가스(Gas) 즉 기체.액체상 가스는 균질성, 운송의 용이성 등의 특성 때문에 오래전부터 연료와 기초 산업소재 그리고 각종 제어의 매체로 쓰이고 있다.
공기중에서는 각각 78.09%, 20.94%, 0.9%가량 차지하는 산소, 질소, 아르곤 등은 물론 함유량이 0.0001%에도 못미치는 크립톤, 네온, 아신, 포스핀 등의 미세한 가스가 포함돼 있다.
따라서 공기 자체는 지구상에 무한히 존재하는 기체로 그 자체만으로도 인간의 호흡수단이 되지만 각종 분리공정을 이용해 각각의 성분을 분리하거나 분리된 가스를 혼합할 경우 공업분야에서는 매우 유용한 자원으로 활용할 수 있다.
이에 본지는 개별 산업용가스가 각종 산업활동(수요부분)에 있어서 어떤 역할을 하고 있는지 지난호에 이어 살펴보고자 한다.
[광(光)섬유]
광섬유 제조에 있어서는 헬륨, 수소, 탄소, 아르곤 등이 주로 사용된다. 특히 이중에서도 헬륨과 수소가 대표적인 수요가스이다.
광섬유는 수지제용으로도 제조되고 있지만 주류는 다른 굴절률을 가진 석영유리이다.
이러한 광섬유의 제법은 NTT가 개발한 VAD법과 미국 코닝사의 CVD(Chemical Vapor Deposition)법 등 두종류가 알려져 있는데 VAD법에서는 원료가 되는 사염화규소와 코어부의 굴절률을 조정하기 위해 사염화게르만 등을 산소수염버너에서 가수분해하여 제조한다.
광섬유를 투명화하는 공정에서는 헬륨을 사용하는데 이는 헬륨이 원자가 작고 질소, 아르곤에 비해 투과율이 10배정도 크기 때문이다. 또 공정 전체의 분위기제어에는 질소와 아르곤등의 불활성가스가 사용되고 있다.
특히 광섬유의 경우 제조 원가의 40%를 가스가 차지하고 있어 각 제조메이커들은 고가인 헬륨을 대체해 아르곤이나 질소를 사용하기 위한 전환을 모색하고 있다.
관련기기: 마스프로컨트롤러, 수소 온사이트 발생장치, 밸브, 레귤레이터, 정제장치, 헬륨 컨테이너 등
[비철금속]
산소가 원료정광을 가열용융할 때와 부용광물을 슬라그로 꺼낼 때 용연 공기의 부화용으로 사용된다.
금속은 유황분과 결합한 유화물, 산소와 결합한 산화물로 산출되는데 여기서 유화물 및 산화물에서 불필요한 함유성분을 분리해 내는 공정에 사용되는 것이다.
산소는 또 용연 공기에서 10~20% 부화하고 탈유를 촉진시키기도 하며 열 평형의 상승에 의해 동유 등의 연료감소에도 공헌하고 있다.
환원화로의 분위기 가스로는 질소, 수소가, 금속 치환제조의 분위기 가스로는 아르곤이 쓰인다.
관련기기: 심냉분리장치, 산소PSA, 열처리 화로, 알루미늄 용해로, 회전식 용해로 등
[스테인리스]
부동태막 형성시의 산화방지에 아르곤, 질소를 사용한다. 아르곤을 사용하지 않는 VOD 정련법도 등장했지만 아직도 스테인리스 산업은 실리콘웨이퍼와 함께 아르곤의 최대 수요처중 하나이다.
산소는 보통의 철과 같이 용철내에 포함되어 있는 탄소분을 없애는 탈탄제로 투입된다. 수소는 냉연가공시의 표면처리의 광휘연용이다.
관련기기: 심냉분리장치, AOD화로 등
[고순도 세라믹]
세라믹 가결공정에서 열처리 환원제로 수소가 이용된다. 수소는 질소 분위기 밑에서 투입되며 암모니아의 조성과도 같은 수소와 질소를 1:3 정도로 혼합해 사용한다.
또한 산화공정에서 산소를 사용하는 경우도 있으며 아르곤은 수소와 함께 질화시의 온도 컨트롤, 캐리어가스로 그리고 고순도 메탄은 금속메탄의 탄화원으로 공급된다.
관련기기: 열처리화로, 금속CVD장치, HIP장치 등
[약전]
약전용 산업용가스는 냉촉용과 관구투입용 등 2개로 나뉘어지는데 먼저 냉촉용 중 냉장고, 카 에어콘 등에는 HFC-134a가 사용된다.
이때 가전공장과 자동차공장의 경우 주로 저장탱크를 통해 공급하고 보충용으로 실린더와 서비스캔을 사용하고 공급원으로는 지역 딜러를 경유하기도 한다.
또한 룸 에어컨에는 HCFC가 사용되고 있지만 온실가스 감축으로 인해 사용이 중단될 예정으로 있어 가전메이커는 이종 혼합가스인 HFC-407c(HFC32+125)와 삼종혼합가스인 HFC-410a(HFC-134a+32+125)가 대체가스로 사용될 것으로 전망된다.
관구투입용으로는 일반가구, 형광등에 아르곤과 질소를 기본으로 한 혼합가스가 사용되며 네온관과 액정백라이트용 혼합가스로서 일부에서 네온이 사용되어 지고 있다.
크립톤은 크립톤구와 자동차 라이트로 이용되고 있는 할로겐구에 주로 투입된다.
