티타늄 합금은 오랫동안 첨단 제조업의 독보적인 핵심 재료로 자리 잡아 왔으며, 다른 금속들과는 차별화되는 드문 특성 조합으로 높은 평가를 받아왔다. 티타늄 합금은 강도 대 비중 비율이 강철보다 40% 우수하면서도 무게는 45% 더 가볍고, 극한의 해양 또는 화학 환경에서도 부식에 견디며, 생체적합성 덕분에 면역 반응을 유발하지 않고 인체 조직과 융합할 수 있다. 수십 년 동안 이러한 특성들로 인해 티타늄은 항공우주 분야에서 젯 엔진 팬 블레이드처럼 500°C를 초과하는 온도와 극심한 기계적 응력을 견뎌내야 하는 부품에 사용되는 Ti-6Al-4V 같은 티타늄 합금에 의존하고 있으며, 정형외과 의사는 20년 이상 인체 내에서 사용 가능한 무릎 및 고관절 임플란트에 그 불활성 특성을 활용하고 있다. 그러나 티타늄의 광범위한 채택은 지속적으로 얽힌 장벽들에 의해 저해되어 왔다. 단조, 주조, CNC 가공과 같은 전통적인 가공 방식은 전체 재료의 70~80%에 달하는 막대한 폐기물을 발생시킨다. 루틸로 알려진 원광 티타늄은 순수한 티타늄 스펀지로 정련하기 위해 많은 에너지를 필요로 하며, 이를 완제품 형태로 가공하는 과정에서 대부분의 재료가 제거된다. 이러한 비효율성과 함께 증가하는 항공우주 수요로 인한 글로벌 티타늄 공급 부족은 티타늄 가격을 파운드당 최대 30달러까지 유지시켜 왔으며, 이로 인해 티타늄은 틈새 산업에만 국한되어 소비자 전자기기, 전기차(EV), 재생 가능 에너지 등 다른 산업들이 그 이점을 활용하지 못하게 되었다.
그러나 최근 적층 제조(AM) 분야에서의 획기적인 발전이 이러한 오랜 패러다임을 뒤바꾸고 있다. 선택적 레이저 융해(SLM)와 바인더 제팅(BJ) 기술이 대표적인 예로서, 재료 손실을 최소화(일반적으로 10% 미만)하면서 복잡한 형상에 가까운 티타늄 부품 생산이 가능한 혁신적 솔루션으로 등장했다. SLM은 파우더 베드 융합 기술로, 고출력 파이버 레이저(일반적으로 200~400와트)를 사용하여 티타늄 분말 입자를 층 단위로 선택적으로 녹여가며 ±0.1mm 이내의 치수 정확도로 부품을 제작한다. 이 방식은 인체 해면골의 다공성(30~70% 다공성)을 모방한 격자 구조 임플란트처럼 복잡한 내부 구조를 가지면서도 밀도가 높은(최대 99.9%) 부품 제작에 탁월하다. 또한 일반 가공 방식으로는 제작이 불가능할 정도로 내부 냉각 채널이 복잡한 항공우주용 연료 노즐과 같은 부품에도 적합하다. 반면 바인더 제팅(Binder Jetting)은 보다 확장성이 뛰어난 방식으로, 티타늄 분말층 위에 액상 폴리머 바인더를 도포하여 '그린' 부품을 형성한 후 고온 소성로에서 탈지 및 소결 과정을 거쳐 완전한 밀도를 달성한다. 이 공정은 SLM보다 3~5배 빠르며 대량 생산에 더 적합하여 전기차 배터리 하우징 브래킷과 같은 자동차 부품이나 날개 리브와 같은 항공우주용 서브어셈블리에 이상적이다.
이러한 기술은 맞춤화, 무게 감소 또는 설계 최적화를 요구하는 산업 분야에서 특히 혁신적이다. 생체의학 분야에서는 글로벌 의료기기 기업 점머 바이오메트(Zimmer Biomet)가 현재 SLM 기술을 활용해 환자 개인의 CT 스캔 데이터에 맞춘 고유한 엉덩이 임플란트를 제작하고 있다. 이러한 임플란트는 뼈 성장을 촉진하는 맞춤형 표면 질감을 특징으로 하여 수술 시간을 25% 단축시키고 표준 임플란트 대비 수술 후 합병증 발생률을 거의 40% 줄였다. 항공우주 분야에서는 보잉(Boeing)이 787 드림라이너(Dreamliner)에 600개 이상의 3D 프린팅 티타늄 브라켓을 적용했는데, 이 부품들은 대체된 용접 강철 부품보다 무게가 30% 가볍다. 이러한 무게 감소는 연료 효율성 1.5% 향상으로 이어지며, 급등하는 연료 비용에 직면한 항공사들에게 상당한 이점을 제공한다. 소비자 기술 분야에서도 기업들이 이러한 변화를 수용하고 있다. 카시오(Casio)의 G-샥(G-Shock) 라인은 스테인리스 스틸 제품보다 20% 더 가벼우면서도 흠집 저항성이 30% 더 뛰어난 AM 티타늄 케이스를 적용한 시계를 선보이고 있으며, 중국 기술 기업 샤오미(Xiaomi)는 Mix Fold 3 스마트폰의 프레임에 BJ 방식으로 프린팅한 티타늄을 사용해 내구성과 얇은 두께 사이의 균형을 실현했다. 이러한 산업들에 있어 적층 제조(AM)는 단순히 티타늄을 저렴하게 만드는 것을 넘어서, 이전에는 불가능했던 설계 가능성을 열어준다.
이러한 전환을 이끄는 핵심 요인은 적층 제조(AM)의 생명줄인 티타늄 분말 가공 기술의 성숙이다. 초기의 티타늄 분말은 불규칙한 형태와 입자 크기의 불균일성으로 인해 유동성이 낮고 프린팅 결과가 고르지 못하는 문제가 있었다. 오늘날 플라즈마 분쇄 및 가스 분쇄 기술과 같은 혁신이 분말 구형화 과정을 혁신적으로 변화시켜, 적층 제조 장비 내에서 균일하게 흐르는 매끄럽고 구형의 입자를 생산할 수 있게 되었다. 정밀한 입도 분류 기술은 이제 입자 크기 분포(일반적으로 SLM 용 15–45μm)를 정확히 제어할 수 있도록 하여, 일관된 충진 밀도를 보장하고 기공(porosity)과 같은 출력 결함을 줄이는 데 기여한다. 또한 CNC 가공 잔재물, 항공우주 부품의 절단 폐기물, 심지어 폐기된 의료기기에서 재활용한 티타늄 분말의 등장은 비용과 지속 가능성 측면에서 모두 해결책이 되고 있다. Kyhe Technology와 같은 기업들은 이러한 재활용 원료를 고품질의 적층 제조용 분말로 정제하는 공정을 개발하여 자재 비용을 40~60% 절감하고, 금속 폐기물을 매립지로 흘러들어가는 양을 크게 줄이며 글로벌 순환 경제 이니셔티브에 부합하고 있다.
그러나 광범위한 적층 제조용 티타늄 채택을 저해하는 과제들이 여전히 존재한다. 티타늄은 산소와의 반응성이 극도로 높기 때문에 프린팅이 불활성 아르곤 또는 질소 분위기에서 이루어져야 하며, 이는 초저산소 수준(0.1% 미만)을 유지하기 위해 특수하고 고가의 장비를 필요로 한다. 프린팅 후 공정 처리 또한 병목 상태를 유지하고 있다. 대부분의 적층 제조 티타늄 부품은 잔류 응력을 제거하기 위한 열처리를 필요로 하며, 최종 표면 마감을 달성하기 위해 기계 가공이나 연마를 추가로 거쳐야 하는데, 이러한 단계들은 전체 생산 시간과 비용의 30~50%를 차지할 수 있다. 또한, 미세균열과 같은 미세 결함이 부품 성능을 저하시킬 수 있기 때문에 품질 관리 역시 복잡한 상태이며, 이에 따라 컴퓨터 단층촬영(CT 스캔)과 같은 고급 검사 장비가 요구된다.
산업계의 노력은 현재 전체 적층 제조(AM) 워크플로우를 간소화하기 위한 통합 솔루션 개발에 집중되고 있다. 재료 과학자들은 산소 감수성을 줄이기 위해 화학 조성을 개선한 티타늄 합금을 개발 중이며, AI 기반 공정 모니터링 시스템은 실시간 센서 데이터를 활용해 프린팅 도중 결함을 탐지하고 수정한다. EOS와 같은 기업들은 AM 장비와 자동화된 후처리 모듈을 통합하여 원활한 생산 라인을 구현하는 '프린트 투 파트(print-to-part)' 솔루션을 선도하고 있다. 한편, ASTM International과 같은 표준 기관들은 제조업체들 사이의 신뢰를 구축하기 위해 적층 제조용 티타늄 분말 및 부품에 대한 통일된 기준을 마련하기 위해 노력하고 있다.
방향은 명확하다: 이러한 기술들이 발전함에 따라 티타늄 합금은 대중 시장 응용 분야에 점점 더 많이 침투할 전망이다. 전기차의 경우, 적층 제조(AM) 방식의 티타늄을 사용하면 배터리 외함의 무게를 줄여 안전성을 유지하면서 주행 거리를 늘릴 수 있다. 재생 에너지 분야에서는 해상 풍력 터빈의 부식 저항성 부품 제작에 활용될 수 있다. 한때 엘리트 산업에만 국한되었던 고급 소재였던 티타늄은 적층 제조의 효율성과 재활용된 분말이 지닌 지속 가능성에 힘입어 현대 제조업의 보편적인 기본 소재로 자리매김할 준비를 마쳤다. 티타늄의 다음 장은 단지 더 나은 부품을 만드는 것을 넘어, 더욱 효율적이고 순환적인 산업 생태계를 구축하는 데 있다.
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