금속

금속의 독특한 물리적 성질은 그 내부의 결합 구조인 금속 결합에서 비롯된다. 금속 원자는 최외각 전자를 쉽게 잃어 양이온이 되며, 이렇게 방출된 자유 전자들이 양이온들 사이를 자유롭게 이동하는 '전자 바다'를 형성한다. 이 자유 전자들은 양이온들을 강력하게 묶어주는 역할을 하며, 이 결합 방식이 금속의 높은 전기 전도도와 열전도도의 근본 원인이다.

자유 전자의 존재는 금속에 빛을 반사하는 능력인 금속 광택을 부여한다. 빛이 금속 표면에 도달하면 자유 전자들이 빛 에너지를 흡수했다가 즉시 재방출하여 대부분의 빛을 반사한다. 또한, 자유 전자들이 외부 전기장에 의해 쉽게 이동할 수 있어 전류가 잘 흐르며, 열에너지도 이 자유 전자들의 운동을 통해 금속 내부로 빠르게 전달된다.

금속은 일반적으로 연성과 전성이 뛰어나다. 연성은 금속이 가늘게 늘어나는 성질을, 전성은 얇게 펴지는 성질을 의미한다. 이는 금속 결합이 방향성을 갖지 않기 때문이다. 금속 내부의 양이온 층들이 외부 힘에 의해 서로 미끄러져 이동하더라도, 그 사이를 채우고 있는 자유 전자 바다는 결합을 유지시켜 금속이 깨지지 않고 형태만 변형되도록 한다.

일반적인 금속의 물리적 성질을 요약하면 다음과 같다.

대부분의 금속은 전기음성도가 낮아 화학 반응에서 전자를 잃고 양이온이 되는 경향을 보인다. 이는 산화 반응에 해당하며, 금속의 대표적인 화학적 성질이다. 금속이 공기 중의 산소나 물, 산과 반응하여 표면에 형성하는 화합물 층을 일반적으로 부식 생성물이라고 한다.

금속의 반응성은 금속의 종류에 따라 크게 달라진다. 예를 들어, 알칼리 금속과 알칼리 토금속은 물과 격렬하게 반응하는 반면, 금이나 백금과 같은 귀금속은 공기 중이나 산성 조건에서도 거의 반응하지 않는다. 금속의 이온화 경향은 이러한 반응성의 순서를 나타내는 지표로 사용된다. 이온화 경향이 큰 금속일수록 다른 금속 이온을 환원시켜 자리는 치환하는 치환 반응을 쉽게 일으킨다.

금속의 중요한 화학적 성질 중 하나는 산과 반응하여 수소 기체를 발생시키는 것이다. 이온화 경향이 수소보다 큰 금속(예: 아연, 철, 마그네슘)은 염산이나 황산과 같은 산에 녹아 해당 금속의 염과 수소 기체를 생성한다. 그러나 질산이나 왕수와 같은 강한 산화성 산과의 반응은 복잡하며, 수소 대신 질소 산화물 등이 생성될 수 있다.

또한, 많은 금속 이온은 수용액 상태에서 특정 음이온과 결합하여 침전을 형성하거나, 착화합물을 만드는 성질을 보인다. 이러한 성질은 금속의 정제, 분석, 그리고 촉매나 안료 제조 등 다양한 화학 공정에서 활용된다.

철금속은 주로 철을 기반으로 하는 금속과 그 합금을 가리킨다. 대표적인 예로 강철, 주철, 합금강 등이 포함된다. 이 분류는 산업적 관점에서 철과 그 합금이 차지하는 비중이 매우 크기 때문에 만들어진 것이다. 철금속은 일반적으로 높은 강도와 경도, 상대적으로 낮은 가격으로 인해 건설, 자동차, 조선, 기계 부품 등 중공업의 핵심 재료로 널리 사용된다. 그러나 부식에 대한 저항성이 낮은 단점이 있어, 도금이나 합금 첨가를 통해 내식성을 향상시키는 경우가 많다.

