반도체용 중수소 암모니아 국산화 길 열렸다…에너지연, 국내 첫 상업 규모 생산 성공[과학을읽다]

99% 이상 고순도 확보·1000시간 연속 운전 검증
일본·중국 의존 특수가스 공급망 안정화 기대

반도체 공정에 사용되는 핵심 특수가스인 중수소 암모니아의 국산화 가능성이 열렸다. 그동안 일본과 중국 수입에 의존해 온 고순도 중수소 암모니아를 국내 연구진이 처음으로 상업 규모로 생산하는 데 성공하면서 반도체 소재 공급망 안정화에 대한 기대가 커지고 있다.

한국에너지기술연구원(KIER)은 윤형철 박사 연구팀이 국내 최초로 99% 이상의 고순도 중수소 암모니아(ND₃)를 생산하는 기술을 개발하고 상업화 수준의 생산 공정 검증까지 완료했다고 11일 밝혔다.

일 7 kg 중수소 암모니아 생산 공정 장치. 에너지연 제공

중수소 암모니아는 일반 암모니아(NH₃)의 수소(H)를 중수소(D)로 치환한 동위원소 화합물이다. 반도체 제조 공정에 활용될 경우 소자 내부 결함을 줄이고 성능과 신뢰성을 높일 수 있어 첨단 반도체 산업에서 수요가 증가하고 있다.

하지만 국내에는 관련 생산 기술과 시설이 없어 대부분 일본과 중국 등 해외 공급에 의존해 왔다. 이에 따라 공급망 안정성과 가격 경쟁력 확보를 위한 국산화 필요성이 꾸준히 제기돼 왔다.

연구진은 자체 개발한 루테늄(Ru) 기반 촉매를 활용해 하루 7.7㎏ 규모의 중수소 암모니아 생산에 성공했다. 특히 기존 공정 대비 반응 압력을 5분의 1 수준으로 낮추고 온도 조건도 개선하면서 99% 이상의 고순도 중수소 암모니아를 안정적으로 합성할 수 있었다.

핵심은 촉매 성능 향상이다. 연구진은 기존 루테늄 촉매에 산화바륨(BaO)을 첨가해 암모니아 합성 과정에서 가장 어려운 단계로 꼽히는 질소 분해 반응의 에너지 장벽을 크게 낮췄다. 산화바륨이 루테늄 표면의 전자 밀도를 높여 질소 분자의 결합을 약화시키면서 기존보다 훨씬 낮은 온도와 압력에서도 암모니아 합성이 가능해졌다.

연구진은 개발 공정을 1000시간 이상 연속 운전하며 안정성을 검증했다. 또한 한국산업기술시험원(KTL) 인증을 획득해 공정의 신뢰성과 내구성도 확인했다.

연구팀 사진. 왼쪽부터 김선형 책임연구원, 범희태 선임기술원, 윤형철 책임연구원, 김재형 선임연구원. 에너지연 제공

특히 생산 과정에서 반도체 성능에 영향을 줄 수 있는 불순물이 생성되지 않아 초고순도 중수소 암모니아를 안정적으로 생산할 수 있는 것으로 나타났다.

에너지연은 이번 성과가 단순한 연구실 수준을 넘어 실제 산업 적용 가능성을 확인한 사례라고 평가했다. 향후 생산 규모 확대와 공정 최적화를 통해 반도체·디스플레이·정밀화학 산업용 동위원소 소재 시장 진출도 추진할 계획이다.

윤형철 박사는 "국내 독자 암모니아 합성 기술을 활용해 반도체 공정 등에 필요한 고부가가치 동위원소 소재 생산 가능성을 입증했다"며 "저압·저온 공정 기술과 장시간 운전 경험을 바탕으로 반도체·디스플레이·정밀분석 산업에 필요한 고기능 화학소재 생산 플랫폼으로 확대할 수 있을 것"이라고 말했다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr