KR101345855B1

KR101345855B1 - 실리콘을 이용한 분쇄방법

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Publication number: KR101345855B1
Application number: KR1020130006575A
Authority: KR
Inventors: 이길문; 최일곤
Original assignee: 이길문
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2013-12-30

Abstract

본 발명은 실리콘을 이용한 분쇄방법에 관한 것으로, 피분쇄물 즉 무기물의 분쇄 과정에서 발생되는 정전기에 의한 미분의 응집현상을 개선하기 위하여, 정전기를 효과적으로 제거하여 분쇄효율을 증가시킬 수 있는 전자재료 산업에서 배출되는 실리콘 폐기물을 함유한 분쇄조제를 이용하여 무기물을 분쇄하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 피분쇄물의 분쇄 공정에 있어서, 실리콘을 함유한 분쇄조제를 전체 피분쇄물 100 중량부에 대해 실리콘을 기준으로 0.01에서 0.2 중량부를 첨가하여 피분쇄물을 분쇄하는 것을 특징으로 한 실리콘을 이용한 분쇄방법을 제공한다.

Description

실리콘을 이용한 분쇄방법{Grinding method using silicon}

본 발명은 실리콘을 이용한 분쇄방법에 관한 것으로, 피분쇄물 즉 무기물의 분쇄 과정에서 발생되는 정전기에 의한 미분의 응집현상을 개선하기 위하여, 정전기를 효과적으로 제거하여 분쇄효율을 증가시킬 수 있는 전자재료 산업에서 배출되는 실리콘 폐기물을 이용하여 무기물을 분쇄하는 방법에 관한 것이다.

분쇄란 결정성 물질을 물리적으로 파쇄하는 것으로서 공업적으로 광물 또는 무기물을 대량으로 분쇄하는 경우 주로 볼밀 등의 드럼 회전식 분쇄기를 사용하고 있으며 단위시간당 배출되는 제품의 량으로 장치의 용량이 결정된다.

특히 연속식 분쇄기의 경우 분쇄된 미분의 입자들이 효율적으로 배출되도록 요구하고 있으나 일반적으로 운전과정에서 물질의 유동에 따른 입자 표면의 지속적인 브러싱(brushing) 효과로 마찰 정전기가 발생되어 분쇄가 완료된 입자들이 재차 덩어리 형태로 응집된 2차 입자를 형성함으로써 분쇄효율이 저하되고 있다.

이러한 현상은 마찰 정전기로 대전된 입자 내에서 분자 간 반데르발스 힘이 작용하고 입자 표면에서 양전하와 음전하가 각각 서로 한 쪽 방향으로 정렬하려는 특성으로 인해 순인력이 발생하여 분쇄된 미분이 뭉쳐지는 원인이 되고 있으며, 종래에는 이러한 2차 입자의 형성을 해결하기 위한 기술로 모노에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜과 트리에틸렌 글리콜 등의 글리콜류를 첨가하는 방법(미국 특허 제2,225,146호)과 아민류, 요소, 메탄올 또는 인산나트륨 등을 첨가하는 방법 등과 같이 단순히 미분으로 분쇄된 입자표면에 흡착되어 입자 표면에너지를 감소시킬 수 있는 물질들을 첨가하여 응집결합력을 줄임으로써 분산효과를 개선하는 방법이 주로 연구되어 왔다.

또한, 경제성을 고려한 대한민국 등록특허 제10-0222776호에는, "광물의 미분쇄 공정에 있어서, 에틸렌글리콜 또는 프로필렌글리콜 94 내지 96 중량％, 부식방지제, 방청제 및 안정제 1.5 내지 2.5 중량％ 및 물 4.5 내지 1.5 중량％로 이루어진 폐부동액 조성물 20 내지 80 부피％를 함유하는 폐부동액의 수용액이나 또는 상기 폐부동액의 수용액을 여과한 후 전체 피분쇄물에 대해 0.01 내지 0.5 중량％를 첨가하여 광물을 분쇄하는 것을 특징으로 하는 폐부동액을 이용한 광물의 미분쇄 방법"이 제안되고 있다.

그러나 상기의 입자 표면에너지 감소에 따른 분산 기능은 그 효과가 입증 되었음에도 불구하고 분쇄과정에서 축적되는 마찰에 의한 정전기가 근본적으로 제거되지 못하므로 분쇄능력 개선에 한계가 있다는 문제점이 여전히 남아 있다.

본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 대전 분체의 제전을 위한 특별한 장치를 설치하지 않고도 피분쇄물의 조성변화에 영향을 주지 않도록 소량을 첨가하면서도 큰 효과를 나타낼 수 있는 실리콘을 이용한 분쇄조제를 제공하고자 하며, 전자재료 산업의 웨이퍼 제조공정에서 발생되는 실리콘 폐기물을 사용하여 경제성 및 사용성을 높인 실리콘을 이용한 피분쇄물의 분쇄방법을 제공하고자 한다.

본 발명에 따르면, 피분쇄물의 분쇄 공정에 있어서, 실리콘을 함유한 분쇄조제를 전체 피분쇄물 100 중량부에 대해 실리콘을 기준으로 0.01에서 0.2 중량부를 첨가하여 피분쇄물을 분쇄하는 것으로, 상기 분쇄조제는 전자재료 산업의 웨이퍼 제조공정에서 발생되는 실리콘 폐기물인 실리콘 폐액을 고효율 분리 증류설비에 투입하여 150 ~ 180℃의 온도와 1kPa 이하의 진공 조건에서 실리콘 미립자의 농도가 70 ~ 80 중량%가 될 때까지 물과 저 휘발성 성분을 분리하여 농축한 후 유동성을 위한 분산매로 물을 가하여 실리콘 미립자 40 ~ 50 중량%, 디에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜 5 ~ 10 중량%, 그리고 물 40 ~ 55 중량%로 구성된 것을 특징으로 한 실리콘을 이용한 분쇄방법을 제공한다..

무기물과 같이 정전기가 발생하는 피분쇄물을 분쇄하기 위한 분쇄장치에 접지 장치를 부착하며, 상기 접지장치는 동선을 원형으로 만들어 볼밀의 축 방향과 수직으로 외통에 설치하여 회전하는 볼밀로부터의 정전기를 수평 이동형 팬터그래프로 받아 10Ω의 접지에 연결시켜 볼밀 내부에서 마찰과 충격에 의해 발생 및 누적되는 정전기의 전기적 극성을 중화시키는 것이 바람직하다.

삭제

본 발명은, 무기물을 분쇄하는 경우 마찰에 의해 분쇄기 내부에 정전기가 발생되며, 이 정전기는 분쇄된 입자를 덩어리 형태로 응집시켜 분쇄효율을 저하시키는 원인을 실리콘을 함유한 분쇄조제를 무기물 원료와 혼합하여 분쇄하고, 분쇄장치에 접지창치를 부착하여 정전기를 제거할 수 있는 실리콘을 이용한 분쇄방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 분쇄조제를 실시하기 위한 원통형 수평회전 볼밀형 분쇄기의 사시도.
도 2는 실리콘 투입량에 따른 분쇄효율의 변화를 나타낸 그래프

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면과 함께 상세히 설명하도록 한다. 그러나 본 발명은 본 발명에 제시되는 실시예에 제한된다고 할 수 없으며, 또 다른 구성요소의 추가, 변경, 삭제 등에 의해서 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명의 사상범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있다.

본 발명에 따른 실리콘을 이용한 분쇄방법은, 실리콘을 함유한 분쇄조제를 피분쇄물의 분쇄시 첨가하여 분쇄효율을 높이기 위한 것으로, 전체 피분쇄물 100 중량부에 대해 상기 분쇄조제 중에서 실리콘을 기준으로 0.01에서 0.2 중량부를 첨가한다. 상기 분쇄조제는 실리콘 미립자 40~50 중량%, 디에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜 5~10 중량% 및 물 40~55 중량%로 이루어진다.

또한, 분쇄과정에서 무기물과 같이 정전기가 발생하는 피분쇄물의 입자들이 정전기에 다시 뭉쳐져 2차 입자가 생성되는 것을 방지하기 위해 분쇄장치에 접지장치를 부착하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 사용한 실리콘은 전자재료 산업에서 웨이퍼 제조 시 원추형 실리콘 잉고트를 강철 와이어를 직선 운동시켜 절단을 할 때 발생되는 폐기물로서, 보다 상세하게는 절단 연마제로서 미분의 실리콘 카바이드 또는 공업용 미분 다이아몬드를 사용하고 디에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜 등과 물을 분산매로 사용하여 강철 와이어를 고속으로 직진 시키면서 실리콘 잉고트를 절단하는 공정에서 발생되며, 절단 작업이 계속될 경우 분산매 내의 고형분의 농도가 증가되므로 일정시간 사용 후 폐기되어야 한다.

이러한 실리콘 폐 슬러리의 배출량은 최근 전자재료 산업, 특히 반도체 제조용 웨이퍼 제조업의 발전으로 지속적으로 증가하고 있으나 상기 폐 슬러리의 주성분인 실리콘은 표면적이 0.5~10 m²/g이상의 미분이어서 이를 분리하더라도 고 순도의 실리콘 미립자를 잉고트로 다시 제조하거나 타 용도로 재사용이 불가능하여 전량 폐기되어 매립되고 있고, 폐기물 중의 연소 가능한 디에틸렌 글리콜 등의 유기물과 실리콘이 고온에서 산화될 때 발생되는 열량을 고려하여 무기물 접촉 가열용 보조 연료로 시멘트공장에서 사용되는 등 그 활용도가 매우 낮은 실정이다.

본 발명에 따른 분쇄조제는 실리콘 미립자가 포함된 폐기물을 고효율의 증류설비로 물과 저 휘발성 물질을 분리하여 농축한 후 제품의 유동을 위해 농축된 실리콘 미립자에 적정량의 물을 가하여 실리콘 슬러리 형태로 제조한 것이다.

본 발명은 실리콘 미립자의 함량이 40 ~ 50 중량%를 유지하며 물과 글리콜류를 분산매로 하여 유동성이 있는 실리콘 슬러리를 제조한 후, 이를 무기물 분쇄 시 정전기 제거가 가능한 기능성 분쇄조제로 활용하는 방법에 관한 것으로, 이하 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 전자재료 산업에서 배출되는 실리콘 폐기물은 조성비가 일정하지 않아 실리콘이 저 농도일 경우 기능성이 부족하며 고농도일 경우 침전에 의한 유동성이 부족한 문제점이 있어, 본 발명에서는 회수된 실리콘 폐액을 고효율 분리 증류설비에 투입하여 150 ~ 180℃의 온도와 1kPa 이하의 진공 조건에서 실리콘 미립자의 농도가 70 ~ 80 중량%가 될 때까지 물과 저 휘발성 성분을 분리하여 농축한 후 유동성을 위한 분산매로 물을 가하여 실리콘 미립자 40 ~ 50 중량%, 디에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜 5 ~ 10 중량%, 그리고 물 40 ~ 55 중량%의 조성으로 일정하게 유지되는 기능성 분쇄조제를 제조하였다.

상기와 같이 제조된 분쇄조제를 이용하여, 분쇄과정에서 축적되는 마찰에 의한 정전기를 제거하기 위해 장치 외부에 동선과 팬터그래프를 특별히 제작하여 부착한 원통형 수평회전 볼밀형 분쇄기를 통해 그 효과를 검증하였다.

그 결과 본 발명에 따른 분쇄조제를 사용하지 않을 경우 분쇄기의 접지효과가 나타나지 않았으나, 상기 분쇄조제 중에서 실리콘을 기준하여 전체 피분쇄물에 대해 0.01 ~ 0.2 중량부를 투입할 경우 분쇄기 내부의 피분쇄물에 대전된 정전기가 분쇄장치 외부의 접지장치인 동선과 접지된 팬터그래프를 거쳐 전기적으로 중화되는 효과가 나타났으며, 이를 통해 반도체적 특성을 가진 실리콘 입자를 통해 전하의 이동이 가능함을 알 수 있었고, 이러한 효과로 인하여 동일 조건에서 5 ~ 20%의 분쇄 기능이 향상됨을 확인하였다.

첨부된 도 1은 본 발명에 따른 분쇄조제를 실시하기 위한 원통형 수평회전 볼밀형 분쇄기의 전체 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 분쇄조제를 실시하기 위한 원통형 수평 회전 볼밀형 분쇄기(1)는 내부에 내용물을 수직 정점에서 낙하시킬 수 있는 리프트(2)를 원통원주에 수평(가로)방향으로 12열을 부착하여 회전이 계속될 때 내용물을 수직방향 정점까지 들어 올려 낙하시킬 수 있도록 설치하고, 원통 내부에 칸막이(3)를 설치하여 1구역 및 2구역으로 분할 분쇄가 용이하도록 하였으며, 몸체 좌측에 원추형 유도관(4)을 연결하여 끝단에 원판형 기밀 디스크(5)를 설치하였다.

또한, 우측 원추형 유도관(6)은 원료 투입부의 면으로서 기밀 디스크(7)로 연결하였으며 상기 좌우측 원추형 유도관(4,6)으로 구성된 볼밀 최 끝단에는 각각 메탈형 베어링(8, 9)을 설치하여 회전을 용이하게 하였다.

우측에는 사슬기어(chain gear, 10)를 상기 볼밀형 분쇄기(1)에 설치하여 감속모터(11)와 체인으로 연결하여 20RPM으로 구동시켰고, 상기 볼밀형 분쇄기(1)는 베어링을 지지하는 보강대(12)로서 지지하였으며, 상기 보강대(12)는 격자 위에 위치시키고, 상기 격자의 하부에 0.2kg까지 감지 할 수 있는 로드셀(13) 4기를 설치하여 회전 중인 분쇄 볼밀의 전체 중량을 측정할 수 있도록 하였다.

그리고 우측의 투입부에는 원판형 기밀판에 연결하여 각각 석회석, 철광석, 규석, 알미늄 원광, 분산조제, 가온건조 및 연도가스 보급원인 버어너의 연소 공기 투입구 및 볼밀 내부차압 조절용 댐퍼(damper)를 설치하였고, 모든 투입구와 투입기계의 연결은 유연성이 좋아 중량을 측정하는데 지장을 주지 않는 유연한 조인트를 사용하였다.

상기 조인트와 연결되는 원료 투입 장치로서는 각각 4기의 스크류 이송기가 연결된 정량공급기를 사용하여 5 ~ 25mm의 크기로 분쇄된 석회석, 규석, 철광석 및 알루미늄 원광의 중량을 감지하면서 연속적으로 계량과 함께 투입 할 수 있는 브라벤더(Brabender)형 정량 공급기를 설치하였다.

상기 분산조제는 프리스텔틱형(Peristaltic pump) 정량공급기로 연속 투입하였다. 가열공기는 가스버너로 연소한 연소공기를 80 ~ 150℃ 조절하면서 원하는 연소 공기의 양을 투입하였으며 볼밀 내의 차압은 좌편의 피분쇄물 출구에 부착된 댐퍼에 의한 조절로 분체와 기체의 혼합물을 이송하여 백필터에 보내는 송풍기와의 평형을 유지하였다.

그리고 볼밀형 분쇄기(1)의 외통에 접지장치가 설치된다. 상기 접지장치는 직경 18mm의 순 동으로 된 동선(14)을 원형으로 만들어 볼밀의 축 방향과 수직으로 외통에 2기 설치하여 회전하는 볼밀로부터의 정전기를 수평 이동형 팬터그래프(15)로 받아 10Ω의 접지에 연결시켜 볼밀 내부에서 마찰과 충격에 의해 발생 및 누적되는 정전기의 전기적 극성을 중화시켰다.

상기 볼밀형 분쇄기(1)의 좌편에 분체 이송형 송풍기를 설치하였고, 여기에 2기의 백필터(Bag filter)를 설치하여 피분쇄물을 연속 투입하면서, 상기 피분쇄물을 포함한 볼밀의 중량이 증가하지 않는 시점까지는 제1 백필터로 송기하고 볼밀 전체 중량이 안정된 후에는 3시간 간격으로 제1, 제2 백필터로 번갈아 이송하며 피분쇄물을 계량하여 안정된 상태의 분쇄 능력을 확인하고, 상기 분쇄조제의 투입전의 분쇄량에 대한 투입량의 변화에 따른 분쇄량을 검량하여 효과를 검토하였다.

이때 연속 투입량과 연속 배출량 및 분쇄기 내에 체류하는 피분쇄물의 중량은 함께 산정하였으나 최종 피분쇄물 대비 볼밀에 잔류하는 아주 단단한 피분쇄물은 1중량% 이하로 본 실시예의 산정에 영향을 주지 않았다.

이상의 실험방법에 의한 결과를 표 1과 도 2에 나타내었으며, 하기 실시 예는 본 발명에 따른 무기물의 미분쇄를 위한 상기 분쇄조제 예 및 사용 예로서 본 발명을 구체적으로 설명하고 있으며, 본 발명의 특정 청구 범위는 하기 실시예의 내용으로 한정하는 것으로 해석하여서는 안 된다.

실시 예 1 : 언급한 장치에 고 망간형 강구를 약 700kg 투입하여 석회석 70%, 규석 20%, 철강석 5% 및 알루미늄 원광 5%의 비율로 점차 증량해가면 최종 볼밀의 중량이 증가하지 않는 시점까지 6시간 동안 운전 후 안정되면 계속 6시간 운전결과 볼밀형 분쇄기(1)의 연속 분쇄 능력은 318kg/시간 이었다.

여기에 회수된 실리콘 폐액을 고효율 분리 증류설비에 투입하여 160℃의 온도와 1kPa 이하의 진공 조건에서 실리콘 미립자의 농도가 80중량%가 될 때까지 물과 저 휘발성 성분을 분리하여 농축한 후 유동성을 위한 분산매로 물을 가하여 실리콘 미립자 50중량%, 디에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜 5중량%, 그리고 물 45중량%로 제조한 분쇄조제를 전체 피분쇄물 100 중량부에 대해 상기 분쇄조제 중 실리콘(Si)을 기준으로 0.02 중량부씩 증가 시키며 동일한 실험을 실시한 결과 표 1의 결과를 얻었다.

Si (중량부)	0	0.02	0.04	0.06	0.08	0.1	0.12	0.14
분쇄능력 (kg/시간)	318.0	321.1	328.4	342.1	356.3	366.0	368.8	369.0

상기 표 1의 실험결과에 근거하여 분쇄조제를 투입하지 않은 최초 실험을 0%로 기준하여 본 발명에 따른 분쇄조제(Si) 첨가량에 대한 분쇄효율 증가의 추이를 도 2에 나타내었다.

즉, 첨가량이 낮은 범위에서는 분쇄조제(Si)의 첨가량에 비례하여 분쇄효율이 지속적으로 증가하며 실리콘(Si)이 0.1 중량부 이후부터는 투입량을 지속적으로 증가시키더라도 분쇄효율의 변화가 작게 나타나고 있음을 알 수 있었다.

본 발명에 따른 실리콘을 이용한 분쇄방법은, 부도체적 특성을 지닌 무기물을 분쇄하는 경우 분쇄장치의 접지에 의한 대전분체의 제전은 불가능하며 미분으로 분쇄될수록 표면적이 급격히 증가함에 따라 정전기의 영향이 커지고 분쇄장치 내부에서 모든 입자들이 대전분체로 전환되므로 분자간 반데르발스 힘이 증가하고 입자간 인력이 작용하여 덩어리로 재차 응집되어 장치의 용량에 비해 분쇄 효율이 매우 낮은 문제점을 해결하는 이점이 있다.

그리고 본 발명에 따른 분쇄조제를 소량만 첨가하더라도 분쇄 성능을 향상시키고 전체 제품에 영향이 없어 기본적인 분쇄조제로서의 기능을 충분히 만족하면서, 기존의 분쇄 조제와 차별화되는 즉, 무기물의 분쇄 과정에서 발생되는 정전기를 근본적으로 제거할 수 있는 분쇄방법의 특징을 가진다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 원통형 수평회전 볼밀형 분쇄기 2: 리프트
3: 칸막이 4: 원추형 유도관
5: 회전 원판형 기밀 디스크 6: 원추형 유도관
7: 회전 원판형 기밀 디스크 8: 메탈형 베어링
9: 메탈형 베어링 10: 사슬기어
11: 감속모터 12: 보강대
13: 로드셀 14: 동선
15: 팬터그래프

Claims

피분쇄물의 분쇄 공정에 있어서, 실리콘을 함유한 분쇄조제를 전체 피분쇄물 100 중량부에 대해 실리콘을 기준으로 0.01에서 0.2 중량부를 첨가하여 피분쇄물을 분쇄하는 것으로,
상기 분쇄조제는 전자재료 산업의 웨이퍼 제조공정에서 발생되는 실리콘 폐기물인 실리콘 폐액을 고효율 분리 증류설비에 투입하여 150 ~ 180℃의 온도와 1kPa 이하의 진공 조건에서 실리콘 미립자의 농도가 70 ~ 80 중량%가 될 때까지 물과 저 휘발성 성분을 분리하여 농축한 후 유동성을 위한 분산매로 물을 가하여 실리콘 미립자 40 ~ 50 중량%, 디에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜 5 ~ 10 중량%, 그리고 물 40 ~ 55 중량%로 구성된 것을 특징으로 한 실리콘을 이용한 분쇄방법.
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제1항에 있어서,
무기물과 같이 정전기가 발생하는 피분쇄물을 분쇄하기 위한 분쇄장치에 접지 장치를 부착하며, 상기 접지장치는 동선을 원형으로 만들어 볼밀의 축 방향과 수직으로 외통에 설치하여 회전하는 볼밀로부터의 정전기를 수평 이동형 팬터그래프로 받아 10Ω의 접지에 연결시켜 볼밀 내부에서 마찰과 충격에 의해 발생 및 누적되는 정전기의 전기적 극성을 중화시키는 것을 특징으로 한 실리콘을 이용한 분쇄방법.