FST는 1987년에 설립된 반도체 펠리클 및 반도체공정 온도조절장치 전문 제조기업으로 주요사업부로 △펠리클사업부 △TCU(Thermal Control Unit)사업부 등을 두고 있다. 

펠리클사업부는 반도체 노광장비에서 마스크 표면을 대기 중 분자나 기타 오염물질로부터 보호하는 박막을 제조한다. TCU사업부는 반도체공정의 온도조절장치를 연구, 제조, 판매하며 국내 유일한 도쿄일렉트론 OEM 제조사로서 Micron, Intel, 삼성전자, SK하이닉스 등의 글로벌 고객사에 초저온 칠러를 납품해 우수한 성과를 내고 있다.

생산수율을 최대 관심사로 두던 반도체산업도 최근 글로벌 차원의 탄소중립과 친환경 규제가 강화되며 다른 산업들과 유사하게 친환경 및 고효율을 만족하는 설비에 대한 관심이 높아지고 있다. 초저온 냉열설비 역시 고효율과 친환경, 고신뢰성을 구현할 수 있는 설비도입에 앞장서고 있다. 이러한 상황에서 한국에너지기술평가원이 지원하는 ‘자연냉매 적용 -100℃급 고효율 초저온 냉열설비 기술 개발’ 과제에 대한 관심도 집중되고 있다. 이번 과제 R&D를 총괄하는 이영철 FST 부사장을 만나 개발참여 배경, 개발 계획 등을 들어봤다.

 

■ 이번 과제에 참여하게 된 배경은
기존 초저온 냉열설비는 높은 GWP를 가진 혼합냉매를 사용하고 있어 환경에 큰 영향을 미치며 온실가스 규제로 인한 문제가 발생하고 있다. 글로벌 환경규제 강화로 인해 GWP가 높은 냉매사용이 제한되고 있다.

특히 고객사에서도 교토의정서 및 파리기후변화협정 등 국제적 합의에 따라 반도체 FAB 구축 시 환경규제에 대응하는 장비 개발을 요구하고 있다. 이에 따라 자연냉매인 공기를 적용한 초저온 냉열설비 기술개발에 참여하게 됐다. 자연냉매인 공기는 GWP가 ‘0’으로 환경에 무해하며 냉매 누출 시 문제가 없다. 비가연성, 무독성으로 초저온 냉열시스템이 반도체 FAB 환경에 가장 적합할 것으로 판단된다. 

 

 

■ 초저온 냉동기 주요 사용처는
초저온 냉동기는 의료, 항공우주, 식품, 반도체산업 등에서 주로 사용 가능하다. 특히 이번 과제의 타겟인 반도체의 경우 회로 고밀도화가 진행됨에 따라 초저온 공정이 주요 기술로 대두되고 있다. 현재 기술 수준은 -60~-80℃ 사양을 요구하고 있지만 향후 -100℃ 미만 초저온 공정이 주요 공정으로 사용될 것으로 전망되고 있다.

 

■ 글로벌 초저온 냉동기시장 전망은
반도체산업의 급격한 성장이 진행 중이다. 특히 5G, 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT) 등 기술 발전에 따라 반도체시장 또한 성장하고 있다. 

 

현재 반도체 공정은 회로의 고밀도화가 진행됨에 따라 초저온 공정이 향후 반도체시장의 주요 공정이 될 것으로 예상된다. 2023년 기준 글로벌 초저온 반도체 냉동기시장 규모는 약 10억달러로 추정되며 2030년까지 약 20억달러까지 성장할 것으로 예상된다. 

 

■ 글로벌 초저온 냉동기 냉매 동향은
몬트리올의정서에 따라 CFCs, HCFCs 사용이 금지되거나 단계적으로 중단되고 있다. HFC 또한 GWP가 높아 키갈리개정의정서에 따라 단계적 감축이 목표다. 이에 따라 Low GWP 냉매인 CO₂(R744), 암모니아(R717), 프로판(R290) 등 천연냉매가 각광받고 있다. 

반도체산업의 경우 클린룸인 반도체 FAB의 특성상 독성물질인 암모니아나 폭발성물질인 프로판 등을 냉매로 사용하는 데 거부감이 있어 CO₂나 공기(Air) 냉매를 사용한 반도체용 칠러 개발을 꾸준히 요구하고 있다.

 

■ 국내 초저온 냉동기 냉매 사용 현황은
초저온 냉동기 냉매는 국제적 동향과 밀접하게 연관돼 있다. 현재 주로 사용되는 증기압축방식은 HFC 혼합냉매를 이용한다. -50℃ 이상 영역에서는 HFOs나 CO₂를 사용하는 냉동기 개발이 지속적으로 이뤄지고 있다. 

그러나 HFOs 냉매는 높은 단가와 낮은 증발잠열 문제로 인해 주로 사용되지 않는다. CO₂ 냉매는 특성상 -50℃ 미만 온도대역에 대응하지 못하기 때문에 여전히 High GWP냉매인 HFC계열 냉매를 혼합해 사용하는 경우가 대부분이다. 

 

■ FST 담당역할 및 개발 방향은
FST는 이번 과제에서 총괄주관기업으로 참여해 반도체장비 패키지기술 개발, 고효율 인쇄회로 열교환기 개발, 2차 냉각시스템 개발 및 실증시험을 담당하고 있다. 각 참여 기관들의 연구결과물을 종합해 실제 반도체장비에 사용가능한 제품을 개발하고자 한다. 

 

 

■ 연도별 과제 진행 계획은

최종 목표는 반도체 FAB에 실증가능한 -100℃ 냉동용량 5kW 이상 Air 냉매 사용 칠러를 개발하는 것이다. 1차연도에는 기초 시스템설계와 열교환기 기본 해석 및 패키징기술 개발을 진행한다. 이를 위해 1차년도에는 기초 시스템설계와 열교환기 기본 해석 및 패키징기술 개발을 진행한다. 

2차연도에는 공기냉매 열교환기 설계 및 제작 상사시험과 공기냉매 칠러 시제작 및 시운전을, 3차연도에는 시운전 데이터를 바탕으로 패키지화된 장비를 시제작하게 된다.

 

4차연도에는 -100℃급 반도체장비를 설계, 제작해 실증시험을 위한 제반 준비 및 초기 실증시험을 진행하며 5차연도에 최종적으로 실증시험을 완료하는 계획으로 진행할 예정이다. 

 

■ 실증 진행 계획은
실증시험은 수요기업인 SEMES의 실제 반도체 FAB 내부에서 진행할 예정이다. SEMES는 국내 유일 반도체 생산장비 제조사로 실제 반도체 생산 FAB에서 4차연도 후반부터 5차연도까지 실증을 진행할 예정이다. 실제 반도체장비에 장착해 수요기업 레시피대로 반도체 에칭 공정을 수행해 실증테스트를 진행한다. 

 

■ 이번 과제를 통한 기대효과는
이번 과제를 통해 개발된 공기냉매 사용 칠러는 반도체 FAB의 환경규제 대응에 기여할 수 있다. GWP 0인 친환경냉매를 사용함으로써 온실가스 배출을 줄이며 안전하고 무독성인 시스템을 제공해 반도체 제조공정의 효율성과 안전성을 동시에 향상시킬 수 있다.

 

또한 글로벌 환경규제 강화에 대응할 수 있는 기술력을 확보해 국내·외시장에서의 경쟁력을 높이는 데에도 기여할 수 있다. 

 

■ 마지막으로 하고 싶은 말이 있다면
이번 과제를 통해 환경친화적이며 효율적인 반도체공정기술을 개발할 수 있는 기회를 얻게 돼  기쁘다. FST는 지속적으로 혁신적인 기술개발에 매진해 반도체산업 발전과 환경 보호에도 기여할 것이다.