알루미늄 소개

알루미늄 원소가 발견되기까지는 160년이 소요되었고 사용이 가능한 것으로 되기까지는 100년이 소요되었으며 오늘날 알루미늄은 다른 모든 비철금속의 생산량보다 더 많이 생산되고 있다. 알루미늄은 지구 표면의 약 8퍼센트를 구성하고 있는 세 번째로 가장 풍부한 원소이다. 그런데 왜 곧바로 발견이 되지 않았을까? 그 주된 이유는 알루미늄은 금속적 형태로 자연적으로는 절대 얻을 수 없기 때문이다.
알루미늄은 산소 또는 다른 원소와 결합되어 바위, 점토, 흙, 식물 등에서 대부분 발견된다. 알루미늄 bearing compound는 일찍부터 인간에 의해 사용되어왔다. 도자기는 알루미늄의 풍부한 수화규산염이 있는 점토로 만들어진다. 고대의 중동문명은 알루미늄염을 염료와 약품으로 사용하였다. 그것들은 소화제와 치약으로 지금까지 사용되고 있다. 이 역사에 대한 한가지는, 알루미늄이 상류층에게는 금보다는 오히려 알루미늄으로 만들어진 접시와 식기류가 그들의 손님에게 깊은 인상을 줄 수 있다는 것에서 유용한 생활용품 이었다.

발견의 역사

1807 영국의 화학자인 Humphrey Davy경은 잘 알려지지 않은 염이 'alum'이라는 원소의 존재를 강조하고 'alumium' 이라고 명명하였다. 이것은 그 후 과학자들에 의해 'aluminum'이라는 보다 더 듣기 좋은 이름으로 다시 명명되었다. Davy는 알루미늄 산화물과 potash의 혼합물을 전기 분해하는 것으로 알루미늄을 만들어내는데 실패했다.
1825 Davy의 뒤를 이어 덴마크의 물리학자인 H.C Oersted은 알루미늄으로 된 칼륨 아말감을 가열하여 알루미늄을 첫 번째로 생산했다.
1845 독일의 Friendrich Wohler는 주목할만한 경량성을 포함하여 많은 금속의 성질을 정립시켰다. 그것은 연구하는 사람들에게는 흥미있고 더 개발자금을 적립시킬 수 있는 성질의 발견이었다.
 
1854 프랑스의 Henri Sainte-Claire Deville는 나트륨을 사용하여 생산공정을 줄이는 것을 개발하여 다른 사람에 의해 개발된 보다 좋은 제련방법으로 한정된 양에 고비용 금속의 생산을 가능하게 했다. 그리고 그의 공정은 전 유럽에 이전되었다. 과학자들은 알루미늄을 산업적으로 사용할 수 있는 보다 많은 양을 생산할 수 있게 되었다.
1886 오늘날 사용되고 있는 용해 공정은 거의 동시대에 개발되었지만 미국과 프랑스는 독립적으로 개발하였다. 오하이오에서는 Charles Martin Hall은 금속 학자인 Paul Lois Toussant Heroult가 만들었던 것과 같은 발명을 하였다. 이 두 사람은 용해된 빙정석(Cryolite)에서 알루미늄 산화 층을 분리해 낸 후 전기적으로 알루미늄을 추출해냈다. Hall은 미국에서 특허를 획득했고 Heroult는 프랑스에서 특허를 획득했지만 결국은 Hall이 만들었던 특허적용이 조금 일찍 사용되었기 때문에 인정이 되었다.
1888 오스트리아 사람인 Karl Bayer가 보크사이트에서 알루미늄 산화물을 만들어내는 개선된 공정을 개발하면서부터 Hall/Heroult의 공정은 더 발전해 나갔다. 이러한 개발은 1890년대 알루미늄 가격이 Deville의 가격에서 약 80퍼센트가 폭락한 것으로 알루미늄의 운명이 결정 지어졌다. 알루미늄은 이제 상업적 상품이 되었다.

 
지속적인 사용 

발견, 성공적인 추출 그리고 알루미늄의 첫 번째 상업상의 적용은 19세기에 있었다. 새로운 재료에 대한 열망과 그것의 사용은 훌륭한 것이었다. 발견에 대한 일반적인 것은 금속에게만 영향을 미치지는 않는다. 첫 번째의 유기체인 플라스틱은 1870년대에 만들어졌다. 고무 그리고 합판 산업들이 또한 같은 기간동안 만들어졌다.모든 흥분과 과학적인 성공에도 불구하고, 초기의 학자들은 한번 사용할 상품도 만들어야 했고 상품을 파는 것은 매우 어려운 일이었다. 시장은 존재하지도 않았으며 일시적인 곳과 제조 산업으로부터 발전되었으며 보다 기존의 금속을 사용하고 알루미늄 최종제품을 성공적으로 사용하기 위한 특별한 기술을 얻을 필요가 있었다. 1855년과 1900년 사이의 기간동안에 많은 알루미늄 제조사업이 세워졌으며 대부분 빠르게 번창하고 빠르게 쇠퇴했다.
20세기에 살아남은 업체는 몇 개에 불과했다. 시장진입의 첫 번째 목표는 구리, 황동 그리고 청동을 대체하는 것이었다. 처음의 어려움 들에도 불구하고, 세계의 알루미늄 생산량은 1885년에 200톤 이하에서 1998년 약 2천2백만 톤에 이르렀다. 약 5백만 톤의 재활용 알루미늄을 포함해서. Dickens, Verne 그리고 Richards의 예언들이 사실에이른 것이다.

• 경량성 : 알루미늄의 비중은 2.7로 Fe의 7.87 , Cu의 8.9에 비해 약1/3 가량 적다.
• 내식성 : 알루미늄은 대기중의 산소와 반응하여 표면에 얇고 치밀한 산화피막을 형성한다.
• 가공성   압출 , 압연 , 단조 , 성형 등의 소성가공이 용이하다.
• 열,전기전도성 : 열 전달은 Fe의 5배 , 전기 전도도는 Cu의 약 60%에 해당된다.
• 비자성 : 자장의 영향을 받지 않으므로 초정밀 전자제품 , 안테나 등에 적용한다.
• 저온강도 : 저온에서 취성파괴를 일으키지 않아 LNG 탱크 , 우주개발 분야에 적용된다.
• 진공특성 : 다른 금속에 비해 가스 방출이 특히 작아 진공 관련 부품에 적용된다.
• 표면처리 : 양극 산화에 의한 다양한 칼라 , 경도 , 내식성 등의 목적에 적용된다.
• 반사성 : 빛 , 열 , 전파를 잘 반사하여 반사판 , 우주복 , 전자부품 Case 등에 적용된다.
• 보호특성 : 비타민 등를 보호하는 특성이 있어 식품 및 의약품 포장재료로 적용된다.
• 재활용성 : 재생에 필요한 에너지는 원석으로부터 신지금을 제조하는 에너지의 3%로에 해당된다

주물용 알루미늄합금 중에는 주조성, 기계적 성질, 물리적 성질, 화학적 성질, 그 외의 특성을 개선할 목적으로 각종 원소가 비교적 많이 첨가되지만 잉곳의 제련과정 및 합금제조단계 중에 불순물원소가 혼입된다.
아래에서는 각종 성분의 영향에 대해 설명하겠다.

 
동(Cu)

알루미늄에 동의 첨가는 고용체강화와 석출강화에 의한 강도의 향상, 내열성의 향상, 기계가공성(절삭성)의 개선효과가 있다.
하지만 열간균열이 일어나기 쉽고 용탕보급성이 낮다. 또한 동을 함유하지 않으면 내식성이 양호한데 비해 동의 함유는 내식성을 현저하게 저하시킨다.

 
실리콘(Si)

실리콘을 첨가하면 용탕의 유동성, 수축공동, 내열 균열성이 크게 향상되어 우수한 주조성을 가진다. 또한 다량의 실리콘을 함유한 금속은 열팽창계수가 작고 내마모성이 우수하다. 하지만 다량 함유될 경우 판상형의 공정 및 조대한 초정으로 정출되어 기계가공성을 현저히 떨어뜨리므로 전자는 나트륨, 스트론튬, 안티몬 등으로 개량처리를 통해, 후자는 인에 의한 미세화처리를 통해 개선해야 한다.
또한 Al-Mg계 합금에 대해서는 인성을 극도로 저하시키고 양극산화처리시 피막표면상에 잔존하므로 피막을 불균질화 시킴과 동시에 외관상도 검회색화되는 악영향을 끼치게 된다.

마그네슘(Mg)

마그네슘은 고용에 의한 강화와 실리콘과의 공존에 의해 시효경화로 강도를 향상시키는 원소이다.
내식성, 양극산화성, 피삭성(절삭성)을 향상시키는 효과도 있지만 화학적으로는 활성화 산화물을 발생시키기 쉬우므로 유동성, 용탕보급능력을 저하시킨다. 또한 실리콘을 많이 함유한 합금의 인성을 현저하게 저하시킨다.

 
철(Fe)

철은 Fe-Al₃,Al-Fe-Si 등의 화합물을 형성하고 인성과 내식성, 용탕보급능력을 현저하게 약화시키는 유해원소이다. 따라서 인성을 특징으로 하는 합금(AC1B, AC4CH), 또는 내식성을 특성으로 하는 합금(AC7A)에서는 철을 가능한한 낮게 억제할 필요가 있다.

 
망간(Mn)

고온강도의 향상 및 철 함유량이 많은 합금에 첨가함으로써, 유해한 Al-Fe-Si 화합물의 정출을 억제하고 인성저하방지 효과를 낸다. 또 Al-Mg계 합금에서는 Al-Mn-Fe 화합물을 형성하고 AC7A에서는 철에 의한 내식성 약화를 막기 위해 유효성분으로 작용한다.

니켈(Ni)

동을 함유한 합금에서 Y화합물(Al-Cu-Ni)을 형성하고 고온강도를 향상시키기 때문에 AC5A에서는 유효한 원소이다. 그러나 내식성을 저하시키는 점에 있어서는 철 이상으로 유해한 원소다.

 
크롬(Cr)

부식균열성을 가지는 Al-Cu, Al-Mg, Al-Zn-Mg계 합금에 있어서 결정립계 강화에 의해 내응력부식균열성 향상과 고온강도 향상효과를 얻을 수 있는 원소이다. 그러나 다량 함유될 경우 조대한 금속간 화합물이 발생하기 쉽고 인성저하, 기계가공성이 떨어지게 된다.

 
티탄(Ti)

결정립을 미세화시켜 주조성 및 기계적 성질을 향상시키며 붕소가 공존하면 첨가량이 적더라도 미세화 효과를 얻을 수 있다.
장시간 용탕의 보호, 유지로 인해 용탕편석을 일으키는 경우가 있으므로 주의해야 한다.
티탄이 과잉함유되어 있으면 유동성이 떨어지고 실리콘을 함유한 합금에 있어서 조대한 Al-Si-Ti 화합물이 정출되어 인성이 현저하게 저하된다. 또한 전기전도도 및 열전도도 저하된다.

아연(Zn)

마그네슘과 공존하면 기계적 성질을 향상시켜 기계가공성을 개선하는 반면 내식성을 저하시킨다. 함유량이 많을 경우 응고수축이 커져 내열간 균열성을 저하시킨다.

칼슘(Ca)

실리콘을 함유한 합금에 있어서 개량효과를 낸다. 나트륨만큼 효과적이지는 않지만 지속성은 길다.
칼슘이 많으면 점성, 표면장력 등의 증가로 주조성(유동성, 인성)이 떨어진다. 공정점에 가까운 실리콘량을 함유한 경우, 칼슘의 함유량에 따라 조직이 아공정형과 과공정형으로 변하고 덴드라이트의 성장방향의 차에 의해 길쭉한 비늘형상이나 장방형의 표면조직이 형성될 수 있으며 칼슘이 많으면 길쭉한 비늘형상의 표면조직으로 된다. 따라서 AC3A, AC8A에 있어서 칼슘량을 철저하게하여 제조해야 하며 특히 AC8A에 대해서는 여러 특성이 큰 폭으로 변화하기 때문에 아공정형 혹은 과공정형으로 분류해서 사용하는 경우도 있다.

나트륨, 리튬(Na, Li)

나트륨은 실리콘을 함유한 합금의 개량처리용으로 널리 사용되고 있으며 리튬도 개량효과가 있지만 두 원소 모두 용해시 산화하기 쉽고 불순물이 많이 발생하며, Al-Mg 합금계에 있어서는 베릴륨의 몰드리액션 방지효과를 저해하므로 함유량을 극히 낮게 해야 한다. 또한 위의 두 원소는 용탕의 점성 및 표면장력을 증대시켜 주조성을 저하시키는 결점을 가지고 있다.

