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[REWIND 기획 특집] 산업용가스의 수요분야산업용가스의 기본수요를 알고 응용기술을 찾아야
이락순 기자  |  rslee@igasnet.com
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승인 2021.10.29  
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석탄 가스를 포함한 모든 가스의 생성은 지구탄생과 더불어 시작됐다.

화석연료인 천연가스(NG)나 LPG의 경우는 수억 년에 걸쳐 지구표면의 지하에 각종 화학반응과 물질의 결합으로 생성돼 왔다. 또한 지구의 대기층을 이루는 수십여 종의 가스도 각종 화학적, 물리적인 반응을 통해 각 구성비를 이루고 있다.

인간은 이같은 가스와 관련한 연구를 통해 산업혁명을 전후로 가스의 활용방법을 본격적으로 개발하고 각종 산업에 접목시켜왔다.

현재 지구상에 존재하는 기체·액체상의 가스는 제조 및 운반의 용이성으로 인해 각종 기초 산업소재 또는 에너지원으로서 직접 사용되거나 간접적으로 영향을 미치는 등 다양한 수요를 나타내고 있는 소중한 자원이다.

지하자원으로 생산되는 NG, LPG, He 등을 제외하고 우리가 호흡하는 공기중에는 질소 78.082%, 산소 20.945%, 아르곤 0.933%, 이산화탄소 0.037% 등을 포함하고 있다. 이와 더불어 함유량이 0.001~0.000001%에 불가한 네온, 헬륨, 메탄, 크립톤, 수소, 아산화질소, 일산화탄소, 제논, 네온 등의 미세한 가스가 포함돼 있다.

이번 창간 21주년 기념 특집호에서는 다시 일어서기 위한 초심기획으로 산업용가스의 다양한 수요상황을 정리해 독자여러분들께 가스에 대한 기초적인 상식을 REWIND하고자 한다.

   
 

▲ 문화재 멸균 보관(EO, CH3Br)

문화재는 한 나라의 역사이자 보물이며 자국민들의 자긍심 그 자체이다.

이에 문화재의 발굴은 물론 발굴된 유물을 복원, 보존, 유지하는데 쏟는 각 국가들의 노력과 정성은 상상을 초월할 정도다.

이들 문화재와 함께 수십억에서 수백억 원을 호가하는 고미술품이나 고문서들 또한 전문적이고 철저한 유지관리가 필요한 부분이다.

이러한 문화재, 고미술품, 고문서, 서적 등을 해충과 병균으로부터 지키기 위한 방법의 하나로 가스를 활용한 훈증법(燻蒸法)을 사용하는데 여기에 산화에틸렌(EO, C2H4O)과 브롬화메틸(CH3Br)의 혼합가스를 사용한다.

특히 문화재와 같은 고부가가치 물품들을 대상으로 한 훈증가스는 훈증되는 대상이 조금이라도 변질, 변색되지 않으면서 강력한 살균, 살충, 살곰팡이 능력을 갖추고 있어야만 한다.

이같은 관점에서 현존하는 최상의 살균가스로 불리우는 산화에틸렌과 브롬화메틸은 강력한 침투력으로 복잡한 구조의 문화재 심층부까지 고도의 살균능력을 발휘함은 물론 훈증후 신속히 증산(蒸散)하기 때문에 문화재, 고미술품을 위한 최상의 훈증가스로 꼽히고 있다.

   
 

▲ 토목공사 및 수도관공사(N2, CO2)

대표적인 식품냉각용 초저온가스인 액체질소(LN2)와 액체탄산(LCO2)이 가진 급속 냉각, 동결 능력이 토목공사에도 활용되고 있다.

토목공사시 -196℃의 액체질소(LN2)나 -78.5℃의 액체탄산(LCO2)을 주변 토양에 분사해 작업공간 이외의 토양이 붕괴되는 현상을 사전에 방지함으로서 작업자의 안전을 확보할 수 있다.

특히 수도관의 보수공사에 있어 보수가 필요한 부분의 상.하측 수도관만을 액체질소 및 액체탄산으로 동결하면 인근지역의 수도공급을 중단하지 않고도 원활한 공사 진행이 가능한 것으로 전해졌다.

같은 맥락에서 폭발물의 처리에도 액체질소가 쓰이는데 폭발물을 액체질소로 급속 동결시켜 전기장치, 뇌관 등의 작동을 제한하기도 한다.

   
 

▲ 자동차 에어백(N2, Ar, He, O2)

자동차의 충돌 및 추돌사고에서 운전자의 생명을 보호해주는 에어백에는 어떤 가스가 사용될까.

실제로 에어백을 팽창시키는 가스는 질소(N2)지만 압축질소를 활용하는 것이 아니라 나트륨과 질소로 이루어진 ‘아지화나트륨(NaN3)’이라는 화합물이 사용된다.

질소가 약 65%가량 포함된 아지드화나트륨이 차량충돌시 폭발하면서 다량의 질소를 생성해내는 원리이다.[2NaN3(s) → 2Na(s) + 3N2(g)] 아지화나트륨은 평상시 350℃의 고온에서도 불이 붙지 않는 특성을 가지고 있다.

그러나 화약식 에어백이 폭발후 화약의 뒤처리나 오폭의 위험성이 제기되면서 최근에는 화약의 사용량을 최소화한 가스식 에어백 보급이 최근 늘어나고 있다. 이러한 가스식 에어백에는 고압충전된 아르곤(Ar), 헬륨(He), 산소(O2) 등의 혼합가스가 사용된다.

차량에 따라 차이가 있지만 일반적으로 운전석 에어백의 용량은 60리터(외산)~80리터(국산) 정도이며 운전석에 비해 차체와의 간격이 넓은 조수석은 120~150리터의 가스가 들어간다.

   
 

▲ 생고기의 포장(CO2, O2)

소, 돼지 등의 날고기(생고기)는 신선도가 생명이며 신선도를 평가하는 가장 손쉬운 방법은 육질의 색을 보는 것이다. 대개 선명한 적색을 띌수록 신선도는 높은 것으로 평가된다.

이에 따라 생고기의 색 변질을 막기 위해 포장단계에서 산소(O2)를 함께 넣고 있다.

과자 등의 경우 산화방지를 위해 불활성가스인 질소를 넣는 것이 일반적이지만 생고기는 선명한 색을 유지하기 위해선 산화작용이 필요하기 때문에 산소를 사용한다.

구체적으로 생고기 육질속의 미오글로빈(myoglobin)과 산소가 결합, 옥시미오글로빈(oxymyoglobin)을 생성하면서 선명한 적색을 유지시킬 수 있다.

이는 고기를 익힐 때 미오글로빈(적색)이 옥시미오글로빈(선명한 적색)으로 변해 글로빈헤미크롬(회갈색)으로 바뀌는 과정에서 착안한 것이다.

산소와 함께 탄산(CO2)을 첨가하면 미생물 증식 억제 효과도 거둘 수 있다.

   
 

▲ 가금류 도축(CO2)

우리나라는 과거에서부터 돼지 도축시 전기충격법을 사용해 왔다.

하지만 이 방식은 돼지가 전기에 감전되면서 스트레스를 받아 근육단백질 변형, 수분함량감소, 골격파손, 조직내부출혈 등이 나타난 저품질 돈육이 다량 발생한다는 한계가 있었다.

이를 해결하기 위해 개발된 방법이 바로 탄산(CO2)을 활용한 도축법이다.

탄산도축은 일정량의 CO2를 계속 공급, 혈중 산소를 감소시켜 서서히 마취(기절)시킨 후 도축하는 것으로 선진국에선 이미 일반화되어 있으며 우리나라도 축산기술연구소가 관련기술을 개발해 보급을 확대해 나가고 있다.

돼지 1마리 도살에 필요한 탄산량이 약 2.5그램에 불과해 아직은 매력적인 신규수요처로 보기는 어렵다.

현존하는 국내 최대 도축장의 도축량이 하루 2천 마리 수준으로 총 5㎏의 탄산이면 모든 도축을 마칠 수 있기 때문이다.

그러나 돼지를 시작으로 소, 닭, 염소, 오리, 타조 등 모든 가금류(家禽類)에 탄산도축법이 확산되면서 탄산시장을 점진적으로 확대해 나가고 있는 실정이다.

