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아르곤

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목차

1. 개요

아르곤은 무색, 무취, 불연성의 비활성 기체로, 지구 대기 중 질소와 산소 다음으로 세 번째로 풍부하며, 다양한 산업 및 과학 분야에서 활용된다. 상온에서 안정적이며, 극저온에서 특정 화합물을 형성하기도 한다. 산업적으로는 불활성 환경을 조성하거나 용접, 레이저, 반도체 공정 등에 사용되며, 과학 연구에서는 연대 측정, 중성미자 실험 등에 활용된다. 대한민국에서는 에어프로덕츠코리아, 에어코리아, 대성산업가스 등에서 제조하며, 밀폐된 공간에서 산소 결핍으로 인한 질식의 위험이 있다.

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아르곤
기본 정보
이름아르곤
영어 이름Argon
그리스어 이름ἀργόν (아르곤), ἀργός (아르고스)
일본어 이름アルゴン (아루곤)
원자 기호Ar
원자 번호18
왼쪽 원소염소
오른쪽 원소칼륨
위쪽 원소네온
아래쪽 원소크립톤
족18
주기3
블록p
계열비활성 기체
외형무색 기체, 고압 전장 하에서 라일락/보라색 광채를 냄
아르곤 방전관
아르곤 방전관
아르곤 방전
아르곤 방전
아르곤 스펙트럼 선
아르곤 스펙트럼 선
물리적 성질
원자 질량39.948
전자 배열[Ne] 3s2 3p6
껍질 당 전자 수2, 8, 8
상기체
표준 온도 압력 밀도1.784 g/L
끓는점 밀도1.3954 g/cm³
녹는점-189.34 °C (83.81 K)
끓는점-185.848 °C (87.302 K)
삼중점83.8058 K, 68.89 kPa
임계점150.687 K, 4.863 MPa
융해열1.18 kJ/mol
기화열6.53 kJ/mol
열용량20.85 J/(mol·K)
증기압 (1 K)47
증기압 (10 K)53
증기압 (100 K)61
증기압 (1 kK)71
증기압 (10 kK)87
결정 구조면심 입방 구조
격자 상수a = 546.91 pm (삼중점)
원자적 성질
산화 상태0
전기 음성도자료 없음
이온화 에너지1520.6 kJ/mol
제2 이온화 에너지2665.8 kJ/mol
제3 이온화 에너지3931 kJ/mol
공유 반지름106±10 pm
반데르발스 반지름188 pm
자기 정렬반자성
기타 성질
전기 저항자료 없음
열전도율17.72×10⁻³ W/(m·K)
음속323 m/s (기체, 27 °C)
자기 감수율-19.6×10⁻⁶
CAS 등록 번호7440-37-1
동위 원소
안정 동위 원소질량수: 36
존재비: 0.337 %
중성자 수: 18
방사성 동위 원소질량수: 37
존재비: 합성
반감기: 35일
붕괴 방식: ε
붕괴 에너지: 0.813 MeV
붕괴 후 원소: Cl
안정 동위 원소질량수: 38
존재비: 0.063 %
중성자 수: 20
방사성 동위 원소질량수: 39
존재비: 미량
반감기: 269년
붕괴 방식: β⁻
붕괴 에너지: 0.565 MeV
붕괴 후 원소: K
안정 동위 원소질량수: 40
존재비: 99.600 %
중성자 수: 22
방사성 동위 원소질량수: 41
존재비: 합성
반감기: 109.34 분
붕괴 방식: β⁻
붕괴 에너지: 2.49 MeV
붕괴 후 원소: K
방사성 동위 원소질량수: 42
존재비: 합성
반감기: 32.9년
붕괴 방식: β⁻
붕괴 에너지: 0.600 MeV
붕괴 후 원소: K
발견 및 명명
발견자존 윌리엄 스트럿 레일리 경, 윌리엄 램지
발견일1894년

2. 특성

아르곤은 비활성 기체 중 하나로, 상온, 상압에서는 무색, 무취의 기체이다. 비활성 기체이기 때문에 불활성이며, 다른 원소와 결합하기 어렵다. 비중은 1.65 (고체), 1.39 (액체)이며, 공기에 대한 비중은 1.38이다.

1962년 이전에는 아르곤과 다른 비활성 기체가 화학적으로 불활성이며 화합물을 형성할 수 없다고 여겨졌지만, 그 이후로 더 무거운 비활성 기체의 화합물이 합성되었다. 1975년에 텅스텐 펜타카르보닐(W(CO)5Ar)을 포함하는 최초의 아르곤 화합물이 분리되었지만, 당시에는 널리 인식되지 않았다.[26] 2000년 8월, 헬싱키 대학교 연구원들은 소량의 플루오르화수소와 요오드화세슘이 포함된 고체 아르곤에 자외선을 쬐어 아르곤 플루오로하이드라이드(HArF)를 생성했다.[9][27] 이것은 17,000까지 안정적이다. 2010년에는 플루오린화 카르보닐 및 포스겐과 원자가 등전자인 메타 안정 이중 양이온이 관찰되었다.[28]

아르곤 수소화물(아르고늄) 이온 형태의 아르곤-36은 게성운 초신성과 관련된 성간 매질에서 발견되었는데, 이것은 우주 공간에서 최초로 발견된 비활성 기체 분자이다.[29]

고체 아르곤 수소화물(Ar(H2)2)은 MgZn2 라베스 상과 동일한 결정 구조를 가지고 있다. 이것은 4.3~220 GPa의 압력에서 형성되지만, 라만 측정 결과 Ar(H2)2의 H2 분자가 175 GPa 이상에서 해리되는 것으로 나타났다.[30]

2. 1. 안정성

아르곤은 고체, 액체, 기체 상태에서 모두 무색, 무취인 불연성 기체이다. 물에 대한 용해도는 산소와 비슷하며, 질소보다는 약 2.5배가량 더 용해된다.[7] 대부분의 경우 화학적으로 매우 안정하여 화합물을 형성하지 않는다. 그러나 극저온에서는 일부 아르곤 화합물이 관찰된 적이 있다. 2000년 핀란드 헬싱키 대학에서 발견된 아르곤 플루오로하이드라이드(HArF)가 대표적이다.[8][9] 반응성이 큰 플루오린과 염소와도 결합을 잘 하지 못한다고 알려져 있었으나, 물 분자들 사이에 들어가 결합할 수 있다는 사실이 알려졌다.[10]

급속히 녹고 있는 고체 아르곤 조각


아르곤은 비활성 기체이지만, 다양한 극한 조건에서는 일부 화합물을 형성할 수 있다. 17,000 이하의 온도에서 안정적인 아르곤 플루오로하이드라이드(HArF)가 확인되었다. 아르곤의 중성 기저 상태 화학 화합물은 현재 HArF로 제한되지만, 아르곤 원자가 물 분자 격자에 갇히면 물과 클래스레이트를 형성할 수 있다. ArH+ 와 같은 이온과 ArF와 같은 여기 상태 복합체가 확인되었다. 이론적 계산에 따르면 더욱 안정적인 몇 가지 아르곤 화합물이 예측되지만, 아직 합성되지 않았다.[11]

이름에서 알 수 있듯이, 아르곤은 화학 반응을 거의 일으키지 않는 원소이다. 최외각 전자가 8개로 옥텟 규칙을 만족하므로, 아르곤은 안정적이며 다른 원소와 결합하기 어렵다. 삼중점은 83.8058 K이며, 이는 1990년 국제온도눈금(ITS-90)의 정의 고정점으로 채택되었다.[54] 고체 상태에서의 안정적인 구조는 면심입방구조(FCC)이다.

2. 2. 물리적 특성

아르곤은 고체, 액체, 기체 상태 모두 무색, 무취인 불연성 기체이다. 물에 대한 용해도는 산소와 비슷하며, 질소보다는 약 2.5배가량 더 용해된다.[7] 대부분의 경우 화학적으로 매우 안정하여 화합물을 형성하지 않는다. 그러나 극저온에서는 일부 아르곤 화합물이 관찰된 적이 있다. 2000년 핀란드 헬싱키 대학에서 발견된 아르곤 플루오로하이드라이드(HArF)가 대표적이다.[8][9] 반응성이 큰 플루오린과 염소와도 결합을 잘 하지 못한다고 알려져 있었으나, 물 분자들 사이에 들어가 결합할 수 있다는 사실이 알려졌다.[10]

아르곤은 비활성 기체 중 하나로, 상온, 상압에서는 무색, 무취의 기체이다. 비활성 기체이기 때문에 불활성이며, 다른 원소와 결합하기 어렵다. 삼중점은 83.8058 K이며, 이는 1990년 국제온도눈금(ITS-90)의 정의 고정점으로 채택되었다.[54] 비중은 1.65 (고체), 1.39 (액체), 공기에 대한 비중은 1.38이다. 고체 상태에서의 안정적인 구조는 면심입방구조(FCC)이다.

