루미늄에 비해 상대적으로 부식에 약하다. 특히 염분이 함유된 수분과 접촉하면 더 쉽게 부식된다.
마그네슘은 폭발성을 가지는데 특히 가루 형태일 때 더욱 그러하다. 이것은 밝은 불빛을 내뿜기 때문에 주로 폭죽이나 신호탄에 쓰인다.

[ 이미지 3 ] D3S 마그네슘합금 바디 / Nikon / 2009
니콘의 정밀한 마그네슘합금 바디는 가볍고 견고하며 내구성이 높다.
(이미지출처 : 왼쪽 http://d3s.nikon-image.co.kr/reliability  오른쪽 http://www.nikon-image.co.kr)

적용사례 : 마그네슘합금의 적용사례는 알루미늄합금과 비슷한데 그보다 더 강한 하중은 견뎌야 할 때 주로 사용된다. 여타 금속들에 비해 가볍기 때문에 오래전부터 자동차 섀시, 엔진 부품, 고성능 자동차의 차체를 만드는데 사용된다.
또한 방열성과 전자파를 차단하는 성질이 주목받아 노트북, 휴대전화, MP3 플레이어, 캠코더의 케이스로 쓰이고 자전거의 프레임과 테니스 라켓과 같은 스포츠용품에도 널리 사용된다.

마그네슘합금의 가격 : 중가에서 고가까지 다양하다.


티타늄합금 Titanium alloys

티타늄합금은 알루미늄과 마그네슘을 대체하는 다소 비싼 소재이어서 상당한 하중을 견딜 수 있는 월등한 감력이나 뛰어난 내식성을 필요로 하는 경우에 적용할 수 있다.

특성 : 티타늄 생산은 알루미늄이나 마그네슘 생산보다 더욱 많은 에너지를 필요로 하기 때문에 다소 가격이 높다. 티타늄은 특히 소금물과 특정 화학물질에 대한 내식성이 뛰어나다.
알루미늄처럼 표면에서 자연적으로 생성되는 산화물이 티타늄을 보호한다. 이러한 양극 처리(산화 피막 생성)를 통해 층을 두텁게 하고 보호강도를 보다 높일 수 있다. 산화물은 통기성이 뛰어나며 그 표면에 다양한 색상을 도포할 수 있다는 장점이 있다. 티타늄은 산소와의 반응성이 뛰어나기 때문에 고온 처리공정은 보통 진공 상태나 불활성기체 상태에서 진행한다. 방적(급회전), 각인(stamping)이나 슈퍼포밍(superforming)과 같은 저온 처리공정은 상온 상태에서 진행되므로 알루미늄 공정과 비슷한 난이도로 처리할 수 있다.

[ 이미지 4 ] Guggenheim Museum in bilbao, Spain / Frank Gehry / 1997
스페인 북부 바스크 자치주의 해안도시의 빌바오 구겐하임미술관은 그 빼어난 아름다움 덕분에 '메탈플라워(Metal Flower)'라 불리고 있다. 꽃잎처럼 마음대로 이리 구불 저리 구불 하늘을 향해 춤추는 구조는 세상 어느 건축과도 닮지 않았다. 물고기 비늘처럼 표면에 붙어 있는 수십만 개의 티타늄 판들이 은은한 빛을 내 뿜어 그 아름다움을 더하고 있다. (이미지 출처 : www.guggenheim-bilbao.es )


[이미지 5] S9 Matta Titanium bicycle frame / Bianchi / 2006
전통을 자랑하는 이탈리아 자전거 브랜드 비앙키의 로드바이크로 프레임이 티타늄으로 제작되었다.
(이미지 출처 : www.thebikeshop.de / www.bicyclesroadbikes.com )

적용사례: 대표적 적용사례로 프랭크 게리가 디자인하고 1997년 완공된 스페인 빌바오 구겐하임미술관의 금속 외장재를 들 수 있다. 티타늄은 독성이 없어서 뼈나 관절 대체 혹은 강화용으로 활용하거나 치과 임플란트, 피어싱, 보석류에 사용한다. 또한 알루미늄이나 마그네슘처럼 휴대폰이나 카메라, 노트북 등의 케이스에도 사용한다. 특히 낮은 밀도와 낮은 탄성률 때문에 스프링에 적합하다. 티타늄으로 제작된 스프링은 강철류에 비해 무게와 크기가 절반 이하이기 때문에 경기용 모터사이클, 자동차, 항공우주 부문에서 사용하기도 한다.

티타늄합금의 가격 : 다른 금속 소재에 비해 매우 비싼 편이다.


구리합금 Copper alloys
구리 합금은 연성이며 융점(녹는점)이 낮아서 형태를 만들기가 쉽다. 구리는 표면에 장식적인 산화보호층이 생기며 이 보호층은 시간이 지나면 색이 변한다.

특성 : 구리는 효율적인 열, 전기 전도체이다. 또한 항균성이 있는 위생적인 소재로 알려져 있다. 다양한 종류의 박테리아들이 구리와 접촉하면 중화되기 때문에 병원 문고리에 구리를 쓰는 경우가 많다. 구리는 막 생산됐을 때는 밝고 불그스름한 분홍색을 띠는데 이 색깔은 오래 지속되지 않는다. 표면에는 재빨리 짙은 갈색의 산화물 층이 생성되는데 이 또한 시간이 지남에 따라 점차 푸르스름해져 녹청색에 가까워진다. 이 녹청색 막은 장기간 노출하면  매우 견고해진다. 즉 구리는 관리가 필요 없으며 오래 지속된다. 구리의 변색은 산소, 이산화유황, 대기 중의 습도에 영향을 받는다. 구리는 실내에서 매우 천천히 변화하지만 바닷가나 공업지대 근처에서는 5년 정도 지나면 녹색 황산염층이 생긴다. 아연이나 주석과 합금할 경우 구리는 점도가 더 낮아져서 복잡한 형태를 주조하는데 적합하다.
황동은 구리와 5~45%의 아연 합금이다. 표면에 푸르스름한 갈색 산화보호층이 생기며 시간이 지남에 따라 짙은 갈색으로 변한다. 황동은 아연의 양에 따라 매우 여러 종류로 분류할 수 있다. 황동은 아연 함량이 높을수록 딱딱하지만 부서지기 쉬워진다. 청동은 구리와 40%의 주석과의 합금이다. 청동의 산화보호층은 훨씬 느리게 생성되며 갈색을 띤다.


[이미지 6]오른쪽) Villa ArenA, Amsterdam / Virgile & Soone Associates Ltd. and Benthem Crouwel Architecten Leebo bouwsystemen / 2001
네덜란드 암스테르담의 Villa ArenA(가정용 가구 전문 쇼핑몰) 내에 있는 레스토랑이다. 런던 Virgile&Stone에서 설계, 시공하였으며 마치 우주선처럼 거치되어 있는 모습을 하고 있다. 철골 구조로 되어 있고 외부 마감재 독일의 KME사에서 제작된 TECU 페인팅 된 구리를 사용했다. (이미지 출처 : www.virgileandstone.com )
왼쪽) Almere Urban Entertainment Centre/ Will Alsop Architects/ 2005
Alsop이 디자인한 Urban Entertainment Centre. 다양한 형태의 이 건물은 풍성하고 새로운 도시의 풍경을 만들기 위해 다양한 재료를 사용했다. Pop Zaal이 아연과 스틸로 덮인 강화 콘크리트 구조로 되어 있는 반면 유통센터는 금속 재질로 되어 있다. ( 이미지 출처 : www.alsopsparch.com )

적용사례 : 구리 활용사례의 대다수는 그 전도성과 관련이 깊다. 이러한 예는 전선, 전열선, 냄비나 프라이팬의 전도성 바닥 등에서 쉽게 찾아볼 수 있다.
또한 대체로 장식 및 복원 용도로 산화 처리하여 지붕 및 외장재에 사용한다. 이밖에도 장식적인 금속작품이나 조각 등의 예술작품에도 자주 쓰인다. 뉴욕 자유의 여신상은 구리로 만들어졌는데 오랜 기간 노출되면서 그 표면에 산화보호층이 형성되어 녹청색으로 보이는 것이다. 한편 트럼펫, 색소폰, 심벌즈 등의 악기도 황동이나 청동으로 제작된다.

구리합금의 가격 : 중저가 정도이다.


귀금속 Precious metals

은, 금, 백금으로 대표되는 이 소재들은 매우 희소성이 높은 고가의 금속으로서 내식성이 매우 뛰어나다. 또한 매우 효율적인 열전기 전도체이며 동시에 독성이 없는 소재들이다.

특성 : 은은 색상이 밝으며 반사성이 높지만 표면이 쉽게 산화되기 때문에 밝기를 유지하기 위해서 자주 광을 내거나 색상을 덧입혀야 한다. 다른 귀금속들과 마찬가지로 은은 매우 효율적인 전도체이다. 은 이온은 항균성이 있다. 비근한 사례로 예부터 은수저는 음식의 독성을 가리는 리트머스종이로 사용되었다.
은 제품은 전기주조와 전기도금 공정을 통해 거의 완전한 은으로 생산할 수 있다. 금은 연성이 높아 단련할 수 있는 소재이다. 금은 두들겨서 초박형 판, 즉 금박으로 가공할 수 있다. 금의 표면은 빛나며 변색되지 않도록 마감되어 있다. 순수한 금은 노란빛을 띤다. 또한 합금 함유물에 따라 다양한 색상으로 생산할 수 있다. 붉거나 핑크색 계열의 금에는 구리가, 흰색 금에는 백금이나 은 또는 아연이, 보라색 금에는 정량의 알루미늄이 함유되어 있으며 파란색이나 검은색 금도 가능하다. 다른 금속 소재들과 금을 합금하면 색상뿐만 아니라 물리적 특징도 변경할 수 있다.
금의 순도는 캐럿(ct)으로 측정한다. 24캐럿이 순수한 금이며 18캐럿은 75%, 14캐럿은 58.3%, 10캐럿은 41.1%이다. 대다수의 국가들과는 다르게 영국은 금의 허용 오차를 인정하지 않는다고 한다.
백금은 이 세 가지 귀금속 중 가장 희귀하다. 때문에 가치가 높고 가장 고가의 금속이다. 백금은 단단하고 내구성이 높고 연성이며 마모, 공기 및 다양한 화학물질로 인한 부식에 강하다. 백금은 매우 뛰어난 전도체이자 촉매이다. 또한 백금은 다른 금속들 중 로듐, 팔라듐, 이리듐을 포함하는 백금족원소에 해당한다.


[이미지 7] Bedside Gun Light / Philippe Starck / 2005
필립 스탁이 디자인하고 FLOS라는 회사에서 만든 스탠드. 18k 금으로 도금된 권총 모양의 보디와 세련된 검정색 갓의 조화가 시쳇말로 ‘럭셔리’한 디자인을 표현하지만, 필립 스탁은 이 ‘블링블링’한 권총 스탠드를 통해 뜻밖에도 사회적인 메시지를 담았다고 말한다. 바로 황금색 권총에 ‘돈과 전쟁의 결탁’이라는 거창한 의미를 내포한다는 것. 검정색 갓은 묘지를, 갓 안쪽의 십자무늬는 죽은 자를 기리는 마음을 각각 상징한다고 한다. 이미지의 충돌이 곧 의미의 아이러니로, 나아가 사회 문제의 이면을 들추는 텍스트로 확장되는 것이다. 필립 스탁은 그의 제작 노트에 “나는 디자이너이고, 디자인은 나의 유일한 무기이다. 나는 디자인을 통해 내가 중요하게 생각하는 것을 말한다”고 썼다. 2005년에 선보인 이 ‘건 컬렉션’은 각각 소형 권총, 중간 크기의 AK47, 그리고 장총 M16 등 세 가지 크기와 형태의 스탠드로 제작, 출시됐다. (이미지 출처 : www.starck.com )
    
적용사례
: 은은 주로 산업 및 장식용으로 사용된다. 장식용의 예로는 보석류, 식기류 등이 있다. 은 이온은 항균력 때문에 박테리아나 균의 성장을 억제하기 위한 도료, 분말 마감, 광택제 등에 사용된다.
금은 화려하고 번쩍번쩍 빛나기 때문에 보석류, 식탁용품 및 메달에 유용하다. 또한 독성이 없기 때문에 치아 보정 및 보철에 사용된다. 또한 골드쉴뢰거(주류)의 금박가루처럼 음식과 음료에 사용하기도 한다. 높은 전도성과 변질되지 않는 표면 특성 때문에 고성능 음향시스템 및 원격통신시스템의 케이블에 활용되기도 한다.
백금은 부식되거나 변색되지 않고 독성이 없기 때문에 보석류와 의료기기에 사용한다. 또한 매우 효율적인 촉매이기 때문에 촉매 변환장치에 사용된다. 백금은 오염원인 배기가스를 물, 이산화탄소 등 덜 해로운 물질로 전환하는 작용을 촉진시킨다. 백금은 화학 요법 약물에 포함되는 요소이므로 암 치료에도 중요할 역할을 차지한다. 백금은 또한 암세포의 DNA를 공격하고 세포 증식을 막는 작용도 한다.

귀금속의 가격 : 비싸다. 특정 금속은 매우 비싸다. 은이 가장 덜 비싸며 백금은 금보다 상당히 비싸다.


디자이너의 혼이 숨 쉬는 열정의 소재, 금속
디자이너에게 금속은 쉽지 않은 소재다. 적잖은 비용과 쉽지 않은 가공법 때문에 문자 그대로 철옹성 같은 소재다. 그러나 이러한 이유 때문에 더욱 매력적인 소재다.
앞서 말했듯 금속은 냉정하다. 아니, 금속은 열정적이다. 가장 선명하게 냉정과 열정 사이를 오가는 소재다. 때문에 디자이너의 혼과 정열을 가장 섬세하게 아로새길 수 있는 소재도 금속이다. 마치 디자이너의 실력과 열정처럼 '갈고 닦아서' 가장 빛나는 소재가 아니던가.

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