금속이란?

[풍덩]

금속이란?

금속광택을 가지며 전성·연성이 풍부하고 전기와 열의 전도성이 뛰어난 홑원소물질 및 합금. 홑원소물질이 금속인 원소를 금속원소(또는 간단히 금속)라 한다. 물리적으로는 ＜하나의 페르미면을 갖는 물질＞로 정의되고, 화학적으로는 ＜산과 반응하여 염을 만드는 원소＞를 금속원소라 정의하지만 이것은 원자로서의 성질이며 금속결정의 특성은 아니다. 고대로부터의 문명사가 재료소재의 면에서 석기시대·청동기시대·철기시대로 구분되어져 있는 것으로도 알 수 있듯이, 인류의 문명은 금속기술의 발전을 토대로 해서 이루어졌다고 할 수 있다. 우리는 청동기 6000년, 철기 4000년의 역사를 갖고 있다. 특히 철기를 사용하는 시대가 되면서 금속의 진가가 발휘되었다. 솔로몬의 장대한 석조궁전의 건조는 철제 도구의 사용으로 비로소 가능했다. 로마시대에는 그 당시 알려져 있던 7종류의 금속을 7개의 천체에 견주어서 각각 로마의 신격(神格)을 부여하였다. 금(태양), 은(달), 철(화성), 수은(수성), 주석(목성), 구리(금성), 납(토성)이 바로 그것이다. 또한, 주기율표의 전체 원소 중에서 약 2/3가 금속원소인데 금속적인 성질을 갖는 원소까지 포함하면 약 3/4이 된다. 주기율표에서는 붕소 B와 아스타틴 At를 잇는 사선의 왼쪽 아래에 위치한다. 오른쪽 위로는 비금속이 위치하는데 경계 부근의 원소로는 반도체·준금속 등이 있다. 금속원소는 양성이며, 양의 산화수를 잘 취한다. 산화물 및 수산화물은 일반적으로 염기성이다. 금속 홑원소물질 가운데 이온화경향이 큰 것은 산과 반응하여 금속양이온과 수소 H 를 생성한다. 금속양이온은 루이스산이다. 금속원소끼리는 금속간화합물 또는 합금을, 금속원소와 비금속원소는 이온성화합물을 만든다. 금속은 중금속과 경금속, 귀금속과 비금속(卑金屬), 전형원소의 금속과 전이금속으로 분류한다. 또 주기율표의 각 족에 대응해서 알칼리금속·희토류금속과 같이도 분류한다. 일반적으로 금속은 밀도가 크고 강도가 높아 기계적 가공을 가할 수 있다. 녹는점은 수은 Hg, 세슘 Cs, 갈륨 Ga와 같이 낮은 것도 있지만 대부분은 높다. 끓는점도 일반적으로 높으며 증발열도 크다. 전기저항은 온도가 높을수록 커지는 것이 특징이다. 알칼리금속과 같이 산소와 반응하기 쉬운 금속도 있고 금속이나 백금과 같이 거의 산화되지 않는 금속도 있다. 주석처럼 실온에서는 금속이지만 냉각하면 회백색의 비금속상태로 변화하는 것도 있다. 한편 황철석처럼 황금색 외관을 가졌지만 금속이 아닌 것도 있다. 금속고체에서 원자 사이에 작용하는 결합은 금속결합이며, 금속의 특성은 이것과 자유전자의 존재에 유래한다.

금속의 특질은 무엇에 기인하는가

금속의 특질은 대부분 금속의 원자가 응집해서 결정이 될때, 원자핵 둘레의 맨 바깥껍질을 형성하는 전자(원자가전자)가 전도전자가 되어서 결정 속을 자유롭게 움직여 돌아다닐 수 있는 상태가 되는 데 기인한다. 나트륨같은 1가의 금속을 예로 들면 양이온당 1개의 원자가전자가 결정격자 속의 공간에 구름처럼 길게 뻗쳐 있는 모습에 비유할 수 있다. 양이온 격자와 음전하를 가진 전자의 구름이 정전기적인 힘(쿨롱인력)을 서로 미치면서 응집하고 있는 것이 금속이다. 전자구름이란 원자가전자 각각이 파동으로서 결정 전체에 퍼져 있는 것으로, 그것들을 입자로 보면 전도전자가 자유로이 돌아다니는 것에 해당한다. 금속에 전연성이 있어 압연(壓延)해 얇은 판으로 성형한다든지 길게 잡아늘여 철사로 만들 수 있는 것은, 이온격자가 외력에 의해 어긋나더라도 전체에 퍼져 있는 전자구름과의 응집력이 그리 변화하지 않기 때문인 것으로 생각된다. 이에 대하여 암염이나 다이아몬드 같은 결정에서는 외력으로 변형시키면 결합이 끊어지게 된다. 금속을 쉽게 변형시킬 수 있는 것은 첫째 금속결합에 기인하며, 나아가서는 금속결정 속의 여러 가지 결함때문에 금속원자가 외력에 의해 쉽게 움직일 수 있고 결정면이 서로 어긋날 수 있는 데 기인하고 있다. 따라서 실재 금속의 결정면을 미끄러지게 하기 위해 필요한 힘은 이론적으로 결함이 없을 경우 계산한 값에 비하여 한 자리 내지 두 자리 작다. 가장 변형시키기 쉬운 금은 도중에 불림 등을 하지 않고 1g의 금으로 2000m 이상 잡아늘여 금사(金絲)를 만들 수 있다. 그리고 금박은 0.07㎛까지도 얇게 만들 수 있다.

금속의 구조민감성

금속의 성질은 대부분 특정 처리를 함으로써 흔히 두드러지게 변화된다. 예컨대 각종 금속원소를 첨가해 합금을 만들거나 적당한 열처리를 하거나 기계적 변형을 가하거나 중성자로 조사(照射)하면 두드러지게 성질이 변화하는 수가 있다. 금속이 소성변형을 시작할 때의 기계적 응력을 항복점(降伏點)이라 하는데, 고순도의 철에서는 약 1㎏/㎟에서 탄소를 몇％ 첨가해 적당한 열처리를 하면(鋼이 된다) 200㎏/㎟나 되는 값으로 상승한다. 전기전도도·내식성 등에서도 마찬가지 현상이 일어난다. 이와 같은 금속의 성질을 구조민감성이라 부르는데, 녹는점·밀도·열용량 등은 위의 처리로도 그리 변화하지 않는다.

금속의 결정구조

금속은 대부분 면심입방격자·밀집육방격자·체심입방격자라는 비교적 간단한 결정격자를 이루고 있다. 우리가 보통 보는 것은 미세한 결정이 모인 것(多結晶)이다. 구(球)를 조밀하게 쌓아올리는 방법에는 두 가지가 있는데, 하나는 면심입방격자가 되고 하나는 밀집육방격자가 된다. 먼저 평면에 구를 촘촘하게 늘어놓는 방법은 한 가지뿐이며, 이 위에 구를 촘촘하고 빽빽하게 쌓는 방법도 한 가지뿐이다. 3층에 구를 쌓는 방법은 1층과 똑같은 위치에 쌓는 경우와, 2층의 빈 곳에 쌓고 4층은 다시 1층과 똑같아지는 경우의 두 가지가 있다. 앞의 방법을 육방쌓는 법이라 하며, 밀집육방격자가 이에 해당한다. 뒤의 방법을 입방쌓는 법이라 하며, 면심입방격자가 이것이다. 체심입방격자는 입방체의 8개의 모서리에 구가 있고, 입방체의 중심에 구가 1개인 형태이다. 〔그림〕과 같이 그려진 면심입방구조를 단위격자라 한다. 여기에는 각 모서리 8개와 면 중심에 있는 6개로, 모두 14개의 구가 있는 것처럼 보이나, 4개만 이 단위격자에 속해 있다. 모서리의 8개는 이웃한 8개의 단위격자에 의해 공유되고, 면 중심의 구는 이웃한 2개의 단위격자에 의해 공유되기 때문이다. 체심입방구조의 경우는 2개가 이 단위격자에 속해 있다. 금·은·구리·백금·니켈·알루미늄·납 등은 면심입방구조, 철·텅스텐·크롬·나트륨·칼륨 등은 체심입방구조, 마그네슘·티탄·지르코늄 등은 밀집육방구조를 취한다. 카드뮴과 아연은 럭비공처럼 세로로 늘인 구를 쌓은 꼴의 밀집육방구조이다. 이 3가지 결정구조 외의 것은 우라늄·망간·주석·인듐·칼륨·수은 등 예외적이고 소수이다.

