기계 부품이나 전자 부품의 고내열성이나 고내마모성, 전기 절연성을 만족시키는 재료로서 「알루미나」가 많이 사용되고 있습니다. 알루미나는, 그 뛰어난 특성으로부터 일렉트로닉스, 산업 기계, 의료 기기까지 폭넓은 분야에서 활약하는 파인 세라믹스 재료입니다.
그러나 한편으로 「알루미나는 산화 알루미늄을 말하는 것인가?」 「딱딱하지만 깨지기 쉽다?」 「가공 비용은 비싼 것은 아닐까?」 등, 구체적인 장점·단점이나 설계 채용시의 고려점 등에 고민하지는 않을까요.
본 내용에서는, 알루미나의 기본 특성이나 장점·단점 및 설계 채용시의 포인트를 해설합니다. 기계 부품·전기 부품의 재료 선정에 관련된 설계·개발자는, 꼭 봐 주세요.
목차
알루미나의 정의
알루미나는 산화알루미늄(Al₂O₃)의 총칭으로, 공업 분야에서는 고순도의 것을 가리키는 것이 일반적입니다. 순도 99% 이상의 고순도 알루미나는 ‘파인 세라믹’ 중 가장 널리 사용되고 있으며, 96% 정도의 것은 전자기판 등에 많이 사용됩니다. 순도에 따라 특성은 다르지만 모두 고경도, 내열성, 절연성, 내약품성 등 기본 특성을 갖추고 있습니다. 이러한 뛰어난 성질로부터, 알루미나는 반도체 제조 장치, 전자 기기, 항공 우주, 의료 기기 등 폭넓은 분야에서 활용되고 있습니다.
알루미나와 다른 세라믹의 차이
세라믹은 무기재료를 고온에서 구워 굳힌 고체의 총칭으로 산화물계, 비산화물계, 복합계 등 다양한 종류가 있습니다. 소재에 따라 다르지만 일반적으로 고강도, 고내구성, 고내식성을 갖추고 분말 사출 성형이나 핫 프레스 성형 등으로 제조됩니다.
다음은 주요 파인 세라믹입니다.
- 알루미나(Al₂O₃) : 뛰어난 절연성・내마모성이
- 지르코니아(ZrO₂) : 높은 인성으로 슬라이딩 부품에 적용
- 질화규소(Si₃N₄) : 내열충격성이 뛰어나다
알루미나는 파인 세라믹의 일종으로 산화물계 세라믹의 대표적인 재료입니다.
알루미나의 특성
알루미나가 널리 이용되고 있는 것은 그 뛰어난 특성에 의한 것입니다. 여기에서는 알루미나의 주요 기계적 특성 및 전기적·화학적 특성에 대해 해설합니다.
기계적 특성(경도・내마모성・강도)
매우 높은 경도는 알루미나의 대표적인 특성 중 하나입니다. 일반적으로 단단한 재료는 약한 인상이 있지만 알루미나는 절곡이나 압축에 대한 기계적 강도의 균형이 뛰어납니다. 높은 강성(영률)과 매우 높은 압축 강도를 갖추고 절곡 강도(내하중성)도 양호합니다. 치수 안정성과 강도를 양립하고 있어 산업용 구조 부품뿐만 아니라 정밀 부품의 재료로도 널리 사용되고 있습니다.
| |
품목 |
단위 | 특성치 | ||
| 순도 96% | 순도 99.5% | 순도 99.9% | |||
| 밀도 | g/cm 3 | 3.9 | 3.9 | 3.9 | |
| 기계적 특성 | 비커스 경도 | GPa | 13.7 | 15.7 | 17.5 |
| 3점 절곡 강도 | MPa | 350 | 370 | 500 | |
| 압축 강도 | MPa | 2992 | 2984 | 3229 | |
| 영률 | GPa | 320 | 370 | 380 | |
| 포아송 비율 | ー | 0.23 | 0.23 | 0.23 | |
| 파괴 인성(SEPB) | MPa·m 1/2 | 2.9 | 4.3 | 4.5 | |
열·전기·화학적 특성(내열성·전기 절연성·내약품성)
알루미나는 내열성이 우수하여 녹는점 2072℃, 실용 영역에서도 약 1500℃까지 안정적으로 사용이 가능합니다. 이러한 특성으로 인해 전기로와 소성로의 구성부재, 단열재, 가스버너 부품 등 고온 하에서 폭넓게 이용되고 있습니다.
또한 전기 절연성도 우수하고 부피 저항률이나 절연 파괴 전압이 높기 때문에 우수한 절연체로서 기능합니다. 고온 환경에서도 절연성을 유지할 수 있고, 고주파 영역에서도 유전 손실이 작아, 전자 부품에는 빼놓을 수 없는 재료입니다. 화학적 안정성이 높고 공기 중에서 녹슬지 않으며 뛰어난 내식성을 나타냅니다. 불산이나 고온·고농도의 가성소다에는 주의가 필요하지만, 대부분의 무기산이나 알칼리에는 안정하고, 부식 환경하에서도 장기간 성능을 유지합니다. 이를 통해 화학 플랜트의 펌프 부품이나 진공·플라즈마 환경의 지그 재료로도 많이 이용됩니다.
| 품목 | 단위 | 특성치 | ||||
| 순도 96% | 순도 99.5% | 순도 99.9% | ||||
| 열적 특성 | 평균선 팽창률 |
40-400℃ | ×10 -6 /K | 7.2 | 7.2 | 7.2 |
| 40-800℃ | 7.9 | 8 | 8 | |||
| 열전도율 20℃ | W/(m·K) | 24 | 32 | 34 | ||
| 비열용량 | J/(g・K) | 0.78 | 0.78 | 0.78 | ||
| 내열 충격 온도차(상대법, 수중 투하) | ℃ | 150 | 180 | 180 | ||
| 전기적 특성 | 절연 파괴 강도 | kV/mm | 15 | 15 | 15 | |
| 체적 저항률 | 20℃ | Ω・cm | ＞10 14 | ＞10 14 | ＞10 14 | |
| 300℃ | 10 10 | 10 13 | 10 13 | |||
| 500℃ | 10 8 | 10 10 | 10 10 | |||
| 비유전율(1MH z ) | ー | 9.4 | 9.9 | 9.9 | ||
| 유전 탄젠트(1MH z ) | (×10 -4 ) | 4 | 1 | 1 | ||
| 손실 계수 | (×10 -4 ) | 38 | 10 | 10 | ||
| 내약품성 | 질산(60%) 90°C, 24H | Weight Loss mg/cm 2 |
0.02 | 0.01 | 0.01 | |
| 황산(95%) 95°C, 24H | 0.01 | 0 | 0 | |||
| 수산화나트륨(30%) 80℃, 24H | 0.86 | 0 | 0 | |||
알루미나의 장점
우수한 내마모성과 내열성
알루미나는 매우 단단하고 마모되지 않으며, 슬라이딩부나 분체·유체와 접촉하는 부품의 수명 연장에 기여합니다. 약 1500℃까지 내열성이 안정되어 있어, 고온에서도 형상이나 기능을 유지합니다.
전기 절연성과 고순도에 의한 안정성
알루미나는 전기를 통하지 않는 절연체로 고온이나 고주파 환경에서도 그 성능을 안정적으로 유지합니다. 고순도 알루미나는 불순물이 적고 이온 용출을 억제하기 때문에 반도체 장치 등 진공 환경에서도 안심하고 사용할 수 있습니다.
폭넓은 형상으로의 가공이 가능
알루미나는 오랜 연구와 이용 실적이 있고, 제조 공정이나 가공 기술이 확립되어 있습니다. 분말을 이용한 사출 성형이나 프레스 성형 등 다양한 방법에 대응하여 소형의 복잡한 형상부터 판상형, 통형상의 대형 부재까지 폭넓게 제조 가능합니다.
비용 성능이 높음
알루미나는 재료 자체가 저렴하고 입수하기 쉬운 점이 큰 특징입니다. 지르코니아나 질화규소는 특수한 원료·제조 기술을 필요로 하여 고가이지만, 알루미나는 풍부한 보크사이트 광석으로부터 정제할 수 있어 비용을 줄일 수 있습니다. 성능과 비용의 균형이 뛰어나 비용 대비 효과가 높은 재료로 다용도로 선정되었습니다.
알루미나의 단점
취성이 높고 깨지기 쉬운
알루미나는 고경도·고강도를 가지는 한편, 파괴인성(깨짐에 대한 끈기)이 낮고, 충격이나 절곡 하중, 갑작스러운 온도 변화에 의한 열응력에 약하며, 취성 파괴를 일으키기 쉬운 특성이 있습니다. 인장이나 절곡 응력이 한계를 초과하면 갑자기 파단될 우려가 있습니다.
가공 비용이 높고 붙기 쉽다
알루미나는 난삭재로 소결 후의 가공에는 다이아몬드 공구에 의한 연삭이 불가결합니다. 가공에는 시간이 걸리고 공구의 마모도 심하기 때문에 금속 부품에 비해 비용이 크게 증가하기 쉽습니다. 따라서 설계 단계에서 형상을 가능한 한 단순하게 하고 마감 가공을 최소화하는 것이 중요합니다.
