폐수에서 자원으로

반도체 제조 공정은 수질에 대한 요구 수준이 가장 높은 산업 분야 중 하나입니다. 용도에 따라 실리콘 웨이퍼는 클린룸에서 수백 단계에서 1,000단계가 넘는 공정을 거치며, 각 공정 과정에서 정기적으로 세척됩니다. 이 과정에서는 초순수(UPW, Ultrapure Water)가 사용되며, 초순수 1리터를 생산하기 위해 약 1.4~1.6리터의 수돗물이 필요합니다.

세척 공정은 나노미터 단위로 제조되는 미세 구조가 입자 및 용존 물질로 인해 오염되는 것을 방지합니다. 또한 초순수는 식각 공정에서도 사용되어 과도하게 사용된 식각액을 씻어내고 화학물질 잔류물을 제거합니다. 이 과정에서 물은 산, 알칼리, 산화제, 용제 및 입자 등에 의해 오염됩니다.

공정에 따라 서로 다른 수질의 물이 사용됩니다. 웨이퍼 세척, 식각 및 리소그래피 공정 후 세정과 같이 매우 높은 수질이 요구되는 공정에는 초순수(UPW)​가 사용되며, 웨이퍼 박막화 공정인 백그라인딩이나 이온교환수지 재생과 같은 공정에는 탈이온수가 사용됩니다.

초순수 세정 공정에서 발생하는 공정 회수수는 적절한 후처리를 거친 후 유틸리티 용수로 재이용할 수 있습니다. 따라서 초순수는 일반적으로 fab 전체 물 사용량의 일부 (예: 40~60%)만을 차지합니다.

반도체 제조 공정에서는 각 공정 단계에서 직접적으로 발생하는 다양한 폐수 스트림이 생성됩니다. 각 폐수는 공정 특성에 따라 서로 다른 성분과 오염 부하를 포함하고 있습니다.

Lithography 공정에서는 포토레지스트와 현상액이 포함된 폐수가 주요하게 발생하며, 이로 인해 유기물 부하가 증가합니다. ​세정 공정에서는 황산, 과산화수소, 수산화암모늄과 같은 고농도의 산 및 알칼리가 포함된 폐수가 발생하며, IPA나 DMSO와 같은 용제가 함께 포함되기도 합니다.

화학적-기계적 연마(CMP) 공정에서는 슬러리에 포함된 이산화규소(SiO₂), 이산화텅스텐(WO₂), 산화알루미늄(Al₂O₃) 등의 입자가 다량 함유된 폐수가 주로 발생합니다. 또한 고형물의 침전성을 낮추는 안정제가 포함되기도 합니다.

습식 식각 공정에서는 불산(HF) 또는 완충 불산 용액(BOE)에 포함된 불소를 함유한 고산성 폐수가 발생합니다. 이와 함께 염산(HCl), 질산(HNO₃)과 같은 기타 무기산도 포함되며, 이러한 산성 폐수는 폐수처리 시스템의 설계에 있어 주요 고려 요소가 되는 경우가 많습니다.

또한 클린룸 바로 아래에 위치한 Subfab)에서 폐가스를 처리하는 과정에서도 추가적인 폐수 스트림이 발생합니다. 이곳의 Burn-Wet 시스템에서는 공정 가스가 수상으로 전환되며, 불소·인·염소·황 화합물에서 유래한 산성 물질과 함께 실리콘 및 갈륨 등의 고형 입자 또는 용존 유기물 형태로 배출됩니다.

백그라인딩​과 같은 기계적 공정에서도 이산화규소, 게르마늄 또는 텅스텐 산화물 등의 입자가 포함된 폐수가 발생합니다. 초순수(UPW) 시스템​에서는 세정수, 농축수 및 재생수가 발생하며, 이러한 폐수에는 입자가 비교적 적은 대신 용존 염류와 구연산과 같은 유기 첨가제가 포함되어 있습니다.

이와 더불어 냉각탑에서 발생하는 탈염수도 있으며, 주로 무기 염류와 아졸계 부식 억제제 등이 포함됩니다. 종합하면, 반도체 제조 과정에서는 성상과 오염물질의 종류가 매우 다양한 복합적인 폐수가 발생합니다. 따라서 각 폐수 스트림을 분리하여 수집하고, 개별 폐수의 특성에 맞춰 차별화된 처리를 적용하는 것​이 필요합니다.

불소를 함유한 폐수는 별도의 처리 라인을 통해 처리됩니다. 이 단계의 목적은 용존 불소를 안정적으로 침전시키고 제거하는 것입니다.

