알루미나, 코런덤, 사파이어의 관계는 무엇인가?
①알루미나
넓은 의미에서 많은 사람들은 알루미나를 알루미늄 산화물, 알루미늄 수산화물 등을 통칭하는 용어로 생각합니다. 알루미늄 산화물, 알루미늄 수산화물 등은 알루미늄, 산소, 수소로 구성된 화합물의 한 종류입니다.
그러나 엄밀히 말하면, 알루미나, 즉 화학식 알₂O₃를 갖는 산화알루미늄은 지각 내 함량에서 이산화규소 다음으로 많은 산화물입니다. 장석이나 운모와 같은 광물에서 널리 발견되며, 산업적으로는 천연 광물 원료인 보크사이트에서 추출하여 알루미나를 얻는 경우가 많습니다.
알루미나의 결정 구조는 복잡하고 많은 동소체로 구성되어 있으며, α, β, γ, δ, ε, ζ, η, θ, κ, λ, ρ, χ 등 열 가지 이상의 결정 형태로 나눌 수 있습니다. 이 중 α-알₂O₃는 안정한 상이며, 다른 결정 형태는 전이상입니다. 이러한 전이상은 모두 1200°C에서 α 상으로 변합니다. 이 변태 과정은 화학 결합의 절단 및 재결합을 수반하며, 이는 격자 재구성에 속합니다. 이 과정은 매우 많은 에너지를 필요로 하며 비가역적인 과정입니다. α-알₂O₃와 γ-알₂O₃는 산업계에서 널리 사용되고 있습니다.
α-알₂O₃는 일반적으로 코런덤으로 알려져 있으며, 삼방정계에 속하며 밀도는 3.96~4.01 g/센티미터³입니다. 높은 경도(모스 경도 9), 높은 녹는점(2050°C), 고강도, 우수한 내마모성, 우수한 내부식성, 그리고 높은 저항률을 특징으로 하는 매우 안정적인 화학적 특성을 가진 무기 비금속 재료입니다. 따라서 α-알₂O₃ 미세 분말은 내화재, 특수 세라믹, 연마재, 화학 산업, 전자 등 다양한 분야에 널리 사용됩니다.
γ-알₂O₃는 알루미늄 이온이 부족한 결함 있는 스피넬 구조를 가지며, 활성 알루미나에 속합니다. 알루미나 계열에서 널리 사용되며 흡착, 촉매 및 그 담체 분야에서 중요한 역할을 합니다.
②코런덤
커런덤은 보석 광물의 한 종류로, 자연에서 자연적으로 생성되는 α-알₂O₃ 결정입니다. 순수한 커런덤은 무색이며 흠이 없지만 매우 드뭅니다. 천연 커런덤은 일반적으로 미량의 철, 티타늄, 크롬, 니켈 등을 함유하고 있어 검은색, 남색, 청회색, 황회색, 갈색, 황갈색 등 다양한 색상을 띱니다.
커런덤은 용도에 따라 보석용 커런덤과 산업용 커런덤으로 나눌 수 있습니다. 산업용 커런덤은 주로 고급 연마재 분야에 사용되며, 커런덤 연삭 휠, 연삭 디스크, 연마지, 연마 분말 등으로 제조됩니다. 금속 제품의 연마 및 가공에 사용되며, 정밀 기기의 고속 회전 부품 베어링으로도 활용됩니다. 초미립 커런덤 분말은 정밀 기기의 광학 유리 연삭 및 수리에 널리 사용됩니다.
천연 커런덤 공급이 수요를 충족하지 못하면서, 인공 커런덤이 산업계에 등장했습니다. 이러한 커런덤 제품의 주요 차이점은 알루미나 함량과 제조 공정의 차이에 있습니다.
브라운 코런덤
갈색 커런덤의 주상은 알₂O₃(94.5%~97% 차지)이며, 불순물 상에는 이산화규소₂, 산화칼슘, 철₂O₃, 산화마그네슘 등이 포함됩니다. 갈색을 띠며, 경도가 높고 인성이 비교적 높으며 가격이 저렴하여 연삭 분야에서 가장 널리 사용되는 연마재 중 하나이며, 일반 강재 연삭에도 자주 사용됩니다.
화이트 코런덤
백색 커런덤(WA)은 알루미나 분말을 용융 및 결정화하여 제조됩니다. 갈색 커런덤에 비해 전기 아크로 생산 시 단열성과 통기성이 더 높은 요구 조건을 충족합니다. 순백색이며 순도가 높지만 결정 내에 기공이 존재합니다. 단단하고 부서지기 쉬우며, 연삭 시 연마 입자가 쉽게 부서지지만 발열량이 적습니다. 담금질강, 고탄소강 등의 연삭에 적합합니다.
미정질 코런덤
미정질 코런덤(엄마)의 제련 공정은 갈색 코런덤과 거의 동일하지만, 용융된 액체를 여러 단계로 냉각해야 합니다. 생성된 연마 입자는 300μm 미만의 작은 결정립으로 구성됩니다. 인성, 자연성, 강도가 우수하여 탄소강, 스테인리스강 등의 연삭에 적합합니다.
지르코니아 코런덤
지르코니아 코런덤(자)은 보크사이트 또는 알루미나 분말과 지르콘을 전기 아크로에서 용융하여 제조되며, 지르코니아₂가 25~45%를 차지합니다. 다른 유형의 연마재에 비해 인성이 우수하여 고하중 및 정밀 연삭에 사용할 수 있습니다.
블랙 코런덤
블랙 커런덤(학사)은 인조 에머리라고도 불리며, 보크사이트와 코크스를 혼합하고 소결하여 만듭니다. 산화철과 소량의 불순물을 함유하고 있으며, 가격은 저렴하지만 경도가 낮고 절삭 성능이 좋지 않습니다.
③사파이어와 루비
사파이어와 루비는 실제로 소량의 다양한 산화물이 도핑된 고품질 강옥입니다. 루비는 적색 계열의 투명한 보석 등급 강옥 결정인 반면, 사파이어는 적색을 제외한 다양한 색상의 투명한 보석 등급 강옥 결정을 말합니다. 사파이어는 청색만 있는 것이 아니라는 점에 유의해야 합니다.
사파이어는 보석으로 사용되는 것 외에도 뛰어난 물리적, 화학적, 광학적 특성을 가지고 있어 고체 레이저, 적외선 창, 반도체 칩용 기판 웨이퍼, 의료 등 최첨단 기술에 널리 응용되고 있습니다.
④결론
알루미나, 즉 삼산화알루미늄의 화학식은 알₂O₃입니다. 다양한 다형성을 가지며, α-알₂O₃와 γ-알₂O₃가 가장 흔합니다.
커런덤은 보석 광물의 한 종류로, 자연에서 자연적으로 생성되는 α-알₂O₃ 결정입니다. 천연 커런덤 공급이 수요를 충족하지 못하면서, 인공 커런덤이 산업계에 등장하게 되었는데, 인공 커런덤은 단결정 커런덤과 다결정 커런덤으로 나뉩니다.
사파이어와 루비는 다양한 산화물을 소량 도핑하여 다양한 색상을 나타내는 α-알₂O₃ 단결정이며, 고품질 단결정 코런덤의 한 종류이기도 합니다.