니크롬

1. 개요

니크롬은 1906년 특허를 받은 내열 합금으로, 니켈과 크롬을 주성분으로 한다. 은색을 띠며 내식성이 우수하고 녹는점이 높으며, 전기 저항률이 높아 발열체로 사용된다. 니크롬은 공기 중에서 산화크롬 층을 형성하여 추가적인 산화를 방지하며, 높은 기계적 강도와 크리프 강도를 가진다. 니크롬 합금은 니켈과 크롬의 비율에 따라 다양한 특성을 나타내며, 헤어드라이어, 열풍기, 전기 점화 장치, 열선 발포 절단기, 도자기, 불꽃 시험 등 다양한 용도로 사용된다. 니켈 함량에 따라 가격이 결정되며, 니켈 알레르기를 유발할 수 있다.

2. 역사

앨버트 마시가 1906년에 특허(미국 특허 811,859)를 낸 니크롬은 문서화된 것 중 가장 오래된 형태의 내열 합금이다.

3. 특성

니크롬은 은색을 띠며, 내식성이 우수하고 녹는점이 약 1400°C로 높다. 전기 저항률은 약 1.12 μΩ·m로 구리보다 약 66배 높다. 일부 니크롬 배합의 경우 저항률이 1.0 μΩ·m만큼 낮거나 1.5 μΩ·m만큼 높을 수 있다.

대부분의 금속은 공기 중에서 가열되면 빠르게 산화되어 부서지기 쉽지만, 니크롬 와이어는 적열 온도로 가열될 때 산화크롬의 외부 층을 생성한다. 이 층은 공기 중에서 열역학적으로 안정적이며, 산소에 거의 영향을 받지 않아 가열 요소를 추가적인 산화로부터 보호한다.

니크롬 합금은 높은 기계적 강도와 높은 크리프 강도로 알려져 있다. 니크롬의 특성은 합금에 따라 다르다.

3.1. 표준 조성

니크롬 합금은 저항 가열에 사용되며 ASTM, DIN 표준에 따라 설명된다. 이러한 표준은 합금에 포함되어야 하는 니켈과 크롬의 상대적인 비율을 지정한다. ASTM에서는 미량 원소들 중 다음과 같은 세 가지 합금을 지정한다.

3.2. 조성에 따른 특성

C 등급 니크롬은 은색을 띠며, 내식성이 우수하고, 약 1400°C의 높은 녹는점을 가지고 있다. 또한, 약 1.12 μΩ·m의 전기 저항률을 갖는데, 이는 16.78 nΩ·m인 구리보다 약 66배 높은 저항률이다. 일부 니크롬 배합의 경우 저항률이 1.0 μΩ·m만큼 낮거나 1.5 μΩ·m만큼 높을 수 있다.

대부분의 금속은 공기 중에서 가열되면 빠르게 산화되어 부서지기 쉽지만, 니크롬 와이어는 적열 온도로 가열될 때 산화크롬의 외부 층이 생성된다. 이 층은 공기 중에서 열역학적으로 안정적이며, 산소에 거의 영향을 받지 않고, 가열 요소를 추가적인 산화로부터 보호한다.

니크롬 합금은 높은 기계적 강도와 높은 크리프 강도로 알려져 있다. 니크롬의 특성은 합금에 따라 다르며, 아래 표의 수치는 일반적인 재료를 대표한다.

4. 용도

니크롬은 높은 전기 저항과 내열성을 가지고 있어 다양한 분야에 활용된다.

니크롬은 폭발물 및 폭죽 산업에서 전기 점화 장치(전기 점화기, 모형 로켓 점화기)의 브리지 와이어로 사용되며, 산업 및 취미용 열선 발포 절단기에도 사용된다.

도자기에서 점토 조각이 부드러운 상태에서도 모양을 유지하도록 돕는 내부 지지 구조로도 사용되는데, 이는 니크롬 와이어가 가마에서 구워질 때 발생하는 고온을 견딜 수 있기 때문이다.

또한, 불꽃 시험에서 백금 와이어 대신 사용되어 불꽃의 비발광 부분을 착색시켜 양이온(나트륨, 칼륨, 구리, 칼슘 등)을 검출할 수 있다.

그 외에도 오토바이 머플러, 특정 미생물학 실험실 기구, RepRap 3D 프린팅 커뮤니티의 플라스틱 압출기 발열체, 우주선 LightSail-A의 태양 전지판 전개 메커니즘, 전자 담배 발열 코일 등에도 사용된다.

4.1. 가전 제품

니크롬은 저렴한 제조 비용, 강도, 연성, 산화에 대한 저항성, 고온에서의 안정성, 전자 흐름에 대한 저항성 때문에 헤어드라이어와 열풍기 같은 가전 제품의 전기 발열체로 널리 사용된다. 일반적으로 니크롬은 특정 전기 저항으로 코일 형태로 감겨 있으며, 전류가 통과하면 줄 열이 열을 발생시킨다.

4.2. 산업 분야

니크롬은 제조 비용이 저렴하고 강도, 연성, 산화에 대한 저항성, 고온에서의 안정성, 전자 흐름에 대한 저항성이 뛰어나 헤어드라이어와 열풍기 같은 전기 발열체에 널리 사용된다. 보통 특정 전기 저항을 가진 코일 형태로 감겨 전류가 통과하면 줄 열로 열을 발생시킨다.

니크롬은 폭발물 및 폭죽 산업에서 전기 점화 장치(전기 점화기, 모형 로켓 점화기)의 브리지 와이어로 사용된다. 산업 및 취미용 열선 발포 절단기에도 니크롬 와이어가 사용된다.

니크롬 와이어는 도자기에서 점토 조각이 부드러운 상태에서도 모양을 유지하도록 돕는 내부 지지 구조로 사용된다. 이는 니크롬 와이어가 가마에서 점토 작업이 구워질 때 발생하는 고온을 견딜 수 있기 때문이다.

또한, 니크롬 와이어는 불꽃 시험에서 백금 와이어 대신 사용되어 불꽃의 비발광 부분을 착색시켜 양이온(나트륨, 칼륨, 구리, 칼슘 등)을 검출할 수 있다.

그 외에도 오토바이 머플러, 특정 미생물학 실험실 기구, RepRap 3D 프린팅 커뮤니티의 플라스틱 압출기 발열체, 우주선 LightSail-A의 태양 전지판 전개 메커니즘, 전자 담배 발열 코일 등에도 사용된다.

합금 가격은 니켈 함량에 따라 결정되며, 유통업체 가격은 니켈 시장 가격에 따라 결정되는 편이다.

5. 유해성

니켈은 흔한 알레르겐 물질이며, 푸에르토리코 대학교의 1984년 연구에 따르면 피험자의 28.5%가 니켈 접촉 후 어떤 종류의 알레르기 반응을 보였다고 한다.