반도체, 디스플레이 생산 공정에서 배출되는 온실가스를 깨끗한 공기로 바꾸는 기술이 개발됐다.
한국에너지기술연구원은 수소융복합소재연구실 이신근 박사 연구진이 반도체, 디스플레이 생산 공정에서 배출되는 아산화질소(N2O)를 공기의 주성분인 질소(N2)와 산소(O2)로 분해하는 촉매를 개발했다고 28일 밝혔다.
반도체, 디스플레이 산업은 2024년 4월 기준 총 수출액의 20%를 차지하는 우리나라의 주력 산업으로 인공지능, 가상현실 분야의 수요 증가로 인해 지속 성장할 전망이다. 다만 생산 과정에서 아산화질소를 비롯한 다량의 온실가스가 배출돼 산업 부문의 탄소중립을 실현하기 위한 친환경 공정 개발의 필요성이 부각되고 있다.
반도체 증착에 사용되는 아산화질소는 연소, 플라즈마, 촉매분해 방식을 통해 분해된다. 하지만 연소 방식은 분해 과정에서 온실가스인 이산화탄소, 질소산화물이 발생하며, 플라즈마를 이용한 분해 방식에서도 질소산화물이 생성되고 전력소모가 많다는 문제가 있다.
반면, 촉매 분해 방식은 낮은 온도에서도 대량의 배출가스를 분해할 수 있고 질소산화물을 생성하지 않아 가장 친환경적인 분해 방식으로 평가받고 있다. 현재 질산 제조 공정 등에 활용되고 있으나 반도체 제조 공정에는 최대 15%에 달하는 고농도의 아산화질소를 분해할 수 있는 기술이 필요해 아직까지 적용되지 않았다.
연구진은 아산화질소 분해 촉매의 성능과 내구성을 높이기 위해 달걀껍질을 닮은 에그쉘 구조의 촉매를 적용했다. 촉매의 내부에는 열과 힘에 잘 견디는 알루미나(Al2O3) 지지체를 활용했고 외부의 둥근 표면을 따라 구리 촉매를 고르게 퍼트려 아산화질소에 대한 반응도를 높이고 분해 성능을 향상시켰다.
연구진은 현재 분해 촉매로 사용되고 있는 고가의 루테늄보다 매우 저렴하며 우수한 산화환원반응을 가진 구리를 촉매로 적용했다. 지지체의 표면을 따라 얇고 고르게 분산된 구리는 아산화질소 분해 반응을 일으키는 표면적을 극대화하는 역할을 한다. 이를 통해 표면에 흡착된 아산화질소는 질소와 산소로 빠르게 전환돼 질소산화물로 화합되는 것을 방지한다.
촉매의 내부에는 열과 힘에 강하면서도 제조공정이 매우 간단한 알루미나 지지체를 적용해 양산화 가능성을 높였다. 지지체는 가래떡을 뽑아내는 형태의 간단한 압출 공정을 통해 제조된다. 표면에는 구리 촉매가 얇게 퍼질 수 있도록 분무 형태의 스프레이 코팅법을 적용했다. 이처럼 간단한 공정을 통해 실험실 규모임에도 하루 30kg 이상의 촉매 제조를 가능케 했다.
연구진이 개발한 촉매는 1~20%의 다양한 농도에서도 아산화질소를 99% 이상 분해해 우수한 성능을 나타냈다. 또한 500시간 이상의 운전에도 촉매의 성능이 저하되지 않아 장기 내구성까지 확보했다.
연구진은 개발한 촉매를 실제 공정에 적용하기 위해 촉매 분해 시스템 업체와의 협력을 추진하고 있고 올 하반기부터 상용화 단계에 진입할 것으로 예상된다.
연구책임자인 이신근 박사는 “개발한 촉매는 반도체와 디스플레이 공정에서 실제 배출되는 1% 이하부터 20% 이상의 농도까지 99% 이상 분해가 가능하며 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 말했다.
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