[논문]폐디스플레이 CCFL에 존재하는 형광체 내 희토류 원소 회수 기술 동향 분석

강이승; 신동윤; 이지은; 안중우; 홍현선

doi:10.4150/kpmi.2015.22.1.27

문제 정의

따라서 폐 LCD TV에 존재하는 형광체 분말에서 희토류 원소를 회수할 수 있다면 희토류 재활용에 큰 도움이 될 것이다. 이에 본 고에서는 CCFL내 형광체 회수 혹은 희토류 원소 재활용에 관련된 연구동향을 살펴보고자 한다.
CCFL을 회수하게 되면 Ne, Ar 가스와 Ag를 제외하고, 유리와 금속 전극, 형광체 분말을 얻게 된다. 형광체 분말에는 크게 백색 형광체와 RGB 형광체가 존재하는데 RGB 형광체 내에 각기 다른 희토류 원소가 존재하기 때문에 본 고에서는 백색 형광체와 RGB 형광체를 분리하는 법, R/G/B 형광체를 각각 분리하는 법, RGB 형광체 내에서 희토류 원소를 회수하는 법에 대해 기술하고자 한다.
희토류 원소 재활용 기술의 적용 가능성이 큰 분야로 CCFL내 형광체 분말의 재활용을 꼽을 수 있고, 이를 위해 해외 우수 연구 결과들을 조사하였다. 분석 결과 선행 연구는 주로 일본을 중심으로 진행되고 있었고, 크게 1.

제안 방법

먼저 폐 삼파장 형광체를 300℃ 이상 1,000℃ 이하의 온도에서 알칼리 물질과 함께 소결함으로써, 여러 산화물 혹은 탄산염의 혼합물로 만들었다. 그리고 이 혼합물을 각 물질의 용해도를 고려하여 물 혹은 염산, 질산, 황산 등을 묽게 한 산, 혹은 아세트산, 시트르산, 포름산과 같은 유기산을 적절히 이용하여 희토류가 아닌 산화물 혹은 탄산염을 제거하였다. 그리고 그 잔유물을 산 온침법을 이용하여 80℃부터 150℃ 혹은 300℃로 가열시키면서 용해시킨다.
표 2를 보면 적색 형광체와 백색 형광체의 자화율이 매우 유사하다는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 기존의 High Gradient Magnetic Separation(HGMS)으로는 분리가 불가능하고 자화율뿐만 아니라 물체가 받는 중력의 영향력을 고려하여 실험을 설계하였다. (Magnetic Archimedes Separation)[7,8].
이를 바탕으로 차이가 큰 알칼리부분에서 분리공정을 설계하였으며, 청색 형광체가 가장 먼저 분리가 가능하였고, 후에 적색, 녹색 형광체가 각각 분리 가능하였다[9]. 또한 n-heptane/ DMF 혼합용액을 용매로 사용하였을 때 녹색 형광체 분리를 위한 계면 활성제로써 DAA를 사용하였으며, sodium 1-octanesulfonate을 사용하여 청색 형광체와 적색 형광체를 각각 분리할 수 있었다. 이때 회수율은 90~95%에 도달하였으며, 63%의 효율을 나타내었다[10].
이러한 성질을 이용하면 HGMS법을 통해서 녹색 형광체를 선택적으로 분리하는 것이 가능하였으며, 이는 백색 형광체와 RGB 형광체가 함께 존재하였을 때에도 사용 가능하였다. 또한 적색 형광체의 경우 백색 형광체와 자화율이 비슷하여서 Magnetic Archimedes Separation을 이용하여 백색 형광체와 적색 형광체를 분리하였다[7, 8].
2012년도에 미국의 General Electric 사에서 출원한 특허에 따르면 폐 형광체를 용매추출하기 전에 소결하는 공정을 추가하였다. 먼저 폐 삼파장 형광체를 300℃ 이상 1,000℃ 이하의 온도에서 알칼리 물질과 함께 소결함으로써, 여러 산화물 혹은 탄산염의 혼합물로 만들었다. 그리고 이 혼합물을 각 물질의 용해도를 고려하여 물 혹은 염산, 질산, 황산 등을 묽게 한 산, 혹은 아세트산, 시트르산, 포름산과 같은 유기산을 적절히 이용하여 희토류가 아닌 산화물 혹은 탄산염을 제거하였다.
그 외로도 HeptaneDMF를 용매로 사용하여 DAA를 계면 활성제로 사용하였을 때 zeta-potential이 그림 4와 같이 나타났다. 이를 바탕으로 차이가 큰 알칼리부분에서 분리공정을 설계하였으며, 청색 형광체가 가장 먼저 분리가 가능하였고, 후에 적색, 녹색 형광체가 각각 분리 가능하였다[9]. 또한 n-heptane/ DMF 혼합용액을 용매로 사용하였을 때 녹색 형광체 분리를 위한 계면 활성제로써 DAA를 사용하였으며, sodium 1-octanesulfonate을 사용하여 청색 형광체와 적색 형광체를 각각 분리할 수 있었다.
2007년 일본에서 수행된 연구 결과에 따르면 폐 형광체를 등유에 PC-88A를 녹인 용액을 사용하여 추출함으로써, 그림 5와 같이 pH 평형상태의 각 금속 원소별 분포비가 다른 것으로부터 Ca, Ba, Sr을 쉽게 분리하였다. 이후에 pH를 1.1 및 1.4로 조절한 후 두 번의 세척을 거침으로써 La과 Ce을 분리하였고, 다음 공정에서 믹서-세틀러 장치를 pH=1.02 및 pH=2.60의 두 단계로 조절하여 각각 Y와 Tb를 분리하였다. 마지막으로 Eu와 Al용액에 옥살산을 첨가하여 침전시킴으로써 Eu를 쉽게 분리해낼 수 있다.

