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알루미늄

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목차

1. 개요

알루미늄은 은백색의 가볍고 연성이 뛰어난 금속 원소로, 다양한 용도로 사용되며, 지구 지각에 널리 분포한다. 명반의 사용에서 시작된 알루미늄의 역사는 19세기 초 프리드리히 뵐러에 의해 금속 알루미늄이 처음 분리되었고, 1886년 폴 에루와 찰스 마틴 홀에 의해 알루미늄의 공업적 생산 방법인 홀-에루법이 개발되면서 대량 생산이 가능해졌다. 알루미늄은 보크사이트를 정제하여 알루미나를 얻고, 홀-에루 공정을 통해 생산되며, 전력 소비가 많아 생산 비용이 높다. 알루미늄은 수송, 포장, 건축, 전기, 가정용품 등 다양한 분야에서 사용되며, 재활용 또한 활발하게 이루어진다. 알루미늄은 인체에 대한 영향이 연구되었으며, 과다 섭취는 신장 기능 저하 환자에게 위험할 수 있지만, 일반적으로는 안전한 것으로 알려져 있다. 또한, 알루미늄은 식물의 성장에 영향을 미치는 토양 중 알루미늄 함량과 관련하여 연구가 진행되고 있으며, 다양한 화합물을 형성하여 산업적으로 활용된다.

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알루미늄
기본 정보
은회색 금속성의 알루미늄
은회색 금속성의 알루미늄
원소 이름알루미늄
영어 이름aluminium (영국), aluminum (미국, 캐나다)
로마자 표기alūminium
원소 기호Al
원자 번호13
이전 원소마그네슘
다음 원소규소
위 원소붕소
아래 원소갈륨
발견자한스 크리스티안 외르스테드
발견 연도1824년
명명자험프리 데이비
명명 연도1812년
명명 유래"알루미나"의 고어 "alumine"에서 유래
예측자앙투안 라부아지에
예측 연도1782년
물리적 성질
겉모습은회색 금속
상태고체
밀도 (20°C)2.699 g/cm³
액체 밀도 (녹는점)2.375 g/cm³
녹는점933.47 K (660.32 °C, 1220.58 °F)
끓는점2743 K (2470 °C, 4478 °F)
융해열10.71 kJ/mol
기화열284 kJ/mol
열용량24.20 J/(mol·K)
증기압1482 K에서 1 Pa
1632 K에서 10 Pa
1817 K에서 100 Pa
2054 K에서 1 kPa
2364 K에서 10 kPa
2790 K에서 100 kPa
결정 구조면심 입방정계
격자 상수a = 404.93 pm (20°C)
열팽창 계수22.87 × 10⁻⁶/K (20°C)
소리 속도 (막대, 실온)5000 m/s (압연)
영률70 GPa
전단 탄성 계수26 GPa
벌크 탄성 계수76 GPa
푸아송 비0.35
모스 경도2.75
비커스 경도160–350
브리넬 경도160–550
원자 성질
전기 음성도1.61 (폴링 척도)
이온화 에너지1차: 577.5 kJ/mol
2차: 1816.7 kJ/mol
3차: 2744.8 kJ/mol
원자 반지름143 pm
공유 반지름121±4 pm
반데르발스 반지름184 pm
자기 정렬상자성
자기 감수율+16.5 × 10⁻⁶
전기 저항 (20°C)26.5 nΩ·m
열전도율237 W/(m·K)
화학적 성질
산화 상태3, 2, 1
산화물의 특징양쪽성 산화물
기타 정보
CAS 등록 번호7429-90-5
알루미늄의 스펙트럼 선
알루미늄의 스펙트럼 선
동위 원소
동위 원소
질량수26
27
존재비trace
100 %
반감기7.17×10⁵ 년
안정
붕괴 방식β⁺, ε, γ
안정
붕괴 에너지1.17 (β⁺), - (ε), 1.8086 (γ)
안정
붕괴 후 원소Mg
안정

2. 역사

알루미늄의 역사는 명반 사용과 밀접하게 관련되어 있다. 최초의 기록은 기원전 5세기 고대 그리스 역사가 헤로도토스가 남긴 것이다.[42] 고대인들은 명반을 염색 매염제, 의약품, 방화 재료, 습식 식각 등으로 사용했다.[42] 십자군 전쟁 이후 명반은 유럽 직물 산업에서 필수적인 국제 무역 상품이 되었다.[42] 15세기 중반까지 명반 수입은 동부 지중해에 의존했다.[43]

르네상스 초기까지 명반의 성질은 불분명했다. 1530년경 스위스 의사 파라켈수스는 명반을 비트리올(황산염)과 구별하여 "명반의 흙의 소금"이라 불렀다.[44] 1595년 독일 의사이자 화학자 안드레아스 리바비우스는 명반과 황산철, 황산구리가 같은 산과 다른 흙으로 구성된다고 보았고, 명반을 구성하는 미발견 흙의 이름으로 "알루미나"를 제안했다.[44] 1722년 독일 화학자 프리드리히 호프만은 명반의 흙이 다른 종류라고 선언했다.[44] 1754년 독일 화학자 안드레아스 지기스문트 마르그라프는 황산으로 점토를 끓인 후 칼륨을 첨가하여 명반의 흙을 생성했다.[44]

1824년 덴마크 물리학자이자 화학자인 한스 크리스티안 외르스테드가 금속 알루미늄 제조에 성공했다고 주장했다. 그는 무수 염화알루미늄과 칼륨 합금으로 화학 반응을 일으켜 주석과 비슷한 금속 덩어리를 얻었다.[45][46][47] 1825년 결과를 발표하고 새로운 금속 샘플을 전시했다. 1826년 "알루미늄은 금속 광택이 있고, 약간 회색이며, 상당히 느리게 물을 분해한다"고 기록했다. 1827년 독일 화학자 프리드리히 뵐러는 외르스테드의 실험을 다시 수행했지만 알루미늄을 발견하지 못했다. 그는 무수 염화알루미늄과 칼륨을 섞어 알루미늄 분말 제조에 성공했고,[47] 1845년 작은 알루미늄 덩어리를 제조하고 그 물성을 기록했다. 뵐러는 불순물이 포함된 알루미늄을 만들었지만, 그의 실험 성공과 상세 내용 발표로 금속 알루미늄 발견자로 여겨졌다.[50]

뵐러의 방법으로는 많은 양의 알루미늄을 얻을 수 없어 알루미늄은 희귀 금속으로 남았고, 가격은 금보다 높았다.[49] 프랑스 화학자 앙리 에티엔느 생클레르 드빌은 1854년 프랑스 과학 아카데미에서 알루미늄의 공업적 제조법을 발표했다.[51] 염화알루미늄은 칼륨보다 저렴한 나트륨으로 환원할 수 있었다.[51] 1856년 드빌은 루앙의 제련소에서 세계 최초의 알루미늄 공업 생산을 시작했다.[51] 1855년부터 1859년까지 알루미늄 가격은 1파운드당 500달러에서 40달러로 하락했지만, 드빌의 제조법으로도 알루미늄 순도가 충분하지 않아 샘플에 따라 성질이 달랐다.[46]

런던 피카딜리 서커스의 안테로스 동상은 1893년에 만들어진 알루미늄 주조 동상 중 하나이다.


최초의 공업적(대규모) 생산 방법은 1886년 프랑스 공학자 폴 에루와 미국 공학자 찰스 마틴 홀이 개발한 홀-에루법이다. 홀-에루법이 알루미나를 알루미늄으로 변환하는 방법인 반면, 오스트리아-헝가리 제국의 화학자 칼 요제프 바이어는 1889년 바이어법이라는 보크사이트(철광석)를 알루미나로 정제하는 방법을 발견했다. 현대 금속 알루미늄 생산은 바이어법과 홀-에루법을 기반으로 한다. 1920년에는 스웨덴 화학자 칼 빌헬름 세데르베리가 홀-에루법을 개량했다.

대량 생산으로 알루미늄 가격이 하락하면서 1890년대와 20세기 초에 보석, 안경테, 광학 기기, 식기류, 알루미늄 포일 및 기타 일상 용품에 널리 사용되었다. 알루미늄이 다른 금속과 가볍고 단단한 합금을 형성하는 능력은 당시 알루미늄의 많은 용도를 가능하게 했다.[53] 제1차 세계 대전 동안 주요 정부들은 가볍고 강한 항공기 골조를 위해 대량의 알루미늄을 요구했다.[53] 제2차 세계 대전 동안 항공 분야에 대한 수요는 더욱 높아졌다.[54][55][56]

20세기 중반까지 알루미늄은 일상생활의 일부가 되었고 가정 용품의 필수 구성 요소가 되었다.[52] 1954년 알루미늄 생산량은 구리를 넘어섰고, 역사적으로 철 다음으로 생산량이 많았던 알루미늄은 가장 많이 생산되는 비철금속이 되었다. 20세기 중반, 알루미늄은 건축, 군사 공학 등에서 사용되었다.[52] 1957년 발사된 스푸트니크 1호(지구 최초의 인공위성)는 두 개의 알루미늄 반구로 구성되었으며, 이후 모든 우주선은 알루미늄을 사용했다.[52] 알루미늄 캔은 1956년에 발명되었고 1958년에 음료수 보관 용기로 사용되기 시작했다.[52]

1900년 이후 세계 알루미늄 생산량


20세기 내내 알루미늄 생산량은 급격히 증가했다. 1900년 세계 알루미늄 생산량은 6,800톤이었지만, 1916년에 10만 톤, 1941년에 100만 톤, 1971년에는 1,000만 톤을 초과했다.[59] 1970년대 알루미늄 수요 증가로 1978년 런던 금속 거래소에 상장되었다.[59] 2013년 연간 알루미늄 생산량은 5,000만 톤을 초과했다.[59]

