에너지연, 국내 최초로 상업 규모 중수소 암모니아 생산 성공

- 1,000시간 이상 장시간 운전 성공

- 반도체용 고순도 중수소 암모니아 국산화 기반 확보

연구진 사진. (왼쪽부터) 김선형 책임연구원, 범희태 선임기술원, 윤형철 책임연구원, 김재형 선임연구원. (자료제공: 에너지연)

일 7 kg 중수소 암모니아 생산 공정 장치. (자료제공: 에너지연)

생산된 중수소 암모니아 용기

한국에너지기술연구원(원장 이창근, 이하 ‘에너지연’)은 윤형철 박사 연구진이 국내 최초로 고순도 의 중수소 암모니아(ND₃)를 생산하는 기술을 개발해 국산화와 산업화의 문을 열었다고 6월 11일 밝혔다.

중수소 암모니아는 암모니아(NH3)의 수소(H)를 중수소(D)로 바꾼 물질이다. 이를 반도체 제조 공정에 활용하면 반도체 소자 내부에서 발생하는 결함을 억제할 수 있어 수요가 나날이 늘어나는 추세다. 

하지만 국내에는 중수소 암모니아를 생산할 수 있는 기술과 시설이 없어 대부분을 일본과 중국 등 해외 수입에 의존하고 있다. 이에 공급 안정성과 가격 경쟁력 확보를 위한 국산화 필요성이 꾸준히 제기돼 왔다.

이러한 가운데, 에너지연 연구진은 자체 개발한 루테늄 촉매를 적용해 하루 7.7킬로그램(Kg) 규모의 중수소 암모니아 생산에 성공했다. 연구진이 개발한 촉매는 기존 중수소 암모니아 합성 방식에 필요한 압력을 1/5 수준으로 줄이고 온도 조건도 개선해 99% 이상의 고순도 중수소 암모니아 합성을 가능케 했다.

연구진은 기존 루테늄 촉매에 산화바륨을 섞어, 암모니아 합성에서 가장 어려운 단계인 질소 분해에 들이는 에너지를 줄였다. 산화바륨은 루테늄 표면의 전자 밀도를 높여, 표면에 있는 질소 분자의 결합력을 떨어트린다. 이를 통해 기존보다 월등히 낮은 온도와 압력에서도 질소를 분해하고 중수소 암모니아를 생산할 수 있게 됐다. 

연구진은 개발한 공정을 1,000시간 이상 연속 운전해 검증을 완료했으며, 한국산업기술시험원의 인증을 획득해 내구성과 신뢰성을 모두 확보했다. 또 개발된 공정에서는 반도체 성능에 영향을 미치는 불순물이 생성되지 않아, 초고순도의 중수소 암모니아를 안정적으로 생산할 수 있음을 확인했다.

연구진은 이번 기술 개발을 통해 국내 생산 기반을 확보함으로써 수입 의존도를 낮추고 향후 글로벌 특수가스 시장 진출도 가능할 것으로 내다봤다. 이를 위해 연구진은 공정 최적화와 생산 규모 확대를 통해 반도체·디스플레이·정밀화학 산업용 동위원소 소재 시장 진출을 본격 추진할 계획이다.

연구책임자인 윤형철 박사는 “이번 성과는 국내 독자 암모니아 합성 기술을 활용해 반도체 공정 등에 활용되는 고부가가치 동위원소 소재 생산 가능성을 입증했다는 점에서 의미가 크다”며, “장시간 안정적 운전 경험과 저압·저온 공정 기술을 기반으로 향후 반도체·디스플레이·정밀 분석 산업에 필요한 소규모 고기능 화학소재 생산 플랫폼으로 확장할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 한국에너지기술연구원 기본사업과 국가과학기술연구회 글로벌 TOP '고효율·고안전 청정수소 저장·활용 전략연구단‘ 사업, 해양수산부 친환경 선박 전주기 혁신 기술개발 사업의 지원을 받아 수행했다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]