베릴륨(Be)

마그네슘을 많이 함유한 합금의 산화방지 및 몰드리액션 방지를 위해 사용되는데 극소량을 첨가하더라도 효과를 내는 원소이다. 약간의 미세화 효과와 인성향상에 유효한 원소이다.

바나듐, 지르코늄(V, Zr)

열성 향상에 효과적인 원소이며 지르코늄은 결정미세화 효과가 있지만 티탄과 겸용하면 Al-Ti-Zn 금속간 화합물을 형성해 효과가 떨어지므로 주의해야 한다. 전기전도도를 저하시키는 결점이 있다.

 
 
자연적인 양

토양과 물속에 알류미늄이 편재하기 때문에 실제로 성인 미국인은 먹는 음식에서 천연적인 양으로 매일 10㎎의 알루미늄을 섭취한다.FDA의 Dr.Pennington은 모든 첨가제와 알루미늄이 풍부한 음식을 피하더라도 최소한 2-7㎎/day을 섭취한다고 한다.
의도적첨가제
전형적인 미국 음식물 내의 알루미늄의 주요source는 알루미늄 첨가제가 들어있는 음식들이다.이 의도적 첨가제는 알미늄화합물이고 주로 가공치즈,baking powder,pickles 그리고 다양한 음식에서 방부제,착색제,발효제로사용된다.
음식 첨가제는 모두 FDA에 승인되었다.이 화합물 형태로 섭취된 알루미늄 양은 20-50㎎이상 이른다.그러나 음식에 따라 널리 변화될수 있다.알루미늄의 신진대사에 관한 검토 자료에서 Dr.Greger는 산업 생산 산정에 기초한 추정은 음식 첨가제로부터 알루미늄의 섭취를 약간 과대평가하고 Total Diet Study에 있는 것 같은 표준화된 menu에 기초한 평가는 첨가제의 사용을 과소 평가하는 경향이 있다고 결론내렸다.

 
비의도적 첨가제

음식에 세번째 알루미늄의 source는 비의도적 첨가제로부터 온다. 그것은 금속 알루미늄 제품에 요리,포장,취급등을 통하여 음식에 첨가된다. 금속 알루미늄은 음식에 의해 부식되며, 주로 산에 의해 부식된다.소량의 금속은 화합물이나 알루미늄 이온으로 전환된다. 이것은 자연적으로 존재하는 알루미늄이 첨가된 음식에서 더 활발하다. 최신분석기술을 이용한 Wisconsin과 Hazleton대학 연구소의 공동 연구를 토대한 Dr.Greger는 이 source를 통해 매일 약3.5㎎의 알루미늄이 음식물에 첨가된다고 한다.
이것은 가장 많이 사용하는 조건하에서도 보통의 음식을 통한 알루미늄섭취의 작은 부분을 나타낸다. 게다가 요리기구,캔을 포함하는 내용물에 의해 금속이 부식되는 것을 막기위해 코팅된다.
이 코팅은 음식에 금속이 들어가지 않도록 효과적으로 극소화시킨다.Dr.Pennington은 또한 알루미늄 상자,요리기구,용기,또는 포장에 의해 이동될수 있는 알루미늄이 음식물에 있는 이 원소의 주요 또는 지속적source가 아니라고 결론 내린다.
1992년 호주의 한 단체는 알루미늄 음료수 캔을 음식을 통한 알루미늄의 source라고 생각했다.그들은 52개의 다른 음료수가 담겨있는 126개의 캔과 병에 있는 알미늄양을 측정했으며 알루미늄 농도가 microgram이 있더라도 알미늄캔에 있는 음료수, 특히 soft drink는 위험요소가 된다고 결론내렸다.
(맥주에 있는 알루미늄 농도가 최소였다)저자는 그들이 그 캔이 얼마나 저장되었는가를 결정할 수 없다는 것을 인식했고 음료수에 최초의 알류미늄 수치가 얼마나 되는지 몰랐다.
많은 그들의 평가는 손상된 캔에 나타날수도 있는 한 외부 값에 기초하였다.1994년 발표된 한 연구에서 Nebraska대학의 한 팀은 쥐에게 알미늄캔이나 유리병에 담긴 soft drink와 증류수를 먹였다.그들은 캔과 병에 담긴 soft drink로부터 흡수한 알루미늄을 보고했다.
대부분의 알루미늄은 뼈에 침적했다

생활속의 알미늄과의 관계(물) 

실제로 모든 물은 약간의 알루미늄을 갖고 있다. 대부분 알루미늄 화합물은 상대적으로 중성수(산성도 염기성도 아님)에 불용성이다. 그리고 이 물에 대개 1㎎/I미만이 있다.
그러나 물의 PH는 국가에 따라 상당히 변화하고 어떤 지역에서는 많은 천연 알루미늄을 가지고 있다Alum(aluminium sulfate)은 마시기 전에 물을 정화하는 flocculent(응결제)로 상수도 처리시설에 많이사용된다.알루미늄을 가공하는 공장으로부터의 유출물은 물 표면에 소량의 금속을 첨가한다. 그것이 중성이라도 약간은 용액에 남아있다.1ppm에서 1-2liter물을 매일 섭취하면 음식물에 1-2㎎알루미늄이 함유될것이다. 

생활속의 알미늄과의 관계(대기)

알루미늄 화합물은 우리가 호흡하는 대기중에 있다.
그것은 마른 먼지,석탄연소,심지어 담배연기와 같은 다양한 source로부터 온다.그것은 산화알루미늄 먼지로 가정,작업장에도 있다.지역에 따라 그 양이 다양하지만 상대적으로 적은 양이다.
ACCIH(The American Conference of Governmental Industrial Hygienist)는 “nuisamce dusts”목록에 있는 대부분 물질과 비슷한 10㎎ AI/1 cubic meter을 한계치로 권장한다.
OSHA(The Occupational Safety and Health Administration)은 연방 규정으로 이 수치를 15㎎ Al/1 cubic meter로 증가시켰다. 이 값이 초과되는 화경은 매우 적게 있다.
대기중에 순환하는 알루미늄(수 ㎎/1 cubic meter)에서 섭취하는 알루미늄은 매일 약 20평방미터의 공기의 흡입에 따른 1㎎/day보다 훨씬 적다.알루미늄에 직업적 노출의 연구는 이 협회에 의해 후원되었다.

 
생활속의 알미늄과의 관계(약품)

 
대부분 제산제는 알루미늄 화합물을 갖고 있고 한 알의 제산제는 50㎎ 또는 그 이상의 알루미늄을 갖고 있다.
위경련을 갖고 있는 사람이 1,000㎎/day을 소비하는 것은 특별한 것이 아니다.
위궤양과 같은 만성 위장병이 있는 사람은 상당한 기간 그런 양의 몇 배를 취하기도 한다.
아스피린 알약은 약 10-20㎎의 알루미늄을 갖고 있다. 알루미늄 화합물은 또한 백신을 더 효과적으로만드는 보조약으로서 많은 백신에 들어 있다.
사실, WHO와 FDA는 주사용 약에 보조 약으로 알루미늄의 가치를 인정한다.
알루미늄이 혈액으로 직접 들어간다는 인식에서 허용치를 규정한다.
분명히 약을 통해 체내로 흡수되는 알미늄양은 정상적 섭취나 호흡으로 오는 양을 적게 할 수 있다.

생활속의 알미늄과의 관계(음식) 

FDA는 미국에서 흔히 먹는 235가지 음식을 list한 Total Diet Study를 발표했다. 그런 list를 사용한 위스콘신대학의 영양학 교수 Dr.Janet Greger는 전형적인 미국 음식물에 알미늄량을 평가했다.
발간된 논문에서 그녀는 미국인들은 매일3-100㎎ 이상의 알루미늄을 섭취한다고 예상했다.
대부분 성인들은 매일20-40㎎정도를 소비한다.초기 연구에서의 그 양은 일일 10-100㎎정도로 예상되었다.
그 후에 FDA의 연구원들은 많은 음식의 알미늄량을 분석했고 1984Total Diet Study를 인용하여 10대와 성인 여자의 경우 매일 9㎎,10대와 성인 남자의 경우 12-14㎎을 섭취한다고 예상했다. 두번째 FDA연구에서 산정된 음식물으 노출은 낮았다. 성인여자의 경우 7㎎/day, 성인남자의 경우 8-9㎎/day. 조사자들은 매일 음식물로부터 알루미늄의 수치가 retention을 야기시키기에 충분하지 않다고 결론 내렸다.오랜기간 섭취하더라도 해로운 것으로 알려지지는 않았다.