KAIST·삼성, 반도체 온실가스 분해 신촉매 개발

한국과학기술원(KAIST)과 삼성전자가 공동 연구를 통해 반도체 제조 공정에서 배출되는 강력한 온실가스를 효율적으로 분해하는 신규 촉매를 개발했다. 이번에 개발된 촉매는 기존 단일 금속 기반 촉매의 고질적 문제인 고온 열화(劣化)를 극복한 점에서 업계의 주목을 받고 있으며, 상용화 가능성이 높다는 평가를 받는다.

반도체 제조 현장에서는 식각(에칭) 및 화학기상증착(CVD) 공정에서 이산화탄소보다 온실효과가 수천 배에 달하는 과불화화합물(PFC) 계열 가스가 대량 배출된다. 특히 NF₃(삼불화질소)와 CF₄(사불화탄소)는 대기 중 잔류 기간이 수천 년에 달해 반도체 산업의 주요 탄소 배출원으로 오랫동안 지목돼 왔으며, 이를 처리할 실용적 기술이 절실한 상황이었다.

연구팀이 활용한 핵심 원리는 '엔트로피 안정화(Entropy Stabilization)'다. 다양한 종류의 금속 원자를 혼합하면 오히려 구조가 안정화되는 현상을 이용한 기술로, 여러 금속을 균일하게 배열함으로써 고온 반응 조건에서도 촉매 성능이 유지되도록 설계됐다. 단일 금속 촉매에서 나타나는 소결(燒結) 문제를 근본적으로 억제할 수 있다는 점이 핵심 장점이다.

이번 촉매의 성능 지표는 기존 제품을 크게 웃돈다. 연구팀에 따르면 새 촉매는 반도체 온실가스를 99% 이상 분해할 수 있으며, 1000시간 이상의 연속 운전에서도 활성 저하가 거의 없는 장기 내구성을 기록했다. 이는 상용 촉매의 수명을 수 배 이상 연장한 수치로, 반도체 공장의 유지보수 비용 절감 효과도 기대된다.

이번 연구는 반도체 기업들의 ESG 목표 달성에 직접적인 기여를 할 수 있어 더욱 주목된다. 삼성전자, SK하이닉스, TSMC 등 글로벌 팹들은 2040~2050년 탄소중립을 공약한 가운데, 제조 공정 온실가스 감축이 가장 어려운 과제로 꼽혀 왔다. 상용화 가능한 수준의 고성능 분해 촉매 개발은 이 문제의 실질적 해결 실마리를 제공한다는 평가다.

국내 촉매·화학 소재 기업들도 이번 연구 결과에 높은 관심을 보이고 있다. 현재 반도체 공정 온실가스 처리 장치(Abatement 시스템) 시장은 일본과 미국 기업들이 주도하고 있어 국내 기업들의 시장 진입 기회가 제한적이었다. 이번 촉매 기술의 상용화가 국내 소재 기업들의 새로운 시장 개척을 가능하게 할 것이라는 기대가 나온다.

글로벌 반도체 업계의 환경 규제도 점차 강화되고 있다. 유럽연합(EU)은 반도체 공장의 과불화화합물 배출 기준을 단계적으로 강화하고 있으며, 미국 환경보호청(EPA)도 관련 가이드라인 개정을 추진 중이다. 고성능 분해 촉매 기술이 향후 규제 대응의 핵심 수단이 될 것으로 업계 전문가들은 전망한다.

이번 연구는 재료 설계 방법론 측면에서도 의미가 크다. 엔트로피 안정화 기반의 다중 원소 합금(HEA, High Entropy Alloy) 개념이 촉매 분야에도 성공적으로 적용됨으로써, 향후 반도체 공정용 고내구성 소재 개발에서 새로운 설계 지침이 될 수 있다는 평가가 나온다.

KAIST와 삼성전자는 해당 기술의 특허를 공동 출원했으며, 실제 반도체 공장 적용을 위한 파일럿 테스트 일정을 협의 중인 것으로 알려졌다. 상용화에 성공할 경우 삼성전자 평택·화성 공장을 시작으로 국내외 팹에 순차 도입이 이뤄질 전망이다.

전문가들은 촉매 기술 고도화가 반도체 소재 R&D의 새로운 영역을 열었다고 평가한다. 산학연 공동 연구 관계자는 '온실가스 처리 촉매는 환경 성과와 비용 절감이라는 두 마리 토끼를 잡을 수 있는 기술이다. 엔트로피 안정화 개념의 확장 적용 가능성을 계속 탐구할 계획'이라고 밝혔다.

장기적으로 이 기술이 반도체 공장 운영 비용 구조를 바꿀 수 있다는 시각도 있다. 현재 온실가스 처리에 투입되는 운영 비용과 탄소배출권 구매 비용을 고성능 촉매가 대폭 줄여준다면 첨단 팹의 경쟁력 향상으로도 이어질 수 있다. 국내 소재 기업들에게는 글로벌 촉매 시장 진출의 발판이 될 것으로 기대된다.