마스터스 골프장 벙커의 모래가 미국 반도체 패권의 비밀 병기라고? [김기철의 역사를 바꾼 사물들]
마스터스 골프대회가 열리는 미국 조지아주 오거스타 내셔널 골프코스의 11~13번 홀을 ‘아멘 코너’라고 부른다. 하도 어려워서 세계적인 프로 골퍼들도 ‘아멘(amen)!’ 기도하는 심정으로 샷을 날려서 붙여진 이름이다. 지난 2020년 대회에서 6번째 그린 자켓을 노리던 골프 황제 타이거 우즈는 아멘 코너 12번 파3홀에서 셉튜플 보기(Septuple bogey), 그러니까 무려 7 오버파를 기록했다. 그린 앞 연못에 3번, 그린 앞뒤의 벙커에 2번 빠진 탓이다.
오거스타 벙커의 모래는 오거스타에서 북쪽으로 300km쯤 올라가면 나오는 노스캐롤라이나주 스프루스 파인에서 온 것이다.
애팔래치아 산맥 동쪽 골짜기(valley)에 자리한 스프루스 파인은 미국의 원조 ‘실리콘 밸리’다. 이곳에서 나는 석영(quartz)이라는 광물에서 순도 99.999999999%의 실리콘이 생산될 수 있었고 이것이 트랜지스터의 재료로 활용됐기 때문이다.
스프루스 파인에서 생산되는 석영에서 트랜지스터 등에 활용되는 고순도 실리콘을 뽑아 내고 남은 조각들은 새하얀 모래가 된다. 이 모래가 바로 오거스타를 상징하는 하얀 벙커의 모래로 쓰인다. 그러니까 최첨단 휴대폰에 들어가는 고순도 실리콘과 타이거 우즈가 마스터스에서 벙커샷을 날리던 벙커의 새하얀 모래는 모두 같은 고향을 두고 있다. 어떤 모래는 첨단 장비의 재료가 되고 어떤 모래는 골프장의 벙커가 된다.
‘모래성’ ‘사상누각’이라는 말처럼 모래는 무너지기 쉽고 부서지기 쉬운 상태를 상징하는 단어지만 인류 문명, 특히 현대 문명은 모래 위에 세워졌다. 현대의 도시야말로 모래성이고 우리를 연결해주는 것도 모래알들이다.
지금의 세계에서 모래를 모두 사라지게 하면 모든 건물과 도로는 무너져 내릴 것이고 모든 전자제품은 멈출 것이다. 지금 이 글을 쓸 수도 없고, 여러분들은 이글을 읽을 수도 없다. 세상은 모래로 구성돼 있고 모래로 움직이고 있다.
수천년 전에 꽃핀 세계 각 지역의 문명 중에서 유독 로마 문명의 유적이 지금까지 예전 모습 그대로 잘 남아 있다. 기원전 다른 문명의 유적 중에는 이집트의 피라미드나 중국의 만리장성(지금 남아 있는 만리장성의 대부분은 후대에 쌓여진 것들이다) 등 돌로 된 거대 건축물 정도가 남아 있는데 반해서 로마의 건축물 중에는 여전히 당시의 모습을 유지하고 있는 것들이 많다.
그중 가장 유명한 콘크리트 건축물은 2000년 전에 지어진 판테온이다. 거대한 콘트리트 돔으로 덮여 있는 판테온의 지붕은 지금까지도 철근으로 보강하지 않고도 버티고 있는 세계에서 가장 큰 구조물이다.
로마인들이 콘크리트 공법을 어떻게 개발했는지는 명확히 알려진 바가 없다. 가설 중 하나는 나폴리 인근의 포주올리 지방에서 운좋게 점성이 있는 물질을 발견해서 그것을 모래와 섞어 쓰기 시작했다는 것이다. 그 물질이 바로 ‘포졸란’이라고 불리는 포주올리 지방의 화산재였다. 포졸란을 모래나 자갈 등과 섞어 사용하니 내구성이 뛰어난 재료가 됐다.
로마인들은 또 콘크리트의 구조적인 문제, 즉 수축과 균열을 해결하기 위해 반죽에 말의 털을 섞어서 사용하기도 했다.
<콘크리트, 지구를 덮다 (Concrete Planet)>의 저자인 로버트 쿠얼랜드는 “로마인들은 콘트리트의 생산과 사용법을 체계화했고, 커다란 거푸집을 짜서 튼튼하고 거대한 건축물을 만들었다”고 주장한다.
