암모니아(NH₃): 제조법부터 활용까지, 현대 산업의 숨은 주역

암모니아(NH3​)는 질소 원자 하나와 수소 원자 세 개가 결합한 무색의 자극적인 냄새를 가진 화합물이다. 산업 현장 전반에 걸쳐 지대한 영향을 미치고 있으며, 특히 농업 생산성 향상에 결정적인 역할을 해왔다. 나아가 최근에는 탄소 중립 시대를 이끌어갈 차세대 청정 에너지원으로서 그 중요성이 더욱 부각되고 있다. 암모니아의 주요 제조법과 광범위한 사용 용도에 대해 심층적으로 알아본다.

 

---

## 암모니아의 심장, '하버-보슈법' 제조 공정

오늘날 전 세계 암모니아 생산의 90% 이상은 **하버-보슈법(Haber-Bosch process)**에 의존한다. 20세기 초 독일의 화학자 프리츠 하버와 카를 보슈에 의해 개발된 이 공정은 공기 중의 질소(N₂)를 수소(H₂)와 반응시켜 암모니아를 합성하는 획기적인 방법이다. 인류의 식량 생산 능력을 비약적으로 증대시킨 공로를 인정받아, 두 사람은 각각 노벨 화학상을 수상했다.

하버-보슈법의 핵심 화학반응식은 다음과 같다.

N2​(g)+3H2​(g)⇌2NH3​(g)(ΔH=−92.4kJ/mol)

이 반응은 발열 반응이지만, 상온 및 상압에서는 반응 속도가 매우 느려 실제 생산에는 비효율적이다. 따라서 높은 수율을 얻기 위해 다음과 같은 특정 공정 조건이 필수적이다.

1. 원료 확보:

• 질소 (N₂): 공기를 액화시킨 후 분별 증류하여 얻는다. 공기의 약 78%가 질소이므로 무한에 가까운 원료를 확보할 수 있다.
• 수소 (H₂): 주로 천연가스(메탄, CH4​)를 고온의 수증기와 반응시키는 **증기 개질(steam reforming)**을 통해 생산된다. 이 과정에서 다량의 이산화탄소가 부산물로 발생하며, 이는 하버-보슈법이 '회색 암모니아'로 분류되는 주된 이유이다.

2. 고압 및 고온 조건:

• 르 샤틀리에 원리에 따라, 반응물의 총 몰수(4몰)가 생성물의 몰수(2몰) 보다 크므로 **높은 압력(150-350기압)**을 가하여 정반응(암모니아 생성 방향)을 촉진한다.
• 반응 속도를 높이기 위해 **높은 온도(400-500°C)**가 필요하다. 하지만 온도가 너무 높으면 평형이 역반응 쪽으로 이동하여 암모니아 분해가 활발해지므로, 최적의 수율을 위한 온도 유지가 관건이다.

3. 촉매의 사용:

• 반응 속도를 높이기 위해 철(Fe)을 주성분으로 하는 촉매를 사용한다. 촉매는 질소 분자의 강력한 삼중 결합을 끊고 수소와의 반응을 용이하게 하여, 보다 낮은 온도에서도 효율적인 합성이 가능하도록 돕는다.

생성된 암모니아는 냉각을 통해 쉽게 액화시켜 반응하지 않은 질소, 수소 기체와 분리한 후 저장 및 운송된다. 미반응 기체는 다시 반응기로 재순환시켜 생산 효율을 극대화한다.

#### 차세대 암모니아 제조법

전통적인 하버-보슈법은 에너지 소모가 많고 이산화탄소 배출량이 많다는 한계가 있다. 이에 따라 탄소 배출을 줄이는 '그린 암모니아' 생산 기술 개발이 활발히 진행되고 있다.

• 전기화학적 합성: 재생에너지를 통해 생산된 전기로 물을 전기분해하여 수소를 얻고, 이를 질소와 반응시키는 방식이다. 탄소 배출이 전혀 없는 궁극적인 청정 암모니아 생산기술로 주목받고 있다.
• 광촉매 및 플라즈마 기술: 상온·상압 조건에서 빛 에너지나 플라즈마를 이용하여 질소와 수소를 반응시키는 연구도 활발하게 이루어지고 있다. 아직 상용화 단계는 아니지만, 에너지 효율을 획기적으로 개선할 수 있는 잠재력을 지녔다.

---

## 농업부터 미래 에너지까지, 암모니아의 무한한 활용

암모니아는 다양한 산업 분야에서 필수적인 원료 및 소재로 사용된다.

1. 비료 산업의 핵심 원료 암모니아의 가장 큰 용도는 단연 질소 비료의 원료이다. 전 세계 생산량의 약 80%가 비료 제조에 사용된다. 식물 성장에 필수적인 질소 성분을 토양에 공급함으로써 농작물 수확량을 획기적으로 늘려 인류의 식량 위기 해결에 결정적인 기여를 했다. 암모니아 자체를 직접 토양에 주입하거나, 요소, 질산암모늄, 황산암모늄 등 다양한 형태의 질소 비료로 가공되어 사용된다.

2. 산업용 원료 및 소재

• 질산(HNO₃) 생산: 암모니아를 산화시켜 질산을 제조하며, 이는 폴리우레탄, 나일론과 같은 합성섬유 및 플라스틱, 염료, 폭약(TNT) 등의 원료로 광범위하게 사용된다.
• 냉매: 끓는점이 낮고 기화열이 커 우수한 냉각 효과를 지녀, 대형 산업용 냉동·냉장 시설의 냉매(R-717)로 널리 쓰인다.
• 세척제: 암모니아수는 유지류를 잘 녹이는 성질이 있어 유리 세정제 등 가정용 및 공업용 세척제로 활용된다.

3. 반도체 및 금속 공정

• 반도체 공정: 질화막(Si3​N4​) 증착 공정에서 반응 가스로 사용되며, 디스플레이 제조 공정에서도 질소원으로 활용된다.
• 금속 표면 처리: 금속을 암모니아 가스 중에서 가열하면 표면에 질화물이 형성되어 경도가 높아지는 질화 처리에 사용된다.

4. 차세대 친환경 에너지원 최근 암모니아는 탄소중립 시대를 열어갈 핵심적인 에너지 캐리어(Energy Carrier) 및 무탄소 연료로 각광받고 있다.

• 수소 저장 및 운송: 수소는 부피당 에너지 밀도가 낮고 액화가 어려워 저장과 운송이 까다롭다. 반면 암모니아는 수소보다 훨씬 쉽게 액화되고 단위 부피당 수소 저장 밀도가 높아, 수소를 장거리 운송하는 효율적인 매개체로 주목받는다. 필요한 곳에서 암모니아를 다시 수소와 질소로 분해하여 수소를 활용할 수 있다.
• 무탄소 연료: 암모니아는 연소 시 이산화탄소를 전혀 배출하지 않는 청정 연료이다. 기존 화력발전소에서 석탄이나 LNG와 혼합하여 연소(혼소)하거나, 100% 암모니아만 사용하는 전소 발전을 통해 온실가스 배출을 크게 줄일 수 있다. 또한, 선박용 친환경 연료로서의 개발도 활발히 진행되고 있다.

이처럼 암모니아는 인류의 삶을 풍요롭게 만든 전통적인 화학 물질임과 동시에, 지속 가능한 미래를 열어갈 핵심적인 자원으로서 그 역할과 가치가 더욱 커지고 있다. 생산 과정의 탄소 배출 문제 해결과 안전한 활용 기술 개발을 통해, 암모니아는 미래 에너지 시대를 이끌어 나갈 주역으로 자리매김할 것이다.