KR101469842B1 - 석영 재생 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수명이 다한 석영제품에서 이물질을 제거(세정)한 후 파쇄, 분쇄, 교반, 성형, 건조, 소성의 단계를 거쳐 새로운 제품을 제조하여 석영을 재활용하는 석용 재생방법에 관한 것으로서, 재활용된 제품을 재생방법으로 다시 재생하여 재활용 할 수 있으며, 파쇄 및 분쇄후, 교반과정에서 크기가 다른 분쇄물을 혼합하여 성형후 소성하도록 함으로써 성형 및 탈형시 크랙 및 부서짐등을 방지하도록 한다.
Description
본 발명은 여러 산업분야에서 사용되어지는 석영제품의 수명이 다하거나 사용이 종료된 후 폐기하던 석영들을 세정후 파쇄, 분쇄, 교반, 성형 및 소성을 거쳐 재생하여 재활용할 수 있도록 하고, 재생된 석영제품을 사용 후 다시 회수하여 앞의 재생방법인 세정후 파쇄, 분쇄, 교반, 성형 및 소성을 반복진행하므로서 석영제품에 오염이 증가되지 않는 범위에서 재생을 반복할 수 있도록 하는 석영 재생방법에 관한 것이다.
석영은 고순도(99%이상)이고 고온에서 견디며 화학물질에 안정적인 물질로서 반도체설비 부품, 태양광 도가니, 광학용, 의료용으로 다양하게 사용되어지는 물질이다. 최근에는 앞에서 언급한 분야중 태양광과 반도체 제조분야에서 도가니 또는 설비부품으로 대다수가 사용되어지고 있다. 석영으로 만들어지는 제품은 수명이 다한 후에는 대부분이 폐기물로 버려지고 있어서 석영을 재활용하기 위한 석영 재생방법이 요구 되어져 왔다.
종래의 석영 재생기술로서 한국특허번호 2011-0013242호(2011.02.09) '석영유리부재의 재생방법'이 알려져 있다. 이는 반도체 제조공정에 사용되어 소모 열화된 석영유리 부재에 대해 모재손상을 억제하는 방법으로 세정하여 재생한다는 것이다.
또한 종래의 석영 재생기술로서 한국특허번호 2001-0070123호(2001.07.25) '석영 도가니의 재생방법'이 알려져 있다. 이는 단결정 실리콘을 제조하는데 사용한 후의 석영 도가니의 내면에 대해서 화학적 에칭처리, 기계적 연마 처리 및 고온 열처리 중 하나의 방법으로 내부를 복구처리하는 방법이다.
그러나, 상기와 같은 종래의 석영 재생기술은 석영 부재의 형태를 유지하는 상태에서 세정후 열처리나 고온 열처리등을 통해 유리를 충진시키는 등의 방법으로 재생하는 것으로서, 원부재 형상을 유지시켜 재생하는 방법으로서 재생에 사용되는 분야가 한정적이고, 원부재 형상을 유지한 상태로 세정 및 연마를 해야하므로 작업성이 떨어지고, 고순도 유지를 위한 재생 공정의 어려움이 많다.
본 발명은 원부재 형상과 관계없이 태양광 도가니나 반도체 설비 부품에서 폐기된 석영제품을 회수하여 세정후 파쇄, 분쇄, 교반, 성형 및 소성시켜 원하는 석영제품으로 재생하는 석영의 재생방법을 제공하기 위한 것이다.
또한 재생된 석영제품을 다시 회수하여 앞의 재생방법인 세정후 파쇄, 분쇄, 교반, 성형 및 소성을 반복 진행하므로서 석영제품에 오염이 증가되지 않는 범위에서 재생을 반복하는 방법이다.
