반도체 초순수, 국산화 민관 연구개발 본격화
환경부,K-water,KEITI,기업과 국산화 R&D 착수
초퀄리티 순도 공업용수 통합 올인 배경 주목
에코셋,네오텍,클루,세프라텍 등 10개사 참여
반도체 필수원료 초순수 기술 물산업 확보까지
脫일본, 수돗물 불순물 100ppm서 10ppb가능해
물기술인증원 역할분담, 초순수 인증 활력 부여

초순수 R&D, 반도체 넘어 바이오산업까지 목표

김영민 기자 | sskyman77@naver.com | 입력 2021-07-14 12:47:49
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[환경데일리 김영민 기자]반도체 웨이퍼 등 생산 공정에서 중요한 세척에 필요한 초순수(UPW, Ultrapure water, De-Ionized Water, 初純水)공업용수만 SK하이닉스 2020년 기준으로 37,373천m3를 사용했고 삼성반도체, LG까지 합치면 90,000천m3를 훌쩍 넘는다. 막대한 양이다.


'고순도 공업용수(초순수(UPW)' 확보는 반도체 기술 경쟁력에 중요한 핵심이 되고 있다. 


UNGC(UN Global Compact)는 2000년 코피 아난 전 유엔 사무총장이 제안한 국제협약으로 인권, 노동, 환경, 반부패의 4개 분야 10대 원칙을 기반으로 기업은 환경문제에 대한 예방적 접근 지지, 환경적 책임을 증진 조치 수행환경친화적 기술의 개발과 혁신 촉진을 담고 있다.


그러나 국제 무역분쟁으로 원천기술을 소유한 국가로부터 수출입에 제약을 받게 되면 제조강국인 우리나라 경우는 무역수지는 물론 내수시장까지 먹구름이 드리울 수 밖에 없다.

▲반도체 산업에 준수해야 국제사회에서 폐기물 물이용 관련 약속 등 5개 항목은 필수다. 


그 중 하나가 '고순도 공업용수(초순수(UPW)' 확보 기술이다. 환경부에 따르면,  K-water 한국수자원공사, KEITI 한국환경산업기술원, 한국산업기술시험원, 한국물기술인증원, 한국건설기술연구원과 함께 '고순도 공업용수 설계·시공·운영 통합 국산화 기술개발'사업에 착수했다고 14일 밝혔다.


이번 R&D 사업 추진은 반도체 사업의 필수원료인 '초순수'의 생산기술 국산화에 초점을 맞췄다. '고순도 공업용수 확보는 설계·시공·운영 통합을 최우선으로 100% 국산화 기술개발을 목표로 삼았다.


국산화 도입배경에는 2019년 일본발 수출규제로 SK하이닉스, 삼성반도체 등 중소협력기업들이 생산에 큰 차질을 빚었기 때문이다. 환경부는 이에 대응하기 위한 반도체 공정 등에서 사용되는 고순도 공업용수를 생산 및 공급하는 직접 기술개발(R&D) 사업을 추진하게 됐다.


초순수(Ultra Pure Water)는 일반적인 물 속의 무기질, 미립자, 박테리아, 미생물, 용존 가스 등을 제거한 고도로 정제된 물. 수돗물 속의 불순물이 100ppm 정도인데 초순수 속의 불순물은 10ppm 이하로 낮춰야 사용할 수 있다.


초순수는 수 백개의 반도체 생산 단위공정 중에 나오는 부산물, 오염물 등을 세정할 때 쓰이는 필수 공업용수를 말한다. 매우 중요한 공정으로 초미세회로(nano meter, 10-9m)로 구성된 반도체를 세척해야 하기 때문에 총유기탄소량(TOC)의 농도가 '10억분의 1(ppb)'이하일 정도로 고순도를 유지해야 한다. 무결점 초퀄리티 제품을 생산할 수 있다.


세계반도체협의회(WSC)는 반도체 산업 내에서 물에 대한 정의를 수립하고 물 재이용 공동 목표 선언도 주도하고, 효율적인 물 관리를 위해 제품 생산에서 폐기까지 전 과정 영향 평가를 실시해왔다. 환경부가 야심차게 반도체산업을 뛰어넘는 정밀과학, 바이오산업 등까지 적용할 수 있는 초순수(UPW) 환원(Reclaim), UPW 재이용 및 공정 재이용까지 포괄적으로 염두한 R&D사업 추진이다. 즉 반도체 공정 경우 초순수 생산과정에서 발생하는 RO농축수를 스크러버에 재이용까지, 오염도 적은 백그라인딩(Back Grinding) 공정수로 재이용하는데 일석삼조 효과까지 적용하겠다는 뜻이다.


지금까지 우리나라 반도체 사용 용수의 약 50%를 일본 등 해외업체에 의존했다. 그만큼 생산원가 및 무역분쟁으로 원활한 수급에 리스크가 있었다. 또한 공정설계, 초순수 배관, 수처리 약품 등을 일본에 의존해 2019년 수출규제 등 사태로 인해 불가피한 생산 차질을 빚을 수 밖에 없는 취약한 상황에 노출돼 있었다.


SK하이닉스경우, 반도체 제조과정에서 안정적 용수 공급이 매우 중요함을 인식하고 물 부족 리스크 해소 방법 중 하나로 취수량을 관리해왔다. 회사의 생산시설이 확대됨에 따라 2019년은 2018년 대비 취수량 증가율이 12%(+972.2만 톤/연)였던 반면, 2020년은 2019년 대비 6%(+515.9만 톤/연) 수준에 그치며, 전년 증가율 대비 절반 수준으로 감소됐다.


SK하이닉스 국내사업장 폐수 재이용시스템의 용량을 2020년 말 기준 총 1534.2만 톤/연(41,920 톤/일) 규모로 확보했고, 해당 재이용시스템의 가동과 UPW 재이용 등을 포함해 2020년 총 2693.2만 톤/연의 물을 재이용했다. 중국 우시에서 외부 재이용을 전년 대비 24% 증가시켰고 충칭은 UPW 재이용을 전년 대비 79% 확대하며 2020년에 총 1355.4만 톤/연의 물을 재이용했다. 2020년 이렇게 재이용된 용수는 총 4048.7만 톤을 썼다.


SK하이닉스 관계자는 "극단적으로 미세화 돼가는 반도체 웨이퍼는 이물질 방지를 위해 '초순수'로 세척이 필수다."며 "반투막을 중심으로 고농도의 용액에 강한 압력을 가해 저농도 쪽으로 물을 이동시켜 '초순수'를 얻는데 고농도 쪽에는 반투막을 통과하지 못한 불순물이 생길 경우. 별도로 재이용하지 않고 폐수처리했다."고 말했다.


환경부는 올해부터 이번 R&D 사업을 위해 환경부, 국토부 등 산하기관과 함께 역할 분담을 통해 반도체 산업에 이바지 한다는 프로젝트가 가동됐다.


K-water는 2025년까지 하루 2400톤의 초순수를 생산하는 실증플랜트를 실제 반도체 공급업체에 설치·운영하고 초순수 생산 시설이 완료되면 설계·시공·운영 단계별로 쓰이는 초순수 공정의 최대 60%까지 국산화 목표를 뒀다.


민관은 2025년까지 ▲초저농도 유기물 제거용 자외선 산화장치 ▲초저농도 용존산소 제거용 탈기막 ▲고순도 공업용수 설계-시공-운영 통합 ▲고순도 공업용수 공정 및 수질 성능평가 ▲반도체 폐수 이용한 고순도 공업용 원수 확보 등 5개의 세부과제별 기술개발을 목표로 추진한다.

▲반도체 생산공정 시스템

참여 기업은 ㈜에코셋, ㈜네오텍, ㈜클루, ㈜세프라텍, 한성크린텍, 진성이엔씨, ㈜태영건설, 해성엔지니어링㈜, 디에치테크㈜, ㈜케에피아이엔디 10개사다.


현재 K-water는 실증플랜트 구축을 위해 수요처와 협의 중이고, 구축 및 활용계획 등을 검토해 실증플랜트를 설치할 대상지를 연내에 확정할 예정이다.


KEITI 이국진 선임연구원은 "이번 프로젝트는 국가 반도체 발전을 물론 정밀과학, 바이오 산업 등 광범위하게 적용할 수 있도록 하기 위한 청사진을 가지고 있다."라며 "지금까지 반도체 공정 용수 인증 쳬계가 없었기에 새로운 전환이 될 것"이라고 말했다.


또 "실증 연구개발부지가 대구에 있는 국가물산업클러스터 혹은 인천 경서동 환경산업연구단지 중 선정되면 관련 민관이 회의를 통해 구체적으로 시작할 것이라며 우선 올해는 80억 원을 먼저 투입한다."고 언급했다.


한국물기술인증원 관계자는 "늦어도 9월까지 KEITI, K-water와 민관 협의체를 구성해, 국제 최고 수준의 인증방식에서 부터 인증 인력확보 등에 힘쓰고 특히 수자원공사와 협업을 통해 초순수 기술으로 차질없이 마련하도록 하겠다."고 말했다. 


김동진 환경부 수자원정책관은 "고순도 공업용수는 비단 반도체 뿐만 아니라 제약·바이오·정밀화학 등 고부가가치 산업에서 수요가 점차 확대되고 있다."며 "이번 R&D 사업은 국가기간산업은 물론 미래 차세대 산업분야까지 광범위하게 적용될 수 있는 만큼 차질없이 진행하겠다."고 말했다.


그는 "일본 기술 의존도 벗어나 국내 정밀 수처리 업계의 해외 시장 진출 기반을 마련하는데 중요한 시그널이 될 것이다."고 강조했다.


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