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22 Ti
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분류
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전이 원소
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상태
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고체
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원자량
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47.867
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밀도
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4.506 g/cm3
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녹는점
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1668 °C
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끓는점
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3387 °C
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용융열
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14.15 kJ/mol
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증발열
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425 kJ/mol
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원자가
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4
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이온화에너지
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658.8, 1309.8, 2652.5 kJ/mol
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전기음성도
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1.54
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전자친화도
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7.6 kJ/mol
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발견
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W. Gregor (1791)
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CAS 등록번호
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7440-32-6
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티타늄
원소기호 Ti, 원자번호 22. 티탄 혹은 티타늄. 대한화학회에서 권장하는 이름은 타이타늄(Titanium)이다. 영어 발음은 타이테이니엄. 한자로는 鈦(钛 - 티타늄 태)로 쓰고, 중국어 발음은 타이(tài). 어원은 그리스어로 거인을 뜻하는 티탄(titan).
결정구조는 육각 밀집 결정이며, 공간군은 P63/mmc이다.
티타늄은 질량비 기준 9번째로 풍부한 원소이며, 생물과 석탄을 이루는 탄소보다도 많아 가격이 싸야 하지만, 제련과 가공이 까다로운 난삭재라서 상대적으로 비싸다.
영국의 성직자이자 광물학자였던 윌리엄 그레거가 1791년 콘월 남부의 마나카 계곡에서 발견해 마나카나이트라고 명명했다. 같은 해, 독일 화학자 마르틴 하인리히 클라프로트 또한 금홍석에서 이산화티타늄을 추출하고 이를 티타늄이라 명명했다. 최초 발견자는 그레거로 인정되었으나 티타늄이 정식 명칭이 됐다.
산화티타늄이 아닌 순수한 티타늄을 최초로 추출한 것은 1825년 왼스 베르셀리우스이다.
종류
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종류
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Grade 1
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Grade 2
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Grade 3
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Grade 4
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질소
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0.03 % 이하
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0.05 % 이하
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탄소
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0.08 % 이하
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수소
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0.015 % 이하
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산소
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0.18 % 이하
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0.25 % 이하
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0.35 % 이하
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0.40 % 이하
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철
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0.20 % 이하
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0.30 % 이하
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0.50 % 이하
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상용 티타늄은 불순물의 함량에 따라 등급(Grade)으로 분류된다. 시중에 유통되는 티타늄은 CP(Commercially Pure) 티타늄라고 부르는데, 질소, 탄소, 수소, 산소, 철의 함량에 따라 1, 2, 3, 4등급으로 나뉜다.
가장 불순물이 적은 것이 1 등급이다. 하지만 등급별로 인장강도, 내부식성, 내마모성, 열전도율 등의 상이한 특성을 분류하는 기준일 뿐이다. 등급이 가격이나 고급 재료를 나타내지 않는다.
5등급부터는 티타늄 합금(Titanium Alloy)으로 분류된다. 대표적인 티타늄 합금으로는 Grade 5(6AL-4V = TC4)8, Grade 7(Ti-0.15Pd), Grade 12(Ti0.3Mo0.8Ni), Grade 23(6AL-4V Eli) 등이 있다.
무궁무진한 용도
기본적으론 중량은 강철의 절반 이하 정도로 상당히 가볍고, 녹도 슬지 않는데 은빛에다 광택까지 나며, 철과는 달리 자석에 붙지 않으면서 열·전기 전도도가 낮은 편이다. 그리고 탄성과 생체 친화도가 높아 임플란트 등에서도 쓰이며, 합금했을 경우 동일 중량의 강철보다 강도가 강해지고(=높은 비강도), 스테인리스 계열 합금 중에서도 뛰어난 내마모성과 최고급의 내식성을 지니는데다, 형상기억합금이 되는 합금도 있기 때문에 경량합금의 필수요소로 등극할 만큼 수많은 장점을 갖고 있다.10
단 티타늄은 강철보다 단단하고 튼튼하다는 대중적 인식은 반은 틀리다. 순수 티타늄(즉 합금이 아닌)은 의외로 강철에 비해 무르며, 티타늄 합금도 동일 체적의 강철에 비하면 인장강도가 낮다. 실제로 공학에서 순수 티타늄으로 인정되는 티타늄의 인장강도는 25(Grade 1)~56(Grade 4) kgf/㎟12인데, 순수 티타늄으로는 사실상 이 기준을 충족할 수 없어, 기본적으로 철을 혼합한 티타늄-철 합금을 순수 티타늄으로 쳐줄 정도다. 게다가 이런 "순수" 티타늄은 구조재로 사용하기에 강도가 너무 약하며, 부식에 저항하는 자재(내부식재)로 이용하려는 것이 아니라면 그대로는 쓸 수 없다.
경도 또한 마찬가지로, 티타늄을 메인으로 한 합금들은 HRC 기준 20~40대, 정말 높아야 간신히 50대에 턱걸이하는 수준인데, 이 정도로는 사실 부엌칼로 쓰기도 힘들다. 반면 강철은 평범한 탄소강(1050~1095)13만 해도 기본적으로 HRC 50대 중후반이며, BÖHLER나 Crucible 등 전문업체에서 생산하는 최신 하이엔드 합금강들 중에는 HRC 60 이상의 경도를 자랑하면서 강도와 내부식성도 뛰어난 제품들도 많다. 그리고 이런 하이엔드 강재들은 웬만한 티타늄 합금보다도 비싸다.
그러나 티타늄이 강철보다 약하다는 건 어디까지나 상온 1기압 환경을 기준으로 한 것이고, 티타늄의 진가는 극한에 가까워지는 환경에서 드러난다. 녹는점이 철보다 높아 좀 더 높은 온도의 고온에 잘견디고 열전도도가 낮아 열이 퍼지는 속도가 느려 강철과 같이 고온 환경에서 순식간에 물러지는 점이 적다. 또한 내부식성이 좋기 때문에 아무리 스테인리스강이라 할지라도 바닷물에는 장사 없는 철에 비해 바닷물도 버틴다. 물론 내열내압성으로는 초경합금으로 불리는 소결탄화물이 지존이지만, 소결탄화물은 중금속 기반인지라 지나치게 무겁고 연성이 없기에 무게 절감과 탄성이 필요한 영역에서 유리하다. 하지만 이러한 장점 덕분에 티타늄은 대표적인 난삭재로서 열전도도가 낮아 가공이 힘든14 성질이 있으나, 가벼우면서도 고온에서도 강성을 유지하고 바닷물에 부식되지도 않으므로 제트엔진 내부와 극초음속 항공기 외장의 재료로서는 필수적이며 잠수함 함체의 재료로서도 강철보다 우월하다.
이렇게 매우 용도가 다양한 금속이지만, 상기한 낮은 열전도율과 고온에서 물러지지 않는 특성 때문에 제련이 매우 어렵고 그래서 무지하게 비싼 것이 단점이다. 비슷하게 제련이 어려운 알루미늄과 닮아서 그런지 지구상에 의외로 많은 양이 매장되어 있지만 가공이 매우 어려운 금속이라서 20세기에 들어서야 겨우 사용되기 시작했고, 초음속 정찰기 SR-71 등을 시작으로 항공기 제작에 널리 쓰이기 시작했다. 그 당시에는 매우 비싸고 가공하기 어려운 소재로 항공기 설계자들이 환상의 소재라는 뜻의 언옵테늄(Unobtainium)이라는 별명을 붙일 정도였다. 현대에 와서는 대량생산이 가능해져서 알루미늄의 3-4배 정도의 가격으로 가격이 많이 내려갔다.
고온에서 질소와 반응해 티타늄 나이트라이드(질화 티탄, TiN)가 되는데, 이 소재로 코팅을 하면 내마모성이 굉장히 좋아져서 공작 도구를 만들 때 쓰이다가 나중에는 공구나 테니스 라켓 같은, 보다 일상적인 용품의 소재에도 절찬리에 사용되기 시작했다. 그 외에도 화학적 저항성이 요구되는 단단한 물건이나 경량 합금 제작에는 반드시 들어가고, 극한 상황에서 가격을 생각하지 않고 가볍고 튼튼한 재료가 필요하다면 티타늄밖에 없다.
하나 이로 인해 간혹 양심 없는 업자들이 자기네 제품에 '티타늄을 썼다'고 광고해놓고는 저질 알루미늄으로 때우는 경우(가끔 겉에만 살짝 코팅해 놓는 경우도 보인다)도 많다. 제품을 정말 티타늄으로 만들었는지 알아보고 싶으면 금속을 연마하는 숫돌에 갈아 보면 되는데, 티타늄이라면 밝은 흰색 불꽃이 튈 것이다.
녹슬지 않고 단단한 것이 필요하다면 TiN 또는 TiAlN으로 코팅해주면 끝내준다. 많은 절삭공구의 표면을 이걸로 코팅하며,1617 부식에 강한 점을 이용해 핵폐기물 컨테이너와 폐기물 저장소의 보호재로도 사용한다.
고온에서 산소와 반응해 이산화티타늄(하얀색 페인트 재료)이 되는데, 밥 아저씨가 좋아하는 물감 중 하나인 '티타늄 화이트'가 이것이다. 이산화티타늄 분말은 매우 고운 백색 가루인데, 백색의 안료 중에서 값도 싸고, 높은 반사율과 불투명도를 자랑하며, 다른 백색 안료인 이산화납이 유해물질인데 반해 이산화티타늄은 체내에서 반응하지 않아 인체유해성도 없다. 때문에 백색 물감이나 백색 페인트의 재료로 널리 쓰이고, 학용품 중 수정테이프, 수정액에도 사용된다. 또한 피부에 발라 햇빛을 차단하는 선크림에도 잘 들어갈 정도로 매우 안전한 물질이다. 아주 얇게 발라도 빛을 대부분 반사해버려 통과하지 못하게 막아주는 막을 형성한다.
이산화티타늄은 생체에 대해 매우 안전한 편이라고 알려져 있어 사탕과 초콜릿, 청량음료, 캡슐 알약 표면등에 쓰이는 흰색 식용색소 식품첨가물로도 흔히 쓰인다. 다만 세계보건기구(WHO) 산하의 국제암연구소(IARC)에 따르면 분말 상태를 호흡기로 흡입하면 발암 가능성이 있다(Group 2B)고 한다.
이산화티타늄의 또 다른 용도가 있는데, 광촉매의 역할이다. 이는 수소자동차 등의 수소 원료의 최대의 단점 중 하나인 "결국 수소를 얻는 가장 쉬운 방법은 물의 분해인데, 여기에 드는 에너지는 결국은 화석 연료로 생산할 수밖에 없다"는 문제를 해결하기 위한 것이다. 즉, 물에 광촉매를 풀어놓고 태양빛을 내리쬐면 큰 에너지를 들이지 않고 수소를 얻을 수 있다. 이산화티타늄은 1967년에 처음으로 광촉매로 사용할 수 있음이 증명되었기 때문에 꽤나 유래가 깊은 광촉매 중 하나로, 현재로서는 태양빛의 4~5%에 불과한 자외선에만 반응하는 것이 단점으로 꼽힌다.
서방세계에서는 대략 60년대 후반 SR-71 블랙버드를 만드는 과정에서 소련산 티타늄을 대량으로 사용18함으로써 처음으로 항공기에 대량 사용되었으며, 그 이후 티타늄은 항공기 재료로서의 이미지를 확립했다. 단 워낙에 비싼 금속이기 때문에, 일반적으로는 매우 큰 강도가 필요한 부분(이를테면 주날개와 동체를 연결하는 뿌리 부분)이나, 고온에 노출되는 엔진 근처의 방열판이나, 승무원을 보호하기 위해 조종석 주위 같은 곳에만 제한적으로 쓰인다. SR-71 블랙버드는 마하 3으로 나는 동안 미칠듯한 대기마찰로 고온이 발생하므로 동체 외피에도 상당량의 티타늄을 썼지만, 누가 티타늄 아니랄까봐 마하 3의 마찰열을 받자 오히려 열처리 비슷한 현상이 일어나서 외피가 더 견고해졌다고 한다.
SR-71 블랙버드의 대부분은 소련산 티타늄으로 만들어졌다. 소련을 감시하던 정찰기의 주 재료가 소련제라는 게 아이러니. 소련 붕괴 후 러시아가 자본주의 국가가 되면서 현재도 항공용 티타늄을 미국에 수출하고 있다.
미국은 심지어 155mm 견인포에도 이 비싼 티타늄을 사용한다. M777이 그 주인공인데, 덕분에 견인포 주제에 웬만한 자주포보다도 더 비싸다. 미국은 다른 나라들처럼 견인포를 대량으로 운용할 생각도 없고, 있다 한들 아프간 같은 산악지대에서 차량 견인포는 쓰기 어렵다는 이유로 헬리콥터가 운반할 수 있을 만큼 가볍고 튼튼한 견인포를 소수만 굴리는 선택을 한 것이다. 견인포 없어도 좌표 찍어주고 무전만 하면 금세 아군이 폭탄달고 날아오기도 하고.
러시아 같은 경우는 굳이 항공기에 비싼 티타늄을 쓸 필요 없다고 생각했는지 80년대까지도 항공기에 대부분 강철과 알루미늄, 두랄루민 등을 사용했고, Su-27 계열에 와서야 티타늄을 제대로 활용하기 시작했다. 그러나 비슷한 시기에 제작된 MiG-29는 여전히 강철도 많이 쓴다. 대표적으로 위에 SR-71처럼 마하 3으로 나는 MiG-25도 강철, 알루미늄, 은 합금으로 만들었다. 소수만 제작된 정찰기인 SR-71과 다르게 Mig-25는 대량 생산해야 했기에 티타늄을 쓰기에는 부담스러웠던 것.
하지만 러시아가 티타늄 가공기술이 없던 것은 아니라서 잠수함과 탱크를 만드는 데는 아낌없이 사용했다. 일례로 소비에트 연방이 알파급과 시에라급 잠수함의 선체를 이걸로 만들었는데 안전 잠항심도가 700m까지 가는 괴력을 보여주었다. 이는 일반적인 대형 잠수함의 잠항심도 3배가량이나 되는 능력이었으며, 서방제 어뢰보다 더 깊이 잠수할 수 있는 깊이었다.
그런가 하면 T-80U에 장갑재 일부에 순수하게 전차 무게를 줄이려고 사용되었다고 한다. 경제관념이 희박했던 구소련 시절에 설계되어 가능했다고 판단된다. 그런가 하면 구소련 특수부대에게 지급할 방탄모에 쓸 합성섬유 기술력이 떨어지고, 방탄모 만들 재질도 없어서 티타늄으로 만든 헬멧을 사용하기도 했다.
또한 생체조직과의 궁합 또한 좋아서, 금속에 의한 생체조직의 악영향이 없고, 도리어 티타늄 조직을 중심으로 뼈조직이 형성되어 융합되는 성질마저 보이는지라 각종 정형외과 수술과20 치과 임플란트에 사용된다. 이 생체 성질의 발견은 1952년 스웨덴의 의사 페르 잉바르 브로네마르크가 골수의 혈액 생성을 보려고 토끼의 넓적다리뼈에다 빛이 투과하는 달걀 속껍질 수준의 얇은 티타늄 창을 달아 관찰했는데, 관찰이 끝나고 다른데 쓰려고 보니 금속에 뼈가 들러붙어 있는 것을 매번 겪게 되면서 발견해낸 것. 이 발견으로 인해 보철물 기술이 비약적으로 발전하게 되었다.
안경테 재료로도 단연 독보적으로, 티타늄 안경테는 가벼우면서도 단단하다. 단지 안경테 하나에 최소 10만 원이 넘어가는 것이 문제. 그 밖에 의족, 치아교정기구 등에도 사용한다. (형상기억합금) 인체에 무해하고 튼튼하며 가볍기 때문인지 피어싱에도 많이 쓰인다.
특성에 주목하여 만년필에도 티타늄을 사용하는 경우가 있다. 대표적으로 1970년대 파커는 T-1이라는 인테그럴 닙의 만년필을 생산했었다. 역시 생산성이 극히 떨어지고 티핑이 잘 떨어져 버리는 문제 때문에 약 10만 개밖에 생산되지 못했다. 요즘도 오마스라든가 코니드같은 업체들은 티타늄 닙을 만들기도 한다. 코니드의 티타늄 닙 가격은 55유로로, 약 7만 원이다. 유명 브랜드들의 금닙보다는 싸다.
자전거 부품에서도 각광을 받는 재료 중 하나였다. 금속 중 상당히 가볍고 튼튼해서 쓰이긴 하는데 일단 이 소재를 쓴다면 그놈의 가공의 어려움 때문에 가격이 높이 올라가게 된다. 또한 알루미늄도 제대로 만들면 충분한 강성을 지니는데 티타늄보다 가볍게 만들 수 있으며, 자전거 프레임에서 티타늄은 무게 대비 강성은 카본에 밀리고 순수 강성은 크로몰리에 밀리는 애매한 포지션이었던지라 유명 메이커들은 티타늄이 유행하던 시기에도 티타늄을 건들지 않았으며, 결국 카본이 고급 자전거 프레임계를 점령하면서 티타늄은 도태되어 사라졌다.
골프클럽에도 도입되었으며 높은 탄성도가 문제가 되는 드라이버 헤드의 경우는 타소재를 압도한다.
현재는 비행기 등을 생산할 때, 볼트와 너트를 주로 티타늄 합금으로 쓴다. 녹이 잘 안 슬고, 강도가 매우 강하기 때문. 그러나 그 비싼 가격이 골칫덩이로 볼트와 너트 하나에 대략 1만 원이나 하는데, 비행기 하나에 수십만 개가 들어가는지라 나사 값만 수십억 이상이다.
음향기기에 들어가는 듀서에 코팅하기도 하는데, 이렇게 하면 대체로 고음 부분이 늘어난다고 한다. 또한, 스피커의 고음을 담당하는 트위터를 티타늄으로 만들면, 특유의 가벼움과 강도 덕분에 매우 우수한 반응속도와 선명한 고음을 내어준다고 한다.
티타늄의 쓰임새는 이게 끝이 아니고, 수정 등에 코팅해서 오색찬란한 빛을 내기도 한다!23 이는 신비학 중에서도 보석에 관련해 자주 응용된다. 간혹 생활용품 매장에서 무지개색으로 반짝거리는 식기를 볼 수 있는 경우가 있는데 티타늄 도금을 해서 그런 색을 내는 것이다.
하여간 가볍고, 튼튼하고, 반응성이 적고, 인체조직과도 융합하고, 형상기억합금처럼 특수한 물건에는 웬만하면 들어가며 아름답기까지 한 금속.
손목시계의 러그, 베젤, 케이스, 시계줄 등의 재료로 스테인리스 스틸과 더불어 양대 산맥이다. 스테인리스 스틸보다 가벼워서 시계 무게를 줄이기 용이하고, 땀과 소금물에도 강하기도 하는 등 스테인리스 스틸의 여러 단점들을 보완한다. 한가지 단점은 경도가 낮아 흔히 말하는 '기스'가 스테인리스스틸보다 잘 난다는 것인데, 이마저도 특수 연마코팅 처리를 하게 되면 스테인리스 스틸보다 훨씬 강력해져 기스나 흠집이 잘 생기지 않는다. 보통 티타늄 케이스나 베젤은 보급 라인이 아닌 최소 중급형 라인 이상에 적용되고, 이러한 시계는 비슷한 모델군이라도 스테인리스 스틸을 사용한 시계보다 더 비싸다. 다만 시계 자체가 실용품이라기보다는 장식 사치재의 역할로 바뀌었는지라 크게 가격 문제가 부각되지는 않는 편.
하지만 냉병기만큼은 티타늄을 적용하기 어렵다. 대량 보급해야 하는 병기의 가성비가 나빠진다는 점은 무시하더라도, 일단 날을 세우거나 형태를 만드는 가공이 매우 어렵고, 동일 부피에서는 강철 합금의 강도를 따라가기 힘들기 때문이다.25 강철이 녹은 슬겠지만 강도부터 앞서는데 병기로 보급되는 물건이라면 녹이 생기는 문제를 해결한 군수지원 정도는 당연히 제공될 것이기에 가성비를 이길 가능성이 낮다. 따라서 이러한 이유로 인하여 아무리 금속공학이 발전해도 결국 냉병기는 강철합금으로 만들어질 가능성이 높다. 다만 현대의 티타늄제 장비들과 마찬가지로 제식 병기로 쓰기 힘들다는 것이지, 가성비 문제만 눈감아준다면 사용될 수도 있다. 강철에 맞먹는 강도와 가벼움 자체를 원하는 사막이나 습지 같은 험한 환경에서 사용하는 서바이벌 나이프 같은 것이 좋은 예. 특히 바다속에서 사용할 목적의 다이버 나이프 같은 경우, 강한 내식성을 요구하기 때문에 티타늄으로 만든 물건들이 대부분이다.
무장으로는 가벼운 장점을 살려 방탄복의 삽입재로 많이 쓰였다. 케블라 방탄복 안에 티타늄 패널을 내장하는 식. 미군이나 러시아군의 방탄복, 방탄모에 들어갔었는데, 현재는 더 방호력이 강한 세라믹 플레이트를 쓴다. 가벼운 무게 때문에 각종 공격헬기나 항공기의 구조 일부에도 들어간다.
건프라에서도 MG 유니콘 건담 Ver. Ka를 시작으로 일부 제품에 티타늄 피니쉬라는 이름으로 출시되었다. 런너에 칠해진 도료 마감 과정에서 티타늄 성분이 들어간 마감제로 코팅하는 방식.
티타늄-금 합금은 티타늄 골드(Ti-Au)라 부르는데, 금은 금속 중에서 상당히 부드러운 편이지만 티타늄 3 : 금 1 비율로 합금을 제작하면 아주 튼튼하고 극한 인장 강도도 높은 결과물이 나온다. 2016년 연구결과에 따르면 일반 티타늄에 비해 4배 이상 강도를 자랑한다고. 물론 비싼 것 + 비싼 것인지라 가격은 안드로메다로 가는 데다 금의 무게(밀도가 철의 2.5배다)가 티타늄의 장점인 가벼움을 상쇄하기 때문에 공업용으로는 잘 쓰이지 않고, 지금은 치과 보정물, 장식품, 수저에 쓰인다.
고성능 자동차의 배기장치에 자주 사용된다. 가볍고 내열성과 내식성이 뛰어나기 때문에 티타늄 합금을 배기라인에 적용하는 경우가 많다. 애프터마켓 제조사로는 아크라포빅이 가장 유명하며 가격은 대부분 기본적으로 1,000만원을 호가한다. 티타늄 배기를 장착 할 경우 대략 5~10kg 정도의 무게를 감량 할 수 있으며 초고가의 스포츠카나 바이크의 경우 현가하질량 감소를 목적으로 댐퍼에 티타늄 스프링을 적용하는 경우도 있다.26 페라리는 자사의 모델에 옵션으로 티타늄 휠 볼트를 제공하기도 한다.
전자기기의 외부 마감으로도 사용되고 있다. Apple 맥킨토시 컴퓨터의 초창기 노트북인 PowerBook G4는 티타늄을 케이스의 상판과 하판의 재료로 쓴 적도 있다. 하지만 비싼 원가나 제작의 어려움, 여러 기계적인 문제로 결국 후기형의 마감은 알루미늄으로 대체되었다. 구체적 문제점은 PowerBook G4 의 주석 참조. 과거 티타늄은 전자기기에 사용되기 어렵다고 생각해왔지만, 티타늄의 가공 기술이 점점 발전해가면서 가볍고 강도가 강하다는 장점을 살려 티타늄을 전자기기에 다시 사용하기 시작했다. 가장 대표적인 제품으로 Apple의 스마트워치 Apple Watch의 시리즈 중 Apple Watch Series 5부터 Apple Watch Series 7까지 외부 마감으로 티타늄을 선택할 수 있었다. 그러나 Apple Watch Series 8부터 티타늄 마감이 제외되고, 함께 출시된 새로운 제품인 Apple Watch Ultra에 티타늄을 적용하면서 티타늄 마감을 이어갔다.
스마트폰에서는 2017년 Essential Phone에서 처음으로 측면 소재로 사용했으며, Apple도 2023년 출시한 스마트폰 iPhone 15 Pro와 iPhone 15 Pro Max에도 iPhone X부터 전작인 iPhone 14 Pro까지 사용되었던 스테인리스 마감 대신 티타늄 합금27을 사용하기 시작했다. 삼성전자 역시 2024년 상반기 출시된 갤럭시 S24 Ultra28의 새로운 마감으로 채택되었다.
손전등도 티타늄을 이용하여 제작되기도 한다. 광택 티타늄은 빛깔이 이쁜 은색이며, 스톤워시는 특유의 거친 재질이 매력적인지 티타늄 소재의 손전등이 꽤 팔리는 편이다. 다만 티타늄은 열 전도율이 높지 않아 발열 해소에 불리하므로 LED가 장착되는 헤드 부분은 구리로 제작하기도 한다.
순수 티타늄과 자주 쓰이는 Grade 2 합금은 열전도율이 아주 낮은 편은 아니지만, 또 자주 쓰이는 Grade 5 합금의 열전도율은 흔히 쓰이는 금속 재료 중 가장 낮은 축에 들기 때문에 단열판을 만드는데 사용되기도 한다. 예를 들어, 고가의 스포츠카나 레이스카의 캘리퍼 피스톤이라던가 브레이크 패드 뒤에 들어가는 판으로 쓰이는데, 브레이크 열이 브레이크액으로 전달되어 수명이 짧아지고 베이퍼 록 현상 등이 발생하는 것을 방지한다. 열전도율이 Grade 5보다 낮은 정도는 아니지만 꽤 낮은 스테인레스 스틸도 이런 용도에 쓰이는데, 브레이크 부품에 쓰기에는 고온에서 변형이 우려되어 티타늄이 사용된다.
어려운 제련과정
하지만, 티타늄은 어려운 제련 과정 때문에 가격이 비싸다.
티타늄은 보통 산소(또는 철)와의 화합물인 티탄철석의 형태로 자연계에 존재한다.29 이 산소를 떼기 위해 염소를 끓여 부은 뒤, 생성30된 사염화티타늄(TiCl4)을 가스로 만들어야 하고, 여기서 염소를 분리하기 위해 고온 고압 상태에서 마그네슘을 집어넣어야 한다. 이건 개량된 공법인 Kroll Process고, 최초로 금속 티타늄은 1910년 렌슬리어 공과대학교의 교수였던 뉴질랜드계 화학자 매튜 A. 헌터가 개발한 헌터 프로세스로 세상에 나왔다. 여튼 헌터 프로세스에서는 나트륨을 TiCl4에 투척했는데, 이후 1940년 룩셈부르크 화학자인 William Justin Kroll이 헌터 프로세스에서 관리하기 까다로운 금속 나트륨 대신 마그네슘 투척을 개발한다.
염소와 마그네슘, 그리고 지금은 경제성에 밀렸지만, 마그네슘보다 더 높은 순도를 보증하는 나트륨은 모두 반응성이 좋고 염소는 독가스로 쓰인 적이 있는 유독성 원소로 안전장비와 시설이 필요하다. 그러고도 나오는 것은 스펀지 형태의 부서지기 쉬운 티타늄 덩어리이다. 이 것을 '스펀지 티타늄'이라고 부른다. 끝으로 스펀지 티타늄을 녹여 덩어리로 만든다. 그리고 티타늄의 녹는점은 1668 °C 여서 철보다 높은 온도에서 녹기에 철보다 제련에 많은 에너지를 필요로 한다. 즉 제련 과정이나 가공과정에서 에너지가 많이 들어가기 때문에 전력이나 가스 가격이 싼 국가여야 채산성이 맞는다.
이 티타늄 추출 기술은 그동안 미국, 러시아, 일본, 중국, 유럽만 가지고 있었다가 2009년 6월에 한국에서도 개발했다. 2010년 들어서는 포스코에서 상업적인 판매도 개시했다. 그 전까진 전량 수입했다고 하며 중국산 티타늄이 상대적으로 값이 싸 많이 사용했다고 한다. 국내의 티타늄 광산은 강원도 양양군에 약 2천만톤 규모로, 경기도 연천과 경상남도 하동에 소규모로 존재한다. 다만 경제성 등의 문제로 포스코에서 티타늄 원석은 카자흐스탄 합작회사를 통하여 카자흐스탄에서 수입하여 티타늄 강판을 생산하며 티타늄 합금은 2016년 들어서야 생산하기 시작했다.
