첨단 소재로 떠오른 알루미나 [우리가 몰랐던 과학 이야기] (70)

출처=LSP 세라믹스(Ceramics)

알루미늄은 우리 생활에서 흔히 사용되어 익숙할 텐데요, 알루미나라는 소재는 알루미늄에 비해 조금은 생소할 것 같습니다. 생활용품에 많이 쓰이는 알루미늄과 달리 상대적으로 알루미나는 전자제품이나 자동차 부품 소재 등으로 한정돼 이용되기 때문이죠. 고순도 알루미나는 최근 첨단 전자제품의 소재로 활용돼 각광받는 물질로 떠올랐는데요, 과연 알루미나는 어떤 물질인지 알아보도록 하겠습니다.

◆알루미늄 산화물 알루미나(Al2O3)

출처=위키백과

알루미나(사진)는 알루미늄의 산화물로, 실리카와 함께 세라믹스의 주요 재료로 사용됩니다. 알루미늄과 산소의 화합물로 산화알루미늄이라고 할 수 있는데요. 내열성 및 내약품성, 강도 등이 세라믹스가 필요로 하는 성질을 거의 만족하는 물질입니다. 주로 광물 상태로 산출되기 때문에 원료로 쓰기 위해서는 고도의 화학적인 정제 기술이 필요합니다.

알루미나는 다이아몬드만큼 경도가 높아 일반 금속재료보다 15~20배 높은 내마모성을 자랑하고 있으며, 내열성과 내화학성이 뛰어난데요, 이 때문에 스파크 플러그나 절연 애자, 연마재, 내화물, 세라믹 타일, 유리, 절삭공구, 섬유 등 광범위하게 이용되고 있습니다.

◆알루미나 제조방법

출처=Reade Advanced Materials

알루미나 분말(사진)의 제조방법은 1888년 오스트리아의 바이어(K.J Bayer)가 고안했는데요. ‘바이어법’이라 불리며, 세계적으로 가장 널리 매장돼 있는 보크사이트(Bauxite)광을 출발 물질로 현재까지 가장 많이 활용되는 방법입니다.

보크사이트는 일반적으로 Al2O3.nH2O라는 화학식을 지닌 광물인데요, 알루미늄광과 동의어로 사용됩니다. 프랑스 레 보(Les Baux) 지방에서 발견돼 보크사이트라 불립니다.

◆알루미나를 추출하는 가성소다

출처=한화케미칼

가성소다(NaOH·사진)는 보크사이트를 용해해 알루미나를 추출하는데 쓰입니다. 추출 방법은 다음과 같습니다. 먼저 보크사이트를 가열 가압 상태에서 고농도의 가성소다에 녹여 소듐알루미네이트(NaAlO2)를 만들고, 방치 및 여과 공정을 거쳐 용해되지 않은 불순물을 제거합니다. 이후 깁사이트(gibbsite)를 종자(seed)로 첨가합니다. 온도에 따른 용해도 차이를 이용해 소듐알루미네이트를 가수분해함으로써 수산화알루미늄(Al(OH)3)으로 석출시킨 뒤 이를 하소(calcination)해 알루미나를 만들어냅니다.

출처=한화케미칼

◆첨단 소재로 떠오른 알루미나

출처=Ortech Ceramics

알루미나 세라믹스는 기능성 알루미나로, 1600도의 고온에서도 안정적인 내열성과 내마모성, 절연성, 유전체(정전기장을 가할 때 전기 편극은 생기지만 직류 전류는 생기지 않게 하는 물질), 반도성(半導性), 흡착성 등의 특성이 있어 각종 첨단산업의 전자부품과 회로기판, 반도체 공정용 장비 및 소재, 자동차 엔진, 인체 골격 이식용 생체 바이오 소재까지 광범위하게 사용되고 있습니다. 또한 기술발전에 따라 더욱 그 용도가 다양해지고 있어 향후 첨단산업의 핵심 소재로 떠오르고 있죠. 알루미나, 이제 조금은 익숙해졌나요?

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*이 기고는 한화케미칼과 세계일보의 제휴로 작성되었습니다.

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