KR100349445B1 - 고순도 전기동의 전해장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상업적으로 대량 생산되고 있는 전기동(99.99% 순도)을 단 1회의 전해정련 과정을 통하여 고순도 전기동(99.9999% 순도)을 제조하는 방법에 관한 것으로, 상용 전기동 양극과 음극 사이에 장착되는 다공성 벽면을 갖는 카트리지와, 상기 카트리지내에 충진되는 비표면적이 큰 동 재료로 이루어지고, 상기 양극으로부터 용출된 전해액은 상기 동 재료로 충진된 카트리지 및 격막을 통과하여 음극으로 진행하는 고순도 전기동 전해장치를 제공한다. 여기서 상기 동 재료는 동세선 및 동분으로 구성되는 군 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있고, 상기 카트리지내에 불활성 가스 주입을 위한 주입구를 추가적으로 포함하는 것이 바람직하다. 아울러, 전해 중 전해 용액의 pH를 초기 pH와 같도록 일정하게 유지시키는 것이 바람직하다.

Description

고순도 전기동의 전해장치{CEMENTATION APPARATUS OF HIGH PURITY COPPER}

본 발명은 상업적으로 대량 생산되고 있는 전기동(99.99% 순도)을 단 1회의 전해정련과정으로 고순도 전기동(99.9999% 이상의 순도)을 제조하는 방법으로써, 고순도 동은 반도체 구리칩 및 팩키징 재료의 일부인 구리와이어본딩의 재료로 필수불가결한 재료이다.

통상의 방법으로 생산되는 99.99% 순도의 전기동으로부터 고순도 전기동을 제조하고자 할 때 각각 10 PPM 수준의 유황과 은이 가장 문제시 되는 불순물이다. 이중 유황은 지금까지 전해용액으로써 황산용액을 질산용액으로 대체함으로써 불순물 함량을 1 PPM 이하로 낮추고 있다. 또한 불순물로써의 은은 전해용액 중에 염소를 첨가하거나 음극과 양극 사이에 격막을 설치하고 양극실 내부의 전해용액중 일부를 취하여 탈은처리를 하여 여과한 뒤 다시 음극실로 공급하는 방식으로 제거하고 있다.

지금까지 알려진 은의 제거방법중 가장 효과적인 방법은 전해용액을 탈은처리하는 것인데, 이는 다음과 같은 세멘테이션 (cementation) 반응을 통하여 용액내의 은이온을 양극과 음극 이외의 다른 동표면에 석출시켜 제거하는 방법이다.

Cu + 2Ag⁺= Cu²⁺+ 2Ag

전술한 바와 같이 현재까지 알려진 탈은 반응의 내용은 양극실 내의 전해용액 일부를 연속적으로 채취하여 별도의 수조로 옮긴 다음, 수조 내에 이미 장입되어 있던 비표면이 큰 동세선이나 동분의 표면에서 탈은 반응을 일으키고 펌프를 사용하여 여과한 후 다시 음극실 내부로 공급하는 것이다.

그러나, 상술한 종래의 방법은 전해조 이외에 별도로 다른 수조 및 펌프를 설치해야 하는 번거로움이 있고, 특히 전해용액 중 탈은반응이 일어나는 별도의 수조로 이동하지 못하는 부분도 발생하므로 이로 인하여 은이온이 수조를 통과하지 못하고 직접 양극에서 음극으로 이동하여 전착하여 불순물로 존재하게 될 가능성이 많다.

도 1은 본 발명에 따른 고순도 전기동 전해장치의 단면개략도이다.

도 2는 탈은용 카트리지의 구조를 보여준다.

이에 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 상용 전기동 양극과 음극 사이에 장착되는 다공성 벽면을 갖는 카트리지와, 상기 카트리지내에 충진되는 비표면적이 큰 동 재료로 이루어지고, 상기 양극으로부터 용출된 전해액은 상기 동 재료로 충진된 카트리지 및 격막을 통과하여 음극으로 진행하는 고순도 전기동 전해장치를 제공한다.

여기서 상기 동 재료는 동세선 및 동분으로 구성되는 군 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있고, 상기 카트리지내에 불활성 가스 주입을 위한 주입구를 추가적으로 포함하는 것이 바람직하다. 아울러, 전해 중 전해 용액의 pH를 초기 pH와 같도록 일정하게 유지시키는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 종래의 탈은처리 방법과는 달리 별도의 수조 및 펌프를 사용하지 않을 뿐만 아니라, 탈은처리를 위해 비표면이 큰 동 재료 바람직하게는 30㎛ 정도의 동세선을 탈은처리에 사용하고 있다. 털실의 형태로 뭉쳐진 동세선은 두께 1mm의 테플론 재질로 제작된 탈은용 카트리지(3)에 삽입한 후 이를 도 1에서 보인 것과 같이 양극(2)의 좌우에 장착시켰다. 전극과 수직한 탈은용 카트리지(3) 벽면을 뭉쳐진 동세선(7)이 밖으로 나오지 않을 정도의 다공성 벽면으로 형성하여, 전해용액이 동세선을 포함한 탈은용 카트리지(3)를 쉽게 통과할 수 있도록 하였다. 전해조(1) 내의 양극(2)으로부터 용출된 전해용액은 탈은용 카트리지(3) 및 격막 (5)을 통해 음극(6)으로 향한다.

한편, 탈은반응으로 불려지는 은 세멘테이션 반응은 역반응은 일어나지 않으나, 반응속도는 주로 용액내에서의 물질전달에 율속하므로 평형이 쉽게 이루어진다고 볼 수 없으며, 반응 속도의 문제가 심각하다. 즉, 전해가 계속 진행함에 따라 카트리지내의 동세선 표면 근처에서는 농도분극현상이 발생하게 되어 반응속도가 늦추어지게 되고 결국 음극에 전착되는 동에 불순물로서 존재하게 된다. 따라서 불활성 기체인 아르곤 가스를 카트리지 내의 동세선 뭉치내로 주입하여 농도분극현상을 감소시켜 반응시간에 따라 탈은반응이 저하되지 않도록 하였다. 이를 위해 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 불활성 가스 주입구(4)를 포함하는 것이 바람직하다.

한편, 카트리지 내에 삽입되는 동세선의 양은 이온의 이동에 저항을 주거나 전해 전위가 크게 증가되지 않는 한도내에서 될수록 많이 삽입하는 것이 은이온과 접촉할 수 있는 동의 표면적이 많아지게 되므로 바람직하다.

또한 전해가 진행되면서 수소이온이 사용되어 전해용액의 pH가 증가하게 되므로 산용액을 첨가하여 전해용액이 일정한 pH를 유지할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

이러한 장치를 사용함으로써 첫째, 별도의 펌프와 수조를 사용하지 않게 됨으로써 전해조가 보다 간단하게 구성될 수 있다. 둘째, 종래에는 전해 용액 중 일부가 외부수조로 이동되어 탈은반응을 통해 은을 제거하였음에 반하여, 양극으로부터 용출된 불순물 은이온은 항상 카트리지내의 동세선 부근을 통과하여야만 음극으로 진행할 수 있으므로 은이 제거될 수 있는 가능성이 더욱 크다.

이하에서 비교예 및 실시예에 기초하여 본 발명의 효과를 구체적으로 설명한다.

비교예

양극은 통상의 전기동(99.99% 순도, 표 1)을 사용하고, 음극은 99.9% 순도의 티타늄판을 사용하였다. 양극과 음극간에 테트론 포를 사용하여 음극과 양극을 분리하여 전해중 양극에서 발생한 미세한 불순물이 음극실로 이동하는 것을 방지하였다. 음극전류 밀도는 100A/m²이었고, 전해용액은 질산용액을 사용하였고, 전해액중의 동 농도는 50 g/liter가 되도록 조절하였다. 전해용액의 초기 pH는 1.7 이었고, 탈은을 위해 염산을 100 mg/liter가 되도록 초기에 첨가하였으며, 전해온도는 25℃를 유지하였다. 5일간 전해한 후 전착동을 음극으로부터 박리하여 고순도 전기동을 얻었다. 얻어진 전기동의 화학분석치를 표 1에 나타내었다.

실시예 1

비교예의 방법과 동일하나 양극 주위에 동세선 (Ag 함량 10 ppm)이 삽입되어 있는 테플론 카트리지를 장착하고, 카트리지 내에 아르곤 가스를 주입하였다. 이때 카트리지 내에 삽입한 동세선의 총 면적은 음극 1cm²당 200cm²이었다. 얻어진 전기동의 화학분석치를 표 1 에 나타내었다.

실시예 2

비교예의 방법과 동일하나 전해가 일어나는 과정에 전해용액의 pH가 일정하도록 미량의 질산용액을 일정시간 (10시간)마다 첨가하였다. 얻어진 전기동의 화학분석치를 표 1에 나타내었다.

	Ag	S	Fe	Sb	As	Bi	Mg	Al	Ca
양극	12.2	4.0	4.3
비교예	1.5	0.3	0.96
실시예 1	0.41	0.05이하	0.05이하	0.05이하	0.05이하	0.05이하	0.05이하	0.05이하	0.10이하
실시예 2	0.23	0.05이하	0.05이하	0.05이하	0.05이하	0.05이하	0.05이하	0.05이하	0.10이하

본 발명에 따르면, 순도 99.9999% 이상의 전기동을 1회의 전해정련을 통하여얻을 수 있는 간단한 전해장치를 제공한다.

Claims (8)

1. 전해액이 채워진 전해조와;

   상기 전해조에 설치된 양극 및 음극과;

   상기 양극과 음극 사이에 설치된 다수개의 구멍이 형성된 벽면을 가지며, 상용 전기동이 삽입되는 탈은용 카트리지와;

   상기 카트리지와 음극 사이에 설치된 격막을 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 전기동 전해장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 동 재료는 동세선, 동분으로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 고순도 전기동 전해장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 카트리지내에 불활성 가스 주입을 위한 주입구를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 전기동 전해장치.
4. 제 1 항에 있어서, 전해 중 전해용액의 pH를 초기 pH와 같도록 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 고순도 전기동의 전해장치.
5. 전해액 채워진 전해조에 양극과 음극을 설치하고, 상기 양극과 음극 사이에 다수개의 구멍이 형성된 탈은용 카트리지를 설치하고, 상기 카트리지 내에는 상용 전기동 재료를 삽입하고, 상기 카트리지와 음극 사이에는 격막을 형성하여, 상기 양극으로부터 용출된 전해액이 상기 동 재료가 삽입된 카트리지 및 격막을 통과하여 음극으로 진행하는 것을 특징으로 하는 고순도 전기동의 전해방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 동 재료는 동세선, 동분으로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 고순도 전기동 전해방법.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 카트리지내에 불활성 가스 주입을 위한 주입구를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 전기동 전해방법.
8. 제 5 항에 있어서, 전해 중 전해용액의 pH를 초기 pH와 같도록 일정하게 유지시키는 것을 특징으로 하는 고순도 전기동의 전해방법.