KR101106791B1 - 반도체 및 태양광전지용 웨이퍼 제조공정에서 발생하는 폐절삭유의 분리 정제방법 및 그를 이용한 반도체 및 태양광전지 웨이퍼용 재생 절삭유 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 및 태양광전지용 웨이퍼 제조공정에서 발생하는 폐절삭유의 분리 정제방법 및 그를 이용한 반도체 및 태양광전지 웨이퍼용 재생 절삭유에 관한 것이다.

본 발명은 반도체 및 태양광전지용 웨이퍼 제조공정에서 실리콘 인고트를 절단할 때 발생하는 슬러리 상태의 폐절삭유를 원심분리하되, 세라믹 무기막을 이용하여 분리 정제함으로써, 고순도의 액상 절삭용매 및 고상의 연마재로 회수하는 분리 정제방법이며, 상기 회수된 절삭용매 및 연마재를 반도체 및 태양광전지 웨이퍼용 절삭유에 재생할 수 있다.

반도체, 태양광전지, 웨이퍼, 인고트, 폐절삭유, 연마재, 절삭용매, 세라믹 무기막.

Description

반도체 및 태양광전지용 웨이퍼 제조공정에서 발생하는 폐절삭유의 분리 정제방법 및 그를 이용한 반도체 및 태양광전지 웨이퍼용 재생 절삭유{PURIFICATION METHOD OF WASTE SLURRY FROM SEMICONDUCTOR AND SOLAR CELL WAFER MANUFACTURING PROCESS AND REGENERATING CUTTING FLUID FOR SEMICONDUCTOR AND SOLAR CELL WAFER USING THEM}

본 발명은 반도체 및 태양광전지용 웨이퍼(wafer) 제조공정에서 실리콘 인고트(silicon ingot)를 절단할 때 발생하는 폐절삭유의 분리 정제방법 및 그를 이용한 반도체 및 태양광전지 웨이퍼용 재생 절삭유에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상기 공정에서 발생하는 슬러리 상태의 폐절삭유를 원심분리하되, 세라믹 무기막을 이용하여 분리 정제함으로써, 고순도의 액상 절삭용매 및 고상의 연마재로 회수하는 분리 정제방법 및 그를 이용한 반도체 및 태양광전지 웨이퍼용 재생 절삭유에 관한 것이다.

최근 반도체 및 그린에너지산업의 발전에 따라, 반도체 및 태양광전지용 웨이퍼의 수요가 급증하는 추세이다.

일반적으로 웨이퍼를 제조하기 위해서는 단결정, 다결정 또는 무정형의 실리콘 인 고트를 여러 개의 와이어 쏘(multi wire saw)로 동시에 절삭함으로써, 저 비용으로 다수 매의 웨이퍼를 생산하고 있다.

통상의 절삭유는 연마재로 사용되는 탄화규소(silicon carbide, SiC)와 절삭용매로 구성되며, 상기 연마재의 분산을 촉진하기 위한 분산제 및 계면활성제로 이루어진다. 상기와 같이 구성된 절삭유를 주입하면서 와이어를 회전시키면, 실리콘 인고트가 눌리면서 절단되며, 이 과정에서 톱밥과 같은 미세 실리콘입자의 절삭분이 발생하여 절삭유에 혼입된다. 절삭이 계속 진행되면서 절삭분의 혼입량이 증가하여 20∼30중량% 이상이 되면, 점성이 증가되고 효율이 저하된다. 상기 효율저하로 인하여, 절삭의 상태가 변화되고 웨이퍼 표면이 변형되어 최종적으로 상기 절삭유 슬러리(slurry)를 사용할 수 없게 된다. 따라서, 절삭유는 새로 교체되어야 하고, 이 과정에서 폐절삭유가 발생한다.

상기 웨이퍼 폐절삭유는 재생이 안 되며, 더욱이 특정폐기물로 분류되어 소각 처리해야 하는 어려움과 그에 따른 비용증가의 문제가 있다.

따라서, 폐절삭유의 재생기술의 개발이 절실히 요구되며, 특히, 원유가 상승으로 인한 그린에너지의 활용 차원에서, 반도체 및 태양광전지 웨이퍼용 폐절삭유로부터 효율적인 분리 정제기술과 그로 인한 재생방법은 산업기술에 제공하는 기여가 상당히 클 것이다. 이외에도 상기 발생된 폐절삭유로부터 연마재와 수용성 용매인 절삭용매를 분리 및 정제하여 새로운 절삭유 제조시에 재생의 필요성은 저 비용으로 다수 매의 웨이퍼를 얻을 수 있는 이점이 있다.

일반적으로, 폐절삭유를 재사용하는 종래 방법으로는 열을 가해 온도를 올려 점성 을 낮추어 사용하거나[일본 특개2003-340719호], 슬러리에 희석용매를 가하고 1차로 2,000∼4,000G의 원심력으로 크기가 큰 5∼20㎛의 연마재를 먼저 분리한 후, 2차로 5,000∼20,000G의 원심력으로 크기가 더 작은 0.3∼5㎛ 크기의 절삭분을 고속 회전시켜 인고트의 절삭분을 분리하는 방법[대한민국 특허공개 제2003-5575호]이 개시되어 있다.

