순알루미늄(1000계열)

순알루미늄(1000계열)

순알루미늄은 고순도알루미늄(99.9%Al이상)과 공업용순알루미늄(99.0~99.8%Al)로 나눈다. 고순도알루미늄은 전기적 특성이 우수하여 전자.정보분야의 기능재료로서 이용이 되고 있으며, 공업용순알루미늄은 성형성, 내식성, 표면처리성 등 기계적/화학적 특성이 우수하여 식음료포장, 건설, 기계, 운수분야 등 다양하게 이용이 되고 있다. 표1-4는 냉간가공도에 따른 순알루미늄판재의 기계적 성질을 보이고 있다. 냉간가공도의 증가에 따라 강도의 증가롤 가져오는 것은 냉간가공량의 증가에 따라 전위밀도의 증가로 인한 가공경화 효과와 더불어 결정립의 미세화와 불순물에 의한 전위이동의 방해를 통한 고용체경화로 알려져 있다. 일반으로 항복강도와 결정립크기의 관계를 Hall-Petch관계식에 의해서 표시하면 다음과 같다.

 순알루미늄의 경우 σo는 8.8~15.7N/mm2이고 k는 1.67~2.16N/mm2으로 보고되고 있다.

<표 1. 냉간가공도에 따른 순알루미늄판재의 기계적 성질>

(1) 고순도알루미늄

 99.95~99.999%의 고순도 Al은 3층전해정제법과 편석법(또는 분별결정법)에 의해 공업적으로 생산하고 있다. 3층전해정제법은 용융염을 전해정제하는 방법이며, 편석법은 응고 시 알루미늄과 불순물 원소의 분배계수 차이에 의해 발생하는 편석현상을 이용하는 방법으로서 일반적으로 3층전해정제법이 편석법보다 순도가 높은 알루미늄을 얻을 수 있다. 초고순도알루미늄(순도 99.9999%이상)을 얻기 위해서는 존멜팅(zone melting)법을 사용한다.

 고순도알루미늄의 최대 용도는 전해콘덴서용 양극/음극포일(foil)이며, 다음으로 전해콘덴서용 리드선, IC용 본딩와이어(bonding wire), 진공증착재 및 스퍼터 타겟트(sputter target)재 등이다. 고순도알루미늄은 전기전도도, 열전도도 및 비저항이 우수하며, 순도가 높을수록 전기전도도와 열전도도는 높아지고 반대로 비저항은 낮아진다. 표2는 불순물원소가 알루미늄의 비저항 변화에 미치는 영향을 나타내고 있다. 잔류저항비는 실온에서의 전기저항과 액체헬륨온도(-268.8℃)에서의 전기저항과의 비율을 말하며 고순도화의 척도로서 이용되고 있다. 표3에서 보는바와 같이 순도가 높아질수록 잔류저항비는 증가한다

<표2. 여러 가지 불순물원소에 따른 비저항의 영향>

<표2. 고순도화에 따른 잔류저항비의 값>

 순알루미늄을 냉간압연한 후 소둔(annealing)시킬 경우 나타나는 재결정 집합조직은 알루미늄 순도에 따라 다르다. 그림1은 99%, 99.9%, 99.99%, 99.999%알루미늄을 98%냉간압연후 400~450℃에서 1~2시간정도 소둔처리한 알루미늄판재의 집합조직을 보이고 있다. 순도가 높아지면 (100)[001]입방정집합조직이 쉽게 얻어진다. 99.99%Al이상의 초고순도알루미늄에서는 (100)[001]입방정집합조직만 존재하며 99.5%Al의 공업용순알루미늄에서는 (100)[001]입방정집합조직은 나타나지 않는다. 콘덴서용 전해박은 표면적을 증가시키고 정전용량을 높이기 위해 턴넬상의 에칭을 시행하는데 이를 위해서는 입방정집합조직이 필요하다. 따라서 콘덴서용 전해박재료로는 입방정집합조직이 나타나는 순도 99.99%이상의 초고순도알루미늄이 사용된다. 입방정집합조직을 얻기 위해서는 알루미늄의 고순도화 뿐만 아니라 최종 소둔온도와 열간압연온도를 높이거나, 압연과 소둔을 적절히 조합하는 등 압연공정을 최적화시키는 기술이 중요하다.

 일반으로 전해콘덴서의 전극으로서 양극에는 99.95~99.995%Al의 박(foil)을 사용하고 음극으로는 99.7~99.9%Al의 박이나 Cu, Mn원소가 소량 첨가된 합금이 사용된다.

<그림 1. 여러가지 순도에 따른 고순도알루민판재의 (111)극점도>

 한편 고순도알루미늄은 집적회로의 배선재로서 사용된다. 고순도 순알루미늄은 전기저항성이 낮고, Si와 SiO2와의 밀착성이 좋으며 Si과 전기접촉특성이 양호한 장점을 가지고 있어 집적회로의 배선재로 사용된다.

(2)공업용 순알루미늄

  99.90%이상의 순도를 가지는 알루미늄을 고순도 알루미늄이라고 칭하는 반면, 99.00 - 99.90%의 순도를 가지는 알루미늄을 보통 공업용 순알루미늄이라고 칭하는데 1xxx계열 합금이 여기에 해당된다. 예로서 99.00%Al은 1100, 99.70%Al은 1070, 99.50%Al은 1050 등으로 합금 분류 규격의 십단위 숫자로서 알루미늄의 순도를 나타낸다. 표3은 공업용 순알루미늄의 합금조성을 보이고 있다.

<표3. 공업용 순알루미늄의 조성범위>

 1xxx계열의 공업용 순알루미늄은 가공성, 내식성, 용접성 등은 우수하지만 강도가 낮아 일반적으로 강도를 요하는 구조재로서는 적합하지 않다. 그러나 강도를 중요시 하지 않는 가정용품, 일용품, 전기기구 등에 많이 사용되고 있다. 공업용 순알루미늄에 함유된 주된 불순물은 Fe와 Si이다. 이들 불순물의 함량이 낮아질수록 내식성이 향상되고 양극산화 처리시 표면광택이 개선된다. 이 때문에 불순물이 적은 순알루미늄은 화학, 식품, 공업용 탱크, 장식품, 네임플레트, 반사판 등에 사용된다. 반면 어느정도의 성형성을 가져야 하는 경우에는 Fe와 Si의 량을 조절하여 성형성을 제어한다. 일반 가정용품에는 성형성과 우수한 양극산화처리 특성이 요구되어 1050 또는 1100재료의 O와 H24 조질처리된 소재가 사용되고 있다. 보통 포일(foil)로서는 1N30, 1070이 사용되고 있으며, 조질처리는 용도에 따라 O, H14, H18을 채택한다. 열교환기용 핀재료는 1050, 1100을 O, H22, H24, H26등의 조질처리를 하여 성형성과 내식성의 특성을 가지도록 한다. 캔의 캡으로 사용하는 캡재료는 적당한 기계적 성질과 양호한 심교성형성, 내식성, 밀봉성, 장식성 등을 고려하여 1100-H14, 8010, 3003, 5052합금이 사용되고 있다. 또한 공업용 순알루미늄은 전기전도도와 열전도도가 우수한데 대표적으로 1060, 1070 합금은 송배전용재료, 방열재료로서 많이 사용된다.

 

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