KR20150141032A - 폐슬러리 재생방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체/태양광 웨이퍼 제조시 발생하는 폐슬러리 재생에 관한 것으로, 특히 폐슬러리 절삭분에 포함된 미분(微粉) 상태의 실리콘(Si)을 재생하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 폐슬러리 재생방법은 적어도 미분상태의 절삭재와 미분 상태의 실리콘이 혼합되어 있는 폐슬러리에 비중 분리액을 혼합하는 혼합 단계와; 비중 분리액 혼합된 폐슬러리를 교반하는 교반 단계와; 상기 교반된 폐슬러리에서 적어도 절삭재, 미분 상태의 실리콘 및 비중 분리액이 서로 다른 비중 차에 의해 층 분리된 후 상대적으로 큰 비중치를 가지는 절삭재가 제거되도록 원심분리하는 원심분리 단계와; 상기 원심분리 단계에서 남아 있는 비중 분리액에서 미분 상태의 실리콘을 분리 추출하는 분리 추출단계;를 포함함을 특징으로 한다.

Description

폐슬러리 재생방법{METHOD FOR RECYCLING A WASTE SLURRY}

본 발명은 반도체 혹은 태양광 웨이퍼 제조시 발생하는 실리콘 폐슬러리 재생에 관한 것으로, 특히 폐슬러리 절삭분에 포함된 미분(微粉) 상태의 탄화규소 혹은 실리콘(Si)을 재생하는 방법에 관한 것이다.

반도체 집적회로나 태양전지의 제조에 이용되는 실리콘 웨이퍼는 실리콘 잉곳을 절삭(slicing)하는 과정에 의해 생산된다. 또한 절삭된 실리콘 웨이퍼는 표면의 평탄화를 위해 표면 연마과정을 거치기도 한다.

와이어 소잉(wire sawing) 공정이라 불리기도 하는 실리콘 잉곳의 절삭공정에는, 절삭재인 실리콘 카바이드(SiC)와 절삭유인 쿨란트(Coolant; 수용성 혹은 지용성의 절삭용 오일)를 혼합한 슬러리가 이용되고 있으며, 슬러리가 공급되는 상태에서 와이어 소우(wire saw)라고 하는 절삭장비를 이용하여 실리콘 잉곳을 절삭함으로써 실리콘 웨이퍼를 생산해 낼 수 있다. 참고적으로 절삭재의 재료로는 실리콘 카바이드(탄화규소) 이외에도 알루미나(산화 알미늄), 다이아몬드, 이산화규소 등이 사용될 수도 있다.

실리콘 잉곳의 절삭과정에서 사용되는 와이어 소우는 일정한 두께를 가지기기 때문에, 실리콘 잉곳의 상당량이 절삭과정 중에 절삭분(saw dust)으로 발생되는데, 실리콘 웨이퍼와 와이어 소우의 두께가 얇아질수록 더 많은 절삭분이 발생하게 된다.

예를 들어, 실리콘 웨이퍼의 두께가 0.1 mm 이고 와이어 소우의 두께가 0.1 mm라면, 실리콘 잉곳의 약 50 % 정도가 절삭분으로 발생될 것이다. 따라서, 실리콘 잉곳의 절삭과정이나 실리콘 웨이퍼의 표면 연마과정이 끝난 후의 폐슬러리 내에는 절삭재, 절삭유, 절삭분, 장비 등의 마모 미분 등이 포함된다.

이와 같이 실리콘 웨이퍼 제조시 발생하는 폐슬러리는 특수산업폐기물로 분류되는데, 폐슬러리를 단순히 소각하거나 매립하게 되면 심각한 대기오염과 토양오염을 가져오게 되므로, 폐슬러리의 처리에는 시멘트로 고형화하여 보관하거나 매립하는 방법이 적용되었다.

그러나, 위와 같이 시멘트로 고형화하는 방법을 사용하더라도, 보관공간이나 매립공간에는 제한이 있고, 자원의 낭비라는 측면이 있으므로 폐슬러리를 재활용하여 재생하기 위한 방안이 절실히 요구되는 바이다.

특히 실리콘 잉곳의 절삭과정에서는 많은 양의 실리콘 미분이 폐슬러리에 포함되어 있기 때문에 미분 상태의 실리콘(Si)을 얼마나 효율적으로 분리 재생하느냐가 자원 재활용 및 산업폐기물 처리 분야에서 주요 이슈가 되고 있다.

대한민국 공개특허공보 10-2006-0028191 대한민국 공개특허공보 10-2006-0059539 대한민국 등록특허공보 10-0776966

이에 본 발명은 상술한 필요성에 따라 안출된 것으로서, 본 발명의 주요 목적은 반도체 혹은 태양광 웨이퍼 제조시 발생하는 폐슬러리 절삭분에 포함된 미분(微粉) 상태의 실리콘(Si), 혹은 실리콘과 탄화규소를 효율적으로 분리 재생할 수 있는 방법을 제공함에 있으며,

더 나아가 본 발명의 또 다른 목적은 폐슬러리 절삭분에 포함된 미분 상태의 실리콘만을 효율적으로 분리 재생하되, 분리되는 실리콘의 비율을 극대화할 수 있는 폐슬러리 재생방법을 제공함에 있으며,

실리콘계 폐기물로부터 미분 상태의 실리콘을 회수하여 폐기물 처리 비용을 감소시키고 원가 절감에 의한 가격 경쟁력 확보에 이바지할 수 있는 폐슬러리 재생방법을 제공함에 있다.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 폐슬러리 재생방법은,

적어도 미분상태의 절삭재와 미분 상태의 실리콘이 혼합되어 있는 폐슬러리에 비중 분리액을 혼합하는 혼합 단계와;

비중 분리액 혼합된 폐슬러리를 교반하는 교반 단계와;

상기 교반된 폐슬러리에서 적어도 절삭재, 미분 상태의 실리콘 및 비중 분리액이 서로 다른 비중 차에 의해 층 분리된 후 상대적으로 큰 비중치를 가지는 절삭재가 제거되도록 원심분리하는 원심분리 단계와;

상기 원심분리 단계에서 남아 있는 비중 분리액에서 미분 상태의 실리콘을 분리 추출하는 분리 추출단계;를 포함함을 특징으로 한다.

상술한 폐슬러리 재생방법에서 상기 분리 추출단계는 남아 있는 상기 비중 분리액에서 미분 상태의 실리콘이 층 분리되도록 2차 원심분리하여 미분 상태의 실리콘만을 제거하는 2차 원심분리 단계일 수 있으며, 남아 있는 상기 비중 분리액에서 미분 상태의 실리콘만을 필터링하여 분리 추출할 수도 있다.

더 나아가 상술한 폐슬러리 재생방법에서 상기 비중 분리액은 원심분리시 절삭재인 탄화규소(SiC)와 실리콘 사이에 위치하여 층 분리될 수 있는 비중값을 가짐을 특징으로 하며,

더 나아가 상기 비중 분리액은 원심분리시 절삭재인 탄화규소(SiC)와 실리콘 사이에 위치하여 각각의 비중 차에 의해 탄화규소와 실리콘을 층 분리할 수 있는 소디움 폴리텅스테이트(sodium polytungstate)일 수 있다.

또한 상기 비중 분리액은 원심분리시 절삭재인 탄화규소(SiC)와 실리콘 사이에 위치하여 각각의 비중 차에 의해 탄화규소와 실리콘을 층 분리할 수 있는 비중치를 가지되, 그 비중치는 탄화규소의 비중치와 실리콘 비중치 사이의 값을 가짐을 특징으로 한다.

상술한 과제 해결 수단에 따르면, 본 발명은 실리콘 폐슬러리에 미분 상태의 절삭재와 실리콘을 층 분리할 수 있는 비중 분리액을 첨가하여 원심 분리함으로써, 층 분리된 미분 상태의 실리콘 뿐만 아니라 절삭재인 탄화규소까지 효율적으로 분리 재생할 수 있으며, 분리되는 실리콘의 비율을 극대화할 수 있는 이점이 있으며,

더 나아가 본 발명은 실리콘계 폐기물로부터 미분 상태의 실리콘을 효율적으로 회수 가능하여 폐기물 처리 비용을 감소시킴은 물론, 원가 절감에 의한 가격 경쟁력 확보에 이바지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 폐슬러리 용액으로부터 절삭재와 실리콘을 분리하는 일반적인 과정을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비중 분리액을 이용하여 폐슬러리로부터 미분 상태의 실리콘을 분리 추출하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 분리 추출 과정 예시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 비중 분리액에 의해 절삭재인 탄화규소(SiC)와 미분 상태인 실리콘의 층 분리 예시도.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 혹은 구성과 같은 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 폐슬러리 용액으로부터 절삭재와 실리콘을 분리하는 일반적인 과정을 설명하기 위한 도면을 도시한 것이다.

우선 실리콘 잉곳의 절삭공정이나, 실리콘 웨이퍼의 표면 연마공정에서 발생된 폐슬러리 용액에는 절삭재, 실리콘의 절삭분, 절삭유, 기타 절삭공정에서 발생하는 절삭재나 와이어 소우 등의 미분이 포함된다.

이러한 폐슬러리 용액에서 재생 가능한 실리콘 및 절삭재를 분리하기 위해 도시된 바와 같이 오일 세척 공정을 거친다. 이러한 오일 세척 공정을 통해 절삭유는 제거되며 이때 발생하는 폐수는 폐수처리 시스템에 보내어져 다시 재활용한다. 한편, 오일 세척 공정을 거친 폐슬러리는 실리콘 분리 공정을 통해 유효한 실리콘을 분리하여 재활용하게 되는데, 이때 실리콘 분리를 위해 2단계의 원심분리단계를 거치는 것이 일반적이다. 그리고 분리된 실리콘은 다시 건조공정을 통해 재활용된다.

실리콘 분리 공정에서 분리되는 실리콘은 입자의 크기가 큰 실리콘만이 분리되어 재활용되기 때문에, 입자가 큰 실리콘이 분리된 폐슬러리에는 여전히 미분 상태의 절삭재와 불순물 및 미분 상태의 실리콘이 다량 존재한다. 이에 본 발명에서는 폐슬러리에 존재하는 미분 상태의 실리콘을 추출하는데 초점을 맞춘다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비중 분리액을 이용하여 폐슬러리로부터 미분 상태의 실리콘을 분리 추출하는 과정을 설명하기 위한 폐슬러리 재생장치를 간략화한 도면이다.

도 2를 참조해 보면, 우선 적어도 미분상태의 절삭재 및 미분 상태의 실리콘이 혼합되어 있는 폐슬러리 용액이 탱크로리 또는 드럼(10)으로 입고되면 펌프(P)에 의해 저장탱크(20)로 이송된다. 와이어 소우의 장비와 재생 회수, 보관 기간, 외기 온도 등 회수 조건에 따라 절삭재 농도의 변화가 동반되므로, 이송된 폐슬러리 용액은 저장탱크(20)에서 균일하게 교반되는데, 이때 미분의 절삭재와 미분의 실리콘을 층 분리하기 위해 소디움 폴리텅스테이트(sodium polytungstate)와 같이 비중이 2.5 내지 3.1의 물질을 비중 분리액으로 혼합한 후 균일하게 교반한다.

참고적으로 절삭재인 탄화규소(SiC)의 비중은 약 3.2이며 실리콘의 비중은 2.4이기 때문에 이들 탄화규소(SiC)와 실리콘 비중치 사이의 비중값을 가지는 물질을 혼합하여 추후 원심분리하면 혼합액을 구성하는 물질의 비중 차에 의해 층 분리가 이루어질 수 있다. 즉, 비중 분리액은 원심분리시 절삭재인 탄화규소(SiC)와 실리콘 사이에 위치하여 각각의 비중 차에 의해 탄화규소와 실리콘을 층 분리할 수 있는 비중치를 가지되, 그 비중치는 탄화규소의 비중치(3.2)와 실리콘 비중치(2.4) 사이의 값을 가지는 것이 바람직하다.

비중 분리액을 혼합하여 교반할 경우 저장탱크(20)를 소정 온도로 가열하여 폐슬러리의 점도를 저하시킬 수도 있다. 가열된 폐슬러리는 이후 1차 원심분리기(30)로 유입된다. 1차 원심분리기(30)는 예를 들어 1200 내지 1500 rpm의 회전수로 운전되어 비중이 상대적으로 높은 탄화규소(SiC)와 미분의 실리콘을 포함하는 비중 분리액으로 분리한다.

