이산화탄소(CO₂)보다 지구온난화 영향이 6000배 이상인 온실가스를 고성능 분해할 수 있는 촉매기술이 개발됐다. 해당 촉매는 장시간 사용후에도 성능을 유지했다. 이 촉매기술은 이후 다른 가스 처리 촉매 개발에도 활용 가능할 전망이다.
한국과학기술원(KAIST·총장 배충식)은 최민기 생명화학공학과 교수팀이 삼성전자 연구진과 함께 반도체 미세회로 공정에 사용되는 온실가스 '사불화탄소(CF₄)'를 고효율로 장기간 제거할 수 있는 촉매를 개발했다고 3일 밝혔다.
CF₄는 반도체 웨이퍼에서 필요 없는 부분을 선택적으로 깎아 미세한 회로를 만드는 건식 식각 공정 등에 사용된다. 사용 후 남은 CF₄는 탄소·불소가 단단하게 결합돼 쉽게 분해되지 않고, 대기 중으로 배출되면 약 5만년 동안 남을 수 있다.
현장에서는 고온에서 수증기·촉매를 이용해 CF₄를 분해하지만, 기존 촉매는 오래 사용할수록 성능이 떨어지는 문제가 있었다. CF₄가 분해되면서 생기는 불화수소(HF)가 수분과 만나 부식 환경을 만들고, 촉매 미세 입자들이 서로 뭉치거나 구조가 변한다.
연구팀은 '무질서의 힘'으로 문제를 해결했다. 서로 다른 여러 종류 원자를 한 구조 안에 섞으면 배열은 복잡하고 무질서해지지만, 특정 구조로 쉽게 바뀌지 않아 전체 구조는 안정된다. 이를 '엔트로피 안정화'라고 한다.
연구팀은 이 원리를 이용해 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. 이로써 고온과 수분, 불소가 함께 존재하는 가혹 환경에서도 쉽게 뭉치거나 변형되지 않는 '엔트로피 안정화 알루미네이트 촉매'를 개발했다.
새 촉매는 기존 알루미나 촉매보다 CF₄ 분해 활성이 약 2.3배 높았다. 약 800도에서 150시간 동안 진행한 가혹 조건 실험에서 기존 알루미나 촉매의 CF₄ 전환율은 93%에서 48%로 떨어진 반면, 새 촉매는 98%에서 92%로 높은 수준을 유지했다.
이 기술은 향후 금속 종류·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 “금속의 종류와 조합을 바꿔 다양한 반도체 공정가스 처리 촉매로 확장할 수 있는 새로운 소재 설계 방법을 제시했다는 데 의미가 있다”고 말했다.
이번 연구는 지승혁 KAIST 생명화학공학과 박사후연구원이 제1저자로, 삼성전자 연구진이 공동저자로 참여했다. 연구 결과는 '앙게반테 케미 인터내셔널 에디션'에 6월 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
