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[IT뉴스]KAIST·삼성, 이산화탄소 6000배 '반도체 온실가스' 분해 촉매 개발

온카뱅크관리자

2026-09-03 10:57:24

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 <img alt="왼쪽부터 지승혁 KAIST 생명화학공학과 박사후연구원, 최민기 교수. KAIST 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202609/03/dongascience/20260903105609306amlt.png" data-org-width="680" dmcf-mid="t97r3hLxRX" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202609/03/dongascience/20260903105609306amlt.png" width="658">
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 왼쪽부터 지승혁 KAIST 생명화학공학과 박사후연구원, 최민기 교수. KAIST 제공
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 반도체를 만들 때 사용하는 가스 중에는 이산화탄소보다 6000배 이상 강력한 온실가스가 있다. 국내 연구팀이 강력한 반도체 온실가스를 높은 효율로 없앨 수 있는 기술을 개발했다. 온실가스 분해를 돕는 촉매를 오래 사용할 수 있는 방법도 찾았다. 
 KAIST는 최민기 생명화학공학과 교수 연구팀이 삼성전자 연구진과 공동연구를 통해 반도체 미세회로를 만드는 공정 등에 사용되는 온실가스인 사불화탄소(CF₄)를 높은 효율로 장기간 제거할 수 있는 새로운 촉매를 개발했다고 3일 밝혔다.
 CF₄는 반도체 웨이퍼에서 필요 없는 부분을 선택적으로 깎아 미세회로를 만드는 건식 식각 공정 등에 사용된다. CF₄는 탄소와 불소가 매우 단단하게 결합해 있어 쉽게 분해되지 않는다. 사용 후 남은 미량의 CF₄가 대기 중으로 배출되면 약 5만년 동안 존재할 수 있다. 지구온난화에 미치는 영향은 이산화탄소보다 6000배 이상 크다.
 현재 반도체 제조 현장에서는 CF₄가 그대로 배출되지 않도록 높은 온도에서 수증기와 촉매를 이용해 CF₄를 분해한다. 사용되는 촉매는 자동차 배기가스에서 유해물질을 줄이는 촉매와 비슷한 역할을 한다고 보면 된다.
 CF₄ 분해에 쓰이는 기존 촉매는 오래 사용할수록 성능이 떨어지는 문제가 있다. CF₄가 분해되면서 생기는 불화수소(HF)가 수분과 만나 강한 부식 환경을 만들고 이로 인해 촉매의 미세 입자들이 서로 뭉치거나 구조가 변화한다. 촉매 입자들이 큰 덩어리로 뭉치면 CF₄와 맞닿는 면적이 줄어들어 촉매 성능이 떨어진다.
 연구팀은 ‘무질서의 힘’을 이용해 촉매 성능 문제를 해결했다. 서로 다른 여러 종류의 원자를 하나의 구조 안에 고르게 섞으면 배열은 복잡하고 무질서해지지만 특정한 구조로 쉽게 바뀌지 않아 전체 구조는 안정화된다. 이를 ‘엔트로피 안정화’라고 한다. 여러 종류의 원자를 고르게 섞어 촉매가 한쪽으로 뭉치거나 다른 구조로 변하는 것을 어렵게 만들 수 있다는 것이다. 
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 KAIST 제공
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 연구팀은 엔트로피 안정화를 이용해 알루미늄(Al), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 니켈(Ni), 코발트(Co) 등 여러 금속을 하나의 알루미네이트 결정구조 안에 고르게 섞었다. 알루미네이트는 알루미늄과 산소를 기본 골격으로 여러 금속이 결합한 물질이다.
 알루미네이트 결정구조 안에서 여러 금속을 고르게 섞은 결과 고온, 수분, 불소가 함께 존재하는 가혹한 환경에서 쉽게 뭉치거나 변형되지 않는 ‘엔트로피 안정화 알루미네이트 촉매’가 개발됐다. 
 연구팀이 개발한 촉매는 기존 알루미나 촉매보다 CF₄를 분해하는 활성이 약 2.3배 높다. 약 800℃에서 150시간 동안 진행한 가혹 조건 실험에서 기존 알루미나 촉매의 CF₄ 전환율은 93%에서 48%로 떨어진 반면, 새 촉매는 98%에서 92%로 높은 수준을 유지했다. CF₄를 높은 효율로 제거하면서 장시간 성능을 유지한 것이다. 
 연구팀은 그동안 이론적으로 제시됐던 CF₄ 분해 과정도 세계 최초로 실험적으로 규명했다. 연구팀은 산소의 이동 경로를 추적할 수 있는 산소 동위원소를 이용해 촉매가 자신의 구조 내 산소를 이용해 CF₄를 분해하고 빠져나간 산소의 빈자리는 주변 수증기로 채우며 연속 반응을 이어간다는 사실을 확인했다. 
 이번 연구는 높은 분해 성능과 긴 수명을 동시에 확보할 수 있는 새로운 촉매 설계 방법을 제시했다는 데 의미가 있다. 향후 금속의 종류와 조합을 바꿔 다양한 반도체 공정가스를 처리하는 촉매 개발에 활용될 것으로 기대된다.
 최 교수는 “자연계의 무질서가 오히려 구조를 안정하게 만들 수 있다는 원리를 촉매 설계에 적용해 높은 CF₄분해 성능과 장기 안정성을 동시에 확보했다”며 “금속의 종류와 조합을 바꿔 다양한 반도체 공정가스 처리 촉매로 확장할 수 있는 새로운 소재 설계 방법을 제시했다는 데 의미가 있다”고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘앙게반테 케미 인터내셔널 에디션’에 6월 게재됐다.
 &lt;참고 자료&gt;  doi.org/10.1002/anie.6752036
 [문세영 기자 moon09@donga.com]
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