본 발명에 의한 석영의 재생방법은,
사용후 폐기시킬 석영제품을 회수하여 세정하는 세정과정과;
세정된 석영제품을 파쇄하고, 파쇄된 석영을 분말로 분쇄하는 파쇄 및 분쇄과정과;
상기 파쇄된 석영과 분쇄된 분말 석영을 미리 정해진 비율로 혼합 후 물과 교반하는 교반과정과;
상기 물과 교반된 석영을 몰드 또는 성형틀을 이용해 성형하는 성형과정과;
성형된 석영제품을 탈형하여 건조시킨 후, 소성시키는 소성과정을 수행하여 석영 제품으로 재생하는 것을 특징으로 한다.
상기 세정과정은,
석영에 부착된 석영 이외의 이물질을 물리적 제거방식으로 제거한 후, 이물질을 화학약품을 이용하여 에칭하고, 린스처리후 건조시켜 세정하는 것을 특징으로 한다. 화학약품에 의한 에칭 후, 물의 pH6.0 ~ 8.0이 되도록 린스, 린스후 배기 건조를 수행하여 세정하는 화학적 세정방법 또는 커터와 연마기를 사용하여 이물질을 제거하는 물리적 세정방법 중 어느 하나 또는 이 둘의 혼용처리에 의해 세정하는 것을 특징으로 한다.
상기 파쇄 및 분쇄 과정은,
200mesh 이하의 파쇄기로 입자 직경이 1 ~ 10 mm의 크기가 되도록 파쇄하고, 2000mesh 이하의 분쇄기로 1 ~ 10㎛의 크기가 되도록 분쇄하는 것을 특징으로 한다.
상기 교반 과정은,
파쇄 및 분쇄된 원료를 적어도 둘 이상 서로 다른 입자 크기별로 선별하고, 선별된 둘 이상 서로 다른 입자크기를 가지는 원료를 혼합하고, 서로 다른 입자크기의 혼합된 원료에 물을 넣어 교반하되, 입자의 크기가 2000mesh 이하 10 ~ 20%, 500 ~ 2000mesh 50 ~ 70%, 200 ~ 500mesh 30 ~ 60%, 기타 10 ~ 20%의 비율로 혼합하여 분쇄물을 준비하고, 물을 분쇄물의 10 ~30% 무게비로 혼합하여 교반하되, 교반은 진공교반기(200 ~ 2000mesh)를 이용하여 진공도 10E( -2 ~ -5)torr에서 교반하는 것을 특징으로 한다.
상기 성형과정은, 함수율 5 ~ 20% 범위에서 성형틀에서 탈형하고, 탈형된 성형품을 20 ~ 50℃의 건조실에서 건조하는 것을 특징으로 한다.
상기 소성과정은, 예열단계, 고온소성단계, 냉각 단계를 순차 수행하되, 예열과 냉각은 100℃/분로 수행하고, 고온소성은, 1100 ~ 1800℃의 고온로에서 소성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 석영제품의 수명이 이후 폐기물이되어지는 석영을 고순도화하고 이를 재활용함으로서 자원 낭비를 줄이고 제조 원가를 절감할 수 있는 효과가 있다. 또한, 재생된 석영제품을 다시 회수하여 앞의 재생방법인 세정후 파쇄, 분쇄, 교반, 성형 및 소성을 반복진행하므로서 석영제품에 오염이 증가되지않는 범위에서 재생을 반복하여 재생하여 재활용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 석영 재생 공정도.
도 2는 본 발명에 의한 석영 재생공정 일부 사진 설명도.
도 2는 본 발명에 의한 석영 재생공정 일부 사진 설명도.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 의한 석영 재생 공정도이다. 이에 도시된 바와 같이,
사용후 폐기되는 석영제품을 회수하여 세정하는 세정과정(S10)과;
세정된 석영제품을 파쇄하고, 파쇄된 석영을 분말로 분쇄하는 파쇄 및 분쇄과정(S20)과;
상기 파쇄된 석영과 분쇄된 분말 석영을 미리 정해진 비율로 혼합 후 물과 교반하는 교반과정(S30)과;
상기 물과 교반된 석영을 몰드 또는 성형틀을 이용해 성형하는 성형과정(S40)과;
성형된 석영제품을 탈형하여 건조시킨 후, 소성시키는 소성과정(S50) 및
소성이 완료되어 냉각된 석영 제품을 진공 패키징하여 석영 제품 재생을 완료하는 패키징 과정(S60)을 수행하여 석영 제품으로 재생하는 것을 특징으로 한다.
