타이타늄 금속 종류 알아보기(+아이폰 15 프로에 사용된 금속 설명)

안녕하세요. 오늘은 타이타늄의 금속 소재를 중심으로 더 자세한 내용을 알아보는 시간을 가지겠습니다. 

 

그 중에서도 타이타늄 합금에 대한 이야기를 오늘 해보겠습니다. 

 

타이타늄 합금을 크게 상에 따라 구분을 할 때, 알파 타이타늄과 베타 타이타늄의 비율로 보통 이야기를 많이 합니다. 그 중에서 오늘은 타이타늄 금속을 상에 따른 종류를 중심으로 알아보도록 하겠습니다.

 

 

먼저, 타이타늄은 크게 상에 따라 합금을 다음과 같이 구분을 할 수 있습니다. 

 

 

이때, 알파(α) 타이타늄은 순수 타이타늄에서는 상온 상태에 존재하는 상을 가지는 타이타늄이며, 형태는 육각 기둥 모양(Hexagonal Closed Packed)의 결정 시스템을 가지는 상입니다. 이 상은 베타상의 타이타늄보다 우수한 가공성을 가졌으며, 또 부식 저항성도 강한 편에 속합니다. 

반면, 베타(β) 타이타늄의 경우 순수타이타늄에서 약 890도가 넘는 온도(이 온도를 β-transus temperature라고 한다.)에서 상이 형성이 되며, cubic의 crystal system을 가지고 있고, BCC 형태로 상이 존재합니다.

 

그리고, 이를 나타내는 그림은 아래 그림([1])과 같다. 왼쪽은 HCP 구조(알파 타이타늄), 오른쪽은 BCC 구조 (베타 타이타늄)이라고 생각하면 됩니다.

 

 

 

이러한 상의 종류 따른 합금의 종류는 다음과 같다.

 

 

- α-Ti

특징: 알파 타이타늄 합금은 상온 및 저온에서 안정한 구조를 가지고 있습니다. 주로 알파상 구조로 이루어져 있으며, 저온에서의 강도와 인성이 뛰어납니다.

   - CP-Ti(commercially pure titanium): 상업적으로 이용되는 순수 타이타늄으로 등급(grade)가 산소 농도에 따라 grade 1부터 grade 4까지 존재하며, 일반적으로 산소 농도 즉, grade 뒤의 숫자가 커질수록 항복 강도 및 최대 인장 강도는 높아지는데 반해, 연신율은 떨어짐. 참고로, 상온에서는 순수타이타늄은 알파 타이타늄임.

활용 분야: 항공 우주 산업, 의료 산업, 스포츠 용품 등 (내식성, 부식저항)

 

- near α-Ti

특징: Near 알파 타이타늄 합금은 고온에서 우수한 성능을 발휘하는 티타늄 합금입니다. 크립 특성이 우수하며 내식성도 뛰어납니다.

활용 분야: 항공 우주 산업, 에너지 산업, 자동차 산업 등 (고온 환경에서 주로 사용)

 

- α+β Ti

특징: 알파+베타 타이타늄 합금은 알파상과 베타상의 혼합 구조로 이루어져 있습니다. 고강도와 경량성을 동시에 갖추고 있어 다양한 분야에서 활용됩니다.

활용 분야: 항공 우주 산업, 의료 산업, 스포츠 용품 등

(비강도(밀도 대비 강도)가 높음=> 경량화 가능= 아이폰에 사용된 Ti 64(Ti-6Al-4V)도 여기에 속함)

 

- metastable β Ti

특징: 준안정 베타 타이타늄 합금은 높은 온도에서 안정한 바디센터 입방체 구조를 가지고 있습니다. 플라스틱 변형 용이성이 뛰어나며 다양한 분야에서 활용됩니다.

활용 분야: 항공 우주 산업, 자동차 산업, 가스 터빈 엔진 등 (고온 환경에서 주로 사용)

최근에 유튜버 중 한 분이 아이폰 14프로와 15프로의 강도를 구분하는 영상을 올렸었고, 결과는 아이폰 15프로가 아이폰 14 프로보다 기계적 특성(특히, 낙하 시 충격 흡수 능력)이 안좋다는 결과를 도출했습니다. 그리고, 그 문제가 타이타늄의 문제처럼 비춰졌었는데요.

 

사실 금속 소재 스팩만 놓고본다면, 사실 스테인리스 소재보다는 비강도(밀도 대비 강도)가 확실히 높은 소재이기도 하고, 워낙 기계적 특성이 좋은 소재입니다. 그래서 타이타늄 소재 자체가 원인이라고 지목되기에는 굉장한 무리가 따릅니다.

 

그래서, 저는 그 유튜버 영상에서 아이폰 15프로의 강도가 약해보이는 원인은 다음과 같을 수 있다고 생각이 됩니다.

 

1. 실험 조건이 동일하지 않았다.: 사실 언뜻봐서는 동일한 것 처럼 보였지만, 진짜 기계를 쓰지 않고 낙하 실험을 하는 이상 그 실험이 정확한 결과라고 단정짓기는 어려워보입니다. 사실 실험에서는 반복성이 보여야하니깐요. 그리고 낙하지점을 최대한 동일하게 하였지만, 바닥 면이 고르지 못한 점이나 이미 낙하를 시킨 기기를 계속 실험에 사용했다는 점에서 실험의 신뢰성이 조금 아쉽게 느껴질 수 있는 부분이라 생각됩니다.

 

2. 타이타늄 아이폰 외관 전체에 사용되지 않았다.:  애플 공식 홈페이지에도 나와있는 이야기입니다. 타이타늄 합금을 사용했지만, 재활용 알루미늄 소재도 같이 활용을 했다고 나타나있습니다. 그리고 재활용 알루미늄이 낙하 충격흡수를 제대로 못했을 수 있습니다.(아무래도 보통 상용재보다는 재활용 소재를 다루는 것이 좀 더 어렵게 여겨지니깐요.)

 

3. 설계 문제: 만드는 과정에서 설계 문제가 있었을 수 있습니다. 예를 들어 판의 두께를 다르게 했다던가, 아이폰에 작은 노치가 가있는 경우가 대표적인 예시입니다.  그 외의 기타 요인들이 있겠습니다.

 

여기까지, 타이타늄 합금 종류에 따른 간단한 소개 및 아이폰 15 프로의 타이타늄과 관련된 이슈에 대한 저의 생각을 간략하게 정리하였습니다. 그럼 끝까지 봐주셔서 감사합니다.

 

출처:

[1] Leyens, Christoph, and Manfred Peters, eds. Titanium and titanium alloys: fundamentals and applications. Wiley-vch, 2006.