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헬륨

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목차

1. 개요

헬륨은 원자 번호 2번의 화학 원소로, 기호는 He이다. 우주에서 수소 다음으로 풍부하며, 무색, 무취, 무미의 비활성 기체이다. 헬륨은 1868년 태양의 스펙트럼에서 처음 발견되었고, 1895년 지구에서 분리되었다. 헬륨은 극저온 냉각제, 비행선, 풍선, 용접, MRI 스캐너, 가스크로마토그래피, 핵융합 연구 등 다양한 용도로 사용된다. 헬륨은 무독성이지만, 과도한 흡입은 질식을 유발할 수 있으며, 고압으로 흡입할 경우 폐 파열의 위험이 있다.

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헬륨
기본 정보
헬륨 방전관
헬륨 방전관
원소 이름헬륨
원소 기호He
원자 번호2
왼쪽 원소수소
오른쪽 원소리튬
위쪽 원소–
아래쪽 원소Ne
겉모습무색 기체, 전기장 내에서 회색의 흐린 빛(또는 특히 높은 전압을 사용할 경우 적등색)을 띔
물리적 성질
전자 껍질 당 전자 수2
상태기체
밀도 (표준 온도 압력)0.1786 g/L
밀도 (끓는점)0.125 g/cm³
끓는점4.222 K (−268.928 °C, −452.070 °F)
삼중점2.177 K, 5.043 kPa
임계점5.1953 K, 0.22746 MPa
융해열0.0138 kJ/mol
기화열0.0829 kJ/mol
열용량20.78 J/(mol·K)
증기압 (100 K)1.23 kPa
증기압 (1 kK)1.67 kPa
증기압 (10 kK)2.48 kPa
증기압 (100 kK)4.21 kPa
증기압 설명(국제 온도 척도 ITS-90에 의해 정의됨)
결정 구조육방 조밀 격자
전기 음성도자료 없음
이온화 에너지 개수2
첫 번째 이온화 에너지2372.3 kJ/mol
두 번째 이온화 에너지5250.5 kJ/mol
공유 반지름28 pm
반데르발스 반지름140 pm
자기 정렬반자성
열전도율0.1513 W/(m·K)
음속972 m/s
자기 감수율-1.88 x 10^-6 (298 K)
화학적 성질
산화 상태0
동위 원소
동위 원소3He: 0.000137%
4He: 99.999863%
동위 원소 주석*대기 중 값이며, 다른 곳에서는 존재비가 다를 수 있음.
기타 정보
CAS 등록 번호7440-59-7
명명 유래헬리오스, 태양의 그리스 신
발견노먼 로크이어
발견 날짜1868
첫 분리윌리엄 램지, 페르 테오도르 클레브, 아브라함 랑글레
첫 분리 날짜1895
스펙트럼 정보
헬륨 스펙트럼
헬륨의 스펙트럼

2. 역사

노먼 로커(Norman Lockyer)와 에드워드 프랭클랜드](Edward Frankland)는 헬륨을

2. 1. 과학적 발견

1868년 개기일식 때, 프랑스 천문학자 피에르 얀센은 인도 군투르에서 태양의 채층 스펙트럼을 관측하던 중, 587.49 나노미터 파장의 밝은 노란색 선을 발견했다.[23][108] 이 선은 처음에는 나트륨으로 추정되었으나, 같은 해 노먼 로키어가 태양 스펙트럼에서 노란색 선(D₃)을 관측하고, 이것이 지구상에 알려지지 않은 태양 속 원소 때문이라고 결론지었다.[24][25] 로키어는 태양을 뜻하는 그리스어 ἥλιος (''헬리오스'')를 따서 이 원소의 이름을 지었다.[26][27]

헬륨의 스펙트럼선


1881년, 이탈리아 물리학자 루이지 팔미에리는 베수비오 화산 폭발 물질 분석 중 D₃ 스펙트럼 선을 통해 지구상에서 처음으로 헬륨을 검출했다.[29]

지구상 헬륨 발견자인 윌리엄 램지 경


upright


1895년, 윌리엄 램지는 클레바이트를 황산으로 처리하여 헬륨을 분리하고, D₃ 선과 일치하는 밝은 노란색 선을 발견했다.[25][31][32][33] 페르 테오도르 클레베와 아브라함 랑글레도 헬륨을 분리하여 원자량을 측정했다.[36][37][108][38]

1907년, 어니스트 러더퍼드와 토마스 로이드는 알파 입자가 헬륨 원자핵임을 증명했다.[41] 1908년, 하이케 카메를링 오너스는 헬륨을 액화했고,[42][43] 1926년 빌렘 헨드릭 케솜은 헬륨 고체화에 성공했다.[44][45]

1913년, 닐스 보어는 원자 모형을 통해 피커링-파울러 계열이 이온화된 헬륨(He⁺)에 의한 것임을 밝혔다.[48][49][1][59]

1938년, 표트르 레오니도비치 카피차는 헬륨-4의 초유체 현상을 발견했고,[60] 1972년 더글러스 더글러스 오셔로프, 데이비드 엠 리, 로버트 콜먼 리처드슨은 헬륨-3의 초유체 현상을 발견했다.[61]

1961년, 비그노스와 페어뱅크는 고체 헬륨-4의 감마 상 존재를 보고했다.[62]

2. 2. 추출 및 이용

캔자스주 덱스터 근처에서 발견된 대규모 헬륨 매장지를 알리는 역사적 표지


1903년 캔자스주 덱스터에서 시추 작업 중 불에 타지 않는 가스 간헐천이 분출되자, 캔자스 주 지질학자 에라스무스 호스는 분출되는 가스 샘플을 캔자스 대학교로 가져갔다. 화학자 해밀턴 케이디와 데이비드 맥퍼랜드는 가스 성분이 부피 기준으로 질소 72%, 메탄 15%(충분한 산소가 있어야 가연성이지만), 수소 1%, 그리고 12%의 미확인 가스로 구성되어 있음을 발견했다.[108][63] 추가 분석을 통해 가스 샘플의 1.84%가 헬륨임을 발견했다.[64][65] 이는 미국 대평원 지하에 헬륨이 대량으로 집중되어 있어 천연가스 부산물로 채굴할 수 있음을 보여주었다.[66]

리처드 스레팔 경의 제안에 따라, 제1차 세계 대전 중 미국 해군은 세 개의 소규모 실험용 헬륨 생산 시설을 지원했다. 목표는 방호 기구용 풍선에 불에 타지 않는, 공기보다 가벼운 가스를 공급하는 것이었다. 이 프로그램에서 이전에는 1입방미터도 채 얻지 못했던 헬륨을 92% 농도로 5700m3나 생산했다.[25] 이 가스 중 일부는 세계 최초의 헬륨 충전 비행선인 C급 비행선 C-7에 사용되었는데, 이 비행선은 1921년 12월 1일 버지니아주 햄프턴 로즈에서 워싱턴 D.C.의 볼링 필드까지 첫 비행을 했다.[67]

제1차 세계 대전 중에는 저온 기체 액화를 이용한 추출 공정이 제대로 개발되지 않았지만, 생산은 계속되었다. 헬륨은 주로 경비행기의 양력 가스로 사용되었다. 제2차 세계 대전 중에는 양력 가스와 차폐 아크 용접용으로 헬륨 수요가 증가했다. 헬륨 질량 분석기는 맨해튼 프로젝트에서도 매우 중요했다.[68]

미국 정부는 1925년 텍사스주 아마릴로에 국립 헬륨 비축기지를 설립하여 전시에는 군용 비행선, 평시에는 민간 비행선에 헬륨을 공급하는 것을 목표로 했다.[25] 당시 미국이 생산 독점을 하고 있었던 희귀한 헬륨의 수출을 금지한 1925년 헬륨법과 가스의 과도한 비용 때문에 독일 체펠린은 수소를 양력 가스로 사용할 수밖에 없었고, 이는 힌덴부르크 재난으로 악명을 얻게 되었다. 제2차 세계 대전 이후 헬륨 시장은 침체되었지만, 우주 경쟁과 냉전 중 산소/수소 로켓 연료(기타 용도 포함)를 생산하기 위한 냉매로 액체 헬륨의 공급을 보장하기 위해 1950년대에 비축량이 확대되었다. 1965년 미국의 헬륨 사용량은 전시 최고 소비량의 8배가 넘었다.[69]

1960년 헬륨법 개정안(공법 86-777) 이후, 미국 광산국은 천연가스에서 헬륨을 회수하기 위해 민간 업체 5곳과 협력했다. 이 헬륨 보존 프로그램을 위해 광산국은 캔자스주 부스턴에서 텍사스주 아마릴로 근처의 정부 소유 부분 고갈된 클리프사이드 가스전과 연결하는 684km의 파이프라인을 건설했다. 이 헬륨-질소 혼합물은 필요할 때까지 클리프사이드 가스전에 주입 및 저장되었고, 필요시 추가로 정제되었다.[70]

1995년까지 10억 입방미터의 가스가 수집되었고, 비축기지는 14억 달러의 부채를 떠안게 되자, 미국 의회는 1996년 비축기지를 폐지하기로 결정했다.[108][71] 그 결과 1996년 헬륨 민영화 법안[72](공법 104-273)에 따라 미국 내무부가 비축기지를 해체하고 2005년부터 매각을 시작하게 되었다.[73]

1930년부터 1945년까지 생산된 헬륨은 약 98.3% 순도(질소 2%)였는데, 이는 비행선에 충분했다. 1945년에는 용접용으로 소량의 99.9% 헬륨이 생산되었다. 1949년에는 A등급 99.95% 헬륨이 상업적 규모로 생산되었다.[74]

수년 동안 미국은 세계 상업적으로 사용 가능한 헬륨의 90% 이상을 생산했고, 캐나다, 폴란드, 러시아 및 기타 국가의 추출 시설에서 나머지를 생산했다. 1990년대 중반, 알제리 아르제우에 새로운 시설이 가동을 시작하여 유럽 수요를 충족할 만큼 충분한 헬륨을 생산했다. 한편 2000년까지 미국의 헬륨 소비량은 연간 1500만 kg 이상으로 증가했다.[75] 2004년에서 2006년 사이에 라스 라판 산업 도시(카타르)와 알제리 스키크다에 추가 시설이 건설되었다. 알제리는 빠르게 헬륨 생산국 2위로 부상했다.[76] 이 기간 동안 헬륨 소비량과 생산 비용 모두 증가했다.[77] 2002년에서 2007년 사이에 헬륨 가격은 두 배로 올랐다.[78]

국립 헬륨 비축기지는 세계 헬륨의 30%를 차지했다.[79] 비축기지는 2018년에 헬륨이 고갈될 것으로 예상되었다.[79] 그럼에도 불구하고, 미국 상원의 제안 법안은 비축기지가 계속 가스를 판매할 수 있도록 허용할 예정이었다. 다른 대규모 매장지는 미국 캔자스주의 휴고톤 천연가스 지역과 캔자스 근처의 가스전, 그리고 텍사스주와 오클라호마주의 팬핸들 지역에 있었다. 2012년 카타르, 러시아, 미국 와이오밍주에 새로운 헬륨 생산 시설이 문을 열 예정이었지만, 이러한 시설은 부족 현상을 완화시키지 못할 것으로 예상되었다.[79]

2013년 카타르는 세계 최대 규모의 헬륨 생산 시설을 가동하기 시작했지만,[80] 2017년 카타르 외교 위기로 인해 헬륨 생산에 심각한 타격을 입었다.[81] 수년간의 심각한 부족 이후, 2014년은 헬륨 사업에서 공급 과잉의 해로 널리 인정되었다.[82] 2015년 나스닥은 산업용 가스를 판매하는 국제 기업인 에어 프로덕츠의 헬륨 생산량이 원료 공급 제약으로 인해 경제적 압력을 받고 있다고 보고했다.[83]

2016년 탄자니아에서 대규모 헬륨 가스전이 발견되었다는 보도가 있었다.[256][257]

3. 특성

헬륨은 색, 냄새, 맛이 없고 독성이 없는 비활성 기체이며, 주기율표에서 수소 다음으로 가벼운 원소이다. 끓는점은 모든 원소 중 가장 낮으며, 매우 높은 압력에서만 고체 상태가 된다. 헬륨은 단원자 분자 기체로 존재하며, 우주에서 수소 다음으로 풍부한 원소이다.[25] 지구 대기 중에는 0.0005% 정도 존재하며, 천연가스에서 미량 산출된다. 기구나 소형 비행선의 부양 가스, 초전도 연구에 쓰이는 액체 헬륨, 심해 잠수용 호흡 가스 등으로 사용된다.

표준 상태에서 헬륨은 단원자 기체로 존재한다. 헬륨을 고체로 만들기 위해서는 극저온, 고압 조건이 필요하다. 끓는점이 가장 낮고, 표준 압력에서는 절대 영도에 가까워도 액체 상태를 유지한다. 임계 온도는 5.19K로 매우 낮다. 고체 헬륨은 헬륨-3과 헬륨-4에서 필요한 압력이 다르며, 압력 조절을 통해 부피를 30%까지 조절할 수 있다. 헬륨은 비열 용량이 매우 커 밀도가 높은 증기가 되며, 실내 온도가 상승하면 팽창한다.

고체 헬륨은 1.5K, 2.5–3.5MPa의 조건에서만 존재하며, 이 온도 이상에서는 상전이를 일으킨다. 이 온도 이하에서는 입방체 형태의 분자를 형성한다.

헬륨-4의 액체 상태는 헬륨 I과 헬륨 II 두 가지로 나뉘며, 양자 역학 연구에서 중요하게 다루어진다. 특히 헬륨 II는 초유체 현상을 보여주며, 절대 영도에 가까운 극저온에서 물질이 초전도를 띠는 현상과 관련이 있다.

3. 1. 원자

중심에서 밀도가 감소하는 회색 음영 구체의 그림. 길이 눈금은 약 1옹스트롬입니다. 작은 그림은 1펨토미터 길이 눈금에서 두 개의 빨간색과 두 개의 파란색 원자를 가진 코어의 구조를 보여줍니다.
'''헬륨 원자.''' 핵(분홍색)과 전자 구름 분포(검정색). 헬륨-4의 핵(오른쪽 위)은 실제로 구면 대칭이며 전자 구름과 매우 유사하지만, 더 복잡한 핵의 경우 항상 그런 것은 아님.


양자역학적 관점에서 헬륨은 수소 원자 다음으로 모델링이 간단한 두 번째 원자이다. 헬륨은 두 개의 양성자와 (보통) 두 개의 중성자를 포함하는 원자핵 주위에 원자 궤도에 있는 두 개의 전자로 구성된다. 뉴턴 역학에서와 마찬가지로, 두 개 이상의 입자로 구성된 계는 정확한 해석적 수학적 방법으로 풀 수 없으며(3체 문제 참조), 헬륨도 예외는 아니다. 따라서 하나의 핵과 두 개의 전자로 구성된 계를 풀기 위해서 수치적 수학적 방법이 필요하다. 이러한 계산 화학 방법을 사용하여 몇 가지 계산 단계만으로 정확한 값의 2% 이내 정확도를 가진 헬륨 전자 결합의 양자 역학적 그림을 만들었다.[84] 이 모델은 헬륨의 각 전자가 다른 전자로부터 원자핵을 부분적으로 차폐하여 각 전자가 보는 유효 핵전하 ''Z''eff가 고전적인 "알몸" 헬륨 핵의 2 전하가 아닌 약 1.69 단위임을 보여준다.

3. 2. 기체 및 플라스마 상태

헬륨은 가장 반응성이 적은 비활성 기체이며, 알려진 모든 화학 원소 중에서 가장 반응성이 적다. 거의 모든 조건에서 헬륨은 단원자 분자로 존재하며 반응하지 않는다.[90] 헬륨의 몰(원자) 질량이 비교적 낮기 때문에 기체 상태에서 열전도율, 비열, 음속은 수소를 제외한 다른 기체보다 크다. 이러한 이유와 헬륨 단원자 분자의 작은 크기 때문에 헬륨의 고체 확산 속도는 공기의 3배, 수소의 약 65%이다.[25]

헬륨은 물에 가장 잘 녹지 않는 단원자 기체이며,[91] 모든 기체 중에서도 물에 가장 잘 녹지 않는 기체 중 하나이다. (CF4, SF6, C4F8의 몰 분율 용해도는 각각 0.3802, 0.4394, 0.2372 x2/10−5인 반면 헬륨은 0.70797 x2/10−5이다).[92] 헬륨의 굴절률은 다른 어떤 기체보다 1에 가깝다.[93] 헬륨은 일반적인 주변 온도에서 음의 줄-톰슨 계수를 가지므로 자유롭게 팽창하면 가열된다. 줄-톰슨 역전 온도(1기압에서 약 32~50 K) 이하에서만 자유 팽창 시 냉각된다.[25] 이 온도 이하로 예냉하면 팽창 냉각을 통해 헬륨을 액화할 수 있다.

대부분의 외계 헬륨은 별에 있는 플라스마 상태로 존재하며, 이는 원자 헬륨과는 매우 다른 특성을 가진다. 플라스마에서 헬륨의 전자는 원자핵에 결합되어 있지 않아 기체가 부분적으로만 이온화되어 있어도 매우 높은 전기 전도도를 갖는다. 대전 입자는 자기장과 전기장의 영향을 크게 받는다. 예를 들어 태양풍에서 이온화된 수소와 함께 이 입자들은 지구의 자기권과 상호 작용하여 비르켈란드 전류와 오로라를 발생시킨다.[94]

3. 3. 액체 상태

헬륨은 대기압에서 4,200 이하로 냉각될 때 액화된다. 다른 원소와 달리 헬륨은 절대 영도까지 액체 상태를 유지하는데, 이는 양자 역학의 직접적인 영향이다. 구체적으로 시스템의 영점 에너지가 너무 높아 얼음이 되는 것을 허용하지 않는다. 헬륨을 고체로 만들려면 약 25기압 이상의 압력이 필요하다. 액체 헬륨에는 헬륨 I과 헬륨 II 두 가지 상이 있다. 헬륨 I은 일반적인 액체이고, 더 낮은 온도에서 나타나는 헬륨 II는 초유체이다.

끓는점 4,220 이하이며 람다점 2,176.8 이상에서는 헬륨-4 동위원소가 헬륨 I이라고 불리는 무색의 일반적인 액체 상태로 존재한다.[25] 다른 극저온 액체와 마찬가지로 헬륨 I은 가열하면 끓고 온도가 내려가면 수축한다. 그러나 람다점 이하에서는 헬륨이 끓지 않으며 온도가 더 내려가면 팽창한다.

헬륨 I은 1.026의 기체와 같은 굴절률을 가지고 있어 표면이 잘 보이지 않기 때문에 표면을 나타내는 데 종종 발포 폴리스티렌(스티로폼) 부표가 사용된다.[25] 이 무색 액체는 매우 낮은 점도와 0.125g/ml~0.145g/ml(약 0~4 K 사이)의 밀도[95]를 가지고 있는데, 이는 고전 물리학에서 예상되는 값의 4분의 1에 불과하다.[25] 이러한 특성을 설명하려면 양자 역학이 필요하며, 따라서 액체 헬륨의 두 가지 상태(헬륨 I과 헬륨 II) 모두 거시적 규모에서 원자적 특성을 나타내는 '양자 유체'라고 불린다. 이는 끓는점이 절대 영도에 매우 가까워 무작위 분자 운동(열에너지)이 원자적 특성을 가리는 것을 방지하기 때문일 수 있다.[25]

서로 다른 크기의 두 용기의 단면도. 큰 용기 안에 작은 용기가 있고, 큰 용기의 액체가 작은 용기로 흘러 들어가는 모습을 보여준다.
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람다점(λ점) 이하의 액체 헬륨(헬륨 II)은 매우 특이한 특성을 나타낸다. 높은 열전도율 때문에 끓을 때 거품이 생기지 않고 표면에서 직접 증발한다. 헬륨-3도 초유체 상을 가지지만 훨씬 낮은 온도에서만 나타나므로 동위원소의 특성에 대해서는 알려진 바가 적다.[25]

헬륨 II는 초유체이며, 특이한 특성을 가진 양자역학적 상태의 물질이다. 예를 들어, 10~100 nm 정도의 가는 모세관을 흐를 때 측정 가능한 점성이 없다.[108] 그러나 두 개의 회전하는 원반 사이에서 측정했을 때는 기체 헬륨과 비슷한 점성이 관찰되었다. 기존 이론은 헬륨 II에 대한 ''이유체 모형''을 사용하여 이를 설명한다. 이 모형에서 람다점 이하의 액체 헬륨은 바닥 상태에 있는 일부 헬륨 원자가 초유체이며 점성이 정확히 0인 상태로 흐르고, 들뜬 상태에 있는 일부 헬륨 원자는 일반 유체처럼 거동하는 것으로 간주된다.[96]

''분수 효과''에서, 초유체 헬륨은 쉽게 통과하지만 비초유체 헬륨은 통과할 수 없는 소결된 원반을 통해 헬륨 II 저장소에 연결된 용기가 만들어진다. 용기 내부가 가열되면 초유체 헬륨이 비초유체 헬륨으로 변한다. 초유체 헬륨의 평형 비율을 유지하기 위해 초유체 헬륨이 새어나와 압력이 증가하여 용기에서 액체가 분수처럼 솟아오른다.[97]

헬륨 II의 열전도율은 다른 어떤 물질보다 높으며, 헬륨 I의 백만 배, 구리의 수백 배에 달한다.[25] 이는 특별한 양자 메커니즘에 의해 열 전달이 일어나기 때문인데, 열을 잘 전달하는 대부분의 물질은 열을 전달하는 자유 전자의 원자가띠를 가지고 있다. 헬륨 II에는 이러한 원자가띠가 없지만 그럼에도 불구하고 열을 잘 전달한다. 열의 흐름은 공기 중의 소리 전파를 특징짓는 데 사용되는 파동 방정식과 유사한 방정식에 의해 지배된다. 열이 가해지면 헬륨 II를 통해 1.8 K에서 20m/s의 속도로 ''제2음파''라고 알려진 현상으로 파동처럼 이동한다.[25]

헬륨 II는 또한 크리핑 효과를 나타낸다. 표면이 헬륨 II의 수위를 넘어 확장되면 헬륨 II는 중력에 역행하여 표면을 따라 이동한다. 헬륨 II는 밀봉되지 않은 용기에서 측면을 따라 이동하여 더 따뜻한 곳에 도달할 때까지 증발한다. 표면 재질에 관계없이 30nm 두께의 필름으로 이동한다. 이 필름을 롤린 필름이라고 하며, 이 특성을 처음으로 규명한 사람인 버나드 V. 롤린의 이름을 따서 명명되었다.[25][98][99] 이러한 크리핑 거동과 헬륨 II가 아주 작은 구멍을 통해 빠르게 새어나가는 능력 때문에 헬륨 II를 가두는 것은 매우 어렵다. 용기가 신중하게 제작되지 않으면 헬륨 II는 표면과 밸브를 따라 이동하여 더 따뜻한 곳에 도달할 때까지 증발한다. 롤린 필름을 가로지르는 파동은 얕은 물의 중력파와 같은 방정식에 의해 지배되지만, 복원력은 중력이 아니라 반데르발스 힘이다.[100] 이러한 파동을 ''제3음파''라고 한다.[101]

3. 4. 고체 상태

고체 헬륨을 생성하기 위해서는 1~1.5 K(약 −272 °C)에서 약 2.5 MPa의 압력을 가해야 한다.[265] 고체 헬륨은 뚜렷한 녹는점을 가지며 결정 구조를 갖지만, 매우 압축성이 높다. 실험실에서 압력을 가하면 부피가 30% 이상 감소할 수 있다.[103] 약 27 MPa의 체적 탄성률을[104] 가지므로 물보다 약 100배 더 압축성이 높다. 고체 헬륨의 밀도는 1.15 K 및 66 atm에서 이며, 0 K 및 25 bar(2.5 MPa)에서의 예상 밀도는 이다.[105] 고체 상태와 액체 상태는 굴절률이 같아 분간이 매우 어렵다.[265]

헬륨-4와 헬륨-3은 모두 여러 가지 결정질 고체 상을 형성하며, 모두 최소 25 bar의 압력이 필요하다. 두 동위원소 모두 육방밀집구조(hcp) 결정 구조를 가진 α 상, 면심입방구조(fcc)를 가진 β 상, 그리고 체심입방구조(bcc)를 가진 γ 상을 형성한다.[107]

3. 5. 동위원소

헬륨의 동위원소는 아홉 가지가 알려져 있지만, 이 중 헬륨-3(³He)과 헬륨-4(⁴He) 두 가지만이 안정 동위원소이다.[108] 지구 대기에는 1,000만 개의 ⁴He 원자 중 하나 꼴로 ³He 원자가 존재한다.[108] 대부분의 원소와 달리 헬륨의 동위원소 존재비는 생성 과정이 다르기 때문에 기원에 따라 크게 달라진다.

가장 흔한 동위원소인 헬륨-4는 지구에서 무거운 방사성 원소의 알파 붕괴를 통해 생성된다. 이때 생성되는 알파 입자는 완전히 이온화된 헬륨-4 핵이다. 헬륨-4는 완전한 껍질을 이루는 핵자를 가지기 때문에 핵이 특별히 안정적이다. 또한 헬륨-4는 빅뱅 핵합성 과정에서도 엄청난 양이 생성되었다.[127]

헬륨-3은 지구상에 극미량만 존재한다. 대부분은 지구가 형성될 때부터 존재해 왔지만, 일부는 우주먼지에 갇혀 지구로 유입된다.[109] 또한 삼중수소의 베타 붕괴를 통해서도 미량이 생성된다.[110] 지구 지각의 암석은 동위원소 비율이 최대 10배까지 차이가 나며, 이 비율을 통해 암석의 기원과 지구 맨틀의 구성을 연구할 수 있다.[109] 헬륨-3은 항성에서 핵융합의 산물로 훨씬 더 풍부하게 존재한다. 따라서 성간 물질에서 헬륨-3과 헬륨-4의 비율은 지구보다 약 100배 더 높다.[111] 달과 소행성 레골리스와 같은 지구 외부 물질에는 태양풍에 의해 헬륨-3이 미량 존재한다. 달 표면에는 10 ppb 정도의 헬륨-3이 있는데, 이는 지구 대기의 약 5 ppt보다 훨씬 높은 수치이다.[112][113] 1986년 제럴드 쿨친스키를 시작으로 많은 사람들이 달을 탐사하고, 달 레골리스를 채굴하여 헬륨-3을 핵융합에 사용하는 것을 제안해 왔다.[114]

액체 헬륨-4는 증발 냉각을 이용해 1K 팟에서 약 까지 냉각할 수 있다. 끓는점이 더 낮은 헬륨-3을 이용한 헬륨-3 냉장고에서는 약 200을 달성할 수 있다. 800 이하의 액체 헬륨-3과 헬륨-4의 균등 혼합물은 서로 다른 양자 통계(헬륨-4 원자는 보손, 헬륨-3 원자는 페르미온)를 따르기 때문에 서로 섞이지 않는 두 개의 상으로 분리된다.[1] 희석 냉장고는 이러한 비혼화성을 이용하여 수 밀리켈빈의 온도를 달성한다.[115]

다른 물질로 빠르게 붕괴하는 특이한 헬륨 동위원소를 만드는 것도 가능하다. 가장 수명이 짧은 무거운 헬륨 동위원소는 결합되지 않은 헬륨-10이며, 반감기는 이다. 헬륨-6은 베타 입자를 방출하며 붕괴하고 반감기는 0.8초이다. 헬륨-7과 헬륨-8은 특정 핵 반응에서 생성된다.[25] 헬륨-6과 헬륨-8은 핵 헤일로를 나타내는 것으로 알려져 있다.[1]

헬륨 동위원소를 이용한 지구화학적 응용에는 크게 두 가지가 있다. 첫째, 헬륨-3을 추적자로 사용하여 지구 물질의 순환을 조사하는 것이다. 둘째, 암석 중에 천연적으로 존재하는 방사성 동위원소인 우라늄이나 토륨의 알파 붕괴에 따라 방출되는 헬륨-4의 축적량으로부터 그 암석의 생성 연대를 구하는 것(U, Th/He 방사성 연대 측정)이다.

3. 6. 화합물

헬륨은 화학 반응성이 매우 낮아 화합물을 거의 형성하지 않는다. 극저온에서 생성되는 반데르발스 분자나 풀러렌 안에 갇힌 형태의 포접화합물 정도만이 알려져 있었다. 하지만 2017년, 국제 연구팀은 초고압 조건에서 이나트륨 헬륨화물(Na2He)이 안정적으로 존재함을 밝혀냈다.[259]

이 외에 알려진 헬륨 화합물은 다음과 같다:

종류예시
이온 화합물헬륨 수소화 이온(HeH+): 수소와 헬륨으로 이루어진 양이온. 매우 강한 산성을 띤다.[118], 플루오로헬리에이트 이온(FHeO-): 이론적으로 예측된 음이온.[122]
반데르발스 분자헬륨 이량체(He2): 헬륨 원자 두 개가 약하게 결합한 분자.[119], 헬륨 삼량체(He3): 헬륨 원자 세 개가 약하게 결합한 분자., LiHe: 리튬과 헬륨 원자가 약하게 결합한 분자.[119]
포접화합물He@C60: 풀러렌(C60) 내부에 헬륨 원자가 갇힌 형태.[123]
이론적으로 안정적인 화합물Na2HeO, HeBeO


4. 분포 및 생산

헬륨은 우주에서 수소 다음으로 많은 원소로, 대부분 빅뱅 핵합성 과정에서 생성되었다.[108] 항성에서는 양성자-양성자 연쇄 반응과 CNO 순환을 통해 수소가 핵융합하여 헬륨을 만든다.[127]

지구에서 헬륨은 주로 우라늄과 토륨 같은 방사성 원소의 붕괴 과정에서 생성된다.[16][133] 이렇게 생성된 헬륨은 천연가스에 섞여 존재하며, 미국 캔자스주, 오클라호마주, 텍사스주 서부 지역에 있는 가스전에서 주로 발견된다.[236]

1903년, 미국 캔자스주에서 불연성 가스가 분출되었는데, 분석 결과 헬륨이 포함되어 있다는 사실이 밝혀졌다.[232][233][234] 이를 통해 미국은 헬륨의 주요 공급국이 되었다. 제1차 세계 대전 당시에는 비행선에 사용하기 위해 헬륨 생산 시설에 투자했으며,[220] 제2차 세계 대전 중에는 아크 용접과 맨해튼 계획에 헬륨이 사용되었다.[238]

1925년, 미국은 텍사스주 아마릴로에 헬륨 국가 비축을 시작하여 군사용 및 상업용 헬륨 공급을 관리했다.[220] 1960년대에는 우주 개발 경쟁으로 헬륨 수요가 증가했고, 1996년에는 헬륨 민영화 조례에 따라 비축 헬륨을 매각하기 시작했다.[241][242]

오랫동안 미국은 전 세계 헬륨 생산량의 대부분을 차지했지만,[146] 1990년대 중반 알제리에서, 2000년대에는 카타르와 알제리에서 새로운 헬륨 생산 시설이 가동되었다.[245] 2012년에는 헬륨 공급 부족 사태가 발생하기도 했지만,[250][251] 2013년 카타르에서 대규모 생산 설비가 가동되면서 공급량이 늘어났다.[253] 2016년에는 탄자니아에서 대규모 헬륨 가스전이 발견되었다.[256][257]

헬륨은 천연가스에서 분별 증류를 통해 추출하며,[144] 극저온 공정을 통해 액화하여 운송 및 보관한다.[76] 반투과성 막을 이용한 헬륨 회수 및 정제 방법도 있다.[153]

2008년 전 세계 헬륨 생산량은 다음과 같다.[146]

국가생산량 비율
미국78%
알제리10%
러시아, 폴란드, 카타르 등나머지



일본은 헬륨 전량을 수입에 의존하며, 2013년에는 미국에서 91.8%, 카타르에서 6.4%를 수입했다.[254] 최근에는 미국의 생산 감소와 중국의 수요 증가 등으로 헬륨 가격이 상승하고 있다.[255]

일부 과학자들은 헬륨의 낭비를 막기 위해 가격을 인상하고 국제 헬륨 기구를 설립해야 한다고 주장한다.[19][157]

4. 1. 자연적 분포

헬륨은 알려진 우주에서 수소 다음으로 풍부한 원소이며, 우주의 바리온 질량의 23%를 차지한다.[108] 헬륨의 대부분은 빅뱅 후 1~3분 동안 빅뱅 핵합성에 의해 생성되었다. 항성에서는 양성자-양성자 연쇄 반응과 CNO 순환을 통해 수소의 핵융합으로 생성되며, 이는 항성 핵합성의 일부이다.[127]

지구 대기에서 헬륨의 부피 농도는 백만분의 5.2에 불과하다.[128][129] 지구 대기에서는 새로운 헬륨이 끊임없이 생성됨에도 불구하고 농도가 낮고 상당히 일정한데, 그 이유는 지구 대기의 헬륨 대부분이 여러 과정을 통해 우주로 탈출하기 때문이다.[130][131][132] 지구 대기 상층부인 이종권에서는 헬륨과 수소가 가장 풍부한 원소이다.

지구상의 헬륨 대부분은 방사성 붕괴의 결과이다. 헬륨은 우라늄과 토륨 광물, 특히 우라니나이트와 그 변종인 클레베이트와 피치블렌드[16][133], 카르노타이트와 모나자이트(그룹 명칭; "모나자이트"는 일반적으로 모나자이트-(Ce)를 가리킴)[134][135]에 다량으로 발견된다. 이는 이러한 광물들이 알파 입자(헬륨 핵, He2+)를 방출하고, 입자가 암석에 의해 정지되는 즉시 전자가 결합하기 때문이다. 이러한 방식으로 매년 약 3,000톤의 헬륨이 지각 전체에서 생성되는 것으로 추정된다.[136][137][138] 지구 지각에서 헬륨의 농도는 8ppb(10억분의 8)이고, 해수에서는 4ppt(1조분의 4)에 불과하다. 또한 온천, 화산 가스 및 운석 철에도 소량 존재한다. 헬륨은 천연가스를 가두는 조건 하에서 지하에 갇히기 때문에, 지구상에서 가장 높은 헬륨 농도는 천연가스에서 발견되며, 대부분의 상업용 헬륨은 이 천연가스에서 추출된다. 농도는 몇 ppm에서 뉴멕시코주 샌후안군의 소규모 가스전의 7% 이상까지 다양하다.[139][140]

4. 2. 현대적 추출 및 유통

헬륨은 천연가스에서 분별 증류를 통해 추출하는데, 이는 헬륨이 다른 원소보다 끓는점이 낮기 때문이다.[144] 저온 및 고압을 사용하여 거의 모든 질소와 메탄을 액화시킨다. 생성된 조헬륨 기체는 온도를 낮춰가며 정제하고, 활성탄을 사용하여 99.995% 순도의 A등급 헬륨을 얻는다.[25] A등급 헬륨의 주된 불순물은 네온이다.

최종 생산 단계에서 헬륨은 대부분 극저온 공정을 통해 액화된다. 액체 헬륨은 장거리 운송 비용을 절감할 수 있게 해주며,[76] 듀어병(Dewar flask)이라는 소형 단열 용기나 대형 ISO 용기에 공급된다. 기체 헬륨은 고압 실린더나 튜브 트레일러에 공급된다.

2008년에는 약 1억 6,900만 표준 입방미터(SCM)의 헬륨이 추출 또는 인출되었으며, 생산 국가는 다음과 같다.

국가생산량 비율
미국78%
알제리10%
러시아, 폴란드, 카타르 등나머지

[146]

2013년에는 카타르가스(Qatargas)의 생산량 증가로 카타르가 세계 헬륨 생산량의 25%를 차지하며 미국에 이어 두 번째로 큰 수출국이 되었다.[147] 2016년에는 탄자니아에서, 2020년에는 중국 닝샤 후이족 자치구에 대규모 헬륨 플랜트가 개장했다.[149]

미국에서는 대부분의 헬륨이 캔자스, 오클라호마의 휴고턴 천연가스 지역(Hugoton Natural Gas Area) 및 인근 가스전과 텍사스 팬핸들 유전의 천연가스에서 추출된다.[76][150] 미국 국가 헬륨 비축량은 2005년 이후 고갈되어 매각되었으며, 2021년까지 대부분 고갈될 것으로 예상된다.[147][151]

반투과성 막을 통해 조천연가스를 확산시키는 방법도 헬륨 회수 및 정제의 한 방법이다.[153] 1996년 미국은 이러한 가스전에 약 1,470억 표준 입방피트(42억 SCM)의 헬륨 매장량을 "확인"했다.[154]

헬륨은 천연가스에서 추출되는데, 이는 수요가 높고 공기 중 비율이 낮기 때문이다. 헬륨은 리튬이나 붕소를 충격하여 합성할 수도 있지만, 경제적이지 않다.[156]

로버트 콜먼 리처드슨(Robert Coleman Richardson) 등 헬륨 보존론자들은 자유 시장 가격이 헬륨 풍선 사용과 같은 "낭비적인" 사용을 야기한다고 주장하며, 가격을 올려 낭비를 막아야 한다고 주장한다.[19] "헬륨 낭비 중단" 논문에서는 국제 헬륨 기구 설립을 제안하기도 했다.[157]

5. 용도

헬륨은 낮은 비점, 낮은 밀도, 낮은 용해도, 높은 열전도율, 불활성 등 고유한 특성 덕분에 다양한 분야에서 활용된다. 2014년 세계 헬륨 총 생산량은 연간 약 3200만kg(1억 8천만 표준 입방미터)였으며, 가장 큰 용도(2014년 총량의 약 32%)는 극저온 응용 분야였다. 특히 의료용 MRI 스캐너와 NMR 분광기의 초전도 자석 냉각에 주로 사용되었다.[159]

중앙에 구멍이 있고 측면에 레일이 부착된 큰 원통형 물체.
현대 MRI 스캐너의 초전도 자석을 냉각하는 데 가장 많이 사용되는 물질은 액체 헬륨이다.


2014년 미국 헬륨 사용량 추정치 (단위: 백만 세제곱미터). 총 사용량은 34백만 세제곱미터.[158]
용도사용량(%)
극저온 공학32
가압 및 퍼지18
용접13
제어된 대기18
누출 탐지4
호흡 혼합물2
기타나머지



이 외에도 시스템 가압 및 퍼지, 용접, 제어된 대기 유지, 누출 탐지 등 다양한 분야에서 활용되며, 그 외의 용도로는 상대적으로 적은 비율을 차지한다.[158]

5. 1. 제어된 대기

헬륨은 비활성 기체이므로 실리콘과 게르마늄의 결정 성장, 티타늄과 지르코늄 생산 과정에서 보호 기체로 사용된다. 또한 기체 크로마토그래피[103]에도 사용된다. 헬륨은 비활성이면서 열역학적으로 및 열량적으로 완전한 성질을 지니고, 음속과 비열비 값이 높기 때문에 초음속 풍동[160]과 임펄스 시설[161]에서도 유용하게 활용된다.

5. 2. 가스텅스텐 아크 용접

헬륨은 아크 용접 과정에서 차폐 가스로 사용된다. 이는 용접할 때 공기나 질소에 의해 재료가 오염되고 약해지는 것을 막기 위함이다.[108] 특히 알루미늄이나 구리처럼 열전도율이 높은 재료를 용접할 때 아르곤 대신 헬륨을 사용한다.

5. 3. 산업적 누출 탐지

헬륨은 누출 탐지에 산업적으로 사용된다. 헬륨은 공기보다 세 배나 빠르게 고체를 통과하기 때문에, 저온 탱크와 같은 고진공 장비 및 고압 용기의 누출을 탐지하는 추적 가스로 사용된다.[162] 시험 대상 물체를 챔버에 넣고 진공 상태로 만든 다음 헬륨으로 채운다. 누출을 통해 빠져나온 헬륨은 10−9 mbar·L/s (10−10 Pa·m3/s)만큼 작은 누출률에서도 민감한 장치(헬륨 질량 분석기)에 의해 감지된다. 측정 절차는 일반적으로 자동이며 헬륨 적분 시험이라고 한다. 더 간단한 방법은 시험 대상 물체를 헬륨으로 채우고 휴대용 장치로 수동으로 누출을 찾는 것이다.[163]

균열을 통한 헬륨 누출은 벌크 재료를 통한 가스 투과와 혼동해서는 안 된다. 헬륨은 유리, 세라믹 및 합성 재료를 통한 투과 상수(따라서 계산 가능한 투과율)가 기록되어 있지만, 헬륨과 같은 불활성 기체는 대부분의 벌크 금속을 투과하지 않는다.[164]

5. 4. 비행

헬륨은 공기보다 가벼운 기체이기 때문에 비행선과 풍선의 부양 가스로 사용된다. 수소는 더 큰 부력을 가지지만, 헬륨은 불에 타지 않는, 즉 난연성이라는 장점이 있다.[103] 1925년 헬륨법으로 인해 헬륨 생산을 미국이 독점하면서, 독일 체펠린은 수소를 사용할 수밖에 없었고, 이는 힌덴부르크 재난으로 이어졌다.

로켓 분야에서 헬륨은 비행 중 로켓 추진제 탱크를 보충하는 ullage 매체로 사용되며, 수소와 산소를 응축하여 로켓 연료를 만드는 데에도 사용된다. 또한 발사 전 지상 지원 장비에서 연료와 산화제를 제거하고 우주선의 액체 수소를 예냉하는 데 사용된다. 예를 들어, 아폴로 계획에서 사용된 새턴 V 로켓은 발사하는 데 약 370000m3의 헬륨이 필요했다.[103]

5. 5. 상업적, 레크리에이션적 용도

헬륨은 비활성 기체이고 공기보다 가벼워 폭발 위험이 있는 수소를 대체하여 비행선, 풍선에 사용된다.[207] 헬륨은 혈액에 대한 용해도가 질소보다 작아 잠수병을 예방할 수 있기 때문에 심해 잠수부의 산소통에 질소 대체제로 사용된다.

