카테고리 이동 LEE&JANG ECO ENG 불화수소(HF)란 무엇일까? 2019. 8. 15. 5:22 본문 폰트 크기 조정 본문 폰트 크기 작게 보기 본문 폰트 크기 크게 보기 가 불화(플루오린화) 수소(hydrogen fluoride) 불화 수소는 분자식이 HF인 화합물을 일컫는데, 올바른 화학술어로는 플루오린화 수소라고 해야 한다. 플루오린화 수소의 끓는점이 1기압에서 19.5 °C이므로, 1기압 상온(25 °C)에서는 기체 상태로 존재하고, 높은 압력을 가하거나 충분히 낮은 온도에서는 쉽게 액화시킬 수 있다. 플루오린화 수소는 물에 아주 잘 녹으며, 물에 녹아 있는 수용액을 플루오린화 수소산(또는 불산)이라 한다. 1.15 g/L (25 ℃, 기체) 0.99 g/mL (19.5 ℃, 액체) 1.663 g/L (-125 ℃, 고체) 플루오린화 수소는 주로 의약품이나 고분자(예, 테플론(Teflon))를 포함한 다양한 화합물 제조의 원료로 쓰이며, 특히 초고순도 플루오린화 수소 가스는 반도체 제조 과정에서 건식 에칭 공정(dry etching process)에 쓰인다. 또한, 플루오린화 수소는 석유화학 산업에서 초강산(superacid)의 구성 성분 중 하나로 널리 이용되기도 한다. 플루오린화 수소는 독성이 매우 강한 기체로 습기와 접촉하면 부식성과 침투성이 높은 플루오린화 수소산을 형성하기 때문에, 맨눈에 노출되었을 경우 각막을 급속히 파괴해 실명을 유발할 수 있다. 플루오린화 수소(hydrogen fluoride) 또는 불화수소(弗化水素) 혹은 에칭가스(etching gas) 는 플루오린과 수소의 화합물로, 화학식은 HF이다. 수소 결합을 한다. 물에 녹으면 플로오린화 수소산이 된다. 테플론과 같은 수많은 중합체와 의약품의 전구물질로서 이용된다. 석유화학에서도 매우 널리 쓰이는 물질중 하나이다. 끓는점이 다른 할로젠화 수소보다 높은 편이며, 상온에 가까운 온도에서 끓는다. 또한 다른 할로젠화 수소와는 다르게 공기보다 가볍다. 수분과 만나면 부식성과 관통성이 강한 플루오린화 수소산을 형성해 매우 위험하다. 또한 각막의 빠른 손상을 야기해 실명을 일으킬 수도 있다. 프랑스의 화학자 에드먼드 프레미(Edmond Frémy)는 플루오린을 분리하던 도중 무수 플루오린화 수소를 발견했다고 알려졌다. (수용액인 플루오린화 수소산의 경우 1771년 화학자 칼 빌헬름 셸레가 처음 발견하였다.) 원자간의 결합거리는 91.7pm이다. 플루오린화 수소 결정의 HF 사슬구조 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. 플루오린화 수소는 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 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 s낮아 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. 반도체 제조 과정의 필수 요소 고순도 플루오린화수소는 반도체 제조 과정에서 반드시 필요한 재료이다. 반도체에는 웨이퍼(Wafer)라는 원판이 있는데 바로 여기서 다양한 기능을 처리하고 저장하는 반도체 잡적회로가 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 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 플리오린화 수소는 반도체 제조 공장에 꼭 필요한 재료이다. (출처: shutterstock) 플루오린화수소 국산화는 여러 문제가 얽혀 있어 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 1,000억 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. 삼성, 반도체 공정…일본산 불화수소(HF) 대체품 국산 불화수소 투입 삼성전자나 SK하이닉스의 일본산 불화수소 대체작업이 예상보다 빠르게 진행되면서 2019년 연말을 전후해 완전히 대체작업을 완료할 수 있을 것으로 보인다. 2019년 9월3일 반도체 업계에 따르면 삼성전자는 국내 솔브레인과 이엔에프테크놀로지가 제조한 불화수소를 납품받아 지난달 중순부터 일부 공정에 투입하기 시작했다. 두 회사는 중국산 무수불산을 수입해 일본에서 수입하던 ‘파이브 나인’(99.999%) 순도의 불화수소(HF) 액상 제품을 만드는 데 성공했다. 국산 불화수소를 반도체 생산의 모든 공정 라인에 투입하는 단계는 아니다. 다만 삼성전자 관계자는 “국내 업체가 생산한 불화수소 시제품을 민감도가 낮은 공정부터 순차적으로 투입하고 있으며 민감도가 높은 공정으로 넓혀갈 방침”이라고 설명했다. 반도체의 공정은 500개 가량으로 구성돼 있고, 이중 불화수소가 필요한 공정은 50개 안팎이다. 이에 삼성전자는 이중 1~2개 공정부터 일본산을 대체해 국산 제품을 쓰고 있다고 말했다. SK하이닉스 역시 국내 업체가 생산한 불화수소를 조만간 시운전 작업에 투입할 계획이다. 올 들어 두 차례 감산에 들어간 SK하이닉스는 상대적으로 일본 발 소재 부족 사태는 여유가 있는 편이다. SK하이닉스는 중국 우시에 있는 반도체 생산 라인에는 중국산 불화수소로 일본산의 대체작업을 완전히 마무리한 것으로 알려졌다. 한편 삼성전자와 ·SK하이닉스 내부의 소재개발 담당 엔지니어들은 국산 불화수소 시제품에 대한 성분 분석을 진행중이다. 국내 업체가 만든 불화수소를 반도체 라인에 맞춰 소재 성분 등을 조정하는 작업이다. 소재업체와 삼성전자·SK하이닉스가 일종의 ‘공동 개발’을 하는 과정으로, 기존에 썼던 일본 스텔라·모리타 제품과 비교했을 때 성분 구조에서 크게 차이가 없어야 반도체 공정에 전면 투입해도 제품 결함이 발생하지 않기 때문이다. 토종 불화수소 3인방 실적 '껑충'…日 수출규제 위기를 기회로 만들었다 * 솔브레인, 작년 매출 첫 1조원 달성 * 램테크놀러지·이엔에프테크놀로지도 영업익 증가 * 정부·대기업·中企 '삼박자' 협력 성과 * "코로나19 확산…핵심소재 국산화 더 속도내야" 지난해 일본의 불화수소 수출 규제에 맞서 국산화에 적극 나선 토종 기업들이 모두 호실적을 기록했다. 이들 기업은 발 빠른 소재 국산화로 일본 정부의 칼끝을 무디게 만들고 경영 성과도 함께 거뒀다. 특히 대기업과 중소기업, 정부가 힘을 합쳐 위기를 기회로 전환시킨 사례여서 주목된다. 업계에서는 코로나19 확산 여파로 반도체 소재·부품·장비(소부장) 공급망이 여전히 위협받고 있어 국산화 노력을 꾸준히 이어 가야 한다는 주장이 나오고 있다. 국내 불화수소 제조 기업 연간 영업이익 추이. <자료: 금융감독원 전자공시시스템> 25일 업계에 따르면 국내 액체 불화수소 제조기업 솔브레인은 지난해 연결기준 매출 1조213억원, 영업이익 1,742억원을 각각 기록했다. 이 업체는 지난해 사상 처음으로 매출 1조원을 달성했다. SK하이닉스와 협력해 지난해 10월부터 불화수소 공급을 시작한 램테크놀러지도 큰 이익을 봤다. 램테크놀러지는 지난해 매출 430억원, 영업이익 45억원을 각각 기록했다. 영업이익은 전년보다 111.1%나 증가한 것이다. 또 다른 불화수소 업체 이엔에프테크놀로지는 매출 4810억원, 영업이익 596억원을 각각 기록했다. 영업이익은 전년보다 67.4%나 증가했다. 이들 업체는 지난 7월 일본 정부의 수출 규제 이후 발 빠른 국산화로 주목받았다. 수출 규제 3개 품목의 하나인 불화수소는 반도체 공정 가운데 웨이퍼에 묻는 찌꺼기를 떼어 내기 위한 화학 물질이다. 삼성전자와 SK하이닉스 등 반도체 제조사에 필수인 화학품이지만 스텔라케미파, 모리타화학 등 일본 기업이 주도하는 품목이어서 빠른 시간 내 대체가 어려울 것이라는 평가가 많았다. 그러나 국내 기업들의 대처는 빨랐다. 솔브레인은 충남 공주에 새로운 불화수소 제조 공장을 증축하고 삼성전자와 SK하이닉스에 부족분을 공급했다. 최근 코로나19 여파에도 큰 차질 없이 양사에 제품을 납품하고 있는 것으로 파악된다. 램테크놀러지도 SK하이닉스와 긴밀한 협력으로 지난해 10월부터 제품 테스트와 동시에 재고 납품을 진행했다. 이 회사 제품은 고객사에 좋은 평가 결과를 받고 올해 1분기 말부터 본격적으로 공급량을 늘린 것으로 알려졌다. 램테크놀러지는 최근 300억원을 투자, 설비 증설에 나섰다. 주력인 액체 불화수소뿐만 아니라 일본 쇼와덴코가 독점하고 있는 기체 불화수소 생산 투자도 검토된 것으로 전해진다. 전문가들은 이번 불화수소 대체 사례를 '국산화 모범 사례'로 평가했다. 대기업의 소재 다변화 방침, 중소·중견기업의 기술 확보, 정부의 정책 지원 및 공장 조기 인허가 등 '삼박자'가 맞아떨어져서 초유의 위기를 극복했다는 것이다. 성윤모 산업통상자원부 장관이 솔브레인 공주 신공장을 둘러보고 있다. <사진=산업통상자원부> 업계에서는 소부장 생태계에 의미 있는 선례를 만든 만큼 앞으로도 핵심 소재 국산화에 더욱 속도를 내야 한다는 진단이 나오고 있다. 특히 코로나19 여파로 글로벌 공급망이 멈추다시피 한 지금 토종 기술을 확보해서 핵심 소재를 내재화하자는 것이다. 박재근 한양대 교수는 “최근 코로나19 사태로 인한 글로벌 공급망 마비는 국제통화기금(IMF) 위기 때와 비슷한 수준”이라면서 “IMF 위기 때도 핵심 소재를 다변화했듯 이번 사태도 기회로 생각하면서 반도체 후방산업 국산화에 속도를 올려야 할 것”이라고 강조했다.