알루미늄 실질 가격은 1900년 톤당 14,000달러에서 1948년 2,340달러(1998년 미국 달러 기준)로 하락했다.[59] 기술 발전과 규모의 경제로 추출 및 가공 비용이 낮아졌지만, 저품위 광석 채굴 필요성과 에너지 비용 상승으로 1970년대부터 실질 가격이 상승했다.[59] 생산 비용이 저렴한 국가로 생산이 이동했으며, 20세기 후반 생산 비용은 기술 발전, 에너지 가격 하락, 미국 달러 환율 및 알루미나 가격으로 변화했다.[59] 브릭스 국가들의 생산 및 소비 점유율은 21세기 첫 10년 동안 크게 증가했다.[59] 중국은 풍부한 자원, 저렴한 에너지, 정부 지원으로 생산량에서 큰 비중을 차지하며, 소비 점유율도 1972년 2%에서 2010년 40%로 증가했다.[59] 미국, 서유럽, 일본에서는 대부분의 알루미늄이 운송, 공학, 건설, 포장에 사용되었다.[59] 2021년 중국의 2021년-2022년 세계 에너지 위기로 인한 전기 비용 상승으로 알루미늄 가격이 최고 수준으로 급등했다.[60]

2. 1. 나폴레옹 3세

나폴레옹 3세는 연회 때 귀한 손님에게 알루미늄 식기를 제공했는데, 이는 당시 알루미늄이 금보다 비쌌기 때문이다. 연회에서 서열 1위는 알루미늄 수저를, 서열 2위는 금수저를, 서열 3위는 은수저를 사용했다.[163]

3. 명칭

'알루미늄'(aluminium)과 '알루미늄'(aluminum)이라는 명칭은 '알루민'(alumine)이라는 단어에서 유래되었는데, 이는 '알루미나'(alumina)를 가리키는 구식 용어이다. 알루미나는 천연적으로 가장 흔하게 발견되는 알루미늄의 산화물이다.[62] '알루민'은 프랑스어에서 차용되었으며, 프랑스어는 다시 고대 라틴어 명칭인 '알루멘'(alumen)에서 유래했는데, 이는 알루멘에서 채취한 광물인 명반을 가리킨다.[63] 라틴어 '알루멘'(alumen)은 프로토-인도-유럽어 어근 '*alu-'에서 유래했으며, '쓴맛' 또는 '맥주'를 의미한다.[64]

1897년 미국 광고 (aluminum 철자 사용)


영국의 화학자 험프리 데이비는 금속을 분리하기 위한 여러 실험을 수행했으며, 이 원소의 이름을 지은 사람으로 인정받고 있다. 명반에서 분리될 금속에 대해 처음 제안된 이름은 'alumium'이었는데, 데이비는 1808년 왕립학회 철학회보에 발표한 전기화학 연구 논문에서 이 이름을 제시했다.[65] 이 이름은 영어 단어 'alum'과 라틴어 접미사 '-ium'에서 유래한 것으로 보이지만, 당시에는 라틴어에서 유래한 이름을 원소에 붙이는 것이 관례였기 때문에 이 이름은 보편적으로 채택되지 않았다. 프랑스, 독일, 스웨덴의 당대 화학자들은 이 금속이 분리될 산화물인 알루미나(alumina)를 따서 이름을 지어야 한다고 주장하며 이 이름을 비판했다.[66] 1811년 1월 왕립학회에서 열린 데이비의 강의 요약본에는 'aluminium'이라는 이름이 가능성으로 언급되었다.[69] 다음 해 데이비는 화학 교과서를 출판했는데, 여기서 그는 'aluminum'이라는 철자를 사용했다.[70] 두 철자는 그 이후로 공존해 왔다. 현재 사용은 지역에 따라 다르다. 'aluminum'은 미국과 캐나다에서 주로 사용되고, 'aluminium'은 영어권 국가의 나머지 지역에서 널리 사용된다.[71]

4. 물리적 특성

알루미늄은 은백색의 부드러운 금속으로, 전성과 연성이 뛰어나 얇은 박이나 철사로 만들기 쉽다. 구리보다 전기 저항이 크지만, 비중이 2.70g/cm³으로 가벼워 경금속에 속한다. 전기 전도성과 열전도성이 우수하여 전선이나 주방 용품 등에 사용된다.[165]

공기 중에서는 표면에 얇은 산화 알루미늄(Al₂O₃) 막을 형성하여 내부가 부식되는 것을 막는다. 이를 알마이트라고도 부른다.[166][167] 이러한 특성 덕분에 알루미늄은 높은 내식성을 가지며, 특히 항공우주, 교통, 건축 분야에서 널리 쓰인다. 하지만, 산이나 알칼리에는 쉽게 침식되며, 진한 질산에는 부동태를 형성하여 반응이 정지한다.[166][167]

알루미늄은 면심입방격자구조를 가지며,[165] 융점은 660.32℃, 비등점은 2519℃이다.

고해상도 STEM-HAADF를 이용한 [001] 방향으로 본 알루미늄 원자의 현미경 사진.


알루미늄 원자는 13개의 전자를 가지며, 전자 배열은 Ne 3s2 3p1이다.[8] 전기음성도는 1.61(폴링 척도)이다.[8] 자유 알루미늄 원자의 원자 반지름은 143pm이며,[8] 가장 바깥쪽의 세 개 전자가 제거되면, 이온 반지름은 4배위 원자의 경우 39pm, 6배위 원자의 경우 53.5pm로 감소한다.[8]

알루미늄은 알츠하이머병의 원인이 된다는 주장이 있으며, 알루미늄을 많이 섭취하면 치매가 가속화되거나 악화되는 것으로 보고된 바 있다.[203]

4. 1. 동위 원소

자연계에 존재하는 알루미늄의 동위 원소는 27Al (100%)이 유일하며 핵융합 과정을 통하여 형성된 원소이다. 반응식은 다음과 같다.

:23Na + 4He → 27Al27Al은 유일한 원시 알루미늄 동위원소이며, 지구 형성 이후 현재의 형태로 지구상에 존재해 온 유일한 동위원소이다. 알루미늄은 단일 동위원소 원소이며, 그 표준 원자량은 동위원소의 원자량과 사실상 동일하다. 이 때문에 알루미늄은 핵자기 공명(NMR)에 매우 유용하다. [7]

자연계에서 미량으로 존재하는 26Al은 우주선에 의해 생성되는 방사성 동위 원소로, 반감기는 71만 7천 년이다. 26Al은 우주에서 빠른 속도의 양성자가 26Mg의 중성자 한 개를 방출하고 대신 양성자 한 개가 들어가 결합되면서 생성된다. 반응식은 다음과 같다.

:14N + 4He → 18F

:18F + 4He → 22Na

:22Na + 4He → 26Al26Al은 항성 핵합성에 의해 생성되었지만, 반감기는 717,000년에 불과하여 지구 형성 이후에는 검출 가능한 양이 남아 있지 않다.[4] 그러나 미량의 26Al은 우주선 양성자에 의해 발생하는 핵 파쇄에 의해 대기 중의 아르곤으로부터 생성된다. 26Al과 10Be의 비율은 105년에서 106년의 시간 척도에 걸친 지질 과정의 연대 측정에 사용되어 왔다.[5] 과거 26Al은 초창기 지구에 많이 존재했던 60Fe과 함께 지구의 용암 바다를 오랜 기간 유지하는 데 기여했으며, 태양계 초창기 역사에 중요한 역할을 했다. 대부분의 운석 과학자들은 45억 5천만 년 전 형성 후 일부 소행성의 용융과 분화가 26Al의 붕괴로 방출된 에너지 때문이라고 믿고 있다.[6]

나머지 알루미늄 동위원소는 질량수가 21에서 43까지 다양하며, 모두 반감기가 1시간 미만이다. 세 가지 준안정 상태가 알려져 있으며, 모두 반감기가 1분 미만이다.[7]

4. 2. 전자껍질

알루미늄 원자는 13개의 전자를 가지며, 전자 배열은 Ne 3s2 3p1이다.[8] 처음 세 개의 이온화 에너지의 합은 네 번째 이온화 에너지보다 훨씬 낮다.[8] 알루미늄은 많은 화학 반응에서 가장 바깥쪽의 세 개 전자를 잃을 수 있다. 전기음성도는 1.61(폴링 척도)이다.[8]

자유 알루미늄 원자의 원자 반지름은 143pm이다.[8] 가장 바깥쪽의 세 개 전자가 제거되면, 이온 반지름은 4배위 원자의 경우 39pm, 6배위 원자의 경우 53.5pm로 감소한다.[8]

5. 화학적 성질

알루미늄은 양쪽성 금속으로, 산과 염기 모두에 반응한다. 진한 질산에는 부동태 피막을 형성하여 잘 부식되지 않는다.[18] 뜨거운 진한 염산에서는 수소를 발생시키며 반응한다.[19]

수산화나트륨이나 수산화칼륨과 같은 알칼리 용액에서는 수소를 발생시키며 알루민산염을 생성한다.[19] 강염기 수용액과의 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다.[167]

:2Al + 10H2O + 2OH^- -> 2[Al(OH)4(H2O)2]^- + 3H2

할로겐 원소와 반응하여 염화물, 브롬화물 등을 생성한다. 가열하면 대부분의 비금속과 반응하여 질화알루미늄(AlN), 황화알루미늄(Al2S3)과 같은 화합물을 형성한다.

6. 생산

알루미늄은 일반적으로 보크사이트 광석을 원료로 하여 홀-에루법으로 생산된다. 보크사이트를 수산화나트륨으로 처리하여 산화알루미늄(알루미나)을 추출한 후, 빙정석(육불화알루민산나트륨, Na₃AlF₆)과 함께 용융하여 전기분해를 한다.[168][170]

알루미늄 생산에는 많은 전력이 소모되므로 "전기의 통조림"이라고 불린다. 알루미늄 1톤을 생산하는 데는 알루미나 1.96톤(보크사이트 4톤), 빙정석 0.07톤, 탄소양극 0.5톤, 전력 가 필요하다. 알루미늄 제련에는 구리의 약 11배, 아연의 약 3.5배의 전력이 필요하다.[171]

전력 가격이 높기 때문에 일본에서는 석유파동 이후 알루미늄 제련 산업이 쇠퇴하여 대부분의 생산 기지가 해외로 이전되었다.[168] 쇼와덴코 사장 스즈키 하루오는 "일본에서 제련하는 것은 홋카이도에서 사탕수수를 재배하는 것과 같다"고 비유하며 일본 내 제련 비용이 높음을 지적했다.[173]

