반도체 폐수 재이용 기술의 현주소와 미래

반도체 폐수 재이용 기술의 현주소와 미래

대학생신재생에너지기자단 27기 조희선

반도체 폐수 재이용의 필요성

[자료 1. 물]

출처 : Unsplash 

첨단 기술의 정점으로 불리는 반도체 산업은 초순수(Ultra-Pure Water, UPW)를 막대하게 소비하는 대표적인 물 다소비 산업이다. 반도체 웨이퍼의 세정 과정 등에서 필수적인 초순수의 확보는 K-반도체 산업의 지속적인 성장을 위한 핵심 전제 조건이라 할 수 있다.

하지만 최근 몇 년간 전 세계적으로 기후 변화가 가속화되며 물 부족 현상이 심화되고 있다. 국내 역시 가뭄의 빈도가 증가하고 지역별 용수 공급 불균형이 심화되면서, 반도체 제조 시설이 위치한 산업단지 역시 물 리스크에 직접적으로 노출되고 있다. 따라서 더 이상 K-반도체 산업의 안정적인 미래를 담보하기 어려운 상황에 이르렀다. 이러한 물 리스크는 생산 차질과 비용 증가를 유발하며 K-반도체 산업의 지속가능성을 저해하는 핵심 요인으로 작용한다. 따라서 사용된 물을 단순히 처리 후 방류하는 방식을 넘어 반도체 폐수를 재처리하여 공정에 재투입하는 폐수 재이용 기술의 확보는 생존을 위한 필수 전략이 됐다. 

본 기사는 이러한 시대적 배경 아래에서 반도체 폐수 재이용이 지니는 기술적 어려움 및 현황에 대해 다룬다.

UPW 복원에서의 어려움

먼저 초순수란 활용 목적에 따라 정제 사양에 차이가 있지만, 통상적으로 가장 엄격한 수준의 수질을 요구하는 반도체 제조용 공업용수를 지칭한다. 나노 단위의 초미세 공정을 진행하는 반도체 제조에서 미세 오염원은 불량의 직접적인 원인이 되기에, 수중 이온을 완전히 제거하여 전류가 흐르지 않는 초순수로 웨이퍼 표면을 세정하는 것이 필수적이다. 특히 반도체 선폭이 미세화됨에 따라 관리해야 할 오염물질의 크기 또한 작아지고 있는데, 2025년에는 7nm 크기의 입자를 1mL당 1개 이하로 제어해야 할 만큼 극한의 기술 수준이 요구된다. 최근에는 입자 자체뿐만 아니라 배관 등에서 용출돼 나중에 입자를 형성하는 입자 전구체(Particle Precursor)까지 실시간으로 계측하고 제거해야 하는 과제가 추가되면서 복원 기술의 난이도가 더욱 높아지고 있다.

반도체 제조 공정에 재사용하기 위해 일반 폐수를 초순수 수준으로 복원하는 것은 수처리 분야의 정점에 있는 종합 엔지니어링 기술이다. 반도체 폐수는 총유기탄소(TOC), 수산화테트라메틸암모늄(TMAH), 요소(Urea) 등 복잡한 오염물질을 포함하고 있어 이를 효과적으로 제거하기 위한 맞춤형 수처리 공정이 뒷받침돼야 한다. 또한 초순수 생산에는 단순히 오염물을 거르는 것을 넘어, 역삼투(RO), UV 산화, 한외여과(UF) 등 20~30여 개의 단위 공정을 유기적으로 설계하고 운영하는 고도의 노하우가 필요하다. 또한 펌프나 배관 등 유체가 닿는 모든 기자재에서 미세 물질이 용출되지 않아야 하므로 소재 기술의 완성도 또한 중요하다.

UPW 복원 기술의 현황

반도체 제조공정 내 발생 폐수를 처리하여 재사용하는 공정에서는 폐수 재처리와 물의 운반 측면에서 최적화가 필요하다. 반도체 제조시설은 수많은 단위공정의 조합으로 구성되어 발생 폐수의 종류와 양도 다양하기에 폐수 스트림을 세분화하여 관리하고 폐수별 특성에 따른 재처리 공정 운영 및 기존 인프라에 통합하는 방향으로 발전 중이다. 예를 들어 CMP 폐수는 배지여과, 활성탄 및 IX를 거친다면, 고농도의 불산을 포함하는 폐수는 침전, 응고 및 불소 연마를 사용하는 식이다. 웨이퍼 세정 단계에서 발생하는 폐수는 오염도는 낮더라도 초미세 입자성 오염원을 함유하고 있으며 재처리하더라도 완벽히 제거하기 어려워 웨이퍼 세정보다는 스크러버, 냉각탑 등의 공정에서 재활용하는 방향으로 적용이 검토되고 있다. 반도체 폐수 재이용 공정의 사례 중 하나로, 대만의 반도체 기업 중 하나인 TSMC는 공정 내 폐수 스트림을 38개 유형으로 관리, 유출수 스트림을 수질 요건이 낮은 다른 공정의 유입수로 활용하며 전체 물 수요의 65%를 재이용수로 충당하고 있다. 

반도체 폐수 재이용의 또 다른 핵심 요소는 폐수 내 유용자원의 회수 및 활용이다. 폐수를 재이용하게 될 경우 재처리 공정이 추가돼 전체 수처리 비용이 증가하게 되므로 이를 상쇄시킬 수 있는 유용자원의 회수 또한 중요하다. 한 예시로 TSMC에서는 폐수에서 황산나트륨을 회수해 pH조정 물질인 수산화나트륨(NaOH)과 황산(H2SO4)을 제조하여 반도체 제조공정에서 재활용하고 있다.

물 리스크 극복을 통한 K-반도체의 미래

앞으로 물 부족 문제는 점차 심화할 것으로 전망된다. 환경부의 제2차 물 재이용 기본계획에 따르면 2035년 국내 공업용수 부족분은 하루 약 133만톤에 달할 것으로 보인다. 이는 물 리스크가 더 이상 먼 미래의 일이 아님을 시사한다. 결국 글로벌 반도체 패권 경쟁에서 승리하기 위해서는 초순수 복원 기술의 기술 자립이 필수적이다. TSMC와 같은 글로벌 선도 기업들이 이미 재이용 기술을 통해 공급망 안정성을 확보하고 있는 만큼, 우리나라도 초순수 설계 및 운영 노하우를 빠르게 국산화해야 한다. AI 시대로 빠르게 접어들고 있는 지금, 반도체 폐수 재이용 기술의 확보는 K-반도체의 지속가능한 성장을 뒷받침할 강력한 무기가 될 것이다.

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1. "우주가 그린 '그린(Green)' 세상", 28기 박시우, https://iksung.tistory.com/183

2. "재생에너지 안정화를 위한 ESS 설계의 핵심", 28기 김나현, https://iksung.tistory.com/187

참고문헌 

[UPW 복원에서의 어려움] 

1) 김문기, "반도체 생산공정 중 발생되는 TMAH 폐수처리", KOSEN 분석리포트, 2022.01.07 , https://doi.org/10.22800/kisti.kosenexpert.2022.877 

2) 한국건설기술연구원, "공업용수 확보를 위한 반도체 폐수처리 재이용 기술개발", 2022.10, https://scienceon.kisti.re.kr/commons/util/originalView.do?cn=TRKO202300003719&dbt=TRKO&rn=

3) 황민희, (주)에이알케이, "반도체폐수, 전기전자 폐수 처리", 2025.08.10, https://ar-korea.com/blog/%ED%8F%90%EC%88%98%EB%8D%B0%EC%9D%B4%ED%84%B0%EB%B2%A0%EC%9D%B4%EC%8A%A4/%EB%B0%98%EB%8F%84%EC%B2%B4%ED%8F%90%EC%88%98/

[UPW 복원 기술의 현황] 

2) 이현경, 한국과학기술기획평가원, 초순수(Ultrapure Water), 2024.06.21, https://www.kistep.re.kr/board.es?mid=a10306010000&bid=0031&act=view&list_no=93587

[물 리스크 극복을 통한 K-반도체의 미래]

1) 전승민, SKecoplant 뉴스룸, "[세계 물의 날 특집］AI 시대 반도체는 ‘물’을 먹고 자란다", 2025.03.21, https://news.skecoplant.com/plant-tomorrow/17906/