분리된 탄화규소(SiC)는 저장탱크(40)로 이송되고, 미분의 실리콘을 포함하는 비중 분리액은 다른 저장탱크(50)로 이송된다. 저장탱크(50)는 1차 원심분리기(30)에서 원심 분리된 미분 상태의 실리콘이 포함된 비중 분리액을 가열하여 점도를 저하시키는 것이 바람직하다.

저장탱크(50)로 이송된 미분 상태의 실리콘이 포함된 비중 분리액은 반송라인(90)을 통해 2차 원심분리기(60)로 유입된다. 2차 원심분리기(60)는 2800rpm 이상의 고속으로 운전되면서 유입된 미분 상태의 실리콘 포함된 비중 분리액을 미분 상태의 실리콘과 비중 분리액으로 분리한다. 미분 상태의 실리콘에는 실리콘 성분인 절삭분이 대부분을 차지하며, 이러한 미분 상태의 실리콘은 2차 원심분리기(60)에서 분리 추출되어 건조 공정으로 이송되며, 액상의 비중 분리액은 저장탱크(70)로 이송된 후 다시 반송라인(90)을 통하여 2차 원심분리기(60)로 유입된다. 참고적으로 2차 원심분리기(60)에서 추출된 미분 상태의 절삭분에는 실리콘 함량이 70% 이상을 차지하기 때문에 폐슬러리에 포함되어 있는 미분 상태의 실리콘을 거의 재생할 수 있다.

본 실시예에서는 2차 원심분리기(60)에서 비중 분리액과 미분 상태의 실리콘이 분리 추출되는 것으로 설명하였으나, 또 다른 실시예로서 2차 원심분리기(60)가 아닌 필터링 시스템을 이용해 비중 분리액과 미분 상태의 실리콘을 분리할 수도 있을 것이다. 즉, 1차 원심분리기를 이용하여 절삭재를 분리 제거한 후, 남아 있는 비중 분리액에서 필터링 시스템을 이용해 미분 상태의 실리콘만을 분리 추출할 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 폐슬러리에 미분 상태의 절삭재와 실리콘을 층 분리할 수 있는 비중 분리액을 첨가하여 원심 분리함으로써, 1차적으로 절삭재를 분리하고 이어서 층 분리된 미분 상태의 실리콘을 효율적으로 분리 재생할 수 있으며, 분리되는 실리콘의 비율을 극대화할 수 있는 효과를 얻을 수 있게 되는 것이다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 분리 추출 과정을 설명하기 위한 폐슬러리 재생장치를 간략화한 도면이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 비중 분리액에 의해 절삭재인 탄화규소(SiC)와 미분 상태인 실리콘의 층 분리 상태를 예시한 것이다.

도 3을 우선 참조하면, 적어도 미분 상태의 절삭재와 미분 상태의 실리콘이 혼합되어 있는 폐슬러리와 비중 분리액을 교반탱크(100)에 넣어 비중 분리액이 혼합된 폐슬러리를 교반한다. 교반된 폐슬러리 용액(교반 혼합물을)을 펌프(P)를 이용해 침전조(110)로 이동시킨 후, 비중 차에 의해 층 분리가 이루어질 수 있도록 재차 교반한다. 물론 교반탱크(100)에서 1차 교반한 교반 혼합물을 침전조(110)로 이송시켜 바로 침전시킬 수도 있으나, 본 발명의 실시예에서는 침전조(110)에서 재차 교반 혼합물을 혼합해 주는 것을 예시하였다.

침전조(110)에서 재차 교반 혼합물을 혼합하여 침전시키면 혼합물을 구성하는 물질의 비중 차에 의해 층 분리가 일어난다. 예를 들면, 도 4에 도시한 바와 같이 비중이 3.2인 탄화규소(SiC)는 하층부에 위치하게 되며, 그 탄화규소(SiC)의 상층부에는 비중이 2.5 내지 3.1인 비중 분리액, 즉 소디움 폴리텅스테이트(sodium polytungstate)가 위치한다. 그리고 비중 분리액의 상층부에는 비중인 2.4인 미분 상태의 실리콘이 위치하게 된다. 만약 비중이 2.4인 실리콘 보다 작은 비중을 가지는 불순물이 더 포함되어 있다면 이는 곧 최상층부에 위치할 것이므로, 이러한 부유물은 펌프 등을 이용하여 용이하게 분리 제거할 수 있을 것이다.

