공해시비 계기로 살펴본 티타늄 가볍고 강한 재질의 첨단신소재

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가벼우면서도 강도가 센 티타늄은 우주왕복선이나 자기부상열차 또는 원자력발전 건설에 활용된다. 이산화티타늄은 페인트 플라스틱 고무 등의 제조에 널리 쓰이고 있다.

티타늄과 이산화티타늄에 대한 국민적 관심이 높아지고 있다. 울산공단에 설립인가를 받은 미국 듀폰사의 이산화티타늄 공장건설이 '공해업소'라는 이유 때문에 지역주민들의 강력한 반대에 부닥쳐 지연되고 있기 때문이다.

금속이라 하면 철 구리 알루미늄 정도로만 알고있는 일반일들에게 티타늄 혹은 이산화티타늄은 매우 생소하다. 티타늄(Titanium)이란 주기율표에서 보면 원자번호 22, 원자량 47.9의 금속이다.

티타늄의 어원은 그리스 신화에 나오는 거인이라는 뜻의 타이탄(Titans)에서 유래됐다. 티타늄이 처음 발견된 것은 1791년이지만 그 당시에는 광석중에 포함돼 있는 티타늄의 존재를 확인했을 뿐이며 분리기술이 개발돼 공업화되기는 1900년대 초다.

티타늄은 지각(地殼)의 0.6%를 구성하고 있는 아홉번째로 풍부한 원소로서 산소나 철 등과 결합한 형태로 존재한다. 현재 확인된 전세계의 매장량은 앞으로 1천년 정도 사용할 수 있는 양에 해당된다. 티타늄 광석에는 티타늄자철광(磁鐵鑛) 일메나이트(ilmenite) 루틸(rutile)의 세가지가 있는데 티타늄의 함량은 각각 15~20% 50~60% 85~95%이며 현재 공업적으로 많이 활용되고 있는 광석은 품위가 높은 일메나이트와 루틸이다. 일메나이트와 루틸의 주요 생산국은 브라질 호주 남아공화국 인도 캐나다 말레이지아 등이다.

우리나라에도 일메나이트와 루틸이 해변의 모래중에 존재하기는 하나 소량씩 넓은 지역에 분산돼 있어 채집에 많은 경비가 든다.
티타늄 자철광은 소연평도와 경기도 연천지방에 집중돼 있어 광석을 캐내는데 문제가 없으나 티타늄의 함량이 낮아서 현재로서는 별로 활용되고 있지 못하다.

티타늄을 얘기할 때는 티타늄 금속자체와, 산소와 티타늄이 결합돼 있는 이산화티타늄(${T}_{1}$${O}_{2}$)의 두가지로 나누어 진다. 우선 티타늄 금속에 대한 성질 및 용도를 알아보고 그 후에 이산화티타늄에 대한 것을 살펴보기로 하겠다.
 

정제된 사영화티늄과 마그네슘을 접촉시켜 만든 티타늄 스폰지정제된 사영화티늄과 마그네슘을 접촉시켜 만든 티타늄 스폰지


우주왕복선의 재료

티타늄 금속은 철에 비해 그 무게가 절반정도 밖에 되지 않지만 열에 견디는 힘과 강도가 더 세다. 이와같이 가벼우면서도 강한 성질을 가지고 있기 때문에 비행 물체, 즉 비행기 로켓 우주선 등에 사용된다. 실제로 고도 2만4천m에서 마하3(음속의 3배)으로 순항하는 SR-71 정찰기 기체(機體)의 93%가 티타늄 합금으로 돼 있으며, 미국항공우주국(NASA)에서 1981년 초에 발사한 우주선 전체 무게의 6%(4.1t)가 티타늄 합금으로 구성돼 있다.

티타늄은 우주항공분야 뿐만 아니라 잠수함 자기부상열차 경기용자동차 및 자전거 등 움직이는 물체에 활용되고 있다. 대표적인 예로 물깊이 9백m에서 40노트 이상으로 운항하는 원자력잠수함의 표면이 티타늄합금으로 돼 있다.

티타늄이 가지고 있는 또 하나의 중요한 성질은 녹이 슬지 않는다는 점이다. 특히 바닷물에 의한 부식에 매우 강한 성질을 가지고 있다. 원자력 발전소에서는 다량의 바닷물을 냉각수로 사용하는데 이러한 냉각장치는 모두 티타늄으로 돼 있으며, 화학공장에서 부식에 잘 견뎌야 하는 부분에 티타늄이 많이 쓰이고 있다. 티타늄이 고급 건축재료로 많이 사용되는 이유도 녹이 슬지 않기 때문이다 또한 티타늄은 인체에 전혀 해가 없고 생체 적합성이 좋기 때문에 인공관절, 치과용 보철물등 의료재료로도 사용된다.

이산화티타늄은 티타늄 금속 한 원자가 두개의 산소원자와 결합돼 있는 형태다. 이는 주로 백색 페인트 원료로 사용되며 종이 플라스틱제품 고무 등의 제조시 충전제(充塡劑)로서 사용된다. 이산화티타늄에는 결정형태에 따라 루틸(rutile)형 아나타제(anatase)형 두가지가 있는데, 루틸형은 아나타제형 보다 더 촘촘한 원자배열 구조를 가지며 아나타제형에 비해 햇빛에 견디는 힘이 강하다. 따라서 루틸형 이산화티타늄은 햇빛에 노출이 많이 되는 옥외용 페인트로 많이 쓰이고 아나타제형은 햇빛 노출이 상대적으로 적은 종이 플라스틱 고무등의 충전제로서 많이 쓰이고 있다.

티타늄 금속이 항공 우주 잠수함 등 첨단기술 분야에 주로 사용되고 있는데 비해 이산화티타늄은 우리의 일상생활과 밀접한 곳에 사용되고 있음을 알 수 있다.
 

한국동력자원연구소내 티타늄 스폰지 제조 실험장치한국동력자원연구소내 티타늄 스폰지 제조 실험장치
 

국민소득에 비례

티타늄 금속의 세계적인 수요는 연 5만t 수준이며 국내 수요는 연 3백t 정도로 세계수요량의 0.6%를 차지하고 있다. 이산화티타늄은 세계 수요가 연 2백40만t이며 국내 수요는 연 60만t으로서 0.25%정도다.

티타늄 금속의 수요는 이산화티타늄 수요에 비해 절대량에 있어서 매우 적지만 가격은 티타늄 금속이 t당 2만5천달러, 이산화티타늄이 t당 1천5백달러 정도로서 티타늄 금속이 훨씬 비싸다. 티타늄 금속은 현재 전량 수입하고 있고 이산화티타늄은 한국티타늄에서 연 1만5천t정도 생산하며 나머지는 수입하고 있다. 한국티타늄에서 생산하는 이산화티타늄은 아나타제형이며 루틸형 이산화티타늄은 전량 수입한다.

통계적으로 보면 이산화티타늄의 소비량은 국민소득에 비례한다. 앞으로 국민소득의 계속적인 증가와 더불어 국내 이산화티타늄의 수요도 크게 증가할 것으로 예측된다. 현재 이산화티타늄의 국내 생산능력이 크게 부족하기 때문에 미국 듀폰(Dupont)사가 국내의 한양화학과 합작으로 우리나라에 루틸형 이산화티타늄 생산공장 건설을 추진하고 있다.

이산화티타늄에 비해 티타늄 금속의 국내수요는 아직 생산공장을 국내에 세울 정도로 많지 않다. 티타늄 금속 수요가 연 1천t이상이 되면 생산공장이 국내에 세워질 것으로 예상되는데 그 시기는 티타늄 금속을 사용하는 산업분야, 특히 항공우주분야의 발전속도와 관련된다. 대략 90년대 중반 이후가 되지 않을까 생각한다.

스폰지와 비슷

티타늄 금속과 이산화티타늄의 제조방법을 간단히 설명하면 다음과 같다. 티타늄 금속과 이산화티타늄의 제조방법은 서로 다른데, 경우에 따라 어느 정도 중첩되는 부분도 있다. 우선 티타늄 금속의 제조방법을 알아보자.

품위가 낮은 티타늄자철광이나 일메나이트를 원료로 할 경우에는 먼저 광석을 예비 처리해 티타늄 함량을 85% 이상으로 올려주는 일이 필요하다. 루틸과 같이 천연적으로 질이 좋은 원료를 사용하는 경우에는 예비처리 과정이 필요하지 않다. 천연적으로 존재하는 루틸은 점점 고갈돼 가고 있기 때문에 질이 낮은 광석의 사용이 점점 증가하는 추세다.

광석의 예비처리가 끝나면 광석을 코크스(cokes)와 혼합하여 반응기에 넣고 코크스에 불을 붙인다. 코크스가 불에 타면서 발생하는 열에 의해 온도가 올라가게 되는데 9백~1천℃ 정도가 되면 염소가스를 불어 넣는다. 염소가스가 들어가면 광석중의 티타늄 성분이 염소와 반응하게 되는데 코크스는 염소와의 반응을 촉진하는 역할을 한다. 티타늄이 염소와 반응하면 사염화티타늄(${T}_{1}$C${l}_{4}$)이라는 중간 생성물이 생긴다.

