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[기획] 산업용가스의 수요분야②산업용가스의 기본수요를 알고 응용기술을 찾아야
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승인 2006.09.11  
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수요별 공정, 특징, 시장개황 등 가스의 기초지식 연재

가스의 생성은 지구탄생과 더불어 오랜 역사를 가지고 있다. 하지만 화석연료인 천연가스나 LPG의 경우는 수천만년에 걸쳐 지구표면의 지하에 각종 화학반응과 물질의 결합으로 생성된 데 반해 산업용가스는 1차적으로 대기중의 공기를 분리하는 형태로 사용돼 왔다.

영국을 중심으로 한 산업혁명 직전에 발견돼 가스의 공기분리는 산업화를 앞당겨 왔고 이를 이용한 기간산업들의 성장기반이 됐다는 사실에는 두 말할 필요가 없다.

따라서 지구상에 존재하는 가스 즉, 기체·액체상의 가스는 제조 및 운반의 용이성으로 인해 각종 기초 산업소재로서 직접 사용되거나 간접적으로 영향을 미치는 등 다양한 수요를 나타내고 있는 소중한 자원이다.

우리가 호흡하고 있는 공기중에는 질소 78.082%, 산소 20.945%, 아르곤 0.933%, 이산화탄소 0.037%(한국표준과학연구원 김진석 박사)가 차지하고 있으며 이중에는 함유량이 0.001~0.000001%에 불가한 네온, 헬륨, 메탄, 크립톤, 수소, 아산화질소, 일산화탄소, 크세논 등의 미세한 가스가 포함돼 있다.

이번호에서는 지난호에 이어 초심(初審) 기획 제2탄으로 가스의 수요별 공정 및 특징을 정리해 독자여러분들께 가스에 대한 기초적인 상식을 재확인하고자 합니다.

액정디스플레이(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display)

TFT LCD(박막 트랜지스터 액정 표시장치)는 능동 매트릭스형 액정의 하나로 액정표시장치(LCD)의 화소를 박막 트랜지스터(TFT)로 제어하는 장치로 음극선관(CRT)에 비해 화면의 흐트러짐이 없고 콘트라스트, 계조(階調) 표지, 응답속도 등에서는 CRT에 버금간다.

유리 기판상에 수십만개의 미세한 트랜지스터를 형성하기 위해서는 고도의 제조기술을 요하고 있으며 불량률이 높은탓에 TFT 액정 표시장치의 가격을 올리는 요인이 되기도 한다.

이같은 상황에서 90년초부터 본격적으로 생산돼 역사는 짧지만 제조기술의 발달과 제조 비용의 절감에 따라 컴퓨터용 표시장치에는 LCD 채용이 보편화 되며 고도의 성장세를 기록하고 있다.

산업용특수가스시장에서도 이같은 액정분야에서는 90년까지 액정주입에 소량이 사용되면서 시장의 기반을 조성하기 시작했지만 최근에는 여타 분야의 시장규모를 앞지르는 형상이 되고 있다.

이같은 성장세의 중요한 요인은 90년대 후반까지 노트북의 수요증가로 인한 액정TFT의 기술혁신이라고 할 수 있다.

90년대 후반이후 데스크탑 PC의 모니터와 차량용 네비게이션 그리고 휴대전화로의 응용은 꾸준히 확대되고 있다.

기본적으로는 텔레비전 분야에서의 수요확산 기대가 높았으나 15인치 전후의 중형 분야에 국한돼다보니 다소 더딘 성장으로 보였으나 2002년에 들어서면서 25인치 이상의 대형 액정TV의 수요가 급성장하면서 시장성장의 핵이 되고 있다.

또한 최근에는 13.3인치형 또는 14.5인치형의 액정 패널이 등장, 탁상형 PC용의 LCD로서 인기를 누리고 있으며 여러 개의 액정 패널을 적당히 배열함으로써 40인치 이상의 대화면 LCD도 제작할 수 있게 됐다.

한편 폴리실리콘을 사용한 PTFT 액정 표시 장치가 개발됐는데 이는 화소를 제어하는 트랜지스터의 크기를 작게 할 수 있는 장점이 있으며 간극률을 올림에 따라 넓은 시야각을 확보할 수 있고 선명한 표시를 기대할 수 있기도 하다.

또한 표시 장치와 주변 회로를 같은 기판에 형성할 수 있으므로 소형화·저가격화를 달성할 수 있다.

특히 최근에는 삼성전자가 8세대 LCD 제조라인에 19억달러(1조8000억원)를 투입, 유리기판 2200×2500㎜ 크기의 8세대 아몰퍼스 TFT LCD 라인을 건설키로 함에 따라 이미 공장가동을 준비중인 샤프 등과 더불어 시장성은 더욱 커지고 있는 상황이다.

이에 가스수요도 꾸준한 증가세를 보일 것으로 예상되며 주력인 아몰파스 Si형 TFT의 제조공정에서는 벤트, 퍼지, 캐리어, 기판냉각용으로 질소가 대량 소비가 불가피하다.

그밖에 플라즈마 CVD공정에서도 다양한 가스가 사용된다. 게이트 절연막 재료로 모노실란, 테오스, 암모니아 등이 이용되며 아몰파스 Si막에서는 모노실란, 포스핀 등이, 채널보호막이나 패시베이션에서는 암모니아가, 스패터링공정에서는 아르곤, 산소앗싱에서는 산소가 사용된다.

사불화탄소, 육불화이온, 염소 등은 드라이에칭용이다.

플라즈마CVD의 챔버클리닝용으로 삼불화질소와 육불화에탄, 육불화황을 사용한다. 주력 가스는 삼불화질소로 되어있다.

이밖에도 액정주입, 칼라필터 등에서 질소가 이용된다. 액정의 주위에 드라이버스 IC를 동시에 만드는 시스템액정에서는 실리콘반도체 프로세스에 가까운 가스가 사용된다.

이와 같이 액정TFT용 가스 수요는 질소와 삼불화질소, 모노실란이 주력이 된다. 반도체 장비에서는 배기가스처리장치, 가스캐비넷 등이 있다.

TFT는 실리콘반도체에 비해 프로세스는 간단하기 때문에 가스의 종류는 적지만 유리기판의 대형화와 동반하여 가스의 소비량은 증가하고 있는 셈이다.

실리콘 웨이퍼(Silicon Wafer)

실리콘 웨이퍼는 순도 99.9999999%의 단결정(單結晶) 규소를 얇게 잘라 표면을 매끈하게 다듬은 것으로 웨이퍼의 표면은 결함이나 오염이 없어야 함은 물론 회로의 정밀도에 영향을 미치기 때문에 고도의 평탄도가 요구된다.

최근에는 두께 0.3㎜, 지름 15㎝의 원판 모양의 것이 사용되고 있다.

실리콘 웨이퍼는 실리콘반도체의 문자 그대로 기판재료이다.

제조공정은 1.다결정실리콘제조 2.단결정제조(CZ법, MCZ법) 3.웨이퍼제조연마 공정 4.에피성장 등으로 크게 구분된다.

이 중에 가스가 주로 사용되는 것은 다결정실리콘제조에서는 금속실리콘의 정제, 반응에 의한 다결정실리콘의 환원용 수소, 단결정 제조에서는 아르곤이 대표적으로 사용된다.

최근의 경향에서는 폴리싱 웨이퍼(연마가공)후 에피 성장과 수소아닐(열처리), 실리콘·온·인슐레이터(SOI) 등 일정한 성막과 결정결하개선 등의 처리를 행하는 케이스가 증가하고 있다.

앞으로의 경향으로는 에피 웨이퍼등의 확대와 300mm웨이퍼 등 대형화가 진행되어 가스소비량의 증가가 예상되고 있다.

단, 아르곤에서는 회수장치, 수소는 온사이트화가 진행되고 있다.

다결정으로는 트리클로로실란(혹은 모노실란)과 수소를 반응시켜 원소상 실리콘(단결정의 작은 알갱이가 많이 집합된 다결정 실리콘)을 제조한다.

단결정으로는 아르곤 분위기하에서 다결정을 녹여 단결정화한다.

단결정제조법에는 CZ법(끌어올린 단결정법) 과 FZ법(부유대 단결정법)이 있지만(주력은 CZ법) 모두 대량의 아르곤을 사용한다.

아르곤은 불활성가스이고 활방전 전위로 하기 힘든 특성으로부터 사용되고 있다.

또 도프제로서 P형은 붕소, N형으로 린, 안티몬, 비소를 사용하지만 일반적으로는 가스가 아니고 고형물질을 사용한다.

그밖에 단결정에서는 트리클로로실란, 환원용 수소, 보안용 질소 등의 가스가 이용된다.

에피 웨이퍼는 환원용 수소, 모노실란, 트리클로로실란, 염화수소 등이 사용되며 도핑가스로서 디볼란, 포스핀 등이 있다.

또 차세대 웨이퍼 SOI(Silicon-On-Insulator)에서는 실란계 가스, 수소 등이 이용되며 에피용 CVD 챔버클리닝에 염화수소가 사용된다.

실리콘 반도체(Silicon Semiconductor)

반도체에서 ‘반’은 중간을 의미한다. 따라서 반도체는 도체와 부도체의 중간 정도의 성질을 가지며 평소에는 부도체의 성질을 가지고 있지만 빛 또는 열을 가하거나 특정 불순물을 넣는 등의 인위적인 조작을 하면 전기가 통하게 된다. 일반적으로 실온에서 10-3~1010Ω·cm 정도의 비저항을 가지지만 그 범위가 엄격하게 정해져 있지는 않다.

반도체에 주로 쓰이는 재료인 실리콘은 모래나 수정 등이 주성분이고 지구에서 산소 다음으로 흔한 원소다.

실리콘을 반도체의 재료로 사용하기 위해서는 모래를 화학처리하여 실리콘만을 뽑아내고 정제과정을 거쳐 순도를 높여야 한다.

주로 이용되는 분야는 다이오드, 열전자 방출체, 집적회로소자, 전자식 카메라 등 첨단 전자산업 부문에 넓게 응용되고 있으며 태양전지나 발광소자에도 사용된다.

이처럼 우리 주변의 대부분의 전자제품에 들어있어 생활에 편리를 가져다 주기 때문에 반도체를 ‘마법의 돌’이라 부르기도 한다.

이같은 실리콘반도체는 전(前)공정에서 확산·아닐, CVD(감압·상압·메탈·플라즈마), 도핑, 에칭, 이온주입, 스패터링 등의 프로세스에서 상당히 다양한 산업용가스가 사용된다.

또 관련 장비나 시스템 등도 풍부하게 이용된다.

사용되는 가스의 종류도 질소, 아르곤, 수소, 산소, 헬륨 등의 벌크가스계로부터 모노실란, 테오스, 삼불화질소, 사불화탄소, 육불화텅스텐, 아산화질소, 암모니아 등의 특수재료 가스들까지 약 20종을 헤아리고 있다.

노광분야에서도 엑시머레이저 발진용 혼합가스로 KrF, ArF 등이 더해졌다.

또 에칭, 크리닝을 위한 새로운 가스(C5, F8, C3F8, C4F6), 배선재료 (TiCl4, 유기계재료), 확산·CVD의 웨이퍼냉각용 헬륨 등 low-k, high-k 등 차세대 프로세스 지향의 재료(주로 특수화학재료) 등 미세가공,고집적화에 맞춘 가스의 종류는 더욱 확대되고 있다.

장비시스템 및 설비공사 등을 기준으로 살펴보더라도 질소 온사이트, 가스캐비넷, 제조장치의 공급시스템 등으로부터 가스검지경보기, 배기가스처리장치 등에 이르기까지 분야의 폭이 넓게 나타나 있다.

다시한번 사용가스에 대해 설명하자면 실리콘반도체의 전공정에서 사용되는 가스는 크게 구분하면 벌크계가스와 특수재료가스로 나뉘어진다.

벌크계가스로는 질소, 아르곤, 수소, 산소, 헬륨 등이 있으며 이중에서 가장 대량으로 사용되는 것이 질소이다.

공급방식의 대부분이 온사이트 방식이며 용도는 각종 퍼지, 캐리어(특수재료가스송급), 치환용(CVD 등 챔버 내의 바꿔 넣기), 보안용(배기가스 처리용) 등이다.

수소, 아르곤, 헬륨은 특수재료가스의 캐리어용으로 주로 사용되며 냉각용으로 액체질소, 헬륨도 사용된다.

특수재료가스는 CVD, 에칭, 이온주입, 도핑, 클리닝 등의 각 공정에서 주로 사용된다.

CVD에서는 모노실란, 디클로로실란, 테오스, 육불화텅스텐, 아산화질소, 암모니아 등이 사용되며 에칭,클리닝에서는 사불화탄소, 삼불화질소 등과 불소계가스가 주로 사용된다.

전자부품

PC, 휴대전화 등 IT관련기기가 세계적으로 보급된 90년대에서부터 관련시장은 비약적인 확대를 보여 왔다.

2000년대에 들어서면서 IT산업의 불황이 계속돼 왔지만 최근에는 소비자들의 구매욕구가 디지털가전제품으로 꾸준히 늘어나면서 시장성은 더욱 상승하는 분위기가 나타나고 있다.

일본과 더불어 세밀한 제품에 대해 강세를 나타내고 있는 우리나라에 있어서 전자부품 산업은 기업규모가 어떻든간에 꾸준한 성장세를 보이고 있다는 사실은 결코 부인할 수 없을 것이다.

전자부품산업은 한마디로 설명하기 어려울 정도로 헤아릴 수 없을 만큼의 종류가 존재하지만 각종 부품은 특성에 의해 능동부품, 수동부품, 보조부품의 3개로 크게 구분할 수 있다.

능동부품은 입력과 출력을 갖고 전기를 더하는 것으로서 일정한 관계를 갖게 하는 것으로 트랜지스터, IC, 다이오드, 오페어엠프 등이 대표적인 제품이다.

수동부품은 자신만으로는 기능하지 않지만 능동부품과 조합시켜 기능하는 것으로 저항, 코일, 콘덴서의 3종이 중심이다.

보조부품은 소자를 접속한다든지 고정하기 위한 부품으로 커넥터, 기판, 단자, 스위치, 전선재료 등이 포함된다.

전자부품에서 산업용가스 공급시스템은 원재료로서의 파인세라믹스용으로 분위기 제어용의 질소를 비롯, CVD, HIP, 용사프로세스용 아르곤, 환원용 수소, 박막형성용 특수재료가스 등 다양한 가스가 소비되고 있다.

또 프린트를 기반으로 한 전자부품실장분야에서도 질소수요가 급신장하면서 PSA의 시장을 주도해 나가고 있다.

이에 가장 소비량이 많은 질소는 각종 퍼지, 캐리어, 치환, 질화 등에 이용되고 특히 원료인 세라믹의 제조공정에서 분위기가스로써 대량으로 소비된다.

또 프린트기판의 납땜붙임공정에서는 리프로로의 퍼지가스로써 사용되고 있다. 리프로로에서는 99.99%의 질소를 24시간 흘려보내기 때문에 질소 PSA의 시장이 되고 있다.

수소는 세라믹원료의 소결공정에서 환원제로써 사용되는 외에 아르곤과 함께 질화할 때의 온도컨트롤, 캐리어에도 이용된다.

고순도 메탄은 금속CVD의 탄화원으로서 또 제품에 의해서는 산화프로세스에서 산소를 필요로 하는 것도 있다.

수요가스의 사용빈도는 질소가 60%, 아르곤 18%, 수소 10%, 메탄 6%, 기타 6% 등으로 나타나고 있다.

화합물 반도체(Compound semiconductor)

두 종류 이상의 원소화합물로 이루어지는 반도체인 화합물 반도체는 주로 갈륨비소(GaAs)·인듐인(InP)·갈륨인(GaP) 등의 3~5족 화합물 반도체와 황화카드뮴(CdS)·텔루르화아연(ZnTe) 등의 2~6족, 황화납(PbS) 등의 4~6족 화합물 반도체 등이 있다.

게르마늄이나 실리콘 등 단체(單體)의 반도체와는 캐리어의 이동도(移動度), 띠(band) 구조 등이 다르므로 전기적 ·광학적 성질도 크게 다르다.

여러 종류의 이러한 화합물 반도체 중에서 적당한 성질을 가진 것을 골라내어 발광다이오드·반도체 레이저·고주파발진소자 등 실리콘·게르마늄 등으로는 실현할 수 없는 소자가 개발되고 있다.

이같은 화합물 반도체는 휴대전화 등에 사용되는 고속, 고주파 디바이스, 발광 다이오드와 레이저 다이오드로서 수요가 지속적으로 증가하고 있다.

지난 2000년대 초 소위 IT불황으로 일시적인 성장 둔화가 있었지만 중장기적으로는 성장세가 높은 분야이기도 하다.

실리콘 반도체와 같이 고순도, 특수재료가스를 사용하지만 유기금속재료를 사용하는 특징을 갖는다.

화합물 반도체 제조과정에서는 기상 에피타키샬성장 그 중에서도 MOCVD법이 많이 쓰이고 있기 때문에 가스가 재료로써 사용된다.

휴대전화의 FET 등 고주파 디바이스용 갈륨비소(GaAa)에서는 아르신, TMG(트리메틸갈륨)이 사용된다.

