ASU 공정이란? 산업의 혈액, 산소·질소·아르곤 생산의 모든 것

ASU(공기분리장치) 공정의 원리, 종류, 주요 단계 및 산업별 활용 분야를 총정리합니다. 초저온 증류를 통해 공기에서 순도 높은 산소, 질소, 아르곤을 분리하는 핵심 기술을 쉽고 명확하게 설명합니다.

 

---

서론: 우리가 숨 쉬는 공기, 산업의 심장이 되다

우리는 매 순간 공기를 마시며 생명을 유지합니다. 하지만 이 평범한 공기가 반도체, 철강, 석유화학 등 최첨단 산업의 핵심 동력이라는 사실을 알고 계신가요? 공기를 산업용 가스로 변모시키는 마법과도 같은 기술, 바로 ASU(Air Separation Unit, 공기분리장치) 공정입니다.

ASU 공정은 공기 중에 포함된 다양한 성분을 분리하여 고순도의 산소(O2​), 질소(N2​), 아르곤(Ar) 등을 생산하는 설비 및 기술을 통칭합니다. 이 가스들은 '산업의 혈액'이라 불릴 만큼 다양한 산업 현장에서 필수적인 역할을 수행합니다.

이번 글에서는 구글 검색엔진 최적화(SEO)에 맞춰 ASU 공정의 정의부터 핵심 원리, 단계별 과정, 그리고 광범위한 활용 분야까지 모든 것을 상세하게 알아보겠습니다.

1. ASU 공정이란 무엇인가?

**ASU(Air Separation Unit)**란 말 그대로 **'공기 분리 장치'**를 의미합니다. 우리 주변의 대기는 약 78%의 질소, 21%의 산소, 0.9%의 아르곤, 그리고 미량의 기타 원소로 구성되어 있습니다. ASU 공정은 이러한 공기의 성분별 물리적 특성(특히 끓는점) 차이를 이용하여 각각의 기체를 분리하고 정제하는 일련의 과정을 말합니다.

쉽게 말해, 공기를 원재료로 하여 산업 현장에서 필요로 하는 고순도의 산소, 질소, 아르곤 가스를 대량으로 생산하는 '가스 공장'이라고 생각할 수 있습니다.

2. ASU 공정의 핵심 원리: 초저온 증류 (Cryogenic Distillation)

ASU 공정의 가장 핵심적인 원리는 바로 **'초저온 증류법'**입니다. 이는 각 기체의 끓는점이 다른 성질을 이용하는 것입니다.

• 질소 (N2​): 끓는점 약 -196℃ (77 K)
• 아르곤 (Ar): 끓는점 약 -186℃ (87 K)
• 산소 (O2​): 끓는점 약 -183℃ (90 K)

물과 알코올을 섞은 액체를 끓이면 끓는점이 더 낮은 알코올이 먼저 증발하는 것과 같은 원리입니다. ASU 공정에서는 공기를 영하 196℃ 이하의 초저온 상태로 냉각하여 액체로 만듭니다. 이 액화된 공기를 정밀하게 제어되는 증류탑(Distillation Column)에서 서서히 온도를 높이면, 끓는점이 가장 낮은 질소가 가장 먼저 기체 상태로 분리되어 상승하고, 끓는점이 가장 높은 산소는 액체 상태로 남아 아래에 모이게 됩니다. 아르곤은 그 중간층에서 분리됩니다.

3. 한눈에 보는 ASU 공정의 4가지 주요 단계

ASU 공정은 크게 4가지 단계를 거쳐 진행됩니다.

1단계: 공기 흡입 및 압축 (Air Intake & Compression)

• 주변의 대기를 거대한 필터를 통해 흡입하여 먼지와 같은 입자상 물질을 제거합니다.
• 흡입된 공기를 대형 압축기(Compressor)를 이용해 5~10배의 압력으로 압축합니다. 이 과정에서 공기의 온도는 자연스럽게 상승합니다.

2단계: 불순물 제거 (Pre-purification)

• 압축된 공기에는 수분(H2​O), 이산화탄소(CO2​), 탄화수소류 등 초저온에서 얼어붙어 배관을 막을 수 있는 불순물이 포함되어 있습니다.
• **분자체 흡착기(Molecular Sieve Adsorption Unit)**를 통과시켜 이러한 불순물을 말끔히 제거합니다. 이 단계는 설비의 안정성과 최종 생산 가스의 순도를 위해 매우 중요합니다.

