이산화 타이타늄(titanium dioxide)은 화학식 TiO₂로 표현되는 무기 화합물이다. 이산화 티타늄 또는 이산화 티탄이라고도 불리며, 국제 순수·응용 화학 연합(IUPAC) 명칭은 titanium dioxide 또는 titanium(IV) oxide이다. 전이금속인 타이타늄(Ti) 원자 하나와 산소(O) 원자 두 개가 결합된 형태이며, 분자량은 79.866 g/mol이다.
물리·화학적 성질
상온에서 무미·무취의 흰색 분말(백색 고체)로 존재한다. 물에는 녹지 않으며(불용성), 뜨거운 진한 황산을 제외한 대부분의 산에도 반응하지 않는다. 밀도는 결정 구조에 따라 다른데, 금홍석(rutile)형은 4.23 g/cm³, 예추석(anatase)형은 3.78 g/cm³이다. 녹는점은 약 1,843°C, 끓는점은 약 2,972°C이며, 불연성 물질이다. 굴절률이 매우 높고(2.5 전후), 은폐력(cover power)이 우수하며 산란성이 크다. 자연계에서는 금홍석(rutile), 예추석(anatase), 판타이타늄석(brookite)의 세 가지 동질다상(polymorph)으로 존재한다.
산업적 제조 방법
공업적으로 이산화 타이타늄을 제조하는 방법은 크게 두 가지로 구분된다.
- 황산법(Sulfate process): 티타늄 철광(ilmenite) 등을 황산으로 처리하여 TiOSO₄ 수용액을 만들고, 이를 열가수분해하여 예추석형 TiO₂ 미립자를 얻은 뒤 800~1,000°C에서 소성함으로써 원하는 결정형의 TiO₂를 제조한다.
- 염소법(Chloride process): TiCl₄의 증기를 고온에서 산소와 반응시켜 기상 반응으로 TiO₂ 입자를 형성한다. 이 방법으로는 주로 금홍석형이 생성된다.
이 외에도 박막 제조를 위한 CVD법, 졸겔법, 양극산화법(anodization) 등이 사용된다.
용도
생산량 기준으로 이산화 타이타늄의 약 90%는 백색 안료(색소)로 사용된다. 흰색 도료, 페인트, 물감(타이타늄 화이트), 잉크, 수정액, 플라스틱, 고무, 제지, 유약 등의 착색과 은폐용으로 널리 활용된다. 식품 첨가물로는 E171(착색제)로서 지정되어 있으며, 선명한 백색을 내기 위해 사용된다. 또한 자외선 차단 효과가 있어 선크림 및 화장품 원료로도 쓰인다. 띠간격(band gap)이 약 3.0~3.2 eV로 자외선 영역의 빛을 흡수하여 광촉매(photocatalyst) 기능을 나타내므로, 항균·살균·악취 제거 용도와 태양전지·반도체 소재로도 연구 활용된다.
발암성 논란
일반적으로 비독성이며 생물학적으로 불활성이라고 알려져 있으나, 나노 크기의 이산화 타이타늄 입자가 흡입 시 발암 가능성이 제기된 바 있다. 세계보건기구(WHO) 산하 국제암연구소(IARC)는 이산화 타이타늄을 Group 2B(인간에 대해 발암 가능성이 있음)로 분류하였으나, 동일 보고서에서 인간에 대한 발암성 증거는 불충분하며 실험동물에 한정된 결과임을 명시하였다.
생산 규모
전 세계적으로 연간 약 300만 톤(3 Mt)이 생산되는 대표적인 무기 화합물이며, 국가별 1인당 TiO₂ 소비량을 경제 발전도의 지표 중 하나로 보기도 한다.
관련 화합물
- 이산화 지르코늄(ZrO₂), 이산화 하프늄(HfO₂) — 같은 족 원소의 산화물
- 산화 타이타늄(II)(TiO), 산화 타이타늄(III)(Ti₂O₃) — 타이타늄의 다른 산화 상태 화합물
