액체질소
液體窒素 / Liquid Nitrogen
1. 개요
액체 상태의 질소.
'액화질소'(liquified nitrogen)라고도 하지만 '액화석유가스'(LPG)와 같은 단어와는 달리 질소라는 물질이 개념적으로 반드시 기체여야만 하는 것은 아니기 때문에 '액체질소'라고만 불러도 무방하다. 그러나 실제로는 대부분의 질소가 기체 상태이며 지구의 지표에서 액체질소는 존재하지 않기 때문에 항상 기체 질소를 액화해서 제작한다.
2. 성질
질소의 끓는점은 -196°C(77K)로 액체질소는 1기압일 때 그 이하의 온도를 유지하고 있다. 드라이아이스(-78.5°C 이하)와 함께 매우 차가운 물질 가운데는 그나마 근처에서 쉽게 구할 수 있다. 더 차가운 액체헬륨은 -269°C(4K)이다.
가격이나 접근성도 이와 비슷하게 드라이아이스 같은 건 아이스크림 가게에서도 살 수 있고, 액체질소도 크게 비싸지 않다(아래 문단). 액체헬륨은 액체질소의 20배 정도로 비싸다.
동식물의 생체 조직이나, 푸딩 같이 액체를 함유하고 있는 고체를 액체질소에 넣었다 빼면 깨뜨릴 수 있는 수준으로 얼어버린다. 유리와 같이 열팽창에 약한 고체에 부으면 불에 달군 유리를 물에 넣었을 때와 마찬가지로 산산조각 난다.
액체질소의 비열은 물보다 매우 낮다. 액체질소로 물을 얼리려면 자연 증발분을 생각하긴 해야겠지만 생각보다 많은 양의 액체질소가 소모된다. 이걸 재포집해서 액화시키려면 냉장고에 들어가는 HCFC냉매(또는 액체이산화탄소 냉매) 압축기 따위로는 어림도 없다.
밀도는 0.807 g/ml이다. 물보다 약간 더 가벼운 정도.
3. 가격
액체질소는 1리터당 500원밖에 하지 않는다. 단순하게 말해서 '''생수'''보다도 싸다.[1]
액체질소가 이렇게 저렴한 이유는, 액체 질소가 근본적으로는 액체산소의 부산물이기 때문이다. 액체산소는 로켓연료, 제강원료 등으로 널리 사용되는 물질으로, 특히 현대 제강법은 순수 산소를 필요로 하는데[2], 공기중에서 산소를 따로 분리하는 가장 쉬운 방법이 공기를 냉각시켜 분리하는 것이다. 이때 비등점 차이로 인해 이산화 탄소와 아르곤이 먼저 액화되거나 응결되며, 그 다음에 영하 183℃에서 원하던 액체산소를 얻을 수 있다. 그리고 산소를 분리해내고 나면 영하 183℃로 냉각된 질소가 부산물로 남게 되는데, 질소의 비등점은 영하 196℃이므로 약간만 더 온도를 낮추면 액체질소를 얻을 수 있다. 포스코 같은 거대 제철소는 대부분 자체적으로 액체산소 생산설비를 갖고 있어서 부산물로 나오는 액체질소를 값싸게 공급한다. 공기 중 질소 비가 높아서 냉각할 때 액체 산소보다 훨씬 많이 나오는데 수요는 훨씬 적으니 그만큼 싸게 팔릴 수 밖에 없는 것.
그런데 이 액체질소의 온도를 유지하면서 안전하게 보관하기 위한 전용 안전용기의 가격은 몹시 비싼데, 30리터짜리 액체질소 용기 하나가 150~220만원 가까이 한다.[3] 평범한 병에 액체질소를 넣고 밀폐하면 폭발할 위험이 있는데, 액체질소용 용기는 뚜껑을 닫았을 때 최대한 온도를 유지하면서도 적정 질소기체 분압을 유지시켜 폭발하지 않으면서 동시에 소모를 최소화하는 구조로 되어 있다. 즉 단순한 밀폐 보온통이 아닌 꽤나 정밀한 기계라는 것.액체질소 전용용기가 값비싼것은 다 이유가 있다. 급할 때는 스티로폼이 제일 좋고, 플라스틱 컵이나 종이컵을 두 개 정도 겹쳐서 써도 잠깐 동안은 괜찮다고 한다.#
1기압에서 액체 헬륨의 끓는점은 섭씨 -269도, 액체 질소는 -196도인데 가격 차이가 거의 20배나 난다. 절대 온도로 따지자면 4K와 77K의 차이로 20배정도 되는 온도 차이이다.
