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2016-12-26 13:33:14

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구리[copper]

적색의 금속. 원소기호 Cu, 원자번호 29, 원자량 63.55, 밀도 8.96g/cm3(20℃). 면심입방의 결정구조를 가지고 녹는점은 1085℃이다. 가공이 쉽고 내식성에도 우수하고 강도도 비교적 강하다. 또 전기전도성, 열전도성도 좋아 전선이나 화학장치, 건축재 등에 이용되고 있다.

구리에 아연이나 주석, 알루미늄, 니켈 등을 첨가하여 합금으로 하면 기계적성질이 향상되고, 또 철강보다 내식성이 좋으므로 공업분야에서 널리 쓰이고 있다.

구리광석은 철이나 아연, 납, 금, 은의 광석과 함께 산화물이나 황화물로 산출되는데, 현재 구리정련에는 황동석(CuFeS2)과 휘동석(Cu2S)이 쓰인다. 채굴된 상태의 광석은 구리품위가 1～5%이므로 부유선광법에 의해 20～25%까지 올려서 정련의 원료로 한다.

부유선광법이란 가늘게 부순 광석을 물과 기름의 혼합액에 넣어서 교반하면 물에 젖기 쉬운 맥석은 물 속에 가라앉고 물에 젖기 어려운 황화광은 기름에 부착함으로써 뜨는 원리를 이용하여 분리하는 방법이다.

구리제련은 우선 열풍으로 황화광을 용해하여 매트라고 하는 구리가 약 40%, 철이 20～30%, 유황이 22～24%로 되어 있는 융체를 만든다. 이 때 불순물인 철의 일부는 산화철이 되어 규석(SiO2)이나 석회(CaO)의 용제와 함께 용융슬래그를 형성하고 분리된다.

이 공정에서는 용광로법과 자용제련법 및 반사로제련법이 있다. 용광로법은 연료로서 코크스를 사용하고 자용제련법은 광석 속 황화철의 산화열을 이용하여 거의 연료를 가하지 않고 정련한다.

반사로제련법은 중유 또는 가스로 가열․용해한다.

다음에 전로 속에서 공기를 불어넣어 황화철을 산화하고 산화철을 투입한 규산광(금은을 포함)으로 반응시켜 슬래그를 만든다. 이 단계에서 구리 70～74%, 철 2～5%, 유황 20% 정도의 시로(白)카와가 생긴다. 이 공정을 조환기(造鍰期)라고 부른다. 슬래그를 퍼낸 후 구리지스러기나 스크랩을 장입하고 다시 송풍한다. 유황이 산화됨으로써 아황산가스가 되고 조동(粗銅)이 된다.

이 공정을 제동기(製銅期)라고 부른다. 조동은 구리품위 98.5% 이상이고 불순물로서 금, 은, 납, 비소, 안티몬, 산소, 유황을 함유한다. 일본에서는 지금까지의 공정을 연속적으로 하는 연속제동법(連續製銅法)이 개발되고 있다.

이들 공정에서는 유황의 산화에 의해 아황산가스가 발생하므로 포집하여 황산을 제조한다. 조동은 정련로에서 불순물을 산화휘발시키거나 슬래그로 제거한 후 다음 전해정련용 애노드에 주입(鑄入)된다.

정제된 애노드의 품위는 구리 99% 이상, 유황 0.01% 이하, 산소 0.2% 이하이다. 전해정련에서는 정제조동의 애노드와 캐소드를 병렬로 나란히 하고, 황산구리의 황산산성 용액을 전해액으로 하여 전기분해한다.

애노드를 양극, 캐소드를 음극으로 하여 직류전류가 흐르면 애노드에서 구리는 구리이온으로 용해하고 캐소드에서 석출한다. 전해정련에서 정제된 구리는 전기구리라고 하여 99.94% 정도의 순도가 있다. 비소, 안티몬, 니켈, 비스무트의 불순물은 전해액에 축적되어 금이나 은, 셀렌, 텔루르, 백금, 팔라듐은 슬라임으로 침전하므로 부산물로 회수한다.

전기구리는 수소, 유황 등 각종의 불순물을 포함하고, 이대로는 양호한 주조품이 얻지 못하고 가공도 되지 않는다. 이것을 반사로에서 용해하고 생목으로 교반하여 산소농도를 0.02～0.04%까지 내린 것을 타프피치구리라고 부른다.

대량생산이 가능하고 전기전도율도 높으나 수소에 의한 취성을 일으킬 우려가 있다. 용융구리에 인을 첨가하여 산소를 제거한 것을 인탈산구리라고 부른다.

전기전도율이 낮지만 수소취성을 일으키지 않는다. 진공 속 또는 수소나 일산화탄소가스 등의 환원가스로 용동 속의 산소를 방출시키고 0.02% 이하로 한 것을 무산소구리라고 부른다.

수소취성도 일어나지 않지만 가격은 비싸다. 무산소구리는 전기전도율을 한정하는 금속원소가 환원되어 매트릭스에 고용하므로 타프피치구리보다 전기전도성이 떨어진다.

산소를 제거한 고(高)전기전도율의 구리는 별도의 방법으로 만들어지는데, 이것을 OFHC(oxygen free high conductivity copper, 무산소고전도구리)라고 부른다.

