KR20130125590A - 폐 리드프레임 스크랩으로부터의 주석 회수 방법 - Google Patents

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Abstract

폐 리드프레임 스크랩으로부터의 주석 회수 방법이 개시된다. 본 발명의 폐 리드프레임 스크랩으로부터의 주석 회수 방법은, 폐 리드프레임 스크랩에서 주석을 회수하는 방법에 있어서, a) 폐 리드프레임 스크랩을 침출액에 담궈 주석을 침출시키는 박리단계; b) 침출액을 분리하여 전해조에 투입하고, 전해조에 불용성 양극과 금속극판을 설치하는 전해준비단계; 및 c) 전해조에 전원이 공급됨으로써 금속극판 표면에 주석이 회수되는 제 1 채취단계를 포함한다.

Description

폐 리드프레임 스크랩으로부터의 주석 회수 방법{Method For Recovering Tin From Waste-Lead Frame Scrap}
본 발명은 폐 리드프레임 스크랩으로부터의 주석 회수 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자제품의 폐 리드프레임 스크랩을 침출시킨 용액을 전해액으로 사용하여 주석을 고효율로 회수할 수 있는 주석 회수 방법에 관한 것이다.
IT 및 전자산업의 급속한 발전에 따라 나날이 첨단 제품들이 쏟아져 나오고 있고, 이에 따라 사람들의 각종 전자기기들에 대한 제품 교체 주기가 날로 짧아지고 있다.
반면 제품 생산에 필요한 금속이나 광물 등의 자원과 원자재에 대한 국제적 수요는 폭증하고 있으나 수급은 한정적이고, 일부 자원들은 머지않은 미래에 고갈되리라 예측되고 있는 실정이다. 국제적인 자원 수요의 폭증은 원자재 가격 급등과 함께, OPEC의 석유수출제한, 중국과 일본 간의 희토류 분쟁과 같은 자원민족주의 내지 자원의 무기화로도 이어지고 있으며, 이러한 국제적인 추세는 자원 매장량이 부족하여 소비되는 자원의 상당량을 수입하고 있는 우리나라에 상당한 위협이 되고 있다.
우리나라는 대표적인 자원 수입국으로, 유가금속의 95% 이상 매년 130억 달러에 상당하는 양을 수입하고 있고, 수입량은 해마다 26% 씩 증가하는 추세이다(2008년 기준).
자원의 고갈과 원자재 가격 상승 등은 폐자원의 재활용 가능성에 눈을 돌리게 했다. 주석(Sn)은 2006년 RoHS(Restriction of the use of Hazardous Substances in EEE) 협정에 따라 Pb를 대체하는 무연솔더로 사용되고 있고, 주석이 도금된 리드프레임은 연간 7000억 원 규모의 시장이지만, 주석은 2050년경에 자원고갈이 예측되고 있다. 따라서 주석에 대한 자원의 효율적 사용을 위한 재활용 기술, 폐자원으로부터의 회수 기술은 필수적이며, 산업적 가치와 이용 가능성이 매우 클 것이라 예측된다.
한편 금속의 회수 방법은, 금속의 화학적 성질을 이용하여 광석으로부터 유용금속을 화학반응에 의하여 추출제련하는 화학 야금과, 금속의 물리적 성질을 주로 다루는 물리 야금으로 분류할 수 있다.
그중 화학야금은 크게 건식 야금법과 습식 야금법으로 구별할 수 있다.
① 건식제련 또는 건식 야금법은 연료의 연소나 전열(電熱)에 의하여 광석을 가열하고 환원반응에 의하여 금속을 채취한다. 이때 환원제로는 탄소·수소·금속 등을 사용한다. PCB나 폐 휴대전화의 재활용에 있어, 플라스틱과 금속성분을 파쇄하여 분말형태로 회수한 후 건식제련은 통해 유가금속을 추출하고 있다. ② 습식 제련 또는 습식 야금법은 산 또는 알칼리 등의 수용액으로 광석의 금속성분을 추출한다. 이들 가운데 전열과 전해(電解)를 이용하는 것을 특별히 전기야금이라고 한다.
전기야금 중 일반적인 두 가지 공정은 다음과 같다.
첫 번째는 전해정련법이다. 전해정련법은 전기분해를 이용하여 금속의 순도를 높이는 방법으로써, 순도가 낮은 조금속이나 도금된 물질을 anode로 놓고, 그에 맞는 금속 박판을 cathode로 하여 적절한 전해액에 두 전극을 설치한 후 전류를 인가하여 cathode에는 순도가 높은 금속을 석출시키고, anode에서는 전해조 밑에 슬라임(slime)이 쌓이면 처리하는 방법이다.
두 번째는 전해 채취법이다. 전해 채취법은 원광석이나 다른 물질에서 목적 금속을 용매로써 추출하여 얻은 금속염 수용액을 불용성 anode을 이용하여 전해하고, cathode에 고품위의 목적 금속을 얻는 방식이다. 대표적으로는 아연의 전해 채취를 예로 들 수 있고, 이 외에 동, 니켈, 코발트, 안티몬, 철, 망간, 크롬 등에 적용되고 있다. 용매로는 값이 싸고 취급이 쉬운 황산이 주로 사용된다.
국제적인 자원 수요의 폭증에 따른 원자재 가격 급등, 자원민족주의 내지 자원의 무기화는 대표적인 자원 수입국인 우리나라에 커다란 위협이 되고 있으며, 이와 더불어 주석에 대해서 2050년경 매장량 고갈이 예측되므로, 주석 자원의 효율적 사용을 위한 재활용 기술, 폐자원으로부터의 회수 기술은 필수적이며, 산업적 가치와 이용 가능성이 매우 클 것이라 예측된다.
또한, 전해액으로 일반적으로 사용되는 황산이 주석의 회수에 적합하지 않음이 확인됨에 따라 새로운 전해액이 제시될 필요가 있으며, 종래의 기술은 특정 희귀 귀금속에 주로 사용되며 그외의 다양한 유가금속, 특히 주석은 개별적으로 회수되기 어려운 문제도 있었다.
본 발명은 상술한 바에 따른 주석 자원의 회수 및 재활용 요청을 충족하기 위한 것으로, 전자제품의 폐 리드프레임 스크랩에 포함되어 폐기되던 주석을 전기화학적 공정으로 회수하여 재활용할 수 있는 고효율의 주석 회수 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 폐 리드프레임 스크랩에서 주석을 회수하는 방법에 있어서,
a) 상기 폐 리드프레임 스크랩을 침출액에 담궈 상기 주석을 침출시키는 박리단계;
b) 상기 침출액을 분리하여 전해조에 투입하고, 상기 전해조에 불용성 양극과 금속극판을 설치하는 전해준비단계; 및
c) 상기 전해조에 전원이 공급됨으로써 상기 금속극판 표면에 상기 주석이 회수되는 제 1 채취단계를 포함하는 폐 스크랩으로부터의 주석 회수 방법이 제공된다.
상기 제 1 채취단계 후에 상기 금속극판 표면에 회수된 상기 주석을 여과하고 세척하여 건조하는 회수단계를 더 포함할 수 있다.
상기 박리단계에서 상기 침출액에 담궈 상기 주석을 침출시킨 상기 폐 리드프레임 스크랩을 건져내어 세척 및 건조하여 다른 금속을 회수하는 제 2 채취단계를 더 포함할 수 있다.
상기 폐 리드프레임 스크랩의 주석 함량은 6 내지 43 중량% 일 수 있다.
상기 침출액은 HCl, H2SO4, KCl 및 NaOH를 포함하는 군에서 선택될 수 있다.
상기 침출액의 필요량은 1 내지 20 ㎖/g 리드프레임 또는 15 내지 30 ㎖/g Sn일 수 있다.
상기 불용성 양극은 Sn, Ti, Ir, Ru, 흑연(Graphite)을 포함하는 군에서 선택될 수 있다.
상기 전해조에 공급되는 전원은 전류밀도 0.01 내지 0.30 A/㎠ 이며, 전원 공급 시간은 2 내지 4 시간일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 폐 리드프레임 스크랩을 침출액에 담궈 주석을 침출시키고, 상기 침출액을 전해액으로 하여 불용성 양극과 금속극판을 설치하고 전류를 인가함으로써 주석을 회수하는 것을 특징으로 하는 침출액과 전해액이 단일화된 주석 회수 방법이 제공된다.
상기 침출액은 HCl, H2SO4, KCl 및 NaOH를 포함하는 군에서 선택될 수 있다.
본 발명의 폐 리드프레임 스크랩으로부터의 주석 회수 방법은, 폐 리드프레임 스크랩을 적합한 침출액에 침출시킨 후, 침출액을 전해액으로 하여 적합한 전극과 전류 밀도, 침출액의 양, 반응시간의 조절을 최적화된 주석 회수 공정을 제시함으로써, 폐 리드프레임 스크랩에 포함된 주석을 고효율로 회수하여 재활용할 수 있게 한다.
도 1는 본 발명의 폐 리드프레임 스크랩으로부터의 주석 회수 방법의 공정 흐름을 간략히 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 주석 회수 공정에서 시간에 따른 주석 회수량 변화를 도시한 그래프이다.
이하, 본원 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다. 본원 명세서에 기재되지 않은 내용은 본원 발명의 기술 분야 또는 유사 분야에서 숙련된 자이면 충분히 인식하고 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략한다.
도 1는 본 발명의 폐 스크랩으로부터의 주석 회수 방법의 공정 흐름을 간략히 도시한다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 양태에 따른 폐 스크랩으로부터의 주석 회수 방법은, 폐 리드프레임 스크랩에서 주석을 회수하는 방법으로써,
a) 폐 리드프레임 스크랩을 침출액에 담궈 주석을 침출시키는 박리단계;
b) 침출액을 분리하여 전해조에 투입하고, 전해조에 불용성 양극과 금속극판을 설치하는 전해준비단계; 및
c) 전해조에 전원이 공급됨으로써 금속극판 표면에 주석이 회수되는 제 1 채취단계를 포함한다.
본원 발명은 제 1 채취단계 후에 금속극판 표면에 회수된 주석을 여과하고 세척하여 건조하는 회수단계를 더 포함할 수 있다.
또한 본원 발명은, 박리단계에서 상기 침출액에 담궈 주석을 침출시킨 폐 리드프레임 스크랩을 건져내어, 세척 및 건조하여 다른 금속을 회수하는 제 2 채취단계를 더 포함할 수 있다.
리드프레임은 반도체 칩과 외부 회로를 연결시켜 주는 전선(lead) 역할과 반도체 패키지를 전자 회로 기판에 고정시켜 주는 버팀대(frame) 역할을 동시에 수행하는 반도체의 핵심 재료이다. 리드프레임에서 철계의 재료는 Fe-Ni, Fe-Ni-Co 등이 사용되며, 동계의 재료에는, Cu-Sn, Cu-Zr, Cu-Fe, Cu-Zn 등이 사용된다.
본원 발명은 이러한 주석(Sn)을 포함하는 리드프레임이 사용된 전기, 전자 제품 등이 폐기되는 경우, 버려지는 리드프레임에서 주석을 회수하여 주석 자원을 재활용하기 위한 것이다.
본원 발명이 적용되는 폐 리드프레임 스크랩의 주석 함량은 6 내지 43 중량% 일 수 있다.
폐 리드프레임 스크랩에 포함된 주석의 함량이 상기 범위를 벗어나는 경우, 본원 발명의 적용시 주석 회수율과 경제성이 떨어질 수 있다.
침출액은 HCl, H2SO4, KCl 및 NaOH를 포함하는 군에서 선택될 수 있다.
본원 발명에서 침출액은 박리단계 이후 전해단계에서의 전해액으로도 사용되므로 적절한 용액의 선택은 큰 의미가 있다.
침출액에 폐 리드프레임의 스크랩을 담궈 주석을 침출시키고, 스크랩에 도금된 주석이 대부분 침출액에 용출되면(박리단계) 침출액에서 스크랩을 건져낸다. 남은 침출액을 전해조에 투입하고 anode에는 불용성 양극을, cathode에는 금속 극판을 설치한다(전해준비단계). 직류전류 정류기를 통해 일정한 전류를 유지하면서 전극에 전원을 공급하면, cathode의 금속 극판 표면에 주석이 석출된다(제 1 채취단계). 주석이 석출된 금속 극판을 전해조에서 꺼내 세척하여 주석을 금속 극판에서 분리하고, 주석이 포함된 세척액을 여과한 후 건조시키면 주석을 얻을 수 있다(회수단계). 한편 건져낸 스크랩은 증류수로 잘 세척하여 건조하고, 스크랩에 포함된 구리(Cu) 등의 잔여 금속을 회수하기 위한 공정을 실시한다(제 2 채취단계).
본원 발명에 따라 회수된 주석은 약 99%의 순도이며, 리드프레임 스크랩에 포함된 주석의 90% 이상을 회수할 수 있다.
본원 발명에서 사용되는 침출액의 필요량은 1 내지 20 ㎖/g 리드프레임 또는 15 내지 30 ㎖/g Sn일 수 있다. 즉, 리드프레임 단위 g당 1 내지 20㎖, 또는 주석 Sn 단위 g당 15 내지 30 ㎖의 침출액에 필요하다.
불용성 양극은 Sn, Ti, Ir, Ru, 흑연(Graphite)을 포함하는 군에서 선택될 수 있다. cathode의 금속 극판은 Ti을 사용할 수 있다.
전해조에 공급되는 전원은 전류밀도 0.01 내지 0.30 A/㎠ 이며, 전원 공급 시간은 2 내지 4 시간일 수 있다.
전류밀도는 침출액에 포함된 주석의 양에 따라 상기 범위에서 적절히 선택할 수 있다.
실시예
실시예 1
주석 5 ~ 10 %를 포함하는 폐 리드프레임 스크랩을 상온에서 30 ~ 35 %의 HCl 수용액에 침출시켰다. 1 ~ 3시간 후, 스크랩에 도금된 주석의 대부분이 박리되었고, 스크랩을 제거하여 증류수에 세척하여 보관하였다. 주석이 박리된 침출액을 전해조에 투입하고, adode에 불용성 양극으로 Ir을, cathode에 Ti 금속 극판을 설치한 후, 전류밀도를 0.10 ~ 0.20 A/㎠으로 유지하면서 전원을 공급하였다. cathode의 금속 극판 표면에 주석 생성이 확인되었다. 60분간 지속적으로 전원을 공급한 후, 금속 극판을 전해조에서 분리하여 세척하고, 세척액을 모아 건조하여 회수된 주석의 양을 측정하였다.
실시예 2
상술한 실시예 1과 동일한 과정에 따라, 전원 공급 시간만을 120분으로 변경하여 실험하였다. 시간 경과 후 금속 극판을 전해조에서 분리하여 세척하고, 세척액을 모아 건조하여 회수된 주석의 양과 순도를 측정하였다.
실시예 3
상술한 실시예 1과 동일한 과정에 따라, 전원 공급 시간만을 180분으로 변경하여 실험하였다. 시간 경과 후 금속 극판을 전해조에서 분리하여 세척하고, 세척액을 모아 건조하여 회수된 주석의 양과 순도를 측정하였다.
실시예 4
상술한 실시예 1과 동일한 과정에 따라, 전원 공급 시간만을 240분으로 변경하여 실험하였다. 시간 경과 후 금속 극판을 전해조에서 분리하여 세척하고, 세척액을 모아 건조하여 회수된 주석의 양과 순도를 측정하였다.
본 실시예들에 따른 주석 회수 공정에서, 실시예 2, 3, 4의 주석 순도는 모두 99%이상이었고, 시간에 따른 주석 회수량의 변화는 하기 표에 나타내었다.
도입 주석량 실시예1(60분) 실시예2(120분) 실시예3(180분) 실시예4(240분)
주석량(ppm) 4993 3754 4669 4918 4948
비교예
주석 5 ~ 10 %를 포함하는 폐 리드프레임 스크랩을 상온에서 20 %의 황산과 H2SiF6를 적절히 혼합한 용액에 담궈 주석을 침출시켰다. 1 ~ 3 시간 후, 스크랩에 도금된 주석의 대부분이 박리되었고, 스크랩을 제거하여 증류수에 세척하여 보관하였다. 주석이 박리된 침출액을 전해조에 투입하고, adode에 불용성 양극으로 Ir 을, cathode에 Ti 금속 극판을 설치한 후, 전류밀도를 0.10 ~ 0.20 A/㎠으로 유지하면서 전원을 공급하였다. cathode의 금속 극판 표면에 주석 생성이 확인되었다. 7시간 동안 지속적으로 전원을 공급하면서 시간의 흐름에 따른 주석의 회수량을 확인하였다. 시간 경과 후, 금속 극판을 전해조에서 분리하여 세척하고, 세척액을 모아 건조하여 회수된 주석의 양과 순도를 측정하였다.
이 과정으로 실험을 진행했을 때, 주석의 회수량은 93%, 순도는 96%로 나타났다.
본 비교예를 통해 일반적으로 전해액으로 많이 사용되어온 황산이 침출액으로 사용될 경우 성능이 낮은 것은 아니지만, 주석을 90% 이상 회수하려면 HCl을 침출액으로 사용했을 때와 비교해 많은 시간이 필요함을 확인할 수 있었다. 즉, 동일한 시간 내에 처리할 수 있는 리드프레임의 양이 절반 이하로 줄어드는 것이다. 또한, H2SiF6의 강한 반응성으로 인해 Cathode인 Ti 전극이 서서히 산화되었고, 산화된 Ti는 공기 중에 노출된 cathode와 용액 표면에서 석출됨으로써, 내구성이 떨어진다는 점도 확인하였다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 폐 리드프레임 스크랩을 침출액에 담궈 주석을 침출시키고, 침출액을 전해액으로 하여 불용성 양극과 금속극판을 설치하고 전류를 인가함으로써 주석을 회수하는 것을 특징으로 하는 침출액과 전해액이 단일화된 주석 회수 방법이 제공된다.
침출액은 HCl, H2SO4, KCl 및 NaOH를 포함하는 군에서 선택될 수 있다.
본원 발명은 폐 리드프레임 스크랩을 적합한 침출액에 담궈 주석을 침출시킨 후, 침출액을 전해액으로 하여 적합한 전극과 전류 밀도, 침출액의 양, 반응시간의 조절을 최적화된 주석 회수 공정을 제시함으로써, 폐 리드프레임 스크랩에 포함된 주석을 고효율로 회수하여 재활용할 수 있게 한다. 본원 발명은 우선 침출액과 전해액이 동일한 공정을 제시함으로써, 공정 단계를 간소화하고 이에 따른 비용 절감 효과를 가지게 된다.
또한 본원 발명은, 고갈이 예상되는 자원을 효과적으로 재활용할 수 있게 함으로써 지속가능한 개발에 부합하며, 국제적인 원자재 가격 상승과 자원민족주의에 의한 원자재 확보의 곤란에 대한 해결책이 될 수 있다.
이와 같은 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 폐 리드프레임 스크랩에서 주석을 회수하는 방법에 있어서,
    a) 상기 폐 리드프레임 스크랩을 침출액에 담궈 주석을 침출시키는 박리단계;
    b) 상기 침출액을 분리하여 전해조에 투입하고 상기 전해조에 불용성 양극과 금속극판을 설치하는 전해준비단계; 및
    c) 상기 전해조에 전원이 공급됨으로써 상기 금속극판 표면에 상기 주석이 회수되는 제 1 채취단계를 포함하는 폐 리드프레임 스크랩으로부터의 주석 회수 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 채취단계 후에 상기 금속극판 표면에 회수된 상기 주석을 여과하고 세척하여 건조하는 회수단계를 더 포함하는 폐 리드프레임 스크랩으로부터의 주석 회수 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 박리단계에서 상기 침출액에 담궈 상기 주석을 침출시킨 상기 폐 리드프레임 스크랩을 건져내어 세척 및 건조하여 다른 금속을 회수하는 제 2 채취단계를 더 포함하는 폐 리드프레임 스크랩으로부터의 주석 회수 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 폐 리드프레임 스크랩의 주석 함량은 6 내지 43 중량% 인 것을 특징으로 하는 폐 리드프레임 스크랩으로부터의 주석 회수 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 침출액은 HCl, H2SO4, KCl 및 NaOH를 포함하는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 폐 리드프레임 스크랩으로부터의 주석 회수 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 침출액의 필요량은 1 내지 20 ㎖/g 리드프레임 또는 15 내지 30 ㎖/g Sn인 것을 특징으로 하는 폐 리드프레임 스크랩으로부터의 주석 회수 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 불용성 양극은 Sn, Ti, Ir, Ru, 흑연(Graphite)을 포함하는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 폐 리드프레임 스크랩으로부터의 주석 회수 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 전해조에 공급되는 전원은 전류밀도 0.01 내지 0.30 A/㎠ 이며, 전원 공급 시간은 2 내지 4 시간인 것을 특징으로 하는 폐 리드프레임 스크랩으로부터의 주석 회수 방법.
  9. 폐 리드프레임 스크랩을 침출액에 담궈 주석을 침출시키고, 상기 침출액을 전해액으로 하여 불용성 양극과 금속극판을 설치하고 전류를 인가함으로써 상기 주석을 회수하는 것을 특징으로 하는 침출액과 전해액이 단일화된 주석 회수 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 침출액은 HCl, H2SO4, KCl 및 NaOH를 포함하는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 침출액과 전해액이 단일화된 주석 회수 방법.
KR20120049230A 2012-05-09 2012-05-09 폐 리드프레임 스크랩으로부터의 주석 회수 방법 KR20130125590A (ko)

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