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타이타늄

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목차

1. 개요

타이타늄은 은백색의 금속으로, 강철과 유사한 강도를 가지면서도 무게는 가볍고, 부식에 강한 특성을 지녀 다양한 산업 분야에서 활용된다. 1791년 발견되었으며, 이산화 타이타늄의 환원 어려움 때문에 오랫동안 상용화되지 못했으나, 헌터 공정, 크롤 공정 등을 거쳐 상업화되었다. 타이타늄은 항공기, 해양, 산업, 소비자 제품, 건축, 보석, 의료 등 광범위한 분야에서 사용되며, 특히 항공우주 분야에서는 높은 강도 대 밀도 비율과 내식성으로 인해 중요한 구조 부품으로 활용된다. 대한민국에서는 강원도 면산 일대에서 대규모 타이타늄 광상이 발견되었다. 타이타늄은 다양한 화합물을 형성하며, 이산화 티타늄(TiO2)은 흰색 안료로 널리 사용된다. 분말 형태에서는 화재 위험이 있으며, 건조 염소 가스나 액체 산소와 접촉 시에도 주의해야 한다.

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타이타늄
기본 정보
티타늄 결정 막대
티타늄 결정 막대
원소 기호Ti
원자 번호22
명명마르틴 하인리히 클라프로트
명명 연도1795년
발견윌리엄 그레고어
발견 연도1791년
첫 분리옌스 야코브 베르셀리우스
첫 분리 연도1825년
물리적 성질
외형은회색 금속
밀도 (상온)4.502 g/cm3
밀도 (융점)4.11 g/cm3
융점1941 K (1668 °C)
비점3560 K (3287 °C)
융해열14.15 kJ/mol
기화열425 kJ/mol
열용량25.060 J/(mol·K)
결정 구조조밀 육방 격자
전기 저항 (20 °C)420 nΩ·m
열전도율21.9 W/(m·K)
열팽창 계수 (20 °C)9.68 µm/(m·K)
음속5090 m/s (막대, 상온)
영률116 GPa
전단 탄성 계수44 GPa
부피 탄성 계수110 GPa
푸아송 비0.32
모스 굳기6.0
비커스 굳기830–3420 MPa
브리넬 굳기716–2770 MPa
원자 정보
원자량47.867(1)
전자 배치[Ar] 4s2 3d2
산화 상태4, 3, 2, 1 (양쪽성 산화물)
전기 음성도1.54 (폴링 척도)
이온화 에너지1차: 658.8 kJ/mol
2차: 1309.8 kJ/mol
3차: 2652.5 kJ/mol
원자 반지름147 pm
공유 반지름160±8 pm
자기적 성질상자성
기타 정보
CAS 등록 번호7440-32-6
안정 동위 원소
동위 원소46Ti
존재 비율8.0%
중성자 수24
동위 원소47Ti
존재 비율7.3%
중성자 수25
동위 원소48Ti
존재 비율73.8%
중성자 수26
동위 원소49Ti
존재 비율5.5%
중성자 수27
동위 원소50Ti
존재 비율5.4%
중성자 수28
방사성 동위 원소
동위 원소44Ti
존재 비율syn
반감기63년
붕괴 방식ε, γ
붕괴 에너지정보 없음
붕괴 후 원소44Sc, Sc

2. 발견

1791년 영국의 아마추어 지질학자이자 목사인 윌리엄 그레고르가 강가의 하천에서 타이타늄을 발견하고 '메나카나이트'로 명명하였다.[117] 1795년 독일의 마르틴 하인리히 클라프로트가 금홍석에서 타이타늄을 따로 추출해 그리스 신화의 티탄을 따서 '티탄'으로 명명하였다.[117][23] 1797년 두 사람이 발견한 원소가 동일한 것으로 밝혀졌다.[49]

이마가 넓은 중년 남성의 조각된 프로필 이미지. 이 사람은 코트와 목수건을 착용하고 있다.
마르틴 하인리히 클라프로트

3. 상용화

타이타늄은 지각에 풍부하게 매장되어 있지만, 제련이 어려워 오랫동안 상용화되지 못했다. 1791년 영국의 윌리엄 그레고르가 처음 발견하였고, 1795년 독일의 마르틴 하인리히 클라프로트가 금홍석(Rutile)에서 추출하여 'Titan'으로 명명하였다. 1797년 두 사람이 발견한 원소가 동일한 것으로 밝혀졌다.

1910년 미국의 매튜 A. 헌터는 TiCl4를 나트륨(Na)으로 환원하는 헌터 공정을 개발했다. 1932년 룩셈부르크의 윌리엄 저스틴 크롤은 TiCl4를 칼슘(Ca)과 반응시켰고, 1937년에는 아르곤(Ar) 기체 속에서 마그네슘(Mg)으로 환원하여 스펀지 형태의 타이타늄을 얻는 크롤 공정을 개발했다.

1948년 듀폰사에서 크롤 공정을 통해 타이타늄을 상업적으로 생산하기 시작했다. 현재에도 상업용 타이타늄은 대부분 크롤 공정으로 생산되며, 지난 60년간 생산성과 품질이 크게 개선되었다.

A small heap of uniform black grains smaller than 1mm diameter.
타이타늄(광물 농축)


기본 타이타늄 제품: 판, 튜브, 막대, 분말

3. 1. 정제 공정

99.999%의 고순도를 가진 타이타늄의 결정. 눈에 보이는 금속 조직을 가지고 있다.


타이타늄은 지각에 풍부하게 존재하지만, 이산화 타이타늄(TiO2) 형태의 광물은 제련하기 어렵고, 순수한 금속을 얻기 위해서는 복잡한 공정을 거쳐야 한다. 타이타늄 제련의 주요 공정은 다음과 같다.

  • 헌터 공정 (Hunter Process): 1910년 미국의 매튜 A. 헌터가 개발한 최초의 산업적 타이타늄 생산 공정이다.[61] 사염화 타이타늄(TiCl4)을 나트륨(Na)으로 환원시켜 순수한 타이타늄을 얻는다.[62]

::TiCl4(g) + 4 Na(l) → 4 NaCl(l) + Ti(s)

  • 크롤 공정 (Kroll Process): 1937년 룩셈부르크의 빌헬름 유스티누스 크롤이 개발한 공정으로, 현재 상업용 타이타늄 생산의 대부분을 차지한다. 사염화 타이타늄(TiCl4)을 마그네슘(Mg)으로 환원시켜 스펀지 형태의 타이타늄을 얻는다.[8]

:TiCl4 + 2Mg ->[1100^oC] Ti + 2MgCl2

  • 반 아르켈-더 보어 공정: 순수한 타이타늄을 위한 최초의 반(semi)-산업적 공정이었다. 이 공정은 아이오딘화 타이타늄(IV)의 열 분해를 포함한다.
  • 암스트롱 공정 (Armstrong Process): 헌터 공정과 유사한 흐름 생산 공정으로, 염화 티타늄 기체에 용융된 나트륨을 첨가하여 타이타늄을 제조한다.[65]
  • 수소 보조 마그네슘 열 환원 (HAMR) 공정: 티타늄 이수소화물을 사용한다.


현재 산업적으로 주로 사용되는 크롤 공법은 티타늄 광석을 염화물로 변환한 후 마그네슘으로 환원하는 방법이다.

1. 사염화 타이타늄 생성: 철분을 함유한 타이타늄 광석에서 철분을 먼저 환원하여 분리하고, 남은 산화 티타늄 함유물과 코크스 등의 혼합물을 염소와 반응시켜 휘발성이 높은 사염화 타이타늄(TiCl4)을 얻는다.[142]

:: TiO2 + 2C + 2Cl2 -> TiCl4 + 2CO

2. 금속 타이타늄으로 환원: 정제된 사염화 타이타늄을 불활성 기체가 채워진 반응실에서 용융 마그네슘과 반응시키면, 염소가 마그네슘과 결합하면서 타이타늄이 분리되어 스펀지 형태로 석출된다. 이 덩어리를 '''스펀지 타이타늄'''이라고 부른다.[142]

::TiCl4 + 2Mg -> Ti + 2MgCl2

크롤 공정은 복잡하고 연속 생산이 불가능하여 제철보다 비용이 많이 든다. 분리된 염화 마그네슘은 염소와 마그네슘의 원료로 재사용된다.

스펀지 타이타늄은 불순물을 제거하고, 판이나 선 등으로 가공하기 위해 녹여서 잉곳으로 만들어야 한다. 이때, 타이타늄은 고온에서 반응성이 크므로, 진공 또는 불활성 가스 환경에서 "소모 전극 아크 용해법"을 사용하여 잉곳을 만든다. 스펀지 타이타늄을 막대 모양으로 굳혀 전극으로 사용하고, 아크를 발생시켜 녹은 타이타늄 방울을 수냉 구리 도가니에 받아 굳히는 방식이다.[143] 불순물 제거를 위해 여러 번 반복하거나, 전자 빔 용해법 등의 다른 방법을 사용하기도 한다.[144]

4. 특징

타이타늄은 금속 광택을 띠는 은백색 금속으로, 강철과 비슷한 강도를 가지면서도 무게는 훨씬 가볍다. 알루미늄보다는 무겁지만, 강도는 훨씬 높다.[6] 상온에서는 산, 식염수(해수) , 염소 계열 가스 등에 대한 높은 내식성을 보인다. 이러한 내식성은 표면에 형성되는 얇고 치밀한 산화 피막(부동태 피막) 덕분인데, 이 피막은 시간이 지나면서 점점 두꺼워져 4년 후에는 25nm에 달한다.[21]

하지만 타이타늄은 고온에서 산소, 질소, 탄소 등과 반응하기 쉽다. 특히 순수한 질소 가스에서도 연소하여 질화 티타늄을 생성하는데, 이는 재료를 취약하게 만든다.[19] 이러한 높은 반응성 때문에 타이타늄은 진공 펌프의 일종인 타이타늄 승화 펌프에 사용되기도 한다. 이 펌프는 타이타늄을 증발시켜 주변의 가스 분자들과 결합하여 제거하는 방식으로 작동한다.

타이타늄에는 2개의 동소체(α, β)가 존재하며, 전이점은 882 °C 이다. 결정 구조는 각각 육방 조밀 격자 α형태와 체심 입방 격자 β형태이다.

4. 1. 물리적 성질

금속인 타이타늄은 높은 강도 대 중량비로 알려져 있다.[8] 밀도가 낮고, 비교적 연성이 뛰어나며(특히 산소가 없는 환경에서), 광택이 나는 금속성 흰색을 띤다.[10] 녹는점이 비교적 높아(1,668 °C) 고융점 금속으로 묘사되기도 하지만, 실제로는 그렇지 않다.[11] 상자성을 띠며 다른 금속에 비해 전기 전도도와 열 전도도가 상당히 낮다.[9] 0.49 K의 임계 온도 이하로 냉각되면 초전도 현상을 보인다.[12][13]

상업적으로 순수한(99.2% 순도) 타이타늄은 약 434 MPa(63,000 psi)의 인장 강도를 가지며, 이는 일반적인 저등급 강철 합금과 동일하지만 밀도는 더 낮다. 타이타늄은 알루미늄보다 60% 더 밀도가 높지만, 가장 일반적으로 사용되는 6061-T6 알루미늄 합금보다 2배 이상 강하다.[6] 특정 타이타늄 합금(예: 베타 C)은 1,400 MPa(200,000 psi) 이상의 인장 강도를 달성한다.[14] 그러나 타이타늄은 430°C 이상으로 가열되면 강도를 잃는다.[15]

타이타늄은 일부 열처리 강철 등급만큼 단단하지 않으며, 비자성이며 열과 전기의 불량한 전도체이다. 가공 시에는 날카로운 도구와 적절한 냉각 방법을 사용하지 않으면 재료가 갈링될 수 있으므로 주의가 필요하다. 강철 구조물과 마찬가지로 타이타늄으로 만들어진 구조물은 일부 응용 분야에서 수명을 보장하는 피로 한계를 갖는다.[10]

이 금속은 882°C에서 육방 조밀 격자 α형태가 체심 입방 격자 β형태로 변하는 이형 동소체이다.[15][16] α형태의 비열 용량은 이 전이 온도까지 가열되면서 급격히 증가하지만, 그 후 감소하여 온도에 관계없이 β형태에 대해 상당히 일정하게 유지된다.[15]

4. 2. 화학적 성질

알루미늄 및 마그네슘과 마찬가지로, 타이타늄 금속과 그 합금의 표면은 공기에 노출되면 즉시 산화되어 얇고 다공성이 없는 부동태화 층을 형성하여 금속 본체를 추가 산화 또는 부식으로부터 보호한다.[9] 이 보호층은 처음 형성될 때 1~2 nm 두께에 불과하지만, 천천히 계속 성장하여 4년 만에 25 nm 두께에 도달한다.[21] 이 층은 티타늄에 산화성 산에 대한 우수한 내식성을 부여하지만, 희석된 불산, 뜨거운 염산, 뜨거운 황산에는 용해된다.

티타늄은 실온에서 희석된 황산 및 염산, 염화물 용액 및 대부분의 유기산에 대한 공격을 견딜 수 있다.[20] 그러나 티타늄은 농축된 산에 의해 부식된다.[18] 티타늄은 용융점보다 낮은 온도에서 일반 공기 중에서 연소하는 매우 반응성이 높은 금속이다. 용융은 불활성 대기 또는 진공 상태에서만 가능하다. 에서 염소와 결합한다.[20] 또한 다른 할로겐과 반응하고 수소를 흡수한다.[3]

티타늄은 공기 중 에서, 순수 산소 중 에서 산소와 쉽게 반응하여 이산화 티타늄을 형성한다.[8] 티타늄은 순수한 질소 가스에서 연소하는 몇 안 되는 원소 중 하나로, 에서 반응하여 질화 티타늄을 형성하여 취성을 유발한다.[19] 산소, 질소 및 기타 많은 가스와의 높은 반응성 때문에, 전기 필라멘트에서 증발된 티타늄은 티타늄 승화 펌프의 기초가 되며, 여기서 티타늄은 이러한 가스와 화학적으로 결합하여 이들을 제거하는 역할을 한다. 이러한 펌프는 초고진공 시스템에서 매우 낮은 압력을 저렴하게 생성한다.

5. 합금 종류

타이타늄 합금은 실온의 결정 구조에 따라 순수 타이타늄, α 합금, α-β 합금, β 합금 등으로 나뉜다. 시중에서는 ASTM 기준 등급으로 구분된다. 일반적인 타이타늄 합금은 구리가 첨가된 금홍석 (구리 타이타늄), 전기로에서 코크스로 환원된 일메나이트 (페로탄소 타이타늄), 망간 또는 망간 산화물과 함께 사용되는 금홍석 (망가노타이타늄) 등을 환원하여 만든다.[72]

5. 1. 결정 구조에 따른 종류

타이타늄 합금은 실온에서의 결정 구조에 따라 4가지 종류로 나뉜다. 시중에서는 ASTM 기준 등급으로 구분된다.

  • 순수 타이타늄: 낮은 강도로 인해 강한 내식성이 요구되는 곳에서만 쓰인다.
  • α 합금: 다른 합금보다 상온 강도가 낮으나 저온 안정상이므로 수백 도의 고온이 되어도 취약한 상을 석출할 염려가 없어서 내열 타이타늄 합금의 기본이 된다. 알루미늄(Al), 주석(Sn), 지르코늄(Zr) 등을 첨가하여 α상을 고용 강화한 단일상이다.
  • α-β 합금: 가장 널리 사용되는 합금으로 Ti-6Al-4V 합금이 대표적인 합금이다. 강도는 122~97 kgf/mm2 정도이고 높은 인성을 가지며, 소성 가공성, 용접성, 주조성도 좋아서 사용하기 쉽고 신뢰성이 큰 합금이다.
  • β 합금: β형 합금은 V, Mo 등의 β 안정화 원소가 다량으로 첨가되는 합금으로 용체화 처리와 시효에 의해 130 kgf/mm2을 넘는 고강도를 얻을 수 있는 특징이 있지만 가공은 곤란해진다.

5. 2. 미국재료시험협회(ASTM) 기준 등급

ASTM 기준에 따르면, 타이타늄 및 타이타늄 합금은 Grade 1부터 Grade 31까지 다양한 등급으로 분류된다.[73][75] 이 중 Grade 1~4는 순수 타이타늄으로, 산소 함량에 따라 인장 강도가 달라진다.[21] Grade 1은 산소 함량이 가장 낮고 (0.18%) 연성이 가장 높으며, Grade 4는 산소 함량이 가장 높고 (0.40%) 연성이 가장 낮다.[21]

Grade설명합금 조성
Grade 1순수 타이타늄pure titanium
Grade 2순수 타이타늄pure titanium
Grade 3순수 타이타늄pure titanium
Grade 4순수 타이타늄pure titanium
Grade 5타이타늄 합금Ti-6Al-4V
Grade 28타이타늄 합금Ti-3Al-5V-0.1Ru (Grade 9 with Ru)



나머지 등급은 합금이며, 각각 연성, 강도, 경도, 전기 저항, 크리프 저항, 내식성 등의 특성을 고려하여 설계되었다.[74] 일반적인 타이타늄 합금은 환원 반응을 통해 만들어진다.[72] 예를 들어 구리-타이타늄, 페로탄소-타이타늄, 망가노-타이타늄 등이 있다.[72]

ASTM 규격 외에도 타이타늄 합금은 항공우주 및 군사 규격(SAE-AMS, MIL-T), ISO 표준, 국가별 규격 등 다양한 규격을 따른다.[75]

6. 용도

금속 타이타늄은 강도, 경량성, 내식성, 내열성, 환경 성능, 색채 등 다양한 특징을 가지고 있어 여러 분야에서 활용된다. 그러나 제련 및 가공이 어렵고 비용이 많이 들어 대량으로 사용되지는 않는다.[132] 화합물 중에서는 이산화 타이타늄(IV)이 저렴한 백색 안료로 널리 사용된다.


  • 해수에 대한 내식성으로 해수 담수화 플랜트의 열교환기에 사용된다.
  • 금속 알레르기를 일으키기 어려워 피어싱 등 장신구 재료로 사용된다.
  • 가볍고 녹슬지 않으며 강도가 높아 티타늄-지르코늄 합금 칼로 사용된다.
  • 산화되기 어려운 특징을 살려 시계의 팔에 닿는 면에 사용된다.
  • 요요나 형상 기억 합금 재료, 니오브 등과의 합금을 이용한 초전도 소재로도 사용된다.
  • 티탄산 바륨 또는 티탄산 스트론튬은 높은 유전율로 인해 전자 재료(적층 세라믹 콘덴서)에 사용된다.
  • 티탄산 스트론튬은 고굴절 재료로 인공 보석 및 광학 재료에 사용된다.
  • 사염화 티타늄은 유리의 착색이나 연막, 공중 문자에 사용된다.
  • 이산화 타이타늄은 피부 보호 특성으로 선크림에, 광촉매 작용으로 변기 표면에 사용된다.
  • 올레핀 중합과 관련된 치글러-나타 촉매로 사용된다.
  • 티타늄 판을 가공하여 미술품 제작에 사용된다.[135]
  • 진공 품질 향상을 위해 진공조 내부에 증착하여 산소 등의 활성 가스를 흡착하는 게터 펌프로 사용된다.
  • 2016년경부터 신용 카드의 플래티넘 카드에 사용되고 있다.[136]
  • 스마트폰 및 스마트워치의 프레임과 케이스에 채용되기도 한다.[137][138]

6. 1. 금속 소재

품질 "2등급"의 티타늄 실린더


티타늄 또는 티타늄 합금은 일반적인 합금강과 동등한 강도를 가지면서도 철보다 가볍고, 스테인리스강이나 알루미늄보다 뛰어난 내식성을 가진다. 또한 500 °C의 고온에서도 강도를 유지할 수 있는 내열성을 가진다. 이러한 특성 덕분에 항공기, 잠수함, 자전거, 골프 클럽 등 경량화와 강도가 동시에 요구되는 분야, 화학플랜트, 생체임플란트 재료, 건축 지붕재 등 내식성이 중요한 분야에서 사용된다.[133] 뿐만 아니라, 합금강의 탈산제나, 스테인리스강에서 탄소 함유량을 감소시키는 목적으로도 사용된다.[9]

1950년대 군용 제트기에 본격적으로 사용되기 시작했으며, 인류가 실용화한 역사가 길지 않은 금속이다. 금속 티타늄은 열처리로 강도를 높이기 어렵기 때문에 가공이 까다롭다. 따라서 금속 티타늄 부품은 가격이 비싸, 내식성, 내열성, 경량화와 강도의 균형을 고려하여 제한적인 용도로 사용된다. 하지만 손목시계나 안경 프레임 등 장식용품에는 널리 사용된다.

1952년에는 티타늄이 생체 친화성이 매우 높고 뼈와 결합(골유착)하는 성질이 발견되어, 치과 임플란트의 픽스처(임플란트 본체)에 주로 사용되고 있다. 거부 반응이나 금속 알레르기를 막기 위해 글로우 방전으로 세척하거나 순도가 높은 티타늄을 사용하며, 인공 관절, 인공 뼈 등 정형외과 분야에서도 활용된다.

6. 2. 항공 우주 및 해양

티타늄 합금은 높은 인장 강도 대 밀도 비율,[8] 높은 내식성,[20] 내피로성, 높은 균열 저항성,[88] 및 크리프 없이 중간 정도의 고온을 견딜 수 있는 능력을 갖추고 있어 항공기, 장갑, 해군 함정, 우주선 및 미사일에 사용된다.[20][3] 이러한 용도로 티타늄은 알루미늄, 지르코늄, 니켈,[95] 바나듐 및 기타 원소와 합금되어 중요한 구조 부품, 착륙 장치, 방화벽, 배기 덕트(헬리콥터) 및 유압 시스템을 포함한 다양한 구성 요소를 제조한다. 실제로 생산되는 모든 티타늄 금속의 약 2/3가 항공기 엔진과 프레임에 사용된다.[106] 티타늄 6AL-4V 합금은 항공기 응용 분야에서 사용되는 모든 합금의 거의 50%를 차지한다.[89]

록히드 A-12와 SR-71 "블랙버드"는 티타늄이 사용된 최초의 항공기 프레임 중 두 가지로, 현대 군용 및 상업용 항공기에서 훨씬 더 광범위하게 사용될 수 있는 길을 열었다. 대량의 티타늄 밀 제품이 많은 항공기 생산에 사용된다. 예를 들어, 보잉 787에는 116톤, 에어버스 A380에는 77톤, 보잉 777에는 59톤, 보잉 747에는 45톤, 에어버스 A340에는 32톤, 보잉 737에는 18톤, 에어버스 A330에는 18톤, 에어버스 A320에는 12톤이 사용된다.[90] 항공 엔진 응용 분야에서 티타늄은 로터, 압축기 블레이드, 유압 시스템 부품 및 나셀에 사용된다.[91][92]

록히드 A-12, 93% 티타늄으로 제작된 최초의 항공기


티타늄은 해수에 의한 부식에 강하기 때문에 프로펠러 샤프트, 활대, 열교환기를 담수화 플랜트에 사용하고,[20] 해수 수족관용 히터-칠러, 낚싯줄 및 리더, 잠수부 칼을 만드는 데 사용된다. 티타늄은 과학 및 군사용 해양 배치 감시 및 모니터링 장치의 하우징 및 구성 요소에 사용된다. 옛 소련은 거대한 진공 튜브에서 티타늄을 단조하여 티타늄 합금으로 선체를 만든 잠수함을 만드는 기술을 개발했다.[94][95]

러시아 해군의 시에라급 원자력 잠수함이 선체에 티타늄 합금을 사용했지만 후계기인 아쿨라급 원자력 잠수함은 잠수함에서 일반적인 흡음 고무, 야센급 원자력 잠수함은 스텔스 함선과 유사한 코팅 재료를 사용하고 있다.

6. 3. 산업

용접된 타이타늄 파이프와 공정 설비(열교환기, 탱크, 공정 용기, 밸브)는 주로 내식성을 위해 화학 및 석유화학 산업에서 사용된다.[96] 펄프 및 제지 산업에서는 차아염소산 나트륨 또는 습식 염소 가스(표백 공정)와 같이 부식성 매체에 노출되는 공정 설비에 타이타늄을 사용한다.[96]

뛰어난 내식성으로 인해, 타이타늄 합금으로 제작된 용접관, 열교환기, 탱크, 반응 용기, 밸브 등의 제품은 화학 플랜트와 석유 정제 플랜트에 적용되고 있다. 또한 제지업의 제조 공정에도 사용된다.

6. 4. 소비자 및 건축

티타늄 금속은 자동차, 특히 무게와 강성 유지가 중요한 자동차 및 오토바이 경주에 사용된다.[99] 일반 소비자 시장에서는 가격이 비싸지만, 일부 최신 콜벳은 티타늄 배기 장치를 사용하고 있으며,[100] 콜벳 Z06의 LT4 슈퍼차저 엔진은 더 높은 강도와 내열성을 위해 가볍고 견고한 티타늄 흡기 밸브를 사용한다.[101]

테니스 라켓, 골프 클럽, 라크로스 스틱 샤프트, 크리켓, 하키, 라크로스, 풋볼 헬멧 그릴, 자전거 프레임 및 부품 등 많은 스포츠 용품에도 사용된다. 자전거 생산의 주류 재료는 아니지만, 티타늄 자전거는 레이싱 팀과 어드벤처 사이클리스트들이 사용해 왔다.[102]

티타늄 합금은 매우 비싸지만, 내구성이 뛰어나고 오래 지속되며 가볍고 피부 알레르기를 유발하지 않는 안경테에 사용된다. 또한, 배낭 여행용 조리도구 및 식기에도 흔히 사용되는 재료이다. 전통적인 강철 또는 알루미늄 대체재보다 비싸지만, 티타늄 제품은 강도를 손상시키지 않으면서도 훨씬 가벼울 수 있다. 티타늄 말굽은 대장장이들이 강철 말굽보다 가볍고 내구성이 뛰어나 선호한다.[103]

프랭크 게리의 구겐하임 미술관의 티타늄 외장재


건축 분야에서도 가끔 사용된다. 최초의 우주 비행사인 유리 가가린 기념비와 모스크바 우주박물관 꼭대기에 있는 우주 정복자 기념비는 금속의 매력적인 색상과 로켓 공학과의 연관성 때문에 티타늄으로 만들어졌다.[104][105] 구겐하임 미술관 빌바오와 세리토스 밀레니엄 도서관은 각각 유럽과 북미에서 티타늄 패널로 덮인 최초의 건물이다.[106] 티타늄 외장재는 콜로라도주 덴버의 프레데릭 C. 해밀턴 빌딩에도 사용되었다.[107]

총기 제조에도 사용이 늘어나고 있는데, 이는 강철, 스테인리스강, 알루미늄에 비해 뛰어난 강도와 가벼움 때문이다. 주요 용도로는 권총 프레임과 리볼버 실린더가 있다. 같은 이유로 일부 랩탑 컴퓨터 본체(예: 애플의 PowerBook G4)에도 사용된다.[108][110]

2023년, 애플은 티타늄 인클로저를 사용하는 아이폰 15 Pro를 출시했다.[109]

삽, 칼 손잡이, 손전등과 같은 일부 고급 경량 부식 방지 도구도 티타늄 또는 티타늄 합금으로 만들어진다.[110]

6. 5. 보석

티타늄은 내구성이 뛰어나 디자이너 보석류(특히 티타늄 반지)에 많이 사용된다.[103] 비활성적인 특성 때문에 알레르기가 있거나 수영장과 같은 환경에서 보석을 착용하는 사람들에게 좋은 선택이다. 티타늄은 금과 합금하여 24캐럿 금으로 판매될 수 있는 합금을 생산하는데, 합금된 티타늄 1%는 낮은 각인을 요구하기에 충분하지 않기 때문이다. 결과적으로 얻는 합금은 대략 14캐럿 금의 경도를 가지며 순수한 24캐럿 금보다 더 내구성이 좋다.[111]

티타늄은 표면 산화물 층의 두께를 변경하기 위해 아노다이징될 수 있으며, 이로 인해 광학적인 간섭 무늬가 발생하고 다양한 밝은 색상을 낼 수 있다.[113] 이러한 착색과 화학적 불활성으로 인해 티타늄은 바디 피어싱에 인기 있는 금속이 되었다.[114]

아노다이징된 티타늄 테이블의 전압과 색상 관계


티타늄의 뛰어난 내구성과 내식성, 그리고 산화피막 제어를 통해 다양한 색상을 발색할 수 있고, 표면 가공으로 광택을 자유롭게 제어할 수 있어 디자인 주얼리에 채택되는 사례가 늘고 있다. 티타늄의 생체 적합성은 금속 알레르기를 일으키지 않아 알레르기 체질을 가진 구매자들의 지지를 받고 있으며, 뛰어난 내식성은 해수의 부식 환경에 영향을 받지 않아 해양 스포츠 애호가들로부터 주목받기 시작했다.

6. 6. 의료

티타늄은 생체 적합성(무독성이며 신체에 의해 거부되지 않음)이 뛰어나 수술 도구 및 엉덩이 볼과 소켓, 치과 임플란트와 같은 임플란트를 포함한 많은 의료 분야에서 사용된다.[117] 티타늄은 종종 약 4%의 알루미늄 또는 6%의 Al과 4%의 바나듐과 합금된다.[118]

손목 골절을 치료하는 데 사용되는 의료용 나사 및 플레이트. 눈금은 센티미터 단위이다.


티타늄은 골유착 능력을 가지고 있어 30년 이상 사용할 수 있는 치과 임플란트에 사용되며, 내부 고정기 정형외과 임플란트에도 유용하다.[117] 티타늄 합금의 강성은 뼈의 강성보다 여전히 2배 이상 높지만, 낮은 탄성 계수(영률)를 통해 뼈와 임플란트 사이에 골격 하중이 더 고르게 분산되어 응력 차폐로 인한 골 질 저하 및 주위 보철물 골절의 발생률을 낮춘다.[119][120]

티타늄은 강자성이 아니기 때문에 티타늄 임플란트를 가진 환자는 자기 공명 영상(장기 임플란트에 편리함)으로 안전하게 검사할 수 있다. 신체에 임플란트할 티타늄을 준비하는 과정에는 표면 원자를 제거하여 즉시 산화되는 새로운 티타늄을 노출시키는 고온의 플라즈마 아크에 노출시키는 과정이 포함된다.[117]

첨가제 제조 기술의 현대적 발전으로 정형외과 임플란트 응용 분야에서 티타늄 사용의 잠재력이 증가했다.[121] 복잡한 임플란트 지지대 설계를 티타늄 합금을 사용하여 3D 인쇄할 수 있으며, 이를 통해 환자별 응용 분야가 증가하고 임플란트 골유착이 증가한다.[122]

티타늄은 영상 유도 수술에 사용되는 수술 도구뿐만 아니라 휠체어, 목발 및 높은 강도와 낮은 무게가 필요한 기타 제품에도 사용된다.[123]

1952년에 생체 친화성(생체 불활성과는 다름)이 매우 높고 뼈와 결합(골유착)하는 것이 발견되면서, 치과 임플란트의 픽스처(임플란트 본체) 대부분이 티타늄을 사용하게 되었다. 거부 반응이나 금속 알레르기를 방지하기 위해 글로우 방전으로 세척하거나, 순도가 높은 티타늄이 사용된다. 또한, 인공 관절, 인공 뼈 등 정형외과 분야에서도 이용되고 있다.

'''합금의 조성 예'''

  • Ti-3Al-2.5V
  • Ti-6Al-4V
  • Ti-6Al-7Nb


티타늄은 높은 내식성으로 인해 자연계에 유출되지 않아 환경 부하가 적은 금속이지만, 이러한 성능은 인체에도 동일하게 적용되어 생체 적합성이 뛰어난 금속이라고 할 수 있다. 의수·의족·인공뼈·임플란트 등 인체에 접촉하는 의료 기기에 적용되고 있으며, 향후 기술 개발이 기대되는 용도이다.

6. 7. 기타 용도

이산화 타이타늄은 타이타늄의 가장 흔하게 사용되는 화합물이다.


금속 타이타늄은 강도, 경량성, 내식성, 내열성, 환경 성능, 색채 등을 갖추고 있어 다양한 분야에서 활용되고 있다. 그러나 금속 타이타늄(타이타늄 합금)은 비절삭 저항이 높고 열전도율이 낮아 제련·가공이 어렵고,[132] 비용도 많이 들기 때문에 대량으로 사용되지는 않는다.

화합물 중에서는 이산화 타이타늄(IV)이 저렴한 백색 안료로 널리 사용되며, 일상에서도 접할 기회가 많다.

전체 타이타늄 광석의 약 95%는 페인트, 종이, 치약 및 플라스틱에 사용되는 강렬한 흰색 영구 안료인 이산화 타이타늄으로 정제된다.[86] 시멘트, 보석, 종이의 광학 불투명제로도 사용된다.[87]

이산화 타이타늄 안료는 화학적으로 불활성이며, 햇빛에 변색되지 않으며 매우 불투명하다. 이 안료는 대부분의 가정용 플라스틱을 구성하는 갈색 또는 회색 화학 물질에 순수하고 선명한 흰색을 부여한다.[3] 자연에서는 이 화합물이 아나타제, 브루카이트, 루틸 광물에서 발견된다.[9] 이산화 타이타늄으로 만든 페인트는 심한 온도와 해양 환경에서도 잘 견딘다.[3] 순수한 이산화 타이타늄은 매우 높은 굴절률과 분산을 가지고 있으며, 이는 다이아몬드보다 높다.[20] 이산화 타이타늄은 자외선을 반사하고 흡수하기 때문에 자외선 차단제에 사용된다.[10]

이산화 타이타늄(IV)은 종이를 하얗고 튼튼하며 얇고 비치지 않게 만들기 위해 펄프에 혼합하는 방식으로도 사용된다. 다만, 금속 화합물이므로 종이가 무거워진다. 고지엔 등 장기간 사용하는 두꺼운 서적에 이용되고 있다.

이산화 타이타늄은 광촉매 작용으로 유기물을 분해하므로 변기 표면에 사용된다.

부식 저항성 때문에 타이타늄으로 만든 용기는 핵 폐기물의 장기 보관에 사용하기 위해 연구되어 왔다. 재료 결함을 최소화하는 제조 조건에서 10만 년 이상 지속되는 용기가 가능할 것으로 생각된다.[125]

7. 대한민국

한국지질자원연구원은 2012년부터 2015년까지 강원도 태백시, 삼척시, 경상북도 봉화군 경계에 있는 면산 일대를 탐사했다. 그 결과, 조선 누층군 '''면산층'''에서 대규모 타이타늄 광상이 발견되었다.[146][147] 예상 자원량은 8500만 톤 이상으로 추정된다. 면산층은 태백시 동점역 부근 동점 단층의 동쪽에 분포하며, 하부는 7m 두께의 역암, 상부는 약 100m 두께의 암회색 사암 및 실트암으로 구성된다. 이 지층은 조류가 우세한 조간대 환경에서 퇴적된 것으로 해석된다. 면산층의 평균 타이타늄 함량은 4.3%로, 조선 누층군의 다른 지층보다 최소 10배 이상 높다. 그러나 타이타늄 함량은 0.51%에서 21.36%까지 변화가 심한데, 이는 타이타늄이 함유된 사질 암석과 이질 암석이 번갈아 나타나기 때문이다.[148]

영월군과 태백시 지역에 분포하는 조선 누층군 최하부 지층인 삼방산층과 면산층의 화학 성분을 비교한 결과, 면산층에서 이산화 티타늄(TiO₂) 함량이 더 높게 나타났다. 이는 면산층에서 마그네타이트(magnetite)와 티탄철석(ilmenite) 등이 더 많이 관찰되기 때문이다.[149]

지층태백시 면산층영월군 삼방산층
시료MS 1MS 2MS 3MS 4SM 1SM 3SM 4SM 8
주요 성분 (%)
이산화 규소76.5251.9763.8968.7466.8458.2782.3473.02
산화 알루미늄5.575.616.756.6614.2116.137.119.81
이산화 티타늄2.8810.845.432.960.871.140.500.50
산화 철(III)7.9724.2615.9212.887.3010.984.447.85
산화 망가니즈0.280.300.090.140.020.030.080.05
산화 마그네슘1.522.413.294.072.242.940.812.78
산화 칼슘2.150.650.310.710.060.200.060.14
산화 나트륨0.000.360.420.700.010.040.000.00
산화 칼륨0.590.961.400.684.525.012.922.27


8. 화합물



타이타늄(III) 화합물은 특징적으로 보라색을 띤다. 그림은 삼염화 타이타늄의 수용액이다.


TiN 코팅된 드릴 비트


+4 산화 상태가 티타늄 화학에서 지배적이지만,[25] +3 산화 상태의 화합물도 많다.[26] 일반적으로 티타늄은 팔면체 배위 구조를 채택하지만,[27][28] 사면체 TiCl4는 주목할 만한 예외이다. 높은 산화 상태 때문에 티타늄(IV) 화합물은 높은 수준의 공유 결합을 나타낸다.[25]

가장 중요한 산화물은 TiO2이며, 이는 아나타제, 브루카이트, 그리고 루틸의 세 가지 중요한 다형체로 존재한다. 이 세 가지 모두 흰색의 반자성 고체이지만, 광물 표본은 어둡게 나타날 수 있다(루틸 참조). 이들은 Ti가 다른 Ti 중심과 연결되는 6개의 산화물 리간드에 의해 둘러싸인 고분자 구조를 채택한다.[29]

''티탄산염''이라는 용어는 일반적으로 티탄산 바륨(BaTiO3)으로 대표되는 티타늄(IV) 화합물을 지칭한다. 페로브스카이트 구조를 가진 이 물질은 압전 특성을 나타내며 소리와 전기의 상호 변환에 사용되는 변환기로 사용된다.[8]

티타늄의 다양한 환원된 산화물(부분 산화물)이 알려져 있으며, 주로 대기 플라즈마 분사에 의해 얻어진 이산화 티타늄의 환원된 화학 양론이다. Ti3O5는 Ti(IV)-Ti(III) 종으로 설명되며, 고온에서 수소로 TiO2를 환원하여 생성되는 자주색 반도체이며,[30] 표면에 이산화 티타늄으로 증착해야 할 때 산업적으로 사용된다.[31] 또한 Ti2O3는 강옥 구조를 가지고 있으며, TiO는 암염 구조를 가지며, 종종 비화학 양론적이다.

TiCl4를 알코올로 처리하여 제조된 티타늄(IV)의 알콕사이드는 물과 반응하면 이산화물로 변환되는 무색 화합물이다. 티타늄 이소프로폭사이드는 샤플레스 에폭시화를 통해 키랄 유기 화합물의 합성에 사용된다.[32]

티타늄은 다양한 황화물을 형성하지만, TiS2만이 상당한 관심을 받고 있다. 이는 층상 구조를 채택하고 리튬 배터리 개발에서 음극으로 사용되었다. Ti(IV)는 "경질 양이온"이기 때문에 티타늄의 황화물은 불안정하고 황화 수소를 방출하며 산화물로 가수 분해되는 경향이 있다.[33]

질화 티타늄 (TiN)은 극도의 경도, 열/전기 전도성, 높은 융점을 나타내는 내화성 고체이다.[34] TiN은 사파이어와 탄화 규소 (모스 경도 척도 9.0)와 비슷한 경도를 가지며,[35] 드릴 비트와 같은 절삭 공구를 코팅하는 데 자주 사용된다.[36] 또한 금색 장식 마감재 및 반도체 제조의 장벽 층으로 사용된다.[37] 매우 단단한 탄화 티타늄 (TiC)은 절삭 공구 및 코팅에서 발견된다.[38]

사염화 타이타늄(염화 타이타늄(IV), TiCl4[39])는 무색의 휘발성 액체(상업용 시료는 황색을 띰)로, 공기 중에서 흰 연기를 극적으로 내뿜으며 가수분해된다. 크롤 공정을 통해 TiCl4는 타이타늄 광석을 타이타늄 금속으로 변환하는 데 사용된다. 사염화 타이타늄은 또한 흰색 페인트 등에 사용되는 이산화 타이타늄을 만드는 데에도 사용된다.[40] 이는 유기 화학에서 루이스 산-염기로 널리 사용되며, 예를 들어 무카이야마 알돌 반응에 사용된다.[41] 반 아르켈-데 보어 공정에서 고순도 타이타늄 금속을 생산하는 과정에서 사요오드화 타이타늄(TiI4)이 생성된다.[42]

타이타늄(III)과 타이타늄(II)도 안정적인 염화물을 형성한다. 주목할 만한 예로는 삼염화 타이타늄(TiCl3)이 있으며, 이는 폴리올레핀 생산(치글러-나타 촉매 참조) 및 유기 화학에서 환원 시약으로 사용된다.[43]

유기티타늄 화학의 중요한 역할인 중합 촉매로 인해, Ti-C 결합을 가진 화합물들이 집중적으로 연구되어 왔다. 가장 흔한 유기티타늄 착물은 티타노센 다이클로라이드 ((C5H5)2TiCl2)이다. 관련 화합물로는 테베 시약과 페타시 시약이 있다. 티타늄은 카르보닐 착물을 형성하며, 예를 들어 (C5H5)2Ti(CO)2가 있다.[44]

전체 티타늄 광석의 약 95%는 페인트, 종이, 치약 및 플라스틱에 사용되는 강렬한 흰색 영구 안료인 이산화 타이타늄(TiO2)으로 정제된다.[86] 시멘트, 보석, 종이의 광학 불투명제로도 사용된다.[87] TiO2 안료는 화학적으로 불활성이며, 햇빛에 변색되지 않으며 매우 불투명하다. 이 안료는 대부분의 가정용 플라스틱을 구성하는 갈색 또는 회색 화학 물질에 순수하고 선명한 흰색을 부여한다.[3] 자연에서는 이 화합물이 아나타제, 브루카이트, 루타일 광물에서 발견된다.[9] 이산화 티타늄으로 만든 페인트는 심한 온도와 해양 환경에서 잘 견딘다.[3] 순수한 이산화 티타늄은 매우 높은 굴절률과 분산을 가지고 있으며, 이는 다이아몬드보다 높다.[20] 이산화 티타늄은 자외선을 반사하고 흡수하기 때문에 자외선 차단제에 사용된다.[10]

이산화 타이타늄(IV)은 주로 흰색 안료로 페인트나 합성 수지 등에 사용된다. 이산화 타이타늄(IV)으로 만들어진 페인트는 적외선의 반사율이 높기 때문에 야외에서의 그림 묘사에 적합하며, 시멘트 등에도 사용된다. 또한 광촉매로서의 성질을 가지고 있어 빛을 흡수하여 유기물을 분해한다. 이러한 성질로 인해 빛이 닿는 곳에서는 유기물에 의한 오염이 분해되어 흰색이 오래 유지된다. 그러나 유기계 색소나 합성 수지도 분해해 버리기 때문에, 이들과 섞어 사용하는 것은 어렵다. 페인트에 사용되기 시작한 것은 1920년대 이후이므로, 그림의 감정에서 함유 여부가 판단 재료가 된다[134]。

화합물 중의 원자가는 +4가가 가장 안정적이며, +2가 및 +3가의 것도 존재하지만 산화되기 쉽다.

화합물설명
산화 티타늄(II) (TiO)
이산화 티타늄 (TiO2)결정에는 루틸, 아나타제, 브루카이트 형이 있다. 백색 안료, 광촉매로도 주목받고 있다.
탄화 티타늄 (TiC)
질화 티타늄 (TiN)
염화 티타늄(III) (TiCl3)치글러-나타 촉매로 사용
사염화 티타늄 (TiCl4)치글러-나타 촉매로 사용
NiTi대표적인 형상 기억 합금
티탄산 바륨 (BaTiO3)


9. 주의 사항

타이타늄 금속 분말 또는 금속 칩 형태는 심각한 화재 위험을 초래하며, 공기 중에서 가열될 경우 폭발 위험이 있다.[128] 물과 이산화 탄소는 타이타늄 화재 진압에 효과가 없으므로, D급 건조 분말 소화제를 사용해야 한다.[3]

타이타늄을 염소 생산 또는 취급 시에는 건조한 염소 가스와 접촉을 피해야 한다. 이는 타이타늄-염소 화재를 유발할 수 있기 때문이다.[129]

신선하고 산화되지 않은 타이타늄 표면이 액체 산소와 접촉하면 불이 붙을 수 있다.[130]

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