금속의 변태현상

철은 실온에서는 체심입방구조이지만 약 910℃에서 면심입방구조로 변하고, 약 1400℃에서 다시 체심입방구조로 바뀌며 1538℃에서 녹는다. 그리고 고압상태에서는 밀집육방구조의 철로 바뀐다. 우라늄은 약 1133℃에서 녹는데, 그때까지 α·β· 로 세 번 결정구조가 바뀐다. 망간은 α·β· · 로 네 번 바뀐다. 티탄과 지르코늄은 각각 880℃와 870℃에서 밀집육방구조에서 체심입방구조로 변태한다. 이와 같은 변태현상은 금속뿐만 아니라 합금에서도 볼 수 있는데, 실용상으로는 철과 같이 이것을 이용해서 여러 가지 성질을 얻을 수 있는 것도 있지만, 우라늄처럼 순금속 자체가 사용시의 변태에 의해 심하게 바뀌므로 합금·화합물로 만들어 이 변태를 막아 원자로 연료로 사용한다. 주석은 저온이 되면 금속적인 형태에서 반도체인 회색주석으로 바뀐다. 이 변태는 일상의 사용온도에서는 변태의 속도가 느리기 때문에 일어나지 않지만, 1868년 1월 러시아의 상트페테르부르크에서 기온이 영하 38℃에 이르자 많은 미술품과 파이프오르간의 파이프가 이 변태 때문에 부서져 버렸다. 이 현상을 주석페스트 또는 주석병이라 부른다. 변태현상 메커니즘의 이론적 해명은 그 실용화와 함께 금속학에서의 중요하고도 흥미로운 주제이다.

금속의 빛과 색

금속은 다이아몬드처럼 투명하게 빛나지 않고, 빛을 통과시키지 않아 불투명하게 빛나는 것이 특징이다. 알루미늄과 은의 표면은 빛을 잘 반사하므로 거울로 사용된다. 장식용 도금은 크롬의 빛이다. 이것들은 백색광을 그대로 반사하기 때문에 무색으로 빛나는데, 그 근원은 금속의 전기를 잘 통하게 하는 성질에 기인한다. 빛은 전자기파인데, 전자기파도 주파수가 매우 커지면 표피(表皮)효과에 의하여 금속의 표면까지만 들어갈 뿐이다. 이 표피의 두께는 10㎒의 라디오파에서 약 0.3㎜, 가시광선에 대해서는 수백Å이므로 빛은 표피 두께보다 더 속으로는 들어가지 못하고 반사되면서 금속광택을 내게 된다. 금속은 대부분 무색의 금속광택이 있는데, 금은 노랗고 구리는 붉으며 은은 희다. 구리는 입사백색광 중 주황색에서 단파장 쪽이 모두 흡수되므로 반사광은 붉고, 금은 녹색에서 단파장 쪽이 모두 흡수되므로 반사광이 노랗게 보인다. 그러나 은의 경우는 흡수되는 것이 약 3200Å인 자외선보다 단파장이므로 가시광선이 모두 반사되어 색을 나타내지 않는다. 금박처럼 두께가 수백Å이 되면, 흡수광의 일부는 미처 흡수되지 못하고 투과해버린다. 금박을 햇빛으로 비추면 녹색으로 보이는 것은 녹색파장보다 긴 파장의 빛이 반사되고, 흡수계수가 크지 않은 녹색 부근의 빛이 투과하기 때문이다.

