헬륨은 대체하기 어렵다

1 day ago 3

(construction-physics.com)

헬륨은 천연가스 채굴의 부산물로만 얻을 수 있어 지정학적 충돌이나 공급망 차질에 매우 취약함
MRI·반도체·광섬유·항공우주·과학 연구 등에서 초저온 냉각과 비활성 특성 덕분에 필수 자원으로 사용됨
EUV 리소그래피·초전도 자석 냉각 등에서는 물리적 특성상 대체 가스가 존재하지 않음
일부 분야에서 재활용 시스템으로 사용량을 줄이고 있으나 완전한 대체는 불가능함
헬륨 공급은 천연가스 생산과 직결되어 있어 환경 규제와 인프라 확충 지연이 장기적 공급 불안을 초래함

헬륨 공급망과 대체 불가능성

이란 전쟁과 호르무즈 해협 봉쇄로 인해 석유뿐 아니라 헬륨 공급망도 심각한 영향을 받음
- 헬륨은 천연가스 채굴의 부산물로 생산되며, 카타르가 전 세계 공급의 약 1/3을 차지
- 해협 봉쇄로 헬륨 가격이 급등하고, 공급업체들이 불가항력(force majeure) 을 선언
- 미국 정부가 유지하던 전략적 헬륨 비축분은 2024년에 매각 완료됨

헬륨의 특성과 생산 구조

헬륨은 수소 다음으로 가벼운 원소이자 우주에서 두 번째로 흔한 원소
- 지구 대기에서는 가벼워서 우주로 빠져나가므로 지하 천연가스층에서만 상업적으로 채취 가능
- 우라늄·토륨의 방사성 붕괴로 생성되어 수백만 년 동안 가스층에 축적됨
미국과 카타르가 전 세계 생산의 약 2/3를 담당하며, 나머지는 러시아·알제리·캐나다·중국·폴란드 등이 생산
- 헬륨은 4.2K(-452°F) 에서 끓는 가장 낮은 끓는점을 가진 원소
- 절대영도에서도 액체 상태 유지가 가능해 초저온 냉각에 필수적
- 비활성·고열전도성·가벼움 등의 특성으로 다양한 산업에서 사용

헬륨의 주요 산업적 용도

전 세계 연간 사용량은 약 1억8천만㎥ 로, 질소나 천연가스에 비해 적지만 대체 불가능한 핵심 자원
MRI 장비
- 미국 내 헬륨 소비의 약 17% 차지
- 초전도 자석 냉각에 사용되며, NbTi 자석은 절대영도보다 9.2도 높은 온도에서만 초전도 상태 유지
- 과거에는 시간당 0.4리터 손실이 있었으나, 현재는 ‘제로 보일오프’ 설계로 재충전 필요 거의 없음
- 고온 초전도체 MRI도 일부 존재하지만, 대부분의 5만 대 MRI는 여전히 헬륨 의존
반도체 산업
- 전 세계 헬륨의 약 25%, 미국 내 약 10% 사용
- Czochralski 방식 실리콘 성장, EUV 리소그래피, 진공 챔버 세정, 누출 탐지 등에 사용
- EUV 장비는 헬륨이 EUV 복사를 거의 흡수하지 않기 때문에 대체 불가
- 산업 보고서에 따르면 헬륨 사용량은 2035년까지 5배 증가 예상
광섬유 제조
- 전 세계 헬륨의 5~6% 사용
- 유리 코어와 외피를 결합할 때 기포 형성을 방지하는 냉각 가스로 사용
- 대체 가능한 다른 가스 없음
퍼지(purge) 가스
- 항공우주 산업에서 액체수소·액체산소 탱크 세정용으로 사용
- NASA가 미국 내 최대 헬륨 사용자, 전체 소비의 약 7% 차지
- 낮은 끓는점과 비활성 특성으로 다른 가스로 대체 어려움
부양 가스
- 비행선·풍선에 사용, 미국 내 소비의 약18%
  - 수소보다 안전하지만 공급 부족 시 가격 변동성 큼
과학 연구 및 계측
- 미국 내 소비의 약 22%
- 초전도 자석·SQUID·질량분석기 등 초저온 또는 고정밀 장비에 필수
- CERN의 LHC 등 대형 연구시설에서도 대량 사용
용접
- 미국 내 약 8% 사용
- 비활성·고열전도성 덕분에 용융 금속 보호용 차폐가스로 적합
- 해외에서는 아르곤으로 대체되는 경우 많음
잠수
- 미국 내 약 5% 사용
- 심해 잠수용 호흡 혼합가스(Trimix) 에 포함되어 질소 마취 방지
- 헬륨 외에는 네온만이 부분 대체 가능, 그러나 호흡 저항이 커 실용성 낮음

헬륨 절감과 재활용 노력

일부 분야에서는 대체 가스나 재활용 시스템으로 소비량 감소
- MRI 장비의 헬륨 손실 감소, NASA의 재활용 시스템 도입으로 항공우주 분야 사용량이 2010년 1,820만㎥(26%) → 400만㎥(7%) 로 감소
- 그러나 미국 내 대부분 헬륨은 여전히 미회수 상태, 재활용으로 90% 이상 절감 가능성 존재
완전한 대체는 불가능하며, ‘감소’는 가능하지만 ‘제거’는 어려운 자원으로 평가

공급 제약과 정책적 시사점

헬륨 공급은 천연가스 생산량에 직접 연동
- 새로운 헬륨 확보를 위해서는 천연가스 채굴 확대가 가장 직접적인 수단
- 미국 내 알래스카·멕시코만·Marcellus 셰일 등 미개발 가스 매장지 존재
- 그러나 환경 규제·허가 지연으로 신규 프로젝트 승인까지 10년 이상 소요되는 경우 많음
헬륨 및 천연가스 공급 제약이 가격 변동성과 안보 리스크를 초래
- 따라서 정책적 개입과 인프라 확충이 공급 안정의 핵심 과제임