원석 가공한 '스펀지 티타늄' 세계 5번째로 독자개발
전투기·잠수함·임플란트…활용 엄청나 경제효과 기대

치과용 임플란트의 소재인 티타늄을 얻으려면 원석을 가공한 중간 단계인 '스펀지' 티타늄을 거쳐야 한다. 화강암처럼 거친 표면에 구멍이 송송 뚫려 있어서 스펀지란 이름이 붙었다.

스펀지 티타늄은 가격이 만만치 않다. ㎏당 2만원으로 전량 수입에 의존한다. 원천기술을 가진 국가들이 기술이전을 거부하고 있기 때문이다. 이 기술을 한국기계연구원 부설 재료연구소가 독자 개발했다고 지난 9일 밝혔다.

◆세계에서 5번째로 독자 개발한 스펀지 티타늄

티타늄은 철보다 40% 가벼우면서 강도는 2배나 좋은 금속이다. 가벼우면서 강하기에 자동차 소재로 사용하면 최상의 연비를 실현하면서 안전성도 담보할 수 있다는 뜻이다.

티타늄의 가격이 비싸 아직은 로켓, 잠수함, 전투기, 제트 엔진 등 각종 첨단 제품 소재에만 국한돼 사용된다. 티타늄은 금속으로는 드물게 우수한 생체 적합성을 갖고 있어 치과용 임플란트 재료에도 많이 쓰인다.

티타늄의 이런 장점은 역설적으로 티타늄 기술 이전의 제한을 가져왔다. 60년 전에 티타늄의 제조 기술이 개발됐지만 여전히 미국, 러시아, 일본, 중국 등 4대 강대국만 기술을 보유하고 있다. 재료연구소는 관련 기술 보유국에 한국의 이름도 올리도록 만든 것이다.

스펀지 티타늄 제조의 핵심은 염소 가스와 마그네슘을 안전하게 다루느냐에 있다. 원석이 함유하고 있는 산소를 제거하기 위해 염소가스를 사용한다. 원석 상태에서 산소와 티타늄의 화학적 결합이 워낙 강하기에 철의 제련 과정처럼 고온 상태에서 원석을 녹인다고 산소가 제거되지 않는다. 산소보다 티타늄과 더 잘 결합하는 대체 물질을 넣어 줘야 하는데 그것이 바로 염소 가스이다.

염소는 독성이 강해서 다루는 데 어렵다. 또한 섭씨 수백도에서 만들어진 염소와 티타늄의 혼합 액체에서 염소만 분리할 때 사용하는 마그네슘은 폭발 위험성이 크다. 이 두 물질을 안전하게 다루는 것이 스펀지 티타늄 제조의 관건이다.

재료연구소 이동원 박사는 "스펀지 티타늄에 필요한 염소·마그네슘의 투입량을 마냥 늘리면 생산 효율을 높일 수 있으나 공정의 안전성을 해칠 수 있다. 양자를 모두 만족시킬 수 있는 최적의 투입량을 찾아내는 동시에 외부의 불순물이 유입되는 것을 막아 순도 99.7%의 스펀지 티타늄을 제조할 수 있었다"며 "세계에서 5번째로 스펀지 티타늄 제조 기술을 국산화시켰다"고 말했다.

이로써 연간 7000t, 금액으로는 3000억원대의 국내 티타늄 수입 물량을 대체할 수 있는 길이 열린 것이다.

◆2% 부족한 티타늄 제조 기술

이번에 개발한 스펀지 티타늄 제조 기술은 100㎏ 양산 체제에 적합한 기술이다. 경제적 효과를 높이려면 3t 정도의 양산 체제를 갖춰야 한다.

이동원 박사는 "양산 규모가 커지면 그에 따른 안전 대책도 달라져야 한다"면서 "대규모의 염소와 마그네슘을 안전하게 다루는 기법을 독자 개발하면서 구(舊)소련 연방국가들로부터 해당 기술 이전을 추진하고 있다"고 말했다.