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알루미늄

last modified: 2015-11-25 06:36:13 by Contributors

Aluminium/Aluminum [1]

Al-usage.JPG
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이후 금속 원소의 일종으로, 원자번호 13번.


Contents

1. 개요
1.1. 정련
1.2. 특징
1.3. 기타

1. 개요

원소기호로는 Al이라고 쓴다.
원자번호는 13번이다.
격자구조는 면심입방결정이며, 공간군은 Fm3m.

1.1. 정련

은백색으로 가벼운 금속이다. 지각 구성 원소 가운데 보다도 많기 때문에 금속 원소 중에서는 가장 흔한 원소이나[2], 산화되기 쉬운데다 산화된 알루미늄은 녹이기도 어렵고(빙정석이 없다면 섭씨 2050도 이상의 고온이 필요하다.) 불에 녹이는 정도로는 산소가 떨어지지 않고, 산화서열이 높아 알루미늄을 환원시킬만한 물질도 거의 없거나 알루미늄보다 비싸기 때문에 원석에서 순수한 알루미늄을 얻기가 쉽지 않았다.

이 때문에 과거의 기술로는 정련하는 데만 엄청난 비용이 소모되었으며 찰흙 속의 은이라는 이명까지 있을 정도로 매우 귀한 몸 취급을 받았다. 고대 로마 시대 때 한 번 만들어진 적이 있었는데, 당대의 황제인 티베리우스가 화폐에 사용되는 금의 가치가 폭락할 것을 우려해 그 알루미늄을 만든 장인을 처형했다는 일화까지 있다. 미 국회의사당 건물에 박을 씌우는 대신 알루미늄박을 씌워 미국의 국력을 과시하려 했다는 이야기도 들려온다. 그리고 영국과 프랑스는 국제박람회 마다 동상들의 창끝등을 알루미늄박을 씌워 국력을 과시했다. 특히 나폴레옹 3세는 왕관과 식기 그리고 심지어 아기용 딸랑이까지(....)를 금이나 은 대신 알루미늄으로 썼을 정도. 알루미늄이 금보다 더 비쌌던 시대였기 때문에 나폴레옹 3세는 손님들이 오면 손님들에게는 금으로 된 식기세트를 사용하게 했고 자신은 알루미늄 식기세트를 썼다고 한다. 그러니까 문명에선 현대 시대 접어들기 전까진 알루미늄을 사치 자원 취급해야 한다니까 나폴레옹 3세가 21세기 와서 저 짓을 한다고 생각해 보면 지못미수준.. 그래서 만화 파인애플 아미에서는 나폴레옹 3세의 보물로서 순알루미늄제 보검이 등장한다. 그 당시로서야 순알루미늄제 검이면 굉장한 가치를 대접받았겠지만 21세기 시점에서이라면 그다지 관심을 못 받는 게 당연할 듯. 알루미늄 자체는 금속 중에서도 상당히 무른 편이며, 재료공학에서 알루미늄의 가장 큰 가치는 강도나 외관이 아닌 가벼움이다.

철의 표면에 생기는 산화철(녹)과는 달리 산화알루미늄은 알루미늄을 공기로부터 차단하는 피막역할을 하여 더이상 알루미늄이 산화되지 않게 돕는다. 알루미늄제 창틀을 보면 금속 특유의 광택과 미묘하게 다른 느낌이 드는데, 이것은 산화알루미늄이 알루미늄을 덮어버렸기 때문이다.

19세기 말에서야 빙정석(Na3AlF6, 육플루오르화알루민산나트륨)을 이용한 전기분해법이 개발되었으나, 그래도 철보다는 정련이 어려워서 철보다는 고가의 원자재이다. 게다가 쉽게 추측할 수 있겠지만 알루미늄 생산 원가에서 가장 큰 비중을 차지하는 것은 전력비용이며, 알루미늄 공급단가는 인근에서 값싼 전력을 얻을 수 있는지 여부에 달려있다고 봐도 좋다.[3] 미국은 과거 수력전력이 비교적 풍부했으므로 알루미늄을 값싸게 얻을 수 있었다. 아이슬란드는 특유의 화산지형을 이용한 지열발전소를 잔뜩 세우고 알루미늄을 정제하고 있다. 그러니 분리수거 잘하자. 분리수거된 알루미늄캔을 단순하게 열로 녹여서 알루미늄을 얻는 것이, 알루미늄광석을 전기분해하는 것보다 10배 이상 적은 에너지를 소모한다.

한국도 한때 알루미늄을 보크사이트 단계에서부터 제련하는 공장이 울산에 있었지만 현재는 철수. 우리나라 산업체 전기가 싸다지만 이걸 감당할 정도로 전기가 남아돌지는 않았던 모양이며 알루미늄 제련 공장에서 하루 전기 사용량이 울산 시내 한달 전기 사용량과 맞먹는다는 카더라가 있을 정도로 사용량이 막대했다고 한다. 현재 우리나라에서 운영되는 알루미늄 재료 생산 공정은 스크랩을 재활용하는 방법 뿐이다. 재활용 센터

보통 알루미늄의 원광은 보크사이트를 사용하며, 여기서 산화알루미늄을 추출한뒤에 다시 빙정석과 섞은 후 전기분해로 알루미늄을 추출한다. 빙정석은 자연에서 산출되는 것을 사용하였으나, 최대 생산지였던 그린란드의 이빅투트(Ivittuut) 광산이 1987년에 완전히 고갈되어 천연 빙정석이 너무 귀해져서 제련에는 쓸 수 없게 되었다. 따라서 형석 (CaF2, 이플루오르화칼슘)을 이용하여 플루오린화수소를 만든 다음 이를 이용하여 인공적으로 플루오르화알루민산나트륨을 합성하여 알루미늄 제련에 쓴다.

여담이지만 알루미늄의 가격을 획기적으로 낮춰준 전기분해 제련법은 1886년 미국의 화학자 찰스 마틴 홀과 프랑스의 화학자 폴 루이 투생 에루가 각각 발견했는데, 이들은 서로 모르는 사이였지만 기묘하게도 참으로 똑같은 게 여럿 많았는데 둘 다 같은 해(1863년)에 태어났고 같은 해인 1886년에 같은 방법의 제련법을 발견했고 같은 해(1914년)에 죽었다. 하지만 둘은 일생동안 한 번도 만난 적이 없었다고 한다.

1.2. 특징

금속 자체는 반응성이 활발하여, 염기 모두에 잘 반응하고, 공기와 급속히 반응하여 극히 안정된 산화알루미늄의 피막을 만들기 때문에, 피막이 있는 경우에는 쉽게 반응시키기 어렵다. 갈륨의 경우 이 알루미늄을 용해시켜 부스러지게 만드는 특성이 있다. #,#

하지만 역시 순수한 알루미늄은 위와 같은 특성 덕에 쉽게 부식되고 강도도 크게 떨어지기 때문에 실제로 활용되는 알루미늄은 대개 합금이다. 대표적으로 듀랄루민이 있으며, 또 구리마그네슘을 소량 첨가시 강도가 획기적으로 향상되기 때문에 각종 차량이나 여행가방, 항공기 제작에 널리 쓰이고 있다.

치밀한 피막때문에 쉽게 반응이 안된다는 성질 덕에 재활용 효율이 좋다. 일단 금속상태로 제련된 것은 다루기가 쉽고 부식으로 손실되는 양이 얼마 되지 않기 때문. 제련하는데 막대한 비용이 드는 금속이긴 하지만 이 특징덕에 전 세계적으로 제련 누적량을 많이 축적할 수 있었고, 이 덕분에 알루미늄 가격이 많이 떨어진 것이다. 재활용 잘 하자. 특히 빈 캔에 담배꽁초 함부로 버리는 당신!

매우 가벼운 금속인 관계로 무게가 중요한 ACSR(강심 알루미늄 전선) 등의 장거리 송전선, 비행기 및 기차의 동체 등에 주로 쓰이며, 각종 합금도 여러 분야에 많이 활용된다. 송전탑의 나전선뿐아니라 가정용 전선등으로도 사용이 확대되고 있다.

강도자체는 철에 비해 떨어지지만 가벼운 금속이라 같은 중량으로 두꺼운 장갑을 만들 수 있기에 일반적으로 중량 대비 포탄에 대한 방어력은 더 높다. 때문에 장갑차고속정의 상부 구조물 등에 자주 쓰인다. 한때 대형함의 상부구조물에도 잘만 쓰이던 재료였으나, 영국 프리깃 아마존이나 미국 순양함 베인브리지[4] 등에서 화재에 큰 피해를 당한 사례 때문에 고속정 처럼 경량화가 최우선 과제인 경우 등을 제외하면 전투함의 상부 구조물을 강철로 건조하는 경우가 많아졌다. 알루미늄은 고열에서의 연소속도가 빠르고 추가적인 고열이 급격하게 발생하기 때문이다. 물론 화재로 인한 피해를 줄일 목적이지, 없애겠다는 것은 아니다. 영국 구축함 셰필드 역시 셰필드는 상기한 아마존급 프리깃의 교훈을 받아들여서 전강철제로 상부 구조물을 올렸건만 그게 무색할 정도의 화재로 상당한 피해를 입었던 것 뿐으로, 상부 구조물에 알루미늄을 썼다는 이야기는 사실이 아니다. 또 애초에 알루미늄은 경량화 목적으로 사용하는 소재기 때문에 같은 중량을 쓰지 않으므로 강철 장갑에 비하면 방어력은 떨어질 수 밖에 없다. 게다가 경화처리가 거의 안 되기 때문에 탄자형상에 따라서는 더 쉽게 관통된다.

