질소의 모든 것: 제조법부터 무한한 활용까지

질소(N₂)는 지구 대기의 약 78%를 차지하는 가장 흔한 기체입니다. 무색, 무취, 무미의 특성을 가지며, 화학적으로 매우 안정하여 다른 물질과 쉽게 반응하지 않는 불활성(Inert) 이라는 점이 가장 큰 특징입니다. 이러한 안정성 덕분에 질소는 우리 주변의 공기처럼 존재하지만, 현대 산업에서는 없어서는 안 될 매우 중요한 핵심 소재로 다방면에 걸쳐 활용되고 있습니다. 지금부터 질소를 어떻게 만들어내고, 또 어디에 사용되는지 자세히 알아보겠습니다.

 

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질소의 제조 방법: 공기에서 분리해 내는 기술

우리가 사용하는 질소는 대부분 공기에서 얻습니다. 공기는 질소(78%), 산소(21%), 아르곤(0.9%), 기타 미량 기체로 이루어진 혼합물입니다. 이 공기 중에서 질소만을 선택적으로 분리해 내는 기술이 질소 제조의 핵심이며, 대표적으로 다음과 같은 방법이 사용됩니다.

1. 공기 액화 분리법 (Cryogenic Air Separation) - 대규모 생산의 핵심

가장 전통적이고 보편적인 방법으로, 초저온을 이용해 기체인 공기를 액체로 만든 뒤, 각 성분의 끓는점 차이를 이용해 분리하는 기술입니다. 이 방법은 대량의 고순도 질소를 생산하는 데 가장 적합하여 석유화학, 철강 등 대규모 플랜트에서 주로 사용됩니다.

• 과정:
  1. 압축 및 정제: 공기를 압축기로 압축하고 필터를 이용해 먼지, 수분, 이산화탄소 등 불순물을 제거합니다.
  2. 냉각 및 액화: 정제된 공기를 열교환기를 통해 급격히 팽창시켜 온도를 영하 190℃ 이하로 떨어뜨려 액체 공기(액화 공기)로 만듭니다.
  3. 분별 증류: 액화 공기를 거대한 분별 증류탑으로 보냅니다. 액체 상태에서 끓는점이 더 낮은 질소(-196℃)가 산소(-183℃)보다 먼저 기화하여 증류탑의 위쪽으로 올라갑니다. 이렇게 위로 올라간 고순도의 기체 질소를 포집하고, 아래쪽에 남은 액체 산소는 따로 분리합니다.

이 공법은 초기 설비 투자 비용이 높지만, 운전 효율이 뛰어나고 질소뿐만 아니라 산소, 아르곤 등 다른 공업용 가스도 동시에 대량으로 생산할 수 있다는 장점이 있습니다.

2. 압력 변동 흡착법 (PSA, Pressure Swing Adsorption) - 중·소규모 생산에 적합

PSA 방식은 특정 압력 하에서 특정 기체를 선택적으로 흡착하는 흡착제의 성질을 이용하는 기술입니다. 질소 생산에는 CMS(Carbon Molecular Sieve) 라는 특수한 활성탄이 흡착제로 사용됩니다.

• 과정:
  1. 흡착: 공기를 압축하여 CMS가 채워진 흡착탑에 통과시킵니다. 이때 CMS는 산소 분자를 선택적으로 흡착하고, 질소 분자는 통과시킵니다. 이렇게 통과한 기체가 바로 우리가 원하는 질소입니다.
  2. 탈착 및 재생: 산소를 흡착하여 포화 상태가 된 흡착탑의 압력을 낮추면, CMS에 흡착되었던 산소가 다시 떨어져 나옵니다(탈착). 이 산소는 밖으로 배출하고, 흡착제는 다시 산소를 흡착할 수 있는 상태로 재생됩니다.

보통 2개의 흡착탑을 교대로 운전하여 한쪽에서 질소를 생산하는 동안 다른 한쪽에서는 재생 과정이 이루어지므로, 연속적으로 질소를 생산할 수 있습니다. PSA 방식은 공기 액화 분리법에 비해 설비가 간단하고 저비용으로 중·소규모의 질소를 현장에서 직접 생산(On-site)하기에 용이하여 식품, 전자, 제약 등 다양한 산업 현장에서 널리 채택하고 있습니다.

3. 막 분리법 (Membrane Separation)

기체 분자가 고분자 막(Membrane)을 통과하는 속도 차이를 이용하는 방법입니다. 공기를 압축하여 속이 빈 섬유 다발 형태의 막 모듈에 통과시키면, 산소나 수증기처럼 투과 속도가 빠른 기체는 막을 통해 외부로 빠져나가고, 투과 속도가 느린 질소는 막 내부에 농축되어 분리됩니다. 이 방식은 PSA와 마찬가지로 현장 생산에 적합하며, 특히 저순도의 질소가 대량으로 필요할 때 경제적입니다.

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질소의 다채로운 활용: 안정성이 만들어내는 가치

질소의 가장 큰 특징인 '화학적 안정성'은 다양한 산업 분야에서 산화(부식, 부패)를 방지하고, 폭발 위험을 줄이며, 원하는 분위기를 조성하는 데 핵심적인 역할을 합니다.

1. 식품 산업 🍪

• 과자 충전재: 과자 봉지를 빵빵하게 채우는 기체가 바로 질소입니다. 내용물이 부서지는 것을 막는 완충 역할과 동시에, 봉지 안의 산소를 밀어내 과자가 산패(기름이 상하는 것)되는 것을 막아 바삭함을 오래 유지시켜 줍니다.
• 식품 포장 (MAP, Modified Atmosphere Packaging): 신선 육류, 가공햄, 치즈, 커피 원두 등을 포장할 때 내부를 질소 가스로 채워 산소와의 접촉을 차단합니다. 이를 통해 미생물의 번식을 억제하고 식품 고유의 맛과 신선도를 장기간 유지할 수 있습니다.
• 급속 냉동: 액체 질소(LN₂)는 영하 196℃의 극저온 물질로, 식품을 순식간에 동결시키는 데 사용됩니다. 급속 냉동은 식품 내 얼음 결정 생성을 최소화하여 세포 조직의 파괴를 막아 해동 시에도 본래의 맛과 식감을 거의 그대로 보존할 수 있습니다.

2. 전자 및 반도체 산업 💻

• 산화 방지: 반도체 웨이퍼 제조 공정이나 디스플레이 패널 생산 시, 미량의 산소나 수분도 회로의 품질에 치명적인 영향을 미칠 수 있습니다. 질소는 이러한 공정 환경(Chamber)을 불활성 상태로 만들어 웨이퍼나 부품이 산화되는 것을 원천적으로 차단하는 역할을 합니다.
• 리플로우 솔더링(Reflow Soldering): 인쇄 회로 기판(PCB)에 전자 부품을 납땜할 때, 고온에서 납이 산화되는 것을 방지하기 위해 질소 분위기에서 작업을 진행하여 납땜의 신뢰성을 높입니다.

3. 화학 및 철강 산업 🏭

• 폭발 및 화재 방지 (Inerting & Blanketing): 석유화학 공장의 탱크, 배관, 반응기 내부에 인화성 물질이 있을 경우, 공기 중의 산소와 만나 폭발할 위험이 있습니다. 이때 질소를 주입하여 내부의 산소 농도를 낮춤으로써 폭발 위험을 제거하는 '퍼지(Purge)' 및 '블랭킷(Blanket)' 시스템에 필수적으로 사용됩니다.
• 원료 및 분위기 가스: 질소는 암모니아(NH3​) 합성의 핵심 원료입니다(하버-보슈법). 이렇게 생산된 암모니아는 질소 비료나 질산 생산에 사용되어 인류의 식량 생산에 절대적인 기여를 합니다. 또한, 금속 열처리 시 표면의 산화를 방지하는 분위기 가스로도 활용됩니다.

4. 의료 및 연구 분야 🩺🔬

• 의료용 급속 냉동: 액체 질소는 피부과에서 사마귀나 티눈 등 피부 병변을 제거하는 냉동 치료에 사용됩니다.
• 생체 시료 보관: 정자, 난자, 제대혈, 줄기세포 등 각종 생체 시료나 조직을 초저온 상태에서 반영구적으로 보관하는 데 액체 질소가 필수적입니다. 극저온에서 세포의 대사 활동이 완전히 멈추기 때문에 장기간 안전하게 보존할 수 있습니다.
• 연구 장비 냉각: 초전도 자석을 이용하는 자기공명영상장치(MRI)나 핵자기공명장치(NMR) 등의 연구 장비를 초저온으로 냉각시켜 성능을 유지하는 데 액체 질소가 사용됩니다.

이처럼 질소는 공기 중에서 손쉽게 얻을 수 있으면서도 그 특유의 안정성을 바탕으로 우리의 먹거리부터 최첨단 산업, 미래 생명 과학에 이르기까지 그 영향력을 끊임없이 넓혀가고 있는 매우 중요한 자원입니다.

 

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