도 4에 도시한 바와 같이 교반 혼합물에 혼합되어 있는 각 물질(탄화규소, 비중 분리액, 실리콘 등)의 비중 차에 의해 층 분리가 이루어지면 펌프(P) 등을 이용하여 최상층부, 최하층부에 위치하는 물질, 예를 들면 탄화규소, 미분 상태의 실리콘을 순차적으로 분리 추출한다. 침전조(110)에서 분리 추출된 미분 상태의 절삭분에는 실리콘 함량이 70% 이상을 차지하기 때문에 폐슬러리에 포함되어 있는 미분 상태의 실리콘을 거의 재생할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 또 다른 실시예에서도 폐슬러리에 미분 상태의 절삭재와 실리콘을 층 분리할 수 있는 비중 분리액을 첨가하여 교반 후 침전시킴으로써, 각각의 비중 차에 의해 혼합물이 서로 층 분리되어 미분 상태의 실리콘만을 효율적으로 분리 재생할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

이상 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예를 들면, 본 발명의 실시예에서는 비중 분리액으로써 소디움 폴리텅스테이트를 예시하였으나, 이에 국한되지 않고 절삭재인 탄화규소(SiC)와 실리콘 사이에 위치하여 두 물질을 분리할 수 있는 비중이 2.5 내지 3.1인 물질을 비중 분리액으로 사용할 수도 있을 것이다. 참고적으로 소디움 폴리텅스테이트는 파우더 형태로 제공됨으로써 물의 양을 조절하여 비중값을 필요에 따라 가변시켜 사용할 수도 있다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

1. 적어도 미분상태의 절삭재와 미분 상태의 실리콘이 혼합되어 있는 폐슬러리에 비중 분리액을 혼합하는 혼합 단계와;
   비중 분리액 혼합된 폐슬러리를 교반하는 교반 단계와;
   상기 교반된 폐슬러리에서 적어도 절삭재, 미분 상태의 실리콘 및 비중 분리액이 서로 다른 비중 차에 의해 층 분리된 후 상대적으로 큰 비중치를 가지는 절삭재가 제거되도록 원심분리하는 원심분리 단계와;
   상기 원심분리 단계에서 남아 있는 비중 분리액에서 미분 상태의 실리콘을 분리 추출하는 분리 추출단계;를 포함함을 특징으로 하는 폐슬러리 재생방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 분리 추출단계는,
   남아 있는 상기 비중 분리액에서 미분 상태의 실리콘이 층 분리되도록 2차 원심분리하여 미분 상태의 실리콘만을 제거하는 2차 원심분리 단계임을 특징으로 하는 폐슬러리 재생방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 분리 추출단계는,
   남아 있는 상기 비중 분리액에서 미분 상태의 실리콘을 필터링하여 분리 추출함을 특징으로 하는 폐슬러리 재생방법.
4. 청구항 1 내지 청구항 3중 어느 한 항에 있어서, 상기 비중 분리액은 원심분리시 절삭재인 탄화규소(SiC)와 실리콘 사이에 위치하여 층 분리될 수 있는 비중값을 가짐을 특징으로 하는 폐슬러리 재생방법.
5. 청구항 1 내지 청구항 3중 어느 한 항에 있어서, 상기 비중 분리액은 원심분리시 절삭재인 탄화규소(SiC)와 실리콘 사이에 위치하여 각각의 비중 차에 의해 탄화규소와 실리콘을 층 분리할 수 있는 소디움 폴리텅스테이트(sodium polytungstate)임을 특징으로 하는 폐슬러리 재생방법.
6. 청구항 1 내지 청구항 3중 어느 한 항에 있어서, 상기 비중 분리액은 원심분리시 절삭재인 탄화규소(SiC)와 실리콘 사이에 위치하여 각각의 비중 차에 의해 탄화규소와 실리콘을 층 분리할 수 있는 비중치를 가지되, 그 비중치는 탄화규소의 비중치와 실리콘 비중치 사이의 값을 가짐을 특징으로 하는 폐슬러리 재생방법.

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