KR20180072142A - 다이아몬드 연마재의 재생방법 및 이의 방법으로 얻어지는 재생 다이아몬드 연마재 - Google Patents

다이아몬드 연마재의 재생방법 및 이의 방법으로 얻어지는 재생 다이아몬드 연마재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다이아몬드 연마재의 재생방법 및 이의 방법으로 얻어지는 재생 다이아몬드 연마재에 관한 것으로, 본 발명에 따른 다이아몬드 연마재의 재생방법은 폐 다이아몬드 연마재 슬러리를 회수하는 단계; 상기 폐 다이아몬드 연마재 슬러리에 톨루엔을 혼합하여 유분을 제거하는 단계; 상기 폐 슬러리에 산성용액을 혼합하여 금속을 제거하는 단계; 상기 폐 슬러리에 알칼리 용액을 투입하고, 고온고압을 가하여 사파이어를 제거하는 단계; 및 상기 폐 슬러리에서 습기를 제거하여 재생 다이아몬드를 얻는 단계;를 포함한다.

Description

다이아몬드 연마재의 재생방법 및 이의 방법으로 얻어지는 재생 다이아몬드 연마재{Method for recycling diamond abrasive and diamond abrasive recycled by using the same}
본 발명은 다이아몬드 연마재의 재생방법 및 이의 방법으로 얻어지는 재생 다이아몬드 연마재에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 우수한 회수율 및 고순도의 재생 다이아몬드 연마재를 얻을 수 있는 다이아몬드 연마재의 재생방법 및 이의 방법으로 얻어지는 재생 다이아몬드 연마재에 관한 것이다.
유리 광학 소자나 유리 기판, 반도체 디바이스를 제조 공정에서 정밀 연마하는 연마재로서 산화세륨을 주성분으로 하며, 산화란탄, 산화네오디뮴, 산화프라세오디뮴 등이 첨가된 희토류 원소 산화물이 사용되고 있다. 이 밖의 연마재로는 다이아몬드, 산화철, 산화알루미늄(알루미나라고도 함), 산화지르코늄(지르코니아라고도 함), 콜로이달 실리카 등이 사용되고 있다.
일반적으로 연마재의 주 구성원소 중에는 국내에서는 산출되지 않는 광물로부터 얻어지는 것도 있고, 대부분 수입에 의존하고 있으며, 재료 가격도 고가인 것이 많다.
사용 완료된 연마재를 포함하는 폐액에는 연마 공정에서 다량으로 발생하는 피연마 성분, 예를 들어 광학 유리 부스러기 등이 혼입되어 있다. 통상, 이 폐액에 포함되는 연마재 성분과 피연마 성분을 효율적으로 분리하는 것이 곤란하여 대부분의 연마재 폐액은 사용 후에 폐기되고 있으며, 폐기 비용이 소비되고 있다.
따라서 연마재의 주 구성원소를 효율적으로 회수 및 재이용하여, 자원 절약을 도모하는 것이 중요한 과제로 떠오르고 있다.
연마재 성분의 회수 방법으로 일본특허공개 제2000-254659호는 콜로이달 실리카계의 연마재 폐액에 대하여 마그네슘 이온의 존재하에서 알칼리를 첨가하여 pH 값을 10 이상으로 조정하는 것에 의하여 응집 처리를 행함으로써, 연마재를 회수하는 방법이 개시되어 있다.
한국공개특허 제2015-0030710호는 사용 완료된 연마재를 포함하는 연마재 슬러리를 회수하는 슬러리 회수 공정, 회수된 연마재 슬러리의 pH가 7 내지 10으로 되도록 pH를 조정하는 공정, pH 조정이 이루어진 연마재 슬러리에 대하여, 무기염으로서 알칼리 토금속 원소를 포함하는 금속염을 첨가하여 연마재를 응집시키고, 연마재를 모액으로부터 분리하여 농축하는 공정, 분리되어 농축된 연마재를 고액 분리하여 회수하는 연마재 회수 공정을 거쳐 연마재를 재생한다.
일본공개특허 제2000-254659호 한국공개특허 제2015-0030710호
본 발명의 일 실시형태의 목적은 우수한 회수율 및 고순도의 재생 다이아몬드 연마재를 얻을 수 있는 다이아몬드 연마재의 재생방법 및 이의 방법으로 얻어지는 재생 다이아몬드 연마재를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태는 폐 다이아몬드 연마재 슬러리를 회수하는 단계; 상기 폐 다이아몬드 연마재 슬러리에 톨루엔을 혼합하여 유분을 제거하는 단계; 상기 폐 슬러리에 산성용액을 혼합하여 금속을 제거하는 단계; 상기 폐 슬러리에 알칼리 용액을 투입하고, 고온고압을 가하여 사파이어를 제거하는 단계; 및 상기 폐 슬러리에서 습기를 제거하여 재생 다이아몬드를 얻는 단계;를 포함하는 다이아몬드 연마재의 재생방법을 제공한다.
상기 유분제거 단계는 초음파 인가 및 교반을 통하여 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 유분제거 단계에서 상기 톨루엔의 혼합량은 상기 폐 슬러리의 침전물 100 중량부에 대하여 200 내지 600 중량부인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 유분제거 단계에서 상기 폐 슬러리의 침전물 100 중량부에 대하여 알칼리 세정제 0.1 내지 20 중량부를 추가로 혼합하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 금속제거 단계에서 상기 산성용액은 상기 폐 슬러리 100 중량부에 대하여 300 내지 500 중량부가 혼합되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 금속제거단계에서 상기 산성용액과 함께 과산화수소 및 물을 추가로 혼합하며, 상기 산성용액과 과산화수소 및 물의 중량비는 1:0.8 내지 1.2 : 1.5 내지 2.5인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 사파이어 제거 단계는 3.5 내지 20 bar의 압력 및 120 내지 250℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 사파이어 제거 단계에서 pH를 12 이상으로 유지하여 수세 공정을 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태는 상기의 재생 방법으로 얻어지는 재생 다이아몬드 연마재를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 다이아몬드 연마재의 재생방법은 다이아몬드 연마재의 폐 슬러리 내에 혼합되어 있는 비중이 비슷한 폴리 다이아몬드와 사파이어 입자를 효과적으로 분리하여 높은 회수율을 나타낼 수 있으며, 이에 의하여 얻어지는 재생 다이아몬드의 순도를 높이고 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 사파이어 웨이퍼의 다이아몬드 폴리싱 공정 후 지정폐기물로 처리되는 폐 슬러리를 재생하여 고가의 광물인 다이아몬드로 재생할 수 있어 재생 다이아몬드 연마재를 얻을 수 있다. 이에 따라, 폐 다이아몬드 연마재 슬러리의 처리 비용을 줄일 수 있으며, 환경오염을 방지함과 동시에 자원을 절약할 수 있다.
또한, 사파이어 웨이퍼 가공은 IT 분야에서 대량으로 이뤄지고 있는데, 이때 발생하는 대량의 폐 슬러리를 재활용함으로써, 점차 강화되고 있는 국내외 환경규제 및 자원 무기화에 적극 대응할 수 있으며, 관련 산업의 경쟁력 강화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 다이아몬드 연마재 재생방법의 공정 흐름을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 다이아몬드 연마재의 재생 공정 전의 폐 다이아몬드 연마재의 XRD 분석 그래프(a) 및 재생 공정 후의 재생 다이아몬드 연마재의 XRD 분석 그래프(b)이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 다이아몬드 연마재의 재생 공정 전의 폐 다이아몬드 연마재의 SEM 사진(a) 및 재생 공정 후의 재생 다이아몬드 연마재의 SEM 사진(b)이다.
이하, 본원의 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시형태를 들어 상세히 설명한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 명세서 전체에서, 어떤 단계가 다른 단계와 “상에”또는 “전에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 단계가 다른 단계와 직접적 시계열적인 관계에 있는 경우 뿐만 아니라, 각 단계 후의 혼합하는 단계와 같이 두 단계의 순서에 시계열적 순서가 바뀔 수 있는 간접적 시계열적 관계에 있는 경우와 동일한 권리를 포함할 수 있다.
