Less Is More: 반도체 산업에서의 자원 효율적 활용
반도체 생산에서 에너지, 물, 화학물질의 효율적인 사용은 지속가능한 제조 경쟁력을 좌우하는 핵심 요소입니다.
DAS Environmental Experts는 맞춤형 환경·공정 기술을 통해 자원 소비를 최소화하고, 지속가능성을 강화하며, 반도체 제조 전 과정에서 배출 저감과 운영 효율 향상을 실현합니다.
지속 가능한 Sub-Fabs
화석연료와 물과 같은 천연자원이 한정되어 있는 반도체 산업에서, 배출을 줄이고 자원을 절약하는 일의 중요성이 점점 커지고 있습니다.
DAS Environmental Experts는 반도체 산업에 맞춘 맞춤형 솔루션을 제공하여 환경을 보호하고 자원 소비를 최소화합니다.
기후 변화에 대응하기 위해, 많은 국가와 지역에서 CO₂ 배출과 천연가스·전력 소비를 줄이기 위한 규제를 강화하고 있습니다.
독일은 2021년, 2045년까지 온실가스 중립을 달성하겠다고 선언하며 반도체 산업을 포함한 산업계에 큰 압박을 주고 있습니다. 1990년 대비 2030년까지 온실가스를 65% 감축해야 하며, 이를 위해 배출 균형, 감축 목표 설정, 배출 방지 및 최소화 조치가 요구됩니다. 동시에 ESG 보고 등 기업의 사회적·지속 가능성 관련 정보를 투명하게 공개하도록 하는 규제도 시행되고 있습니다.
동남아시아에서는 싱가포르가 2019년 탄소세를 처음 도입했으며, 2030년까지 단계적으로 세율을 올려 기업과 개인이 CO₂ 배출을 줄이도록 유도하고 있습니다.
2021년, 대만은 2050년까지 순 탄소 배출 기준으로 기후 중립을 달성하겠다는 목표를 세우고, 이를 위해 기후변화 대응법 (Climate Change Response Act)을 제정했습니다. 이 법에는 2025년 도입 예정인 CO₂ 부과금이 포함되어 있습니다.
중국은 2060년까지 기후 중립을 달성하고자 2021년 국가 배출권 거래법 등 관련 제도를 마련했습니다. 다만, 중국은 2030년까지 CO₂ 배출량이 정점에 이를 것으로 예상하고 있습니다.
미국은 국가 단위의 탄소세나 CO₂ 부과금은 없지만, 1990년대부터 지역별 배출권 거래제 (cap-and-trade)와 세금 인센티브 등 다양한 주 차원의 정책을 시행하고 있습니다.
반도체 생산의 자원 절약 & 지속 가능성
반도체 산업은 회로 설계에서 조립·테스트에 이르는 전체 가치 사슬에서 전 세계 CO₂ 배출량의 약 0.3%를 차지하며, 공급업체 공정과 최종 소비자의 사용까지 포함하면 추가로 약 1% 정도의 온실가스가 발생합니다.
산업계와 공급업체들은 이러한 책임을 인식하고, 그린 전력 등 재생 가능 에너지로 에너지 공급을 전환하고, 에너지와 물 사용을 최적화하며, 물 재활용률을 높이고, 생산과 폐기 과정에서 가스와 화학물질 사용을 줄이는 등 다양한 노력을 기울이고 있습니다. 이러한 조치들은 기후 중립 반도체 생산 실현을 위한 핵심 전략입니다.
반도체 제조
반도체 칩은 지능형 제어와 지속 가능한 생산을 통해 에너지와 자원 소비를 줄이는 데 중요한 역할을 합니다. 하지만 칩 생산 과정은 에너지와 물을 많이 사용하며, 때로는 독성이 강한 가스와 화학물질을 필요로 합니다. 이러한 물질은 가능하면 사용 지점에서 정화해야 합니다. 따라서 반도체 생산에서의 배출 저감은 마이크로일렉트로닉스 환경 보호의 핵심 과제입니다.
