켄텍–고려대 공동연구팀, 반도체 맹독성 폐수 12시간 만에 100% 분해하는 광촉매 개발

버려지는 저순도 규조토에 60℃ 미만 저온 플라즈마 공정 적용… 상용 촉매 대비 3배 이상 높은 분해율, 국제학술지 서스맷 게재

한국에너지공과대학교(켄텍) 서동한 교수 연구팀이 고려대학교 김영진 교수 연구팀과 공동으로 반도체 제조 공정에서 발생하는 맹독성 폐수를 친환경적으로 처리할 수 있는 고효율 광촉매 기술을 개발했다고 밝혔다.

반도체와 디스플레이 제조 공정에서 현상액 등으로 필수적으로 쓰이는 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(TMAH)는 수생태계와 인체에 신경독성을 유발하는 맹독성 화학물질이다. 그동안 활용된 화학적·생물학적 폐수 처리 방식은 막대한 에너지가 소모되거나 고농도의 2차 슬러지가 발생하는 등 현장 적용에 한계가 있다는 지적을 받아 왔다.

연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 반도체 웨이퍼 생산 공정에서 버려지거나 저평가되던 저순도 흙(규조토)에 주목했다. 연구팀은 60℃ 미만의 수중 대기압 플라즈마 공정을 세계 최초로 적용해, 저순도 흙 내부의 미세한 구멍들에 산소 결함이 포함된 이산화티타늄(TiO2-x) 나노층을 균일하게 합성하고 고정하는 데 성공했다.

이 방식은 고온 가열이나 유해 화학 첨가물 없이 물속에서 단시간에 촉매를 합성할 수 있어 기존 방식 대비 에너지 소모가 적고 탄소 발자국을 최소화할 수 있는 친환경 기술로 평가된다고 연구팀은 설명했다.

이렇게 개발된 신형 나노 복합 광촉매 ‘DE 700’은 가시광선을 포함한 넓은 태양광 영역에서 탁월한 흡수력을 보였다. 실험 결과 20ppm 농도의 TMAH 폐수에 이 촉매를 넣고 상용 태양광 램프를 쪼인 지 12시간 만에 오염 물질이 100% 분해됐으며, 이 가운데 약 62%는 독성이 없는 암모늄 이온으로 전환됐다. 이는 산업계에서 가장 널리 쓰이는 상용 광촉매 ‘TiO2-P25’가 동일 조건에서 기록한 29.22%의 분해율과 14.11%의 전환율과 비교하면 현저히 높은 성능이다.

내구성과 안전성도 확인됐다. 이 촉매는 4차례에 걸친 반복 재사용 실험에서도 91~97%의 높은 정화 효율을 유지했으며, 정화된 물을 이용한 식물 발아 테스트에서도 생태계 독성이 전혀 관찰되지 않았다.

연구팀은 이번 성과에 대해 “반도체 웨이퍼 생산에서 버려지는 저순도 흙을 고부가가치 환경 소재로 업사이클링하고, 효율적인 플라즈마 공정을 결합해 까다로운 산업 폐수 처리에 비용 효율적이고 지속 가능한 해결책을 제시했다”고 설명했다.

이번 연구에는 켄텍 서동한 교수와 고려대 김영진 교수가 공동 교신저자로 참여했고, 켄텍 에너지공학부의 알리 M. 아부-엘란와르 박사와 김선우 박사가 공동 제1저자로 연구를 주도했다. 연구는 기후에너지환경부 산하 한국환경산업기술원과 한국에너지기술평가원 등의 지원을 받아 수행됐다.

연구 결과는 환경·에너지 분야 국제학술지 ‘서스맷(SusMat)’에 지난 8월 10일 게재됐다. 이 학술지는 영향력 지수 19.2점으로, 친환경 과학 기술 분야와 화학 소재 분야에서 상위 3.0%에 해당한다. 이번 기술은 반도체 공정에서 발생하는 폐기물을 활용해 같은 공정의 폐수를 처리한다는 점에서 산업 현장의 자원 순환과 환경 부담 저감을 동시에 도모할 수 있는 사례로, 향후 반도체·디스플레이 산업의 폐수 처리 공정에 적용 가능성이 기대된다.

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