삼불화질소(Nitrogen trifluoride, NF₃)

삼불화질소(Nitrogen trifluoride, NF3)는 약간 퀴퀴한 냄새가 나며 무색, 불연성의 독성 가스이다. 평판 디스플레이, 광전지, LED 및 기타 마이크로 전자 장치의 제조 등 전자산업 분야에서 사용이 증가하고 있다. 또한, 삼불화질소는 또한 매우 강하고 수명이 긴 온실 가스이기도 하다.

- 주요물성 : 분자량 71.0 g/mol, 밀도 3.003 kg/㎥(1 atm, 15 ℃),

녹는점 : -207.15 ℃, 끓는점 : -129.06 ℃

 

합성 및 반응

삼불화질소는 자연계에 많이 존재하지 않는 기체이다. 1903년 독일의 Otto Ruff는 불화 암모늄과 불화수소의 용융 혼합물을 전기분해하여 삼불화질소를 처음 제조하였다. 삼불화질소는 할로겐계 화합물 중에서도 반응성이 상당히 낮은 편에 속한다. 또한 합성될 때 엔탈피가 감소되는 가스이다. 물에 약간 용해되며, 이 때 화학반응은 발생하지 않는다. 삼불화질소는 강력하지만 느린 산화제이다.

 

삼불화질소는 염화수소를 염소로 산화시킨다.

 

2NF3 + 6HCl → 6HF + N2 + 3Cl2

 

삼불화질소는 고온에서 금속과 접촉하여 tetrafluorohydrazine으로 변환된다.

 

2 NF3 + Cu → N2F4 + CuF2

 

그림. 삼불화질소(nitrogen trifluoride)의 구조, 분자식 등

주된 활용 및 시장현황

삼불화질소는 주로 LCD 디스플레이, 일부 박막 태양 전지 및 기타 마이크로 일렉트로닉스와 같은 반도체 장치를 제조하는 동안 실리콘 및 실리콘 화합물을 제거하는 데 사용된다. 삼불화질소가 플라즈마 내에서 분해되면서 불소이온이 형성되고 이 불소이온들이 질화규소, 산화규소, 텅스텐 규화물, 텅스텐 및 기타 특정 금속을 제거할 수 있다. 또한 PECVD 챔버를 청소하는 데 널리 사용된다.

삼불화질소는 PFC나 육불화황에 비해 저압 방전 내에서 쉽게 분해되기 때문에 불소이온(불소라디칼)이 더 많이 생성되어 반응성 높고 챔버(반응기) 내 청소 등의 효율이 증가할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 또한 기존에 많이 사용되는 PFC나 육불화황에 비해 오존층 파괴가 심하지 않으므로 많이 대체하려는 추세이기도 하다.

삼불화질소는 화학 레이저의 일종인 불화수소 및 불화중수소 레이저에도 사용된다.

삼불화질소는 1992년 연간 100톤 미만 생산되었으나 2007년에는 연간 생산량이 4000톤 이상으로 증가하였으며, 2018년 전세계적으로 26,000톤 이상 생산된 것으로 여겨진다. 2000년 이전에는 일본의 미쓰이화학, 미국 에어프로덕트 등에서만 생산하였으나, 현재 국내에서도 많이 생산한다. 현재 SK머티리얼즈와 효성화학이 주로 생산하며, 전세계 삼불화질소의 절반 이상을 공급하고 있다.

 

안전

삼불화질소는 피부 접촉으로 위험하지 않으며 점막과 눈에 경미한 자극을 준다. 폐에 경미한 자극을 주나 질소산화물보다 독성이 현저히 낮다. 그러나 흡입을 통한 과다 노출은 혈액 내 헤모글로빈을 메트헤모글로빈으로 전환시켜 메트호모글로빈혈증을 유발할 수도 있다.

 

온실가스로 지구온난화 영향

삼불화질소는 지구온난화지수(GWP)가 이산화탄소 대비 17,200배나 높으며(이산화탄소의 GWP = 1), 대기 중에서 약 700년 이상 잔류하는 온실가스이다. 2014년 발간된 PICC 5th AR보고서에는 삼불화질소의 GWP를 16,100으로 공표하였다. 지금까지 삼불화질소는 기존의 반도체 및 전자산업에 사용되는 온실가스의 대체가스로 각국의 장려를 받아왔다. 2020년 발간된 “제2차 국가 온실가스 통계 총괄관리계획”에는 삼불화질소의 배출량 산정 계획이 수립되어 있고, 국회에서도 삼불화질소를 온실가스에 추가하는 녹색성장기본법이 발의된 상황이다. 향후 삼불화질소도 온실가스로 규제가 있을 것으로 예상된다.