반도체 공정용 플라즈마 스크러버 사용단계의 탄소배출량 산정모델 개발
Development of a Carbon Estimation Model for the Use Phase of Plasma Scrubber Used in Semiconductor Processes
- 주제(키워드) 반도체 산업 , PoU 스크러버 , 플라즈마 스크러버 , 사불화탄소 , 저감 효율（DRE） , 전과정평가（LCA）
- 주제(DDC) 628.5
- 발행기관 아주대학교 공학대학원
- 지도교수 이재영
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 공학대학원 환경안전공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000036549
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
국문 요약 기후변화 대응을 위한 국제 사회의 탄소배출량 감축 의무화에 발 맞춰, 국내에서도 다양한 온실가스 배출 감축 노력이 이어지고 있다. 특히 우리나라의 핵심 산업중 하나인 반도체 및 디스플레이 전자산업은 지구온난화지수 （GWP, global warming potential）가 높은 과불화탄소 （PFCs） 및 수소불화탄소 （HFCs） 등의 온실가스를 대량으로 사용하기 때문에 온실가스 배출량의 체계적인 관리가 매우 중요한 실정이다. 이에 따라 전자산업의 온실가스 배출량 관리 대상 업체들은 공정 온실가스 사용 시설마다 온실가스 저감 장치인 PoU （point of use） 스크러버를 설치하여 비교적 GWP가 낮은 이산화탄소 등으로 공정가스를 처리한 후 굴뚝으로 내보내고 있으며, 이에 따른 감축 효과 입증을 위해 PoU 스크러버의 온실가스 저감 효율 （DRE, destruction and removal efficiency） 측정을 수행하고 배출량 산정에서의 인자로 적용함으로써 온실가스 감축량을 인정받고 있다. 현재 상용화된 PoU 스크러버 기술로는 유입 가스를 직접 연소하는 연소식 （Burn Type）, 전기 히터를 사용하는 가열식 （Heat Type）, 고온 플라즈마 토치로 유해물질을 이온화하여 분해하는 플라즈마식 （Plasma Type） 스크러버 등이 있으며, 그 중 플라즈마식 스크러버가 일반적으로 가장 우수한 가스 저감 효율을 보여 범용적으로 활용되고 있다. 하지만 이러한 PoU 스크러버들은 가동 과정에서 LNG, 전력 등 다양한 자원을 에너지원으로 소모하며, 이로 인해 또 다른 간접 탄소배출을 유발하게 된다. 이처럼 스크러버 사용단계에서 발생하는 간접배출량을 간과한 채 가스 저감 효율만을 평가하는 것은 전자산업의 실제 배출량을 산정함에 있어 불완전한 접근이 될 수 있다. 본 연구는 우리나라의 전자산업부문 중 반도체 공정용 PoU 플라즈마 스크러버 사용단계에서 전력의 소비가 사불화탄소 （CF4）의 저감 효율 및 전체 탄소배출량에 미치는 영향을 조사하는데 목적이 있다. CF4는 반도체 식각공정 （Etching） 및 증착공정 （Deposition） 등 플라즈마 기반 가공 분야에서 가장 널리 사용되는 공정가스 중 하나이므로 본 연구의 분석 대상으로 선정하였다. 연구의 수행을 위해 국내 반도체 제조 현장에서 식각공정 33건, 증착공정 17건의 현장 측정분석을 수행하였다. LCA 프레임워크를 통하여 플라즈마 스크러버 사용단계에서의 직접적인 CF4 잔류 배출량과 전력 사용에 따른 간접배출량을 통합한 현장 측정 기반의 산정 모델을 개발하였다. 분석 결과, CF4 DRE의 상승에 따른 잔류 배출량의 감소 즉, 직접배출량 감축 효과가 DRE를 상승시키기 위해 전력사용량을 높임으로써 배출되는 간접배출량 대비 월등히 높다는 것을 확인하였고, 이는 CF4의 저감 효율을 99.99 %에 가깝게 만드는 것이 전력사용량을 감소함으로써 간접배출량을 줄이는 것보다 훨씬 큰 탄소배출량 감축 효과를 누릴 수 있다는 것을 시사한다. 또한 스크러버로 유입되는 유량이 상대적으로 낮은 저유량 조건과, 유입 유량이 상대적으로 높은 고유량 조건의 시나리오를 비교했을 때 저유량 조건일 때가 현저히 낮은 에너지 수준에서 배출량이 0에 접근하는 최적의 전력값을 형성한다는 것을 확인하였다. 단, 이러한 영향의 정도는 식각 및 증착 공정별로 차이가 있을 수 있다. 실시간 전력 데이터를 독립변수로 채택함으로써, 본 연구는 플라즈마 토치 전력 변화가 CF4 저감 효율 및 최종 탄소배출량에 미치는 영향을 정량화 하였다는 데 초점을 두었다. 반도체 산업의 Scope 1 및 Scope 2 배출량 관리 측면에서, 기존 배출계수 방식의 불확실성을 보완하고 실제 반도체 제조 현장의 공정별 배출 특성과 실시간 운전 변수를 반영한 산정 모델 연구를 수행하는 것은 현장 적용성이 높은 온실가스 관리 수단이자, 향후 실질적인 탄소 감축 정책 수립을 위한 기초 자료로써 활용 가치가 높을 것으로 판단된다.
more목차
제 1 장. 서론 1
1.1. 연구의 배경 1
1.1.1. 탄소 중립을 위한 국제 동향 1
1.1.2. 국내 동향 및 온실가스 감축 노력 4
1.2. 연구의 필요성 및 목표 7
제 2 장. 이론적 배경 9
2.1. 플라즈마 스크러버의 구성 9
2.2. 스크러버의 온실가스 저감 효율 측정방법 12
2.2.1. DRE 측정방법론: 온실가스공정시험기준 ES13501 12
2.2.2. 주요 분석 장비 16
2.3. 전력 소비에 따른 간접 탄소배출량 산정 이론 19
2.3.1. Scope 2 간잡배출량 산정 모델 19
2.3.2. 활동자료 수집 및 배출계수 적용 기준 20
제 3 장. 연구 방법 21
3.1. 시스템 경계 설정 21
3.2. 대상 공정 및 데이터 수집 조건 세분화 23
3.3. 측정 시스템의 구성 및 장비 사양 26
3.3.1. 측정 시스템의 구성 26
3.3.2. 분석 장비 사양 및 품질관리 27
3.4. 현장 측정 결과 33
3.4.1. Scope 1 데이터의 수집 33
3.4.2. Scope 2 데이터의 수집 37
제 4 장. 연구 결과 38
4.1. 직접 및 간접배출량 기본 방정식 38
4.2. 시나리오별 배출량 산정 모델 41
4.3. 활동자료 기반 매개변수 44
4.3.1. 식각 공정 유량별 그래프 해석 48
4.3.2. 증착 공정 유량별 그래프 해석 49
4.4. 시나리오별 최종 모델식 산출 50
제 5 장. 고찰 51
5.1. 플라즈마 스크러버 전력 사용에 따른 탄소배출량 52
5.1.1. 반도체 식각 공정의 탄소배출 시나리오 53
5.1.2. 반도체 증착 공정의 탄소배출 시나리오 55
5.2. 플라즈마 스크러버 온실가스 배출 저감 효과 고찰 57
5.2.1. 직접 배출 (Scope 1)의 지배적인 기여도 57
5.2.2. 토치 전력과 총배출량의 관계 57
5.2.3. 모델식의 경계 및 기준 (제한사항) 58
제 6 장. 결론 59
6.1. 연구결과 요약 59
6.2. 연구의 의의 및 시사점 60
참고문헌 61