본 발명의 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 용어 “~ (하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본 발명은 다이아몬드 연마재의 재생방법 및 이의 제조방법으로 재생된 재생다이아몬드 연마재에 관한 것으로, 본 발명에 따른 다이아몬드 연마재의 재생방법은 폐 다이아몬드 연마재 슬러리를 회수하는 단계; 상기 폐 다이아몬드 연마재 슬러리에 톨루엔을 혼합하여 유분을 제거하는 단계; 상기 폐 슬러리에 산성용액을 혼합하여 금속을 제거하는 단계; 상기 폐 슬러리에 알칼리 용액을 투입하고, 고온고압을 가하여 사파이어를 제거하는 단계; 및 상기 폐 슬러리에서 습기를 제거하여 재생 다이아몬드를 얻는 단계;를 포함한다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 다이아몬드 연마재의 재생방법은 회수율이 높으며, 고순도의 재생 다이아몬드 연마재를 얻을 수 있다.
다이아몬드는 일반적으로 우리가 알고 있는 가장 단단한 물질로써 가격이 매우 비싸지만, 사파이어, 초경재료, 세라믹 소재 등과 같은 경도가 높은 소재를 연마하거나 절단하는데 널리 사용되고 있다.
다이아몬드 연마재의 입자형상 및 구조는 활용 분야에 따라 특성을 달리하는데, 단결정 다이아몬드는 강도가 매우 강하며 내충격성이 좋고, 폴리 다이아몬드는 잘 부서지는 경향이 있다. 폴리 다이아몬드는 연마하는 동안 부서지는 현상을 통해 새로운 절삭 날이 생기고, 이에 따라 연삭 성능이 향상되어 좋은 표면 거칠기 특성을 얻을 수 있다.
현재 사파이어 웨이퍼의 연마공정에 주로 사용되는 폴리 다이아몬드 연마재는 보통 평균 입경 4㎛ 크기로 가공되며, 물, 분산제, 및 기름성분과 함께 혼합액 형태로 연마공정에 사용된다. 일반적으로 사파이어 웨이퍼의 연마공정은 구리 소재로 된 정반 상에서 수행되며, 연마 후 갈려나온 사파이어 및 구리 등과 함께 슬러리 형태로 배출된다.
배출된 폐 슬러리 내에는 마찰열을 줄이기 위해 첨가되었던 기름성분으로 인해 지정폐기물로 분류되어 전문 처리업체에게 비용을 지불하고 전량 폐기처분되고 있는데, 본 발명은 이러한 폐 슬러리를 재생하여 재생 다이아몬드 연마재를 얻는 방법을 개시한다.
폴리 다이아몬드 연마재의 폐 슬러리에는 비중이 비슷한 폴리 다이아몬드와 사파이어 입자가 혼합되어 있기 때문에 이들을 효과적으로 분리하기 위한 기술이 요구되는데, 본 발명은 산성용액 및 알칼리 용액을 이용하여 이들을 효과적으로 분리하여 높은 회수율을 나타내며, 재생 다이아몬드의 순도를 높이고 있다. 또한, 폐슬러리의 처리 비용을 줄일 수 있으며, 환경오염을 방지함과 동시에 자원을 절약할 수 있다.
현재 국내에서 사용되고 있는 폴리 다이아몬드 연마재는 전량 수입에 의존하고 있는데, IT 기술의 발달에 따라 사파이어 소재의 산업적 활용범위가 확대됨에 따라 연마재 수요가 급속도로 증가하고 있는 상황에서 본 발명의 활용성을 보다 커질 것으로 기대된다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 다이아몬드 연마재의 재생방법을 각 단계별로 구체적으로 설명한다. 이에 의하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 재생 다이아몬드 연마재는 보다 명확하게 이해되고 특정될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 다이아몬드 연마재 재생방법의 공정 흐름을 나타내는 블록도이다.
우선, 폐 다이아몬드 연마재 슬러리(이하, ‘폐 슬러리’라고도 함)를 회수할 수 있다(S1).
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 사파이어 웨이퍼의 연마에 사용된 폐 다이아몬드 연마재 슬러리를 회수할 수 있다.
상기 폐 다이아몬드 연마재 슬러리에는 연마재 성분으로 사용된 폴리 다이아몬드, 물, 분산제 및 기름성분과 연마시 갈려나온 사파이어 및 구리 등과 함께 다양한 불순물이 포함되어 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 폐 슬러리에서 여액을 버리고, 침전물만 분리하여 추후 공정을 실행할 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면, 상기 폐 슬러리를 소정 시간 침전시켜 여액을 분리하여 침전물을 회수할 수 있다. 또한, 필러 프레스를 이용하여 폐 슬러리에서 여액을 제거하고 침전물을 회수할 수 있다.
다음으로, 폐 다이아몬드 연마재 슬러리에 톨루엔을 혼합하여 유분을 제거하는 단계를 수행할 수 있다(S2).
상기 폐 슬러리에 톨루엔을 투입하면 침전물에 응집된 입자 성분을 분산시켜 원활한 분리가 일어나도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 폐 슬러리에서 여액을 제거하고, 침전물을 사용할 수 있으며, 상기 폐 슬러리에서 분리된 침전물을 세정 수조에 넣고, 침전물의 중량에 비례하여 톨루엔을 투입할 수 있다.
상기 톨루엔의 혼합량은 상기 침전물 100 중량부에 대하여 200 내지 600 중량부일 수 있다. 상기 톨루엔의 함량이 200 중량부 미만이면 유분의 제거가 원활하지 않아 회수율이 저하될 우려가 있고, 고순도의 다이아몬드 연마재를 얻기 어려울 수 있다. 또한, 상기 톨루엔의 함량이 600 중량부를 초과한다고 해도 유분의 제거율 상승에 기여하지 않으며, 그대로 배출되게 된다.
본 발명에 따른 실험결과 다른 유기 용매에 비하여 톨루엔을 사용하는 경우 보다 효과적으로 유분을 제거할 수 있었다. 보다 구체적으로, 에탄올, 아세톤 등의 유기 용매와 비교하여, 톨루엔은 빠른 시간 내에 유분을 제거하였으며, 톨루엔으로 세정한 후 침전물 내 유분 함량이 가장 낮았다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 본 유분 제거단계에서 상기 톨루엔과 함께 알칼리 세정제를 투입할 수 있다. 본 발명에서 사용할 수 있는 알칼리 세정제는 특별히 제한되지 않으며, 일반적으로 유분을 제거하는데 사용되는 알칼리 세정제를 사용할 수 있다. 상기 알칼리 세정제의 혼합량은 상기 침전물 100 중량부에 대하여 0.1 내지 20 중량부일 수 있다. 상기 알칼리 세정제의 함량이 0.1 중량부 미만이면 입자의 분산이 저해될 우려가 있고, 20 중량부를 초과하면 세척시 어려움이 있을 수 있고, 재생 다이아몬드의 순도를 떨어뜨릴 우려가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따르면 상기 폐 슬러리에 톨루엔 또는 톨루엔 및 알칼리 세정제를 투입한 후 초음파를 인가하면서 교반할 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 교반은 임펠러 교반기를 사용할 수 있다.
이러한 교반 단계를 통하여 보다 용이하게 유분을 제거할 수 있으며, 폐 슬러리에 포함되어 있던 기름성분이 제거되어 입자 간 뭉침 현상을 방지하고 원활한 분리가 일어나도록 할 수 있다.
또한, 상기 폐 슬러리에 50 내지 80℃의 열을 가면서 30분 내지 1시간 동안 교반 공정을 수행할 수 있다.
교반 공정 후에 여액을 분리하고, 자연건조시키거나, 필터 프레스로 여액을 제거하여 다음 공정을 수행할 수 있다.
다음으로, 상기 폐 슬러리에 산성용액을 혼합하여 금속을 제거할 수 있다(S3).
본 단계에서는 폐 슬러리에 포함되어 있는 구리 등 기타 금속광물을 산성용액에 녹여 제거할 수 있다.
