에너지연, 국내 최초로 상업 규모 중수소 암모니아 생산에 성공

편집부 기자
입력 2026.07.14 00:00

반도체용 고순도 중수소 암모니아 국산화 기회 열렸다

한국에너지기술연구원(이하 에너지연)이 국내 최초로 고순도의 중수소 암모니아(ND3)를 생산하는 기술을 개발해 국산화와 산업화의 문을 열었다. ND3란 암모니아(NH3)의 수소(H)를 중수소(D)로 바꾼 물질로, 이를 반도체 제조 공정에 활용하면 반도체 소자 내부에서 발생하는 결함을 억제할 수 있어 수요가 나날이 늘어나는 추세다.

정리 편집부

자료제공 한국에너지기술연구원

ND3는 반도체 공정용 특수가스, 핵자기공명(NMR) 분석, 동위원소 추적 연구 등에 사용되는 고부가가치 동위원소 소재이다. 반도체 제조 공정에서도 특히 고집적 DRAM 및 SONOS 플래시 메모리 공정에 활용되며, 반도체 소자 내에서 일반 Si-H 결합보다 안정성이 높은 Si-D 결합 형성에 사용된다. 패시베이션(Passivation) 특성 향상과 소자 수명 및 신뢰성 개선에 기여한다.

현재 국내에는 ND3 생산 시설이 없어 대부분 해외 수입에 의존하고 있다. 공급 가격 또한 매우 높은 수준으로 형성되어 있어 공급 안정성과 가격 경쟁력 확보를 위한 국산화가 필요하다.

기존 ND3 생산 기술은 ①금속질화물 기반 방식 ②중수소화 용매 기반 방식 ③하버-보슈 기반 방식 등이 사용되고 있다. 그러나 ①고온·진공 조건 ②낮은 중수소 이용률 ③복잡한 다단 분리 공정 ④대규모 설비 요구 등의 한계가 존재한다.

기존 암모니아 생산 기술은 주로 대규모 고온·고압 하버-보슈(Haber-Bosch) 공정을 기반으로 하고 있어, 소규모 동위원소 특수가스 생산에 적용하기 어려운 한계가 있다. 이에 따라 저압·저온 조건에서 안정적으로 암모니아를 생산할 수 있는 《촉매 및 소규모 분산형 생산 기술》 확보가 중요 과제로 대두되었다.

기존 루테늄 촉매에 산화바륨 섞어

에너지연 윤형철 박사 연구진은 자체 개발한 루테늄 촉매를 적용해 하루 7.7kg 규모의 중수소 암모니아 생산에 성공했다. 연구진은 ’20년부터 저압·저온 조건에서 암모니아를 합성할 수 있는 촉매를 자체 개발해 왔으며, 기존 하버-보슈 공정 대비 완화된 조건에서도 높은 암모니아 합성 성능을 확보했다.

연구진이 개발한 촉매는 기존 중수소 암모니아 합성방식에 필요한 압력을 5분의 1 수준으로 줄이고, 온도 조건도 개선하여 99% 이상의 고순도 중수소 암모니아 합성이 가능하다.

연구진은 기존 루테늄 촉매에 산화바륨을 섞어, 암모니아 합성에서 가장 어려운 단계인 ‘질소 분해’에 들이는 에너지를 줄였다. 산화바륨은 루테늄 표면의 전자 밀도를 높여, 표면에 있는 질소 분자의 결합력을 떨어뜨린다. 이를 통해 기존보다 월등히 낮은 온도와 압력에서도 질소를 분해하고 중수소 암모니아를 생산할 수 있게 되었다.

개발된 촉매를 중수소 기반 공정에 적용한 결과, 중수소 물질의 높은 반응 특성으로 인해 일반 암모니아 대비 더욱 완화된 반응기 운전 조건(약 350℃, 40barg)에서도 높은 반응 전환율을 확보했다. 연구진은 저압·저온 암모니아 생산 기술을 기반으로 중수소(D2)와 질소(N2)를 직접 반응시키는 ND3 생산 공정을 구축하고, 99% 이상의 고순도 ND3를 일일 7.7 kg 규모로 생산하는 데 성공했다.

이후 연구진은 NH3 암모니아 생산에 대한 1kg/day급 공정에서 700시간, 5kg/day급 공정에서 1,000시간 이상의 장시간 연속 운전을 수행하고, 한국산업기술시험원(KTL)으로부터 인증을 확보했다. 컴프레서 대신 가스 부스터 방식을 적용해 공정 전력 사용량을 절감했으며, ND3 1kg 생산 기준 전력 소모량 50kWh 이하 수준을 달성했다. ICP-OES 분석 결과, 합성 암모니아 내 49종 금속 불순물이 검출되지 않아 고순도 특수가스 수준의 품질 가능성을 확인했다.

소규모 고기능 화학소재 생산 플랫폼으로 확장 가능

연구진은 이번 기술개발을 통해 국내 생산 기반을 확보함으로써 수입 의존도를 낮추고, 향후 글로벌 특수가스 시장 진출도 가능할 것으로 내다봤다. 이를 위해 연구진은 공정 최적화와 생산 규모 확대를 통해 반도체·디스플레이·정밀화학 산업용 동위원소 소재 시장 진출을 본격 추진할 계획이다.

연구책임자인 윤형철 박사는 “중수소 기반 반응 공정은 일반 암모니아 공정보다 반응 조건 제어와 고순도 유지가 더욱 까다롭다”며 “암모니아의 부식 특성과 고온·극저온·고압 조건에 대응할 수 있는 공정 안정성 확보가 중요한 과제였다”고 회상했다. 때문에 연구진은 장시간 연속 운전을 반복 수행하며 장치 안정성을 개선했고, 공정 제어 기술과 촉매 최적화를 통해 안정적인 ND3 생산 기술을 확보할 수 있었다.

윤 박사는 이번 성과에 대해 “국내 독자 암모니아 합성 기술을 활용해 반도체 공정 등에 활용되는 고부가가치 동위원소 소재 생산 가능성을 입증했다는 점에서 의미가 크다”고 평가했다. 또한 “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 전망했다.

한편, 이번 연구는 한국에너지기술연구원 기본사업과 국가과학기술연구회 글로벌 TOP 『고효율·고안전 청정수소 저장·활용 전략연구단』 사업, 해양수산부 『친환경 선박 전주기 혁신 기술개발 사업』의 지원을 받아 수행했다.