금속 제련

백금·금 등의 귀금속은 홑원소물질로 존재하는 수도 있으나, 대부분 산화물·황화물·수산화물 등의 형태로 존재한다. 이것들을 적당한 방법으로 환원해서 금속을 얻어 내는(제련) 기술을 야금이라고 한다. 탄소로 환원하는 것으로는 철·아연 외에 마그네슘·구리·주석·니켈·티탄·코발트·은 등이 있다. 수소환원에 의하여 여러 가지 금속이 얻어지는데, 텅스텐·몰리브덴의 제조이다. 철과 니켈도 특수한 목적을 위하여 수소환원하는 수가 있다. 보다 환원력이 강한 금속으로 다른 금속을 환원할 수가 있는데 H. 골트슈미트의 테르밋법은 그 한가지이다. 티탄은 마그네슘 또는 나트륨으로 실시한다. 알루미늄도 현재의 용융염전해법이 채택되기 전에는 염화알루미늄을 나트륨으로 환원해서 제조되었다. 불안정한 금속화합물을 만들어 이것을 열분해하는 방법으로 고순도의 금속을 만들 수 있으나, 공업적으로 대량생산은 어렵다(사요드화티탄 또는 사브롬화티탄의 분해에 의한 티탄 제조, 니켈카르보닐 분해에 의한 니켈 제조). 나트륨·마그네슘·칼슘·알루미늄 등은 이들 금속의 염류를 고온으로 융해하여, 이것을 전기분해해서 얻어진다. 그리고 구리는 건식법(乾式法)으로도 제련되지만, 산화구리를 묽은황산에 녹여서 황산구리수용액으로서 전기분해하여 얻어진다. 또한 니켈·아연·은 등도 제련이 가능하다.

금속의 가공성

물리적·화학적 성질과 함께 각종 가공의 용이성이 금속의 재료로서의 유용성을 더욱 높이고 있다. 금속을 녹여서 틀[型(형)]에 부어 넣어, 굳혀서 형상물을 만드는 주조는 수천 년 전의 은(殷)·주(周)나라 시대부터 이루어졌는데, 근년에는 매우 정밀하고 또한 기구적으로도 특수한 성능을 갖춘 것이 만들어져 더욱 중요한 기술이 되었다. 금속덩어리를 두들기거나 펴서 판(板)·막대·관(管) 등을 만드는 소성가공기술은 금속의 특성을 가장 잘 살린 가공기술이다. 사람 머리털의 몇 분의 1 굵기의 철사, 가느다란 파이프에서부터 지름이 수 m에 이르는 송유관, 두께 1m의 판에서부터 1㎛보다 훨씬 얇은 박에 이르기까지 제품은 매우 다양하다. 용접·납땜도 금속의 이용에 필요한 기술이다. 미세한 금속분말을 굳혀 고온(녹는점 이하)으로 가열하면 분말끼리 융착(融着)해서 고형화한다(燒結). 이 기술은 오래 전부터 백금의 가공에 이용되고 있었으나, 오늘날에는 텅스텐·몰리브덴 등 녹는점이 높은 금속의 소재나 각종·정밀부품의 제조 및 보통방법으로는 합금화되지 않는 금속끼리 섞어서 복합재료를 만드는 등 여러 가지로 이용되고 있다. 최근에는 액체상태의 금속을 매초 몇 만℃나 되는 빠르기로 급랭하여 결정화를 저지함으로써 아모르퍼스(비경정질) 상태가 얻어진다. 이 상태의 금속에는 내식성, 기계적 강도, 물리적 성질 등에서 일반재료에서는 볼 수 없는 특성이 있어 새로운 이용의 길이 열리고 있다.

