태블릿PC·노트북 등 SSD 확대로 수요급증

원익·대덕 등 국산화 러시…순도·신뢰도 관건

■빠른산화·폭발성으로 취급 까다로와
NO는 질소와 산소에 전기방전 또는 고온을 가하거나, 보다 편리하게는 구리 또는 수은에 묽은 질산을 가해 만든다.

1620년 벨기에 과학자 얀 밥티스트 반 헬몬트가 처음 합성했으며, 1772년 영국의 화학자 조지프 프리스틀리는 처음으로 산화질소를 연구해 ‘질소공기’라고 명명했다.

고체·액체 모두 청색을 띠며 물에 거의 녹지 않으나, 아황산나트륨(Na₂SO₃)의 약알칼리성 용액에서는 디니트로소아황산나트륨(Na₂(NO)₂SO₃)이 되면서 빨리 녹는다.

액체 상태에서는 이합체의 형성이 일어나며, 고체 상태에서는 대부분이 이합체의 형태로 존재하나 기체 상태에서는 분자는 단독으로 존재한다.

전자의 개수가 홀수이기 때문에 전자를 얻거나 잃는 경향이 강하여 NO+, NO-과 같은 이온을 형성하기 쉽다.

공업적 제조는 주로 진한 질산(HNO₃)을 비스무트(Bi), 구리(Cu), 납(PB), 수은(Hg) 등으로 환원시키는 방식. 또는 질소와 산소의 혼합 기체를 고온에서 반응시거나 암모니아(NH₃)를 백금 촉매와 산소 존재 하에 가열시켜 얻는다.

일산화질소(NO)가스는 산소(O2)를 만나면, 이산화질소(NO2)로 변하기 쉽고, 원료 케미칼의 농도가 과하거나, 촉매 온도가 불안정해 지거나 밀도가 높아져 액체화되면, 생산 과정 중 폭발할 가능성이 있어 다루기가 까다롭고, 독성이 강한 위험한 가스다.

■플래시메모리 질화막 형성에 사용
주로 플래시메모리 소자의 게이트 형성시 사용되는 소재로 공정 미세화로 더욱 수요가 늘고 있다다.

게이트 산화막 두께가 점점 얇아짐에 따라 발생되는 문제점을 해결하고 산화막의 특성을 향상시키기 위해서는 질화막 형성이 필요한데 질화막 형성에 사용되는 가스 중에서도 특히 NO 가스 사용량이 증가 추세를 보이고 있다.

이는 NH₃, N₂O를 사용한 질산화막 형성에 비해 품질면에서 뛰어난 결과를 기대할 수 있기 때문이다.

반도체 및 관련 소재 업계에서는 NO가스가 N₂O 가스를 대체하는 품목으로 이해하고 있는 경우가 많으나 이는 적용되는 공정에 따라 다르기 때문에 전부 그렇다고 말하기는 힘들다.

■낸드 플래시 시장현황 및 전망
NO 수요 성장을 견인하고 있는 플래시메모리는 데이터 저장장치로 크게 주목받고 있는 낸드플래시메모리에 기대가 집중되고 있다.

지난 2007년 기준으로 낸드플래시 시장은 삼성 시장 점유율 40%로 1위를 차지했으며 도시바가 2위(25,7%), 하이닉스가 3위(20.5%)를 마크하며 합계 90%의 시장을 점유하고 있는 ‘3사 독주 체제’가 갖춰져 있다.

1997년 도시바의 낸드플래시 개발 이후 이어진 도시바의 독주는 지난 2003년 삼성이 1위에 등극하며 뒤집혔으며 이후 삼성의 1위 수성이 이어져 왔다.

그러나 최근 도시바의 공격적인 투자에 의해 점점 차이가 좁혀져 가고 있으며 인텔, AMD 등의 후발주자들이 속속 등장하면서 점점 경쟁이 심화되고 있다.

일반적으로 반도체메모리는 메모리의 종류에 따라서 큰 성능 차이가 나는 것은 아니기 때문에 구매자의 가격 결정력이 크다는 특징을 보인다.

특히 낸드플래시메모리의 경우 2008년 발생한 미국발 금융위기로 경기에 민감한 MP3, 디지털카메라 등 소형가전의 수요가 급격히 감소하면서 공급이 넘치는 상황이 연출돼 가격이 수요자 위주로 맞추어질 수 밖에 없는 상황이다.

그러나 한편으로는 반도체 생산 설비를 제조하는 업체나 반도체를 만드는 원료를 생산하는 업체 모두 독과점 체제를 유지하고 있기 때문에 경기 회복과 함께 수요가 팽창할 경우공급자 시장의 성격을 띨 가능성도 크다.

현재 낸드플래시는 저렴한 가격과 대용량을 무기로 지난 2005년 노어플래시메모리 시장을 이미 추월했으며 점점 시장을 늘려가고 있는 추세다.

노어플래시에 비해 속도가 느리지만 대용량화가 쉽다는 특징 때문에 주로 MP3플레이어, 디지털카메라·캠코더 등의 정보저장장치로 사용된다.

특히 최근 고사양 노트북컴퓨터를 중심으로 채용이 늘고 있는 솔리드스테이트드라이버(SSD)가 상당한 주목을 받았다.

삼성전자는 최근 태블릿PC를 겨냥한 512GB급 SSD 제품의 양산 결정을 밝혔는데 여기에는 21nm 공정을 적용한 낸드플래시가 사용됐다.

낸드플래시를 적층해 만드는 SSD는 기존의 하드디스크드라이브(HDD)에 비해 빠른 속도와 안정성으로 대용량 저장장치 시장을 잠식해 가고 있다.

이런 점에서 낸드플래시 대체 위협을 받는다기보다는 오히려 다른 대체품들에게 대체위협을 가하고 있다.

매우 많은 설비투자와 고도의 기술이 필요하기 때문에 진입장벽이 높은 편이며 현재는 대만의 반도체 업체들이 설비투자 등을 통해 진입을 준비하고 있다.

그러나 최근 지속적으로 글로벌 경제 위기론이 제기되면서 이로 인한 가격 하락이 낸드플래시 시장의 안정적인 이윤 확보를 어렵게 하고 있는 상황이어서 한동안 반도체 업체들의 시장 진입은 주춤할 것 업계는 보고 있다.

■유독성·항암성, 두 얼굴의 NO
질소(N)와 산소(O)의 1:1 결합으로 이뤄진 화합물인 일산화질소(一酸化窒素, NO)는 간단하게는 ‘산화 질소’로도 불린다.

녹는점 -163.7 ℃, 끓는점 -151.8 ℃로 임계 온도는 -92.9 °C, 임계 압력은 64.6atm.

선형 분자구조를 가지고 있으며 질소 원자와 산소 원자 사이의 결합길이는 1.151Å으로 이중 결합일 때의 기대값과 삼중 결합일 때의 기대값의 중간이다.

NO는 홀수 개의 전자를 가지고 있으면서도 안정상태를 유지하는 화합물 중 하나.

따라서 전자 1개를 얻거나 잃어서 NO－ 또는 NO＋이온이 되는데, 이들 이온들은 니트로실 화합물에서 볼 수 있다.

잘 액화(液化)되지 않아 상온에서 무색의 기체로 존재하며 비중은 공기보다 약간 무겁고 물에는 거의 녹지 않는다.

대기 중의 NO는 공기 중의 질소가 고온에서 산화돼 발생하는 것으로 인체에 매우 유독하다.

화학적으로 매우 반응성이 큰 물질로, 공기와 접촉하면 빠르게 산화가 일어나 이산화질소(NO₂)가 생성된다. 이 경우도 질식성이 강한 독성 물질이어서 NO의 합성과 보관에는 상당한 주의가 필요하다.

그러나 최근 연구 결과 NO는 인체내 세포에서 발생, 면역계에서는 항암 및 항미생물 작용을 나타내는 방어물질로 밝혀졌으며 신경계에서는 신경전달물질로, 순환기계에서는 혈관확장물질로 알려져 있다.