할로겐구에는 키세논을 혼합한 램프의 보급도 늘고있는 추세이다. 차세대 디스플레이인 PDP에서는 네온과 키세논, 헬륨과 키세논 등 두 종류의 혼합가스가 사용된다.
관련기기: 에어컨디셔너, 냉장고, 각종 가전기기 등
[유리용융]
유리는 원료가 되는 석탄, 소다탄을 1천2백~1천6백℃의 고온에서 녹여서 만든다. 이 과정에서 산소가 중유, LPG등과 같은 연료의 조연용으로 이용된다.
중유 1ℓ의 가연에 필요한 산소의 양은 약 2㎥이며 CRT(브라운관) 제조용 유리화로에서는 일반적으로 시간당 1천~1천5백ℓ의 연료를 소비하면서 3,000㎥/h에 달하는 산소를 사용한다.
또 유리1t을 용융하는데 필요한 산소량은 약2백60㎥이다.
이외에 판유리분야에서 제판공정의 프로트법에서 불활성 분위기용으로 질소와 수소가 활용된다.
관련기기: 산소PSA, CE탱크, 산소버너 등
[석영유리]
원료인 규산을 2천℃이상의 고온에서 용융할 때 가연용.버너용으로 수소와 산소를 이용한다. 질소는 분위기용으로 쓰인다.
산업용가스 비용이 석영유리 제조원가의 절반을 차지하고 있어 원가절감을 위해 아크를 사용하는 전기방식의 화로도 등장하고 있다.
석영유리제조에 있어 큰 규모의 공장은 월간 수소사용량이 50만㎥/h이상인 대형 수요처도 존재한다.
제조원가에서 차지하는 비중이 높기 때문에 수소생산 공장은 석유화학단지와 철강플랜트 등과 같은 수소원료 공급이 용이한 곳에 입지하고 있다.
관련기기: 온사이트, 수소발생장치 등
[질소분위기 납땜]
전자부품을 기반에 실장하기 위한 작업의 하나인 납땜에서는 지난 95년 특정 프레온의 사용금지이후 프레온 113에 의한 세정이 불가능해지면서 부득이 무세정 납땜장치의 사용이 늘어났다.
질소는 이러한 무세정 납땝 장치에서 사용되는데 장치내의 산소분을 50～1백ppm이하의 저농도 분위기로 만들어 무세정을 가능케 한다.
더욱이 납에 포함되어 있는 유독성에 대비해 납 프리 납땜이 등장하고 있다. 납 프리 납땜은 산화하기 쉽기 때문에 질소분위기에서 작업이 이루어지고 있다.
특히 질소는 열용융시 구형의 알맹이가 발생하는 일명 납땜볼의 감소효과가 있으며 깨끗이 녹는다는 이점도 있다.
새로운 실장기술인 반구형 리드의 BGA와 칩사이즈와 같은 크기의 실장 패키지인 CSP에서도 납땜의 녹기 쉬운 성질을 유지하기 위해 질소이용이 늘고 있다.
관련기기: 질소 리프로 화로, 질소 프로 화로, 질소 PSA, 질소막분리, CE, LGC 등
[펄프표백]
펄프표백 공정에서는 염소와 차아연염소산소를 사용한다.
이산화염소와 같은 염소계 약품과 가성소다, 과산화수소 등을 투입하여 원하는 만큼 흰색이 될 때까지 표백하되 산소는 이 약품들을 투입하기 전 단계에서 영향을 발휘한다.
펄프 원료의 목재 칩에서부터 리그닝이라고 불리는 섬유질을 소거하는 역할을 하는 것이다.
펄프 1t에 대해 투입되는 산소량은 약 16~18kg이다.
산소 표백으로 인해 염소투입량은 상대적으로 약 60% 감소했다.
더욱이 환경문제와 관련한 배수 문제로 염소 사용량 감소는 지속되고 있는 상황이다.
이에 따라 각 제지사들은 염소를 대체하는 물질로 클로레트 및 유산 등의 원료에서 자체 생산할 수 있는 이산화염소와 과산화수소를 애용하고 있다.
또한 산소와 생물처리를 비롯해 산소를 다방면에서 이용할 수 있는 기술개발에 노력하고 있다.
특히 유럽에서는 염소계 약품을 전혀 사용하지 않는 오존 표백이 실시되고 있는데 펄프 1t당 약 5kg의 오존이 필요하기 때문에 오존발생을 위해 산소가 공급된다.
산소는 이외에도 배수처리의 산소활성오니법의 원료용, 펄프용해액의 재생용 라임킬룬 연성시 조연제로도 이용된다.
관련기기: 산소PSA, CE탱크, 산소활성오니식 배수처리장치, 오존발생기 등
[우주산업]
우주산업에 있어 액체수소가 H-Ⅱ로켓의 추진연료용으로, 그리고 산소는 그 조연제로 쓰인다.
우주선을 한번 발사하는데 탑재되는 액체수소 및 액체산소의 양은 한 대당 각각 3백23㎘(1단계 2백70㎘, 2단계 53㎘), 1백8㎘(1단계 93㎘, 2단계 15㎘)인데 이는 2t급 정지위성을 쏘아 올리는 것과 동일한 소비량이다.
단 이러한 산소 소비량은 발사이전의 테스트와 시뮬레이션 등에서 이미 15～20㎘정도가 사용된다.
이외에도 헬륨이 연료의 가압용으로, 질소가 일반배관의 퍼지용으로 사용되는데 두가지 모두 전자산업에서 사용되는 정도의 고순도, 고정밀 등급의 제품이 요구된다.
