루타일 구조

금홍석으로도 알려진 루타일(rutile)은 이산화 타이타늄(TiO₂)의 다형체(polymorph) 중 천연에서 가장 흔히 발견되는 형태의 광물이다. 이산화 타이타늄의 다형체로는 루타일 이외에도 아나타제(anatase), 부르카이트(brookite) 및 극히 희귀한 고압 상 아카오자이트(akaogiite) 등이 있다. 루타일은 지금까지 알려진 결정 중 가시광선 영역에서 가장 높은 굴절률(refractive index)을 가졌으며 특히 큰 복굴절률(birefringence)과 높은 광 산란(dispersion) 특성이 있다. 이로 인해 루타일은 가시광선 영역을 비롯하여 파장이 긴 약 4.5 μm까지의 적외선 영역에서 편광 광학 장치와 같은 특정 광학 소자 제조에 유용하게 사용된다. 자연계에서 발견되는 루타일은 최대 10%의 철(Fe) 및 상당량의 나이오븀(Nb)과 탄탈럼(Ta)을 불순물로 포함하고 있다. ‘루타일’이란 이름은 일부 짙은 붉은색의 루타일 천연 광과 관련하여 라틴어로 빨간색을 뜻하는 ‘rutilus’에서 유래되었다. 루타일은 1803년 독일의 지질학자이자 광물학자인 베르너(A. G. Werner)가 처음으로 문헌에 기술하였다.

철이 다량 포함된 짙은 붉은색의 루타일 결정. ()

목차

루타일 상 TiO₂의 결정 구조. ()

루타일은 단위 세포(unit cell) 격자 상수 a = b = 4.584 Å, c =2.953 Å인 정방정계(tetragonal system)로 결정화되며 세포 내에 두 개의 화학식량이 포함되어 있다. 루타일은 기본적으로 육방 최조밀 쌓임(hexagonal closest-packing) 배열을 하는 산소 이온들 사이에 생성된 팔면체 구멍의 절반이 Ti⁴⁺ 양이온으로 채워진 구조이다. 팔면체 환경의 타이타늄 양이온은 배위수가 6이며, 산소 음이온의 경우 배위수가 3으로 삼각 평면 배위를 하고 있다.

루타일 결정은 (001) 방향인 c 축을 따라 성장하며, 일반적으로 프리즘 형태나 침상 구조로 발견된다. 이러한 결정 성장은 루타일의{001} 면이 가장 낮은 표면 자유 에너지(surface free energy)를 가지므로 이 방향으로의 성장이 열역학적으로 가장 안정하기 때문이다. 이 결정 구조를 갖는 화합물에는 TiO₂를 비롯하여 MnO₂, SnO₂, MgF₂, 및 ZnF₂ 등이 있다.

해변의 모래에 상당량의 루타일이 주요 성분으로 포함되어 있다. 루타일은 주로 내화 세라믹 또는 안료를 제조하거나 타이타늄 금속을 생산하는 데 사용된다. 미세 분말 형태의 루타일은 백색 안료로 페인트, 플라스틱, 종이 등에 쓰인다. 이산화 타이타늄 안료는 전 세계적으로 가장 많이 사용되는 타이타늄의 응용 분야 중 하나이다.

나노 크기의 루타일 입자는 가시광선에는 투명하지만, 자외선을 효과적으로 흡수한다. 또한 벌크 크기에 비해 나노 크기 입자의 UV 흡수는 양자 크기 효과(quantum size effect)로 인해 청색 편이(blue shift)가 일어나 보다 높은 에너지의 UV 광을 흡수할 수 있다. 따라서, 자외선으로 인한 피부 손상을 방지하기 위한 자외선 차단제로 사용된다.

보석에 존재하는 작은 바늘 모양의 루타일 불순물은 ‘성채(asterism)’로 알려진 광학 현상을 일으킨다. 성채란 광물에 일정한 방향에서 빛을 비추면, 투과광이나 반사광이 육방의 별 모양으로 빛나는 현상을 뜻한다. 이러한 보석은 ‘별’ 보석으로 알려져 있으며 수요가 많고 일반 보석보다 가치가 높다.

블루 사파이어 표면의 별 모양 성채. ()

또한 루타일 상은 용접 전극 덮개(welding electrode covering) 물질로도 널리 사용된다.

최근 수십 년 동안  ~3.0 eV의 큰 띠 간격(band gap)을 지닌 반도체 물질 루타일은 기능성 산화물 응용 분야에서 광촉매(photocatalysis)와 자성 반도체(magnetic semiconductor)로서 중요한 연구 주제 중 하나였다. 이러한 연구에는 천연에서 얻은 광석보다 합성된 루타일을 주로 사용한다.

합성 루타일은 1948년 처음으로 생산되었으며 다양한 이름으로 판매되고 있으며, 이는 타이타늄 광석의 일종인 타이타늄철석(ilmenite, FeTiO₃)으로부터 베처 공정(Becher process)으로 생산할 수 있다. 매우 순수한 합성 루타일은 투명하고 거의 무색이며 매우 옅은 노란색을 띠기도 하며 도핑(doping)을 이용해 다양한 색상으로 만들 수 있다.

이산화 타이타늄의 광촉매 활성에 대한 연구가 활발해짐에 따라 분말이나 박막 형태의 루타일 TiO₂는 실험실에서 일반적으로 사염화 타이타늄(TiCl₄) 또는 아이소프로폭시화 타이타늄(titanium isopropoxide, Ti(OCH(CH₃)₂)₄)과 같은 유기금속 전구체를 사용하는 용액 기반 공정으로 합성된다. 합성 조건에 따라 결정화되는 첫 번째 단계가 이산화 타이타늄의 준안정 상(metastable phase)인 아나타제 상일 수 있으며 후속 열처리를 통해 열역학적으로 안정한 루타일 상으로 전환될 수 있다.

1.'' Retrieved on 2021-10-05.