KR101333966B1 - 멤브레인공정을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생방법 및 재생시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 멤브레인공정을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 제조시 발생되는 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생방법 및 재생시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 반도체 및 태양전지용 실리콘 잉곳(Ingot)형태의 웨이퍼 소재 절단시 발생되는 폐슬러리중 절삭액의 재생처리과정에 있어, 우선, 고속원심분리과정을 이용하여 1차적으로 1~2um이상의 입자를 제거한후, 어떠한 첨가제(물 또는 화학약품) 투입없이 여과막 재생공정이 포함된 고효율 여과공정을 이용하여, 거대입자가 제거된 여액인 폐절삭유중 미세입자를 효과적이고 안정적으로 분리시킨다. 더불어 절삭액재생시, 여과공정내 수분제어&제거공정을 포함시키고, 차후 고도탈수공정을 적용시킴으로써, 재생효율 향상과 더불어 재생 절삭액의 순도를 증가시킬 수 있는 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생방법 및 재생시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 종래 폐슬러지중 절삭액 정제방법과 비교하여, 어떠한 첨가제(물 또는 용매 포함)이 첨가되지 않으며, 고점도 및 고농도에 적합하고 내구성이 강한 멤브레인을 적용함으로써, 고순도 재생절삭액의 안정적인 공급과 재생슬러지의 사용기간을 연장시킬 수 있다. 이로 인해 태양전지용 웨이퍼 제조공정에서 사용되는 신품절삭액의 감소효과와 더불어 재생절삭액의 재사용은 기존 특수산업폐기물인 폐 슬러지의 발생량 감소뿐만 아니라 처리비용도 감소시켜 태양전지용 웨이퍼 제조원가를 낮출 수 있는 효과를 준다

Description

멤브레인공정을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생방법 및 재생시스템 {High efficiency recycling method and system for sawing liquid in waste sludge formed by semiconductor and solar cell wafer using membrane process}

본 발명은 멤브레인공정을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 제조시 발생되는 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생방법 및 재생시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 반도체 및 태양전지용 실리콘 잉곳(Ingot)형태의 웨이퍼 소재 절단시 발생되는 폐슬러리중 절삭액의 재생처리과정에 있어, 우선, 고속원심분리과정을 이용하여 1차적으로 1~2um이상의 입자를 제거한 후, 물 또는 화학약품과 같은 어떠한 첨가제 투입없이 여과막 재생공정이 포함된 고효율 여과공정을 이용하여, 거대입자가 제거된 여액인 폐절삭액중 미세입자를 효과적이고 안정적으로 분리시킨다. 더불어 절삭액재생시, 여과공정내 수분제어 및 제거공정을 통한 여과공정시 발생되는 수분의 상승방지와 수분을 대기중으로 제거시키는 기능을 포함시키고, 차후 고도탈수공정을 적용시킴으로써, 재생효율 향상과 더불어 재생 절삭액의 순도를 증가시킬 수 있는 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생방법 및 재생시스템에 관한 것이다.

최근 IT와 반도체산업이 발전하고, 에너지생산을 위한 화석연료의 고갈과 더불어 지구온난화방지를 위한 태양열 전기발전산업이 급부상하면서, 반도체 및 태양전지용웨이퍼에 대한 수요가 증가하고 있으며, 이에 따라 실로콘웨이퍼 산업이 급성장하고 있는 추세이다. 또한, 본 산업이 급성장하면서 웨이퍼생산이 증가되었고, 더불어 웨이퍼 폐슬러리 또한 비례적으로 발생되게 되었다.

일반적으로 실리콘웨이퍼 폐슬러리란, 반도체 및 태양광전지 제조공정 중 실리콘 웨이퍼 절단 과정에서 발생하는 절삭용 연마제 및 절삭분 그리고 절삭액 등과 같은 폐기물을 의미한다.

잉곳(Ingot)은 분말 상태의 폴리실리콘을 고온 처리를 통해 원통 또는 육면체 모양으로 만든 실리콘 덩어리를 말하며, 용도에 따라 크게 반도체용과 태양전지용으로 구분한다.

웨이퍼는 실리콘을 원재료로 한 잉곳을 균일한 두께로 커터(Cutter)나 와이어 톱을 이용하여 균일한 두께로 절단 및 가공된 얇은 형태의 박판이다. 대부분 이때, 절단부의 전단효율을 향상과 절단시 발생되는 열을 제어하기 위해 절삭액과 절삭제가 혼합된 슬러리를 이용한다.

이 과정에서 실리콘 잉곳의 20~30wt%에 해당하는 실리콘의 절삭분(Saw Dust)으로 발생한다. 이때 발생한 폐슬러리에는 절삭제, 절삭분 및 기타 이물질(첨가제 및 철분 등의 금속성분들)들이 절삭액에 분산된 형태로 되어있다.

미립자 양이 증가함에 따라, 연마 슬러리는 연마 슬러리의 기계적인 특성을 잃어버리고 슬라이싱 작업의 효율성을 감소시키며, 이는 상기 슬러리가 비효율적이어서 폐기해야 하고 새로운 연마 슬러리로 대체해야 할 정도이다.

이때 발생된 폐슬러리는 높은 점성을 가지고 있어 단순한 물리적 조작으로는 분리가 어려우며, 특수산업폐기물로 분류되어 있기 때문에 단순 매립의 경우 심각한 토양오염 뿐만 아니라 열적 파괴(Thermodestruction)에 의해 소각을 하더라도 재(ashes) 또는 배출된 배기가스 내에 유해한 물질이 존재할 가능성을 배재할 수 없고 그외 이산화탄소에 의한 온실 효과의 영향이 수반될 것이다.

이러한 처리방법은 고가의 절삭제와 절삭액를 수입해야할 뿐만 아니라, 특수산업폐기물 추가 비용까지 필요하기 때문에 웨이퍼의 제조원가를 상승시키고 심각한 환경오염을 유발시키는 문제가 있다.

결국, 배출된 폐슬러리내 폐절삭액중, 미세입자제거의 효율적 정화를 통한 재생가능 절삭용매의 회수는 웨이퍼 제조시 가격경쟁의 향상 및 현 녹색성장기술과도 부합될 것이다. 따라서 폐슬러지 내에 함유되어 있는 절삭액의 회수방법은 필요로 하며, 종래부터 본 기술 관련 개발은 지속되고 있다.

하지만 이러한 폐슬러러중 절삭액재생에 있어서 선행기술은 그 회수율이 그다지 높지 않으며, 수분 및 불순물에 대한 제어에 어려움을 가지고 있다. 또한 비교적 점도가 높은 웨이퍼 제조용 폐슬러리중 절삭액재생방법에 있어, 점도를 낮추기 위한 방법으로 다량의 절삭액이나 용매를 이용한 희석법을 사용하고 있으며, 이로인한 회수해야 할 절삭액의 양 증가와 더불어 차후 사용한 용매를 회수하기 위한 별도의 프로세스를 필요로 하는등의 문제점을 가지고 있다.

일반적으로, 종래의 기술에 있어, 다량의 물을 첨가하여 점도를 낮춘뒤 원심분리 또는 여과방법을 이용하여 절삭액회수를 실시하였다. 하지만 상기와 같이 점도를 낮추더라도 원심분리만으로는 미세 절삭분의 제거가 어려우며, 또는 여과필터 또는 막을 이용방법으로 미세입자제거는 가능하나, 물과 절삭분의 반응으로 SiO₂형성과 더불어 이로인한 여과효율감소 및 여과필터 또는 막의 수명감소 그리고 처리물량 증가에 따른 초기투자비용증가 등을 야기시킬 수 있다. 또한, 이후 물을 제어하기위한 추가적인 공정과 더불어 다량을 물을 제거하기 위한 많은 에너지가 필요로 하는 단점을 가지고 있다.

미국공개특허 제 2008/0250723A1호에는 절삭액재생방법에 있어, 1차 원심분리된 미세입자가 다량 포함된 폐절삭액을 미세여과 및 증류과정을 통해 재이용가능한 절삭액을 회수하는 방식이다. 이 과정에서 점성감소를 위해 다량의 고온수가 사용되고 있고, 절삭액중 철분 제거를 위한 방법으로 알칼리를 이용한 수산화철형성을 통한 여과법, 이후 중화를 위한 산투입법으로 다량의 첨가제를 사용한다. 또한 이후 수분제거공정과 중화공정으로 염생성에 따른 추가적인 여과공정이 수반된다. 그러나 절삭액중 철분제거를 위한 공정시 발생되는 수산화철은 이후 막여과에 따른 막 막힘(fouling)현상의 증가로 여과효율감소 및 막수명 감소 등을 야기할 수 있으며, 여과후 폐기물량 증가등의 문제점을 수반하게 된다. 또한 상기에 사용된 막은 압력여과방식으로 막재생의 어려움이 있으며, 시간에 따라 생산량 감소 등 공정의 연속성에 문제점이 있다. 그리고 중화공정에 있어 추가적인 산주입은 수분함량을 증가시키고 향후 절삭제와 혼합시 분산성에 영향을 준다. 이후 증류공정에 있어, 다량의 물이 포함된 절삭액중 수분의 제거는 다량의 에너지가 소모되며, 이와 더불어 열에의한 절삭액의 변성을 줄 수 있고, 향후 웨이퍼생산시 불량률의 증가로 절삭액으로서 오일의 역할을 하는데 한계가 있다.

미국공개특허 제 2003/0054734A1호에는 여과후 원심분리공정을 이용하여 이용가능한 0.5um이하의 입자를 포함하는 절삭액를 회수하는 공정이다. 하지만 회수된 절삭액중에는 여전히 미세입자가 포함되어 있으며, 초기 재이용시 문제가 없다할지라도 이후 이러한 미세입자는 농축될 것이며, 제품 불량률 증가 및 재이용률등의 문제점을 가지고 있다.

한국공개특허 제 2006/0011256호는 현장외(ex-situ) 방식으로 단계적인 원심분리후, 이송과정중 마그네틱필터를 통한 철분제거와 재생필터를 이용한 절삭액의 회수공정으로 구성된다. 하지만 마그네틱 필터의 경우 글리콜류 절삭액중 미세철분에 대하여 회수률이 작을뿐만 향후 재생필터를 통과하더라도 잔존할 가능성이 높다. 또한 회분식의 압력 재생필터에 있어, 원심분리후 미분입자가 다량포함된 절삭액를 통과시킬경우, 막수명이 짧아, 유지관리측면에서 문제점을 주게된다. 그리고 공정내 수분제어 및 관리공정이 존재하지 않아 향후 재생 슬러지 이용에 따른 웨이퍼생산품질에 영향을 주게된다.

한국공개특허 제 2007-0028496호와 2009-0093085호에 절삭액회수는 단계적 원심분리에 따른 재생가능한 절삭액 회수방법을 이용한다. 이 과정중 고속원심력만으로는 미세 절삭분의 완전분리가 어려우며, 결국 절삭액중에 높은 절삭분(Si)의 농도 때문에 향후 재생절삭액으로서 사용하기에는 한계점을 가지고 있다. 또한 본 공정은 수분 및 금속불순물의 제어가 되지 않으며, 향후 재이용에 따른 본 물질의 농축으로 추가적인 문제점을 주게된다.

한국특허 제 2011/0050877에경우, 절삭액회수에 있어 원심분리후 탈색공정, 막여과, 진공박막증류방법을 이용하며, 세부적으로 점성감소를 위한 다량의 물 첨가, 분말활성탄을 이용한 변성물질제거과정인 탈색공정, 막공정을 이용한 미세입자제거, 수분제거공정인 진공박막 증류과정을 포함한다. 여기서 물의 다량첨가는 상기 특허 문제점과 같이 막여과효율을 감소시킬수 있으며, 다량의 폐수발생등의 문제점을 줄 수 있다. 또한 여과전 분말활성탄의 첨가는 여과부하증가 및 농축슬러지의 증가로 처리비용상승과 이후 고-액분리를 위한 추가 막공정을 필요로 하게 된다. 그리고 본 특허의 적용된 막은 공극크기가 작아 농축의 한계가 있으며, 더불어 막 막힘 현상이 급격히 진행되어 생산량을 감소시키고 이에 따른 많은 화학세정을 통한 막재생과정의 필요와, 화학세정폐수의 증가현상을 수반한다. 또한 상기 막은 온도조건에 민감하며 연마재가 포함된 절삭유를 장기간 여과할 경우 쉽게 막 표면에 금이가는 현상 등이 발생 될 수 있다. 여과후 증류공정에 있어 다량의 물이 포함(30%)된 절삭액의 수분제거는 많은 시간과 에너지를 필요로 하며, 진막박막증류특성상 제거된 수분중 다량의 순수 절삭유가 포함될 수 있어 최종 절삭액의 회수율 저하를 가져오는 등의 한계가 있다.

이에 상기 문제점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 반도체 및 태양전지 웨이퍼 제조시 발생되는 폐슬러리를 고속원심분리한 후, 고효율 멤브레인공정을 이용하여 금속불순물 및 미세입자를 효과적으로 분리하였다. 또한 절삭액중 포함된 수분은 고효율 멤브레인공정에 포함된 수분제어 및 제거공정(1차수분제거)과 고도탈수공정(2차수분제거)을 이용하여 효과적으로 제거할 수 있었다. 이에 종래기술보다 향상된 절삭액의 품질 및 재생효율을 확인할 수 있었으며, 안정적인 생산이 가능한 절삭액재생 멤브레인시스템을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 반도체 및 태양전지 웨이퍼 제조시 발생되는 절삭액중 미세입자 및 금속 불순물(metal impurities)를 멤브레인을 이용하여 효과적으로 분리시키고 동시에 수분제어 및 제거공정과 차후 고도탈수공정을 이용하여 절삭액의 재생효율을 증가시킴으로써 고순도의 재생절삭액를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 분리 정제방법에 있어, 재생절삭액의 안정적이며 고효율의 재생방법을 갖고 있고, 일정한 품질생산이 가능할 뿐만 아니라 운전이 용이하며 폐기물 발생 및 에너지사용을 최소화 할 수 있는 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 제조시 발생되는 폐슬러지의 막여과 정제방법 및 정제시스템을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 반도체 및 태양전지 웨이퍼 제조과정에서 발생하는 폐슬러리를 고속원심분리기를 이용하여 절삭액중 일부포함된 절삭제 및 절삭분 슬러지와 미세입자가 포함된 다량의 절삭유 부분으로 분리한다.

이때, 고속원심분리기는 1~2um이상의 절삭제 및 절삭분입자를 제거하기위한 수단으로 이용되며, 미세입자가 포함된 다량의 절삭액은 재사용 가능한 절삭액으로서 이용되기 위해 차후공정에서 정제된다.

차후 공정이라함은 본 발명에서 멤브레인을 이용한 정제방법으로 세부적으로 어떠한 첨가제 없이 미세입자 제거공정, 수분제어 및 제거공정, 농축액 고-액분리공정, 여과막 재생공정을 적용하여, 미세입자(절삭분,미분절삭제 및 금속불순물)를 분리 및 일부 수분이 제거된 재생절삭유로서 회수한 후, 최종 고도탈수공정을 이용하여 재생절삭액중 수분함량을 0.2%이하로 유지하는 것을 특징으로 고순도 절삭액으로서 회수하는 것으로 반도체 및 태양광 웨이퍼용 폐절슬러지중 절삭액을 분리 정제하는 방법 및 정제시스템을 제공한다.

이는 상기 한국특허 제 2011/0050877에서 제시된 재생 절삭액중 1%이하의 수분함량 제거목표보다 낮은 값으로, 고도탈수공정에 따른 고순도 재생 절삭액을 제공하는 것을 특징으로한다.

본 발명에 적용된 여과막은 고점도(최대 100,000 centipoise)에 사용이 가능하며, 0.05~0.1um기공크기를 가지는 것으로, 더불어 넓은 pH범위(1~14)와 고온에 견딜수 있는 재질의 멤브레인을 사용한다. 이때 적용된 막은 폴리머(polymer), 세라믹(Ceramic), 또는 금속(Metal) 재질을 갖는 것으로, 이를 적용 가능한 것을 특징으로 한다.

또한 여과효율 향상과 안정적인 투과성능 확보를 위한 방법으로 막유입수를 일정한 온도로 유지하였으며, 온도유지를 위한 방법으로 절삭액의 변성방지를 고려한 폐절삭액 및 여과절삭액 탱크는 이중구조의 간접가열방식을 적용한다.

본 막공정중에 있어, 수분의 제어 및 제거를 위한 방법으로 비활성가스 주입에 따른 방법을 적용하였으며, 이를 이용하여 탱크 상부 수증기의 배출을 용이하게 하고, 계절적 영향요인을 최소화한다.

더불어, 막 막힘현상에 따른 막성능저하 또는 막투과부분 불순물에 따른 품질저하등을 해결하기 위한 수단으로 단계적인 여과막 재생공정이 적용되며, 세부적으로 절삭분제거단계와 금속제거단계 그리고 습윤(Wetting) 단계로 구별되어 여과막 재생공정 또는 품질회복과정을 수행한다.

나아가, 재생절삭액의 안정적이고 일정한 생산량 확보를 위한 방법으로, 시스템구성에 있어 독립적인 멤브레인 모듈(Module)로써, 예비(Standby) 멤브레인 단계를 포함하며, 미세입자 제거공정과 여과막 재생공정에 대하여 동시운전이 가능하도록 단계별 모듈운전방법을 적용시켰다.

안정적인 멤브레인시스템에 있어, 여과 농축액 폐기량 감소를 위해 농축액 고-액분리공정을 적용하였으며, 이는 여과농축액의 고형분을 증가시키는 기능을 수행하고 더불어 여액의 순환을 통한 재생절삭액의 생산효율을 증가시킨다.

최종 고도탈수공정은 멤브레인공정에서 미분입자가 분리되고 1차적으로 수분이 제거된 재생 절삭액을 2차적으로 수분을 제거하는 공정으로 재생절삭액중 수분함량을 0.2%이하로 유지하는 것을 목적으로한다. 이때 적용된 탈수공정은 막표면의 수분에 대한 선택성과 선택된 수분을 제거하기 위한 진공공정을 적용한 방법을 포함한것으로 고순도 재생절삭액을 제공한다.

이에 본 발명은 반도체 및 태양광 웨이퍼 제조과정에서 발생하는 폐슬러지중 재생가능한 절삭액 정제에 있어서, 종래기술과 달리 어떠한 첨가제없이 고순도 절삭액 정제시스템으로 농축폐기량 및 에너지를 최소화 할 수 있는 분리하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면 종래 폐슬러지중 절삭액 정제방법과 비교하여, 어떠한 첨가제(물 또는 용매 포함)가 첨가되지 않으며, 고점도 및 고농도에 적합하고 내구성이 강한 멤브레인을 적용과 더불어 고도탈수공정을 포함시킴으로써, 고순도 재생절삭을을 안정적으로 공급할 수 있다. 이와 더불어 본 멤브레인공정의 효율향상과 안정적인 시스템 구축을 위한 방법으로 5단계로 세분화하고, 이를 제공함으로써 기존 기술과 다르게 폐절삭액중 금속성분등의 불순물 및 수분관리가 용이하며, 안정적인 재생절삭액의 품질관리 및 제어가 가능하도록 하였다.

이로써, 기존 폐 절삭액의 재생과정과 다른 방법으로, 본 발명에서 개발된 멤브레인시스템의 적용은 절삭제 및 절삭유의 재생단가의 감소와 재생효율을 증가시킬 수 있으며, 재생슬러지의 사용시간을 연장시킴과 동시에, 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 제조공정에 초기 웨이퍼 품질을 고도화시킬 수 있다. 이로 인해 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 제조공정에서 사용되는 신품절삭액의 감소효과와 더불어 재생절삭액의 재사용은 기존 특수산업폐기물인 폐 슬러지의 발생량 감소뿐만 아니라 처리비용도 감소시켜 웨이퍼 제조원가를 낮출 수 있는 효과를 준다

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐슬러리중 고효율 멤브레인공정을 이용한 재생 절삭액 정제과정을 나타낸 전체적인 공정 순서도이다.
도 2는 상기 도 1에 대한 실시예 결과로써 고효율 멤브레인공정에 따른 재생전 폐절삭액과 재생후 재생절삭유 그리고 미사용된 신품 절삭액의 사진이다.

도 1은 본 발명의 반도체 및 태양광 웨이퍼 제조과정에서 발생하는 폐슬러지중 멤브레인공정을 이용한 재생절삭액의 정제방법의 공정도이다. 본 발명에 적용된 막은 고점도(최대 100,000 centipoise) 및 고농도의 액체여과가 가능한 멤브레인 관형태 (Tubular Type) 를 갖으며, 내구성 및 넓은 pH범위(1~14)를 갖는 것으로써, 전처리로 웨이퍼 폐슬러리를 고속원심분리(b)후, 다량의 절삭액이 포함된 폐절삭유중 미분입자를 제거하는 과정을 포함한다. 더불어 재생절삭액의 수분은 1,2차과정을 통해 제거가 되며, 수분제어 및 제거공정과 고도탈수공정이 적용되는 것으로 한다. 이때 절삭액이 절삭수일 경우, 본 재생과정에 있어 수분제어 및 제거공정과 고도탈수공정은 포함되지 않는다.

세부적으로 본 멤브레인공정은 총 5단계로 미세입자 제거공정, 수분제어 및 제거공정, 여과막 재생공정, 농축액 고-액분리공정, 고도탈수공정으로 구분이된다.

본 발명은 일 관점에서, (A) 폐 절삭액으로부터 미세입자(절삭제,절삭분,금속성 불순물)를 제거하기 위해 멤브레인을 이용한 미세입자 제거공정단계; (B) 폐절삭액중 재생가능 절삭액을 회수하는 과정(A)에 있어 발생되는 수분 증가방지 및 제거하기 위한 수분제어 및 제거공정단계; (C) 폐 절삭액중 재생절삭액 회수과정중(A) 막 막힘현상에 따른 재생과정을 제공하여 여과성능을 회복시키는 여과막재생공정단계; (D) 재생절삭액 회수과정시 발생되는 농축액중 고-액 분리를 통한 페기물 감소 및 추가적인 폐절삭액을 생산하는 농축액 고-액분리공정단계; (E) 수분제어 및 제거공정을 통해 1차수분제거후, 수분함량을 0.2%이하로 줄여 고순도 재생절삭액을 생산하는 고도탈수공정으로 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 제조공정에 발생하는 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생방법 및 재생시스템에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 (A)공정은 고속원심분리후 폐절삭액(d)과 분리시스템(t) 처리후 여액이 혼합된 탱크(e)로부터 여과유입탱크(i)로받아 여과효율향상과 점도감소를 위해 스팀(l)으로부터 온도를 올리는 것을 특징으로 한다. 이때 (A)공정전 적용된 고속원심분리는 1~2um이상의 입자를 제거하는 것을 목적으로하며, 50~60℃, 3500~4500rpm조건으로 운전하는 것을 특징으로 한다. 그리고 여과유입탱크(i)는 간접가열방식인 이중구조로 구성되며, 내부 절삭유의 변성을 방지한다. 미세입자 여과공정은 일정온도조건(50~70℃)에서 운전되어지며, 멤브레인(j)을 통과하여 고순도의 재생절삭액을 얻는 것이고 본 공정에 적용된 멤브레인은 고점도, 고농도에 적합하며 총고형물농도 50%까지 농축되고 미세 금속입자 또한 제거 가능한 것을 특징으로 한다. 또한 지속적인 막여과를 위한 방법으로 멤브레인 여과시 막 막힘(membrane fouling)현상을 방지하기 위한 주기적인 자동 역세척(backwashing)공정과 역세척 공정에 맞게 설정된 여과압력으로 일정하게 유지하거나 변동이 가능한 장치를 포함하여 안정적인 투과량을 유지한다. 그리고, 웨이퍼 제조공정중에서 요구되는 재생절삭액의 일일 평균생산량을 확보하기 위한 방법으로, 시스템 구성에 있어 독립적인 멤브레인 모듈(Module)로써, 예비(Stanby) 멤브레인단계를 구성하여, 미세입자제거공정과 역과막 재생공정에 e대하여 동시 운전이 가능하도록 단계별 모듈운전 방법을 적용한다.

본 발명에 있어서, 상기 (B)공정은 일정온도조건에서 여과유입탱크(i)와 투과저장탱크(k)에서는 수증기가 발생되며 이를 제거함으로써 재생절삭액중 수분을 제어하고 감소시키는 것으로 투입되는 가스가 비활성 기체인 것을 특징으로한다. 이때 비활성기체는 비활성가스발생기(f)로부터 제공되며 수증기를 외부로의 이송역활(g)과 더불어 건조과정을 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 (C)공정은 (A)공정에 있어 막 막힘(Fouling)이 형성되어 생산량이 불안정하거나 막 외부 부분의 금속불순물에 의한 오염으로 재생절삭액의 품질저하로 재생절삭액으로써 재사용이 불가능할 경우 , 적용되는 것으로 절삭분제거단계와 금속제거단계, 습윤(Wetting)단계 그리고 세척(Washing)단계로 구별되어 여과막 재생공정 또는 품질회복과정을 수행한다. 이때 절삭분제거단계 및 금속제거단계시 적용되는 용매는 각각 알칼리수(o)와 산성수(p)를 사용하며, 습윤 단계의 경우 글리콜류(q)의 용매, 세척단계는 염소(Chlorine)가 제거된 물(r)을 적용한다.

이때 각 단계는 (A)단계의 여과온도 조건과 동일하게 유지되며, 순환(h)과 정체를 반복하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 (D)공정은 (A)공정으로부터 생성된 농축 폐슬러리를 고-액분리하는 과정으로 폐기되는 농축슬러지중 절삭유의 함량을 낮추고 여액을 혼합버퍼조(e)로 순환시켜 고순도 재생절삭액의 회수율을 증가시키는 것을 특징으로 한다. 이때 적용되는 분리시스템(t)으로는 농축 폐슬러리 성상에 따라 디스크형태의 원심분리, 고속원심분리, 수직원통 원심분리기, 데칸터, 프리코트형태의 여과기 또는 필터프레서가 적용된다.

이때 적용된 데칸터를 포함한 원심분리기의 경우, 원심력을 이용한 것으로 농축 폐슬러리중 재생 절삭유의 회수는 물질의 비중 차이에서 오는 원심력의 불균형을 이용하여 분리하는 것을 특징으로 한다.

프리코트(Precoat) 형태의 여과기기의 특징으로는 여과작업전에 여과제위에 보통 3~5mm 정도의 거름 보조제층을 형성시킨 후, 분리하는 방법으로, 거름 보조제로는 규조토, 펄라이트, 이온교환수지 등의 미분말을 이용한다.

그외, 필터프레스(filter press)는 1~500um 공극크기를 갖는 여과포에 농축 폐슬러리를 주입한후 고압을 이용하여, 폐 농축슬러지로부터 재생 절삭유를 회수하는 것으로 프리코트형태 여과압착 또는 직접 여과압착 두가지의 것이 모두 가능한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 (E)공정은 (B)과정을 통해, 1차로 수분이 제거된 재생절삭액을 수분을 더 제거시켜 고순도로 정제된 절삭액을 얻기위한 방법으로 탈수시스템(u)을 적용함을 특징으로 한다. 이때 적용된 탈수공정은 막표면의 수분에 대한 선택성과 선택된 수분을 제거하기 위한 진공공정을 적용한 방법을 포함한다.

그외에 본 시스템은 미분이 포함된 절삭액이 절삭수인 경우에도 적용이 가능하며, 도1에 있어, 수분제거 및 제거공정(B)과 고도탈수공정(E)을 제외한 미세입자제거공정, 여과막재생공정, 농축액 고-액분리공정의 적용만으로도 고순도의 재생가능한 절삭수생산이 가능한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 종래 장치의 재생절삭액 회수장치와 비교하여 높은 재생효율 뿐만 아니라 어떠한 첨가제가 첨가되지 않은 고순도의 재생절삭액을 제공한다. 즉 수분제어&제거공정 및 고도탈수공정과 여과막 재생공정을 포함한 고효율 멤브레인공정은 금속불순물을 포함하여 100%가까운 미세입자제거 성능을 보여주며, 동시에 수분을 제어하고 제거 시킴으로써 고품질의 재생절삭액 재생방법 및 재생 시스템을 제공한다.

본 발명의 실시예로서, 아래 표1은 본 발명의 시험(Pilot test)장비를 이용한 실시예의 결과로써 폐절삭액의 고효율멤브레인공정전후 수분함량, 총 고형물량, 금속불순물의 각 제거율의 결과이며, 도 2는 표1에 대한 시료로써 폐절삭액의 고효율 멤브레인공정 전후 사진을 촬영한 것이며, 표 2는 미세입자제거공정에 따른 막 표면 막힘 제거 및 재생절삭액 품질향상을 위한 여과막 재생공정 전후의 투과량 및 재생절삭액의 금속불순물 함량 결과이다.

여과 전후 폐절삭액의 수분함량, 총고형물량 금속불순물농도 변화

	Water (%)	Total Solid (%)	Fe ( ppm )	Cu ( ppm )
막여과전	2.57	4.125	2470	130
막여과후	1.37(1차)	0	0.8	0.14
고도탈수공정후	0.17(2차)	0	0.8	0.14
총 제거율	93.4%	100%	99.97%	99.89%

주)막여과전 대비 수분 1차 제거율 48.6%, 막여과전 대 수분 2차 제거율 93.4%

표1은 시험장비를 이용한 실시예의 결과로써 미세절삭제, 절삭분, 금속불순물이 포함된 디에틸렌글리콜 폐절삭액의 고효율멤브레인공정전후 수분함량, 총고형물량, 금속불순물의 각 제거율의 결과이다. 이때 수분은 여과전 대비하여 1차 약49%, 2차 약 93%, 금속불순물은 99.9%제거 되었으며, 특히 총고형물에 있어 100%가깝게 제거됨을 확인 할 수 있다. 결국, 100%가까운 미분입자의 제거와 0.2%이하의 수분함량유지로 고순도의 재생절삭액을 얻을 수 있었다. 이중 수분은 (B),(E)공정 과정에 의해 제거되었으며, 입자성 물질은 (A)공정에 의해 제거됨을 특징으로 한다.

도 2는 상기 표1에 대한 시료로써 여과전후의 사진을 제공한다. 본 사진을 통해, 여과전후 폐절삭액의 색도차이를 통해 고순도의 재생절삭액이 회수되었음을 확인 할 수 있다.

막 표면 막힘에 따른 투과유량 감소 및 재생절삭액의 품질저하에 따른 여과막 재생공정 전후 투과유량 및 여과 절삭유의 품질변화

	Fe ( ppm )	Cu ( ppm )	Flux(L/m2h: LMH )	평균생산 Flux
막재생공정전	0.8	0.14	36	59~62LMH
막재생공정후	0.04	0.01	60
제거율	95%	92.8%	-

표2는 (A)과정시 막 표면 막힘에 따른 투과유량 감소 및 재생절삭유의 품질저하에 따른 여과막 재생공정 적용관련 실시예의 결과로써, 재생공정 전후의 투과유량 및 재생절삭액중 금속불순물의 함량을 보여준다. 이때 투과유량은 평균 투과유량(Flux : L/m²h)으로 회복됨을 보여주었으며, 금속불순물은 90%이상 제거되었음을 확인 할 수 있다. 결국 여과막 재생공정은 막 표면 막힘 물질 뿐만 아니라 막 외부에 형성된 금속불순물 물질 제거에 효과적임을 보여준다.

본 발명의 실시예로서, 디에틸렌글리콜을 기본으로 하는 재생절삭유 회수에 대한 폐절삭유재생공정의 전체적인 물질수지는 아래와 같다.

상기 물질지수는 유입되는 웨이퍼 폐슬러지중 총고형물(TS:Total soild)를 100% 까지 제거가 가능하고, 이와 더불어 최대 순도 99.9%이상의 고순도 재생 절삭액 생산이 가능함을 보여준다.

A. 미세입자 제거공정 B. 수분제어&제거공정
C. 여과막 재생공정 D. 농축액 고-액 분리공정
E. 고도탈수공정
a. 웨이퍼 폐슬러리 b. 고속원심분리
c. 입자제거(3um이상) d. 유량 버퍼탱크
e. 여액혼합버퍼조 f. 비활성가스발생기
g. 수증기이송장치 h. 여과막재생공정 1,2,3 순환 파이프
i. 순환탱크 j. 멤브레인
k. 여과액탱크 l. 스팀
m. 농축 버프탱크 n. 제품탱크
o. 재생탱크1(알칼리수) p. 재생탱크2(산성수)
q. 재생탱크3(글리콜류) r. 재생탱크4(물)
s. 폐슬러지탱크 t. 고액분리시스템
u. 탈수시스템

Claims (27)

1. 다음 단계를 포함하는 멤브레인을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생방법;
   (A) 고속원심분리후 폐절삭액중 미분입자 및 금속불순물을 분리하는 미세입자 제거 후 폐절삭액의 점도감소와 여과효율 향상을 위해 스팀을 이용하여 50~70℃로 보온 유지 공정 단계;
   (B) 수분상승을 방지하고 제거하는 수분제어 및 제거공정 단계;
   (C) 투과량감소 및 재생절삭액 재사용이 불가능함에 따른 막성능을 회복시키는 여과막 재생공정단계;
   (D) 발생하는 농축 폐슬러지를 폐기고형분과 여액을 분리하여 순환시키는 농축액 고-액분리공정단계;
   (E) 1차로 수분이 제거된 재생절삭액 중, 남은 수분여액을 고도처리하는 고도 탈수공정단계;
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 (A)단계 전처리를 위해 고속원심분리기를 이용하여 반도체 및 태양전지 웨이퍼 제조시 발생되는 웨이퍼 폐슬러리내 포함된 직경 1㎛ 이상의 절삭제 및 절삭분 입자를 50~60℃, 3500~4500rpm 조건으로 분리하여 제거하는 것을 특징으로 하는 멤브레인을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생방법.
   
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 (A)단계에 사용된 막은 고점도(최대 100,000 centipoise)의 액체가 여과 가능한 멤브레인 관형태(Tubular type)를 갖으며, 0.05~0.1㎛ 기공크기와 내구성 및 pH 1~14범위에서 사용할 수 있고, 총고형물 농도 50%까지 농축이 가능한 멤브레인인 것을 특징으로 하는 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생방법.
   
5. 제4항에 있어서 사용된 막은 폴리머(polymer) 또는 세라믹(Cermaic) 또는 금속(Metal) 재질을 갖는 것을 특징으로하는 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생방법.
   
6. 제 1항에 있어서, (A)단계에 적용된 폐절삭액은 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 테트라에틸렌글리콜, 부틸렌 글리콜, 헥실렌글리콜, 글리세린, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 폴리부틸렌글리콜, 폴리헥실렌글리콜에서 선택되는 글리콜류인 것을 특징으로하는 멤브레인을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생방법.
   
7. 제 1항에 있어서, 폐절삭액은 탈이온된 절삭수인 것을 특징으로하는 멤브레인을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생방법.
   
8. 제 7항에 있어서, 절삭수를 적용하는경우에는 상기(B)와 (E)공정을 제외한 (A),(C),(D)공정만으로도 고순도의 재생가능한 절삭수생산이 가능한 것을 특징으로하는 멤브레인을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생방법.
   
9. 제 1항에 있어서, 상기 (B)단계에 적용된 수분제어 및 제거방법으로, 비활성기체를 이용하여 수증기의 외부이송을 도와 재생절삭액내 수분함류량을 낮추는 과정을 포함한 것을 특징으로 하는 멤브레인을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생방법.
10. 제 9항에 있어서, 비활성기체라함은 수분이 없으며, 상기(A)과정중에 발생되는 물질 또는 폐절삭액의 물질 및 불순물과 반응이 없는 것을 특징으로하는 멤브레인을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생방법.
    
11. 제 1항에 있어서, 상기 (C)단계는 미세입자제거과정중 자체적인 투과유량회복이 불가능하고 재생절삭액내 금속성분(철,구리) 증가로 여과액의 품질 저하로 재생 절삭액으로써 재사용이 불가능할 경우, 절삭분 제거단계와 금속제거단계, 습윤단계, 세척단계로 구별되는 여과막 재생공정을 이용하여 여과성능을 회복시키고 고순도 재생절삭액의 생산이 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 멤브레인을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생방법.
    
12. 제 11항에 있어서. 여과막 재생공정은 막 막힘(Fouling)된 절삭분의 제거단계, 금속불순물의 제거단계, 습윤(Wetting) 단계, 그리고 세척(Washing)단계로 구분되며 자동적으로 여과막 재생공정 또는 재생절삭액 품질회복공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 멤브레인을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생방법.
    
13. 제 12항에 있어서. 절삭분제거단계 및 금속불순물제거단계시 적용되는 용매는 각각 알칼리수와 산성수를 사용하며, 습윤단계의 경우 글리콜류의 용매, 세척단계는 염소(chlorine)가 제거된 물(r)을 적용하는 것을 특징으로 하는 멤브레인을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생방법.
    
14. 제 13항에 있어서, 각 단계의 용매는 (A)단계의 여과온도조건과 동일하게 유지되며, 막을 중심으로 순환과 일정시간 정체를 반복하는 것을 특징으로 하는 멤브레인을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생방법.
15. 제 1항에 있어서, 상기 (D)단계는 (A)단계로부터 발생된 농축 슬러리를 추가적인 분리조작을 통해 농축슬러리중 절삭액의 함량을 낮춰 폐기하고, 여액을 혼합버퍼조로 순환시켜 고순도 재생절삭액의 회수율을 증가시키는 것을 특징으로하는 멤브레인을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생방법.
    
16. 제 1항에 있어서, 상기 (E)단계는 (B)단계로부터 1차로 수분이 제거된 재생절삭액중 수분여액을 고도처리하는 방법으로 최종 재생절삭액내 수분함량을 0.2%이하로 유지하는 것을 특징으로 하는 멤브레인을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생방법.
    
17. 제 16항에 있어서, 상기 (E)단계를 위해 탈수시스템이 적용되며, 이때 탈수공정은 절삭유내 존재하는 수분을 비다공성 막을 이용하여 선택적으로 제거하는 투과증발막 공정, 진공조건하 벽면에 절삭유의 박막을 형성시켜 순간적으로 수분을 제거시키는 박막증발기(Thin film evaporator), 원심박막증발기(Centrifuge film evaporator)중 선택되는 것을 특징으로하는 멤브레인을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생방법.
    
18. (A) 폐절삭액중 미분입자 및 금속불순물을 분리하여 미세입자를 제거하기 위한 고속원심분리기 및 상기 미세입자가 제거된 폐절삭액을 50~70℃로 보온 유지시키는 장치;
    (B) 수분상승을 방지하고 제거하는 수분제어 및 제거 장치;
    (C) 막성능을 회복시키는 여과막 재생 장치;
    (D) 농축 폐 슬러지를 폐기고형분과 여액을 분리하여 순환시키는 농축액 고-액분리 장치;
    (E) 1차로 수분이 제거된 재생절삭액중, 남은수분여액을 고도처리하는 고도탈수 장치;
    를 포함하는 멤브레인을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생시스템.
    
19. 제 18항에 있어서, 상기 (A)의 장치는 폐절삭액의 점도감소, 내부 절삭액의 변성방지 및 여과효율향상을 위한 보온방법으로 탱크구조를 간접가열방식인 이중구조인 것을 특징으로 하는 멤브레인을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생시스템.
    
20. 제 18항에 있어서, 상기 (A)의 장치에서 멤브레인 여과시 막 막힘(membrane fouling)현상을 방지하기 위한 주기적인 자동 역세척(backwashing)공정과 역세척 공정에 맞게 설정된 여과압력으로 일정하게 유지하거나 변동이 가능한 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생시스템.
    
21. 제 18항에 있어서, 상기 (A)의 장치는 웨이퍼 제조공정에서 요구되는 재생절삭액의 일일평균생산량을 확보하기 위하여 시스템구성에 있어 독립적인 멤브레인 모듈(Module)로써, 예비(Standby) 멤브레인 장치를 포함하여, 미세입자 제거공정과 여과막 재생공정에 대하여 동시운전이 가능하도록 단계별 모듈운전이 가능한 장치를 포함하는 것을 특징으로하는 멤브레인을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생시스템.
    
22. 제 18항에 있어서, 상기 (B)의 장치에 비활성기체를 직접 탱크 상부에 주입하는 비활성기체 발생장치를 구비하는 것을 특징으로하는 멤브레인을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생시스템.
    
23. 제 18항에 있어서, 상기 (C)의 여과막 재생 장치는 자동화된 방법에 의한 막재생과정을 수행하고, 상기(A)의 장치와 동시에 구동이 가능한 것을 특징으로하는 멤브레인을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생시스템.
    
24. 제 18항에 있어서, 상기 (D)의 장치는 상기 (A)의 장치를 이용하여 발생된 농축 슬러리를 고-액분리하는 공정을 수행하는 장치이며, 이때 적용되는 분리시스템으로는 농축 폐슬러리 성상에 따라 디스크형태의 원심분리, 고속원심분리, 수직원통 원심분리, 데칸터, 프리코트형태의 여과기 또는 필터프레서에서 선택되는 것을 특징으로 하는 멤브레인을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생시스템.
    
25. 제 24항에 있어서, 적용된 데칸터를 포함한 원심분리기는 원심력을 이용한 것으로 농축 폐슬러리중 재생 절삭유의 회수는 물질의 비중 차이에서 오는 원심력의 불균형을 이용하여 분리하는 것을 특징으로 하는 멤브레인을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생시스템.
    
26. 제 24항에 있어서, 적용된 프리코트(Precoat) 형태의 여과기는 여과작업전에 여과제위에 보통 3~5mm 정도의 거름 보조제층을 형성시킨후 분리하는 방법을 수행하기 위한 것으로, 거름 보조제로는 규조토, 펄라이트, 이온교환수지 등의 미분말을 사용하는 것을 특징으로하는 멤브레인을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생시스템.
    
27. 제 24항에 있어서, 필터프레스(filter press)는 1~500um 공극크기를 갖는 여과포에 농축 폐슬러리를 주입한후 고압을 이용하여, 재생 절삭유를 회수하는 것으로 프리코트형태 여과압착 또는 직접 여과압착 두가지의 것이 모두 가능한 것을 특징으로하는 멤브레인을 이용한 반도체 및 태양전지용 웨이퍼 폐슬러리중 절삭액의 고효율 재생시스템.
    

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