헬륨은 반도체, MRI, 광섬유, 항공우주, 과학 연구 등 다양한 분야에서 핵심적이지만, 그 고유한 물성 때문에 대체가 매우 어렵다.
이란에서의 전쟁과 그에 뒤이은 호르무즈 해협 봉쇄는, 이전에는 기꺼이 무시하고 살아도 되었던 석유 공급망의 세부 사항을 우리 모두가 어쩔 수 없이 익히게 만들었다. 매일같이 중동산 석유에 의존하며, 전쟁 때문에 생산 차질을 빚고 있는 어떤 재화나 서비스에 대한 새로운 이야기가 쏟아진다. 비료 생산, 플라스틱, 알루미늄 등 끝이 없다.
이 가운데 갑자기 많은 주목을 받고 있는 공급망 중 하나가 헬륨이다. 헬륨은 천연가스 채굴의 부산물로 생산된다. 천연가스가 모이는 것과 같은 지하 포켓에 함께 축적된다. 카타르는 전 세계 헬륨 공급량의 대략 1/3을 담당하며, 이 헬륨은 과거에는 특수 컨테이너에 담겨 호르무즈 해협을 통과해 운송되었다. 해협 봉쇄의 여파로 헬륨 가격은 급등했고, 공급업체들은 불가항력을 선언하고 있으며, 기업들은 다가오는 공급 부족에 대응하느라 분주하다. (미국 정부는 여러 해 동안 전략적 헬륨 비축분을 유지했지만, 이것은 2024년에 매각되었다.)
내가 헬륨에서 흥미롭게 느끼는 점은, 많은 경우 그것을 다른 것으로 대체하기가 매우 어렵다는 것이다. 헬륨은 독특한 물성 집합을 갖고 있는데 — 특히 다른 어떤 원소보다도 녹는점과 끓는점이 낮다 — 이러한 성질에 의존하는 기술과 공정은 다른 어떤 물질로도 쉽게 전환할 수 없다.
헬륨은 주기율표에서 두 번째로 가벼운 원소이며(수소 다음), 우주에서 두 번째로 흔한 원소이기도 하다(역시 수소 다음). 하지만 우주적 규모에서는 매우 흔한 헬륨도, 지구에서는 그렇게 쉽게 얻을 수 없다. 헬륨은 매우 가볍기 때문에 대기의 가장 위쪽까지 올라가고, 결국 우주로 빠져나간다.1 따라서 현대 문명이 사용하는 헬륨은 사실상 전부 지하에서 나온다.
헬륨은 우라늄과 토륨 같은 원소의 방사성 붕괴를 통해 생성되며, 지하의 천연가스 포켓에 축적된다. 이런 헬륨 원천은 1903년 미국에서 처음 발견되었는데, 당시 캔자스의 한 천연가스 시추공에서 불이 붙지 않는 가스 분출이 일어났기 때문이다. 결국 University of Kansas의 과학자들은 이것이 헬륨의 존재 때문이라는 사실을 밝혀냈다. 석유와 마찬가지로, 헬륨도 수백만 년에 걸쳐 이런 포켓들에 축적되었고, 따라서 (석유처럼) 채굴할 수 있는 지하 헬륨의 공급량은 한정되어 있다. 석유와 마찬가지로 사람들은 우리가 이것을 다 써가고 있는 것 아니냐고 자주 걱정한다.
헬륨은 천연가스 채굴의 부산물이고, 또 일부 천연가스전만이 의미 있는 양의 헬륨을 포함하고 있기 때문에, 소수의 국가들이 전 세계 헬륨 공급을 책임지고 있다. 미국과 카타르가 합쳐 전 세계 헬륨 공급의 약 2/3를 생산한다. 러시아, 알제리, 캐나다, 중국, 폴란드가 나머지 대부분을 생산한다.
원소 헬륨에는 몇 가지 유용한 성질이 있다. 가장 중요한 것은, 헬륨 원자의 작은 크기와 완전히 채워진 최외각 전자껍질 덕분에 헬륨이 다른 어떤 원소보다도 낮은 끓는점을 가진다는 점이다. 액체 헬륨은 불과 4.2 켈빈(-452화씨도)에서 끓는다. 비교하자면 액체 수소의 끓는점은 20 K이고, 액체 질소의 끓는점은 무척이나 따뜻하게 느껴질 정도인 77 K다.
이 낮은 끓는점 덕분에 헬륨은 어떤 것을 아주, 아주 차갑게 만드는 데 매우 유용하다. 액체가 끓을 때 그것은 기체로 변하고, 이 과정에서 증발 냉각 때문에 주변으로부터 에너지를 끌어온다. 우리가 땀을 흘리는 이유도 바로 이것이다. 액체가 증발하면서 몸을 식혀 주는 것이다. 액체의 끓는점이 매우 낮으면, 이런 열 추출은 매우 낮은 온도에서 일어난다. 헬륨은 또한 다른 원소들보다 훨씬 낮은 온도에서도 액체 상태를 유지한다. 질소는 63 K에서 고체로 얼고, 수소는 14K에서 얼지만, 대기압에서 헬륨은 절대영도까지 계속 액체 상태로 남아 있다. 만약 어떤 것을 절대영도보다 겨우 몇 도 높은 수준까지 냉각해야 한다면, 액체 헬륨은 사실상 유일하게 실용적인 방법이다.
헬륨에는 그 밖에도 몇 가지 유용한 성질이 있다. 앞서 말했듯이 헬륨은 매우 가볍다. 그래서 대기 중에서 자연스럽게 상승하며, 이 때문에 부양 가스로 유용하다. 최외각 전자껍질이 가득 차 있기 때문에 비활성이며, 다른 물질과 반응하지 않는다. 헬륨은 또한 열전도율이 높다 — 실온에서 헬륨은 공기보다 약 여섯 배 더 잘 열을 이동시킬 수 있다.
전 세계는 매년 약 1억 8천만 세제곱미터의 헬륨을 사용한다. (이 양은 많아 보이지만, 전 세계가 매년 사용하는 1,590억 세제곱미터의 질소의 0.11%에 불과하고, 전 세계가 매년 사용하는 4조 세제곱미터가 넘는 천연가스의 0.004%에 불과하다.) 하지만 다른 몇몇 가스와 비교해 엄청난 양으로 사용되는 것은 아닐지라도, 헬륨은 그럼에도 매우 중요하다. 산업마다 헬륨의 성질을 서로 다른 방식으로 활용하며, 어떤 경우에는 합리적인 대체재가 있긴 하지만, 대부분의 경우 헬륨은 실질적인 대체재가 없다.
헬륨의 가장 큰 소비처 중 하나는 MRI 기기 운영 분야로, 미국에서 사용되는 헬륨의 약 17%를 소비한다. MRI 기기는 매우 강한 자기장을 만들어, 몸속 조직에 있는 수소 원자의 방향을 바꾼다. 그런 다음 몸속으로 전파 펄스를 보내 이 정렬을 일시적으로 교란한다. 펄스가 멈추면 서로 다른 종류의 조직이 자기장과의 정렬 상태로 서로 다른 속도로 돌아가고, 그 변화 속도를 측정해 신체 내부의 영상으로 변환할 수 있다. MRI 기기의 강한 자기장은 초전도 자석이 만들어낸다. 어떤 물질들은 충분히 차가워지면 전기 저항이 0으로 떨어지는데, 이 때문에 엄청난 양의 전류를 흘려 매우 강한 자기장을 만들 수 있다.2 오늘날 사용되는 MRI 기기의 대다수는 절대영도보다 9.2도 높은 온도에서 초전도성이 나타나는 니오븀-티타늄(NbTi) 초전도 자석을 사용한다. 이는 다른 어떤 냉각제의 끓는점보다도 훨씬 낮기 때문에, 자석을 냉각하는 실용적인 선택지는 액체 헬륨뿐이다. 더 높은 온도에서 초전도성을 갖는 재료를 사용해 헬륨 냉각이 필요 없는 MRI 기기도 소수 제작되었지만, 전 세계에 존재하는 50,000대의 MRI 기기 중 대다수는 헬륨이 필요하다.
