1. 알루미늄
알루미늄이라는 이름은 고대 그리스 로마의 옛 국가명인 알루멘에서 유래했다. 화학자 패러데이의 스승인 데이비는 1808년 알루미늄의 존재를 처음 확인하고는 알루미엄이라고 명명했다가 이후 알루미늄이라고 바꾸어 불렀다. 이러한 알루미늄을 최초로 금속형태로 만들어낸 사람은 외르스테드로 1825년 순수한 금속 알루미늄 형태는 아니지만 금속형태로 만들어냈다.
2. 지각에서 가장 흔한 금속
알루미늄은 지각에 존재하는 가장 흔한 금속이며, 원소로 따지면 산소/규소 다음으로 많은 원소이다. 하지만 순수한 금속형태로 알루미늄이 발견되는 일은 거의 없다. 알루미늄은 산소와 쉽게 반응을 하여 자연에서 발견되는 알루미늄은 대부분 산화물의 형태로 존재한다. 알루미늄은 가볍고 단단하기 때문에, 순수한 상태 혹은 합금형태로 항공기, 자동차, 자전거와 같은 운송수단에 널리 사용되고 있다.
표면이 매끈하게 처리된 알루미늄이 다른 금속보다 빛의 반사율이 높아 표면에 유려한 광택을 가지고 있다. 가시광선 영역에서는 은의 반사율이 알루미늄보다 높지만, 자외선이나 적외선 영역에서는 알루미늄의 반사율이 다른 어떤 금속보다 높다. 이러한 알루미늄의 성질 때문에 광학기기에서는 알루미늄으로 코팅한 반사거울들이 많이 사용된다.
3. 순수한 알루미늄
알루미늄 광석은 프랑스 레보 지방에서 처음 발견되어 보크사이트라고 부른다. 보크사이트를 빙정석에 녹여 용융된 용액을 전기분해를 하면, 순수한 알루미늄을 추출해 낼 수 있다. 알루미늄을 생산해내는 공정은 미국의 홀과 프랑스의 에루가 각자 독립적으로 발명하여 홀-에루 공정이라고 부른다.
알루미늄을 추출하는 공정을 자세히 살펴보면, 빙정석의 녹는점은 약 1,000도 이상이며, 산화알루미늄의 녹는점은 거의 2000도에 가까워, 용액을 전기분해 하기 위해서는 많은 에너지가 필요하다. 하지만 전기분해를 하는 셀의 온도는 약 950도 정도로 산화알루미늄의 녹는점보다 훨씬 낮은데, 이는 고체 방정석과 고체 산화알루미늄을 일정비율로 섞어서 온도를 상승시키면, 순수한 빙정석과 순수한 산화알루미늄의 녹는점보다도 더 낮은 온도에서 녹아 액체가 되기 때문이다.
두 개의 탄소 전극을 용융 용액에 넣고 전류를 흘려보내면 한쪽 탄소전극에서는 알루미늄 이온이 환원되어 금속 알루미늄이 생성된다. 또 다른 쪽 탄소전극에서는 산소가 발생되는 산화반응이 진행되어 전극에서 만들어진 산소와 탄소 전극의 탄소가 반응하여 이산화탄소가 생성된다.
그러므로 산화전극으로 이용되는 탄소전극은 닳아서 없어지므로 주기적인 교체가 필요하다. 알루미늄 제련과정에서는 많은 전기가 필요하고, 유휴전력의 활용을 위해 제련 공장들은 보통 발전소 근처에 위치한다. 알루미늄을 재생하는데 필요한 에너지는 새롭게 알루미늄을 만들 때 필요한 에너지의 5% 정도면 충분하여, 재활용 가치가 상당히 높다고 볼 수 있다.
4. 산화방지
금속표면에서 금속이 금속 산화물로 변하고, 그 산화물이 떨어져 나가 금속 본래의 모습이나 중량을 잃어버리는 것을 금속의 부식이라고 표현한다. 철은 부식되어 산화철이 되고, 산화철이 표면에서 떨어져 나가면 철은 본래의 형태를 잃어버리게 된다.
그러나 알루미늄의 경우에는 금속 표면에 산화물이 형성되어 매우 단단하고 견고하게 보호막을 형성하고 있따. 보통 형성되는 알루미늄 산화막은 두께가 몇 나노미터정도로 매우 얇아서 알루미늄 특유의 광택을 유지할 수 있다. 1차로 산화반응이 진행되어 얇은 금속산화물 막이 형성되면 그 이후 부식이 발전하지 않는데, 이런 현상을 부동화라고 부르며 그 결과로 생긴 막이 부동화 막이다.
그런데 알루미늄이 산화되는 조건을 통제하면 산화막을 형성하지 않고 박막의 알류미늄 표면에 매우 작은 크기의 구멍이 균일하게 분포하는 구조물을 생산해 낼 수 있다. 알루미늄 전극에 산화 전압을 걸어 형성되는 알루미늄 이온이 산화물을 형성할 수 없는 조건이 되면, 알루미늄 표면에 육각형 모양의 균일한 구멍을 만들 수 있다.
전자 주사 현미경으로 박막 표면을 관찰해 보면 구멍의 생김새가 벌집보양을 하고 있는데, 구멍을 만드는 산화 전압과 전해질의 조건을 조절하면 원하는 크기의 지름과 깊이를 가진 구망과 그것의 밀도를 조절한 템플릿을 만들어 낼 수 있다. 알루미늄 템플릿을 이용하여 나노 굵기를 가진 전도성 고분자 선이나 탄소 나노 튜브 등에 대한 연구도 현재 활발히 이루어지고 있다.
5. 다양한 색상
알루미늄은 표면에 인위적으로 두께를 조절한 산화알루미늄이 있기 때문에 다양한 색상을 갖춘 제품으로 생산해 낼 수 있다. 제품 표면에 산화알루미늄 층을 형성해주면 부식과 마모속도를 감소시킬 수 있고, 채색에 사용되는 염료의 접착도도 향상된다.
빛이 산화물 박막을 통과해 반사되는 과정에서 간섭이 발생하면, 우리 눈으로 유입되는 빛의 파장이 산화물의 두께에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 산화물의 두께를 조절하면 눈에 보이는 색상을 조절할 수 있는 것이다. 일반적으로 산화물 두께의 2배에 해당하는 빛의 파장이 보강 간섭을 일으키게 된다. 예를 들자면 빨간색의 파장은 대략 600 나노미터에 해당하므로, 알루미늄 산화물의 두께를 약 300나노미터로 조절하면 빨간색의 알루미늄 제품을 생산해낼 수 있는 것이다.
또한 산화알루미늄을 형성시킬 때 사용하는 용액에 첨가하는 물질의 변화를 통해서도 다양한 색의 알루미늄을 생산해 낼 수 있다. 산화알루미늄에 크롬을 첨가하면 붉은 루비색을 나오고, 철과 티탄이 첨가되면 파란 사파이어색을 띄게 된다. 그러므로 산화물 층을 형성시키는 용액의 성분조절을 통해 산화알루미늄 막이 형성되는 과정에서 불순물이 고르게 침투하여 균일하고 아름다운 색상이 발현된다.
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