알루미늄 용도와 종류 및 특징

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알루미늄 용도와 종류 및 특징

알루미늄은 지구상에서 규소 다음으로 많이 존재하는 원소중 하나다. 특징에는 비중이 2.7이며, 공원용 금속 중 마그내슘(Mg) 다음으로 가벼운 금속이다. 일반적으로 알루미늄은 가볍고 전성과 연성이 좋아 쉽게 가공하며 가볍고 실생활에 많이 사용한다. 비교적 산화성이 커서 천연에서 원소 상태로 거의 존재하지 않으나 공기 중에서 단단한 산화물 보호피막을 만들기 때문에 내부까지 부식되지 않는 특징을 가지고 있다.

 

그리고 알루미늄이라는 이름은 고대 그리스 로마의 옛 이름과 알루멘(Alumen)에서 유래된 것이라고 한다. 패러데이(Faraday)의 스승인 데이비(Davy)는 1808년 알루미늄 금속의 존재를 밝혔고 확인했다. 그것을 처음으로 알루미엄(Alumium)이라고 했다가 나중에는 알루미늄이라고 바꾸어 불렀다고 알려져 있다. 

 

비록 1825년 순수한 금속 알루미늄은 아니었지만 금속 형태로 처음 만들어낸 과학자는 외르스테드(Hans Christaian Ørsted, 1777-1851)다. 요즘에는 집이나 아파트 창틀에는 알루미늄으로 만든 제품을 많이 사용하고 있고 예전에는 철로 만든 창틀을 많이 사용하였다고 한다.

 

아무튼, 부식 방지를 위해서 칠해 놓은 페인트가 벗겨져 흉한 몰골로 건물의 미관마저 해치는 경우가 많았는데 알루미늄 창틀이 오랫동안 상태를 유지하고 있는 것으로 알려졌다. 알루미늄 표면이 산화되어 단단하고 조밀한 산화물 막으로 덮여 있어서 더 이상 부식이 진행되지 않는 형태였기 때문이라고 한다.

 

알루미늄은 지각에서 가장 흔한 금속 중 하나라고 한다.

우리가 알고 있는 알루미늄은 지각에 존재하는 가장 흔한 금속이라고 한다. 원소로 따지면 산소, 규소 다음으로 많은 원소를 가지고 있다. 그렇지만 순수한 금속 알루미늄으로 발견되는 일은 거의 없다. 왜냐하면 알루미늄이 산소와 쉽게 반응을 하기 때문이라고 한다. 자연에서 발견되는 알루미늄은 대부분 산화물을 존재하고 있기 때문이다.

 

알루미늄은 가볍고 단단하기 때문에 순수한 상태 혹은 합금 형태로 항공기, 자동차, 자전거와 같은 운송수단에 많이 활용된다. 매끈하게 표면 처리된 알루미늄의 경우 다른 금속 면보다 더 반짝거려 보이는 까닭은 빛의 반사율이 높기 때문이다. 가시광선, 영역에서는 은의 반사율이 알루미늄보다 높아서 거울을 만들 때 은을 많이 사용해 왔다고 한다. 

 

하지만 자외선이나 적외선 영역에서는 반사율이 어떤 금속보다 높아서 광학기기에는 알루미늄으로 코팅한 산사 거울을 많이 사용하는 것으로 알려져 있다.

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알루미늄은 보오크사이트를 빙정석과 함께 용융, 전기 분해하면 수순함을 얻는다.

한편, 알루미늄 광석은 프랑스 레보(Les Baux) 지방에서 발견되었고 해서보크사이트(Bauxite)라 부른다. 보크사이트를 빙정석(cryolite)에 녹여서 용융된 용액에서 전기분해를 하면, 순수한 알루미늄을 얻을 수 있다고 한다. 그런데 이때 필요한 에너지가 매우 큰데 이것은 알루미늄을 생산하는 공정의 미국의 홀(Charles Martin Hall, 1863~1914)과 프랑스의 에루(Paul Louis T, Heroult, 1863~1914)가 각각 독립적으로 발명을 하여 홀-에루(Hall-Heroult) 공정이라고 한다.

 

위의 말은 간단하지만 빙정석의 녹는점은 약 1000℃ 이상이며, 산화알루미늄의 녹는점은 거의 2000℃에 가까우니, 전기 분해를 하기 위해서 이들 물질을 녹여서 용액으로 만드는 일에도 많은 에너지가 필요로 한다는 것을 의미한다. 하지만 전기분해를 하는 셀(Cell)의 온도는 약 950℃ 정도로 산화알루미늄의 녹는 점보다 훨씬 낮다는 장점이 있다.

 

그 이유는 고체 빙정석과 고체 산화알루미늄을 일정 비율로 섞어서 온도를 올리면, 순수한 빙정석과 순수한 산화알루미늄의 녹는점보다는 더 낮은 온도에서 높아서 액체가 되기 때문이다. 두 개의 탄소 전극을 용융 용액에 넣고 전류를 흘려주면 한쪽 탄소전극(환원, Catho de)에서는 알루미늄 이온이 환원되고 금속 알루미늄이 생성된다.

 

이러한 또 다른 쪽 탄소전극에서는 산소가 발생되는 산화반응(산화, Anode)이 진행되고 전극에서 즉석에서 만들어진 산소와 탄소전극의 탄소가 반응을 하여 이산화탄소가 만들어진다.

 

  • 산화알루미늄의 전기분해 식 : 2Al2O3 + 3C → 4Al + 3CO2 

 

따라서 산화 전극으로 이용되는 탄소전극은 닳아서 없어지므로 주기적으로 갈아 줘야 한다. 알루미늄 제련에는 많은 전기가 필요, 유휴 전력의 활용을 위해 제런 공장에는 주로 발전소 근처가 많다. 알루미늄을 재생하는 데 필요한 에너지는 새롭게 알루미늄을 만들 때 필요한 에너지의 5% 정도면 된다고 하니 반드시 재활용을 해야 하는 물질임은 분명하다.

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알루미늄 원광인 보크사이트 이미지와 재활용 알루미늄 형태 이미지, 출처: 네이버 지식백과

 

알루미늄은 표면의 부동화 막, 더 이상의 산화를 막아주는 형태를 취한다.

금속이 부식되는 과정은 표면에서 금속이 금속 산화물로 변하고, 그 산화물이 떨어져 나가서 금속의 본래 모습이나 중량을 유지하지 못하는 것을 의미한다. 예를 들어서 철은 부식이 되면서 산화철이 되고, 부서지기 쉬운 산화철이 표면에서 떨어져 나가면서 철이 본래 지닌 모습을 유지할 수 없게 된다.

 

그러나 알루미늄의 경우에는 알루미늄 금속 표면에 형성된 산화물이 매우 단단하고 견고하여 알루미늄에 붙어 있는 형태이다. 보통 형성되는 알루미늄 산화막(Al2O3)의 두께는 보통 몇 나노미터 정도로 매우 얇아서 알루미늄 특유의 금속광택은 유지되어서 오랫동안 변치 않고 모습을 유지하고 있는 것이다.

 

일차로 산화 반응이 진행되어 얇은 금속 산화물 막(film)이 형성되고 더 이상의 부식이 진행되지 않는다고 한다. 이런 형상을 부동화(Passivation)라고 부르며, 그 결과 생긴 막이 부동화를 막는다. 그런데 알루미늄이 산화되는 조건을 조절하면 산화막을 형성하는 대신에 박막의 알루미늄 표면에서 매우 작은 크기의 구멍이 균일하게 분포된다.

 

구조물을 만들 수 있는데 알루미늄 전극에 산화 전압을 걸어주어 형성되는 알루미늄 이온의 산화물을 형성할 수 없는 조건이 되면 신기하게도 알루미늄 박막 표면에 균일한 육각형 모양의 구멍을 만들어 낸다. 전자 주사 현미경으로 박막 표면을 관찰해 보면 구멍의 생김새가 마치 벌집 모양과 같이 보인다. 구멍을 만드는 산화 전압과 전해질의 조건을 조절하면 원하는 크기의 지름과 깊이를 가진 구멍과 이것을 밀도 조절한 템플릿(Template)을 만들 수 있다.

 

알루미늄 템플릿을 이용하여 나노 굵기를 가진 전도성 고분자 선이나 탄소 나노 튜브를 제작하여 그것의 특성을 조사한 흥미로운 연구결과들이 속속 발표되고 있다.

 

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알루미늄은 다양한 색상을 얻는다.

현대 사회의 우리 주변에서 볼 수 있는 대부분의 알루미늄은 케이스와 카라비너(Karabiner)가 있다. 카라비너는 등산이나 번지 점프를 할 때 사람과 줄을 매어 연결해 주는 타원형으로 생긴 연결고리를 의미한다. 또한 부엌에도 알루미늄으로 만든 금속 기구들을 흔히 볼 수 있다. 다양한 제품이 모두 금속 알루미늄으로 만들어졌음에도 매우 다양한 색깔을 띠고 있고 매우 이채롭다.