3. 역사

아르곤은 1785년 헨리 캐번디시가 공기 중에 전류를 흘려 질산을 생성시키는 실험에서 처음으로 그 존재가 알려졌다. 그는 실험 과정에서 소량의 기체가 반응하지 않고 남아있는 것을 관찰했다.[14] 1882년에는 두 과학자가 공기 중 원소의 스펙트럼 분석 중 새로운 선 스펙트럼을 발견했지만, 어떤 원소에 의한 것인지는 밝혀내지 못했다.[17]

1892년에 레일리 경은 대기 분석 과정에서 알려지지 않은 기체를 발견하였고, 1894년에 윌리엄 램지와 함께 그 정체가 아르곤임을 밝혀냈다.[57] 레일리 경은 “공기에서 산소, 이산화탄소, 수증기 등을 제거하고 만든 질소”와 “산화질소와 같은 질소 화합물에서 만든 질소”의 무게가 약간 다르다는 사실을 발견했다. 레일리 경과 램지는 “공기에서 얻은 질소에는 아주 적지만 어떤 약품과도 반응하지 않는 기체가 있다”는 결론을 내렸다.[58] 이후 램지는 아르곤 외에도 네온, 크립톤과 같은 다른 비활성 기체가 존재한다는 것을 발견하고 공기 중에서 분리해냈다.[58] 이 발견으로 멘델레예프의 주기율표에는 0족 원소가 추가되었다.[53]

1957년까지 아르곤의 원소 기호는 'A'였으나, 국제 순수 및 응용 화학 연합의 결정에 따라 'Ar'로 변경되었다.[18]

3. 1. 초기 발견

아르곤은 '비활성'을 뜻하는 그리스어 'ἀργόν'에서 유래되었다. 1785년 헨리 캐번디시는 공기 중에 반응성이 없는 기체가 있을 것이라고 추측했다.[14]

1894년 레일리 경과 윌리엄 램지는 런던 대학교 유니버시티 칼리지에서 공기 시료에서 산소, 이산화탄소, 물, 질소를 제거하는 실험을 통해 아르곤을 처음으로 분리해냈다.[15] 이들은 헨리 캐번디시의 실험을 재현하여, 묽은 알칼리 용액(B) 위에 거꾸로 된 시험관(A)에 공기와 산소 혼합물을 가두고 전류를 흘려보내는 방식으로 실험을 진행했다. 알칼리는 질소 산화물과 이산화탄소를 흡수했고, 일정 시간 후 기체의 부피 감소가 멈추고 질소의 스펙트럼 선이 사라지면 남은 기체를 알칼리성 피로갈롤레이트와 반응시켜 비활성 기체인 아르곤을 분리했다.

1899년 ''바니티 페어''에 실린 레일리 경의 캐리커처 (제목: 아르곤)


기체 분리 전, 레일리 경과 램지는 화합물에서 생성된 질소가 대기 중의 질소보다 0.5% 가벼운 것을 확인했다. 이들은 이 차이를 통해 공기 중에 다른 기체가 섞여 있다고 결론지었다.[16] 1882년 H. F. 뉴올과 W. N. 하틀리도 공기의 방출 스펙트럼에서 새로운 선들을 관찰하여 아르곤의 존재를 독립적으로 발견했다.[17]

1957년 이전에는 아르곤의 기호가 "A"였으나, 이후 Ar로 변경되었다.[18]

3. 2. 분리 및 규명

아르곤은 그리스어로 '비활성'을 뜻하는 αργον에서 이름이 붙여졌다. 1785년 헨리 캐번디시는 공기 중에 전류를 흘려 질산을 생성시키는 실험을 하였는데, 이 과정에서 소량의 기체가 반응하지 않고 남아있는 것을 관찰했다.[14] 1882년 두 과학자가 독자적으로 공기 중에 포함된 원소의 스펙트럼 분석 중 새로운 선 스펙트럼이 존재한다는 사실을 발견하였으나, 어떤 원소에 의한 것인지는 설명하지 못했다.[17]

이후 1894년 레일리 경과 윌리엄 램지는 순수한 질소 기체와 공기 중의 질소 기체 사이에 약 0.5% 정도의 질량 차이가 존재한다는 사실을 발견하고 다른 원소가 섞여있을 것이라고 예측했다.[16] 그들은 런던대학교 UCL에서 불순물을 제거한 공기를 액화시킨 후 이를 분별 증류하여 아르곤을 순수한 상태로 분리하였다.[15]

레일리 경과 램지는 헨리 캐번디시의 실험을 재현하였는데, 대량의 묽은 알칼리 용액(B) 위에 거꾸로 된 시험관(A)에 대기 중의 공기와 추가 산소의 혼합물을 가두고, U자형 유리관(CC)으로 절연된 전선을 통해 전류를 통과시켰다. 알칼리는 아크에 의해 생성된 질소 산화물과 이산화탄소도 흡수했다. 그들은 적어도 1~2시간 동안 기체의 부피 감소가 더 이상 관찰되지 않고 기체를 검사했을 때 질소의 스펙트럼 선이 사라질 때까지 아크를 작동시켰다. 남은 산소는 알칼리성 피로갈롤레이트와 반응시켜 명백히 비활성인 기체를 남겼고, 그들은 이 기체를 아르곤이라고 불렀다.

