알루미늄의 역사

1.알루미늄의 역사

  알루미늄(Aluminium)은 가볍고 표면이 미려하며 동시에 내식성이 우수하여 철강 다음으로 널리 사용되고 있는 금속 소재이다. Aluminum이라는 명칭은 고대 자연 속에 존재하던 알루미늄 화합물을 Alumen(Alum의 라틴어)이라 부른 것에서 유래되었다. 1761년 L.B.G de Morveau는 Alum내의 기초가 되는 물질을 Alumine으로 명명하였고, 1781년 Lavoisier는 Alumine이 미지의 금속과 산소의 화합물이라는 사실을 규명하였다. 이후 1807년 영국의 화학자인 Humphrey Davy경은 이 미지의 금속을 Alumium이라 제안하였으며, 최종적으로 1925년 미국 화학회에서 이 미지의 금속을 Aluminum이라고 명명한 후 현재까지 이 명칭이 사용되고 있다.

<Aluminum ROD, 일진전기 홈페이지 참조>

  알루미늄은 지구 표면의 약 8퍼센트를 구성하고 있는 물질로서 지구상에서 세 번째로 풍부한 원소이나, 대부분 금속 상태로 존재하지 않고 산소 또는 다른 원소와 결합된 화합물형태로 존재한다. 화합물형태의 알루미늄 화합물은 일찍부터 인류에 의해 사용되어왔다. 예로서, 도자기는 알루미늄을 포함하는 수화규산염이 함유된 점토로 만들어진다. 뿐만 아니라 고대 중동에서는 알루미늄염을 염료와 약품으로 사용하였으며 소화제와 치약으로도 사용하였다. 한편 자연속의 알루미늄 화합물을 알루미늄 금속형태로 만들기 위해 많은 연구자들이 노력하였으나 그 시도는 실패를 거듭하였다. 이는 알루미늄이 쉽게 산소 및 다른 원소와 결합하여 화합물을 형성할 뿐만 아니라 알루미늄과 산소 등 여타 원소와의 결합력이 워낙 강하여 알루미늄을 화홥물로부터 분리하기가 쉽지 않기 때문이다.

1807년 Davy는 알루미늄 산화물과 potash의 혼합물을 전기 분해하는 것으로 알루미늄을 만들려고 시도 하였으나 실패하였다. 그 후 1825년 Davy의 뒤를 이어 덴마크의 물리학자인 H.C Oersted은 알루미늄이 함유된 칼륨 아말감을 가열하여 최초로 알루미늄을 실험실 규모로 생산하는데 성공하였으나 이 방법이 양산 기술로 발전되지는 못하였다. 그 후 1854년에 프랑스의 Henri Sainte-Claire Deville는 나트륨을 사용하여 알루미늄 생산 공정을 대폭 단축하였는데 이 방법은 기존의 공법에 비해 우수성이 인정되어 전 유럽에 이전되었다. 이를 계기로 알루미늄 금속은 산업적으로 사용할 수 있을 정도의 규모로 생산이 가능하게 되었다. 그러나 19세기 말까지 Hall/Heroult의 전기적 추출방법에 의해 알루미늄의 대량 생산이 이루어지기 전까지 알루미늄 금속은 은(Ag)보다 비싼 귀금속으로 대접 받았다.

<알루미늄 광석, 명경지수 블로그 참조>

 

 1886년 미국의 Charles Martin Hall과 프랑스의 Paul Lois Toussant Heroult는 거의 같은 시기에 알루미늄 화합물로부터 알루미늄을 전기적으로 추출하는 Hall/Heroult방법을 성공시킴으로써 알루미늄의 대량생산을 위한 기틀을 만들었다. 이 두 사람은 용해된 빙정석(Molten Cryolite, Na3AlF6)으로부터 알루미늄 산화물을 형성한 후 이를 전기 분해하여 알루미늄을 추출해냈다. Hall과 Heroult는 각각 미국과 프랑스에서 특허를 획득했지만 Hall이 제안하였던 특허 기술이 조금 일찍 상용화되었기 때문에 이 기술이 알루미늄 제련법으로 널리 인정받게 되었다. 1888년 오스트리아 Karl Bayer가 보크사이트로부터 알루미늄 산화물을 만들어내는 보다 개선된 알루미늄 추출공정을 개발하여 Bayer Process라는 명칭으로 특허출원을 하였으며, 그 후에도 많은 연구자들의 노력에 의해 Hall/Heroult Process 및 그 유사 기술은 더욱 발전해 나갔다.

이러한 경제적인 전기분해 제조법의 개발에 의해 19세기말에 이르러서는 알루미늄의 대량생산이 가능해 졌으며 이에 따라 알루미늄의 가격도 폭락하였다. 같은 시기 미국에서는 Pittsburgh Reduction Company가 설립되어 1000-3000kg/년 규모로 알루미늄을 생산하여 상업적 판매를 시작하였으며, 1901년에는 캐나다에 ALCOA의 자회사(훗날 Alcan)가 설립되어 알루미늄 인고트 양산에 돌입하였다. 이와 같이 오늘날 널리 사용되고 있는 알루미늄 제련공정은 기본적으로 Hall과 Heroult의 전기적 추출방법에 기초하고 있으며, 이 후에 보다 개선된 Bayer의 알루미늄 추출 기술 등을 받아들임으로써 그 효율이 더욱 향상되었다. 알루미늄 금속 소재의 응용 역사를 살펴보면 1903년 미국의 Wright형제가 비행기 엔진에 알루미늄을 사용함으로서 알루미늄 소재의 항공기 적용이 시작되었고 1910년대에는 수송용과 건축용 경량재료로 적용 분야가 크게 확대되었다. 그리고 1914년 고강도 알루미늄 합금인 Duralumin이 개발되었는데 이Duralumin은 강도 및 피로 특성이 우수하여 항공기 소재로 본격적으로 사용되기 시작하였다. Duralumin은 구리와 마그네슘 및 그 외 1~2종(Mn, Zn, Cr)의 원소를 알루미늄에 첨가한 합금 소재로서 적당한 온도에서 열처리하면 미세한 입자들이 석출하여 소재의 강도를 증가시키는 시효경화형 소재이다.

이 고강도 알루미늄합금은 1906년 9월에 독일인 A. Wilm이 개발하였으며 그가 소속된 금속회사(Duren) 의 이름과 알루미늄(Aluminum)의 철자를 합성하여 Duralumin으로 명명되었다. 그 후 각종 새로운 고력알루미늄합금이 개발되기 시작하였다. 1960년대 초에는 식음료용 알루미늄 캔이 사용되기 시작하면서 알루미늄 재료의 폭발적인 수요증가가 있었다. 또한, 간편한 식음료 포장재로 개발된 알루미늄 호일의 사용은 주방 문화를 크게 변화시켰으며, 미려한 표면색상과 간편한 조립시공으로 인기를 얻은 건축용 알루미늄 압출 샷시재는 지금도 큰 수요시장을 갖고 있다.

<ALUMINIUM MAADEN-ALCOA, ALCOA 홈페이지 참조>

자동차 업계는 1940년대에 독일에서 최초로 알루미늄 합금을 차체 재료로 적용한 이래 경량화 소재로 알루미늄 합금의 우수성은 알고 있지만 소재가격이 비싸서 차체용 소재로의 본격적인 활용은 어려웠다. 그러나 1980년대 오일-쇼크와 1990년대의 지구환경 오염 문제가 크게 대두되면서 자동차의 연비를 높이고 공해발생을 억제하기 위하여 자동차 경량화 재료로 알루미늄 합금소재의 활용이 본격적으로 연구되었다. 그 결과 최근에는 각종 알루미늄 합금 주조재와 압출형재 및 압연판재가 전통적인 철강재 부품을 대체하여 자동차 경량화 소재로 광범위하게 사용되고 있다.

최근 전자산업계에서는 알루미늄 소재의 높은 전기 전도성과 광 반사특성을 이용하여 반도체의 회로구성재료, 고압전선의 경량선재, 광열반사재료 및 열교환소재로 알루미늄 합금소재를 사용하며, 고부가가치의 특수소재로 다양한 알루미늄 합금소재를 사용하고 있다.

 

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