발기불능 치료제 비아그라 역시 체내의 NO가 혈관을 확장해주는 구실을 한다는 점에 착안한 것으로 체내 NO 분해를 막아 발기상태를 유지하는 원리다. 이 같은 원리를 이용해 NO는 협심증과 고혈압,동맥경화 등 심장혈관계통 질환 치료제로 사용되고 있다.

이와 관련해 지난 1998년 미국의 푸르고트 교수, 이그나로 교수, 무라드 교수가 심장계 혈관의 수축과 확장 과정에서 새로운 신호물질인 일산화질소(NO)를 발견하고 이의 역할을 규명해 노벨 생리·의학상을 받기도 했다.

공업용 소재로서의 NO가스는 플래시메모리 소자의 제조 공정에서 질산화막 형성에 사용된다.

이에 사용되는 공정용 가스로는 암모니아(NH₃), 일산화질소(NO), 산화이질소(N₂O) 등이 있으나 소자의 고품질화가 진행되면서 최근 고순도 NO가스 사용이 일반화되고 있다.

■SSD 적용확대. ‘기폭제’ 전망
이 같은 단기적 악재에도 불구하고 플래시메모리는 큰 흐름에서 성장세를 보이고 있기 때문에 이를 주 수요처로 하고 있는 NO시장 역시 성장 가능성에 무게가 실린다.

NO시장을 전망할 수 있는 비근한 예로 과거 전량수입에서 국산화 품목으로 전환된 반도체용 특수가스의 전례가 있다.

반도체, LCD, 태양광전지 관련 산업의 급성장과 함께 국산화가 추진된 삼불화질소(NF₃), 모노실란(SiH₄), 육불화텅스텐(WF6) 등 특수가스들은 OCI머티리얼즈(옛 소디프신소재)를 비롯한 소재계열의 강자들의 오늘이 있게 한 ‘효자 품목’으로 자리잡고 있다.

반도체 및 LCD 공정상 세정가스인 NF₃와 웨이퍼 위 산화막 형성에 쓰이는SiH₄, 층간 절연막에 신호 전달용 플러그 제작에 쓰이는 WF6는 모두 반도체 분야의 필수 소재.

특히 SiH₄는 태양광산업의 성장에도 크게 힘을 입었다.

당시 소디프신소재는 제품 국산화와 함께 생산시설 규모 확장을 과감하게 추진해 현재 세계 1위의 생산능력을 바탕으로 규모의 경제를 실현, 세계 수위의 경쟁력을 갖추게 됐다.

이는 반도체, LCD 시장을 중심으로 벌어진 세계적인 벌크업 경쟁과 친환경 이슈가 촉발시킨 신재생에너지 산업의 급성장 이뤄졌다는 시기적 이점과 해당분야의 대형 수요 기업이 대부분 국내와 동아시아권에 밀집해 있다는 지리적 이점도 크게 작용했지만 호기를 놓치지 않은 과감한 베팅이 주효했다는 것이 업계의 정론이다.

플래시메모리 분야 역시 이와 비슷한 상황이라고 볼 수 있다.

기존 메모리 시장과 비교해서도 부가가치가 높아 플래시메모리는 반도체 분야에서 가장 뜨거운 아이템 중 하나.

노트북용 SSD 시장의 견실한 성장과 함께 폭발적인 신장세를 보이고 있는 태블릿PC 시장도 플래시메모리와 NO시장의 성장에 기폭제가 되줄 것으로 기대를 모으고 있다.

특히 국내 기업들로서는 플래시메모리 분야 1위 삼성전자를 비롯해 도시바, 하이닉스가 지리적으로 가까이 있다는 점이 큰 장점이다.

한국과 일본에 위치한 플래시메모리 메이커의 반도체용 NO가스 수요가 전체 수요의 약 84%를 차지하고 있으며 국내 시장만해도 세계 수요의 50%에 달해 국내 시장을 잡으면 세계를 석권하는 셈이 된다.

WF6 등 전례…과감한 베팅이 주효

NAND 장기전망 ‘맑음’…경기가 문제

■원익·대덕·제니스텍 등 합성공장 건설
살펴본 바와 같이 NO는 플래시메모리의 높은 성장가능성을 바탕으로 주요 공정소재로서 각광을 받고 있다.