이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면 상기 산성용액으로 HCl, HNO3, H2SO4 등를 사용할 수 있다.
상기 산성용액은 폐 슬러리 100 중량부에 대하여 300 내지 500 중량부를 혼합할 수 있다. 상기 산성용액의 함량이 300 중량부 미만이면 금속의 제거율이 저하될 우려가 있고, 500 중량부를 초과하면 공정이 위험해 질 수 있으며, 반응되지 않고 남은 산성용액을 제거하는 추가공정이 필요해질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 산성 용액과 함께 과산화수소 및 물을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 산성용액, 과산화수소수 및 물의 중량비는 1:0.8 내지 1.2: 1.5 내지 2.5의 비율로 투입할 수 있다.
상기 과산화수소의 비율이 0.8 미만이면 금속의 제거율이 저하될 우려가 있고, 1.2를 초과하면 금속 제거 반응의 효율성이 저하될 수 있다.
상기 물은 산성용액과 금속 광물의 반응 속도를 조절하기 위하여 첨가되는 것으로, 물의 비율이 1.5 미만이면 급격한 산화-환원반응으로 인하여 발열 및 버블이 많이 발생하여 공정의 위험성이 증가될 수 있고, 물의 비율이 2.5를 초과하면 금속제거 반응의 속도가 저하되어 공정의 효율성이 저하될 우려가 있다.
폐 슬러리 내에는 구리, 철, 알루미늄 등 다양한 금속 물질이 포함되어 있는데, 그 중 가장 많은 함량을 차지하고 있는 구리를 제거하는 것을 주된 목적으로 하며, 구리 제거 메카니즘을 다음과 같다.
순수 구리는 쉽게 산화되지 않기 때문에 과산화수소를 첨가하여 구리를 산화구리로 만들어 산성용액과 잘 반응하도록 할 수 있다. 이러한 반응을 다음과 같이 표현될 수 있다. 과산화수소는 구리를 산화구리로 만들고, 염산은 산화구리와 반응하여 염화구리를 만들 수 있다.
1차 반응 : 2Cu + H2O2 → Cu2O + H2O
2차 반응 : Cu2O + H2O2 → 2CuO + H2O
3차 반응 : 2CuO + 4HCl → 2CuCl2 + H2O
구체적으로 언급하지 않았으나, 본 공정에서는 구리 이외에 다른 금속도 제거될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 금속 제거 단계가 수행되는 산성 반응조의 온도는 30 내지 80℃로 유지하고, 임펠러를 이용하여 30분 내지 1시간 동안 교반하여 금속제거 단계를 수행할 수 있다.
교반이 완료된 후 원심 분리 등에 의하여 용액을 분리하여 제거하고 다음 공정을 수행할 수 있다.
다음으로, 폐 슬러리에 알칼리 용액을 투입한 후 고온고압을 가하여 사파이어를 제거하는 공정을 수행할 수 있다(S4).
상기 금속 제거 공정을 거친 폐 슬러리에 알칼리 용액을 투입하고, 고온고압을 가하여 사파이어를 제거할 수 있다.
폐 다이아몬드 연마재 슬러리에는 비중이 비슷한 폴리 다이아몬드 및 갈려져 나온 사파이어 입자가 혼합되어 있어 이들을 분리하기 어려우나, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 유분 제거 단계 및 금속 제거 단계를 통하여 입자가 충분히 분산되어 있어 본 공정에서 사파이어 입자를 용이하게 분리할 수 있다.
또한, 본 단계에서 상기 폐 슬러리에 포함되어 있는 사파이어 입자(Al2O3) 이외의 기타 금속산화물을 알칼리 용액에 녹여 제거할 수 있다.
이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들면 알칼리 용액은 NaOH를 사용할 수 있다. 상기 알칼리 용액은 3M 내지 10M 농도의 것을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 실험에 의하면, 상기 범위의 농도에서 사파이어가 가장 효율적으로 제거되었다.
또한, 상기 알칼리 용액의 함량은 폐 슬러리 100 중량부에 대하여 2000 내지 3500 중량부를 사용할 수 있다. 상기 알칼리 용액의 함량이 2000 중량부 미만이면 사파이어 제거율이 저하될 수 있으며, 3500 중량부를 초과하는 경우 공정의 효율성이 저하될 우려가 있다.
반응기의 압력은 3.5 내지 20 bar일 수 있고, 반응온도는 120 내지 250℃, 반응시간은 1 내지 3시간일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 임펠러를 이용하여 교반하면서 사파이어를 제거 단계를 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 고온고압반응은 2회 이상 반복적으로 실시될 수 있다. 또한, 수세 공정시 1차 세정수의 pH를 12 이상으로 유지하여 수산화알루미늄(Al(OH)3)의 석출을 방지할 수 있다. 이에 따라 재생 다이아몬드 연마재의 순도를 높일 수 있다.
상기 고온고압 반응이 완료되면, 원심 분리 등에 의하여 용액을 분리하여 제거하고, 다음 공정을 수행할 수 있다.
다음으로, 폐 슬러리에서 습기를 제거하여 재생 다이아몬드를 얻을 수 있다.
상기 사파이어 제거 단계를 거친 후 상기 폐 슬러리는 고상의 침전물 형태일 수 있다. 상기 고상의 침전물에서 습기를 제거하여 재생 다이아몬드를 얻을 수 있다. 본 습기제거단계에서 고상의 침전물에서 잔여 수분을 제거하여 다이아몬드 입자의 선별효율을 높일 수 있다.
습기를 제거하는 방법은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면, 건조 오븐을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 습기제거 단계 이후에 얻어진 재생 다이아몬드는 입도 선별 단계를 거쳐 입자의 크기에 따라 분리될 수 있다(S6).
분리된 입자는 폴리싱 공정에 사용되는 다이아몬드 연마재로 재사용할 수 있으며, 재생 다이아몬드 연마재를 입자 크기별로 분리하여 재생 다이아몬드 연마재의 활용성을 높일 수 있다.
본 발명에 따르면, 사파이어 웨이퍼의 다이아몬드 폴리싱 공정 후 지정폐기물로 처리되는 폐 슬러리를 재생하여 고가의 광물인 다이아몬드로 재생할 수 있어 자원낭비 및 환경오염을 줄일 수 있다.
사파이어 웨이퍼 가공은 IT 분야에서 대량으로 이뤄지고 있는데, 이때 발생하는 대량의 폐 슬러리를 재활용함으로써, 점차 강화되고 있는 국내외 환경규제 및 자원 무기화에 적극대응할 수 있으며, 관련 산업의 경쟁력 강화에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따라 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하나, 이들이 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
[실시예]
유분제거단계
폐 다이아몬드 연마재 슬러리를 8㎛ 공극의 필터를 사용하여 7kg/㎡G 펌프압으로 필터 프레스 하였다. 여액이 제거되어 얻어진 폐 슬러리를 세정조에 넣고, 톨루엔을 투입하였다.
유기 용매에 따른 유분제거 효율을 비교하기 위하여, 상기와 같은 폐 슬러리에 각각 에탄올, 아세톤 및 톨루엔으로 세정한 후 세정 횟수에 따른 유분의 함량을 측정하였으며, 이의 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

 유분함량(%)
에탄올 아세톤 톨루엔
1차 세정 8.9 6.5 3.9
2차 세정 4.2 3.5 0.2
상기 표 1을 참조하면, 2번의 세정 공정을 수행했지만, 에탄올 및 아세톤의 경우 톨루엔과 비교하여 유분을 녹이는데 시간이 더 많이 소요되었으며, 2차 세정 후에 유분의 함량이 에탄올 4.2%, 아세톤 3.5%로 측정되었다. 반면, 톨루엔은 유분을 효과적으로 녹였으며, 2차 세정 후에 유분의 함량이 0.2%로 측정되어, 유분 제거에 톨루엔이 가장 효과적인 것으로 확인되었다.