   
 

▲ 단무지 저장(N2)

일본과 중국음식에는 단무지가 감초처럼 자주 곁들여진다. 일반적으로 단무지는 무를 소금에 절임으로서 염분함량 10~18%을 만들어 장기간 저장이 가능한 식품이다.

그러나 최근들어 건강에 대한 관심이 증대되면서 종주국인 일본에서조차 짠맛을 감소시킨 저염(low salted) 단무지에 대한 요구가 늘어나고 있다.

단무지 제조업체들이 이러한 요구를 수용하기 위해 개발한 방법이 질소(N2) 보존법이다.

절인 무를 질소와 함께 보관하면 질소와의 상호작용으로 인해 염분이 6~8% 수준으로 감소하기 때문이다.

또한 기존 방식은 제품화 이전에 반드시 탈염(脫鹽)과 압착 공정을 거쳐야하는데 반해 질소에 보존된 단무지는 별도의 추가공정 없이 곧바로 제품화가 가능해 인건비 절감, 품질 향상 등의 부가효과도 누릴 수 있는 것으로 알려져 있다.

   
 

▲ 소 사료용 밀집(NH3)

비용절감 및 경쟁력 향상을 위해 이제 축산업도 대량화, 규모화의 시대로 접어들었다.

특히 상업적 목적으로 소를 키우는 농장들의 경우 최소 수십 마리에서 최대 수천마리에 이르기까지 규모가 확대되고 있으며 그만큼 밀짚 등 사료도 막대하게 소비되고 있다.

대형 농장에서는 소의 사료용 밀집을 보다 부드럽게 만들기 위해 암모니아(NH3)를 투입한 밀짚을 사용한다.

이렇게 하면 밀집이 쉽게 풀려 소들의 소화가 용이해지고 단백질 함량도 증가된다.

또한 이차적 발효를 방지하고 곰팡이 발생을 억제할 수도 있다.

암모니아의 량은 밀짚의 중량대비 약 3%로서 밀짚 1만톤에 약 3백톤의 암모니아를 혼합하면 된다.

   
 

▲ 휘프 마가린 제조(N2)

마가린(margarine)은 크게 딱딱한 ‘경성(硬性) 마가린’과 부드러운 ‘연성(軟性) 마가린’으로 구분된다.

90년대말 이후 연성 마가린이 인체내 콜레스테롤 함량을 감소시키는 등 경성 마가린에 비해 인체에 유익하다는 연구결과와 함께 소비자들의 기호도 부드러운 마가린을 더욱 선호하게 되면서 연성 마가린 시장이 점차 확대되고 있다.

이러한 연성 마가린의 일종인 저칼로리 ‘휘프(whipped) 마가린’의 제조에 질소(N2)가 사용된다.

마가린 제조 공정 중 굳지 않은 액체상태의 마가린에 질소를 공급, 기포(거품)를 생성시켜 잘 저으면 반액체 수준의 부드러운 휘프 마가린이 탄생한다.

   
 

▲ 귀중품 보관(N2)

보석은 찬연한 빛을 발할 때에 최고의 가치를 평가받는다.

하지만 시간이 흐르면서 공기 중의 산소와 산화작용이 일어나면 보석은 본연의 색채를 잃어버리기 마련이다.

보석이나 증권, 고가의 미술품 등 귀중품의 보관시 공기접촉에 의한 산화를 막기 위해 질소(N2)를 분위기가스로 활용한다.

비닐봉투 등 밀폐된 곳에 귀중품과 질소를 넣는 방식이다.

고가의 미술품의 경우 현재 열(熱)로 인한 변형을 막기 위해 빛을 차단하거나 온도를 제어하는 등의 조치를 취하고 있지만 이에 더해 산화방지용 질소의 사용도 추가적으로 검토되고 있는 상황이다.

   
 

▲ 립스틱, 초콜릿 등 제조(H2)

식물성 기름은 그 자체로 쓰이기도 하지만 화장품, 세제, 제약, 식품 등 많은 분야에서 중요한 원료로 사용되고 있다.

이때 액체상태인 식물성 기름의 활용성 향상을 위해 수소(H2)를 강제로 첨가하는 수소화(Hydrogenation) 공정을 진행한다.

수첨반응에 의해 기름의 불포화지방산 성분이 포화지방산화 되면서 고체 또는 반고체 상태로 변하는데 기름냄새가 없어지고 녹는점이 높아지며 비누화값 및 요오드값이 저하되는 등 한층 안정된 물성을 갖은 원료로 재탄생된다.

이렇게 경화(硬化)된 원료유는 립스틱, 마요네즈, 초콜릿, 마가린, 버터, 드레싱, 크림, 비누 등의 주요원료로 쓰여 산화, 변색, 변형을 방지하는 역할을 수행한다.

일부 제약산업에서도 수소화공정이 도입되고는 있지만 공정이 복잡하고 고도의 기술을 요하는 분야여서 국내 제약업체들 대부분은 수소화공정을 마친 원재료를 수입하여 약품제조에 사용 중인 것으로 알려져 있다.

 

   
 

▲ 초(극)저온 분야(N2, He)

초(극)저온 분야의 사용가스는 주로 액체 헬륨(LHe)이다. -269℃의 초(극)저온을 만들어내는데 사용되고 있으나 고온초전도체의 냉각에는 액체질소(LN2)가 사용되기도 한다.

초저온분야에서 수요를 이끄는 대표적인 분야는 의료용 MRI(Magnetic Resonance Imagine·자기공명영상)로 마그네틱의 냉각 응용을 중심으로 하고 있다. 이와 함께 분석용 NMR와 바이오, 게놈관련의 연구 프로젝트가 꾸준히 진행되고 있는 것도 수요의 증가를 부추기고 있다.

하지만 이같은 일부 국가의 초(극)저온 분야의 수요 움직임과는 달리 우리나라의 산업별 헬륨(He)수요비중은 전자·반도체부문이 의료용(MRI, NMR)을 제치고 우위를 점하고 있는데 이는 전 세계적으로 전자·반도체용 수요가 의료용, 용접용, 퍼지용, 부양용 등을 뛰어넘어 수요비중 1위를 차지하는 것은 매우 이례적인 일이다.

세계적인 관심이 증폭되고 있는 혈청동결 보존 시스템이나 제대혈 보관, 응용 등의 바이오산업에서 대형 프로젝트가 증가하는 추세에 따라 액체질소 시장의 꾸준한 증가가 초(극)저온 분야의 가스시장을 주도해 가고 있는 실정이다.

   
 

▲ 광섬유(He, H2, N2, O2, Ar)

지난 90년대부터 두각을 나타낸 광섬유 분야는 광통신의 기본 인프라로서 컴퓨터(인터넷)와 휴대전화 등의 보급이 급속히 증가하면서 지속적인 성장세를 나타내고 있다.

광섬유는 합성수지를 재료로 하긴 하지만 주로 투명도가 좋은 유리로 만들어진다. 구조는 보통 중앙의 코어(core)라고 하는 부분을 주변에서 클래딩(cladding)이라고 하는 부분이 감싸고 있는 이중 원기둥모양을 하고 있다. 외부에는 충격으로부터 보호하기 위해 합성수지 피복을 1∼2차례 입힌다.

보호피복을 제외한 전체 크기는 지름 백∼수백μm(1μm은 1/1000mm)로 구성되고 코어 부분의 굴절률이 클래딩의 굴절률보다 높게 되어 있기 때문에 빛이 코어 부분에 집속되어 잘 빠져나가지 않고 진행할 수 있게 되어 있다.

코어의 지름이 수μm인 것을 단일모드 광섬유, 수십μm인 것을 다중(多重) 모드 광섬유라 하고 코어의 굴절률 분포에 따라 계단형, 언덕형 광섬유 등으로 나눈다.

광섬유는 외부의 전자파에 의한 간섭이나 혼신(混信)이 없고 도청이 힘들며 소형·경량으로서 굴곡에도 강하며 하나의 광섬유에 많은 통신회선을 수용할 수 있는 동시에 외부환경의 변화에도 강한 것이 특징이다.

