알루미늄 활용 : 추출 역사, 알루미늄 합금, 표면 처리

항공기 부품으로 활용되는 알루미늄

 

 알루미늄은 지각에서 세 번째로 풍부한 원소로, 중량 기준으로 약 8.23%를 차지합니다. 대부분 산화알루미늄이나 규산염으로 존재하는 알루미늄이 어떻게 추출되어 왔으며, 합금과 표면처리를 알아 봄으로써 산업에서 어떻게 적용되는지도 확인해 보겠습니다.

 

알루미늄 추출 역사

 

 19세기초에는 금보다 알루미늄이 더 희귀하고 귀중한 금속이었습니다. 1825년 덴마크의 화학자 한스 크리스티안 외르스테드는 염화알루미늄을 칼륨 아말감으로 환원시켜 알루미늄을 처음으로 분리했습니다. 그러나 이 방법은 칼륨의 높은 비용 때문에 대규모 생산에는 적용하기 어려웠습니다. 몇 십 년 후에야 경제적이며 실행 가능한 방법이 나타났습니다. 1886년 미국의 화학자 찰스 마틴 홀은 산화알루미늄의 녹는점을 낮추는 광물인 크라이올라이트를 사용하여 산화알루미늄을 전기분해적으로 환원시키는 홀-헤룰트 공정이라고 알려진 방법을 적용하였습니다. 용융된 알루미늄 산화물에 직류 전류를 통과시켜, 알루미늄과 산소를 분리시킬 수 있는데, 이렇게 생산된 알루미늄은 고순도일 뿐 아니라 대량 생산을 용이하게 만들었습니다. 20세기에 이르러 이 공정은 얼마지나지 않아 산업 표준이 되었고, 알루미늄 추출의 기본적인 방법으로 활용되었습니다. 다만 이 공정은 에너지 집약적인 방식이기 때문에, 21세기에 와서는 보다 에너지 효율적이고 친환경적이며 지속 가능한 추출 방법을 모색하고 있습니다. 한 가지 주목할 만한 혁신은 비활성 양극 기술의 개발이라고 할 수 있습니다. 전통적인 알루미늄 제련 시에는 탄소 양극에 의존하고 있는데, 공정 중에 이산화탄소를 배출하여 온실효과에 영향을 줍니다. 세라믹이나 특수 합금으로 제조되는 비활성 양극을 사용하면 공정 중에 이산화탄소 생성이 없어, 더욱 환경친화적으로 알루미늄을 제조할 수 있습니다. 또한 알루미늄을 재활용하여 다시 사용하는 방식도 1차 생산에 비해 훨씬 적은 에너지를 필요로 하기 때문에 효과적인 방법입니다.

 

알루미늄 합금

 합금은 두 가지 이상의 금속 원소를 결합하여 독특한 특성을 가지는 물질인데, 개별 금속의 강점을 강화하고 약점을 보완하는 것을 목적으로 합니다. 알루미늄 역시 합금으로 활용되는 원소 중 하나입니다. 알루미늄을 합금하는 이유는 알루미늄의 가벼운 장점을 유지하면서 다른 금속의 고유한 강도를 활용하는 데 있습니다. 가장 일반적인 합금 원소는 구리, 아연, 마그네슘, 실리콘입니다. 예를 들어 지금까지 널리 사용되고 있는 6061 알루미늄 합금은 알루미늄, 마그네슘, 실리콘을 혼합하여 뛰어난 강도, 내식성, 가단성을 보여줍니다. 항공기의 구조적 부품에서 가볍고 견고한 자전거 프레임에 이르기까지 많은 분야에서 우수한 성능을 보일 뿐만 아니라 특정 용도의 요구에 맞는 재료를 만들 수 있습니다. 우선 항공우주 산업에서는 아연을 주요 합금 원소로 강화한 7075 알루미늄 합금을 항공기 부품에 사용하는 예가 있습니다. 항공우주 분야에서 알루미늄 합금의 사용은 연료 효율성을 높이는 데 기여할 뿐만 아니라 항공기 디자인의 혁신을 촉진합니다. 그리고 항공우주산업을 넘어 알루미늄 합금은 우리의 일상에서 쉽게 확인할 수 있습니다. 6063 및 6060과 같은 합금을 포함하는 알루미늄 6000 시리즈는 우수한 압출성과 내식성으로 인해 소비자들이 접할 수 있는 제품에 주로 적용됩니다. 스마트폰의 프레임부터 자전거의 튼튼한 차체, 노트북의 케이스에 이르기까지 알루미늄 합금은 내구성, 심미성 및 경량성이 좋아 널리 사용되고 있습니다.

 

알루미늄 표면처리

 알루미늄 제품의 심미성, 내구성, 기능성을 향상시키기 위해 표면에 다양한 처리 과정을 거치기도 합니다. 아노다이징은 알루미늄의 내식성을 강화하고 매끈한 표면을 부여하기 위한 최고의 방법이라 할 수 있습니다. 전해 용액을 통해 표면에 제어된 산화물 층을 만들게 되는데. 알루미늄 부품은 전해 전지에서 양극 역할을 합니다. 생성된 산화물 층은 부식으로부터 금속을 강화할 뿐만 아니라 색상도 선명하게 만들어 줍니다. 아노다이징된 알루미늄은 내구성, 마모에 대한 저항성, 심미성이 우수하기 때문에 건축, 가전 제품 및 예술 활동에도 적용됩니다. 아노다이징 공정은 다양한 색상을 가능하게 만드므로 형태와 기능이 모두 중요한 산업 분야에서 인기 있는 선택이 됩니다. 또한 표면처리로 분말 코팅이 사용됩니다. 이 방법은 내구성을 강화하고 색상을 맞추는 동적 표면 처리 방법입니다. 보통 수지와 안료의 혼합물인 건조한 분말이 알루미늄 표면에 정전기적으로 분사되는 공정을 진행합니다. 이 공정 후에는 오븐에서 경화시키는데, 분말이 녹으면서 매끄러운 보호층을 형성할 수 있습니다. 분말 코팅은 알루미늄의 외관을 향상시킬 뿐만 아니라 부식, 자외선 및 마모에 대한 추가 방어선을 제공합니다. 이 방법은 자동차 및 건축에서 실외 가구에 이르기까지 강력한 보호가 필요한 산업에 널리 사용됩니다. 추가로, 알루미늄 표면의 내식성을 향상시키기 위해 크롬산염 변환 코팅이라는 표면처리도 있습니다. 이 방법은 알루미늄에 크롬산염을 포함하는 화학 용액을 도포하는 것입니다. 크롬산염은 알루미늄 표면과 반응하여 부식에 대한 장벽 역할을 하는 보호층을 형성합니다. 이 공정은 도장 또는 분말 코팅을 진행하기 전에 다른 표면 처리와 함께 사용되거나 전처리로 사용되는 경우가 많습니다. 크롬산염 변환 코팅은 항공 우주 응용 분야 및 해양 장비와 같이 알루미늄 부품이 가혹한 환경 조건에 노출되는 산업에서 특히 유용하게 사용됩니다.