기계 부품과 전자 부품에서 요구되는 고내열성, 고내마모성, 전기 절연성을 동시에 만족시키는 재료로서 「알루미나」는 폭넓게 사용되고 있습니다. 「알루미나」는 우수한 물성의 균형을 갖춘 대표적인 파인 세라믹 소재로, 일렉트로닉스, 산업 기계, 의료 기기 등 다양한 분야에서 핵심 부품 재료로 활약하고 있습니다.
한편, 「알루미나는 산화 알루미늄을 의미하는가?, 단단하지만 취성은 문제되지 않는가?, 가공 비용은 어느 정도인가?」와 같이, 실제 설계에 적용할 때 고려해야 할 장단점과 유의점에 대해 궁금해하는 경우도 많습니다.
이번 내용에서는 알루미나의 기본 특성과 장단점, 그리고 설계 채용 시 반드시 알아두어야 할 포인트를 정리하여 소개합니다. 기계 부품 및 전자 부품의 재료 선정을 담당하는 설계·개발자에게 유용한 참고 자료가 될 것입니다.
목차
알루미나의 정의
알루미나는 산화알루미늄(Al₂O₃)을 지칭하는 용어로, 공업 분야에서는 일반적으로 고순도 재료를 의미합니다. 순도 99% 이상의 고순도 알루미나는 파인 세라믹을 대표하는 소재로 가장 널리 사용되며, 96%급 알루미나는 전자기판 등 전기·전자 분야에서 폭넓게 활용됩니다.
순도에 따라 세부 물성에는 차이가 있지만, 공통적으로 고경도, 우수한 내열성, 전기 절연성, 내약품성이라는 기본 특성을 갖추고 있는 것이 특징입니다. 이러한 우수한 특성 덕분에 알루미나는 반도체 제조 장치, 전자기기, 항공우주, 의료기기 등 고기능·고신뢰성이 요구되는 다양한 산업 분야에서 핵심 재료로 적용되고 있습니다.
다른 세라믹과의 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 접동 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 갖추 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 뛰어난 내열성을 지녀, 녹는점 2072℃, 실사용 환경에서도 약 1500℃까지 안정적으로 사용할 수 있는 소재입니다. 이러한 특성으로 전기로·소성로의 구성 부재, 단열재, 가스버너 부품 등 고온 환경에서 폭넓게 활용됩니다.
또한 전기 절연성이 매우 우수하여 부피 저항률과 절연 파괴 전압이 높고, 고온에서도 안정적인 절연 성능을 유지합니다. 고주파 영역에서도 유전 손실이 작아 전자 부품용 재료로서도 중요한 역할을 합니다.
더불어 화학적 안정성이 뛰어나 공기 중에서 부식되지 않으며, 대부분의 무기산과 알칼리 환경에서도 장기간 성능을 유지합니다. 불산이나 고온·고농도 가성소다에는 주의가 필요하지만, 이러한 내식성 덕분에 화학 플랜트의 펌프 부품이나 진공·플라즈마 환경에서 사용하는 지그 재료로도 널리 사용되고 있습니다.
| 품목 | 단위 | 특성치 | ||||
| 순도 96% | 순도 99.5% | 순도 99.9% | ||||
| 열적 특성 | 평균 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 | |
| 부피 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, 접동부나 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 용해를 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 복잡한 작은 형상부터 판 형상, 대형 형상까지 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), 판 형상 및 원반 형상 등, 단순 형상에는 드라이 프레스(건식 압축 성형), 중대형 부품 에는 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)
소결 공정에서는 성형체(알루미나 분말)를 약 1600~1700℃로 가열하여 분말을 치밀하게 결합시켜, 강도 높은 견고한 구조를 형성합니다. 이 과정에서 전 방향으로 약 15~20%의 수축이 발생하므로, 목표 치수를 확보하기 위해서는 수축률을 고려한 설계와 정밀한 공정 관리가 매우 중요합니다.
또한 가열과 냉각은 완만하게 진행하여 열 균열이나 응력 집중으로 인한 크랙 발생을 방지합니다. 필요에 따라 MgO와 같은 소결 조제를 첨가해 소결 온도를 낮추거나 변형을 억제하기도 합니다.
소결이 완료된 후에는 고경도·고강도의 특성을 얻을 수 있지만, 휨이나 치수 오차가 발생하기 쉬워 최종적으로 연삭 가공을 통해 정밀도를 보정하는 공정이 이루어집니다.
다이아몬드 공구 사용 주의 사항
소결이 완료된 알루미나 부품은 필요에 따라 다이아몬드 공구를 사용한 마감 가공이 이루어집니다. 연삭기를 이용한 연마를 비롯해, 드릴·브로치에 의한 홀 및 홈 가공, 방전 가공 등 다양한 방법으로 정밀 형상 가공이 가능합니다.
다만 알루미나는 고경도·취성 재료이기 때문에 가공 비용이 높은 편이며, 설계 단계에서 가공을 최소화할 수 있도록 고려하는 것이 중요합니다. 가공 시에는 공구 과열을 방지하기 위한 냉각, 균열 발생을 억제하기 위한 조건 설정, 적절한 이송 속도 관리 등 취성 재료에 맞는 세심한 대응이 요구됩니다.
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 선정에 있어 설계 포인트
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 |
| 열팽창 차에 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.