디스플레이표시용 청색LED와 DVD 픽업용 LD에 응용되는 갈륨나이트라이드계(GaN)에서는 화이트나 블루 등 고순도 암모니아가 사용된다.

유리융해

융해는 용융(熔融)이라고도 하며 물질의 상변화(相變化)의 하나로 모든 물질은 어떤 온도에 이르면 이같은 변화가 일어난다.

특히 결정질(結晶質) 고체는 일정온도에 도달하면 갑자기 녹기 시작하고 고체가 전부 녹을 때까지는 온도가 그 이상 올라가지 않는데 이는 고체를 가열해 가면 어느 온도점에서 분자의 열운동에너지가 분자간의 결합에너지를 웃돌고 고체 내의 규칙적인 분자배열이 무너지기 때문이다.

이렇게 분자의 운동에너지가 그 결합에너지를 넘어 현상적으로 일정 부피를 유지하고 있는 고체로부터 유동성(流動性)을 가지는 액체로 변하기 시작하는 온도를 그 물질의 융해점 또는 녹는점이라 한다.

융해하기 시작한 단위질량의 고체를 액체로 변하게 하는 데 필요한 열에너지를 그 물질의 융해열이라 한다.

단 유리·납·플라스틱 등은 결정구조를 가지지 않으므로 일정한 녹는점이 없고 온도의 상승과 더불어 연속적으로 유동성 액체로 변해 간다.

이러한 물질에 대해서는 녹는점 대신 연화하기 쉬운 온도, 즉 연화점(軟化點)을 취한다.

유리원료인 규사, 석회, 소다회를 용융하는 온도는 1,200℃~1,600℃로 이 고온 연소의 조연제로써 산소가 주입되며 천연가스, 중유를 연료로 산소버너에 의한 복사열로 원료를 녹인다.

중유 1리터를 연소시키는데 필요한 산소량은 약 2㎥이다.

브라운관, 액정기판 유리爐의 표준적인 연료소비량은 중유환산으로 1,000~1,500ℓ/h이며 조연제인 산소의 1爐당 필요량은 2,000~3,000N㎥/h이며 유리로는 24시간 연속 운전을 하기 때문에 산소 공급법은 PSA가 일반적이다.

복수분이 있는 연소용 버너 중에 수차례에 걸쳐 공기로부터 산소로 바꿔 산소부하연소를 행하는 경우도 있으나 이는 제조로의 수명을 늘리는 것이 목적이다.

또 관유리의 컷트용과 수정용으로 산소버너를 사용하는 것도 있다.

판유리 분야에서는 제판 프로세스에서 불활성분위기용으로 질소와 수소를 사용한다.

또 2매의 판유리를 겹쳐놓은 것으로써 단열효과를 높여 주거의 에너지 성능을 향상시키는 복층 유리의 봉입용으로 크립톤, 아르곤이 사용된다.

그 중에서도 크립톤은 단열효과가 높아 유럽에서는 인기가 있고 일본에서도 온난화 대책으로써 주거설비 메이커의 표준화가 검토되고 있다.

따라서 연료인 중류, 천연가스의 절감이라고 하는 에너지 효과와 배기가스 중에 포함된 NOx의 저감이라는 환경개선효과는 공기의 연소보다는 산소를 사용하는 유리용융 산소연소 프로그램을 통해 전로와 나란히 산소의 수요분야로 성장하고 있다.

이같은 연소프로그램은 80년대 중반에 개발되기 시작해 지구온난화에 의한 CO2 삭감이 과제로 부상된 90년대 말이 되어서 단번에 퍼졌다.

하지만 액정기판 유리, 브라운관, 유리화이버 등 爐 규모가 작고 부가가치가 높은 산업에 일조했으나 판유리 등 대형 유리로에는 제조경비문제로 당장은 도입이 어려울 것으로 보인다.

따라서 TV와 PC용 모니터용으로 산소연소의 도입이 빨랐던 브라운관 유리는 PDP와 액정으로 인해 주역의 자리를 빼앗겨 새로운 유리융해로 건설은 두 말할 나위없고 이에 따른 유리제조메이커의 설비투자의 중심은 액정기판 유리 특히 TV용 대형유리기판 생산으로 점차 변환되고 있다.


다음호에서는 의료, 식음료, 조선 등 관련 수요분야에 대해 초심기획3탄으로 연재합니다.
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