4. 일반인 판매
의외지만 액체질소는 개인판매가 가능하다. 염산이나 황산은 법적으로 개인판매가 제한되어있는 것과 큰 차이를 보인다.
그리고 개인판매가 가능한 액체질소와는 달리 액체산소는 위험물로 분류되어서 개인판매가 불가하다.
그도 그럴게 액체질소는 불연성이라서 화재/폭발사고의 위험이 전혀없지만 반면 액체산소는 인화성이 강해 화재/폭발사고의 위험이 상당히 높고 염산과 황산의 경우도 액체질소는 무독성이라서 인체에 해를 끼치지는 않지만 반면 염산이나 황산은 매우 위험한 독극물이라서 인체에 치명적인 피해를 줄수있기때문이다.
5. 용도
각종 공업이나, 연구 장비 냉각 등에 많이 쓰인다. 또한 요리[4]에 쓰기도 하고, 세포나 균주의 장기보관용으로 쓰기도 한다.
마술 쇼라든가 사이언스 쇼에서도 쓰인다. 장미꽃을 넣었다가 깨뜨리는 건 마술쇼에서는 흔한 소재.
5.1. 피부 질환 치료
흔히 말하는 냉동치료는 액체질소를 사용하는 것. 별거 없고 그냥 면봉에 적절한 액체 질소를 묻혀 살에다 대고 지진다. 증상에 따라 스프레이처럼 직접 뿌리기도 한다. 그럼 액체질소가 피부를 급격히 냉각시켜 내부에 환부를 괴사시킨다. 일부러 동상에 걸리게 하는 원리로 감염면을 괴사시키는 방식이라 제법 아프다.[5] 티눈이나 사마귀 등의 치료에 쓰이는 방법. 몇몇 암수술에도 쓰이는데 암세포를 액체질소로 얼려 괴사시킨다는 개념은 위의 치료법과 원리가 같다.
사마귀를 치료하다가 액체 질소를 이용한 시술을 두 세번을 받았는데도 사마귀 완치가 안된다 싶으면 다른 병원에 방문해 레이저 치료 상담을 받을 것을 권한다. 주사 마취와 번거로운 시술 과정 때문에 레이저 요법을 꺼리는 경우가 있지만, 액체 질소 시술을 받아 며칠 후 환부가 떨어져 나가고도 다시 난다 싶으면 레이저 치료를 받는 것이 낫다. 자세한 얘기는 피부과 의사와 직접 상담하자.
5.2. 갓 얼린 음식
이걸로 아이스크림을 만들기도 한다. 생재료를 액체질소 조리통에 넣어서 얼리는데, 미리 냉동된것이 아니기 때문에 신선한 재료를 갓 얼려먹는듯한 매력으로 먹는다는듯. 2014년 대한민국에서도 본격적으로 브알라를 필두로 이러한 액체질소 아이스크림 점포들이 우후죽순으로 생겨나기 시작했다. 이미 홍대같은곳에는 서로 다른 브랜드가 멀지않은곳을 사이에 두고 입점할 정도이다.
액체질소를 그릇같은 곳에 부어둔 뒤 시중에서 판매하는 3색 아이스크림을 녹여서 한 방울씩 떨어뜨리면 한 방울 한 방울이 액체질소에 들어가자마자 얼어서 구슬 아이스크림을 만들 수 있다고 한다. 그것 말고도 초코우유같은 걸 스포이드를 써서 똑똑 떨구면 구슬 아이스크림이 된다.
뻥튀기 같은 구멍이 있는 과자에 찍어 먹으면 잠시동안 아이스 브레스를 쓸수 있어서 용가리 과자라는 이름으로 유행했지만 2017년 8월 3일 초등학생이 용가리 과자에 남아있는 액체질소를 먹고 위에 천공이 생긴 사고가 발생했다. 이로 인해 식약청에서는 식품에 액체질소를 첨가해 판매하는 것을 일체 금지시켰다. 기사
5.3. 오버클럭
[image]
오버클럭으로 인한 열기를 액체질소로 냉각하는 방법도 있다. 결로 및 결빙 현상에 의한 수분이 생기므로 이에 대한 대책을 마련해둬야 한다. 값싸게 미술용 떡지우개[6]를 뭉쳐 틀을 만드는 경우도 있다. 액체질소를 다시 포집해 액화시키기는 불가능하니 사실상 소모성이라는 것도 큰 문제.
일부 부분만 과도하게 냉각되는 것도 생각해보아야 한다. 한 쪽에서는 엄청난 연산속도를 내면서 트랜지스터들이 초고온도를 내는 한편 다른 쪽에서는 액체질소로 초저온으로 냉각이 된다. 여기서 고온과 초저온을 오가는 어마어마한 온도 차이 때문에 열 팽창과 수축에 의해 물질이 받는 응력 역시 엄청난 수준이 된다. 이에 따라 CPU의 수명이 극단적으로 짧아진다.
금전적인 바탕이 필요한 대신, CPU의 오버클럭의 한계까지 도전할 수 있게 된다. 세계에서 유명한 오버클럭커들은 이 방법을 즐겨 사용한다. 일부 CPU의 경우 이런 실험을 하는 도중 초저온에서 에러가 나는 경우가 발생해 제조사에서 또다시 돈을 뿌려가면서 고치기도 한다. 2003년 경 펜티엄4[7]를 이용하여 5GHz 벽을 돌파한 적이 있었다.#[8] 현재는 AMD에서 자사의 CPU에 '''액체헬륨'''(-269℃)을 들이부어가며 8.43GHz를 찍은게 세계기록이다. FX 시리즈로 추정.
당연히 일반인으로서는 이런 정도로까지 냉각할 필요는 없다. 그나마 수랭(水冷)이 성능 향상을 위해 시도할 수 있는 마지노선.
5.4. 가정용 냉각?
위에서 말했듯이 전문적으로 보이는 이름과는 달리 무척 싸기 때문에 에어컨 대신 이걸 쓰면 어떨까 생각이 들 수도 있다. 그런데 아래에서도 보듯이 전혀 아무 전조증상 없이 질식사할 수 있기 때문에 이를 주의해야 한다.
앞서 얘기한 대로 액체질소를 그냥 날려버리지 않고 액화해서 다시 포집해야 하는 것이 문제이다. 그냥 소모품으로 날려버린다고 하면 방 전체를 냉각시키기 위해 필요한 액체질소의 양은 수십 리터 이상이다.
차라리 드라이아이스가 훨씬 저렴하고 다루기 쉽다. 이놈은 전용 용기도 필요없다. 그냥 스티로폼 박스에 포장해서 준다. 질소와는 달리 질식에 대한 전조증상도 있어 상대적으로 안전하다. 물론 방안에 드라이아이스 덩어리를 그냥 놔두면 질식해버리므로 환기를 하든지 열교환기를 갖춰서 바깥에 빼두던지 하자.
더 저렴한 해법은 의외로 에어컨이다. 에어컨은 냉매를 압축하는 데 들어가는 전기에너지가 많으므로 굳이 대단한 냉각성능이 필요없으면 물의 증발잠열 냉각을 쓰면 된다. 물을 소모품으로 소모하면서 냉각하는거다.
5.5. 기타
2000년대 이후 스웨덴에서 매장과 화장과 수장 등 각종 장례법을 충분히 대체할 빙장이 개발되었다. 빙장에서는 시신이 들어있는 관을 꽁꽁 얼려버리는 액체질소가 사용된다. 매장하기엔 땅이 모자라고, 화장/수장은 환경오염의 문제가 있으니 이를 피할 수 있다.
장수말벌구제에도 유용하다. 장수말벌을 불태워서 구제하는 건 자극받은 말벌에게 쏘일위험도 존재하거니와 화재위험까지 대단히 높다. 게다가 말벌잡겠다고 불을 사용했다가는 방화미수라고 신고들어와서 경찰이 출동할수도있다.그 대신 액체질소를 사용하면 쏘이거나 화재위험없고 게다가 합법적으로 훨씬 안전하게 장수말벌을 잡을수있다. 액체질소를 장수말벌에게 살포 시 행동이 일시적으로 둔화되는데 이때 생포하면 된다.다만 액체질소가 말벌을 죽이지는 않으니 냉기가 사라지면 다시 활동적으로 변하니 후처리는 필수.생포후에는 발로 밟던지해서 마저 확인사살을 해주자.
장수말벌뿐만 아니라 독사도 액체질소를 살포하면 일시적으로 행동이 둔화되서 안전하게 생포가 가능하다.독사역시 액체질소에 일시적으로 무력화될뿐 죽지는 않는다.때문에 냉기가 사라지면 다시 되살아나니 생포후에는 독사의 머리를 잘라내야한다.
초전도체의 냉각제로도 많이 사용된다. 사실 현재 등장한 고온초전도체 중에는 임계온도가 드라이아이스로 달성할 수 있는 온도인 것도 존재하지만 가공 및 성형(재료의 물성이 세라믹, 즉 '도자기'다.)이 힘들고 액체질소는 액체인 만큼 펌프로 순환시킬 수 있기 때문에 계속 사용중이다. 아직까지는 액체이산화탄소 같은 일반적인 냉매로 달성 가능한 온도에서 초전도 현상을 일으키는 물질이 없다. 초전도의 세계에서는 우리에겐 상상도 못할 차가운 액체질소조차도 매우 뜨거운 냉매인 셈.
그리고, 참 많은 인간이 살아가는 세상답게 이 액체질소도 정말 상상치도 못한 곳에서 사용되곤 한다. 냉각이나 치료용이 아니라 그냥 갖고 노는 용으로 많이들 쓰는데, 유튜브에 액체질소를 쳐보면 온갖 물건을 얼리는 영상을 볼 수 있고, 이거 하나 가지고 별 이상한 짓을 다 한다. 거기에 영미권 유튜브로 넘어가면 정말 기상천외한 방법으로 액체질소를 갖고 놀고 있는 모습을 볼 수 있다. 얼어버린 결과물이 꽤 인상적이고 가격 자체도 그리 비싸지 않기 때문에 컨텐츠로 써먹기엔 제격이기 때문.
건축용으로도 사용되었다. 부전-마산 복선전철 낙동강 지하터널이 공사 중 붕괴사고를 일으킬 정도로 연약지반인 탓에 지반을 액화질소로 얼려 공사를 한다고 한다.링크
6. 인체에 미치는 영향
6.1. 질식 위험
액체질소가 기화하면 질소가 되는데 질소는 인체에 피해를 주지않는 무독성기체이므로 액체질소 취급시에는 방독면을 착용할 필요는 없다.
하지만 방 안에 액체질소가 기화하여 질소로 꽉 차게 되면 산소가 없어지기 때문에 점점 졸려지다가 죽는다. 기화 속도도 무지 빠른데다 부피도 말 그대로 폭발적으로 증가해서, 관련 사고 사례도 많다. 화학과 실험안전수업에서는 액체 질소에 대한 이야기는 필수적으로 나온다. 엘리베이터에 사람과 같이 타면 안된다든지, 사용시엔 문을 열어둬야 한다든지. 편하게 자살하고 싶은 게 아니라면 그냥 시도도 하지 말자.
실제로 2013년 멕시코의 한 수영장에서 파티 분위기를 내기 위해 액체질소를 부었다가 참가자들이 단체로 질식하는 사례도 있었고, 질소가스가 공업에 자주 쓰이기 때문에 잘못 다루다가 질식사 하는 사람들이 매년 꼭 나온다. 미국에서는 어느 은퇴한 과학교사가 자살도구로 만들어서 팔다가 잡히기도. 사형에 도입하여 인도적인 사형을 하자는 주장도 있지만, 사로잡힌 유기견/유기묘들이나 살처분될 가축 등을 안락사 시키는 정도에 간혹 쓰일 뿐 아직까지 사람 대상으로 도입된 전례는 없다.
이산화탄소는 우리의 호흡 과정에서 빼놓을 수 없는 기체라서 뇌 속의 연수에서 이산화탄소의 농도를 감지하여 어지럼증 등으로 몸에 위험 신호를 보낸다. 하지만 질소나 헬륨 등의 기체는 우리의 몸이 인식을 하지 못해 전혀 그러한 전조 증상이 없으므로 더욱 주의해야 한다.
6.2. 피부에 닿는다면
'''아주 잠깐'''이라면 액체질소 속에 손을 넣었다 빼도 문제가 없다. 체온에 의해 급격히 끓어버린 기체 상태의 질소가 단열재 역할을 해서 손을 보호해주기 때문. 이는 라이덴프로스트 효과(Leiden-Frost)라고 부른다. 그러나 함부로 사람에게 뿌려서는 안된다. 앞에서 말했듯 피부에 잠깐 닿는 정도라면 문제가 없지만, 장갑이나 옷등의 섬유에 묻은 채로 라이덴프로스트 효과가 일어나지 않을 정도로 차가워진 뒤 '스며들게' 되면 즉시 동상에 걸려 피부가 괴사하기에 매우 위험해진다. 영상 속의 남성이 액체 질소를 머리에 부은 후 몸을 휘저어서 액체 질소를 털어내는 게 그 이유.
결론적으로 피부에 닿는다면 심각한 동상을 입으므로 손대지 말고, 저 영상도 '''그냥 절대 흉내내지 말 것'''.
7. 각종 매체에서
매체에서는 의외로 무기로 쓰이는 묘사가 많다. 상대를 얼려서 꼼짝 못하게 하거나, 나아가 얼려진 상태에서 파괴하여 더 강한 피해를 입히는 식으로 쓰인다.
- 007 골든 아이에서는 보리스 그리셴코가 마지막에 기지가 폭발하는 와중에 살아남아서는 "Yes! I am invincible!(그래! 나는 천하무적이야!)"이라고 외치고는 액체질소 탱크가 폭발하면서 액체질소를 뒤집어쓰고 그대로 얼음인간이 되었다.
- 바이오쇼크의 무기인 화학 발사기의 탄환 중 하나. 말 그대로 상대를 냉각시킬 수 있다. 하지만 플라스미드로 얼렸을 때와 마찬가지로 얼어버린 적을 박살내면 아이템을 얻을 수 없다.
- 사야의 노래에서는 외계생명체(추정)와 싸우기 위한 최종병기로 사용된다.
- 퇴마록에서는 형사가 통째로 얼어버렸다.
- 터미네이터 2: 심판의 날에서는 후반부에 T-800이 어떤 타격에도 효과가 전혀 없던 T-1000을 액체질소로 얼려버린 후 권총으로 박살내는 장면이 나온다. 이 떄 내뱉은 'Hasta la vista, baby'는 명대사 중 하나. 그런데 하필이면 T-1000을 박살낸 곳이 제련소... 이후 뜨거운 용광로 열에 얼어버린 T-1000의 조각이 녹아서 다시 멀쩡히 복원된다.[9] 탱크로리에 실렸던 액체질소는 위의 문단에서 설명되었듯 해당 제련소에서 생산되어 외부로 수송중이었던 것으로 추정할 수 있다. 잘 안 보이는 세부사항도 신경쓰는 상당히 치밀한 고증이다.
- 터미네이터: 미래전쟁의 시작에서는 후반부에 존 코너가 끓는 쇳물을 T-800에게 끼얹은 후 액체질소로 얼려버린다. 2편의 오마쥬 장면. 여기서는 T-800이 쇳물이 끼얹어진 상태에서 얼려진거라 몸에 들러붙어있던 쇳물이 냉각되면서 몸 곳곳에 쇠가 들러붙어 굳어서 움직임이 거의 정지되어 버렸고, 이후 억지로 풀어냈어도 매우 둔해져서 앞서 쌩쌩할땐 무리없이 제압했던 마커스 라이트에게 무력하게 당하는 계기가 된다.
- 탐정학원Q의 마지막 장편 이야기인 서룡관 살인사건에서 우도 타쿠마의 살인 트릭에 액체질소가 쓰였다.
