티타늄 : 지각의 구성 광물, 추출 과정, 치과 임플란트

임플란트에 필수적인 티타늄

 

 원자 번호 22번인 티타늄은 뛰어난 경도와 내구성으로 다양하게 응용되고 있습니다. 오늘은 티타늄이 지각에서 어떻게 존재하는지, 추출 과정과 왜 치과 임플란트에서 적용되고 있는지 알아보겠습니다.

 

티타늄, 지각의 구성 광물

 티타늄은 지각에서 0.57%의 비율을 차지하고 있습니다. 산소, 규소, 알루미늄과 같은 물질에 비해서는 적지만, 4번째로 많은 물질입니다. 티타늄은 지질층 내에서 여러 형태로 존재하는데, 주요 광물 중 하나는 일메나이트(FeTiO3)로 주로 해변 모래, 화산암 등에서 발견되는 철-티타늄 산화 광물입니다. 이 광물은 일반적으로 검은색 또는 철흑색이며, 갈색 또는 적갈색이기도 합니다. 일메나이트는 광택을 가지고 있어 반짝이는 외관을 가지고 있으며 불투명하여 빛이 광물을 투과하지 않는 특성을 가지고 있습니다. 일메나이트는 다양한 산업적 응용이 가능한 귀중한 금속인데, 일메나이트 광물을 이산화티타늄(TiO2)으로 변환하고 난 이후에 이것을 더 가공하여 티타늄 금속을 생산하거나 이산화티타늄 안료 제조에 사용합니다. 다음으로는 루틸이라는 주로 이산화티타늄으로 구성된 광물로 존재합니다. 이름은 라틴어 'rutilis'에서 유래되었는데 광물이 자연 상태에서 짙은 붉은색을 띠기 때문입니다. 붉은색 이외에도 가끔 노란색, 갈색, 검은색, 초록색을 띠기도 합니다. 모양은 흔히 바늘이나 가시 구조인 각기둥으로 보이며 정방정계에 속합니다. 루틸은 편암, 편마암과 같은 변성암과 화강암에서 흔히 발견되며, 퇴적물에서도 찾아볼 수 있습니다. 루틸 역시 이산화티나늄에 널리 사용되고 있으며, 안료, 세라믹, 티타늄 금속 제조에 응용되며, 광학 장비의 연마제로도 사용됩니다. 마지막으로 티타늄은 류코센이라는 물질로도 존재합니다. 류코센은 특정 미네랄 성분 및 불순물 함유량에 따라 흰색, 회색, 갈색 또는 노란색 등 다양한 색상으로 존재합니다. 일반적으로 세립질 또는 흙질의 응집체로 존재하며, 해변 모래와 광물 매장지에서 발견됩니다. 그리고 다른 티타늄 광물에서 볼 수 있는 명확한 결정 형태가 없습니다.

 

티타늄의 추출 과정

 티타늄의 추출 과정은 위에서 말한 이산화티타늄이 풍부한 일메나이트, 루틸 및 류코센 광물을 채굴로부터 시작됩니다. 그 후에는 광석의 불순물을 제거하고 더 유용한 형태로 변형하고 정제하기 위한 일련의 과정이 필요합니다. 다음 단계는 정제된 이산화티타늄을 중간 화합물인 사염화티타늄(TiCl4)으로 전환하는 과정입니다. '염소화'라고 불리는 화학적 반응 과정을 통해 이루어지는데, 이 형태는 이후의 환원 과정을 진행하기 위해서 필수적입니다. 여기서 언급한 환원 과정은 1930년대에 윌리엄 크롤에 의해 개발된 '크롤 공정'입니다. 이것은 사염화티타늄을 금속 형태로 환원시키는 공정인데, 매우 효율적이지만 티타늄의 순도를 보장하기 위한 고온에서의 반응 조건 통제가 필수적입니다. 여기서는 용융된 마그네슘과 사염화티타늄의 반응을 통해 염화마그네슘을 분리하고 순수한 티타늄 다공성 덩어리(티타늄 스펀지)를 형성합니다. 이렇게 추출된 티타늄은 이제 금속 형태로, 산업마다의 요구 특성을 충족하기 위해 추가적인 가공 과정을 진행합니다. 예를 들면, 우수한 강도, 내식성, 내열성을 보장하기 위해서 알루미늄, 바나듐 또는 니켈 원소와 합금화하기도 하며 이렇게 만들어진 티타늄 합금은 항공우주공학, 의료용 임플란트, 그리고 다양한 고성능 산업에 응용됩니다.

 

티타늄과 임플란트

 일련의 추출 과정을 통해 얻어진 티타늄은 골유착이라는 특성 덕분에 치과 임플란트에 주로 사용됩니다. 티타늄 소재의 임플란트가 턱뼈 안으로 들어가면, 티타늄의 표면이 뼈세포를 끌어당기기 시작합니다. 세포들은 임플란트와 부착되어 강력하고 안정적으로 결합된 상태로 변합니다. 이렇게 티타늄은 임플란트에 안정성을 부여할 뿐만 아니라 자연스럽게 턱의 일부분을 차지합니다. 그리고 티타늄은 생체적합성이 우수합니다. 생체적합성이 뛰어난 물질은 거부반응이나 알레르기 반응의 위험을 최소화하므로 인체에 적용하기 유리한데, 티타늄 소재의 임플란트는 주변 조직과 뼈가 부작용을 일으키지 않으므로 효과적으로 치과 임플란트를 성공시킬 수 있습니다. 또한, 치과 임플란트는 구강의 타액과 섭취하는 식품에 따라 pH 수준이 달라지기 때문에 까다로운 환경에 노출되는데, 티타늄의 우수한 내식성은 치과용 임플란트의 수명과 안정성을 보장할 수 있습니다. 다른 금속과 달리 티타늄은 체액이 있어도 부식되거나 분해되지 않아 장기적 내구성이 필요한 임플란트에 매우 적합합니다. 마지막으로 티타늄은 무게 대비 강도가 뛰어난 물질입니다. 이런 티타늄의 가벼운 특성으로 인해 임플란트 후 주변 뼈와 조직에 가해지는 스트레스를 줄여 환자의 불편함을 최소화합니다. 수많은 연구와 임상 관찰을 통해서, 이 네 가지 특성이 우수한 티타늄을 적용한 많은 환자들이 임플란트를 성공했고, 장기간에 걸쳐 구강 기능이 회복했음을 확인할 수 있었습니다.