알루미늄은 세계에서 가장 인기 있는 금속 중 하나입니다. 가볍고 무게 대비 강도가 높으며 부식에 강한 것으로 유명합니다. 그러나 알루미늄의 가장 중요한 특성 중 논란의 여지가 있는 것은 알루미늄이 전기를 전도한다는 점입니다. 그렇다면 알루미늄은 전도체인가라는 질문에 어떻게 답할 수 있을까요? 이 질문에 대한 답은 '그렇다'입니다, 알루미늄 는 전기를 전도할 수 있지만, 전기 시스템을 만들 때 주로 사용되는 금속인 구리만큼은 아닙니다. 

이 백서에서는 알루미늄의 전기 전도성, 전기 산업에서의 사용, 전기 산업에서 알루미늄을 사용할 때의 장점과 한계에 대해 설명합니다.

전기 전도도란 무엇을 의미하나요?

알루미늄이 전기 전도성인지 아닌지를 말하기 전에 먼저 전기 전도성이란 무엇인지 살펴보겠습니다. 전류를 허용하는 물질의 용량을 전기 전도도라고 합니다. 이는 해당 물질에서 자유롭게 이동하는 전자의 수에 따라 달라집니다. 일반적으로 금속은 원자 구조 내에서 쉽게 흐를 수 있는 매우 자유로운 전자를 가지고 있으므로 좋은 전도체입니다.

주어진 물질의 전기 전도도 측정 단위는 미터(S/m)로 나눈 지멘스에서 눈에 띄게 나타납니다. 저항이 클수록 전기가 통과할 수 있는 가능성이 줄어듭니다. 구리 및 알루미늄과 같은 전도성이 높은 재료는 전원 공급 장치, 전력 전송, 배선 및 회로와 같은 여러 전기 응용 분야에서 사용됩니다.

알루미늄은 전기를 전도하나요?

예, 알루미늄은 구리보다 몇 배나 전도성이 높습니다. 알루미늄은 금속의 전도도를 고려할 때 좋은 전도체로 간주되지만, 전기 전도도는 구리의 약 61%에 불과합니다. 이는 구리가 주어진 크기의 전선을 통해 더 많은 전류를 흘릴 수 있다는 것을 의미합니다.

그럼에도 불구하고 알루미늄은 전도성이 상대적으로 높기 때문에 대부분의 전기 애플리케이션, 특히 무게와 비용이 중요한 고려 사항인 경우에 적용할 수 있습니다. 알루미늄의 저항률은 다른 소재에 비해 높지 않으므로 알루미늄도 전기를 전도할 수 있지만 저항은 상대적으로 적습니다.

알루미늄은 어떻게 전기를 전도할까요?

알루미늄에서 전기가 전도되는 이유는 원자 구조를 통해 자유 전자가 흐르기 때문입니다. 이러한 자유 전자는 금속의 원자에 약하게만 연결되어 있으며 전기장이 존재하면 쉽게 이동할 수 있습니다. 물질이 전자가 통과할 수 있도록 허용하면 전류가 생성됩니다.

알루미늄은 또한 상당히 많은 양의 자유 전자를 보유하고 있기 때문에 괜찮은 전기 전도체이지만 구리만큼 효율적이지는 않습니다. 알루미늄은 구리보다 전기 전도성이 약 61배 낮기 때문에 전자의 흐름에 약간 더 저항력이 있습니다.

알루미늄의 전도도는 온도가 상승하면 금속 내 원자의 진동이 증가하여 저항이 증가하기 때문에 감소합니다. 또한 알루미늄 표면에 비전도성 산화물 층이 발생하여 접합부가 만들어지면 전도도가 감소할 수 있습니다. 이렇게 형성된 산화물 층은 특히 전기 접점에서 우수한 전도성을 저해할 수 있으므로 관리해야 합니다.

전기 전도성 알루미늄 등급 

알루미늄은 전기 전도체이며, 등급에 따라 순도와 합금 금속이 다르기 때문에 전도도 수준도 등급에 따라 달라집니다. 특정 전기 애플리케이션에 적합한 알루미늄을 선택할 때는 알루미늄 등급과 전도도 사이의 상관관계를 반드시 고려해야 합니다.

1. 순수 알루미늄 (1100 Grd)

알루미늄 1100 등급은 순도 99퍼센트 이상의 가장 순수한 알루미늄 중 하나로 간주할 수 있습니다. 순도가 높기 때문에 전기 전도성이 좋기 때문에 배선이나 전기 연결과 같이 전기 전도성과 성능이 가장 필요한 분야에 적합합니다.

