최근 ‘티타늄’을 적용한 최신 아이폰15 프로 시리즈가 새삼 화제로 떠올랐다.

애플은 지난 12일(현지시각) 신제품 발표장에서 아이폰15 프로에 아이폰 역사상 가장 가볍고 뛰어난 내구성을 지닌 티타늄 소재를 사용했다고 밝혀 전세계를 깜짝 놀라게 했다.

그러나 열흘 후 한 유명 IT 유튜버(‘애플트랙’)가 아이폰 신·구 제품 비교 낙하 실험을 가지면서 세상은 또한번 놀랐다. 이 유튜버는 티타늄 사용 신제품(아이폰15프로)보다 스테인레스 스틸을 사용한 전작(아이폰14 프로)이 튼튼하다는 것을 제시했다. 최고 6.1m 높이에서 다각도로 여러차례 두 스마트폰을 낙하 실험한 영향은 작지 않아 보인다. 무엇보다도 고급 아이폰15 프로버전에 ‘티타늄’ 소재를 적용함으로써 가볍고, 우주에도 갈 정도로 튼튼하며, 더 비싼 이유가 된다는 식으로 제품을 소개한 애플 체면이 말이 아니게 됐다.

사상 최대의 단말기 내구성을 장담한 애플을 당황하게 만든 티타늄 소재가 대체 뭐길래?

많은 사람들이 ‘티타늄’이란 소재에 대해 알루미늄처럼 가볍고 튼튼하고 그래서 항공우주 소재로 사용되며, 가격이 비싸다는 것 정도로 알고 있다.

아이폰15 티타늄 내구성 소동을 계기로 인류를 놀라게 한 티타늄의 마법같은 특징들과 그처럼 비싼 이유를 알아봤다. 이와함께 냉전시대(1950~1980)를 거치며 오늘에 이르기까지 항공우주와 군사분야는 물론 민간분야에서 마법처럼 활용된 가장 놀라운 사례와 일화도 살펴봤다.

① 쓸모없는 금속에서 미래 첨단소재로

② SR 71-우주선 연료탱크-구겐하임

티타늄 없이는 SR-71도 없었다

티타늄은 강철만큼 강하지만 밀도가 훨씬 낮다. 즉, 가볍다. 알루미늄, 몰리브덴 및 철을 포함한 많은 금속과의 합금제로서 중요하다. 이러한 합금들은 밀도가 낮고 극한의 온도에도 견딜 수 있기 때문에 항공기, 우주선 및 미사일에 주로 사용된다.

이에따라 티타늄은 항공기의 엔진에서 볼트, 너트까지 다른 많은 항공기의 부품과 장치 등에서 요구 수요가 점점더 늘어나고 있다. 이유는 자명하다. 가볍고도 강하기 때문이다.

예를 들어 볼트를 일반 강철볼트 대신 티타늄 볼트로 바꾸면 엔진의 무게가 거의 100kg이나감소된다. 이렇게 되면 그에 따라 비행기의 동체 무게도 10kg 정도 감소시킬 수 있게 된다. 결국 전체적으로 1톤의 무게를 줄일 수 있게 된다는 계산이 나온다. 이는 자연히 항공기를 운행할 때 드는 에너지 사용량을 줄이는 경제적 효과로 이어진다.

티타늄을 사용한 가장 유명한 항공기는 아마도 미소 냉전 중 제작된 미국 첩보기 SR-71 블랙버드일 것이다. 항공기 역사의 역사에서 SR-71 블랙버드만큼 경외심과 경이로움을 자아내는 항공기는 거의 없다고 해도 과언이 아니다.

총알보다 빠르다는 말은 슈퍼맨만의 얘기가 아니다. 1964년 12월 22일 첫 시험 비행을 위해 이륙한 날렵하고 은밀한 공군 정찰기, SR-71 블랙버드의 경우는 현실이었다. 말 그대로 총알보다 빨랐다. 록히드의 전설적인 스컹크 웍스 팀이 만든 블랙버드는 음속의 3.3배로 비행했다. 23~26km 상공까지 치솟아 시속 약 3200km로 비행했다. 이는 적(특히 소련)의 전투기나 지대공 미사일에 격추되기에는 너무 높고 너무 빠르다.

이러한 엄청난 속도에서, 열은 강력한 적이 된다. 이러한 속도에서 공기 분자의 마찰은 어떤 금속도 녹지는 않더라도 부드럽게 변하게 만들 수 있는 열을 만들었다. 항공기 엔지니어들과 설계자들에게 이는 극복해야 할 중요한 과제였다. 어떻게 하면 항공기동체가 열을 받을 때 구조적으로 건강한 상태를 유지하는 항공기를 만들 수 있을까 하는 것이었다.