칩 생산에는 도핑, 식각, 포토레지스트 도포, 노광, 세정, 박막 증착 등 다양한 화학적·물리적 공정이 활용됩니다. 이 과정에서 발생하는 여러 배출물과 기체 오염물질은 처리하지 않으면 환경과 인체 건강에 영향을 줄 수 있습니다. 예를 들어, 기후에 영향을 미치는 불화탄소 (HFCs), 육불화황 (SF₆), 사불화탄소 (CF₄)뿐 아니라 불화수소 (HF), 질소산화물 (NOx), 암모니아 (NH₃) 등이 있습니다.
생산 과정에서 발생하는 공정 가스는 클린룸 시스템을 통해 Sub-Fab으로 배출되며, 여기서 특수 Point-of-Use 페가스 처리 시스템을 통해 안전하게 처리됩니다.
공정 가스 처리 최적화: 효율 향상과 자원 절감
폐가스 처리는 반도체 산업에서 효율을 높이고 자원 소비를 줄이는 핵심 요소입니다. 현재 산업계에서는 이러한 환경 목표 달성을 위해 다양한 접근 방식을 적용하고 있으며, DAS Environmental Experts는 각 접근 방식에 최적화된 기술 솔루션을 제공합니다.
기후 중립 에너지 활용 - 재생 에너지 기반 전력이나 그린 수소(H₂)와 같은 기후 중립 에너지원의 사용이 점점 확대되고 있습니다. 산업계는 산업 정책과 규제 요건에 따라 변화 과정을 겪고 있으며, 이러한 전환 속도는 점점 가속화되고 있습니다. 혁신적인 환경 기술 솔루션 제공업체인 DAS Environmental Experts는 그린 수소와 같은 기후 중립 및 고효율 에너지 활용에 주력하고 있습니다. 모든 Burn-Wet 시스템은 수소로 운용이 가능하며, STYRAX와 UPTIMUM 시스템은 직류 (DC) Plasma Burner를 장착할 수 있습니다.
수소를 활용한 효율적인 에너지 이용 - 수소는 부피당 에너지 밀도는 천연가스보다 낮지만, 중량당 에너지 밀도는 더 높아 단위 무게당 더 많은 에너지를 제공합니다. 이 특성 덕분에 특정 공정에서 에너지를 보다 효율적으로 활용할 수 있습니다.
예를 들어, 수소는 더 높은 온도로 연소되어 반응이 빠르고 완전하게 진행되며, 이를 통해 배출가스 처리와 같은 공정에서 유해물질을 효과적으로 제거할 수 있습니다. 이를 통해 전체 공정 효율을 최대 25%까지 향상시킬 수 있습니다. 또한 수소 연소 시 주 생성물은 물 (H₂O) 뿐으로, 화석 연료 사용 시 발생하는 CO₂와 달리 온실가스 배출 저감에 직접 기여합니다.
실제 적용 사례로, DAS Environmental Experts의 STYRAX Burn-Wet 시스템은 수소의 이러한 장점을 최적화하여 활용합니다. 아울러 TSUGA 촉매 시스템에서는 열교환기를 통한 공정 열 회수로 운전 시 총 에너지 요구량을 낮추어 지속 가능한 에너지 활용에 기여합니다.
효율적인 물 사용 - Burn-Wet 시스템과 Scrubber시스템에서 사용되는 물은 DAS의 폐쇄형 순환 설계를 통해 수집·재활용이 가능합니다. 오염된 물은 침전, 여과, 화학적 중화 등 특수 순환 과정을 거쳐 다시 시스템으로 공급됩니다.
이를 통해 신규 물 사용량을 연속 유입 시스템 대비 약 25% 수준으로 절감할 수 있습니다.
지능형 공정 제어 - 클린룸 내 상류 생산 단계의 요구에 맞춰 모니터링, 데이터 분석, 유연한 공정 조정을 통해 효율적인 공정 제어가 가능합니다. 클린룸 공정 시스템과 Sub-Fab 저감 시스템 간 데이터 연계를 통해 청정 공정에 필요한 연료 및 기타 물질의 사용을 최적화하고 절감할 수 있습니다.
DAS Environmental Experts는 맞춤형 데이터를 활용한 다양한 최적화 도구를 제공하며, 자사 개발 솔루션과 파트너 솔루션을 결합하여 최적의 성과를 실현합니다.
