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문제 정의
- 그러므로 본 연구에서는 lab scale 기초 실험을 하여 수은/형광체 혼합 분말의 회수 공정 최적화를 위한 기초 실험 data를 수집하였다. 이 과정에서 문헌 조사도 병행하여 LCD 기종별로 내장된 CCFL의 수량과 크기, LCD 패널 내 CCFL의 배치 및 배열 상태, CCFL내의 형광체 성분과 수은 함량 등을 알아보았다.
제안 방법
- 2.1.1의 절차에 준하여 분리한 CCFL을 “위험물: 수은 함유 CCFL 형광등”이라고 기재한 수납 용기에 넣고 수납날짜와 시간을 기록하여 가능한 한 24시간 이내에 처분하도록 하였다.
- 2.1.1절에서 기술한 절차에 따라 분리된 CCFL에서 전극 부위를 절단해 내는 작업을 Fig. 1의 CCFL 무해화 처리 시스템 안에서 실시하였다. 먼저 2.
- 이러한 문헌 조사 결과를 종합해 볼 때 pilot-scale CCFL 처리 시스템 설계 시 500℃ 정도의 온도에서 건식 처리하는 방식을 적용하면 향후 다양한 공정 변수를 채택할 수 있으므로 정당화 될 수 있음을 알 수 있다. 그러므로 본 연구에서 해체/분리된 CCFL로부터 형광 물질을 분리하기 위하여 고온 air-jet 방식을 도입하였으며 이를 위한 air-jet 노즐, 펌프, CCFL 장착 지그, 필터 등의 구성부위를 갖는 장치를 설계, 제작하여 CCFL의 무해화 처리 성능을 평가하였다.
- 4의 조건으로 잔류 수은을 제거하였다. 금속 수은의 원자량은 22.59이고 비중은 13.56 g/cm3, 융점은 38.87℃, 비등점은 356.58℃로 이러한 특성을 고려하여 550℃에서 열처리한 다음 활성탄 포집을 실시하였다. 산화물 형태의 수은은 수용성이므로 습식 탈황 설비나 스크러버 등에서 90%이상 제거 가능하지만 원소 수은의 경우 비수용성이고 증기상으로 존재하므로 활성탄을 사용해서 제거할 필요가 있었다.
- 길이가 각각 743, 904 mm되는 CCFL을 참고문헌 1에서 제시한 방법을 적용하여 SiC 유리 절단기를 써서 절단 후 튜브의 분말 성분을 제거하였다. 이 과정을 반복하여 CCFL에 존재하는 형광체/수은 혼합 분말을 얻을 수 있었다.
- 이때 밀폐 상태를 유지하면서 유리관과 전극부, 수은/형광체 혼합 분말로 분리시켰는데 유리관 끝의 전극부 제거와 유리관의 절단을 위해서 커팅부 유리관 블록을 설계/제작하였다. 또한 다양한 형상의 CCFL 전극부의 절단을 위해서 절단 블록의 형태를 U자형으로 하였다. 절단부에서는 다양한 형태의 전극부를 제거하고 유리와 수은/형광체 혼합 분말을 회수하는데 적절한 크기인 300 mm 길이로 절단한다.
- 그 결과 전극부에 유리/수은/형광체의 혼합물이 포함되어 분리되는 단점이 있어 전극부의 절단 및 처리 공정개선이 필요하였다. 마지막으로 CCFL 무해화 시스템을 이용하여 최종 처리한 CCFL의 잔류 수은의 양을 평가하였다. 스위스 연방 재료과학 기술시험소 (EMPA, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology)의 ‘FPD 모니터의 CCFL 내부 수은 함량 결정’ 보고서2)에 따르면 유리관 내부의 수은량은 대략 1.
- 아울러 수은/형광체 분말을 포집하여 이 중 수은을 친환경적으로 처리할 수 있는 CCFL 무해화 처리 시스템을 활성탄 집진 장치를 이용, 설계 제작하는 데 성공하였다. 마지막으로 CCFL 형광등을 유리소재로 재활용하기 위해서 회수한 수은/형광체 혼합체 내 잔류수은의 함량을 정량적으로 평가하였다.
- 1의 CCFL 무해화 처리 시스템 안에서 실시하였다. 먼저 2.1.1의 방법을 써서 수작업에 의한 해체/분리 후 분리시킨 CCFL을 pilot-scale 무해화 처리 시스템의 절단 부위로 이송하였다. 이때 밀폐 상태를 유지하면서 유리관과 전극부, 수은/형광체 혼합 분말로 분리시켰는데 유리관 끝의 전극부 제거와 유리관의 절단을 위해서 커팅부 유리관 블록을 설계/제작하였다.
- 이 과정을 반복하여 CCFL에 존재하는 형광체/수은 혼합 분말을 얻을 수 있었다. 시편 내에 존재하고 있는 수은의 함량을 측정하기 위해서 역시 참고문헌 1에서 제시한 방법을 적용하여 HCl 용액에 수은을 현탁액 상태로 용해시킨 다음 용액 내의 수은을 제거시켜 수은의 무게를 측정하였다. 이 작업은 CCFL의 내부 전체와 CCFL에서 제거시킨 전극 2개에 대해서 실시하여 전체의 평균을 얻었다.
- 그러므로 본 연구에서는 lab scale 기초 실험을 하여 수은/형광체 혼합 분말의 회수 공정 최적화를 위한 기초 실험 data를 수집하였다. 이 과정에서 문헌 조사도 병행하여 LCD 기종별로 내장된 CCFL의 수량과 크기, LCD 패널 내 CCFL의 배치 및 배열 상태, CCFL내의 형광체 성분과 수은 함량 등을 알아보았다. 이러한 결과를 토대로 CCFL 내의 수은 처리를 위한 pilot scale 시스템 설계를 위한 제반 고려사항과 CCFL 처리 시스템 공정도를 결정하였다.
- 시편 내에 존재하고 있는 수은의 함량을 측정하기 위해서 역시 참고문헌 1에서 제시한 방법을 적용하여 HCl 용액에 수은을 현탁액 상태로 용해시킨 다음 용액 내의 수은을 제거시켜 수은의 무게를 측정하였다. 이 작업은 CCFL의 내부 전체와 CCFL에서 제거시킨 전극 2개에 대해서 실시하여 전체의 평균을 얻었다.
- 1의 방법을 써서 수작업에 의한 해체/분리 후 분리시킨 CCFL을 pilot-scale 무해화 처리 시스템의 절단 부위로 이송하였다. 이때 밀폐 상태를 유지하면서 유리관과 전극부, 수은/형광체 혼합 분말로 분리시켰는데 유리관 끝의 전극부 제거와 유리관의 절단을 위해서 커팅부 유리관 블록을 설계/제작하였다. 또한 다양한 형상의 CCFL 전극부의 절단을 위해서 절단 블록의 형태를 U자형으로 하였다.
- 이 과정에서 문헌 조사도 병행하여 LCD 기종별로 내장된 CCFL의 수량과 크기, LCD 패널 내 CCFL의 배치 및 배열 상태, CCFL내의 형광체 성분과 수은 함량 등을 알아보았다. 이러한 결과를 토대로 CCFL 내의 수은 처리를 위한 pilot scale 시스템 설계를 위한 제반 고려사항과 CCFL 처리 시스템 공정도를 결정하였다. 아울러 수은/형광체 분말을 포집하여 이 중 수은을 친환경적으로 처리할 수 있는 CCFL 무해화 처리 시스템을 활성탄 집진 장치를 이용, 설계 제작하는 데 성공하였다.
- 여기서 보듯이 32 ~ 42인치 LCD에 사용되는 CCFL은 대략 16 ~ 18개이다. 이렇게 분리된 CCFL은 절단부로 이송되어 다양한 형태의 전극부를 제거하고 유리와 수은/형광체 혼합 분말 크기에 맞는 300 mm 정도의 길이로 절단되어 일정한 속도로 수은/형광체 혼합 분말 분리부로 이송되는데 분말제거 특성을 확인 할 목적으로 압축공기와 질소가스 압력을 변화시켜 수은/형광체 분말의 분리 정도를 정성적으로 조사하였다.
- 전동 드릴, 스크루 드라이버, 펜치 등의 연장을 사용하여 폐 LCD를 분해 후 CCFL의 전극 부위를 프레임에서 제거할 때 CCFL을 파손시키지 않도록 세심한 주의를 기울였다. 이렇게 수작업으로 CCFL을 LCD 패널에서 분리, 회수하여 수집된 폐 CCFL의 개수를 세고 무게를 측정 하여 기록해 두었는데 수은 제거 공정에 투입할 때까지 투명한 플라스틱 백에 밀봉시켜 보관하였다. 그 이유는 CCFL 파손 시 수은이 작업자의 손, 피복, 대기 분위기에 누출되는 것을 방지하기 위한 것이다.
