반도체 산업을 위한 고효율 NOx 저감 솔루션
고도화된 배출 저감 기술을 통해 반도체 제조 공정에서 발생하는 NOx를 효과적으로 제거하고, 대기 오염을 최소화합니다.
반도체용 NOx 처리 및 폐가스 처리 솔루션
산성비와 스모그의 주요 원인 중 하나는 질소산화물(NOx: NO₂·NO) 로, 이는 인체와 자연 환경 모두에 큰 위협이 됩니다. 특히 연소 과정에서 발생하는 유해 NOx를 효과적으로 저감하는 일은 여러 산업에서 쉽지 않은 과제입니다.
DAS Environmental Experts는 이러한 문제를 해결하기 위해 반도체 산업을 비롯한 다양한 분야에 적용 가능한 Turnkey NOx 처리 솔루션을 개발하여 안정적인 배출 저감을 지원하고 있습니다.
질소산화물(NOₓ)이란 무엇이며, 환경과 건강에 어떤 영향을 미치는가?
NOx는 석유, 가스, 석탄, 목재 등 화석연료가 연소될 때 발생하는 기체 화합물로, 대표적으로 NO 와 NO₂가 포함됩니다.
NO는 무색의 생체 활성 물질로, 인체에서는 신호 전달 역할을 하며 혈관을 확장시키는 기능을 합니다. 이 때문에 심장내과, 심장수술 분야, 그리고 신생아 폐동맥 고혈압 치료 등에 활용됩니다. 그러나 대기 중에서는 쉽게 산화되어 NO₂로 전환됩니다.
반면 NO₂는 적갈색을 띠는 고독성의 자극성 기체로, 약 200°C 이상에서 NO와 O₂로 분해됩니다. 물과 반응해 산을 생성하여 산성비의 원인이 되며, NO와 함께 여름철 스모그 형성에도 기여합니다.
NOx는 특히 NO₂가 호흡기 점막과 눈을 자극하고 손상시키며 폐 기능을 저하시켜, 사람과 동물 모두의 건강을 심각하게 위협합니다. 고농도 NOx를 흡입하는 것은 매우 위험하며, 심한 호흡곤란이나 폐부종을 유발할 수 있습니다.
교통 부문은 전체 NOₓ 배출량의 약 37%를 차지하며 대기오염의 주요 원인으로 지목됩니다. 또 다른 고정 오염원 (약 30%) 으로는 발전소, 폐기물 소각 시설, 유리·시멘트 생산 공장, 정유시설 등이 있습니다. 연소 과정뿐 아니라 HNO₃을 취급하는 공정에서도 NOₓ가 배출될 수 있으며, 최근에는 농업 분야의 배출 비중도 증가하여 약 10%에 이르고 있습니다.
이와 같은 상황에 따라 전 세계 각국은 NOₓ에 대한 엄격한 배출 규제를 시행하고 있으며, 정부와 규제기관은 대기오염물질 배출을 더욱 줄이기 위해 지속적으로 기준을 강화하고 있습니다. 예를 들어, 독일의 TA-Luft, 미국 EPA와 같은 국가별 환경 규정은 NOₓ 배출에 대해 매우 높은 수준의 준수를 요구합니다.
따라서 앞서 언급된 대규모 배출원뿐 아니라, 반도체 산업을 포함한 첨단 산업군에서도 NOₓ를 예방·저감·처리하기 위한 신뢰성 높은 솔루션이 필수적입니다.
질소산화물 (NOₓ)은 어떻게 생성되는가?
NOₓ는 주로 다양한 연소 과정에서 N이 O₂와 반응해 산화되면서 발생합니다. 이때 NOₓ는 다음 세 가지 메커니즘을 통해 생성됩니다.
열적 NOₓ (Thermal NOₓ)
약 1300°C 이상의 고온 환경에서 연소 공기 중의 N₂와 O₂가 반응하면서 만들어집니다.연료 기인 NOₓ (Fuel NOₓ)
약 800°C 이상에서 연료에 화학적으로 결합되어 있는 N가 산화되며 생성됩니다. 반응 조건에 따라 생성량이 크게 달라질 수 있습니다.즉각적 NOₓ (Prompt NOₓ)
화염 전면(Flame front)에서 연료 라디칼 (CHₓ) 이 질소와 반응해 빠르게 NOₓ를 형성하는 과정입니다.
일반적인 연소 조건에서 NOₓ의 약 95%는 NO로 구성되며, NO₂는 주로 연소 후 대기 중에서 O₂와 반응해 생성됩니다.