먼저 칼슘을 주입하여 불소를 난용성 불화칼슘(CaF₂) 형태로 침전시킵니다. 이후 가성소다를 첨가하여 침전이 최적의 pH 범위에서 이루어지도록 조절합니다.

다음 단계에서는 염화철(FeCl₃) 등을 이용한 응집이 진행됩니다. 응집제는 미세 입자를 불안정화하여 서로 뭉치도록 합니다. 이어지는 고분자 응집(플록 형성) 과정에서는 폴리머를 첨가하여 크기가 크고 쉽게 침전되는 플록을 형성합니다.

이후 라멜라 침전조(Lamella Clarifier)​에서 고액 분리가 이루어집니다. 라멜라 침전조는 넓은 유효 침전 면적을 확보할 수 있어 높은 분리 효율을 유지하면서도 설비를 컴팩트하게 구성할 수 있다는 장점이 있습니다.

처리된 상등수는 후속 중화 공정으로 이송되며, 생성된 슬러지는 저장 탱크에 모아 농축한 후 외부로 반출하여 처리 및 폐기합니다.

절단 및 연마 공정에서 발생하는 폐수 역시 별도의 처리 라인을 통해 처리됩니다. 이 폐수에는 주로 미세하게 분산된 이산화규소(SiO₂)와 알루미늄 입자​가 포함되어 있으며, 화학적 처리를 하지 않고는 침전시키기 어렵습니다.

처리는 응집 공정을 통해 이루어지며, 예를 들어 염화철(FeCl₃)을 사용하여 입자 표면의 전하를 중화하고 입자들이 서로 뭉쳐 플록을 형성하도록 합니다. 또한 수산화나트륨(NaOH)을 주입하여 응집에 최적화된 pH 범위로 조절합니다.

이후 폴리머 응집을 통해 안정적인 플록을 형성하고, 이를 라멜라 침전조(Lamella Clarifier)에서 효율적으로 분리합니다.

생성된 슬러지는 별도의 탱크에 임시 보관한 후 탈수 처리하고 외부로 반출하여 처리 및 폐기합니다.

불소 처리 및 실리콘 처리 공정에서 처리된 폐수는 다단계 중화 시스템으로 함께 이송됩니다. 생산 공정에서 발생하는 추가적인 산성 및 알칼리성 폐수도 이 공정에 함께 유입되어 처리됩니다.

산성 폐수를 중화하기 위해 필요에 따라 수산화나트륨(NaOH)​을 주입하고, pH가 과도하게 높은 경우에는 염산(HCl)​을 주입하여 pH를 조절합니다. 다단계 설계를 통해 높은 수준의 제어 정밀도를 확보할 수 있으며, 유입되는 폐수의 성상과 유량 변동에도 효과적으로 대응할 수 있습니다.

안정적인 설비 운영과 방류 기준 준수를 위해 주요 수질 항목을 지속적으로 모니터링합니다. 주요 관리 항목은 다음과 같습니다.

• pH

• 총부유물질(TSS) 농도

• 불소 농도

이러한 항목은 공정 제어뿐만 아니라 법적 규제 요건 준수를 입증하기 위한 기록 관리에도 활용됩니다.

물 재이용의 목적은 담수 취수량을 줄이고, 폐수 방류를 최소화하며, 물 순환을 폐쇄형으로 전환하는 것​입니다. 물 재이용 시스템을 도입하는 주요 이유로는 물 부족 지역에서 외부 수원에 대한 의존도를 낮추고, 오염도가 낮은 물을 재이용하여 비용을 절감하며, 현장 처리를 통해 공급되는 담수의 수질을 안정적으로 관리할 수 있다는 점을 들 수 있습니다.

첫 번째 핵심 단계는 목표 수질을 설정하는 것입니다. 목표에 따라 처리수를 초순수(UPW) 시스템의 공급수로 재투입하거나, 상대적으로 수질 요구 수준이 낮은 용도에 사용할 수 있는 재이용수(RCW, Reclaimed Water)​로 처리할 수 있습니다. 일반적으로 RCW는 상대적으로 달성하기 쉬운 수질 기준을 적용할 수 있으며, 배기가스 처리, 냉각 시스템 또는 일부 유틸리티 공정과 같은 용도에 적합합니다.

많은 세정 공정에서는 오염도가 매우 낮은 폐수가 발생하기 때문에, 적절한 처리를 거친 후 이를 RCW로 직접 재이용할 수 있습니다. 일반적으로 처리 과정은 입자 제거부터 시작하며, 예를 들어 한외여과(UF, Ultrafiltration)​를 적용할 수 있습니다. 필요한 경우 응집 및 침전 공정을 선행한 후 역삼투(RO, Reverse Osmosis)를 적용하여 용존 물질을 추가로 제거합니다.

과산화수소와 같이 물에 포함된 산화제는 촉매를 이용하여 분해하거나, UV 기반 고도산화공정(AOP, Advanced Oxidation Process) 등을 통해 재이용할 수 있습니다.

대부분의 폐수는 우선 중화 처리를 거치며, HF, 고형물 또는 암모늄 등에 의해 오염된 폐수 스트림은 주요 오염물질을 효과적으로 처리할 수 있도록 별도의 전처리 공정을 적용합니다.

특히 초순수(UPW) 시스템은 대량의 물이 순환하기 때문에 물 재이용을 통한 절감 잠재력이 매우 높은 영역​입니다. 예를 들어 2단 RO(Two-pass RO) 또는 세정수 회수와 같은 방법은 비교적 적은 노력으로 높은 효과를 얻을 수 있는 대표적인 적용 사례입니다.

이와 같은 물 재이용 시스템에서도 중앙집중식 EOP(End-of-Pipe) 방식과 분산형 순환 시스템​을 구분할 수 있습니다. EOP 시스템에서는 MLD(Minimal Liquid Discharge, 최소 액체 방류)​와 ZLD(Zero Liquid Discharge, 무액체 방류)​로 구분할 수 있습니다. 이 중 ZLD는 처리수를 UPW 공급수로 재순환시키는 방식으로 가장 높은 수준의 물 재이용을 실현할 수 있는 방식이지만, 높은 초기 투자비와 운영비가 수반됩니다.

분산형 방식에서는 POU(Point-of-Use) 개념에 따라 배출가스 처리수나 백그라인딩 폐수와 같은 개별 폐수 스트림을 발생 지점에서 직접 처리합니다. 이를 통해 가치 있는 물질을 보다 높은 순도 또는 고농도로 회수할 수 있다는 장점이 있습니다.

물 스트림을 대규모로 또는 완전히 회수하기 위한 시스템, 특히 ZLD(Zero Liquid Discharge, 무액체 방류) 시스템은 설치 공간, 에너지 공급 및 유틸리티 인프라에 높은 수준의 요구사항을 갖습니다. 이러한 시스템에는 대규모 설비와 증발 단계 및 농축 설비가 필요하기 때문에 일반적으로 ​신규 건설 프로젝트(Greenfield)에 적용되는 경우가 많습니다. 신규 공장에서는 추가로 필요한 에너지와 설치 공간을 고려하여 팹 전체의 인프라를 처음부터 설계할 수 있기 때문입니다.

반면 기존 공장에 시스템을 추가하는 개조 프로젝트(Brownfield)​는 제한된 설치 공간, 기존 배관 구조, 부족한 에너지 또는 냉각 용량 등의 제약으로 인해 일반적으로 매우 높은 수준의 추가 작업이 필요하며 적용이 쉽지 않습니다.

ZLD 원칙을 적용하지 않는 EOP(End-of-Pipe) 방식의 물 회수 시스템​은 훨씬 높은 유연성을 제공합니다. 중앙 중화 처리 이전에 적용되는 전처리의 수질 수준에 따라 기존 팹에도 이러한 시스템을 추가로 구축할 수 있습니다. 일반적으로 약 40~70%의 회수율을 달성할 수 있습니다. 이 경우 하수처리장으로 유입되는 오염물질의 총량은 크게 변하지 않지만, 폐수의 유량은 크게 감소합니다. 이를 통해 담수 사용량과 폐수 발생량을 모두 실질적으로 절감할 수 있습니다.

더욱 높은 수준의 모듈화가 가능한 방식으로 POU(Point-of-Use) 또는 Bay 솔루션, 즉 설치 면적이 작은 분산형 처리 시스템이 있습니다. 이러한 방식은 대규모 구조 변경 없이 기존 설비에 통합할 수 있기 때문에 Brownfield 환경에 특히 적합​합니다. 또한 명확하게 구분된 특정 공정 라인만 처리 대상이 됩니다.

중앙집중식 시스템은 처리수 1㎥당 필요한 공간과 에너지 측면에서 더 효율적이지만, 이를 적용하기 위해서는 그에 상응하는 설치 공간과 인프라가 확보되어야 합니다. 반면 분산형 솔루션은 물이 다양한 오염물질로 혼합 오염되기 전에 처리할 수 있기 때문에 수질 특성에 보다 정확하고 효율적으로 대응할 수 있습니다.

