[Specialty Report] 희귀가스의 끝없는 성장···제논(Xe), 네온(Ne), 크립톤(Kr)

수요급증에 공급부족 현상 지속돼

일반적으로 특수가스(Specialty Gases)는 산소(O2), 질소(N2), 아르곤(Ar), 수소(H2), 탄산(CO2) 등 공기분리장치를 통해 제조되거나 철강, 화학 등 산업체의 부가물로서 생성되는 산업용가스와 달리 희귀하거나 특수한 목적에 특수한 용도로 사용되는 초고순도 가스 및 정밀혼합가스를 의미한다.

이러한 특수가스들은 대부분 반도체산업을 위시한 첨단산업 및 초정밀산업 및 연구활동을 위해 활용되고 있기 때문에 최소 5N(99.999%) 이상의 순도를 유지해야하며 용도와 최상의 정제작업에 따라 7N(99.99999%) 이상의 순도가 요구되는 경우도 있다.

이러한 특수가스 중에서도 지구상에 극미량만이 존재해 양산 자체가 어렵고 인공적인 생산도 불가능한 희소성(稀少性) 높은 산업용가스를 희귀가스(Noble Gas)라고 칭하고 있다. 헬륨(He), 네온(Ne), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 라돈(Rn222) 등이 바로 희귀가스의 일종이다.

이들 가스는 전 세계적으로 수요는 물론 생산량이 한정되어 있어 여타 특수가스들에 비해 상대적으로 높은 가격대를 형성하고 있다. 특히 우리나라는 현재까지는 희귀가스의 전량을 수입에 의존하고 있어 시장상황이나 환율에 따라 급격한 가격편차를 보인다는 점이 특징이다.

희귀가스의 용도는 불과 10여년전 만해도 전구, 의료, 우주항공 등 특정분야에만 쓰이는 제한적 용도로 인해 관련시장이 크게 형성되지 못했다. 하지만 빠르게 변화하고 있는 산업구조와 함께 다른 물질과 쉽게 반응하지 못하는 비활성 성질이 희귀가스의 활용성을 높여주는 장점으로 작용해 반도체 산업 등과 더불어 첨단산업을 중심으로 그 수요가 폭발적으로 늘어나고 있는 실정이다.

최근 들어서는 에너지 절감을 위한 최신 기술의 고효율·고휘도 램프와 LED(발광다이오드) 및 소형 형광램프의 개발로 인해 크립톤, 네온, 제논의 수요량이 늘면서 희귀가스의 수요량은 매년 큰 폭으로 증가하고 있는 추세이다.

관련업계의 분석에 따르면 글로벌 희귀가스 시장 규모는 2027년까지 126억2천만달러(한화 약15조원)에 이를 것으로 전망되며 앞으로도 연평균 7.6% 가량 지속적으로 증가할 것으로 예상하고 있다.

연관 시장은 주로 반도체 산업을 비롯 빌딩의 에너지 효율과 탁월한 단열능력이 확인되면서 복층유리 봉입용으로 사용되고 있고 레이저 기술, 기타 전자제품 및 에너지 고효율 조명산업 등을 포함하며 향후 희귀가스의 다양한 응용기술 개발 등에 의해 성장이 주도될 것으로 보인다.

글로벌 희귀가스 주요 생산업체로는 Linde, Air Liquide, Air Products and Chemicals, Neon Gas, Matheson Tri-Gas, BASF SE, ITM Power, Messer, Royal Dutch Shell PLC, Taiyo Nippon Sanso 등이 있다.

관세청과 무역협회 자료에 따르면 크립톤(Kr)의 경우는 kg당 평균 수입가격이 2019년 기준으로 80달러를 웃돌던 것이 2020년 기준으로 2백달러를 육박하고 있는 수준이며 제논(Xe)은 2020년 기준으로 kg당 2천2백달러(2019년 2천달러)에 근접한 수준인 것으로 나타났다. 네온(Ne)은 2020년 기준으로 kg당 50달러 수준을 보이고 있다.

현재 우리나라에서 사용하고 있는 네온(Ne), 크립톤(Kr), 제논(Xe) 등 3가지 희귀가스의 2020년 수입량은 연단위로 17만1,790kg인 것으로 집계되고 있다. 이중 크립톤이 6만9,477kg(2019년 3만2,653kg), 제논 2만5,068kg(2019년 1만8,319kg), 네온 7만7,245kg(2019년 7만8,165kg)인 것으로 나타났다.

[네온(Ne)]

공기 중에 0.00182%만이 존재하는 네온(Ne)은 불연성, 불활성 희귀가스로 액체공기를 증발시켜 저온액화한 후 헬륨과 함께 응집, 액체수소로 고체화하여 헬륨으로부터 분리시킴으로서 제조한다.

네온의 가장 큰 용도는 밝은 주홍빛을 내는 네온 조명이다. 이에는 두 가지 유형이 있는데, 하나는 보통 네온램프(neon glow lamp)라 부르는 것이고, 다른 하나는 네온사인으로 대표되는 네온 방전관(neon discharge tube)이다.

네온은 헬륨과 혼합되어 레이저에 사용된다. He-Ne 레이저에서 나오는 빛(파장 632.8nm)은 들뜬 네온에서 나오는 것으로 헬륨은 Ne을 들뜨게 하는 작용을 한다. 붉은색의 레이저 포인터, 의료용 그리고 광학 디스크를 읽는데 사용된다. 액체 네온은 저온 냉각기의 냉매로도 사용된다. 네온은 가격이 비싸 다른 용도로는 거의 사용되지 않는다.

최근에는 저온폴리실리콘(LTPS) TFT용 레이저 결정화(ELA) 장비에 주입돼 주황색 계통의 색감을 나타내면서 LCD 백라이트용, 엑시머 레이저 등 디스플레이 공정에 필수적인 특수가스로 알려져 있다. 특히 최근 들어 AMOLED 산업이 성장을 주도하면서 네온의 수요증가를 부추기고 있는 것으로 전해졌다.

또한 네온은 방전 시 적색부분에 현저한 휘선스펙트럼을 나타내고 다른 기체에 비해 저압상태가 아니더라도 가이슬러관에서 방전되어 적색 빛을 발산하는 특성을 지니고 있으며 플라즈마 및 레이저에 일부 활용되고 있기도 하다.

 

[제논]

대기 중 함유량이 0.000009%에 불과한 제논(Xe)은 무색, 무취의 비활성 기체로 라돈을 제외하면 지구상에서 가장 희귀한 비활성기체 원소로 꼽힌다.

액체공기를 분리해 저온상태에서 활성탄(活性炭) 탈착법으로 추출하며 가스정제기를 거쳐 고순도 제논으로 제조한다.

제논은 대부분 여타 가스와 혼합된 혼합가스 형태로 쓰이는데 최근 들어 이온엔진 등과 같은 초고도 산업에서의 신규수요가 창출되면서 연평균 3~6%대의 성장률을 보이며 높은 관심을 끌고 있는 희귀가스다.

그러나 아직은 제논의 탁월한 발광(發光)특성을 살려 수요의 60%이상이 램프산업에 의존하고 있으며 레이저, 의료, R&D 등에 일부 활용되고 있는 상황이다.

이와 관련 제논은 할로겐과 혼합된 엑시머 레이저 시술 발달과 함께 제논과 산소의 혼합가스를 사용하는 제논 마취가 유럽에서 허가되면서 의료산업에서 꾸준한 수요량을 보이고 있고 포토리소그래피(photolithography), 열처리는 물론 도핑(dopping)공정에 사용되던 반도체 시장에서도 꾸준히 수요량이 증가하고 있다.

또한 전자·반도체 부문과 관련해 300mm 이상의 메모리공장에서 육불화에탄(C2F6)과 함께 이용하는 드라이에칭 프로세스로의 응용과 모바일기기, 자동차용 가속도계, 압력센서, 마이크로폰 등 극소형 전자기계로 사물 간에 정보를 주고받는 일명 사물지능통신(M2M)을 구현하기 위한 핵심기술인 마이크로 전자기계 시스템(MEMS)의 기기제조에 불소계 화합물인 이불화제논(XeF2)의 수요증가가 예상되는 상황이다.

여기에 덧붙여서 통신위성 산업의 확대와 더불어 제논이온엔진, 제논 플라즈마 자세제어분사기(Thruster) 등 첨단장비를 필요로 하는 우주항공 분야는 향후 제논의 최대 수요처가 될 전망이다.

 

[크립톤]

크립톤(Kr)은 무색, 무취의 비활성으로 대기중에는 0.00011% 함유되어 있으며 액체공기에서 분리함으로서 얻을 수 있다.

영화 슈퍼맨에서 슈퍼맨이 일명 ‘크립톤나이트’라는 운석에 의해 힘을 잃게 되는 것도 크립톤이 지구에는 극미량만 존재하는 희귀물질이라는데 착안한 것이다. 이처럼 공기 중에 극미량 들어있는 원소를 분리하여 여러 형태의 크립톤 전구에 사용하고, 레이저를 만들어 고집적 반도체 칩 제작에 사용한다.

크립톤은 진공 방전관에서 주로 녹색과 노란색이 혼합된 강한 빛을 낸다. 크립톤 방전관에서 나오는 605.78 nm 스펙트럼 선의 파장이 1960~1983년 사이에는 길이의 표준이 되었다. 크립톤 방전관에서 나오는 빛은 거의 백색광에 가까우므로 형광등, 사진 촬영 플래시 등에 사용된다. 크립톤이 들어간 전구는 가격이 비싸 용도가 제한되는데 공항 활주로 표시등, 에너지 절약형 형광등, 네온사인 등에 이용된다.

플루오린화 크립톤(KrF) 레이저는 파장이 자외선 영역인 248nm의 강한 빛을 내는 데, 반도체 집적회로 제작, 미세 가공, 핵 융합 연구 등에 사용된다.

현재 크립톤은 제논과 같이 아르곤, 헬륨, 질소 등과의 혼합가스 형태로 주로 사용되고 있으며 크립톤 전구 등 램프와 절연 보안경 분야의 시장점유율이 50%, 복층(複層) 유리용 봉입용도가 50%를 이룬다.

국내시장도 크립톤전구, 절연보안경, 불화크립톤레이저 등이 산업이 수요의 대부분을 점유하고 있다. 에너지효율 증대를 위해 전구 분야에서의 중요도가 날로 높아지고 있는 탓에 영국, 독일 등 일부 국가에서는 연간 30% 수준의 초고속 성장을 보이고 있기도 하다.

이는 공급과잉에 빠져있던 크립톤이 기술발전에 따른 수요증대에 의해 최근 몇년간 7~9%의 전 세계적인 고성장을 거듭하면서 어느 정도 수급에 균형을 찾았다가 최근 들어서 수요증가에 맞물려 공급부족 상황이 불거지면서 가격이 폭등하는 사태가 발생한 것으로 분석된다.

한편 국내 네온, 제논, 크립톤 등 희귀가스 시장은 100% 수입물량에 의존하고는 있지만 이들의 수입가격이 단순히 국내시장규모를 결정하지는 않는다.

국내 수입.유통업체들의 물류비나 인건비 등을 배제시킨다 하더라도 희귀가스는 이미 언급했던 것처럼 그 자체만으로의 용도보다 여타 산업용가스들과 혼합한 혼합가스로서 더 많은 사용처가 개발되어 있기 때문이다.

다시 말해 제논, 크립톤, 네온 등 수입 희귀가스는 실제 고객에게 전달되는 동안 개별 고객들의 실정이나 용도에 따라 다시한번 정밀한 혼합 또는 정제공정을 거치면서 수입 시와는 비교할 수 없는 막대한 부가가치 확대가 이루어지는 것이다.

업계에서는 이러한 부가가치 증대는 순도나 상대 혼합가스의 종류 및 구성비에 따라 상상을 초월하는 수준에 이를수도 있다고 설명하고 있다.

 

희귀가스의 생산적 측면

네온, 크립톤, 제논은 모두 공기분리장치(ASU)를 통해 공기 중에 함유된 성분을 추출해냄으로서 생산된다.

하지만 모든 종류의 플랜트에서 희귀가스의 생산은 불가능하며 별도의 분리·정제 컬럼을 추가적으로 부착해야만 하고 아울러 최소 50,000N㎥/h 규모 이상의 ASU플랜트에 설비를 추가 설치해야 하는 한계로 인해 현재 국내에서는 희귀가스인 제논, 크립톤, 네온을 100% 수입할 수밖에 없는 상황이다. 다만 수년전부터 DIG에어가스가 여천공장에서 원료가스를 추출해 해외의 분리업체에 보내 네온의 상품화를 진행 중인 경우는 있다.

공기 중 희귀가스의 함유량은 제논 0.0000087%, 크립톤 0.0001%, 네온 0.0018% 등에 불과해 대형 ASU플랜트가 아닐 경우 생산량이 의미 없는 수준일 수밖에 없기 때문이다.

먼저 크립톤과 제논은 ASU플랜트에 특별히 설계된 ‘Kr·Xe 컬럼’을 장착함으로서 얻어진다. ‘Kr·Xe 컬럼’은 산소 생산과정 중 부가물로 발생한 혼합가스에서 탄화수소 불순물과 산소를 분리하는 역할을 수행하는데 이를 통해 크립톤 90%, 제논 7%로 구성된 1차 원료가스를 만들 수 있다.

이렇게 생산된 원료가스는 즉시 실린더에 충전되어 전 세계에 약 10개소 정도에 불과한 제논-크립톤 정제플랜트로 보내지게 되며 이곳에서 2차 분리·정제공정을 거치면 최대 5N(99.999%) 순도의 완제품이 생산된다.

이와 관련 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.

이처럼 크립톤과 제논은 대부분 희귀가스와 기타가스와의 혼합가스로서 제조·유통되며 혼합가스는 산소(O2)플랜트에서 부가물로서 생산된다.

네온은 지구상에 존재하는 가스 중 헬륨(He)과 수소(H2) 다음으로 낮은 비등점을 지닌 물질이며 지구보다 우주에 더 많이 존재한다. 네온은 낮은 압력에서 전류를 통하면 밝은 주홍색 빚을 낸다.

네온 또한 액화공기를 분별 증류하여 얻는데 액화공기 가운데 가장 휘발성이 큰 부분이 바로 헬륨·네온·질소의 혼합기체이다. 혼합기체는 튜브트레일러에 충전되어 전 세계의 5개 네온정제플랜트 중 한 곳으로 보내진다. 이 혼합기체의 압력을 높이고 온도를 내려 응축시킨 후 차게 식힌 숯에 흡착시키면 질소가 제거되고 나머지 기체를 낮은 온도에서 활성탄에 선택적으로 흡착시키면 헬륨이 분리되어 네온만 남는다.

즉 1,000ℓ의 액화공기를 이와 같이 처리하면 0.11ℓ 정도의 네온을 얻을 수 있다.