반면, 공정 제어가 적절하지 않을 경우 N₂O가 발생할 수도 있습니다. N₂O는 의료 분야에서는 마취제로, 식품 산업에서는 추진제로 사용되지만, 무엇보다 CO₂ 대비 298배나 높은 온실 효과를 가진 매우 강력한 온실가스로 알려져 있습니다.
반도체 산업에서의 질소산화물(NOx)
반도체 산업은 에너지와 물 사용량이 많고 다양한 화학물질을 사용하는 만큼, 환경 영향이 큰 대표적인 자원 집약적 산업입니다. 이러한 제조 공정에서는 여러 요소에 의해 질소산화물 (NOx)이 발생할 수 있습니다.
클린룸에서 실리콘 웨이퍼를 가공할 때 사용하는 질소 (N₂) 보호가스·퍼지가스는 일반적으로 매우 안정적입니다. 그러나 고온 환경에서는 열적 질소산화물 (thermal NOx)을 생성할 수 있으며, 특히 식각 후 퍼플루오로카본(PFCs)을 제거하는 POU (point-of-use) 소각장치에서 높은 반응 온도가 필요하기 때문에 NOx가 부수적으로 발생하는 경우가 많습니다.
또한 반도체 제조에서는 다양한 질소계 화합물이 필수적으로 활용됩니다.
아산화질소 (N₂O): CVD 공정에서 옥시나이트라이드 층 형성
삼불화질소 (NF₃): 반도체·디스플레이·태양전지 제조에서 CVD 챔버 세정
암모니아 (NH₃): 결정질 실리콘 태양전지 제조 공정
이러한 가스 중 반응하지 않고 남은 잔류물은 대부분 다른 공정가스와 함께 열분해 방식으로 처리되며, 이 과정에서 연료-NOx (fuel NOx) 메커니즘에 따라 추가적인 질소산화물이 생성됩니다. 이는 반도체 산업에서 발생하는 주요 NOx 배출원으로 이어집니다.
DAS Environmental Experts의 혁신적인 2차 폐가스 처리 솔루션
반도체 산업의 혁신을 선도하는 DAS Environmental Expert GmbH는 Burn-wet 시스템 등 NOx를 발생시키는 폐가스 처리 장비를 위한 2차 처리 솔루션 TSUGA를 개발했습니다. TSUGA는 하이테크 팹은 물론 다양한 산업 분야에서도 높은 효율과 신뢰성을 갖춘 처리 기술로 활용되고 있습니다.
TSUGA는 최대 4000 ppm 범위의 NOx (NO₂, NO)는 물론, 미세먼지 (PM1, PM2.5, PM10)와 다양한 입자를 최대 5000 slm (standard liters per minute)의 고유량 폐가스 조건에서도 안정적으로 제거합니다. 이를 통해 여러 폐가스 처리 장비를 하나의 TSUGA로 통합해 처리할 수 있어 운영 효율도 크게 향상됩니다.
DAS의 NOx 및 미세먼지 저감 솔루션은 고효율 DeDust 필터 시스템과 선택적 촉매 환원 (Selective Catalytic Reduction, SCR) 기반의 DeNOx 기술을 결합한 최첨단 방식입니다. DeDust 단계에서는 SiO₂를 포함한 99% 이상의 입자가 효과적으로 제거되어 후단 장치와 촉매의 막힘을 방지하고, 장기적으로 안정적인 촉매 성능을 보장합니다.
이어지는 DeNOx 단계에서는 SCR 기술을 통해 NOx를 질소 (N₂)와 물 (H₂O)로 전환합니다. TSUGA에 적용된 최신 SCR 촉매는 95% 이상의 NOx 저감률과 약 5 ppm 수준의 낮은 배출 농도를 안정적으로 달성합니다. NOx 환원에 필요한 암모니아 (NH₃)는 자동으로 주입되며, 내장 센서가 전체 공정을 정밀하게 제어해 미디어 사용량을 최소화합니다.
TSUGA는 설계 단계에서부터 변동하는 NOx 농도에도 장기간 안정적으로 대응할 수 있도록 구성되었으며, 공정 열의 75% 이상을 회수해 낮은 에너지 소비로 고효율 처리를 실현합니다.
또한 TSUGA에는 NOx 배출량 실시간 온라인 모니터링 기능이 통합되어 있어 주요 운영 파라미터를 최적으로 제어할 수 있으며, TA-Luft 및 EPA 기준을 안정적으로 충족합니다. 생성된 데이터는 규제 대응 및 문서화에 활용할 수 있으며, 장비의 운영과 유지보수는 전면 접근만으로 가능하여 작업 효율성을 높입니다.
TSUGA의 NOx 처리 작동 원리