주택과 공공건물은 물론, 공중 목욕탕, 콜로세움, 판테온 등 로마가 자랑하는 건축물은 대부분 콘크리트를 사용한 모래로 지어졌다. 하지만 로마의 쇠퇴와 함께 로마 문명의 기초가 된 콘크리트 공법도 사람들에게 잊혀져 갔다. 그 이유에 대해 작가 마크 미오도닉은 <사소한 것들의 과학>에서 “아마도 콘크리트 공법이 사용되지 않게 된 이유는 근본적으로 그것이 산업의 성격을 띠기에 그만한 산업을 지탱해줄 제국을 필요로 하기 때문일 것”이라고 분석했다.
1750년대쯤 영국의 토목기사였던 존 스미턴은 플리머스 해안가에 등대를 짓고 있었다. 물속에 쌓은 화강암 덩어리들을 고정시킬 방법을 찾다가 석고 등을 활용한 수경 시멘트 제조법을 생각해냈다.
스미턴의 이 같은 시도가 계속 이어져 ‘로만 시멘트’라는 재료가 만들어졌다. 스미튼의 방식은 자연의 풍파에도 끄떡없다는 사실이 증명됐고 로만 시멘트가 널리 쓰이게 됐다. 템스강 아래로 건설된 터널이 바로 로만 시멘트를 활용한 건축물이었다.
1824년 조지프 애스프딘이라는 벽돌공은 ‘로만 시멘트’를 개선해서 새로운 시멘트 제조법 특허를 받았다. 석회석을 곱게 빻은 뒤 고온으로 굽는 방식이었다. 이렇게 만드니 다른 시멘트보다 강도와 내구성이 비교할 수 없게 뛰어났다. 애스프딘이 만든 시멘트의 색깔이 영국 남부 포틀랜드에서 나는 석회석 색깔과 비슷하다고 해서 ‘포틀랜드 시멘트(Portland cement)’라는 이름이 붙었고 이것이 오늘날 사용하는 시멘트의 이름이 됐다.
포틀랜드 시멘트의 등장으로 콘트리트 사용이 늘어났지만 콘크리트는 치명적인 약점을 지니고 있는 건축재료였다. 압축력은 강하지만 인장력은 약했기 때문에 고층건물이나 교각, 교량의 재료로 활용하는 데 한계가 분명했던 것이다.
1867년 프랑스의 자크 모니에라는 정원사가 커다란 나무를 심을 수 있는 화분을 만들다 콘크리트의 인장력을 늘릴 수 있는 돌파구를 찾았다. 콘크리트 안에 철망을 보강하는 방법이었다.
콘크리트가 철근과 만나면서 비로소 건축재료로서 완벽해졌다.
1906년 4월 18일 새벽 강력한 지진파가 캘리포니아 해안을 강타해 샌프란시스코에서는 대규모 지진과 함께 며칠간 화재가 이어졌다. 리히터 규모 7.8에 이르는 대지진이었다. 샌프란시스코 대지진으로 불리는 이 재앙으로 최소 3000여명이 희생됐고, 도시의 건물 80%가 붕괴돼 30만명의 사람들이 집을 잃었다. 당시 샌프란시스코 인구가 41만명이었으니 사실상 대부분 시민들의 집이 사라진 것이다.
대지진은 많은 것을 바꾸어 놓았다. 당시 샌프란시스코는 미국 대륙에서 태평양으로 통하는 관문 항만으로 위상이 높아져 가고 있는 상황이었는데 대지진으로 항만 시설이 파괴되면서 그 기능을 대부분 로스앤젤레스에 넘겨주게 된다.
미국 지질조사국이 실시한 지진 피해 보고서 작업에 참여했던 미국 공병단의 존 슈얼 대위는 보고서에서 “철근 콘크리트가 지진 충격 속에서 보여준 성능은 부인할 수 없다. 단일한 콘크리트 구조체는 지진 단층 위에 놓여 있지만 않다면 심각한 지진 충격에도 안전하다”고 주장했다.
당시 미국에서 가장 유명한 기업가이자 발명가였던 토머스 에디슨 역시 샌프란시코 대지진 이후 콘크리트 전도사로 나섰다. 지진 발생 후 뉴욕의 한 행사장에서 “다음번에는 어떤 놀라운 발명품을 선보일 계획이냐”는 질문을 받고 에디슨은 “콘크리트 주택”이라고 답했다. 에디슨은 거기서 한 걸음 더 나가 콘크리트 가구, 콘크리트 피아노까지 만들겠다고 했다.
에디슨의 상상이 실현되지는 않았지만 콘크리트가 도시를 뒤덮기 시작했고 그에 따라 모래 사용량이 폭증했다. 1902년 미국에서 사용된 모래와 자갈은 45만 2000톤이었으나 7년 후에는 5000만톤이 넘었다.
