KR20130044550A

KR20130044550A - 알루미늄 합금용 실리콘 성형체 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20130044550A
Application number: KR1020110108672A
Authority: KR
Inventors: 전성덕
Original assignee: (주)태원시스켐
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2013-05-03
Also published as: KR101448281B1

Abstract

본 발명은 알루미늄 합금용 실리콘 성형체 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양전지 제조과정에서 발생하는 폐실리콘 분말과 무기 바인더를 혼합한 후 고형화하여 제조한 알루미늄 합금용 실리콘 성형체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 알루미늄 합금용 실리콘 성형체는 태양전지의 제조과정에서 대량으로 발생하는 고순도 실리콘 폐미분을 간단한고 저가의 공법으로 처리하여 제조함에도 불구하고, 알루미늄 합금 제조에 적합한 순도를 가지면서도 상기 성형체를 알루미늄 합금 제조에 투입시 높은 용해효율을 달성할 수 있어 실리콘 폐미분의 고부가가치 재활용을 가능케 한다.

Description

알루미늄 합금용 실리콘 성형체 및 그 제조방법{SILCON MOULD FOR ALLUMINIUM ALLOY AND PREPARATION METHOD THEREOF}

본 발명은 알루미늄 합금용 실리콘 성형체 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양전지 제조과정에서 발생하는 폐실리콘 분말과 무기 바인더를 혼합한 후 고형화하여 제조한 알루미늄 합금용 실리콘 성형체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

금속규소(metal silicon : Si)는 99%이상의 순도를 가진 규석(SiO₂)을 전기로(아크로)에서 코크스, charcoal(목탄)의 환원제로 이용하여 환원하여 제조된다. 금속규소(metal silicon) 용도는 주로 알루미늄 합금용(45%), 유기 실리콘(35%), 태양전지(12%), 반도체(8%)로 분포하고 있다. 이러한 금속 규소의 용도 중에서 알루미늄 합금용 수요는 연평균 약 5%씩 증가하고 있는 실정이며, 태양전지는 신재생에너지로서 년 평균 30% 이상 고 성장을 하고 있으며, 특히, 일본 후쿠시마 원전 폭발사고로 관심이 고조되고 있어 태양전지용 고순도 실리콘의 용도가 폭발적으로 증가하고 있다.

알루미늄 합금용 Si는 일반적으로 표면적이 극히 작은 메탈실리콘 럼프(또는 Chunk)를 사용하여 알루미늄 용해로에 직접 투입하며 알루미늄 모합금을 만들어 사용하거나 알루미늄 용해로에 직접 투입하여 실리콘(Si)농도를 맞추어 사용하기도 한다. 현재 생산되고 있는 메탈실리콘의 50-55%가 알루미늄 합금용도로 사용되고 있다. 알루미늄 합금은 가공용합금과 주조용 합금으로 구성되며 열처리형 합금과 비열처리형 합금으로 나누어진다. 실리콘은 Al-Si 계합금과 Al-Mg-Si 계 합금 Al-Cu-Mg-Si 계 합금에 주로 사용되며 Si 함량이 7-15 %이다.

한편, 태양전지 사용량이 증가함에 따라서 태양전지 제조공정에서 실리콘 폐미분의 발생량이 대량으로 증가하고 있다. 우선, 태양전지를 제조하기 위해서는 메탈실리콘(Metal Si)을 폴리실리콘으로 제조하는 과정을 거치게 되는데, 폴리실리콘 제조과정(특히, 메탈실리콘의 분쇄 및 분급과정)에서 약 45 미크론 미만의 Si 폐미분이 발생하게 되며, 폴리실리콘 잉곳(ingot)의 웨이퍼링(wafering) 작업에서 폴리실리콘 전체량의 약 40% 수준의 Si 폐슬러리가 발생하게 된다. 이렇게 메탈실리콘에서 태양전지까지의 제조공정에서 발생하는 실리콘 폐미분(웨이퍼링 공정의 폐 Si 슬러리와 메탈실리콘 파우더링 공정의 Si 미분)양은 2014년에 약 5만톤 이상이 될 것으로 예측되고 있다. 폴리실리콘 공장의 증설에 따라 메탈실리콘 분쇄과정에서 실리콘 폐미분(45μ이하)의 발생량이 2015년에 3만톤 정도 발생하고, 웨이퍼링 공정에서 발생하는 폐 Si 슬러리는 2012년 기준으로 연간 25,000톤 수준으로 발생 될 것으로 예상되고 있다. 이렇게 태양전지의 제조과정에서 발생한 대부분의 실리콘 미분은 상당히 수준으로 발생하고 있고 원료 자체의 특성상 고순도이지만, 별도의 용도가 없어 폐기물로 될 가능성이 있다. 현재, 실리콘 분말은 주로 325 메쉬 이하 입자만 내화재료 등 저가의 용도만이 개발되어 있는 실정이다. 또한, 웨이퍼 가공시 발생하는 실리콘 슬러지도 SiC(실리콘카바이드)만 회수하여 그 나머지는 페기되고 있는 실정이다. 따라서, 상기 실리콘 폐미분 및 폐슬러리에 대한 활용방안이 시급히 요청된다.

종래에도 반도체 웨이퍼 가공시 발생하는 폐기되는 실리콘을 정제하여 재활용하고자 하는 연구가 진행된 바 있다. 대한민국 공개특허공보 제2010-61567호에는 실리콘 분말로부터 실리콘 결정을 제조하는 방법으로서, 실리콘 분말을 용매 금속(solvent metal)과 접촉시켜 실리콘을 함유하는 혼합물을 제공하는 단계; 상기 실리콘을 침지(submersion) 상태에서 용융시켜 제1 용융액(molten liquid)을 제공하는 단계; 상기 제1 용융액을 제1 가스와 접촉시켜 드로스 및 제2 용융액을 제공하는 단계; 상기 드로스 및 상기 제2 용융액을 분리하는 단계; 상기 제2 용융액을 냉각하여 제1 실리콘 결정과 제1 모액을 형성하는 단계; 및 상기 제1 실리콘 결정과 상기 제1 모액을 분리하는 단계를 포함하는, 실리콘 결정의 제조 방법이 개시되어 있다. 또한, 대한민국 특허 제861287호의 특허공보에는 결합제를 사용하지 않고 세정을 행하지 않고 건조만을 행한 실리콘분말, 실리콘 스크랩 또는 실리콘 분말과 실리콘 스크랩의 혼합물을 이용하여 실리콘 성형체를 제조하는 장치로서, 상기 실리콘분말, 실리콘 스크랩 또는 실리콘 분말과 실리콘 스크랩의 혼합물이 충전되는 다이형 몰드 및 상기 다이형 몰드내에 충전된 실리콘분말, 실리콘 스크랩 또는 실리콘 분말과 실리콘 스크랩의 혼합물을 가압하는 상하 펀치로 이루어진 다이 조립체, 상기 다이형 몰드의 둘레를 둘러싸여 상기 다이형 몰드내의 상기 실리콘분말 , 실리콘 스크랩 또는 실리콘 분말과 실리콘 스크랩의 혼합물에 열를 가하는 전기 저항열 가열체, 상기 실리콘 분말, 상기 실리콘 스크랩 또는 실리콘 분말과 상기 실리콘 스크랩의 혼합물에 압력을 가하는 상하펀치를 작동시키는 유압수단, 상기 다이형 몰드내에 충전된 실리콘 분말, 실리콘 스크랩, 또는 실리콘 분말과 실리콘 스크랩의 혼합물 , 다이조립체, 및 유도코일을 포함하는 챔버를 진공으로 유지하기 위한 진공수단 및 상기 다이 조립체, 상기 전기 저항열 가열체, 상기 유압수단 및 상기 진공수단을 제어하는 제어수단으로 이루어지는 실리콘 성형 제조 장치를 이용하여 결합제를 첨가하지 않고 실리콘 분말을 진공분위기에서 몰드 내에 충전하고 가압하며,가열하여 실리콘 성형체를 제조하는 것을 포함하는 실리콘 성형체를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 상기 문헌을 비롯한 종래의 실리콘 분말 재활용은 상당한 설비투자를 요하고 공정이 복잡다단할 뿐 아니라, 오히려 메탈실리콘을 신규 구입하는 것보다 비용이 더 많이 소요되어 경제적으로 가치가 없다. 본 발명자들은 이러한 Si 폐미분을 알루미늄 합금 제조시 첨가하여 활용하는 방안을 고려한 바 있다. 즉, 알루미늄 용탕에 상기 실리콘 분말을 투입하여 합금을 제조하고자 하였다. 그러나, 본 발명자들의 시험 결과 Si 폐미분의 20% 정도만이 합금성분에 포함될 뿐 나머지 80% 내외의 실리콘 미분은 합금에 용해되지 못했다. 그 이유는 실리콘 분말 자체가 표면적이 매우 높아 실리콘 미분의 표면이 고온하에서 이산화규소로 산화되어 알루미늄 용탕에 용해되지 못했기 때문이다. 전술한 대한민국 공개특허공보 제2010-61567호에서도 이러한 실리콘 분말의 문제점에 대해 잘 기재되어 있다.

따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는 태양전지의 제조과정에서 대량으로 발생하는 고순도 실리콘 폐미분을 간단한고 저가의 공법으로 처리하여 실리콘 성형체를 제조하고, 상기 성형체를 알루미늄 합금 제조에 투입시 높은 용해효율을 달성할 수 있는 알루미늄 합금용 실리콘 성형체 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 실리콘(Si) 폐미분 100중량부와 무기 바인더로서 알루미늄 분말 0.01 내지 5중량부를 포함한 조성물을 고형화한 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금용 실리콘 성형체를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 실리콘 폐미분이 폴리실리콘 잉곳의 웨이퍼링시 발생한 폐실리콘 슬러리에서 분리정제한 실리콘(Si) 미분 0.1 내지 99.9중량%와 메탈실리콘 분쇄과정에서 발생한 실리콘(Si) 폐미분 0.1 내지 99.9중량%를 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금용 실리콘 성형체를 제공한다.

또한, 본 발명은 ⅰ)폴리실리콘 잉곳의 웨이퍼링시 발생한 폐실리콘 슬러리에서 분리정제한 실리콘(Si) 미분 0.1 내지 99.9중량%부와 메탈실리콘 분쇄과정에서 발생한 실리콘(Si) 폐미분 0.1 내지 99.9중량%를 혼합하는 단계; ⅱ)상기 실리콘 폐미분 100중량부와 무기 바인더로서 알루미늄 분말 0.1 내지 5중량부를 혼합하는 단계 및; ⅲ)상기 실리콘 폐미분과 알루미늄 분말을 고형화하는 단계를 포함한 알루미늄 합금용 실리콘 성형체 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 또한, 본 발명은 상기 ⅱ)단계의 혼합시 유기바인더를 0.1 내지 5중량부를 더 포함한 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금용 실리콘 성형체 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 유기바인더가 PVA, EVA, 메틸셀룰로오스, 페놀수지, 파라핀으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금용 실리콘 성형체 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 고형화가 소결, 압출, 사출 중 어느 하나의 방법으로 수행된 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금용 실리콘 성형체 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 유기바인더 첨가시 상기 고형화가 소결인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금용 실리콘 성형체 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금용 실리콘 성형체는 태양전지의 제조과정에서 대량으로 발생하는 고순도 실리콘 폐미분을 간단한고 저가의 공법으로 처리하여 제조함에도 불구하고, 알루미늄 합금 제조에 적합한 순도를 가지면서도 상기 성형체를 알루미늄 합금 제조에 투입시 높은 용해효율을 달성할 수 있어 실리콘 폐미분의 고부가가치 재활용을 가능케 한다.

도 1은 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조한 알루미늄 합금용 실리콘 성형체의 사진

이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 명세서에서 '실리콘 폐미분'의 표현은 폴리실리콘 제조과정 중 메탈실리콘의 분쇄, 분급공정에서 발생한 입경 45 미크론 미만의 실리콘 입자 또는 폴리실리콘 잉곳의 웨이퍼링 작업시 발생한 실리콘 폐슬러리에서 분리정제된 실리콘 입자나 이들의 혼합물을 통칭하나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 정의 중 어느 것에 해당하는지 모두 잘 알 것이다. 상기 메탈실리콘의 분쇄, 분급공정에서 메탈실리콘 제조에 사용되는 실리콘 입자는 통상 50 미크론 이상의 것이 사용되며 그 미만의 실리콘 입자는 폐미분이 되는데, 상기 폐미분에는 분쇄, 분급과정에서 철, 알루미늄, 칼슘 등 다른 불순물이 혼입되어 그 순도가 98 내지 99% 수준으로 알려져 있다. 따라서, 상기 메탈실리콘의 분쇄, 분급공정에서 발생한 실리콘 입자는 통상적인 불순물을 포함하고 있는 것으로 이해된다. 또한, 상기 폴리실리콘 잉곳의 웨이퍼링 작업시 발생한 실리콘 폐슬러리에서 분리정제된 실리콘 입자는 통상 입자크기가 평균 1 내지 5미크론 정도이며 정제 후 순도는 약 99.9% 또는 그 이상의 수준으로 본 명세서에서도 상기 수준의 순도를 가진 것을 의미한다. 상기 폴리실리콘 잉곳의 웨이퍼링 작업은 와이어 쏘(wire saw)나 밴드 쏘(band saw) 등을 이용하여 폴리실리콘 잉곳을 웨이퍼로 절단, 연마 또는 분쇄하는 작업을 의미하며, 상기 폐슬러리는 상기 웨이퍼링 작업시 발생한 실리콘 분말, 철, 물, PEG(polyethylene glycol) 및 실리콘 카바이드(SiC) 등과 같은 불순물을 포함한 실리콘 슬러리를 의미한다. 상기 실리콘 폐슬러리를 분리정제하는 과정은 대한민국 특허출원 제2010-7008996호에 개시된 것과 같이, 고액분리를 하여 PEG를 제거한 후, Si와 SiC에 물을 첨가하여 원심분리 또는 중력침강기를 사용하여 Si/SiC를 분리한 다음, 산세 후 초순수로 수세하여 건조하는 방법 등을 이용하여 순도 99.9% 또는 그 이상의 순도로 얻을 수 있다.

본 발명의 알루미늄 합금용 실리콘 성형체는 실리콘(Si) 폐미분 100중량부와 무기 바인더로서 알루미늄 분말 0.01 내지 5중량부를 포함한 조성물을 고형화한 것을 특징으로 한다. 본 발명의 알루미늄 합금용 실리콘 성형체에 있어서, 상기 실리콘 폐미분과 무기 바인더로서의 알루미늄 분말과의 혼합비는 실리콘 폐미분 100중량부에 대해 알루미늄 분말 0.01 내지 5중량부 범위인 것이 바람직하다. 알루미늄 분말의 함량이 0.01부 미만이면 바인더로서의 역할을 충분히 할 수 없으며, 반면 5중량부를 초과하는 경우에는 소결시 알루미늄 용출로 인해 형상이 변형될 수 있기 때문이다. 또한, 본 발명의 알루미늄 합금용 실리콘 성형체는 알루미늄 합금 제조를 위한 것이기 때문에 알루미늄의 첨가는 문제가 없으며 알루미늄 외 다른 금속성분의 첨가는 바람직하지 않으나, 알루미늄 합금의 종류에 따라 첨가가 허용될 수 있는 금속종을 더 포함할 수도 있다.

또한, 본 발명의 알루늄 합금용 실리콘 성형체에 있어서 상기 실리콘 폐미분은 폴리실리콘 잉곳의 웨이퍼링시 발생한 폐실리콘 슬러리에서 분리정제한 실리콘(Si) 미분 0.1 내지 99.9중량%와 메탈실리콘 분쇄과정에서 발생한 실리콘(Si) 폐미분 0.1 내지 99.9중량%를 혼합하여 제조할 수 있다. 전술한 바와 같이, 실리콘 폐슬러리에서 분리정제된 실리콘 입자는 그 순도가 약 99.9% 또는 그 이상의 수준이고, 메탈실리콘 분쇄, 분급과정에서 발생한 실리콘 폐미분은 그 순도가 98 내지 98.5% 수준이다. 그런데, 알루미늄 합금용 실리콘에 요구되는 순도는 통상 98 내지 99.3% 정도이므로 상기 두 가지 종류의 실리콘 폐미분의 혼합비 역시 상기 수준으로 배합이 되도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 알루미늄 합금용 실리콘 성형체는 ⅰ)폴리실리콘 잉곳의 웨이퍼링시 발생한 폐실리콘 슬러리에서 분리정제한 실리콘(Si) 미분 0.1 내지 99.9중량%부와 메탈실리콘 분쇄과정에서 발생한 실리콘(Si) 폐미분 0.1 내지 99.9중량%를 혼합하는 단계; ⅱ)상기 실리콘 폐미분 100중량부와 무기 바인더로서 알루미늄 분말 0.1 내지 5중량부를 혼합하는 단계 및; ⅲ)상기 실리콘 폐미분과 알루미늄 분말을 고형화하는 단계를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다. 상기 ⅰ)단계의 폴리실리콘 잉곳의 웨이퍼링시 발생한 폐실리콘 슬러리에서 실리콘 미분을 정제하는 방법 및 메탈실리콘 분쇄과정에서 발생한 실리콘(Si) 폐미분의 특징 등은 전술한 바와 같다.

본 발명의 알루미늄 합금용 실리콘 성형체의 제조에 있어서 상기 ⅱ)단계의 혼합시 유기바인더를 0.1 내지 5중량부를 더 포함할 수 있다. 유기바인더는 무기바인더인 알루미늄 분말의 역할을 보조하며, 상기 유기바인더는 PVA, EVA, 메틸셀룰로오스, 페놀수지, 파라핀으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다. 상기 유기바인더의 사용시 적절한 용매, 가소제, 분산제 또는 유활제 등을 사용할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분에서 통상의 지식을 지닌 자라면 잘 알 것이므로 본 명세서에서 더 이상의 상세한 설명은 하지 않기로 한다. 참고적으로, 금속분말의 성형과 관련하여 유기바인더와 관련된 사항은 대한민국 특허 0149240호, 0166436호, 미국특허 제4,404,166, 일본특허 공개 평 5-320708 및 Rhee 등의 문헌(Advances in Powder metallurgy-1991, vol.2, MPIF APMI, p.43) 등에 기재된 방법 등을 참고하여 수행될 수 있다.

상기 고형화는 종래의 고형화 방법인 소결, 압출, 사출 중 어느 하나의 방법으로 수행될 수 있으며, 특히 상기 유기바인더 첨가시 상기 고형화는 소결인 것이 바람직하다. 본 발명의 알루미늄 합금용 실리콘 성형체에 유기바인더 성분이 잔류하게 되면 알루미늄 합금 제조시 탄화되어 합금에 악영향을 끼칠 수 있기 때문에 고형화 단계에서 소결을 통해 제거하는 것이 바람직하기 때문이다.

이하에서 본 발명의 구체적인 예인 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

실시예 1. 알루미늄 합금용 실리콘 성형체의 제조

폴리실리콘 잉곳의 웨이퍼링시 발생한 폐실리콘 슬러리에서 분리정제한 실리콘(Si) 미분(평균입경 1 내지 2 미크론, 순도 99.9%) 50중량%부와 메탈실리콘 분쇄과정에서 집진기에 포집된 실리콘(Si) 폐미분(순도 99%) 50중량%를 혼합한 실리콘 폐미분 100중량부와 무기 바인더로서 알루미늄 분말 0.1중량부 및 유기바인더로서 PVA 1중량부를 혼합한 후 소정의 틀에 충전하여 성형 후 1200℃에서 소결하여 고형화를 수행하여 실리콘 성형체를 제조하였다. 도 1은 본 실시예에서 제조한 실리콘 성형체의 사진이다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 알루미늄 합금용 실리콘 성형체는 표면적을 최소화하여 실리콘의 산화를 방지하고, 알루미늄 합금 제조시 알루미늄 용탕에 투입하여 높은 용해도를 달성할 수 있다.

앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석 되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다.

Claims

실리콘(Si) 폐미분 100중량부와 무기 바인더로서 알루미늄 분말 0.01 내지 5중량부를 포함한 조성물을 고형화한 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금용 실리콘 성형체.
제1항에 있어서,
상기 실리콘 폐미분은 폴리실리콘 잉곳의 웨이퍼링시 발생한 폐실리콘 슬러리에서 분리정제한 실리콘(Si) 미분 0.1 내지 99.9중량%와 메탈실리콘 분쇄과정에서 발생한 실리콘(Si) 폐미분 0.1 내지 99.9중량%를 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금용 실리콘 성형체.
ⅰ)폴리실리콘 잉곳의 웨이퍼링시 발생한 폐실리콘 슬러리에서 분리정제한 실리콘(Si) 미분 0.1 내지 99.9중량%부와 메탈실리콘 분쇄과정에서 발생한 실리콘(Si) 폐미분 0.1 내지 99.9중량%를 혼합하는 단계;
ⅱ)상기 실리콘 폐미분 100중량부와 무기 바인더로서 알루미늄 분말 0.1 내지 5중량부를 혼합하는 단계 및;
ⅲ)상기 실리콘 폐미분과 알루미늄 분말을 고형화하는 단계를 포함한 알루미늄 합금용 실리콘 성형체 제조방법.
제3항에 있어서,
상기 ⅱ)단계의 혼합시 유기바인더를 0.1 내지 5중량부를 더 포함한 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금용 실리콘 성형체 제조방법.
제3항에 있어서,
상기 유기바인더는 PVA, EVA, 메틸셀룰로오스, 페놀수지, 파라핀, ?(가능한 성분을 더 기재하여 주시기 바랍니다.)로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금용 실리콘 성형체 제조방법.
제3항에 있어서,
상기 고형화는 소결, 압출, 사출 중 어느 하나의 방법으로 수행된 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금용 실리콘 성형체 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 유기바인더 첨가시 상기 고형화는 소결의 방법으로 수행된 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금용 실리콘 성형체 제조방법.