- 에너지연, 반도체·디스플레이 생산 공정에서 배출되는 아산화질소를 질소와 산소로 분해하는 촉매 개발

- 달걀껍질 구조의 촉매로 반응성 높여 배출되는 고농도의 아산화질소 99% 이상 분해

- 반도체, 디스플레이 산업 등 화학 산업 전반에 적용 가능한 친환경 기술

□ 반도체, 디스플레이 생산 공정에서 배출되는 온실가스를 깨끗한 공기로 바꾸는 기술이 개발됐다.

■ 한국에너지기술연구원(이하 ‘에너지연’) 수소융복합소재연구실 이신근 박사 연구진이 반도체, 디스플레이 생산 공정에서 배출되는 아산화질소(N2O)*를 공기의 주성분인 질소(N2)와산소(O2)로 분해하는 촉매를 개발했다.

* 아산화질소: 무색의 기체로, 의료용 마취제, 냉매, 연소제, 반도체와 디스플레이 제조공정등에 사용되며, 지구온난화지수가 이산화탄소 대비 300배 이상, 대기 중에 머무는 기간이약 120년으로 강력한 온실가스

□ 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.

* 아산화질소는 반도체, 디스플레이 생산과정에서 절연막 형성과 세정을 위해 반드시 필요한 가스로 사용 후 잔류가스 형태로 남거나 공정 중 화학반응으로 생성되기도 한다.

□ 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) 지지체를활용했으며, 외부의 둥근 표면을 따라 구리 촉매를 고르게 퍼트려 아산화질소에 대한 반응도를 높이고 분해 성능을 향상시켰다.

[사진자료] 연구진이 개발한 촉매를 들고있다

□ 연구진은 현재 분해 촉매로 사용되고 있는 고가의 루테늄보다 매우 저렴하며 우수한 산화환원 반응을 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 가능케했다.

■ 연구진이 개발한 촉매는 1~20%의 다양한 농도에서도 아산화질소를 99% 이상 분해해 우수한 성능을 나타냈다. 또, 500시간 이상의 운전에도 촉매의 성능이 저하되지 않아 장기 내구성까지 확보했다. 연구진은 개발한 촉매를 실제 공정에 적용하기 위해 촉매 분해 시스템 업체와의 협력을 추진하고 있으며, 올 하반기부터 상용화 단계에 진입할 것으로 예상된다.

[사진자료] 연구진이 개발한 촉매(왼쪽-압출방식으로 제조한 알루미나 지지체, 오른쪽-구리가 코팅된 에그쉘타입 N2O 분해촉매)

■ 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, 디스플레이 뿐만 아니라 암모니아 연소 등 다양한 분야에 적용 가능한 유망한 기술로 국가 온실가스 저감 목표에 기여할 수 있다.”고 말했다.

[사진자료] 연구진 단체사진

(아래 왼쪽부터 시계방향, 이신근 책임연구원, 변세기 선임연구원, 황효정 기술원, 서두원 책임기술원, 이은한 학생연구원)

□ 연구는 에너지연 기본사업과 산업통상자원부 월드클래스플러스사업의 지원으로 수행됐다.