크립톤 및 제논 가스의 제조법과 사용 용도에 대해 알아보자

크립톤(Krypton, Kr)과 제논(Xenon, Xe)은 공기 중에 극미량 존재하는 희귀 가스로, 뛰어난 특성으로 인해 다양한 첨단 산업 분야에서 중요한 역할을 합니다.

 

1. 크립톤 및 제논 가스의 제조법

크립톤과 제논은 대기 중 함량이 매우 낮아(크립톤 약 0.00011%, 제논 약 0.000009%) 제조 과정이 복잡하고 비용이 많이 듭니다. 주로 공기 분리 장치(Air Separation Unit, ASU)를 이용한 극저온 분별 증류 방식으로 생산됩니다.

기본 원리:

1. 공기 액화: 대량의 공기를 극저온으로 냉각하여 액화시킵니다.
2. 분별 증류: 액화된 공기를 끓는점 차이를 이용하여 질소, 산소, 아르곤 등 다른 성분들과 분리합니다. 크립톤과 제논은 끓는점이 높아 액체 산소에 농축되어 남게 됩니다.
3. 농축 및 정제: 액체 산소에 농축된 크립톤/제논 혼합물을 다시 저온 열교환기를 통과시켜 제논을 빙결 상태로 만들고, 크립톤은 가스 상태로 분리하는 방식 등이 사용됩니다. 이후 흡착 및 추가 증류 과정을 통해 고순도의 크립톤과 제논을 얻습니다.

세부 과정의 특징:

• 다단계 분리: 일반적인 공기 분리 장치(ASU)에서 1차적으로 얻어지는 크립톤/제논 혼합물은 순도가 낮으므로, 이를 다시 정제하는 추가 공정이 필요합니다.
• 극저온 기술: 크립톤과 제논의 낮은 끓는점(크립톤 약 −153∘C, 제논 약 −108∘C) 때문에 초저온 환경에서 정밀한 온도 및 압력 제어가 필수적입니다.
• 높은 투자 비용: 1세제곱미터의 순수 제논이나 10세제곱미터의 크립톤을 생산하기 위해 약 1천만 세제곱미터의 공기가 필요할 정도로 대규모 설비와 기술력이 요구됩니다.

2. 크립톤 및 제논 가스의 사용 용도

크립톤과 제논은 불활성 기체라는 특성과 고유한 물리적 성질을 바탕으로 다양한 첨단 산업 분야에서 활용됩니다.

크립톤 (Krypton, Kr)의 주요 용도:

• 조명 산업:
  • 백열전구 및 형광등: 필라멘트 수명을 연장하고 광효율을 높이며, 밝기, 집중도, 색상을 향상시키는 데 사용됩니다. 특히 크립톤 램프는 백색의 밝은 빛을 내어 사진 촬영용 광원이나 특수 조명에 활용됩니다.
  • 네온사인: 백색 광원이나 황록색 빛을 내는 데 사용되며, 강한 붉은색 레이저가 필요할 때 헬륨-네온 레이저 대신 크립톤 레이저가 사용되기도 합니다.
• 반도체 산업:
  • CVD(화학기상증착) 공정: 반도체 메탈 공정에서 사용됩니다.
  • 엑시머 레이저: 레이저 매질로 사용되어 반도체 리소그래피 공정 등 정밀 가공에 활용됩니다.
• 단열재:
  • 절연 유리창: 이중 또는 삼중 유리창 사이에 크립톤을 충전하여 열전도율을 낮추고 단열 및 방음 성능을 향상시킵니다. 공기보다 열 차단 능력이 뛰어나며, 밀도가 높아 대류 현상(convection effect)을 줄여줍니다.
• 의료 분야:
  • MRI 장비용 헬륨 프로브 제조에 사용될 수 있습니다.
  • 레이저 치료에도 활용됩니다.
• 기타:
  • 일부 고속 용접 분야에서 안정적이고 일관된 플라즈마를 제공하여 용접 품질과 속도를 향상시킵니다.
  • 핵실험이나 원자로에서 우라늄과 플루토늄의 핵분열로 생성되는 방사성 동위원소 (크립톤-85 등)가 있어 핵실험 감지 및 지하수 연대 측정에 활용되기도 합니다.

제논 (Xenon, Xe)의 주요 용도:

• 반도체 산업:
  • 에칭 가스: 반도체 패턴을 형성한 후 불필요한 부분을 깎아내는 에칭 공정에서 사용됩니다.
  • 증착 및 이온 빔 소스: 마이크로 칩의 에칭 및 증착 과정에서 분위기 가스, 플라즈마 가스, 이온 빔 소스로 활용됩니다. 고순도가 요구됩니다.
  • DRAM 및 3D NAND 에칭: 특정 반도체 메모리 제조 공정에 필수적입니다.
• 조명 산업:
  • 고휘도 방전(HID) 램프: 자동차 헤드라이트, 영사기, 섬광등 등 높은 밝기가 요구되는 특수 조명에 사용됩니다. 태양 빛과 유사한 특성의 밝은 빛을 냅니다.
  • 사진용 플래시: 카메라의 전자 플래시 방전관에 사용됩니다.
• 항공 우주 산업:
  • 이온 엔진: 위성에 전기 추진력을 제공하는 이온 엔진의 추진제로 사용됩니다. 높은 이온화 능력과 밀도로 인해 위성 고유의 충격 성능을 높여줍니다.
• 의료 분야:
  • 마취제: 의료용 마취제로 사용되기도 합니다.
  • 의학 영상: 폐 기능 확인이나 폐 영상 촬영을 위한 방사성 동위원소 (제논-133)로 사용됩니다.
• 기초 과학 연구:
  • 암흑 물질 탐색: 제논 원자핵의 크기가 커서 암흑 물질과 반응을 일으키기 쉽다는 특성 때문에 암흑 물질 탐색 실험에 사용됩니다.
  • 거품 상자 및 탐침: 핵에너지 응용 분야에서 비활성 및 높은 분자량이 필요한 곳에 이용됩니다.
• 기타:
  • 핵분열 시 발생하는 제논 가스(제논-135 등)를 통해 지하 핵실험을 탐지하는 지표로 사용됩니다.

이처럼 크립톤과 제논은 희귀하고 제조 비용이 높음에도 불구하고, 그 독특한 성질 덕분에 현대 산업의 다양한 핵심 분야에서 없어서는 안 될 중요한 재료로 활용되고 있습니다.