KR20130034752A - 성형 실리콘 탈산제 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 성형 실리콘 탈산제 제조방법에 관한 것으로서, 반도체나 태양광 판을 제조하는 과정에서 다량으로 발생하는 고 순도의 실리콘 슬러리를 원심분리기 또는 미세 여과필터를 사용하여 고액 분리하여 고체로 분리된 실리콘 슬러지에 분철과 소석회를 혼합하여 혼합 실리콘 슬러지로 제조한 후에 상기 혼합 실리콘 슬러지에 물유리와 전분을 접착용으로 혼합시켜 혼합 실리콘으로 제조 후에 성형기를 이용하여 일정 모양으로 성형시켜 성형 실리콘으로 제조하고 상기 성형 실리콘을 내부에 질소가스가 충전된 원적외선 건조기에서 건조시켜 성형 실리콘 탈산제로 제조하는 것이다. 이렇게 제조된 성형 실리콘 탈산제는 실리콘의 함유율이 높아서 제철소에서 킬드강이나 세미킬드강(Semi killed-steel)을 제조할 때 기존의 페로실리콘을 대신하여 강력한 탈산제로 사용이 가능하며, 반도체나 태양열판을 제조하는 공정에서 폐기물로 발생되어 버려지는 고 순도의 실리콘 슬러리를 이용하여 성형 실리콘 탈산제로 제조하여 사용함으로써 친환경적인 자원 재활용이라는 부가적인 효과가 있다.

성형 실리콘 탈산제, 반도체, 태양광 판, 성형 실리콘, 킬드강, 폐기물.

Description

성형 실리콘 탈산제 제조방법{The process of manufacture of molding silicon deoxidizer}

본 발명은 성형 실리콘 탈산제 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 제조공정이나 태양열판 제조공정에서 발생되는 고 순도의 실리콘 슬러리를 다른 공정에서 발생하는 슬러지와 혼합되기 전에 원심분리기 또는 미세여과필터를 이용하여 고액 분리시켜 약 50％ 수분율을 가진 실리콘 슬러지로 수집한 후 철분과 소석회를 혼합시켜 혼합 실리콘 슬러지로 제조하고 상기 혼합 실리콘 슬러지에 접착제 성분인 물유리와 전분을 혼입 후에 성형기로 성형시켜서 성형 실리콘으로 제조하고 상기 성형 실리콘을 질소가스가 봉입된 원적외선 건조기에서 수분율이 5％이하가 되도록 건조시켜 성형 실리콘 탈산제를 제조하는 기술에 관한 것이다.

제철소에서 제조되는 선철 속에는 많은 산소가 포함되어 있으며 선철을 이용하여 제강사에서 철판이나 형강, 철근 등을 제조할 때 선철에 포함된 산소는 철강제품에 나쁜 영향을 끼치게 되므로 선철에 포함된 산소를 제거하기 위하여 사용하는 것이 탈산제이다.

탈산제는 알루미늄(Al)분말을 그대로 사용하거나, 망간(Mn)을 원료로 하는 페로망간, 규소(Si)를 원료로 하는 페로실리콘이 있으며, 제조하는 제품 내에 산소가 전혀 없는 킬드강을 제조할 때는 산화력이 가장 높은 알루미늄 분말을 많이 사용하고, 세미킬드강과 같이 약간의 산소가 있어도 되는 제품의 제조 시는 1차 탈산제로 알루미늄 또는 페로망간을 사용하고 2차 탈산제로 페로실리콘을 많이 사용한다.

일반적인 페로실리콘의 제조방법은 실리콘의 원료가 되는 실리콘마그네슘(MgSi)을 염산(Hcl)으로 반응시켜 순수 Si를 정제 후에 생석회, 철광석 등을 혼합하여 고온의 용융로에 넣은 후 코크스를 이용하여 고온을 유지하면서 코크스가 용융로 내부를 환원성 분위기를 만들어서 Si가 산소와 결합하여 실리카로 변화하는 것을 방지하면서 철광석, 생석회, 규소가 용융되어 덩어리 상태로 제조된 용융물을 분쇄기로 10mm에서 80mm 정도의 입도로 분쇄하여 괴탄형 페로실리콘으로 제조한다.

