▲2050년 넷제로 달성을 위해 ‘저전력 펌프 개발 및 기존 펌프 개선’ 프로젝트를 진행한 탄소관리위원회 ‘저전력 펌프 도입 분과’ 왼쪽부터 이정빈 TL(장비부품표준화), 이세호 TL(ThinFilm기술전략), 성해용 팀장(장비부품표준화), 유진식 TL(장비부품표준화), 최승원 TL(장비부품표준화)

SK하이닉스가 기후 위기 극복을 위한 노력에 박차를 가하고 있다. 회사는 지난 2022년, 연구·제조·설비·환경·구매 등 각 분야 기술 인력으로 구성된 전사조직 ‘탄소관리위원회(이하 탄관위)’를 출범하고, ‘2050년 넷제로*’ 달성을 위한 구체적인 계획을 세워 실천해 나가고 있다.

* 넷제로(Net Zero): 온실가스 배출량을 순 제로(0)로 만들자는 목표. 순 제로란 온실가스 ‘배출량’과 ‘흡수 및 제거량’이 같아 실질적인 온실가스 배출량이 0이 되는 상태를 뜻한다.

탄관위는 12개의 세부 분과를 통해 Scope*별 온실가스 배출 저감 활동을 추진하고 있으며, ▲네온가스 재활용 기술 개발[관련기사] ▲대체가스 개발[관련기사] ▲고효율/저전력 스크러버 개발[관련기사] 등 2050 넷제로 달성을 위한 여러 성과를 이뤄냈다.

* Scope: 온실가스 배출은 Scope 1(직접 배출), Scope 2(간접 배출), Scope 3(기타 간접 배출)로 나뉜다.

반도체 미세화와 온실가스 감축을 위한 핵심 장비, ‘저(低)전력 펌프’

‘저전력 펌프 도입 분과’에서는 ‘저전력 펌프 개발 및 기존 펌프 개선’ 프로젝트 진행 소식을 전하며, 2050 넷제로 달성을 향한 SK하이닉스의 행보에 한 걸음을 더했다.

‘펌프(Pump)’는 더욱 미세화되는 반도체 공정에서 고(高)진공 환경을 만들어 불순물들을 제거하는 장비로, 반도체의 품질 및 수율을 결정하는 핵심적인 역할을 한다. 실제 펌프 구동을 위해 사용되는 전력은 팹(FAB) 전체 소비 전력의 15% 내외다.

해당 프로젝트는 새로운 저전력 펌프 개발과 동시에 기존 운영 중인 펌프의 저전력 운영을 통해 펌프 구동으로 인한 전력 소비를 줄이고, 이에 따른 탄소배출을 저감하는 등 Scope 2 배출량을 감축한다는 목표로 진행됐다.

저전력 펌프 도입 분과는 모터, 소재, 구조 등의 변경과 신규 아키텍처 도입을 통해 신규 저전력 펌프 개발에 성공했으며, 새롭게 개발된 신규 저전력 펌프는 기존 팹 및 신규 팹에 적용될 예정이다. 이와 더불어, 기존 운영 중인 펌프의 회전 속도(RPM) 감속 등 용량 축소를 통해 펌프의 전력 소비 저감을 이끌었으며, 기존 팹의 식각공정 등에 적극 반영될 계획이다.

뉴스룸은 이번 프로젝트에서 괄목할 만한 성과를 이룬 탄관위의 이야기를 듣기 위해 저전력 펌프 도입 분과 유진식 TL, 이정빈 TL(장비부품표준화), 이세호 TL(ThinFilm기술전략)을 직접 만나봤다.

▲ 이세호 TL, 유진식 TL, 이정빈 TL(좌측부터)

신규 저전력 펌프, 기존 펌프 대비 소비 전력 39.7% 저감

SK하이닉스는 새롭게 개발한 신규 저전력 펌프의 도입을 위해 2024년 1분기부터 평가를 시작했으며, 3분기부터는 신규 투자를 통해 기존 운영 중인 팹에 도입하고 있다. 또한, 새로 짓고 있는 M15X 팹과 용인 클러스터에는 평가가 완료된 공정에 한해 신규 저전력 펌프를 전량 도입할 예정이다. 회사는 추후 신규 저전력 펌프 도입을 더욱 확대한다는 계획이다.

또한, 2024년 1분기 시작된 신규 저전력 펌프 도입 평가에서 식각공정의 펌프 용량을 기존 3만L(리터)에서 2만L로 축소(Downsizing)해도 반도체 품질 및 수율에는 유의차가 발생하지 않는다는 평가 결과를 도출하기도 했다. 이에, 3분기부터 진행된 식각공정 신규 투자에서는 저전력 펌프 도입뿐 아니라 펌프 용량까지 줄여 저전력 효과를 극대화하고 있다.

이와 관련해 유진식 TL은 “신규 저전력 펌프 도입과 더불어 펌프의 용량 자체를 낮춤으로써 소비 전력 저감 효과를 극대화했으며, 이를 통해, 탄소 배출 저감과 더불어 투자비와 수리비, 운영비 등을 절약할 수 있을 것으로 기대하고 있다”고 말했다.

현재 지어지고 있는 신규 팹의 경우, 기존 운영 중인 M14 팹의 메인 프로세스 공정 기준으로 전력 소비량을 추산하면, 기존 펌프를 사용했을 때 전력 소비량 대비 39.7%가량 저감할 수 있다. 전력 소비 감소는 결국 전력 생산을 위한 탄소 배출 저감으로 이어지기 때문에 Scope 2 배출량 감축에도 크게 기여할 것으로 기대되고 있다.

기존 펌프, 저전력 운영… 소비 전력 16.7% 저감

이번 프로젝트에서는 신규 저전력 펌프 개발 외에도 기존에 운영 중인 펌프의 소비 전력 저감을 위한 노력도 병행됐다. 이정빈 TL은 “현실적으로 모든 펌프를 신규 펌프로 변경할 수 없는 상황에서 우리가 할 수 있는 최선의 전력 소비 저감 방법은 기존 운영 중인 펌프의 전력 소비를 줄이는 것이었고, 이를 위한 많은 논의가 이뤄졌다”고 밝혔다.

저전력 펌프 도입 분과는 많은 논의 끝에 펌프의 회전속도(RPM)를 낮춰 전력 소비를 저감하는 방법을 검토했다. 해당 방법의 경우, 현재 운영 중인 공정에 영향을 주지 않아야 했기 때문에 이론 검증과 시뮬레이션, 현장 평가 등 철저한 PoC(Proof of Concept, 개념 실증)가 중요했다.

특히, 각각의 펌프가 제조사와 모델이 상이하기 때문에 검증 과정은 더욱 어려웠다. 저전력 펌프 도입 분과는 현업 엔지니어와 함께 펌프를 하나하나 검증해 수율 및 영향 분석을 진행했다.

철저한 이론 분석과 시뮬레이션 검증을 마치고, 식각공정에서 운영 중인 일부 펌프의 회전속도를 낮춰 시범 운영했다. 그 결과, 기존 운영 펌프의 회전속도를 낮춰도 공정 수율에는 유의미한 차이가 발생하지 않았으며, 성공적으로 시범운영을 마친 저전력 펌프 도입 분과는 현재 M15, M16 팹에서 각각 공정 평가를 이어가고 있다.

유진식 TL은 “공정 평가가 마무리되고, M15와 M16 식각 프로세스 공정 전체에 펌프의 회전속도 감속이 적용될 경우, 평균 전력 사용은 16.7%가량 감소할 것으로 예상되며, 이는 전력 사용을 위한 비용 절감뿐 아니라 탄소배출 저감에도 기여하게 될 것”이라고 설명했다.

성공적인 저전력 펌프 개발… “가치 공유 통해 이룬 성과”

이번 프로젝트의 성과는 5개의 펌프 협력사와 현업 엔지니어의 적극적인 협조가 없었다면 이룰 수 없었다. 이세호 TL은 “회사의 2050 넷제로 달성 목표에 공감한 5개 펌프 협력사와 현업 엔지니어의 적극적인 협조 덕분에 적기에 신규 저전력 펌프 개발과 검증을 진행할 수 있었다”고 강조했다.

유진식 TL은 “특히, 신규 저전력 펌프 개발 과정에서는 관련 데이터가 거의 없어, 많은 어려움이 있었는데 협력사들이 해외 본사와 직접 일정을 조율하는 등 적극적으로 개발에 임한 덕분에 원활히 프로젝트를 진행할 수 있었다”고 덧붙였다.

또한, 현업 엔지니어들의 노력도 빛을 발했다. 이정빈 TL은 “엔지니어들은 본업과 함께 해당 프로젝트를 위한 장비 조건 분석, 테스트 자재 검증 등의 업무를 병행해야 했다”며 “어려운 상황에서도 회사의 2050 넷제로 달성을 위해 최선의 노력을 다해준 덕분에 지금의 성과를 이룰 수 있게 됐다”고 전했다.

한편, 저전력 펌프 도입 분과는 프로젝트를 일괄적으로 추진함과 동시에 신규 펌프 도입 등의 과정이 원활히 진행될 수 있도록 다방면에서 지원을 아끼지 않았다. 특히, 신규 펌프 도입 과정에서 예상되는 추가 비용을 미리 산정해 사전 경비와 투자 지원을 준비하는 등 기민하게 지원했다.

▲ 프로젝트에 대한 소감을 밝히고 있는 이세호 TL, 유진식 TL, 이정빈 TL(좌측부터)

이세호 TL은 “지속가능한 경영의 차원을 넘어 하나뿐인 지구의 기후를 위한 일이기 때문에 더욱 적극적으로 임할 수밖에 없었다”며 “이번 프로젝트를 통해 펌프 협력사와 엔지니어분들이 이러한 가치를 함께 공유하고 있다는 것을 느낄 수 있었다”고 소감을 전했다.

끝으로 이정빈 TL은 현재 진행 중인 프로젝트를 성공적으로 마무리해 2050 넷제로 달성에 기여하겠다는 포부를 밝혔다.

“이번 프로젝트 성과에 더해, 펌프 운영에 있어 AI를 활용한 효율적인 저전력 운용을 이어갈 것이며, 최적의 펌프 모델을 선별하고 적재적소에 투입해 2050 넷제로 달성에 일조하겠습니다. 구성원 여러분의 많은 관심과 성원 부탁드립니다. 감사합니다.”

뉴스룸은 넷제로 달성을 위한 회사의 꾸준한 노력과 성과를 소개하고자 한다. 이번 콘텐츠에서는 고효율 저전력 스크러버 개발을 통한 온실가스 감축 활동에 대해 상세히 소개한다.

* 넷제로(Net Zero): 온실가스 배출량을 순 제로(0)로 만들자는 목표. 순 제로란 배출하는 온실가스 양과 흡수 및 제거하는 온실가스 양이 같아 실질적인 온실가스 배출량이 0이 되는 상태를 뜻한다.
* Scope: 온실가스 배출은 Scope 1(직접 배출), Scope 2(간접 배출), Scope 3(기타 간접 배출)로 나뉜다.

스크러버 도입 분과, 고효율/저전력 스크러버 개발해 넷제로 달성에 기여 노력

반도체 공정에는 환경을 위한 핵심 장비가 있다. 스크러버(Scrubber)로, 생산 과정에서 발생하는 부산물을 제거하는 장비다. 스크러버는 화학, 제약 등 여러 산업에 쓰이지만 특히 다양한 화학 물질이 사용되는 반도체 공정에서 유해 물질을 정제하고 안전하게 처리하는 중요한 역할을 하고 있다.

스크러버가 처리하는 많은 물질에는 온실가스도 포함되는데, 일부 반도체 공정에서는 과불화화합물(PFCs), 육불화황(SF₆) 같은 온실가스가 발생하고 스크러버는 이를 제거해 환경에 미치는 영향을 저감한다. 온실가스 감축에 대한 논의가 심화되고 배출 규제가 강해지는 상황에서, 이 장비의 중요성은 더욱 커지고 있다.

탄관위 12개 분과 중 고효율/저전력 스크러버 도입 분과(이하 스크러버 도입 분과)는 스크러버의 처리 효율을 높이고 전력 소모량을 줄이는 개발을 주도하고 있다. 이 분과의 목표는 온실가스 배출량을 최소화하는 것뿐만 아니라, 다른 자원 소모량까지 고려해 직/간접적으로 탄소발자국을 줄일 수 있는 효율적인 스크러버를 개발하는 것이다. 스크러버 도입 분과 이성수 TL(청주공조/배기기술)은 분과 주요 업무에 대해 “기존 스크러버의 운영점을 개선해 효율을 향상하고, 신규 스크러버 개발을 검토해 궁극적으로는 넷제로에 기여하기 위해 노력하고 있다”고 설명했다.

올해, 분과는 국내 사업장의 식각 공정에 쓰이는 스크러버의 온실가스 처리 효율을 99%까지 끌어올릴 수 있는 신기술 개발에 성공했다. 99%라는 수치는 온실가스 배출량이 계측기가 측정할 수 있는 최소량 이하로 검출됐다는 의미로, 사실상 배출이 거의 없음을 의미한다.

이번 성과는 ▲기존 스크러버의 효율을 개선하고 ▲신규 베이형 스크러버를 개발하는 두 가지 방법으로 이뤄졌다.

기존 스크러버 개선 – 물 주입과 가변출력시스템 도입으로 처리 효율 99% 달성 가능

기존 스크러버 개선은 추가 투자를 최소화하는 방향으로 진행되었다. 개선 대상인 기존 스크러버는 식각 공정에서 발생하는 사불화탄소(CF₄)를 플라즈마 열로 분해하는 장비다. 당초 분과에서는 사불화탄소 처리 효율을 99%로 올리고자 기존보다 높은 열을 가하는 방안을 시뮬레이션했으나, 이로 인해 전력량이 증가해 온실가스 간접 배출이 늘어나는 문제에 직면했다.

스크러버 도입 분과는 스크러버 내부에 물(H₂O)을 첨가해 온실가스 분해에 필요한 온도를 낮추고, 생산 장비와 스크러버를 연동하는 가변 출력 시스템을 적용해 전력 사용량을 최적화하는 방법으로 문제를 해결했다. 또 여기에 질소(N₂) 유량을 최적화하는 방법을 더해 처리 효율을 99%까지 달성할 수 있게 했다.

기존 스크러버 개선 프로젝트를 담당한 이종한 TL(이천 P&S)은 “물을 주입해 온실가스 분해 온도를 낮출 수 있다는 것은 다양한 논문에 나타난 사실이지만 실제 적용 사례가 없어 어려움이 컸다”며 “이 방법을 실제로 활용하기 위해 1년 이상 평가 기간을 갖고 물 최적 유량을 테스트해 안정적인 가동이 가능한 운영점을 찾았다”고 설명했다.

이 TL은 “이번 업그레이드로 처리 효율 99% 달성 가능성을 실현함에 따라 식각 공정에서의 Scope 1 공정가스 연간 배출량을 기존 대비 22% 감축할 수 있을 것으로 예상된다”고 덧붙였다. 또한, “개선된 스크러버는 향후 국내 사업장부터 순차적으로 도입될 예정”이라는 계획을 밝혔다.

신규 베이형 스크러버 개발 – 처리 효율 99% 달성에 전력 사용량까지 감소 가능

신규 베이형 스크러버 역시 식각 공정에 쓰는 장비다. 식각 공정에서 기존의 챔버* 단위로 설치된 스크러버는 필요 장비 대수가 많아 전력 사용량이 크고, 온실가스 처리 과정에서 대기오염물질로 지정된 질소산화물(NOx)이 발생하는 문제가 있었다.

* 챔버(Chamber): 반도체 제조 공정에서 특정 작업이 이뤄지는 밀폐된 공간. 식각 공정을 예로 들면 반도체 웨이퍼를 가공하고 처리하는 공간이 된다. 반도체 제조 공정은 여러 개의 챔버가 결합된 장비를 사용해 다양한 작업을 수행한다.

스크러버 도입 분과는 이 문제를 해결하고 동시에 온실가스 처리 효율은 99%로 올릴 수 있는 새로운 스크러버를 협력사와 함께 개발했다. 새로 개발한 베이*형 스크러버는 챔버보다 큰 베이 단위에서 온실가스를 처리해 필요 장비 대수를 줄여 전력 사용량은 물론, 관리·운영비까지 감소하는 효과가 있다. 또한 촉매를 사용해 온실가스 분해 온도를 낮춰 추가적으로 전력을 절감하고, 상대적으로 낮은 온도로 작동해 질소산화물의 생성도 억제할 수 있다는 장점이 있다.

* 베이(Bay): 여러 개의 챔버가 모여 있는 하나의 공정 단위.

베이형 스크러버는 SK하이닉스에서 처음으로 시도하는 장비로, 철저한 평가와 분석 과정 끝에 개발에 성공할 수 있었다. 프로젝트를 담당한 이성수 TL은 “새로운 장비라 모두에게 익숙지 않아 사소한 단계에서조차 쉽게 접근할 수 없는 어려움이 있었다”며 “PSM 인허가* 때도 강도 높은 심사를 받았지만, 적극적으로 대응해 1년 6개월 만에 최종 적합 판정을 받았다”고 덧붙였다.

* PSM(Process Safety Management) 인허가: 산업 현장에서 공정이 안전 관리 기준을 충족하는지를 규제기관으로부터 인증받는 절차

베이형 스크러버는 2025년 새로운 팹 M15X 오픈에 맞춰 도입될 예정이다. 이 TL은 “신규 스크러버 도입으로 새 팹의 식각 공정에서도 99% 효율로 온실가스를 처리할 수 있을 것으로 예상된다”며 “M15X에 기존 스크러버를 사용한 경우와 비교해 전력 사용량을 81% 줄이고, 이를 통해 Scope 2 배출량 감축에도 기여할 수 있다”고 말했다.

이번에 탄관위에서 개선한 기존 스크러버와 도입 예정인 신규 스크러버는 모두 과불화화합물을 분해하는 장비다. 과불화화합물은 지구온난화지수*가 이산화탄소와 비교해 수천 배 이상 높아 온난화 유발 효과가 매우 큰 물질이다.

* 지구온난화지수(Global Warming Potential, GWP): 이산화탄소의 온난화 효과를 1로 두고, 이를 기준으로 다른 온실가스의 온난화 효과를 지수화한 지표

이성수 TL은 “1%의 효율 차이에도 온난화에 끼치는 영향이 달라지는 과불화화합물을 99% 수준의 고효율로 제거할 수 있다는 점에서 이번 성과의 가치는 매우 크다”며 “온실가스 직간접 배출량을 줄여 효과적인 방식으로 넷제로 2050이라는 목표에 기여했다”고 이번 성과의 의미를 밝혔다.

스크러버 도입 분과는 앞으로도 고효율/저전력 스크러버 기술을 선도하기 위해 지속적으로 노력한다는 계획이다. 이를 통해 SK하이닉스가 넷제로 목표를 달성하게 돕고, 더 나아가 지속 가능한 미래를 위한 환경 보호에 앞장서겠다는 의지를 밝혔다.

세미콘 웨스트는 국제반도체장비재료협회(SEMI)*가 주최하는 연례행사로, 전 세계 전자 기업들이 모여 반도체 생태계의 미래에 대해 논의하는 자리다. 올해 행사에는 10,000명 이상의 관계자와 640개 이상의 기업이 참가했다.

* 국제반도체장비재료협회(SEMI, Semiconductor Equipment and Materials International): 반도체 장비 및 재료 제조업체들로 구성된 국제 산업 협회로, 반도체 및 관련 산업의 성장을 촉진하고 업계 간 협력을 강화하기 위해 설립

SK하이닉스는 SEMI 산하 조직인 반도체 기후 컨소시엄(SCC)*의 초청을 받아 이번 행사에 참여했다. SCC의 공동 창립 멤버인 SK하이닉스는 지속 가능한 반도체 가치 사슬을 구축하고 친환경 실천 방안의 새로운 표준을 세우기 위해 업계 선두 주자들과 적극적으로 협력해 왔다.

* 반도체 기후 컨소시엄(SCC, Semiconductor Climate Consortium): 반도체 가치 사슬에서 발생하는 온실가스 배출을 줄이기 위해 SEMI가 결성한 최초의 글로벌 협의체로, 회원사로 SK하이닉스를 비롯해 재료, 부품, 장비 분야의 반도체 기업들과 글로벌 ICT 기업들이 포함되어 있다.

인공지능(AI) 등 첨단 산업의 성장으로 고성능 메모리 수요가 증가하면서 반도체 산업은 생산량을 늘리는 동시에 지속 가능성도 개선해야 하는 도전에 직면했다. 지속 가능성에는 다양한 분야가 있지만, 반도체 산업은 주로 온실가스 감축에 중점을 두고 있다.

SK하이닉스는 온실가스 감축을 위한 전사적인 노력의 일환으로 2022년 사내에 탄소관리위원회를 설립했고, 이를 통해 저전력 장비 개발, 공정 가스 저감 및 에너지 소비 절감 등 다양한 계획을 주도하고 있다. 또한 반도체 공급망 차원에서 온실가스를 줄이기 위해 협력사와 협업하고, 다각적인 접근 방식을 통해 Scope* 전 영역의 온실가스를 감축하기 위한 노력을 펼치고 있다.

* 온실가스 배출은 Scope 1(직접 배출), Scope 2(간접 배출), Scope 3(기타 간접 배출)으로 나뉜다. Scope 3은 사업장 외부(협력사의 원부자재 공급 과정, 제품이 판매된 후 처리되는 과정 등)에서 발생하는 배출량을 모두 포함한다.

이번 행사에서 SK하이닉스는 Scope 1 및 3 영역의 온실가스 감축 전략을 중점적으로 소개했으며, EDTW 소재개발 이종환 TL과 지속경영 ESG추진 Climate Action팀 장재훈 TL은 발표자로 무대에 올라 구체적인 실천 사례를 공개했다.

협력사와 함께 지속 가능한 반도체 생태계 조성

장재훈 TL은 Scope 3의 온실가스 감축을 위해 SK하이닉스가 펼치는 전방위적 협력에 대해 발표했다. SK하이닉스는 2022년부터 CDP 공급망에 가입해 협력사들이 환경 데이터와 보고서를 공개하도록 지원하고 있다. 이러한 노력의 결과로, 2023년에는 CDP 공급망 프로그램에 참여한 114개의 협력사 중 84%가 데이터를 공개했다. 또한 회사는 협력사들이 기후 변화 대응 목표를 설정하고 달성할 수 있도록 도왔다.

* CDP 공급망(Carbon Disclosure Project Supply Chain) 프로그램: 영국의 비영리 기구 CDP(Carbon Disclosure Project, 탄소 정보 공개 프로젝트)가 주관하는 여러 가지 프로그램(Water, Forest, Climate 등) 중 하나로, 공급망 프로그램 가입을 주도한 모 기업과 모 기업이 선정한 협력사가 함께 온실가스 배출량 정보를 외부에 공개하여 글로벌 기업과 금융기관에 기후변화 관련된 의사결정을 하는 데 도움을 주는 것이 목적이다.

▲ SK하이닉스 협력사의 CDP SC 참여 현황

장 TL은 SK하이닉스가 반도체 산업의 온실가스 배출량을 줄이기 위해 설립한 연합체 ‘에코얼라이언스(ECO Alliance)’에 대해서도 소개했다[관련기사]. 에코얼라이언스는 2019년 SK하이닉스를 포함해 31개의 회원사가 모여 출범한 연합체로, 2023년에는 회원사를 47개 사로 확장했다. 주요 활동은 온실가스 감축 공동 목표 설정, 친환경 경영 모범 사례 공유, 워크숍 개최 등이다. 이 자리에서 장 TL은 “SK하이닉스는 2022년 에코얼라이언스 회원사와 함께 온실가스 감축 공동 목표를 발표했다”며, “회원사들에 맞춤 컨설팅을 지원해 2023년에는 39개의 회원사가 기업별 목표를 세울 수 있게 도왔다”고 밝혔다.

▲ 반도체 산업의 지속 가능성 분야에서 SK하이닉스의 주도적인 역할에 대해 설명하는 장재훈 TL

온실가스 직접 배출량을 줄이는 기술 혁신

이종환 TL은 Scope 1 온실가스 감축을 위한 회사의 노력에 대해 소개했다. 반도체 제조 시설에서 Scope 1 배출의 대부분은 높은 지구온난화지수(GWP)*를 지닌 공정 가스에서 발생하므로, 이를 다른 가스로 대체하거나 최적화하는 것이 중요하다. 이 TL은 온실가스 직접 배출량을 줄이는 회사의 세 가지 전략으로 ▲대체 가스 개발 ▲공정 최적화 ▲스크러버* 처리 효율 개선 등을 설명했다.

* 지구온난화지수(GWP, Global Warming Potential): 이산화탄소의 온난화 효과를 1로 두고, 이를 기준으로 다른 온실가스의 온난화 효과를 지수화한 개념이다. 지구온난화지수가 높다는 것은 온난화 효과가 크다는 뜻이다.
* 스크러버: 반도체 제조 공정에서 생성된 폐가스를 필터링 및 처리하는 장비

▲ SK하이닉스의 Scope 1 감축 전략에 대해 설명하는 이종환 TL

이 TL은 대체 가스 개발을 위해 SK하이닉스에서 주요 소재사 및 장비사와 ‘3자 협업(3Way Collaboration)’ 체계를 구축했다고 밝혔다[관련기사]. 이를 통해 2023년 회사는 품질을 저해하지 않으면서 GWP가 낮은 대체 가스를 개발해 일부 공정에 성공적으로 적용했으며, 현재 15개 이상의 대체 가스를 개발해 테스트 중으로 향후 여러 공정에 확대 적용할 계획이다.

이어 이 TL은 공정 최적화에 대해 “SK하이닉스는 식각 공정의 공정 시간과 가스 유량을 개선하고, 박막 및 확산 공정에서 장비 세척에 사용하는 가스를 최적화하고 있다”고 설명했다. 특히 세척 공정을 최적화해 Scope 1 배출의 주요 원인인 삼불화질소(NF₃) 사용을 줄였다고 밝혔으며, 이 같은 사례를 종합하면 2022년 13건이었던 박막 및 확산 공정 최적화 사례 수가 2024년 12배로 늘어 동기간 온실가스 배출량은 3배 이상 감소했다고 설명했다.

▲ SK하이닉스가 박막 및 확산 공정에 적용하고 있는 최적화 사례의 수

마지막으로 이 TL은 스크러버 효율을 높이기 위한 전략을 설명했다. SK하이닉스는 2023년 93%였던 스크러버 처리 효율을 2030년 95%까지 높인다는 목표다. 이를 위해 회사는 스크러버의 물, 전기 사용량을 줄이는 새로운 장비를 개발하고 단일 스크러버로 여러 장비에서 나오는 가스를 처리할 수 있게 하는 다양한 프로젝트를 진행 중이다.

이 TL은 이 같은 전략을 통해 2050년까지 Scope 1의 온실가스를 기존 대비 73% 감축할 것이라고 밝혔다.

함께 만들어 나가는 반도체 산업의 지속가능성

SK하이닉스는 이번 행사에서 반도체 산업의 온실가스 감축 전략을 주도하는 핵심 기업으로서의 입지를 강조하며, “직접적인 온실가스 감축을 위한 기술 개발부터 공급망 전반의 온실가스를 줄이기 위한 협력까지, 반도체 산업의 지속가능성을 위해 선도적인 역할을 하겠다”고 밝혔다.

그 중 공정에 투입되는 주요 가스를 저(低)-지구온난화지수(Low-GWP*) 가스로 대체하고, 생산 과정에서 발생하는 온실가스를 줄이는 등 반도체 생산 시설을 업그레이드하기 위해 회사는 노력하고 있다. 협력사 참여가 필수인 이 과정에서 SK하이닉스는 소재사∙장비사와 3자 협업(3Way Collaboration)을 통해 대체가스 개발에 박차를 가하고 있다.

* 넷제로(Net-Zero): 이산화탄소를 포함한 모든 온실가스의 순배출량을 제로(0)로 만드는 개념이다.
* 탄소관리위원회: 넷제로 전략을 수립하고 온실가스 저감 활동 및 연구 과제를 수행하기 위해 연구, 제조, 설비, 환경, 구매 등으로 구성된 SK하이닉스 전사 조직으로 ▲저전력 장비 개발 ▲공정가스 저감 ▲AI/DT 기술 기반 에너지 절감 등을 추진하고 있다.
* Low-GWP(Global Warming Potential): GWP는 지구온난화지수를 말하며, 이산화탄소의 온난화 효과를 1로 두고, 이를 기준으로 다른 온실가스의 온난화 효과를 지수화한 개념이다. Low-GWP는 지구온난화지수가 낮은 것을 의미한다.

Low-GWP 가스 개발과 공정 개선에 총력… 성과 ‘눈앞에’

SK하이닉스는 기후위기 리스크에 대처하고 새로운 기회 요인을 발굴하고자 2022년 탄소관리위원회(이하 탄관위)를 설립했다. 탄관위는 연구, 제조, 설비, 환경, 구매 등으로 구성된 전사 조직으로, 산하에 ▲대체가스 도입 ▲공정가스 저감 ▲RE100 이행 ▲LCA 등 12개 분과가 있다. 각 분과에서는 Scope*1(직접 배출), Scope2(간접 배출), Scope3(기타 간접 배출)의 관리 목표를 수립하고 실행 전략을 정교화하고 있다. Low-GWP 가스 개발을 비롯해 소재·장비사가 포함된 ‘3자 협의체’ 운영 또한 탄관위 역할이다. 이를 통해 회사는 다양한 이해관계자들의 넷제로 참여를 유도하고 있다.

* Scope: 온실가스 배출은 Scope1(직접 배출), Scope2(간접 배출), Scope3(기타 간접 배출)로 나뉜다. Scope 3는 사업장 외부(협력사의 원부자재 공급 과정, 제품이 판매된 후 처리되는 과정 등)에서 발생하는 배출량을 모두 포함한다.

▲ 탄소관리위원회 대체가스 도입 분과와 공정가스 저감 분과 구성원들이 연구 결과를 공유하고 있다. Scope1을 줄이는 업무는 12개 분과 중 대체가스 도입 분과와 공정가스 저감 분과가 담당하고 있다.

대체가스 도입 분과는 GWP가 높은 공정가스를 대체하기 위한 방안을 검토 중이다. 특히 식각(Etch) 및 챔버 세정(Cleaning)에 사용 중인 과불화탄소(PFCs)는 수명이 길고 대기 중에 장시간 머문다. 이에 분과는 온실가스 배출 저감량 예측 시스템을 통해 요소 기술별 탄소 배출량을 분석하고 최적의 저감 목표치를 달성할 수 있는 소재를 발굴하고 있다. 또, 식각 공정의 온실가스 고(高) 유발 물질을 신규 소재로 대체 적용 중이며, 현재 적용 평가까지 완료된 상태다. 이는 공정 시간을 단축시키는 효과도 있어 Scope1은 물론 Scope2 감축과 재료비 절감에도 기여할 것으로 기대된다.

공정가스 저감 분과는 온실가스 고(高) 유발 공정을 개선하고 혼합 공정가스를 평가하는 업무를 추진한다. 증착(Deposition) 공정에서는 웨이퍼 세정을 위해 삼불화질소(NF₃)를 사용하는데, 3년의 연구 끝에 ToF-MS* 장비를 활용해 삼불화질소(NF₃)로 세정하는 100여 개 공정을 최적화했다. 이를 통해 연간 온실가스 3만 여 tCO₂e/yr*를 감축하는 효과를 봤다.

* ToF-MS(Time of Fight Mass Spectrometry): 비행시간 차 질량 분석기. 샘플링된 가스가 ToF-MS 내부에서 이온화된 후 가속화되면 가벼운 이온은 먼저, 무거운 이온은 나중에 검출된다. ToF-MS는 이 원리로 물질을 확인하는 분석기다.
* tCO₂e/yr: 연간 이산화탄소 환산량, 단위는 톤(ton)

▲ 탄소관리위원회 구성원들이 팹(Fab) 내부에서 공정 개선에 따른 온실가스 감축량을 테스트하고 있다.

탄관위는 2030년까지 공정가스 배출량을 40% 줄이는 것을 목표로(2020년 배출량 기준) 하고 있다. 대체가스 도입 분과장인 소재개발 담당 길덕신 부사장은 “10여 종의 핵심 공정가스에 대체가스를 적용하는 방안을 검토 중이고, 그 효과가 클 것으로 기대한다”며, “특히 육불화황(SF₆)을 대체가스로 바꾼다면 SK하이닉스 내 온실가스 배출량을 획기적으로 줄일 수 있을 것”이라고 밝혔다. 또 길 부사장은 “이를 위해 SK하이닉스·소재·장비사가 원팀으로 움직이고 있다”며 “3자 협업은 단순한 성과를 넘어 지속 가능한 발전을 위한 새로운 모델을 제시할 것”이라고 덧붙였다.

주요 소재사∙장비사와 협업 도모… 협력사 참여는 넷제로 달성의 핵심

반도체 제조 공정 특성상 공정가스를 줄이기 위해서는 다양한 이해관계자가 참여하는 네트워크가 필수다. 이에 SK하이닉스는 주요 소재사 및 장비사와 ‘3자 협업(3Way Collaboration)’ 체계를 구축했다. 3자 협의회는 개발 초기 단계에 대체가스 후보군별 고유 특성을 파악한다. 이후 다자간 논의를 통해 적용 가능한 공정을 선택하고, 기존 가스 대비 효과를 검증한다.

독일에 본사를 둔 화학 회사 머크(Merck)는 반도체 기업에 공정용 특수 가스를 공급하며 현재 SK하이닉스와 Low-GWP 가스를 개발하고 있다. 머크 관계자는 “기존 제품의 성능과 동일하고 관련 법규를 준수하는 것은 물론 환경 요구사항까지 만족하는 제품을 개발하기 위해선 3자 협의체의 역할이 중요하다”고 말했다. 더불어 “대체가스 개발 노력은 회사에 또 다른 신성장 동력을 가져다 주는 한편, 반도체 생태계의 탄소 배출을 줄이는 성과를 낼 것으로 믿는다”며 “당장의 부담보다는 미래의 가치를 보고 SK하이닉스와 함께한다”고 전했다.

도쿄일렉트론(TEL)은 개발 중인 대체가스를 제조 장비에 적용하는 업무를 맡고 있다. 샘플 웨이퍼로 테스트를 진행하고 성능을 평가한 뒤, 소재사에서 후속 개발을 이어가도 좋을지 판단하는 것이다. TEL 관계자는 “소재 발굴부터 시범 평가, 제품의 안정성 및 양산 가능성 평가 등 일련의 과정을 통해 대체가스를 개발한다”며 “각자의 역할이 중요한 만큼 적극적인 협업을 통해 SK하이닉스와 넷제로 시기를 앞당기고 싶다”고 밝혔다.

앞서 SK하이닉스는 지난 2월 ‘재활용 소재 사용 중장기 로드맵[관련기사]’을 발표하고, 2025년까지 재활용 소재 비율 25%, 2030년까지 30% 이상으로 늘리겠다는 목표를 밝힌 바 있다. 이번 네온 재활용 기술 개발은 이 로드맵과 더불어 소재 재활용 분야에서 의미 있는 성과가 될 것으로 회사는 기대하고 있다.

네온은 희귀 가스* 중 하나로, 반도체 노광공정*에 필수적인 엑시머 레이저 가스(Excimer Laser Gas)의 주요 성분이다. 네온은 레이저 광원으로 활용할 때 화학적으로 분해되거나 변형되지 않는다는 특징이 있다. 때문에 한 번 사용한 네온은 불순물 제거 등의 분리 및 정제만 거치면 재활용이 가능하다.

* 희귀 가스(Rare Gas): 공기 중에 극소량만이 존재하기 때문에 양산이 어렵고 인공 제조가 불가능한 희소성 높은 산업용 가스로 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 라돈(Rn) 등이 포함된다.
* 노광공정: 레이저 등으로 웨이퍼에 반도체 회로를 그리는 공정

회사는 이 점에 주목해 네온 재활용 기술 개발에 성공했다. SK하이닉스와 TEMC는 노광공정 이후에 스크러버*를 통해 공기 중으로 배출되던 네온 가스를 수집 탱크에 포집하고, TEMC의 가스 처리 과정을 통해 네온만 선택적으로 분리해 정제 했다. 이렇게 정제된 네온은 다시 SK하이닉스로 공급되어 반도체 제조 공정에 사용된다. 현재 네온 회수율(배출량*포집량*정제수율)은 72.7%에 이른다. SK하이닉스는 앞으로 지속적으로 정제수율을 개선해 네온 회수율을 77%까지 높일 계획이다.

