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혁신의 중심 반도체, 그 이면의 자원 부담

매일 사용하는 스마트폰, 고도화된 인공지능 서비스, 그리고 스스로 경로를 찾는 자율주행차까지. 불과 몇 년 전만 해도 상상조차 어려웠던 기술들이 이제는 우리 일상에 깊숙이 스며들었다. 이 모든 기술의 중심에는 바로 ‘반도체’가 있다. 데이터를 빠르게 처리하고 다양한 기술의 요구를 실시간으로 충족시키는 반도체는 현대 문명을 움직이는 ‘정보의 혈관’으로써, 산업 전반은 물론 일상생활에도 없어서는 안 될 핵심 요소로 자리매김하고 있다.

그러나 이처럼 작고 정교한 반도체 칩을 생산하기 위해서는 상상 이상으로 막대한 자원이 필요하다. 8인치 웨이퍼 한 장을 만들어 내기 위해서는 약 3톤의 물이 사용되는데, 전 세계적으로 매월 3천만 장(8인치 기준)이 생산된다. 이는 인구 100만 명이 한 달 동안 사용하는 물과 맞먹는 양이다.

웨이퍼의 대형화와 칩 성능 향상에 따라 물과 전력 소비는 지속적으로 증가하고 있다. 즉 스마트폰 한 대를 생산하는 데에도 상당한 양의 자원이 소모된다는 의미다. 이러한 자원 과소비 구조는 반도체뿐 아니라 디스플레이, 태양광 등 첨단 산업 전반에서 공통적으로 나타나고 있는 문제다.

전력 소비 면에서도 반도체 산업은 막대한 부담을 안고 있다. 한때 철강이 대표적으로 전력을 많이 소비하는 업종이었다면, 오늘날에는 전세계 반도체 공장이 101 TWh(2021년 기준)을 사용하며 그 자리를 대체하고 있다. 이는 세계전력소비 3위인 인도의 약 14분의 1, 8위인 한국의 약 5분의 1 수준에 해당하는 전력소비량으로 에너지 수급 안정성을 위협할 수 있는 규모다. 이제 반도체 산업의 지속 가능성을 위한 근본적인 고민이 필요한 시점이다.

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반도체의 필수 수자원, 자원 및 배출 부담도 커

반도체 제조에는 ‘물’, 많은 양의 수자원이 사용된다. 특히 주요 공정에 사용되는 ‘초순수(Ultra-Pure Water, UPW)’는 일반 정수보다 수백 배 이상 정제된 물로, 반도체의 정밀성과 수율을 확보하기 위해 필수적이다. 초순수를 생산하는데도 많은 양의 물이 사용되는데 먼저 5~7단계의 정수를 거쳐 수돗물을 공업용 순수로 정제하고, 이후 20단계 이상의 고도 정수 과정을 통해 미립자, 이온, 기체 등의 불순물을 제거한 초순수로 거듭난다. 이 과정은 대량의 물을 소비하며, 초순수 사용량이 증가할수록 수자원 부담도 함께 커진다.

웨이퍼 세정, 오염 방지, 윤활 등 수백 단계의 제조 공정에서 광범위하게 사용되는 초순수는 나노미터급 초미세 회로 구현을 가능케 하지만, 사용 후에는 폐수로 배출되며 불산·황산·암모니아 등 고부하 화학 물질을 포함한다. 이로 인해 재사용이 까다롭고, 적절히 처리되지 않으면 생태계에 악영향을 줄 수 있다. 이러한 오염물은 *스크러버, 저감장치, 촉매 분해 기술 등으로 정화되고 있으나, 아직 개선이 필요하다.

*스크러버: 산업 배기가스에서 일부 미립자 또는 가스를 제거하는 데 사용하는 다양한 대기 오염 제어 장치

반도체 제조에 초순수처럼 막대한 수자원이 사용되기 때문에, 폐수 처리 및 재이용 기술의 중요성도 더욱 커지고 있다. 이는 에너지와 자원의 지속 가능한 사용이라는 관점에서, 산업 전반이 해결해야 할 핵심 과제로 떠오르고 있다.

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지속가능한 팹(Fabrication Facility)을 위한 기술

반도체와 디스플레이를 포함한 첨단 산업은 최근에 자원 효율성과 전력 최적화를 중심으로 한 기술 도입이 본격화되고 있다. 대표적으로는 재활용 시스템, 스크러버 개선, AI 기반 에너지 관리 시스템 등이 있다.

• 제조 공정 내 재활용 시스템

재활용 시스템은 반도체 제조공정에서 발생하는 폐기물과 부산물을 자원으로 전환한다. 불량 웨이퍼나 디스플레이 패널은 테스트 또는 교육용으로 활용되고, 폐수 슬러지는 산업용 원료로 재활용된다. 금·은·팔라듐 등 고가의 금속은 전기화학적 회수와 정제를 통해 공정에 재투입되며, 원가 절감과 자원 순환을 동시에 실현한다. 주요 반도체 기업들은 공정 설계 단계부터 이런 시스템을 도입해, 취수량은 줄이고 자원 재이용률을 높이는 목표를 실현 중이다.

• 고효율 가스 부산물 정화 시스템

반도체 공정에서 지구온난화지수가 높은 과불화화합물(PFCs) 같은 부산물이 발생하는데, 이를 고효율로 정화하는 기술 개발이 핵심 과제로 부각되고 있다. 최근에는 습식 스크러버의 성능을 개선해 물 주입 기술과 가변 출력 시스템을 접목, 정화 효율을 99%까지 끌어올린 사례가 등장하고 있다.

모듈형 ‘베이형 스크러버’는 기존 대비 전력 사용을 20% 절감하면서도 안정적인 정화 성능을 구현한 바 있다. 이처럼 고온·고유량 환경에서도 유연하게 작동하며 정교한 제어 기술을 기반으로 정화 효율 향상, 에너지 절감, 온실가스 저감이라는 삼중 효과를 실현하고 있다. 이는 자원순환형 공정 구축 및 산업 지속 가능성 확보에 기여하는 핵심 기술이다.

SK에코플랜트의 산업가스 전문 자회사 SK에어플러스도 생산 과정에서 발생하는 폐흡착제, 하수준설토 등 부산물을 재활용하는 데 집중하고 있다. 폐기물 매립 제로 인증을 목표로 공정 내 이산화탄소 재활용 사업 등의 정화 기술을 기반으로 추가적인 자원 순환체계도 구축해 나가고 있다.

• AI 기반 에너지 관리 시스템

AI 기반 에너지 관리 시스템은 설비별 전력 소비 데이터를 실시간으로 분석해 에너지 사용을 최적화하는 기술이다. IoT 센서와 AI 알고리즘을 통해 공정 전체의 전력 소비량을 모니터링하고 피크타임에는 설비 운영을 분산시켜 불필요한 에너지 소비를 제어한다. 이를 통해 공정에서 발생하는 에너지 비용 및 자원 부담을 동시에 줄일 수 있다.

• 전자폐기물 재활용과 메모리 제품 순환 구조

반도체가 들어가는 첨단 전자기기의 생산·소비 확대로 전자폐기물(E-Waste)의 효율적인 처리와 자원 회수가 산업 전반의 과제로 부상하고 있다.

SK에코플랜트는 전기전자폐기물 처리 전문 자회사 SK테스(SK tes)를 통해 IT 자산의 해체∙재활용 기술을 선제적으로 확보하고, 관련 서비스 수요에 대응하고 있다. SK테스는 현재 전 세계 20여개국에서 사업장을 운영하며 안정적인 전자폐기물 수거 네트워크를 갖추고 있으며, 반도체가 포함된 전자폐기물부터 전기차 배터리, 데이터센터 서버 등 미래 핵심산업으로 분류되는 자원에 대한 회수 처리 기술을 보유하고 있다.

또한, SK 테스가 처리한 고성능 서버에서 수거한 부품을 SK에코플랜트의 반도체 메모리 전문 자회사 에센코어가 SSD, SD카드 등의 메모리 제품으로 재가공해 공급할 경우, 효율적인 자원 재활용을 동시에 달성할 수 있다.

이러한 통합 솔루션은 반도체 산업의 자원 활용 최적화와 지속가능한 운영 기반 구축에 기여하고 있다.

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반도체 종합 서비스로 여는 지속가능한 산업 구조

지속가능성으로의 전환 속에서 반도체 산업의 경쟁력은 곧 공정 효율성, 자원 최적화, 에너지 운영의 유연성에서 판가름 나는데, SK에코플랜트는 이미 이러한 조건들을 만족시킬 수 있는 국내 유일무이한 반도체 종합 서비스를 제공하고 있다.

SOFC(고체산화물연료전지) 기반의 고효율 전력을 생산하는 에너지 솔루션을 보유하고 있으며, 산업가스 자회사 SK에어플러스를 통해 반도체 제조에 필요한 산업가스의 효율적인 공급망 구축이 가능하다. 최근에는 반도체 소재 기업 4곳을 자회사로 편입 추진하고 있어 효율적인 공급망 구축 역량은 더욱 확대될 것으로 기대된다.

반도체 제조과정에서 사용되고 배출된 물을 정화해 재사용하는 기술도 상용화에 나서고 있다, 자회사 SK테스-에센코어의 전자폐기물 회수, 재가공 구조를 통해 자원 순환 시스템도 강화하고 있다.

고도화된 수처리 기술, 고효율 전력 시스템, 재활용 인프라를 포괄하는 SK에코플랜트의 반도체 종합 서비스는 반도체 산업의 공정 효율성, 자원 최적화, 에너지 운영의 유연성을 높이는 데 핵심 역할을 수행하고 있다고 볼 수 있다.

이처럼 다양한 기술과 인프라를 하나의 시스템으로 연결해 제공하는 SK에코플랜트의 통합 접근 방식은, 반도체 산업 전반의 자원 효율성을 가속화하는 촉매 역할을 하고 있다. 이는 단기적인 생산성 향상에서 나아가, 장기적으로 지속 가능한 산업 생태계를 구축하는 데 중요한 의미를 지닌다.

첨단 산업 밸류체인을 선도하는 SK에코플랜트. 반도체 산업의 지속가능성과 기술적 진보를 조화롭게 달성해 나가는 데 있어 어떤 변화를 이끌어낼지 주목해본다.

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