희귀가스(rare gas)란 지구 대기중에 극소량만이 존재해 양산이 어렵고 인공제조도 불가능한 희소성(稀少性) 높은 산업용가스를 의미한다.
헬륨(He), 네온(Ne), 제논(Xe), 크립톤(Xe), 라돈(Rn222) 등이 바로 희귀가스의 범주에 속하는데 비교적 대량의 수요·공급망이 구축되어 있는 헬륨을 제외한 나머지 희귀가스들은 생산량이 극히 한정되어 있기 때문에 일반 산업용가스는 물론 웬만한 전자반도체용 특수가스와 비교해도 최소 수배에서 최대 수십배에 이르는 월등한 가격우위를 보인다.
희귀가스를 귀족가스(noble gas)라고 부르는 이유도 여기에 있다.
이러한 희귀가스들 모두는 무색, 무취의 비가연성 가스이자 불활성가스라는 점을 특징으로 한다.
특히 아르곤(Ar)과 같은 일반적인 불활성가스들과 달리 불활성 정도가 워낙 높은 탓에 다른 화학물질들과 화합(반응)시키려면 고도의 기술적 노력이 수반되어야 한다.
2000년대 초반에만 해도 네온, 제논, 크립톤의 수요가 전구, 의료, 우주항공 등 몇몇 특정분야에 전적으로 의존하고 있었던 것도 이 때문이다.
그러나 아이러니하게도 산업구조가 하루가 다르게 고도화, 집적화되면서 이처럼 어떤 물질과도 쉽게 반응하지 않은 과도한(?) 불활성 성질이 희귀가스의 활용성을 높여주는 핵심요인으로 작용, 최근 몇년전부터 첨단산업을 중심으로 희귀가스의 수요가 급속한 증가세를 나타내고 있는 상황이다.
이에 노블가스의 3대 대표주자인 네온, 제논, 크립톤을 중심으로 국내외 수요 및 공급현황과 시장동향, 미래성장성 등을 살펴보고 산업용가스로서 희귀가스의 진정한 가치를 확인하는 시간을 갖고자 한다.
희귀가스의 생산
네온, 제논, 크립톤은 모두 공기분리장치(ASU)를 통해 공기중에 함유된 성분을 추출해냄으로서 생산된다.
그렇다고 모든 종류의 ASU플랜트에서 희귀가스의 생산이 가능한 것은 아니며 별도의 분리·정제 컬럼(column)을 추가적으로 부착해야만 한다.
특히 ASU플랜트의 규모도 최소 50,000N㎥/hr급 이상이 되어야만 상업적 가치를 지닌 희귀가스를 생산해낼 수 있다.
이는 공기중 희귀가스의 함유량이 제논 0.0000087%, 크립톤 0.0001%, 네온 0.0018% 등에 불과해 대형 ASU플랜트가 아닐 경우 생산량이 의미없는 수준일 수밖에 없기 때문이다.
우리나라가 전국에 2백여기가 넘는 ASU플랜트를 보유하고 있음에도 불구하고 공기중에서 추출 가능한 제논, 크립톤, 네온을 100% 수입에 의존하고 있는 것도 50,000N㎥/hr 이상의 대형 ASU플랜트가 없어서이다.
먼저 크립톤과 제논은 ASU산소플랜트에 특별히 설계된 ‘Kr?Xe 컬럼’을 장착함으로서 얻어진다.
‘Kr·Xe 컬럼’은 산소생산과정 중 부가물로 발생한 혼합가스에서 탄화수소 불순물과 산소를 분리하는 역할을 수행하는데 이를통해 크립톤 90%, 제논 7%로 구성된 1차 원료가스를 만들 수 있다.
이렇게 생산된 원료가스는 즉시 실린더에 충전되어 전세계에 약 10개소 정도에 불과한 제논-크립톤 정제플랜트로 보내지게 되며 이곳에서 2차 분리·정제공정을 거치면 최대 5N(99.999%) 순도의 완제품이 생산되는 것이다.
이와관련 전문가들은 현재의 제논, 크립톤 가격을 감안할 때 ASU플랜트 생산능력이 하루 1천5백톤 이상이어야만 경제성 있는 제품을 생산할 수 있을 것으로 보고 있다.
