이산화티타늄

이산화티타늄

이산화티타늄(titanium dioxide)은 이산화타이타늄 또는 이산화티탄이라고도 불리는 티타늄 다이옥사이드(TiO₂)는 전이 금속 원소인 타이타늄을 산소와 반응시켜 얻는 흰색의 화합물이다. 화학식은 TiO₂이다. 전이금속인 타이타늄 원자 하나와 산소 원자 2개가 결합된 분자로서 분자량은 79.866g/mol이며, 무미무취의 흰색 가루이다. 타이타늄을 공기 중에 노출시키면 쉽게 산소와 반응하여 이산화 타이타늄 피막을 형성한다.

이산화티타늄은 지구의 지각에서 9번째로 흔한 원소이며 식물과 동물에서 흔히 볼 수 있다. 금속무색 또는 백색 분말로서 냄새와 맛이 없다. 물, 염산, 묽은 황산, 알코올 및 다른 유기용매에도 녹지 않으며 뜨거운 진한 황산 이외의 산에는 녹지 않는다.

이산화티타늄은 캐나다, 덴마크, 프랑스, 독일, 영국, 미국 등 많은 나라에서 사용이 인정되고 있는 비타르계 색소이다. 1969년 제13회 FAO·WHO 합동식품첨가물전문가위원회에서 이산화티타늄의 ADI설정은 필요하지 않다고 결정하였다. 과거 분말청량음료에 다른 식용색소와 혼합하여 조유의 식품색을 부드럽게 하거나 당의식품피복원료인 설탕시럽에 혼합하여 제품색상을 선명하게 만들 목적으로 사용하였다. 또한 은폐력이 크며 열에 안정하므로 빛이나 자외선에 의한 영양소 파괴 또는 변색, 퇴색이 우려되는 청량음료에 일부 사용하였다. 반응성이 낮아 화학적으로 매우 안정되어 있어, 페인트, 염료 및 식품 첨가물로 널리 사용되고 있다. 자외선 차단제 성분으로도 널리 이용된다.

배터리 음극재

이산화티타늄은 차세대 리튬이온 배터리 음극재로 떠오르고 있다. 이산화티타늄은 격자 사이사이에 리튬을 저장할 수 있다는 장점이 있다. 흑연보다 싸고 안정적이며 친환경적이다. 기존에 이산화티타늄을 음극으로 사용한 리튬이온 배터리 용량은 이론 용량의 절반 수준에 그쳤다. 현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단장 연구팀은 흑연을 대체할 음극소재로 주목받고 있는 이산화티타늄(TiO₂) 나노입자를 이용해 용량이 크고 오래 가는 리튬이온 배터리를 구현할 새로운 음극소재를 개발하는 데 성공했다. 연구진은 수 ㎚(나노미터·1㎚는 10억 분의 1m) 크기의 이산화티타늄 나노입자의 크기와 구조를 바꿔가며 다양한 구조를 합성하면서 리튬이온수송 과정을 분석했다. 그 결과 용량이 극대화 되는 최적의 구조를 찾아냈다. 이산화티타늄 입자가 속이 빈 구 형태를 이루는 집합체를 형성할 때 가장 안정적이고 효율적으로 리튬이온을 저장했다. 이렇게 만든 리튬이온전지는 용량이 기존보다 30% 크고 500회 이상 충·방전을 반복해도 성능을 그대로 유지할 수 있다.

성질

• 산화력이 매우 크다.
• 은폐력이 커서 거의 모든 용매에 녹지 않는다.
• 굴절률이 매우 큰 이방성을 나타내고 산란성도 크다.
• 매우 안정한 물질이다.
• 비독성이다.
• 보통 생물학적으로 반응을 하지 않아 환경 및 인체에 무해하다고 이야기하나 후속 연구에 따르면 인체에 암을 유발할 가능성이 있다고 하며 발암 가능물질군에 속한다.
• 이산화티타늄이 20nm정도로 작은 크기일 때 내피세포누출을 유도하는 메커니즘 일부 발표되었다
• 판타이타늄석(brookite), 예추석(anatase), 금홍석(rutile)의 동질다상 형태로 존재한다.
• 산화력이 커서 항균 작용이 크고, 악취제거 및 살균작용이 있다.
• 절연체이다.

일반적인 용도

• 자외선 차단제 및 화장품 등으로 쓰인다.
• 흰색의 도료로서 널리 쓰인다.(물감, 유약, 잉크, 수정액, 페인트 등)
• 산화력이 커 광촉매로 사용된다.
• 상을 선명하게 하여 식품첨가제로 쓰인다.
• 항균제, 악취제거 및 살균제로 쓰인다.
• 반도체 물질 및 태양전지 셀 및 코팅 물질로 쓰인다.

제조

현재 공업적으로 제조되고 있는 이산화티타늄의 양은 세계적으로 연간 약 300만톤이다. 생산되는 이산화 타이타늄은 여러 용도로 쓰인다. 이 중에서 백색 도료로서 사용되는 양이 전체 이산화 타이타늄 사용량의 약 90%를 차지한다. 공업적으로 이산화 타이타늄을 제조하는 방법은 크게 황산법과 염소법 2가지로 나뉜다.

황산법

TiOSO₄의 수용액을 열가수분해해서 얻어진 침전물인 예추석형의 TiO₂ 미립자를 800~1000 °C로 소성하여 성장시킨 후 원하는 크기의 TiO₂를 얻는 방법이다. 소성공정의 종자 첨가 조절에 의해 예추석형, 금홍석형 등의 원하는 결정을 제조할 수 있다.

염소법

TiCl₄의 가열증기를 가열산소와 반응시켜 고온 기상에서 TiO₂입자를 형성시키는 방법이다. 황산법과는 다르게 금홍석형만이 제조된다.

그 외의 제조법

이산화티타늄 박막을 제조하는 공법으로서 CVD공법(Chemical Vapor Deposition)이나, 졸겔법, 양극산화법(Anodization) 등의 제조법이 있다.

광촉매로서의 적합성

광촉매로서 쓰이기 위해서는 우선 안정해야 하며, 빛을 흡수하여 다른 물질을 산화시키는 능력이 뛰어나야 한다. 이산화 타이타늄은 이러한 면에 있어서 뛰어난 적합성을 보여주는데, 더욱이 생물체에 영향을 주지 않는 무독성이 큰 장점을 작용한다(이에 한 연구에서 암을 유발할 수도 있다는 것도 밝혀짐)는3.0~3.2eV로 상대적으로 큰 편이기 때문에 자외선(u.v;ultraviolet wave)영역의 빛을 흡수하여 광촉매 역할을 수행한다. 특히, 385nm 파장의 빛을 이용한다. 하지만 다른 염료나 색상을 띠는 유기물과 섞여 광촉매 역할을 수행하면 가시광선(visible light)영역의 빛으로도 광촉매 역할을 수행할 수 있다.

참고자료

• 〈이산화 타이타늄〉, 《위키백과》
• 〈이산화티타늄〉, 《두산백과》
• 송경은 기자, 〈나노입자로 리튬이온전지 용량 30%높였다〉, 《동아사이언스》, 2018-12-10

같이 보기

• 산소
• 타이타늄

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