반도체 공정 ‘온실가스’, 맑은 공기로 바꿀 촉매 개발

반도체와 디스플레이 생산 공정에서 다량 배출된 온실가스를 맑은 공기로 바꿔줄 기술이 개발됐다.

한국에너지기술연구원(이하 에너지연)은 이신근 수소융복합소재연구실 박사 연구진이 아산화질소(N2O)를 공기의 주성분인 질소(N2)와 산소(O2)로 분해하는 촉매를 개발했다고 28일 밝혔다.

연구진이 개발한 촉매 압출방식으로 제조한 알루미나 지지체(왼쪽)와 구리가 코팅된 에그쉘타입 N2O 분해 촉매(오른쪽)가 연구진 손에 담겨져 있다. 한국에너지기술연구원 제공

아산화질소는 무색의 기체로 지구온난화지수가 이산화탄소 대비 300배 이상 높다. 또 대기 중에 머무는 기간이 120년에 달하는 대표 온실가스로 지목된다.

주로 사용되는 분야는 의료용 마취제, 냉매, 연소제, 반도체와 디스플레이 제조공정 등이다. 이중 반도체와 디스플레이 산업은 올해 4월 기준 국내 총수출액의 20%를 차지하는 주력 산업으로, 계속되는 수요 증가로 지속적인 성장세가 예상된다.

반도체 등 산업이 활성화될수록 아산화질소 사용도 늘어날 수밖에 없는 구조로, 그간 산업계에서 탄소중립을 위한 친환경 공정 개발의 필요성이 꾸준히 제기된 이유도 다름 아니다.

반도체, 디스플레이 생산(증착) 과정에서 아산화질소는 절연막 형성과 세정을 위해 사용되는 필수 요소로 잔류가스 형태로 남거나 공정 중 화학반응으로 생성된다.

아산화질소는 연소, 플라즈마, 촉매 분해 등으로 분해할 수 있다. 하지만 연소 방식은 분해 과정에서 이산화탄소, 질소산화물 등 온실가스를 발생시킨다. 플라즈마를 이용해 분해하는 과정에서는 질소산화물 생성과 전력 소모가 크다는 문제가 생긴다.

반면 촉매 분해 방식은 낮은 온도에서도 대량의 배출가스를 분해할 수 있고, 질소산화물을 생성하지 않아 가장 친환경적인 분해 방식으로 평가받는다.

다만 그간 촉매 분해 방식은 질산 제조 공정 등에는 활용돼 온 반면 반도체 제조 공정에는 적용되지 않았다. 최대 15%에 달하는 고농도의 아산화질소를 분해할 수 있는 기술이 개발되지 않은 까닭이다.

이는 연구진이 반도체, 디스플레이 공정에서 발생한 아산화질소를 맑은 공기로 바꿔줄 촉매를 개발한 것에 의미를 부여할 수 있는 대목이다.

연구진이 개발한 촉매는 1%~20%의 다양한 농도에서 아산화질소를 99% 이상 분해하는 우수한 성능을 보였다. 무엇보다 500시간 이상의 운전에도 촉매의 성능이 저하되지 않아 장기 내구성까지 확보했다.

(앞줄 왼쪽부터 시계방향으로) 이신근 책임연구원, 변세기 선임연구원, 황효정 기술원, 서두원 책임기술원, 이은한 학생연구원이 기념촬영을 하고 있다. 한국에너지기술연구원 제공

기존에 분해 촉매로 사용돼 온 고가의 루테늄을 대신해 구리를 촉매로 활용한 점도 눈여겨볼 지점이다. 구리는 루테늄보다 저렴하며, 우수한 산화환원반응을 가졌다.

또 지지체의 표면을 따라 얇고 고르게 분산된 구리는 아산화질소 분해 반응을 일으키는 표면적을 극대화하는 역할을 해 표면에 흡착된 아산화질소가 질소와 산소로 빠르게 전환, 질소산화물로 화합되는 것을 방지한다는 것이 연구진의 설명이다.

개발한 촉매를 실제 공정에 적용하기 위해 연구진은 현재 촉매 분해 시스템 업체와 협력을 계속하는 중으로, 이르면 올해 하반기부터 상용화 단계에 진입할 것으로 기대된다.

실제 촉매의 내부에는 열과 힘에 강하면서도 제조공정이 매우 간단한 알루미나 지지체를 적용해 양산화 가능성이 높다. 지지체는 가래떡을 뽑아내는 형태의 간단한 압출 공정을 통해 제조되며, 표면에는 구리 촉매가 얇게 퍼질 수 있도록 분무 형태의 스프레이 코팅법을 적용했다. 이처럼 간단한 공정으로도 실험실 규모에서 하루 30㎏ 이상의 촉매 제조가 가능했다고 연구진은 강조했다.

이신근 박사는 “연구진이 개발한 촉매는 반도체와 디스플레이 공정에서 실제 배출되는 1% 이하부터 20% 이상 농도의 아산화질소를 99% 이상 분해할 수 있다”며 “특히 간단한 제조공정으로 대량생산이 가능해 상용화 가능성이 높은 것이 장점”이라고 소개했다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr