알곤(Argon): 보이지 않는 수호자, 첨단 산업의 숨은 공신

알곤(Argon, Ar)은 주기율표 18족에 속하는 비활성 기체로, 지구 대기에서 질소(78%), 산소(21%) 다음으로 많은 약 0.93%를 차지하는 세 번째로 풍부한 원소입니다. 무색, 무취, 무미의 특성을 가지며, 가장 큰 특징은 화학적으로 거의 반응하지 않는 '비활성(inertness)' 입니다. 바로 이 반응하지 않는 안정적인 성질 덕분에, 알곤은 우리 눈에 보이지 않는 곳에서부터 최첨단 산업 현장에 이르기까지 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 수행하는 '조용한 수호자'로 활약하고 있습니다.

 

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알곤의 제조법: 공기 속에서 귀한 원소를 분리하는 기술

알곤은 화합물이 아닌 원소이므로 화학적 합성을 통해 만들어낼 수 없습니다. 따라서 자연계에 가장 풍부하게 존재하는 공기를 원료로 하여 분리, 정제하는 방식을 통해 생산됩니다. 현재 상업적으로 이용되는 유일한 알곤 제조법은 산소나 질소를 대량 생산하는 공정과 동일한 **공기 액화 분리법(Air Liquefaction and Fractional Distillation)**입니다.

이 과정은 공기를 구성하는 각 기체의 끓는점이 다른 원리를 이용하는 정교한 기술입니다.

1. 공기의 흡입 및 정제 우선 대규모 팬을 이용해 주변 공기를 대량으로 빨아들입니다. 이 공기에는 알곤 외에도 질소, 산소, 미세먼지, 수분(H₂O), 이산화탄소(CO₂) 등 여러 물질이 섞여 있습니다. 이후 공정을 위해 불순물은 반드시 제거해야 하므로, 여러 단계의 필터 시스템을 거쳐 먼지를 걸러내고, 흡착탑을 통과시켜 수분과 이산화탄소를 제거합니다. 만약 수분이나 이산화탄소가 남아있으면 극저온에서 얼어붙어 배관을 막을 수 있기 때문입니다.
2. 압축, 냉각 및 액화 불순물이 제거된 순수한 공기는 강력한 압축기로 여러 단계에 걸쳐 압축됩니다. 압축된 공기는 온도가 크게 상승하므로, 열교환기를 통해 냉각시킵니다. 이 압축과 냉각 과정을 반복한 뒤, 단열된 공간에서 밸브를 통해 급격히 팽창(줄-톰슨 효과)시키면 온도가 영하 190℃ 이하로 떨어지면서 마침내 액체 상태의 공기, 즉 **액화 공기(Liquid Air)**가 만들어집니다.
3. 분별 증류 (Fractional Distillation) 액화 공기를 거대한 분별 증류탑으로 보내면, 끓는점 차이에 따라 기체들이 분리되기 시작합니다.
   • 질소(N₂): 끓는점 약 -196℃
   • 알곤(Ar): 끓는점 약 -186℃
   • 산소(O₂): 끓는점 약 -183℃
   증류탑 하부에서 열을 가하면 끓는점이 가장 낮은 질소가 가장 먼저 기화하여 탑의 상층부로 올라가 분리됩니다. 반면 끓는점이 가장 높은 산소는 액체 상태로 탑의 하부에 남게 됩니다.
4. 알곤의 농축 및 정제 알곤은 질소와 산소의 중간 끓는점을 가지고 있어, 증류탑의 중간 특정 구역에 농축됩니다. 이렇게 **1차적으로 농축된 알곤(Crude Argon, 약 10~12% 농도)**을 별도의 작은 증류탑으로 다시 보내어 정제 과정을 반복합니다. 이 과정을 통해 산소 및 기타 미량의 불순물을 완벽하게 제거하여 99.999% 이상의 고순도 액체 알곤을 최종적으로 생산하게 됩니다. 이렇게 생산된 액체 알곤은 특수 단열 탱크에 저장되거나, 기화시켜 고압가스 용기에 충전되어 각 산업 현장으로 공급됩니다.

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알곤의 사용 용도: 비활성이 만들어내는 무한한 가치

알곤의 가장 큰 자산인 '화학적 비활성'은 특정 물질을 주변의 공기(특히 산소와 질소)로부터 완벽하게 보호해야 하는 다양한 공정에서 그 가치를 발휘합니다.

1. 용접 및 금속 가공 가장 대표적이고 널리 알려진 용도입니다. **TIG 용접(텅스텐 불활성 가스 용접)**이나 MIG 용접(금속 불활성 가스 용접) 시, 알곤 가스를 분사하여 용접 부위를 외부 공기로부터 완벽히 차단하는 보호 가스(Shielding Gas) 역할을 합니다. 고온으로 녹아있는 금속이 공기 중의 산소나 질소와 반응하면 산화물이나 질화물이 생성되어 용접 부위가 약해지고 결함이 발생하는데, 알곤 보호막은 이를 방지하여 깨끗하고 강도 높은 용접 품질을 보장합니다.

2. 금속 제련 및 생산 티타늄, 지르코늄과 같이 반응성이 매우 큰 특수 금속이나 고품질의 스테인리스강을 생산할 때, 제련 과정에서 알곤 가스를 주입하여 용융된 금속이 산화되는 것을 방지하고 불순물을 제거합니다. 특히 AOD(Argon-Oxygen Decarburization) 공법은 스테인리스강 생산에서 알곤을 사용하여 탄소 함량을 효과적으로 낮추는 핵심 기술입니다.

3. 전자 및 반도체 산업 반도체의 핵심 재료인 실리콘(Si) 및 게르마늄(Ge) 단결정 잉곳(Ingot)을 성장시키는 공정에서 완벽하게 안정적인 비활성 분위기를 조성하는 데 사용됩니다. 공기 중의 미량 불순물이라도 결정 성장에 치명적인 결함을 유발할 수 있으므로, 고순도 알곤은 수율과 품질을 좌우하는 필수 요소입니다.

4. 조명 산업 우리가 흔히 사용했던 백열전구 안에 바로 알곤 가스가 채워져 있었습니다. 고온으로 빛을 내는 텅스텐 필라멘트가 산소와 만나면 바로 타버리기 때문에, 전구 내부에 알곤을 채워 필라멘트의 증발과 산화를 억제하고 수명을 획기적으로 늘리는 역할을 했습니다. 또한, 네온사인에서 푸른색이나 다채로운 색상을 만들어내기 위해 네온과 함께 혼합되어 사용되기도 합니다.

5. 단열 및 건축 알곤은 공기보다 열전도율이 낮고 밀도가 높아 대류 현상이 적게 일어나는 특성이 있습니다. 이러한 점을 활용하여 에너지 효율이 높은 이중창 또는 삼중창 유리 사이에 알곤 가스를 주입하여 단열 성능을 크게 향상시킵니다. 이는 여름철 냉방 및 겨울철 난방 효율을 높여 에너지를 절약하는 효과를 가져옵니다.

6. 의료 분야 **알곤 플라스마 응고(Argon Plasma Coagulation, APC)**는 수술 시 출혈을 멈추게 하는 지혈 기술입니다. 알곤 가스를 이온화(플라스마)시켜 전기를 조직에 직접 닿지 않고 전달하여 혈액을 빠르게 응고시킵니다. 또한, 안과에서는 망막 치료 등을 위한 알곤 레이저의 매질로 사용됩니다.

7. 식품 및 와인 산업 와인을 숙성시키거나 개봉 후 보관할 때, 병 속의 산소를 무거운 알곤 가스로 대체하여 와인의 산화를 방지하고 맛과 향을 오랫동안 보존하는 데 사용됩니다. 고급 식용유나 감자칩 포장에도 산소 대신 알곤이나 질소를 충전하여 내용물의 산패를 막습니다.

이처럼 알곤은 대기 중에 세 번째로 많지만, 그 존재감을 쉽게 알아차리기 힘든 기체입니다. 하지만 그 '아무것도 하지 않는' 비활성이라는 특성 하나로 현대 산업의 정밀성과 안정성을 지탱하는 보이지 않는 기반이 되고 있습니다. 알곤을 공기 중에서 분리해 내는 기술력은 곧 한 국가의 산업 기술 수준을 보여주는 척도이며, 그 활용 범위는 미래 기술의 발전과 함께 더욱 넓어질 것입니다.

 

2025.07.08 - [가스에 대해 알아보자] - ASU 공정이란? 산업의 혈액, 산소·질소·아르곤 생산의 모든 것