구리는 냉간가공(가열하지 않고 가공하는 것)하면 단단해진다. 인장강도는 2배나 된다. 350℃ 이상으로 가열하면 원래의 상태로 돌아온다.

구리는 철강에 비해 내식성이 현저하게 좋다. 공기속에 방치하면 표면은 광택이 없는 소두색(小豆色)으로 되나 그 이상 산화는 진행되지 않는다. 물과 탄산가스가 있으면 녹청이 녹색으로 되는데 역시 산화는 진행되지 않는다. 산이나 알칼리 농도가 높아지면 부식된다. 또 암모니아가 있으면 결정립계가 부식되는데 특히 응력이 걸린 상태에서는 이 부식이 가속된다. 이것을 응력부식이라고 부른다.

구리의 합금에는 아연을 함유하는 황동 또는 놋쇠와 주석을 함유하는 청동, 니켈을 함유하는 백동(白銅) 등이 있다. 황동에서는 아연이 5～20%인 것을 단동(丹銅)으로 부르고 색은 적색을 띠고 있다. 건축용, 장식용, 각종기구에 쓰인다. 황동은 아연 30%인 것과 40%인 것이 있다.

기계적성질이나 내식성에 우수하고 염가이기 때문에 자동차용 라디에이터, 배선기구, 기계부품, 건축용, 일상품 등 널리 쓰이고 있다. 청동은 주석의 첨가량에 대한 증가와 더불어 동적색에서 등황색으로 된다. 청동에 인을 0.5% 이하 함유하고 주석3～7%를 함유한 것을 인청동이라고 하고, 인장강도는 700～900MPa도 있으므로 내마모성을 필요로 하는 기계부품에 사용된다. 주석 7～9%인 것은 통신기기, 전기기기, 계측기 등의 고급스프링재로 쓰인다.

청동에 납을 첨가하면 윤활작용이 나오므로 베어링 합금으로 쓰인다. 니켈을 10～30% 함유하는 구리합금은 백색으로 백동이라고 부른다. 고온의 기계적성질이나 내식성에 우수하므로 내식이 심한 복수기나 터빈날개, 화학기기 등에 쓰인다. 큐프로니켈이라고도 부른다. 니켈을 치환하는 형태에서 아연을 5～35% 첨가한 합금을 양백(洋白)이라고 부르고, 광택이 은과 흡수하므로 양은이나 니켈실버라고도 한다. 이밖에 내식성이 좋은 알루미늄청동이나 높은 인장강도를 나타내므로 베어링이나 기어 등에 쓰이는 베릴륨구리 등이 있다.

구리는 지표에는 소량밖에 존재하지 않으나 자연동으로 산출되므로 오랜 옛날부터 사용되어 왔다.

이 자연동의 특징은 순도가 높은 것에 있다. 메소포타미아지방에서는 기원전9000～7000년경에 이미 단조에 의해 목걸이나 바늘 등이 만들어졌다. 북이라크에서 발견된 구리의 소옥(小玉)은 금속제품으로서 최고의 것으로 일컬어지고 있다. 기원전 5000년 말에는 고대이집트에서는 자연동을 용해하여 기구를 제작해 왔다.

한편 북미국의 5대호수 지방에 사는 미국원주민은 기원전 3000년부터 기원 1500년까지 자연동을 단조해서 사용해왔다. 자연동을 용해하여 만든 제품의 대부분은 수%의 비소가 들어있다. 이것은 비소가 들어가면 냉간가공으로 경도가 증가하기 때문이다. 구리의 주석이 들어가면 주입한 채의 상태에서도 강도가 증가한다. 이것은 대발견으로 이렇게 해서 청동기시대가 열렸다.

기원전 3000년경 중동에서 청동기시대 초기에는 주석의 농도가 수%로 비소도 들어 있었다. 이것은 동광석을 정련할 때 가끔 주석이 불순물로서 들어간 때문일 것이다.

그러나 일반적으로 동광석에는 주석이 함유되어 있는 것은 드물기 때문에 주석은 교역에 의해 운반되어왔던 것으로 생각된다. 기원전 2800년경 이집트 제1왕조인 우루에 있는 왕가의 묘에서 8～10%의 주석을 함유하는 청동의 도끼가 발견되고 있다. 초기의 청동제품은 주입에 의해 만들어졌으나 해머로 가공함으로써 최종제품이 되었다.

기원전1600년경에는 2중주형에 의한 주입으로 정교한 최종제품을 만들게 되었다. 탕흐름을 좋게 하기 위해 납이 수% 가해지는 경우도 있었다.

그림에는 기원전 1500년경 이집트에서 주조작업의 공정도를 나타내고 있다. 이때 이미 납으로 제품의 형태를 만들어 그 위에 점토를 씌워 가열하고, 그 속에 납을 녹여내어 주형을 만드는 로스트왁스법이 고안되고 있어 보다 정교한 주조가 실행되었다. 청동제품의 제조방법은 점차 동아시아로도 전해지고 중국에서 가장 발전하였다. 일본에서는 우리나라를 경유하여 기술이 전례된 것으로 전해지고 있다. 처음에 구리가 발견된 것은 문무(文武)2년(698년)으로 청동제의 나라대불은 기원 752년에 주조로 만들어졌다.