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구리
구리(Copper)는 구리쇠, 동(銅) 또는 적금(赤金)이라고도 하며 화학 원소로 기호는 Cu(←라틴어: Cuprum 쿠프룸), 원자 번호는 29이다. 구리는 부드러운 금속으로 열 전도성과 전기 전도성이 매우 높다. 공기에 접촉하기 전 구리 표면은 분홍빛을 띠는 주황빛을 나타낸다. 구리는 열이나 전기를 전달하기 위한 매개체로서 주로 사용되며 그 외에도 건축 자재나 다양한 합금의 원료로 사용된다. 구리는 비교적 반응성이 낮아 자연에 존재하는 금속 원소 중 제련없이 바로 사용 가능한 순수한 형태로 존재하는 흔치 않은 금속 중 하나이다. 이러한 성질 때문에 구리는 기원전 8세기 경부터 인류에 의해 사용되기 시작하였으며 기원전 3세기 경에 사용된 구리는 주석과의 합금인 청동의 형태로 청동기 시대를 열기도 했다.
구리는 제조업 전반에 광범위하게 사용되므로, 경기가 좋을 때는 수요가 많아져 가격이 올라가고, 경기가 나쁠 때는 수요가 적어져 가격이 내려가는 특성을 가진다. 따라서 구리 가격을 보면 실물 경기를 정확하게 예측할 수 있다는 점에서, 경제 분야에서는 닥터 코퍼(Dr. Copper)라고도 부른다.
우리와 친숙한 구리 제품으로는 전선, 난방용 배관, 자동차 라디에이터, 조리 기구, 동전 등이 있다.
구리를 고도의 고도의 공정 기술로 얇게 만든 구리막은 2차전지 음극 소재로 쓰인다. 이런 전지용 동박은 얇을수록 많은 음극 활물질을 채울 수 있어 배터리 고용량화와 경량화를 가능하게 한다. 열을 외부로 방출하고 형상을 유지시키는 역할을 한다.[1]
개요
- 밀도 : 8.94
- 인장강도 : 221~455 Mpa *열처리에 따라 다름
- 비커스 경도 : 90 HV
- 열팽창률 (20~100˚C ): 17.0 ㎛/m K
- 용융점 : 1084.6˚C
- 열전도도(25˚C ) : 391 W/m.K
- 전기전도도 : 103.06 %
구리는 비교적 흔한 금속 중에서는 비싼 축에 든다. 물론 금이나 은 같은 귀금속에 비하면 한참 싸지만, 실용적이고 대량으로 쓰이는 금속 중에서는 비싼 편이다. 흔히 보는 금속 중에서 일반적인 철이 가장 압도적으로 싸고, 그 다음은 알루미늄, 아연=납, 구리 순이다.
지각에서 원소구성비로는 구리가 26위로 원소번호가 인접한 아연, 니켈과 거의 같은 정도이고, 사실 납(37위) 이나 주석(49위) 보다 훨씬 흔하다. 그래서 전 대륙에 걸쳐 구리 산출지는 적지 않아서 구리 기반의 청동기 문명이 발전할 수 있었다. 하지만 현재로는 경제성 있게 채굴할 수 있는 광산이 일부 지역에 편중되어 있어서 구리 생산의 1/3 이 칠레에서 나오고 있다. 2위는 미국 애리조나주이다.
특성
구리는 붉은 빛을 띠는 금속으로 전기와 열의 전도성이 뛰어나다. 실온에서 구리보다 전기 전도성이 좋은 원소는 은뿐이다. 구리의 색은 가시광선 중에서 빨간색과 주황색만 반사하고 다른 색은 흡수하는 성질 때문에 붉은 빛을 띤다.
구리는 ⁶³Cu과 ⁶⁵Cu의 두 안정 동위원소와 여러 방사성 동위 원소가 있다. 대부분의 방사성 동위 원소는 반감기가 수 분 이내로 가장 반감기가 긴 ⁶⁴Cu은 12.7 시간이다.
다양한 구리 합금이 존재한다. 구리/주석 합금인 청동, 구리/아연 합금인 황동, 구리/니켈 합금인 백동 등이 대표적인 예이다.
물리적 특성
구리(Cu), 은(Ag), 그리고 금(Au)은 주기율표의 11족에 해당하는 원소들이다. 이 원소들은 가득 찬 d오비탈 위에 전자 하나를 가진 s오비탈을 가지고 있으며 반응성이 낮고 열 전도성과 전기 전도성이 매우 높다. 가득 찬 d오비탈 속 전자들은 s오비탈의 전자가 자유 전자로 활동하며 금속 결합을 형성하면서 원자 간 상호작용을 하는 것에 기여하기도 한다. d오비탈이 불완전한 다른 금속들과는 달리 구리의 금속 결합은 비교적 약한 편에 속하며 이로 인해 구리는 무른 편에 속하는 금속이다.
구리의 무른 성질은 구리가 가진 높은 열 전도성과 전기 전도성에 대한 설명을 어느 정도 제공할 수 있다. 구리의 전기 전도성과 열 전도성은 상온에서 은 다음으로 순수한 금속 원소 중에서 가장 높다. 금속 결합 내에서 자유 전자의 이동을 방해하는 저항은 온도에 의한 격자의 진동 때문에 전자가 흩어지는 현상에 의해 주로 발생하는데, 이 격자의 진동은 부드러운 금속에서는 그 정도가 약하여 구리 등의 원소가 높은 열과 전기 전도성을 갖는 이유를 설명할 수 있다.
구리는 회색이나 은색이 아닌 다른 색을 띠는 몇 안 되는 금속 원소들 중 하나이다. 순수한 구리는 주황빛을 띠는 붉은색이며 공기에 접촉하면 붉은색 녹이 슨다. 색의 차이는 가득 찬 3d오비탈과 4s오비탈 사이의 전자 전이가 일어나는 과정에서 나타나는데, 이는 각각의 껍질 간 에너지 차이가 주황빛에 대한 성질을 바꾸기 때문이다. 구리는 물과는 반응하지 않지만 공기 중의 산소와는 천천히 반응하여 적갈색의 산화 구리 층을 형성하는데, 다른 금속과 달리 구리에서 생성되는 산화 구리 층은 밑에 위치하는 금속을 더한 산화로부터 보호하는 역할을 한다.
제련
기원전 5,000년, 고대 이집트에서는 이미 구리를 사용하고 있었으므로, 구리와 그 합금의 역사는 매우 오래되었다. 처음에는 자연동을 주워 모아서 사용했을 것으로 생각되며, 공작석(CuCO₃·Cu(OH)₂)이나 남동석(2CuCO₃·Cu(OH)₂)과 같은 환원성이 강한 광석이 모닥불 바닥에서 구리가 되기도 하였을 것이다. 구리는 황과 친화하는 성질이 강하다. 따라서 천연적으로는 대부분 황동석(CuFeS₂)이나 휘동석(Cu₂S)과 같은 황화물의 형태로 생산된다.
철광석의 경우는 광석 속에 철분 50~60% 함유되어 있으므로 바로 용광로에 넣을 수가 있으나, 동광석의 경우는 암석 성분의 맥석이 많고 구리의 함유량은 보통 1 ~ 2% 정도이다. 그러므로 광석을 빻아 불필요한 맥석과 필요한 광물을 분리하는 공정을 거쳐야 한다. 이 조작을 선광이라고 하며 선광에 의해서 가려진 유용 광물을 정광이라고 부른다. 선광에는 광석의 분쇄와 유용 광물의 함유율을 높이기 위한 조작이 포함된다.
구리와 같은 황화 광물에 많이 쓰이는 방법은 부유선광법이다. 우선 광석을 0.2mm 이하로 빻아 흙탕물 모양으로 만든 다음, 활성제를 넣어서 유용 광물의 표면에 내수성이 생기게 한다. 여기에 발포제를 넣어 섞으면 흙탕물 속의 광물은 발포제 때문에 생긴 거품에 흡착되어 떠오른다. 이 입자를 농축하면 정광이 된다. 이렇게 하면 함유율이 5%이던 광석이 유용 광물 50% 이상을 함유하게 되므로 정련하기 쉽다.
구리의 정광은 황화동·황화철과 선광 과정에서 미처 분리되지 않고 남은 맥석으로 되어 있다. 이것을 소형 용광로에 넣고 산화 용융하면, 산소와의 결합력이 강한 FeS가 먼저 산화해 FeO가 되고 이것은 맥석의 SiO₂ 등과 함께 슬래그를 이룬다. 구리는 Cu2S로 그대로 남아서 FeS의 일부와 함께 녹아 슬래그 밑에 괸다. 이것을 전로에 넣고 공기를 분사하면 FeS가 먼저 산화하여 슬래그로 되고 황화 구리의 산화가 진행함에 따라, Cu₂S＋2Cu₂O → 6Cu＋SO₂로 되어 구리가 생긴다. 이 때의 구리는 순도가 낮은 조동(租銅)이며, 그 순도를 높이기 위해서 다시 전기분해법에 의한 정련을 하여야 한다.
생물 및 인체 영향
구리는 일반적으로 생물에게는 유독한 원소이기도 하다. 그래서 세균 번식 방지 등에도 쓰인다. 하지만 많은 동물 세포들은 구리를 무해하게 몸 밖으로 배출하는 진화를 해서 식기에도 쓰이는 등 큰 문제는 아니다. 다만 유전적으로 이런 구리배출 기능에 장애가 있는 사람도 있는데 이런 사람은 몸에 구리가 축적되어 간 손상, 다발성 장기 손상 등 급성 구리 중독 증상이 나타나는 경우도 있다. 특히 구리가 산을 만나면 특유의 청록색을 띄는 녹청을 만드는데 이건 사람에게 해롭기 때문에 주의해야한다. 황동으로 만드는 유기그릇도 오래 쓰지 않으면 퍼런 녹이 스는데 옛날에는 볏짚에 기와조각을 곱게 간 가루를 묻혀 빡빡 닦아내야 했다. 그러나 특이하게도 철 기반의 헤모글로빈이 아닌 헤모시아닌을 산소운반에 사용하는 생물들도 있지만, 그중 껍질을 가진 수생생물들(달팽이, 조개, 새우 등)은 구리 이온을 매우 싫어한다. 그래서 어항 등에서 달팽이/민달팽이를 퇴치할 때 구리봉을 꽂아두거나 10원짜리(엣 동전, 새 동전은 알미늄에 구리코팅)를 넣어두기도 한다. 총기 소지가 자유로운 미국 농가 등에서는 탄피를 뿌려두기도 한다.
그러나 한편으로는 인체를 구성하는 미량원소에 해당되기 때문에 너무 적어도 문제가 된다. 인간 체내에는 체질량 kg 당 약 1.4~2.1 밀리그램의 구리가 포함되어 있다.
2020년 3월 13일 의학 분야 학술논문 사전공개 사이트(medRxiv)에 발표한 논문에서 미국 국립보건원(NIH)과 프린스턴대 연구진은 SARS-CoV-2는 에어로졸 상태에서 3시간, 구리 표면 위에서 4시간, 종이상자에서 24시간, 플라스틱이나 스테인레스 철 위에서 2~3일간 생존할 수 있다고 분석했다.
이러한 점을 활용하여 코로나 바이러스 예방을 위해 항균 필름으로도 만들어져 병원이나 엘리베이터 등지에서 쓰이고 있다.
경제 지표
구리는 자동차・전기・전자・건설・해운 등 제조업 전반에 걸쳐 사용되며, 원유나 금보다 지정학적・정치적 영향을 덜 받는 특성이 있다. 따라서 경기가 나쁠 때는 수요 감소와 함께 가격이 떨어지고, 경기가 좋을 때는 수요 증대와 함께 가격이 올라간다. 따라서 구리는 증시 및 경제 분야에서 '닥터 코퍼'(Dr.Copper)라는 별칭으로도 불리며, 구리 선물 가격은 실물 경제의 경기 선행 지표로 활용되곤 한다.
예를 들어 주가 지수와 부동산 가격은 오르고 있는데 구리 가격은 떨어지고 있을 경우, 이러한 경제 상황은 실물 경제가 뒷받침되지 않은 것이기 때문에 거품이 끼어 있음을 추측할 수 있다.
그러나 중국 기업들이 구리를 금융 수단으로 사용하고 있어서 구리 가격이 왜곡되고 있다는 분석도 있다. 중국 기업들은 구리를 수입해와 이를 담보로 비은행권에서 대출을 받아 부동산 등에 투자해왔는데, 구리 가격이 하락하면 담보물 청산으로 구리 가격 하락이 더욱 가파르게 된다. 따라서 이러한 현상은 경제 지표로서의 유용성을 떨어뜨린다는 지적이 있다.
각주
- ↑ 이재은 기자, 〈“올해 전기차 빅뱅” 신사업 '배터리 소재' 키우는 기업들〉, 《조선비즈》, 2020-01-13
참고자료
- 〈구리〉, 《위키백과》
- 〈구리〉, 《나무위키》
- 〈구리〉, 《네이버 지식백과》
- 이재은 기자, 〈“올해 전기차 빅뱅” 신사업 '배터리 소재' 키우는 기업들〉, 《조선비즈》, 2020-01-13
같이 보기
