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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 살펴보고자 한다.
제철.제강
제철.제강산업에는 거의 모든 범용가스가 사용되어지지만 가장 많은 부분을 차지하는 것이 산소와 질소이다.
산소는 고로(高爐)와 전로(轉爐)에서 모두 사용되지만 고로에서는 코크스와 미분탄의 효과적 연소를 위한 조연제로서 그리고 전로에서는 탈탄 환원제, 산화제, 조연, 각반용 등으로 매우 많은 양이 쓰여지고 있다.
산소는 또 전로에서 화로내에 용착한 철층의 커팅용으로도 쓰여진다. 순도는 93% 수준으로 커팅용에서는 고압, 고순도 액체산소를 즐겨 사용하는 제강 메이커들도 있다. 특히 전로 메이커들의 박판(薄板) 분야 진출이 늘어나면서 고급 강철의 수요가 높아지고 있으며 아크화로에서 아르곤과 질소를 사용하는 사례도 늘고 있는 것으로 전해진다.
질소는 고로에서 열처리 배관과 기기의 퍼지, 보안용에서 사용된다. 최근에는 미분탄과 반송씰에 대량으로 사용되고 제철소에 따라서는 산소사용량을 웃도는 경우도 나타나고 있다.
아르곤도 고로에서 연속주조, 진공 탈가스 및 복합 취연용으로 쓰이고 있으나 복합 취연용으로는 아르곤이 아닌 탄산과 일산화탄소를 사용하는 곳도 있다.
이와 함께 압연을 할 때 광휘소용으로는 수소가 사용된다.
관련기기:
산소가연버너, 산소PSA, 심냉분리장치, 수소정제장치, 탄산 회수장치, 일산화탄소 회수장치, 아르곤 회수장치, 희소가스 회수장치 등
중공업.조선
철을 절단할 때에는 용단가스로 예열하고 산소로 산화시킨다.
예열가스는 화염집중성, 가연 온도, 비용, 안정성 등을 감안해 아세틸렌, 프로판, LNG, 프로필렌, 에틴, 수소 등이 사용되어지고 있다. 용접.절단용에서는 공기를 차단하고 용접품질을 향상시키기 위해 실드가스로 불활성가스인 탄산가스가 활용된다.
고급용접에서는 탄산과 아르곤의 혼합가스 또는 아르곤과 헬륨의 혼합가스도 이용된다. LNG선과 LPG선의 경우 탱크의 기밀실험, 승압퍼지용으로 질소와 헬륨의 수요도 일부 존재한다. 소화용 가스는 하론에서 탄산가스로 전환됐지만 탄산도 온난화가스이기 때문에 탄산을 대체할 수 있는 가스를 모색중에 있다.
관련기기:
용접봉, 용단기, 용접기, 레이저 가공기, 프라즈마 절단기, 탄산.아르곤 믹서, 아세틸렌 발생기, 수봉안전기 등
의료
의료가스 시장의 약 60%를 산소가 점유하고 있으며 구급용, 마취용, 인공호흡용, 고압산소치료용 등 주로 흡입용으로 사용된다.
질소는 과거 수술실에서 사용되는 자동 메스 장치의 구동원, 피부병의 냉동 수술 등을 위해 사용됐지만 인공 공기 공급 시스템의 증가와 비례하여 시장이 성장하고 있다.
일본의 경우 인공공기 공급시스템이 98년말 현재 1백56기가 설치 되어있고 연간 소비량은 6백만㎥로 추정된다. 또한 생체세포 보존 은행, 피부은행 등에의 보급도 늘어나고 있으며 연간 10억엔의 시장을 넘어서고 있는 상황이다.
탄산은 내시경 외과수술에서 사용되는 기복장치용으로 비교적 착실하게 관련 시장이 성장하고 있다. 장치 자체는 과거에도 이미 의료기관에 널리 보급되어 있었지만 최근들어 수술건수의 증가와 장비사용이 정착되면서 안정된 시장을 구성하고 있는 것이다.
액체 헬륨의 경우 관련시장의 견인차 역할을 하는 초전도 MRI 장치의 보급대수는 점차 늘고 있지만 대부분이 교체용이라는 이유로 액체헬륨 수요량 증가로는 이어지지 않고 있는 실정이다.
관련기기:
MRI, 고압산소치료장치, 마취장치, 의료용 배관, 소형산소 PSA, 탄소가스 레이저 메스, 기복장치, 주택용 액산 공급 시스템, 인공호흡기, 합성공기혼합장치, NO공급기 등
극저온분야
초전도를 시작으로 극저온 분야의 연구.개발에서는 액체헬륨을 냉촉으로 사용하고 있다. 또한 액체질소가 액체헬륨의 증발을 제지하는 보조냉촉으로 쓰인다.
일정규모 이상의 큰 프로젝트가 되면 헬륨의 공급방식이 액체 헬륨 공급에서 재활용이 가능한 헬륨액화기를 통한 공급방식으로 전환된다.
관련기기:
헬륨 액화 장치, 소형 헬륨 냉각기, 클라이어 펌프, 클라이어 스타트, 헬륨 듀와, MRI장치, 초전도 마그넷 등
식품
탄산과 드라이아이스가 소매점들의 냉각용 등과 같은 식품유통을 위해 투입된다.
질소의 경우 액체질소는 냉동식품용 냉촉으로 기체질소는 산화방지 및 품질보존용으로 쓰임새가 꾸준히 증가하고 있다.
수소는 식품유의 수첨용, 에틸렌은 과일의 숙성용으로 쓰이며 산소.탄산.질소의 혼합가스는 주로 CA저장에 사용하기도 한다. 최근에는 오존을 활용해 식품 및 조리기구의 살균과 탈취를 하는 경우가 각광 받고있다.
관련기기:
질소PSA, 미니 드라이아이스 제조기, 터널 냉동기, 기체혼합믹서, 가스진공포장기 등
음료
음료용 산업용가스라고 하면 거의 탄산을 의미하며 주 수요처는 탄산음료 및 맥주 제조업체들이다. 그러나 탄산은 탄산음료에 있어 음료의 원료용도 외에 탄산음료의 알루미늄 캔, PETE병의 내압보대용에 투입된다. 맥주제조시에도 함유 탄산 성분조정용, 저장탱크 압송시의 가압퍼지용, 캔 충전시의 에어 치환용으로 사용된다.
이 경우 퍼지와 압송에서 질소를 이용하는 경우도 있는데 이는 CO₂배출대책과 미각을 감안해 불활성가스인 질소가 보다 적합하기 때문이다. 질소는 또 품질관리의 측면에서 녹차, 커피, 백포도주, 청주 등에서 산화방지를 위해 용존산소를 소거하는 탈기용으로의 사용이 증가하고 있다.
관련기기:
음료용 탄산 알루미늄 실린더, 탄산 회수장치, 질소PSA, 용존산소 소거용믹서, 알루미늄캔 용질 적하장치 등
실리콘 반도체
실리콘 반도체의 전 공정에서 쓰이는 가스는 크게 벌크(bulk)계 가스와 특수재료가스로 구분된다. 벌크계 가스에는 질소, 아르곤, 수소, 산소, 헬륨이 있다. 이 중에서 가장 많이 쓰이는 것이 질소로 하나의 공장(설비)마다 월평균 약 1백60만㎥, 시간당 2천N㎥이상을 사용하고 있는 것으로 알려져 있다. 수소, 아르곤, 헬륨 등은 특수재료가스의 캐리어용이 중심이며 아르곤의 일부는 스파타용으로 사용된다. 또한 특수재료가스는 CVD, 에칭, 이온주입, 크리닝 등의 각 공정에 쓰인다.
실리콘 반도체용 산업용가스의 공급방식은 현재 90%이상이 온싸이트(on-site)방식이다. 용도는 각종 퍼지, 캐리어, 치환용, 보안용 등으로 쓰여지며 요구되는 순도는 각종 공정용이 99.999%이상으로 높고 보안용은 99.99%이상으로 조금 낮다.
관련기기:
심냉분리장치, 정제장치, 실린더박스, 배기가스처리장치, 가스검지경보기, 레귤레이터, 밸브, 계수, MFC, 필터 등
액정디스플레이(TFT)
액정디스플레이에는 비결정형(amorphous) Si형 TFT의 제조공정중 퍼지 및 캐리어용 질소가 대량으로 소비되어지며 플라즈마 CVD공정에서도 다양한 가스가 사용된다.
구체적으로 게트, 절연막 재료로 모노실란.암모니아 등이 사용되고 비결정형 Si형 막 재료로 모노실란, 포스핀이 쓰여진다. 또한 채널보호막과 퍼시베이션에 암모니아, 스파터 공정에는 아르곤, 산소아싱에는 산소를 사용한다.
그러나 액정디스플레이 제조시 주로 사용하는 가스는 삼불화질소이며 액정주입과 칼라필터 등을 위해 질소가 이용된다.
최근 본격적으로 생산되기 시작한 다결창 Si형 TFT의 경우 과거에 비해 보다 반도체제조 공정과 유사해지기 때문에 요구되는 산업용가스의 종류도 점차 늘어나고 있는 추세이다.
관련기기:
심냉분리장치, 정제장치, 실린더캐비닛, 필터, 유량제어기, 밸브, 계수 등
실리콘웨이퍼
실리콘웨이퍼의 제조공정에서는 다양한 산업용가스가 사용되고 있는데 다결창과 단결창 및 애피 타키셜 결창 성장의 생산공정이 실리콘웨이퍼 제조의 중심이 되고 있다.
다결창에서는 트리클루오로실란(또는 모로실란)과 수소를 반응시켜 원소장실리콘(단결창의 작은 알맹이가 많이 집합한 다결창실리콘)을 제조한다.
또한 불활성가스인 아르곤이 방전 전위하기 어렵다는 특성 때문에 다결창법과 단결창법(CZ법, FZ법)에서 모두 대량 사용된다. 도프제로는 P형에서 브롬, N형에서 링.안티몬.비소를 사용하지만 일반적으로는 가스가 아닌 고형물질을 사용한다.
이외에도 단결창에서 트리클루오로실란, 환원용 수소, 보안용 질소 등의 가스가 이용되고 에피웨이버에서 환원용 수소, 1규소모노실란, 트리클루오로실란, 염화수소 그리고 도핑가스로 디보란, 포스핀 등이 쓰인다.
실리콘웨이퍼는 지금까지 바이포라.IC용 웨이퍼가 중심이었지만 최근 MOS. IC(메모리, 로딕)의 응용이 광대해져 가고 있고 이와 함께 차세대 웨이퍼인 SIMON(Silicon Implanted Oxide)에서는 산소와 아르곤을 사용한다.
관련기기:
수소정제장치, 아르곤 회수장치, 아르곤 정제장치, 수소 회수.정제장치, 메탄올 분해 수소발생장치 등
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
화합물반도체
화합물 반도체에서는 프로세스가 기상에피터셜성장이 되기 때문에 탄화수소계 화합물에 금속이 결합한 유기금속재료를 사용하는 MOCVD법이 애용된다. 이외에도 여러가지 특수재료가스가 사용되고는 있지만 아르신, 포스핀 등의 사용률이 높은 편이다.
관련기기:
MOCVD 장치, 배기가스 처리장치, 가스 검지 경보기, MFC, 밸브, 계수, 압력조정기, 가스캐비닛, 밸브 박스 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.
위성궤도 수정을 위한 키세논 엔진의 연료용으로 케세논도 사용된다.
관련기기:
진공단열배관, 희귀가스 회수장치 등 |