헬륨은 우리가 놀이동산에 가면 아이들이 좋아하는 풍선에서 많이 볼 수 있습니다. 왜 굳이 헬륨을 넣어서 풍선을 부는지 궁금하실 겁니다. 헬륨의 특징을 알게 되면 충분히 이해할 수 있는 부분입니다. 이 글에서 헬륨의 특징을 알아보고 헬륨이 사용되는 곳은 어디가 있는지 알아보도록 하겠습니다.
헬륨이란?
헬륨은 화학 원소로 He이고 원자번호는 2번입니다. 수소 다음으로 가벼운 원소여서 매우 가벼운 원소라고 알려져 있습니다. 녹는점 -272℃ 와 끓는점 -269℃ 로서 상온에서 기체로 존재 합니다. 18족 원소에 포함된 불활성 기체로서 단원자 분자로 존재하려는 특징이 있습니다. 이 특징은 모든 전자 껍질이 전자로 채워졌기 때문에 나타나는 성질입니다.
헬륨이라는 말은 그리스어로 태양을 의미하는 헬리오스(Helios)에서 유래되었습니다. 헬륨은 1868년 프랑스 천문학자 피에르 장센에 의해 발견되었습니다. 일식을 관찰하던 도중 특정 대역의 노란 빛 (587.6nm) 부분에 새로운 선이 존재하는 것을 알아내고 헬륨의 존재를 밝혔다고 합니다.
헬륨은 전 우주를 통 틀어서 수소 다음으로 가벼운 원소이며, 수소 다음으로 두 번째로 흔한 원소이다. 은하계의 전체의 24%를 헬륨이 차지하고 있다고 알려져 있습니다. 헬륨은 우주 초기의 몇 분 동안에 수소와 같이 대량으로 만들어진 것으로 알려져 있습니다. 또한 태양에서 태양에너지가 만들어질 때 수소핵융합 반응으로 헬륨이 생성되고 있습니다. 헬륨은 지구상에는 거의 존재하지 않습니다.
지구 상에 존재하는 헬륨은 대부분 방사성 원소의 핵붕괴로 생성된 알파 입자(높은 이온화 특성을 지니는 입자복사)가 천연가스에 포획된 상태로 발견됩니다. 여기서 말하는 알파 입자는 두 개의 양성자와 두 개의 중성자로 구성되어 있는 분자를 말하는데 전자를 제외한 헬륨 원자핵과 동일한 구성을 지니기 때문에 He²+ 라고 불리웁니다. 헬륨은 불활성 기체 중에서도 반응성이 가장 적은 물질입니다. 거의 모든 조건에서 헬륨은 단원자 분자로 존재하고 반응을 거의 하지 않습니다.
헬륨의 활용
헬륨은 공기보다 가벼운 특징으로 인해 비행선, 풍선, 애드벌룬등 하늘에 띄우는 열기구 등에 많이 사용됩니다. 특히 헬륨보다 수소가 더 가볍긴 하지만 수소는 폭발성이 있어서 안전성을 위하여 헬륨을 주로 사용합니다.또한 일반인들은 잘 모르는 잠수병을 예방 하는데에도 헬륨이 사용되는데, 심해 잠수부의 산소통에 있는 질소 대신에 헬륨이 사용됩니다. 이유는 헬륨이 질소보다 혈액에 대한 용해도가 작아서 잠수병을 에방 할 수 있기 때문입니다.
헬륨은 또한 반도체 등의 제작할 때 필요한 최첨단 기술인 플라즈마를 생성시킬 때 플라즈마의 균일한 분포를 위하여 헬륨이 적정량 내부에 살포 됩니다. 산화흔적이 남지 않는 용접을 할 때도 산소와의 접촉을 차단하기 위해 헬륨 환경을 만들어 줍니다. 또한 우리는 재미삼아 목소리 변조에 사용되기도 하는데, 헬륨 가스는 공기 중에 비해 약 3배정도 전송 속도가 빠르기 때문에, 헬륨을 들이 마쉬고 말을 하면 약 10초 가량 목소리의 음이 높아지는 재미있는 현상이 발생합니다.
헬륨의 추출 방법
헬륨은 우주에 무한히 존재하는 것에 비해 지구 상에 아주 적은 비율로 존재합니다. 그도 그럴 것이 공기보다 가볍기 때문에 대부분의 헬륨은 공기 중에 노출되면 사라져 버린다고 생각하시면 됩니다. 하지만 헬륨은 보기보다 사용량이 많은데 과연 이 많은 헬륨은 어디에서 나오는 것인지 알아 보도록 하겠습니다.
헬륨은 앞서 말했 듯이 천연가스에 알파 입자로 매장되어 있습니다. 상업성이 떨어지기 때문에 인위적으로 많이 추출하거나 합성하는 방법은 하지 않고, 상업성이 있는 대형 천연 가스전에서 헬륨을 추출합니다. 이렇게 헬륨을 추출하는 천연 가스전은 전 세계에 10여개 밖에 존재하지 않습니다. 주요 헬륨 생산 공급 업체는 다음과 같습니다. 에어 리퀴드, BOC, 린데, 에어 프로덕트, 프렉스 에어, 메싸 등 누구나 해당 분양에서 한 번쯤 들어봤을 만한 대기업들에서 헬륨 추출 및 생산 공급까지 다루고 있습니다.
헬륨 추출 방벙은 여러가지 방법이 있는데 대표적인 추출공정 하나를 이 글에서 설명하도록 하겠습니다. 천연가스에서 헬륨을 추출하는 방법 중 하나에는 초 저온 분리 공정이 있습니다, LNG 생산과 유사한 원리로 냉각 및 액화를 이용합니다. 헬륨-질소-메탄 혼합가스(원료가스) 에서 80%의 헬륨을 분리하고 콜드 박스 내 적절한 열 교환기와 증류기를 사용해 헬륨을 정제합니다. 이 과정에서 절연이 중요하며, 분말 절연체는 절연효과 극대화와 수리 용이성을 위해 사용됩니다. 또한, 열교환기는 알루미늄 평판을 사용하고 진공 챔버 내에서 약 600℃의 온도로 브레이징하여 청결을 유지합니다. 추출된 헬륨에 아직 일정량의 질소와 메탄이 포함되어 있어 이는 압력변환흡착(PSA) 방식으로 제거합니다. 최종적으로 순도 99.999%의 제품 헬륨이 생산됩니다.