KAIST, 반도체 온실가스 잡는 ‘엔트로피 안정화’ 신형 촉매 개발

[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 이산화탄소(CO₂)보다 6000배 강한 것으로 알려진 반도체 온실가스를 효율적으로 제거할 수 있는 촉매를 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀이 삼성전자와 반도체 공정에서 발생하는 이산화탄소보다 6000배 이상 강력한 온실가스인 사불화탄소(CF₄)를 고효율·장기간 분해할 수 있는 ‘엔트로피 안정화 알루미네이트 촉매’를 개발했다고 3일 밝혔다.

반도체 건식 식각 공정에 사용되는 CF₄는 대기 방출 시 5만 년 동안 잔류하는 대표적 난분해성 가스다.

기존 알루미나 촉매는 분해 시 발생하는 강부식성 불화수소(HF)와 고온 수증기로 인해 입자가 뭉치거나 변형돼 성능이 급격히 저하되는 한계가 있었다.

연구팀은 역설적으로 여러 금속 원자를 섞을수록 특정 구조로 변하지 않는 ‘무질서의 힘(엔트로피 안정화)’을 적용했다.

알루미늄, 아연, 갈륨, 니켈, 코발트 등 5종 이상의 금속을 하나의 알루미네이트 결정구조에 고르게 섞어 고온과 부식 환경에서도 구조를 안정적으로 유지하게 만든 것이다.

새 촉매는 기존 알루미나 대비 CF₄ 분해 활성이 2.3배 높았으며 800℃ 고온에서 150시간 진행된 가혹 조건 테스트에서 기존 촉매가 48%로 급락한 반면 92%의 높은 전환율을 유지했다.

또 산소 동위원소를 활용한 ‘산소 충전 시스템’ 추적을 통해, 촉매 격자 산소가 직접 반응에 참여하고 수증기가 빠져나간 산소를 채워넣는 분해 과정을 세계 최초로 실험적으로 입증했다.

최민기 교수는 “머신러닝 기반 최적화를 통해 수만 가지 후보 조성을 탐색하고 상용 공정에 즉각 적용 가능한 성형체 개발로 이어가겠다”고 설명했다.