- 바이오하자드 4의 버두고와의 보스전에서는 액체질소 탱크가 중요하게 사용된다. 얼려놓고 총질을 하면 대미지가 3배로 들어가기 때문.
- 빅뱅 이론에 나오는 이론 물리학자 '레즐리 윙클'은 시리얼에 바나나를 넣으려하지만 근처에 나이프가 보이지 않자 액체질소를 사용하여 급속냉동시킨 후에 망치로 부숴서 넣는다.
- 소설 데프콘에서는 킬러집단이 피해자를 한여름에 액체질소로 동사시키는 장면이 나온다.
- 미드 로스트의 마이클 도슨은 기폭장치에 연결된 배터리의 작동을 중지시키기 위해, 배터리에 액체질소를 분사하여 얼리는 방법을 사용한다. 비슷한 장면이 멜 깁슨 주연 리쎌 웨폰 2에서도 나오는데 여기서는 기폭장치의 작동을 1~2초 늦추기 위해서 뿌려진다.
- 온라인 게임 이터널시티2에서는 화염방사기의 엑설런트급 탄창으로 등장한다. 주변을 밝히는 효과가 사라지고 공격력, 사거리가 떨어지지만 일정 확률로 적을 얼릴 수 있고, 길거리에 걸어다니는 좀비 수준이라면 상당히 높은 확률로 얼릴 수 있다. 얼어붙은 적은 이동과 공격을 할 수 없다.
- 커맨드 앤 컨커 레드얼럿3에서는 크라이오 유닛들이 액체질소를 살포하며 적을 얼린다.
- 메탈기어 라이징 리벤전스에서 라이덴은 미스트랄과의 전투에서 미스트랄에게 액체질소를 끼얹어 얼려버린 후 박살냈다. 미스트랄은 전신 사이보그화가 되었지만 본바탕은 여성이다. 다만 이후 등장한 AI를 탑재해 움직이는 미스트랄의 스페어 바디는 이런 액체질소가 없어서 그냥 썰어버린다.
- 난바카 애니판 14화에서는 형무소의 탈옥수들을 잡기 위한 트랩으로 나온다. 무려 전신으로 맞도록 천장에 설치되어 있다.
- 프레데터 2에서 프레데터를 조준해 액체질소를 발사한다. 하지만 결과는...
- 바이오하자드 7에서는 크리스 레드필드가 루카스 베이커에 의해 팔에 폭탄이 부착되었는데 폭발 직전에 폭탄이 부착된 팔을 통째로(!!!) 넣어서 얼려서 때어내는 장면이 있다.
[1] 단 이것은 B2B 기준이며, B2C 같은 개인 소분은 1리터당 2000원 정도이다.[2] 전로에서 강철의 탄소 함유량을 줄이는 데 쓴다. 순산소로 용강 속의 탄소를 태워 (정확히는 모조리 산화시켜 이산화 탄소로 만들어서) 없애는 것이다.[3] 중국 쇼핑 사이트 알리익스프레스에서는 비교적 싸게 살 수 있다. 60만원가량하는 10리터짜리 액체질소 용기를 17만원,80만원하는 15리터짜리 액체질소 용기는 30만원,90만원 하는 20리터 짜리 액체질소 용기는 40만원에 살수있다.[4] 특히 분자요리.[5] 치료 전에 마취 크림을 바르긴 하지만 효과가 전혀 없이 느껴질 정도로 아프다. [6] 학창 시절에 지우개가루 뭉치면 찰흙처럼 되는걸 완제품으로 실제로 판매한다.[7] 노스우드 C로 추정.[8] 실외에서 CPU뿐만 아니라 메인보드의 노스브리지 칩셋도 컴프레셔로 냉각시키면서 테스트 하였다. 5GHz 돌파시 CPU 코어온도는 -196℃, 노스브리지 칩셋온도는 -38℃를 기록하였다. 물론 테스트 중간중간에 액체질소를 보충하였다.[9] 사실 멀쩡한 상태는 아니었다. 감독판을 보면 이어지는 장면에서 신체부위가 제멋대로 주변 환경과 동화되는 등 데미지를 받았다는 걸 보여주는 연출이 나오는데 극장 상영판에서는 생략되었다.