광섬유 제조업체로는 옵토매직, 시큐리티코리아, 디오스텍 등이 있으며 그동안 가스 수요와는 인연이 적었던 전선제조업체들은 광섬유 시장의 성장으로 인해 헬륨과 수소(H2)의 대규모 수요처로 변신했으며 질소(N2), 산소(O2), 아르곤(Ar)의 사용도 늘어났다.

특히 헬륨과 수소시장으로서의 광섬유는 용도별 구성비의 1위를 차지하고 있으며 액체헬륨을 수입컨테이너로 공급하고 있으며 수소도 튜브트레일러를 직공급하거나 온사이트형식의 천연가스 개질방식을 선호하는 것으로 나타나며 공급과 수요에 막대한 영향을 미치고 있다.

광섬유의 제조법은 미국 NTT와 전선메이커가 공동 개발한 VAD법(vapor-Phase Axial Depsition)으로 원료인 사염화규소와 코어부의 굴절률을 조정하는 사염화게르만을 산소와 수소로 고온 연소해 가수분해한다.

유리를 투명하게 하는 공정에서는 헬륨을 다량으로 사용한다.

헬륨은 원자가 작고 질소, 아르곤에 비해 유리 투과율이 106 가량 높기 때문에 투명화에 빠뜨릴 수 없는 가스이고 공정 전체의 분위기 가스로는 질소와 아르곤을 사용한다.

최근에는 아르곤을 헬륨의 대체가스로서 사용하는 방법을 연구하는 경향도 있다.

이밖에 혼합 및 특수가스는 클래드부의 굴절률의 조정용으로 미량 사용하고 있다.

   
 

▲ 전구(Ar, Kr, Xe, Ne)

전구사업분야는 백열등 제조에서부터 사용돼 왔던 아르곤(Ar)과 희귀가스의 응용분야로 자리매김을 해 왔다. 수요량 면에서는 높은 편은 아니지만 안정된 수요를 확보하고 있으며 크립톤(Kr) 수요의 80%가량을 차지하는 주요 분야로 인식돼 있다.

가정용 전구, 형광등, 자동차 및 점포용 할로겐전구 등 보다 더 선명한 색상과 균일한 빛을 만들어 내기를 원하는 소비자의 요구가 높아지고 있어 고휘도를 얻을 수 있는 네온(Ne), 크립톤, 제논(Xe)의 사용량이 계속 증가되고 있다.

가정에서 사용되고 있는 초기 전구에는 텅스텐 필라멘트의 절단을 막기 위해 질소를 충전, 봉입했으나 효율적인 측면에서 아르곤을 충전해 사용하다가 오늘날에는 아르곤 85%, 질소 15%를 혼합한 가스를 사용하고 있다.

특히 할로겐전구의 경우 자동차 생산 및 수출에 따른 해외기준에 맞춰 국내외 생산이 본격화되고 있다. 이는 자동차에서 사용하는 제논 램프의 채용빈도가 높아지고 있고 LED 램프의 장착이 검토되고 있어 수요감소는 당분간 없을 것이라는 전망이다.

각 전구에 사용되는 가스별 구성은 일반 전구와 형광등에는 아르곤과 희귀가스의 혼합이지만 주종은 아르곤이 사용된다.

액정백라이트와 네온사인에는 네온이 봉입되고 자동차 헤드라이트의 할로겐전구에는 크립톤이 사용되나 고휘도를 얻기 위해 제논이 봉입되기도 한다.

PDP에는 네온 95%, 제논 5%의 혼합비율로 시작했으나 휘도 향상을 목적으로 제논의 사용비율이 높아지면서 일부 판넬 제조업체에서는 제논의 비율을 10%이상 요구하기도 한다.

   
 

▲ 용광로(O2, N2, H2, Ar, CO2, CO)

용광로 메이커는 전 세계적으로도 공기분리가스의 최대 소비자이자 가스 자가플랜트의 소유자가 대부분이다.

국내 용광로 보유업체는 포스코, 현대제철 등이 있으며 포항, 광양, 당진에 제철소를 설치하고 열간압연, 냉간압연, 후판, 선재, 강편 등을 주로 생산하고 있다.

특히 자가플랜트를 통한 잉여가스의 시장유입의 소스로도 가스업계의 관심이 대상이 되고 있다.

용광로는 고로(高爐)라고도 하며 발열원으로서 무엇을 사용하느냐에 따라 코크스선 고로 ·목탄선(木炭銑) 고로 ·전기선 고로 등으로 나누며 세계에서 생산되는 선철의 대부분은 코크스선고로에서 생산된다.

용광로에서는 爐의 최하부로부터 가열된 공기를 爐 위로 불어 넣는데 옛날에는 발로 밟는 풀무를 사용하여 바람을 爐에 공급하였다.

그 후 수차(水車)가 동력원이 되어 인력에 의한 바람보다 강한 바람을 공급할 수 있게 됐고 공기의 공급 즉 산소의 공급이 충분하게 돼 화력이 커지고 제철을 하는 온도가 옛날보다 높아졌다.

제강공정에서는 많은 종류의 가스를 사용하지만 대표적인 것은 산소이다.

산소는 오래전부터 전로의 탈탄환원(脫炭還元)용, 조연(助燃)용 등으로 사용돼 왔다. 최근에는 고로의 PCI(微粉炭흡입)의 급증에 의해 조연용의 사용이 확대되고 미분탄의 보안용 분위기가스로 질소 수요도 급증하고 있다.

질소는 그밖에도 배관, 기기의 퍼지용 등에서도 다양한 쓰임새를 보이고 있다. 아르곤, 탄산, 일산화탄소는 복합취련버블링용, 아르곤은 眞空脫가스, 수소는 광휘소용으로 사용된다.

고로에서의 단위 산소소비량은 약 30㎥/ton에 달하고 있고 전로에서 사용하는 62㎥/ton의 약 50%에 이르고 있다.

질소도 배관 퍼지와 압연씰 외에 미분탄의 씰용으로 사용이 증가하면서 산소 이상의 사용량이되고 있다.

   
 

▲ 電爐(O2, H2, N2, Ar)

제강(製鋼), 제동(製銅)에 사용되는 환원로(還元爐)로 형식은 제강용과 제동용이 전혀 다르다.

제강용은 원통의 주둥이를 좁혀 옆으로 비스듬히 열어놓은 형태이다.

가장 오래된 형식은 저취전로(底吹轉爐)라고 하며 爐 밑에 여러 개의 구멍을 뚫은 내화물을 끼워 넣고 이 구멍으로 공기를 불어 넣었다.

공기구멍이 노좌(爐座)의 옆에 붙은 爐를 횡취전로(橫吹轉爐)라 하며 최근에는 바닥에는 구멍이 없고 노정(爐頂)에서 쇳물 위에 뜬 슬래그를 통해 고순도 산소를 불어 넣어 제련하는 상취전로(上吹轉爐:LD전로)가 많이 사용된다.

전로로 강철을 만드는 데 있어서 저취법은 노를 기울여 놓고 위쪽 주둥이에서 녹은 선철(銑鐵)을 넣고 공기구멍으로 공기를 불어넣으면서 爐를 일으키면 선철 내의 불순물인 규소·망간·인 등이 산화되어 발열하고 탄소도 산화하여 제거된다. 생긴 강을 다시 전로를 넘어뜨려 흘러나오게 한다.

전로메이커의 대부분은 가스메이커의 최대의 수요처이긴 하지만 PSA 산소공급이 주류로 액체산소는 백업이 중심이다. 특히 경쟁력이 문제가 되는 시대가 되어 1990년대부터 산소를 전기의 대체로 사용하는 움직임이 증가하고 있다.

원래 전로에 있어서 단위 산소소비량은 20㎥/ton가량이었던 것이 90년대에 들어서 일거에 30㎥/ton으로 확대되면서 전로메이커의 증산시에는 40~50㎥/ton까지 확대하는 경향도 증가하고 있다.

이로 인해 전로메이커로서는 산소 PSA 설치여부가 원가를 줄이는 비장의 무기가 된다는 관점고 있어 가스메이커를 통한 액체산소 공급은 1990년대에 들어서면서 전로용 산소공급의 주역의 자리를 빼앗겼다고 해도 과언이 아니다.

하지만 일본의 경우는 PSA의 설치를 통해 자체 수요량을 충당하는 경향이 짙게 나타나고 있으나 우리나라는 소규모를 제외하고는 ASU의 설치를 선호해 잉여가스에 대한 일반시장 진입을 부가사업으로 진행하는 경우가 두드러지고 있다.

이렇다 해도 아웃소싱을 통한 가스메이커로부터의 안정적인 공급을 원하는 전로메이커가 있기는 하나 여전히 대다수의 전로메이커들은 잉여가스 판매를 통한 수익에 주력하는 모습이다.

한편 전로에서는 산소가 가장 많이 소비되며 조연, 탈탄용 산화제, 각반용 및 爐내에 녹아 붙은 철찌꺼기의 제거에 주로 사용된다.

요구되는 PSA 산소의 순도는 93% 가량이지만 철찌꺼기 제거에 액체산소를 요구하는 메이커도 있다.

아크로의 바닥으로부터 아르곤, 질소를 사용하는 케이스도 있다. LF로(로외정련)은 에어차단용과 각반용으로 아르곤, 질소를 사용하며 수소는 고급강의 광휘소용이다.

   
 

▲ 스테인리스(Ar, N2, H2)

스테인리스는 크롬과 탄소 외에 용도에 따라 니켈, 텅스텐, 바다듐, 구리, 규소 등의 원소를 함유한 내식성 강철로 녹이 슬지 않고 부식성이 상대적으로 적은 제품이다.

니켈계 스테인리스는 주택의 건자재로 사용되며 크롬계는 자동차 등에 주로 사용이 되고 있다.

스테인리스는 철에 니켈과 크롬을 첨가하고 있지만 첨가재료에 희소금속이 있다든지, 산지에 편차가 있기 때문에 국제적 가격 변동폭이 크고 시황 상승은 메이커의 수익을 크게 좌우하기도 한다.

현재 국내에서 생산되는 스테인리스 300계의 경우 제품 원가에서 니켈이 차지하는 비중은 80% 이상으로 니켈가격이 1천 달러 상승할 경우 ton당 85~90달러 가량의 스테인리스 가격 인상 요인이 발생하는 것으로 추정된다.

주로 사용되는 가스는 부동태막 생성시 산화방지용으로 아르곤을 사용한다. 아르곤 소비량은 실리콘 웨이퍼와 엇비슷한 수준이다.

질소는 아르곤과 마찬가지로 산화퍼지에 사용되며 수소는 냉연가공시의 표면처리, 환원용으로 쓰인다.

   
 

▲ 비철금속(O2, N2, H2, Ar)

철에 비해 부존량이 적고 제련하는데 공정이 까다로울 정도로 많고 또 에너지 소비가 많아 철에 비해 가격이 비싼 편이다.

비철 금속은 예전부터 쓰이던 구리, 납, 주석, 아연, 금, 백금, 수은 등과 그밖에 비교적 근래에 들어와 새롭게 공업 재료로 쓰이게 된 니켈, 알루미늄, 마그네슘, 카드뮴 등이 있다.

비철 금속은 비중에 따라 비중 5 이상의 중금속과 5 이하의 경금속으로 분류한다.

비중이 5이상인 중금속에는 구리, 아연, 주석, 안티몬, 수은, 니켈, 코발트, 크롬, 망간, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐, 비스무트 등이며 알루미늄, 마그네슘, 나트륨 등은 비중이 5 이하인 경금속에 속한다.

하지만 제조과정에서는 철강과 같이 원료강석의 융융, 전로에서의 불순물제거에 산소부하가 가해져 대형산소발생장치(PSA 및 심냉분리장치)가 설치돼 있다.

동, 아연, 납, 금, 은 등이라고 하는 비철금속은 원료광석을 고온에서 용해, 전로에서 정제한 후 전기분해에 의해 분리해서 각 금속마다 순도를 높여간다.

산소가 용해공정 및 전로공정에서의 연소 조연제로 투입되지만 조연제가 목적이기 때문에 산소의 순도는 80%로 공급되는 경우도 있다.

질소, 수소가 환원로의 분위기용과 각종 반응용으로 사용되며 아르곤도 환원분위기용으로 쓰이고 있다.

비철금속용 가스비즈니스의 중심은 산소지만 PSA 혹은 산소전용의 심냉분리장치를 설치, 운용하고 있다.

   
 

▲ 냉매(HFC계)

냉매라고 하면 냉동 사이클의 작동유체(作動流體)로서 저온의 물체에서 열을 빼앗아 고온의 물체에 열을 운반해주는 매체의 총칭이다.

현재 주로 사용되는 냉매로는 암모니아, 플루오르화염화탄화수소계 냉매(프레온), 공비혼합냉매(共沸混合冷媒), 클로로메틸 등이 있다.

냉매의 효능은 냉동기의 능력, 압축기의 형식, 용도 등에 따라 각 특성에 알맞은 냉매를 택함으로써 효율을 높일 수 있다.

공업적 방식은 산업용가스의 응용으로 냉매가스의 기화, 흡열 반응을 이용해 냉열을 얻는 것으로 인체에 영향을 주지 않고 증발온도가 가장 적합하다는 이유로 프레온이 주로 사용되고 있지만 오존층 파괴, 지구온난화의 원인이라는 이유로 사용범위가 좁혀져 가고 있다.

하지만 현재 냉매의 주류인 HFC-134a, 신냉매도 온난화계수가 있다는 결과에 따라 절대적 냉매로는 자리매김을 못하고 있다.

이에 따라 암모니아를 냉매로 이용한다거나 자연 냉매의 채용 등 에어컨, 냉동기메이커도 갖가지 방식을 모색하고 있어 향후 가장 변화가 빠르게 진행될 가능성이 예상된다.

주된 수요로는 자동차 및 가정용 에어컨, 냉장고가 HFC-134a를 이용하고 있다.

하지만 가정용 냉장고는 HFC-134a에서 온난화 계수가 적은 이소부탄으로의 전환이 본격 모색되고 있고 신냉매는 혼합냉매로 HFC-32, HFC-125, HFC-1342, HFC-143a를 2~3종 가량 혼합해서 만들어진다.

즉 R-410A는 32와 125를 각각 50%씩 혼합해 제조하며 R-407C는 32(23%), 125(25%), 134a(52%)로 구성되고 R-404A는 125(44%), 134a(4%), 143a(52%)가 혼합비율을 이루고 있다.

이같은 신냉매는 R-410A가 가정용 에어컨, R-407C는 업무용 패키지 에어컨의 냉매이지만 R-410A를 이용하는 패키지 에어컨도 증가하고 있으며 R-404A는 업무용 냉동기 냉매로 이용되고 있다.

 

   
 

▲ 실리콘 웨이퍼(Silicon Wafer)(H2, SiH4, HCl, TCS, N2)

실리콘 웨이퍼는 순도 99.9999999%의 단결정(單結晶) 규소를 얇게 잘라 표면을 매끈하게 다듬은 것으로 웨이퍼의 표면은 결함이나 오염이 없어야 함은 물론 회로의 정밀도에 영향을 미치기 때문에 고도의 평탄도가 요구된다.

최근에는 두께 0.3㎜, 지름 15㎝의 원판 모양의 것이 사용되고 있다.

실리콘 웨이퍼는 실리콘반도체의 문자 그대로 기판재료이다.

제조공정은 1.다결정실리콘제조 2.단결정제조(CZ법, MCZ법) 3.웨이퍼제조연마 공정 4.에피성장 등으로 크게 구분된다.

이 중에 가스가 주로 사용되는 것은 다결정실리콘제조에서는 금속실리콘의 정제, 반응에 의한 다결정실리콘의 환원용 수소, 단결정 제조에서는 아르곤이 대표적으로 사용된다.

최근의 경향에서는 폴리싱 웨이퍼(연마가공)후 에피 성장과 수소아닐(열처리), 실리콘·온·인슐레이터(SOI) 등 일정한 성막과 결정결하개선 등의 처리를 행하는 케이스가 증가하고 있다.

앞으로의 경향으로는 에피 웨이퍼 등의 확대와 300mm웨이퍼 등 대형화가 진행되어 가스소비량의 증가가 예상되고 있다.

단, 아르곤에서는 회수장치, 수소는 온사이트화가 진행되고 있다.

다결정으로는 트리클로로실란(혹은 모노실란)과 수소를 반응시켜 원소상 실리콘(단결정의 작은 알갱이가 많이 집합된 다결정 실리콘)을 제조한다.

단결정으로는 아르곤 분위기하에서 다결정을 녹여 단결정화한다.

단결정제조법에는 CZ법(끌어올린 단결정법) 과 FZ법(부유대 단결정법)이 있지만(주력은 CZ법) 모두 대량의 아르곤을 사용한다.

아르곤은 불활성가스이고 활방전 전위로 하기 힘든 특성으로부터 사용되고 있다.

또 도프제로서 P형은 붕소, N형으로 린, 안티몬, 비소를 사용하지만 일반적으로는 가스가 아니고 고형물질을 사용한다.

그밖에 단결정에서는 트리클로로실란, 환원용 수소, 보안용 질소 등의 가스가 이용된다.

에피 웨이퍼는 환원용 수소, 모노실란, 트리클로로실란, 염화수소 등이 사용되며 도핑가스로서 디볼란, 포스핀 등이 있다.

또 차세대 웨이퍼 SOI(Silicon-On-Insulator)에서는 실란계 가스, 수소 등이 이용되며 에피용 CVD 챔버클리닝에 염화수소가 사용된다.

   
 

▲ 실리콘 반도체(Silicon Semiconductor)(SiH4, TCS, TEOS, N2O, NH3, CF4, NF3, N2, Ar, H2, O2, He, C3F8, C4F6)

반도체에서 ‘반’은 중간을 의미한다. 따라서 반도체는 도체와 부도체의 중간 정도의 성질을 가지며 평소에는 부도체의 성질을 가지고 있지만 빛 또는 열을 가하거나 특정 불순물을 넣는 등의 인위적인 조작을 하면 전기가 통하게 된다. 일반적으로 실온에서 10-3~1010Ω·cm 정도의 비저항을 가지지만 그 범위가 엄격하게 정해져 있지는 않다.

반도체에 주로 쓰이는 재료인 실리콘은 모래나 수정 등이 주성분이고 지구에서 산소 다음으로 흔한 원소다.

실리콘을 반도체의 재료로 사용하기 위해서는 모래를 화학 처리해 실리콘만을 뽑아내고 정제과정을 거쳐 순도를 높여야 한다.

주로 이용되는 분야는 다이오드, 열전자 방출체, 집적회로소자, 전자식 카메라 등 첨단 전자산업 부문에 넓게 응용되고 있으며 태양전지나 발광소자에도 사용된다.

이처럼 우리 주변의 대부분의 전자제품에 들어있어 생활에 편리를 가져다주기 때문에 반도체를 ‘마법의 돌’이라 부르기도 한다.

이같은 실리콘반도체는 전(前)공정에서 확산·아닐, CVD(감압·상압·메탈·플라즈마), 도핑, 에칭, 이온주입, 스패터링 등의 프로세스에서 상당히 다양한 산업용가스가 사용된다. 또 관련 장비나 시스템 등도 풍부하게 이용된다.

사용되는 가스의 종류도 질소, 아르곤, 수소, 산소, 헬륨 등의 벌크가스계로부터 모노실란, 테오스, 삼불화질소, 사불화탄소, 육불화텅스텐, 아산화질소, 암모니아 등의 특수재료 가스들까지 약 20종을 헤아리고 있다.

노광분야에서도 엑시머레이저 발진용 혼합가스로 KrF, ArF 등이 더해졌다.

또 에칭, 크리닝을 위한 새로운 가스(C5, F8, C3F8, C4F6), 배선재료 (TiCl4, 유기계재료), 확산·CVD의 웨이퍼냉각용 헬륨 등 low-k, high-k 등 차세대 프로세스 지향의 재료(주로 특수화학재료) 등 미세가공,고집적화에 맞춘 가스의 종류는 더욱 확대되고 있다.

장비시스템 및 설비공사 등을 기준으로 살펴보더라도 질소 온사이트, 가스캐비넷, 제조장치의 공급시스템 등으로부터 가스검지경보기, 배기가스처리장치 등에 이르기까지 분야의 폭이 넓게 나타나 있다.

다시 한번 사용가스에 대해 설명하자면 실리콘반도체의 전공정에서 사용되는 가스는 크게 구분하면 벌크계가스와 특수재료가스로 나뉘어진다.

벌크계가스로는 질소, 아르곤, 수소, 산소, 헬륨 등이 있으며 이중에서 가장 대량으로 사용되는 것이 질소이다.

공급방식의 대부분이 온사이트 방식이며 용도는 각종 퍼지, 캐리어(특수재료가스 송급), 치환용(CVD 등 챔버 내의 바꿔 넣기), 보안용(배기가스 처리용) 등이다.

수소, 아르곤, 헬륨은 특수재료가스의 캐리어용으로 주로 사용되며 냉각용으로 액체질소, 헬륨도 사용된다.

특수재료가스는 CVD, 에칭, 이온주입, 도핑, 클리닝 등의 각 공정에서 주로 사용된다.

CVD에서는 모노실란, 디클로로실란, 테오스, 육불화텅스텐, 아산화질소, 암모니아 등이 사용되며 에칭,클리닝에서는 사불화탄소, 삼불화질소 등과 불소계가스가 주로 사용된다.

   
 

▲ 전자부품(N2, Ar, H2, CH4)

PC, 휴대전화 등 IT관련기기가 세계적으로 보급된 90년대에서부터 관련시장은 비약적인 확대를 보여 왔다.

2000년대에 들어서면서 IT산업의 불황이 계속돼 왔지만 최근에는 소비자들의 구매욕구가 디지털가전제품으로 꾸준히 늘어나면서 시장성은 더욱 상승하는 분위기가 나타나고 있다.

일본과 더불어 세밀한 제품에 대해 강세를 나타내고 있는 우리나라에 있어서 전자부품 산업은 기업규모가 어떻든간에 꾸준한 성장세를 보이고 있다는 사실은 결코 부인할 수 없을 것이다.

전자부품산업은 한마디로 설명하기 어려울 정도로 헤아릴 수 없을 만큼의 종류가 존재하지만 각종 부품은 특성에 의해 능동부품, 수동부품, 보조부품의 3개로 크게 구분할 수 있다.

능동부품은 입력과 출력을 갖고 전기를 더하는 것으로서 일정한 관계를 갖게 하는 것으로 트랜지스터, IC, 다이오드, 오페어엠프 등이 대표적인 제품이다.

수동부품은 자신만으로는 기능하지 않지만 능동부품과 조합시켜 기능하는 것으로 저항, 코일, 콘덴서의 3종이 중심이다.

보조부품은 소자를 접속한다든지 고정하기 위한 부품으로 커넥터, 기판, 단자, 스위치, 전선재료 등이 포함된다.

전자부품에서 산업용가스 공급시스템은 원재료로서의 파인세라믹스용으로 분위기 제어용의 질소를 비롯, CVD, HIP, 용사프로세스용 아르곤, 환원용 수소, 박막형성용 특수재료가스 등 다양한 가스가 소비되고 있다.

또 프린트를 기반으로 한 전자부품실장분야에서도 질소수요가 급신장하면서 PSA의 시장을 주도해 나가고 있다.

이에 가장 소비량이 많은 질소는 각종 퍼지, 캐리어, 치환, 질화 등에 이용되고 특히 원료인 세라믹의 제조공정에서 분위기가스로써 대량으로 소비된다.

또 프린트기판의 납땜붙임공정에서는 리프로로의 퍼지가스로써 사용되고 있다. 리프로로에서는 99.99%의 질소를 24시간 흘려보내기 때문에 질소 PSA의 시장이 되고 있다.

수소는 세라믹원료의 소결공정에서 환원제로써 사용되는 외에 아르곤과 함께 질화할 때의 온도컨트롤, 캐리어에도 이용된다.

고순도 메탄은 금속CVD의 탄화원으로서 또 제품에 의해서는 산화프로세스에서 산소를 필요로 하는 것도 있다.

수요가스의 사용빈도는 질소가 60%, 아르곤 18%, 수소 10%, 메탄 6%, 기타 6% 등으로 나타나고 있다.