DAS Environmental Experts, 전 세계 고객의 탄소 배출 저감 지원
반도체 산업은 정부 정책과 사회적 요구에 따라 빠르게 변화하고 있으며, 기후 변화와 자원 제한 속에서 환경 영향을 최소화하는 과제가 점점 중요해지고 있습니다.
핵심 대응 과제는 다음과 같습니다.
친환경 에너지 전환: 그린 전력과 그린 수소(H₂) 활용
효율적인 폐가스 처리: 높은 파괴·저감 효율(DRE)로 유해 배출물 최소화
공정 열 회수 및 폐쇄형 물 순환: 에너지, 물, 화학물질 사용량 대폭 절감
지능형 공정 제어: 청정 시스템 모니터링과 데이터 분석을 통한 자원 사용 최적화
DAS Environmental Experts는 이러한 기술과 솔루션을 통해 전 세계 반도체 고객이 지속 가능한 생산과 환경 보호를 동시에 실현할 수 있도록 지원합니다.
반도체 제조 사례: 높은 파괴·저감 효율 (DRE)의 영향
반도체 산업에서 자원 절감과 공정 효율 향상은 핵심 과제입니다. 자원 소비를 줄이면 에너지와 화학물질 사용을 최소화할 수 있으며, 효율 향상은 공정 성능 개선으로 이어집니다. 특히 공정 폐가스 처리 분야에서는 이러한 접근 방식이 비용 절감과 환경 영향 최소화에 직접적인 효과를 가져옵니다.
폐가스 처리에서 파괴·저감 효율 (DRE)은 매우 중요한 요소입니다. DRE가 높다는 것은 폐가스 내 유해 물질을 추가 처리 없이도 효과적으로 제거하거나 파괴할 수 있다는 의미이며, 이를 통해 에너지, 물, 화학물질 등 자원 사용을 크게 줄일 수 있습니다.
반도체 칩 생산의 대표적인 두 공정인 화학 기상 증착 (CVD)과 식각 (Etching)을 통해, 높은 DRE가 유해 배출물 저감, 기후 영향 최소화, 자원 사용 절감에 어떻게 기여하는지 확인할 수 있습니다.
CVD 공정: 기판 (주로 실리콘) 위에 얇은 재료층을 증착하는 과정으로, 트랜지스터, 태양전지, 집적회로 등 반도체 구성 요소 생산에 필수적입니다.
식각 공정: 웨이퍼 위 재료의 일부를 선택적으로 제거하여 구조를 형성하거나 수정하는 과정으로, 화학적·물리적·플라즈마 보조 공정이 활용되며, 예를 들어 과불화탄소 (PFCs) 등이 사용됩니다.
CVD와 식각 공정에서는 사불화탄소 (CF₄)가 사용됩니다. CF₄는 지구온난화지수 (GWP) 6500을 가지고 있어, 같은 양의 CO₂보다 6500배 더 강력하게 지구온난화에 기여합니다. 이 때문에 CF₄ 사용을 줄이거나, 환경에 덜 해로운 대체 가스로 전환하기 위한 노력이 활발히 진행되고 있습니다.
CF₄를 효율적으로 제거하려면 높은 온도에서 화학적으로 분해해야 하며, 현재 약 95% DRE 수준의 효율을 달성할 수 있습니다. 공정 개선, 장비 최적화, 높은 온도와 에너지 밀도의 활용을 통해 CF₄를 완전히 제거할 수 있으며, 이는 고온 연소 또는 최적화된 연소실을 통해 최대 에너지 밀도를 구현함으로써 가능합니다. 열식 배출가스 처리 시스템 (예: Burner scrubber 시스템)에서 높은 DRE는 오염물 제거 효율을 높여, 중앙 후처리 시스템의 에너지 사용량도 줄이는 효과가 있습니다.
DAS Environmental Experts의 STYRAX 시스템은 공정과 배출가스 구성에 따라 95%~99.9% DRE를 달성할 수 있습니다. 이러한 높은 효율은 반도체 생산 공정에서 폐가스 처리 효율을 높이고 자원 사용을 절감하며, 온실가스 배출을 포함한 환경 영향을 최소화함으로써 고객의 지속 가능성 향상에 크게 기여합니다.
