세라믹스 독자 교실 무기재 용어해설(2) 알루미나 세라믹스 우수한 성질로 다용도에 이용 알루미나는 산화알루미늄 Al2O3를 말하는 것으로 공업적으로는 다음과 같이 제조한다. 천연에서 나는 보크사이트나 깁사이트를 출발원료로 하고, 거기에 수산화 나트륨을 작용시켜 원료 속의 알루미늄을 알루민산 나트륨으로 녹인다. 원료 속에 포함된 규소, 철, 티탄 등의 분순물은 침전하므로하여 알루민산 나트륨 용액을 취출한다. 이것을 가수분해하여 수산화 알미늄으로 만들고, 다시 그것을 열분해하여 알루미나를 얻는다. 이 방법은 발명자인 독일의 K. J Bayer의 이름을 따서 바이어법이라고 한다. 열분해 후의 가열처리온도에 따라 알루미나는 저온형인 γ-알루미나(스피넬 구조)와 고온형인 α-알루미나(코랜덤)으로 된다. 후자는 1000℃ 이상의 온도에서 처리했을 때 얻을 수 있다. 우리들인 알루미나 세라믹스라고 하는 것은 α-알루미나를 가리키며 통상은 알루미나 분말을 성형하여 1200℃ 이상의 온도에서 소결한 것이나, 단결정으로 육성한 것 등을 가공하여 기능성을 부여한 것을 총칭하여 말한다. 알루미나 단결정은 천연에서 루비, 사파이어 등으로 산출되어 상질의 것은 보석으로 애용된다. 여기에 착색이 되어 있는 것은 크롬, 티탄, 철, 니켈 등 미량 불순물 때문이다. 알루미나는 공간군 Rc, 격자정수 a=4.758, c=12.991의 3방정(6방정계에 가깝다)이다. 알루미나의 주요 물성치를 표 1에 나타내었다. 공업적으로는 알루미나 단결정은 벨누이법이나 쵸크랄스키법에 의해 쉽게 제조된다. 다결정 알루미나는 소결에 의해 만들어진다. 그때 출발원료에 어떤 염류를 사용하는가에 따라 소결성이 현저하게 달라지므로, 바이어법의 알루미나 제조과정에서 만들어지는 수산화 알루미늄을 황산염, 탄산염, 수산염, 암모니움 명반 등으로 하여 그것을 열분해한 것을 소결시료로 제공하는 경우가 있다. 소결은 목적에 따라 공기 중, 질소나 수소 속에서 혹은, 감압의 환경 등에서 이루어진다. 입성장을 억제하기 위해서는 가압소결법이나 불순물을 첨가한 상압소결법이 이용된다. 투명한 알루미나 소결체로서 유명한 루카록스는 0.06~0.5% MgO를 첨가하고 감압 하 또는 수소 분위기 속에서 1800~1950℃에서 몇 시간 소결하여 기공을 거의 완전히 제거한 것이다. 알루미나는 내열, 내마모, 내약품, 내절연, 기계적 성질 등이 아주 우수하기 때문에 전자재료, 기계부품재료, 장식용 재료로 폭넓게 애용된다. 화학적으로도 극히 안정적이어서 생체조직과의 친화성도 우수하기 때문에 각종 생체재료(바이오세럼)로 용도가 개척되고 있다. 투명한 단결정이나 다결정 소결체는 가시광이나 적외선을 투과하므로 광학재료로서도 애용된다. 알루미나는 이렇게 우수한 성질을 가진데다가 경량이기 때문에 고도의 신뢰성이 요구되는 우주과학의 전자재료로서도 즐겨 사용된다. 흥미 있는 알루미나의 응용 예로서 로켓이나 미사일의 노즈콘(끝 부분)이 있다. 노즈콘의 내부에는 중요한 전자기기류가 장착되어 있고, 노즈콘의 표면은 공기마찰 때문에 순식간에 고온에 달하는 가혹한 조건에 놓여진다. 내열, 내마모, 고강도인 알루미나가 텅스텐이나 흑연기재 위에 피복되어 노즈콘의 내부를 지키는데 사용되는 것이다. 알루미나의 주요 용도를 열거하면 다음과 같다. 1) 전자재료 마이크로파용 박막기판, 하이브리드 IC기판, 정밀박막저항용 기판, 에피탁셜 정장기판(알루미나 위의 산화아연은 광도파 회로나 표면탄성파 소자에 응용되고, 질화가륨은 알루미나 위에 성장시킨 것은 발광소자로서 이용하려는 시도가 있다), 세라믹스 봉착부품, 절연단자 등. 2) 기계부품 와이어가이드, 절연로드, 펄스모터 샤프트, 각종 접동부품, 베어링, 가위(자기 테이프를 자른다), 핫플레이스의 금형 등. 3) 광학재료 고압 나트륨용 발광관, 적외선분석계용 창, 각종 센서용 창, 레이저용 튜브 등. 4) 내열재료 내화물, 도가니, 보호관, 고온·고압기기용 창, 노즈콘(고속비상체의 첨단부분) 등. 5) 생체용 소재(바이오세럼) 인공관절, 치과용 재료, 본스크류 등. 6) 인공보석 사파이어(TiO2 0.5,Fe3O4 1.5%) 루비(Cr2O3 0.01~3.0%) 알렉산드라 (V2O3 3.0 ~ 4.0%) 토파즈 (NiO 0.5, Cr2O3 0.01 ~ 0.05%) (편집부) 표 1. 알루미나의 물성치 밀도 g/㎤ 3.99 융점 ℃ 2,050 비점 ℃ 2,980±60 양율 ㎏/㎠ 4.8×60 항절강도 ㎏/㎠ 3,500 압축강도 ㎏/㎠ 30,000 경도 ~2,800 빅커스, 9모스 열팽창 계수 ℃ 6.8~9.0×10-6 열정도 계수 cal/cm·sec℃ 0.1 비열 cal/g·℃ 0.18 절연내력 vl/cm(60Hz) 480,000 최적 고유저항 25℃ 1016 투전율 25℃(1MC) 10.5 투전체 손실 tanδ×10-4(1MHz) 10 굴절율 1.764