상기 세정과정(S10)은,
석영에 부착된 석영 이외의 이물질을 물리적 제거방식으로 제거한 후, 이물질을 화학약품을 이용하여 에칭하고, 린스 처리 후 건조시켜 세정하는 것을 특징으로 한다.
화학약품에 의한 에칭 후, 물의 pH6.8 ~ 7이 되도록 린스, 린스후 배기 건조를 수행하여 세정하는 화학적 세정방법 또는 커터와 연마기를 사용하여 이물질을 제거하는 물리적 세정방법 중 어느 하나 또는 이 둘의 혼용처리에 의해 세정하는 것을 특징으로 한다.
상기 파쇄 및 분쇄 과정(S20)은,
200mesh 이하의 파쇄기로 입자 직경이 1 ~ 10 mm의 크기가 되도록 파쇄하고, 2000mesh 이하의 분쇄기로 수 ~ 수십㎛(예 1 ~ 99㎛)의 입자 크기가 되도록 분쇄하는 것을 특징으로 한다.
상기 교반 과정(S30)은,
파쇄 및 분쇄된 원료를 적어도 둘 이상 서로 다른 입자 크기별로 선별하고, 선별된 둘 이상 서로 다른 입자크기를 가지는 원료를 혼합하고, 서로 다른 입자크기의 혼합된 원료에 물을 넣어 교반하는 것을 특징으로 한다.
입자의 크기가 2000mesh 이하 10 ~ 20%, 500 ~ 2000mesh 50 ~ 70%, 200 ~ 500mesh 30 ~ 60%, 기타 10 ~ 20%의 비율로 혼합하여 분쇄물을 준비하고, 물을 분쇄물의 10 ~30% 무게비로 혼합하여 교반하되, 교반은 진공교반기(200 ~ 2000mesh)를 이용하여 진공도 10E( -2 ~ -5)torr에서 교반하는 것을 특징으로 한다.
상기 성형과정(S40)은, 함수율 5 ~ 20% 범위에서 성형틀에서 탈형하고, 탈형된 성형품을 30 ~ 40℃의 건조실에서 건조하는 것을 특징으로 한다.
상기 소성과정(S50)은, 예열단계, 고온소성단계, 냉각 단계를 순차 수행하되, 예열과 냉각은 100℃/분로 수행하고, 고온소성은, 1200 ~ 1400℃의 고온로에서 소성하는 것을 특징으로 한다.
도 2의 (가) 내지 (사)는 본 발명에 의한 석영 재생방법을 설명하기 위한 일부 사진 예시도이다.
사용후 석영제품은 태양광, 반도체, 광학기기, 의료용.. 등등 다양한 분야에서 사용되어지는데, 본 발명의 설명에서는 태양광과 반도체 분야에서 사용되어지는 석영의 재생에 대해 설명한다.
태양광 도가니로 사용되어진 석영제품은 석영(12)에 폴리 실리콘(11)이 부착되어 있다. 태양광 분야에서 사용되는 석영은 폴리실리콘(11)을 이용한 잉곳(Ingot)을 제조하는 도가니를 제작하는 용도로 사용되어지며, 도 2의 (가)의 위족 그림과 같이 석영(12)에 폴리실리콘(11)이 붙어있는 상태이다. 고순도의 석영을 얻기 위해서는 석영(12)에서 폴리실리콘(11)을 제거해야한다. 먼저 물리적인 방법으로 폴리실리콘(11)을 석영(12)에서 제거한다.
