풍부하게 존재하는데 인류가 오랫동안 활용할 수 없었던 금속 '티타늄'의 역사

지각 중에 9번째로 많은 원소이고 질량비에서는 탄소의 약 30배, 구리의 약 100배 많이 포함되어 있다고 추정되고 있는 금속인 티타늄은 그 풍부함에도 불구하고 유효하게 이용할 수 있게 된 것은 19세기 후반 이후입니다. 티타늄이 어떻게 산출, 가공되어 제품 소재로서 이용되어 갔는지에 대해서 건설물리학을 전문으로 하는 브라이언 포터 씨가 설명했습니다.

The Story of Titanium - by Brian Potter
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The Story of Titanium

티타늄은 강하고 가벼운 금속으로 항공기 등의 강도, 안전성이 요구되는 제품에 사용되는 경우가 많습니다. 그러나 티타늄은 산소나 다른 원소와 쉽게 결합하기 때문에 주조가 어려워 1900년대 후반까지 상업적으로 생산되지 않았습니다.

티타늄은 1790년 영국의 화학자였던 윌리엄 그레골에 의해 처음 발견되었습니다. 1795년에는 프로이센의 화학자 마르틴 클라프로스가 루틸이라는 광물에서 티타늄을 추출하는 데 성공했습니다. 산소와 강하게 결합했기에 클라프로스는 이 금속을 그리스 신화의 타이탄에서 이름을 따 '티타늄'이라고 명명했습니다.

결합하기 쉽다는 특성으로 티타늄을 순수한 상태로 얻는 것은 매우 어렵고, 그 후 100년간 티타늄은 실험실에서만 입수할 수 있는 희소 광물로 간주되었습니다. 1880년대 2명의 스웨덴 과학자들이 순도 94%의 티타늄 금속 제조에 성공했으며, 1910년에는 제너럴 일렉트릭사의 과학자 매튜 헌터가 금속 티타늄을 제조하기 위한 프로세스를 개발했습니다.

그러나 상업적으로 생산할 수 있는 제조공정은 1930년대까지 개발되지 않았습니다. 1930년, 룩셈부르크의 화학자 윌리엄 크롤은 집의 실험실에서 티타늄의 실험을 시작해 진공하에서 염화티타늄과 마그네슘을 반응시켜 티타늄을 제조하는 프로세스를 개발했습니다. 1938년까지 50파운드(약 23kg)의 티타늄 금속 생산에 성공하여 와이어, 봉, 시트, 도금 성형에 성공했습니다. 그 후 크롤은 1938년에 미국으로 건너 가 제법을 팔려고 했는데 실패로 끝났습니다.

같은 해 미국 광업국은 티타늄을 제조하는 독자적인 프로세스를 개발하고 있던 필립스사의 연구에 영향을 받아 티타늄의 조사를 개시했고 크롤이 확립한 제법이 상업 프로세스로서 가장 가능성이 있다고 결론지었습니다. 개발에 착수 후 전쟁에 의해 지연되었지만 1944년에는 일주일에 100파운드(약 45kg)의 티타늄을 제조할 수 있는 공장을 건설했다고 합니다.

티타늄 연구가 가속된 시기는 제2차 세계대전 종결 후로, 제품의 근원이 되는 다공질의 스펀지상의 금속을 안정적으로 생산할 수 있게 된 시기가 1947년입니다. 경량이고 내식성이 있어서 재료가 고온에 노출되는 경우가 많은 항공우주산업에서 기대가 높아졌습니다.

1948년 티타늄은 하루에 100파운드의 티타늄을 생산할 수 있는 공장에서 처음으로 상업적으로 생산되기 시작합니다. 당초 티타늄은 F-84나 F-86과 같은 전투기에 실험적으로 사용되었고 언론은 '이상한 금속', '기적의 금속' 등으로 표현했으며 1950년부터 1952년에 사이에 20개 이상의 기업이 티타늄 생산계획을 발표하는 등 세상의 관심은 계속 높아졌습니다.

그러나 티타늄 산업은 고전을 강요받게 됩니다. 1951년 재료자문위원회는 연간 약 3만 톤의 티타늄 제조를 예측했지만, 실제 출하량은 불과 75톤으로 연구용으로도 부족한 정도였습니다.

따라서 티타늄 제조를 지원하기 위해 미국 정부가 개입하여 일부 티타늄 공장 건설에 자금을 제공하고 잉여품을 국가 비축으로 구입하는 등의 지원을 시작했습니다. 국방부에 의한 티타늄 개발 프로그램도 가세해 1958년까지 미국에서만 연간 수천 톤의 티타늄 제품을 생산할 수 있게 되었습니다.

항공우주를 위한 티타늄 제조가 급격히 진행되고 있는 와중에 군사 목적과는 완전히 다른 용도가 발견되었습니다. 1952년 스웨덴의 의학연구자였던 Per-Ingvar Brånemark는 토끼 다리에 내장한 티타늄 카메라가 뼈와 결합되어 있음을 발견했습니다.

당시에는 체내에 이물질을 넣으면 어느 것도 거부반응이 일어날 것으로 생각되었기 때문에 뼈가 티타늄과 직접 결합한다는 발견은 급진적인 것으로 곧 주목을 받고 의료용 임플란트의 연구에 큰 영향을 줍니다.

그 후 티타늄제 치과 임플란트나 인공 고관절과 같은 의료용 임플란트를 시작으로 소리를 전하는 티타늄의 성질을 응용한 골전도 중이 임플란트 등도 개발되게 됩니다.

티타늄에 관한 연구가 비약적으로 진행되어 티타늄은 1960년대 중반까지 유효한 소재로 널리 알려지게 되었습니다. 1971년까지 생산된 티타늄의 46%가 민간 항공기에, 37%가 정부의 항공우주 프로젝트에 사용되는 등 특히 항공우주 기술을 지원하는 소재로서 도움이 되었습니다.

또한 티타늄의 제조비용은 '누적 생산량이 2배가 될 때마다 비용이 23% 저하한다'라는 맹렬한 학습률로 저하되었지만 여전히 알루미늄에 비하면 5배 넘는 비용이 필요하고 최종 제품은 알루미늄의 10배 가량의 비용이 듭니다. 이 때문에 알루미늄이나 스테인리스강을 몰아내기에는 이르지 않았고, 고비용에 맞는 장소에서의 사용이 중심입니다.

포터 씨는 “티타늄은 지금의 과학기술을 지지하는 중요한 물질인 동시에 과학적 발견과 기술의 진보에 있어서 우연의 중요성에 대해 가르쳐주는 물질이기도 하다. 특히 티타늄의 생체적합성과 의료용 임플란트에의 유용성 등은 완전한 우연에 의한 발견이었습니다. 티타늄을 사용한다는 것은 그 화학적 특성을 이해함과 동시에 그 역사를 아는 기회를 얻는다는 점도 있습니다. 이러한 학습은 기술의 진보에 있어서 매우 중요한 것으로 새롭고 보다 좋은 기술의 출현에 도움될 것"이라고 보았습니다.