• 전기 전도도: 구리의 약 61%에 해당합니다.
• 애플리케이션: 높은 전도성과 낮은 저항이 필수적인 전원 케이블 시스템, 전기 도체 및 기타 장치에 사용됩니다.

2. 알루미늄 합금 1350

알루미늄 합금 1350은 또 다른 고순도 알루미늄으로, 강도와 다른 특성을 향상시키기 위해 소량의 구리와 결합되어 있다는 점만 다릅니다. 이 등급은 1100 등급 알루미늄보다 전도성이 한 단계 낮지만 전기적 기능에서도 우수한 성능을 제공합니다.

• 전기 전도도: 구리 전도도의 약 61%로 1100등급 알루미늄과 비슷합니다.
• 애플리케이션: 전선, 도체 및 변압기, 특히 고전압 전기 시스템에서 널리 사용됩니다.

3. 6063 알루미늄 합금

알루미늄 6063 등급은 중간 강도의 합금으로 일반적으로 압출 및 프레임과 같은 구조용으로 사용됩니다. 마그네슘과 실리콘과 같은 합금 재료가 많아 기계적 강도가 높아 1100 및 1350 등급 알루미늄보다 전기 전도성이 떨어집니다.

• 전기 전도도: 구리의 전도도는 50-55% 더 낮으며, 원소의 합금 효과가 더해집니다.
• 애플리케이션: 주로 건축용 압출, 창틀 및 항공우주 구성품에 적용됩니다. 순수 등급만큼 전도성이 높지는 않지만 전도성보다는 강도와 성형성이 중요한 분야에서 일부 사용됩니다.

4. 알루미늄 합금 1050

알루미늄 합금 1050도 고순도 알루미늄이지만 철 성분이 약간 함유되어 있어 1100 등급 알루미늄보다 전도도가 낮습니다. 하지만 전기 전도성이 뛰어나 다양한 용도로 사용할 수 있습니다.

• 전기 전도도: 전기 전도율은 구리의 99.76 %로 1100등급에 해당합니다.
• 애플리케이션: 전기 케이블, 전선 및 배터리 커넥터는 높은 전도성이 중요하지만 기계적 강도가 큰 문제가 되지 않는 제품입니다.

5. 알로이 6061 알루미늄

이 6061 등급 알루미늄 합금이 인기 있는 이유는 우수한 기계적 특성과 다용도성 때문입니다. 강도를 높이기 위해 마그네슘과 실리콘을 합금하여 전도도가 적당히 떨어집니다.

-전기 전도도: 구리 전도도의 약 45~50%.

적용 분야: 적용 분야: 전기 전도도는 크게 중요하지 않지만 강도와 부식에 대한 저항성이 중요한 구조물 부품, 자동차 부품, 공해에서 사용되는 장비에서 흔히 볼 수 있습니다.

전기 전도도는 알루미늄 마감에 영향을 받나요?

알루미늄의 전기 전도도는 알루미늄 마감에 의해 크게 영향을 받을 수 있으며, 이는 금속에 적용되는 마감에 따라 결정됩니다. 알루미늄의 전도성은 산화물 층 형성, 아노다이징, 코팅, 연마 등 다양한 표면 처리에 따라 달라질 수 있습니다.

1. 산화물 층 형성

산화 과정과 같이 공기가 존재하면 알루미늄은 얇은 산화물 층(Al 2 O 3 )을 형성합니다. 이 산화물 층은 부식에 대한 보호막을 제공하지만 전도성은 없습니다. 이는 전기가 연결되는 지점의 산화막이 저항을 높여 알루미늄의 전반적인 전도성을 떨어뜨릴 수 있음을 의미합니다. 이 산화물 층의 존재로 인해 고성능 전기 활동의 효율성이 떨어질 수 있습니다. 우수한 전도성을 달성하려면 이러한 산화물 층을 접촉 부위에서 제거하거나 제한하거나 산화물 침착을 방지하기 위해 표면 처리를 해야 합니다.

2. 아노다이징

알루미늄을 사용하는 경우 아노다이징은 의도적으로 산화막을 두껍게 만드는 공정입니다. 아노다이징은 내식성을 향상시키고 표면의 미적 마감을 개선하지만, 표면의 절연성을 더욱 떨어뜨립니다. 이렇게 하면 알루미늄의 전도도가 상당히 낮아져 전류를 사용하는 애플리케이션에는 부적합합니다. 그러나 미관이 중요한 애플리케이션과 같은 특정 애플리케이션에서는 보호 효과 때문에 양극 산화 코팅을 제거하지 않는데, 이는 큰 위협이 됩니다. 아노다이징은 연결 지점에서 의도적으로 산화물 층을 제거하지 않는 한 전도성 애플리케이션에서 최적이 될 수 없습니다.

3. 코팅 및 페인트

알루미늄은 환경 요소로부터 보호하고 외관을 개선하기 위해 코팅과 도장을 합니다. 그러나 대부분의 코팅(특히 일반 페인트)은 절연성이며 전기 전도성 장벽을 형성합니다. 코팅은 코팅이 적용된 경우 금속의 전기 전도도를 큰 폭으로 감소시키는 효과가 있습니다. 전기 시스템 적용 시 알루미늄의 경우 전기 접촉이 이루어지는 부분은 코팅해서는 안 되며, 특수한 상황에서는 전도성 코팅을 사용하는 것이 바람직할 수 있다는 점을 기억해야 합니다.

4. 표면 연마

알루미늄의 표면을 깨끗하고 매끄럽게 하기 위해 사용되는 마감 방법 중 하나는 표면 연마입니다. 기계적으로 전기 전도성의 경우 연마는 전기 전도성 측면에서 특성을 개선하여 더 깨끗한 접촉 표면을 제공하는 공정입니다. 연마된 알루미늄 표면은 전기 연결의 효율성을 높이고 저항을 낮추며 전기 시스템의 성능을 향상시킵니다. 하지만 연마가 너무 많이 이루어지면 재료가 손실되어 일부 애플리케이션에서 알루미늄의 무결성과 크기에 문제가 될 수 있습니다. 따라서 연마는 전도도와 재료의 강도 사이의 바람직한 균형을 달성하기 위해서만 사용해야 합니다.

알루미늄이 전기에 사용되는 이유는 무엇인가요?

구리는 알루미늄에 비해 전기 전도성이 뛰어나지만, 전기 업계는 알루미늄 사용을 벗어나지 못하고 있습니다. 그 원인은 다음과 같습니다:

1. 비용 효율성

저렴한 가격은 전자제품에 알루미늄을 적용하는 주요 장점 중 하나입니다. 구리와 달리 알루미늄은 가격이 저렴하며 실제로 알루미늄의 가격은 구리의 약 1/3 수준입니다. 이러한 경제성 덕분에 알루미늄은 충분한 양의 재료가 필요하기 때문에 대규모 전기 설비에 있어 훌륭한 옵션이 될 수 있습니다.

2. 경량

또한 알루미늄은 구리에 비해 매우 가볍고 밀도는 구리의 약 1/3 수준입니다. 따라서 가공 송전선로와 같이 무게가 문제가 되는 분야에 적합합니다. 알루미늄은 가볍기 때문에 운송 비용이 저렴하고 설치가 용이합니다.

3. 내식성

알루미늄은 야외에 노출되면 자연적으로 표면을 덮는 얇은 보호 산화막을 형성합니다. 이 산화막은 더 이상 산화되지 않는 실란트 역할을 하므로 알루미늄은 부식에 매우 강한 소재입니다. 이는 특히 실외에 있는 전기 시스템에 유리한데, 날씨 요인과 습도가 구리와 같은 다른 금속을 쉽게 부식시킬 수 있기 때문입니다.

4. 중량 대비 강도 비율

알루미늄은 무게 대비 강도가 매우 높기 때문에 가벼우면서도 구조적 강도가 뛰어납니다. 이러한 특성 덕분에 알루미늄은 케이블, 송전선, 심지어 전기 장비를 제작할 때에도 거의 모든 전기 관련 문제에서 훌륭한 선택이 될 수 있습니다.

알루미늄과 구리의 강도 비교: 전기 전도도

위에서 언급했듯이, 전기 공동알루미늄의 전도도는 구리의 약 61퍼센트입니다. 그럼에도 불구하고 전도도 차이는 생각만큼 크지 않습니다. 전력 전송과 같은 많은 대규모 애플리케이션의 경우 알루미늄이 제공하는 비용 및 무게 절감 효과가 약간의 전도도 감소를 상쇄합니다. 그렇긴 하지만 높은 전기적 성능을 원한다면 여전히 구리가 더 나은 전도체가 될 것입니다.

알루미늄과 구리 비교:

구리가 더 전도성이 좋지만, 일반적으로 더 작은 단면의 구리 케이블에 같은 양의 전기를 전달하기 위해 더 큰 단면의 알루미늄 케이블을 설치하면 성능의 차이가 설명됩니다. 그렇기 때문에 가공 송전선 및 기타 대규모 전기 설비에는 일반적으로 알루미늄 케이블을 사용합니다.

알루미늄과 다른 도체와의 비교

알루미늄을 구리나 은과 같은 다른 전기 전도체와 비교했을 때 성능은 여러 번 만족스럽지만 고성능 시스템에서는 잘 사용하지 않는다고 합니다.

전기에서 알루미늄의 용도

알루미늄은 매우 다양한 전기 제품에 적용되며, 특히 앞서 언급한 특징인 저비용, 저밀도, 내식성 등의 이점이 있습니다.

1. 송전선로

알루미늄의 가장 일반적인 응용 분야는 가공 송전선로이며, 알루미늄은 무게가 가볍고 전도율이 높아 장거리 송전에 적합합니다. 알루미늄으로 구성된 전력선을 사용하면 구리에 비해 설치 및 유지 관리 비용이 저렴하고, 무게가 가볍기 때문에 선로 설치 시 취급이 용이합니다.

2. 전기 배선/케이블

알루미늄 배선은 주거용 및 상업용 건축, 특히 전기 부하 용량이 낮거나 중간 수준인 회로에서 일반적으로 사용됩니다. 고성능 회로에는 여전히 구리선을 사용할 수 있지만 비용과 무게가 중요한 대규모 설치에는 알루미늄을 적용할 수 있습니다.

3. 접지선

접지선은 고장 발생 시 전류가 흐를 수 있는 안전한 경로를 제공해야 하기 때문에 알루미늄으로 만들어집니다. 접지는 과도한 전류를 지상으로 안전하게 방출하여 장비가 손상되지 않고 전기 화재의 가능성을 최소화하는 데 근본적인 역할을 합니다.

4. 전기 모터 및 장치

전기 모터와 변압기는 권선 재료로 알루미늄을 사용합니다. 이 금속은 가볍고 비교적 강하며 전도성이 우수하여 다양한 산업 및 상업용 애플리케이션에 적용할 때 상당히 훌륭한 옵션입니다.

알루미늄 전도성 관련 문제와 해결 방법

알루미늄은 적절한 전도체인 만큼 전기 시스템의 전도체로 사용할 때 해결해야 할 몇 가지 문제도 있습니다.

1. 더 높은 저항

알루미늄의 가장 큰 단점은 구리보다 전기 전도성이 떨어진다는 점입니다. 이는 동일한 전류가 흐를 때 알루미늄 전선에서 더 많은 열과 전압 강하가 발생한다는 것을 의미합니다. 따라서 경우에 따라 구리선과 동일한 성능을 제공하려면 더 큰 알루미늄 도체를 사용해야 합니다.

2. 연결 및 산화 문제

알루미늄은 특히 접합부에서 쉽게 산화됩니다. 한편으로는 알루미늄이 산화물 층으로 덮여 있으면 부식에 강하고, 다른 한편으로는 산화물 층이 전기 절연체 역할을 하여 더 높은 저항을 생성하여 접합부를 격리시킬 수 있습니다. 이로 인해 과열, 오작동, 최악의 경우 전기 고장이 발생할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 설치 시 올바른 연결이 이루어지고 접합부에 부식이 발생하지 않도록 각별한 주의가 필요합니다.

3. 기계적 강도

알루미늄은 질량 대비 강도는 뛰어나지만 구리보다 강도가 약하고 특히 고응력/진동 조건에서 기계적 손상에 취약할 수 있습니다. 고응력 애플리케이션에서 알루미늄 와이어는 일반적으로 강철 또는 기타 재료로 보강됩니다.

결론

그러나 실제로 알루미늄은 전기를 전도하지만 우수한 전도성, 경제성, 경량 및 부식에 대한 저항성으로 인해 전기 산업에서 일반적으로 사용되는 재료이기도 합니다. 구리만큼 전도성이 좋지는 않지만 충분히 저렴하고 다른 유익한 특성을 가지고 있기 때문에 대부분의 전기 응용 분야에서 구리의 대안으로 사용할 수 있습니다.

알루미늄 은 특히 전력 전송 및 전기 배선과 같은 대규모 작업에서 실용적이며, 가격과 무게의 이점이 낮은 전도성보다 훨씬 더 큽니다. 그럼에도 불구하고 알루미늄 기반 전기 시스템을 설계하고 설치할 때 엔지니어와 전기 기술자가 고려해야 할 과제는 저항과 산화가 증가한다는 점입니다.

그럼에도 불구하고 알루미늄은 전기 산업에서 필수적으로 사용되는 소재이며, 전 세계적으로 보다 효율적이고 저렴한 전기 인프라에 대한 수요가 증가함에 따라 그 사용량은 더욱 늘어날 것입니다.