금속재료의 역사 알아보기

금속재료의 역사 알아보기

금속재료의 역사 알아보기

인류 역사와 함께한 재료공학에 대해 조금 더 자세하게 보기 위해 먼저 금속재료에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 우선적으로 금속재료의 역사에 대해 알아보도록 하겠습니다. 금속재료는 주기율표 상에서 확인할 수 있는 하늘색으로 표시된 원자들이 다 금속 재료에 해당합니다. 주기율표 상의 100개가 넘는 원자들 중에서 거의 대부분이 금속재료에 해당됩니다. 물론 이 금속재료가 다 우리 생활 속에서 활용되지는 않습니다. 이 중 일부는 외계 운석에서 발견된 경우도 있습니다. 금속재료는 기본적으로 최외각 전자의 개수가 3개 이하인 것으로 이해하면 됩니다. 예외로 존재하는 원자들의 경우라도 최외각 전자가 4개 내외로 존재하기 때문에, 전반적으로 최외각 전자의 개수는 3개 이하라고 이해하면 됩니다. 중간의 핵이 가지고 있는 (+) 전하를 최대한 내부의 전자들이 막아주어야 자유전자가 형성되기 때문에 최외각 전자가 상대적으로 적은 원소들이 금속에 해당하게 됩니다. 오른쪽 그림은 은(Ag) 원자를 나타낸 것입니다. 은의 경우는 최외각 전자가 하나로, 나머지 전자들이 중앙에서 나오는 (+) 전하를 막아주는 역할을 하게 됩니다. 이것들이 다 막아주기 때문에 최외각의 전자는 자유로운 상태가 됩니다. 비유를 하자면 수업시간에 앞자리에 덩치가 큰 학생이 앉은 경우 쉽게 엎드려 졸기 쉬운 것처럼, 최외각 전자도 핵의 영향에서 벗어나기 쉽습니다. 전자가 하나의 원자에 묶여있는 것이 아니라 서로 공유되는 형태로 나타나게 됩니다.

인류가 사용한 최초의 금속은?

앞서 청동기 시대에 관하여 이야기가 나왔기 때문에 청동기라고 생각할 수 있지만 사실은 아닙니다. 어느 유적지를 가나 빼놓지 않고 있는 금속은 금일 것입니다. 인류가 최초로 사용한 금속은 금이라고 생각하는 것이 더욱 맞을 것입니다. 그 이유는 금은 다른 산소와 같은 다른 물질과 잘 반응하지 않기 때문입니다. 또한 자연계에서 녹여낼 필요 없이 그대로 얻을 수 있는 대표적인 금속입니다. 굉장히 무르기 때문에 세공이 가능하여 가령 실처럼 뽑아낼 수도 있습니다. 아주 아름다운 모양을 만드는 데에 아주 적합한 금속일 것입니다. 따라서 금이 가장 인류 최초로 사용한 금속일 것입니다. 금이 최초로 사용된 배경에는 다른 물질과 잘 반응하지 않고 자연에서 바로 얻을 수 있기 때문입니다. 이러한 금속들을 우리는 귀금속(Precious metals)이라고 부릅니다. 귀금속을 주기율표를 바탕으로 정의를 내리면 11족에 해당하는 금속들, 즉 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au)입니다. 이 시리즈(series)를 보통 귀금속이라고 부릅니다. 최근에는 금과 은 각각의 바로 앞에 위치한 백금(Pt)과 팔라듐(Pd)도 귀금속이라고 명명하기는 하지만 기본적으로 이 세 가지를 귀금속이라고 합니다. 그 이유는 자연에서 순수한 상태로 찾기 쉬운 것들이기 때문입니다. 물론 구리는 예외적으로 순수한 상태로 존재하는 경우가 거의 없습니다. 각각의 자연 상태에서 얻을 수 있는 형태의 귀금속인 금, 은, 구리를 보여줍니다. 구리는 아주 정확하게는 순수한 상태는 아닙니다. 인류가 청동기를 철기보다 먼저 쓴 이유 중 하나가 불을 이용하여 온도를 높일 수 있는 기술발전과 연관이 있다고 했습니다. 또 다른 이유는 구리가 자연 상태에서 순수 한한 상태로 발견될 확률이 높기 때문입니다. 그러면 왜 이러한 귀금속들이 먼저 사용됐음에도 불구하고 왜 철이 가장 많이 사용되는가라는 질문을 할 수 있습니다.

철이 가장 많이 사용된 이유는?

초기에 우주가 생성될 때에 아주 낮은 원자량을 갖는 수소(H), 헬륨(He)과 같은 원자들이 만들어지기 시작하였을 것입니다. 이러한 가벼운 원자들이 서로 붙고 붙어 무거운 원자들이 만들어졌는데, 보시면 철을 기준으로 하여 그 이후에 존재하는 원자들은 에너지 값이 매우 많이 필요하게 됩니다. 철은 시작 지점이 되는 것입니다. 철 이하에 존재하는 원소들과 철보다 원자가가 더 큰 원소들에 대하여 지구상에 있는 양의 차이를 결합 에너지로 풀어낸 그림이 있습니다. 오른쪽 그림을 보시면 철을 기준으로 하여 실제로 철보다 원자량이 작은 원소들은 자연계에서 많은 원소들입니다. 철보다 원자량이 큰 원소들은 자연계에 존재가 많지 않습니다. 귀금속에 해당하는 구리, 금, 은도 그렇게 자연에 많은 원소들이 아닙니다. 유용한 원소란 그만큼 자연계에서 많이 존재하는 것들일 것입니다. 철기시대가 도래하고 오늘날 우리가 철기를 많이 쓰는 이유 중 하나가 철이 자연계에 가장 흔한 원소 중에 하나이기 때문이라는 의견에는 이견이 없을 것입니다. 무엇이든지 많아야 사용할 데가 있다는 말이 있습니다. 자연계의 많은 원소들을 비교해 보면 가장 많이 차지하는 것이 산소입니다. 자연계에 대부분의 금속들은 산소와 반응하여 광물의 형태로 있기 때문에 산소가 가장 많은데, 그다음으로 많은 것이 실리콘(Si)입니다. 반도체 혁명을 이끌어 낸 실리콘이 가장 많은 원소 중 하나입니다. 이것과 대비하여 다른 원소들의 양을 비교를 한 것을 보시면, 철(Fe)은 꽤 많은 4위에 해당하며, 알루미늄은(Al)은 3위에 해당합니다. 이후에 설명드리겠지만 왜 철기시대 이전에 알루미늄 시대라는 것은 없었을까 라는 의문을 가질 수 있는데, 이는 이후 강의에서 확인할 수 있을 것입니다. 철기가 알루미늄과 더불어 가장 많고 구리 은 금 상대적인 양을 보면 매우 적습니다. 실제로 우리가 자연계에서 사용할 수 있는 원소들은 오른쪽 그림에서 녹색으로 표시한 부분은 해당하는 원소들 밖에 없습니다. 인류가 왜 철을 많이 쓰고, 알루미늄을 사용하고, 반도체 혁명을 이끌어 냈을까? 이 세 개의 원소가 자연에 많은 것과 맥락을 같이 하는 부분이 있지 않을까 생각합니다.