- 또한 다른 연구자들이 발견한 사실은 LCD 디스플레이를 분쇄할 때 환경에 어떠한 (악) 영향을 미칠지 제대로 규명되지 않은 상태에서 폐 LCD를 기계로 분쇄하는 공정이 적절한 선택이라고 결론 내릴 수 없다고 하였다1). 이에 비추어 볼 때 수작업 해체가 더 선호되는 방법이라는 잠정적 결론을 내리게 되어, 본 연구에서는 환기가 원활하게 잘 이루어지고 있는 후드 안에서 폐 LCD에 내장된 CCFL의 해체/분리를 시행하였다.
- LCD 패널 몰드 프레임의 고정핀으로부터 CCFL을 분리 시 작업자와 작업장의 안전을 위해서 CCFL이 파손되지 않게 상당한 주의를 하면서 분리하였다. 전동 드릴, 스크루 드라이버, 펜치 등의 연장을 사용하여 폐 LCD를 분해 후 CCFL의 전극 부위를 프레임에서 제거할 때 CCFL을 파손시키지 않도록 세심한 주의를 기울였다. 이렇게 수작업으로 CCFL을 LCD 패널에서 분리, 회수하여 수집된 폐 CCFL의 개수를 세고 무게를 측정 하여 기록해 두었는데 수은 제거 공정에 투입할 때까지 투명한 플라스틱 백에 밀봉시켜 보관하였다.
- 폐 LCD의 몰드 프레임에 장착된 CCFL을 안전하고 효율적으로 제거한 다음 여기 함유된 수은과 형광체 화합물을 환경친화적으로 무해화 처리할 수 있는 실용적 이고 경제적인 시스템을 pilot scale로 설계/제작하여 수은/형광체 화합물의 환경친화적 무해화 처리 효율을 알아보았다. 본 연구에서 설계, 제작된 CCFL 무해화 시스템을 이용하여 처리된 CCFL내 잔류 수은의 양을 정량적으로 평가해 본 결과 무해화율 99% 이상을 달성하였다.
이론/모형
- 참고로 기공분포 실험에서는 Meso-pore(20 ~ 1000 Å)를 갖는 물질의 기공분포를 해석하는 데 사용되는 Barrett-Joyner-Halenda (BJH) 방법을 이용하여 Fig. 5의 결과를 얻었다.
성능/효과
- 단 압력이 낮은 경우 가스 분사부의 반대쪽 분말은 분리되지만 분사부의 분말은 회수할 수 없었다. 0.2 MPa이상의 압력에서 CCFL 내부의 수은/형광체 혼합 분말을 상당부분 제거할 수 있었으나 압력이 과도하게 높아질 경우 유리관이 파손될 수 있으므로 0.2 ~ 0.25 MPa 범위의 압력이 분말 혼합체의 회수에 최적임을 알 수 있었다. Fig.
- CCFL 무해화 처리후 유리관 내의 수은 함량은 본 연구 결과 약 0.487 µg으로 나타났는데 수은함량 분석결과와 EMPA 보고서를 종합해 볼 때 CCFL 무해화 시스템의 무해화 효율은 대략 99.67 ~ 99.83%로 계산된다.
- Table 3의 CCFL내 수은 총 함량이 대략 577 ~ 1033 ppm임을 실험적으로 측정하였으므로 본 공정 처리 후 CCFL 유리관 내의 수은 함량이 대략 0.487 µg이라는 사실에 비추어 볼 때 무해화율 99% 이상을 달성하였다고 별 무리 없이 결론 내릴 수 있었다.
- 참고문헌 1에 의하면 수은의 열 탈착은 350-525℃ 구간에서 8-15시간에 걸쳐서 일어남을 알았다. 그 결과 CCFL에서 고형수은을 제거하는 최적의 조건은 예열 온도 525℃ 부근에서 약 8시간에 걸쳐서 실시하는 경우 약 90%의 제거 효율을 얻음을 알 수 있었다. 또 다른 연구에서는 소듐 보로 하이드라이드가 주입되기도 하였는데 이렇게 하면 300℃에서 2시간 탈착해도 93%의 수은 제거 효율을 얻었다1).