헬륨은 마취 효과가 없기 때문에, 트리믹스, 헬리옥스, 헬리에어와 같은 헬륨 혼합물은 심해 잠수에서 마취 효과를 줄이기 위해 사용된다.[165][166] 깊은 수심에서는 압력이 증가하여 호흡 가스의 밀도도 증가하는데, 헬륨은 분자량이 낮아 혼합물의 밀도를 낮춤으로써 호흡을 편하게 해준다.[167][168]

헬륨-네온 레이저는 적색 광선을 생성하는 저출력 가스 레이저로, 바코드 리더와 레이저 포인터 등 다양한 분야에 사용되었으나, 현재는 저렴한 다이오드 레이저로 대체되었다.[108]

헬륨은 높은 열용량비와 낮은 프란틀 수를 가져 열음향 냉각에 유용하며,[171] 비활성이기 때문에 기존 냉각 시스템보다 환경 친화적이다.[172]

헬륨은 일부 하드 디스크 드라이브에도 사용된다.[173]

5. 6. 과학적 용도

헬륨은 낮은 비점, 낮은 밀도, 낮은 용해도, 높은 열전도율 및 불활성과 같은 고유한 특성을 필요로 하는 많은 용도로 사용된다.[71] 2014년 세계 헬륨 총 생산량은 연간 약 32백만 kg(1억 8천만 표준 입방미터)였으며, 가장 큰 용도(2014년 총량의 약 32%)는 극저온 응용 분야였는데, 그 대부분은 의료용 MRI 스캐너와 NMR 분광기의 초전도 자석 냉각에 사용되었다.[159] 다른 주요 용도는 시스템 가압 및 퍼지, 용접, 제어된 대기 유지 및 누출 탐지였다. 기타 용도는 상대적으로 미미한 비율을 차지했다.[158]

2014년 미국 헬륨 사용량 추정치 (단위: 백만 세제곱미터). 총 사용량은 34백만 세제곱미터.[158]
용도사용량(%)
극저온 공학32
가압 및 퍼지18
용접13
제어된 대기18
누출 탐지4
호흡 혼합물2
기타나머지



헬륨은 일부 망원경에서 렌즈 사이의 공간에서 온도 변화에 따른 왜곡 효과를 줄이는 데 사용된다. 이는 헬륨의 매우 낮은 굴절률 때문이며,[25] 진공 밀폐형 망원경 튜브가 너무 무거워지는 태양 망원경에서 특히 사용된다.[174][175]

헬륨은 가스크로마토그래피에서 일반적으로 사용되는 운반 기체이다.

우라늄과 토륨을 포함하는 암석과 광물의 연대는 헬륨 연대 측정이라고 알려진 과정을 통해 헬륨 수준을 측정하여 추정할 수 있다.[108][25]

저온의 헬륨은 극저온학 및 특정 극저온 응용 분야에 사용된다. 액체 헬륨은 초전도성에 필요한 매우 낮은 온도로 특정 금속을 냉각하는 데 사용되는데, 예를 들어 자기 공명 영상을 위한 초전도 자석 등이 있다. CERN의 거대 강입자가속기는 온도를 유지하기 위해 96톤의 액체 헬륨을 사용한다.[176]

5. 7. 의료적 용도

헬륨은 2020년 4월 미국에서 사람과 동물의 의료용으로 승인되었다.[177][178] 액체 헬륨은 핵자기 공명 영상법(MRI) 및 핵자기 공명 분광법(NMR) 측정 장치에서 초전도 전자석 냉각에 사용된다.

5. 8. 기타 용도

헬륨을 이용한 비행선


헬륨을 이용한 조명기구


공기보다 가볍고 비활성 기체임을 이용해 폭발하기 쉬운 수소 대신 비행선, 풍선, 애드벌룬에 이용된다. 질소보다 헬륨이 혈액에 대한 용해도가 작아 잠수병을 예방할 수 있기 때문에 심해 잠수부의 산소통의 질소 대체로 이용된다. 헬륨의 끓는점이 매우 낮은 것을 이용해 초저온 냉각제로 사용되기도 한다.[71]

헬륨은 산화 흔적이 남으면 안 되는 용접을 할 때 산소의 접근을 막기 위한 용도로 헬륨 환경을 조성한다. 반도체 등의 제작을 위해 플라즈마를 생성시킬 때 플라즈마의 균일한 정착을 위해 헬륨을 적정량 사용한다.

또한 목소리 변조에 사용되기도 하는데, 헬륨 가스에서는 공기 중에 비해 약 3배 정도 전송 속도가 빠르기 때문에 약 10~20초 정도 목소리의 음이 높아지는 현상이 발생한다. 단, 많은 양을 마실 경우 질식할 수도 있으므로 주의해야 한다.

헬륨은 트리믹스에도 사용되는데, 트리믹스는 압축 공기에서 질소의 비율을 줄이고 그만큼을 헬륨으로 채운 것이다. 헬륨은 용해도가 매우 낮기 때문에 압축 공기를 사용했을 때(30~40m)보다 더욱 깊이 잠수할 수 있다. 그러나 70m~80m 정도까지 내려가면 헬륨이 용해되어 헬륨 마취 현상이 일어난다.

2014년 세계 헬륨 총 생산량은 연간 약 3200만kg(1억 8천만 표준 입방미터)였으며, 가장 큰 용도(2014년 총량의 약 32%)는 극저온 응용 분야였는데, 그 대부분은 의료용 MRI 스캐너와 NMR 분광기의 초전도 자석 냉각에 사용되었다.[159] 다른 주요 용도는 시스템 가압 및 퍼지, 용접, 제어된 대기 유지 및 누출 탐지였다. 기타 용도는 상대적으로 미미한 비율을 차지했다.[158]

6. 흡입 및 안전성

표준 조건에서 중성 헬륨은 무독성이며 인체 혈액에 미량 존재한다. 헬륨 속의 음속은 공기 중 음속의 거의 세 배이다. 헬륨을 흡입하면 성도의 공진 주파수가 증가하여[108][180] 음성이 변하는 이른바 '도널드덕 효과'가 나타난다.[181]

헬륨은 수소보다 안전하고 불연성이기 때문에 풍선 등의 부양용 가스로 이용된다.[207] 헬륨을 흡입하면 음성이 높아지는 특징[208]을 이용한 파티 용품도 판매되지만, 과다 흡입으로 인한 구토, 의식 상실 등의 사고[209][210]가 발생하기도 한다.[211]

헬륨은 질식성 기체이므로 과도하게 흡입하면 정상적인 호흡에 필요한 산소를 대체하여 위험할 수 있다.[108][182] 고압 실린더나 풍선 충전 밸브에서 직접 헬륨을 흡입하면 높은 유량과 압력으로 인해 바로트라우마가 발생하여 폐 조직이 파열될 수 있다.[182][188] 1998년에는 호주 소녀가 헬륨 풍선을 흡입 후 의식을 잃기도 했다.[185][186][187]

헬륨 흡입으로 인한 사망 및 사고 사례는 다음과 같다.

연도국가내용
1998년텍사스15세 소녀 사망 (정확한 사망 원인 불명).[185][186][187]
2000년 ~ 2004년미국 노스캐롤라이나 주남성 바로트라우마로 사망.[183][188]
2000년호주27세 남성 실린더에서 헬륨 흡입 후 폐색전증.[183]
2003년밴쿠버청소년 질식사.[183]
2006년남부 플로리다성인 2명 질식사.[183][184][189]
2009년캘리포니아청소년, 비닐봉지+헬륨 탱크로 사망.[190]
2010년북아일랜드십 대 질식사.[191]
2012년오리건주 이글 포인트십 대 소녀 바로트라우마로 사망.[192][193][194] 같은 해 미시간 출신 소녀 저산소증으로 사망.[195]
2015년일본아이돌 그룹 3B 주니어 멤버(12세), TV 녹화 중 헬륨 흡입, 동맥 가스색전증으로 혼수상태. TV 아사히 안전 조치 소홀로 경찰 수사.[196][197][198][199]



극저온 헬륨은 액체 질소와 유사한 안전 문제가 있다. 매우 낮은 온도로 냉동화상이 발생할 수 있으며, 압력 완화 장치가 없으면 폭발할 수 있다.[103] 고압에서는 헬륨과 산소 혼합물(헬리옥스)이 고압 신경 증후군을 유발할 수 있다.[201][169]

6. 1. 영향

표준 조건에서 중성 헬륨은 무독성이며 생물학적 역할을 하지 않고 인체 혈액에는 미량 존재한다.

헬륨 속의 음속은 공기 중 음속의 거의 세 배이다. 기체로 채워진 공동의 고유 진동수는 기체 속의 음속에 비례하기 때문에, 헬륨을 흡입하면 음성을 증폭하는 성도의 공진 주파수가 그에 따라 증가한다.[108][180] 성도(음성 증폭기)의 공진 주파수가 증가하면 성대의 직접적인 진동으로 생성된 음파의 고주파 성분이 공기로 채워졌을 때보다 더 크게 증폭된다. 헬륨 가스를 흡입한 후 사람이 말할 때, 성대를 조절하는 근육은 성도가 공기로 채워졌을 때와 같은 방식으로 움직인다. 따라서 성대의 직접적인 진동으로 생성되는 기본 주파수(피치)는 변하지 않는다.[181] 그러나 고주파수가 선호되는 증폭으로 인해 증폭된 소리의 음색이 변하여 가는 소리, 오리 소리와 같은 음질이 된다. (도널드덕 효과) 반대 효과, 즉 공진 주파수를 낮추는 효과는 육불화황이나 크세논과 같은 고밀도 기체를 흡입하여 얻을 수 있다.

헬륨은 수소의 92.64%에 달하는 부력을 가지고 있으며, 불연성이기 때문에 수소보다 안전한 기체로 풍선 등의 부양용 가스로 이용되고 있으며, 광고용 풍선, 천체 관측용 기구, 군사용 정찰 기구 등에 사용된다.[207] 헬륨을 흡입하고 발성하면 헬륨 속에서는 음속이 공기 중보다 훨씬 빠르기 때문에[208] 높고 날카로운 음색의 목소리가 나온다. 이러한 특징을 이용하여 이른바 파티 용품으로도 사용된다. 이러한 시판되는 “변성”용 가스에는 산소 결핍을 방지하기 위해 산소가 약 20% 포함되어 있지만, 풍선용 가스와의 혼용으로 인한 사고[209]나 과다 흡입으로 인한 구토, 의식 상실 사고가 자주 발생하고 있으며,[209][210] 대부분이 12세 이하 어린이에 의한 것이다.[211] 헬륨에는 약리 작용이 없지만, 산소가 혼합되지 않은 가스 흡입에 의한 자살에 사용된 사례도 보고되어 있다.[212]

6. 2. 위험성

헬륨을 과도하게 흡입하면 위험할 수 있다. 헬륨은 단순한 질식성 기체이므로 정상적인 호흡에 필요한 산소를 대체하기 때문이다.[108][182] 1998년에는 빅토리아 출신의 호주 소녀가 파티 풍선의 내용물을 전부 흡입한 후 의식을 잃고 일시적으로 푸른색으로 변하기도 했다.[185][186][187]

고압 실린더 또는 풍선 충전 밸브에서 직접 헬륨을 흡입하는 것은 매우 위험하다. 높은 유량과 압력으로 인해 바로트라우마가 발생하여 폐 조직이 치명적으로 파열될 수 있기 때문이다.[182][188] 헬륨으로 인한 사망은 드물지만, 다음과 같은 사례들이 보고되었다.

  • 1998년: 텍사스 출신 15세 소녀가 친구 파티에서 헬륨 흡입으로 사망 (정확한 사망 원인 불명).[185][186][187]
  • 2000년 ~ 2004년: 미국 노스캐롤라이나 주 남성이 바로트라우마로 사망.[183][188]
  • 2000년: 호주에서 27세 남성이 실린더에서 헬륨을 흡입한 후 폐색전증을 겪음.[183]
  • 2003년: 밴쿠버에서 한 청소년이 질식으로 사망.[183]
  • 2006년: 남부 플로리다에서 두 명의 성인이 질식으로 사망.[183][184][189]
  • 2009년: 캘리포니아 청소년이 머리에 비닐봉지를 씌우고 헬륨 탱크에 연결된 채 발견되어 사망.[190]
  • 2010년: 북아일랜드의 십 대가 질식으로 사망.[191]
  • 2012년: 오리건주 이글 포인트에서 파티 중 십 대 소녀가 바로트라우마로 사망.[192][193][194] 같은 해 미시간 출신 소녀가 저산소증으로 사망.[195]
  • 2015년: 일본 여성 아이돌 그룹 3B 주니어의 12세 멤버가 TV 프로그램 녹화 중 다량의 헬륨을 흡입, 동맥 가스색전증으로 의식을 잃고 혼수상태에 빠짐. TV 아사히의 안전 조치 소홀로 경찰 수사 진행.[196][197][198][199]


극저온 헬륨의 안전 문제는 액체 질소와 유사하다. 매우 낮은 온도로 인해 냉동화상이 발생할 수 있으며, 액체에서 기체로의 팽창 비율이 압력 완화 장치가 설치되어 있지 않으면 폭발을 일으킬 수 있다. 5~10K의 헬륨 가스 용기는 10K 미만의 헬륨 가스가 실온으로 가열될 때 발생하는 빠르고 상당한 열팽창으로 인해 액체 헬륨을 포함하고 있는 것처럼 취급해야 한다.[103]

고압(약 20atm 또는 2MPa 이상)에서는 헬륨과 산소의 혼합물(헬리옥스)이 고압 신경 증후군을 유발할 수 있는데, 이는 일종의 역 마취 효과이다. 혼합물에 소량의 질소를 첨가하면 문제를 완화할 수 있다.[201][169]

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