상기 발명에서는 고체와 액체 성분을 대략적으로 분리하여 1차로 원심분리된 연마재성분과 2차로 고속 원심분리된 액상성분을 일정 비율로 조제하여 사용하는데, 반도체 웨이퍼의 경우, 절삭 후 별도의 연마를 수행하므로 두께를 두껍게 절삭하는데 반해, 태양광전지용 웨이퍼는 여러 개의 와이어 쏘로 얇게 절단하므로 절삭분이 많거나 점성이 높으면 웨이퍼에 변형이 쉽게 일어나 절삭분의 제거가 더욱 요구된다. 즉, 완벽하게 절삭분을 제거하여야 절삭용매를 재사용할 수 있다.

그러나, 상기 방법은 2차로 고속 원심분리하여도 미세 절삭분의 완전분리가 어려우며, 원심분리하여 계속 사용하면 물의 함량이 증가되어 절삭용매로서 오일의 역할을 하는데 한계가 있다.

또한, 대한민국 특허공개 제2005-96328호에서도 원심력을 이용하여 폐절삭유를 분리 회수하는 방법이 공지되어 있으나, 상기 원심분리기를 사용하여 고체-액체를 분리할 경우 1.0㎛ 이하의 절삭분 미세입자를 완벽하게 분리하기가 어려운 문제점이 여전히 발생하며, 변성된 불순물 등을 분리하여 제거하기에는 한계가 있다. 특히, 태양광전지용 웨이퍼는 두께가 얇고 여러 개의 와이어 쏘를 동시에 사용하므로 절삭분을 완벽하게 제거하지 못할 경우, 절산분의 농도가 급속히 높아져 변형 발생주 기가 짧아져 원심분리기로 폐절삭유를 분리하여 재사용이 불가능하다.

폐절삭유의 분리 회수방법으로 제안된 다른 방법은 반도체용 절삭용매로 주로 사용되는 디프로필렌 글라이콜, 프로필렌 글라이콜, 에틸렌 글라이콜 등을 증류하여 회수하는 방법이다.

그러나, 상기 방법은 증류 시 상기 절삭용매들의 비점이 200℃ 이상으로 높아 시설투자비가 많이 들고 회수비용이 높은 문제점이 대두되고 있다. 또한, 태양광전지 웨이퍼 절삭용매로 사용되는 폴리에틸렌 글라이콜은 온도를 가하여 비등시키고자 할 때, 진공상태에서도 비등이 일어나기 전에 분해되므로 증류방법의 적용 자체가 불가능하다.

따라서, 종래 원심분리에 의한 반도체 폐절삭유의 회수는 고체-액체가 완전히 분리되지 않고 절삭분이 있는 상태에서 연마재와 절삭용매를 재사용하고 있으나, 태양광전지 웨이퍼의 경우, 절삭용매가 폴리에틸렌 글라이콜로 점성이 높아 절삭분이 완전히 제거되기 더 어렵고, 여러 개의 와이어 쏘에 의한 절삭 시 절삭분이 20중량% 이상 누적되면, 더 이상의 절삭이 어려워지는데 이는 사용주기 단축을 의미하는 것으로 원심분리에 의한 재생은 비효율적인 방법으로서 재사용되지 못하는 것이 현실이다.

그럼에도 불구하고, 자원의 재활용 및 그린에너지의 발전에 필요한 원가절감의 측면에서 웨이퍼 폐절삭유의 재생기술 개발은 절실히 요구되고 있는 상황이다.

본 발명의 목적은 반도체 및 태양광전지용 웨이퍼 제조공정에서 실리콘 인고트를 절단할 때 발생하는 슬러리 상태의 폐절삭유로부터 세라믹 무기막을 이용하여 분리 정제하여, 고순도의 액상 절삭용매 및 고상의 연마재로 회수하는 분리 정제방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 분리 정제방법으로부터 회수된 절삭용매 및 연마재를 이용한 반도체 및 태양광전지 웨이퍼용 재생 절삭유를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 반도체 및 태양광전지 웨이퍼 제조과정에서 발생하는 인고트 폐절삭유를 1차 원심분리하여 입자가 큰 연마재와 절삭분은 고상 성분으로, 여과된 미세입자의 절삭분과 액체는 액상 성분으로 분리하고, 상기 분리된 액상 성분을 탈색처리한 후, 세라믹 무기막으로 여과하여 투과액으로 분리 정제하고, 상기 투과액을 증류하여 수분이 제거된 액상의 절삭용매를 회수하는 것으로 이루어진 반도체 및 태양광전지 웨이퍼용 폐절삭유의 분리 정제방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 반도체 및 태양광전지 웨이퍼 제조과정에서 발생하는 인고트 폐절삭유를 1차 원심 분리된 고상 성분 내 절삭분을 용해시켜 여과한 후 여과물을 건조하여 고상의 연마재를 회수하는 것으로 이루어진 반도체 및 태양광전지 웨이퍼용 폐절삭유의 분리 정제방법을 제공한다.

