KISTI의 과학향기

일본의 수출 제재로 반도체 공정에 사용하는 초고순도 불화수소 수입이 막혀버렸다. 명백히 정치적인 일본의 경제적 보복에 많은 국민이 일본 제품 불매 운동으로 맞서고 있다. 우리 기업은 반도체와 디스플레이 생산에 차질이 생기지 않도록 다각도로 방법을 찾고 있다. 그렇다면 대한민국과 일본의 외교적 마찰의 핵심이 된 불화수소란 도대체 무엇일까? 어디에 어떻게 쓰이는 걸까? 왜 그동안 국산화하지 않았을까?

 

불화수소의 정식 명칭은 ‘플루오린화수소’다. 플루오린화수소는 이름 그대로 수소가 플루오린이라는 원소와 결합해 산성을 띤 것이다. 플루오린은 ‘불소’라는 이름으로 잘 알려진 원소로 치약 성분으로 사용된다. 이외에도 플루오린은 반응성과 독성이 매우 강하고 플라스틱이나 유리를 녹이는 성질도 있다.

 

플루오린화수소는 그보다 반응성이 풍부해 산업 현장에서 광범위하게 사용되고 있다. 탈수제, 촉매제로 쓰일 뿐만 아니라 용접, 휘발유, 로켓 연료 제조에도 사용되고 있다. 그 밖에도 유리나 실리콘을 녹일 수 세정제, 산화제로도 널리 쓰인다.

 

이렇게 반응성이 좋아 인체에 닿으면 치명적이다. 몸에 묻으면 신경계를 손상시키고 뻐 속까지 스며 들어 칼슘을 파괴한다. 가스 형태로 노출되면 폐와 심장에도 영향이 미쳐 사망에 이를 수 있고 호흡기 점막 손상으로 질식을 유발할 수 있다.

 

2012년에 구미시에서 플루오린화수소가스 누출 사건이 발생한 적이 있다. 열린 밸브에서 가스가 새어나가 안타깝게도 사망하고 말았다. 하지만 간접적인 피해는 그보다 심했다. 플루오린화수소는 공기보다 비중이 앉아 저농도로 빠르게 확산되는 특징이 있다. 소방차가 물을 뿌리며 희석 작업을 했지만 주변의 식물이 말라죽고 소 등 가축들은 이상증세를 보였으며 이미 가스를 흡입한 주민 중에는 피가 섞인 침을 토해내기도 했다. 현재는 가스를 모두 제거했지만 플루오린화수소가 얼마나 무서운지 사람들에게 제대로 각인시킨 사건이었다.

 

사진 1. 수소와 플루오린이 결합한 플루오린화수소는 반응성과 독성이 매우 강한 물질이다. (출처: shutterstock)
 

 

 

고순도 플루오린화수소는 반도체 제조 과정에서 반드시 필요한 재료이다. 반도체에는 웨이퍼라는 원판이 있는데 바로 여기서 다양한 기능을 처리하고 저장하는 반도체 집적회로가 만들어진다. 웨이퍼는 실리콘(Si), 갈륨 아세나이드(GaAs) 등을 성장시켜 만든 단결정 기둥을 적당한 두께로 얇게 썰어 만든다. 그 다음으로는 웨이퍼를 잘 세척하고 회로를 새겨야 한다. 이 과정을 에치(etch)라고 하는 데, 이때 세척에 쓰이는 가스, 즉 에칭가스가 바로 플루오린화수소이다.

 

반도체에는 아주 적은 양의 불순물만 있어도 회로가 손상되고 성능이 저하될 수 있기 때문에 순도 99.999% 이상의 초고순도의 불화수소를 사용한다. 반도체 회로가 복잡할수록 더 높은 순도의 에칭가스가 필요하며 당연히 순도가 높을수록 플루오린화수소의 가격도 비싸다. 초고순도 플루오린화수소는 일본이 전 세계 생산량의 70%를 공급하고 있다.

 

우리나라가 자체적으로 초고순도 불화수소를 생산하면 안 될까? 반도체 공정용으로 사용하기 위한 초고순도 플루오린화수소는 규소나 붕소, 비소, 인, 황 같은 불순물을 제거하는 기술이 있어야 한다.

 

다수의 언론 보도에 따르면 우리나라에 이미 초고순도 불화수소를 만드는 기술이 개발됐다. 현재 특허로 등록돼 있는 이 기술은 초음파 진동을 이용해 불순물을 제거한다. 실험 단계에서는 플루오린화수소 속 불순물 비중이 작게는 10억분의 1, 크게는 100억분의 1까지 내려갔다고 한다. 즉, 반도체 공정에 무리 없이 활용할 수 있는 순도 99.999 이상의 초고순도 플루오린화수소인 셈이다.

 

사진 2. 초고순도 플루오린화수소는 반도체 제조 공장에 꼭 필요한 재료이다. (출처: shutterstock)

 

 

하지만 이 기술은 상용화되지 못했다. 기술적인 문제는 아니다. 플루오린화수소가 반도체 공정에 꼭 필요한 요소이기는 하지만 실제 반도체 원가에 플루오린화수소가 차지하는 비중은 낮다. 우리나라가 일본에서 수입하는 플루오린화수소의 연간 수입액은 약 1000억 원에 못 미친다고 한다. 게다가 초고순도로 정제한 플루오린화수소는 반도체 공정 이외에는 달리 활용할 곳이 없다. 그렇기에 직접 생산보다는 구매가 더 유리할 수 있다는 것이다.

 

정밀한 반도체 공정에서 아직 테스트가 필요한 고순도 플루오린화수소를 바로 적용할 수도 없다. 삼성전자에 따르면 일본산을 대체할 플루오린화수소 품질 테스트에만 2~3개월이 걸린다고 한다. 결국 플루오린화수소 자체 생산에는 경제적 문제가 함께 얽혀 있는 것이다.

 

앞으로 플루오린화수소 문제를 해결하기 위해선 수입경로를 다변화하는 동시에 우리 기업이 자체적으로 초고순도 플루오린화수소를 생산할 만한 기술적, 경제적, 정책적 환경을 잘 만드는 것이 필요하다. 물론 일본과 외교적으로 꼬인 실타래를 풀어가면서 말이다.

 

글: 이형석 칼럼니스트/일러스트: 유진성 작가