금속의 순도

사용되고 있는 공업용 재료 중에서 금속처럼 순수한 것은 없다. 트랜지스터가 성공한 것도 고순도인 게르마늄과 실리콘을 얻을 수 있었기 때문이다. 금속에는 원광석(原鑛石)이나 제련과정에서 들어오는 불순물이 여러 가지 있다. 불순물 성상(性狀)에 따라 증류 등의 방법으로 정제되고 있다. 반도체 재료는 존멜팅(zone melting；대용융법)이라고 하는 방법으로 흔히 정제된다. 실리콘과 게르마늄 등은 저항의 값으로 순도를 나타낸다. 아주 높은 순도가 되면 화학분석으로는 순도를 규정하기 어려워지므로 실리콘이나 게르마늄 같은 반도체에서는 전기저항의 값으로 규정하며, 또한 물리적 연구에서는 액체 헬륨온도(절대온도 4.2K)에서의 전기저항이 순도에 극히 민감하므로 그 값과 순도에 그리 의존하지 않는 실온에서의 값과의 비를 잔류저항비라 하여 기준으로 삼는다. 이 값이 클수록 순도가 높으며 금·은·구리 등에서는 수만, 몰리브덴·텅스텐에서는 수십만이라는 값을 얻는다. 그리고 순도라고 할 경우에는 불순물의 양뿐만 아니라, 금속격자 중 결함의 많고 적음과 같은 물리적 순수도를 문제삼는 수도 있다.

금속의 부식과 산화

자연계에서 금·백금 등 귀금속 이외의 금속이 산화물·황화물·수산화물·탄산염 등의 형태로 존재하는 것은, 이들이 안정된 상태이기 때문이다. 방대한 에너지를 사용하여 산소나 이온에서 분리하여 홑원소물질로 만드는 조작 즉 제련한 결과 얻어진 금속은 불안정한 형태이므로, 놓여진 환경에 따라 언젠가는 원래의 안정된 형태로 변해간다. 이 부식현상은 놓여진 환경이 대기중이냐, 수중이냐, 또는 고온에 있었느냐의 여부에 따라서 형태는 다르지만, 금속재료를 사용하는 경우에서는 가장 중요한 문제이다. 이것을 막기 위하여 표면에 생기는 산화피막을 크고 균열이 없이 한결같게 만드는 것도 한 방법이다. 이를 위하여 순수화한다든지, 또는 다른 금속을 섞어서 스테인리스강처럼 단단한 피막(산화크롬)을 만들거나 알루미늄같이 일부러 단단한 산화물의 피막을 만든다. 도금은 보다 녹이 덜 스는, 단단한 금속의 피막을 만드는 일이다(크롬도금, 금도금, 은제품의 로듐도금 등). 도료를 칠하는 것도 한 방법이다. 그러나 녹스는 것은 금속의 속성이며, 또한 그 때문에 금속을 재생하는 일이 가능하므로 못쓰게 된 금속구조물로 지구가 뒤덮여 버리는 일도 없는 것이다.

