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.
NOx 저감의 중요성이 점점 커지는 이유
대기오염의 상당 부분은 교통 부문에서 발생하며, 전체 배출량의 약 37%를 차지합니다. 약 30%를 차지하는 고정 오염원에는 주로 발전소, 폐기물 소각시설, 유리 및 시멘트 생산시설, 정유시설 등이 포함됩니다.
NOx는 연소 공정뿐만 아니라 질산을 사용하는 공정에서도 발생할 수 있습니다. 또한 NOx 배출원으로서 농업 부문의 비중도 점차 증가하고 있으며, 약 10%를 차지합니다.
이러한 이유로 전 세계 많은 국가에서는 이미 질소산화물에 대해 엄격한 배출 기준을 적용하고 있습니다. 각국 정부와 관계 당국은 이러한 대기오염물질의 배출을 더욱 제한하기 위한 규제를 지속적으로 강화하고 있습니다.
독일의 TA-Luft나 미국 EPA의 관련 환경 규제와 같은 국가별 환경 규정은 NOx 배출에 대해 엄격한 기준을 적용하고 있습니다.
따라서 앞서 언급한 주요 NOx 배출 산업뿐만 아니라 반도체 산업과 같은 첨단 산업에서도 질소산화물의 발생을 방지하고 배출량을 저감하거나 효과적으로 처리할 수 있는 솔루션이 필요합니다.
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
반도체 산업은 기본적으로 전 세계에서 자원 집약도가 높은 산업 중 하나로, 에너지와 용수 소비 및 폐기물 발생 등 다양한 측면에서 환경에 상당한 영향을 미칩니다.
질소(N₂)는 일반적인 조건에서 반응성이 매우 낮기 때문에 클린룸에서 실리콘 웨이퍼를 가공할 때 주로 보호 가스 또는 퍼지 가스로 사용됩니다. 그러나 고온에서는 열적 반응에 의해 질소산화물(NOx)이 생성될 수 있습니다.
이는 특히 Etching 공정 후 발생하는 과불화탄소(PFCs)를 처리하기 위해 사용되는 Point-of-Use 연소식 처리 장치와 관련이 있습니다. PFC를 분해하기 위해 반응기 내부에 높은 온도가 필요하며, 이 과정에서 부수적으로 NOx의 생성이 촉진될 수 있습니다.
또한 반도체 산업에서는 질화막(Nitride Layer) 증착 등을 위해 다양한 질소 화합물이 사용됩니다. 예를 들어, 화학기상증착(CVD) 공정에서 산질화막(Oxynitride Layer)을 형성하기 위해 일반적으로 아산화질소(N₂O)가 사용됩니다.
삼불화질소(NF₃)는 마이크로전자 제품 생산뿐만 아니라 박막 디스플레이 및 박막 태양전지 생산 과정에서 CVD 챔버를 세정하는 데 사용됩니다. 또한 암모니아(NH₃)는 결정질 실리콘 태양전지 생산에도 사용됩니다.
이러한 질소 함유 화합물 중 반응하지 않고 남은 잔류물은 일반적으로 다른 공정 가스와 함께 열처리 방식으로 처리됩니다. 이 과정에서 연료 NOx(Fuel-NOx) 메커니즘에 따라 질소산화물이 생성될 수 있으며, 이러한 잔류 질소 화합물이 NOx 배출의 주요 발생원 중 하나로 간주됩니다.
DAS Environmental Experts의 혁신적인 NOx 2차 처리 솔루션
TSUGA: 선택적 촉매 환원(SCR)을 통한 NOx 및 입자 처리
TSUGA는 선택적 촉매 환원(SCR, Selective Catalytic Reduction) 기술과 고효율 입자 여과 기술을 결합한 시스템입니다. 최대 4,000 ppm의 NOx를 처리할 수 있으며, 최대 5,000 slm의 폐가스에 포함된 미세먼지 및 입자도 함께 처리할 수 있습니다.
폐가스 2차 처리를 위한 Bay Solution으로서 TSUGA는 여러 전단 폐가스 처리 시스템에서 유입되는 폐가스를 통합하여 처리할 수 있습니다.
첫 번째 처리 단계에서는 99% 이상의 입자를 제거합니다. 이를 통해 후단 구성 요소를 보호하고 촉매의 높은 활성을 장기간 유지할 수 있도록 합니다. 이후 암모니아를 환원제로 사용하는 SCR 공정을 통해 질소산화물을 질소와 물로 전환합니다. TSUGA는 95% 이상의 NOx 저감 성능을 제공합니다.
환원제의 정밀한 주입과 75% 이상의 공정 열 회수를 통해 효율적인 시스템 운영이 가능합니다.
또한 통합된 온라인 측정 시스템을 통해 NOx 배출량을 지속적으로 모니터링할 수 있으며, 관련 운전 및 배출 데이터를 체계적으로 기록하고 관리할 수 있도록 지원합니다.
ALCEA: 최소 설치 공간을 구현한 플라즈마 보조 촉매 기술
ALCEA(Advanced Catalytic Oxidation)는 플라즈마 보조 촉매 방식을 적용하여 DAS Environmental Experts의 NOx 2차 처리 솔루션 포트폴리오를 확장한 시스템입니다. ALCEA는 Plasma-Wet 또는 Burn-Wet 방식과 같이 NOx가 발생하는 폐가스 처리 시스템의 후단에 적용할 수 있도록 설계되었습니다.
ALCEA는 비열 플라즈마(Non-Thermal Plasma)와 촉매 기술을 결합합니다. 이 과정에서 생성되는 활성산소종(ROS, Reactive Oxygen Species)은 촉매 반응을 통해 NOx를 수용성 질소 화합물로 전환합니다. 이후 이러한 화합물은 후단의 중앙 습식 스크러버 시스템(Central Wet Scrubbing System)을 통해 제거할 수 있습니다.
NOx 농도 및 전단 처리 조건에 따라 ALCEA는 최대 5,000 slm의 폐가스 유량을 처리할 수 있으며, 최대 95%의 NOx 저감 성능을 제공합니다. 소비 전력은 최대 3.2 kW이며, 별도의 가스 공급이나 암모니아와 같은 화학적 환원제가 필요하지 않습니다.
촉매 유닛은 기존 배기 덕트 시스템에 직접 통합되므로 Subfab 내에서 추가적인 설치 공간이 거의 필요하지 않습니다. 또한 컴팩트한 모듈형 설계로 기존 배기 인프라에도 유연하게 추가 설치할 수 있습니다.
다양한 요구사항에 적합한 DeNOx 기술
TSUGA의 SCR 기반 NOx 및 입자 처리 기술과 ALCEA의 플라즈마 보조 Advanced Catalytic Oxidation 기술을 통해 서로 다른 두 가지 방식의 폐가스 2차 처리 솔루션을 제공합니다.
가장 적합한 기술은 폐가스 조성, 유량, 입자 부하, 기존 인프라 및 Subfab 내 설치 공간 등 다양한 조건을 고려하여 선정할 수 있습니다.
