- KAIST-삼성전자 공동연구팀, ‘엔트로피 안정화’ 원리 적용

- 기존보다 사불화탄소 분해 성능 2.3배 높인 신형 촉매 개발

KAIST와 삼성전자가 개발한 반도체 가스 제거 촉매 모식도(AI 생성 이미지).[KAIST 제공]
KAIST와 삼성전자가 개발한 반도체 가스 제거 촉매 모식도(AI 생성 이미지).[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 이산화탄소보다 6000배 강력한 반도체 배기 가스를 제거할 수 있는 기술을 확보했다.

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

CF₄는 반도체 웨이퍼에서 필요 없는 부분을 선택적으로 깎아 미세한 회로를 만드는 건식 식각 공정 등에 사용된다. 문제는 사용 후 남은 미량의 CF₄다. 탄소와 불소가 매우 단단하게 결합돼 있어 쉽게 분해되지 않고, 대기 중으로 배출되면 약 5만 년 동안 남을 수 있다. 지구온난화에 미치는 영향도 이산화탄소보다 6000배 이상 크다.

현재 반도체 제조 현장에서는 CF₄가 그대로 배출되지 않도록 높은 온도에서 수증기와 촉매를 이용해 분해한다. 하지만 기존 촉매는 오래 사용할수록 성능이 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 이 문제를 여러 종류의 원자를 고르게 섞어 촉매가 한쪽으로 뭉치거나 다른 구조로 변하는 것을 어렵게 만드는 ‘엔트로피 안정화’​ 원리를 이용해 해결했다.

연구팀은 알루미늄(Al), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 니켈(Ni), 코발트(Co) 등 여러 금속을 하나의 알루미네이트 결정구조 안에 고르게 섞었다. 알루미네이트는 알루미늄과 산소를 기본 골격으로 여러 금속이 결합한 물질이다. 이를 통해 고온과 수분, 불소가 함께 존재하는 가혹한 환경에서도 쉽게 뭉치거나 변형되지 않는 ‘엔트로피 안정화 알루미네이트 촉매’​를 개발했다.

최민기 KAIST 생명화학공학과 교수.[KAIST 제공]
최민기 KAIST 생명화학공학과 교수.[KAIST 제공]

성능 차이는 뚜렷했다. 새 촉매는 기존 알루미나 촉매보다 CF₄를 분해하는 활성이 약 2.3배 높았다. 특히 약 800℃에서 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 제거하면서도 장시간 성능을 유지할 수 있음을 보여준 것이다.

이번 연구는 CF₄를 잘 분해하는 촉매 하나를 개발한 것을 넘어, 높은 분해 성능과 긴 수명을 동시에 확보할 수 있는 새로운 촉매 설계 방법을 제시했다는 데 의미가 있다. 향후 금속의 종류와 조합을 바꿔 다양한 반도체 공정가스를 처리하는 촉매 개발에도 활용될 것으로 기대된다.

최민기 교수는 “자연계의 무질서가 오히려 구조를 안정하게 만들 수 있다는 원리를 촉매 설계에 적용해 높은 CF₄분해 성능과 장기 안정성을 동시에 확보했다”며 “반도체뿐 아니라 LCD·OLED 제조 과정에서 발생하는 불소계 온실가스 저감에도 활용 가능성이 있다”고 말했다.

이번 연구결과는 화학 분야 국제학술지 ‘앙게반테 케미 인터내셔널 에디션(Angewandte Chemie International Edition)’에 6월 게재됐다.


nbgkoo@heraldcorp.com