뉴욕의 마천루는 사실 롱아일랜의 모래가 있어서 가능했고 시카고는 미시간호 바닥의 모래를 긁어 모아서 만들어졌다.
젊은 대위는 주저없이 수송대에 자원했다. 육군사관학교를 졸업하고 유럽에서 발발한 1차 세계대전에 참전하고 싶었지만 그러지 못했을 뿐 아니라 동기생들이 전쟁 참전으로 훈장을 받는 것을 지켜봐야만 했던 젊은 대위는 책상 앞에서 벗어나기 위해서 대륙횡단 작전에 지원한 것이다. 그 젊은 대위가 나중에 제2차 세계대전의 영웅이자 미국의 대통령이 되는 드와이트 아이젠하워였다.
차량 81대(트럭, 오토바이, 구급차, 야전 취사장 등)로 구성된 대륙횡단 수송대는 1919년 7월7일 워싱턴DC를 출발했다. 그런데 출발 4시간만에 식당차를 연결하는 장치가 파손됐다. 비포장 도로를 달려야 했기 때문이었다.
우여곡절 끝에 임무를 완수한 수송대는 이런 내용의 보고서를 올렸다. “군사적 목적으로 자동차를 활용하기 위해서는 차의 품질 개선도 필요하지만, 엉망인 도로를 개선하는 것이 급선무.”
자동차의 보급이 확대되면서 포장도로도 증가했다. 1904년 미국 포장도로의 총 길이는 230여km에 불과했지만 1926년에는 84만km를 넘어섰다. 포장도로 1.6km(1마일)를 건설하는데 대략 모래 2000톤이 들어갔다는 것을 감안하면 미국에서만 얼마나 많은 모래가 사용됐는지를 알 수 있다.
젊은 시절, 도로의 중요성을 절감했던 아이젠하워는 훗날 대통령이 된 후인 1956년 6월 29일, 연방 고속도로법에 서명했다. 총연장 77,017㎞, 거미줄처럼 촘촘한 오늘날 미국의 ‘주간(州間) 고속도로(Interstates Highway)’ 망은 이 법 제정으로 깔리기 시작했다. 아이젠하워가 이 사업에 투여한 모래와 자갈만 15억톤이 넘는다. 이 정도 양이면 지구에서 달로 이어지는 2차선 도로를 왕복으로 만들고도 남을 양이었다.
아스팔트 도로든, 콘크리트 도로든 세계의 모든 도로는 이제는 모래와 자갈로 이루어져 있다. 국제에너지기구는 2050년이면 전세계에 포장도로가 2414만km가 더 놓일 것이라고 예측한다. 지구 전체가 모래로 만들어진 거미줄에 둘러싸일 것이라는 얘기다.
쇼클리는 벨연구소에서 동료 과학자들과 함께 이 현상에 대한 연구를 더 진행시켜 1948년 ‘트랜지스터’라는 이름의 물건을 세상에 내놓았다. ‘타임’지는 당시 ‘작은 뇌세포’라는 커버스토리 제목으로 이 뉴스를 전하며 트랜지스터가 가져올 변화의 방향을 정확하게 예측했다. 이 트랜지즈터가 집적에 집적을 더 한 끝에 오늘날 세계 기술 전쟁의 핵심인 반도체가 됐다.
반도체는 유리에 이어 인류가 모래에서 찾아낸 가장 중요한 발명품이다. 세상에서 가장 흔한 물질인 모래에서 티지털 혁명의 핵심 원소를 발견한 것이다.
그렇다고 세상의 모든 모래로 첨단 핵심 소재를 만들 수는 없다. 모든 모래로 집을 지을 수 없는 것과 같다. 첨단 전자 장비에는 고품질 재료가 필요한데 현재 지구상에 알려진 가장 순정한 실리콘은 미국 노스캐롤라이나주 스프루스 파인 인근의 돌산에서 얻는다. 그러니까 전 세계에 흩어져 있는 수백만 대의 디지털 장비 안에는 스프루스 파인의 작은 모래 알갱이가 들어 있는 셈이다. 오거스타 내셔널클럽 벙커의 하얀 모래와 고향이 같은 모래들이다.
스프루스 파인 석영은 톤 당 1만 달러에 팔린다. 석영 광석은 기계와 폭약으로 땅에서 채굴해 분쇄기로 보낸다. 거기서 자갈돌 크기의 석영이 쏟아져 나온다. 가공 처리 공장에서 석영 돌이 미세한 모래로 분쇄된다. 거기에 물과 화학 물질이 첨가되면, 실리콘과 기타 광물이 분리된다. 이렇게 추출된 실리콘은 마지막 공정을 거쳐 분말 형태로 부대에 담기고, 정련 공장으로 보내진다. 나머지 가루는 골프장 벙커의 하얀 모래로 사용된다.
