티타늄 종류 및 용도

티타늄 종류 및 용도

티타늄 이미지 1

원소기호 Ti에 해당되는 원소번호 22번 티탄 혹은 티타늄(한국화학회에서 권장하는 이름 타이타늄(Titanium)입니다. 영어 발음은 타이테이니엄으로 한자로는 티타늄으로 쓰고 중국어 발음은 타이, 어원은 거인을 뜻하는 티탄(Titan)이라고 합니다.

 

티타늄의 결정구조는 육각 밀집 결정이며, 공간 군은 P63/mmc라고 합니다. 희귀한 원소라서 비싸다는 인식이 있지만 사실 티타늄은 지각에서 질량비 기준 9번째로, 탄소보다 흔하게 발견됩니다. 하지만 제련 및 가공 난이도가 높아 비싸게 유통되는게 현실입니다.

 

목차

1. 티타늄의 종류.

2. 티타늄의 용도.

3. 티타늄의 제련과정.

4. 마치며.

티타늄 이미지 2

티나늄의 종류.

티타늄은 상용 불순물의 함량에 따라 등급(Grade)으로 구분된다고 합니다. 시중에 유통되는 티타늄은 CP(Commercially Pure)이며 타이타늄이라고 부르기도 합니다. 질소, 탄소, 수소, 산소, 철 함량에 따라 등급이 나눠지며 1등급, 2등급, 3등급 4등급으로 나눠집니다.

 

가장 불순물이 적은 것이 1등급이지만 유의할 점은 등급의 숫자가 재질이 좋고 나쁘고를 가르는 점은 아니라고 합니다. 등급별로 서로 특성이 달라 각각 다른 용도로 사용되기도 합니다. 말 그대로 종류를 분류하는 기준이 등급이라고 하는 것입니다. 또한, 5등급부터는 티타늄 합금(Titanium Alloy)으로 분류되어 있습니다.

티타늄 이미지 3

티타늄 이미지 4

티타늄 이미지 5

티타늄의 용도.

티타늄의 특성은 강철보다 딱딱하고 튼튼하다는 대중적 인식으로 자리 잡고 있습니다. 하지만 순수 티타늄(즉 합금이 아닌 종류)은 의외로 강철에 비해 무르며, 티타늄 합금도 동일 체적의 강철에 비하면 인장강도가 낮다고 합니다. 실제로 공학에서 순수 티타늄으로 인정되는 티타늄의 인장강도는 25(Grade 1)에서 56(Grade 4)라고 합니다. 순수 티타늄은 사실상 이 기준을 충족할 수 없어 기본적으로 철을 혼합한 티타늄-철 합금을 순수 티타늄으로 이용하고 있습니다.

 

경도에 따라 마찬가지로 티타늄을 메인으로 한 합금들은 HRC 기준 20에서 40대, 정말 높아야 간신히 50대에 턱걸이하는 수준입니다. 이 정도로는 사실 부엌칼을 쓰기도 힘들다고 하네요. 반면 강철은 평범한 탄소강이(1050에서 1095)만 해도 기본적으로 HRC 50대 중후반이라고 합니다. BÖHLER, Crucible라는 전문업체에서 생산하는 최신 하이엔드 합금강들 중에는 HRC 60 이상의 경도를 자랑하기도 합니다.

 

한편, 기본적으로 강철보다 무르지만, 중량은 강철의 절만 이하이며 녹도 슬지 않으며 은빛에다 광택까지 있습니다. 철과는 달리 자석에 붙지 않으며 열, 전기 전도도가 낮은 편입니다. 그리고 탄성과 생체 친화도가 높아 임플란트 등에서도 쓰입니다. 합금으로 했을 경우 강철보다 강도가 강해지고, 스테인리스 계열 합금 중에서도 뛰어난 내마모성과 최고급의 내식성을 지니고 있습니다.

 

이러한 특징으로 형성 기억 합금이 되는 합금으로 경량합금의 필수요소로 등극할 만큼 수많은 장점을 가지고 있습니다. 장점을 바탕으로 용도가 다양한 금속이나 그만큼 제련이 매우 어렵고 그 때문에 비싼 편에 속합니다. 비슷하게 제련이 어려운 알루미늄과 닮아서 그런지 지구상에 의외로 많은 양이 매장되어 있습니다.

 

지구상에 매장되어 있는 금속이라지만 20세기에 들어서야 겨우 사용되기 시작되었으며 특히 마하 3의 초음속 정찰기 SR-71을 개발하는 것에 항공기 제작에 널리 사용하고 있습니다. 당시 매우 비싸고 가공하기 어려운 소재로 항공기 설계자들이 환상의 소재라는 뜻으로 Unobtainium이라는 별명을 붙이기도 했습니다.

 

이어 티타늄-금 합금은 티타늄에 골드(Ti-Au)라고 불리는데 금의 특성이 상당히 부드러운 편이지만 티타늄 3 대 금 1 비율로 합금을 제작하면 아주 튼튼하고 극한 인장 강도도 높은 결과물이 나온다는 연구결과가 2016년에 발표, 일반 티타늄에 비해 4배 이상 강도를 자랑한다고 합니다.

 

하지만 비싼 가격으로 인하여 금의 무게가 티타늄의 장점인 가벼움을 상쇄하기 때문에 공업용으로는 잘 사용되지 않고 있습니다. 하지만 지금도 치과 보정물, 장식품, 수저 등에 사용됩니다. 고성능 자동차의 배기장치, 가벼운 내열성과 내식성이 뛰어나기 때문에 티타늄 합금을 배기라인에 정용하는 등, 애프터마켓 제조사로는 아크라포빅이 가장 유명하며 가격은 대부분 기본적으로 1,000만 원이 넘어가기도 합니다.

 

가볍고 강한 장점을 살려 애플 맥킨토시 컴퓨터의 초창기 노트북인 PowerBook G4에는 티타늄을 케이스의 상판과 하판의 재료로 쓴 적도 있었지만, 재료가 비싼 원가나 제작이 어려움, 그리고 티타늄이 강도는 크지만 탄성이 부족하여 충격에 약하다는 단점 깨지고 갈라지는 등의 현상으로 기계적 문제가 결국은 알루미늄으로 대체되었습니다. 하지만 현재에는 애플 워치로 Apple Watch Series 5부터는 티타늄 시계 케이스를 적용한 최상위 모델이 있습니다.

티타늄 이미지 6

티타늄 이미지 7

티타늄 이미지 8

티타늄의 제련 과정.

티타늄은 어려운 제련 과정 때문에 가격이 비싸다는 단점이 있습니다. 보통 티타늄은 산소(또는 철)와의 화합물 형태로 자연계에 존재합니다. 이 산소를 떼기 위해 염소를 끓여 부은 뒤, 생성된 사염화 티타늄(TiCI4)을 가스로 만들어야 하고, 여기서 염소를 분리하기 위해 고온 고압 상태에서 마그네슘을 집어넣어야 합니다.

 

염소와 마그네슘은 모두 반응성이 좋고 염소는 독가스로 쓰인 적이 있는 유독성 원소로 안정장비와 시설이 필요합니다. 그리고도 나오는 것은 스펀지 형태의 부서지기 쉬운 티타늄 덩어리입니다. 이 것을 '스펀지 티타늄'이라고 불리기도 합니다. 끝으로 스펀지 티타늄을 녹여 덩어리로 만들어야 합니다. 티타늄의 녹는점은 1668°C 여서 철보다 높은 온도에서 녹기 때문에 철보다 제련에 많은 에너지가 필요합니다.

 

즉, 제련 과정이나 가공과정에서 에너지가 많이 들어가기 때문에 전력이나 가스 가격이 싼 국가에서 채산성이 맞을 수 있습니다. 이 티타늄 추출 기술은 그동안 미국, 러시아, 일본, 중국, 유럽만 가지고 있었으며 2009년 6월 한국에서도 개발에 성공하였습니다. 2010년에서는 포스코에서 상업적인 판매도 개시했다고 합니다.

 

그전까지 전량 수입하였으며 중국산 티타늄이 상대적으로 값이 싸 많이 사용했다고 하며 국내의 티타늄 광산은 강원도 양양군에 약 2천만 톤 규모로 있으며, 경기도 연천과 경상남도 하동에 소규모로 존재하고 있습니다. 다만 경제성 등의 문제로 포스코에서 티타늄 원석을 카자흐스탄 합작회사를 통하여 카자흐스탄에서 수입, 티타늄 강판을 생상하고 있습니다. 티타늄 합금은 2016년에 들어서야 생산이 시작되었다고 합니다.

 

한편, 한국지질자원연구원은 2012년부터 2015년까지의 탄사로 태백-삼척-봉화 면산층에서 티타늄-철 자원을 발견, 자원량은 약 8500만 톤, 품위는 6.95~9.1%라고 합니다. 비교 대상으로는 유럽 최대의 티타늄 광산 노르웨이에 있는 Tellnes mine이며 자원은 3억 톤, 품위는 18%라고 합니다. 세계 최대 규모에는 미치지 못하지만 적지 않은 양으로 발견되었습니다.

 

이로써 티타늄 소재는 가공이 어려우므로 두꺼운 판이나 굵은 봉보다 가공 품이 많이 드는 얇은 판이나 철사 파이프 등이 더 비싸고 제련된 티탄재 값으로는 현재 국제시세가 톤당 8500달러가량 과거 톤당 4만 달러 하던 시절에 비하여 엄청나게 내려갔다고 합니다.

 

마치며.

티타늄 소재는 영화에서도 많은 나왔다고 합니다. 코믹스판에서 소련의 '보리스 불스키'라는 군인이 이 재질로 만든 아이언맨 슈트인 티타늄 맨을 개발, 영화 주인공 토니에게 국가 대 국가로 대결 신청을 했었습니다. 아이언맨이 만전의 상태가 아니어서 고생하는 일이 있었으나 어찌어찌 아이언맨이 이기긴 했습니다.

 

현실에서는 금과 티타늄 합금인 티타늄 골드(Ti-Au)가 있긴 하지만, 보통은 금니 등에 사용하는 것으로 내식성이 강하지만 무른 금을 티타늄의 강도로 보강하기 위해 합금으로 만들 수 있습니다. 티타늄부터가 총알도 잘 막아내고 그것보다 몇 배 강한 티타늄 골드가 매우 강인한 소재이긴 하지만 이걸로 영화에 나오는 것처럼 기관포를 막거나 전차의 대공포까지 막는 것은 매우 비현실적으로 보일 수 있다고 합니다.

 

문명이 발달하면서 좀 더 발전한 기술로 티타늄을 제련한다면 조금 더 영화와 비슷한 물질이 나오지 않을까 생각이 듭니다. 이러한 티타늄에 대해 알아보았습니다.