폴리실리콘이 석영 도가니에서 용융된 상태이므로 폴리실리콘과 석영의 접착력은 아주 강하므로 날카로운 금속(예; 다이아몬드 커터기 사용)과 햄머를 이용하여 폴리실리콘을 석영에서 제거한다. 다음은 화학적인 방법으로 제거하는데 석영에 붙어있는 폴리실리콘을 에칭하는 방법을 택한다. 석영에 부착된 잔여 폴리실리콘을 화학약품에 의해 에칭하는데, 이는 통상 반도체 공정에서 사용되어지는 폴리실리콘 에칭약품을 사용할 수 있다.
화학약품에 의한 에칭을 수행하면, 에칭 약품에 의해 오염된 상태이므로 이를 세정하여 린스 처리한다. 린스 처리에서 물의 pH농도가 pH 6.0 ~ 8.0이 될때까지 세정액과 물을 이용하여 린스처리한다.
린스 처리후에는 수분에 의한 오염을 방지하기 위하여 100℃ 이상의 고온에서 배기상태로 강제 건조시킨다.
한편, 도 2의 (가)의 아래쪽 그림과 같이 반도체 설비 부품에서 사용되는 석영 제품은 다양한 공정에서 사용되어지므로 석영 위에 이물질도 다양하게 부착되어 오연된다. 여기서 반도체 설비 부품에 사용 되어진 석영제품은 태양광 도가니와는 달리 이물질 두께가 얇은 편이므로 물리적 제거방법을 사용하지 않고 화학적 에칭방법만 사용하면 된다. 반도체 설비 부품에 사용되어진 석영제품의 오염된 이물질을 제거하기 위한 화학약품은 1 : 50 중량%의 HF : H2O를 사용하고(여기서, H2O는 D.I water) 10 ~ 30℃의 온도에서 표면의 이물질이 완전히 제거될때까지 에칭시킨다.
마찬가지로 에칭후 린스 처리하되, 린스 처리에서 물의 pH농도가 pH 6.0 ~ 8.0이 될때까지 세정액과 물을 이용하여 린스후 건조처리하여 세정과정(S10)을 완료한다.
사용된 석영(Quartz)소재를 재생하기 위하여 수집된 소재는 제품형태를 띠고 있어 일정크기 이하로 파쇄 또는 분쇄할 필요가 있다. 석영소재를 일정크기로 파쇄 하여 용해하거나 분말형태의 슬립 캐스팅(Slip Casting)용 소재를 제조하기 위해서는 파/분쇄 공정이 필수적이다.
파쇄 및 분쇄 공정은 벌크 형태의 석영소재를 원하는 입자의 크기, 분포, 형상을 갖도록 가공하는 공정이다. 파쇄과정(S20)은 도 2의 (나) 및 (다)와 같이 1차 파쇄하여 수 ㎝ 크기로 파쇄하고, 이를 다시 2차 파쇄하여 도 2의 (다)와 같이 수mm의 크기로 파쇄한다. 파쇄는, 일정 크기 이상의 재료를 수mm(예 1 ~ 10mm)단위까지 입자의 크기를 낮추는 과정으로 일반적으로 Jaw Crusher, Cone Crusher, Impact Crusher 등이 사용되는 것이 일반적이다. 석영을 용해하는 경우에는 파쇄 공정으로 만들어진 제품이 적합하다.
분쇄과정은 파쇄로 만들어진 조립의 입자를 도 2의 (마)와 같이 수 ~ 수십 ㎛(예; 1 ~ 99㎛)의 크기가 되도록 분말 형태로 분쇄한다. 세라믹 소재의 경우는 분말형태로 응용되거나 소결재료로 활용한다.. 파쇄한 원료를 분말 형태로 만들기 위해서는 Ball Mill, Attrition Mill, Vibratory Mill, Roll Mill등이 사용된다.
석영제품의 경우, 소결 및 슬립 캐스팅(Slip Casting)용으로 사용하기 위해서는 위와 같은 파쇄 후 분쇄의 공정을 거쳐야 한다.
