인하대학교 열플라즈마환경기술연구센터는 국내 플라즈마연구를 선도하는 지역혁신센터(RIC)연구센터로 국내 최대 규모의 플라즈마 관련 장비를 보유한 곳이다. 2004년 10월, 교육과학기술부로부터 연구센터 유치를 제안 받아 설립된 열플라즈마센터는 열플라즈마를 이용한 유해물질처리 공정 개발에 앞장서고 있다.

첨단기술에 활용되는 열플라즈마

열플라즈마는 초고온 열분해 및 용융, 매우 빠른 반응속도, 높은 화학적 활성, 적은 설치 면적, 경제적인 시설 투자 및 운영비, 폐기물 성상에 관계없이 처리할 수 있는 무한한 적용 가능성 등의 특성을 갖고 있다.

이는 주로 아크 방전에 의해 발생시킨 전자, 이온, 중성입자로 구성된 부분이 온화된 기체로 국소열평형 상태를 유지하며 구성입자가 모두 수천에서 수만 ℃에 이르는고온·고속의 제트 불꽃형태를 이루고 있다.

이렇게 고온·고열용량·고속·다량의 활성입자를 갖는 열플라즈마의 특성을 이용하면 재래식 기술에서는 얻을 수 없는 다양하고 효율적이며 환경적으로도 우수한 고온 열원이나 물리화학 반응로로 사용될 수 있어 여러 산업분야에서 첨단기술에 활용되고 있다.

열플라즈마를 이용한 환경기술은 대표적으로 PFCs, CFCs, VOCs, Dioxins 같은 유해가스를 제거하는 목적으로 대기오염방지기술과 고형폐기물을 처리하는 열분해/용융기술로 구분할 수 있다. 이 대표적인 2가지 기술을 기본으로 대체에너지 및 재자원화, 재활용 등에도 활용할 수 있다.

현장에서 상용화되도록 공정 최적화 주력

열플라즈마환경기술연구센터는 주로 열플라즈마기술을 이용해 유해가스나 액상 및 고형폐기물 등의 유해물질을 분해하거나 용융처리해 환경에 해가 되지 않는 물질로 바꿔 친환경적으로 자연에 배출하고, 재활용 기술을 개발하는 등의 연구를 하고 있다.

구체적으로는 업체에 기술지도 및 기술이전에 앞장서고 친환경산업 활성화에도 이바지하고 있으며, 이외에도 산업체에 대한 장비 수요조사를 통해 장비구축 계획 및 도입의 전반적인 관리를 수행하고 있다. 또 이를 통해 마련한 고가의 분석 장비들은 관련 중소기업체들이 원활히 활용할 수 있도록 장비활용시스템을 운영 중이다.

센터는 개발한 기술이 실제 현장에서 상용화될 수 있도록 공정을 최적화하는 데 노력을 기울이는 한편, 이를 위해 산업계와 연계해 공동 연구, 기술 개발, 기술지도, 기술 이전 등의 다각적인 역할을 수행 중이다.

더불어 단순히 학문적 성취만 얻는 것에 만족하기보다, 실제 현장에서 접목 가능한 기술 개발에 중점을 두고 있으면서 관련 산업체들과 유기적인 활동을 이어가고 있다. 그 성과로 세계 최초 열플라즈마스크러버기술을 개발·상용화에 성공해 세계의 주목을 받고 있다.

이 기술을 통해 센터는 국내 열플라즈마기술을 진일보시켰다는 평을 받고 있으며, 아울러 환경기술 선진화에도 크게 기여했다는 평가가 흘러나온다. 한편 센터가 상용화에 성공한 이 열플라즈마스크러버기술은 현재 일본에서 연구 단계에 머물러 있다.

열플라즈마스크러버기술은 현재 국내 H반도체 이천 공장 및 중국 등지 산업현장에서 사용되고 있으며, 기존의 스크러버를 대체해 국내 열플라즈마 환경기술발전에 크게 기여했다.

2차 오염물질 배출을 최소화하는 기술

센터는 국내 최대 규모의 열플라즈마 장비를 보유한 외에도 40여 명의 전문가가 배치돼있다. 이를 기반으로 연구개발 및 상용화에 매진 중인 명실상부 국내 최고 플라즈마 연구진임을 자랑한다.

센터장인 박동화 인하대 환경공학과 교수는 그동안 센터를 운영하며 얻은 가장 큰 수확으로 열플라즈마스크러버기술을 지목했다. 이는 반도체공장에서 쏟아져나가는 지구온난화 물질을 플라즈마기술을 통해 변형시켜 지구촌 환경에 무해한 기체로 변경해 배출하는 기술이다.

특히 플라즈마기술은 산업 활동 과정에서 배출되는 오존 파괴 물질을 그대로 내보내지 않고, 열플라즈마를 통해 환경에 무해한 성분으로 바꿔 배출한다는 데서 그 의미를 찾을 수 있다. 다른 처리방법이 2차 오염물질을 다량 재생산하는 것과 비교되게, 이 플라즈마기술은 2차 오염물질 배출을 최소화하는 기술이라 더욱 주목받고 있다.

열플라즈마기술이 환경산업에 무궁무진하게 적용할 수 있는, 무엇보다 환경과 잘 맞는 기술이라는 것이 박 교수가 강조하는 점이다. 따라서 플라즈마기술의 가능성과 효과성을 기반으로 좀 더 획기적인 기술개발에 주력하고 있다.

센터는 스팀플라즈마 공정시스템(2006), 열플라즈마를 이용한 폐폴리스틸렌 모노머화 장치, 로테이팅 아크플라즈마를 이용한 악취처리기술 등 산업체에 현재까지 8건의 기술이전과 기술 지도를 이행해왔다. 또 센터는 폐기물 용융처리 및 자원화, 지구 온난화물질 처리, 광촉매 활용 등에 이르는 연구개발에 적극 임하고 있고, 산학협력 및 한국산업단지공단 경인지역본부 모임을 주최해 정보 및 기술교류도 활발히 수행하고 있다.

플라즈마 연구 학문 기틀 마련 박동화 교수

사실 박 교수는 1990년대 플라즈마기술의 불모지였던 우리나라에 플라즈마 가스 및 플라즈마스트림에 대한 특성 및 수치해석 등에 관한 이론연구를 시작해 플라즈마에 대한 기초이론을 정립한 국내 플라즈마 연구의 선구자이자 권위자로 통한다.

박 교수는 국내 플라즈마 연구의 학문적 기틀을 마련했을 뿐만 아니라 RF플라즈마, 이송식 및 비이송식 토치 등에 적용해 산업적으로 환경 및 소재분야에 이용할 수 있는 장치를 연구·개발하는 등 ‘이론’과 ‘실제’ 양자에서 두각을 보이고 있다.

또한 그의 연구 성과로는 소재분야에서는 금속 및 세라믹 나노분말제조공정 및 장치를, 환경 분야에서는 PFCs와 같은 온실가스와 오염물질 분해 및 하수 등에서 발생하는 악취를 제거하는 기술 개발이 돋보인다.

그중에서도 특히 반도체산업의 식각 및 세종공정에서 발생하는 온난화가스를 제거하는 플라즈마기술이 적용된 ‘열플라즈마스크러버(Thermal Plasma Scrubber)’ 장치를 세계 최초로 개발 및 상용화에 성공하며 세계 플라즈마연구자들의 이목을 집중시켰다.

열프라즈마스크러버기술은 반도체 생산 과정에서 나오는 유해 배출가스를 무해화하는 환경 파괴를 최소화하는 기술이며, 이는 현재 국내외 반도체공장 현장에 실제 접목돼 활용 중이다.

센터장 박 교수는 “(플라즈마센터가) 연구로만 끝나는 것이 아닌 실제 산업시장에서 적용될 수 있도록 최대한 노력을 기울이고 있다”며 “앞으로 산학협력에도 더욱 매진할 것”이라고 말했다.

(주)에이피시스- 온실·유해 가스 동시 처리 ‘스크러버’ 개발

(주)에이피시스(APSYS: Applied Plasma SYStem·대표이사 최경수)는 지난 2001년 11월에 설립된 업체로, 열 플라즈마(Themal Plasma)기술을 산업에 응용시켜 대기오염 물질 처리에 친환경성을 더하고 있다. 이 업체는 열플라즈마 기술을 온실가스 등 대기오염물질 처리 분야와 나노 분말과 같은 산업용 소재를 개발·생산할 수 있는 분야에 집중 투자하고 있다.

이를 통해 대기오염물질 처리 분야에서 ‘반도체 및 LCD 제조 공정에서 발생하는 온실 가스 및 유해 가스를 동시에 처리할 수 있는 장치(일명 플라즈마스크러버)’를 개발했다. 이 장치는 현재 국내 반도체 제조사에서 500대 이상 사용되고 있다.

아울러 현재 해외 수출 실적은 대만 반도체 제조사에 3대를 납품했으며, 추가 발주 작업 진행 중이다. 현재는 열플라즈마를 이용한 대기오염가스(온실가스) 처리 시스템인 ‘반도체용 플라즈마스크러버’를 비롯해 산업용 나노 소재 제조용 플라즈마시스템과 열플라즈마토치(이송식, 비이송식)를 설계 제작하고 있다.

(주)에이피시스는 지난 2005년부터 인하대 열플라즈마센터와 교류하고 있는 가운데 공동 개발 수준의 연계를 통해 ‘반도체용 플라즈마스크러버’ 개발·사업화에 성공했다.

최경수 대표이사는 “플라즈마센터의 연혁이 누적되면서 세미나, 기술지도 등에 참여하는 기업이 지속적으로 증가하고 있다. 앞으로 플라즈마 관련 산업 분야에서는 국내 독보적인 센터가 될 것으로 확신하며, 센터와 협력을 통해 좀 더 신기술 개발에 주력하겠다”고 밝혔다.

(주)플라즈마텍-PFC가스 분해 처리 장치 개발 상용화 앞당겨

1998년 2월 한국산업으로 출발한 (주)플라즈마텍(대표이사 박재경)은 고온 플라즈마를 이용한 폐프레온가스 처리장치 특허 등록을 시작으로 플라즈마를 활용한 반도체 장비 생산과정에서 배출되는 화학물질 배기가스제거분야에서 명성을 높이고 있다. 이 업체는 지난 2009년 유해백연 제거장치를 개발해 환경부 우수기술에 선정된 바 있다.

(주)플라즈마텍의 유해백연 제거장치는 반도체나 일반 산업 시설에서 배출하는 유해가스를 정전유전체라는 특수 방식을 이용해 99% 이상 제거하는 기술이다.

사실 반도체 공정에서는 130종류가 넘는 다양한 유해성 화학물질을 사용하고 있으며 이 화학물질들은 배기가스 형태로 공기 중에 배출돼 대기오염의 주범 가운데 하나가 됐다. 이런 가운데 플라즈마텍은 설립 초기부터 인하대 플라즈마센터와 교류를 통해 기술이전과 개발, 지도, 분석 등의 도움을 받고 있다.

이러한 과정을 통해 반도체와 LCD 제조 공정 중에 발생하는 온난화 가스인 PFC가스 분해 처리 장치 개발 및 상용화를 앞당겼다. 그리고 유해 백연 제거설비 개발과 탈취설비 개발, 폐기물의 열분해 가스화 장치개발 등 주요 성과를 거뒀다.

이러한 과정을 거치면서 기술의 기초적인 면에서 많은 도움을 받았다. 다만 아쉬운 점은 지금보다 더 사업화에 대한 비중 고려가 있었으면 하는 점이다. 그러나 플라즈마센터와의 협력으로 거둔 성과를 계기로 지속적인 협력을 이어간다는 것에는 변함이 없다.

박재경 대표이사는 “앞으로의 반도체 산업과 환경 산업은 현 세대를 위한 필수적인 산업일 뿐만 아니라 다음세대를 위한 재투자인 만큼 풍요로운 삶과 깨끗한 환경을 위해 더욱 노력하는 기업이 되도록 하겠다”고 말했다.

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