MRI 기기의 헬륨 소비량은 시간이 지나면서 급격히 감소했다. 초기 MRI 기기는 시간당 약 0.4리터의 속도로 헬륨을 잃었기 때문에, 몇 달마다 다시 채워야 하는 1000-2000리터 규모의 큰 탱크가 필요했다. (기체 헬륨이 용기 밖으로 새어 나가는 것을 막는 일은 악명 높을 정도로 어렵기 때문에, 헬륨은 누출 탐지에도 자주 사용된다.) 하지만 현대의 MRI 기기는 “zero boil-off” 방식이어서, 사실상 헬륨을 다시 채울 필요가 없다. 이런 기기들이 시장 점유율을 더 많이 차지할수록, MRI 기기의 헬륨 수요는 줄어들 것으로 예상할 수 있다. 하지만 당분간 MRI는 여전히 상당한 수요처로 남을 것이다.
헬륨의 또 다른 주요 소비처는 반도체 산업으로, 전 세계 헬륨의 약 25%, 그리고 미국 내 헬륨의 약 10%를 사용한다.3 MRI 기기와 마찬가지로, 헬륨은 초크랄스키 방법으로 성장시킨 실리콘 잉곳의 순도를 높이기 위해 사용되는 초전도 자석을 냉각하는 데 쓰인다. 헬륨은 또한 일부 생산 공정에서 냉각재로 사용되고, 일부 용기를 비워내는 비반응성 가스로도 사용되며, 누출 탐지와 다양한 다른 용도에도 쓰인다. Semiconductor Industry Association의 2023년 보고서는 헬륨이 “운반 가스, 빠르고 정밀한 에너지 및 열 전달, 반응 매개, 백사이드 및 로드록 냉각, 포토리소그래피, 진공 챔버, 그리고 세정”에 사용된다고 지적했다. 같은 보고서는 이러한 용도들 중 다수에서 헬륨에 대체재가 없다고 덧붙인다.
MRI 기기와 달리, 시간이 지나며 헬륨 사용량이 줄어든 것이 아니라 반도체 산업의 헬륨 사용은 증가 추세인 것으로 보인다. 일부 자료는 반도체 산업이 소비하는 헬륨이 2035년까지 다섯 배로 늘어날 것으로 예상한다. 이는 부분적으로 DUV 및 EUV 반도체 리소그래피 장비의 발전 때문인 것으로 보이며, 이 장비들은 작동에 헬륨을 필요로 한다. 많은 다른 가스들과 달리, 헬륨은 EUV 복사를 거의 흡수하지 않기 때문에, (내 이해가 맞다면) EUV 장비에서 헬륨을 대체하기가 어렵다.
헬륨은 광섬유 케이블 제조에도 사용된다. 광케이블은 유리로 된 내부 코어와, 그 주위를 둘러싸는 굴절률이 다른 유리 외부 “슬리브”로 만들어진다. 이 구조는 전반사 현상을 통해 광자가 내부 코어 안에 머물도록 만든다. 제조 과정에서 바깥 “슬리브”를 코어 위에 증착할 때 냉각재로 헬륨을 사용한다. 다른 어떤 분위기에서는 두 유리층 사이에 기포가 생기기 때문이다. 전 세계 헬륨의 약 5-6%가 광섬유 생산에 사용되며, 알려진 대안은 없다.
반도체 제조 외에도, 다른 산업들(특히 항공우주 산업)은 용기를 비워내고 세척하기 위한 “퍼지 가스”로 헬륨을 사용한다. 액체 로켓 연료로 자주 쓰이는 액체 수소 탱크를 세척하려면, 수소와 접촉했을 때 얼지 않을 만큼 끓는점이 낮은 가스가 필요하다. 액체 산소 탱크를 세척하는 데는 그렇게까지 낮은 끓는점의 가스가 필요하지는 않지만, 반응성이 매우 큰 산소와 반응할 가능성을 줄이려면 비활성 가스를 사용하는 것이 가장 좋다. 항공우주 분야의 퍼징은 미국 헬륨 소비의 약 7%를 차지한다. 그중 절반 정도는 NASA가 사용하며, NASA는 미국에서 단일 기준 가장 큰 헬륨 사용자다.
헬륨은 공기보다 가볍기 때문에, 풍선과 비행선 같은 경공기에서 인화성이 매우 높은 수소의 대안으로 부양 가스로도 사용된다. 예를 들어 Goodyear Blimp는 한 대당 약 300,000세제곱피트의 헬륨을 사용한다. 미국에서 소비되는 헬륨의 약 18%는 부양 가스로 쓰인다.