이렇게 제조된 페로실리콘은 자체 보유 수분율이 5％미만이고 실리콘(Si)성분이 70％ 이상이 되는 것이 통상의 제품으로 탈산 효율이 좋고 비중이 있어서 용광로 내에서 페로실리콘이 스컴과 같이 부유하지 않는 장점이 많아서 탈산제로 널리 사용되고 있으나 Si의 제조공정에서 순수 Si의 반응 분리공정이 복잡하고, 페로실리콘으로 제조 시 고온의 열 용융 및 고온의 환원성 분위기가 유지되어야 하므로 많은 열에너지를 소요하여 생산하는 제품이므로 가격이 비싼 단점이 있다.

반도체나 태양광판을 제조하는데 사용되는 재료는 고 순도(99.999999％이상)의 Si를 중첩시켜 제조한 폴리실리콘을 진공 상태의 반응로에서 고온으로 용융시킨 상태에서 용융로 중앙 상부에 장착된 순수 Si봉인 모재를 적정 회전수로 회전시키 면 용융된 폴리실리콘의 구성요소인 Si가 진공상태에서 산화되지 않고 Si봉인 모재에 고 순도의 Si로 석출되어 붙으면서 원통형의 잉고트로 제조되며, 잉고트의 표면은 석출된 Si물질에 의해 울퉁불퉁하게 되므로 초순수를 윤활제로 사용하여 연마 가공한 후 강한 피아노선으로 절단하여 동일 두께의 얇은 판으로 여러장이 제조되어지고 제조된 얇은 판은 다시 일정크기로 절단되어 반도체나 태양광판의 소재로 사용하게 되는데, 이때 연마나 절단과정에서 고 순도의 잉고트 중량비로 70-75％가 실리콘 슬러리로 배출되어 제품으로 제조되어지는 반도체나 태양광판 소재보다 Si가 실리콘 슬러리로 발생되어 버려지는 량이 많아지게 된다.

이렇게 발생된 실리콘 슬러리는 반도체나 태양광판의 제조공정에서 발생되는 다른 불순물과 혼합되어 혼합 슬러지가 되고 상기 혼합 슬러지는 응집제가 첨가되어진 후 탈수기에서 탈수되어 탈수 슬러지로 배출된다.

이렇게 배출되는 탈수 슬러지는 슬러지 내에 불순물, 응집제 등이 많이 함유되어 있어서 순수 실리콘(Si)성분은 20 내지 30％정도만 포함되어 재사용 할 수가 없어서 일부는 시멘트공장에 시멘트원료로 사용되어지거나 폐기물 매립장에 최종 매립 처리되어 재활용하는 것이 어려운 실정이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 반도체나 태양광판 제조 시에 발생되는 고 순도의 실리콘 슬러리를 원심분리기 또는 미세여과필터를 사용하여 고액분리를 시킨 후 실리콘 입자만 있는 실리콘 슬러지로 회수함으로서 상기의 탈수 슬러지와 같이 많은 불순물이 혼입되어 순수 실리콘 성분의 함량이 저하되는 것을 방지하고, 회수된 실리콘 슬러지에 소석회와 분철을 혼합하여 혼합 실리콘 슬러지로 제조함으로써 실리콘 슬러지 내의 수분율을 낮추어 건조에 따른 에너지의 사용량을 절감시키고, 무게를 증가시키게 되어 페로실리콘과 같이 용융로 내에서 스컴으로 뜨는 것을 방지하며, 혼합 실리콘 슬러지에 접착제인 물유리와 전분을 혼합한 후 압축 성형시켜 성형 실리콘으로 제조하여 성형 실리콘 내부의 실리콘 입자가 공기 중의 산소와 접촉하는 것을 억제시켜 SiO₂ 로 산화되는 것을 최대한 방지하고 성형 실리콘을 불활성 가스인 질소(N₂ )가스가 충진된 원적외선 건조기에 넣어서 원적외선에 의한 성형실리콘 내부 발생 열에 의해 건조시켜 수분율이 5％ 이하인 성형 실리콘 탈산제로 제조함으로써 실리콘(Si) 성분이 300℃ 내지 400℃에서 직접 열 또는 복사열에 의해 공기 중의 산소와 결합하여 실리카(SiO₂ )화 하는 것을 방지하여 Si 함량이 높은 성형 실리콘 탈산제로 제조하는 제조방법을 제시하여 매립되고 있는 실리콘 슬러지를 경제성이 있는 유효자원으로 재사용할 수 있는 경제적인 방안을 시행하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 성형 실리콘 탈산제 제조방법은, 반도체나 태양광판 제조공정에서 고 순도의 실리콘 슬러리가 발생하는 파이프 라인에 원심분리기 또는 미세여과필터를 설치하여 고액 분리된 함수율 50％ 미만의 고 순도 실리콘 슬러지를 회수하는 단계와;

상기 회수된 실리콘 슬러지를 수분율이 30％이하가 되도록 자연 건조한 건조 슬러지 1kg에 분철 또는 철가루를 20g 내지 100g, 소석회를 20g 내지 100g을 혼합하여 혼합 실리콘 슬러지로 제조하는 단계와;

상기 혼합 실리콘 슬러지 1kg에 물유리 10g 내지 60g, 전분 10g 내지 60g을 혼합 후 혼합 실리콘으로 제조하는 단계와;

상기 혼합 실리콘을 유압성형기 또는 브리키트를 이용하여 적정크기로 성형시켜 성형 실리콘으로 제조하는 단계와;

상기 성형 실리콘을 진공 또는 불활성 기체가 충진 된 원적외선 건조기에 넣고 수분율이 5％이하가 되도록 건조시켜 성형 실리콘 탈산제로 제조하는 것이다.

이렇게 제조된 성형 실리콘 탈산제는 Si 순도가 80％ 이상으로 높아서 기존의 페로실리콘과 비교할 때 탈산효과가 더욱 좋아져서 자원의 재활용 및 자연 환경의 보전에 큰 도움이 된다.

상기와 같은 본 발명은,

폐기물로 버려지는 고 순도의 실리콘 슬러리를 이용하여 고가의 성형 실리콘 탈산제로 제조하여 경제적으로 큰 효과가 있고,

기존의 페로실리콘 보다 Si함량이 높은 고급 탈산제의 제조가 가능하며,

회수한 실리콘 슬러지를 접착제와 혼합 후 압축성형기 금형에 따라 다양한 규격의 성형 실리콘 탈산제를 제조함으로써 사용용도에 따라 다양한 규격이 요구되는 탈산제 시장의 요구에 맞는 제품공급이 가능하여 사용 적응력이 높은 효과가 있 다.

이하 본 발명을 도면에 의하여 상세하게 설명한다.

그러나 도면은 예시적인 목적일 뿐 본 발명이 이에 한정하는 것은 아니다.

[도 1]

[도 1]은 본 발명에 따른 성형 실리콘 탈산제 제조공정도로서,

실리콘 잉고트(101)의 표면을 매끄럽게 연마 시 연마 날(102)과 잉고트(101)의 마찰로 인하여 발생하는 열을 식히기 위하여 연마액으로 순수(103)가 순수저장탱크(104)로부터 공급되고 연마가 진행되면 잉고트(101)의 연마된 표면에서 발생하는 실리콘 미세분말(105)이 냉각용 순수(103)와 섞여 실리콘 슬러리(106)로 배출되며, 표면이 연마된 잉고트(101)를 반도체나 태양광판과 같은 일정두께의 박판(107)으로 제조하기 위하여 피아노선(108)으로 썰어서 짜르게 되는데 이때도 피아노선(108)과 잉고트(101)가 마찰하면서 발생하는 열을 식히기 위하여 마찰부위로 순수(103)가 공급되어지고 피아노선(108)이 잉고트(101)를 짜르는 면에서 발생되는 다량의 실리콘 미세분말(105)이 냉각용 순수(103)에 의해 슬러리화 하여 실리콘 슬러리(106)로 배출되며 이렇게 배출되는 실리콘 슬러리(106)는 별도로 회수하지 않으면 반도체나 태양광판 제조 시 타 공정에서 발생하는 다른 슬러지와 혼합되어 응집 침전조에서 고형 분리된 후 탈수기에서 탈수되어 탈수슬러지로 외부로 배출되어 매립되거나 시멘트 공장으로 반출되어 시멘트 원료로 재사용 되기도 한다.

따라서 고 순도의 실리콘 슬러지(201)를 확보하기 위하여 반도체 및 태양광 판 제조시에 발생하는 실리콘 슬러리(106)의 배출라인 후단에 원심분리기 또는 미세여과필터(202)를 설치하여 발생되는 실리콘 슬러리(106)를 연마액 인 순수(103)와 슬러지로 고액 분리시켜서 수분율 50％미만의 실리콘 슬러지(201)를 얻는다.

상기의 실리콘 슬러지(201)를 자연 상태에서 건조시켜 수분율이 30％미만의 실리콘 슬러지(201)화 한 후에 철분 또는 철가루(203)와 소석회(204)를 혼합하여 혼합 실리콘 슬러지(205)로 제조하고 상기 혼합 실리콘 슬러지(205)에 물유리(206)와 전분(207)을 혼합하여 혼합 실리콘(208)으로 제조 후 유압성형기 또는 브리키트(301)로 성형시켜 성형 실리콘(302)으로 제조하고 상기 제조된 성형 실리콘(302)을 내부에 진공 또는 불활성 가스로 채워진 원적외선 건조기(303)에 넣고 수분율이 5％미만이 되도록 약 80℃정도의 온도에서 항온 건조시켜 성형 실리콘 탈산제(304)를 제조한다

이때 원적외선 건조기(303) 내부에서 성형 실리콘(302)의 주성분인 Si가 고온의 건조조건에서 공기와 접촉하여 실리카(SiO₂ )로 산화되는 것을 방지하기 위하여 진공펌프(305)를 이용하여 건조기(303) 내부를 진공상태로 유지하거나, 불활성기체인 질소를 충진 시킨 상태에서 건조를 시행하여야 한다. 한편 성형 실리콘(302)을 건조시키기 위해서는 열을 가하여야 하는데 고온의 공기나 연료를 연소시켜 발생시킨 고온가스로 건조하는 방식은 전술한바와 같이 성형 실리콘(302)내의 Si 성분이 고온 상태가 되면 건조가스 중의 산소와 결합하여 산화되므로 건조기(303)외부에 부착된 원적외선 발생기(306)에서 발생하는 원적외선을 이용하여 성형 실리콘(302) 내부로부터 원적외선에 의한 자체 발열을 이용하여 건조하므로 성형 실리콘(302)내의 Si성분이 산화되지 않고 그대로 건조되어 성형 실리콘 탈산제(304)로 제조된다.

이하 실시 예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시 예는 예시적인 목적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

국내의 2개 반도체 제조공장의 실리콘 잉고트 표면 연마 라인 및 박판 제조과정에서 발생되는 고 순도의 실리콘 슬러리를 미세 여과필터를 이용하여 수분을 제거하고 각각 10kg 내지 15kg정도를 현장에서 실리콘 슬러지로 직접 회수하였다.

[실시예 1]

상기에서 준비한 각각의 재료들을 성분 분석한 결과는 다음과 같았다.

상기 결과를 보면 국내의 반도체 제조공장에서 발생되는 고 순도의 실리콘 슬러리를 미세필터로 여과시켜 수분을 제거시키면 함수율을 50％에서 55％정도의 실리콘 슬러지로 회수할 수가 있었으며 수분을 제외한 건조 실리콘 슬러지내의 Si성분은 98％를 상회하고 기타성분은 연마 날이나 피아노선이 마모하면서 발생된 금속성의 고형분으로 예측되며 Si 성분 또한 거의 산화되지 않아서 순도가 99.99％ 이상이 되어 탈산제 제조 원료로 사용 시 경제성이 높을 것으로 예측되었다

[실시예 2]

상기 [실시예 1] 에서의 재료들을 자연 상태에서 건조시킨 (수분율 30％ 미만) 실리콘 슬러지 2kg의 시료를 준비한 다음 각각 1kg씩을 분할한 후 다음과 같이 각각의 소석회 및 철분을 혼합시켜 혼합 실리콘 슬러지로 시료를 제조한 후 성분을 분석하였다. 혼합 실리콘 슬러지를 별도 자연 건조하지 않고도 소석회 및 철분을 혼합하여 혼합 실리콘 슬러지로 제조할 수도 있으나 자연 건조한 이유는 건조기의 용량을 줄일 수 있는 장점과 성형 시 성형기에 적합한 10％ 내외의 수분율 조정이 용이하기 때문이다. 그러나 실리콘 슬러지를 자연 건조시켜 수분율을 저하시키는 것은 통상적인 방법으로 본 발명의 내용에는 포함되지 않는다.

상기 결과를 보면 혼합 실리콘 슬러지는 소석회 및 철분의 혼합량에 따라 시료의 자체 수분율은 급격히 떨어짐을 알 수가 있었다.

[실시예 3]

상기 [실시예 2]와 같은 방법으로 각각의 혼합 실리콘 슬러지 시료 2kg씩을 제조 후 각각 1kg씩으로 시료 4개를 준비한 후 각각의 시료에 물유리 및 전분을 첨가한 후 혼합하여 혼합 실리콘을 제조하였으며 다음과 같이 성분을 분석 하였다.

상기 분석 결과를 보면 물유리를 3％ 내지 6％를 투입하였으나 혼합 실리콘 내의 수분율은 크게 증가하지 않은 것은 전분이 수분을 흡수하는 작용을 하는 것으로 판단되어진다.

[실시예 4]

상기 [실시예 3]에서의 [시료 1-1에서 시료1-4]를 제조하는 방법과 동일한 방법으로 각각의 시료를 10kg 씩 준비한 다음 유압압축기로 30mm의 직경이 되도록 조개탄 형태로 성형 실리콘을 제조한 다음 원적외선 오븐에 넣고 1시간 이상 건조시켜 성형 실리콘 탈산제를 제조하였고 상기 성형 실리콘 탈산제의 성분을 분석한 결과는 다음과 같다.

상기 측정 결과를 보면 성형 실리콘 탈산제의 Si농도가 약 85％ 로 높고 Si의 순도도 95％ 이상으로 혼합 실리콘을 성형시키고 건조시켜서 성형 실리콘 탈산제로 제조하여도 Si 성분이 크게 산화되지 않음을 알 수 있어서 성형 실리콘 탈산제의 Si 순도가 용융하여 제조한 페로실리콘 보다 높아서 우수한 탈산제라는 것을 알 수가 있으며 특히 반도체나 태양광판 제조과정에서 폐기물로 발생하는 실리콘 슬러지를 원료로 이용할 수가 있어서 경제성이 있는 제조 방법을 모색한 것으로 본다.

도 1은 본 발명에 따른 성형 실리콘 탈산제 제조흐름도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

101: 잉고트 102: 연마날

103: 순수 104: 순수저장탱크

105: 실리콘 미세분말 106: 실리콘 슬러리

107: 박판 108: 피아노선

201: 실리콘 슬러지 202: 미세필터

203: 철가루 204: 소석회

205: 혼합 실리콘 슬러지 206: 물유리

207: 전분 208: 혼합 실리콘

301: 브리키트 302: 성형 실리콘

303: 건조기 304: 성형 실리콘 탈산제

305: 진공펌프 306: 원적외선 발생기

Claims (4)

1. 성형 실리콘 탈산제 제조방법에 있어서;

   실리콘 슬러리를 원심분리기 또는 미세여과 필터로 고액 분리시켜 실리콘 슬러지로 회수하는 단계와;

   상기 실리콘 슬러지에 소석회와 분철 또는 철가루를 혼합하여 혼합 실리콘 슬러지를 제조하는 단계와;

   상기 혼합 실리콘 슬러지에 물유리, 전분을 혼합 하여 혼합 실리콘으로 제조하는 단계와;

   상기 혼합 실리콘을 압축 성형시켜 성형 실리콘으로 제조하는 단계와;

   상기 성형 실리콘을 진공 또는 불활성 기체가 충진 된 원적외선 건조기에서 건조시켜 성형 실리콘 탈산제로 제조하는 단계;를 가지는 성형 실리콘 탈산제 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 혼합 실리콘 슬러지 제조방법에 있어서,

   실리콘 슬러지 1kg에 소석회를 20g 내지 100g과 분철 또는 철가루를 20g 내지 100g을 혼합하여 혼합 실리콘 슬러지로 제조하는 것을 특징으로 하는 성형 실리콘 탈산제 제조방법
3. 제1항 있어서,

   상기 성형 실리콘 제조방법에 있어서

   상기 혼합 실리콘 슬러지 1kg에 물유리 10g 내지 60g, 전분 10g 내지 60g을 혼합한 후 압축, 성형시켜 성형 실리콘으로 제조하는 것을 특징으로 하는 실리콘 슬러지 탈산제 제조방법
4. 제1항에 있어서,

   상기 성형 실리콘 탈산제 제조방법에 있어서,

   상기 성형 실리콘을 진공 또는 불활성 기체가 충진 된 원적외선 건조기에서 수분율이 5％ 미만이 되도록 건조시켜 성형 실리콘 탈산제로 제조하는 것을 특징으로 하는 성형 실리콘탈산제 제조방법

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