대기로 유출되면 5만년동안 분해되지 않는 온실가스 사불화탄소(CF₄)를 제거할 수 있는 새로운 촉매가 국내 연구진에 의해 개발됐다. CF₄는 반도체 웨이퍼에서 필요없는 부분을 선택적으로 깎아 미세한 회로를 만드는 건식 식각공정 등에 사용된다. 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 최민기 교수연구팀은 삼성전자 연구진과 공동으로 반도체 미세회로를 만드는 공정 등에 사용되는 온실가스인 사불화탄소(CF₄)를 높은 효율로 장기간 제거할 수 있는 새로운 촉매를 개발했다고 3일 밝혔다. 반도체를 만들 때 사용하는 사불화탄소는 이산화탄소보다 온실가스 효과가 6000배 이상 높으며, 대기중으로 배출되면 약 5만년 동안 남을 수 있다. 사불화탄소는 탄소와 불소가 매우 단단하게 결합된 구조다. 이에 반도체 공정에서 사용하고 남은 아주 미량의 사불화탄소라도 그대로 배출되지 않도록 높은 온도에서 수증기와 촉매를 이용해 분해한다. 촉매는 화학반응이 더 빠르고 쉽게 일어나도록 돕는 물질로, 자동차 배기가스에서 유해물질을 줄이는 촉매와 비슷한 역할​을 한다. 하지만 기존 촉매는 오래 사용할수록 성능이 떨어지는 문제가 있었다. 사불화탄소가 분해되면서 생기는 불화수소(HF)가 수분과 만나 강한 부식 환경을 만들고, 이로 인해 촉매의 미세한 입자들이 서로 뭉치거나 구조가 변하기 때문이다. 모바일 야마토 도박 작은 촉매 입자들이 큰 덩어리로 뭉치면 처리해야 할 사불화탄소와 맞닿는 면적이 줄어들어 성능도 떨어진다. 이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 여러 종류의 원자를 하나의 구조 안에 고르게 섞으면 배열은 복잡하고 무질서해지지만, 오히려 특정한 구조로 쉽게 바뀌지 않아 전체 구조를 안정적으로 유지할 수 있다. 이를 '엔트로피 안정화(entropy stabilization)'​라고 한다. 쉽게 말해 여러 종류의 원자를 고르게 섞어 촉매가 한쪽으로 뭉치거나 다른 구조로 변하는 것을 어렵게 만드는 원리로, '무질서의 힘'을 이용하는 것이다. 연구팀은 이 원리를 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. 이를 통해 고온과 수분, 불소가 함께 존재하는 가혹한 환경에서도 쉽게 뭉치거나 변형되지 않는 '엔트로피 안정화 알루미네이트 촉매'​를 개발했다. 새로 개발된 촉매는 기존 알루미나 촉매보다 사불화탄소를 분해하는 활성이 약 2.3배 높았다. 모바일 야마토5 특히 약 800℃에서 150시간동안 진행한 가혹조건 실험에서 기존 촉매의 사불화탄소 전환율은 93%에서 48%로 떨어졌지만, 새 촉매는 98%에서 92%로 높은 수준을 유지했다. 사불화탄소를 높은 효율로 제거하면서도 장시간 성능을 유지할 수 있음을 보여준 것이다. 연구팀은 여기서 한발 더 나아가 사불화탄소가 실제로 어떻게 분해되는지도 밝혀냈다. 연구팀은 산소의 이동경로를 추적할 수 있는 산소 동위원소를 이용했다. 쉽게 말해 산소 원자에 '이름표'를 붙여 반응 과정에서 산소가 어디에서 와서 어디로 이동하는지를 추적하는 방법​이다. 그 결과, 촉매가 자신의 구조에 있는 산소를 먼저 이용해 사불화탄소를 분해하고, 주변의 수증기가 빠져나간 산소를 다시 채우면서 반응이 계속된다는 사실을 확인했다. 촉매가 산소를 꺼내쓰면 수증기가 다시 채워주는 일종의 '산소충전 시스템'인 셈이다. 연구팀은 이를 통해 그동안 이론적으로 제시됐던 사불화탄소 분해 과정을 세계 최초로 실험적으로 규명했다. 이번 연구는 CF₄를 잘 분해하는 촉매 하나를 개발한 것을 넘어, 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 개발에도 활용될 것으로 기대된다. 이번 연구결과는 화학, 화공 분야 국제학술지 '앙게반테 케미 인터내셔널 에디션(Angewandte Chemie International Edition)' 6월호 게재됐다. t: 700; ba