반도체 공정에서 발생하는 온실가스, 맑은 공기로 바꾼다

연구팀이 개발한 촉매. 왼쪽이 압출방식으로 제조한 알루미나 지지체, 오른쪽-구리가 코팅된 에그쉘타입 N2O 분해촉매다. [사진=한국에너지기술연구원]

국내 연구팀이 반도체와 디스플레이 생산 공정에서 배출되는 온실가스를 깨끗하고 맑은 공기로 바꾸는 기술을 개발했다.

이신근 한국에너지기술연구원 책임연구원팀은 28일 반도체와 디스플레이 생산 공정에서 배출되는 아산화질소를 공기의 주성분이 질소와 산소로 분해하는 촉매를 개발했다고 밝혔다.

아산화질소는 지구온난화지수가 이산화탄소 대비 300배, 대기 중에 머무는 기간이 약 120년인 강력한 온실가스다. 반도체 증착에 사용되며 연소나 플라즈마, 촉매 분해 방식을 통해 분해된다. 그러나 연소 방식은 분해 과정에서 온실가스인 이산화탄소, 질소산화물이 발생한다. 플라즈마를 이용한 방식도 질소산화물이 생성되고 전력소모가 많다는 단점이 있다.

촉매 분해방식은 가장 친황경적인 분해방식으로 평가받는다. 낮은 온도에서 대량의 배출가스를 분해할 수 있고, 질소산화물을 생성하지 않아서다. 현재 질산 제조 공정 등에 활용하고 있으나 반도체 제고공정에스 쓰지 않고 있다. 최대 15%에 달하는 고농도의 아산화질소를 분해할 수 있는 고성능의 촉매가 없었기 때문이다.

연구팀은 고성능에 높은 내구성을 가진 분해 촉매를 개발했다. 달걀껍질을 닮은 에그쉘 구조를 촉매해 적용했다. 연구팀은 “외부의 둥근 표면을 따라 구리 촉매를 고르게 퍼트려 아산화질소에 대한 반응도를 높이고 분해 성능을 향상시켰다”며 “촉매 내부에는 열과 힘에 잘 견디는 알루미나 지지체를 활용해 내구성을 높였다”고 설명했다.

연구팀은 개발한 촉매로 아산화질소 분해 실험을 진행했다. 그 결과 1~20% 다양한 농도에서도 아산화질소를 99% 이상 분해하는 것으로 나타났다. 또 500시간 장시간 운전에도 성능을 유지했다.

현재 연구팀은 개발한 촉매를 실제 공정에 적용하기 위해 촉매 분해시스템 업체와 협력을 추진 중이다. 올 하반기 상용화 단계에 진입할 것으로 예상하고 있다.

이 책임연구원은 “개발한 촉매는 간단한 제조공정으로 대량생산이 가능해 상용화 가능성이 높다”며 ”반도체, 디스플레이뿐만 아니라 암모니아 연소 등 다양한 분야에 적용 가능한 유망한 기술로 국가 온실가스 저감 목표에 기여할 수 있다“고 밝혔다.

연구팀 단체사진. 왼쪽 아래부터 시계방향부터 이신근 책임연구원, 변세기 선임연구원, 황효정 기술원, 서두원 책임기술원, 이은한 학생연구원. [사진=한국에너지기술연구원]