KAIST, CO₂보다 6000배 강한 반도체 온실가스 분해 촉매 개발

기존 촉매보다 분해 활성 2.3배…150시간 뒤에도 92% 유지

삼성전자 공동연구…분해 과정 세계 최초 실험 규명

카이스트(KAIST)는 최민기 생명화학공학과 교수 연구팀이 삼성전자 연구진과 공동으로 새로운 ‘엔트로피 안정화 알루미네이트 촉매’를 개발했다고 3일 밝혔다. ⓒ카이스트

카이스트(KAIST)가 반도체 공정에 쓰이는 강력한 온실가스 사불화탄소(CF₄)를 높은 효율로 장기간 분해할 수 있는 촉매를 개발했다.

KAIST는 최민기 생명화학공학과 교수 연구팀이 삼성전자 연구진과 공동으로 ‘엔트로피 안정화 알루미네이트 촉매’를 개발했다고 3일 밝혔다.

사불화탄소는 반도체 웨이퍼에서 필요 없는 부분을 깎아 미세한 회로를 만드는 건식 식각 공정 등에 사용된다. 대기 중으로 배출되면 약 5만년 동안 남을 수 있고 지구온난화에 미치는 영향은 CO₂보다 6000배 이상 크다.

반도체 공장에서는 높은 온도에서 수증기와 촉매를 이용해 남은 사불화탄소를 분해한다. 하지만 기존 촉매는 오래 사용할수록 입자가 뭉치거나 구조가 변해 성능이 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 알루미늄과 아연, 갈륨, 니켈, 코발트 등 여러 금속을 하나의 구조에 고르게 섞었다. 여러 종류의 원자가 뒤섞이면 오히려 구조가 쉽게 변하지 않는 ‘엔트로피 안정화’ 원리를 활용한 것이다.

새 촉매는 기존 알루미나 촉매보다 사불화탄소 분해 활성이 약 2.3배 높았다. 약 800℃에서 150시간 동안 실험한 결과 기존 촉매의 전환율은 93%에서 48%로 떨어졌지만 새 촉매는 98%에서 92%를 유지했다.

사불화탄소 분해 과정도 규명됐다. 촉매 안의 산소가 먼저 분해에 쓰이고 수증기가 빠져나간 산소를 다시 채우면서 반응이 이어지는 구조다. 연구팀에 따르면 그동안 이론으로 제시됐던 이 과정을 세계 최초로 실험적으로 확인한 결과다.

이번 연구는 지승혁 KAIST 생명화학공학과 박사후연구원이 제1저자로 주도했으며 삼성전자 연구진이 공동저자로 참여했다.

최 교수는 “자연계의 무질서가 오히려 구조를 안정하게 만들 수 있다는 원리를 촉매 설계에 적용해 높은 CF₄ 분해 성능과 장기 안정성을 동시에 확보했다”며 “다양한 반도체 공정가스 처리 촉매로 확장할 수 있는 새로운 소재 설계 방법을 제시했다는 데 의미가 있다”고 말했다.