   
 

▲ 화합물 반도체(Compound semiconductor)(AsH3, TMG, HP NH3)

두 종류 이상의 원소화합물로 이루어지는 반도체인 화합물 반도체는 주로 갈륨비소(GaAs)·인듐인(InP)·갈륨인(GaP) 등의 3~5족 화합물 반도체와 황화카드뮴(CdS)·텔루르화아연(ZnTe) 등의 2~6족, 황화납(PbS) 등의 4~6족 화합물 반도체 등이 있다.

게르마늄이나 실리콘 등 단체(單體)의 반도체와는 캐리어의 이동도(移動度), 띠(band) 구조 등이 다르므로 전기적 ·광학적 성질도 크게 다르다.

여러 종류의 이러한 화합물 반도체 중에서 적당한 성질을 가진 것을 골라내어 발광다이오드·반도체 레이저·고주파발진소자 등 실리콘·게르마늄 등으로는 실현할 수 없는 소자가 개발되고 있다.

이같은 화합물 반도체는 휴대전화 등에 사용되는 고속, 고주파 디바이스, 발광 다이오드와 레이저 다이오드로서 수요가 지속적으로 증가하고 있다.

지난 2000년대 초 소위 IT불황으로 일시적인 성장 둔화가 있었지만 중장기적으로는 성장세가 높은 분야이기도 하다.

실리콘 반도체와 같이 고순도, 특수재료가스를 사용하지만 유기금속재료를 사용하는 특징을 갖는다.

화합물 반도체 제조과정에서는 기상 에피타키샬성장 그 중에서도 MOCVD법이 많이 쓰이고 있기 때문에 가스가 재료로써 사용된다.

휴대전화의 FET 등 고주파 디바이스용 갈륨비소(GaAa)에서는 아르신, TMG(트리메틸갈륨)이 사용된다.

디스플레이표시용 청색LED와 DVD 픽업용 LD에 응용되는 갈륨나이트라이드계(GaN)에서는 화이트나 블루 등 고순도 암모니아가 사용된다.

   
 

▲ 유리융해(O2)

융해는 용융(熔融)이라고도 하며 물질의 상변화(相變化)의 하나로 모든 물질은 어떤 온도에 이르면 이같은 변화가 일어난다.

특히 결정질(結晶質) 고체는 일정온도에 도달하면 갑자기 녹기 시작하고 고체가 전부 녹을 때까지는 온도가 그 이상 올라가지 않는데 이는 고체를 가열해 가면 어느 온도점에서 분자의 열운동에너지가 분자간의 결합에너지를 웃돌고 고체 내의 규칙적인 분자배열이 무너지기 때문이다.

이렇게 분자의 운동에너지가 그 결합에너지를 넘어 현상적으로 일정 부피를 유지하고 있는 고체로부터 유동성(流動性)을 가지는 액체로 변하기 시작하는 온도를 그 물질의 융해점 또는 녹는점이라 한다.

융해하기 시작한 단위질량의 고체를 액체로 변하게 하는 데 필요한 열에너지를 그 물질의 융해열이라 한다.

단 유리·납·플라스틱 등은 결정구조를 가지지 않으므로 일정한 녹는점이 없고 온도의 상승과 더불어 연속적으로 유동성 액체로 변해 간다.

이러한 물질에 대해서는 녹는점 대신 연화하기 쉬운 온도, 즉 연화점(軟化點)을 취한다.

유리원료인 규사, 석회, 소다회를 용융하는 온도는 1,200℃~1,600℃로 이 고온 연소의 조연제로써 산소가 주입되며 천연가스, 중유를 연료로 산소버너에 의한 복사열로 원료를 녹인다.

중유 1리터를 연소시키는데 필요한 산소량은 약 2㎥이다.

브라운관, 액정기판 유리爐의 표준적인 연료소비량은 중유환산으로 1,000~1,500ℓ/h이며 조연제인 산소의 1爐당 필요량은 2,000~3,000N㎥/h이며 유리로는 24시간 연속 운전을 하기 때문에 산소 공급법은 PSA가 일반적이다.

복수분이 있는 연소용 버너 중에 수차례에 걸쳐 공기로부터 산소로 바꿔 산소부하연소를 행하는 경우도 있으나 이는 제조로의 수명을 늘리는 것이 목적이다.

또 관유리의 컷트용과 수정용으로 산소버너를 사용하는 것도 있다.

판유리 분야에서는 제판 프로세스에서 불활성분위기용으로 질소와 수소를 사용한다.

또 2매의 판유리를 겹쳐놓은 것으로써 단열효과를 높여 주거의 에너지 성능을 향상시키는 복층 유리의 봉입용으로 크립톤, 아르곤이 사용된다.

그 중에서도 크립톤은 단열효과가 높아 유럽에서는 인기가 있고 일본에서도 온난화 대책으로써 주거설비 메이커의 표준화가 검토되고 있다.

따라서 연료인 중류, 천연가스의 절감이라고 하는 에너지 효과와 배기가스 중에 포함된 NOx의 저감이라는 환경개선효과는 공기의 연소보다는 산소를 사용하는 유리용융 산소연소 프로그램을 통해 전로와 나란히 산소의 수요분야로 성장하고 있다.

이같은 연소프로그램은 80년대 중반에 개발되기 시작해 지구온난화에 의한 CO2 삭감이 과제로 부상된 90년대 말이 되어서 단번에 퍼졌다.

하지만 액정기판 유리, 브라운관, 유리화이버 등 爐 규모가 작고 부가가치가 높은 산업에 일조했으나 판유리 등 대형 유리로에는 제조경비문제로 당장은 도입이 어려울 것으로 보인다.

따라서 TV와 PC용 모니터용으로 산소연소의 도입이 빨랐던 브라운관 유리는 PDP와 액정으로 인해 주역의 자리를 빼앗겨 새로운 유리융해로 건설은 두 말할 나위없고 이에 따른 유리제조 메이커의 설비투자의 중심은 액정기판 유리 특히 TV용 대형유리기판 생산으로 점차 변환되고 있다.

   
 

▲ 쓰레기용융(O2, N2)

2002년부터 규제대상에 오른 다이옥신 배출을 계기로 산소를 조연제로 사용하는 가스화 용융로의 사용이 증가하면서 산소 PSA의 수요분야로 점차 정착되고 있는 추세다.

가정과 각종 빌딩 등 우리의 생활범위로부터 나오는 쓰레기는 각 자치단체가 수집, 소각처리하고 있지만 이 쓰레기 처리사업에 커다란 전기가 찾아온 것은 다이옥신의 규제정책에서 시작된다.

쓰레기처리장으로부터의 배출 다이옥신 농도가 엄격하게 제한되어 각 자치단체는 다이옥신을 저감할 수 있는 가스화 용융시스템으로의 전환에 여념이 없다.

따라서 자원회수시설(소각로)로 통칭되는 가스화 용융방식은 다이옥신 배출량을 환경 기준치보다 10배나 낮추는 동시에 매립해야할 소각 잔재를 최소화할 수 있다는데 환경친화적인 사업의 하나로 각광받고 있는 셈이다.

결국 용광로 내부의 온도는 1,600℃에 가까운 고온상태로 투입한 쓰레기 가운데 가연물질과 플라스틱 등은 가스화하고 금속, 유리 등의 불순물은 녹여버린다.

이때 투입되는 보통 연소공기의 수 퍼센트의 산소로도 부화하기 때문에 반드시 고순도를 필요로 하지 않는다. 때문에 고로 기술을 바탕으로 한 타입으로 산소를 불어넣고 있으며 질소는 쓰레기를 일단 무산소 분위기하에서 열분해하는 때의 분위기가스로써 사용된다.

이같이 산소를 투입해 용융화된 쓰레기 슬래그는 전량 건설 현장의 바닥재로 활용하고 소각열은 지역내 난방의 열원으로 사용될 수 있다는 것은 높은 관심의 대상이 되고 있다.

암모니아는 배기가스 탈취용이다.

비즈니스 측면에서는 산소의 PSA공급이 중심이 되지만 고순도를 필요로 하지 않고 있으며 24시간 연속 운전을 위해 설비규모나 가스판매형태는 장치형으로 공급되는 것이 기본적이다.

