통합물관리로 새 부가가치 창출

정부가 지난 5월 발표한 2030년 글로벌 반도체 공급망 주도를 위해 한국에 세계 최고 반도체 생산기지를 구축하겠다는 ‘K반도체’ 전략에는 반도체 벨트 조성과 연구개발(R&D)·시설투자 세액공제 확대 등 다양한 대책이 담겼다. 이 중에는 반도체 단지에 10년치 용수 물량 확보 방안이 포함됐다. 반도체 산업은 물 사용량이 많은 업종이자 물이 품질을 좌우하는 중요한 요소다. 2019년 국내에서 하루 공급되는 공업용수(339만 2000㎥) 중 12.7%(44만 6000㎥)를 반도체 산업에서 소비한다. 반도체 생산 공정에는 ‘초순수’(Ultra Pure Water)를 사용하는데 생산 장비 전량을 수입에 의존한다. 2019년 일본의 수출 규제 이후 환경부와 한국수자원공사(수공) 등 공공과 민간기업이 참여해 ‘고순도 공업용수 설계·시공·운영 통합 국산화 기술 개발’을 추진 중이다. 초순수 생산을 위해서는 수량뿐 아니라 일정 수준의 수질이 요구된다. 먹는물을 넘어 물의 새로운 부가가치 창출을 위해 통합물관리가 중요해졌다.

●원수에서 30개 공정 거쳐 초순수 생산

지난 2월 16일부터 3월 말까지 미국 텍사스 오스틴에 있는 삼성전자 반도체 공장 가동이 중단됐다. 한파로 전력 부족 및 수도관이 동파하면서 정상적인 물 공급이 이뤄지지 못해 약 6주간 생산시설이 문을 닫았다. 이로 인해 약 3000억~4000억원의 손실이 발생한 것으로 추산된다. 비슷한 시기에 대만에서는 56년 만에 도래한 겨울 가뭄으로 공업용수를 공급하는 저수지의 저수율이 떨어지자 세계 최대 파운드리 반도체 공장인 TSMC에 물 공급 차질이 빚어졌다. TSMC는 물탱크 트럭을 동원해 외부에서 용수를 공급받아야 했다. 2000년대 초반 인텔은 공업용수에서 ‘요소’(Urea) 농도가 높아져 반도체 불량이 발생하자 2개 공장 가동을 중단한 바 있다.

2019년 반도체 산업에서 하루 사용한 공업용수량(44만 6000㎥)은 인구 130만명, 경기 수원의 하루 생활용수량과 맞먹는다. 반도체 수요 증가에 따라 공업용수 소비는 더욱 늘어날 것으로 전망된다. 환경부는 일평균 사용량이 2025년 105만 6000㎥, 2030년 127만 8000㎥, 2040년 169만 5000㎥에 달할 것으로 추정했다.여기에는 수질 관리가 뒷받침돼야 한다. 반도체 공정은 표면 세척이 중요하고, 세척에 사용하는 초순수는 원수에 포함된 불순물을 완전히 제거하기 위해 정수처리·역삼투압(RO)·여과막 등 30개 공정을 거쳐 생산한다. 원수 수질에 따라 수처리 공정의 난이도가 결정되는데 이는 비용 문제와 직결된다. 초순수는 물속에 포함된 불순물(전해질·미생물·생균·미립자 등)과 이온 등을 제거해 물 분자만 존재하는, 이론적인 순수(純水)에 가장 근접한 물이다. 초미세회로로 구성된 반도체를 세척해야 하기 때문에 총유기탄소량(TOC)의 농도가 3ppb(10억분의1) 이하일 정도로 고순도를 유지해야 한다. 그러다 보니 정수된 물(수돗물) 10t으로 생산할 수 있는 초순수는 5t 정도다. 6인치 웨이퍼 한 장당 1.5t의 초순수가 사용된다.

권병수 수공연구원 스마트워터연구소 책임위원은 27일 “초순수는 전기가 통하지 않을 뿐 아니라 깨끗함 정도로는 표현이 부족하다”며 “물 분자만 있어 마시면 오히려 인체에 이상이 생길 수 있는데 일반적으로 설사 증상이 나타난다”고 설명했다.

●반도체·제약·바이오 등 초순수 수요 급증

초순수 생산 기술은 해외에 의존하고 있다. 공정 설계와 초순수 배관, 수처리 약품 등은 일본 기술로 수출 규제 등 외부환경에 취약하다. 부품 교체 등을 제외한 고장 발생 시 속수무책일 뿐 아니라 비용 부담 등도 크다.

이에 정부는 반도체 사업의 필수원료인 초순수 생산기술 국산화에 나섰다. 수공이 2012년 자체 연구를 추진하다가 2019년 일본의 ‘소부장’(소재·부품·장비) 수출 규제 사태 이후 국가 연구과제로 전환했다. ‘고순도 공업용수 설계·시공·운영 통합 국산화 기술개발’에 총 480억원(민간 부담금 180억원)을 투입한다. 초순수 주요 생산 공정 및 설계 100%, 부품(시공) 60%, 운영기술 국산화로 2025년 하루 2400t 생산을 목표로 하는데 빠르면 2023년 웨이퍼 생산공장에 국산설비 공급이 가능할 전망이다.

대전 유성에 위치한 수공연구원에는 하루 25t의 초순수를 생산할 수 있는 실증플랜트가 설치돼 있다. 정수처리·순수처리·초순수처리 공정이 가동 중인데 초순수 1t 생산 설비 구축 비용이 약 1억원에 달한다. 초순수 생산의 핵심부품인 자외선 산화장치(UV)와 저농도 용존산소 제거용 탈기막 국산화 기술개발이 진행 중이다. 고순도 공업용수 공정 및 수질 성능 평가, 반도체 폐수를 이용한 고순도 공업용 원수 확보 기술 검증도 병행되고 있다. 수공이 플랫폼 역할을 맡았다.

초순수 시장은 2010년 28조원에서 2025년 68조원 규모로 2.4배 성장이 예상된다. 시장의 70%가 아시아에 집중됐고 우리나라가 세계 최고 시장이다. 확장성이 큰 것은 아니지만 국내 반도체 업체에 공급했다는 실적만으로 기술력을 인정받을 수 있다. 고순도 공업용수는 반도체뿐 아니라 제약·바이오·정밀화학 등 수요가 늘면서 수처리 기술 확보를 통한 시장 확대가 기대된다.

황규원 삼성전자 기흥화성단지 총괄시설팀 프로는 “순도 차이가 있는데 삼성에서 사용하는 초순수는 맨 끝단으로, 물 오염 시 전체 공정이 오염될 수 있어 긴장감을 놓을 수 없다”며 “초순수 국산화로 비용 절감 및 안정적 애프터서비스망 구축이 기대되지만 기술 검증을 감안할 때 단계별 적응이 필요할 것으로 보인다”고 말했다.●지속 가능한 용수 확보 대책 시급

삼성전자 기흥화성단지는 팔당댐 용수를 공급받는다. 원수에 포함된 요소 등 성분 검증을 마쳤다. 수질이 생산비용과 직결되면서 기업들은 깨끗한 원수를 희망한다. 상류물을 선호하고 오염물질이 유입되지 않는 포인트에서 취수를 요구하고 있다.

우리나라는 지리적·계절적으로 용수 확보와 수질 관리가 어려운 환경이지만 물 관리 역량을 통해 인프라를 구축했다. 전 국토의 63%가 산악지형인 데다 연평균 강수량(1252㎜)의 55%(693㎜)가 여름에 집중된다. 댐·저수지·상수도 등 시설이 확충돼 1965년 51억㎥이던 용수 이용량이 2018년 244억㎥로 4.8배 늘었다. 수질오염총량제 도입, 하수처리장 등 환경기초시설 확대 등으로 공공수역 수질도 개선했다. 2005년 오염총량제 도입 후 하천 좋은 물 달성률(BOD 2㎎/ℓ 이하)이 2006년 74.6%에서 2018년 84.3%로 올랐다.

향후 물 수요를 감안할 때 안정적 공급 체계 구축이 시급하다. 환경부는 하천 수질과 오염원에 수량 관리를 포함한 유역 물순환관리체계를 마련할 계획이다. 또 하·폐수 재이용 활성화와 용수공급 부족 지역은 용도에 따라 지하저류지·강변여과수 등 다양한 대체 상수원 개발 등을 검토하고 있다. 김동구 환경부 물통합정책관은 “기후변화와 증가하는 산업용수 수요에 대비해 통합물관리와 지속가능한 용수 확보 대책을 적극적으로 추진할 계획”이라고 밝혔다.