헬륨은 기호 He, 원자 번호 2번인 화학 원소입니다. 대기 중에 드물게 존재하는 기체로, 무색, 무미, 무독성, 불연성이며 물에 아주 약간만 용해됩니다. 대기 중 헬륨 농도는 부피 백분율로 5.24 x 10⁻⁴%입니다. 모든 원소 중에서 끓는점과 녹는점이 가장 낮으며, 극저온 환경을 제외하고는 항상 기체 상태로 존재합니다.

헬륨은 주로 기체 또는 액체 헬륨 형태로 운송되며 원자력 발전소, 반도체, 레이저, 전구, 초전도체, 계측기, 반도체 및 광섬유, 극저온, MRI 및 연구 개발 실험실 연구에 사용됩니다.

저온 냉각원

헬륨은 자기공명영상(MRI), 핵자기공명(NMR) 분광법, 초전도 양자 입자 가속기, 대형 강입자 가속기, 간섭계(SQUID), 전자 스핀 공명(ESR), 초전도 자기 에너지 저장 장치(SMES), MHD 초전도 발전기, 초전도 센서, 전력 전송, 자기부상열차, 질량 분석기, 초전도 자석, 강자기장 분리 장치, 핵융합로용 환형 자기장 초전도 자석 및 기타 극저온 연구 장비와 같은 극저온 냉각 장치의 극저온 냉각재로 사용됩니다. 헬륨은 극저온 초전도 물질과 자석을 절대 영도에 가까운 온도로 냉각시켜 초전도체의 저항을 급격히 0으로 낮춥니다. 초전도체의 매우 낮은 저항은 더 강력한 자기장을 생성합니다. 병원에서 사용되는 MRI 장비의 경우, 더 강한 자기장은 방사선 영상에서 더 자세한 이미지를 얻을 수 있도록 해줍니다.

헬륨은 녹는점과 끓는점이 가장 낮고, 대기압과 0K에서 응고되지 않으며, 화학적으로 비활성이어서 다른 물질과 거의 반응하지 않기 때문에 초냉각제로 사용됩니다. 또한, 헬륨은 2.2K 이하에서 초유체 상태가 됩니다. 지금까지 이러한 독특한 초유체성은 산업적으로 활용된 적이 없었습니다. 17K 이하의 온도에서는 극저온 냉매로 헬륨을 대체할 물질이 없습니다.

항공우주공학

헬륨은 풍선과 비행선에도 사용됩니다. 헬륨은 공기보다 가볍기 때문에 비행선과 풍선은 헬륨으로 채워집니다. 헬륨은 불연성이라는 장점이 있지만, 수소는 부력이 더 크고 막을 통한 누출률이 더 낮습니다. 헬륨의 또 다른 용도는 로켓 기술입니다. 로켓 기술에서는 헬륨이 저장 탱크의 연료와 산화제를 대체하는 손실 매체로 사용되며, 수소와 산소를 응축하여 로켓 연료를 만드는 데에도 사용됩니다. 또한 발사 전에 지상 지원 장비에서 연료와 산화제를 제거하는 데 사용될 수 있으며, 우주선 내 액체 수소를 예냉하는 데에도 사용될 수 있습니다. 아폴로 프로그램에 사용된 새턴 V 로켓 발사에는 약 37만 세제곱미터(1,300만 세제곱피트)의 헬륨이 필요했습니다.

파이프라인 누출 탐지 및 탐지 분석

헬륨의 또 다른 산업적 용도는 누출 탐지입니다. 누출 탐지는 액체와 기체를 포함하는 시스템의 누출을 감지하는 데 사용됩니다. 헬륨은 공기보다 고체를 통해 3배 빠르게 확산되기 때문에 고진공 장비(예: 극저온 탱크) 및 고압 용기의 누출을 감지하는 추적 가스로 사용됩니다. 탐지 대상을 챔버에 넣고 진공 상태로 만든 후 헬륨을 채웁니다. 10⁻⁹ mbar•L/s(10⁻¹⁰ Pa•m³/s) 정도로 낮은 누출률에서도 민감한 장치(헬륨 질량 분석기)를 통해 누출 부위로 새어 나오는 헬륨을 감지할 수 있습니다. 측정 절차는 일반적으로 자동화되어 있으며 헬륨 적분 테스트라고 합니다. 또 다른 간단한 방법은 탐지 대상에 헬륨을 채우고 휴대용 장치를 사용하여 수동으로 누출을 찾는 것입니다.

헬륨은 분자 크기가 가장 작고 단원자 분자이기 때문에 누출 감지에 사용됩니다. 헬륨 가스는 누출이 쉽게 발생하기 때문입니다. 누출 감지 시 물체 내부에 헬륨 가스를 주입하고, 누출이 발생하면 헬륨 질량 분석기를 통해 누출 위치를 탐지할 수 있습니다. 헬륨은 로켓, 연료 탱크, 열교환기, 가스관, 전자 장치, 텔레비전 브라운관 및 기타 제조 부품의 누출 감지에 활용될 수 있습니다. 헬륨을 이용한 누출 감지 기술은 맨해튼 프로젝트 당시 우라늄 농축 시설의 누출을 감지하는 데 처음 사용되었습니다. 누출 감지에 사용되는 헬륨은 수소, 질소 또는 수소와 질소의 혼합물로 대체할 수 있습니다.

용접 및 금속 가공

헬륨 가스는 다른 원자보다 이온화 에너지가 높기 때문에 아크 용접 및 플라즈마 아크 용접에서 보호 가스로 사용됩니다. 용접 부위 주변의 헬륨 가스는 용융 상태의 금속이 산화되는 것을 방지합니다. 헬륨의 높은 이온화 에너지 덕분에 티타늄, 지르코늄, 마그네슘, 알루미늄 합금과 같이 건설, 조선, 항공우주 분야에서 사용되는 이종 금속의 플라즈마 아크 용접이 가능합니다. 보호 가스에서 헬륨은 아르곤이나 수소로 대체할 수 있지만, 티타늄과 같은 일부 재료의 경우 플라즈마 아크 용접에서 헬륨을 대체할 수 없습니다. 헬륨은 고온에서 안전하게 사용할 수 있는 유일한 가스이기 때문입니다.

가장 활발한 개발 분야 중 하나는 스테인리스강 용접입니다. 헬륨은 불활성 기체이므로 다른 물질과 접촉해도 화학 반응을 일으키지 않습니다. 이러한 특성은 용접 보호 가스에 있어 특히 중요합니다.

헬륨은 열전도율이 뛰어납니다. 따라서 용접 시 높은 열 입력이 필요한 경우, 용접부의 젖음성을 향상시키기 위해 헬륨을 흔히 사용합니다. 또한 헬륨은 용접 속도를 높이는 데에도 유용합니다.

헬륨은 일반적으로 아르곤과 다양한 비율로 혼합되어 보호 가스 혼합물에 사용되는데, 이는 두 가스의 장점을 최대한 활용하기 위함입니다. 예를 들어, 헬륨은 용접 시 더 넓고 얕은 침투 모드를 제공하는 보호 가스 역할을 합니다. 하지만 헬륨은 아르곤처럼 세척 효과는 없습니다.

결과적으로 금속 제조업체들은 작업 과정의 일부로 아르곤과 헬륨을 혼합하는 것을 고려하는 경우가 많습니다. 가스 차폐 금속 아크 용접(GSMAW)의 경우, 헬륨/아르곤 혼합 가스에서 헬륨이 차지하는 비율은 25%에서 75%까지 다양합니다. 보호 가스의 조성을 조절함으로써 용접공은 용접부의 열 분포를 제어할 수 있으며, 이는 용접 금속 단면의 형상과 용접 속도에 영향을 미칩니다.

전자 반도체 산업

헬륨은 불활성 기체로서 매우 안정적이어서 다른 원소와 거의 반응하지 않습니다. 이러한 특성 덕분에 아크 용접 시 공기 중 산소 오염을 방지하는 차폐막으로 사용됩니다. 또한, 반도체 및 광섬유 제조와 같은 중요한 산업 분야에서도 중요한 역할을 합니다. 뿐만 아니라, 심해 잠수 시 혈액 내 질소 기포 발생을 막아 잠수병을 예방하기 위해 질소를 대체하는 용도로도 사용됩니다.

전 세계 헬륨 판매량 (2016-2027)

세계 헬륨 시장은 2020년 18억 2,537만 달러 규모에 달했으며, 2027년에는 27억 4,204만 달러에 이를 것으로 예상됩니다. 연평균 성장률(CAGR)은 5.65%(2021-2027년)입니다. 향후 몇 년 동안 헬륨 산업은 상당한 불확실성에 직면해 있습니다. 본 보고서의 2021-2027년 예측 데이터는 지난 몇 년간의 과거 동향, 업계 전문가 의견 및 분석가들의 의견을 바탕으로 작성되었습니다.

헬륨 산업은 천연 자원에 의존하고 있으며, 전 세계적으로 제조업체가 미국, 러시아, 카타르, 알제리 등 소수에 불과해 고도로 집중되어 있습니다. 세계 소비 시장은 미국, 중국, 유럽 등에 집중되어 있으며, 미국은 이 산업에서 오랜 역사와 확고한 입지를 자랑합니다.

많은 기업들이 여러 개의 공장을 보유하고 있지만, 대개 목표 소비 시장과 가까운 곳에 위치하지 않습니다. 따라서 제품 운송 비용이 높습니다.

지난 5년간 헬륨 생산량은 매우 느리게 증가해 왔습니다. 헬륨은 재생 불가능한 에너지원이므로, 생산국들은 헬륨의 지속적인 사용을 보장하기 위한 정책을 시행하고 있습니다. 일부 전문가들은 헬륨이 미래에 고갈될 것이라고 예측합니다.

이 산업은 수입과 수출 비중이 높습니다. 거의 모든 국가에서 헬륨을 사용하지만, 헬륨 매장량을 보유한 국가는 소수에 불과합니다.

헬륨은 활용 범위가 매우 넓으며 앞으로 더욱 많은 분야에서 사용될 것입니다. 천연자원의 희소성을 고려할 때, 헬륨 수요는 미래에 증가할 가능성이 높으며, 이에 따라 적절한 대체재가 필요합니다. 헬륨 가격은 2021년부터 2026년까지 지속적으로 상승하여 2020년 세제곱미터당 13.53달러에서 2027년 세제곱미터당 19.09달러에 이를 것으로 예상됩니다.

이 산업은 경제 및 정책의 영향을 받습니다. 세계 경제가 회복됨에 따라 환경 기준 개선에 대한 관심이 높아지고 있으며, 특히 인구가 많고 경제 성장 속도가 빠른 개발도상국에서 헬륨 수요가 증가할 것입니다.

현재 주요 글로벌 제조업체로는 Rasgas, Linde Group, Air Chemical, ExxonMobil, Air Liquide(독일), Gazprom(러시아) 등이 있습니다. 2020년에는 상위 6개 제조업체의 시장 점유율이 74%를 넘어설 것으로 예상됩니다. 향후 몇 년 동안 업계 경쟁은 더욱 치열해질 것으로 전망됩니다.

HL 극저온 장비

액체 헬륨 자원의 부족과 가격 상승으로 인해 액체 헬륨의 사용 및 운송 과정에서의 손실과 회수를 줄이는 것이 중요합니다.

1992년에 설립된 HL 극저온 장비는 HL 극저온 장비 유한회사(HL Cryogenic Equipment Co.,Ltd.)의 계열 브랜드입니다. HL 극저온 장비는 고객의 다양한 요구를 충족하기 위해 고진공 절연 극저온 배관 시스템 및 관련 지원 장비의 설계 및 제조에 전념하고 있습니다. 진공 절연 파이프와 연성 호스는 고진공 및 다층 다중 스크린 특수 절연 재료로 제작되며, 일련의 매우 엄격한 기술 처리 및 고진공 처리를 거쳐 액체 산소, 액체 질소, 액체 아르곤, 액체 수소, 액체 헬륨, 액화 에틸렌 가스(LEG) 및 액화 천연 가스(LNG) 이송에 사용됩니다.

HL 극저온 장비 회사의 진공 재킷 파이프, 진공 재킷 호스, 진공 재킷 밸브 및 상 분리기 제품군은 매우 엄격한 기술 처리를 거쳐 생산되며, 액체 산소, 액체 질소, 액체 아르곤, 액체 수소, 액체 헬륨, LEG 및 LNG 이송에 사용됩니다. 이러한 제품들은 공기 분리, 가스, 항공, 전자, 초전도체, 칩, 자동화 조립, 식품 및 음료, 제약, 병원, 바이오뱅크, 고무, 신소재 제조, 화학 공학, 철강 및 과학 연구 등 다양한 산업 분야의 극저온 장비(예: 극저온 탱크, 듀어, 콜드박스 등)에 사용됩니다.

HL 극저온 장비 회사는 Linde, Air Liquide, Air Products (AP), Praxair, Messer, BOC, Iwatani 및 Hangzhou Oxygen Plant Group (Hangyang) 등의 공인 공급업체/벤더가 되었습니다.