에너지연 "반도체용 암모니아 국산화 기반 확보"

해외 의존도가 높은 반도체용 암모니아의 국산화 기반이 확보됐다.

한국에너지기술연구원(에너지연)은 윤형철 박사 연구팀이 반도체 공정에 쓰이는 고순도 중수소 암모니아(ND₃) 생산기술을 개발했다고 11일 밝혔다.

(왼쪽부터) 김선형 책임연구원, 범희태 선임기술원, 윤형철 책임연구원, 김재형 선임연구원. 한국에너지기술연구원

연구팀은 자체 개발한 루테늄 촉매로 하루 7.7㎏ 규모의 중수소 암모니아를 생산하는 데 성공해 국산화 가능성을 높였다. 개발한 촉매는 기존 중수소 암모니아 합성 방식에 필요한 압력을 1/5 수준으로 줄이고, 온도 조건을 개선해 99% 이상의 고순도 중수소 암모니아 합성을 가능케 했다.

기존 루테늄 촉매에 산화바륨을 섞어 암모니아 합성에서 질소 분해에 들이는 에너지를 줄이고, 산화바륨은 루테늄 표면의 전자 밀도를 높여 표면에 있는 질소 분자의 결합력을 떨어뜨리는 방식이다. 이를 통해 연구팀은 기존보다 낮은 온도와 압력에서도 질소를 분해해 고순도 중수소 암모니아를 생산했다.

연구팀은 개발한 공정을 1000시간 이상 연속 운전하는 검증 과정을 거쳤다. 이 결과 한국산업기술시험원으로부터 내구성과 신뢰성 모두를 인증받는 성과를 냈다. 무엇보다 검증 과정에서 반도체 성능에 영향을 미치는 불순물이 발생하지 않아, 초고순도 중수소 암모니아를 안정적으로 생산할 수 있는 능력이 입증됐다.

중수소 암모니아 생산 공정 장치. 한국에너지기술연구원

중수소 암모니아는 암모니아 안에 수소를 중수소로 바꾸는 물질로, 반도체 소자 내부에서 발생하는 결함을 억제하는 역할을 한다.

하지만 그간 국내에는 중수소 암모니아 생산기술과 관련 시설이 부재해 일본, 중국 등 해외에서 대부분 물량을 수입해 온 실정이다.

반도체 수요가 급증한 현시점에선 중수소 암모니아의 안정적 공급과 가격 경쟁력 확보가 여느 때보다 중요해졌다. 중수소 암모니아의 국산화가 시급한 과제로 꼽혔던 이유다.

연구팀이 개발한 기술은 반도체 제조 공정에 쓰일 고순도 중수소 암모니아의 국내 생산 기반을 확보, 수입 의존도를 낮추는 데 기여할 것으로 기대된다. 향후에는 글로벌 특수가스 시장 진출 가능성도 엿볼 수 있게 됐다.

윤 박사는 "이번 연구는 국내 독자 암모니아 합성 기술로 반도체 공정에 필요한 고부가가치 동위원소 소재를 생산할 수 있는 가능성을 열었다는 점에서 의미 있다"며 "연구팀은 앞으로 공정의 최적화와 생산 규모 확대로 반도체·디스플레이·정밀화학 산업용 동위원소 소재 시장 진출을 본격화할 계획"이라고 말했다.

한편 이번 연구는 에너지연 기본사업과 국가과학기술연구회 글로벌 TOP '고효율·고안전 청정수소 저장·활용 전략연구단' 사업, 해양수산부 친환경 선박 전주기 혁신 기술개발 사업의 지원을 받아 수행됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr