[과학을읽다]만능금속 '티타늄'의 비밀

영화 '호빗'중 난쟁이왕 소린에게서 미스릴 갑옷을 선물받는 빌보베긴스. 현대의 티타늄은 판타지 영화 속에 등징하는 미스릴과 견줄 수 있는 금속입니다. [사진=유튜브 화면캡처]

[아시아경제 김종화 기자]'미스릴(Mithril)'이라는 상상 속의 금속이 있습니다. J.R.R. 톨킨의 소설 <반지의 제왕>과 <호빗>에 등장하는 금속입니다.

미스릴이라는 이름은 톨킨이 상상력으로 만든 것인데 mith는 안개나 잿빛을 의미하고 ril은 반짝거린다는 뜻입니다. 이 미스릴은 현재 출시되는 각종 판타지 소설이나 게임 등에서 '중간계 최고의 광물'로 자리매김하게 됩니다. 판타지 소설 등에서 미스릴은 새털처럼 가볍고, 강철보다 강도가 뛰어난 최고의 금속으로, 중간계의 모든 종족들이 탐내는 광물이지요.

영화 <호빗>에는 미쳐가고 있는 난쟁이왕 소린이 주인공인 빌보 베긴스에게 미스릴 갑옷을 선물하는 장면이 나옵니다. 판타지 소설에나 등장하는 미스릴과 비교되는 금속이 '티타늄(Ti, Titanium)'입니다. 현대 문명에서 미스릴급 대접을 받고 있는 금속이 티타늄인 것이지요.

티타늄은 완벽에 가까운 놀라운 금속입니다. 강도는 강철만큼 강하면서도 무게는 강철의 절반밖에 되지 않는데다 녹도 슬지 않습니다. 몸속에 이물질이 들어오면 우리 몸은 위험 신호로 인식하고 염증 반응을 일으키는데 티타늄은 생체 친화성이 높아 거부 반응도 거의 없습니다. 또 빛을 쪼였을 때 화학·전기적 반응이 일어나는 광촉매 효과도 가지고 있어 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.

티타늄은 지각에 아홉 번째로 많이 함유된 원소이고, 금속 중에서는 네 번째로 많으며 화성암으로 이뤄진 모래에 많이 함유돼 있습니다. 완벽해보이는 티타늄도 단점이 있습니다. 너무 강한 만큼 추출과 제련이 어렵고, 열 전도도가 낮아 가공도 힘겹습니다. 장점이 단점인 셈이지요. 그래서 풍부한 매장량에도 불구하고 가격이 무척 비쌉니다.

이런 이유 때문에 티타늄은 18세기에 발견됐지만 20세기 들어서야 사용되기 시작합니다. 1791년 영국의 아마추어 광물학자 윌리엄 그레고르 목사가 계곡에서 자석에 당겨지는 검은 모래를, 1795년 독일의 화학자 마르틴 클라프로트가 금홍석에서 같은 원소를 발견합니다. 그러나 두 사람 추출에 실패해 금속 티타늄을 얻지는 못했는데 1910년 미국의 헌터가 첫 금속 티타늄을 추출해냈고, 1946년 룩셈부르크의 화학자 윌리엄 크롤이 마그네슘 환원법을 고안하면서 티타늄 사용이 본격화됩니다.

티타늄은 만능금속으로 활용되고 있습니다. 항공기를 만드는 재료 1순위로 항공우주 분야에서 독보적 위치를 차지하면서 가볍고 강한 금속이 필요한 모든 곳에 사용되고 있습니다. 운동용품, 안경테, 자전거, 음향 기기, 식기 등에 사용됩니다. 휘거나 꼬여도 원래 형태로 복구되는 '형상기억합금'으로도 활용됩니다.

광물에서 제련을 마치고 금속인 스폰지티타늄 상태가 된 티타늄. [사진=유튜브 화면캡처]

생체 친화성이 높아 몸속에 삽입해도 딱히 부작용이 없기 때문에 치아 임플란트, 골절 치료용 금속 지지대 등 의료용 기기로 널리
사용됩니다. 또 티타늄의 산화물인 이산화티타늄(TiO2)은 독성이 거의 없고, 자외선을 흡수·차단하는 특성을 가져 자외선 차단제의 주성분으로 활용되고, 껌 등에 치아 미백용으로 첨가되기도 합니다.

광촉매의 성질을 가진 이산화타이타늄은 오염 물질 정화, 태양광 발전, 물 분해 등에 활용되는데 최근에는 광촉매 효과를 이용해 미생물이나 암세포를 제거하기도 합니다. 수소자동차 생산과정에서 중요한 역할을 하기도 합니다. 물에 광촉매를 풀어놓고 태양빛을 쬐 생기는 광화학반응을 촉진시켜 수소를 얻는 것입니다.

티타늄은 원자번호 22번입니다. 보통 산소와의 화합물 형태의 광물로 존재하는데 이 산소를 분리하기 위해 복잡한 과정을 거쳐야 하고, 유독성 원소를 사용해야 해서 안전시설의 구비가 절대적입니다. 그래서 비용이 꽤 많이 드는 여전히 비싼 금속입니다. 그리스신화 속 타이탄처럼 인간에게 까다롭지만 활용하기에 따라 도움이 되기도 하는 양면성을 가진 존재이지요.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr