모든 건 자연으로부터 얻어집니다. 금속도 예외일 수는 없죠. 맨 처음에 채취되는 것은 광석(鑛石, ore)입니다. 광석은 인간의 경제활동에 있어서 유용한 자원이 되는 광물, 또는 그것을 함유하는 암석으로 정의가 되죠. 광물(鑛物, mineral)이라 함은 자연산 무기물로 규칙적인 결정 구조와 명확한 화학 구성을 갖는 고체를 뜻합니다. 즉, 광석에서 물리적으로 붙어있는 흙이나 여타 물질들을 떼어내면 광물이 되죠. 광물은 자연산으로 인공적으로 만들어진 물질들은 제외되며, 또한 규칙적인 결정 구조를 가져야 하므로 비결정질 물질들도 해당되지 않습니다. 또한, 순수한 생물학적 작용에 의해 생긴 물질도 포함되지 않으나, 해양 생물에서 생성된 탄산 칼슘이 쌓여서 집합체를 이룬 경우에는 지질학적 작용을 거쳤기 때문에 광물로 인정이 됩니다. 일부 예외도 인정되어 일부 유기물이나 자연산 준결정(準結晶, quasicrystal) 등도 일부 광물로 인정을 받고 있습니다.
전자 전기분야에서 도체나 전극으로 널리 사용되는 구리를 중심으로 설명을 이어갑니다. 구리는 상품 금속(commodity metal) 중의 하나입니다. 여기에서 '상품'이라 함은 ‘농업과 광업의 1차 상품, 미가공품’이란 뜻으로 국제적으로 중요성과 가치가 인정되어 하나의 상품으로 거래가 되고 있다는 의미입니다. 즉, 구리는 제조업 전반에 광범위하게 사용되므로, 경기가 좋을 때는 수요가 늘어 가격이 오르고, 경기가 안좋아지면 가격이 내려가죠. 따라서 구리 가격을 보면 실물 경기를 정확하게 예측할 수 있다는 점에서, 경제 분야에서는 닥터 코퍼(Dr. Copper)라고도 부른답니다.
구리의 경우, 대략 1,000,kg의 광석에 2~5kg(0.2~0.5%) 정도의 구리가 있다면 광산 개발로 채굴할 가치가 있다고 봅니다. 구리는 주로 황(sulfur, S)과 친화하여 황동석이나 휘동석 등으로 얻어지며, 이 외에도 반동석, 공작석 등과 같은 구리 광석들이 있습니다. 80% 정도는 황화물 광석(sulphide ore)이죠. 채굴 후부터 순서를 따라가 보죠. 먼저 선광(concentrating)으로 물리적으로 결합된 맥석류 등을 제거하면 구리의 함량이 25% 정도로 증가합니다. 이후 화학적 정제가 진행하여 구리 광물을 구리 금속으로 바꿉니다. 황동석의 경우, 철과 황을 제거하여야 하죠. 첫번째로 섭씨 500도에서 700도의 온도에서 가열 처리(roasting)를 하여 구리 산화물을 만들어가면서 황과 이산화황 등을 제거합니다. 이를 통하여 하소(calcine, 태운 잿가루)가 만들어지는데, 이는 산, 황, 황산염 등이 혼합된 고체물질입니다.
다음으로 제련 작업(smelting with fluxes)으로, 하소를 실리카나 석회석과 같은 용제와 섞어 섭씨 1200도 이상으로 가열하면, 하소가 녹으면서 용제와 반응을 하고 이 과정에서 일부 불순물이 찌꺼기(slag)가 되어 액체 표면에 떠오르면서 제거됩니다. 이 단계까지 이르면 황화구리(copper sulphides)와 황화철(iron sulphides)의 혼합물인 액체가 남고 이를 액체동(matte)이라고 부르죠. 다음 단계로 액체동에서 조동으로의 전환 작업(conversion of matte to copper blister)입니다. 즉, 액체동은 전로(轉爐, converter)안에서 공기와 결합, 산화하여 조동(blister copper)을 형성합니다. 전로는 쇳물(선철)을 용강으로 정련하여 제강, 즉 강으로 전환하는 노(爐)라는 의미이죠. 여기까지 진행을 하면 순도 99%의 구리인 조동이 만들어집니다. Blister(수포)라는 용어를 쓰는 이유는 이 과정에서 구리 표면에 이산화황 거품이 형성되기 때문이죠.
마지막 단계로 전해 정련(electrolytic refining)입니다. 조동은 99% 이상의 구리를 포함하지만, 특히 금속 도체나 전극을 사용하기 위해서는 더욱 높은 순도를 요구하며, 순도를 높이는 작업은 전기 분해(electrolysis)를 통하여 이루어지죠. 조동을 판(plate) 형태의 양극 조동으로 만들어서 이를 전기 분해 장치 안에 넣죠. 즉, 황산구리와 황산을 포함한 전해액(electrolyte) 안에 담그고 200A 이상의 전류를 흘리면 구리 이온들이 음극 쪽으로 이동하면서 순도 99.99% 이상의 전기동(copper cathode)이 만들어집니다. 이 과정에서 불순물들은 양극에서 슬러지 형태로 채취하거나 혹은 아래로 침전이 되면서 걸러지죠.
이렇게 만들어진 고순도 구리는 다양한 가공, 성형 과정을 통하여 일상에서 유용한 구조물이나 전선, 부품 등으로 태어납니다. 금속의 성형 과정에는 단조(forging), 압연(rolling), 압출(extrusion), 인발(drawing), 그리고 다양한 스탬핑(stamping)과 프레싱(pressing) 성형, 즉 펀칭(punching), 블랭킹 (blanking), 엠보싱 (embossing), 벤딩 (bending), 플랜징 (flanging), 코이닝 (coining) 등이 있습니다. 일례로 전기 도선을 만들기 위해서는 압연, 인발, 열처리, 그리고 피복을 입히는 과정을 필요로 하죠.
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