1. 서론 : 질소 가스, 산소 가스의 이용 및 고압가스 계측

질소 가스는 단순한 화학 비료의 원료에 그치지 않고, 최첨단 기술인 반도체 산업부터 식품·방재·의료에 이르기까지 우리 생활을 지탱하는 필수적인 인프라 가스로 활용되고 있다. 최근에는 질소의 불활성 특성을 활용한 친환경 산업용 소화 설비까지 활용 범위가 확대되고 있다. 질소 가스의 역사적 배경을 살펴보면, 프리츠 하버(Fritz Haber)와 카를 보슈(Carl Bosch)가 질소와 수소를 이용해 암모니아를 합성하는 기술을 확립하였다(1908년 특허). 이 기술을 통해 대기 중의 질소를 고정해 화학 비료의 원료로 대규모로 활용할 수 있는 길이 열렸다. 19세기 말에는 공기에서 산소와 질소를 분리하는 기술이 개발되면서 고순도 질소 가스를 대량으로 생산할 수 있게 되었다. 이후 질소의 ‘타지 않는’ 특성, 즉 불활성 특성을 활용해 다양한 분야로 그 활용이 급속히 확대되었다. 식품 분야에서는 산화를 방지하기 위한 불활성 가스 포장(MAP, Modified Atmosphere Packaging)이나 액체 질소를 이용한 급속 냉동 기술 등에 널리 활용되고 있다. 한편 반도체 제조 공정에서는 산소를 제거하고, 미립자와 수분을 철저히 관리하기 위한 퍼지 가스(불활성 분위기)로 이용되고 있다. 또한 레이저 절단의 보조 가스, 금속 열처리 시 산화 방지, 화학 플랜트의 안전 확보 등 불활성 가스를 이용한 작업 환경 조성에 활용될 뿐만 아니라, 의료 분야에서는 액체 질소를 이용한 혈액 및 세포의 냉동 보존과 냉동 치료(cryosurgery) 등의 분야에서도 이용되고 있다.

한편 산소 가스의 경우, 19세기 화학에 전지나 전기분해 등의 기술이 도입되면서 물의 전기분해를 통해 수소와 산소를, 염수의 전기분해를 통해 염소와 수소 등 새로운 기체를 분리하기가 쉬워졌다. 또한 반응 실험을 수행하기에 적합한 환경이 조성되면서 다양한 기체가 파생적으로 발생하게 되었다. 즉, 가압만으로는 액화할 수 없는 기체인 ‘영구 기체’가 존재하였다. 1834년 프랑스의 샤를 틸로리에(Charles Thilorier)는 가압된 액화 이산화탄소를 방출하면 온도가 더욱 낮아져 드라이아이스로 고체화되는 현상을 발견하였다.(1) 그 후 기체를 액화시키는 장치가 다양하게 고안되면서 1870년경에는 ‘영구기체’가 산소, 질소, 수소, 헬륨 등 4종류만 남게 되었다. 가압을 통해 가스를 액화하는 방법은 가스를 추가로 방출해 냉각함으로써 끓는점 이하의 액체로 만들고, 이를 이용해 더 낮은 끓는점을 가진 기체를 액화하는 방식이었다. 이러한 과정을 순차적으로 반복하는 방법을 통해 1877년 프랑스의 루이 폴 카유테(Louis Paul Cailletet)는 주사기 바늘 끝에서 극미량의 산소와 질소가 액화되는 현상을 확인하였다. 이후 기술이 더욱 개량되면서 1883년에는 실험실에서 소량의 액체 산소와 액체 질소를 확실하게 얻을 수 있게 되었다. 1895년에는 독일의 린데(Linde)가 그동안 영구 기체로 여겨지던 공기를 액화해 산소와 질소로 분리하는 실험에 성공하였다. 같은 시기인 1892년에는 영국의 제임스 듀어(James Dewar)가 듀어병을 발명하였다. 듀어병은 액화된 가스를 저온 상태에서 장기간 저장할 수 있도록 하였다. 이러한 저온 기술의 발전으로 액화 가스의 실용화가 가능해졌다. 

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⇒ 본고는 월간지 ‘計測技術’(일본, 일본공업출판주식회사 발행) 2026년 7월호(연재)를 번역·전재한 것입니다. 본 기사의

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