▲ 머크 김기현 Global Business Manager가 ‘Low GWP 가스 개발을 위한 소재 혁신’에 대해 발표하고 있다.

글로벌 화학 선도기업인 머크가 지속가능한 반도체 환경을 위한 LoW-GWP(지구온난화지수) 소재 개발을 통해 친환경 반도체 환경 조성에 앞장서고 있다.

머크의 김기현 Global Business Manager는 지난 18일 코엑스에서 열린 ‘제11회 국제첨단소재 및 융복합기술대전’의 부대행사로 진행된 ‘반도체·배터리 산업대전환 시대, 주목해야할 첨단신소재·특수가스 세미나’에서 ‘Low-GWP 가스 개발을 위한 혁신’에 대해 발표했다.

반도체는 우리 일사의 모든 부분을 함께하는 필수품이자 우리나라의 주력산업이며, 디지털 전환 가속화 등으로 성장 가능성이 큰 산업이다. 글로벌 기후 변화에 따라 온실가스 감축은 시대적 요구로 발전해 반도체 산업도 제품 생산 과정 등에서 발생하는 탄소배출을 최소화하는 등 온실가스 저감에 힘쓰고 있다.

또 기술이 발전해 갈수록 반도체에 대한 수요는 계속 늘어나면서 반도체 생산량 또한 늘어나 에너지 소비량과 온실가스 배출량은 점점 더 늘어나고 있다.

반도체 산업에서 온실가스 직접 배출(Scope1)의 경우, 반도체 생산 과정에서 발생하는 공정가스가 80%를 차지하고 있으며, 여러 공정 가스 중에서 불소 화합물(F-gas)이 온실가스 배출의 대부분을 차지하고 있다.

반도체 제조 시 식각, 증착, 세정 공정에서 HFCs(수소불화탄소), PFCs(과불화탄소), SF6(육불화황), NF₃(삼불화질소) 등 F 가스가 사용된다. F 가스는 이산화탄소보다 GWP가 훨씬 높다. 100년 기준으로 이산화탄소의 온실효과를 ‘1’이라 기준했을 때 △NF₃ 17,400 △SF6 24,300△HFCs 771~14,600 △PFCs 7,380~12,400배에 달한다.

반도체 산업에서 온실가스 배출량을 낮추는 것은 매우 복잡하고 어려운 과제 중 하나다. 증가하는 반도체 수요를 충족하고 탄소중립 목표를 달성하려면 새로운 친환경 기술 혁신 및 신소재 솔루션이 필요하다. 이를 위해 새로운 물질 연구를 위한 실험, 새로운 장비 설계 및 시설 시스템 등을 탐색하고 개발해 안전성 등의 테스트를 거쳐야 한다.

공정가스의 재료 혁신은 일반적인 제품개발과 크게 다르지 않지만 식각가스 특성상 안전성과 양산성이 부각될 수 밖에 없다. 아무리 좋은 기술이여도 기업 입장에서는 경제적인 효율을 따져 양산화 할 수 있어야 하며, 최근 유럽연합에서는 탄소(C)와 불소(F)가 결합한 과불화화합물의 사용 제한 조치를 빠르면 2026년부터 적용할 예정이다.

이에 머크는 반도체 생산량을 증가시키면서 온실가스 배출량을 줄일 수 있는 가스 개발에 초점을 두고 연구·개발에 박차를 가하고 있으며, 이를 통해 확보한 혁신적인 프로세스를 통해 LoW 가스를 식별하고 개발하는 분야에서 업계로부터 인정을 받고 있다.

GWP가 높은 CF가스는 탄소와 불화수소의 강력한 결합으로 산화에 대한 약점이 없고 안정적이다. 반면에 GWP가 낮은 가스는 이중 결합으로 안정성이 부족하고 산화성 및 가연성의 특성을 지닐 뿐만이 아니라 식각 속도가 떨어지는 문제가 있다.

이에 김기현 Global Business Manager는 “기존 가스와 성능이 같으면서도 GWP가 낮은 물질을 개발하기 위해서는 계획부터 테스트를 거쳐 평가 받기까지는 종합적인 검토가 필요하다”고 설명했다. 또 “한 종류의 가스가 하나의 공정에만 사용하되는 것이 아니라 여러 공정에 혼합돼 사용되니 안정성과 확장성, 성능, 고객사 기술과의 혼합 등 고려해야 요소들이 많다 보니 많은 시간과 비용이 소요된다”고 설명했다.

그러면서 김기현 Global Business Manager는 “새로운 혼합 물질을 발굴하기 위해서는 시행착오를 줄여 시간과 비용을 단축 시키는 것이 무엇보다 중요하다. 단순히 비용, 성능만이 아닌 온실가스 순배출량, 안전성 등을 고려한 새로운 물질을 개발해야 한다”며 “머크는 신소재 개발 전과정에 필요한 능력을 보유하고 있으며, 선진화된 양자화학에 대한 스펙트럼 시뮬레이션 활용과 다양한 기술 등을 통해 새로운 소재 개발과 함께 신규 제품의 성능 및 안전성을 검증할 수 있는 기반을 구축해 놔 개발 기간을 단축시킬 수 있다”고 전했다.

한편, 머크는 지속가능한 반도체 미래와 탄소중립 실현을 위해 지구 온난화를 낮추는 소재 솔루션뿐만이 아니라 폐기물 감소, 재생에너지 효율성 향상 등 녹색 기술이 반영된 반도체 제조환경 조성을 위해 노력하고 있다.