에너지연, 반도체·디스플레이 온실가스 낮은 온도서 분해하는 촉매 개발

700℃ 조건서 CF4 98% 이상 분해 성능 입증

4000시간 연속 운전·냉매 가스 처리도 가능

한국에너지기술연구원은 이신근 CCS연구단 박사 연구팀이 반도체·디스플레이 생산 공정에서 발생하는 온실가스를 낮은 온도에서도 안정적으로 분해할 수 있는 새로운 촉매를 개발했다고 21일 밝혔다.

반도체와 디스플레이 산업은 인공지능과 가상현실 분야의 성장과 함께 지속적인 확대가 예상된다. 그러나 생산 과정에서 이산화탄소보다 온실효과가 5000배 이상 높은 사불화탄소(CF4), 헥사플루오로에탄(C2F6) 등이 배출돼 환경에 악영향을 미친다.

현재 연소나 플라즈마 방식으로 온실가스를 처리하지만, 연소는 이산화탄소가 발생하고 플라즈마는 전력 소모가 커 대용량 처리에 한계가 있다. 미국과 일본은 1990년대부터 대용량 촉매 분해 방식을 연구해왔으나, 기존 촉매는 750도 이상의 고온 조건에서만 작동하고 수명이 1000시간 이내로 짧아 경제성과 내구성에 한계가 있었다.

연구진은 촉매 조성을 최적화해 기존보다 낮은 온도에서 장시간 운전이 가능한 촉매를 개발했다. 아연, 알루미나, 인 등의 함량을 조정해 루이스산점(불화가스와 물이 반응할 수 있는 공간)을 최대화한 결과, 작동 온도를 700도로 낮춰도 5000ppm 이상의 사불화탄소를 98% 이상 분해했다. 이에 따라 에너지 효율은 기존 대비 10% 이상 향상됐다.

테스트 결과, 5000ppm 기준 4000시간 연속 운전에도 성능 저하가 없었다. 이는 상용 기준인 2000ppm 1000시간 연속 운전보다 두 배 이상 긴 내구성을 확보한 것이다. 또한 육플루오르화황(SF6), 삼플루오르화질소(NF3) 등 반도체 공정 가스와 펜타플루오르에탄 같은 냉매 가스도 분해할 수 있는 것으로 확인돼 활용 범위가 넓다.

연구진은 촉매 대량 생산 방안도 마련했다. 압출 공정을 적용해 촉매 형태와 크기를 다양하게 만들 수 있으며, 벌집 구조(허니컴)로 제작해 반응 면적을 넓히고 경량화에도 유리하게 했다.

이신근 박사는 “이번에 개발한 촉매는 반도체·디스플레이 공정에서 배출되는 불소계 화합물뿐 아니라 폐냉매 처리까지 가능한 기술”이라며 “폐차장, 폐가전 등에도 적용할 수 있어 국가 온실가스 저감 목표 달성에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.