본 발명의 분리 정제방법에 사용되는 세라믹 무기막은 0.1 내지 0.3㎛ 기공크기를 가지며, 세라믹 무기막을 이용하여 분리 정제할 때, 여과 시 막에 주입되는 유체의 온도는 40 내지 50℃이고, 압력은 5 내지 7bar인 것이 바람직하다.

본 발명의 절삭용매로 회수하는 과정에 있어서, 상기 탈색처리가 0.5㎛ 내지 1.0㎜ 크기의 활성탄을 0.5 내지 1.0중량%가 첨가 교반하여 변성물질을 제거하는 공정이다.

이후, 세라믹 여과공정으로 분리된 투과액은 40 내지 50℃의 진공상태에서 수분이 제거되어 수분함량 1% 이하로 함유되도록 수행한다.

본 발명의 분리 정제방법 중, 연마재 회수공정에 있어서, 상기 고상 성분 내 절삭분은 물과 소듐 메탈 또는 소듐 알콕사이드의 혼합용제에 의해 용해된다.

이에, 본 발명은 반도체 및 태양광전지 웨이퍼 제조과정에서 발생하는 인고트 폐절삭유의 고체와 액체를 세라믹 무기막으로 분리하는 방법을 제공한다.

나아가, 본 발명은 절삭용매 및 연마재가 주성분으로 함유된 반도체 및 태양광전지 웨이퍼용 절삭유에 있어서, 상기 절삭용매 및 연마재의 각 성분함량에 대하여, 본 발명의 분리정제방법으로부터 회수된 재생 절삭용매 및 연마재가 각각 50 내지 75중량%가 함유된 반도체 및 태양광전지 웨이퍼용 절삭유를 제공한다.

본 발명에 따라, 반도체 웨이퍼용 인고트 폐절삭유는 원심력을 이용하여 원심분리하여 고상에서 절삭분을 용해시켜 연마재를 회수하고, 액상 성분 중 미세한 절삭분 입자를 세라믹 무기막으로 여과하여 분리 정제함으로써 절삭분이 효율적으로 분리 된 고순도의 절삭용매를 회수함으로써, 재생 가능하다.

또한, 태양광전지용 인고트 폐절삭유는 여러 개의 와이어 쏘를 사용함으로 절삭분의 누적이 빠르고, 웨이퍼의 두께가 얇아 절삭분이 20중량%를 초과하면, 표면변형이 발생하여 종래의 원심분리에 의한 재생방법으로는 비효율이고 재생에 한계가 있으나, 폐절삭유로부터 본 발명의 세라믹 무기막을 이용한 고체-액체 분리방법에 의해 분리 정제함으로써, 고순도의 액상 절삭용매 및 고상의 연마재로 회수하여 재생 가능함으로써, 종래의 문제점을 해소할 수 있다. 따라서, 태양광전지 웨이퍼용 폐절삭유를 재생함으로써, 종래 재생이 어렵고, 더욱이 특정폐기물로 분류되어 소각처리해야 하는 태양광전지 웨이퍼용 폐절삭유의 취급문제와 비용 증가의 문제를 해소할 수 있다.

도 1은 본 발명의 반도체 및 태양광전지 웨이퍼용 폐절삭유의 분리 정제방법의 공정도이다. 상기 도 1을 참고하여 설명하면, 본 발명의 반도체 및 태양광전지 웨이퍼용 폐절삭유의 분리 정제방법은 인고트 폐절삭유를 세라믹 무기막을 이용하여 고체와 액체를 완전하게 분리함으로써, 회수된 절삭용매와 연마재를 재생하는 것을 특징으로 한다.

이에, 본 발명의 폐절삭유의 분리 정제방법에 있어서, 제1실시형태는 반도체 및 태양광전지 웨이퍼 제조과정에서 실리콘 인고트를 절단할 때 발생하는 인고트 폐절삭유를 1차 원심 분리하여 입자가 큰 연마재와 절삭분은 고상 성분으로, 작은 크기의 절삭분과 액체는 액상 성분으로 분리하고, 상기 분리된 액상 성분을 탈색처리한 후, 세라믹 무기막으로 여과하여 순수 액상 투과액으로 분리 정제하고, 상기 순수 액상 투과액을 증류하여 수분이 제거된 고순도의 절삭용매를 회수하는 것이다.

또한, 본 발명의 폐절삭유의 분리 정제방법에 있어서 제2실시형태는 반도체 및 태양광전지 웨이퍼 제조과정에서 발생하는 인고트 폐절삭유를 1차 원심 분리하여 분리된 고상 성분 내 절삭분을 용해시켜 원심 및 프레스필터 등 일반적인 방법으로 여과한 후 여과물을 건조하여 고상의 연마재를 회수하는 것으로 이루어진다.

또한, 본 발명의 세라믹 무기막을 이용한 폐절삭유의 고체-액체 분리정제방법은 실시예에서 설명하는 절삭용매에 한정되지 않으며, 폴리지방산 화합물, 폴리카르복실산 화합물 등 반도체 및 태양광전지 웨이퍼용 인고트 폐절삭유에 사용되는 모든 경우에 적용 가능하다.

이하, 본 발명의 실시형태별로 상세히 설명하고자 한다.

본 발명의 제1실시형태는 절삭유에서 유기성분이며 오일 역할을 하는 절삭용매를 회수하는 것이다.

반도체용 절삭용매로는 프로필렌 글라이콜, 디프로필렌 글라이콜, 트리에틸렌 글라이콜(triethylene glycol, TEG) 및 저 분자량급의 폴리에틸렌 글라이콜 등이 있으며, 최근에는 디프로필렌 글라이콜과 저 분자량의 폴리에틸렌 글라이콜을 사용하고 있는 추세이다. 또한, 태양광전지용 절삭용매는 폴리에틸렌 글라이콜 200∼400이 주로 사용되고 있다.

제1실시형태의 제1공정에서 인고트 폐절삭유를 1차 원심 분리하여 고상 및 액상 성 분으로 분리한다.

상기 분리된 액상 성분에는 크기가 0.3 내지 1㎛의 미세한 절삭분이 3 내지 8중량%로 섞여 완전히 현탁되어 있으며, 수분이 10 내지 20% 정도 들어있고, 절단 시 파쇄된 미량의 연마재가 함유되어 있다.

이때, 미세 입자의 절삭분의 입자를 절삭용매로부터 완전하게 분리시키기 위하여, 제2공정은 탈색처리 후, 세라믹 무기막으로 여과하여 순수 액상 투과액으로 분리 정제한다.

상기 탈색처리는 원심 분리된 액상성분에 활성탄을 처리하여 변성물질 또는 색상물질을 흡착시키는 공정으로서, 절삭과정에서 절삭용매, 분산제 등이 열에 의해 생성된 변성물질에 의해 나타난 노란색의 용액을 맑은 용액으로 탈색시켜 투과되도록 한다. 이때, 본 발명의 탈색처리공정은 0.5㎛ 내지 1.0㎜의 크기를 갖는 활성탄을 0.5 내지 1.0중량% 정도 넣고 교반하여 변성물질을 활성탄에 흡착시켜, 색상물질을 제거하여 맑은 투과액이 세라믹 무기막에 여과되도록 하는 것이다.

또한, 본 발명의 제1실시형태의 절삭용매 회수공정 중, 제2공정에서는 종래 유기막이 아닌 세라믹 무기막을 사용함으로써, 종래 유기막의 경우, 비압축성 물질의 분리, 사용온도, 유기용매에서의 분리, 산과 알칼리용액의 세척 등의 제한조건을 해소할 수 있다.

최근에는 나노영역인 20nm의 구멍의 크기를 갖는 세라믹 무기막도 개발되어 그 활용도가 높아지고 있으나, 10bar 이상의 압력을 가하거나, 선속도의 증가, 비압축성 고체를 분리할 때, 막 표면이 압력의 힘으로 긁혀 막의 구멍이 커지는 문제 등이 지적되고 있다. 그러나, 막 표면을 세척하여 회생시킬 때 증기 및 산과 알칼리를 사용할 수 있어 회생이 완벽하여 사용범위가 넓고, 유기용매 속의 물질을 분리시킬 수 있는 큰 장점이 있다.

이때, 본 발명에서 사용되는 세라믹 무기막은 티타늄, 지르코늄 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 재질의 것을 사용한다.

본 발명에서 사용되는 세라믹 무기막은 0.1 내지 0.3㎛ 기공크기를 가지는 것이 바람직하며, 본 발명의 세라믹 무기막으로 여과 시, 막에 주입되는 유체의 온도가 40 내지 50℃이고, 유체의 압력이 5 내지 7bar로 제어되어 조건하에서 수행되는 것이다. 이때, 세라믹 무기막의 기공크기가 0.1㎛ 미만이면, 투과도가 느려져 여과시간이 많이 걸리고, 0.3㎛를 초과하면, 미세입자가 막을 통과하여 투과액의 탁도가 나빠져 바람직하지 않다.

또한, 여과 공정조건에서, 온도가 높을수록 점성이 낮아져 투과도가 상승하여 여과시간이 단축되나 60℃ 이상에서는 투과액의 색상이 약간씩 변색이 되어 40 내지 50℃가 적당하다. 압력은 여과 시 10bar까지 높일 수 있으나, 세라믹 무기막의 균열이 발생할 수 있어 5 내지 7 bar를 적용하는 것이 바람직하다.

도 2는 본 발명의 제1실시형태의 분리 정제방법 중, 세라믹 무기막을 통한 분리 공정도를 도시한 것으로, 본 발명의 실시예를 참고하면, 앞 공정에서 탈색처리되어 여과된 액상 성분을 0.2㎛의 구멍 크기를 갖는 세라믹 무기막에 50℃ 범위에서 6bar의 압력으로 주입하면 완벽하게 고체성분과 액체성분으로 분리된다.

도 3은 본 발명의 제1실시형태의 분리 정제방법에 있어서, 탈색처리에 의해 변성물 질(즉, 색상물질)이 제거된 이후 세라믹 무기막으로 여과한 투과액을 측정한 분광학적인 결과로서, 활성탄을 사용하지 않은 경우보다, 활성탄을 사용한 탈색처리 후, 세라믹 무기막으로 여과한 액상 투과액은 변성물질(즉, 색상물질)이 98% 정도 제거되어 맑은 용액상으로 회수되었음을 확인할 수 있다.

본 발명의 제1실시형태의 절삭용매 회수공정에 있어서, 제3공정은 앞 공정에서 제조된 순수 액상 투과액을 증류하여 수분을 제거하여 절삭용매를 회수하는 공정이다.

제3공정상, 투과액 쪽으로 나온 액상은 고체가 없는 수분과 절삭용매로 구성되어 있으며, 막의 표면을 지나간 농축액은 다시 펌프를 통하여 막에 순환적으로 주입되면서 액체성분만이 막을 통과하여 고체성분과 분리된다.

세라믹 무기막을 통과한 원액의 폐절삭유의 투과액과 농축액의 슬러지에 물로 희석하여 유기성 절삭용매를 세척하여 통과한 액을 합하면, 여기에 물이 25 내지 35% 정도 들어있다.

이때, 순수 액상 투과액을 증류하여 수분을 제거하는 공정은 40 내지 50℃의 진공상태에서 수분함량 1% 이하로 수분을 제거할 수 있다. 증류 시 액의 온도가 높을수록 물의 증류속도가 빠르나 60℃ 이상에서는 잔류액인 절삭용매의 색상이 약간 노랗게 변색되어 40 내지 50℃에서 물을 증류시켜 제거하는 것이 바람직하다.

더욱 바람직하게는, 상기 물을 유기성분의 절삭용매로부터 분리하기 위해서 720㎜Hg의 진공 하에서 50℃로 가열시키면 수분이 증발하여 수분이 1% 이하로 줄어든다. 또한, 회분식 증류장치를 이용하면 수분을 1% 이하로 제거하는데 시간이 많이 소요 되나, 진공 박막증류기를 사용할 경우, 증발속도도 빠르고, 고온에서의 체류시간이 짧아 장시간의 증류공정에서 발생될 수 있는 색상물질의 생성을 방지할 수 있어 더욱 효과적이다.

도 4는 본 발명의 분리 정제방법에 따라, 회수된 절삭용매의 기체크로마토그래피 분석결과로서, 절삭용매인 디프로필렌 글라이콜의 99.89% 함량의 고순도 회수를 확인할 수 있다.

본 발명의 제2실시형태는 반도체 및 태양광전지 웨이퍼 제조과정에서 발생하는 인고트 폐절삭유를 1차 원심분리하여 고상 및 액상 성분으로 분리하고, 상기 분리된 고상 성분 내 절삭분을 용해시켜 여과한 후 여과물을 건조하여 연마재를 회수하는 것이다[도 1].

상기 제2실시형태의 제1공정 상에서, 1차 원심분리공정은 2,000∼4,000G의 원심력으로 폐절삭유의 슬러리로부터 크기가 큰 5∼20㎛의 연마재를 먼저 분리한다.

상기 분리공정에서, 크기가 작은 절삭분은 액상 성분 쪽과 분리된 고상 성분의 연마재 슬러지(sludge) 쪽의 양쪽에 같이 존재하게 된다. 분리된 고형분의 연마재 슬러지에도 유기성분의 절삭용매가 잔존하므로 일정량의 물을 넣고 교반한 후에 다시 2,000∼4,000G의 원심력으로 분리하면, 고상 성분 쪽에는 연마재, 절삭분 및 수분으로 구성되고, 액상 성분 쪽에는 절삭용매, 수분 및 절삭분으로 분리되는데, 이때, 얻어진 액상 성분을 1차로 원심분리된 액상 성분과 합하여 절삭용매를 회수한다.

먼저, 연마재를 회수하기 위해서 분리된 고상 성분 슬러지에 물을 첨가하여 희석시켜 유동성을 부여한 후에, 상기 용액에, 소듐 메탈(sodium metal) 또는 소듐 알콕사이드를 첨가하여 절삭분을 용해시킨다. 이때, 소듐 알콕사이드라 함은 소듐 메톡사이드, 소듐 에톡사이드 등을 사용할 수 있으며, 첨가량은 절삭분을 용해시킬 수 있는 정도라면 특별히 한정되지 않으나, 0.5 내지 1.2중량%로 함유하는 것이 바람직하다.

이후, 상기 절삭분 용해액을 여과한 후, 건조하여 순수한 연마재를 회수할 수 있다.

이때, 여과는 원심 및 프레스필터 등 일반적인 방법을 수행할 수 있으며, 또는 강도가 강한 연마재가 고압으로 세라믹 무기막을 타고 흐를 때 막의 표면을 긁는 현상이 일어날 수 있는데 이를 방지하기 위해서, 폐절삭유에 들어 있는 연마재를 원심 분리하여 제거한 후, 세라믹 무기막으로 여과공정을 수행할 수도 있다.

본 발명은 반도체 및 태양광전지 웨이퍼 제조과정에서 발생하는 인고트 폐절삭유의 고체와 액체를 세라믹 무기막으로 분리하는 방법을 제공한다. 이때, 별도의 원심분리공정없이 세라믹 무기막으로 분리 후, 물로 희석하여 사용할 수 있다.

나아가, 본 발명은 절삭용매 및 연마재가 주성분으로 함유된 반도체 및 태양광전지 웨이퍼용 절삭유에 있어서,

상기 절삭용매의 성분함량에, 본 발명의 분리 정제방법으로부터 회수된 재생 절삭용매 50 내지 75중량%가 함유되고,

상기 연마재의 성분함량에, 본 발명의 분리 정제방법으로부터 회수된 재생 연마재 50 내지 75중량%가 함유된 반도체 및 태양광전지 웨이퍼용 재생 절삭유를 제공한다.

일반적으로 웨이퍼 제조공정에서, 실리콘 인고트를 절단할 때 사용되는 절삭유는 오일성 액체의 역할을 하는 절삭용매, 와이어 쏘와 작용하여 인고트를 자르는 역할을 하는 연마재 및 연마재와 절삭분이 균일하게 분산되도록 하는 분산제로 구성되며, 소량의 계면활성제가 추가 구성될 수 있다. 이에, 반도체 및 태양광전지 웨이퍼용 절삭유는 연마재 15∼30중량%, 분산제 0.5∼3 중량%, 미량의 계면활성제 및 상기 함량을 제외한 잔량의 절삭용매로 이루어지나 이에 한정되지는 아니한다.

이때, 반도체 및 태양광전지 웨이퍼용 절삭유 조성 성분 중에서, 본 발명의 폐절삭유의 분리정제방법으로부터 회수된 고순도의 재생 절삭용매 50 내지 75 중량%가 재생되지 아니한 새로운 절삭용매 25 내지 50중량%로 혼합하여 절삭용매로서 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 폐절삭유의 분리정제방법으로부터 회수된 연마재 역시 50 내지 75 중량%와 재생되지 아니한 새로운 연마재와 혼합하여 절삭유 제조에 사용될 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.

본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1> 반도체 웨이퍼용 인고트 폐절삭유의 분리 정제 1

고형분이 40중량%와 수분이 6.3중량% 함유된 반도체 웨이퍼용 인고트 폐절삭유 10,000g을 900rpm의 회전으로 데칸터(decanter)를 사용하여 1차 원심분리하였다. 이때, 연마재와 절삭분이 섞여있는 고상성분 슬러지(A) 2,650g과 절삭용매, 절삭분, 미분의 연마재 및 물이 섞여있는 액상성분(B) 7,210g으로 분리하였다.

고상성분(A) 2,650g에 물 1,000ℓ를 넣어 희석하고 교반한 후에 데칸터로 2차 원심분리하여 2,500g의 고상성분(C)과 액상성분(D) 940g으로 재분리하였다. 상기 분리된 고상성분(C) 2,500g에 600㎖의 물로 희석한 후에 소듐 메톡사이드 29g을 넣고 온도를 60℃로 올려 1시간 교반하여 절삭분을 용해시켰다. 고체로 남아있는 연마재를 여과하고 물 200㎖로 세척한 후에 70℃ 진공 하에서 건조하여 1,607g의 연마재를 수득하였다.

1차 원심분리로 얻어진 액상성분(B) 7,210g과 물로 희석하여 2차 원심분리한 액상성분(D) 940g을 혼합한 후에 분말 활성탄 65g을 넣고 50℃로 가열하고 한 시간 교반한 후, 0.2㎛ 세라믹 무기막에 6bar 압력으로 주입하면서 여과하여 투과액(E) 6,920g을 얻었다. 상기 세라믹 무기막으로는 지름이 25㎜, 9개의 구멍을 가지며, 기공크기가 0.2㎛, 길이가 1,178㎜, 막의 표면적은 0.2m²인 제품(Tami-industries사)을 사용하였다.

상기 공정으로부터, 절삭분과 활성탄이 들어있는 농축액에 물을 1,500㎖넣고 희석하여 다시 세라믹 무기막으로 여과하여 투과액(F)을 1,480g을 얻었다.

막을 통과한 투과액을 합(E+F)한 8,400g에는 물이 30.3% 들어있다. 상기 혼합 투과액을 50℃로 유지하면서 740㎜Hg의 진공 하에서 박막식 농축기(INNO 400CA 기종, 이노바이오사)로 수분을 증류시켜 제거하고 잔류액으로 남아있는 절삭용매 디프로필렌 글라이콜 5,805g을 얻었다.

<실시예 2> 반도체 웨이퍼용 인고트 절삭유 제조 1

상기 실시예 1에서 분리 정제 후, 회수된 연마재 700g과 평균입경 11.5㎛ 크기의 시판용 연마재(SiC#1000 제품, 시나노 정련전기사) 판매용 연마재 300g을 섞은 혼합물(G)을 조제하고, 상기 실시예 1에서 회수된 절삭용매 디프로필렌 글라이콜 3,000g과 시판용 폴리에틸렌 글라이콜300 1,000g를 섞어 혼합액(H)를 조제한 후에 혼합액(H)에 혼합물(G)를 혼합하였다. 상기에 폴리에틸렌 이민계통의 분산제(에포민 제품, 일본촉매사) 25g과 폴리옥실레이트계통의 비이온성 고분자 계면활성제 3g을 첨가하여, 상기 실시예 1에서 재생 회수된 연마재와 절삭용매를 사용하여, 웨이퍼용 인고트 절삭유 5,028g을 제조하였다.

<실시예 3> 태양광전지 웨이퍼용 인고트 폐절삭유 회수

고형분이 37중량%와 수분이 9.6중량%가 함유된 태양광전지용 인고트 폐절삭유 10,000g을 900rpm의 회전으로 1차 원심분리시켜 상층의 액체층 7,405g과 하층 고체층 2,580g으로 분리하였다.

하층의 고체층에 물 1,000ℓ를 넣어 슬러지를 희석하고, 교반한 후에 다시 2차 원심분리시켜 액상의 상등액 980g과 하층의 슬러지층 2,510g을 분리하였다. 하층의 슬러지층에 물을 600㎖를 넣고 희석한 후에 소듐 메탈 13g을 넣고 60℃에서 한 시간을 교반하여 절삭분을 용해시킨 후, 여과하고 물로 세척한 후 진공 하에서 건조하여 재생회수한 연마재 고형분 1,650g을 수득하였다.

상기에서 1차, 2차 원심분리하여 얻은 상등액 8,385g의 액상에 활성탄 75g을 넣고 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 세라믹 무기막을 이용하여 분리하고, 물 1,500㎖로 희석하여 다시 막으로 분리한 투과액 8,650g을 얻었다.

상기 투과액에는 31.5중량%의 수분이 들어 있어, 실시예 1과 동일한 조건으로 진공 하에서 물을 0.4중량%까지 제거하여 회수한 절삭용매 폴리에틸렌 글라이콜 5,906g을 얻었다.

<실시예 4> 태양광전지 웨이퍼용 인고트 절삭유 제조 2

태양광전지용 절삭용매인 폴리에틸렌 글라이콜 300에, 상기 실시예 3에서 회수한 연마재와 절삭용매를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일하게 수행하여 태양광전지 웨이퍼용 인고트 절삭유를 제조하였다.

<실험예 1> 물성측정

1. 탈색처리공정에 따른 흡광도 측정

상기 실시예 1에서 1차 원심분리된 액상 성분에 0.8중량%의 활성탄을 넣고 세라믹 무기막으로 여과 분리한 경우, 탈색처리공정이후의 분리정제를 확인하고자 자외-가시광 분광광도계(UV/Vis-Spectrophotometer, 시마즈사, UV-1650기종)를 이용하여 300∼600nm 파장구간에서 UV 분광학적 거동을 측정하였다.

또한, 활성탄을 사용하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 회수된 절삭용매에 대하여 동일하게 실험하였다(비교예 1).

그 결과, 파장 420nm에서 활성탄을 사용하지 않고 회수된 절삭용매의 경우(비교예 1), 흡광도가 0.1575이고, 활성탄은 사용한 경우(실시예 1), 흡광도가 0.0033로 관 찰됨에 따라, 활성탄으로 의한 탈색처리공정을 통해 색상물질이 98% 정도 제거된 맑은 용액상을 확인하였다[도 3].

만약, 색상물질의 제거를 더 원할 경우, 막으로 분리된 투과액에 활성탄을 넣고 다시 한번 세라믹 무기막으로 여과하여 활성탄을 제거하면, 깨끗한 절삭용매를 얻을 수 있다. 세라믹 무기막 분리의 원리는 유체가 막 표면을 가로흐름(cross-flow)으로 진행하면서 압력 차이에 의해서 액체가 막에 직각방향으로 통과하므로 점성의 영향을 많이 받는다.

2. 여과공정시, 주입온도에 따른 투과도 및 흡광도 측정

세라믹 무기막에 주입되는 여과액의 온도에 따라, 막을 통과하는 액상의 투과도를 측정하였다. 흡광도를 측정하는 분석기기는 자외-가시광 분광광도계(UV/Vis-Spectrophotometer, 시마즈사, UV-1650 기종)를 이용하였으며 300∼600nm 파장구간에서 UV 분광학적 거동을 측정하였다.

상기 표 1의 결과로부터, 원심분리기로 1차 분리된 액상 성분에 미세 활성탄 0.8중량%를 넣고, 6bar 압력에서 세라믹 무기막으로 여과할 때 온도가 증가할수록 투과 도는 23.5에서 36.6ℓ/hrㆍ㎡까지 증가되었다. 그러나, 흡광도는 온도 60℃에서 0.0092로 증가하여 색상물질이 관찰되었다. 따라서, 본 발명의 세라믹 무기막의 여과 공정시, 막 분리 조건은 바람직하게는 50℃에서 6bar의 압력으로 운전할 때, 33.8ℓ/hrㆍ㎡의 투과도로 여과할 수 있다.

3. 수분 및 함량측정

상기 실시예 1에서 회수된 디프로필렌 글라이콜의 절삭용매를 수분측정기(Karl-Fischer Titrator 870 기종, 메트롬사)로 분석한 결과, 규격의 1.0%보다 낮은 0.2%의 수분을 확인하였다.

또한, 실시예 1에서 회수된 절삭용매인 디프로필렌 글라이콜을 가스 크로마토그래피[미국 휴렉 팩커드사, 5890 기종, 미세관 비극성(Ultra nonepolar)컬럼 사용]로 분석하였다. 그 결과, 99.89%의 함량을 가진 고순도의 디프로필렌 글라이콜을 확인하였다[도 4].

상기에서 살펴본 바와 같이,

첫째, 본 발명은 반도체 및 태양광전지용 웨이퍼 제조공정에서 실리콘 인고트를 절단할 때 발생하는 슬러리 상태의 폐절삭유를 원심분리하되, 세라믹 무기막을 이용하여 분리 정제함으로써, 고순도의 액상 절삭용매 및 순수한 연마재를 회수할 수 있다.

둘째, 본 발명의 폐절삭유의 분리 정제방법으로부터 회수된 절삭용매 및 연마재를 반도체 및 태양광전지 웨이퍼용 절삭유에 재생 사용할 수 있다.

셋째, 본 발명은 세라믹 무기막을 이용하여 절삭분인 고체성분을 완벽하게 분리하고 고순도의 절삭용매를 회수하여 재생 가능한 분리 정제방법을 제공함에 따라, 특히, 특정폐기물로 분류되어 소각처리해야 하는 태양광전지 웨이퍼용 폐절삭유의 취급문제와 비용 증가의 문제를 해소할 수 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도 1은 본 발명의 반도체 및 태양광전지 웨이퍼용 폐절삭유의 분리 정제방법에 대한 공정도이고,

도 2는 본 발명의 제1실시형태의 분리 정제방법 중, 세라믹 무기막을 통한 분리 공정도를 도시한 것이고,

도 3은 본 발명의 제1실시형태의 분리 정제방법에서 탈색처리 후, 세라믹 무기막으로 여과된 액상 투과액의 UV 스펙트럼 결과이고,

도 4는 본 발명의 분리 정제방법에 따라, 회수된 절삭용매인 디프로필렌 글라이콜의 기체크로마토그래피 분석결과이다.

Claims (10)

1. 반도체 및 태양광전지 웨이퍼 제조과정에서 발생하는 인고트 폐절삭유를 1차 원심 분리하여 입자가 큰 연마재와 절삭분은 고상 성분으로, 여과된 미세입자의 절삭분과 액체는 액상 성분으로 분리하고,

   상기 분리된 액상 성분을 탈색처리한 후, 세라믹 무기막으로 여과하되 막에 주입되는 유체의 온도가 40 내지 50℃이고, 유체의 압력이 5 내지 7bar로 제어된 조건하에서 여과하고,

   상기 여과된 투과액을 증류하여 수분이 제거된 액상의 절삭용매를 회수하는 것으로 이루어진 반도체 및 태양광전지 웨이퍼용 폐절삭유의 분리 정제방법.
2. 제 1항의 1차 원심 분리된 고상 성분 내 절삭분을 용해시켜 여과한 후, 여과물을 건조하여 고상의 연마재를 회수하는 것으로 이루어진 반도체 및 태양광전지 웨이퍼용 폐절삭유의 분리 정제방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 무기막이 0.1 내지 0.3㎛ 기공크기를 가지는 것을 특징으로 하는 상기 분리 정제방법.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서, 상기 탈색처리가 0.5㎛ 내지 1.0㎜의 크기의 활성탄 0.5 내지 1.0중량%가 첨가 교반되는 것을 특징으로 하는 상기 분리 정제방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 여과된 투과액이 40 내지 50℃의 진공상태에서 수분함량 1% 이하로 제거되는 것을 특징으로 하는 상기 분리 정제방법.
8. 제2항에 있어서, 상기 고상 성분 내 절삭분이 물과 소듐 메탈 또는 소듐 알콕사이드로 이루어진 혼합용제에 의해 용해되는 것을 특징으로 하는 상기 분리 정제방법.
9. 반도체 및 태양광전지 웨이퍼 제조과정에서 발생하는 인고트 폐절삭유의 고체와 액체를 세라믹 무기막으로 여과하여 분리하되,

   상기 세라믹 무기막으로 여과시, 막에 주입되는 유체의 온도가 40 내지 50℃이고, 유체의 압력이 5 내지 7bar로 제어된 조건하에서 수행되는 분리방법.
10. 절삭용매 및 연마재가 주성분으로 함유된 반도체 및 태양광전지 웨이퍼용 절삭유에 있어서,

    상기 절삭용매의 전체 성분함량에, 제1항의 분리 정제방법으로부터 회수된 재생 절삭용매 50 내지 75중량%가 함유되고,

    상기 연마재의 전체 성분함량에, 제2항의 분리 정제방법으로부터 회수된 재생 연마재 50 내지 75중량%가 함유된 반도체 및 태양광전지 웨이퍼용 재생 절삭유.

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