브라보必환경  2022.03.31

#14. 물과학 3편-초순수

인간의 기술로 만들어 낸
가장 깨끗한 물,
초순수

수소와 산소 이외에는
아무것도 존재하지 않는 물, 초순수
완전무결한 물이 불러일으킨 세상의 변화를 만나다.

당신이 오늘 아침에 일어나 마신 물 한 잔. 그 물은 과연 완벽하게 깨끗한 물이었을까? 당연하다 생각되겠지만, 엄밀히 말하자면 그렇지 않다. 우리가 손을 씻고 음식을 해 먹는 수돗물, 그리고 직접 마시는 생수에도 눈엔 보이지 않는 물질들이 존재한다. 미네랄, 칼슘, 나트륨 등의 성분을 비롯해 불소나 비소 같은 유해 물질까지 소량 함유되어 있기도 하다. 한편, 이 물과는 비교할 수도 없을 만큼 무결(無缺)한 물 역시 존재한다. 인간의 기술로 만들어 낸 세상에서 가장 깨끗한 물, 초순수에 대해 알아보도록 하자.

초순수(Ultrapure water)란?

초순수는 한 마디로 물 분자를 이루고 있는 수소와 산소 이외에는 아무것도 포함하지 않은 물이다. 우리가 흔히 접하는 물속 무기질, 미립자, 박테리아, 미생물 등 모든 물질을 제거하는 고도의 정제 과정을 통해 만들어지며, *이온 성분까지 제거했다는 의미로 DIW(De-ionized Water)라고 표현하기도 한다.

*이온

전기(電氣)적으로 중성인 원자 또는 원자단이 전자를 잃어서 양전하(+)를 띠거나 전자를 얻어서 음전하(-)를 띤 입자

초순수는 칼슘, 마그네슘 등 사람에게 필요한 성분까지 제거되어 있어 사실 우리가 마실 음용수로는 적합하지 않다. 하지만 반도체 제조와 같은 일부 특수한 산업현장에서 초순수는 절대 없어서는 안 될 귀한 몸이 된다. 이는 초순수가 높은 전기저항도를 가진, 즉 ‘전기가 거의 흐르지 않는 물’이기 때문이다.

젖은 손으로 콘센트를 만지면 안 된다는 말은 익히 들어봤을 것이다. 일반적인 물은 전기가 잘 전달되는 성질을 가지고 있기 때문에 주의가 필요한 것이 사실이다. 하지만 초순수에서 만큼은 이 말이 예외로 작용한다. 일반적인 수돗물의 전기저항값이 1~5MΩ∙㎝에 불과한 데 비해, 이온을 제거한 초순수의 전기저항값은 18 MΩ∙㎝ 이상으로 높기 때문이다.

반도체 산업에서 초순수가 꼭 필요한 것이 바로 이 때문이다. 나노미터 단위의 초미세공정을 거치는 반도체는 제조공정에서 아주 미세한 먼지에도 민감하게 반응할 수 있어 반드시 생산과정에서 발생하는 부산물이나 오염물을 씻어내야만 한다. 또한 이때 사용되는 세정수에서 불순물이 있거나 전류가 흐르게 되면 이상패턴과 결함의 원인이 되는데, 이 모든 위험요소를 없앤 물이 바로 초순수인 것이다.

수돗물&초순수의 전기 저항값 측정 실험 (출처 : MBClife 유튜브 채널)

세상에서 가장 깨끗한 물, 어떻게 만들까?

그렇다면 초순수는 과연 어떤 과정을 통해서 만들어지는 것일까? 앞서 언급했듯이 초순수는 매우 복잡한 공정을 거쳐 탄생하는데, 규모에 따라 그 공정이 20~30개에 달한다. 초순수 제조 공정을 크게 보자면, 원수(Raw Water)로부터 *순수 수준까지의 수질을 제조하는 ‘전처리 공정’ 및 ‘순수처리 공정’, 그리고 최종 단계인 ‘초순수 처리 공정’으로 구분할 수 있다.

