[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀이 삼성전자 연구진과 공동으로 반도체 공정에서 배출되는 온실가스인 사불화탄소(CF4)를 오랫동안 높은 효율로 분해할 수 있는 새로운 촉매를 개발했다고 3일 밝혔다.

CF4는 반도체 웨이퍼의 불필요한 부분을 깎아 미세회로를 만드는 건식 식각 공정 등에 쓰인다. 탄소와 불소의 결합력이 강해 자연 상태에서 잘 분해되지 않고, 대기 중에 배출되면 약 5만년간 남을 수 있다. 지구온난화에 미치는 영향은 이산화탄소보다 6000배 이상 큰 것으로 알려졌다.

반도체 제조 현장에서는 고온에서 수증기와 촉매를 이용해 CF4를 분해해 배출하고 있지만, 기존 알루미나 촉매는 사용 시간이 길어질수록 입자가 뭉치거나 구조가 변형돼 성능이 떨어지는 문제가 있었다. CF4 분해 과정에서 생기는 불화수소(HF)가 수분과 만나 강한 부식 환경을 만들기 때문이다.

연구팀은 여러 금속 원자를 하나의 결정구조 안에 고르게 섞으면 오히려 구조가 쉽게 변하지 않고 안정된다는 '엔트로피 안정화' 원리를 촉매 설계에 적용했다. 알루미늄, 아연, 갈륨, 니켈, 코발트 등 5종의 금속을 알루미네이트 결정구조 안에 균일하게 배치해 고온과 수분·불소가 함께 존재하는 환경에서도 뭉치거나 변형되지 않는 촉매를 만들었다.

새로 개발한 촉매는 기존 알루미나 촉매보다 CF4 분해 활성이 약 2.3배 높았다. 약 800도에서 150시간 진행한 가혹 조건 실험에서 기존 알루미나 촉매의 CF4 전환율은 93%에서 48%로 떨어진 반면, 새 촉매는 98%에서 92%로 높은 수준을 유지했다.

연구팀은 산소 동위원소를 이용해 반응 과정에서 산소가 이동하는 경로도 추적했다. 그 결과 촉매 자체 구조에 있는 산소가 먼저 CF4 분해에 쓰이고, 이후 주변 수증기에서 빠져나온 산소가 다시 채워지면서 반응이 이어지는 것으로 확인됐다. 이론적으로만 제시됐던 CF4 분해 메커니즘을 실험으로 규명한 것은 이번이 처음이라고 연구팀은 설명했다.

최민기 교수는 "금속의 종류와 조합을 바꿔 다양한 반도체 공정가스 처리 촉매로 확장할 수 있는 소재 설계 방법을 제시했다는 데 의미가 있다"고 말했다.

이번 연구는 KAIST 생명화학공학과 지승혁 박사후연구원이 제1저자로 연구를 주도했고 삼성전자 연구진이 공동저자로 이름을 올렸다. 연구 결과는 국제학술지 '앙게반테 케미 인터내셔널 에디션'에 지난 6월 게재됐으며, 한국연구재단의 개인기초연구사업과 우수연구자 교류지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

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