지구 광물: 구리 광석과 구리

지구 광물: 구리 광석과 구리

구리는 인류 문명의 토대를 이룬 가장 중요한 금속 중 하나입니다. 인류가 처음으로 구리를 사용한 것은 약 1만 년 전, 신석기시대로 거슬러 올라가며 초기에는 자연에서 발견된 순수한 형태의 구리를 사용했습니다. 고대 이집트와 메소포타미아 문명은 구리를 도구, 무기, 장식품 제작에 활용했으며, 이는 구리가 인류 문명 발전에 중요한 역할을 했음을 보여줍니다.

구리 광석의 다양한 형태와 기원

구리 광석은 화산 활동과 같은 지질학적 과정을 통해 형성됩니다. 대표적인 광석으로는 황동석(CuFeS2), 휘동광(Cu2S), 반동광(Cu5 FeS4) 등이 있습니다. 이들 각각의 광석은 구리를 추출하는 데 중요한 역할을 합니다.

1. 황동석 (Chalcopyrite, CuFeS2)

• 구성과 특성: 황동석은 구리, 철, 황의 화합물로 구성되어 있으며, 구리 함량은 약 34.5%입니다. 가장 흔하게 발견되는 구리 광석으로, 구리 생산의 주요 원천입니다.
 
• 기원: 주로 화산 활동과 관련된 지질 구조에서 발견됩니다. 다양한 지질학적 과정을 통해 형성되며, 대규모 매장량을 가지고 있습니다.

2. 휘동광 (Chalcocite, Cu2S)

• 구성과 특성: 휘동광은 구리와 황만으로 이루어진 화합물로, 구리의 순도가 약 79.8%로 매우 높습니다. 순수한 형태의 구리 광석으로, 고품질의 구리 추출에 유리합니다.
 
• 기원: 주로 산화환경에서 형성되며, 오래된 광산에서 자주 발견됩니다. 이차적인 광석 형성 과정을 거쳐 생성되는 경우가 많습니다.

3. 동람 (Covellite, CuS)

• 구성과 특성: 동람은 구리와 황의 결합으로 이루어진 화합물이며, 구리 순도는 약 66.5%입니다. 구리 채굴에서 중요한 역할을 하며, 상당한 양의 구리를 함유하고 있습니다.
 
• 기원: 다른 구리 광석의 화학적 변화로 인해 형성되는 경우가 많습니다. 환경적 변화에 따른 광물의 변성 과정을 통해 생성됩니다.

4. 반동광 (Bornite, Cu5FeS4)

• 구성과 특성: 반동광은 구리, 철, 황이 결합된 화합물로, 구리 순도는 약 35.0%입니다. 철을 함유하고 있어 추가적인 처리가 필요할 수 있습니다.
 
• 기원: 화산 관련 지질 구조에서 주로 발견됩니다. 다양한 광물학적 과정을 거쳐 형성되며, 상업적으로 중요한 광석입니다.

5. 공작석 (Malachite, Cu2 CO3(OH) 2)

• 구성과 특성: 구리, 탄소, 산소, 수소가 결합된 화합물로, 구리 순도는 약 40%입니다. 특유의 녹색을 띠며, 구리 추출뿐만 아니라 장식용으로도 가치가 있습니다.
 
• 기원: 구리 광석의 표면에 산화가 일어나며 형성되는 이차 광물입니다. 물과 이산화탄소의 존재 하에 구리 광석이 화학적으로 변화하여 생성됩니다.

구리의 물리적, 화학적 특성

1. 물리적 특성

• 경도와 가공성: 구리는 모스 경도 척도에서 약 3.0을 기록, 상대적으로 연한 금속입니다. 이로 인해 가공하기 쉽고, 다양한 형태로 제조 및 가공이 가능합니다.
 
• 비중과 밀도: 순수 구리의 비중은 약 8.96으로, 상당히 밀도가 높은 금속입니다. 이 높은 밀도는 구리의 견고함과 내구성에 기여합니다.
 
• 전기 전도도:: 약 59.6S/m (20℃), 이는 구리가 은 다음으로 전기를 잘 전도하는 금속임을 의미합니다.
 
• 열 전도도:: 약 385W/mK (20℃), 이는 구리가 열을 매우 효과적으로 전달한다는 것을 나타냅니다.
 
• 녹는점: 약 1,085도 섭씨, 높은 녹는점은 구리가 열에 대해 안정적임을 의미합니다.
 
• 끓는점: 약 2,562도 섭씨, 이는 구리가 고온에서도 강한 내구성을 가짐을 나타냅니다.

2. 화학적 특성

화학식: Cu, 원자 번호 29, 원자량은 63.546입니다. 이는 구리가 주기율표에서 상당히 무거운 원소 중 하나임을 나타냅니다.
 
• 산화 상태: 구리는 주로 +1 및 +2의 산화 상태를 가집니다. 이는 구리가 화학반응에서 다양한 방식으로 반응할 수 있음을 의미합니다.
 
• 반응성 및 내식성: 구리는 공기 중에서 산화되기 어렵지만, 장기간 노출되면 표면에 녹색의 페티나가 형성됩니다. 이 페티나는 주로 구리 탄산염으로 구성되며, 내식성을 나타냅니다.
 
• 합금과의 반응: 구리는 다른 금속과 쉽게 합금을 이룹니다. 예를 들어, 청동은 구리와 주석의 합금으로, 구리의 특성을 보완하여 강도와 내구성을 높입니다.

구리 광석에서 구리를 추출하는 과정

1, 채광(채굴)

먼저 구리 광식이 매장된 곳에서 고아석을 채광합니다. 광석의 품질에 따라 광산을 굴착하거나 지표에서 공석을 채취하는 방식을 사용합니다.

2, 선광

채광된 광석에는 구리 이외에도 다른 광물도 포함되어 있습니다. 이러한 불순물을 제거하는 공정을 "선광"이라고 합니다. 선광은 광석을 분쇄하여 크기를 줄이고, 부유선광, 침출, 전기선광 등의 방법을 사용하여 불순물을 제거합니다.

3. 침출

선광 된 광석을 황산 용액에 담가 구리를 녹이는 공정을 침출이라고 합니다. 침출은 광석의 품질과 경제성을 고려하여 힙 침출, 리액터 침출, 펌프 침출 등의 방법을 사용합니다.

4. 정제 

침출 공정을 얻은 구리 용액을 전기분해하여 구리 금속을 얻는 공정을 정제라고 합니다. 정제는 구리 용액을 양극과 음극 사이에 넣고 전류를 흘러주어 구리 이온이 음극으로 이동하여 구리 금속으로 석출 되는 원리를 이용합니다.

5. 제련 

정제된 구리 금속은 순도가 99.9% 이상인 경우가 많습니다. 그러나 일부 불순물이 남아 있을 수 있기 때문에 제련 공정을 통해 불순물을 제거하여 순도를 높입니다. 체련은 구리 금속을 녹이고 불순물을 제거한 후 다시 응고시키는 과정을 거칩니다.
 
이러한 과정을 통해 구리 광석에서 구리를 추출하여 순순한 구리 금속을 얻을 수 있습니다. 구리 광석의 품질에 따라 각 단계의 공정이 달라질 수 있습니다. 또한 최근에는 환경을 고려하여 친환경적인 공정을 개발하는 노력이 이루어지고 있습니다.

구리의 주요 용도

◉ 전기 및 전자 산업

구리는 전기 및 열 전도성이 뛰어나기 때문에 전기 배선, 배터리, 전자부품 등 전기 및 전자 산업에서 널리 사용되고 있습니다. 특히 구리는 전력 생산 및 전송에 필수적인 재료로, 전기선, 전기 변압기, 전력 계량기 등에 사용됩니다. 또한, 구리는 반도체 산업에서도 중요한 역할을 하고 있으며, 컴퓨터, 휴대폰, , TV, 등 다양한 전자 제품의 부품에 사용됩니다.

◉ 건축 및 토목 산업 인프라

구리는 내식성이 좋기 때문에 건축 및 토목 산업에서 널리 사용되고 있습니다. 특히, 구리는 배관, 수도관, 지붕재, 건축 외장재 등에 사용됩니다. 또한, 구리는 항균성이 우수하여 병원,  식품 공장 등에서 세균 번식을 방지하기 위한 재료로 사용되기도 합니다.

◉ 운송 산업

자동차와 항공기 제조에도 구리가 중요한 역할을 합니다. 전기 시스템, 배터리, 라디에이터 등에 사용되며, 전기 전도성과 내열성이 필수적입니다.

◉ 통신 분야

구리는 전기 및 열 전도성의 우수하여 통신 분야에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 특히, 구리는 광케이블의 핵심 재료로 사용되고 있습니다. 광케이블은 비을 사용하여 정보를 전송하는 통신망으로, 구리는 광섬유를 보호하고 전기 신호를 광 신호로 변환하는 데 사용됩니다. 또한, 구리는 통신 기기의 부푸에도 사용되며, 전기회로, 안테나, 마이크 등 다양한 부품에 사용됩니다.

◉ 의료 과학 분야

구리는 항균성이 우수하고, 인체에 무해한 금속으로 알려져 있습니다. 이러한 특성으로 인해 구리는 의료 과학 분야에서 다양한 용도로 사용되고 있습니다. 또한 구리는 수술용 도구, 의료 기기 등에 사용되어 감염을 예방하고, 환자의 안전을 향상하는 데 도움이 되고 있습니다. 또한, 구리는 인공 뼈, 인공 치아 등 인체에 이식되는 의료 기기에 사용되어 환자에게 도움이 되는 역할도 하고 있습니다. 

마치며

구리의 미래와 지속 가능한 개발 구리는 인류 문명에 중대한 기여를 해왔지만, 채굴과 사용이 환경에 미치는 영향을 고려할 때 지속 가능한 관리가 필요합니다. 환경 문제 해결, 효율적인 기술 개발, 구리 재활용 촉진 등을 통해 구리는 앞으로도 우리 생활을 지속 가능한 방식으로 풍요롭게 할 수 있습니다.