400~1,500㎥/h형 중형 PSA가 일반적이지만 최근에는 소각장의 대형화 추세로 인해 2,500~3,000㎥/h형 대형 설비가 필요한 경우도 늘어나고 있다.

질소의 경우도 PSA방식의 공급이 많지만 일부에서는 액체형태로 공급하고 사용자가 기화해 사용하고 있다.

   
 

▲ 식품, 음료(CO2, O2, N2)

식품, 음료분야에서의 산업용가스 수요는 냉각, 냉동을 비롯해 맥주, 탄산음료의 발포용을 주용도로 하는 액체탄산(드라이아이스를 포함)이 대표적이지만 그 이외에도 조리, 운반, 저장, 육성의 갖가지 장면에서 다양한 가스가 사용되고 있다.

대량으로 사용하는 일부 수요처에서는 저장탱크를 설치, 운용하고 있지만 대부분은 실린더, LGC를 사용하는 경우가 다수를 차지하고 있다.

대체로 먹는 경제는 경제동향에 좌우되기 어려운 안정된 수요분야로 인식돼 온 탓에 물량 증감은 대체로 낮은 편이지만 최근 수년 동안은 소비자의 기호 변화 등으로 인해 생산품목의 변경, 공장의 집약화, 제조원가 절감 등을 이유로 안정적인 시장이라고 단정짓기는 어려운 형편이다.

하지만 음식과 관련해 문제점이 늘어나고 있는 상황에서 광우병, O-157균의 출현 등은 식음료에 대한 안전의식이 높아지고 있어 오존에 의한 살균, 세정과 용존산소 제거 등의 이유로 새로운 산업용가스의 수요가 주목되고 있다.

최종 소비자가 일반 대중소비자인 식품산업은 기업의 생존과 직결되는 제품이미지로 연결돼 무엇보다도 안전과 청결 그리고 환경문제에의 대처방식은 매우 적극적으로 변화되고 있다.

그중에서도 맥주제조업체의 경우는 지구 온난화 대책의 일환으로 오존층 보호차원의 탄산의 매입량을 줄이고 여타 가스의 주입을 통한 새로운 제품을 선보이는 등 사업적인 변화로 이어지고 있다.

맥주에서 액체탄산는 성분조정과 원료탱크의 가압용, 원료를 채울 때 주입용으로 사용된다.

맥주의 맛과 목 넘김은 탄산의 농도에 의해 결정되기 때문에 성분조정이 불가결하게 된다.

하지만 식품, 음료분야에서는 산업용가스의 최대소비자였던 맥주공장이 환경대책의 이미지효과를 노려 액화탄산의 양을 줄이고 알코올 발효시 발생되는 원료탄산의 회수로 바꾸고 있다.

이에 대형공장에서의 액체탄산 구입량은 단계적으로 30~50%까지 축소되고 있는 양상이다.

또한 패스트푸드, 쿨택배, 아이스크림 업체 등은 배송 합리화와 환경개선의 2개의 효과를 노리고 드라이아이스에 의한 냉각수송을 적극 활용하고 있다.

실제로 어류나 육류제품에 대한 택배배송의 경우 얼음포장을 하고도 신선도 보장을 위해 추가로 드라이아이스로의 재포장을 실시하는 등 냉각기 가동보다는 사용이 간편한 포장기법을 활용하고 있는 것으로 나타났다.

이는 패스트푸드점의 햄버거 패티 급속냉동과 게, 참치 등 고급어패류와 닭고기와 같은 육류, 아이스크림의 초콜릿 등의 고형화 등에 사용되는 액화질소동결은 원래 한정된 수요분야이지만 공장의 집약과 일부 생산공장의 통합으로 인해 소비량 증감이 뚜렷하게 나타나고 있는 양상이다.

여기에 최근에는 일부 과자나 와인, 마요네즈 등은 산화에 의한 품질 변화를 방지하기 위해 질소와 탄산에 의한 산소제거와 제품손상을 막기 위한 차원에서 가스주입 포장이라는 것을 명기하고 있는 것이 증가하고 있다.

질소는 산화방지용으로서 산소 제거는 물론 여분의 산소분이 들어가지 않도록 퍼지용 등으로 다양하게 사용되고 있다.

오존에 의한 조리기구, 제조라인의 세정, 살균도 공장의 위생관리의 하나로써 주목되어 사용빈도가 높아지고 있다.

따라서 대표적인 식품용 가스라고 말하면 식료, 냉각용도의 탄산이지만 식음료의 안전에 대한 의식향상과 철저한 품질관리를 위해서 질소 등의 사용이 급속히 증가하고 있는 셈이다.

   
 

▲ 의료(O2, N2, CO2, He, N2O, Xe)

산업혁명과 눈부신 과학의 발전에도 불구하고 인류에게 무병장수는 영원한 동경의 대상이 되고 있다.

현재 전 세계적으로 건강관리(healthcare) 비지니스가 하나의 거대한 산업을 형성하고 있는 이유도 이러한 인류의 원초적 본능에 기인한다. 특히 COVID19의 전 세계적인 확산으로 산소 수쇼가 폭발적으로 늘어나면서 의료용가스시장의 주요 가스인 의료용 산소는 최근 수년간 증가추세를 보이고 있다.

관련 전문가들은 의료용가스를 비롯 관련 장비, 기술 등의 시장은 향후 산업용가스 분야중 가장 높은 성장률을 보일 것이라고 예상하고 있다.

이에 따라 산업용가스 업체들도 조직과 전략을 재정비하면서 의료용산소는 물론 건강관리 장비, 서비스, 특수가스 시장까지 공략하면서 시장이 대폭 확대됐고 25년전과는 비교할 수 없을 정도도 지금의 의료용가스 산업은 비약적 발전을 거듭하고 있는 상황이다.

산소 이외에도 외과수술을 위한 이산화탄소, 살균 혼합물, 연구용가스, 질소, 헬륨, 레이저가스 등이 의료용가스로 구분되고 있으며 최근 세계적으로 관심이 고조되고 있는 산소방은 의료용가스를 응용한 사업의 좋은 예이다.

아직까지 의료용산소가 의료용가스산업에 있어 높은 비중을 점유하고 있지만 관련업체들은 포괄적인 건강관리 서비스를 제공하기 위해 서비스, 기술, 특수가스 등으로 시장다각화를 꾀하고 있는 추세이다.

특히 서비스분야는 전통적으로 산업용가스 업체들의 영역밖에 존재했지만 ‘의료용 살균제(Hospital disinfection)’처럼 의료용가스 시장 공략을 위한 중요한 부분으로 자리잡고 있다.

연간 10~15%의 성장을 보이고 있는 저온생물학도 의료용가스 업계에는 새로운 기회로 작용할 전망이다.

더욱이 저온생물학과 관련 냉동, 건조, 저장에 사용되는 질소는 약물치료 및 인간게놈프로젝트의 상업화와 더불어 폭발적인 시장확대가 예견되고 있으며 이외에도 수술용 레이저가스, 마취용 제논(Xe), 흡입용 산화질소 등이 새롭게 부각되고 있는 의료용가스 시장이다.

의료용가스 시장은 전형적으로 소수의 거대 병원들에 의해 주도되고 있으며 가스품목의 다양화, 치열한 경쟁, 장기 공급계약 등을 특징으로 한다.

또한 의료용산소와 같은 중요 품목의 경우 한층 심화된 경쟁구도와는 달리 공급업체들이 시장참여를 지속할 이유를 찾기 어려울 만큼 가격하락이 심각한 상황이다.

병.의원에 공급되는 가스는 주로 호흡용 산소를 비롯해 MRI용 액체헬륨, 마취용 N2O, 레이저 수술용 탄산과 혼합가스, 질소 등 수십여종에 달한다.

구체적으로 의료용가스의 용도를 살펴보면 산소의 용도는 주로 흡입용이다.

하지만 흡입용이라고 해도 구급시, 마취시에 사용되는 인공공기, 고압산소치료용 등 사용형태는 다양하다. 또한 마취시에는 인공공기의 혼합물로 질소가 혼합해서 사용된다.

질소는 수술실에서 사용되는 자동메스장치의 구동원이나 피부병의 냉동수술용으로서도 사용되기도 한다. 또 생체세포 보존, 제대혈 보관 은행용으로도 사용된다.