적합한 처리 공정을 선정하는 것뿐만 아니라 자동화, 온라인 수질 분석 및 유연한 운전 방식 역시 안정적이고 자원 효율적인 운영을 위해 중요합니다. 최신 모니터링 시스템은 주요 수질 지표를 지속적으로 측정하고, 부하 및 생산 제품의 변동에 따라 처리 조건을 동적으로 조정할 수 있도록 합니다.

또한 여기에는 클린룸의 공정 시스템과 그 하부에 위치한 Subfab의 후단 시스템 간 데이터 교환도 포함됩니다. 이러한 연계는 디지털 플랫폼과 네트워크 기반 제어 솔루션을 통해 지원되며, 전체 물 처리 시스템의 효율적인 운영과 관리를 가능하게 합니다.

앞서 설명한 중앙집중식 폐수처리시설은 방류 기준을 안정적으로 준수할 수 있도록 해주지만, 생산량 증가, 공정 화학물질의 복잡성 증가 및 지속 가능성에 대한 요구가 높아짐에 따라 경제적·환경적 측면에서 점차 한계에 도달하고 있습니다. 특히 물 사용량이 많은 반도체 공장에서는 폐수를 공정의 마지막 단계에서 일괄적으로 처리하는 방식에서 벗어나, 폐수가 발생하는 지점에서부터 발생량을 최소화하거나 사전에 처리하는 방식으로 관심이 확대되고 있습니다.

이러한 기술의 주요 적용 분야 중 하나가 이른바 Subfab의 폐가스 처리 시스템입니다. 이 시스템은 공정에서 발생하는 배기가스를 정화하기 위한 설비로, 기체 상태의 오염물질을 연소시키거나 세정액으로 이동시켜 제거합니다. 이 과정에서 발생하는 폐수에는 입자(산화물), 불소, 산 또는 알칼리와 같은 특정 물질이 고농도로 포함되는 경우가 많습니다.

개별 폐가스 처리 시스템에서 발생하는 폐수량은 반도체 팹 전체의 물 사용량에 비해 적습니다. 그러나 하나의 반도체 팹에는 수백 개에서 많게는 수천 개의 폐가스 처리 설비가 설치될 수 있으며, 이로 인해 해당 설비에서 발생하는 폐수는 팹 전체 폐수 발생량의 약 25%를 차지할 수 있습니다.

POU(Point-of-Use) 방식​은 이러한 고농도 오염 폐수 스트림을 발생 지점에서 직접 처리하고, 이상적으로는 처리된 폐수를 다시 폐가스 처리 시스템으로 회수하여 재이용하는 것을 목표로 합니다.

이를 통해 폐가스 처리 시스템의 담수 사용량을 최소화하는 동시에, 반도체 팹의 중앙 폐수처리시설에 유입되는 수리학적 부하도 줄일 수 있습니다.

폐수의 성상은 폐가스 처리 시스템의 종류와 상류 공정 장비에 따라 달라집니다. Pure Scrubber에서는 주로 이소프로판올(IPA), 불산(HF), 염산(HCl), 용존 염류 및 암모니아와 같은 오염물질이 포함됩니다.

Burn-Wet 시스템​에서는 불소, 비소, 인, 붕소 등을 포함한 용존 염류와 입자 등이 혼합된 복합적인 폐수 성상이 나타나는 경우가 많습니다. 반면 순수 분진 처리 설비(입자 분리기)​에서는 입자가 다량 함유된 폐수가 발생하며, 소량의 염류가 포함될 수도 있습니다.

가장 기본적인 폐수 처리 방법은 다른 수질 항목을 함께 고려하면서 입자를 선택적으로 제거하는 것입니다. 처리된 폐수는 이후 폐가스 처리 시스템으로 다시 공급하여 재이용할 수 있으며, 순환 과정에서 용존 물질이 일정 수준까지 축적될 때까지 이러한 순환을 지속할 수 있습니다.

한계값에 도달하면 공정 장애를 방지하기 위해 재이용수를 교체해야 합니다. 이처럼 한계값에 도달하기 전까지 처리수를 반복적으로 재이용함으로써 최대 90%의 물 사용량을 절감할 수 있습니다.

물 순환 과정에서 발생하는 손실분은 담수로 보충합니다. 이를 통해 물에 포함된 용존 물질의 농도를 동시에 희석하고, 전체적인 물 재이용률을 높일 수 있습니다.