보이지 않는 자원 전쟁, 헬륨의 물리학[이기진의 만만한 과학]

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헬륨은 물리학자에게 매우 중요한 물질이다. 최근 미국과 이란의 전쟁으로 헬륨 수급에 어려움을 겪고 있다. 과거 한국은 미국에서 많은 양을 수입했지만, 2025년 기준 약 64.7%를 카타르에서 들여오고 있다. 천연가스에 미량 포함된 헬륨을 분리, 정제해 99.999% 이상의 고순도 기체로 만든 뒤, 이를 액화해 액체 헬륨 상태로 저장한 후 운송한다. 액체 헬륨의 온도는 영하 269도에 가깝다. 극저온 연구 및 반도체 산업에는 헬륨이 필수적이다.

예전에 러시아 모스크바국립대 저온연구소에서 방문 교수로 연구한 적이 있다. 그곳에서 액체 헬륨을 이용해 실험을 진행했다. 극저온의 액체 헬륨은 기화가 잘 된다. 값비싼 헬륨 가스를 회수하기 위해 연구실 천장에는 커다란 고무풍선이 매달려 있었다. 높은 천장에 비현실적으로 떠 있는 열기구 아래에서 실험을 한다는 것이 무척 인상적이었다. 실험이 끝나면 헬륨이 담긴 고무풍선을 지하실로 옮기고, 다시 액체 헬륨으로 만들어 재사용했다.

헬륨은 수소 다음으로 가벼운 원소기호 2번의 비활성 기체다. 비활성 기체란 다른 물질과 거의 반응하지 않는 기체를 말한다. 수소는 폭발 가능한 활성 기체이지만, 헬륨은 비활성 기체로 안전하다. 헬륨은 고순도의 비활성 기체이기 때문에 주로 반도체 공정에서 오염을 방지하고 장비 내부의 불순물 가스를 제거하는 데 사용된다. 반도체 웨이퍼의 냉각에도 헬륨이 사용된다. 헬륨은 열전도율이 높고 화학적으로 안정적이기 때문이다. 웨이퍼에서 발생한 열을 빠르게 장비로 전달할 수 있어 냉각 효율이 매우 높다. 반도체 공정에서 헬륨을 대체할 물질이 없기 때문에 헬륨 가스의 가격이 치솟고 있다.

헬륨은 어디서 구할 수 있을까. 헬륨은 핵반응을 통해 생성할 수 있지만, 산업적으로는 천연가스에서 분리해 얻는 것이 가장 경제적인 방법이다. 핵반응을 통해 헬륨을 생성하려면 원자로, 가속기, 핵융합 장치가 필요하며 생산량도 매우 적고 비용도 크다.

헬륨은 지하에서 방사성 원소의 붕괴 과정에서 생성된다. 우라늄과 토륨이 붕괴할 때 헬륨이 만들어진다. 헬륨은 오랜 시간 동안 지하 암석 속에 축적되다가 천연가스층에 섞여 존재하게 된다. 그러나 천연가스에 포함된 헬륨의 비율은 대개 0.01% 이하로 매우 적다.

헬륨 가스를 1908년에 최초로 액화한 학자는 네덜란드의 물리학자 카메를링 오너스다. 헬륨은 매우 가볍고 액화되기 어려운 기체로, 끓는점이 매우 낮아 극도로 낮은 온도에서만 액체가 된다. 그는 당시로서는 거의 불가능에 가까운 기술로 온도를 영하 약 269도까지 낮추는 데 성공했고, 그 결과 헬륨을 액화하는 데 성공했다. 1911년 카메를링 오너스는 액체 헬륨을 이용한 실험에서 수은의 전기저항이 극저온에서 갑자기 0이 되는 초전도 현상을 발견했다. 이러한 공로로 그는 1913년 노벨 물리학상을 받았다.

얼마 전 자기공명영상(MRI)을 찍었다. 대부분의 MRI에서는 초전도 자석을 유지하기 위해 액체 헬륨으로 극저온 상태를 유지한다. 지시대로 숨을 내쉬고 들이마시는 30분 동안 액체 헬륨으로 둘러싸인 거대한 초전도체를 생각했다. 그래서인지 그 시간이 지루하지 않았다. 헬륨 수급에 차질이 없기를 바라 본다.