CO₂보다 6000배 강한 반도체 온실가스 잡는 ‘촉매’ 구현

KAIST, 여러 금속 원자 섞은 ‘엔트로피 안정화 알루미네이트 촉매’ 개발
사불화탄소 높은 효율로 장기간 분해...반도체 공정가스 처리에 활용

여러 금속을 고르게 혼합한 알루미네이트 촉매의 설계와 반도체 공정가스 CF₄ 제거 성능을 AI로 생성한 이미지. KAIST 제공.

반도체 공정에 사용되는 온실가스를 높은 효율로 없애면서 장시간 성능을 유지하도록 돕는 촉매 기술이 나왔다.

KAIST는 최민기 생명화학공학과 교수 연구팀이 삼성전자 연구진과 공동으로 반도체 미세회로 제작 공정 등에 사용되는 온실가스인 사불화탄소(CF₄)를 높은 효율로 장기간 제거할 수 있는 촉매를 개발했다고 3일 밝혔다.

CF₄는 반도체 웨이퍼에서 필요 없는 부분을 선택적으로 깎아 미세회로를 만드는 건식 식각 공정 등에 사용되는 과불화탄소계 화합물이다.

탄소와 불소가 매우 단단하게 결합해 있어 자연적으로 거의 분해되지 않으며, 이산화탄소보다 6000배 이상 높은 지구 온난화에 미치는 영향이 크다.

더욱이 사용 후 남은 미량의 CF₄가 대기 중으로 배출되면 약 5만년 동안 존재할 수 있다.

현재 반도체 제조 현장에서는 CF₄가 그대로 배출되지 않도록 높은 온도에서 수증기와 촉매를 이용해 분해한다.

CF₄ 분해에 쓰이는 기존 촉매는 오래 사용할수록 성능이 떨어지는 문제가 있다.

연구팀은 ‘무질서의 힘’​을 이용해 촉매 성능 문제를 해결했다.

서로 다른 여러 종류의 원자를 하나의 구조 안에 고르게 섞으면 배열은 복잡하고 무질서해지지만 특정한 구조로 쉽게 바뀌지 않아 전체 구조는 안정적으로 유지된다.

이를 ‘엔트로피 안정화’​라고 부르는데, 여러 종류의 원자를 고르게 섞어 촉매가 한쪽으로 뭉치거나 다른 구조로 변하는 것을 어렵게 만들 수 있는 것이다.

연구팀은 엔트로피 안정화를 이용해 알루미늄(Al), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 니켈(Ni), 코발트(Co) 등 여러 금속을 하나의 알루미네이트 결정구조 안에 고르게 섞은 결과, 고온과 수분, 불소가 함께 존재하는 가혹한 환경에서 쉽게 뭉치거나 변형되지 않는 ‘엔트로피 안정화 알루미네이트 촉매’가 만들어졌다.

알루미네이트는 알루미늄과 산소를 기본 골격으로 여러 금속이 결합한 물질이다.

새 촉매는 기존 알루미나 촉매보다 CF₄ 분해 활성이 약 2.3배 높았고, 약 800도 고온에서 150시간 동안 진행한 가혹 조건 실험에서 기존 알루미나 촉매의 CF₄ 전환율은 93%에서 48%로 떨어졌다.

반면 새 촉매는 98%에서 92%로 높은 수준을 유지했다. CF₄를 높은 효율로 제거하면서 장시간 성능을 유지함을 보여준 것이다.

연구팀은 촉매가 자신의 구조에 있는 산소를 먼저 이용해 CF₄를 분해하고, 주변의 수증기가 빠져나간 산소를 다시 채우면서 반응이 계속 일어나는 CF₄ 분해 과정도 세계 최초로 실험적으로 규명했다.

최민기 교수는 “높은 분해 성능과 긴 수명을 동시에 확보할 수 있는 새로운 촉매 설계 방법을 제시했다는 데 의미가 있다”며 “향후 금속 종류와 조합을 바꿔 다양한 반도체 공정가스를 처리하는 촉매 개발에 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

연구결과는 국제 학술지 ‘앙게반테 케미 인터내셔널 에디션’ 6월에 실렸다.

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr