에기연, '불화가스' 분해 고성능 촉매 개발…반도체 등 산업계 적용

불화가스 분해에 활용될 고성능 촉매가 개발됐다.

한국에너지기술연구원(이하 에기연)은 CCS연구단 이신근 박사 연구진이 반도체·디스플레이 생산 공정에서 발생하는 온실가스를 낮은 온도에서 안정적으로 분해할 수 있는 새로운 촉매를 개발했다고 21일 밝혔다.

(왼쪽부터) 이은한 학생연구원, 조원섭 학생연구원, 이신근 박사, 서두원 책임기술원 등 연구진이 기념촬영을 하고 있다. 한국에너지기술연구원 제공

사불화탄소(CF4), 헥사플루오로에탄(C2F6) 등 불화가스는 반도체·디스플레이 생산 공정에서 주로 발생한다. 이들 불화가스의 온실효과는 이산화탄소보다 5000배 이상 높은 것으로 알려졌다. 인공지능(AI)의 발전 속도와 맞물려 반도체·디스플레이 산업이 지속 성장하는 추세를 고려할 때 불화가스의 분해·처리가 중요해지는 이유다.

이를 위해 업계에서는 연소, 플라즈마 방식 등 온실가스 제거 기술을 활용한다. 하지만 연소 방식은 이산화탄소를 발생시키는 문제를 가졌고, 플라즈마 방식은 대량의 전기가 필요해 대용량 처리에 한계가 있다.

이 때문에 미국, 일본에서는 이산화탄소를 배출하지 않고도 대용량 분해·처리가 가능한 촉매 분해 방식을 1990년대부터 활발하게 연구하는 중이다.

하지만 현재까지 개발된 분해 촉매는 750도 이상의 고온 조건에서 작동해 많은 에너지를 요구한다. 여기에 수명도 1000시간 이내로 짧아 경제·내구성 극복을 위한 기술이 필요했던 상황이다.

에기연이 개발한 촉매는 기존 촉매 반응의 한계를 해소, 상대적으로 낮은 온도에서 4000시간 연속으로 운전하더라도 성능을 유지하는 강점을 가졌다.

사불화탄소 등 불화가스는 물과 작용하는 가수분해반응으로 분해된다. 불화가스가 낮은 온도에서도 물과 빠르게 많이 반응하기 위해서는 촉매 안에 불화가스가 들어올 수 있는 공간이 많아져야 한다. 이 개념을 '루이스산점'이라 한다. 루이스산점이 많아지려면 촉매 안에 아연 함량을 최적으로 맞추는 기술이 필요하다.

에기연은 이러한 개념을 토대로 촉매 안에 포함된 아연, 알루미나, 인 등의 함량을 최적의 양으로 조정해 루이스산점을 최대화하는 데 성공했다. 이를 통해 개발한 촉매는 기존 촉매의 작동 온도보다 50도 낮은 700도에서도 5000ppm 이상의 고농도 사불화탄소를 98% 이상 안정적으로 분해하는 성능을 나타냈다. 작동 온도가 낮아지면서 에너지 효율도 기존보다 10% 이상 상승했다.

특히 테스트 과정에서 5000ppm 기준 4000시간 연속 운전을 해도 촉매 성능이 저하되지 않아 장기 내구성까지 확보한 것으로 평가된다. 이는 상용 기준(2000ppm 기준 1000시간 연속 운전)보다 2배 이상 높은 수준이다.

에기연은 개발한 촉매가 사플루오르화탄소는 물론 반도체 공정에서 발생하는 육플루오르화황(SF6)와 삼플루오르화질소(NF3)를 동시 분해할 수 있어 펜타플루오르에탄 등 냉매 가스를 분해하는 데도 효과적인 것을 확인했다. 촉매의 활용처가 넓어진 셈이다.

개발한 촉매를 대량 생산할 수 있는 방안도 마련했다. 촉매 생산에 압출 공정을 적용해 활용처에 따라 촉매의 형태와 크기를 다양하게 조절하는 게 핵심이다.

이신근 박사는 "개발한 촉매는 반도체·디스플레이 공정에서 배출되는 다양한 불소계 화합물과 폐냉매 처리가 가능한 다용도 촉매"라며 "에기연은 이 촉매가 반도체·디스플레이 산업계 외에도 폐차장, 폐가전 등에 적용돼 국가 온실가스 저감 목표에 이바지할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr