CF₄ 분해 성능 2.3배 높여 … 800℃서 150시간 뒤 92% 유지
국내 대학 연구진이 반도체 공정에서 배출되는 강력한 온실가스인 사불화탄소(CF₄)를 높은 효율로 오래 분해할 수 있는 촉매를 개발했다.
KAIST는 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀이 삼성전자 연구진과 공동으로 CF₄를 장시간 안정적으로 제거할 수 있는 촉매를 개발했다고 6일 밝혔다.
CF₄는 반도체 웨이퍼에 미세한 회로를 만드는 식각 공정 등에 사용된다. 대기 중에서 쉽게 분해되지 않아 수만년간 남을 수 있으며 지구온난화에 미치는 영향도 이산화탄소보다 수천배 큰 온실가스다.
현재 반도체 제조 현장에서는 높은 온도에서 수증기와 촉매를 이용해 CF₄를 분해한다. 하지만 기존 촉매는 고온과 수분, 불소에 장시간 노출되면 입자들이 서로 뭉치거나 구조가 변하면서 성능이 떨어지는 문제가 있었다.
연구팀은 여러 종류의 금속 원자를 하나의 구조 안에 고르게 섞어 촉매를 안정화하는 방법을 적용했다. 원자의 배열은 복잡해지지만 오히려 특정 구조로 쉽게 변하지 않게 되는 ‘엔트로피 안정화’ 원리를 이용한 것이다.
알루미늄과 아연, 갈륨, 니켈, 코발트 등을 하나의 결정 구조에 섞어 고온과 수분, 불소 환경에서도 쉽게 변형되지 않는 촉매를 만들었다.
실험 결과 새 촉매는 기존 알루미나 촉매보다 CF₄ 분해 활성이 약 2.3배 높았다. 약 800℃에서 150시간 동안 실험한 결과 기존 촉매의 CF₄ 전환율은 93%에서 48%로 떨어진 반면 새 촉매는 98%에서 92%로 높은 수준을 유지했다.
CF₄가 분해되는 과정도 규명했다. 연구팀은 산소 원자의 이동을 추적한 결과 촉매 내부의 산소가 먼저 CF₄ 분해에 사용되고, 수증기가 빠져나간 산소를 다시 채우면서 반응이 이어지는 것을 확인했다.
연구팀은 이 같은 원리를 활용하면 금속의 종류와 조합을 바꿔 다른 반도체 공정가스를 처리하는 촉매 개발에도 적용할 수 있을 것으로 보고 있다.
최 교수는 “여러 원자를 섞어 구조를 안정화하는 원리를 적용해 높은 CF₄ 분해 성능과 장기 안정성을 함께 확보했다”며 “다양한 반도체 공정가스 처리 촉매로 확장할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구에는 지승혁 KAIST 박사후연구원이 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘앙게반테 케미 인터내셔널 에디션(Angewandte Chemie International Edition)’에 게재됐다.
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