가스의 생성은 지구탄생과 더불어 오랜 역사를 가지고 있다. 하지만 화석연료인 천연가스나 LPG의 경우는 수천만년에 걸쳐 지구표면의 지하에 각종 화학반응과 물질의 결합으로 생성된 데 반해 산업용가스는 1차적으로 대기중의 공기를 분리하는 형태로 사용돼 왔다.
영국을 중심으로 한 산업혁명 직전에 발견돼 가스의 공기분리는 산업화를 앞당겨 왔고 이를 이용한 기간산업들의 성장기반이 됐다는 사실에는 두 말할 필요가 없다.
따라서 지구상에 존재하는 가스 즉, 기체·액체상의 가스는 제조 및 운반의 용이성으로 인해 각종 기초 산업소재로서 직접 사용되거나 간접적으로 영향을 미치는 등 다양한 수요를 나타내고 있는 소중한 자원이다.
우리가 호흡하고 있는 공기중에는 질소 78.082%, 산소 20.945%, 아르곤 0.933%, 이산화탄소 0.037%가 차지하고 있으며 이중에는 함유량이 0.001~0.000001%에 불가한 네온, 헬륨, 메탄, 크립톤, 수소, 아산화질소, 일산화탄소, 크세논 등의 미세한 가스가 포함돼 있다.
지난호(주요가스의 특성과 제법)에 예고한대로 이번호에서는 초심(初審) 기획으로 가스의 수요별 공정 및 특징을 정리해 독자여러분들께 가스에 대한 기초적인 상식을 재확인하고 공부하는 차원에서 3회에 걸쳐 20개 분야의 수요현황을 살펴보고자 한다.
초(극)저온 분야
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.
현재 초(극)저온 분야의 대표적인 헬륨의 국내 수입량은 지난해 기준으로 9백65.7톤(6백8만여㎥)로 집계되고 있으며 수입(수요)량은 꾸준한 증가세를 보이고 있다.
일본의 경우 초전도 MRI의 수요증가와 헬륨의 보충용 공급이 안정된 수요를 이루고 있고 아직까지는 연구 프로젝트 단위로의 공급은 기폭이 심한 편이다.
하지만 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
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
전구사업분야는 백열등 제조에서부터 사용돼 왔던 아르곤(Ar)과 희귀가스의 응용분야로 자리매김을 해 왔다. 수요량면에서는 높은 편은 아니지만 안정된 수요를 확보하고 있으며 크립톤(Kr) 수요의 80%가량을 차지하는 주요 분야로 인식돼 있다.
가정용 전구, 형광등, 자동차 및 점포용 할로겐 전구 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 할로겐 전구의 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.
이와 함께 PDP(Plasma Display Panel) TV의 생산이 증가하면서 이 분야의 가스수요는 꾸준히 증가할 것으로 예상되긴 하나 가스 소비량은 그다지 높은 편은 아니라는 판단이다.
참고적으로 PDP의 공정상 원리는 두 장의 유리를 포갠 틈새에 작은 셀을 다수 배치하고 그 상하에 장착된 전극(+와 -)사이에서 가스(네온과 아르곤)방전을 일으킨 후 발생하는 자외선에 의해 자기 발광시켜 컬러화상을 재현하는 것이다.
각 전구에 사용되는 가스별 구성은 일반 전구와 형광등에는 아르곤과 희귀가스의 혼합이지만 주종은 아르곤이 사용된다.
액정백라이트와 네온사인에는 네온이 봉입되고 자동차 헤드라이트의 할로겐 전구에는 크립톤이 사용되나 고휘도를 얻기 위해 제논이 봉입되기도 한다.
PDP에는 네온 95%, 제논 5%의 혼합비율로 시작했으나 휘도 향상을 목적으로 제논의 사용비율이 높아지면서 일부판넬 제조업체에서는 제논의 비율을 10%이상 요구하기도 한다.
용광로
용광로 메이커는 전세계적으로도 공기분리 가스의 최대 소비자이자 가스 자가플랜트의 소유자가 대부분이다.
국내 용광로 보유업체는 포스코가 유일하며 포항과 광양에 2개의 제철소를 보유하고 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
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 끼워넣고 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
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
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 이라고 하는 비철금속은 원료광석을 고온에서 용해, 전로에서 정제한 후 전기분해에 의해 분리해서 각 금속마다 순도를 높여간다.
산소가 용해공정 및 전로공정에서의 연소조연제로써 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
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.