반면 비철금속은 철을 주성분으로 하지 않는 모든 금속을 포괄하는 광범위한 범주이다. 이는 다시 구리, 알루미늄, 아연, 납, 니켈, 마그네슘, 티타늄 등과 같은 기초 비철금속과, 금, 은, 백금 등의 귀금속, 그리고 희토류 금속으로 세분화될 수 있다. 비철금속은 각각 고유한 특성을 지니며, 철금속이 부족한 성질을 보완하는 역할을 한다. 예를 들어, 알루미늄은 가벼우면서도 강도가 높아 항공기에, 구리는 우수한 전기 전도도와 열전도도를 가져 전선과 전자 부품에 필수적이다.

아래 표는 철금속과 비철금속의 주요 특성과 용도를 비교한 것이다.

이러한 분류는 금속의 주성분에 기반한 것이지만, 현대 산업에서는 철과 비철 금속을 혼합한 금속간화합물이나 복합 재료도 중요하게 사용된다. 또한, 재활용 측면에서 철금속(스크랩)과 비철금속은 일반적으로 분리하여 수거 및 처리하는 것이 일반적이다.

희토류 금속은 주기율표의 란타넘족 원소 15종(란타넘에서 루테튬까지)과 스칸듐, 이트륨을 포함한 17가지 원소를 통칭합니다. 이들은 지각에 비교적 풍부하게 존재하지만, 광물 속에 흩어져 있고 서로 성질이 유사해 분리 및 정제가 어려워 '희귀'하다는 인상을 줍니다. 희토류 금속은 강력한 자성과 발광 특성을 지녀 영구 자석, LED, 전기 자동차의 모터와 배터리, 첨단 군사 장비 등 현대 첨단 산업에 필수적인 소재입니다.

반면, 귀금속은 화학적 안정성이 매우 높아 공기 중에서 변색되거나 부식되지 않고, 자연 상태에서 순수한 형태로 발견되기도 하는 금속들을 말합니다. 대표적으로 금, 은, 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄, 오스뮴 등이 여기에 속합니다. 이들은 주로 보석, 장신구, 화폐의 재료로 오랫동안 사용되었으며, 현재는 촉매, 전자 접점, 의료 기기 등 고부가가치 산업에서 핵심 역할을 합니다.

두 그룹은 경제적·전략적 중요성에 있어 공통점을 가지지만, 그 성질과 용도는 뚜렷이 구분됩니다. 아래 표는 주요 특성을 비교한 것입니다.

국제적으로 희토류 금속은 공급망의 안보와 직결되는 전략물자로 간주되며, 귀금속은 금융 시장에서 안전 자산으로서의 기능과 산업적 수요를 동시에 가지고 있습니다.

광물이나 광석에서 금속 성분을 추출하는 과정을 제련이라고 한다. 제련 방법은 목표 금속의 화학적 성질과 원료의 형태에 따라 크게 열분해, 환원제를 이용한 환원, 전기분해 등으로 나뉜다.

낮은 반응성을 가진 금속은 비교적 단순한 방법으로 얻을 수 있다. 예를 들어, 수은과 같은 금속은 그 광석인 진사(HgS)를 공기 중에서 가열하는 열분해만으로도 추출된다. 더 일반적인 방법은 산화물 형태로 존재하는 금속을 탄소(코크스)나 일산화탄소 같은 환원제로 처리하는 것이다. 철의 제련은 고로에서 철광석(주로 Fe₂O₃)을 코크스로 환원시키는 대표적인 예시이다. 아연이나 주석과 같은 금속도 유사한 환원법으로 생산된다.

반면, 매우 높은 반응성을 지닌 금속, 특히 알칼리 금속이나 알칼리 토금속, 그리고 알루미늄은 강력한 환원력을 필요로 한다. 이들 금속은 주로 용융염 전기분해법으로 제련한다. 알루미늄의 경우, 보크사이트 광석에서 정제한 알루미나(Al₂O₃)를 빙정석(Na₃AlF₆)과 함께 용융시켜 전기분해함으로써 금속 알루미늄을 얻는다. 이 방법은 많은 전력을 소비하지만, 다른 방법으로는 이들 금속을 얻기 어렵다.