1904년 레일리 경은 "기체의 밀도에 관한 연구, 그리고 이 연구를 통해 이루어진 아르곤의 발견"으로 노벨 물리학상을, 윌리엄 램지는 "공기 중의 비활성 기체 원소의 발견과 주기율표에서의 위치 결정"으로 노벨 화학상을 각각 수상했다.

1957년 이전에는 아르곤의 기호가 "A"였다. 1957년 국제 순수 및 응용 화학 연합이 ''무기 화학 명명법''을 발표한 후 Ar로 변경되었다.[18]

3. 3. 노벨상 수상

레일리 경은 "기체의 밀도에 관한 연구, 그리고 이 연구를 통해 이루어진 아르곤의 발견"으로 노벨 물리학상을, 윌리엄 램지는 "공기 중의 비활성 기체 원소의 발견과 주기율표에서의 위치 결정"으로 노벨 화학상을 각각 수상했다.[57][58][53]

4. 존재

아르곤은 지구 대기 중에 부피로는 약 0.934%, 질량으로는 약 1.288%가 포함되어 있어 질소, 산소 다음으로 세 번째로 많은 기체이다.[19] 지각 속에는 1.2ppm, 해수 속에는 0.45ppm 정도 포함되어 있다.[21]

공기는 정제된 아르곤의 주요 산업적 공급원이며,[20] 공기의 분별 증류, 그중에서도 극저온 분별 증류법을 통해 주로 분리된다. 이 과정에서 정제된 질소, 산소, 네온, 크립톤, 크세논도 함께 생산된다.[20]

18족 원소(비활성 기체) 중에서는 공기 중에 가장 많은 양이 존재한다. 이는 자연, 특히 암석 속에 존재했던 칼륨-40의 일부(11%)가 전자 포획을 통해 아르곤-40으로 변했기 때문이다. 이 때문에 지구와 화성 같은 암석형 행성 대기 중에서는 아르곤-40의 동위 원소 비율이 압도적으로 큰 반면, 태양 대기 중에서는 아르곤-36 동위 원소가 대부분을 차지한다.[52]

4. 1. 동위 원소

지구상에 존재하는 아르곤은 대부분 아르곤-40(99.6%)이며, 아르곤-36과 아르곤-38도 미량 존재한다. 자연 상태에서 칼륨-40은 베타 붕괴를 통해 11.2%가 아르곤-40으로 변한다. 이러한 성질은 칼륨-아르곤 연대 측정법에 사용되어 암석의 연대를 측정하는 데 이용된다.

아르곤의 동위 원소 존재 비율은 태양계 내 행성에 따라 다르다. 지구형 행성에서는 암석 속 칼륨-40이 베타 붕괴하여 생성된 아르곤-40이 대부분이지만, 목성형 행성에서는 항성의 핵융합으로 생성된 아르곤-36이 대부분이다.

지구 대기 중에서는 우주선 활동으로 39Ar이 생성되는데, 주로 40Ar의 중성자 포획 후 두 개의 중성자 방출을 통해 생성된다. 지하 환경에서는 39K의 중성자 포획 후 양성자 방출을 통해서도 생성된다. 37Ar은 지하 핵폭발의 결과로 40Ca의 중성자 포획 후 알파 입자 방출을 통해 생성되며, 반감기는 35일이다.[22]

화성, 수성, 타이탄(토성의 가장 큰 위성)의 대기에도 주로 40Ar 형태의 아르곤이 포함되어 있다.[25]

방사성 생성 40Ar의 우세는 지구상 아르곤의 표준 원자량이 다음 원소인 칼륨보다 크다는 이유이며, 아르곤이 발견되었을 때는 수수께끼였다. 멘델레예프는 주기율표에서 원자량 순서대로 원소들을 배열했지만, 아르곤의 불활성은 반응성이 있는 알칼리 금속보다 ''앞에'' 배치되어야 함을 시사했다. 헨리 모즐리는 나중에 주기율표가 실제로 원자 번호 순서대로 배열되어 있음을 보임으로써 이 문제를 해결했다(주기율표의 역사 참조).

4. 1. 1. 아르곤-아르곤 연대 측정

아르곤-아르곤 연대 측정 또는 40Ar/39Ar 연대 측정은 아르곤 동위 원소를 이용하여 암석의 연대를 측정하는 방법이다. 기존의 칼륨-아르곤 연대 측정법이 가지고 있는 여러 가지 약점들을 보완할 수 있으며 시료의 불균질성 문제를 해결할 수 있고 과잉 또는 손실 Ar에 관한 정보를 제공해 줄 수 있는 등 많은 장점을 가지고 있다.[61]

4. 2. 태양계 내 존재

지구상에 존재하는 아르곤의 대부분은 아르곤-40(존재 비율 99.6%)이며, 이외에 아르곤-36, 아르곤-38 등이 미량 존재한다. 태양계 내에서도 행성에 따라 동위 원소의 존재 비율이 다른데, 지구형 행성의 경우에는 암석 속의 칼륨-40이 베타 붕괴하여 생성된 아르곤-40이 대부분인 반면, 목성형 행성에서는 항성의 핵융합으로 생성된 아르곤-36이 대부분이기 때문이다.[24]

태양 아르곤은 (태양풍 측정에 따르면) 84.6%의 36Ar을 함유하고 있으며,[23] 외행성 대기에서 세 동위원소 36Ar : 38Ar : 40Ar의 비율은 8400 : 1600 : 1이다.[24] 화성, 수성, 타이탄(토성의 가장 큰 위성)의 대기에는 주로 40Ar 형태의 아르곤이 포함되어 있다.[25]

5. 화합물

아르곤은 고체, 액체, 기체 상태 모두 무색, 무취인 불연성 기체이다. 물에 대한 용해도는 산소와 비슷하며, 질소보다는 약 2.5배가량 더 용해된다. 대부분의 경우 화학적으로 매우 안정하여 화합물을 형성하지 않는다. 그러나 극저온에서는 일부 아르곤 화합물이 관찰된 적이 있다.

아르곤은 비활성 기체이지만, 다양한 극한 조건에서는 일부 화합물을 형성할 수 있다. 아르곤 원자가 물 분자 격자에 갇히면 물과 클래스레이트를 형성할 수 있다.[10] 와 같은 이온과 ArF와 같은 여기 상태 복합체가 확인되었다. 이론적 계산에 따르면 더욱 안정적인 몇 가지 아르곤 화합물이 예측되지만,[11] 아직 합성되지 않았다.

메타 안정 이중 양이온은 2010년에 관찰되었는데, 이것은 플루오린화 카르보닐 및 포스겐과 원자가 등전자이다.[28] 아르고늄(아르곤 수소화물 이온) 형태의 아르곤-36은 게성운(Crab Nebula) 초신성과 관련된 성간 매질에서 발견되었는데, 이것은 비활성 기체 분자가 우주 공간에서 최초로 발견된 것이다.[29]

고체 아르곤 수소화물(Ar(H2)2)은 MgZn2 라베스 상과 동일한 결정 구조를 가지고 있다. 이것은 4.3~220 GPa의 압력에서 형성되지만, 라만 측정 결과 Ar(H2)2의 H2 분자가 175 GPa 이상에서 해리되는 것으로 나타났다.[30]

5. 1. 플루오로하이드라이드

아르곤은 완전한 8전자 규칙을 만족하는 전자 배치를 가지고 있으며, 가득 찬 s 및 p 부껍질을 갖는다. 이러한 완전한 원자가 껍질은 아르곤을 매우 안정적으로 만들고 다른 원소와의 결합에 매우 저항력이 있게 한다. 1962년 이전에는 아르곤과 다른 비활성 기체가 화학적으로 불활성이며 화합물을 형성할 수 없다고 여겨졌지만, 그 이후로 더 무거운 비활성 기체의 화합물이 합성되었다. 2000년 8월, 헬싱키 대학교 연구원들은 소량의 플루오르화수소와 요오드화세슘이 포함된 고체 아르곤에 자외선을 쬐어 아르곤 플루오로히드라이드(HArF)를 생성했다.[9][27] 이것은 17 켈빈(-256 °C)까지 안정적이다.

공간 채움 모형의 아르곤 플루오로히드라이드


2000년 핀란드 연구진에 의해 최초의 아르곤 화합물인 플루오로히드리도아르곤(HArF)의 합성이 발표되었다. 이는 아르곤과 플루오르화수소, 요오드화세슘을 혼합하여 7.5 켈빈(K)에서 자외선을 조사함으로써 합성되었다.[59]

6. 제조 방법

아르곤은 주로 초저온냉동공학을 이용한 공기분리공장에서 생산된다. 공기분리공장에서는 공기 중에 존재하는 질소와 산소를 액화시켜 끓는점 차를 이용하여 분리하는데, 아르곤은 산소와 끓는점이 유사하여 액체산소의 상위층에 많이 분포한다. 따라서 액체산소의 상위층을 별도의 분별 증류를 이용하여 농축시켜 아르곤을 얻는다. 이러한 방식으로 매년 전 세계에서 70만 톤의 아르곤이 생산된다.[21][31]

7. 용도

아르곤은 다양한 특성으로 인해 여러 분야에서 활용된다.


  • 산업: 고온에서도 안정적인 1원자 물질이라는 특성 덕분에 질소가 불안정한 고온 환경에서 비활성 기체가 필요한 곳에 많이 사용된다. 고급 제강 제조, TIG 및 MIG 용접 시 불활성 가스로 쓰이며, 네온과 함께 PDP (플라스마 액정 표시장치) 내 플라스마 형성에 사용된다. 백열등 내부 텅스텐 필라멘트의 산화 방지, 반도체, LCD 제조 공정에서 ArF(플루오르화 아르곤) 포토레지스트 및 광원 제조에도 사용된다.[54]
  • 의료: 청록색 아르곤 레이저는 종양 제거 등의 목적으로 이용된다.
  • 과학 연구: 반감기가 269년인 아르곤-39는 빙하나 지하수의 연대를 측정하는 데 사용된다. 암석 연대 측정에는 칼륨-아르곤 연대측정법이 사용되며, 암석이 마지막으로 가열된 시점을 파악할 수 있다.[55]
  • 보존: 포장재 내의 산소와 수분을 함유한 공기를 대체하여 내용물의 유통기한을 연장하는 데 사용된다.
  • 조명: 백열등에는 아르곤이 채워져 있어 고온에서 필라멘트가 산화되는 것을 방지한다.
  • 기타: 테크니컬 다이빙에서 드라이슈트용 가스나 혼합 가스로 사용된다.


소방 설비에 사용되는 아르곤 가스 실린더

7. 1. 산업 분야

아르곤은 고온에서 안정적인 1원자 물질로, 질소가 불안정한 고온 환경에서 비활성 기체가 필요한 다양한 산업 분야에 사용된다. 고급 제강 제조, TIG 및 MIG 용접 시 불활성 가스로 활용되며, 네온과 함께 PDP (플라스마 액정 표시장치) 내 플라스마 형성에 사용된다. 백열등 내부 텅스텐 필라멘트의 산화 방지, 반도체 및 LCD 제조 공정에서 ArF(플루오르화 아르곤) 포토레지스트 및 광원 제조에도 사용된다.

아르곤은 다음과 같은 특징을 지닌다.

  • 화학적 비활성 기체
  • 질소 비활성이 충분하지 않을 때 저렴한 대안
  • 낮은 열전도율
  • 일부 응용 분야에 적합한 전기적 특성 (이온화/방출 스펙트럼)


다른 희유 기체도 유사하게 사용 가능하지만, 아르곤은 액체 산소 및 액체 질소 생산 시 극저온 공기 분리 부산물로 쉽게 얻을 수 있어 가장 저렴하다.

고온 산업 공정에서 아르곤은 물질의 반응성을 억제하는 데 사용된다. 흑연 전기로에서 흑연 연소 방지, 아크 용접(가스 금속 아크 용접, 가스 텅스텐 아크 용접) 및 티타늄 등 반응성 원소 처리에 사용된다. 실리콘, 저마늄 결정 성장에도 활용된다.

가금류 산업에서는 질병 발생 후 대량 도태 또는 인도적 도축 수단으로 조류를 질식시키는 데 사용된다. 아르곤은 공기보다 밀도가 높아 지표면 근처 산소를 대체하며,[32] 비반응성 특성으로 식품에 적합하고, 죽은 조류 내 산소를 대체하여 유통 기한을 연장한다.[33]

물이나 거품으로 손상될 수 있는 장비 보호를 위해 화재 진압에도 사용된다.[34]

산업적으로는 제강, 용접, 실리콘 제조에 사용되며,[54] 수은등, 형광등, 전구, 진공관 등의 충전 가스, 아르곤 레이저, 아크 용접 보호 가스, 티타늄 정련, 식품 산화 방지용 충전 가스 등으로 이용된다. 분석화학에서는 ICP(유도결합플라즈마) 플라스마용 가스, 가스크로마토그래피 이동상으로 사용된다. 테크니컬 다이빙에서는 드라이슈트용 가스나 혼합 가스로 사용된다.

암석 연대 측정에는 칼륨-아르곤 연대측정법이 사용되며, 암석이 마지막으로 가열된 시점을 파악할 수 있다.[55] 수천만 년에서 수십억 년 전까지 연대 추정이 가능하다. 단, 초기40Ar/36Ar 비율이 대기 아르곤 값(295.5)과 같고,[55] 용암 냉각 후 암석 샘플의 폐쇄계가 유지되어 칼륨 및 아르곤 출입이 없어야 한다.[55] 실제로는 초기값 보정이 필요하다.[56]

7. 2. 과학 연구

아르곤은 고온에서 질소가 불안정한 것과 달리, 1원자 물질로서 고온에서도 안정적이다. 이러한 특성 덕분에 고온에서 비활성 기체가 필요한 다양한 과학 연구 및 산업 분야에 활용된다.

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  • 금속 연구:
  • 슐렌크 라인과 글러브박스 내에서 불활성 기체로 사용된다. 질소가 반응을 일으킬 수 있는 경우에 아르곤이 저렴한 대안으로 사용된다.
  • 스웨덴 링셰핑 대학교에서는 진공 챔버에서 아르곤 플라즈마를 이용하여 금속 필름을 이온화하는 연구가 진행되고 있다.[37] 이 공정은 컴퓨터 프로세서 제조에 사용될 수 있으며, 화학 용액, 유해 물질, 희귀 재료 사용을 줄일 수 있다.

  • 암흑 물질 및 중성미자 연구:
  • 액체 아르곤은 중성미자 실험 및 암흑 물질 직접 탐색의 표적으로 사용된다.
  • 가상의 약하게 상호 작용하는 무거운 입자(WIMP)와 아르곤 원자핵 사이의 상호 작용은 광전자 증배관으로 검출되는 신틸레이션(섬광) 빛을 생성한다.[35]
  • 아르곤 가스를 포함하는 2상 검출기는 WIMP-원자핵 산란 중에 생성된 이온화된 전자를 검출하는 데 사용된다.
  • 아르곤은 높은 신틸레이션 광 수율(약 51 광자/keV)을 가지며, 자체 신틸레이션 광에 대해 투명하고, 비교적 정제가 용이하다.[35]
  • 크세논과 비교하여 아르곤은 더 저렴하며 뚜렷한 신틸레이션 시간 프로파일을 가지고 있어 전자 반발을 핵 반발로부터 분리할 수 있다.
  • 지하에서 채취한 아르곤은 오염이 훨씬 적다.[36]
  • 현재 액체 아르곤을 사용하고 있는 암흑 물질 검출기에는 DarkSide, WArP, ArDM, microCLEAN 및 DEAP가 있다.
  • 중성미자 실험에는 ICARUS와 MicroBooNE이 있으며, 고순도 액체 아르곤을 시간 투영 챔버에서 사용하여 중성미자 상호 작용의 세밀한 3차원 이미징을 수행한다.

  • 레이저 및 기타 연구:
  • 청록색 아르곤 레이저는 종양 제거 등의 의료 목적으로 이용된다.
  • 반감기가 269년인 아르곤-39는 빙하나 지하수의 연대를 측정하는데 사용된다.
  • 가스크로마토그래피의 운반 기체, 전자분무 이온화 질량 분석법에 사용된다.
  • ICP 분광법에 사용되는 플라즈마에 아르곤이 최적의 기체이다.
  • 주사 전자 현미경을 위한 시료의 스퍼터 코팅에도 아르곤이 선호된다.
  • 아르곤 가스는 마이크로일렉트로닉스에서와 같이 박막의 스퍼터 증착과 미세가공에서의 웨이퍼 세척에도 일반적으로 사용된다.
  • 암석의 연대 측정에 칼륨-아르곤(K-Ar) 법으로 사용되며, 암석이 마지막으로 가열된 이후의 연대를 구할 수 있다.[55] 수천만 년 전부터 수십억 년 전까지의 폭넓은 연대 추정이 가능하다.

7. 3. 보존

아르곤은 화학적으로 비활성 기체이며, 질소가 충분히 비활성이 아닐 때 가장 저렴한 대안이다. 열전도율이 낮고, 일부 응용 분야에 바람직한 전기적 특성(이온화 및/또는 방출 스펙트럼)을 가지고 있다.[38] 다른 희유 기체들도 이러한 특성을 가지지만, 아르곤은 공기 중에 자연적으로 존재하며 액체 산소와 액체 질소 생산 시 극저온 공기 분리의 부산물로 쉽게 얻을 수 있기 때문에 가장 저렴하다.

이러한 특성으로 인해 아르곤은 다양한 분야에서 활용된다.

  • 보존제: 포장재 내의 산소와 수분을 함유한 공기를 대체하여 내용물의 유통기한을 연장하는 데 사용된다. (유럽 식품 첨가물 코드: E938)[38] 제품을 변질시키는 산화, 가수분해 및 기타 화학 반응을 지연시키거나 방지한다. 고순도 화학 물질과 의약품도 아르곤 속에 포장되어 밀봉된다.[38]
  • 와인 제조: 와인 제조에서 액체 표면에서 산소에 대한 장벽을 제공하여 와인이 미생물 대사 (초산균 등)와 산화환원 화학 반응으로 손상되는 것을 막는다.
  • 에어로졸 및 기타 제품 보존: 에어로졸 캔의 추진제로 사용되며, 바니시, 폴리우레탄, 페인트와 같은 제품의 용기를 보관할 때 공기를 대체하여 제품을 보존한다.[39]
  • 문서 보관: 2002년 이후 미국 국립 기록 보관소는 독립 선언서와 헌법과 같은 중요한 국가 문서를 아르곤으로 채워진 용기에 보관하여 변질을 억제한다. 이는 헬륨이 용기의 분자 간 기공을 통해 빠져나가 정기적으로 교체해야 하는 문제를 해결한다.[40]
  • 산업적 이용: 반응성이 낮은 특성을 이용한 불활성 기체로서 제강, 용접, 실리콘 제조에 사용된다.[54] 수은등, 형광등, 전구, 진공관 등의 충전 가스, 아르곤 레이저, 아크 용접 시의 보호 가스, 티타늄 정련, 티타늄 함유 납땜, 식품의 산화 방지용 충전 가스 등에도 이용된다.
  • 분석화학: 분석화학 분야에서는 ICP(유도결합플라즈마)의 플라즈마용 가스나, 가스크로마토그래피를 수행할 때의 이동상으로 이용한다.
  • 테크니컬 다이빙: 테크니컬 다이빙에서 드라이슈트용 가스나 혼합 가스로 사용된다.
  • 연대 측정: 암석의 연대 측정에 칼륨-아르곤(K-Ar) 법으로 사용되며, 암석이 마지막으로 가열된 이후의 연대를 구할 수 있다.[55] 수천만 년 전부터 수십억 년 전까지의 폭넓은 연대 추정이 가능하다. 다만, 초기값 보정이 필요하다.[56]