* 스크러버(Scrubber): 반도체 생산 공정 중 발생하는 가스, 화합물 등을 걸러내고 제거하는 장치

SK하이닉스-협력사 원팀 협업으로 이룬 성과… 구매 비용 절감 기대

이번 기술 개발은 SK하이닉스와 소재 및 장비 협력사가 각 분야의 전문 지식을 바탕으로 긴밀하게 협력해 만들어진 성과라고 회사는 강조했다. 회사는 앞으로도 전문성을 갖춘 협력사들과의 파트너십을 더욱 발전시켜 나가겠다는 계획이다. 회사는 앞으로도 전문성을 갖춘 협력사들과의 파트너십을 더욱 발전시켜 나가겠다는 계획이다. 네온 재활용 기술이 반도체 팹에 적용될 경우 연간 400억 원* 상당의 네온 구매 비용이 줄어들 것으로 예상된다.

* 2022년 네온 단가 및 용인 반도체 클러스터 1기 팹 적용 기준

‘2025년까지 10개 원자재 재활용 기술 개발 목표’의 첫걸음 떼다

▲ 소재 재활용 분과 송환욱 TL, 송부섭 팀장, 정용준 TL(왼쪽부터)이 소재 재활용 기술과 관련해 회의하고 있다.

네온 재활용 기술 개발을 주도한 SK하이닉스 탄소관리위원회*의 소재 재활용 분과*는 반도체 공정에서 화학적으로 분해 및 변형되지 않는 모든 소재의 재활용을 최종 목표로 삼고 있다. 분과는 2025년까지 네온, 중수소(D₂), 수소(H₂), 헬륨(He) 등 4개 가스 소재와 황산(H₂SO₄등 화학 소재를 비롯해 총 10개 원자재의 재활용 기술을 개발할 계획이다. 2030년까지는 화학적 변형이 없는 모든 소재에 대한 기술 검토를 완료한다는 것이 회사의 목표다.

* 탄소관리위원회: 2050년 넷제로를 달성하기 위해 연구, 제조, 설비, 환경, 구매 등으로 구성한 전사 조직이며, 저전력 장비 개발, 공정가스 저감, AI/DT 기술 기반 에너지 절감 등을 추진하고 있다.
* 소재 재활용 분과: 탄소관리위원회 산하 12개 분과 중 하나로 화학적 변형이 없는 소재를 대상으로 재활용 기술을 확보하고 이에 기반해 재활용 친화적 팹 환경을 구축하는 업무를 담당하고 있다.

이를 위해 분과는 재활용 기술을 ‘기술 성숙도’에 따라 5단계로 분류하고, 2025년까지 네온 등 10개 원자재에 대해 적어도 3단계(소재 인증) 이상의 기술 확보를 추진하려고 한다. (위 그림 참조)

궁극적으로 SK하이닉스는 해외 의존도가 높은 소재의 수급 문제를 해결해, 회사 경쟁력을 높이는 데 기여하겠다는 계획이다.

기업의 명운이 ‘환경’에 따라 좌우되는 시대다. 기후변화 대응으로 지속가능한 생태계를 조성하는 일은 이제 모든 기업들의 생존 과제가 됐다. 그 중 ‘넷제로*’는 대다수 기업들이 실천하고 있는 가장 대표적인 약속 중 하나다.

* 넷제로(Net Zero) : 이산화탄소를 포함한 모든 온실가스의 순배출량을 제로(0)로 만든다는 개념

SK하이닉스도 2050년 넷제로 달성을 목표로 다양한 활동을 추진하고 있다. SK하이닉스는 지난해 탄소관리위원회를 출범해 ▲협력사와 저전력 장비 개발 ▲공정가스 저감 ▲AI/DT(Digital Transformation) 기반 에너지 절감 등 다방면에 걸쳐 탄소 저감 활동을 펼치고 있다.

이를 통해 SK하이닉스는 2030년까지 온실가스 Scope* 1과 2 배출량 유지(2020년 수준), 재생에너지 사용률 33% 달성, 에너지 누적 절감 3,000GWh 달성, 공정가스 배출량 40% 감축 등 목표에 한 발짝씩 다가서는 중이다.

* Scope : 온실가스 배출은 Scope 1(직접 배출), Scope 2(간접 배출), Scope 3(기타 간접 배출)로 나뉨. Scope 3는 사업장 외부(협력사의 원부자재 공급 과정, 제품이 판매된 후 처리되는 과정 등)에서 발생하는 배출량을 모두 포함함. SK하이닉스의 2030년 Scope 1과 2 목표에 다롄 Fab과 키파운드리 배출량은 반영되지 않음

협력사와 저전력 장비 개발 및 도입

SK하이닉스가 추진 중인 대표적인 활동은 ‘저전력 장비 개발 및 도입’이다. 특히, 지난해 협력사와의 협업으로 처음 도입한 이너 히터(Inner Heater)는 기존 대비 50% 높은 효율로 전력 사용량을 줄이는 데 크게 기여하고 있다. 이너 히터는 장비의 배관 겉면에 부착된 히터를 배관 안쪽에 넣는 방식으로, 배관 안에 불순물이 생기는 것을 줄여줌으로써 장비 효율을 높이고 전력 소모를 줄여주는 장치다. 이를 선제적으로 도입해 효과를 검증한 SK하이닉스는 올해부터 활용 분야를 점차 확대해 나간다는 계획이다.

또, 반도체 공정에서 생기는 가스와 화합물을 가장 먼저 제거하는 1차 스크러버(1st Scrubber)의 효율 개선도 빼놓을 수 없다. SK하이닉스는 협력사와 함께 공정가스 사용량을 조절하거나, 저전력으로도 처리 가능한 공정가스를 개발하는 등 1차 스크러버의 처리 효율을 높여나가고 있다. 나아가 1차 스크러버 자체의 물과 전력 사용량을 줄이기 위해 신규 설비를 개발 중이며, 운영 효율성을 높이기 위한 통합 처리 시설 도입도 추진하고 있다. 이를 통해 향후 건설될 신규 팹(Fab)에 1차 스크러버의 온실가스 처리 효율을 획기적으로 개선하고, 전력 사용량을 40% 이상 줄이는 것이 목표다.

