알루미나(Al2O3)는 분자량이 101.96이고, 비중이 3.965이며, 용융점이 2072oC인 백색의 분말로서 육방정 (a=4.758, c=12.991 Å)의 결정구조를 갖는다. 대부분의 알루미나는 보오크사이트(bauxite) 광물을 원료로 하여 Bayer 공정을 통하여 제조되어지며, 높은 내열성과 내화학성, 내식성, 고강도 등에 기인하여 내마모재, 스파크 플러그, 절연애자, 연마재, 내화물, 세라믹 타일, 유리, 절삭공구, 생체재료, 촉매담체, 필터, 열교환기 부품, 내화물, 수지의 필러(resin filler), 섬유 등 광범위하게 사용되고 있다.
알루미나는 전세계적으로 년간 4500만톤 정도 (1995년에는 4280만톤) 생산되고 있으며, 호주와 남미에서 주로 생산된다. 생산된 알루미나의 약 90%는 Al 금속을 만들기위해 원료로 사용되며, 비금속용 우로는 년간 400만톤 정도가 사용되고 있고, 그 수요는 년간 4% 정도씩 증가하고 있다 [1].
파인세라믹스용으로 널리 사용되는 고순도 알루미나는 일반적으로 99.5% 이상의 순도를 가지며, 평균 입자크기가 1㎛ 이한인 미세한 분말로서, 소결이 비교적 잘되는 알루미나 분말이다. 고순도 알루미나는 기계적 강도, 내열성, 내마모성, 내식성 등이 우수하기 때문에 세라믹스, 전기, 전자, 광학, 기계, 화학 등 여러분야에서 첨단소재로 널리 사용되고 있다. 특히 첨단 산업의 발전에 따라 그 수요가 증가하고 있는 재료이다.
베이어법은 1888년 오스트리아의 K. J. Bayer에 의해 개발된 공정으로 실제적으로 거의 모든 상업용 알루미나 분말의 생산은 베이어법을 이용하고 있다. 그 공정은 Fig. 1에서 보여주는데, 자세히 살펴보면, 보오크사이트(bauxite)를 가열 가압 상태에서 고농도의 가성소오다(NaOH)용액에 녹여 소듐알루미네이트(NaAlO2)를 만들고, 방치 및 여과 공정을 거쳐서 용해되지 않은 불순물을 제거한 후, 깁사이트 (gibbsite)를 종자(seed)로 첨가하여, 온도에 따른 용해도 차이를 이용하여 소듐알루미네이트를 가수분해 함으로써 수산화알루미늄(Al(OH)3)으로 석출시킨 후 이를 하소(calcination)하여 알루미나를 제조하는 방법이다. 하소공정의 반응식은 아래와 같고 1100-1200oC에서 이루어 진다.2Al(OH)3 = Al2O3 + 3H2O (1)
이 방법은 고농도의 가성소오다 용액에서 이루어지기 때문에 제조된 알루미나는 항상 상당량의 나트륨(sodium)을 불순물로서 포함하고 있다. 따라서 베이어법으로 고순도 알루미나를 제조하기 위해서는 메이어 공정 중 수산화 알루미늄의 석출시 산화나트륨(Na2O)의 공침을 최소화시키는 방법과 이미 석출된 수산화 알루미늄 속의 산화 나트륨을 화학적 방법으로 제거하는 방법이 사용되고 있다.
Fig. 1. The Bayer process for chemically refining bauxite into alumina[2].
최근까지 고순도 알루미나 제조에 가장 많이 사용된 방법으로서 크게 두가지 공정이 사용되고 있다. 첫 번째는 황산 알루미늄(Al2(SO4)3)과 황산암모늄((NH4)2SO4)을 반응시켜서 암모늄 명반(NH4Al(SO4)2)을 만든 뒤 이를 하소시키는 방법이다. 두번째는 황산알루미늄을 황산(H2SO4) 및 암모니아(NH3) 가스와 반응시켜서 암모늄 명반을 만든 뒤 이를 하소하는 방법이다. 이 공정은 정제 비용이 많이 들고, 부산물로서 발생하는 NH3와 SO3 가스를 제거해야 하는 단점을 갖고 있다. 그러나 암모늄 명반은 열분해시 발포성을 갖고 있기 때문에, 매우 작은 입자가 응집된 형상의 알루미나를 산출하며 이를 분쇄(ground)함으로써, 소결이 매우 쉬운 알루미나를 제조할 수 있는 장점을 갖고 있다.
현재까지 가장 고순도 알루미나를 제조할 수 있는 방법으로 알려져 있으며, 다음과 같은 공정이 사용된다. 먼저 금속 알루미늄과 알콜(alcohol)로부터 알루미늄 알콕사이드(Al(OC4H9)3)를 합성한 후, 알루미늄 알콕사이드를 가수분해하여 수산화 알루미늄(Al(OH)3)으로 만든다. 이렇게 제조된 수산화 알루미늄을 하소함으로써 고순도 알루미나를 제조하는 방법이다. 이 공정은 비교적 간단한 증류조작에 의해 알루미