- 다양한 압력의 질소 가스를 분사한 결과 가스 압력이 더 높아질수록 더 많은 양의 수은/형광체 혼합 분말의 회수가 가능한 것을 확인할 수 있었다. 단 압력이 낮은 경우 가스 분사부의 반대쪽 분말은 분리되지만 분사부의 분말은 회수할 수 없었다.
- 폐 LCD의 몰드 프레임에 장착된 CCFL을 안전하고 효율적으로 제거한 다음 여기 함유된 수은과 형광체 화합물을 환경친화적으로 무해화 처리할 수 있는 실용적 이고 경제적인 시스템을 pilot scale로 설계/제작하여 수은/형광체 화합물의 환경친화적 무해화 처리 효율을 알아보았다. 본 연구에서 설계, 제작된 CCFL 무해화 시스템을 이용하여 처리된 CCFL내 잔류 수은의 양을 정량적으로 평가해 본 결과 무해화율 99% 이상을 달성하였다. 이러한 제반 사항을 고려해 볼 때 제품 제조 시 재활용에 용이한 설계가 적용되지 않은 현재의 LCD 폐기물 재활용 공정의 CCFL 제거 작업은 만족스러운 수준으로 이루어졌다고 판단된다.
- 이러한 결과를 토대로 CCFL 내의 수은 처리를 위한 pilot scale 시스템 설계를 위한 제반 고려사항과 CCFL 처리 시스템 공정도를 결정하였다. 아울러 수은/형광체 분말을 포집하여 이 중 수은을 친환경적으로 처리할 수 있는 CCFL 무해화 처리 시스템을 활성탄 집진 장치를 이용, 설계 제작하는 데 성공하였다. 마지막으로 CCFL 형광등을 유리소재로 재활용하기 위해서 회수한 수은/형광체 혼합체 내 잔류수은의 함량을 정량적으로 평가하였다.
- 487 µg이라는 사실에 비추어 볼 때 무해화율 99% 이상을 달성하였다고 별 무리 없이 결론 내릴 수 있었다. 이상을 종합해 볼 때 CCFL 유리관 내의 잔류 수은을 고온에서 활성탄 포집장치로 이동시켜 집진시키는 설비를 이용하여 제거하는 공정을 적용하는 것이 타당함을 알았다.
- 자동화 프로그램을 이용하여 유리관이 수은/형광체 혼 분말 분리 공정으로 이송되게 자동화하였는데 본 장비의 카트리지 및 컨베이어는 지름 3.4 mm의 CCFL을 기준으로 설계/제작 되었으나 3mm 직경의 CCFL관도 처리 가능하다. 이때 이송되는 유리관을 감지하여 4개의 관이 분말 분리부에 거치되었을 때 이송 컨베이어는 정지하고 압축 공기를 이용한 blower가 3회 작동된다.
- 참고문헌 6에서 예로 들고 있는 폐 평판 디스플레이 재활용 실증화 실험 결과에 의하면 폐 FPD의 수작업 해체 과정에서 파손되는 CCFL의 비율은 LCD TV, 모니터, 노트북의 경우 모두 달랐는데 노트북의 경우 파손되는 CCFL의 비율이 가장 높았던 반면 LCD TV의 경우 가장 낮았다. 이는 평판 디스플레이의 크기와 CCFL의 파손 빈도 사이에 어떤 종류의 상관관계가 있음을 예시하고 있는데 크기가 작고 조립 과정이 보다 섬세한 노트북의 경우 스크린을 본체에서 분리시킬 때 어쩔 수 없이 일시적으로 가해지는 과도한 힘에 기인하는 것으로 설명되었다.
후속연구
- 이러한 문헌 조사 결과를 종합해 볼 때 pilot-scale CCFL 처리 시스템 설계 시 500℃ 정도의 온도에서 건식 처리하는 방식을 적용하면 향후 다양한 공정 변수를 채택할 수 있으므로 정당화 될 수 있음을 알 수 있다. 그러므로 본 연구에서 해체/분리된 CCFL로부터 형광 물질을 분리하기 위하여 고온 air-jet 방식을 도입하였으며 이를 위한 air-jet 노즐, 펌프, CCFL 장착 지그, 필터 등의 구성부위를 갖는 장치를 설계, 제작하여 CCFL의 무해화 처리 성능을 평가하였다.
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