금속제거단계
1) 산성 용액의 농도에 따른 구리 제거 효율
유분 제거 단계를 거처 회수된 폐 슬러리 4g을 정밀저울로 계량하고, HCl의 사용량을 각각 5㎖, 10㎖, 15㎖로 달리하여 산성용액을 준비한 후 계량한 폐 슬러리와 산화-환원 반응을 실시하였다. 효과적인 반응을 위하여 핫 플레이트(Hot Plate) 온도를 50℃로 유지하고 교반하면서 1시간 동안 반응시켰다.
산화반응 초기 색깔은 구리성분의 영향으로 갈색을 띄지만, 반응이 완료된 이후 염화구리 용액이 생성되면서 녹색으로 변하였다. 염산의 사용량에 따른 산화-환원 반응 결과를 분석한 결과를 하기 표 2에 나타냈으며, 15㎖ 이상 염산을 투입할 경우 연마 슬러리 내 구리의 함량을 1% 이하로 제거 가능함을 확인하였다.
HCl 사용량(㎖) Cu 함량(wt%)
5 3.03
10 1.458
15 0.919
2) 금속 제거 공정
상기의 실험결과를 토대로, HCl:H2O2:H2O 비를 1:1:2로 하고, 산성용액 중 염산의 양을 4,000㎖로 하고 폐 슬러리 1kg을 사용하였다.
갈색이던 슬러리가 산화-환원 반응 후 구리성분이 제거되고 회색으로 변함을 확인하였고, 폐 슬러리의 성분 분석을 한국세라믹 기술원에 의뢰하였고, 그 결과는 하기 표 3과 같았다. 분석 결과 구리의 경우 0.62%의 함량을 보여 대부분이 제거되었음을 알 수 있었다.
분석항목 함량(%)
Na2O 0.16
MgO 0.05
K2O 0.12
CaO 0.07
Fe2O3 0.10
Al2O3+Al(OH)2 48.4
TiO2 0.03
ZrO2 0.01
CuO 0.62
Cr2O3 0.01
La2O3 0.04
CeO2 0.26
WO2 0.05
S 0.16
SiC 1.62
Free-C 41.7
Free-SiO 6.87
N 0.05
* 실험방법: KS E 3806
*시험환경: 25±3℃, 습도 45±5% R.H.
사파이어제거단계
상기 금속제거단계를 거처 회수된 폐 슬러리에 있는 사파이어(Al2O3)를 제거하기 위하여 NaOH 10M을 폐 슬러리 중량의 30배(반응용기 1ℓ 기준 750㎖ 투입)를 반응조에 투입하고, 4 bar의 압력, 반응 온도 150℃에서 3시간 동안 반응시켰다. 이 반응을 2회 반복하여 실시하고 수세 공정시 1차 세정수의 pH 농도를 12 이상으로 유지하여 수산화알루미늄(Al(OH)3)의 석출을 방지하였다.
상기 공정 후 얻어진 폐 슬러리 내 Al2O3의 함량을 분석하기 위하여, 한국세라믹기술원에 의뢰하였으며, 결과는 하기 표 4와 같았다.
분석항목 함량(%)
Al2O3 0.41
* 실험방법: KS E 3806
*시험환경: 21±1℃, 습도 37±3% R.H.
습기제거단계
사파이어 제거단계를 거쳐 얻어진 폐 슬러리를 건조 오븐에 넣고, 100 내지 150℃의 고온에서 건조하여 수분이 완전히 제거된 고상 상태의 재생 다이아몬드를 얻었다.
입도선별단계
습기제거단계를 통해 습기가 제거된 고상 상태의 다이아몬드를 분급 단계를 통하여 입자 크기에 따라 선별하였다. 선별된 재생 다이아몬드 연마재를 사용하여 사파이어 웨이퍼를 연마한 후 표면 조도를 측정하였다. 이의 결과를 하기에 기재하였다.
[평가]
본 발명의 일 실시형태에 따른 다이아몬드 연마재의 재생방법의 회수율, 얻어진 재생 다이아몬드 연마재의 순도 및 이를 사용하여 연마된 사파이어 웨이퍼의 표면조도를 측정하였다.
1) 회수율
한국세라믹기술원에 의뢰하여 본 발명에 따른 다이아몬드 연마재의 재생방법의 회수율을 산정하였고, 이의 결과를 하기 표 5에 기재하였다.
시험항목 폐 연마재 슬러리 재생 연마재 결과
무게 다이아몬드 함량 무게 다이아몬드 함량
회수율 20g 41.4% 4.2886g 99.2% 51.38%
* 실험방법 : KS E 3806
*시험환경: 21±1℃, 습도 37±3% R.H.
* 회수율 산식 = (재생연마재 무게×재생연마재 다이아몬드 함량/폐연마재 무게×폐연마재 다이아몬드 함량)×100
2) 재생 다이아몬드 연마재의 순도 분석
한국세라믹기술원에 의뢰하여 본 발명에 따라 얻어진 재생 다이아몬드의 순도를 분석하였고, 이의 결과를 하기 표 6에 기재하였다.
분석항목 결과(%)
재생 다이아몬드 순도 99.2
*실험방법 : KS E 3806
*시험환경: 21±1℃, 습도 37±3% R.H.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따라 얻어진 재생 다이아몬드 연마재의 특성을 분석하기 위하여 XRD 분석 및 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지를 촬영하였다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 다이아몬드 연마재의 재생 공정 전의 폐 다이아몬드 연마재의 XRD 분석 그래프(a) 및 재생 공정 후의 재생 다이아몬드 연마재의 XRD 분석 그래프(b)이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 다이아몬드 연마재의 재생 공정 전의 폐 다이아몬드 연마재의 SEM 사진(a) 및 재생 공정 후의 재생 다이아몬드 연마재의 SEM 사진(b)이다.
도 2를 참조하면, 재생 공정 전에는 다량의 불순물로 인해 여러 개의 피크가 관찰되었으나, 재생 공정 후에는 폴리 다이아몬드의 피크가 뚜렷하게 관찰되었다.
또한, 도 3을 참조하면, 재생 공정 전에는 슬러리 내 입자가 엉겨 있으나, 재생 공정 후에는 다른 입자는 거의 관찰되지 않았으며, 폴리 다이아몬드 입자가 잘 분리되어 있음을 뚜렷하게 관찰할 수 있었다.
이상, 구현예 및 실시예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 구현예들에 한정되지 않으며, 여러 가지 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함이 명백하다. 또한, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. 폐 다이아몬드 연마재 슬러리를 회수하는 단계;
    상기 폐 다이아몬드 연마재 슬러리에 톨루엔을 혼합하여 유분을 제거하는 단계;
    상기 폐 슬러리에 산성용액을 혼합하여 금속을 제거하는 단계;
    상기 폐 슬러리에 알칼리 용액을 투입하고, 고온고압을 가하여 사파이어를 제거하는 단계; 및
    상기 폐 슬러리에서 습기를 제거하여 재생 다이아몬드를 얻는 단계;를 포함하는 다이아몬드 연마재의 재생방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유분제거 단계는 초음파 인가 및 교반을 통하여 수행되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 연마재의 재생방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유분제거 단계에서 상기 톨루엔의 혼합량은 상기 폐 슬러리의 침전물 100 중량부에 대하여 200 내지 600 중량부인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 연마재의 재생방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유분제거 단계에서 상기 폐 슬러리의 침전물 100 중량부에 대하여 알칼리 세정제 0.1 내지 20 중량부를 추가로 혼합하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 연마재의 재생방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속제거 단계에서 상기 산성용액은 상기 폐 슬러리 100 중량부에 대하여 300 내지 500 중량부가 혼합되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 연마재의 재생방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속제거단계에서 상기 산성용액과 함께 과산화수소 및 물을 추가로 혼합하며, 상기 산성용액, 과산화수소 및 물의 중량비는 1:0.8 내지 1.2 : 1.5 내지 2.5인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 연마재의 재생방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 사파이어 제거 단계는 3.5 내지 20 bar의 압력 및 120 내지 250℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 연마재의 재생방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 사파이어 제거 단계에서 pH를 12 이상으로 유지하여 수세 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 연마재의 재생방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 방법으로 얻어지는 재생 다이아몬드 연마재.
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