따라서 본 발명에서는 200mesh 이하의 파쇄기로 입자 직경이 수mm(예;1 ~ 10 mm)의 크기가 되도록 파쇄하고, 파쇄된 원료를 2000mesh 이하의 분쇄기로 수 ~ 수십㎛(예; 1 ~ 99㎛)의 입자 크기가 되도록 분쇄한다.
본 발명은 석영의 원료인 실리카 소재를 사용하지않고 석영을 재활용해야 하므로 성형이 잘 되지않는 특성이 있다. 교반은 성형 및 소성을 위하여 적정한 크기를 갖는 분쇄된 원료의 비율이 필요하다. 본 발명에서 상기 교반 과정(S30)은, 파쇄 및 분쇄된 원료를 적어도 둘 이상 서로 다른 입자 크기별로 선별하고, 선별된 둘 이상 서로 다른 입자크기를 가지는 원료를 혼합하고, 서로 다른 입자크기의 혼합된 원료에 물을 넣어 교반한다.
실시예로서, 파쇄 및 분쇄된 원료를 선별하는데, 예를들어, 200mesh, 500mesh, 2000mesh의 3종류의 선별기를 이용하여 파쇄 및 분쇄된 원료를 선별하고, 이들을 적정 비율로 혼합하는 것이다. 여기서 'mesh'는 1평방인치당 통과구멍의 수를 정해둔 것으로서 200mes는 1평방 인치의 크기에 200개의 통과구멍이 있는 것을 의미한다.
교반의 비율은 다음과 같다.
| 분쇄물 크기 | 비율 |
| 2000mesh 이하 | 10~20% |
| 500~2000mesh | 50~70% |
| 200~500mesh | 30~60% |
| 기타 | 10~20% |
상기 기타는, 선별된 3가지 크기의
원료중
어느 하나 또는 하나 또는 둘 이상이 혼합된 혼합 원료를 의미한다.
교반시 서로다른 입자크기를 적정비율로 혼합하고, 혼합된 원료에 물을 10~30% 무게비로 혼합하여 교반한다. 교반시간은 내용물이 충분히 교반 되어질때까지 진행한다. 이때 교반은 진공상태에서 진행하며 진공도는 10E(-2~-5)torr의 진공 교반기를 이용하여 교반과정(S30)을 수행한다.
교반이 완료되면 성형틀에 교반이 완료된 묽은 분쇄물을 충전하여 성형하는 성형과정(S40)을 수행한다.
성형틀에서 일정시간 성형이 진행되면 성형틀에서 모양이 갖춰진 제품을 분리한다. 너무 빨리 탈형하면 물기가 너무 많이 함유되어 쉽게 파손되어지며 너무 오랫동안 성형하며 크랙이 발생한 가능성이 크다. 탈형의 시점은 제품의 함수율이 5~20% 정도가 좋다. 탈형이 완료되면 건조실로 옮겨 건조한다. 건조는 저온이나 고온에서 진행하면 건조가 늦거나 크랙이 발생할 가능성이 높다. 건조실의 온도는 30~40℃이다.
건조가 완료된 제품은 소성과정(S50)을 진행한다. 소성은 예열->고온소성->냉각 순서로 진행하며 고온소성의 온도는 1100~1800℃에서 진행한다. 예열과 냉각은 100도/분 이상을 넘지않도록 한다.
이와 같이 소성과정(S50)이 완료되면, 고순도를 요구하는 석영제품의 표면 오염을 방지하기 위하여 진공 패키징하는 재생 석영제품 패키징 과정(S60)을 수행하여 석영 제품의 재생을 완료한다.
11 : 폴리실리콘 12 : 석영
S10 : 세정과정 S20 : 파쇄 및 분쇄과정
S30 : 교반과정 S40 : 성형과정
S50 : 소성과정 S60 : 재생 석영제품 패키징 과정
S10 : 세정과정 S20 : 파쇄 및 분쇄과정
S30 : 교반과정 S40 : 성형과정
S50 : 소성과정 S60 : 재생 석영제품 패키징 과정
Claims (9)
- 사용후 폐기되는 석영제품을 회수하여 세정하는 세정과정(S10)과;
세정된 석영제품을 파쇄하여 적어도 2종류 이상 다 종류의 입자 크기를 가지도록 파쇄 및 분쇄하는 파쇄 및 분쇄과정(S20)과;
상기 파쇄 및 분쇄 과정(S20)에서 파쇄 및 분쇄된 서로 다른 크기의 입자들을 미리 정해진 혼합 비율로 혼합한 후 물과 혼합하여 교반하는 교반과정(S30)과;
상기 물과 교반된 석영을 몰드 또는 성형틀을 이용해 성형하는 성형과정(S40)과;
성형된 석영제품을 탈형하여 건조시킨 후, 소성시키는 소성과정(S50)을 포함하며,
상기 교반 과정(S30)은 200mesh, 500mesh 및 2000mesh 선별기로 선별하고, 2000mesh로 선별된 원료 10 ~ 20%, 500 ~ 2000mesh 이하 50 ~ 70%, 200 ~ 500mesh 30 ~ 60%, 상기 선별된 원료중 적어도 하나 또는 둘 이상 혼합된 기타 크기 10 ~ 20%의 비율로 혼합하여 분쇄물을 준비하고, 물을 분쇄물의 10 ~30% 무게비로 혼합하여 교반하되, 교반은 진공교반기(200 ~ 2000mesh)를 이용하여 진공도 10E( -2 ~ -5)torr에서 교반하는 것을 특징으로 하는 석영 재생방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 소성과정(S50)에서 소성이 완료되어 냉각된 석영 제품을 진공 패키징하여 석영 제품 재생을 완료하는 패키징 과정(S60)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 석영 재생방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 세정과정(S10)은,
석영에 돌출 부착된 석영 이외의 이물질을 물리적 제거방식으로 제거한 후, 표면에 부착된 이물질을 화학약품을 이용하여 에칭하고, 물의 pH 농도가 pH6.0 ~ 8.0이 되도록 린스처리를 하며, 린스후 배기 건조를 수행하여 세정하는 것을 특징으로 하는 석영 재생방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 세정과정(S10)은,
반도체 설비 부품에 사용되어진 석영제품의 오염된 이물질을 제거하는 경우,
화학약품은 1 : 50 중량%의 HF : H2O를 사용하고(여기서, H2O는 D.I water) 10 ~ 30℃의 온도에서 표면의 이물질이 완전히 제거될 때까지 에칭시키고, 물의 pH 농도가 pH6.0 ~ 8.0이 되도록 린스처리를 하며, 린스 후 배기 건조를 수행하여 세정하는 것을 특징으로 하는 석영 재생방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 파쇄 및 분쇄 과정(S20)은,
200mesh 이하의 파쇄기로 입자 직경이 수mm의 크기가 되도록 파쇄하고, 2000mesh 이하의 분쇄기로 수 ~ 수십㎛의 입자 크기가 되도록 분쇄하는 것을 특징으로 하는 석영 재생방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 교반 과정(S30)은,
파쇄 및 분쇄된 원료를 적어도 둘 이상 서로 다른 입자 크기별로 선별하며, 선별된 둘 이상 서로 다른 입자크기를 가지는 원료를 혼합하고, 서로 다른 입자크기의 혼합된 원료에 물을 넣어 교반하는 것을 특징으로 하는 석영 재생방법. - 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 성형과정(S40)은,
함수율 5 ~ 20% 범위에서 성형틀에서 탈형하고, 탈형된 성형품을 20 ~ 50℃의 건조실에서 건조하는 것을 특징으로 하는 석영 재생방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 소성과정(S50)은,
예열단계, 고온소성단계, 냉각 단계를 순차 수행하되, 고온소성은, 1100 ~ 1800℃의 고온로에서 소성하는 것을 특징으로 하는 석영 재생방법.
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| CN111203427A (zh) * | 2020-01-13 | 2020-05-29 | 东江环保股份有限公司 | 废弃玻璃粉及酸洗废液的协同处理系统与处理方法 |
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