그러나 최근들어 원료가격 상승과 원료확보의 어려움으로 수익성이 다소 악화되는 경향을 보이기도 했으며 특히 이 같은 부분이 국내 반도체 산업, 특히 플래시메모리 분야의 경쟁력을 약화시킬수 있다는 우려가 제기되기도 했다.

이로 인해 NO 가스의 국산화가 관련업계의 시급한 과제로 부상하면서 다수의 국내 기업들이 NO의 국내 합성에 뛰어들었다.

NO정제에서 합성으로 기술을 심화시킨 원익머트리얼즈, 표준가스 메탄에서 품목확대를 추진한 대덕가스를 비롯해 제니스텍, 스미토모 등이 NO 합성공장 건설을 마쳤거나 진행하고 있다.

특히 원익머트리얼즈는 삼성에 제품공급을 위한 시제품 테스트를 진행하고 있는 것으로 알려졌다.

저순도 제품을 고순도로 만들어 공급하는 정제분야는 원익머트리얼즈, 이노메이트 등이 포진해 있으며 에어프로덕츠 코리아는 일본에서 제품을 수입해 공급하고 있다.

NO는 물성상 매우 불안정해 유통기한이 짧고 수요산업인 플래시메모리 분야가 국내와 아시아권에 집중돼 있어 국내 메이커가 차별적인 경쟁력을 갖추는 데 큰 도움이 될 전망이다.

현재 삼성과 도시바 등 수요처가 요구하는 품질은 순도 평균 3N(99.9%) 수준이다.

▲ ▲원익머트리얼즈 공장 전경. ▲원익머트리얼즈 공장 전경

지난 2002년 설립된 순수 국내 자본의 특수가스메이커 (주)원익머트리얼즈(대표 이준열)는 2004년 저순도 NO가스 정제를 통해 반도체 공정에 적합한 고순도 제품 생산에 성공했다.

NO를 사용한 질산화막 형성 공정을 국내 플래시메모리 시장에 도입하는 과정에 참여함으로써 현재 진행되고 있는 반도체용 NO가스 시장의 급성장에 결정적인 기여를 했다는 평가를 받고 있으며 ‘품질이 검증된’ 고순도 NO를 생산하는 국내 유일의 특수가스메이커를 자부하고 있다.

특히 회사는 수요처인 국내 반도체 제조사와의 지속적인 교류를 바탕으로 NO가스 수요 급증에 대응을 위한 ‘NO가스의 대용량화 공급’을 결정한 바 있다.

회사는 지난해 6월 90억여원을 들여 연기군 전의일반산업단지 내 4만㎡ 규모의 제2공장부지를 구입 마련하고 47ℓ 기준 연산 1만2,000병 규모의 초고순도 NO 합성공장을 건설, 지난 7월 시제품생산을 성공적으로 마쳤다.

회사 관계자는 “플래시메모리의 공정 미세화가 지속적으로 진행되는 가운데 기존의 3N5(99.95%)급을 뛰어넘는 4N(99.99%)급 제품을 생산함으로써 삼성, 하이닉스 등 국내 반도체 기업의 생산수율 향상과 신제품 개발에 기여할 수 있을 것”이라고 전망했다.

원익머트리얼즈의 신설 NO 공장에 적용된 제조공정은 아직 상세히 알려지지 않고 있다.

다만 회사는 특수가스에 미량 포함된 불순물의 미세한 변화에도 품질에 막대한 영향을 받는 반도체 제조공정의 특성을 고려, 순도를 일관되게 유지할 수 있는 연속생산체계를 구축함으로써 배치(batch, 연속이 아닌 단속적 일괄처리)생산에서 발생할 수 있는 품질변화를 미연에 방지했다고 밝히고 있다.

회사 이준열 대표는 “7년 여 동안 축적된 NO 정제 관련 노하우와 취급 기술을 합성공장에 적용, 품질의 차별화와 안전사고 제로화를 실현하고 있다”고 말했다.

