반도체 공정 `온실가스` 99% 분해…깨끗한 공기로 바꾸는 `마법의 촉매`

에기연, 아산화질소를 질소산소로 분해하는 촉매
달깔껍질 구조에 구리 표면에 분사해 분해반응 높여

한국에너지기술연구워는 반도체, 디스플레이 생산 공정에서 배출되는 아산화질소를 공기의 주성분인 질소와 산소로 분해하는 촉매를 개발했다. 연구진이 압출방식으로 제조한 알루미나 지지체(왼쪽)와 구리가 코팅된 에그쉘타입 분해촉매(오른쪽)를 들어보이고 있다. 에기연 제공

이신근 (앞줄 왼쪽)에기연 박사와 연구진 모습. 에기연 제공

반도체, 디스플레이 생산 공정에서 발생하는 유해기체를 깨끗한 공기로 정화할 수 있는 촉매 기술이 개발됐다.

한국에너지기술연구원은 이신근 박사 연구팀이 아산화질소를 공기의 주성분인 질소와 산소로 분해하는 촉매를 개발했다고 28일 밝혔다.

아산화질소는 무색의 기체로, 지구 온난화지수가 이산화탄소보다 300배 이상, 대기 중에 머무는 기간이 약 120년으로 강력한 온실가스다.

의료용 마취제, 냉매, 반도체·디스플레이 제조 공정 등에 주로 사용된다. 특히 반도체, 디스플레이 생산 공정에서 아산화질소 등 다량의 온실가스가 배출돼 탄소중립 실현을 위해 친환경 공정기술 개발이 요구돼 왔다.

연구팀은 달걀 껍질을 닮은 에그쉘 구조의 촉매를 적용했다. 촉매 내부는 열과 힘에 잘 견디는 알루미나 지지체를 활용했고, 외부 둥근 표면을 따라 구리 촉매를 고르게 퍼뜨려 아산화질소 반응을 높이고 분해 성능을 높였다. 현재 분해 촉매로 쓰고 있는 고가의 루테늄보다 매우 저렴하고 우수한 산화환원 반응을 가진 구리를 촉매로 적용한 것이다. 고르게 표면에 분산된 구리는 아산화질소 분해 반응을 일으키는 표면적을 극대화하는 역할을 한다.

제조공정도 매우 간단해 알루미나 지지체는 가래떡을 뽑아내는 형태의 간단한 압출 공정을 통해 제조할 수 있다. 아울러, 표면에 구리 촉매는 분부 형태의 스프레이 코팅법을 적용해 실험실 규모에서 하루 30㎏ 이상의 촉매 제조가 가능하다고 연구팀은 설명했다.

촉매 성능이 탁월해 1∼20%의 다양한 농도에서 아산화질소를 99% 이상 분해하고, 500 시간 이상의 운전에도 촉매 성능이 떨어지지 않아 장기 내구성까지 갖췄다.

이신근 에기연 박사는 "개발한 촉매는 반도체, 디스플레이 공정에서 실제 배출되는 1% 이하부터 20% 이상의 농도까지 99% 이상 분해가 가능하고, 간단한 제조 공정으로 대량 생산이 가능해 상용화 가능성이 높다"며 "암모니아 연소 등 다양한 분야에 적용해 국가 온실가스 저감 목표에 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr