‘원자번호 22번 티타늄(Ti)을 소개합니다’

오늘은 요즘같이 뜨거운 햇볕이 내리쬐는 날의 필수품인 자외선 차단제에 중요한 성분인 원소 ‘티타늄(Ti)’에 대해 소개해 드리겠습니다.

‘타이타늄’이라고도 부르는 ‘티타늄’은 지각에 아홉 번째로 많이 함유된 원소입니다. 금속 중에서는 네 번째로 많으며 화성암이나 화성암으로 이루어진 모래에 많습니다. 티타늄은 거의 완벽에 가까운 원소라고 할 수 있을 정도로, 강도는 강철만큼 강하면서도 무게는 강철의 절반밖에 되지 않고 생체 친화도가 굉장히 높으며 광촉매 기능을 하기도 합니다. 이뿐만 아니라, 티타늄은 녹슬지 않는다는 특징도 있습니다. 그런데 이러한 장점은 단점이 되기도 하는데요. 이는 너무 강하고 가볍고 내구성이 강해 추출, 제련이나 가공 등이 어렵기 때문입니다. 그래서 매장량이 풍부함에도 그 값이 매우 비쌉니다.

티타늄광물은 1791년에 발견되었습니다. 영국의 아마추어 광물학자 윌리엄 그레고르(Wiliam Gregor) 목사는 교구(종교의 전파, 신자의 지도를 위하여 편의상 나누어 놓은 구역) 내 매나칸 계곡의 냇가에서 자석에 당겨지는 검은 모래를 발견하고는 그것을 분석했습니다. 그중 자성의 원인물질인 산화철 외에 미지의 산화물(산화타이타늄)을 발견했습니다. 그리고 그곳의 이름을 따서 메나카나이트(menachite)라고 명명했습니다.

이후 1795년 독일의 화학자 마르틴 클라프로트(Martin Heinrich Klaproth)도 금홍석에서 같은 원소를 발견하고 그것을 ‘티타늄’이라고 이름 붙였습니다. 티타늄 원소명은 그리스 신화에 등장하는 거인 타이탄(Titan)의 이름을 딴 것입니다. 타이탄은 신들과의 싸움에서 패하여 땅속에 가둬졌는데요. 티타늄도 그런 타이탄과 같이 신들에 의해 광석 속에 넣고 봉해진 것으로 여겨져 붙여진 이름입니다.
그러나 그레고르나 클라프로트 모두 산화물을 환원하는 데에는 성공하지 못해 홑원소 물질인 금속 티타늄을 얻지는 못했습니다. 1910년 미국의 헌터가 처음으로 순수한 금속 티타늄을 얻었고, 1946년 룩셈부르크 화학자 윌리엄 크롤(William Kroll)이 마그네슘 환원법을 고안하면서부터 티타늄은 공업용 금속 재료로 실용화되었습니다.

현대 사회에서 티타늄은 정말 무한히 많은 곳에 쓰이고 있습니다. 그중 몇 가지만 골라 소개해드릴게요.

강도가 높고 가벼운 티타늄의 특성을 가장 잘 활용할 수 있는 분야는 바로 항공 우주(지구 대기와 외부의 광대한 지역에서의 여행, 혹은 비행체의 비행이나 유도 미사일의 조정 가능한 비행체)입니다. 특히 20세기 중반 초음속 비행기(소리의 속도보다 더 빨리 날아가는 비행기)가 개발됐을 때 티타늄은 항공기 재료 1순위로 꼽혔습니다. 당시에도 매우 비쌌지만, 티타늄을 대체할 원소가 없었습니다. 오늘날에는 좀 더 저렴한 합금들이 많이 개발되어 있기 때문에 연결 부위나 고정 나사 등 꼭 필요한 부속에만 티타늄을 사용하고 있습니다.

티타늄은 항공 우주 분야 외에도 가볍고 강한 금속이 필요한 모든 분야에 쓰입니다. 운동용품, 안경테, 경주용 자전거뿐만 아니라 견고한 소형 금속 부품이 필요한 음향 기기나 식기에도 사용됩니다. 휘거나 꼬여도 원래 형태로 복구되는 ‘형상 기억 합금’에도 쓰입니다. 티타늄은 강철과 함께 현대 금속 산업의 최전선에 있는 원소입니다.

우리 몸은 몸속에 이물질이 들어오면 위험 신호로 인식하고 이를 차단하거나 외부로 배출, 또는 염증 반응을 일으킵니다. 그런데 우리 몸 안으로 들어와도 이러한 현상을 일으키지 않는 물질들이 있습니다. 이를 가리켜 생체 친화성이 높다고 표현합니다. 티타늄은 생체 친화성이 매우 우수한 금속 원소로, 몸에 삽입해도 딱히 부작용이 없습니다. 오히려 손상됐던 몸이 빠르게 복원되는데요. 그래서 치아 임플란트, 골절 치료 등 몸 안에 금속 지지대를 박아 넣어야 하는 시술을 할 때 티타늄으로 만든 의료용 기기를 사용합니다.

또한 채굴된 대부분의 광석은 이산화티타늄으로 활용됩니다. 이산화티타늄은 독성이 거의 없고 자외선을 흡수, 차단하는 특성이 있어 자외선 차단제의 주성분으로도 이용됩니다.  일부는 껌이나 음식 재료 등에 치아 미백용으로 첨가하기도 합니다.

‘광촉매’란 태양 빛 또는 특정한 파장의 빛을 쪼였을 때 화학적, 전기적 반응이 일어나는 물질입니다. 티타늄의 산화물인 이산화타이타늄은 가장 대표적인 광촉매로, 오염 물질 정화, 태양광 발전, 물 분해 등에 활용됩니다. 최근에는 광촉매 효과를 이용해 미생물이나 암세포를 제거하는 의료 분야에도 쓰이고 있습니다.

오늘은 지각에 아홉 번째로 많이 함유된 원소로, 현대 사회에서 무한히 많은 곳에 쓰이고 있는 원소 티타늄(Ti)을 소개해드렸습니다.