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총알을 막아주는 방탄복은 군인이나 경찰에게 꼭 필요한 장비다. 하지만 막상 만져보면 갑옷처럼 무겁고 뻣뻣해 입기가 꺼려진다. 목숨이 오고 가는 상황에서 행동이 굼떠지면 위험하긴 마찬가지기 때문이다. 가벼우면서도 튼튼한 방탄복은 없을까.

총알이 갑옷을 역사 속으로

중세 이전의 군인들은 적의 칼이나 화살을 막기 위해 쇠나 동물의 가죽, 두꺼운 천 등으로 만든 갑옷을 입었다. 이런 갑옷은 현대의 방탄복보다 훨씬 무거워서 20~30kg이 넘기도 했다. 하지만 적의 공격을 막으면서도 나 자신은 그럭저럭 공격할 수 있으니 충분히 입을 가치가 있었다. 이런 갑옷은 근대 이후에 완전히 사라졌다. 총이나 포탄이 개발되면서 구식 갑옷을 입는 사람은 찾아볼 수 없게 됐다. 수십 kg을 껴입어도 충분한 방어 능력을 얻을 수 없다면 차라리 가볍게 입고 발 빠르게 움직이는 편이 나았다.

박물관에 전시된 중세 기사의 갑옷. 총의 발달로 구식 갑옷은 박물관 유물이 되었다. < 출처 : (cc) quinet at Frickr >

티셔츠 한 장으로 총알 막는 건 ‘거짓말’

하지만 창이 있으면 방패가 생겨나는 법. 20세기 이후부턴 총알을 막을 수 있는 방탄복이 등장하기 시작했다. 더 좋은 방패를 만드는 가장 중요한 기준은 언제나 ‘무게 대비 튼튼함’ 이다. 다른 방패와 똑같이 튼튼하다면 더 가벼워야 하고, 똑같이 가볍다면 더 튼튼해야 한다. 영화 [7급 공무원]을 보면 얇은 천으로 만든, 겉보기엔 보통 티셔츠랑 별반 다를 것도 없는 방탄복을 옷 속에 받쳐 입는 장면이 나온다. 워낙 얇다 보니 속에 방탄복을 입고 있는지 분간도 되질 않는다.

이만큼 뛰어난 방탄복은 아직 세상에 없다. 얇은 셔츠 한 겹으로 총알을 막을 만큼 튼튼한 소재도 없거니와, 있다고 해도 뒤 쪽으로 전달되는 충격 때문에 큰 부상을 입는다. 물론 옷 속에 입는 은닉형 방탄복도 있지만 넉넉한 옷을 입어야 겨우 눈을 속일 수 있을 정도이고, 힘이 약한 권총탄 정도만 막을 수 있다.

미 해병대의 신형 방탄복(MTV)은 방탄 성능이 뛰어난 것은 물론, 손쉽게 입고 벗을 수 있는 '원터치 해체방식'을 도입했다. 그러나 섬유로 된 부분은 권총탄만 막을 수 있으며, 소총탄은 주요 부위에 세라믹 판을 끼워서 막는다.

현재 쓰이는 방탄복은 조끼 형태로 만드는데, 총알을 막으려면 최소한의 두께가 필요하기 때문이다. 무겁고 뻣뻣해서 활동도 불편하다. 그러니 내장 등 중요한 기관이 모여 있는 몸통을 보호하고, 총을 맞아도 생명에 큰 지장이 없는, 그러나 가볍게 움직이는 게 더 중요한 팔과 다리는 웬만해선 고려하지 않는다. 꼭 필요한 경우엔 낭심이나 목, 어깨까지 가려주는 경우도 있지만 어디까지나 조끼 형태를 크게 해치지 않는 선에서 타협을 본다.

방탄 성능도 영화에서 보던 것과는 차이가 있다. 세상에는 여러 종류의 총과 총알이 있으니 저마다 파괴력이 다르다. 흔히 군대에서 제식 소총으로 쓰는 구경 5.56mm, 또는 7.62mm 살상용 탄환을 완벽하게 막을 수 있는 옷은 존재하지 않는다. 결국 소총탄을 맞고도 살아남으려면 진짜 ‘갑옷’을 입는 수밖에 없다.

현대 방탄복, 섬유공학 발달하며 등장

방탄복이 널리 쓰이기 시작한 것은 20세기 후반 들어서다. 그 이전에도 방호복이 존재했지만 총탄을 직접 막기보다는 폭탄 파편을 막는 의미가 컸다. 제2차 세계대전(1939~1945) 이후에는 석유화학공업이 발달하면서 강화플라스틱과 나일론 등으로 총알을 막는 방탄복이 등장했다. 하지만 충분한 방탄성능을 얻기 어려운 것은 매한가지였다. 미군은 1950년 한국전쟁에서 이런 기술로 ‘M1951’ 이란 방어용 조끼를 만들어 입기도 했는데, 이것 역시 총알을 완벽하게 막지는 못했다.

한국전쟁 당시 방탄복을 입고 있는 미군 병사

조선말기의 면제배갑 < 사진:국방일보 >

근래에는 한 방송사가 조선시대 방탄조끼 ‘면제배갑(綿製背甲)’을 소개해 화제가 됐다. ‘세계 최초의 방탄복’이라는 수식어를 달고 있는 이 방탄복은 1866년 병인양요 당시 실제로 병사들에게 보급됐던 조선시대 발명품이다. 재료는 글자 그대로 면(목화)이다. 조선 시대에는 면으로 만든 천도 상당히 두껍고 뻣뻣했다. 두툼하게 대면 어지간한 칼날에도 쉽게 다치지 않기 때문에 갑옷 재료로도 쓰였다. 여러 겹을 겹쳤다면 당시의 구식 총 정도는 막을 수 있었을 것이다. 재미있는 사실은 현대 방탄복의 기본 원리도 면제배갑과 거의 비슷하다는 점이다. 여러 겹의 섬유를 겹쳐 총알이 천의 그물망에 ‘걸리도록’ 하는 방법이다.

케블라 섬유가 드러난 스피커 유닛. 커블라의 촉감은 거칠고 뻣뻣하다.

현대식 방탄복은 미국의 섬유기업 듀폰에서 1972년 ‘케블라’라 부르는 질기고 강한 실을 개발하면서부터 시작됐다. 방탄조끼하면 나오는 바로 그 케블라다! 케블라는 같은 무게의 강철보다 약 5배 정도 더 튼튼하다. 케블라로 짠 천을 손으로 만져보면 얇긴 하지만 쌀집에서 흔히 볼 수 있는 비닐 부대자루처럼 거칠고 뻣뻣한 느낌을 받는다. 이런 천을 수십겹 겹치면 질긴 실 사이에 총알이 걸려들면서 뚫지 못한다. 케블라는 질긴 의류를 만드는 나일론과 사촌이다. 이런 섬유들을 흔히 폴리아미드 또는 아라미드 계열이라고 부른다. 여러 회사에서 개발한 트와론, 골드플렉스, 스타본드 등 많은 방탄용 섬유들이 모두 같은 계열이다. 한국의 코오롱도 ‘헤라크론’이라는 아리미드 계열 방탄소재를 개발했는데, 이와 관해 듀폰과 여러 차례 소송을 치르고 있다.

케블라 이외에 가장 유명한 방탄소재를 꼽으라면 네덜란드 DSM 사가 1990년대에 양산에 성공한 ‘다이니마’를 들 수 있다. 이 소재는 석유에서 뽑아낸 나프타라는 성분에서 다시 에틸렌이란 물질을 정제해 만든 것이다. 이런 소재를 폴리에틸렌이라고 부르는데 각종 용기, 포장용 필름, 파이프 등을 만들 때도 쓰는 만능 물질이다. 공장에서 고온과 3000기압의 초고압으로 폴리에틸렌을 압축해서 뽑아내면 충격에 강한 고밀도 폴리에틸렌을 얻을 수 있다.

아라미드 계열 섬유는 튼튼한 것이 장점이다. 반대로 폴리에틸렌 계열 섬유는 탄성이 있고 충격을 잘 흡수하는 편이다. 만져보면 쫀쫀한 느낌이 드는 것도 있다. 거꾸로 생각하면 아라미드 계열 섬유를 쓰면 뻣뻣하고 딱딱해지는 반면, 폴리에틸렌 계열 섬유를 쓰면 상대적으로 후면 변형에 취약하다. 그래서 최근에는 여러 소재들을 몇 겹씩 덧대어 새로운 방탄소재를 만들기도 한다.

말랑말랑한 젤리 방탄복도 있다

방탄복에 ‘실’만 쓰라는 법은 없다. 기본은 섬유를 쓰지만, 다른 다양한 물질을 추가로 섞어 방탄성능을 극대화하는 노력도 있다. 최근에 각광을 받는 신소재는 ‘전단농화유체(STF)’라고 불리는 특수 물질이다. 이 물질은 실리카(이산화규소)를 원료로 만든다. 평소에는 젤리처럼 말랑말랑 하지만 충격을 받으면 그 순간 강하게 굳어진다. 이 소재를 써서 방탄복을 만들면 딱딱한 섬유를 적게 써도 되므로 평소엔 편하게 입을 수 있지만 총을 맞으면 그 부위만 저항이 커지면서 총알이 더 이상 들어오지 못한다. 문제는 이런 첨단 물질은 가격이 너무 비싸다는 점이다. 보통 소재 1kg에 100만 원이 넘는다. 괜찮은 방탄조끼 한 벌 가격이 20만~30만 원이라는 것을 감안하면 소재 값으로는 턱없이 비싸다. 그래서 아직 상용화 되진 못했다.

한국생산기술연구원은 STF(전단농화유체)를 이용한 젤리형 방탄복을 개발했다. < 출처 : 한국생산기술연구원 >

다만 가격 문제는 곧 해결될 전망이다. 최근 국내 연구기관이 이 물질을 값싸게 제조할 수 있는 방법을 개발했기 때문이다. 바로 한국생산기술연구원(생기원) 바이오나노섬유융합연구그룹 유의상 수석연구원 연구팀이다. 연구팀은 지금까지 STF 물질을 10분의 1 가격으로 제조하는 방법을 개발한 데 이어, 최근에는 그 물질을 이용해 최고 성능의 토종 방탄복을 개발하는 데에도 성공했다.

지금까지 STF 물질을 만들 때는 석영 등에서 추출한 ‘구형(球形) 실리카’를 썼다. 하지만 유 박사 연구팀은 ‘흄드 실리카’라고 불리는 값싼 소재를 나노기술로 가공해 구형 실리카와 성질이 같도록 만드는 데 성공했다. 원자재 값을 10분의 1이하로 줄이면서도 방탄성능은 그대로다. 연구팀 관계자는 “이 물질을 이용하면 무게와 부피를 기존 제품보다 15% 이상 줄이면서도 성능은 그대로 유지할 수 있다”고 말했다. IIIA 급 방탄조끼의 무게는 모델마다 다르지만 평균 2kg 정도다. 연구팀은 이 기술을 국내 방위산업체 등에 이전해 상용화할 계획이다. 무게와 부피도 앞으로 5% 정도 더 줄일 계획이다.

직물형 방탄복은 한계를 넘는 충격을 받으면 실이 뜯어지면서 총알이 옷감사이를 헤집고 들어오는 '풀아웃' 현상이나, 뒤쪽으로 심하게 튀어나오는 '후면변형'이 발생한다(사진 위). 성능이 우수한 방탄복일수록 풀아웃 현상이 적게 발생한다. 한국생산기술연구원이 개발한 신형 '젤리형 방탄복'은 풀아웃이나 후면변형이 크게 줄어들었다.(사진 아래) < 출처 : 한국생산기술연구원 >

탄소 계열 첨단소재도 속속 등장

제 아무리 강력한 총알이라도 끄떡없이 막으면서도 셔츠 한 장 두께인 ‘궁극의 방탄복’은 개발할 수 있을까. 한마디로 어렵다. 관통력을 높인 철갑탄 등 총탄 기술도 점점 발전하고 있기 때문이다. 하지만 방탄복은 지금보다는 훨씬 성능이 좋아질 것이다. 방탄복의 기본 조건인 ‘방탄실’로 쓸만한 첨단 소재가 속속 개발되고 있기 때문이다.

방탄복을 만드는 데 쓰는 실은 가늘수록 좋다. 가늘어야 촘촘한 옷감을 짤 수 있고, 촘촘해야 총알이 방탄복의 올 사이를 비집고 들어오지 못한다. 물론 이렇게 가는 실이 충분히 튼튼하지 못하다면 아무 의미가 없다. 이런 방탄섬유로 쓰기에 적합한 첨단소재로 강한 분자결합 구조를 갖는 ‘탄소 복합체’가 주목받고 있다.

탄소나노튜브의 그래픽. 탄소나노튜브는 탄소 원자들이 연결되어 만들어진 관 모양의 신소재이다.

실제로 과학자들은 굵기는 머리카락의 100분의 1에 불과하지만 강도는 강철보다도 단단한 탄소나노튜브 실을 이미 개발했다. 미국, 중국 등 군사기술 선진국은 물론 우리나라에서도 이런 기술이 있다. 한국표준연구원의 남승훈 책임연구원팀은 두께 1μm(마이크로미터, 1μm=100만 분의 1m) 이하인 탄소나노튜브 실을 개발했는데, 강도가 강철의 100배 정도 높다. 케블라로 만든 방탄복보다 20배 더 튼튼하거나, 혹은 20배 더 가벼운 방탄복을 만들 수 있다는 뜻이다. 더구나 이 소재는 적의 화염공격에도 견딜 수 있다.