일부 금속은 복합적인 공정을 거친다. 구리는 황화물 광석(예: 황동석, CuFeS₂)을 공기 중에서 소성하여 먼저 산화물로 전환한 후, 환원시켜 조구리를 얻는다. 납과 아연은 때로 같은 광석(예: 섬아연석, ZnS)에서 함께 생산되며, 휘발성 차이를 이용한 증류법이 사용되기도 한다.

정련은 제련 과정을 통해 얻은 조금속에서 불순물을 제거하여 순수한 금속을 얻는 공정이다. 정제는 순도를 더욱 높이는 과정으로, 최종 제품의 용도에 따라 요구되는 순도 수준까지 금속을 정제한다.

주요 정련 및 정제 기술로는 전해 정련, 증류, 존 정제법 등이 있다. 전해 정련은 구리나 납과 같은 금속의 정련에 널리 사용된다. 불순물이 포함된 금속을 양극에, 순수한 금속 박을 음극에 두고 전해질 용액에 담근 후 전류를 흘려보내면, 양극의 금속이 용해되어 음극에 순수한 상태로 전착된다. 증류는 아연이나 수은처럼 휘발점이 비교적 낮은 금속의 정제에 적합하다. 금속을 가열하여 기화시킨 후 다시 응축시키면, 휘발점이 높은 불순물은 남게 되어 순수한 금속을 얻을 수 있다. 존 정제법은 규소나 게르마늄 같은 반도체 재료의 초고순도 정제에 사용되는 방법이다. 용융된 금속의 좁은 영역(존)을 이동시켜 불순물이 존과 함께 이동하게 하여 한쪽 끝으로 모아 제거한다.

이러한 기술의 선택은 목표 금속의 종류, 불순물의 성질, 그리고 요구되는 최종 순도와 경제성에 따라 결정된다. 예를 들어, 전자 산업용 고순도 구리는 전해 정련을 거친 후 추가적인 전해 정제를 통해 99.99% 이상의 순도로 제조된다.

금속은 높은 강도와 인성, 우수한 가공성으로 인해 가장 중요한 구조재료 중 하나이다. 특히 철과 강철은 현대 건축과 토목 구조물의 핵심을 이루며, 알루미늄과 구리 합금도 특수한 용도에 널리 사용된다.

건설 분야에서 금속은 주로 골조와 보강재로 활용된다. 철골구조는 고층 빌딩, 교량, 공장, 스타디움과 같은 대규모 건축물의 뼈대를 형성한다. 이는 압연된 H형강, I형강, 각형강관 등을 볼트와 용접으로 연결하여 구성한다. 또한 콘크리트의 인장 강도를 보완하기 위해 철근이 필수적으로 사용되며, 이를 철근콘크리트라 부른다. 스테인리스강은 내식성이 요구되는 외장재나 해양 구조물에, 알루미늄 합금은 경량이 필요한 차양, 창호, 커튼월에 주로 적용된다.

다양한 금속의 건설 분야 적용 사례는 다음과 같다.

이러한 금속 재료의 선택은 구조물이 요구하는 하중, 환경 조건(부식 가능성), 비용, 유지보수성, 심미적 요소 등을 종합적으로 고려하여 이루어진다. 금속의 사용은 건축 설계의 자유도를 높이고, 장대 경간 구조와 같은 획기적인 건축 형태를 가능하게 하는 기반이 되었다.

금속은 높은 전기 전도도와 열전도도를 바탕으로 전자 및 전기 산업의 핵심 소재 역할을 한다. 특히 구리와 알루미늄은 전선, 케이블, 모터 코일, 변압기 권선 등 전력 송배전 시스템의 기본 재료로 광범위하게 사용된다. 구리는 전기 전도성이 가장 뛰어난 금속 중 하나이며, 알루미늄은 가벼운 무게와 상대적으로 좋은 전도성으로 장거리 송전선에 적합하다.

반도체 산업에서는 고순도의 금속과 그 합금이 필수적이다. 실리콘 웨이퍼에 회로 패턴을 형성하기 위해 알루미늄이나 구리가 배선 재료로 쓰인다. 또한, 반도체 패키지의 접합부나 고성능 칩의 방열판에는 금 도금이나 은 페이스트가 사용된다. 특수한 목적으로는 텅스텐이 접점 재료로, 갈륨과 인듐은 갈륨 비소나 인듐 주석 산화물 같은 화합물 형태로 발광 다이오드나 투명 전극에 응용된다.

전자 부품의 제조에도 다양한 금속이 관여한다. 축전기의 전극에는 알루미늄 호일이, 저항기에는 니켈-크롬 합금이 사용된다. 스위치와 커넥터의 접점에는 내구성과 전도성을 갖춘 금 도금이 적용되며, 전자기기를 감싸는 차폐 케이스는 아연 도금 강판이나 알루미늄 합금으로 만들어진다.

교통수단의 경량화와 내구성 향상은 금속 재료의 발전과 밀접한 연관이 있다. 자동차 차체와 섀시의 주 재료는 여전히 강철이지만, 연비 향상을 위해 알루미늄 합금이 엔진 블록, 휠, 차체 패널 등에 점차 더 많이 사용된다. 고성능 차량이나 항공기에는 더 가벼우면서도 강도가 높은 티타늄 합금이나 마그네슘 합금도 일부 부품에 적용된다. 철도 차량 역시 스테인리스강과 알루미늄 합금을 사용하여 제작되며, 고속철도 차체는 주로 알루미늄 압출 재료로 만들어져 강도와 가벼운 무게를 동시에 확보한다.

항공기와 선박 분야에서는 금속의 신뢰성이 극한 환경에서도 요구된다. 항공기 동체와 엔진 터빈 블레이드에는 고강도 알루미늄 합금과 내열성이 뛰어난 니켈 기초 초합금이 필수적으로 사용된다. 선박의 선체는 부식에 강한 강판으로 만들어지며, 프로펠러와 같은 부품은 청동 합금으로 제작되는 경우가 많다. 우주 탐사선과 로켓에는 극한의 온도 변화와 진공 상태를 견딜 수 있는 특수 금속 재료가 사용된다.

다양한 기계 장치의 핵심 부품도 금속에 의존한다. 기계의 베어링, 기어, 샤프트 등 마모와 하중을 받는 부품은 탄소강이나 합금강으로 제조된다. 공작기계의 프레임은 강성과 진동 감쇠 능력이 중요한데, 주철이 종종 사용된다. 또한, 구리와 니켈은 열교환기와 같은 열 관련 기계 부품에 널리 쓰인다. 정밀 기계와 산업용 로봇의 관절부에는 가볍고 강한 알루미늄 합금 프레임과 내구성이 우수한 강철 구동 부품이 조합되어 사용된다.

철은 지각에서 네 번째로 풍부한 원소이자 가장 널리 사용되는 금속이다. 순수한 철은 비교적 무르고 전성이 좋지만, 실제 산업에서는 거의 항상 탄소와의 합금인 강철 형태로 사용된다. 철광석(주로 적철석이나 자철석)을 고로에서 코크스로 환원시켜 얻은 선철은 탄소 함량이 높아 취성이 있지만, 이를 다시 가공하여 탄소 함량을 조절하면 다양한 성질의 강철을 만들 수 있다.

강철은 탄소 함량에 따라 저탄소강, 중탄소강, 고탄소강으로 분류된다. 탄소 함량이 증가하면 강도와 경도는 높아지지만, 연성과 인성은 떨어진다. 또한 크롬, 니켈, 몰리브덴, 망간 등의 다른 원소를 첨가하여 특수한 성질을 부여한 합금강도 널리 사용된다. 대표적인 예로 내식성을 높인 스테인리스강, 내열성을 높인 내열강, 강도를 극대화한 고장력강 등이 있다.

강철의 주요 응용 분야는 다음과 같다.

20세기 후반 이후 강철 산업은 대량 생산 체제에서 고부가가치 특수강 생산 중심으로 변화해 왔다. 또한 제조 과정에서 발생하는 에너지 소비와 이산화탄소 배출을 줄이기 위한 기술 개발이 지속되고 있다. 전 세계 강철 생산량의 상당 부분은 재활용된 고철을 원료로 사용하며, 이는 자원 순환과 환경 보호 측면에서 중요한 의미를 가진다.