공기와의 반응을 막기 위해 아르곤 속에 보관된 세슘(caesium) 샘플


7. 4. 의료

냉동수술 절차에서는 액체 아르곤을 사용하여 암세포와 같은 조직을 파괴한다. 이는 아르곤 증강 응고술이라고 하는 아르곤 플라즈마 토치(plasma beam) 전기수술의 한 형태로 사용되는데, 이 절차는 기체색전증을 유발할 위험이 있으며 적어도 한 명의 환자 사망으로 이어진 경우가 있다.[41]

푸른색 아르곤 레이저는 수술에서 동맥을 용접하고, 종양을 파괴하며, 안과적 결함을 교정하는 데 사용된다.[21]

아르곤은 혈액에서 용해된 질소를 제거하는 속도를 높이기 위해 아르고스(Argox)로 알려진 호흡 또는 감압 혼합물에서 질소를 대체하는 실험적 용도로도 사용되어 왔다.[42]

7. 5. 조명

백열등에는 아르곤이 채워져 있어 고온에서 필라멘트가 산화되는 것을 방지한다. 아르곤은 특정 방식으로 이온화되어 빛을 방출하는데, 이는 플라스마 구나 실험적인 입자 물리학의 열량 측정 등에 사용된다. 순수한 아르곤으로 채워진 기체 방전등은 연보라색/보라색 빛을 내고, 아르곤과 수은을 함께 사용하면 파란색 빛을 낸다. 아르곤은 파란색과 녹색 아르곤 이온 레이저에도 사용된다.[54] 수은등, 형광등, 전구, 진공관 등의 충전 가스로도 이용된다.[54]

7. 6. 기타

아르곤은 고온에서 2원자 분자인 질소와 달리 1원자 분자이므로 안정적이다. 따라서 고온에서 비활성 기체가 필요한 다양한 분야에 활용된다.
아르곤의 활용 분야:
아르곤의 특성:

다른 희유 기체도 유사하게 사용 가능하나, 아르곤은 공기 중에 자연적으로 존재하며 액체 산소, 액체 질소 생산 시 극저온 공기 분리 부산물로 얻을 수 있어 훨씬 저렴하다.
참고:

  • 2004년 일본 아르곤 생산량: 219461000m3 (약 40만 톤), 산업 소비량: 38348000m3[54]
  • 2005년 일본공업규격(JIS K 1105) 개정, 순도 향상
  • 아르곤, 크세논 : 운동선수 저산소증 상태 시뮬레이션 도핑 약물, 세계반도핑기구(WADA) 금지 물질 (2014년), 현재 남용 검사법 없음[46]

8. 대한민국 내 제조 회사 및 시장 상황

에어프로덕츠코리아, 에어코리아, 대성산업가스, BOC 코리아, 프락스에어 코리아 등에서 주로 고압가스 및 특수고압가스 형태로 아르곤을 제조, 공급한다.[1] 최근에는 수요처에 직접 공장을 설립하여 파이프라인을 통해 공급하는 온사이트(On-site) 방식이 활성화되는 추세이다.[1]

9. 위험성

아르곤은 독성이 없지만, 공기보다 무겁고 바닥에 가라앉는 특성이 있다. 따라서 밀폐된 공간에서 아르곤이 누출되면 산소 결핍으로 인한 질식을 유발할 수 있다.[47]

아르곤은 무독성이지만 공기보다 밀도가 38% 높아 밀폐된 공간에서는 위험한 질식성 가스로 간주된다. 색깔, 냄새, 맛이 없기 때문에 알아차리기 어렵다. 1994년 알래스카에서 건설 중인 석유 파이프에 아르곤으로 채워진 구역에 들어간 한 남성이 질식사한 사건은 밀폐된 공간에서 아르곤 탱크 누출의 위험성과 적절한 사용, 보관 및 취급의 필요성을 보여준다.[47]

참조

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