이산화탄소는 탄산동결수술, 바이오연구에 있어서의 혐기배양, CO2레이저, 산소 흡입시 순산소 대비 5~10%첨가 그리고 외과수술 등이 주된 용도이며 액체헬륨은 MRI의 마그네트 냉각용이다.

   
 

▲ 우주산업(H2, O2, N2, Xe)

로켓 추진용은 액체수소를 사용하는 산업용가스의 대표적인 수요처이다.

아직까지 국내에서는 실용화되고 있지는 않지만 액체단위로 수소 수요처 1개소는 실로 어마어마한 양을 사용하고 있다. 액체수소와 액체산소는 로켓 추진제이다.

공기가 없는 우주에 발사되어지는 로켓은 산화원인 산소를 탑재하지 않으면 안된다.

추진력과 자신의 무게는 반비례하기 때문에 가능한 한 가벼운 연료가 바람직하다.

그런 점에서 수소가 사용되는 것이다.

실제로 2톤 무게의 정지위성발사를 위한 로켓 1기당 액체수소탑재량은 323㎘이며 액체산소는 108㎘가 필요하다.

연료의 가압, 퍼지용, 벨브구동용, 배관의 리크테스트용으로는 헬륨이 사용된다.

또한 지상의 발사장 등 설비배관용으로는 질소를 사용한다.

전기추진력을 이용하는 이온엔진용으로써 제논이 인공위성에 탑재되어있다.

   
 

▲ 펄프표백(O2, O3)

표백은 산화·환원의 원리를 이용하며 산화제(酸化濟)를 사용하는 산화표백과 환원제(還元濟)를 사용하는 환원표백으로 나뉜다.

산화표백은 산화작용을 이용하여 섬유 속의 색소 불순물을 없애고 탈색하는 것을 말하는데 표백제의 성분에 따라 염소계와 산소계(과산화물)로 나뉜다.

염소계표백제로는 표백분·차아염소산나트륨, 아염소산나트륨 등이 있고 산소계표백제로는 과산화수소, 과탄산나트륨과 붕산나트륨, 과망간산칼륨 등이 있다.

염소계표백제는 산화력이 매우 강해서 염색물인 경우 본래의 색이 변하거나 모직물, 견직물, 나일론처럼 질소를 함유한 섬유는 색이 누렇게 변할 우려가 있다.

따라서 흰색 면직물이나 마직물, 폴리에스테르 섬유에만 사용할 수 있다.

반면에 산소계표백제는 염소계에 비해 표백작용이 약하므로 거의 모든 섬유에 사용할 수 있다. 세탁용 세제에 들어 있는 것은 산소계표백제이다.

또한 환원표백은 환원작용을 이용하여 섬유 속의 색소 불순물을 분해하거나 녹게 하여 탈색하는 방법으로 소디움하이드로설파이트, 티오유레아다이옥사이드, 롱갈리트 등이 사용된다.

모직물·견직물 등의 질소를 함유한 섬유를 표백하거나 철분 또는 염소계표백제에 의해 누렇게 변색한 섬유를 원상태로 되돌릴 때 효과적이다.

따라서 염소 대체의 표백제로서의 산소 어플리케이션. 액체가스와 PSA공급이 진행되어 대형 공장에의 도입은 당연시 되고 있다.

염소를 적게 쓰자는 움직임으로부터 산소를 원료로 하는 오존표백의 사용도 일부에서 시작하고 있지만 최근 1~2년 사이에는 전환 움직임이 정체된 듯한 분위기다.

제지업계에서는 최근 수년간 배수 중에 포함된 잔류 염소에 의한 환경피해를 저감하기 위해 표백공정에서의 염소이용을 줄이고 여러 가지 기술개발에 노력하고 있다.

오존법도 그 중의 하나이지만 오존발생기의 신뢰성, 이니셜코스트, 표백능력의 불확정한 부분도 많고 같은 대체법인 이산화염소법을 채용하는 공장도 있어 전면적인 채용에는 이르지 못하고 있는 상황이다.

실제로 원료펄프로부터 불순물을 제거해 흰색으로 탈색하는 시스템이 표백이지만 산소는 표백의 전단계 리그닝으로 불리우는 불순물 제거로 탈리그닝제로써 많이 사용된다.

오존은 표백제인 염소의 대체. 염소에 의한 환경오염을 요인으로 인식돼 제지업체에서는 탈염소화를 진행시키고 있다.

이러한 움직임은 염소계 약품 삭감효과와 배수 중에 유해물질을 잔류시키지 않는 환경개선효과가 있다.

또 산소는 배수처리용으로써도 사용되고 있다. 제지업체의 배수는 양도 많고 산소배수처리에 적합한 분야로 자리매김하고 있다.

펄프표백용 산소공급은 PSA가 일반적이다. 오존원료공급용 산소 공급도 새롭게 오존표백 실시하는 공장이 없었기 때문에 그다지 큰 움직임은 없는 편이다.

   
 

▲ 조선(O2, CO2, N2, C2H4, C2H2, C2H6, Ar, He, LNG)

대형 조선소는 협력회사인 하청, 재하청기업이 상존하는 외적인 번성기를 맞아 융성한 분위기를 조장해 왔지만 최근에는 설비축소와 합리화의 결과로 인해 과거와 같은 대량소비형의 노동집약형산업에서 점차 탈피하는 모습을 보이고 있다.

특히 주변국과의 원가경쟁이 심해진 이래 조선기술의 혁신이 진행되고 내비게이션, 통신, 광학, 전자 등 첨단기술을 구사하면서 생산공정에는 컴퓨터통합관리 시스템이 채용되고 있는 추세이다.

철가공에 관해서도 아웃소싱, 허브화가 진전되어 조선소에서의 현지작업은 지속적으로 축소되고 있다.

하지만 이러한 움직임에도 불구하고 대형 조선소를 중심으로 하는 기업들은 여전히 대규모 수요처인 것만은 변함이 없다.

PSA방식으로의 공급이 거의 없는 조선소는 월간사용량이 10만~35만㎥인 액체산소는 전량 BULK방식으로 공급된다.

용단가스의 경우는 대형조선소 대부분이 아세틸렌에서 벗어나 에틸렌, 프로필렌, LNG 등으로 바뀌고 있는 추세이고 육상작업에서는 프로판을 주로 사용하고 있다.

또한 용접작업의 반자동, 자동화가 진전됨에 따라 탄산의 대형 소비처로도 성장함과 동시에 반자동용접기와 와이어의 수요처이기도 하다.

용단기는 산소 플라즈마와 대형가스 절단기가 주류로 사용되고 있으며 레이저 가공기는 아직까지 보급률이 그다지 높지 못한 편이다.

산소와 아세틸렌, 에틸렌, 프로필렌, LNG, 프로판, 수소 등 용단가스는 강판의 절단용으로 용단가스로 예열한 후 산소로 산화 절단한다.

산소플라즈마절단의 경우 별도의 절단가스는 필요가 없지만 산소를 산화작업에 사용한다.

용접부분에서는 에어를 차단하고 용접품질을 향상시킴과 동시에 작업의 자동화를 위해 탄산이 실드가스로서 사용된다.

LNG 탱크용 용접에서는 아르곤과 헬륨의 TIG 용접과 아르곤 단품 또는 아르곤+탄산의 MIG용접이 있다.

질소는 LNG와 LPG의 퍼지용, 저온탱크의 쿨다운용 액체질소도 있다.

저장탱크의 기밀테스트용 헬륨, 배에 탑재되는 소화용 실린더에는 탄산과 질소가 수요된다.

우리나라는 세계 조선업을 손에 쥐고 있을 만큼 아직까지는 국가소득의 상당부분을 차지하고 있다고 해도 과언이 아니다.

또한 세계적인 저장탱크 등 교체시기를 맞이함과 동시에 환경개선의 대책도 있고 LNG 이용이 세계적으로 증가하면서 수송용 LNG선박의 수주가 활발히 진행되고 있다.

한국은 현재 세계 시장의 36%에 미치고 있는 것으로 나타나고 있지만 2위인 일본에 이어 중국이 조선대국으로 급부상하고 있어 이에 대한 내유외강의 대비책 마련이 급선무인 실정이다.

 

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