네온의 경우 ASU플랜트에 장착된 ‘Ne 컬럼’에 의해 원료가스가 만들어진다는 점은 제논, 크립톤과 동일하지만 추출방식이 비등점(沸騰點)을 활용한다는 부분에 차이가 있다.
이는 네온이 지구상에 존재하는 가스 중 헬륨(He)과 수소(H2) 다음으로 낮은 비등점을 지닌 물질이라는 것에 착안한 것이다.
생산된 1차원료가스는 튜브트레일러에 충전되어 전세계의 5개 네온정제플랜트 중 한곳으로 보내진다.
희귀가스의 수요시장 전망
일반적으로 희귀가스 시장은 업계전문가들 조차도 관련시장을 정확하게 분석·예측하기 어려운 구조를 띄고 있다.
메이저 산업용가스 기업들이 시장을 지배하고 있었던 70~80년대와 달리 지금은 희귀가스의 생산이 매우 단편적, 다발적으로 이루어지고 있어 전세계 시장을 포괄하는 공신력 있는 통계자료를 확보하기가 힘들기 때문이다.
□ 가격 및 시장구조
이러한 이유로 크립톤, 제논, 네온의 공급가격 추이를 그래프로 표현한 [그림-1]은 정확한 수치보다는 물가상승치를 배재한 상태에서 1980년의 가격을 100으로 가정하고 지금까지의 변화를 도식화했다.
이를보면 80년대의 희귀가스 가격이 오히려 현재보다 높았으며 년도별 가격편차도 비교적 안정적인 상태였음을 알 수 있다.
이는 당시 산업용가스 기업들이 수요과 공급에 따라 생산 및 판매량을 제어할 수 있었던 결과로 분석된다.
당시 舊러시아가 정부차원에서 자국내의 모든 플랜트에 제논, 크립톤, 네온 컬럼을 장착하며 엄청난 량의 희귀가스를 생산해내기는 했지만 생산량 대부분을 군사, 우주항공 등 전략산업을 위해 비축했기에 상업적 용도의 희귀가스는 산업용가스기업들에 의해 오로지됐다.
그러나 지난 91년 러시아연방이 붕괴되며 정부가 보유중인 막대한 량의 희귀가스가 시장으로 일시에 쏟나졌고 가격은 급락을 거듭하며 몇년만에 1/5 수준으로 폭락했다.
역사적 관점에서 보면 이러한 가격폭락은 산업용가스업계에 재정적 부담을 가중시켰던 반면 저렴한 희귀가스를 활용한 신기술 개발을 촉진시킴으로서 시장성장의 근본토대를 마련했다는 점에서는 긍정적 평가를 내릴 수 있다.
실제로 제논은 저위도 통신위성 산업을 비롯 우주항공 분야에서의 수요확대로, 크립톤은 유리창 봉입용 수요증대에 힘입어 90년대말 이후 수요와 공급이 점차 균형을 찾아가고 있는 상황이다.
□ 주요 수요시장 전망
현재 희귀가스의 최대수요처는 단연 전구(電球) 분야이다.
관련업계에서는 전세계 제논 수요량의 약 50%, 크립톤 수요의 약 50%, 네온 수요의 약 20%를 전구 산업에서 사용하고 있는 것으로 파악하고 있다.
특히 에너지 절감을 위한 고효율·고휘도 램프와 LED(발광다이오드) 및 소형형광램프 시장의 본격적인 개화는 앞으로 크립톤 시장이 과거의 전성기를 재현할 수 있도록 만들 최대 지원군으로 꼽힌다.
전문가들은 이러한 두가지 요인만으로도 향후 5년간 전세계 크립톤 수요가 20~25%가량 증가될 것으로 예상하고 있다.
크립톤 만큼은 아니지만 제논과 네온 또한 각각 제논헤드라이트, 네온싸인 시장을 중심으로 전구산업에서의 수요성장률이 연평균 3~5%대에 이를 전망이다.
전구 다음으로 많은 희귀가스를 사용하는 곳은 엑시머레이저로 대변되는 레이저 산업이다.
과거에는 안과수술, 초정밀 수술, 혈관조형술 등 의료분야에 사용처가 집중되어 있었지만 최근에는 포토리소그래피(photolithography), 열처리, 반도체의 도핑(doping)공정, 도예 등 산업적 용도의 레이저 활용이 눈에띄게 확대되고 있어 희귀가스 수용확대의 첨병 노릇을 톡톡히 하고 있다.
이 분야에서의 희귀가스 수요증대치는 연간 4~6% 정도로 분석되며 소형화, 집적화를 추구하는 전자·반도체 업계에서의 활용도에 의해 더 높은 수준의 성장도 가능하다.
이중창 및 단열창(insulated windows) 산업도 희귀가스의 핵심수요처로 빼놓을 수 없다.
이중창의 경우 과거에는 건조한 공기로 채워졌지만 크립톤, 제논, 아르곤 등 불활성 가스의 탁월한 단열능력이 확인되면서 지금은 크립톤 수요의 40%를 차지할 만큼 거대 수요처로 성장했다.
최근 고유가 행진이 계속되면서 에너지비용 절감에 국가가 나서고 있는 만큼 향후 두자릿수의 수요확대가 점쳐진다.
마지막으로 저위도 인공위성, 통신위성 산업의 확대와 관련해 제논 이온엔진, 제논 플라즈마 자세제어분사기(thruster) 등 첨단장비를 필두로한 우주항공 분야도 결코 좌시할 수 없는 분야의 하나이다.
제논이온엔진을 장착한 통신위성 1기가 약 3만리터의 제논을 사용하는데 세계각국이 자체 통신위성 보유에 열을 올리고 있어 미래성장성이 뛰어난 것으로 평가된다.
반면 2000년대초 네온과 제논의 수요증대를 선두에서 이끌 것으로 예상됐던 플라즈마 TV 등 평판디스플레이(FPD) 제조업 분야는 당초 예상과 달리 LCD가 FPD를 신속하게 대체해 나가면서 신흥강자로서의 면모를 제대로 과시하지 못하고 있는 실정이다.
국내 희귀가스 시장 동향
앞서 언급했던 바와 같이 국내 희귀가스 시장은 전적으로 해외수입에 의존하고 있다.
국내시장 또한 정확한 시장규모나 연간 수요량, 공급량, 수요비중 등의 파악이 힘든 실정이어서 수입량을 기준으로 각 희귀가스의 시장변화를 간접적으로 확인하는 것이 최선이다.
이와관련 [표-1]에서 [표-6]까지는 각각 네온, 제논, 크립톤의 국내 수입량을 나타내는 것으로 이를보면 지난 몇년간 국내 희귀가스 수요량이 전세계 평균성장률을 압도하는 가히 폭발적인 성장을 거듭하고 있음을 볼 수 있다.
구체적으로 지난 2001년 4.4톤에 불과했던 국내 네온 수입량은 02년 4.7톤, 03년 6.8톤을 거쳐 04년 14.8톤으로 급성장한 후 지난해에는 사상처음으로 20톤을 넘어섰다. 불과 4년만에 무려 5배에 가까운 양적 성장을 이룩한 것이다.
국내 네온 수요의 대부분이 네온싸인과 같은 전구산업에 집중되어 있다는 점에서 지난 2004년 이후 국내에 대규모 산업단지 조성이 잇따랐던 것이 이같은 수요폭발의 1차 원인이 되었을 것으로 판단된다.
국가별 수입비중은 미국이 지난해 전체 네온수입량의 82%를 담당하며 압도적인 우위를 점하고 있고 우크라이나, 일본, 독일, 프랑스 등이 그 뒤를 잇고 있다.
제논 또한 2001년 0.8톤 수준에 머물렀던 수입량이 03년 1.8톤, 04년 2.8톤, 05년 4.9톤 등으로 괄목할 만한 성장동력을 과시하고 있다. 이 경우에도 제논헤드라이트 등 전구산업에서의 수요증대가 결정적 역할을 한 것으로 보인다.
크립톤도 전년대비 30%에 가까운 성장을 기록하며 지난해 총 8.6톤이 수입됐다. 단발성 수요증대에 의해 사상최대인 8.6톤이 수입된 01년을 제외하면 3년전에 비해 40%가량 수요가 늘어난 셈이다.
한편 업계전문가들은 현재 전세계 제논, 크립톤 생산능력과 앞으로의 수요증대 전망치를 비교할 때 오는 2010년경에 이르면 수요가 공급을 역전하는 수급불균형 현상이 나타날 것으로 보고 있으며 그 이전에도 각 국가별 상황에 따라 공급이 수요를 충족시키지 못하는 경우가 발생할 개연성이 높다고 전망하고 있다.
