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Start Up Innovation / Science
티타늄 스크랩을 고순도 티타늄으로
도쿄대학, 산소 제거로 재생해 이용

희귀금속인 티타늄은 가볍고 강도 및 내식성이 우수해 항공 우주 분야와 자동차 등에서 이용이 확대되고 있다. 하지만 가공이 어렵고 가공 시 스크랩이 많이 발생하는 등의 문제도 있다. 앞으로의 보급 확대를 내다보고 도쿄대학은 티타늄 스크랩에서 순도 높은 티타늄을 재생하는 리사이클 기술 개발을 추진하고 있다.

-- 저렴화를 목표로 --
“리사이클을 통해 품질이 향상된다면 스테인리스 스푼을 티타늄제품으로 대체하는 것도 가능하다”. 오카베(岡部) 도쿄대학 생산기술연구소 교수는 티타늄의 저렴화에 대한 기대감을 나타냈다.

티타늄은 광석에서 제련해 금속 덩어리로 만들기까지 많은 전기가 사용되고 제련이 어렵다는 점 때문에 고가의 희귀금속으로 취급되고 있다. 우수한 특성을 가지고 있지만, 절삭과 프레스 등의 가공이 어렵고, 높은 비용으로 제련한 티타늄 덩어리를 가공할 때 스크랩도 많이 생긴다.

이러한 스크랩은 지금까지 철에 추가해 합금의 페로티타늄을 만드는 재료 등에 이용되어 왔다. 하지만 앞으로 수요가 증가한다면 이러한 이용만으로는 대량으로 발생되는 티타늄 스크랩을 감당하지 못하게 된다. 스크랩을 통해 순도가 높은 금속 티타늄을 재생할 수 있게 된다면 티타늄 제조 비용을 낮추는 효과도 기대할 수 있을 것이다.

리사이클의 실현을 위한 과제는 티타늄에 함유되어 있는 불순물을 제거하는 것. 그 중에서도 산소는 철과 함께 주요한 불순물 중 하나이다. 티타늄 광석에는 적지 않은 산소가 함유되어 있어, 이것을 스폰지 티타늄이라고 불리는 1차 원료로 만드는 단계에서 0.05% 이하로 낮추고 있다.

스폰지 티타늄에서 만든 금속 티타튬에 함유된 산소는 0.05~0.4%. “티타늄은 좋은 광석이라도 0.2% 정도의 산소를 함유하고 있다. 스크랩의 산소 함유 농도가 더 낮을 가능성이 있다”라고 오카베 교수는 설명한다. 산소를 제거해 리사이클 할 수 있게 된다면 광석보다 더 좋은 원료를 만들 수 있는 것이다.

금속 티탄은 광석에서 만든 염화 티타늄에 마그네슘으로 화학 반응을 일으켜 추출한다. 하지만 금속 티타늄에 마그네슘을 넣어도 산소를 더 줄일 수는 없었다. 하지만 오카베 교수팀은 우선 이론적인 계산을 통해 마그네슘을 넣고 이트륨을 이용한다면 스크랩에서 산소를 줄일 수 있다는 것을 증명했다. 마그네슘과 함께 염화이트륨을 이용할 경우 열역학적인 상태가 변화. 티타늄과 마그네슘의 반응으로 만들어진 생성물이 염화이트륨과 반응해 감소하기 때문에 티타늄과 마그네슘의 반응이 촉진되어 산소가 더욱 감소된다.

-- 전기세 절감 --
이 이론을 실제로 실험해본 결과, 금속 티타늄에 함유되어 있는 산소 농도가 0.1% 미만까지 낮아졌다. 여기에 전기적 반응을 추가하자 0.05% 미만으로 낮아졌다. 항공기 등에 사용되는 가장 높은 품질의 티타늄의 경우에도 산소 함유율은 0.18% 이하이기 때문에 최상의 품질의 티타늄을 만들 수 있다. 오카베 교수는 “이론적으로는 0.005%까지 낮아질 수 있다”고 설명한다.

보잉의 ‘B787’과 에어버스의 ‘A350XWB’와 같은 최신형 제트여객기에서는 여객기 본체의 10% 정도에 티타늄이 사용된다고 한다. 개발도상국의 성장과 세계화로 인해 항공사들은 노선 확대에 주력하고 있어 항공기의 수요는 계속 확대되고 있다. 뿐만 아니라 우주 개발에서도 미∙중 경쟁과 민간 기업의 참여로 로켓과 위성 시장이 성장하고 있어 티타늄 수요는 더욱 확대될 것으로 기대되고 있다.

일본에서는 티타늄 광석을 수입해 금속 티타늄의 원료가 되는 스폰지 티타늄을 제조하고 있다. 2017년의 스폰지티타늄 생산량은 약 5만톤. 세계 시장은 약 20만톤으로, 일본은 중국 등과 함께 상위를 차지하고 있다.

스크랩에서 리사이클이 실용화된다면, 스폰지티타늄 제조에 소요되는 방대한 전력이 필요 없어진다. 비싼 전기세를 지불하는 일본의 제조사들에게 국제 경쟁에서 살아남을 수 있는 유력한 기술이 될 수 있다.

“경우에 따라서는 스크랩에서 보다 품질이 높은 업그레이드 리사이클이 가능하다. 일본에 전세계 티타늄 스크랩이 모이는 시대를 목표로 한다”고 오카베 교수는 강조한다.

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