광석을 예비처리하였다고는 하지만 광석에는 아직도 철 알루미늄 바나듐 등의 불순물이 10%정도 들어 있는데 이러한 불순물들은 염소와 반응해 염소화합물이 되어 사염화티타늄에 섞이게 된다. 따라서 사염화티타늄 중의 불순물을 제거하는 정제과정이 필요하다. 정제된 사염화티타늄을 8백50℃ 정도에서 마그네슘과 접촉시키면 회색의 티타늄 금속이 얻어지는데 이것의 형태가 마치 스폰지처럼 생겼기 때문에 티타늄스폰지라고 부른다. 티타늄 스폰지는 진공상태에서 전기 아크(arc)에 의해 녹여져 둥근막대기 모양으로 만들어지는데 이것을 잉곳(ingot)이라고 한다.

항공기 등에 사용되는 티타늄 금속은 순수한 티타늄이 아니고 티타늄에 알루미늄 바나듐 등이 소량 섞여있는 티타늄 합금인데, 이러한 합금을 만들기 위해서는 티타늄 스폰지를 녹일 때 합금에 필요한 금속을 집어 넣고 함께 녹이면 된다. 잉곳 형태로 만들어진 티타늄은 최종적으오 필요에 따라 판(板) 튜브(tube) 선(線)등 다양한 형태로 가공된다.

염화법이 공해물질 배출 적어

이산화티타늄의 제조방법에는 황산법과 염화법의 두가지가 있다. 황산법은 1900년대 초기에 개발된 방법이고, 염화법은 1950년대 미국의 듀폰사에 의해 개발된 방법이다. 황산법은 광석내의 티타늄을 뽑아 내는 데 황산을 사용하는 방법이고 염화법은 티타늄 금속 제조에서와 마찬가지로 염소를 사용한다. 염화법은 황산법에 비해 공해물질 배출량이 적은 장접을 가지고 있으나 기술이 상대적으로 어렵고 사용하는 광석의 품위가 높아야 한다는 단점이 있다.

국내의 유일한 이산화티타늄 생산 회사인 한국티타늄에서는 황산법을 사용하고 있고 현재 듀폰 회사에서 건설을 추진중인 이산화티타늄 공장은 염화법을 사용하도록 돼 있다. 염화법에 의한 이산화티타늄 제조방법은, 앞에서 설명한 티타늄 금속 제조방법과 중간 생성물인 사염화티타늄 제조과정까지는 똑같다. 티타늄 금속 제조의 경우 사염화티타늄을 마그네슘과 접촉시켜 티타늄 스폰지를 만드는 과정으로 이어지는데 비해, 이산화티타늄 제조는 사염화티타늄을 마그네슘 대신 산소와 접촉시켜 흰색의 이산화티타늄분말을 만든다. 사염화티타늄이 산소와 반응하면 이산화티타늄이 얻어지는 동시에 염소가 발생하는데 이 염소는 사염화티타늄을 만드는데 재순환돼 사용된다.

염화법에 의한 이산화티타늄 제조의 경우 염소를 사용하는 문제와 광석내의 불순물들이 염소와 반응해 생성되는 염화물 형태의 폐기물처리 문제가 있다. 이러한 문제점을 가지고 국내에 이산화티타늄 공장 건설을 추진중인 미국 듀폰사가 정부의 환경담당기관과 오랫동안 논쟁을 벌였으나 최근 생성되는 공해물질의 완벽한 처리시설을 갖추는 조건으로 정부의 인가를 받은 것으로 알고 있다.

그러나 아직도 이산화티타늄 공장이 들어서게 될 울산지역 주민들의 반발이 큰 것으로 보도되고 있다. 염소는 분명히 유독가스이지만 우리가 마시는 물과 수영장 물의 소독에 염소가 사용되는 것도 사실이다. 이와 같이 염소가 유독가스이긴 하나 농도가 낮을 경우 큰 문제가 없는 경우도 있다. 그러나 과량의 염소에 노출될 경우 목숨을 잃을 수도 있으므로 취급에 각별한 주의가 필요하다.

우리나라에는 염소생산 공장이 있어 그동안 염소 취급기술이 상당히 갖추어져 있는 것으로 알고 있다. 원자력 발전소가 안전하다고 생각은 하면서도 만일의 사태에 대한 불안을 아주 떨쳐버릴 수 없는 것처럼, 염소의 안전한 취급기술이 확립돼 있으면서도 걱정스러워 하는 것이 똑 맞아떨어지지는 않지만 비슷한 경우라고 생각한다.

이산화티타늄 제조과정에서는 광석 중에 존재하는 철 등의 불순물에 의해 염화물형태의 폐기물이 생기는데, 이것의 활용방안으로서 상수나 하수에 떠있는 부유물질의 응집제로 사용하는 방법과 생석회나 석회석 그리고 물과 혼합해 도로포장 및 건축자재로 활용하는 방법들이 제시되고 있다. 보통의 화학공장에서 나오는 산업폐기물처럼 중화해서 일정한 곳에 버리는 방법도 있다. 공해문제에 대한 필자의 전공이 아니고 이 분야의 전문지식이 깊지 못해 더 이상의 이야기는 불가능하다. 대부분의 화학공장에서 공해물질은 생기게 마련이다. 생성된 공해물질을 처리해 최종적으로 환경기준치에 맞도록 관리 감독하는 것이 공해물질 생성여부를 따지는 것 못지 않게 매우 중요한 일이라고 생각한다.
 

자기부상열차의 차체 소재로도 티타늄이 쓰일 전망자기부상열차의 차체 소재로도 티타늄이 쓰일 전망


스테인레스의 경쟁자

국내의 티타늄 분야 기술수준을 보면 이산화티타늄의 경우 황산법에 대해서는 이미 국내에 생산공장이 있어 많은 기술축적이 이루어져 있다. 그러나 염화법에 의한 이산화티타늄 제조의 경우는 국내 기술이 없기 때문에 외국으로부터의 기술도입이 불가피하다.

금속 티타늄의 경우에는 지난 5년 동안 한국동력자원연구소를 중심으로 상당히 많은 연구가 수행되어 왔으나 아직 공업화할 수준에는 이르지 못하고 있다. 광석으로부터 티타늄 스폰지 제조까지는 준공장(準工場) 규모의 기술개발이 이루어졌으며 티타늄 스폰지를 녹여 잉곳을 만드는 부분은 실험실 규모에서 가능성이 확인된 정도이나, 공업화를 위한 규모확대 과정에서 발생하는 기술적 문제점 해결을 위해 계속적인 연구가 요구되고 있다. 더구나 우주항공 분야에 많이 쓰이는 티타늄 합금분야에는 거의 연구실적이 없다. 앞으로 항공기 제조분야의 성장이 크게 기대되는데 당분간 여기에 쓰이는 티타늄 합금은 수입에 의존하지 않으면 안될 것으로 생각된다.

우리나라는 서기 2000년에 기술 선진국 10위권에 진입하고자 하는 목표를 가지고 있다. 이를 위해서는 부가가치가 높고 기술적 파급효과가 큰 기술개발이 필요한데 티타늄 기술이야말로 이러한 요구에 걸맞는 기술분야라고 생각된다.

첨단기술과 일상생활에 모두 활용

티타늄은 일상생활에 밀접한 분야와 첨단 기술분야 모두와 관련이 있다. 우리나라처럼 티타늄 기술의 기반이 약한 나라에서는 일상생활과 관련된 티타늄 기술개발을 우선으로 하고 여기에서 축적된 기술을 바탕으로, 요구하는 규격이 까다롭고 실패 위험성이 상대적으로 큰 항공우주 분야로 확대하는 것이 바람직하다.

일본의 경우 아직 항공우주 분야의 티타늄 기술은 미국에 비해 상당히 떨어지고 있으나 일상생활과 관련된 분야에서의 티타늄 기술은 상당한 수준에 이르고 있다.

일상생활과 관련된 부분에서 티타늄은 ㄴ스테인레스의 경쟁자로서 그 역할이 주목된다. 스테인레스라면 녹이 잘 슬지 않는 재료로 인식되는데 티타늄은 스테인레스보다 녹이 훨씬 덜 슬 뿐만 아니라 가볍다ㅏ는 장점을 가지고 있다. 현재로서는 티타늄의 가격이 스테인레스의 10배 가량으로 당분간 스테인레스를 대체할 가능성은 희박하다. 그러나 스테인레스에 들어가는 니켈이나 크롬 자원이 고갈돼 가고 있는 것에 비해 티타늄 자원은 풍부하기 때문에 멀지 않은 장래에 티타늄이 스테인레스를 밀어낼 가능성도 배제할 수 없다. 티타늄 제조기술의 발달로 티타늄 제조가격이 떨어지면 티타늄의 대중화 시대가 앞당겨질 것이다.

백색 페인트는 잘 알려져 있지만 이것이 이산화티타늄으로 되어 있다는 사실은 잘 몰랐을 것이다. 또한 우리가 매일 쓰고 있는 종이 플라스틱제품 고무 등에도 이산화티타늄이 들어가며 우리나라에 이산화티타늄을 만드는 공장이 있다는 사실도 잘 알려지지 않았다.

이미 티타늄은 우리의 일상생활 속에 부분적으로 파고 들어와 있다. 일상생활에서 티타늄이 차지하는 비중은 앞으로 점점 커질 것이고, 좀 이르긴 하지만 티타늄자동차 티타늄식기의 출현도 기대해 볼만하다. 티타늄 안경테는 벌써 나오기 시작했다. 앞으로 항공산업의 발달과 더불어 티타늄이라는 말이 자주 오르내리게 될 것으로 생각된다.

글 : 박균영 공정개발실장
과학동아 1990년 03호


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