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  • 기사등록 2022-11-29 10:32:02
  • 수정 2022-11-30 10:04:53
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▲ 지난달 27일 코엑스C홀 컨퍼런스룸에서 (주)에이원 문흥만 대표가 희가스 제조원리 공정에 대해 발표하고 있다.


러우 전쟁 등으로 전 세계 원자재 수급 불안이 가속되는 가운데 반도체 및 디스플레이 등 첨단 핵심 산업에 꼭 필요한 희가스의 국산화와 분리기술에 더욱 주목해야 한다는 의견이 제시됐다.


지난달 27일 개최된 코엑스 C홀 3층 컨퍼런스룸 328호에서 ‘반도체 초강대국 달성, 공급망 강화를 위한 첨단소재·특수가스’ 세미나에서 ㈜에이원 문흥만 대표는 ‘희가스(rare gas) 제조 원리와 공정’을 주제로 발표했다.


에이원은 2010년 1월에 설립된 산업용 가스 및 초저온 설비 장비 제작 전문기업으로 공기의 주성분인 아르곤·산소·질소와 관련한 엔지니어링 기술을 바탕으로 다양한 종류의 초저온 가스장비를 개발하고 있다.


문흥만 대표는 발표를 통해 희가스의 기술개발 필요성과 △공기분리기술 △가스분리 및 정제기술 △ASU 기본공정 △액화공기 증류 원리 △저온발생 원리 △흡착분리 △막분리 △촉매반응 △네온·크립톤·제논 분리기술 등을 소개했다.


문 대표는 먼저 네온가스의 국산화 필요성과 국내외 상황, 국제 정세에 대해 간단히 설명하는 것으로 발표를 시작했다. 올해 2월 러시아의 우크라이나 침공 후, 네온 가격 급등으로 삼성과 SK등 대기업이 투자계획을 앞당긴 바 있다. 이후, 네온과 크립톤, 제논의 톤당 수입가가 가파르게 상승했다.


우크라이나와 러시아의 전쟁은 국내 반도체 회사의 주가에도 영향을 줄 정도였다. 우크라이나에 위치한 아조우스탈 제철소가 전세계 희가스의 상당량을 생산하고 있어 제철소 붕괴로 인해 희가스 가격 급등이 시작됐다고 볼 수 있다는 것이다.


그러다 보니 반도체 소재가 되는 네온의 경우 2021년 1월 kg당 42불에서 2022년 6월에는 2920불로 70배나 급상승했다.


네온의 경우 품귀현상이 일어나 구하기 어렵게 되자, 중국도 네온 판매가를 급격히 올려 네온을 수입해 사용하는 국내 반도체 디스플레이 업체에 상당히 큰 부담으로 작용했다.


이에 네온가스 국산화에 대한 필요성이 제기됐고, 우리나라 중소기업과 포스코가 네온의 상용생산 계획을 발표하기도 했다. 문 대표는 네온과 같은 희가스 제조 공정을 소개하며 기본이 되는 공기분리기술과 가스 불순물 제거에 대한 전문적인 소개를 진행했다.


에이원은 초저온 콜드박스, 진공단열배관과 부속장치, 초저온 탱크, 가스액화 분리장치 및 반도체용 특수가스 정제장치 등 핵심 기술을 보유하고 있다. 문 대표는 해당 기술들에 대한 소개를 덧붙였다.


가스 혼합물을 순물질로 분리하는 대표적인 방법으로 저온액화증류, 흡착분리, 막분리 기술이 있는데 대부분의 가스분리는 이 3가지 기술 중 하나를 사용한다. 이후 고순도가스 제조를 위해 미량의 불순물을 제거할 목적으로 촉매반응을 사용하기도 한다.


저온액화증류는 가스를 액화시켜 증류탑에서 비점차를 이용하는 방법으로 대용량, 고순도에 유리하며, 초기 투자비가 많고, 비점차가 적으면 불리하다. 공기분리를 비롯한 대부분의 대용량 가스, 고순도 분리에 사용된다.


흡착분리는 가스의 흡탈착 성질 차이를 이용한 분리법이다. 중간 용량과 중간 순도에 유리하지만 고순도가스 생산에는 적용하기 어렵다. 이 방법에는 제올라이트, 알루미나, 활성탄 등의 흡착제가 사용된다.


막분리는 가스의 막투과 속도 차이를 이용한 분리로 소용량, 저순도에 유리하나 고순도에는 불리하며, 폴리설폰, 폴리이미드 등 유기물 혹은 세라믹 등을 사용한다.


촉매반응은 미량의 불순 가스를 촉매반응을 통해 분리하기 쉬운 물질로 변환시켜, 불순물을 ppb 수준으로 떨어뜨리는 장점이 있다. 그러나 불순물 농도가 커지면 급격한 반응으로 위험할 수 있다는 단점이 있다. 촉매반응은 반도체용 고순도가스 제조에 사용된다.


네온·제논·크립톤도 모두 이 기술을 활용해 분리하게 된다. 분리기술의 경우 어떤 기술이 더 우수하다고 말하기가 어렵다. 다만, 어떤 조건에서 어떤 수준으로 분리하느냐에 따라 여러 기술을 조합해서 쓰거나 적합한 기술 하나를 선택해서 사용하게 된다.


네온, 크립톤, 제논과 같은 희가스는 합성을 할 수 없으며 오로지 공기에서만 나온다. 하지만 공기 중에 극미량 존재하기 때문에 산소 생산 30,000Nm3/h 이상의 대형 ASU에서만 경제성이 있다.


문 대표는 최근 해외에서는 MOF(Metal-Organic Frameworks, 금속유기구조체)를 이용한 희가스 분리 연구가 활발히 진행되고 있어 주목할 필요가 있다고 전했다.


또 “러시아-우크라이나 전쟁에 따른 수급 불안으로 반도체 및 디스플레이 생산을 위한 희가스의 국내 생산 및 국산화가 더욱 중요해지고 있다”고 밝혔다.


이어 “이제는 희가스 국산화를 위해 제철공장 ASU에만 의존하지 말고 반도체 디스플레이 공정에서 배출되는 배가스에서 희가스를 회수하여 재사용하려는 노력이 필요하다”고 강조했다. 예를 들어 Excimer Laser 배가스에서 네온과 제논을, 낸드플래시메모리(Nand Flash Memory) 제조 배가스에서 크립톤 회수가 가능할 것이라고 했다.


또한, 희가스 회수기술이 개발되면 반도체·디스플레이 산업의 비용 절감으로 경쟁력이 향상될 것으로 전망했다. 이를 위해서는 반도체 디스플레이 업계의 적극적인 개발 의지와 산학연의 연구협력이 필요하다고 강조했다.


한편, 에이원은 극저온 액화저장기술, 이산화탄소 포집 저장 기술 등을 바탕으로 탄소중립에 앞장서며 수소사회 구현을 위한 핵심 기술개발을 위해 국내외 우수 연구기관과 협력하고 있다.


또한 에이원은 액체수소 활용과 대용량 수소 생산·저장 운송의 상용화 및 국산화를 위한 △상용급 액체수소 플랜트 핵심 기술개발(2019-2023)을 진행중이며, 국가 온실가스 감축을 위한 △울산 동해가스전 연간 40만톤 CCS 실증연구(2021~2023) 등 대형 국책 과제에 참여하고 있다.


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