임계 온도와 임계 압력은 무엇인가요?

[임계 온도(Critical Temperature, Tc)]

기체가 아무리 높은 압력을 가해도 액화되지 않는 최고 온도를 임계 온도라고 한다. 임계 온도 이상에서는 기체와 액체의 구분이 사라지며 초임계 유체(Supercritical Fluid) 상태가 된다. 대표적인 예로 CO₂의 임계 온도는 31.1℃이며, 물(H₂O)의 임계 온도는 374℃이다.

[임계 압력(Critical Pressure, Pc)]

임계 온도에서 기체를 액화시키는 데 필요한 최소 압력이 임계점에서의 압력이다. CO₂의 임계 압력은 약 73.8 bar이며, 물의 임계 압력은 약 220.6 bar이다.

임계 온도와 임계 압력을 동시에 넘으면 기체와 액체의 구분이 사라진 단일상의 초임계 상태(Supercritical State)가 된다. 이 상태의 물질은 기체의 높은 확산성과 액체의 높은 용해도를 동시에 가지는 특성이 있어 다양한 분리 공정에 유리하다.

초임계 유체 기술은 다양한 산업 분야에서 활발하게 활용되고 있다. 초임계 CO₂(scCO₂)는 31.1℃·73.8 bar 이상의 조건에서 생성되며, 독성이 없고 잔류물이 남지 않아 식품·의약품·화장품 분야의 천연물 추출에 친환경 용매로 널리 사용된다. 커피 카페인 제거(디카페인 공정)·홉(맥주 원료) 추출·천연 향료 추출이 대표적인 응용 사례이다. 또한 반도체 제조에서 초임계 CO₂를 이용한 세정 공정은 유기용매 세정을 대체하여 미세 패턴 손상 없이 세정이 가능하다. 특히 초임계 CO₂는 낮은 표면장력과 높은 확산성을 가져 미세 구조 및 고종횡비 구조의 세정에 유리한 잠재력을 가진다. [MOU37.1] 국내에서는 삼성전자·SK하이닉스가 반도체 초임계 세정 공정 도입을 추진하고 있다. 초임계 물(scH₂O)은 374℃·220 bar 이상에서 유기폐수의 산화 분해(SCWO, Supercritical Water Oxidation)에 활용된다.