이외에도 회사는 협력사와 함께 유휴 대기 중인 장비의 저전력 모드 기능을 개발하고 있으며, 장비의 에너지 소비 효율을 등급화해 체계적으로 관리할 수 있도록 에너지 효율 측정 모드도 개발하는 중이다.

기술 혁신을 통한 공정가스 저감

SK하이닉스는 ‘공정가스 저감 활동’도 시행하고 있다. 반도체 식각 공정 등에 사용되는 가스의 경우 수명이 길고 지구온난화지수(GWP)*가 높아 제대로 처리하지 않으면 환경에 미치는 영향이 크다. 이에 회사는 지난해 제조/기술담당 산하의 여러 조직을 모아 태스크포스(TF)를 구성하고 본격적인 온실가스 저감 활동에 나섰다.

* 지구온난화지수(GWP, Global Warming Potential) : 이산화탄소의 온난화 효과를 1로 두고, 이를 기준으로 다른 온실가스의 온난화 효과를 지수화한 것

그 결과, 회사는 T/F(Thin Film) 공정에서 시간차 질량 분석(ToF-MS, Time of Flight Mass Spectrometry) 진단을 통해 공정가스를 줄일 수 있는 13개 공정을 선별해내 온실가스 약 1만 2,029 tCO2e/yr*을 감축하는 데 성공했다. 또, 식각 공정에서는 온실가스 배출량이 적은 공정가스로 대체하고 있으며, 이에 따라 온실가스 약 3만 tCO2e/yr을 줄일 수 있을 것으로 예상된다. SK하이닉스는 기존 공정가스를 지속해서 줄이는 한편, 지구온난화지수가 낮은 신규 물질을 지속적으로 발굴해 나간다는 계획이다.

* tCO2e/yr : 연간 이산화탄소 환산량, 단위는 톤(ton)

AI/DT 기반 에너지 효율 제고

SK하이닉스는 냉동기, 외기조화기(OAC, Outside Air Conditioner), 폐열 회수 등 주요 설비에 ‘AI/DT 기술을 도입해 에너지 효율 제고’에도 나서고 있다. 그동안 구성원 개인의 경험 또는 지식에 주로 의존해 설비를 운영했다면, 향후에는 빅데이터 분석을 통해 에너지 효율이 가장 높은 방식을 채택한다는 계획이다. 이를 위해 회사는 머신러닝을 활용, 자체 학습으로 최적의 운전 모델을 도출해내고 있다.

이러한 AI/DT 기반의 설비 운영 시스템은 도입 초기임에도 꽤 가시적인 성과를 내고 있다. 지난해에는 142억 원의 에너지 절감 효과를 냈으며, 올해는 163억 원을 절감할 것으로 예상된다. SK하이닉스는 이 시스템이 안착하게 되면 최대 45%까지 에너지 비용을 절감할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

SK하이닉스 탄소관리위원회 김영식 위원장(제조/기술담당 부사장) 인터뷰

SK하이닉스의 탄소 저감 활동은 지난해 1월 사내에 설립된 ‘탄소관리위원회(이하 탄관위)’가 주도해 운영하고 있다. 뉴스룸은 탄관위 김영식 위원장(제조/기술담당 부사장)을 만나 자세한 이야기를 들어봤다.

▲ SK하이닉스 탄소관리위원회 김영식 위원장이 탄소관리위원회의 설립 배경과 역할에 대해 설명하고 있다.

“회사의 성장과 투자가 지속됨에 따라 온실가스 배출량이 증가하는 것은 당연한 결과입니다. 따라서 2050년까지 넷제로를 달성하려면 지금부터 온실가스 저감 기술을 고민하고 개발해야 합니다. 이것이 탄관위가 출범한 이유입니다.”

김 위원장에 따르면 탄관위는 넷제로 및 RE100(재생에너지로 100% 대체) 달성을 위해 전략을 수립하고, 이를 회사의 중장기 경영 전략에 반영하기 위해 조직됐다. 위원회에는 100명이 넘는 기술 인력이 투입돼 있다. ▲저전력 장비 개발 ▲공정가스 저감 ▲AI/DT 기반 에너지 절감 등은 탄관위가 주요하게 추진하고 있는 활동이다.

이밖에도 탄관위는 신제품의 온실가스 저감 전략을 마련하고, 제품 생산 전 협력사로부터 원자재를 공급받거나 제품 판매 후 운송 · 사용 · 처분되는 과정에서 간접 배출되는 온실가스(Scope 3)를 감축하는 일도 맡는다. 또, 재생에너지를 확보하기 위한 방안을 모색하는 등 넷제로 및 RE100 달성을 위한 다양한 과제를 해결해 나가는 중이다.

▲ SK하이닉스 탄소관리위원회 김영식 위원장이 현장 중심의 혁신이 넷제로 경쟁력 확보에 가장 중요한 요인임을 설명하고 있다.

“단기적으로는 현재 우리가 가진 자원과 인적 역량을 잘 활용해 온실가스를 절감할 항목을 발굴하는 것이 목표입니다. 중장기적으로는 미래 반도체에 온실가스 저감 기술을 접목하는 과제를 가지고 있습니다. 이를 위해 가장 중요한 동력은 ‘구성원과 협력사’입니다.”

김 위원장은 구성원의 동참을 이끌어낼 수 있도록 ‘탄소 저감 기술 개발이 곧 개인과 회사의 성장으로 이어진다’는 점을 강조하며 소통하고 있다고 밝혔다. 또, 협력사의 참여를 확대하고, 이들과 함께 Scope 3 전략을 세우고 있다고 밝혔다. 이를 통해 생태계 전체의 ‘넷제로 경쟁력’을 확보한다는 구상이다.

“넷제로 경쟁력 확보는 이전까지 시도해보지 않은 도전 과제입니다. 글로벌 일류 기술 기업을 지향하는 SK하이닉스는 기술 혁신을 통해 생태계 전반의 지속가능성을 높이는 넷제로 경쟁력을 강화할 것입니다. 이를 기반으로 2050년 넷제로 달성을 위해 달려 나가겠습니다.”