유니셈이 반도체 식각·증착·노광공정 등에 적용되는 –60℃급 초저온 칠러시스템의 고효율화와 핵심부품 국산화에 나선다. 특히 가변속 압축기와 고효율 구동모터, SiC 인버터, 초저온 냉동사이클 및 통합 정밀제어기술을 결합해 기존대비 운전에너지를 20% 이상 절감하는 것이 목표다.

 

반도체장비 전문기업 유니셈은 8월12일 본사에서 한국에너지기술평가원 2026년도 에너지 수요관리 핵심기술 개발 에너지효율혁신분야 ‘반도체 공정용 칠러시스템의 고효율화 기술 개발’ 과제 킥오프회의를 개최했다고 밝혔다. 이번 과제는 2026년 4월부터 2029년 12월까지 3년9개월간 진행되며 총 연구개발비는 약 181억원이다. 이중 정부지원 연구개발비가 130억원, 기관부담 연구개발비가 약 51억원이다.

 

유니셈이 과제 총괄과 수요기관 역할을 맡아 6~10kW급 초저온 칠러시스템을 개발한다. 두원중공업은 100~160cc급 대용량 스크롤압축기, 한국전자기술연구원은 압축기용 희토류 모터, 한국자동차연구원은 SiC 인버터와 제어기술을 담당한다.

 

국립경국대학교 산학협력단은 압축기용 비희토류 모터를, 국립부경대학교 산학협력단은 열교환기 성능 해석과 실증을 수행한다. 한국전기산업기술연구조합은 칠러시스템의 탄소배출 분석 체계와 성능 검증 가이드를 개발한다.

 

FAB 냉각부하 최대 32%… 칠러효율, 전력절감 좌우

반도체 공정이 미세화·고집적화되면서 식각공정 중 웨이퍼 설정온도를 정밀하게 유지하는 칠러시스템의 중요성이 커지고 있다.

 

반도체 8대 공정 중 식각은 약 –60℃ 수준의 초저온환경을 필요로 한다. 특히 식각공정은 초저온 수요가 가장 큰 분야이며 전체 수요의 약 60%를 차지한다. 반도체 FAB 전체 전력소비 중 냉각부하 비중은 최대 32%에 달해 칠러시스템 고효율화가 FAB 에너지절감의 핵심과제로 꼽힌다.

 

초저온 칠러는 압축기·응축기·증발기·팽창장치로 구성되며 압축기는 냉동사이클의 핵심 구동부이자 주요 전력소비원이다. 그러나 초저온으로 운전할수록 냉매밀도가 감소하고 냉동능력이 저하되는 데다 공정장비의 순간적인 plasma로 인한 열부하 변동에도 대응해야 한다. 이에 따라 높은 압축비에서도 안정적으로 연속 운전하면서 냉각용량과 온도를 동시에 제어할 수 있는 대용량 압축기가 요구된다.

 

현재 반도체공정용 칠러에 광범위하게 적용된 정속형 압축기는 일정한 회전수로 운전되기 때문에 냉동능력을 연속적으로 조절하는 데 한계가 있다. 실제 공정부하보다 많은 냉동능력이 공급되면 과냉각이 발생하고 이를 보정하기 위해 일반적으로 히터를 가동하는 방식이 사용된다.

 

특히 반도체 식각공정은 ±0.1℃ 수준의 정밀한 온도제어를 요구하지만 정속형 시스템은 압축기 ON·OFF와 보조제어에 의존해 온도편차와 응답지연이 발생할 수 있다. 과잉냉각과 히터를 이용한 재가열이 반복되면서 시스템 전체 에너지소비도 증가한다.

 

유니셈 분석에 따르면 기존 칠러의 소비전력 구조에서는 고온압축기와 저온압축기가 각각 35%로 전체 전력의 70%를 차지한다. 히터는 18%, 펌프는 10%, 제어부는 2%를 차지해 압축기 운전효율 향상과 히터사용 최소화가 전체 소비전력을 줄이는 핵심으로 분석됐다.

 

대용량 가변속 스크롤압축기 국산화

이번 과제의 핵심은 공정부하 변화에 따라 냉동능력을 연속적으로 조절할 수 있는 대용량 가변속 스크롤 압축기 개발이다.

 

스크롤 압축기는 두 개의 나선형 구조가 맞물려 회전하며 냉매를 압축하는 방식으로 연속적인 압축이 이뤄져 진동과 소음이 적고 효율이 높은 것이 특징이다. 인버터를 이용해 압축기 회전수를 가변하면 공정 부하 변화에 맞춰 냉매 유량과 냉동 능력을 정밀하게 제어할 수 있어 반도체 칠러에 적합하다.

 

그러나 국내 대용량 스크롤 압축기 기술은 아직 제한적인 수준으로 반도체 공정용 제품과 주요 부품의 해외 의존도가 높다. 외산 압축기는 조달과 유지보수에 장기간이 소요될 수 있으며 규격화된 제품 특성상 국내 반도체 공정의 온도 조건과 부하 특성에 맞춘 설계변경에도 제약이 있다.

 

연구진은 압축기와 핵심부품을 국산화하면 공급망 변동에 대한 대응력을 높이는 동시에 고객사 공정별 온도 조건과 부하 특성을 반영한 맞춤 설계와 유연한 제어 기술을 구현할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

 

두원중공업은 이번 과제를 통해 100cc급과 160cc급 스크롤 압축기의 설계 모델과 성능 해석 모델을 확보하고 시제품 제작과 단품 평가를 수행한다. 한국전자기술연구원과 국립경국대는 각각 희토류 영구자석 모터와 비희토류 영구자석 모터를 개발해 압축기 구동 모터의 고효율·고출력화와 공급망 다변화를 추진한다.

 

한국자동차연구원은 압축기모터 구동용 SiC 인버터와 제어 로직을 개발한다. SiC 전력반도체를 적용해 인버터의 스위칭·전력변환 손실을 줄이고 공정 부하에 따라 압축기 회전수를 신속하게 변경할 수 있는 제어 기술을 확보할 계획이다.

 

 

압축기·냉매유량 통합제어… 20% 절감 추진

전체 개발체계는 △PMSM 기반 압축기 고효율 운전기술 △고효율 초저온 냉동사이클기술 △부하연동 초정밀 통합제어기술 등 3개 축으로 구성된다.

 

압축기부문에서는 초저온 운전조건에 대응하는 PMSM 기반 가변속 구동 시스템과 부분 부하 효율 최적화 기술을 개발한다. 냉동 사이클부문은 열교환기 성능개선과 압력 손실 저감 설계를 통해 –60℃ 조건에서도 냉동 능력과 효율을 유지하는 것이 목표다.

 

제어 부문에서는 공정부하와 압축기 회전수, 냉매 및 유량을 연동하는 통합제어 알고리즘을 개발한다. 공정 장비의 열부하가 급변하면 압축기 회전수와 냉매유량을 실시간 조절해 과냉각을 억제하고 목표 온도를 안정적으로 유지하는 방식이다.

 

연구진은 가변속 압축기 기반의 정밀 제어 운전으로 시스템 운영 전력을 8% 줄이고 과냉각 방지와 히터 사용 최소화를 통해 7%를 추가로 절감한다는 계획이다. 여기에 PM모터 기반 고효율 대용량 압축기를 적용해 구동 손실을 5% 줄여 총에너지 소비량을 20% 절감한다는 목표를 제시했다.

 

최종적으로는 –60℃ 반도체 공정용 가변속 고효율 초저온 칠러시스템을 제작해 실증환경에서 성능과 장시간 운전 신뢰성을 검증할 방침이다. 실증 데이터의 정합성을 평가하고 개발기술 적용에 따른 탄소배출 영향분석 보고서도 도출한다.

 

유니셈의 관계자는 “이번 기술개발이 완료되면 반도체공정용 칠러의 압축기·모터·인버터 등 핵심부품의 해외 의존도를 낮추는 한편 공정별 맞춤형 초저온 냉각과 에너지 절감을 동시에 구현할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.