좀비 화학물질, PFAS에 대해 아시나요?

좀비 화학물질, PFAS에 대해 아시나요?

대학생신재생에너지기자단 21기 곽서영

 

[‘반도체 공정용 냉각수 점유율 1위 기업’ 3M의 PFAS 생산 중단]

[자료 1. 기업 3M의 모습]

출처: THEELEC

반도체 공정용 냉각수인 쿨런트 시장에서 점유율 1위를 차지하는 글로벌 화학기업 3M은 이미 지난해 12월 “2025년 말까지 PFAS(퍼플루오로알킬 및 폴리플루오로알킬) 제조를 종료할 것”이라며 제조 중단을 예고했다. 3M은 작년 3~4월에도 벨기에 정부가 PFAS 배출 관련 환경기준을 강화하자 생산을 멈췄다가 재개했는데, 이번에 제품 포트폴리오에서 PFAS를 완전히 제거할 것이라고 발표하며 공식적으로 PFAS의 생산 종료를 선언했다. PFAS는 반도체 냉각수의 주요 성분으로, 3M의 이번 결정은 글로벌 반도체 냉각수 시장에 큰 충격을 줬다. 세계 반도체 공정용 냉각수 시장에서 3M이 차지하고 있는 점유율은 80%나 되기 때문이다.

미국 정부에서도 ‘영원한 화학물질’로 불리는 과불화화합물(PFAS) 규제 강화에 나섰다. 환경오염과 인체에 유해하다는 논란이 일자 규제 움직임도 본격화하고 있는 것이다. 지난 2월 유럽연합(EU) 집행위원회가 PFAS 사용을 금지하는 내용이 담긴 PFAS 규제 법안 초안을 만든 후 미국 주정부들도 규제에 동참하는 추세다. 캘리포니아주와 메인주는 각각 2022년, 2021년에 규제안을 통과시켰으며 미네소타의 경우 2025년부터 가장 강력한 규제를 도입할 것으로 알려졌다.

 

[PFAS란?]

[자료 2. 대표적인 과불화화합물인 PFOA와 PFOS의 구조]

출처: 식품의약품안전처

과불화화합물(PFAS, per- and polyfluoroalkyl substance)는 탄화수소의 기본 골격 중 수소가 불소로 치환된 형태의 물질로, 즉 불소를 포함하고 있는 수천 가지 화합물을 말한다. 탄소가 6개 이상인 과불화술폰산류와 탄소가 7개 이상인 과불화지방산류 및 그 염류 등 여러 가지 화합물이 있으며, 대표적으로 PFOA와 PFOS가 있다. PFAS는 계면활성제의 특성을 가지고 있을 뿐만 아니라, 열에 강하고 물이나 기름 등이 쉽게 스며들거나 오염되는 것을 방지하는 특성이 있어, 산업계 전반에 걸쳐 많은 분야에서 사용되고 있다.

 

[PFAS의 문제점]

PFAS는 자연에서 분해되는 데 오랜 시간이 걸려 ‘영원한 화학물질(forever chemicals)’ ‘불멸의 물질’로 불린다. 즉, PFAS는 자연적으로 잘 분해되지 않는 특징(난분해성)을 갖는 잔류성유기화합물질의 일종으로 자연계나 체내에 축적될 가능성이 있다. 체내에서 안정성이 높은 과불화화합물의 일종인 PFOA와 PFOS의 경우, 인체에 대한 반감기는 3.8~5.4년 정도로 알려져 있다. 이때, 반감기는 생체 내에서 그 양이 반으로 줄어드는데 걸리는 시간을 의미한다.

[자료 3. 과불화화합물이 건강에 미치는 영향]

출처: 투데이신문

1. 신장 기능 손상

국제 암연구소(IARC) 연구에 따르면, PFAS 노출이 증가될수록 신장암 발병 위험이 높아졌다. 또한, 서울성모병원 직업환경의학과 문진영 전공의가 미국 국민 건강영양조사자료(2003~2018년)를 활용해 PFAS와 신장 기능을 나타내는 대표적인 지표인 사구체여과율(eGFR)의 인과관계를 최초로 검증한 바 있다. 그 결과, 과불화화합물의 혈중농도가 증가할 때마다 사구체여과율이 낮아졌다.

2. 여성의 난임 위험 증가

PFAS는 여성의 난임 위험을 높이기도 한다. 미국 마운트시나이 아이칸 의대 연구팀이 PFAS가 생식능력에 미치는 영향을 알아보기 위해 가임기(18~45세) 여성 1032명을 대상으로 연구를 진행한 결과를 ‘종합환경과학’(Science of the Total Environment) 학술지에 발표했다. 연구팀은 PFAS에 더 자주 노출될수록 임신 및 출산 가능성이 감소한다는 것을 밝혔다. PFAS 수치가 평균보다 25% 높은 여성은 1년 이내에 임신할 가능성이 40% 더 낮은 것으로 나타났다. 또한 임신기간에 무사히 출산할 확률도 34% 더 낮았다.

 

[반도체 공정 속 PFAS 사용]

3M의 PFAS 냉매가 쓰이는 공정은 반도체 8대 공정 중 식각(Etching) 공정이다. 식각 공정은 반도체 회로 패턴을 만드는 공정으로, 식각 공정 시 장비에서 발생하는 열을 식히는 데 반도체 냉각수가 사용된다. 반도체 공정은 미세한 온도 조절이 필요하기 때문에 전체 공정의 95%가량이 물 대신 반도체 냉각수를 사용한다. 이렇게 반도체 회로 패턴을 만드는 식각 공정 시 온도 조절에 사용되는 냉각수의 일종이 바로 쿨런트(Coolant)다. 쿨런트는 온도가 조금만 달라져도 반도체가 제대로 깎여나가지 않아 정교한 작업을 위해 반드시 필요하다. 쿨런트가 없으면 필수 공정인 식각 공정을 진행할 수 없다.

특히 플라스마 건식 공정에서 쿨런트를 사용하는데, 우선 건식 식각이란 액체 상태의 화학 용액 대신에 화학 반응성이 높은 가스를 사용하는 방식이다. 그중 박막 물질과의 화학 반응 속도를 높이기 위해 플라스마 상태를 만들어서 진행하는 플라스마 식각(Plasma Etch) 공정이 보편적이다. 이렇게 플라스마를 사용하다 보니 열이 급격하게 상승하게 되고, 이로 인해 변형이 올 수 있게 된다. 따라서 온도를 낮춰주기 위해 냉매를 사용하는 것인데, 실제로 웨이퍼가 올라간 정전척 밑으로 쿨런트를 흘려주고 있다.

[자료 4. 공정 챔버 속 칠러의 모습]

출처: 반도체 제조공정개발 part2 강의자료

박재근 한양대 융합전자공학부 교수(한국반도체 디스플레이기술 학회장)는 "쿨런트가 없어 칠러(냉각기)가 안 돌아가면 식각 공정이 불가능하다"라며 "뛰어넘을 수 없는 공정인 식각이 없으면 아예 반도체 생산이 안되는 셈"이라고 말했다. 여기서 칠러(Chiller)란 열을 식히는 장비를 의미하며, 이 장비에 쿨런트를 투입함으로써 온도 조절을 하는 것이다. 반도체 공정 중 특히 반도체 회로를 새기고 깎고 얹는 포토, 식각, 증착 공정이 챔버 내에서 이루어지다 보니 엄청나게 뜨겁다. 따라서 이 온도를 제어하지 못하면 반도체 장비의 성능이 떨어지기 때문에, 온도를 낮추는 역할을 담당하고 있는 칠러 장비는 필수적이라고 할 수 있다. 칠러의 원리는 액체가 기체로 변하면서 주변의 열을 흡수해 시원하게 만드는 원리로, 뜨거운 여름 시멘트 바닥에 찬물을 뿌리면 그 주변까지 시원해지는 현상과 원리가 같다.

 

[현재 주목받고 있는 PFAS 대체재]

PFAS는 인체 및 환경에 악영향을 끼친다는 점에서 미국 3M은 2025년까지 PFAS의 생산 가동 중단을 발표했다. 따라서 반도체 업체에서는 쿨런트로 사용되는 PFAS의 대체재를 찾고 있다. 그중 현재 주목받고 있는 대체재로는 HFO(하이드로플루오르올레핀), CO2(이산화탄소) 등이다. 에프에스티, GST, 유니셈 등 국내 칠러 장비 업체들도 이들 물질을 유력한 대체 후보로 보고, 관련 기술 개발을 검토 중이다. 다만 HFO는 기존 쿨런트 대비 가격이 비싸고, CO2는 고온 환경에서 안정성이 낮아진다는 게 문제점으로 꼽히고 있다.

이 때문에 최근에는 실리콘계 오일 쿨런트가 대체재로 주목받고 있다. 실리콘계 쿨런트는 다른 대체재와 달리 비휘발성이기 때문에, 오염 가능성이 적고 사용 수명이 길다. 적용 가능한 저온·고온의 폭도 넓다. 현재 솔베이, 독일 후버 등이 실리콘계 쿨런트를 개발 및 공급하는 등 어느 정도 상용화도 진행되고 있다. 국내에서는 주요 반도체 기업들이 실리콘계 쿨런트를 연구실 및 일부 양산 라인에 적용하는 중이다. 이에 따라 3M의 쿨런트 생산 가동 중단 발표 이후 실리콘계 쿨런트 수요는 급증하는 추세다. 솔베이 등 일부 업체의 경우 연초부터 실리콘계 쿨런트 물량 전량을 판매 완료한 것으로 알려졌다.

물론 실리콘계 오일 쿨런트도 양산 확대를 위해서는 여러 도전과제들이 있다. 대형 장비 적용이 쉽지 않고, 온도 변화 속도가 느린 것이 대표적인 단점으로 꼽힌다. 업계 관계자는 "삼성전자, SK하이닉스 등이 실리콘계 쿨런트를 적극 사들이면서 올해 물량이 이미 동이 났다"라며 "실리콘계 쿨런트가 가진 단점을 극복하기 위한 테스트도 주요 반도체 업체를 중심으로 진행되고 있는 것으로 안다"라고 전했다.

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반도체 에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "21세기 만능열쇠 반도체, 환경문제는?", 22기 박재욱, 이지원, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/3888

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2. "반도체 산업과 ESG 지표, 앞으로의 과제는?", 20기 최예지, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/3583

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참고문헌

[‘반도체 공정용 냉각수 점유율 1위 기업’ 3M의 PFAS 생산 중단]

1) 김응열, “EU '좀비 화학물질' PFAS 금지 검토…반도체업계 "문제없다" 자신감”, 이데일리, 2023.02.09, https://www.edaily.co.kr/news/read?newsId=03676886635508880&mediaCodeNo=257&OutLnkChk=Y

2) 박정한, “"이젠 반도체 냉각수까지 애먹이네"…美 3M, 전격 생산 중단”, 글로벌이코노믹, 2023.04.24, https://news.g-enews.com/ko-kr/news/article/news_all/202304241130225129e8b8a793f7_1/article.html?md=20230424140123_U

3) 장현민, “[영상] 3M 식각공정 냉매, 2025년 생산 중단...반도체 업계에 미칠 파장은”, 디일렉, 2023.01.30, https://www.thelec.kr/news/articleView.html?idxno=19607

4) 황민규, “美, ‘영원한 화학물질’ PFAS 규제에 반도체 기업들 반발… 삼성전자에도 잠재적 리스크”, 조선비즈, 2023.03.27, https://biz.chosun.com/it-science/ict/2023/03/27/MV4L5SCKQBCABKGYOR5UKMF4GU/?utm_source=naver&utm_medium=original&utm_campaign=biz

 

[PFAS란?]

1) 식품의약품안전처, “과불화화합물에 대한 Q&A”, 2017.03.23, https://www.mfds.go.kr/brd/m_228/view.do?seq=26586

 

[PFAS의 문제점]

1) 김나윤, “임신하려면 '프라이팬' 멀리하라?...'PFAS' 女임신확률 40% 낮춘다”, 뉴스트리, 2023.04.07, https://www.newstree.kr/newsView/ntr202304070005

2) 식품의약품안전처, “과불화화합물에 대한 Q&A”, 2017.03.23, https://www.mfds.go.kr/brd/m_228/view.do?seq=26586

3) 이해나, 정소원, “오늘도 일회용 컵에 커피 테이크아웃? '이 병' 발생 주의해야”, 헬스조선, 2023.04.20, https://health.chosun.com/site/data/html_dir/2023/04/19/2023041902152.html

4) 황민규, “美, ‘영원한 화학물질’ PFAS 규제에 반도체 기업들 반발… 삼성전자에도 잠재적 리스크”, 조선비즈, 2023.03.27, https://biz.chosun.com/it-science/ict/2023/03/27/MV4L5SCKQBCABKGYOR5UKMF4GU/?utm_source=naver&utm_medium=original&utm_campaign=biz

 

[반도체 공정 속 PFAS 사용]

1) 박정한, “"이젠 반도체 냉각수까지 애먹이네"…美 3M, 전격 생산 중단”, 글로벌이코노믹, 2023.04.24, https://news.g-enews.com/ko-kr/news/article/news_all/202304241130225129e8b8a793f7_1/article.html?md=20230424140123_U

2) 장경윤, “쿨런트 대체재 찾아나선 반도체 업계..."일부 제품 벌써 동났다"”, 디일렉, 2023.04.19, https://www.thelec.kr/news/articleView.html?idxno=20736

3) 장현민, “[영상] 3M 식각공정 냉매, 2025년 생산 중단...반도체 업계에 미칠 파장은”, 디일렉, 2023.01.30, https://www.thelec.kr/news/articleView.html?idxno=19607

4) 한지연, “[단독]세계 최대 '냉각수' 공장 중단···삼성·하이닉스 반도체 생산 멈추나”, 머니투데이, 2022.03.31, https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2022033110420148142

5) TakeLsnb, “GST, 혹시 스크러버와 칠러를 찾고있었나요? (기업분석, 쉽게설명!)”, 네이버 블로그, 2023.03.28, https://blog.naver.com/take-lsnb/223041657056

 

[현재 주목받고 있는 PFAS 대체재]

1) 장경윤, “쿨런트 대체재 찾아나선 반도체 업계..."일부 제품 벌써 동났다"”, 디일렉, 2023.04.19, https://www.thelec.kr/news/articleView.html?idxno=20736