현재까지 상업생산을 위한 진행단계, 다년간 정제 및 공급을 진행하며 구축한 제품공급망과 실적, 가장 앞서 있는 생산능력을 감안할 때 국내 시장에서 가지는 원익의 강점은 발군이다.

원익머트리얼즈는 지난 2004년 국내 LED제조사에 고순도 암모니아(99.99995%, 6N5))를 공급한 것을 시작으로 국내 LED 칩 제조사에 세계 최고 순도 7N(99.99999%)급 고순도 암모니아를 안정적으로 공급할 수 있는 제2공장을 증설했다.

이어 2006년 5N급 육불화황(SF6) 정제장치 개발특허 등록, 2007년 미국 볼텍스(Voltaix)와의 저메인(GeH4) 혼합가스 독점공급계약을 맺었으며 3N5급 NO 정제장치와 암모니아 ISO탱크 대용량 공급시스템 개발특허 등록 등의 성과를 거둔 바 있다.

또 연간 생산규모 360톤급의 프로필렌 정제공장도 증설함으로써 회사의 특수가스 생산능력 증강에 힘을 쏟는 한편 수입에 의존해온 일부 특수가스 품목들의 국산화를 목표로 고순도 가스 정제시설 등에 대한 연구개발에 투자를 확대해 왔다.

기술개발과 생산능력 동시에 확충하며 체력을 기른 다는 점에서 업계의 이목이 집중되고 있는 것이다.

이렇듯 회사는 반도체 공정용 소재 분야에서 폭넓은 포트폴리오 구성을 완료했다는 점에서 양과 질, 다양성이라는 3가지 항목 모두에서 높은 평가를 받으며 균형잡힌 경쟁력을 갖추고 있다.

양산제품의 품질신뢰도와 공급 안정성이 생명인 반도체용 특수가스 시장에서 막강한 메리트를 쥐고 있는 원익머트리얼즈가 국내 NO 시장의 최강자 위치를 당분간 점유할 것으로 전망된다.

◆ NO 제조기업 소개

원익머트리얼즈

품질·신뢰도·생산력 3박자 완비

국내 NO 시장 ‘최강자’ 예약

표준가스 제조 및 분석, 고순도 메탄 생산 등으로 기술을 축적해온 대덕가스(주)(대표 박유신)도 NO 생산을 추진하고 있다.

합성가스 제조에는 기본적으로 표준가스의 제조, 분석과 흡착, 증류 등의 정제 기술의 노하우 축적이 필수적이다.

특히 고순도 일산화질소(NO)가스의 합성에는 이 모든 기술이 사용되며, 추가로 물리적 방법이 아닌 화학적 합성 기술이 적용된다는 것이 회사 측의 설명이다.

이점에서 10년 이상의 표준가스의 제조·분석, 3년 여의 메탄가스(CH4) 추출, 분리 정제를 통한 고순도(99.995%) 제품 생산 경험을 가진 대덕가스의 NO가스 생산은 주목할 만하다.

특히 필요에 따라 5N5(99.9995%)급 초고순도 메탄(CH4)과 에탄(C2H6)도 추가 생산이 가능한 회사의 실력을 감안할 필요가 있다.

회사는 고순도 일산화질소(NO)가스의 합성과 함께 아산화질소(N2O)가스에서도 기존 방식이 아닌, 다양한 생산방식으로 진행해 왔으며 현재 일부 공정 중 환경 문제 처리 방법을 놓고 고심 중인 것으로 전해졌다.

그러나 이 문제는 추후 충분히 해결이 가능하다는 것이 회사 측의 판단이며 결국 이 생산방식이 상당한 원가경쟁력을 갖춰줄 것으로 기대하고 있다.

고순도 일산화질소(NO)가스의 합성에는 여러 방법 중 크게 암모니아 가스를 원료로한 촉매 반응 생산, 케미칼을 이용한 합성 방식 등으로 생산 되어 지는데, 다양한 촉매와 케미칼의 종류, 반응 방법 등에 따라 몇 가지 방법으로 나눌 수 있다.

