KAIST 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀이 삼성전자 연구진과 공동으로 반도체 공정에 사용되는 온실가스인 사불화탄소(CF₄)를 높은 효율로 장기간 제거할 수 있는 새로운 촉매를 개발했다고 밝혔다.
CF₄는 반도체 웨이퍼의 건식 식각 공정 등에 사용되는 가스로 탄소와 불소가 매우 단단하게 결합돼 있어 쉽게 분해되지 않는다. 대기 중으로 배출되면 약 5만 년 동안 잔류할 수 있으며 지구온난화에 미치는 영향도 이산화탄소보다 6,000배 이상 크다. 기존 촉매는 CF₄가 분해되면서 생기는 불화수소(HF)가 수분과 만나 강한 부식 환경을 만들고, 이로 인해 촉매 입자들이 뭉치거나 구조가 변하면서 성능이 떨어지는 문제가 있었다.
연구팀은 이를 '엔트로피 안정화(entropy stabilization)' 원리로 해결했다. 서로 다른 여러 종류의 원자를 하나의 구조 안에 고르게 섞으면 배열은 복잡해지지만 오히려 특정 구조로 쉽게 바뀌지 않아 전체 구조를 안정적으로 유지할 수 있다는 원리다. 연구팀은 알루미늄(Al), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 니켈(Ni), 코발트(Co) 등 여러 금속을 알루미네이트 결정구조 안에 고르게 섞어 고온과 수분, 불소가 함께 존재하는 가혹한 환경에서도 뭉치거나 변형되지 않는 엔트로피 안정화 알루미네이트 촉매를 개발했다.
성능 차이는 뚜렷했다. 새 촉매는 기존 알루미나 촉매보다 CF₄ 분해 활성이 약 2.3배 높았다. 약 800℃에서 150시간 동안 진행한 가혹 조건 실험에서 기존 촉매의 CF₄ 전환율은 93%에서 48%로 떨어진 반면 새 촉매는 98%에서 92%로 높은 수준을 유지했다.
연구팀은 산소 동위원소를 이용해 CF₄ 분해 과정도 밝혀냈다. 촉매가 자신의 구조에 있는 산소를 먼저 이용해 CF₄를 분해하고 주변의 수증기가 빠져나간 산소를 다시 채우는 방식으로 반응이 지속된다는 것이다. 이론으로만 제시됐던 CF₄ 분해 과정을 세계 최초로 실험적으로 규명한 것이다.
최민기 교수는 "자연계의 무질서가 오히려 구조를 안정하게 만들 수 있다는 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 제시했다"고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 KAIST 생명화학공학과 지승혁 박사후연구원이 제1저자로 주도했으며, 화학·화공 분야 국제 학술지 '앙게반테 케미 인터내셔널 에디션(Angewandte Chemie International Edition)'에 지난 6월 게재됐다.
헬로티 구서경 기자 |