철강 소재로 만든 전작 ‘A12’ 첩보기와는 뭔가 다른 것이어야 했다. A12에 사용된 철강에는 실리콘, 망간, 황, 탄소가 들어갔지만 그 이상의 성능을 낼 수 있는 소재가 필요했다. 이 문제를 해결힌 것은 값싸고 일반적인 알루미늄이 아니었다. 강도와 비할 데 없는 내열성으로 유명한 금속인 티타늄이었다.

티타늄을 다른 금속들과 비교할 수 없게 만드는 것은 원자의 구조다. 결정성 격자 안의 결합 강도는 열에 강한 저항력을 갖게 한다. 많은 금속들이 극단적인 온도에서 약해지거나 녹지만 티타늄은 견고하고 타협을 모른다.

일반적으로 순수한 티타늄은 α티타늄과 β티타늄 두 가지 결정구조로 결정화할 수 있다.

낮은 온도(상온)에서 결정화하면 육각밀집(HCP) 구조의 알파(α)티타늄이 형성되고, 높은 온도에서 결정화하면 체심입방(BCC) 구조의 베타(β)티타늄이 형성된다. 한 결정구조에서 다른 결정 구조로의 완전한 변환을 동소변태(同素變態)라고 한다. 각각의 변환온도는 트랜서스 온도로 불린다. HCP 구조의 α티타늄은 상온/낮은 온도에서 안정적이고, BCC 구조의 β티타늄은 고온에서 안정적이다. 순수한 티타늄의 β트랜서스 온도는 882±2°C에 이른다.

그러나 티타늄을 사용하기로 한 결정은 단순히 내열성 때문만은 아니었다. 이 금속의 특성은 또한 반복적인 가열과 냉각으로 인해 항공기의 구조적 무결성이 손상되지 않도록 보장했고, 이는 덜 탄력적인 재료에 피로 골절(반복적 지속적인 압박을 받아 생기는 실 같은 금)을 유발하지 않았다.

SR-71의 날렵한 디자인, 위협적 외관, 그리고 가장 중요한 성능 지표는 이 첩보기를 그 시대의 전설로 만들었다. SR-71은 적에게 들키거나 미사일에 맞지 않고 1990년 퇴역할 때까지 베트남, 동유럽, 북한 등의 영공에서 시간당 10만 평방마일(약 26만 km²)의 면적을 감시할 수 있었다. 1960년 5월 1일 소련 영공에서 미군 첩보기 U-2가 스파이 임무 중 소련 미사일에 맞아 추락한 후 소련의 요구에 따라 미군 첩보기는 더 이상 소련영공을 다니지는 않았다고 한다.

하지만 중요한 것은 공학적 경이로움 그자체인 이 비행기의 마법도 은밀한 티타늄 확보 노력이 없었다면 불가능했을 것이란 점이다.

이 상징적인 SR-71 블랙버드는 미국으로 수입된 소련산 티타늄에 크게 의존한 것으로 알려지고 있다.

당시 SR-71의 성공을 결정할 핵심 소재인 티타늄이 소련의 영토에서 아주 많이 발견됐다. 미국으로선 충분한 양의 티타늄을 획득하는 것이 단순한 물류 이상의 과제였고 지정학적인 과제가 됐다.

적국 소련에 편중된 티타늄이 없으면 SR-71을 만들 수 없고 그렇게 되면 소련 주변 공산권의 움직임을 파악할 수 없다. 이에 티타늄을 확보하기 위해 미중앙정보국(CIA)이 개입했다. 미국 CIA는 유령회사를 세워 제 3자를 통해 다른 누구도 아닌 소련으로부터 자신들이 탐내는 금속을 비밀리에 대량으로 획득할 수 있었다고 한다.

이 모든 것의 최대 아이러니는 소련에서 비밀리에 공급받은 티타늄이 결국 결국 소련 핵미사일기지를 감시할 미국의 가장 진보된 정찰기 중 하나를 만드는 데 사용됐다는 점일 것이다. SR-71은 1990년 퇴역때까지 총 32대, 변형 버전까지 합치면 총 50대가 제작됐다.

이 과정에서 흥미를 더하는 재미있는 얘기가 전해진다. 미국 CIA는 엄청난 물량 도입에 대한 의심을 사지 않기 위해 소련 티타늄 공급자에게 피자오븐을 만들기 위해 많은 티타늄이 필요하다는 구실을 내세웠다는 것이다. 사실 피자오븐에 사용되는 금속은 철로 충분하다.

이후 항공기 설계자들이 음속돌파용 비행기를 만들 때 티타늄을 소재로 사용하는 것은 더 이상 이상한 일이 아니게 됐다.

1968년 세계 최초로 러시아가 초음속 여객기 TU-44를 만들 때에도 주요 외부 부품(엔진덮개, 보조날개, 방향조절 날개 등)에 역시 티타늄을 사용했다.

우주선에 사용된 티타늄

애플이 우주선에 사용한 티타늄이라고 설명한 그 ‘우주선’ 제작에는 어느 부분에 티타늄이 들어갈까.

항공기와 우주선의 다양한 외관과 부품외에도 우주선 연료 탱크에 주목할 필요가 있다.

우주선 연료인 액체산소와 액체수소를 액체상태로 보관하기 위해서는 초저온 상태로 유지해야 한다. 티타늄은 그러한 초저온 상태에서도 다른 금속과 달리 붕괴하지 않고 오히려 더 강해지는 경향이 있다.

티타늄은 강도와 가벼운 무게로 항공우주 공학계에서 귀한 대접을 받지만 윤활이 극도로 어려운 것으로도 알려져 있다. 반응성이 높기 때문에 오일과 그리스가 도포된 직후 분해돼 빠르게 마모된다는 단점을 갖는다.

티타늄은 화재를 야기하기도 한다. 인화성이 강하며, 700°C에서 물-반응성이고, 수소를 방출하기 때문이다.

실제로 지난 2019년 7월 스페이스X가 우주비행사들을 국제우주정거장(ISS)으로 보내기 위한 크루 드래곤 우주선 지상 시험에서 우주선이 화염에 휩싸였다. 조사결과 액체산소로 사용되는 사산화질소 누출로 티타늄 체크밸브 내부에서 폭발이 일어난 것으로 드러났다.

이는 우주에서 안전하게 승객들을 실어 나르도록 되어 있는 그 캡슐을 설계하는데 관련된 기술자들에게는 무서운 순간이었다. 스페이스X와 미항공우주국(나사)는 조사 결과 폭발이 드래곤의 압력 시스템에 의한 것임을 시사한다고 말했다. 체크 밸브의 티타늄 구성 요소가 액체 산화제-사산화질소(NTO) 누출로 인해 고장났으며, 이로 인해 체크 밸브 내부에서 점화된 후 폭발이 발생했다는 것이다. 스페이스X는 “고압에서 티타늄과 NTO의 반응이 예상되지 않았다는 점에 주목할 필요가 있다. 티타늄은 수십 년에 걸쳐 전 세계의 많은 우주선에 안전하게 사용되어 왔다. 그럼에도 불구하고, 정지 화재 테스트와 이상 징후는 풍부한 데이터를 제공했다. 이 테스트에서 얻은 교훈과 포괄적 테스트 캠페인의 다른 것들은 스페이스X의 비행체의 안전성과 신뢰성을 더욱 향상시킬 것이다”라고 말했다.

한편 티타늄은 우주공간에서 직접 조립될 장치에 쓰일 주요 재료로서 아주 적절한 것으로 드러나기도 했다. 이미 1969년 소련 우주인 조지 쇼닌과 베리 쿠바소프의 실험에 의해 티타늄이 우주의 진공상태에서 쉽게 결합되고 쉽게 가공될 수 있다는 것이 확인됐다.

티타늄이 만들어낸 요술쟁이···니티놀

과학자들은 티타늄과 니켈을 섞어 ‘니티놀’이라는 놀라운 합금을 개발했다. 이 금속은 이전의 형상을 기억해 낼 수 있다. 즉, 형태가 변환되거나 가공한 후에도 원래의 형태로 돌아간다.

1960년대에 미국 과학자들은 니켈(55%)과 티타늄의 합금인 이 소재를 개발했다. 처음엔 가볍고 튼튼하고 유연성있고 부식에 강한 외에 별다른 것이 없는 듯 보였다.

하지만 2000년대 전후로 이 합금이 과거를 기억할 수 있는 능력을 가졌다는 것을 알아냈다.무수한 실험 끝에 한 실험에서 특별처리된 니티놀 전선 코일을 150°C까지 가열하고 나서 차츰 식히면서 한쪽 끝에 추를 매달아 놓았다. 그때 이 코일은 반듯한 전선으로 퍼졌다. 식은 그 줄을 다시 95°C로 가열하자 기적이 일어났다. 연구원들이 보는 바로 앞에서 그 전선은 다시 코일 형태로 바뀌었다. 연구원들은 계속 실험을 반복하면서 실험할 때마다 이 합금이 그 모양을 기억하는지 알아봤다. 그런데 이 금속은 아무리 복잡하더라도 완벽한 기억력을 갖고 원래 형태로 복원력을 보여주었다.

니티놀의 사용 사례 중 하나는 한쪽 면에서만 못을 박을 수 있는 니티놀 리벳의 개발이다. 먼저 이 합금이 기억할 모양의 리벳을 만든다. 낮은 온도에서 이 리벳의 한쪽끝을 구멍에 쉽게 들어갈 수 있도록 부드럽게 만든 후 구멍으로 넣는다. 그런 후 가공할 수 있는 벽쪽의 리벳머리를 조금만 가열하면 그 리벳은 즉시 원래 형상을 기억해 다른쪽 면에서도 리벳머리가 생기면서 어떤 부품을 단단하게 조일 수 있다.

또다른 경우는 니티놀 안테나다. 미국의 한 우주산업업체가 인공위성에서 사용할 니티놀 안테나를 설계한 적이 있다. 이 안테나는 조밀한 공 형태로 알려졌고 공간을 차지하지 않도록 인공위성 한구석에 두었다. 이렇게 함으로써 지구에서 발사할 때는 이 안테나가 작은 부피를 차지하지만 우주에서 태양빛에 의해 따뜻하게 되고 이로 인해 필요로 하는 형태로 바뀐다는 원리다.

이는 2년 전 유럽안테나전파컨퍼런스(EuCAP)에서도 관련 발표가 나오고 있을 정도로 주목을 받고 있다. 당시 니티놀 재료를 특정 온도(예: 500°C)에서 특정 형상으로 가열하고 냉각 후 변형되며, 이후 전이온도로 가열되면 이전에 훈련된 형상으로 되돌아간다는 내용이 보고됐다. 향후 우주전파안테나에 유용하게 쓰일 것으로 기대를 모으고 있다. 한마디로 미래 금속이다.

스페인 빌바오 구겐하임 미술관

스페인 조선 도시 빌바오는 아마도 구겐하임 미술관으로 전세계 사람들에게 각인된 도시중 하나일 것이다.

흥미로운 것은 캐나다 출신 건축가 프랭크 게리가 이 건축물을 티타늄으로 만들었다는 점이다.

그가 이 미술관을 설계하기 시작했을 때 티타늄은 우리 생활 속으로 이미 깊숙이 들어와 있었다. 인공 고관절, 자전거, 항공기, 자동차 등에 사용됐고, 하얀색 산화티타늄은 주택용 하얀색 페인트 원료중 하나였다.

빌바오는 19세기에 인근 바스크지방에 풍부히 매장된 철광석 덕분에 선박건조와 제철산업으로 크게 번성한 항구도시다. 이들은 선박의 금속벽이 바다를 향해 우뚝솟아 있던 것에 대한 집단적인 공동기억을 갖고 있었다.

프랭크 게리는 이 도시의 정신을 되살리고자 구겐하임 미술관의 높은 벽을 강철 패널로 만들려 했다. 하지만 이 작업이 진행되던 중 세계 금속시장에서 티타늄이 폭락하는 사태가 발생했고 건물외관을 전통적 스텐레스강보다 이국적인 새로운 금속으로 꾸미는 것이 더 저렴할 것 같았다.

티타늄의 부드럽과 매끄러운 모습을 높게 평가해 오던 게리는 이 소재를 사용키로 했다.

1997년 열광적 찬사 속에 개장한 구겐하임 미술관은 0.5mm 두께의 티타늄 패널 3만 3000개로 만들어졌다. 어지간한 크기의 군함을 만들기에 충분한 양의 재료가 들어갔다.

번쩍이는 금속 덩어리 같은 구겐하임 빌바오 미술관은 개장 10년 만에 쇠퇴해가는 스페인 바스크 지방의 공업도시 빌바오를 한해 100만 명이 찾는 세계적인 관광도시로 만들었다.

20세기의 아방가르드로도 일컬어지는 이 미술관은 티타늄과 명장이 함께 이뤄낸 기념비적 건축물로 남아있다.

티타늄은 애플의 아이폰에 스며들어 사용자들에게 부피에 비해 가벼운 신기한 단말기 경험과 이 금속이 주는 특별한 느낌을 주고 있다. 이들이 자신의 단말기를 10여 차례나 4.5~6.1m 정도의 높이에서 반복해서 힘껏 내팽개치지만 않는다면 내구성을 크게 걱정할 필요는 없을 것이다.

데일리메일은 26일(현지시각) “아이폰 15프로는 애플 사상 최대의 실패”라는 소비자의 지적을 전했다. 아이폰15 프로급 단말기 낙하 내구성 시험에 이어 구부러뜨리기 시험에서도 맥없이 망가지는 모습을 보이면서다. 게다가 중국에서는 아이폰15프로 단말기가 48°C까지 뜨거워졌다며 과열 문제까지 불거지기 시작했다. 애플에게 티타늄 마법보다 고 스티브 잡스의 마법이 더 간절하게 생각나는 시기가 아닐 수 없다.