KR20130078546A

KR20130078546A - 금속성 및 다이아몬드 와이어 쏘잉용 수용성 금속 가공유 조성물

Info

Publication number: KR20130078546A
Application number: KR1020110147551A
Authority: KR
Inventors: 문윤수; 이승훈
Original assignee: 영창케미칼 주식회사
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2013-07-10
Also published as: KR101342627B1

Abstract

본 발명은 반도체용, 태양전지용, LED(Light Emitting Diode)용 잉곳(Ingot)을 금속성 및 다이아몬드 실 톱(Wire saw)으로 절단할 때 와이어 쏘우에 대한 가공 정밀도 뿐만 아니라 작업성이 좋으며 점착성 및 부식 방지성이 뛰어나고, 기유가 전혀 포함되지 않은 수용성 절삭액 조성물을 제공한다.

Description

금속성 및 다이아몬드 와이어 쏘잉용 수용성 금속 가공유 조성물{Water soluble Metalworking fluid composition for Metallic and Diamond Wire Sawing}

본 발명은 반도체용, 태양전지용, LED(Light Emitting Diode)용 잉곳(Ingot)을 금속성 및 다이아몬드 실 톱(Wire saw)으로 절단할 때 사용하는 수용성 금속 가공유 조성물에 관한 것이다.

금속 가공유는 금속기계(Metal)를 가공하는 공정(Working)에서 다듬질하는 금속 면의 개선, 가공정도의 향상, 공구수명의 연장, 가공물의 방청, 열과 칩의 제거 등 여러 가지 목적으로 사용한다. 금속 가공유는 기계와 기계가 접촉되는 과정에서 발생되는 열을 제거하거나 윤활작용이 일차적인 기능이므로 기계유(machine oils), 절삭유(cutting oils), 윤활유(lubricating) 등으로 부르기도 한다. 금속 가공유에 대한 높은 기능성이 요구되면서 방부제, 윤활제, 방청제, 부식방지제, 세정제, 분산제, 거품방지제, 극압첨가제 등 각종 화학물질들이 첨가되어 왔다. 이러한 첨가제의 성분과 가공 동안에 추가로 발생되는 오염물질 등으로 인해 금속 가공유는 근로자의 건강과 안전 및 환경에 대한 위험과 밀접한 연관이 있을 수밖에 없다.

특히, 금속 가공유에 사용되는 기유의 경우에는 원유가 충분히 정제되지 않을 경우 유기용제성분(특히 다핵방향족화합물, 이하 PAH라 함)이 다량 남아 있어 피부암을 유발하는 등 작업환경을 악화시키는 문제점이 있고, pH 유지 및 부식방지 목적으로 사용되는 에탄올아민(ethanolamine)류는 천식 발생과 유의할 뿐 아니라 발암물질인 나이트로스아민(N-nitrosodiethanolamine)을 생성하는 것으로 알려져 있다. 이 외에도 염화파라핀이나 방부제에 포함된 포름알데하이드가 발암성을 유발할 수 있는 물질로 알려져 있다.

세계적으로 금속 가공유의 사용량은 계속해서 늘어나고 있다. 비수용성의 사용량은 감소하고 있으나 수용성, 준합성, 합성 금속 가공유의 사용량은 늘어나고 있다. 웨이퍼 가공용 절삭유체는 비수용성 및 수용성이 있으며 금석가공 절삭유와 마찬가지로 냉각기능 및 윤활성, 극압성, 그리고 방청성이 요구되며 잉곳(Ingot) 소재의 종류 및 특성에 따라 반도체용, 태양전지용, LED용 등이 있다. 국내의 경우 반도체용 실리콘 잉곳은 비수용성을 사용하고 있고, 태양전지 웨이퍼 제조용 잉곳은 수용성을 사용한다. 반도체용 웨이퍼의 경우 와이어 쏘잉 후 웨이퍼 표면에 결함 또는 오염물질이 있어도 후 공정으로 래핑, 에칭, 열처리 및 폴리싱이 있어 보완이 가능하기 때문에 비수용성도 사용할 수 있지만, 태양전지용 웨이퍼의 경우 와이어 쏘잉 후 세정공정으로 웨이퍼 생산과정이 완료되기 때문에 세정이 용이한 수용성만 사용한다.

현재 태양전지용 웨이퍼 와이어 쏘잉은 수용성 절삭유체에 SiC(Silicon Carbide) 분말을 첨가하여 슬러리(Slurry)를 제조한 후 와이어에 분사하여 잉곳을 절삭하는 방식을 주로 사용하고 있으나 최근에는 슬러리를 사용하지 않고 와이어에 다이아몬드 분말을 니켈(Ni) 도금으로 고착화한 다이아몬드 와이어로 절삭하는 방식으로 전환되고 있다. 이 방식은 와이어 쏘잉방식에 비하여 원액을 사용하는 절삭유체, SiC 분말 가격 및 폐슬러리 처리 비용 등을 고려하더라도 가격은 비싸지만 절삭유체를 5 내지 10%로 희석하여 사용하고 수회 재사용하기 때문에 제조원가를 절감할 수 있는 장점이 있다.

또한, 태양전지용 웨이퍼의 두께는 해마다 얇아지고 있어 이러한 구경 및 두께의 변화에 대한 종래보다 가공 정밀도가 높은 수용성 절삭 금속 가공유가 요구되고 있는 실정이다.

본 발명의 목적은 기유나 염소, 포름알데하이드 등이 전혀 첨가되지 않은 환경적으로 안전하면서 금속성 및 다이아몬드 줄 톱에 대한 가공 정밀도가 높은 와이어 쏘잉용 수용성 금속가공유 조성물을 제공하는 것이다.

수용성 금속가공유는 사용하기 전에 물로 희석한다. 수용성 금속 가공유의 기본은 물이므로 물의 질(quality)이 공정의 기능성에 큰 영향을 미친다. 물은 비열이 크고 열전도율도 좋아서 냉각제로서는 가장 뛰어난 물질이다. 그러나 금속을 녹슬게 하고 습윤성이나 윤활성은 오일에 비해 떨어진다. 이러한 결점을 보완하기 위해 수용성 금속 가공유에는 방청 첨가제나 계면활성제를 첨가하여 윤활성을 높인다.

본 발명의 금속성 및 다이아몬드 와이어 쏘잉용 수용성 금속 가공유 조성물은 작업자의 안전 및 환경에 문제가 없고 표면장력이 낮아 점착성이 좋으며, 기포가 발생하지 않아 작업성이 좋다. 절삭 후에도 세정성이 뛰어나고 부식방지 특성을 갖는다. 또한, 희석 타입이라 태양광 발전 원가 중 50% 정도를 차지하는 폴리실리콘 및 잉곳/웨이퍼 제조 등 소재 부문의 원가 절감에 크게 기여할 수 있다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 수용성 금속 가공유와 희석하는 물은 부식방지, 침전물 생성 방지 등을 위해서 탈 이온수(de-ionized water)를 반드시 사용한다. 물이 첨가되고 영양원이 많으면 미생물의 번식은 필연적으로 따라오는 골칫거리로 수용성 금속 가공유를 사용하는 공정에서 미생물의 성장을 억제하는 것이 매우 중요하다.

이에 따라, 본 발명의 수용성 금속 가공유 조성물은 부식 방지제, pH 유지제, 윤활제, 계면활성제, 소포제, 극압제, 방부제 등을 포함한다.

본 발명의 수용성 금속 가공유 조성물은 부식방지 및 pH 유지제로 에탄올아민(ethanolamine)류 또는/및 아미노메틸프로판올(2-Amino-2-Methyl-1-propanol)을 포함한다. 아미노메틸프로판올은 에탄올아민류의 대체로 사용이 가능하며 환경적으로 안전한 물질이다. 뿐만 아니라 절삭 후 생성된 다이아몬드나 금속 찌꺼기에 대한 분산에 탁월하다.

상기 에탄올아민은 모노에탄올아민(MEA), 디에탄올아민(DEA) 또는 트리에탄올아민(TEA) 등을 들 수 있다. 수용성 금속 가공유 조성물은 에탄올아민류 또는/및 아미노메틸프로판올의 1종 또는 그들의 혼합물 2종 이상을 포함하며, 그 중에서 아미노메틸프로판올이 보다 바람직하고 함유량은 0.1 내지 30 중량％로 포함되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용하는 계면활성제 및 윤활제는 합성유인 폴리알킬렌글리콜 부가물 1종 또는 2종을 1 내지 50 중량% 포함하는 것을 특징으로 한다. 폴리알킬렌글리콜 부가물은 <화학식 1> 과 같이 에틸렌옥사이드(EO) 및 프로필렌옥사이드(PO) 글리콜의 블록형 또는 랜덤형 부가물을 포함하며, 첨가 시 윤활성이 뛰어나다. 그러나 프로필렌옥사이드의 몰수가 큰 화합물은 물에 대한 용해도를 떨어뜨리는 문제점을 보인다.

<화학식 1>

상기 <화학식 1> 에서 m 및 n은 1~100의 정수이고 o는 0~100의 정수이다.

본 발명의 와이어 수용성 금속 가공유 조성물은 세정 및 분산성이 우수한 윤활제로 글리콜류 화합물을 더 포함한다. 상기 글리콜류 화합물은 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디프로필렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜 등을 들 수 있다.

또한, 본 발명의 와이어 수용성 금속 가공유 조성물은 금속에 대한 부식방지제로 <화학식 2>의 구조와 같은 카르복실산(Carboxylic acid)류를 포함한다. 그 중에서 도데칸디오익산(Dodecandioic acid)을 0.1 내지 30 중량% 포함하는 것이 바람직하다.

<화학식 2>

상기 <화학식 2> 의 R은 C₁~C₂₀의 알킬그룹을 나타낸다.

본 발명의 수용성 금속 가공유 조성물은 수용성 고분자의 극압제, 소포제 및 방부제 등을 추가로 첨가할 수 있다. 방부제로는 미생물의 성장 억제를 위해 이소프로판올(IPA)을 0.1~10 중량% 포함하는 것이 바람직하다. 이소프로판올은 미국 환경부에서 승인한 방부제 목록(ASTM, 2000)에서 선정하였으며 물에 대한 용해도가 좋고, 작업성 및 가공 성능에도 문제가 없는 것으로 확인되었다.

이하, 상기와 같은 본 발명을 실시예에 의거하여 상세히 설명한다.

실시예1~5 및 비교에 1~2: 본 발명에 따른 조성물의 제조

하기 표 1과 같은 조성과 함량으로 혼합하여 실시예1~5 및 비교예1~2의 수용성 금속 가공유 조성물을 제조하였다. 표 1에서 단위는 중량부를 나타낸다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	비교예 1	비교예 2
탈이온수	40	40	40	30	40	40	40
TEA	5	2				10	10
아미노메틸프로판올	5	8	10	10	10
PE-71	23	23	23	33	18	28	28
DEG	20	20	20	20	20	20
PEG-400							20
DDDA	5	5	5	5	10
소포제	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2
방부제	0.8	0.8	0.8	0.8	0.8

표 1에 기재된 화합물은 하기와 같다.

TEA: 트리에탄올아민(Triethanolamine)

PE-71: KPX 그린케미칼주식회사 제조 상품명, 폴리프로필렌 글리콜 에틸렌 옥사이드 중합체 100%

DEG: 다이에틸렌 글리콜(Diethylene glycol)

PEG-400: KPX 그린케미칼주식회사 제조 상품명, 중량 평균 분자량 400

DDDA: 도데칸디오익산(Dodecandioic acid)

소포제: Troy corporation 제조, Troykyd D336

방부제: 이소프로판올(IPA)

《특성 평가 방법》

상기 실시예의 조성물들을 이용하여 동일한 조건에서 얻어진 결과를 표 2에 나타내었다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	비교예 1	비교예 2
점도(mPa.s)	126	128	130	147	120	132	140
표면장력(dyne/cm)	31	30	26	28	27	46	48
pH	9.6	9.7	9.8	10.1	9.5	9.0	9.0
소포성	○	○	O	O	○	×	×
부식성	1 이하	1 이하	1 이하	1 이하	1 이하	2 이상	2 이상
점착성	○	○	○	○	○	△	△

<점도 평가>

AND 제조, SV-10 점도계를 사용하여 실시예1~5 및 비교예1~2의 수용성 금속 가공유 조성물에 대한 점도를 25℃ 조건에서 측정하였다.

<표면장력 평가>

Kruss 제조, K-100 표면장력계를 사용하여 실시예1~5 및 비교예1~2의 수용성 금속 가공유 조성물에 대한 표면장력을 측정하였다.

EUTECH instrument 제조, Cyber scan PH510을 사용하여 실시예1~5 및 비교예1~2의 수용성 금속 가공유 조성물의 5% 희석액에 대한 pH를 측정하였다.

<소포성 평가>

실시예1~5 및 비교예1~2의 수용성 금속 가공유 조성물에 대한 5% 희석액 60부를 각각 제조하고, 100cc 투명용기에 담아 볼텍스 믹서로 30초간 강하게 쉐이킹 한다. 1분 후 기포의 상태를 관찰하였다.

○: 기포가 5mm 미만으로 생성되었다가 완전히 없어짐.

×: 기포가 5mm 이상으로 생성되고 거품이 전체적으로 남아 있음.

<부식성능 평가>

금속 시편을 실시예1~5 및 비교예1~2의 수용성 금속 가공유 조성물 5% 희석액에 100℃, 3hr 조건으로 담구었다가 꺼내어 부식 감소량을 측정하였다.

<점착성 평가>

실시예1~5 및 비교예1~2의 수용성 금속 가공유 조성물의 일정량에 다이아몬드 와이어를 담구었다 꺼내어 과잉의 액체 방울을 제거시킨 후 각각의 절삭유가 와이어에 점착된 상태를 현미경으로 관찰하였다.

○: 줄 표면으로 흘러내리지 않고 모양이 둥근 형태로 점착되어 있는 상태

△: 줄 표면으로 흘러내리지 않고 점착되어 있으나, 모양이 퍼져있는 상태

×: 줄 표면에 점착되어 있지 않고 아래쪽으로 흘러내림.

Claims

금속성 및 다이아몬드 와이어 쏘잉용 수용성 금속 가공유 조성물에 있어서,
부식 방지제, pH 유지제, 윤활제, 계면활성제, 소포제, 극압제, 방부제를 포함하며, 탈 이온수를 반드시 포함하는 금속성 및 다이아몬드 와이어 쏘잉용 수용성 금속 가공유 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 부식 방지제 및 상기 pH 유지제로 아미노메틸프로판올(2-Amino-2-Methyl-1-propanol)을 0.1 ~ 30 중량% 포함하는 금속성 및 다이아몬드 와이어 쏘잉용 수용성 금속 가공유 조성물.
제 2항에 있어서,
상기 아미노메틸프로판올에 에탄올아민류를 1종 또는 2종 이상 포함하는 금속성 및 다이아몬드 와이어 쏘잉용 수용성 금속 가공유 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 계면활성제 및 상기 윤활제로 합성유인 하기 <화학식 1>의 폴리알킬렌글리콜 부가물 1종 또는 2종을 1 ~ 50 중량% 포함하며, 상기 폴리알킬렌글리콜 부가물로써 에틸렌옥사이드(EO) 및 프로필렌옥사이드(PO) 글리콜의 블록형 또는 랜덤형 부가물을 포함하는 금속성 및 다이아몬드 와이어 쏘잉용 수용성 금속 가공유 조성물.
<화학식 1>

상기 <화학식 1> 의 m 및 n은 1~100의 정수, o는 0~100의 정수이다.
제 1항에 있어서,
상기 부식 방지제로 하기 <화학식 2>의 카르복실산(Carboxylic acid)을 0.1 내지 30 중량% 포함하는 금속성 및 다이아몬드 와이어 쏘잉용 수용성 금속 가공유 조성물.
<화학식 2>

상기 <화학식 2> 의 R은 C₁~C₂₀의 알킬그룹이다.
제 1항에 있어서,
상기 방부제로 이소프로판올(IPA)를 0.1~10 중량% 포함하는 금속성 및 다이아몬드 와이어 쏘잉용 수용성 금속 가공유 조성물.