초순수의 제조공정은 ‘제거’로 시작해 ‘제거’로 끝난다. 가장 먼저 원수의 부유물질과 염소, 고형물 등을 각종 필터(Multi Media Filter, Activated Carbon Filter)로 제거한다. 이후 전기탈이온장치(EDI, Electrodeionization), **역삼투(RO, Reverse Osmosis) 공정으로 이온성 물질들을, 막탈기장치(MDG, Membrane Degasifier)로 물에 남아있는 용존산소와 이산화탄소를, 자외선(UV,Ultraviolet) 램프로 화학적인 변화와 유해성분을 제거하는 과정을 거친다. 다음으로 이온교환수지를 통해 ***경도성분을 제거하면 초순수의 전단계인 순수가 만들어진다. 그리고 이 순수로 또다시 앞서 거쳤던 과정들을 반복하면 드디어 극미한 물질들까지 모두 제거된 초순수가 완성된다.

*순수

0.1~10 MΩ∙㎝의 전기저항을 가진 순수한 물

**역삼투

묽은 용액과 진한 용액이 반투과성막을 사이에 두고 있을 때 농도가 묽은 쪽의 용매(주로 물)가 더 진한쪽으로 이동하는 현상을 삼투, 이때 발생하는 압력을 삼투압이라고 한다. 역삼투는 삼투압보다 더 높은 압력을 반대로 가해 진한 용액의 용매가 막을 빠져나가게 하는 것을 말한다.

***경도성분

수중에 포함된 불순물의 분류에서 용해 고형물에 해당하는 것으로, 물에 녹이면 Ca2+(칼슘 이온)이나 Mg2+(마그네슘 이온)을 전리하는 물질

초순수 생산 공정 예

초순수 기술은 다 일본 거? 초순수 국산화가 필요한 이유

우리나라는 세계 2위의 반도체 강국이다. 실제로 우리나라 전체 수출에서 반도체가 차지하는 비중은 무려 20%가 넘는다. 이처럼 반도체 수출량이 많은 만큼 사용하는 초순수의 양도 세계적인 수준이다. 그런데 여기서 한 가지 문제가 있다. 바로 초순수의 생산 기술을 해외 기업들이 독점하고 있다는 것이다.

반도체 제조에서 사용하는 용수 중 초순수가 차지하는 비율은 약 50%에 달한다. 그러나 우리나라 반도체 제조 단위 공정별 초순수 기술 장치는 대부분 일본, 미국, 유럽에 의존하고 있다. 특히 일본은 전체 초순수 기술 특허 부분에서 71%를 차지하며 막대한 영향력을 행사하고 있다. 일본의 3대 초순수 사업자인 Kurita, Japan Organo, Nomura에서만 각각 192건, 69건, 58건의 초순수 기술 특허를 출원한 상태다. 또한 초순수 장치 및 시스템 관련 특허 역시 일본이 56%의 가장 큰 비율을 점유하고 있다. 반면, 우리나라의 경우 소규모의 기술 수준만을 보유하고 있는 상태로, 그 격차가 매우 큰 편이다. 즉 우리나라의 반도체 산업이 일본에 의해 좌지우지될 수 있다는 것이다.

초순수 특허 출원 기업 현황 (출처: Kwon et al. 493, J. Korean Soc. Environ. Eng. Vol.42, No.10 October, 2020)

작년 중국의 수출 규제로 우리나라가 가히 대란이라 할 만큼의 요소수 부족 사태를 겪은 것처럼, 지금과 같은 초순수의 해외 의존도를 줄이지 못한다면 반도체 및 우리나라 산업 전반의 위기가 초래될 수 있다. 그렇다면 우리나라의 초순수 국산화는 정확히 어디까지 와 있는 것일까? SK에코플랜트 Water Cycle Tech팀에서 수처리 혁신 기술을 발굴하고 있는 남웅희 팀장에게 초순수 국산화의 현주소를 물었다.

Interview

초순수 국산화, 우리나라 산업 발전의 원동력이 됩니다!

SK에코플랜트 Water Cycle Tech 팀 남웅희 팀장

SK에코플랜트뉴스룸(이하 뉴스룸): 현재 우리나라 초순수 국산화는 어떻게 전개가 되고 있나요?

남웅희 팀장: 우리나라는 최근 K-Water를 주관으로 해서 환경부 고순도 공업용수 국산화 기술개발사업(’21.7~’25.12)을 수행 중입니다. 이번 사업은 초순수 등의 고순도 공업용수 설계-시공-운영 기술 국산화 및 사업화 기반 확보를 목표로 하고 있습니다. 더불어 2021년 10월에는 한국초순수학회가 설립되기도 했습니다. 해당 학회는 초순수 기술자립과 국제 경쟁력 확보 방안을 위해 관련 전문가 그룹이 연구개발의 구심점 역할을 하며 초순수 국산화를 위한 논의의 장이 되고 있죠.

 

이처럼 초순수의 국산화는 정부와 학계의 주도로 진행되고 있지만, 실행 단계에 있어서는 기업의 역할이 무엇보다 중요합니다. 이에 SK에코플랜트 역시 핵심 기술들을 검토하고 전문가를 확보를 모색하는 등 초순수 국산화에 기여하는 방안을 마련하고자 노력 중에 있습니다.

뉴스룸: 초순수의 친환경적인 생산과 처리 방법에 대한 방법과 연구 방향에 대해서도 말씀 부탁드립니다.

남웅희 팀장: 반도체 생산을 위한 초순수 제조 공정은 안정적인 고순도 수질 확보가 중요합니다. 이에 따라 초순수 공정 설계 및 운영은 CAPEX(Capital Expenditures, 자본지출) 및 OPEX(Operating Expenditure, 운영비용) 절감보다는 안정적인 초순수 확보에 중점을 두고 있습니다. 다만, 친환경적인 생산을 위해 기존 제조 공정 대비 약품 사용량을 최소화하고 에너지 사용량을 저감할 수 있는 핵심 요소기술들을 지속적으로 발굴하고 있으며, 방안을 지속해서 모색하고 있으며, 추가로 고장진단, 조기경보 및 운영 최적화를 위한 AI/DT를 접목한 기술 개발이 진행될 것으로 생각됩니다.

뉴스룸: 초순수 시장과 기술의 전망에 대해 어떻게 보고 계시는지요?

남웅희 팀장: 2018〜2024년 고순도 공업용수 국내외 시장 현황을 살펴보면 국내 초순수 시장은 지속되는 ‘코로나19’에도 연평균 성장률(CAGR, Compound Annual Growth Rate)이 5.3%로 세계 시장(3.0%)보다 더 빠른 성장세를 보이고 있습니다. 오는 2024년 세계 초순수 시장 규모는 23조1천억 원에 이를 것으로 전망되며, 이 중 국내 시장은 1조3천400억 원을 차지할 것으로 예상됩니다.

 

아울러 반도체 발전에 따라 더 엄격한 순도의 초순수를 요구하고 있어 반도체 분야 수요처의 요구 수질 만족을 위한 기술 고도화 연구가 필요하며, 고효율 소재 및 부품 개발 및 초순수 수질 분석 기술 등이 지속될 전망입니다.

반도체 강국 다지는 핵심 기술 ‘초순수’ 국산화 첫발 (출처 : YTN 뉴스 유튜브 채널)

초순수 국산화는 향후 우리나라 산업 발전에 있어 반드시 달성해야만 하는 목표다. 현재 SK에코플랜트는 우리나라를 대표하는 환경기업으로서 Water 사업 분야를 산업폐수 처리, 공업용수 재이용 및 무방류, 초순수 등으로 고도화하고 있다. 환경중심 경영을 바탕으로 아시아 No1. 환경기업으로 자리매김하고 있는 SK에코플랜트. 이들이 물에 대해 지니고 있는 순도 100%의 열정과 노력은 초순수 국산화의 목표를 현실화하는 데에도 원동력이 될 것이다. 전문적인 기술과 노하우를 바탕으로 환경 분야에서 독보적인 입지를 점하고 있는 SK에코플랜트가 앞으로 초순수 시장에서 어떠한 성과를 일구어 낼 수 있을지 기대해본다.

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