KAIST, 반도체 온실가스 줄이는 신형 촉매 개발

삼성전자 협업…여러 금속 원자 섞는 '엔트로피 안정화' 원리 활용

기존 촉매보다 사불화탄소 분해 2.3배 높여…장기간 성능 유지

[사진=KAIST, AI 생성 이미지]

반도체를 만들 때 사용되는 강력한 온실가스를 줄이는 신형 촉매가 개발됐다.

한국과학기술원(KAIST) 최민기 생명화학공학과 교수 연구팀은 3일 삼성전자와 공동 연구를 통해 반도체 미세회로 공정에서 배출되는 온실가스 사불화탄소(CF₄)를 높은 효율로 장기간 제거할 수 있는 새로운 촉매를 개발했다고 밝혔다. 

CF₄는 반도체 웨이퍼에 미세 회로를 만드는 데 사용된다. 공정상 미량이 남는다. 탄소와 불소가 단단하게 결합돼 있어 쉽게 분해되지 않는다. 대기 중에 배출되면 약 5만년 동안 남는다. 지구온난화에 미치는 영향은 이산화탄소보다 6000배 이상 크다. 

CF₄는 높은 온도에서 수증기와 화학반응이 빠르고 쉽게 일어나도록 돕는 촉매를 이용해 분해한다. CF₄ 분해시 생성되는 불화수소(HF)는 수분과 만나 강한 부식 환경을 만든다. 이로 인해 촉매의 미세 입자들이 서로 뭉치거나 구조가 변화한다. 때문에 기존 촉매는 오래 사용할수록 성능이 떨어졌다.

연구팀은 '무질서의 힘'을 이용했다. 서로 다른 종류의 원자를 하나의 구조 안에 넣을 경우 배열은 복잡해지지만 뭉치거나 구조가 쉽게 변화하지 않는 성질이다. 연구팀은 알루미늄(AI), 아연(Zn), 갈륨(Ga) 등 여러 금속을 하나의 알루미네이트 결정구조 안에 고르게 섞었다. 고온과 수분, 불소가 함께 존재하는 환경에서도 쉽게 뭉치거나 변형되지 않았다.

새 촉매는 기존 촉매 대비 CF₄ 분해율이 약 2.3배 높았다. 약 800℃에서 150시간 동안 진행한 실험에서 기존 촉매의 CF₄ 전환율은 93%에서 48%로 떨어진 반면, 새 촉매는 98%에서 92%로 높은 수준을 유지했다. 연구팀은 이 기술을 바탕으로 금속의 종류와 조합을 바꿀 경우 다양한 반도체 공정가스를 처리하는 촉매 개발이 가능하다고 밝혔다.

최 교수는 "자연계의 무질서가 오히려 구조를 안정되게 만들 수 있는 원리를 촉매 설계에 적용해 높은 CF₄ 분해 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 설명했다.