그런데 반도체는 가공과 세정, 냉각 등 생산공정에서 다양한 화합물질이 동원되며 지구온난화물질을 배출한다. 물론 반도체 생산공정은 오염물질 제거설비를 가동하고 있다. 그러나 제거설비에도 많은 에너지가 동반되고, 폐수 등 불필요한 부산물이 배출된다. 국가 환경과 국민 건강은 물론 온난화가스를 의무적으로 줄여야 하는 ‘파리기후협약’ 가입국인 우리나라는 더 효과적인 지구온난화물질 저감 의무에 직면해 있다.
 
이런 가운데 한국기계연구원(원장 박천홍∙이하 기계연)의 이대훈 박사 팀이 개발한 '고효율 저전력 플라즈마-촉매 방식 PFCs 스크러버'가 반도체 배출 오염물질의 효과적인 저감 기술로 주목 받고 있다.
 
◆ 반도체 생산공정의 배출 오염물질 제거에 기존 투입 1/3 전력으로 '플라즈마 스크러버' 성공
 
스크러버(Scrubber)는 반도체 생산공정에서 배출된 가스에서 과불화탄소(PFCs)등 오염물질을 분리 제거하는 장치다. 과불화탄소는 매우 안정된 화학물로, 특히 사불화탄소(CF₄) 제거는 높은 에너지가 필요하다.
 
이를 위해 연소법과 촉매법, 플라즈마 방식 등 다양한 스크러버 기술이 동원되지만 각 기술별로 한계점이 있다. 이 가운데 플라즈마 방식이 오염물질 제거에 가장 효과적이나, 동원되는 에너지가 크고 전극 내구성이 약해 현장 적용사례가 드문 편이다.
 
플라즈마(Plasma)는 초고온 상태에서 전자와 이온이 분리된 전기적 중성 상태로. 핵융합 반응부터 전자제품에 이르기까지 다양한 기술에 쓰이고 있다. 독보적인 플라즈마 반응 원천기술을 갖고 있는 이대훈 기계연 연구팀은 스크러버 한계점을 해결해 현장 수요에 대처할 연구개발에 나섰다.
 
기계연은 2008년부터 플라즈마 스크러버를 개발해 왔다. 플라즈마가 길게 뻗도록 유도하는 회전 아크(Arc) 방식의 스크러버를 만들어, 고온의 반응량을 형성하고 오염물질 제거효율을 높였다. 개발 당시 200lpm급에서 14.5Kw 전력으로 92%의 분해율에 성공했다.
 
여기에 이대훈 박사 연구팀은 촉매반응을 융합하고, 저 전력에서도 반응성을 높이는 고도화를 실현했다. 기존보다 낮은 플라즈마 발생 에너지를 들이고도 난분해성 물질 분해율을 더 높이는 기술이다.
 
연구팀은 저 전력에도 운전이 가능하도록 플라즈마와 촉매 반응기의 최적화 설계를 계속 이어왔다. 전 단계 스크러버에서 실현된 14.5kW 보다 1/3 수준으로 낮은 5kW급 교류(AC) 전원공급 조건에서도 동일한 분해율을 얻어냈다. 이에 더해 전극수명을 연장하고, 반응기 형상을 개선해 내구성도 강화했다.

또한, 과불화탄소의 분해 과정에서 분리된 불소 고정을 위해 수소화합을 유도하는 물을 공급하는데, 물은 플라즈마 발생을 불안정하게 한다. 연구팀은 새로운 반응기 구조로 기존 공정의 1/10 정도만 물을 쓰면서 방전 문제를 해결했다.
 
이 결과, 사불화탄소를 처리하는데 4kW급 전력을 투입하고도 90% 이상의 분해율을 달성했다.
 

KAIST에서 기계공학을 전공한 이 박사는 "학부시절부터 기계 외에 화학이나 전자 등의 연구에도 참여해 온 경험이 많았다"고 했다. 그간 경험이 기계장치와 촉매화학, 연료전환 등이 융합된 이번 연구의 성공으로 이어진 셈이다.
 
이 박사는 엔지니어라면 호기심으로 문제를 찾고, 찾은 문제는 반드시 해결하겠다는 의지로 연구개발에 임해야 한다는 의식을 갖고 있다. 또한 "과제 목표의 달성이 아니라, 상품이 될 수 있는 기술이어야 함"을 거듭 강조했다.

"기술이전한 기업들이 상용화에 성공해, 그 매출이 연구소 예산보다 많아졌으면 더할 나위 없겠습니다. 남들은 이런 저를 영업사원 같다고 하더군요. 그만큼 저는 상용화가 중요한 엔지니어 입니다."