고정밀 가공에는 전용 설비가 필요
알루미나에 높은 치수 정밀도와 매끄러운 표면 마감이 요구되는 경우 대응 가능한 설비 및 공구가 한정됩니다. 소결 후의 홀 가공이나 나사 가공은 다이아몬드 휠이나 라우터가 필요하며, 일반적인 가공기로는 대응이 어려운 경우도 있습니다. 게다가 대형 부품의 고정밀 가공이 가능한 메이커는 한정되기 때문에, 제작 사이즈나 정밀도에 제약이 생기는 경우가 있습니다. 이 리스크를 피하기 위해서는 세라믹 가공에 정통한 메이커와 제휴하여 설계 공차나 가공 공정의 사전 조정이 불가결합니다.
알루미나의 용도
알루미나의 주요 용도는 다음과 같습니다.
| 용도 | 제품 예 | 요구 특성 |
| 전자부품 | 세라믹 기판, 절연체, X 선관 부품 | 절연성, 내열성, 치수 안정성 |
| 반도체 장치 | 웨이퍼 척,
플라즈마 라이너 |
내 플라즈마성, 내마모성, 고순도 |
| 의료 기기 | 인공 관절, 연마재,
내시경 부품 |
생체 적합성, 내마모성, 화학 안정성 |
| 기계 부품 | 베어링, 노즐,
밸브 |
고경도, 내마모성, 내열성 |
알루미나는 전자·반도체에서 의료·기계 분야까지 폭넓게 활용되는 재료입니다. 용도에 따른 순도 및 등급 선정으로 특성을 최대한 끌어낼 수 있습니다.
알루미나의 가공 종류와 설계 포인트
알루미나 제품의 제조는 주로 「성형가공 → 소결 가공 → 마감 가공」의 3가지 가공 공정으로 구성되어 각 가공 공정에서 유의해야 할 포인트가 있습니다.
성형 가공(사출 성형, 드라이 프레스 등)
알루미나 분말의 성형 가공에서는 제품의 형상, 사이즈, 수량에 따라 적절한 방법을 선정합니다. 소형 및 복잡 형상 양산에는 세라믹 사출 성형(CIM), 판상형 및 원반형 등의 단순 형상에는 드라이 프레스(건식 압축 성형), 중대형 부품 및 이형재에는 정수압 프레스(CIP) 및 압출 성형이 효과적입니다. 어떤 방법으로든 분말의 충전 얼룩을 억제하고 균일한 수축을 통해 품질을 확보할 수 있습니다.
소결 가공(온도·수축률 관리)
소결에서는 성형체를 1600~1700℃로 가열하고, 분말을 치밀하게 구워 굳혀 견고한 구조로 만듭니다. 모든 방향에서 약 15~20%의 수축이 발생하기 때문에 치수 정밀도에는 수축율을 예측한 설계와 공정 관리가 중요합니다. 가열 및 냉각은 완만하게 실시하여 열 균열이나 응력 집중에 의한 크랙을 방지합니다. 필요에 따라 소결조제(예: MgO)를 더해 온도 저감이나 왜곡 억제를 도모합니다. 소결 후에는 고경도, 고강도를 얻을 수 있지만, 휨이나 치수 오차가 발생하기 쉽기 때문에 마감 연삭에 의한 정밀도 조정이 이루어집니다.
마감 가공 (기계 가공) 다이아몬드 공구 사용 주의 사항
결 후의 알루미나 부품은 필요에 따라 다이아몬드 공구로 마감 가공이 이루어집니다. 연삭기에 의한 연마나 드릴 브로치에 의한 홀, 홈 가공, 방전 가공 등의 방법으로 대응 가능합니다. 그러나 가공 비용이 높기 때문에 필요 최소한으로 억제하는 설계가 중요합니다. 작업 시에는 공구 연소 방지 냉각이나 균열 방지 및 이송 조건 최적화 등 취성 재료에 특유의 배려가 이루어집니다.
알루미나를 설계할 때의 주의점
알루미나를 설계할 때 주요 세라믹 재료인 알루미나, 지르코니아, 질화규소의 주요 특성을 비교·이해하고 재료 선정 판단에 도움을 줍니다.
알루미나 vs 지르코니아 vs 질화규소 – 특성 비교표
| 특성 항목 | 알루미나(Al₂O₃) | 지르코니아(ZrO₂) | 질화규소(Si₃N₄) |
| 경도・내마모성 | 고내마모성◎ | 고인성으로 내마모성 〇 | 고인성으로 내마모성 〇 |
| 강도(절곡・압축) | 압축 강도◎
인성이 낮음 |
절곡·압축 모두 고강도 | 고온에서도 강도 유지,
절곡 강도는 최고 |
| 최대 사용 온도 | ~1500℃
(융점 2072℃) |
~1200℃
(융점 2715℃) |
~1400℃ |
| 열 충격 저항 | 약함 (급냉 급열 부적합) |
비교적 양호 | 매우 우수
(급냉 급열에 강함) |
| 전기 절연성 | 매우 우수 | 절연체(약간 열등) | 뛰어난 |
| 화학적 안정성 | 산·알칼리에 강함 | 산에 약간 약한 | 산·알칼리에 강함 |
| 재료 비용 | 저렴・입수 용이 | 고가·가공비 | 고가·양산성에 과제 |
| 주요 용도 | 전자 기판, 절연체 | 인공 관절, 슬라이딩 부품 | 엔진 부품 |
※위의 기재된 표는 일반적인 경향을 정리한 것으로 실제 특성값은 등급과 제조법에 따라 달라집니다. 설계 시에는 각 제조사의 물리적 성질표를 참조하여 필요 특성을 충족하는 재질을 선정하십시오.
알루미나 선정시의 설계 포인트집
알루미나를 재료로 선택했을 때 고려해야 할 설계상의 포인트 예를 소개합니다.
| 품목 | 디자인 포인트 | 목적 |
| 형상 단순화/두께 확보 | ・형상은 최대한 심플하게 설계한다
・얇은 판・세공은 피한다 · 복잡한 형상은 부품을 분할하여 구성한다 |
・균열・부족 저감
・가공성 향상 ・수율 향상 |
| 응력 집중의 완화 | ・각이 진 부분에는 필렛(R)을 마련한다
・안쪽 코너나 홈은 둥글다(타원 불가) ・단차 부분에는 테이퍼나 릴리프를 마련한다 |
・파손 방지
・가공 공구의 접근성 향상 |
| 공차·마무리 최적화 | ・공차는 필요 최소한으로 지정
・경면 마무리나 고정밀도 치수는 한정적 ・소결소지 그대로 사용 검토 |
・가공 비용 억제
· 과잉 품질 회피 |
| 하중 방향 설계 | ・외력은 압축 방향으로 가하는 구조로 한다
(압축 응력 ＞ 인장 응력) |
· 취성 파괴 방지 |
| 열팽창차에 대한 배려 | ・이종 재료와의 조합은 클리어런스를 마련한다
・접착제나 수지를 통해 접합한다 |
・열응력의 완화
· 접합부분의 신뢰성 향상 |
| 등급 선정 | ・용도에 따라 순도를 선정
(예: 96%=저가·가공성 양/99.5% 이상=고내성·고가격) |
· 비용 효율적인 최적화 |
| 재질의 타당성 | ・알루미나는 내열 충격성이 낮기 때문에, 급속 승온부에는 적합하지 않다
· 필요에 따라 질화규소 등을 검토 |
・용도에 따른 적재 선정 |
| 순도에 따른 가공 한계 | ・96%는 99% 이상에 비해 깨지기 쉽고, 최소 홀 직경·피치에 제약이 나온다 | ・가공시의 균열 방지
・설계 한계의 명확화 |
| 소결 수축 고려 | ・소결시에 15~20%의 수축이 발생하기 때문에, 그린 치수(미소결)를 역산 설계 | ・치수 정밀도 확보
・후가공의 최소화 |
| 측정·검사성 확보 | ・기준면으로부터 치수 기재를 철저히 한다
・측정 곤란한 부분은 설계로 회피(만들지 않는다)
|
· 품질 보증성 향상
・검사공수의 삭감 |
| 가공 방법의 타당성 | ・홀 직경・깊이・수량에 따라 레이저/초음파/연삭 등을 선정 | · 가공 정밀도와 비용 최적화 |
| 플라즈마 내성 확보 | ・고순도 알루미나(99.5% 이상)를 선정
・표면 조도 Ra≤0.2μm로 입자 부착을 억제 |
・내구성 향상
· 품질 확보 |
| 열전도성 보완 설계 | ・알루미나의 저열 전도성을 보충하기 위해, 냉각 채널이나 금속 부재와의 하이브리드 구조를 검토 | ・온도 안정성 확보 |
정리
알루미나는 「기댈 수 있는 만능형 세라믹」이지만, 사용하기 위해서는 재료 특성의 이해와 설계상의 연구가 필수적입니다. 본 기사가 설계·재료 선정에 참고가 되어 알루미나의 장점을 최대한 이끌어낸 제품 설계·개발로 이어졌으면 좋겠습니다.