기술이 발전했지만 인간이 자연의 한계를 뛰어넘는 것은 쉬운 일이 아니다. 미국에서 반도체 기술이 태동했지만 스프루스 파인의 순도 높은 석영이 없었다면 이 기술이 산업화되기는 쉽지 않았을 것이다. 미국의 혁신 엔진인 실리콘 밸리는 샌프란시스코 옆에 있지만 실제 혁신 산업을 지탱하는 실리콘은 바로 노스캐롤라이나 스프루스 파인에서 나온다. 이곳이야 말로 말 그대로의 실리콘 밸리인 셈이다.
사실 땅 속이나 바다 속에 ’셰일 오일‘이 존재한다는 것이 확인된 것은 오래된 일이다. 문제는 그것을 어떻게 경제성 있게 채취할 수 있는가였다.
2000년 텍사스의 석유 사업가 조지 미첼은 수압파쇄법을 개선해서 땅속의 셰일가스를 끌어올리는 방법을 개발했다. 그가 사용한 방법은 모래를 사용하는 것이었다. 시추관을 통해서 모래를 고압으로 분사하여 주변부 셰일층을 부순 뒤, 분사된 모래가 균열 부위에 끼어 들어가 암석이 열려있도록 유지 시켜주고 그 틈새로 가스를 뽑아내는 것이었다.
수압파쇄용 시추관에도 엄청난 양의 모래가 사용된다. 시추관 한곳에서만 2만5000톤의 모래가 쓰인다고 한다. 문제는 아무 모래나 사용할 수 없다는 점이다. 일단 석영 함유량이 95%가 넘을 정도로 단단해야 하고 가스가 틈새로 잘 빠져 나오기 위해서는 모래의 입자가 둥글어야 한다.
미국에서 이런 조건을 갖춘 모래는 위스콘신주 등 몇 개 지역에 한정됐다. 셰일가스 열풍이 불면서 덩달아 수압파쇄용 모래 확보가 또 다른 형태의 자원전쟁이 됐다.
예를 들어 중동의 사막에 가득한 모래들은 대부분 건축 재료로 가치가 전혀 없다. 사막 모래는 바람이나 물에 의해서 만들어진 것이 아니라 모래 알갱이들이 부딪히면서 만들어지기 때문에 모서리가 둥글게 깍여 있다. 둥근 물체는 각진 물체에 비해서 결합력이 떨어진다. 시멘트와 섞였을 때 강도가 강화되지 않는다는 얘기다. 이런 이유로 알갱이가 둥근 사막 모래는 건설용으로 부적합하다.
전 국토의 90% 이상이 사막인 사우디 아라비아가 세계 최대의 모래 수입국 중 한 곳이라는 아이러니가 이런 사실을 증명한다.
유엔환경계획은 ‘모래와 지속 가능성:위기를 피할 10가지 권고’라는 제목의 보고서에서 “모래에 대한 인류의 의존도를 감안할 때 모래를 전략적 자원으로 인식해야 한다”고 강조했다. 모래가 건축물과 각종 구조물을 짓기 위한 골재, 반도체·디스플레이 제조와 같은 첨단산업의 소재 등으로 활용되는 것을 넘어 지구의 환경과 생태계 서비스 유지에 중요한 기능을 수행하기 때문이다. 과도한 모래 채취에 따른 이런 기능의 약화는 인간의 안전을 위협하고 어업과 관광 산업에 의존하는 주민의 생계에까지 타격을 줄 수 있다. 문제는 앞으로 인구 증가와 도시화에 따른 모래 수요가 계속 늘어날 것이라는 점이다.
인간과 지구의 지속 가능성은 어쩌면 이토록 흔하고 하찮은 작은 알갱이, 모래를 어떻게 확보하고 관리하느냐에 달려있는지도 모를 일이다.
그래서 시인 정끝별처럼 모래에게 질문해야 한다.
‘모래는 뭐래?’
모래는 어쩌다 얼굴을 잃었을까?모래는 무얼 포기하고 모래가 되었을까?모래는 몇천번의 실패로 모래를 완성했을까?모래도 그러느라 색과 맛을 다 잊었을까?모래는 산 걸까 죽은 걸까?모래는 공간일까 시간일까?그니까 모래는 뭘까?쏟아지는 물음에 뿔뿔이 흩어지며모래는 어디서 추락했을까?모래는 무엇에 부서져 저리 닮았을까?모래는 말보다 별보다 많을까?모래도 제각각의 이름이 필요하지 않을까?모래는 어떻게 투명한 유리가 될까?모래는 우주의 인질일까?설마 모래가 너일까?허구한 날의 주인공들처럼
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