알루미늄은 원소 기호 Al, 원자 번호 13인 가벼운 은백색 금속이다. 지각에서 산소와 규소 다음으로 풍부한 원소이며, 금속으로는 가장 풍부하게 존재한다[6]. 순수 알루미늄은 밀도가 낮고 부드러우며 전성과 연성이 뛰어나지만, 순수 상태로는 강도가 약해 주로 다른 금속과의 합금 형태로 널리 사용된다.

주요 합금 원소로는 구리, 아연, 망간, 규소, 마그네슘이 있으며, 이들을 첨가하여 강도와 내식성을 크게 향상시킨다. 대표적인 알루미늄 합금 계열은 다음과 같다.

알루미늄의 가장 큰 장점은 가벼운 무게, 우수한 내식성, 그리고 뛰어난 재활용성이다. 표면에 자연적으로 형성되는 얇은 산화막(Al₂O₃)이 추가적인 부식을 방지한다. 이러한 특성으로 인해 항공우주 산업, 자동차 경량화, 건축 자재, 전기 전도체, 포장재(캔, 호일) 등 다양한 분야에서 필수 소재로 쓰인다. 특히 에너지 절감과 탄소 배출 저감을 위한 경량화 수요가 증가하면서 그 중요성은 더욱 커지고 있다.

구리는 주기율표에서 원자번호 29번을 가지는 화학 원소로, 기호는 Cu이다. 전이 금속에 속하며, 자연 상태에서 순수한 형태로 발견되기도 하는 대표적인 비철금속이다. 특유의 붉은빛을 띠는 색상 때문에 라틴어 'cuprum'에서 이름이 유래했으며, 인류가 가장 오래전부터 사용한 금속 중 하나이다.

구리는 열전도율과 전기 전도도가 매우 뛰어나다. 은 다음으로 높은 전기 전도성을 가지고 있어 전선, 모터, 변압기 등 전기 및 전자 산업의 핵심 재료로 광범위하게 사용된다. 또한 가공성이 우수하여 압연, 인발, 단조 등 다양한 방법으로 쉽게 성형할 수 있다. 공기 중에서 표면에 녹청이라 불리는 염기성 탄산구리 층이 형성되어 내부를 보호하는 특징을 보인다.

주요 용도는 다음과 같이 분류할 수 있다.

구리는 황동 (구리-아연 합금)이나 청동 (구리-주석 합금) 등의 합금 원료로도 널리 쓰인다. 주요 생산국은 칠레, 페루, 중국, 미국 등이며, 광석 형태로는 황동석, 적동석 등이 채굴된다. 사용 후 재활용이 용이하여 스크랩 금속 시장에서 중요한 비중을 차지한다.

금은 화학 원소 기호 Au, 원자 번호 79를 가진 귀금속이다. 자연 상태에서 노란색의 광택을 띠며, 화학적으로 매우 안정되어 부식에 강하다. 이러한 특성 때문에 오랫동안 화폐, 장신구, 예술품의 재료로 사용되어 왔다. 금은 또한 우수한 전기 전도도와 열전도도를 지녀 전자 산업에서 반도체의 연결 재료나 접점 코팅에 널리 활용된다.

은은 화학 원소 기호 Ag, 원자 번호 47을 가진 백색 금속이다. 모든 금속 중에서 가장 뛰어난 전기 전도도와 열전도도를 가지며, 공기 중에서 쉽게 변색되는 단점이 있다. 역사적으로 화폐와 식기, 장신구로 사용되었으며, 현대에는 전자 부품, 태양전지, 사진 필름, 의료용 살균제 등 다양한 산업 분야에서 필수적인 재료이다.

금과 은은 그 희소성과 물리적·화학적 특성으로 인해 경제적 가치를 지니며, 다음과 같은 주요 용도로 구분된다.

두 금속 모두 재활용률이 매우 높은 편이다. 사용된 전자제품이나 산업 폐기물에서 회수된 금과 은은 새로운 제품 제조에 다시 투입되어 자원 순환에 기여한다.