헬륨은 과학 연구에서도 널리 사용된다. 이 중 상당 부분은 무언가를 차갑게 유지하기 위한 것이다. Large Hadron Collider에서 사용되는 것과 같은 초전도 자석은 보통 헬륨이 필요하고, 매우 민감한 자기장 검출기인 SQUIDs의 초전도 요소도 마찬가지다. 헬륨은 또한 질량분석기에도 사용되는데, 이것은 무엇보다도 용기의 미세한 누출을 탐지하는 데 활용된다.
이는 미국에서 큰 사용 범주다. 미국 헬륨 소비의 약 22%가 “분석, 엔지니어링, 실험실, 과학, 특수가스” 용도로 들어간다.
미국에서는 헬륨이 용접에도 사용된다. 높은 열전도율과 비활성이라는 특성 덕분에, 헬륨은 용융 금속 풀이 식기 전에 오염되는 것을 막아 주는 훌륭한 차폐 가스다. 미국에서는 용접이 헬륨 사용량의 약 8%를 차지하지만, 세계 다른 지역에서는 아르곤 같은 다른 차폐 가스를 사용하는 경우가 더 흔하다.
헬륨은 심해 상업 잠수용 호흡 가스로도 사용된다. 30미터보다 깊은 곳에서는 질소(일반 공기의 78%를 차지하는 기체)를 호흡하면 질소 마취가 발생하며, 이보다 깊은 잠수는 질소의 일부를 헬륨으로 대체한 혼합 가스를 사용해 이루어진다. 미국에서 소비되는 헬륨의 약 5%가 잠수에 쓰인다.
잠수용 헬륨은 대체하기 어렵다. 사실상 네온을 제외하면 거의 모든 호흡 가능한 다른 기체는 어느 정도의 마취 작용을 일으키고, 네온은 헬륨보다 무거워 호흡을 더 어렵게 만든다.
이런 용도들 가운데 일부는 다른 물질로 헬륨을 대체할 수 있다. 용접에 사용할 수 있는 아르곤 같은 다른 차폐 가스가 있고, 풍선이나 비행선에 사용할 수 있는 수소 같은 다른 부양 가스도 있다. 또 다른 용도들에서는 재활용 시스템이나 사용량 절감을 위한 다른 방법들을 통해 헬륨 소비를 극적으로 줄일 수 있다. 앞서 언급했듯이 MRI 기기에서는 이런 일이 이미 일어났고, 현대 기기들은 이전 세대보다 훨씬 적은 헬륨을 사용한다. 항공우주 퍼징에서도 비슷한 일이 있었던 것으로 보인다. National Academies of Sciences의 2010년 보고서는 NASA와 국방부가 충분한 동기를 가진다면, 헬륨을 재활용함으로써 소비량을 극적으로 줄일 수 있다고 지적한다. 그 이후 항공우주 분야의 헬륨 사용은 1,820만 세제곱미터(미국 전체 소비의 26%)에서 400만 세제곱미터(미국 전체 소비의 7%)로 감소했다. 하지만 United States Geological Survey는 지적한다 미국 내 헬륨의 대부분은 여전히 재활용되지 않고 있으며, 다양한 회수 및 재활용 시스템을 통해 헬륨 사용량을 극적으로 줄일 수 있는 여지가 매우 크다고. 이러한 시스템들 중 많은 것은 헬륨 소비를 90% 이상 줄일 수 있다.
하지만 “줄이는 것”은 “없애는 것”을 뜻하지 않으며, 그렇게 많은 경우에 헬륨을 대체할 만한 좋은 선택지가 전혀 없어 보인다는 점이 내게는 흥미롭다.
다만 공기 중 순환 덕분에 터보포즈 아래에서는 헬륨 농도가 대체로 일정하며, 약 100만분의 5 수준이다.
자석이 너무 따뜻해지면, “퀜치”라고 불리는 초전도성의 갑작스러운 상실이 발생할 수 있으며, 이때 새롭게 나타난 전기 저항에서 발생하는 열 때문에 자석이 손상되거나 파괴될 수 있다.
나는 이 수치를, 광섬유 산업이 전 세계적으로 사용하는 헬륨의 5-6%를 United States Geological Survey의 헬륨 보고서에서 제시한 “반도체와 광섬유”의 15%에서 빼는 방식으로 추정했다.