 

이러한 특징과 비결은 알루미늄 표면에 인위적으로 두께를 조절한 산화알루미늄이 있기 때문이다. 제품 표면에 산화알루미늄 층을 형성, 부식과 마모되는 속도를 줄일 수 있을 뿐 아니라, 채색에 사용되는 염료의 접착도가 향상된다. 뿐만 아니라 염료를 사용하지 않고도 표면에 형성되는 산화알루미늄의 두께를 조절하는 것으로도 다양한 색을 만들어 낼 수 있다.

 

한편, 빛이 산화물 박막을 통과해 반사되는 과정에서 간섭이 일어나는데 우리 눈으로 들어오는 빛의 파장이 산화물의 두께에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 산화물의 두께를 조절하면 보이는 색상이 조절할 수 있게 되는 것이다. 일반적으로 산화물 두께의 2배에 해당하는 빛의 파장이 보강 간섭을 일으키는 형태다.

 

예를 들어서 빨간색의 파장은 대략 600 나노미터에 해당하므로 빨간 색상의 제품을 원하는 알루미늄 산화물의 두께를 약 300 나노미터 정도로 조절하면 가능하다는 것이다. 또한 산화알루미늄을 형성시킬 때 사용하는 용액에 첨가하는 물질의 변화를 주어도 다양한 색을 구현할 수 있다. 호화로운 색을 띤 루비나 사파이어 같은 보석들은 산화알루미늄에 특정 색을 나타낼 수 있는 금속이 불속물로 소량 들어 있다.

 

즉 산화알루미늄에 크롬이 섞여 있으면 붉은 루비 색을 띠고, 철과 티탄이 들어 있으면 파란 사파이어 색을 뛰게 된다. 그러므로 산화물 층을 형성시키는 용액의 성분을 조절하면 산화알루미늄 막이 형성되는 과정에 불순물이 고르게 침투하여 균일하고 아름다운 색상이 발현되는 과정을 볼 수 있다.

 

음식물을 포장할 때 사용하는 알루미늄 포일의 개발.

일반적으로 가정에서 알루미늄 포일(foil, 포일)을 사용하며, 음식을 포장, 요리, 보관할 때 매우 유용하다. 종이나 플라스틱에 알루미늄 박막을 입혀서 식품 포장으로 사용한 경우도 흔히 볼 수 있다. 예를 들어 감자를 알루미늄 포일에 둘둘 말아서 불(숯불 또는 오픈)에 구워서 먹어 보면, 감자 맛이 기막히게 좋다는 것을 알 수 있다.

 

포일에 싸서 구우면 그냥 구울 때 보다 수분이 보존되는 형태여서 퍽퍽하지도 않고 적절한 수분을 함유해 맛있는 감자가 만들어지는 이유이다. 그래서 서양식당에서는 주로 스테이크와 함께 제공되는 구운 감자요리는 이런 방법으로 요리를 한다. 우리나라 사람들이 좋아하는 불고기를 구울 때에도 알루미늄 포일을 이용하는 사람이 많다.

 

가정용 알루미늄 포일의 두께는 약 20 마이크로미터 내외로 한쪽 면은 광이 나서 반짝거리고, 다른 면은 광이 나지 않는 것이 보통이다. 왜 알루미늄 포일은 회사에 상관없이 같은 모양새를 하고 있는지 알고 있나? 그것은 포일을 만드는 공정의 특성 때문에 생기는 것으로 두 면의 빛의 반사율은 약간 차이가 나겠지만 성분은 다르지 않다.

 

금속의 순도가 높을수록 금속을 더 얇고 길게 뽑을 수 있는 것이 일반적이라고 한다. 알루미늄 강판을 롤러 사이에 두고 힘을 가하면 롤러 틈 사이에 해당하는 두께를 가진 알루미늄 박막이 만들어진다. 최종적으로 원하는 두께의 포일을 만들기 위해서는 최종 두께보다 2배만큼 벌어진 롤러 사이로 롤러 사이의 간격보다 더 두꺼운 박막 2장을 겹쳐서 밀어 넣는다.

 

그 결과 롤러를 빠져나온 알루미늄 박막은 최종 두께의 2배가 되는 박막이 형성된다. 마지막 공정에서 2장이 겹쳐진 막막을 각각의 포일로 분리해 버리면 원하는 두께를 가진 알루미늄 포일이 만들어진다. 이때 롤로가 닿았던 면은 광택이 나고 두 장의 박막이 겹쳤던 부분은 무광으로 남아서 우리가 보는 알루미늄 포일의 모습을 하고 있는 것이다.

 

알루미늄 식기, 고가품으로 명성을 날렸던 한때.

현재는 아니지만 한때는 알루미늄의 값이 엄청나게 비싸던 시절이 있었다. 왜냐하면 광석으로부터 순수한 알루미늄 금속을 얻는 것이 쉽지 않았기 때문이다. 나폴레옹 3세가 손님을 초대해서 음식을 대접할 때 자신과 귀한 손님은 알루미늄으로 만든 술잔이나 접시를 사용하게 하였고, 초대된 일반 손님은 은이나 금으로 만든 식사도구를 사용하도록 했다는 기록이 있다.

 

이런 기록으로 보아 알루미늄이 한때는 정말로 희귀한 금속으로 대접을 받으며 명성을 날렸다고 한다.

 

마치며.

알루미늄은 철 다음으로 많이 생산되는 금속으로 요즘은 포장에 많이 쓰이는 것을 제외하고도 거의 대부분 합금을 만들어 강도를 높이는 용도로 사용된다고 한다. 가장 많이 사용되는 부분은 승용차와 트럭 등 교통기관으로 약 28%가 사용된다고 한다. 이는 차량의 경량화를 가져와 에너지 절감에 기여하고 있고 전기자동차가 보편화되면서 더욱 많은 양이 이 분야에 사용될 것으로 예상되고 있다.

 

비슷한 분야에 근무하면서 알루미늄 합금에 들어가는 원소의 종류에 따라 1000번과 7000번까지 번호를 매겨 구분하는 것을 알고 있다. 1000번 계열은 다른 원소의 함량이 1% 미만인 거의 순수한 알루미늄으로 기계적 강도는 약한 반면 다른 성질이 우수하여 화학장치, 반사체, 열 교환기, 건물과 장식품의 마감재 등에 사용된다. 이어 2000번 계열은 약 5%의 구리(Cu)를 포함하는 합금으로, 기계적 강도와 가공성이 좋고 내부식성도 우수하여 화물차 패널 벽, 항공기 구조 부품과 같은 무게 대비 큰 강도가 필요한 것에 사용한다.

 

계열별 알루미늄 종류 및 특징

계열 종류 특징
1000번 순수 알루미늄(99.0%) 부식에 강하고 항공기 피복재로 사용.
2000번 Al-Cu 합금 구리를 첨가, 높은강도 내식성 저하.
3000번 Al-Mn 합금 망간을 첨가, 약간의 강도를 높임, 본래의 알루미늄 내식성을 유지시킨 합금.
4000번 Al-Si 합금 규소를 첨거, 내마모성을 개선, 열 팽창률이 작아 피스톤이나 실린더 헤드에 이용.
5000번 Al-Mg 합금 마그네슘 첨가, 본래의 알루미늄의 내식성 가공성을 유지하며 강도나 용접성을 향상시킨 합금.
6000번 Al-Mg-Si 합금 마그네슘, 규소 첨가, 강도와 내식성은 약간 저하 양호하고 압출 가공성에 뛰어나다. 주로 건축용 새시로 사용.
7000번 Al-Zn-Mg 합금 아연, 마그네슘 첨가, 알루미늄 합금 중 가장 강도가 높음, 항공기에 사용.
8000번 기타(Al-Li) 합금 리튬 첨가, 저밀도적 강성재료로 개발됨.

3000번 계열은 약 1.2%의 망가니즈(Mn)를 포함하는 합금으로 중간 정도의 강도를 가지며 가공성이 좋아 조리기구, 저장 용기, 가구, 고속도로 표지 판, 지붕 재료 등으로 사용된다. 이어 4000번 계열은 1.2% 미만의 규소(Si)를 포함하고 있는데 녹는점이 낮고 열팽창 계수가 작아 주물, 용접, 그리고 알루미늄에 회색을 내는 데 사용된다.

 

그리고 5000번 계열은 0.3~5%의 마그네슘(Mg)을 포함하고 있는데 강도와 용접성이 좋고 바닷물에 대한 부식성이 뛰어나 장식용 마감재, 선박, 냉동 용기, 크레인 부품 등에 많이 사용된다. 또한, 6000번 계열은 Mg/Si과의 합금으로 성형성과 내부식성이 뛰어나 건축재료, 운반 기구, 다리, 용접 건축물에 많이 사용된다. 7000번 계열은 3~8%의 아연(Zn)/Mg과의 합금으로 열처리를 하면 아주 강해져 주로 항공기 구조물 등 무게 대비 높은 강도가 필요한 기구에 사용된다.

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