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금속

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목차

1. 개요

금속은 전자파 반사, 열 및 전기 전도성, 전성 및 연성을 특징으로 하는 물질로 정의된다. 금속은 화학 결합(금속 결합)과 띠 이론으로도 정의될 수 있다. 금속은 물리적, 화학적, 결정 구조, 공업 재료, 비중 등 다양한 기준으로 분류된다. 철강, 귀금속, 경금속, 중금속, 초합금 등이 있으며, 합금은 금속의 성질을 개선하기 위해 사용된다. 인류는 금속을 도구, 무기, 건축 자재 등으로 사용해 왔으며, 금속은 현대 사회의 핵심적인 재료로 자리 잡았다. 한편, 일부 금속은 독성을 가지며 알레르기 반응을 일으키기도 한다.

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금속
개요
명칭금속
어원그리스어 "μέταλλον" (메탈론), 광산, 채석장, 금속 의미에서 유래
정의일반적으로 전기 및 열을 잘 전도하고, 광택을 내며, 연성 및 전성이 있는 물질
물리적 특성
전도성전기 및 열을 잘 전도함
광택빛을 반사하는 광택을 가짐
연성늘여서 가늘게 만들 수 있음
전성두드려 얇게 펼 수 있음
결정 구조일반적으로 결정 구조를 가짐
화학적 특성
전자원자의 최외각 전자를 쉽게 잃고 양이온이 되려는 경향이 있음
산화산소와 반응하여 산화물을 형성함
반응성다른 원소들과 다양한 화학 반응을 일으킴
금속 결합금속 원자 간의 특유의 금속 결합을 형성
분류
종류알칼리 금속
알칼리 토금속
전이 금속
준금속
희토류
악티늄족
금속성금속성은 금속의 특성 중 하나로, 금속과 비금속을 구별하는 중요한 기준
이용
다양한 활용건축 재료
전기 제품
기계 부품
장신구
화폐
합금둘 이상의 금속을 섞어 만든 합금은 강도, 내식성 등 금속의 성질을 향상시키는 데 사용됨
기타
금속 원소주기율표에서 금속 원소는 약 90여 종
지각 구성지각을 구성하는 주요 원소 중 다수가 금속 원소
별의 금속 함량천문학에서 별의 금속 함량은 수소와 헬륨보다 무거운 원소의 비율을 의미
모트 전이금속-비금속 전이에서, 절대 0도에서 금속은 전도성을 보이고 비금속은 전도성이 없음

2. 정의

"금속"은 물질을 분류하는 중요한 기준 중 하나로, 그 정의는 관점에 따라 다양하게 내려질 수 있다. 일반적으로는 특유의 금속 광택, 높은 열전도율 및 전기 전도도, 전성과 연성 등의 물리적 성질을 통해 정의된다. 또한, 원자 수준에서는 금속 결합이라는 독특한 화학 결합 방식이나 띠 이론에 기반한 전자 구조를 통해 금속을 정의하기도 한다. 이어지는 내용에서는 이러한 다양한 관점에서 금속이 어떻게 정의되고 어떤 특징을 갖는지 살펴본다.

2. 1. 성질로부터의 정의

탁자 위의 갈륨 결정
갈륨 결정


대부분의 금속은 연마하거나 파쇄했을 때 금속 광택을 낸다. 몇 마이크로미터보다 두꺼운 금속판은 불투명하게 보이지만, 아주 얇은 금박은 녹색 빛을 투과시키기도 한다. 이는 금속 내부에 빛을 반사하는 자유 전자가 있기 때문이다.[1][2]

대부분의 금속은 비금속보다 밀도가 높지만,[10] 그 값은 매우 다양하다. 리튬(0.534 g/cm3)이 가장 밀도가 낮고, 오스뮴(22.59 g/cm3)이 가장 밀도가 높다. 일부 6d 전이 금속은 오스뮴보다 밀도가 더 높을 것으로 예상되지만, 아직 불안정하여 대량 생산은 어렵다.[11] 상업적으로 중요한 경금속으로는 마그네슘(1.7 g/cm3), 알루미늄(2.7 g/cm3), 티타늄(4.5 g/cm3) 등이 있으며, 이는 철(7.9 g/cm3)이나 구리(8.9 g/cm3) 같은 기존 구조 금속보다 훨씬 가볍다. 가장 흔하게 사용되는 경량 금속은 알루미늄 합금[12][13]과 마그네슘 합금[14][15]이다.

인장 시험 후 둥근 금속 막대의 개략적인 모양.
(a) 취성 파괴
(b) 연성 파괴
(c) 완전 연성 파괴


금속은 일반적으로 전성(가단성)과 연성이 뛰어나 외부 힘을 받아도 쪼개지지 않고 늘어나거나 펴지는 성질이 있다.[10] 이는 금속 원자들을 묶는 금속 결합이 특정 방향성을 갖지 않아 원자 배열이 쉽게 미끄러질 수 있기 때문이다. 즉, 결정 결함의 일종인 전위가 쉽게 이동할 수 있어 소성 변형이 용이하다.[16][3] 반면, 소금과 같은 이온 결합 화합물은 원자 배열이 미끄러지기 어려워 작은 힘에도 쉽게 부서진다.[3] 금속에 가해진 힘이 작을 때는 탄성 변형이 일어나며, 이는 힘을 제거하면 원래 형태로 돌아오는 훅의 법칙으로 설명할 수 있다.[17] 온도가 변하면 금속 내부의 구조적 결함(입계, 점 결함, 선 및 나선 전위, 적층 결함, 쌍정)이 이동하여 슬립, 크리프, 금속 피로 등의 현상이 발생할 수 있다.[3][16]

단순한 금속 원소의 원자들은 주로 체심 입방(bcc), 면심 입방(fcc), 육방 조밀 충진(hcp) 세 가지 결정 구조 중 하나로 배열된다. bcc 구조에서는 각 원자가 정육면체 중앙에 위치하고 8개의 다른 원자와 접한다. fcc와 hcp 구조에서는 각 원자가 12개의 다른 원자로 둘러싸여 있지만, 원자 층이 쌓이는 방식이 다르다. 일부 금속은 온도에 따라 다른 결정 구조를 갖기도 한다.[18]

체심 입방 결정 구조(예: 크롬, 철, 텅스텐)


면심 입방 결정 구조(예: 알루미늄, 구리, 금)


다른 원소를 포함하는 합금이나 세라믹 등은 티타늄 질화물(TiN)의 암염 구조나 일부 니켈 산화물의 페로브스카이트 구조와 같이 더 복잡한 구조를 갖기도 한다.[19]

300px


TiN의 상태 밀도. 점유된 상태는 파란색 음영, 페르미 준위는 x축 원점이다. Ti 및 N 원자와 관련된 상태를 포함한 모든 상태가 표시된다.


금속의 전자 구조는 금속이 비교적 좋은 전기 전도체인 이유를 설명해 준다. 금속 내 자유 전자는 외부 전압이 없을 때는 무작위로 움직여 평균적인 이동이 없지만, 전압이 가해지면 특정 방향으로 약간 더 빠르게 움직이는 전자들이 생겨 전류가 흐르게 된다.[1][2] 이는 전자가 더 높은 에너지 상태(더 높은 운동량)로 이동하기 때문에 가능한데, 양자 역학의 파울리 배타 원리에 따라 전자는 비어있는 에너지 상태로만 이동할 수 있다.[20] 금속은 전자가 채워진 가장 높은 에너지 준위(페르미 준위) 바로 위에 비어있는 에너지 상태가 많아 전자가 쉽게 이동하며 전류를 형성한다. 반면, 실리콘과 같은 반도체나 티탄산 스트론튬 같은 절연체는 전자가 채워진 에너지 띠와 비어있는 에너지 띠 사이에 에너지 갭이 있어 전자가 쉽게 이동하지 못하므로 전도성이 낮다. 하지만 반도체는 특정 원소를 도핑하거나 온도를 높이면 전도성이 증가하기도 한다.[21]

원소 금속의 전기 전도도는 망간(6.9 × 103 S/cm)부터 은(6.3 × 105 S/cm)까지 다양하다. 반대로 반도체인 붕소는 1.5 × 10−6 S/cm 정도로 매우 낮다. 대부분의 금속은 온도가 올라가면 전기 전도도가 감소하지만, 플루토늄은 약 -175°C에서 125°C 사이에서 온도가 오르면 오히려 전도도가 증가하는 특이한 성질을 보인다.[22] 이는 상대론적 효과나 스핀 상호작용과 같은 복잡한 요인 때문으로 추정된다.[23]

금속 합금, 전도성 세라믹(예: 질화 티타늄), 전도성 고분자 등도 금속과 유사한 전자 구조와 전기 전도도를 가지므로 넓은 의미에서 금속으로 분류될 수 있다. 수은과 같은 액체 금속도 좋은 전도체이다. 기체는 일반적으로 전도체가 아니지만, 플라스마 상태에서는 대전 입자들이 자유롭게 움직여 금속처럼 전기를 전도할 수 있다.[24]

노벨상 수상자 앨런 맥다이어미드가 제작한 전도성 고분자를 위한 배터리 시연 장치


금속은 열 전도율도 비교적 높다. 금속에서 열은 주로 자유 전자의 이동을 통해 전달된다.[25] 온도가 높아지면 전자는 더 높은 에너지 상태로 이동하며 더 많은 운동 에너지를 갖게 되고, 이 에너지를 다른 곳으로 전달하여 열을 전도한다.[2][21] 비데만-프란츠 법칙은 많은 금속에서 열 전도율과 전기 전도율의 비율이 온도에 비례하며, 그 비례 상수는 금속의 종류에 관계없이 거의 일정하다는 경험적인 법칙이다.[2] 금속의 열 및 전기적 특성은 자유 전자 모형으로 어느 정도 설명할 수 있지만,[2] 더 정확한 이해를 위해서는 금속 이온 격자의 구조와 전자의 상호작용을 고려하는 전자 띠 구조 이론(거의 자유 전자 모형, 밀도 범함수 이론 등)이 필요하다.[2][27][28]

일반적으로 다음 다섯 가지 특징을 모두 갖춘 물질을 "금속"으로 정의한다.

  • 전자파를 잘 반사한다. (특히 가시광선을 반사하여 나타나는 광택을 금속 광택이라 한다.)
  • 열 전도성이 우수하다.
  • 전기 전도성이 우수하다.
  • 전성(얇게 펴지는 성질)을 가진다.
  • 연성(가늘게 늘어나는 성질)을 가진다.


단, 금속 원소가 아니더라도 특정 환경에서는 금속과 유사한 성질을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 상온에서 매우 높은 압력(약 200GPa 이상)을 가하면 수소가 금속처럼 행동할 것으로 예측되며, 이를 금속 수소라고 부른다.[95]

2. 2. 화학 결합으로부터의 정의

금속을 원자의 화학 결합으로 정의할 경우, 고유한 금속 결합으로 설명할 수 있다. 이는 양전하를 띤 양이온화된 금속 원소들이 규칙적으로 배열되고, 그 사이를 자유 전자가 자유롭게 이동하면서 쿨롱 힘으로 서로 결합되어 있는 상태를 의미한다. 상온에서 이러한 결합 상태를 이루는 물질을 금속으로 정의한다.[96]

금속 내 원자 배열은 대부분 면심입방격자구조(fcc), 체심입방격자구조(bcc), 육방최밀충진구조(hcp) 중 하나를 가지며, 원소의 종류나 상태에 따라 다른 구조를 취하기도 한다. 이들 구조는 각각 원자가 채워진 비율(원자 충진율)이 다르며, 이는 금속이 외부 힘에 의해 영구적으로 변형되는 소성 변형 특성에 영향을 준다.[96][97]

외부의 힘이 가해졌을 때, 이온 결합과 금속 결합에 일어나는 차이


자유 전자 이론은 금속 결합을 설명하는 초기 모델 중 하나로, 금속을 양전하를 띤 격자 사이를 전자가 자유롭게 돌아다니는 상태(Drude, 1900) 또는 자유 전자의 바다 속에 양이온이 잠겨 있는 상태(Lorentz, 1923)로 묘사했다.[98] 바로 이 자유 전자의 존재가 금속 고유의 여러 특징을 만들어낸다. 예를 들어, 외부에서 힘이 가해져 원자 배열에 어긋남이 생겼을 때, 이온 결합으로 이루어진 물질은 같은 전하끼리의 정전기적 반발로 인해 쉽게 깨지지만, 금속은 자유 전자가 양이온 사이를 유동적으로 감싸고 있어 결합이 유지되며 변형될 수 있다. 이것이 금속의 연성과 가단성의 원인이 된다.[99]

또한, 금속 특유의 금속 광택은 자유 전자가 대부분의 가시광선 영역의 빛을 반사하기 때문에 나타난다. 더 정확하게는, 자유 전자의 집단이 다양한 파장의 빛을 흡수했다가 다시 방출하는 과정을 통해 전체적으로 빛을 반사하는 것처럼 보여 광택을 띠게 된다.[100] 금속이 전기 전도성을 가지는 이유 역시 자유 전자가 전하를 가지고 금속 내부를 자유롭게 이동하며 전극 사이에서 전하를 전달할 수 있기 때문이다.[100]

2. 3. 띠 이론으로부터의 정의

금속, 반도체, 절연체의 띠 구조 개략도


띠 이론은 원자 내 전자가 가질 수 있는 에너지 준위가 여러 원자가 모였을 때 어떻게 변하는지를 설명하는 이론이다. 이 이론에 따르면, 금속은 다음과 같이 정의될 수 있다.

양자역학에 따라, 많은 원자(아보가드로 수 정도)가 모이면 원래의 전자 궤도가 미세하게 갈라져 에너지적으로 연속된 띠를 형성한다. 금속에서는 전자가 에너지가 낮은 상태부터 차례대로 이 띠를 채우게 되는데, 가장 높은 에너지를 가진 전자가 점유하는 에너지 준위를 페르미 에너지라고 하며, 이 에너지에 해당하는 전자들이 페르미 표면을 형성한다. 이렇게 전자가 채워진 에너지 영역의 묶음을 띠 구조라고 부른다.[101]

물질의 종류에 따라서는 전자가 존재할 수 없는 에너지 영역인 띠 간격(금지대)이 존재한다. 만약 전자가 채워진 가장 높은 에너지 띠(원자가띠)가 완전히 채워져 있고, 그 바로 위에 상당한 크기의 띠 간격이 존재하면 전자는 쉽게 더 높은 에너지 상태로 이동할 수 없어 전류가 흐르기 어렵다. 이런 물질이 절연체이다.[102]

그러나 금속은 원자가띠가 완전히 채워져 있지 않거나, 원자가띠와 전도띠가 겹쳐 있어 띠 간격이 없는 상태이다. 따라서 금속 내 전자는 매우 적은 에너지만으로도 쉽게 이동할 수 있는 자유 전자의 성격을 띠며, 이로 인해 높은 전기 전도성을 나타낸다.[103]

한편, 반도체는 절연체와 금속의 중간적 성질을 가진다. 반도체는 약 1eV 정도의 좁은 띠 간격을 가지고 있다. 이 때문에 상온에서의 열에너지나 빛 에너지를 흡수하면 원자가띠의 전자가 띠 간격을 넘어 전도띠로 쉽게 올라갈 수 있게 되고, 이로 인해 전류가 흐를 수 있게 된다.[103]

3. 성질

금속은 고유한 여러 가지 성질을 나타내며, 이는 주로 원자의 배열 방식과 전자의 행동 방식에 의해 결정된다. 일반적으로 금속은 전기와 열을 잘 전도하는 특징을 가진다. 이러한 성질은 금속 내부의 자유 전자가 쉽게 이동할 수 있기 때문에 나타난다.

주기율표에 있는 대부분의 원소는 금속으로 분류된다.[31] 하지만 압력과 같은 외부 조건이나 원자의 배열 구조(동소체)에 따라 같은 원소라도 금속성을 띠거나 띠지 않을 수 있다. 예를 들어 탄소(C)는 흑연 상태에서는 전기를 전도하는 금속성을 보이지만, 다이아몬드 상태에서는 절연체이다. 극도로 높은 압력 하에서는 거의 모든 물질이 금속성을 나타낼 것으로 예측된다.[32]

금속의 구체적인 물리적, 화학적 성질은 아래 하위 섹션에서 더 자세히 다룬다.

3. 1. 물리적 성질



금속의 독특한 물리적 성질은 주로 그 전자 구조에서 비롯된다. 금속 원자들은 결정 격자를 이루며, 각 원자에서 나온 원자가전자들은 특정 원자에 속박되지 않고 격자 전체를 자유롭게 이동하는 자유 전자(또는 비편재 전자)가 된다. 양자 역학적으로 이 전자들은 특정 에너지 영역인 에너지 띠를 형성하는데, 금속의 특징은 전자가 채워진 가장 높은 에너지 띠(원자가띠)와 비어있는 가장 낮은 에너지 띠(전도띠)가 겹쳐 있거나, 원자가띠 자체가 부분적으로만 채워져 있다는 점이다. 이로 인해 전자가 쉽게 이동할 수 있는 빈 에너지 상태가 바로 인접해 있으며, 이 상태들의 경계를 페르미 준위( ''E''F )라고 부른다. 금속에서는 페르미 준위가 에너지 띠 내부에 위치한다.[1][2]

이러한 전자 구조 덕분에 금속은 외부 전압에 반응하여 자유 전자가 쉽게 이동하며 전류를 형성할 수 있어, 좋은 전기 전도체가 된다.[1][2] 마찬가지로, 자유 전자는 열에너지를 효과적으로 전달하여 금속을 좋은 열전도체로 만든다.[25] 전기 전도도와 열 전도도 사이에는 밀접한 관계가 있으며, 이는 비데만-프란츠 법칙으로 설명되기도 한다.[2]

금속의 전기적, 열적 성질은 자유 전자 모델을 통해 기본적인 이해를 할 수 있지만,[2] 실제 금속의 복잡한 성질을 더 정확히 설명하기 위해서는 이온 격자의 구조와 전자 간 상호작용을 고려하는 거의 자유 전자 모델[2] 또는 밀도 범함수 이론[27][28]과 같은 더 정교한 이론이 필요하다.

주기율표 상의 대다수 원소는 일반적인 조건에서 금속 결합을 통해 고체 상태를 이룬다. 일부 원소들은 공유 결합 네트워크, 분자 공유 구조를 형성하거나 단일 원자(비활성 기체)로 존재한다.[31] 아스타틴(At), 프랑슘(Fr) 및 그 이후의 무거운 원소들은 강한 방사능으로 인해 대량 합성이 어려워 실험적 검증이 부족하지만, 이론 및 간접적 증거들은 이들이 금속성을 가질 것임을 시사한다.[32] 다만, 오가네손(Og)은 DFT 계산에 따라 반도체일 것으로 예측되기도 한다.[33]

물질의 상태는 압력과 같은 외부 조건에 따라 변할 수 있으며, 극도로 높은 압력 하에서는 모든 원소와 물질이 금속성을 띨 것으로 예상된다.[32] 또한, 같은 원소라도 동소체에 따라 성질이 달라질 수 있다. 예를 들어, 비소(As)는 안정한 금속 동소체와 준안정한 반도체 동소체를 모두 가지며, 탄소(C)의 경우 흑연은 금속성을 띠지만 다이아몬드는 절연체이다.

3. 1. 1. 결정 구조

'''준금속'''(semimetal)은 전도대의 바닥과 원자가대의 꼭대기 사이에 작은 에너지 중첩이 있는 물질이지만, 운동량 공간에서는 중첩되지 않는다.[62] 일반 금속과 달리 준금속은 두 가지 유형(정공과 전자)의 전하 운반체를 가지고 있지만, 전하 운반체의 수는 일반 금속보다 훨씬 적다. 이러한 점에서 준금속은 축퇴 반도체와 유사하다. 이것은 준금속의 전기적 특성이 금속과 반도체의 중간에 있는 이유를 설명한다. 특히 와일 준금속과 디랙 준금속과 같은 추가적인 유형이 있다.[63]

전형적인 원소 준금속은 비소, 안티모니, 비스무트, α-주석(회색 주석) 및 흑연이다. 화합물인 텔루르화수은(HgTe)[64] 및 일부 전도성 고분자도 있다.[65]

3. 1. 2. 녹는점

물리화학의 깁스의 상규칙에 따르면 물질의 상태는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

: F \, = C-P+2

여기서 F는 자유도(평형 상태에서 취할 수 있는 외부 인자의 수), C는 성분의 수, P는 그 계(系)에 존재하는 상의 수이다.

금속의 상규칙을 고려할 때, 약간의 압력 변화가 미치는 영향은 무시해도 되므로, 변수 2가 나타내는 강도 중 압력을 제외한 다음 식을 사용한다.

: F \, = C-P+1

순금속의 성분 C는 1이므로, 위 식을 변형하면 F \, = 2-P가 되고, P = 2, 즉 고체와 액체가 공존하는 상태에서의 자유도 F는 0이 된다. 이것은 순금속이 일정한 녹는점을 갖는다는 것을 나타낸다. 반면, 합금에서는 C는 2이고, F는 1이 되므로, 녹기 시작하는 온도(고상선 온도)와 완전히 녹는 온도(액상선 온도)가 다르기 때문에, 고상선 온도를 녹는점으로 두고 있다. 이러한 상의 변화는 용융 상태의 금속을 서서히 냉각시키면서 응고시켜 얻어지는 냉각 곡선으로 분석한다.[104]

이와 같이 일정한 순금속의 녹는점(어는점)은 온도의 고정점으로 이용되고 있다. 국제온도눈금 1990년 개정(ITS-90)에서는 주석, 알루미늄, 금, 은 등의 어는점이 채택되고 있다.[104] 녹는점에서 끓는점 사이에서 액체 상태가 된 금속, 또는 좁은 의미로는 상온 근처에서 액체 상태가 되는 금속을 '''액체 금속'''이라고 한다.[105][106]

3. 1. 3. 경도

금속은 일반적으로 단단한 것으로 여겨지며, 긁힘 경도 등의 의미에서는 실제로 단단한 경우가 많다. 하지만 알칼리 금속이나 알칼리 토류 금속처럼 무른 것도 있다. 또한, 소성(plasticity)이라는 관점에서 보면, 오히려 금속은 무르고(연성이 있고) 가공하기 쉬운 것이 특징이라고 할 수 있다. 산업적으로 대량으로 이용되는 이유도 강도와 가공 용이성의 균형이 좋기 때문이다.

내열 금속(Refractory metal)은 열과 마모에 매우 강한 금속으로, 상온에서 높은 경도를 가진다. 어떤 금속이 이 범주에 속하는지는 다양하지만, 가장 일반적인 정의에는 니오븀(Niobium), 몰리브데넘(Molybdenum), 탄탈럼(Tantalum), 텅스텐(Tungsten), 레늄(Rhenium)과 이들의 합금이 포함된다. 이들은 모두 2000°C 이상의 녹는점을 가지고 있다. 질화티탄(Titanium nitride)과 같은 여러 화합물도 내열 금속으로 설명되기도 한다.

금속 재료의 경도 평가는 JIS 규격에서 4가지 측정법이 정해져 있다.[107]

측정법주요 적용 대상 및 특징
브리넬 경도 시험주물 등에 한정됨
비커스 경도 시험하중 폭이 넓어 무른 금속부터 초경합금까지 대응 가능
록웰 경도 시험황동이나 담금질 합금 등에서 사용됨
쇼어 경도 시험(원본 소스에 구체적 설명 없음)

[108]

3. 1. 4. 변태

물질이 상을 고체, 액체, 기체로 바꾸는 것을 상전이라고 한다. 대부분의 금속은 이 외에도 고체 상태에서 결정 구조를 바꾸는 현상을 보이는데, 이를 고상 변태, 동소체 변태 또는 간단히 금속의 변태라고 부른다. 이 변태는 주로 온도 변화 때문에 일어나며, 많은 경우 저온에서 fcc 또는 hcp 구조를 갖던 금속이 특정 온도(변태 온도)를 넘어서면 bcc 구조로 바뀐다.

하지만 철(Fe)은 예외적으로 특수한 변태 과정을 거친다. 저온에서 bcc 구조(α-Fe)를 가지다가 912°C를 기점으로 fcc 구조(γ-Fe)로 변하고, 더 가열하면 1400°C에서 다시 bcc 구조(δ-Fe)가 된다. 이는 저온의 철이 자성이 강하기 때문에 나타나는 현상으로 설명되며, 이러한 성질 덕분에 철은 다양한 용도로 활용될 수 있다.[97][104]

고온의 금속이 냉각되면서 bcc 구조로 변하는 것을 마르텐사이트 변태라고 한다. 이 변태는 특정 온도인 Ms(마르텐사이트 시작 온도)에서 시작되어 Mf(마르텐사이트 종료 온도)에서 완료된다. 반대로 bcc 구조의 금속을 가열할 때 일어나는 변태는 역변태라고 부르며, 온도 As(역변태 시작 온도)에서 시작하여 Af(역변태 종료 온도)에서 완료된다. 이 온도들 사이에는 Mf < Ms < As < Af의 관계가 성립한다.[109]

금속의 변태 현상은 공학 분야에서도 응용된다. 예를 들어 원자력발전소에서 사용하는 우라늄(U) 처리가 있다. 668°C 이하에서 사방정계 구조(α-U)를 가지는 우라늄은 발전 과정에서 필요한 봉 형태로 만들기 위해 단조나 압연 가공을 거친다. 이 과정에서 결정들이 특정 방향으로 배열되는 집합 조직이 형성되는데, 이 때문에 여러 번 가열과 냉각을 반복하면 열팽창으로 인해 우라늄 봉의 크기가 몇 배로 늘어나는 문제가 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해 우라늄 봉을 가열하여 정방정계 구조(β-U)로 변태시킨 후 빠르게 냉각(급냉)하여 집합 조직을 제거한다. 이렇게 하면 열팽창 문제를 크게 줄일 수 있다.[104]

3. 1. 5. 전기 전도성 및 초전도



금속의 전자 구조는 금속이 비교적 좋은 전기 전도체임을 의미한다. 금속 내 전자들은 외부 전압이 없을 때는 평균적인 움직임이 0이지만, 전압이 가해지면 일부 전자는 특정 방향으로 더 빠르게, 일부는 더 느리게 움직여 전체적으로 전류를 발생시키는 순 표류 속도를 갖게 된다.[1][2] 이는 전자의 양자 상태가 약간 변하여 더 높은 운동량을 갖는 상태로 이동하는 것을 포함한다. 양자 역학의 파울리 배타 원리에 따르면, 하나의 양자 상태에는 하나의 전자만 존재할 수 있으므로,[20] 전자가 이동하기 위해서는 더 높은 운동량을 가진 비어 있는 상태가 필요하다. 금속에서는 그림과 같이 전자가 채워진 가장 높은 에너지 준위 근처에 비어 있는 비편재 전자 상태가 존재하여 전자의 이동이 비교적 자유롭다.

반면, 실리콘과 같은 반도체나 티탄산 스트론튬과 같은 비금속에서는 전자가 채워진 가장 높은 에너지 상태와 비어 있는 가장 낮은 에너지 상태 사이에 에너지 갭(띠 간격)이 존재한다. 이 때문에 전자가 쉽게 이동할 수 있는 접근 가능한 상태가 없어 전기 전도성이 낮다. 하지만 반도체는 특정 원소를 첨가(도핑)하여 부분적으로 채워진 에너지 상태를 만들거나, 온도를 높여 열에너지로 전자가 띠 간격을 넘어 이동하게 하면 약간의 전류를 흘릴 수 있다.[21]

원소 금속의 전기 전도도는 망간(Mn)의 6.9 × 10³ S/cm부터 은(Ag)의 6.3 × 10⁵ S/cm까지 다양하다. 반면, 붕소(B)와 같은 반도체성 준금속은 1.5 × 10⁻⁶ S/cm 정도의 낮은 전기 전도도를 가진다. 대부분의 금속 원소는 온도가 올라가면 원자 격자의 진동이 심해져 전자의 이동을 방해(산란)하기 때문에 전기 전도도가 감소한다.[96][99] 그러나 플루토늄(Pu)은 예외적으로 약 -175°C에서 125°C 사이의 온도 범위에서 가열될 때 전기 전도도가 증가하는 현상을 보인다. 이는 플루토늄의 비정상적으로 큰 열팽창 계수와 약 100°C 부근에서의 결정 구조 변화(단사정계에서 면심입방정계로의 상전이)와 관련이 있는 것으로 보이며,[22] 이러한 현상은 간단한 모델로는 설명하기 어려운 복잡한 상대론적 효과 및 스핀 상호 작용 때문으로 여겨진다.[23]

금속 합금, 전도성 세라믹(예: 질화티탄), 전도성 고분자 등도 페르미 준위 근처에 비편재화된 전자가 존재하여 금속과 유사한 전기 전도성을 나타낸다. 액체 상태의 금속(예: 수은) 역시 좋은 전기 전도체이다. 기체는 일반적으로 전도체가 아니지만, 고온에서 원자가 이온화된 플라스마 상태는 대전 입자들이 자유롭게 움직일 수 있어 금속과 유사한 전도성을 보인다. 특히 백색왜성과 같은 천체의 플라스마는 원소 금속의 전자와 많은 공통점을 가진다.[24]

금속의 높은 전기 전도성은 높은 열전도율과도 관련이 있다. 금속에서 열은 주로 자유롭게 움직이는 전도 전자에 의해 전달된다.[25] 온도가 높아지면 전자는 더 높은 에너지 준위를 차지하게 되고,[2][21] 이는 더 높은 운동 에너지를 의미하므로 열에너지를 효과적으로 전달할 수 있다. 경험적인 비데만-프란츠 법칙은 많은 금속에서 열전도율과 전기 전도율의 비율이 온도에 비례하며, 그 비례 상수가 대부분의 금속에서 거의 같다는 것을 보여준다.[2] 금속 전자의 열용량 및 열전도도 기여, 그리고 전기 전도도는 자유 전자 모델을 통해 근사적으로 계산할 수 있지만,[2] 이온 격자의 세부 구조를 고려하는 거의 자유 전자 모델이나[2] 밀도 범함수 이론과 같은 더 정교한 모델들이 사용되기도 한다.[27][28]

금속의 전기 전도성은 온도가 내려갈수록 높아지는데, 이는 온도가 낮아짐에 따라 전자의 산란이 줄어들기 때문이다.[96][99] 이러한 성질을 연구하는 과정에서 절대영도(0 K, -273.15°C)에 가까워지면 금속의 전기저항이 0이 될 것이라는 예측을 검증하던 중, 1911년 하이케 카메를링 오네스는 특정 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라지는 초전도 현상을 발견했다. 초전도 현상이 나타나는 온도, 즉 임계 온도(Tc)는 금속마다 다르다. 예를 들어, 니오븀(Nb)의 임계 온도는 9.22 K이고, 알루미늄(Al)은 1.20 K이다.[99]

3. 2. 화학적 성질



금속의 전자 구조는 금속이 비교적 좋은 전기 전도체임을 결정한다. 금속 내 전자들은 다양한 운동량을 가지며, 외부 전압이 없을 때는 평균 운동량이 0이다. 전압이 가해지면 일부 전자는 특정 방향으로 약간 더 빠르게, 일부는 약간 더 느리게 움직여 전류를 유발하는 순수한 표류 속도가 발생한다.[1][2] 이는 전자가 더 높은 운동량을 가진 상태로 이동하는 것을 의미하는데, 양자 역학의 파울리 배타 원리에 따라 하나의 양자 상태에는 하나의 전자만 존재할 수 있으므로,[20] 전자가 이동하기 위해서는 더 높은 에너지 준위에 비어있는 비편재 전자 상태가 필요하다. 금속은 페르미 준위 근처에 이러한 비어있는 상태가 충분히 존재하여 전자가 쉽게 이동하고 전류를 형성할 수 있다. 반면, 실리콘과 같은 반도체나 티탄산 스트론튬과 같은 비금속은 전자가 채워진 가장 높은 에너지 상태와 비어있는 가장 낮은 에너지 상태 사이에 에너지 갭이 존재하여 전자가 쉽게 이동할 수 있는 상태가 부족하다. 따라서 반도체와 비금속은 일반적으로 전도성이 낮지만, 불순물을 첨가하는 도핑을 통해 전도성을 높일 수 있다.[21]

원소 금속의 전기 전도도는 망간(6.9 × 103 S/cm)부터 은(6.3 × 105 S/cm)까지 다양하다. 반면, 붕소와 같은 반도체 준금속은 1.5 × 10−6 S/cm 정도의 낮은 전도도를 가진다. 대부분의 금속 원소는 온도가 올라가면 전기 전도도가 감소하지만, 플루토늄은 약 -175°C에서 125°C 사이 온도 범위에서 가열될 때 오히려 전기 전도도가 증가하는 예외적인 특성을 보인다. 이는 플루토늄의 비정상적으로 큰 열팽창 계수와 약 100°C 부근에서의 상변화와 관련이 있으며,[22] 이러한 현상은 상대론적 효과 및 스핀 상호 작용과 같은 복잡한 요인에 기인하는 것으로 여겨진다.[23]

금속 합금이나 질화티탄과 같은 전도성 세라믹, 특정 고분자 역시 페르미 준위 근처에 비편재화된 전자 상태를 가져 금속성을 나타낸다. 수은과 같은 액체 상태의 금속도 전기 전도성을 가지며, 심지어 플라스마 상태의 물질도 대전 입자들이 금속의 전자와 유사하게 행동하여 금속 전도성을 보일 수 있다. 특히 백색왜성 내부의 플라스마가 대표적인 예이다.[24]

금속은 또한 상대적으로 좋은 열 전도체인데, 이는 주로 전도 전자에 의해 열이 전달되기 때문이다.[25] 온도가 높아지면 전자는 페르미-디랙 통계에 따라 약간 더 높은 에너지 준위를 차지하게 되며,[2][21] 이는 더 높은 운동량(운동 에너지)을 의미하므로 열 에너지를 효과적으로 전달할 수 있다. 경험적인 비데만-프란츠 법칙은 많은 금속에서 열전도도와 전기 전도도의 비율이 온도에 비례하며, 그 비례 상수는 대부분의 금속에서 거의 동일하다는 것을 보여준다.[2]

금속 전자의 열용량, 열전도도 기여 및 전기 전도도는 자유 전자 모델을 통해 근사적으로 계산할 수 있다.[2] 그러나 이 모델은 금속 이온 격자의 세부 구조를 고려하지 않는다. 이온 코어 배열에 의한 양(+) 전위를 고려하면 금속의 전자 띠 구조와 결합 에너지를 더 정확히 이해할 수 있으며, 이를 위해 거의 자유 전자 모델[2]이나 밀도 범함수 이론과 같은 더 정교한 모델들이 사용된다.[27][28]

화학적으로 금속 원소는 일반적으로 전자를 잃고 양이온이 되려는 경향이 있다.[10] 이 때문에 대부분의 금속은 공기 중의 산소와 반응하여 산화물을 형성한다. 반응 속도와 방식은 금속의 종류에 따라 다르며, 일부는 표면에 보호층(부동태화 층)을 형성하기도 한다.[29][30] 반면, 팔라듐, 백금, 금과 같은 일부 귀금속은 반응성이 매우 낮다. (금은 카이슘 아우리드와 같이 오히려 전자를 얻어 음이온이 되는 화합물을 형성하기도 한다.) 원소 금속의 산화물은 대체로 염기성을 띠지만, 매우 높은 산화 상태를 갖는 산화물(예: CrO3, Mn2O7, OsO4)은 산성 반응을 보이며, 일부 산화물(예: BeO, Al2O3, PbO)은 양쪽성 특성을 나타낸다.

로듐 분말, 로듐 실린더, 로듐 펠릿이 한 줄로 나열됨
로듐, 여기서는 1g의 분말, 1g의 압축 실린더, 1g의 펠릿으로 표시된 귀금속


금속은 화학적 반응성에 따라 기본 금속(base metal)과 귀금속(noble metal)으로 분류하기도 한다. 기본 금속은 비교적 쉽게 산화되거나 부식되는 금속을 의미하며, 예를 들어 묽은 염산(HCl)과 반응하는 철, 니켈, 납, 아연 등이 여기에 속한다. 구리는 염산과 직접 반응하지는 않지만 공기 중에서 비교적 쉽게 산화되므로 기본 금속으로 분류된다.

반면, 귀금속은 기본 금속과 달리 반응성이 낮아 부식이나 산화에 대한 저항성이 매우 큰 금속을 말한다.[49] 대표적인 예로는 금, 백금, 은, 로듐, 이리듐, 팔라듐 등이 있다. 귀금속은 화학적 안정성뿐만 아니라 희소성 때문에 경제적으로도 높은 가치를 지니는 경우가 많다.

3. 2. 1. 부식

금속을 구성하는 원소들은 일반적으로 전자를 잃어 양이온을 형성하는 경향이 있다.[10] 귀금속 등 일부를 제외하고 대부분의 금속은 원래 산화되거나 황화된 상태가 안정적이다. 산업적으로는 환원 반응을 통해 금속 화합물에서 순수한 금속을 얻지만, 자연 상태에 놓인 금속은 다시 산소나 황 등과 결합하려는 성질을 가지고 있어 녹이 슬거나 취화가 발생한다. 이러한 현상이나 산에 의한 반응 등을 일반적으로 부식이라고 부른다.[104]

대부분의 금속은 공기 중의 산소와 반응하여 다양한 시간 간격에 걸쳐 산화물을 형성한다. 예를 들어 칼륨은 수 초 만에 연소하는 반면, 철은 수년에 걸쳐 서서히 녹이 슨다. 부식 속도는 금속 표면에 형성된 초기 산화물이 부동태화 층을 형성하여 추가적인 확산 장벽 역할을 하는지 여부에 따라 달라진다.[29][30] 반면, 팔라듐, 백금, 금과 같은 일부 귀금속은 대기와 거의 반응하지 않는다.[104]

부식은 크게 환경에 따라 "습식 부식"과 "건식 부식"으로 나눌 수 있다. 습식 부식은 용액에 의해 발생하는 화학적 부식을 의미하며, 건식 부식은 부식성 가스에 의해 발생하는 부식을 말한다. 또한, 여러 종류의 금속이 접촉하고 있을 때는 "전기화학적 부식"이 발생할 수 있다. 이는 합금을 포함하여 서로 다른 금속 사이의 전극 전위 차이 때문에 발생하며, 이온화 경향이 더 큰 금속이 양극(아노드)이 되어 우선적으로 부식되는 전해 부식(갈바니 부식) 현상을 일으킨다.[104]

한편, 화학적 부식 과정에서 특정 조건 하에서는 금속 표면이 산화 피막으로 덮여 더 이상의 부식이 진행되지 않는 현상이 나타나기도 한다. 예를 들어, 철을 묽은 질산에 넣으면 녹지만, 질산의 농도를 높여 40%를 넘기면 용해 속도가 느려지기 시작하고 65% 이상에서는 거의 녹지 않는다. 이는 철 표면에 수십 Å 두께의 매우 얇고 불용성인 산화철(II,III) 피막이 형성되어 내부를 보호하기 때문이다. 이렇게 표면에 보호 피막이 형성되어 부식 저항성이 커진 상태를 부동태라고 한다.[104]

금속이 산소와 결합하는 산화 반응 중에는 매우 격렬하게 일어나는 경우도 있다. 특히 금속 분말 형태로 존재할 경우, 표면적이 넓어 산화 반응이 급격하게 진행되어 강한 발열이나 섬광을 동반하며 폭발로 이어질 수도 있다. 이러한 급격한 산화 반응의 특성을 역으로 이용한 기술도 있다. 예를 들어, 알루미늄 분말의 강한 환원력을 이용한 용접 방법인 테르밋 용접이나, 마그네슘의 연소 시 발생하는 밝은 빛을 이용한 사진용 플래시 등이 대표적이다.[104]

3. 2. 2. 파괴

대부분의 금속 원소는 외부 힘에 의해 형태가 변형되어도 부서지지 않는 전성(展性, malleability) 또는 연성(延性, ductility)을 가지지만, 베릴륨, 크롬, 망간, 갈륨, 비스무트와 같이 깨지기 쉬운 성질, 즉 취성(脆性, brittleness)을 띠는 소수의 원소도 있다.[40] 재료 내부에서 전위(dislocation)의 이동이 어려울 때 취성을 나타내는데, 이는 종종 원자 배열의 어긋남 정도를 나타내는 버거스 벡터(Burgers vector)가 크거나, 원자들이 미끄러질 수 있는 면(활주면, slip plane)의 수가 제한적일 때 발생한다.[42]

소성(塑性, plasticity)을 가진 금속이라도 과도한 힘이 가해지면 결국 파괴된다. 외부 힘에 의해 재료가 끊어지는 현상을 파단(破斷, fracture)이라고 하며, 인장력(잡아당기는 힘)에 의한 파괴를 예로 들면 크게 “취성 파괴”와 “연성 파괴”로 나눌 수 있다.
취성 파괴는 균열이 발생하여 순식간에 깨지는 현상으로, 파괴된 부분에 눈에 띄는 소성 변형(영구 변형)이 거의 보이지 않는다. 금속 내부의 특정 결정면을 따라 파괴가 시작되며, 벽개(劈開) 파면이라고 불리는 평탄하고 반짝이는 듯한 파단면을 형성한다. 이 파괴는 2km/초라는 매우 빠른 속도로 금속 전체로 전파되어 순식간에 파단에 이르게 된다. 이러한 갑작스러운 파괴는 예측하기 어렵기 때문에 부품 설계 시 심각한 문제를 일으킬 수 있다.[104]
연성 파괴는 외부 하중으로 인해 금속이 엿가락처럼 늘어나다가 그 한계에 도달했을 때 끊어지는 현상이다. 따라서 파단된 부분에는 재료가 늘어난 흔적이 뚜렷하게 관찰되며, 파단면을 확대해보면 디플(dimple)이라고 불리는 작고 움푹 팬 자국들이 많이 보인다. 이러한 파괴가 어떻게 일어나는지 파단면의 형태를 관찰하고 분석하여 연구하는 분야를 프랙토그래피(fractography, 파면학)라고 한다.[104]

한편, 금속은 파괴를 일으킬 만큼 크지 않은 힘이라도 같은 부위에 반복적으로 가해지면 결국 파괴될 수 있다. 이러한 현상을 “금속 피로” 또는 간단히 “피로”라고 부른다.[104]

4. 금속의 분류

금속은 구성, 물리적 또는 화학적 특성에 따라 다양하게 분류될 수 있다. 주요 분류 기준에는 철금속과 비철금속, 취성 금속과 내화 금속, 백색 금속, 중금속과 경금속, 기본 금속, 귀금속, 그리고 귀중 금속 등이 있다. 또한, 금속과 유사한 성질을 가진 세라믹 금속 등도 고려될 수 있다. 이처럼 금속을 분류하는 방법은 여러 가지가 존재한다.[96][110]

4. 1. 화학적 성질에 따른 분류

금속을 구성하는 원소들은 일반적으로 전자를 잃어 양이온을 형성하는 경향이 있다.[10] 대부분의 금속은 공기 중의 산소와 반응하여 산화물을 형성하는데, 그 속도는 매우 다양하다. 예를 들어 칼륨은 수 초 만에 빠르게 연소하는 반면, 철은 수년에 걸쳐 서서히 녹이 슨다. 이러한 차이는 산화 과정 초기에 형성되는 산화물 층이 이후의 산화를 막는 부동태화 층으로 작용하는지 여부에 따라 달라진다.[29][30] 하지만 팔라듐, 백금, 금과 같은 일부 금속은 대기 중에서도 거의 반응하지 않는다. 특이하게도 금은 카이슘 아우리드처럼 전자를 얻어 음이온 화합물을 형성하기도 한다.

일반적으로 금속 원소의 산화물은 염기성을 띤다. 그러나 산화 상태가 매우 높은 산화물, 예를 들어 CrO3, Mn2O7, OsO4 등은 오히려 산성 반응을 보인다. 또한 베릴륨(BeO), 알루미늄(Al2O3), 납(PbO)과 같이 전기 양성도가 비교적 낮은 금속의 산화물은 염기성과 산성 특성을 모두 나타낼 수 있는데, 이를 양쪽성 산화물이라고 한다.

금속은 화학적 반응성이나 주기율표상의 위치 등에 따라 다양하게 분류될 수 있다.

=== 기본 금속과 귀금속 ===

화학적 반응성을 기준으로 금속을 분류할 때 기본 금속(Base metal)과 귀금속(Noble metal)으로 나눌 수 있다.

  • 기본 금속: 쉽게 산화되거나 부식되는 금속을 말한다. 예를 들어 묽은 염산(HCl)과 반응하여 염화 금속과 수소 기체를 쉽게 생성하는 금속들이 여기에 속한다. 대표적인 예로는 철, 니켈, 납, 아연 등이 있다. 구리는 염산과 직접 반응하지는 않지만 비교적 쉽게 산화되기 때문에 기본 금속으로 분류된다.

  • 귀금속: 기본 금속과 대조적으로 반응성이 낮아 부식이나 산화에 강한 금속을 의미한다.[49] 이러한 화학적 안정성과 함께 희소성 때문에 경제적으로 높은 가치를 지니는 경우가 많다. 대표적인 예로는 금, 백금, 은, 로듐, 이리듐, 팔라듐 등이 있다.


역사적으로 연금술과 화폐학에서는 경제적 가치가 낮은 기본 금속과 높은 가치를 지닌 귀금속을 구분했다.[50] 현대에도 이러한 구분은 유효하여, 대부분의 동전은 내재 가치가 낮은 기본 금속으로 만들어지는 반면, 과거에는 동전의 가치가 귀금속 함량에 따라 결정되는 경우가 많았다. 금, 은, 백금, 팔라듐은 각각 고유한 ISO 4217 통화 코드를 가지고 있으며, 오늘날 촉매 변환기(백금, 팔라듐 등)와 같은 산업 용도 외에도 보석류 제작, 투자 및 가치 저장 수단으로 널리 사용된다.[51] (2024년 여름 기준, 팔라듐과 백금의 가격은 금값의 절반에 미치지 못하며, 은은 이들보다 훨씬 저렴하다.)

=== 주기율표 및 특성에 따른 분류 ===

화학적 성질의 유사성이나 주기율표상의 위치, 특정 성질에 따라 금속을 다음과 같이 분류하기도 한다. (아래 분류는 일반적인 주기율표 분류와 다소 차이가 있을 수 있으며, 원본 자료의 분류를 따른 것이다.)

분류포함 원소 (원소 기호)
대표적인 금속 (알칼리 금속, 알칼리 토류 금속)Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba, Ra
마그네슘족 원소Be, Mg, Zn, Cd, Hg
알루미늄족 원소Al, Ga, In
희토류 원소Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu (및 기타 란타넘족 원소)
주석족 원소Ti, Zr, Sn, Hf, Pb, Th
철족 원소Fe, Co, Ni
토산 원소V, Nb, Ta
크롬족 원소Cr, Mo, W, U
망간족 원소Mn, Re
귀금속 (구리족, 화폐금속[111])Cu, Ag, Au
백금족 원소Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt
천연 방사성 원소U 및 Th을 모체로 하는 방사성 붕괴 계열의 원소들 (U, Th, Ra, Rn, 악티늄족 등)[112]
초우라늄 원소Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No 등 우라늄 이후의 원소[113]


4. 2. 결정 구조에 따른 분류

'''준금속'''(semimetal)은 전도대의 바닥과 원자가대의 꼭대기 사이에 작은 에너지 중첩이 있는 물질이지만, 운동량 공간에서는 중첩되지 않는다.[62] 일반 금속과 달리 준금속은 정공과 전자, 두 가지 유형의 전하 운반체를 가지고 있지만, 그 수는 일반 금속보다 훨씬 적다. 이러한 점에서 준금속은 축퇴 반도체와 유사하며, 금속과 반도체 사이의 중간적인 전기적 특성을 나타낸다. 와일 준금속과 디랙 준금속과 같은 추가적인 유형도 존재한다.[63]

대표적인 원소 준금속으로는 비소, 안티모니, 비스무트, α-주석(회색 주석), 흑연 등이 있다. 화합물 형태로는 텔루르화수은(HgTe)[64] 및 일부 전도성 고분자[65]도 준금속에 해당한다.

주요 금속의 결정 구조는 다음과 같이 분류할 수 있다.

결정 구조해당 원소
면심입방격자 (fcc)Al, Ca, γ-Fe, Ni, Cu, Rh, Pd, Ag, In, Ir, Pt, Au, Pb
체심입방격자 (bcc)Li, Na, K, β-Ti, V, Cr, α-Fe, δ-Fe, β-Sn, Ta, W
조밀육방격자 (hcp)Be, Mg, α-Ti, Zn, Cd, Nd, Os, Tl


4. 3. 공업 재료 분류

금속은 구성, 물리적 또는 화학적 특성에 따라 분류될 수 있다. 주요 분류 기준에는 철금속과 비철금속, 취성 금속과 내화 금속, 백색 금속, 중금속과 경금속, 기본 금속, 귀금속, 그리고 귀중 금속 등이 있다. 또한, 금속과 유사한 성질을 가진 세라믹 금속도 포함된다.

'''철금속과 비철금속'''

"철(ferrous)"이라는 용어는 "철을 포함하는"을 뜻하는 라틴어에서 유래했다. 철금속은 연철과 같은 순수한 철 또는 강철과 같은 합금을 포함한다. 철금속은 종종 자성을 띠지만, 모든 철금속이 자성을 띠는 것은 아니다. 반면, 비철금속 및 그 합금에는 철이 거의 포함되어 있지 않다.

'''취성 금속'''

대부분의 금속 원소는 전성(펴짐성) 또는 연성(뽑힘성)을 가지지만, 일부 금속은 취성(깨지기 쉬운 성질)을 띤다. 베릴륨, 크롬, 망간, 갈륨, 비스무트 등이 취성을 가진 대표적인 금속 원소이다.[40] 비금속으로 분류되기도 하지만 금속으로 간주될 수 있는 비소와 안티몬 또한 취성을 나타낸다. 재료의 본질적인 취성은 벌크 탄성 계수(탄성률)와 전단 계수(층밀리기 탄성률)의 비율(퍼그 기준, Pugh's criterion)이 낮은 값으로 나타날 때 예측될 수 있다.[41] 재료는 전위(결정 격자 내의 결함)의 이동이 어려울 때 취성을 띠게 되는데, 이는 종종 큰 버거스 벡터(Burgers vector)와 제한된 수의 활주면(slip plane)과 관련이 있다.[42]

'''내화 금속'''

내화 금속은 열과 마모에 매우 강한 금속을 말한다. 어떤 금속이 이 범주에 속하는지에 대한 정의는 다양하지만, 일반적으로 니오븀, 몰리브데넘, 탄탈럼, 텅스텐, 레늄과 이들의 합금이 포함된다. 이 금속들은 모두 2000°C 이상의 녹는점을 가지며 상온에서 높은 경도를 나타낸다. 질화티탄과 같은 여러 화합물도 내화성을 가지는 물질로 분류된다.

'''백색 금속'''

화이트 메탈은 주로 장식용으로 사용되는 비교적 낮은 융점을 가진 다양한 흰색 합금을 통칭하는 용어이다.[43][44] 영국에서는 미술품 거래 시 경매 카탈로그에서 영국 시험소 마크가 없는 외국산 은 제품을 설명할 때 "화이트 메탈"이라는 용어를 사용하기도 하지만,[45] 이는 여전히 은으로 간주되어 그에 맞는 가격이 매겨진다.

'''중금속과 경금속'''

중금속은 단일 원소이든 다원소이든 상대적으로 밀도가 높은 금속을 가리킨다.[46] 반면, 마그네슘, 알루미늄, 티타늄 합금은 상업적으로 중요한 경금속이다.[47] 이들의 밀도는 각각 1.7 g/cm3, 2.7 g/cm3, 4.5 g/cm3으로, 다른 구조용 금속인 철(7.9 g/cm3)이나 구리(8.9 g/cm3) 및 그 합금 밀도의 19%에서 56% 수준이다.[48]

'''기본 금속, 귀금속, 귀중 금속'''

  • '''기본 금속''': 쉽게 산화되거나 부식되는 금속을 의미한다. 예를 들어 묽은 염산(HCl)과 쉽게 반응하여 염화 금속과 수소를 형성하는 금속들이 여기에 속한다. 주로 원소 상태의 금속에 사용되며, 철, 니켈, 납, 아연 등이 대표적이다. 구리는 HCl과 반응하지 않지만 비교적 쉽게 산화되기 때문에 기본 금속으로 간주된다.
  • '''귀금속''': 기본 금속과 대조되는 개념으로, 반응성이 낮고 부식이나 산화에 강한 금속을 말한다.[49] 귀금속은 희소성 때문에 귀중하게 여겨지는 경우가 많다. 금, 백금, 은, 로듐, 이리듐, 팔라듐 등이 귀금속에 속한다.
  • '''귀중 금속''': 연금술과 화폐학에서는 경제적 가치가 높은 귀금속과 대비하여 기본 금속을 낮은 가치의 금속으로 취급했다.[50] 현대의 대부분 동전은 법정화폐로서 내재 가치가 낮은 기본 금속으로 만들어진다. 과거에는 동전의 가치가 주로 귀금속 함량에 따라 결정되었다. 금, 은, 백금, 팔라듐은 각각 ISO 4217 통화 코드를 가지고 있다. 현재 이들은 촉매 변환기(백금, 팔라듐 등)와 같은 산업 용도로 사용될 뿐만 아니라, 보석류 제작 및 투자, 가치 저장 수단으로도 활용된다.[51] 2024년 여름 기준으로 팔라듐과 백금의 가치는 금값의 절반에 미치지 못하며, 은은 훨씬 저렴하다.


'''세라믹 금속'''

TiN 코팅 드릴 비트


금속과 같은 전기 전도성을 가지지만, 단순한 금속 원소들의 조합이 아닌 세라믹 화합물도 존재한다. 이는 비전도성 세라믹과 전도성 금속의 복합재료인 세라멧과는 다르다. 전이 금속 질화물과 같은 일부 세라믹 금속은 결합에 상당한 이온적 특성을 가지므로 세라믹과 금속 모두로 분류될 수 있다.[9] 이들은 페르미 준위에 부분적으로 채워진 상태를 가지고 있어[9] 좋은 열 및 전기 전도체이며, 전이 금속 원자에서 질소 원자로 상당한 전하 이동이 일어나기도 한다.[9] 그러나 대부분의 금속 원소와 달리, 세라믹 금속은 일반적으로 연성이 크지 않다. 질화티탄(TiN)은 정형외과 기구나[53] 내마모성 코팅[54] 등에 사용되는 등 그 용도가 광범위하다. 이러한 물질의 유용성은 박막 코팅으로 효과적인 증착 방법이 존재하는지에 따라 달라지는 경우가 많다.[55]

'''주요 공업용 금속 재료 분류'''

주요 공업용 금속 재료 분류
구분종류예시
철강탄소강기계구조용 탄소강, 일반구조용 탄소강 등
합금강크롬강, 니켈강, 스테인리스강, 고속도강, 공구강 등
주철가단주철, 구상흑연주철 등
비철금속구리 및 합금-
알루미늄 및 합금-
니켈 및 합금-
귀금속금(Au), 은(Ag), 백금(Pt)
저융점금속주석(Sn), 납(Pb), 비스무트(Bi)
기타마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 아연(Zn) 등


4. 4. 비중에 따른 분류

금속을 비중으로 분류할 경우, 일반적으로 비중 5를 기준으로 그보다 낮은 것을 경금속, 높은 것을 중금속이라고 부른다. 하지만 이것은 그다지 엄밀한 정의는 아니며, 기준을 비중 4로 하는 경우[114]도 있다.[110]

중금속은 단일 원소이든 다원소이든 상대적으로 밀도가 높은 금속을 말한다.[46] 반면, 마그네슘, 알루미늄, 티타늄 합금은 상업적으로 중요한 경금속이다.[47] 이들의 밀도는 각각 1.7, 2.7, 4.5 g/cm3으로, 다른 구조용 금속인 철(7.9 g/cm3)이나 구리(8.9 g/cm3) 및 그 합금 밀도의 19%에서 56% 수준이다.[48]

주요 경금속과 중금속의 비중은 다음과 같다.[110]

분류금속비중
경금속 (비중 5 미만)Li0.53
Na0.77
K0.86
Ca1.55
Mg1.74
Be1.85
Al2.70
Ti4.50
중금속 (고비중 8종)Ir22.65
Pt21.4
Au19.3
W19.3
U19.1
Hg13.6
Hf13.3
Pb11.3


4. 5. 기타 분류

금속은 구성, 물리적 또는 화학적 특성에 따라 분류될 수 있다. 아래에서 설명하는 범주에는 철 금속과 비철 금속, 취성 금속과 내화 금속, 백색 금속, 중금속과 경금속, 기본, 귀, 그리고 귀중 금속뿐만 아니라 금속 세라믹과 폴리머도 포함된다.

=== 내열 금속 ===

내열 금속(내화 금속)은 열과 마모에 매우 강한 금속이다. 어떤 금속이 이 범주에 속하는지는 다양하지만, 가장 일반적인 정의에는 니오븀(Niobium), 몰리브데넘(Molybdenum), 탄탈럼(Tantalum), 텅스텐(Tungsten), 레늄(Rhenium)과 이들의 합금이 포함된다. 이들은 모두 2000°C 이상의 녹는점과 상온에서 높은 경도를 가지고 있다. 질화티탄(Titanium nitride)과 같은 여러 화합물도 내열 금속으로 설명된다.

=== 반금속 ===

'''반금속'''은 한 가지 스핀 방향의 전자에 대해서는 전도체로 작용하지만, 반대 스핀 방향의 전자에 대해서는 절연체 또는 반도체로 작용하는 물질이다. 반금속은 1983년에 망간 기반의 하이즐러 합금의 전기적 특성을 설명하기 위해 처음 제시되었다.[60] 모든 반금속은 강자성(또는 페리자성)이지만, 대부분의 강자성체는 반금속이 아니다. 알려진 반금속의 많은 예는 산화물, 황화물 또는 하이즐러 합금이다.[61]

5. 합금

금속의 맥락에서 합금은 두 가지 이상의 원소로 구성된 금속적 특성을 가진 물질을 의미한다. 합금을 이루는 원소 중 적어도 하나는 금속 원소인 경우가 많지만, 실리콘-게르마늄 합금처럼 비금속 원소만으로 구성되기도 한다. 합금의 조성은 가변적이거나 고정될 수 있다. 예를 들어, 금과 은은 그 비율을 다양하게 조절하여 합금을 형성할 수 있는 반면, 티타늄과 실리콘은 TiSi2처럼 두 성분의 비율이 고정된 합금(금속간 화합물)을 형성하기도 한다.[34][35]

대부분의 순금속은 너무 무르거나, 잘 부서지거나, 화학적으로 반응성이 높아 실제로 사용하기 어려운 경우가 많다.[96] 합금은 이러한 단점을 보완하기 위해 만들어지는데, 금속에 다른 원소를 첨가하고 그 비율을 조절함으로써 더 나은 연성, 더 높은 경도, 향상된 내식성, 또는 원하는 색상과 광택 등 특정 목적에 맞는 성질을 얻을 수 있다. 이처럼 합금은 단일 금속이 가지지 않은 유용한 성질을 나타내는 경우가 많아, 공업용 재료로 사용되는 금속은 대부분 합금 형태이다.[104]

5. 1. 철강

오늘날 사용되는 모든 금속 합금 중에서 철의 합금(강, 스테인리스강, 주철, 공구강, 합금강)이 수량과 상업적 가치 모두에서 가장 큰 비중을 차지한다.[36] 철강은 본질적으로 철(Fe)과 탄소(C)의 합금이며, 그 미세조직은 Fe-C 이원계가 평형 상태에 있는 물질로 정의할 수 있다.[123][124]

다양한 비율의 탄소와 합금된 철은 저탄소강, 중탄소강, 고탄소강을 만드는데, 탄소 함량이 높을수록 연성과 인성이 감소하는 특징을 가진다. 규소를 첨가하면 주철이 생성된다.

철강은 다른 금속을 더하여 개량되기도 한다. 탄소강에 크롬, 니켈, 몰리브덴을 첨가하면(10% 이상) 내식성이 향상된 스테인리스강이 생성된다. 스테인리스강은 100종류 이상이 존재한다.[124] 이 외에도 우수한 자성을 가진 자석강, 온도 변화에 따른 팽창 등의 영향을 배제한 불변강(인바, 바이메탈 등), 공구강, 내열강, 쾌삭강 등 다양한 합금이 시장에 출시되어 있다.[124]

철강의 용도는 구조 부재가 주류를 이루지만, 차량이나 선박 등 수송 기계, 발전, 화학 등의 플랜트와 공작 기계류, 스프링, 공구, 금형 등 매우 다양하다.[123][124]

5. 2. 비철 금속 합금

세 개의 바브빗 금속 막대
베어링의 마찰을 줄이기 위해 사용되는 바빗 금속(주석, 안티몬, 구리 합금) 샘플


금속 조각
은처럼 보이는 구리, 니켈, 아연 합금인 니켈 실버로 주조된 조각


금속 분야에서 합금은 두 가지 이상의 원소로 구성된 금속적 특성을 가진 물질이다. 종종 이들 중 적어도 하나는 금속 원소이다. "합금"이라는 용어는 실리콘-게르마늄 합금과 같이 더 일반적으로 사용되기도 한다. 합금은 가변적이거나 고정된 조성을 가질 수 있다. 예를 들어, 금과 은은 금이나 은의 비율을 다양하게 할 수 있는 합금을 형성한다. 티타늄과 실리콘은 두 성분의 비율이 고정된 합금인 TiSi2를 형성한다(또한 금속간 화합물이라고도 함)[34][35]).

대부분의 순수 금속은 너무 무르거나, 잘 부서지거나, 화학적으로 반응성이 높아 실제로 사용하기 어렵다. 합금에서 금속과 다른 원소의 비율을 다르게 하면 연성이 더 좋고, 더 단단하고, 부식에 강하거나, 더 바람직한 색상과 광택을 갖는 등 바람직한 특성을 얻을 수 있다.

중요한 비철 금속 합금으로는 알루미늄, 티타늄, 구리, 마그네슘의 합금이 있다. 구리 합금은 선사 시대부터 알려져 왔으며—청동은 청동기 시대의 이름을 지어주었다—오늘날에도 많은 용도로 사용되고, 가장 중요한 것은 전선이다. 다른 세 가지 금속(알루미늄, 티타늄, 마그네슘)의 합금은 비교적 최근에 개발되었다. 화학적 반응성 때문에 전해 추출 공정이 필요하다. 알루미늄, 티타늄, 마그네슘 합금은 높은 강도 대 중량비로 인해 가치가 있다. 마그네슘은 전자기 차폐도 제공할 수 있다.[37][38] 이러한 재료는 항공 우주 및 일부 자동차 응용 분야와 같이 강도 대 중량비가 재료비보다 더 중요한 상황에 이상적이다.[39]

제트 엔진과 같이 매우 까다로운 응용 분야를 위해 특별히 설계된 합금에는 10가지 이상의 원소가 포함될 수 있다.

5. 3. 비정질 금속 (금속 유리)

결정상을 갖는 금속이 특정 합금에서는 규칙적인 격자를 만들지 않고 유리처럼 비정질 상태가 되는 경우가 있는데, 이를 비정질 금속(금속 유리)이라고 한다. 이러한 성질은 1960년 금-실리콘 합금에서 처음 발견되었으며, 이후 철계, 알루미늄계, 코발트계, 니켈계, 마그네슘계 등 다양한 합금에서도 확인되었다.[96]

비정질 금속은 다음과 같은 특징을 가진다.

  • 강한 자성
  • 뛰어난 기계적 강도
  • 높은 내식성
  • 온도 변화에 따른 낮은 열팽창 계수
  • 온도 변화에 따른 낮은 강성 저하 계수


비정질 금속을 만드는 방법은 여러 가지가 제안되었으나, 산업적으로는 주로 용융된 금속을 빠르게 냉각시켜 응고시키는 급냉 응고법이 사용된다.[96]

5. 4. 기능성 금속



금속의 맥락에서 합금은 두 가지 이상의 원소로 구성되며 금속의 특징을 가진 물질을 말한다. 합금을 구성하는 원소 중 적어도 하나는 금속 원소인 경우가 많다. 합금은 실리콘-게르마늄처럼 비금속 원소만으로 구성될 수도 있다. 합금의 조성은 가변적이거나 고정될 수 있다. 예를 들어, 금과 은은 비율을 다양하게 조절하여 합금을 만들 수 있지만, 티타늄과 실리콘은 TiSi2처럼 성분 비율이 고정된 합금(금속간 화합물)을 형성하기도 한다.[34][35]

대부분의 순수한 금속은 너무 무르거나 부서지기 쉽고, 화학적으로 반응성이 높아 실제 사용에 어려움이 따른다. 합금은 이러한 단점을 보완하고 특정 기능을 강화하기 위해 만들어진다. 금속에 다른 원소를 첨가하고 비율을 조절함으로써 연성(잘 늘어나는 성질)이나 경도(단단함)를 높이고, 부식에 대한 저항성을 키우거나, 더 매력적인 색상과 광택을 갖게 하는 등 원하는 특성을 얻을 수 있다.

오늘날 사용되는 수많은 합금 중에서 철을 기반으로 한 합금(강, 스테인리스강, 주철, 공구강, 합금강)이 사용량과 상업적 가치 면에서 가장 큰 비중을 차지한다.[36] 철에 탄소 비율을 다르게 섞으면 다양한 종류의 강철이 만들어지는데, 탄소 함량이 높을수록 단단해지지만 연성과 인성(깨짐에 대한 저항성)은 감소한다. 규소를 첨가하면 주철이 되고, 탄소강에 크롬, 니켈, 몰리브덴을 10% 이상 첨가하면 부식에 강한 스테인리스강이 된다.

다른 중요한 금속 합금으로는 알루미늄, 티타늄, 구리, 마그네슘의 합금이 있다. 구리 합금은 청동기 시대를 열었던 청동처럼 선사 시대부터 사용되어 왔으며, 오늘날에는 특히 전선 재료로 중요하게 쓰인다. 알루미늄, 티타늄, 마그네슘 합금은 비교적 최근에 개발되었는데, 이 금속들은 화학 반응성이 높아 전해 공정을 통해 얻어진다. 이들 합금은 무게 대비 강도가 매우 높아 가볍고 튼튼한 재료가 필요한 경우에 유용하다. 특히 마그네슘 합금은 전자기 차폐 기능도 제공할 수 있다.[37][38] 이러한 특성 덕분에 알루미늄, 티타늄, 마그네슘 합금은 재료 비용보다 무게 대비 성능이 더 중요한 항공 우주 산업이나 일부 자동차 부품 등에 이상적인 재료로 사용된다.[39] 제트 엔진과 같이 극한의 환경에서 사용되는 합금은 10가지 이상의 원소를 조합하여 특별히 설계되기도 한다.

합금 중에는 다음과 같이 특수한 기능을 가진 종류가 있다.[110]

특수 기능성 합금의 종류와 특징
종류주요 구성 원소 (예시)주요 특징 및 원리주석
형상기억합금니켈-티탄, 철-망간-티탄특정 온도에서 원래 형상으로 돌아가는 성질을 가짐[110]
초탄성합금(명시되지 않음)상변태를 이용하여 일반 금속보다 훨씬 큰 탄성 변형을 보임[110]
초소성합금금-구리-지르코늄특정 조건에서 매우 큰 연신율(늘어나는 비율)을 나타냄[110]
수소흡장합금마그네슘 등수소를 안전하게 흡수하여 저장하고 필요시 방출할 수 있음[110]
제진합금(명시되지 않음)내부의 결정 경계 등에서 발생하는 마찰을 이용하여 진동 에너지를 흡수[110]
저융점 합금갈린스탄 (갈륨-인듐-주석)낮은 온도에서 녹으며, 과거 우드메탈의 카드뮴, 납과 같은 유해 성분의 독성을 개선함[125][125]



이 외에도 수은이나 고가의 세슘을 대체할 수 있는 저융점 합금 연구가 진행 중이며[125], 앞으로는 희토류 금속의 용도를 대체하는 합금의 개발 등이 요구되고 있다.[120]

6. 제련과 가공

펜실베이니아주 브래큰리지에 있는 알레게니 루들럼 제철소의 35톤 전기로에서 녹은 강철이 흘러나오는 모습. 현대 제강 기술은 금속 가공의 중요한 부분을 차지한다.


금속은 지구상에서 주로 광석 형태로 존재하며, 이를 채광하여 필요한 원소를 추출하고 가공하는 과정을 거쳐 유용하게 사용된다. 광석은 탐사를 통해 위치를 파악하고 매장량을 조사한 뒤, 표면 채광이나 지하 채광 방식으로 캐낸다.

채굴된 광석에서 순수한 금속을 얻기 위해서는 제련 과정이 필수적이다. 제련은 크게 광석을 고온에서 환원제와 함께 처리하는 화학 제련 방식과 수용액 상태에서 화학 반응을 이용하는 습식 제련 방식으로 나뉜다. 예를 들어 철과 같은 일반적인 금속은 주로 탄소를 환원제로 사용하는 화학 제련을 통해 생산된다. 반면 알루미늄이나 나트륨처럼 적합한 환원제가 없는 금속은 전해(전기 분해) 방식을 이용하여 추출한다.[75][76] 황화물 형태의 광석은 바로 환원되지 않고, 공기 중에서 구워(로스팅) 산화물로 만든 뒤 제련 과정을 거친다.

제련을 통해 얻어진 금속은 다양한 금속 가공 기술을 통해 원하는 형태와 성질을 갖추게 된다. 금속 가공에는 녹인 금속을 틀에 부어 굳히는 주조, 힘을 가해 형태를 변형시키는 소성 가공, 열처리 등을 통해 금속의 성질을 개선하는 방법 등이 포함된다. 이러한 가공 기술의 발전은 금속 재료의 활용 범위를 크게 넓혔다.

금속의 제련과 가공에 대한 체계적인 연구는 르네상스 시기에 본격적으로 이루어졌다. 바노치오 비링구치오의 ''피로테크니아''(1540)와 게오르기우스 아그리콜라의 ''데 레 메탈리카''(1556)는 당시의 광산 기술과 야금술을 집대성한 중요한 저술로 평가받는다.

현대에 이르러 제련 및 가공 기술은 더욱 발전했다. 1855년 헨리 베세머가 발명한 베세머법은 주철을 원료로 하여 강철을 대량으로 저렴하게 생산할 수 있게 함으로써 산업 발전에 크게 기여했다. 이후 길크리스트-토마스법과 같은 개량된 기술이 등장하며 강철 생산의 효율성이 더욱 높아졌다. 또한, 19세기 초부터 연구되어 20세기 초에 상업화된 스테인리스강은 내식성이 뛰어난 합금으로, 건축, 주방용품, 의료기기 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 이러한 기술 발전은 금속이 현대 사회의 핵심 소재로 자리 잡는 데 중요한 역할을 했다.

6. 1. 제련

지구에서 채광된 광석에서 필요한 금속 원소를 추출하는 과정을 제련이라고 한다. 대부분의 금속은 산화물, 황화물, 탄산염, 규산염 등 화합물 형태로 존재하기 때문에, 이들로부터 다른 원소를 제거하여 사용할 수 있는 금속을 얻기 위해 제련 과정이 필수적이다.[96]

제련 방법은 크게 광석을 고온에서 처리하여 원료 금속으로 전환하는 화학 제련과 수용액 화학을 이용하는 습식 제련으로 나눌 수 있다. 금속 광석이 이온 화합물 형태일 경우, 일반적으로 환원제와 함께 가열하여 녹이는 용융 방식을 통해 순수한 금속을 추출한다. 예를 들어, 철과 같은 많은 일반적인 금속은 탄소를 환원제로 사용하여 제련한다. 반면, 알루미늄이나 나트륨과 같이 상업적으로 실용적인 환원제가 없는 금속들은 전해(전기 분해) 방식을 통해 추출한다.[75][76] 황화물 광석의 경우, 바로 금속으로 환원하지 않고 공기 중에서 로스팅(배소)하여 산화물 형태로 바꾼 뒤 제련 과정을 거친다.

제련을 통해 얻은 금속의 순도를 더욱 높이는 과정을 정련(야금)이라고 한다.[96] 정련 방법에는 고온에서 처리하는 건식 정련, 용액 내에서 추출하는 습식 정련, 그리고 전기 분해를 이용하는 전해 정련 등이 있다. 어떤 방법을 사용할지는 금속과 불순물 사이의 결합력(친화력) 등을 고려하여 결정된다.[96]

금속의 활용 범위가 넓어지면서 고순도 금속에 대한 요구가 증가했고, 이에 따라 새로운 정련 기술들이 개발되었다. 대표적인 예로 존멜트법(대역용융법)이 있는데, 이는 금속을 부분적으로 녹여 불순물을 용융된 부분으로 이동시킨 뒤 서서히 식히는 편석 원리를 이용하여 금속의 순도를 높이는 방법이다.[96]

역사적으로 여러 금속들이 분리되고 제련 기술이 발전해왔다. 비소, 아연, 안티몬, 비스무트 등은 초기에 가단성이 부족하다는 이유로 준금속이나 불순금속으로 취급되기도 했다. 알베르투스 마그누스는 1250년경 화합물에서 비소를 분리한 것으로 알려져 있으며, 아연은 1300년경 인도에서 분리되었다. 안티몬 분리 절차는 1540년 바노치오 비링구치오의 저서 ''피로테크니아''에 처음 설명되었고, 비스무트는 1546년경 아그리콜라가 ''화석의 본성''에서 설명했다. 야금술에 대한 체계적인 초기 저술로는 비링구치오의 ''피로테크니아''(1540)와 아그리콜라의 ''데 레 메탈리카''(1556)가 있다.

6. 2. 주조

금속을 산업 재료로 사용하기 위한 첫 단계는 주로 주조이다. 이는 금속을 녹여 주형에 흘려 넣는 방식으로, 청동기 시대부터 사용된 오래된 금속 가공법이다.[126] 이렇게 만들어진 주물은 그대로 사용하기에는 표면이 거칠고, 불순물이 섞여 있거나 기포(주소, 鋳巣)가 생기는 등 강도가 낮다는 단점이 있었다.[126] 금속 부품에 대한 요구 성능이 높아짐에 따라, 이러한 문제를 해결하기 위해 소성 가공 기술이 발전하고 사용되는 합금이 개량되었다.[126] 예를 들어, 철에서는 1947년 구상흑연주철이 개발되었고, 알루미늄 합금에서는 1920년 실루민 개량법이 고안되어 용융 금속(용탕) 처리 단계에서 강도를 높이는 데 크게 기여했다.[126]

주조 방법 역시 다양해져 사형(모래틀), 금형, 다이캐스팅, 정밀 주조 등 여러 기술이 사용되고 있다.[126] 생산 효율을 높이기 위한 연속 주조법의 기초는 1933년에 고안되었으며, 1950년대 공정 개선을 거쳐 실용적인 기술로 자리 잡았다.[126]

6. 3. 소성 가공

금속에 탄성한계를 넘는 외부 힘을 가하여 영구 변형을 일으켜 원하는 형상이나 치수로 가공하는 것을 소성가공이라고 한다. 이것은 가열된 상태에서 하는 「열간가공」과 상온에서 하는 「냉간가공」으로 분류되며, 전자는 재결정을 수반하고, 후자는 상온에서 재결정하는 일부 금속을 제외하고는 재결정이 일어나지 않는다.[127]

소성가공의 방법에는 압연, 인발, 압출, 단조, 딥드로잉(深絞り), 펀칭(打抜き) 등이 있으며, 이러한 변형 가공을 통해 금속의 불균일성과 거친 결정립이 미세화되어 강도와 인성이 증가한다. 또한, 압연 등에서는 개개의 결정립의 방향성이 정렬되면서 집합조직을 형성하기 때문에, 표면의 에너지 특성을 높이는 효과도 있다.[127]

6. 4. 경화 가공

금속의 경도를 높이는 방법 중 하나로 담금질이 있다. 이는 금속을 가열한 뒤 물이나 기름 등에 넣어 급격히 냉각시키는 공정이다. 이렇게 하면 금속의 결정 구조가 변할 시간을 주지 않고 고온 상태의 구조를 유지하게 된다. 하지만 담금질만 거친 금속은 단단하지만 깨지기 쉬우므로, 다시 가열하여 인성을 높이는 뜨임 과정을 거친다. 담금질과 뜨임 두 공정을 합쳐 조질이라고 부른다.[96]

또한, 철을 벼리거나 금속을 여러 번 구부리는 것처럼 외부에서 반복적으로 힘을 가하면 금속은 점점 단단해진다. 이를 가공 경화라고 한다. 전위론에 따르면, 금속 내부에 격자 결함의 일종인 전위(원자 배열의 어긋남)가 생기면서 소성 변형이 일어나는데,[128] 반복적인 힘은 이러한 전위들이 서로 얽히거나 다른 결함에 막혀 움직이기 어렵게 만든다. 결과적으로 금속 전체가 변형에 저항하는 힘이 커져 단단해지는 것이다.[96]

7. 인류와 금속의 관계

금속은 인류 역사와 문명 발전에 지대한 영향을 미쳤다. 청동기 시대나 철기 시대처럼 특정 시대를 대표하는 금속의 이름으로 역사를 구분하는 것만 보아도 그 중요성을 알 수 있다. 고대부터 금속은 인류의 생활을 지탱하고 문화 발전을 이끄는 핵심적인 역할을 수행했다. 물론 현대에도 금속 없이 생활하는 문화권이 존재하기도 한다.

특히 청동(구리와 주석의 합금)과 철은 무기와 농기구 제작에 사용되면서 인류 사회에 큰 변화를 가져왔다. 예를 들어, 금이나 은은 풍부했지만 철을 사용하지 못했던 남아메리카의 고대 문명(잉카 문명, 마야 문명)은 뛰어난 문화를 이루었음에도 불구하고, 철제 무기와 도구를 가진 유럽 세력에 의해 쉽게 정복당했다. 이는 금속, 특히 철의 활용 여부가 사회의 기술력과 군사력, 나아가 문명의 흥망에까지 영향을 미쳤음을 보여주는 사례이다. 이처럼 금속의 발견과 활용은 인류 문명의 발전을 이해하는 중요한 열쇠이다.

7. 1. 우주와 생명

인체는 칼슘을 포함한 6가지 다량 원소와 나트륨, 칼륨, 마그네슘을 포함한 5가지 소량 원소로 99.4% 구성되어 있다. 여기에 더해 필수 원소, 미량 원소가 생명 활동이나 효소의 활성 등에 사용된다.[129]

이러한 금속을 만드는 원소는 우주 탄생과 함께 생성된 것이 아니다. 빅뱅이 일어난 후, 초기 우주에는 수소와 헬륨만 존재했다고 생각된다. 이것이 중력에 의해 모여서 생성된 항성 내부에서 더 무거운 원소가 핵융합을 일으켜 생성되었다. 그러나 태양 정도의 별에서는 산소까지이며, 더 무거운 질량의 항성이라도 내부에서 생성되는 원소는 철까지에 그친다. 철보다 무거운 원소는 초신성 폭발의 에너지를 흡수해야 비로소 핵융합을 한다고 여겨진다.[130]

지구가 철보다 무거운 금속 원소를 포함하고, 생물이 생명 활동에, 그리고 인류가 에너지원으로 방사성 원소를 이용하는 것은 곧 태양계, 인류를 포함한 생명을 구성하고 활동을 지탱하는 물질이 과거 폭발하여 흩어졌던 별의 파편이 재결합한 것임을 보여주며, 금속의 존재는 그것을 증명한다. 이러한 점을 지칭하여 인류를 비롯한 지구 생명체는 "별의 아이"라고도 불린다.[131] [132]

7. 2. 금속 이용

금속은 인간의 역사에 큰 영향을 미쳤고 매우 중요한 역할을 해왔다. 인류의 역사를 청동기 시대나 철기 시대처럼 그 시대에 주로 사용된 금속의 이름으로 나누는 것 자체가 이를 증명한다. 금속은 예로부터 인류의 생활을 지탱하고 문화 발전에 중요한 역할을 담당했다. 그러나 오늘날에도 아프리카나 남태평양의 섬 지역에는 금속을 전혀 사용하지 않거나 아주 제한적으로만 이용하는 종족도 있다.

금속 중 무기나 농기구로서 강력한 힘을 보인 것은 청동(구리와 주석의 합금)과 철이다. 철이 사용되지 않은 문명도 존재했는데, 16세기에 스페인의 침략으로 멸망한 남아메리카의 고대 문명(잉카 문명, 마야 문명)이 그 예다. 이들 문명은 금이나 은은 풍부했지만 철은 전혀 몰랐다. 철을 몰랐다고 해서 그 문명이 원시적 단계에 머물렀던 것은 아니다. 그들은 훌륭한 국가 조직을 갖추고 있었으며, 특히 토목 기술은 매우 발달하여 웅장한 피라미드나 궁전 유적이 이를 증명한다. 그러나 이 대제국은 소수의 스페인 군대에 의해 쉽게 멸망했는데, 주된 원인 중 하나는 철제 무기의 부재였다. 철이 없으면 무기가 약할 뿐 아니라 산업 전반이 뒤처지기 쉽다. 농업에서도 나무나 석기 농기구를 사용하면 생산력 향상에 한계가 있었다. 산업 전체가 뒤떨어지면 사회 전체의 힘도 약해질 수밖에 없다. 따라서 일부 분야가 발달했더라도, 철을 사용하지 못한 남미 고대 국가는 상대적으로 취약한 사회였다고 볼 수 있다. 금속 재료는 오늘날 우리 생활에 필수적이지만, 너무 오랫동안 인간 생활 가까이에 있었기에 그 중요성을 잊기 쉽다. 금속을 잘 활용하는 것은 고대 인류에게 중요했던 것 이상으로 우주 시대를 살아가는 현대 인류에게 더욱 중요하다.

A pile of compacted steel scraps
재활용을 위한 압축된 강철 고철 더미


금속에 대한 수요는 사회기반시설, 건설, 제조업, 소비재 등 다양한 분야에서 금속이 사용됨에 따라 경제 성장과 밀접한 관련이 있다. 20세기 동안 사회에서 사용되는 금속의 종류는 급격히 증가했다. 오늘날 중국, 인도와 같은 주요 국가의 발전과 기술 발달은 더 많은 금속 수요를 유발하고 있다. 결과적으로 광산 활동이 확대되고 있으며, 아직 채굴되지 않은 매장량보다 이미 사용 중인 형태로 지상에 존재하는 금속의 양이 점점 더 많아지고 있다. 예를 들어, 구리의 경우 1932년부터 1999년까지 미국 내 1인당 사용량은 73g에서 238g으로 증가했다.[77]

금속은 본질적으로 재활용이 가능하여 이론적으로는 계속해서 사용할 수 있다. 재활용은 금속 생산 과정에서의 부정적인 환경 영향을 최소화하고 에너지를 절약하는 데 도움이 된다. 예를 들어, 보크사이트 광석에서 알루미늄을 생산하는 데 필요한 에너지의 95%는 재활용 알루미늄을 사용함으로써 절약할 수 있다.[78]

하지만 전 세계적으로 금속 재활용률은 일반적으로 낮은 편이다. 2010년 유엔환경계획(United Nations Environment Programme)이 주최한 국제자원패널(International Resource Panel)은 사회 내 금속 매장량[79]과 재활용률[77]에 대한 보고서를 발표했다. 보고서 저자들은 사회에 축적된 금속 매장량이 '지상 광산(urban mine)' 역할을 할 수 있다고 지적했다. 그러나 휴대전화, 하이브리드 자동차 배터리, 연료 전지 등에 사용되는 일부 희귀 금속의 재활용률이 매우 낮아, 앞으로 폐기물의 재활용률을 극적으로 높이지 않으면 이 중요한 금속들을 현대 기술에 계속 사용하기 어려워질 수 있다고 경고했다.

자연 구리(Native copper)


금 결정(Gold crystals)


구리(Copper)는 자연 상태로 발견되기 때문에 독특한 외관, 무게, 가공성 덕분에 인류가 최초로 발견하고 사용한 금속일 가능성이 높다. 금, 은, 철(운석철), 납 역시 선사 시대에 발견되었다. 이 시기에는 구리와 아연 광석을 함께 제련하여 놋쇠(brass)를 만들기도 했는데, 순수한 아연은 13세기까지 분리되지 않았다. 고체 금속의 가공성 덕분에 초기 인류는 금속으로 장신구, 도구, 무기를 제작하기 시작했다. 니켈을 함유한 운석철은 때때로 발견되었는데, 이는 1880년대 합금강이 등장하기 전까지 만들어진 어떤 강철보다도 우수한 특성을 지니기도 했다.[80]

문명이 금속을 사용한 가장 오래된 예로는 이라크에서 출토된 기원전 9500년경의 구리 펜던트가 있다.[133] 이는 자연 상태의 순수한 구리를 거의 그대로 이용한 것이다. 구리는 순수한 형태(자연동)로 광석이 되어 모이기 쉽고 지구 표면에 널리 분포해 있어 초기 이용에 유리했다.[134][135] 이 초기 단계에서 이용된 다른 금속은 산소와 잘 결합하지 않는 귀금속인 금이나 은에 한정되었고, 그 양도 매우 적었다.[133]

주(周)나라 시대의 청동(青銅) 화폐


캡션 참조
아르테미시온 청동상. 청동으로 만들어진 이 조각상은 포세이돈 또는 제우스를 묘사하며, 기원전 460년경 작품으로 아테네 국립고고학박물관에 소장되어 있다. 높이는 가 넘는다.


산화물에서 금속을 얻는 제련 기술은 세계 4대 문명이 탄생하고 인류가 수백 ℃ 이상의 고온을 제어할 수 있게 된 후에야 가능해졌다. 기원전 2000년경 이집트 벽화에는 족답풍구(足踏み鞴, 발로 밟아 바람을 일으키는 풀무)와 주형이 등장한다. 이후 구리와 비소(arsenic) 또는 주석(tin)의 합금인 청동이 발명되었다. 청동은 구리보다 녹는점이 낮고(약 940°C) 강도는 약 3배 더 강했다. 이로써 청동제 도구, 무기, 갑옷, 건축 자재 등이 돌이나 구리로 만든 것보다 더 단단하고 내구성 있게 만들어졌다. 초기에는 구리와 비소를 사용하여 비소 청동을 만들었으며,[81] 가장 오래된 유물은 기원전 5천년경 이란 고원에서 발견되었다.[82] 주석은 기원전 3천년 후반부터 청동의 주요 합금 원소가 되었다.[83] 순수한 주석 자체는 기원전 1800년경 중국과 일본의 금속 장인들에 의해 처음 분리되었다. 청동기의 광범위한 제조와 사용은 고대 중국의 은나라, 지중해의 미케네 문명, 미노아 문명, 중동 등을 중심으로 청동기 시대를 열었다.[133]

수은은 기원전 2000년 이전에 고대 중국과 인도에서 알려졌으며, 기원전 1500년경 이집트 무덤에서도 발견되었다.

지구상에 풍부한 철은 주로 산화된 상태로 존재한다. 가장 오래된 철 이용 사례로 여겨지는 이집트나 메소포타미아의 기원전 5000-3000년 전 철 제품은 운석철을 두드려 만든 것이다.[136] 산화철을 가열하여 환원시켜 철을 얻는 제련 기술은 여러 설이 있지만,[136] 기원전 1650년경 아나톨리아의 히타이트에서 시작된 것으로 보인다. 히타이트는 철제 무기를 바탕으로 강력한 군사력을 갖추었다. 제철 기술은 약 200년 이상 비밀로 유지되었으나, 기원전 1200년경 "바다의 민족"에 의해 히타이트가 멸망하면서 널리 퍼지기 시작했다. 히타이트 기술의 핵심은 단순한 철 제련이 아니라 탄소를 섞어 강철을 만드는 기술에 있었던 것으로 추정된다.[133] 철-탄소 합금인 강철의 가장 오래된 생산 증거는 아나톨리아(카만-칼레회육)의 고고학 유적지에서 발굴된 약 4,000년 전(기원전 1800년경)의 철기 유물에서 확인되었다.[84][85]

응고된 녹은 주석 한 방울


금속 제련 기술이 보급되면서 금속은 무기뿐 아니라 농기구, 생활용품 등에도 널리 사용되었고, 귀금속은 장신구 등에 쓰였다.[137] 금속의 자성은 나침반 발명으로 이어져 항해 기술 발전에 기여했다.[133]

다양한 합금 기술도 발달했다. 기원전 500년경부터 스페인 토레도의 검 제작자들은 텅스텐과 망간을 함유한 텅스텐석 광물을 철광석에 첨가하여 초기 형태의 합금강인 토레도 강을 만들었다. 이 강철은 포에니 전쟁에서 한니발이 사용하면서 로마의 주목을 받았고, 로마 군단 무기의 기초가 되었다. 이 검들은 기존 검보다 훨씬 강하고 잘 부러지지 않아 로마 병사들에게 심리적 우위를 제공했다고 전해진다.[86]

콜럼버스 이전 시대 아메리카에서는 기원후 300년에서 500년 사이에 파나마와 코스타리카에서 구리와 금의 합금인 툼바가로 만든 물건들이 생산되기 시작했다. 작은 금속 조각상과 다양한 툼바가(및 금) 장신구는 고위층의 장식품으로 사용되었다. 거의 같은 시기 에콰도르 원주민들은 소량의 팔라듐, 로듐, 이리듐을 함유한 천연 백금 합금에 금을 혼합하여 백금 합금 미니어처와 가면을 만들었다. 당시 기술로는 백금족 금속의 높은 녹는점에 도달할 수 없었기에, 금속 세공인들은 백금 합금 입자를 금이 녹을 때까지 가열하고 냉각 후 두드리는 과정을 반복하여 균질한 합금을 만들었다.[87] 시리아 다마스쿠스에서는 우츠강이라는 인도산 철을 사용하여 특유의 물결무늬를 가진 다마스쿠스 강 검을 만들었다. 이 검은 전설적인 절삭력으로 유명했는데, 현대 분석 결과 철에 포함된 특정 원소들이 탄소 나노튜브와 세멘타이트(Fe3C) 나노와이어 형성을 촉진하여 강철에 독특한 강도와 유연성을 부여한 것으로 밝혀졌다. 다마스쿠스 강 제조법은 18세기에 원료 광석이 고갈되면서 실전되었을 가능성이 있다.

18세기 이전까지 인류가 주로 사용했던 금속은 금, 철, 수은 등 11종류에 불과했다.[138] 산업혁명을 거치면서 채굴 및 제련 기술이 크게 발전했고, 드미트리 멘델레예프의 주기율표 발표 전후로 새로운 금속들이 속속 발견되었다. 19세기 이후 화학 실험과 원자론 등의 발달로 금속 원자의 구조가 밝혀지기 시작했으며, 20세기에는 양자론 등을 통해 금속에 대한 근본적인 이해가 깊어지면서 다양한 용도 개발이 이루어지고 있다.[133]

7. 3. 인체에 대한 영향

일부 금속은 인체에 강한 독성을 가지며, 필수 미량 원소에 해당하는 금속 중 일부도 과잉 섭취 시 중독 증상을 일으킨다. 공해의 원인이 된 카드뮴(이타이이타이병), 수은(미나마타병), 그리고 그레이엄 영 사건에 사용된 탈륨 등이 대표적인 예이다. 에가미 후지오는 이러한 원소들이 해수 중에 포함된 농도가 낮다는 점에 주목했다. 그는 인류의 조상이 되는 생물이 해양에서 발생했을 때 해당 원소들과 접촉할 기회가 거의 없었기 때문에, 진화 과정에서 해독 기구를 획득하지 못했을 것이라고 보았다.[129][139]

2006년에 발생한 알렉산드르 리트비넨코 암살 사건에서는 피해자의 체내에서 방사성 원소인 폴로늄이 검출되었다. 폴로늄은 순도 50%일 때 치사량이 100만 분의 1그램에 불과할 정도로 매우 위험하다. 하지만 폴로늄은 자연계에는 거의 존재하지 않으며, 원자로에서 인위적으로만 만들어진다.[129]

한편, 금속이 생체에 접촉하여 알레르기 반응을 일으키는 경우도 있는데, 이를 금속 알레르기라고 부른다. 금속 알레르기는 IV형(지연형) 알레르기로 분류된다. 금속 자체는 항원성을 나타내지 않지만, 체내에서 용출된 금속 이온이 단백질과 결합하여 항원으로 작용하면서 알레르기 반응을 유발한다.[140][141]

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[137] 웹사이트 생명과 금속의 세계(’05) http://www.isc.meiji[...] 방송대학 교양학부 2010-04-17
[138] 서적 금속이야기 배풍관
[139] 서적 우주생물학과 ET탐사 아사히문고
[140] 웹사이트 금속 알레르기란 무엇일까요? http://www.dent.niig[...] 니가타대학 치학부 2010-04-17
[141] 웹사이트 口腔金属アレルギー外来 http://hospital.dent[...] 愛知学院大学歯学部 2010-04-17


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