사진. 한국에너지기술연구원

한국에너지기술연구원(이하 KIER) 윤형철 박사 연구진이 고순도 중수소 암모니아(ND₃)를 생산하는 기술을 개발하고 상업 규모 생산에 성공했다.

중수소 암모니아는 일반 암모니아(NH₃)의 수소(H)를 중수소(D)로 대체한 동위원소 화합물이다. 반도체 제조 공정에 적용할 경우 소자 내부에서 발생하는 결함을 줄이고 안정성을 높일 수 있어 첨단 반도체 산업에서 수요가 꾸준히 증가하고 있다.

그러나 국내에는 중수소 암모니아를 생산할 수 있는 기술과 생산시설이 부족해 대부분 일본과 중국 등 해외 공급망에 의존해 왔다. 이로 인해 공급 불안정성과 높은 가격 부담이 지속적으로 제기됐으며, 국내 반도체 산업 경쟁력 강화를 위한 국산화 필요성이 커지고 있었다.

KIER 연구진은 이러한 문제 해결을 위해 독자 기술 기반의 암모니아 합성 공정을 개발하고 하루 7.7㎏ 규모의 중수소 암모니아 생산에 성공했다. 특히 생산된 제품은 99% 이상의 고순도를 확보해 반도체 공정 적용이 가능한 수준임을 입증했다.

이번 기술의 핵심은 연구진이 자체 개발한 고효율 촉매 기술이다. 연구진은 기존 루테늄(Ru) 촉매에 산화바륨(BaO)을 첨가해 암모니아 합성 과정 중 가장 많은 에너지가 필요한 질소 분해 반응의 효율을 크게 높였다.

산화바륨은 루테늄 표면의 전자 밀도를 증가시켜 질소 분자의 결합력을 약화시키는 역할을 한다. 이를 통해 기존 공정보다 훨씬 낮은 온도와 압력 조건에서도 질소를 효과적으로 분해할 수 있게 됐으며, 결과적으로 중수소 암모니아 생산 효율을 높이는 데 성공했다.
연구진이 개발한 촉매는 기존 중수소 암모니아 합성 기술 대비 요구 압력을 약 5분의 1 수준으로 낮췄다. 공정 에너지 소비를 줄이는 동시에 설비 운영 부담도 완화할 수 있어 경제성 측면에서도 경쟁력을 확보했다.

또한 생산 과정에서 반도체 성능에 영향을 줄 수 있는 불순물이 발생하지 않아 초고순도 제품 생산이 가능하다는 점도 중요한 성과로 평가된다.

연구진은 개발된 공정을 1,000시간 이상 연속 운전하며 안정성을 검증했다. 장시간 운전 과정에서도 촉매 성능 저하 없이 안정적인 생산이 가능함을 확인했으며, 한국산업기술시험원(KTL) 인증도 획득해 기술 신뢰성과 내구성을 공식적으로 인정받았다.

이번 성과는 단순한 연구실 수준의 기술 개발을 넘어 산업화 가능성을 확인했다는 점에서 의미가 크다. 연구진은 국내 생산 기반 확보를 통해 해외 의존도를 낮추고 향후 글로벌 특수가스 시장 진출도 가능할 것으로 전망하고 있다.

KIER 윤형철 박사는 “이번 성과는 국내 독자 암모니아 합성 기술을 활용해 반도체 공정 등에 활용되는 고부가가치 동위원소 소재 생산 가능성을 입증했다는 점에서 의미가 크다”라며 “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 말했다.

연구진은 앞으로 공정 최적화와 생산 규모 확대를 추진해 반도체·디스플레이·정밀화학 산업용 동위원소 소재 시장 진출을 본격화할 계획이다. 중수소 암모니아 국산화가 현실화될 경우 국내 반도체 소재 공급망 안정화와 첨단 특수가스 산업 경쟁력 강화에도 기여할 것으로 기대된다.