산화성이 높기 때문에 매우 높은 온도를 가하거나, 미세한 분말로 만들면 폭발적으로 연소한다. 덕분에 로켓등 짧은 시간동안 엄청난 추진력을 내는데 사용되는 추진체의 연료로 많이 사용되고 있다. 특히 미사일 부스터류. 게다가 알루미늄의 산화반응은 엄청난 연소열을 자랑하기 때문에, 흔히 섬광탄등에 사용하곤 한다. 산화철과도 반응하여 철의 산소를 뺏어가서 강력하게 발열하여 용융된 철을 발생시키는 테르밋 반응을 한다. 이는 테르밋 용접이나 테르밋 수류탄 등에 활용된다. 테르밋의 위력을 알고 싶으면 직접 보자. #

덕분에 군용 미사일에도 종종 쓰이긴 하는데 알루미늄 분말이 들어간 로켓은 흰 연기를 굉장히 많이 낸다. 알루미늄의 산화생성물인 산화알루미늄은 기체가 아닌 고체이기 때문에, 고체 미립자가 발생하여 연기로 되는 것이다. 이 연기 때문에 적이 도리어 자신에게 접근하는 미사일 및 그 발사지점의 위치를 미리 알고 대응할 수 있기 때문에 아무 군용 로켓/미사일에나 무조건 쓸 수도 없다는 점이 설계자들의 딜레마.

미세 분말에서 폭발성이 있으므로 분말을 다루거나 부산물로 생기는 곳에서 사고가 있곤 한다. 케이스 제작을 위해 알루미늄을 깎아내던 공장이나, 알루미늄 분말을 다루는 실험실에서 폭발 사고가 있었다.

그 외에도 제강 공정에서는 철보다 산소와 강하게 반응하기 때문에 산화정련중에 강 속에 용해된 산소를 제거(탈산)하기 위한 원료로 쓰인다. 알루미늄으로 탈산한 강은 Al-Killed 라고 부른다. 2차정련중 진공탈가스 공정에서도 강한 반응열로 냉각되는 용강의 온도를 다시 높이고 산소 용해량을 조절하기 위해 알루미늄을 투입하기도 한다. 그러나 용강에 남아있는 용존 알루미늄은 외부 공기와 접촉하면 급격히 산화하여 알루미나를 형성하며, 이는 슬래그에 흡착되지 않을 경우 고체상태로 용강 속을 떠돌다가 주조 노즐을 막아버리거나 그대로 주괴 속에 남아 강괴의 품질을 해치는 비금속 개재물이 되기도 한다.

1.3. 기타

알루미늄 공법의 장인이라 불리는 컴퓨터 기업도 있다. 바로 애플인데 다른 기업들이 플라스틱으로 외장을 만드는 반면 애플은 꽤 이전부터 알루미늄 유니바디의 형태로 기기 외장을 만들어왔다. 그래서 무게가 가벼운데다가 보기보다 꽤 튼튼하다.

한때 오리하르콘이 알루미늄일것이라는 설이 제시된 바 있다.

덧붙여 알루미늄의 원료인 보크사이트는 한반도에서는 북한에 주로 매장되어 있지만, 이게 아쉽게도 중국의 손에 넘어갔을 공산이 크다.

함대 콜렉션을 하면 '보크사이트'란 이름으로 자주 만나게 되는 금속이다. 특히 아씨 성을 가진 대식가 항모가 아주 좋아한다.

캔음료를 마셨으면 캔은 100% 분리수거될 수 있게 다들 노력하자. 이게 보기엔 별거 아니어도 알루미늄 자체를 만드는데 얼마나 많은 전기가 들어가는지 생각하면 엄청난 자원이나 마찬가지다. 특히 캔 안에 담배꽁초 등 불순물을 넣는 것은 캔 안의 불순물을 걷어내는 과정에서 캔 하나 이상의 알루미늄이 소실되게 만들어 결과적으로는 자원낭비가 되므로 하지 않는 게 이롭다.


투명 알루미늄도 존재한다. http://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium_oxynitride# 산소와 질소를 화합한 합성물인데, 가격은 인조 사파이어에 맞먹지만 사파이어보다 85% 더 강력하고 매우 가벼워서 방탄유리나 고온방화벽 등에 쓰이고 있다. 심지어 자동차용 휠에 쓰여서 휠 스포크가 전혀 안보이는 투명한 휠을 구현하기도 했다. 실제로 보면 살짝 뿌연 느낌의 유리벽이다.

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  • [1] 백반을 뜻하는 라틴어 alumen에서 유래하였다. 참고로 전자는 영국식, 후자는 미국식 표기로 특이하게 두 이름이 모두 통용된다. 험프리 데이비가 맨 처음 작명할 땐 Aluminum이었으나 후에 -ium(원소를 뜻하는 라틴어미)로 통일되었기 때문에 벌어진 일.
  • [2] 지각의 원소 함유량 순서는 O Si Al Fe Ca Na K Mg. 산규알철칼나칼마 로 외운다 카더라.
  • [3] 참고로 중앙아시아의 타지키스탄은 알루미늄 원석은 전혀 안 나지만 소련 시절 세워진 크고 아름다운 알루미늄 공장이 있는데, 이 때문에 알루미늄 생산량에서는 세계 20위권에 들어간다. 문제는 타지키스탄이 세계 최빈국 중 하나라는 것. 이 공장이 타지키스탄 전력 생산의 40% 이상을 잡아먹기 때문에 타지키스탄은 전기를 수입해서 쓰고 있다.
  • [4] 상부 구조물이 완전히 불타 무너져내리는 꼴을 당한 것은 유명.

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