또한 각각의 방식에 따라 불순물의 종류와 농도가 많은 편차가 있으며, 이에 따른 정제 방식이 달라 질 수 있다.

대덕가스는 생산시스템에서 수집된 데이터를 바탕으로 각종 촉매와 케미칼 중 6종에 대해 2년 여에 걸쳐테스트를 진행해 왔으며 최근 이 중 1종을 선택, 최종 단계를 추진하고 있다고 밝혔다.

박유신 대표는 “파일럿 플랜트에서 합성 반응시 불순물 보다 NO가스의 농도 비율이 높게 나왔으며, 2차 정제시 순도 99.99%의 NO가스를 추출했다” 며 “메인 플랜트 가동시 약간의 차이는 있을 수 있으나 오히려 높은 순도의 제품을 생산할 수 있다고 본다”고 자신감을 보였다.

그는 또 “영업적으로 국외 보다 국내 업체와의 경쟁이 아닌 협력을, 보안 보다는 개방을 해야 장기적으로 외국사가 점령하고 있는 국내 반도체 가스 시장의 발전을 도모할 수 있다”며 “각기 장점이 있는 분야를 상호 협력, 예를 들면 최초 합성이 유리한 장비를 보유한 업체와 정제 플랜트가 우수한 업체, 해외 영업망이 유리한 업체가 품목별로 협력해 나간다면, 순발력 있게 세계 반도체 가스 시장의 흐름에 대처해 각 사의 발전과 국익에 보탬이 될 것”이라는 구상을 내놨다.

대덕가스

표준가스·메탄 기술력으로 NO 도전장

“업체간 협력으로 시장발전 도모해야”

제니스텍

독자 특허 생산방식으로 특화

메티슨과 해외 공급계약 체결

▲ ▲제니스텍 공장 전경. ▲제니스텍 공장 전경

지난해 설립된 (주)제니스텍(대표 김준성)도 4N(99.99) 수준의 제조공정을 갖춰 놓은 상태다.

충남 천안에 제조공장을 완성하고 올해 4월부터 본격적인 제품 생산을 개시했으며 최근 가스안전공사의 각종 경영시스템 인증을 획득, 제품 공급을 위한 제반준비를 마무리했다고 회사는 밝혔다.

특히 일반적으로 NO 제조에 사용되는 암모니아 산화방식이 아닌 독자 특허를 가진 제조기술을 적용한 점이 이색적이다.

회사 김준성 대표는 “제니스텍이 보유한 NO가스의 제조공법은 기존 제조방식에 비해 안전하면서도 생산성이 높은 기술”이라고 강조했다.

기존 방식은 고온, 고압 하의 제조 공정에 따라설비의 규모가 대형화 될 수 밖에 없으며 안전사고 등 위험요인이 많아 막대한 투자와 품질관리 상의 어려움 등이 따를 수 밖에 없다.

하지만 회사의 제조공정은 상온, 저압에서 NO가스를 합성, 제조함으로써 안전사고에 대한 위험성이 낮을 뿐만 아니라 합성에서 정제까지 연속적인 공정 통해 제품이 생산되기 때문에 기존방식과 비교해 공정과 투자비를 단축할 수 있다는 것이 제니스텍 측의 설명이다.

또한 반복적인 연속공정을 거치게 되면 원하는 수준의 고순도 제품까지 생산이 가능하다는 것이다.

메티슨, 스미토모, 스미세이 등 해외 기업과 린데코리아, 대성 등 국내 기업이 제품에 대한 관심을 표명하고 있는 것으로 전해진 가운데 최근 한국메티스특수가스(주)와 해외 시장에 대한 독점적인 공급계약을 체결한 바 있다.

현재 3N 이상 제품은 44ℓ 기준으로 월 300병, 저순도 제품은 월 600병 규모의 생산능력을 갖추고 있으며 생산라인의 증설을 추진할 예정이다.

내년 3월 생산공장의 추가 증설이 완료되면 고순도 월 800병, 저순도 월 1,200병 이상 공급이 가능해질 것으로 전해졌다.



신소재경제
김성준 기자 sj@amenews.kr