3단계: 냉각 및 액화 (Cooling & Liquefaction)

• 불순물이 제거된 고압의 공기를 주 열교환기(Main Heat Exchanger)로 보냅니다.
• 이곳에서 이미 초저온 상태로 분리된 제품 가스(질소, 산소 등)와의 열 교환을 통해 공기의 온도를 급격히 떨어뜨립니다.
• 추가적으로 팽창 터빈(Expansion Turbine)을 거치며 압력을 낮추고, 이 과정에서 발생하는 '쥴-톰슨 효과(Joule-Thomson effect)'로 인해 공기는 마침내 **액체 상태(액화 공기)**가 됩니다.

4단계: 분별 증류 (Fractional Distillation)

• 액화된 공기는 ASU 공정의 심장부인 **증류탑(Distillation Column)**으로 보내집니다.
• 증류탑은 보통 고압탑과 저압탑으로 구성된 이중 구조를 가집니다.
• 이곳에서 앞서 설명한 끓는점 차이를 이용한 정밀한 분별 증류가 이루어집니다.
  • 상부: 끓는점이 가장 낮은 **질소(N2​)**가 분리됩니다.
  • 하부: 끓는점이 가장 높은 **산소(O2​)**가 분리됩니다.
  • 중간부: **아르곤(Ar)**이 별도의 공정을 통해 분리됩니다.
• 분리된 각 가스는 최종적으로 파이프라인을 통해 직접 공급되거나, 액체 상태로 저장 탱크에 보관된 후 탱크로리를 통해 고객사에 운송됩니다.

4. 산업의 심장, ASU의 광범위한 활용 분야

ASU 공정을 통해 생산된 산소, 질소, 아르곤은 다양한 산업 분야에서 핵심적인 역할을 수행합니다.

• 철강/금속: 산소는 용광로의 연소 효율을 높여 철강 생산성을 향상시키는 데 필수적입니다.
• 반도체: 고순도 질소는 웨이퍼 제조 공정에서 산화 방지를 위한 불활성 환경(퍼지 가스)을 조성하는 데 사용됩니다. 아르곤 역시 스퍼터링과 같은 박막 증착 공정에 사용됩니다.
• 석유화학: 산소는 산화 반응을 통해 다양한 화학 제품을 생산하는 데 사용되며, 질소는 공정의 안전성을 확보하기 위한 퍼지 및 블랭킷 가스로 사용됩니다.
• 의료: 의료용 산소는 환자의 호흡 보조 장치에 필수적으로 공급됩니다.
• 식품: 액체 질소는 식품을 급속 냉동하거나, 과자 봉지 등에 주입되어 내용물의 산화를 방지하고 신선도를 유지하는 데 사용됩니다.
• 용접 및 절단: 산소와 아르곤은 금속의 정밀한 절단 및 용접 공정에 널리 사용됩니다.

결론: 보이지 않지만 가장 중요한 기술

ASU 공정은 우리 눈에 직접 보이지는 않지만, 현대 산업 사회를 지탱하는 가장 근본적이고 중요한 기술 중 하나입니다. 공기라는 무한한 자원을 활용하여 고부가가치의 산업용 가스를 생산함으로써, 반도체부터 철강, 의료에 이르기까지 전방위적인 산업 발전에 기여하고 있습니다. ASU 기술의 지속적인 발전은 앞으로도 더 높은 순도의 가스를 더 효율적으로 생산하며 미래 산업의 혁신을 이끌어갈 것입니다.

---

자주 묻는 질문 (FAQ)

Q1: ASU 공정과 PSA(압력 변동 흡착) 방식의 차이점은 무엇인가요? A1: ASU 공정은 초저온 증류를 이용해 대규모의 고순도 가스(산소, 질소, 아르곤)를 생산하는 데 적합합니다. 반면, PSA(Pressure Swing Adsorption)는 흡착제를 이용해 공기 중에서 특정 가스(주로 질소 또는 산소)를 분리하는 비(非)초저온 방식으로, ASU보다 규모가 작고 요구 순도가 상대적으로 낮은 경우에 경제적입니다.

Q2: ASU 공정에서 왜 초저온 상태를 만들어야 하나요? A2: 공기 중의 질소, 산소, 아르곤을 분리하는 가장 효율적인 방법이 끓는점 차이를 이용하는 '증류'이기 때문입니다. 기체 상태에서는 이들을 분리하기 어렵기 때문에, 초저온으로 냉각하여 모두 액체로 만든 후, 끓는점이 낮은 순서대로 다시 기화시켜 분리하는 것입니다.

Q3: ASU 공정은 환경에 영향을 미치나요? A3: ASU 공정 자체는 공기를 원료로 사용하고 분리만 하기 때문에 직접적인 오염 물질을 배출하지 않는 비교적 친환경적인 공정입니다. 다만, 공기를 압축하고 냉각하는 데 많은 전력을 소비하므로, 에너지 효율을 높이고 친환경 에너지를 사용하는 것이 중요한 과제입니다.