▲ 에너지연이 개발한 저압·저온 공정을 통해 생산한 고순도 중수소 암모니아(ND₃)가 용기에 충전돼 있다.

국내 연구진이 반도체 공정용 핵심 소재인 고순도 중수소 암모니아(ND₃)의 상업 규모 생산에 성공하며 특수가스 국산화 가능성을 열었다.

한국에너지기술연구원(원장 이창근, 이하 에너지연)은 윤형철 박사 연구팀이 국내 최초로 99% 이상의 고순도 중수소 암모니아를 생산할 수 있는 기술을 개발했다고 10일 밝혔다. 이번 성과는 해외 수입에 의존해온 반도체용 동위원소 소재의 국산화 기반을 마련했다는 점에서 의미가 크다.

중수소 암모니아는 일반 암모니아(NH₃)의 수소(H)를 중수소(D)로 치환한 물질이다. 반도체 제조 공정에서 일반적인 Si-H 결합보다 안정성이 높은 Si-D 결합 형성에 활용되며, 소자 내 결함을 줄이고 수명과 신뢰성을 향상시키는 역할을 한다. 특히 고집적 DRAM과 SONOS 플래시 메모리 공정 등에 사용되는 핵심 소재로, 최근 반도체 미세화가 가속화되면서 수요가 꾸준히 증가하고 있다.

또한 핵자기공명(NMR) 분석과 동위원소 추적 연구 등에도 활용되는 고부가가치 소재지만 국내에는 생산시설이 없어 대부분 일본과 중국 등 해외 수입에 의존해 왔다. 이에 따라 공급망 안정성과 가격 경쟁력 확보를 위한 국산화 필요성이 지속적으로 제기돼 왔다.

연구진은 저압·저온 조건에서 암모니아를 생산할 수 있는 촉매 기술 개발에 착수했다. 기존 중수소 암모니아 생산 기술은 고온·고압 하버-보슈(Haber-Bosch) 공정이나 다단 분리 공정이 필요해 에너지 소비가 크고 소규모 생산에 적용하기 어렵다는 한계가 있었다.

이를 극복하기 위해 연구진은 자체 개발한 루테늄(Ru) 기반 촉매에 산화바륨(BaO)을 적용했다. 산화바륨은 루테늄 표면의 전자 밀도를 높여 암모니아 합성 과정에서 가장 큰 에너지 장벽인 질소 분해를 촉진한다. 이를 통해 기존 공정보다 훨씬 낮은 압력과 온도에서도 안정적인 암모니아 생산이 가능해졌다.

연구진은 자체 개발한 루테늄(Ru) 기반 촉매를 활용해 중수소(D₂)와 질소(N₂)를 직접 반응시키는 중수소 암모니아 생산 공정을 구축했다. 이를 통해 기존 공정 대비 압력을 5분의 1 수준으로 낮춘 약 350℃, 40barg 이하의 저압·저온 조건에서 하루 7.7kg 규모의 중수소 암모니아를 생산하는 데 성공했으며, 99% 이상의 고순도를 구현했다.

공정의 안정성과 상용화 가능성도 확인했다. 연구진은 1,000시간 이상 장시간 연속 운전을 통해 촉매 내구성과 공정 안정성을 검증했으며, 한국산업기술시험원(KTL) 인증을 획득해 기술 신뢰성을 확보했다.

특히 생산된 중수소 암모니아를 분석한 결과 반도체 성능에 영향을 미칠 수 있는 49종 금속 불순물이 검출되지 않았다. 이는 반도체용 특수가스에 요구되는 초고순도 품질 수준을 충족할 수 있음을 보여주는 결과다.

연구진은 이번 기술이 수입 의존도 완화와 가격 경쟁력 확보에 기여하는 동시에 글로벌 특수가스 시장 진출 기반을 마련할 것으로 기대하고 있다. 향후에는 공정 최적화와 생산 규모 확대를 통해 반도체·디스플레이·정밀화학용 동위원소 소재 시장 공략에도 나설 계획이다.

연구책임자인 윤형철 박사는 “이번 성과는 국내 독자 암모니아 합성 기술을 활용해 반도체 공정 등에 필요한 고부가가치 동위원소 소재 생산 가능성을 입증했다는 점에서 의미가 있다”며 “장시간 안정 운전 경험과 저압·저온 공정 기술을 바탕으로 반도체, 디스플레이, 정밀분석 산업에 필요한 고기능 화학소재 생산 플랫폼으로 확대해 나갈 계획”이라고 말했다.

한편 이번 연구는 한국에너지기술연구원 기본사업과 국가과학기술연구회(NST) 글로벌 TOP '고효율·고안전 청정수소 저장·활용 전략연구단' 사업, 해양수산부 친환경 선박 전주기 혁신기술개발 사업의 지원을 받아 수행됐다.

▲ 한국에너지기술연구원 연구진이 저압·저온 암모니아 합성 촉매와 소규모 분산형 생산 공정을 활용해 고순도 중수소 암모니아(ND₃)를 생산하는 기술을 개발했다.