2014년 세계 알루미늄 생산량은 4930만 톤에 달하며, 주요 생산국과 생산량은 다음과 같다.[174]

순위국가알루미늄
생산량
(만 톤)
—세계 합계4930
1 중국2330
2 러시아350
3 캐나다294
4 아랍에미리트240
5 인도210
6 미국172
7 오스트레일리아168
8 노르웨이120
9 브라질96
10 바레인93
11 아이슬란드81
12 남아프리카 공화국73.5
13 카타르61
14 모잠비크56
15 사우디아라비아50
15 독일50
16 아르헨티나42.5
—기타444



중국이 세계 생산량의 약 40%를 차지하며, 러시아, 캐나다를 포함한 상위 3개국이 절반 이상을 생산한다. 보크사이트 생산국인 미국, 오스트레일리아, 브라질, 인도도 주요 알루미늄 생산국이다. 알루미늄 제련은 전력 소비가 많기 때문에, 전력이 저렴한 국가에서 이루어지는 경향이 있다. 아랍에미리트와 카타르는 화력발전, 캐나다와 노르웨이는 수력발전, 아이슬란드는 수력발전과 지열발전을 통해 저렴한 전력을 확보하여 알루미늄을 대량 생산한다.[174]

주요 알루미늄 생산 기업으로는 캐나다의 리오 틴토 알칸, 러시아의 루살(러시아 알루미늄), 미국의 알코아, 중국의 중국알루미늄 등이 있다.

6. 1. 전기를 사용하지 않는 생산 방법

알루미늄은 전기분해 외의 방법으로도 생산할 수 있다. 예를 들어, 알루미나를 2000℃ 이하에서 탄소와 반응시켜 탄화 알루미늄을 만든다. 이것을 2200℃ 이상의 고온으로 옮겨 알루미나와 반응시키면 금속 알루미늄과 일산화 탄소로 분리된다.[177]

화학 반응식은 다음과 같다.

: {2Al2O3} + 9C -> {Al4C3} + 6CO

: {Al4C3} + Al2O3 -> {6Al} + 3CO

두 번째 반응에서는 역반응이 일어나지 않도록 과잉의 탄소가 필요하다. 생성된 알루미늄은 일부 휘발하여 반응 가스에 포함되지만, 대부분은 슬래그 위에 액체 형태로 분리된다.

일본에서는 제2차 세계 대전 직전에 보크사이트 수입이 중단되자, 만주에서 나오는 반토혈암(礬土頁岩)을 원료로 알루미늄을 생산했다.[178] 전쟁 이후에는 주목받지 못하고 제조법도 단절되었지만, 회전로를 사용한 점으로 보아 전기를 사용하지 않는 방법이 채택되었을 가능성이 있다.

한편, 알루미늄 순도를 높이는 제련 과정에서는 전기를 사용하는 삼층 전해법 대신 전기를 사용하지 않는 분별결정법을 사용할 수 있다. 녹인 알루미늄 금속을 부분적으로 냉각하면, 고순도 알루미늄이 먼저 결정으로 만들어진다. 실리콘 단결정을 만드는 원리와 같다. 이 방법으로 얻을 수 있는 정제 알루미늄 순도는 99.98~99.996%로, 삼층 전해법과 비슷한 수준이다.[179]

6. 2. 과거의 생산 방법

과거에는 염화알루미늄을 금속 칼륨으로 환원하는 테르밋 반응을 이용하여 알루미늄을 생산하였다.[168]

:\mathrm{4\ AlCl_3 + 3\ K \rightarrow Al + 3\ KAlCl_4}

이후, 금속 칼륨보다 비용이 저렴한 금속 나트륨으로 환원하는 생산법이 발명되었다.[198]

:\mathrm{\ AlCl_3 + 3\ Na \rightarrow Al + 3\ NaCl}

7. 재활용

알루미늄 재활용은 알루미늄 산업에서 중요한 부분을 차지한다. 1960년대 후반까지는 재활용이 활발하지 않았지만, 알루미늄 음료 캔 사용이 늘면서 대중의 관심이 높아졌다.[86]

알루미늄 재활용은 고철을 용융하는 방식으로 이루어지는데, 이 과정은 광석에서 알루미늄을 생산하는 데 필요한 에너지의 5%만 소모한다.[87] 그러나 이 과정에서 입력 재료의 최대 15%가 슬래그(재와 같은 산화물)로 손실된다.[87] 알루미늄 스택 용융로는 슬래그 생성이 훨씬 적다(1% 미만).[88]

보크사이트에서 알루미늄을 제련하는 것보다 알루미늄 찌꺼기를 재활용하는 것이 비용과 에너지 면에서 훨씬 효율적이다. 수거된 빈 캔 등을 재활용 원료로 하여 전기로 등을 이용하는 방식으로 재생하는 사례가 늘고 있다. 알루미늄은 녹는점이 약 660°C로 낮아 적은 에너지로 재활용이 가능하다. 알루미늄캔에서 알루미늄 지금을 생산하는 데는 보크사이트에서 생산하는 것보다 단 3%의 전력만 소비된다.[180]

이러한 장점 덕분에 알루미늄은 "재활용의 우등생" 또는 "재활용의 왕"이라고 불리며, 일본에서는 알루미늄캔의 재활용률이 2012년 기준 94.7%에 달한다.[181]

하지만 알루미늄은 산화되기 쉬워 합금에 첨가된 금속이나 불순물을 제거하기 어렵다. 예를 들어 알루미늄캔 뚜껑은 마그네슘, 몸체는 망간과 마그네슘을 함유하고 있어(전체의 4~5%), 알루미늄캔만 모아 용융해도 망간을 포함한 알루미늄 합금이 되어 뚜껑 용도로는 재활용할 수 없다.[182] 금속 제련에서 산소를 불어넣어 불순물을 제거하는 방법을 알루미늄에는 적용하기 어렵다.[182] 따라서 알루미늄 재활용은 합금 종류별로 분리하여 재생하는 것이 좋지만, 그렇지 못할 경우 전해 제련 등으로 순도를 높여야 한다. 급속 냉각 압연, 열처리 등을 통해 불순물 영향을 최소화하는 가공 방법도 연구되고 있다.[183]

1차 알루미늄 생산과 2차 재활용 작업에서 발생하는 백색 슬래그는 여전히 추출 가능한 알루미늄을 함유하고 있다. 이 과정은 알루미늄 빌릿과 복잡한 폐기물을 생성하며, 이 폐기물은 물과 반응하여 아세틸렌[89], 황화수소, 암모니아 등 여러 기체 혼합물을 방출한다.[90] 이러한 어려움에도 불구하고, 이 폐기물은 아스팔트와 콘크리트 충전재로 사용되거나[91] 수소 생산에 활용될 가능성이 연구되고 있다.[92][93]

8. 용도

알루미늄은 가볍고 부식에 강하며, 가공하기 쉬워 다양한 분야에서 널리 사용된다.


  • 운송: 자동차, 항공기, 철도 차량, 선박, 자전거 등 가벼움이 중요한 운송 수단에 널리 쓰인다.
  • 포장: 알루미늄 캔, 호일 등 포장재로 많이 사용된다. 알루미늄은 독성이 없고, 내용물을 잘 보호하며, 쉽게 찢어지지 않기 때문이다.
  • 건축: 창문, 문, 외장재 등 건축 자재로도 널리 사용된다. 강철보다 비싸지만, 가볍고 부식에 강하며, 특별한 공학적 특성이 필요할 때 사용된다.
  • 전기: 송전선 등 전기 관련 분야에서도 사용된다. 구리보다 싸고, 전기가 잘 통하며, 가볍고, 부식에 강하기 때문이다.
  • 주방용품: 조리 도구나 가구 등 가정용품에도 널리 사용된다. 가볍고, 보기 좋으며, 만들기 쉽고, 오래 쓸 수 있기 때문이다.
  • 기계 및 장비: 가공 장비, 파이프, 공구 등에도 사용된다. 부식에 강하고, 불이 붙지 않으며, 튼튼하기 때문이다.
  • 기타: 껌을 녹지 않게 하는 포장재, 수돗물의 응집제 등으로 사용된다.


알루미늄 차체를 가진 오스틴 A40 스포츠(c. 1951)


알루미늄 캔


2016년 전 세계 알루미늄 생산량은 5,880만 톤으로, 철(12억 3,100만 톤) 다음으로 많았다.[94][95] 알루미늄은 대부분 합금 형태로 사용되며, 구리, 아연, 마그네슘, 망간, 규소 등과 합쳐져 더 강하고 튼튼하게 만들어진다.(예: 듀랄루민)[97]

대한민국에서는 수송용 기계 제조(40.1%), 건축(12.9%), 용기 포장(10.6%) 분야에서 알루미늄 수요가 높다.[184]

알루미늄은 열전도율이 구리보다는 낮지만, 가격이 저렴하여 조리 기구에 많이 사용된다.[167] 또한, 알루미늄 미세 분말은 은색 도료의 안료로 사용되어 교량 등의 건축물에 내식성을 부여한다.

알루미늄은 P형 반도체를 만드는 데에도 사용된다. 진성 반도체인 규소에 소량의 알루미늄을 첨가하면 P형 반도체가 된다.

하지만 알루미늄을 너무 많이 섭취하면 알츠하이머병을 악화시킬 수 있다는 연구 결과도 있다.[203]

8. 1. 수송용 기계

알루미늄은 밀도가 낮아 가볍기 때문에 자동차, 항공기, 트럭, 철도 차량, 선박, 자전거, 우주선 등 수송용 기계에 널리 사용된다. 특히 항공기의 경우, 알루미늄 합금은 경량성과 강도를 모두 충족하는 주요 소재로 사용된다. 냉전 중반까지는 경량화를 위해 도장까지 깎아낸 알루미늄의 은빛 광채가 고속 항공기의 상징이기도 했다. 하지만 20세기 말부터는 탄소 섬유 복합재료나 티타늄 합금 등 더 가볍고 강한 신소재의 사용이 증가하고 있다.

철도 차량에서도 신칸센 전철을 비롯하여 특급형 전철이나 통근형 전철 등에서 알루미늄 차체를 많이 사용한다. 알루미늄 압출재를 사용하면 긴 부재를 일체로 성형할 수 있고, 연속 용접 조립을 통해 저렴한 비용으로 대량 생산이 가능하다. 이는 동일한 단면을 가진 16~25m 길이의 차체를 가진 철도 차량 생산에 큰 이점이 있다.

자동차의 경우, 과거에는 항공기 재료를 본떠 알루미늄화를 시도했지만, 일부 고급차나 스포츠카 등에만 적용되었다. 현재는 비용 대비 효과를 고려하여 알루미늄 대신 고장력강을 사용하거나, 탄소 섬유를 적용하는 추세이다.[185] 경량성이 중요한 고속선에서는 알루미늄이 선체 재료로 사용되기도 한다. 알루미늄 합금은 군사 분야에서 장갑 차량이나 전투함에도 사용되지만, 철강에 비해 화재나 피탄에 약하기 때문에 주로 소형 함선이나 자주포 등 직접적인 전투를 상정하지 않는 장갑 차량에 사용된다.

스포츠용 자전거 프레임의 소재로 알루미늄은 탄소섬유보다 저렴하고 철강보다 가벼워 널리 사용된다. 하지만 가격과 내구성 문제로 저렴한 일상용 자전거나 실용차에서는 여전히 철강이 주로 사용된다.

다음은 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 사용된 주요 수송 기계의 예시이다.

8. 2. 건축

알루미늄은 구조재로도 사용되지만, 창틀(알루미늄 섀시)이나 펜스 등 외장재로 사용되는 경우가 많다. 공장에서 규격화되어 대량 생산되므로 정밀 가공이 쉽고, 가벼워서 설치 및 현장 조립이 용이하며 기본적인 내후성이 뛰어나 1960년대 이후 급속히 보급되었다.[186] 그러나 알루미늄은 단열성이 낮아 창유리와 함께 결로가 발생하기 쉽기 때문에, 최근에는 대체재로 수지 섀시나 현대화된 목재 섀시가 증가하고 있다.[186]

8. 3. 도체

고압 송전선에는 알루미늄 선이 사용된다. 구리에 비해 단위 체적당 전기 전도도는 떨어지지만, 밀도가 낮기 때문에 구리선보다 가볍게 하면서 단면적을 더 크게 (굵게) 할 수 있으며, 단위 질량당 전기 전도도에서는 우수하고 재료비에서도 거의 대등하다. 이 때문에 지주(송전탑)의 스팬이 커지는 고압 송전선의 재료로서 유리하다.

8. 4. 분말

분말 상태의 알루미늄은 가연성 물질이며, 분진폭발을 일으킬 수 있다. 알루미늄 분말은 연소열이 크고, 연소 시 가스를 발생시키지 않기 때문에 열이 축적되어 고온이 되며, 강한 백색 빛을 발한다. 이러한 성질을 이용하여 화약류에 발열제로 첨가된다. 스페이스셔틀의 고체연료 보조로켓에서도 연료로 사용되었다.[167] 알루미늄 분말의 성질은 표면적의 크기에 따라 달라지기 때문에, 등급은 입도가 아니라 무게당 표면적을 나타내는 수면확산면적으로 표시되는 경우가 많다. 입도로 표시되는 것처럼 입자가 큰 것은 입상 알루미늄 분말(아토마이즈드 알루미늄 분말)이라고 구별하여 부르는 경우가 많다.

슬러리폭약과 같은 수분이 있는 상태의 화약에 섞으면, 알루미늄 표면에서 다음과 같은 반응이 일어나 발열하고 수소가 발생한다.

:2Al + 6H2O -> 2Al(OH)3 + 3H2

따라서, 알루미늄 분말의 화재에는 물을 뿌리는 것은 금지되어 있다.

알루미늄 분말은 페인트에 섞어 사용하는 경우도 있다. 또한, 지문 검출(주로 경찰의 감식과에 의한 수사 활동)에서 알루미늄 분말을 사용하기도 한다.

알루미늄 분말과 산화철(III)의 혼합물은 테르밋이라고 불리며, 마그네슘 리본으로 점화하면 격렬하게 반응하여 산화 알루미늄과 용융철을 생성한다. 이 반응은 철의 용접에도 사용되는 테르밋 반응이다. 철 이외의 금속 제련(환원)에도 응용된다(테르밋법).

일본의 소방법에서는 150 μm의 체(망)를 통과하는 양이 50%를 초과하는 알루미늄 분말을 제2류 위험물로 규정하고 있다.

9. 인체에 대한 영향

인체에 섭취되어도 흡수되는 알루미늄의 양은 미량이며, 대부분은 그대로 배출된다.[124] 알루미늄이 체내에서 어떤 역할을 하는지는 아직 잘 알려져 있지 않다. 신장이 정상적으로 기능하여 알루미늄 이온을 배출할 수 있는 성인이 일반적인 식생활에서 경구 섭취하는 알루미늄으로 알츠하이머병을 앓는다는 근거는 부족하며,[188] 현재도 명확한 인과 관계를 보여주는 연구 결과는 발견되지 않았다.[189]



과거 인공투석에 필요한 투석액 제조에 정수 처리되지 않은 수돗물을 사용하던 시대에는, 수돗물에 포함된 알루미늄을 원인으로 하는 "투석성 뇌병증"(당시 명칭은 "투석성 치매")[187]을 발병한 사례도 보고되었다.

10. 식물에 대한 영향

산성 토양에서 알루미늄은 식물 성장을 저해하는 주요 요인 중 하나이다. pH 중성 토양에서는 알루미늄이 식물 성장에 무해하지만, 산성 토양에서는 독성 Al3+ 양이온의 농도가 증가하여 뿌리의 성장과 기능을 방해한다.[149][150][151][152] 토양 속 알루미늄은 pH 5.0 이하에서 이온화가 급격히 증가하여 용해도가 높아지고, pH 3.5에서는 거의 완전히 용존 상태가 된다. 수용화된 알루미늄 이온은 다음과 같은 피해를 준다.


  • 비료로 토양에 첨가된 인산과 결합하여, 난용성 염을 형성하고 시비 효율을 저하시킨다.
  • 뿌리 세포의 세포벽~아포플라스트 영역에 결합하여 칼로스 분비 등 여러 반응을 일으켜 뿌리 성장을 저해한다.


밀, 옥수수, 수국, 메밀, 차나무 등 일부 식물은 알루미늄 저항성을 가지거나 고알루미늄 환경에 적응할 수 있다. 이들은 카르복실산(옥살산, 구연산, 말산 등)을 이용해 알루미늄 이온을 킬레이트화하여 수용성 착물을 형성하는 방식으로 알루미늄을 무독화한다. 밀은 유해한 알루미늄 양이온과 결합하는 유기 화합물을 방출하여 알루미늄에 대한 내성을 발달시켰으며, 수수도 같은 기전을 가진다.[153]

알루미늄 저항성 유전자는 밀에서 처음 발견되었고, 옥수수에서도 발견되었다. 이들 식물에서는 단일 유전자에 의해 알루미늄 저항성이 나타나지만, 모든 식물의 알루미늄 저항성이 동일한 기전에 의한 것은 아니다.[191]

10. 1. 알루미늄 내성 토양균

유전자 변형을 통해 알루미늄 내성 식물을 만들 때, 그 유전자원으로 주목받는 것 중 하나가 토양성 알루미늄 내성균이다. 근류균으로 알려진 ''Rhizobium''도 알루미늄 내성균의 한 종류이다.[191] 강산성(pH 3.0) 고알루미늄 조건에서 선발되는 균은 대부분 사상균이며, 알루미늄이 많은 토양에서는 이러한 생물이 우점하고 있다고 생각된다. 알루미늄 내성균을 포함하는 속에는 ''Emericellopsis'', ''Paecilomyces'', ''Mortierella''(검정썩음곰팡이), ''Sporothrix'', ''Penicillium''(푸른곰팡이), ''Aspergillus''(누룩곰팡이), ''Metarhizium'' 등이 있다.

11. 화합물

산화알루미늄(Al2O3)은 일반적으로 '''알루미나'''라고 불린다. 모스 경도가 9로 높아 연마제로 사용된다.[99][100] 보크사이트에서 알루미늄을 제련할 때는 바이어법으로 보크사이트에서 알루미나를 제조하고, 그 알루미나를 홀-에루법으로 알루미늄으로 제련한다. 천연 결정은 코런덤이라 불리며, 예로부터 보석으로 귀하게 여겨졌다. 코런덤 중에서 특히 붉은색인 것을 루비, 그 외의 색깔이 있는 것(진한 파란색이 가장 가치가 높다)을 사파이어라고 하며, 매우 귀한 보석으로 여겨진다. 루비의 붉은색은 미량의 크로뮴에, (파란색) 사파이어의 색은 미량의 철과 타이타늄에 의한 것이다.[22] 화학적으로 매우 불활성이므로 고압 나트륨 램프[101]와 같이 반응성이 매우 높은 환경에서 유용하다. 정유소[102]에서 황화수소를 황으로 전환하는 클라우스 공정[102] 및 아민의 알킬화[103]에 사용되는 등 산업 공정에서 촉매로 널리 사용된다.[84] 많은 산업용 촉매는 알루미나에 담지되어 있는데,[104] 이는 고가의 촉매 물질이 불활성 알루미나 표면에 분산되어 있음을 의미한다.[104] 또 다른 주요 용도는 건조제 또는 흡착제이다.[84][105]

기판에 알루미나 레이저 증착


기타 알루미늄 화합물은 다음과 같다.

  • 수산화알루미늄 (Al(OH)3)
  • 수소화알루미늄 (AlH3)
  • 염화알루미늄 (AlCl3)
  • 질화알루미늄 (AlN)
  • 인산알루미늄 (AlPO4)
  • 황산알루미늄 (Al2(SO4)3)
  • 명반 - 염색제, 방수제, 소화제, 피혁 가공제, 침전제 등 예로부터 다양한 용도로 사용된다.
  • 빙정석 (Na3AlF6) - 홀-에루법에 의한 알루미늄 제련 시에 필수적인 광석이었지만, 그린란드에 있던 광상의 고갈과 대체품으로서 형석의 사용이 보편화됨에 따라 산업적 가치를 잃었다.

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