에너지연 연구진이 촉매 성능 실험을 하고 있다. 에너지연 제공한국에너지기술연구원은 CCS연구단 이신근 박사 연구진이 반도체, 디스플레이 생산 공정에서 발생하는 온실가스를 낮은 온도에서도 안정적으로 분해할 수 있는 새로운 촉매 개발에 성공했다고 21일 밝혔다.
에너지연에 따르면 대한민국의 주력 산업인 반도체와 디스플레이 산업은 최근 AI 및 가상현실 분야의 중요성이 강조되며 지속적인 성장을 예고하고 있다. 하지만 반도체와 디스플레이 생산 과정에서 이산화탄소 대비 온실효과가 5천배 이상 높은 사불화탄소(CF4), 헥사플루오로에탄(C2F6) 등이 배출돼 환경에 악영향을 미치고 있다.
이를 해결하기 위해 업계에서는 연소, 플라즈마 방식 등 온실가스를 제거하는 기술을 활용하고 있지만, 연소방식은 이산화탄소가 발생한다는 문제가 있고 플라즈마 방식은 대량의 전기가 필요해 대용량 처리에 한계가 있다.
연구진은 기존 촉매 반응의 한계를 극복하기 위해 최적의 촉매 조성을 적용하고 기존 촉매보다 낮은 온도에서 4천시간 연속으로 운전해도 성능이 유지되는 촉매를 개발하는 데 성공했다.
사불화탄소와 같은 불화가스는 물과 작용하는 가수분해반응을 통해 분해된다. 불화가스가 낮은 온도에서도 물과 빠르게, 많이 반응하기 위해서는 촉매 내에 불화가스가 들어올 수 있는 공간이 많아져야 한다. 이 개념을 '루이스산점'이라 하며, 루이스산점이 많아지려면 촉매 내의 아연 함량을 최적으로 맞추는 기술이 필요하다.
연구진은 촉매 내에 포함된 아연, 알루미나, 인 등의 함량을 최적의 양으로 조정해 루이스산점을 최대화했다. 연구진이 개발한 촉매는 기존 촉매의 작동 온도보다 50도 낮은 700도에서도 5천ppm 이상의 고농도 사불화탄소를 98% 이상 안정적으로 분해했다. 작동 온도가 낮아짐으로써 에너지 효율은 기존 대비 10% 이상 상승했다.
개발된 촉매를 테스트한 결과, 5천ppm 기준 4천시간 연속운전에도 촉매 성능이 저하되지 않아 장기 내구성을 확보했다. 상용 기준인 2천ppm 기준 1천시간 연속운전보다 두 배 이상의 성능을 달성한 것이다.
또 사플루오르화탄소 외 반도체 공정에서 발생하는 육플루오르화황(SF6)와 삼플루오르화질소(NF3)도 동시 분해가 가능하며, 펜타플루오르에탄과 같은 냉매 가스도 분해하는 것으로 확인돼 활용처도 넓어졌다.
연구진이 개발한 다양한 형태의 촉매. 에너지연 제공 연구진은 개발한 촉매를 대량 생산할 수 있는 방안도 마련했다. 촉매 생산에 압출 공정을 적용함으로써 활용처에 따라 촉매의 형태와 크기를 다양하게 조절할 수 있게 했다. 특히 반응 면적이 크고 경량화에 유리한 허니컴(벌집구조) 형태로도 생산할 수 있어 상용화 가능성을 높였다.
연구책임자인 이신근 박사는 "개발한 촉매는 반도체와 디스플레이 공정에서 배출되는 다양한 불소계화합물을 비롯해 폐냉매 처리까지 가능한 다재다능한 촉매"라며 "반도체, 디스플레이뿐만 아니라 폐차장, 폐가전 등에도 적용할 수 있어 국가 온실가스 저감 목표에 크게 이바지할 수 있는 기술"이라고 말했다.