한국지질자원연구원은 2012년부터 2015년까지의 탐사로 태백-삼척-봉화 면산층에서 티타늄-철 자원을 발견했다. 자원량은 약 8500만톤, 품위는 6.95~9.1%이다. 비교 대상으로 유럽 최대의 티타늄 광산은 노르웨이에 있는 Tellnes mine인데 자원량은 3억톤, 품위는 18%이다. 세계 최대 규모에는 미치지 못하지만 적지 않은 양임을 알 수 있다. 단 Tellnes mine은 노천 광산이다.
티타늄 소재는 가공이 어려우므로 두꺼운 판이나 굵은 봉보다 가공 품이 많이 드는 얇은 판이나 철사 파이프 등이 더 비싸다. 제련된 티탄재 값으로는 현재 국제시세가 톤당 8500달러 가량. 과거 톤당 4만달러 하던 시절에 비하면 엄청나게 내려간 것이다.
어려운 가공
티타늄은 쓸만한 재질로 만들기도 힘들지만, 가공하는 것도 쉽지 않다. 절삭가공의 경우 대표적인 난삭재로 분류되며, 열전도가 낮은 특성으로 깎아내는 중에 열을 머금고 부서져 버리는 경우가 있다. 재료와 절삭날 둘 다... 다량의 절삭유를 들이붓고 천천히 깎아내면 어느 정도 해결된다지만, 이미 이쯤 되면 슥슥 깎아내는 강철에 비해 생산성이 떨어진다. 가공이 어렵다보니 투입한 소재 무게 대비 절삭 등으로 깎여나가는 손실분 비중이 최종 완성제품보다 큰 경우도 많아 소재이용률이 낮다. 심지어는 가공과정에 절삭시 냉각용으로 수돗물을 쓰면 수돗물의 염소와 반응하여 여름에는 부식이 생기는 등 다루기도 까다롭다. 가공이 어려워 SR-71 개발 초창기에는 소재의 90%를 절삭이나 절단으로 잘라 버리고 실패율도 높아서 티타늄 소재 무게의 10%만 실제 부품에 사용되는 극악의 가공성을 보여주었다. 소재도 비싼데 소재 이용율도 나쁘니 가공된 부품의 가격이 천정부지로 솟구쳐 버리는 게 당연했다.
높은 탄성도 문제가 되는데, 절삭날이 닿으면 고무공처럼 들어갔다가 돌아오는 현상(탄성 복귀)이 생기기도 한다. 뭐 방전가공을 하면 할만하다지만, 이쪽은 정밀도가 떨어지는 경향이 있다. 냉간단조나 열간단조도 쉽지 않다. 냉간단조는 쉽게 깨질 수 있고, 열간단조와 주조는 마그네슘이나 알루미늄 이상의 불꽃놀이가 될 수 있으니 진공 챔버나 불활성 가스를 채워서 작업해야 한다. 이쯤 되면 소규모 대장간이 아닌 항공부품업체나 전차나 장갑차 장갑재 제조업체쯤이 된다. 이 때문에 주요 생산국(미, 러, 중, 일)들은 군수, 항공, 우주, 자동차, 선박산업과 집적시켜 발전하고 있다.
게다가 용접하는 것도 쉽지 않다. TIG 용접 같은 비싸고 어려운 용접을 해야 한다. 다만 2013년 이후 레이저 소결 처리기술의 발달로 복잡한 형상의 구조물이라도 비교적 소형 제품의 경우에는 3D 프린터로 뽑아내고 있다.
하여간 현재의 기술로도 제련, 가공에 들어가는 이러한 문제점들로 인해 그 흔한 존재비율에 비해 여전히 매우 비싼 금속에 해당한다. 하지만, 이산화티타늄의 값은 말도 안되게 싸다.
1kg당 가격을 비교한다면 금속 티타늄 스펀지는 최소가 10만 원 선인데 비해 이산화티타늄은 최대가 2.5만 원 선이다. 금속 티타늄이 최소 10만 원이라는 것도 제련기술의 발전에 따라 많이 떨어진 것이다. 강철 중 일반적으로 쓰이는 물건들은 비싸 봤자(합금공구강) 킬로당 6,500원 이하, 탄소 공구강은 3,000원대 초중반, 철근이나 H빔 같은 일반 철강재는 톤당 100만원대32인 것과 매우 비교된다.
가공이 매우 어려운 티타늄 합금도 초소성(Superplasticity) 기술을 이용하면 쉽게 성형할 수 있다. 초소성은 결정립과 조직이 극도로 미세화된 금속이 재결정 온도 이상에서 (보통 T>0.5Tm: Tm은 녹는 점) 서서히 인장될 때 수백 % 이상 늘어나는 현상이며, 고온에서는 작은 응력으로도 성형이 가능하지만 상온에서는 원래의 높은 강도가 회복된다. 이 현상은 고대 청동기시대와 다마스커스 강에도 있었을 것으로 믿어지지만 현대 재료과학사에서는 1912년에 처음 관찰되어 1934년 Bi-Sn 합금에서 약 2,000%의 신율이 보고되었다. 구소련이 몰래 처음 개발하기 시작한 이 기술은 1960년대에 서방진영도 입수하여 연구를 시작했으며, 그 결과 티타늄, 알루미늄, 마그네슘, 구리 합금과 철강은 물론이고 매우 딱딱하고 깨지기 쉬운 세라믹 소재도 초소성화가 가능해졌다. 초소성화된 티타늄 합금은 600% 이상의 연성을 가질 뿐만 아니라 초소성 성형과 동시에 확산접합도 가능하여(SPF/DB) 복잡한 형상을 여러 조각으로 나누지 않고 일체형으로 제조하는 것이 가능하기 때문에 경량화와 내구성이 요구되는 우주항공 산업에서 중요한 역할을 하고 있다. 미국과 러시아(구소련) 모두 이 기술을 국가기밀로 지정하여 국외 반출과 기술 이전을 엄격히 금지하고 있으나 (당연히 초소성 소재도 반출 금지. 우리나라가 소련 해체 시 이 기술을 이전받으려다 러시아 기술자가 유죄 판결을 받음.) 지금은 우리나라도 자체 연구개발로 알루미늄 합금 등의 초소성화와 티타늄 합금 등의 초소성 성형기술을 보유하고 있다.
화학에서의 응용
티타늄은 금속 자체로도 높은 반응성을 가지고 있지만, 용매의 존재 하에서 이루어지는 대부분의 화학 반응에서 금속 그대로 그 성질을 이용하기가 매우 어렵다. 따라서 사염화티타늄(TiCl4)나 Titanium(IV) isopropoxide처럼 기체나 액체상태, 또는 다양한 리간드들과 결합시켜 유기금속화합물로 만들어 용매에 녹을 수 있게 만들어 그 성질을 이용한다. 산/염기, 라디칼, 광화학 반응 등에서 다양한 곳에 활용되기 때문에 유기 및 무기화학의 다양한 곳에 응용된다. 다양한 산화 상태(oxidation state)와 결합된 리간드의 구조에 따라 기존에는 볼 수 없던 다양한 화학적 특성을 만들어내기 때문에 활발히 연구가 진행되고 있다. 보통 팔라듐/플라티넘/티타늄은 다른 금속보다 뛰어난 효율을 보이는 고급촉매로 이용된다. 다만 이들의 문제는 비싼 가격.
앞서 소개한 사염화티타늄(TiCl4)와 같은 사할로젠화티타늄은 금속에 결합된 4개의 강력한 전자당김기(EWG, Electrowithdrawing group)으로 인하여 매우 높은 산성도를 가지기 때문에 다양한 유기화학 반응에서 루이스 산으로 이용된다. 그 외 간단하면서도 대표적인 유기금속화합물인 Titanium(IV) isopropoxide는 에스터교환반응(Transesterification) 등의 촉매로 활용할 수 있다.
추가적인 가능성의 발견
게다가 현재 산업사회에서 이산화티타늄(TiO2)의 무시무시한 광화학적 반응성이 알려짐에 따라 온갖 분야에서 다 써먹으려고 연구가 진행되고 있다. 간단하게만 열거해보자면 태양광발전, 오염 제거, 압전현상, 박리현상 無, 보호 산화막 등등 연구 중인 분야가 헤아릴 수 없을 정도다.33 게다가 상기한 것처럼 인체에 무해한 편이다. 단, 입자가 나노 수준으로 작아지면 반응성이 달라져 인체에 유해하다는 연구보고가 있다. 일부 자외선 차단제에 함유된 TiO2가 논란이 된 적이 있었던 것도 이 때문. 그러나 아직 인체에 대한 장기적 영향 연구는 미흡한 실정이다. 또한 이차전지의 음극재로 활용해 안정성과 유지력을 극적으로 올릴 수도 있다는 것이 드러나 배터리의 소재로도 들어간다.
단 이산화티타늄의 광화학적 특성은 10년도 더 전부터 보고되어왔다. 하지만 낮은 양자효율(흡수하는 광자 대비 원하는 산물이 나오는 비율)과 흡광 영역이 자외선 영역이라는 점이 주요 문제로 제기되어 왔고 이를 해결하는 연구가 끊임없이 진행되어왔지만 이를 해결하여 이산화티타늄을 쓰느니 다른 기술을 쓰는 게 가성비가 나아서 제한적으로만 사용되는 실정이다. 이러한 분야의 대표적인 예시로는 염료감응형 태양전지가 있다. 개발은 열심히 되어왔지만 결국 실리콘 전지를 넘어서지 못했다.