금속의 연구와 기기

금속과 합금은 조성·내부구조·표면조직 등 미세한 변화에 따라 성질이 두드러지게 변하는 수가 있어, 이것을 측정하는 기기의 금속 연구·이용에 대한 역할이 크다. 금속은 가시광선에 대하여 불투명하므로 보통의 광투과형 광학현미경으로는 조직을 볼 수가 없다. 거울같이 평활하게 연마한 금속시료의 표면을 산 등의 약품으로 조금만 부식시켜 조직·상(相) 등에 의한 부식되는 모양의 차이를 이용하여 반사광에 의해 금속을 조사하는 금속현미경이 개발된 것은 지금으로부터 약 200년 전의 일이다. 이 방법은 현재에도 금속의 조직, 가공 형태, 불순물 존재 등을 알아보기 위한 가장 기본적인 수단이다. 다만 빛을 사용하기 때문에 배율 1000배까지의 한계와 표면만의 관찰이라는 한계는 있다. 시료의 물성 변화를 온도의 함수로써 파악하는 방법인 열분석은 19세기 말에 개발되었는데, 금속·합금의 녹는점·변태 등을 연구하는 수단으로서 현재에도 중요한 기술의 하나이다. 금속의 결정구조를 알아보는 수단인 X선 회절법이 확립된 것은 1911년대의 중반인데, 이후 수많은 금속·합금의 구조가 밝혀져 왔다. 최근에는 또한 전자회절·중성자회절에 의해 X선으로는 밝혀낼 수 없었던 결정구조를 명확히 알 수 있게 되었다. 제2차세계대전 후, 더욱 발달한 전자현미경으로 금속 중의 결정격자의 어긋남, 각종 결함의 존재, 불순물의 형태 등을 원자적 단계에서 알 수 있게 되었다. 또한 주사형의 전자현미경이 1970년대에 실용화되어 파괴·부식 등에 따르는 금속재료 표면조직의 변화를 수십 배에서 수만 배의 확대율로 관찰할 수가 있게 되었다. 그리고 전자선·X선을 이용하는 기술의 발달로 금속의 미량불순물, 미소부분의 조성, 표면의 산화물형태 등이 알려지게 되었다. 또한 방사선으로 조사하여 미소불순물을 방사화해 측정하는 방사화분석 플라스마를 이용한 분광분석, 원자흡광분석 등 성분분석의 수단도 괄목할 만큼 진보하여, 불순물이나 성분이 ppm·ppb의 자릿수로 알려지게 되어, 금속의 연구는 눈부신 발전을 보게 되었다.

금속의 장래

청동기시대에서 철기시대로, 그리고 20세기에 들어와서부터 알루미늄, 그리고 최근에는 티탄이 등장하였다. 구리는 전기용 이외에서는 대폭적으로 다른 재료로 대체되고, 철도 구조재·전자기재료로서는 부동의 자리를 지키고 있지만 일반용품에서는 알루미늄·플라스틱에 상당한 자리를 내주었다. 알루미늄도 그 가벼움·내식성·가공성에 의하여 건재(建材)·식기·가정용품·항공기 재료로서 아직 확고한 자리를 유지하고 있으나, 항공기에서는 내열성이 우수한 티탄으로 상당부분 대체되고 있다. 동체(胴體) 등에서는 최근 탄소계 신소재로 바뀌고 있다. 그리고 최근에는 희토류금속을 비롯한 새로운 금속이 제련기술 진보에 따라 비교적 용이하게 홑원소물질로서 얻어져 각종 합금원소용으로서 중요시되고 있다. 망간은 결코 새로운 금속은 아니지만, 심해저에 무한에 가까운 매장량이 있는 것으로 알려져 그 이용이 논의되고 있다. 그러나 망간은 그 가공성, 변태의 복잡성으로 단독 금속재료로서 사용될 가능성은 없으며, 기껏 합금원소의 하나로서 또는 무기약품으로서의 용도가 있는 데 불과하다. 니오브·탄탈·지르코늄 등의 금속도 초전도재료·원자력재료·고온내열재료 등 특수한 용도에 유용하나 알루미늄이나 철 등에 대체될 수 있는 구조용재는 아니다. 철·구리·알루미늄 등 이른바 커먼 메탈(common metal)은 각각의 사용량·사용법에 다소의 변동은 있더라도, 장래에 걸쳐서 우리의 기술문명을 지탱하는 금속재료로서의 중요성을 잃는 일은 없을 것이다. 그러나 자원은 한정되어 철같이 매우 풍부하게 생각되는 광물도 질이 좋은 것은 줄어들고 있으며, 제련을 위해서 필요한 고점결탄(高粘結炭)도 줄어들고 있다. 많은 금속재료는 순환재생사용이 가능하므로, 효과적인 순환처리가 필요하다.

 

출처:야후