이론/모형

표 1을 보면 RGB 형광체와 백색 형광체가 함께 존재할 때 백색 형광체는 밀도는 물론이고 입자의 크기가 RGB 형광체와 많은 차이가 나는 것을 확인할 수가 있다. 이러한 차이를 이용하여 부유선별법을 통해 백색형광체의 분리를 시도하였다. 용매로는 CH₂I₂를 사용하였으며, RGB 형광체의 경우 입자의 크기가 매우 작아 NaOl을 계면활성제로 첨가했을 때 회수율이 증가하는 것을 확인할 수가 있었다.

성능/효과

백색 형광체와 RGB 형광체의 분리, 2. RGB 형광체의 분리, 3. RGB 형광체에서 희토류 원소 회수 분야로 진행되고 있었다. 결국 폐 CCFL내 존재하는 형광체로부터 희토류 원소를 효과적으로 회수하기 위해서는 백색 형광체 함유 제품과 RGB 형광체 함유 제품을 수거 단계에서 분류하고, RGB 형광체를 따로 분리하지 않고 희토류 원소를 분리해 낼 수 있는 공정을 개발하는 것이 가장 바람직하다고 할 수 있다.
이렇게 침출한 용액에 대해 액액 추출로 희토류 금속을 회수하기 위한 추출용매로, N,N-dioctyldiglycol amic acid(DODGAA)를 용해시킨 n-dodecane과, PC-88A를 용해시킨 n-dodecane, DODGAA를 용해시킨 [C4min][Tf2N](IL)를 테스트한 결과, 추출제로써 널리 사용되던 PC-88A보다 DODGAA가 더 높은 선별 능력을 보였으며, DODGAA를 이용한 경우에도 n-dodecane보다 IL에 용해시켰을 때, 더 뛰어난 효과가 있었다. 그리고 IL에 용해시킨 DODGAA를 이용한 결과, Y와 Eu를 다른 원소로부터 효과적으로 분리할 수 있었다. 이와 같은 결과를 바탕으로 형광체로부터 희토류를 분리하는 공정을 그림 6과 같은 공정 흐름도로 표현할 수 있다[12].
또한 표 2을 통해 RGB 형광체와 백색 형광체의 자화율을 비교해 보았을 때 녹색 형광체의 자화율이 낮을 것을 확인할 수 있다. 이러한 성질을 이용하면 HGMS법을 통해서 녹색 형광체를 선택적으로 분리하는 것이 가능하였으며, 이는 백색 형광체와 RGB 형광체가 함께 존재하였을 때에도 사용 가능하였다.
이러한 차이를 이용하여 부유선별법을 통해 백색형광체의 분리를 시도하였다. 용매로는 CH₂I₂를 사용하였으며, RGB 형광체의 경우 입자의 크기가 매우 작아 NaOl을 계면활성제로 첨가했을 때 회수율이 증가하는 것을 확인할 수가 있었다. 그 결과 RGB 형광체의 경우 회수율은 97%에 달하였으나 순도는 48%에 그쳤으며, 백색 형광체의 경우 회수율이 90%에 달하는 것을 확인 할 수가 있었다[6].
또한 표 2을 통해 RGB 형광체와 백색 형광체의 자화율을 비교해 보았을 때 녹색 형광체의 자화율이 낮을 것을 확인할 수 있다. 이러한 성질을 이용하면 HGMS법을 통해서 녹색 형광체를 선택적으로 분리하는 것이 가능하였으며, 이는 백색 형광체와 RGB 형광체가 함께 존재하였을 때에도 사용 가능하였다. 또한 적색 형광체의 경우 백색 형광체와 자화율이 비슷하여서 Magnetic Archimedes Separation을 이용하여 백색 형광체와 적색 형광체를 분리하였다[7, 8].
첫 번째 침출로 황산을 이용한 후, 다시 두 번째 침출로 농도를 짙게 한 황산, 질산을 이용하여 산 침출한 결과 La, Ce, Tb가 다른 원소에 비해 월등히 높은 침출 효율을 보였다. 이렇게 침출한 용액에 대해 액액 추출로 희토류 금속을 회수하기 위한 추출용매로, N,N-dioctyldiglycol amic acid(DODGAA)를 용해시킨 n-dodecane과, PC-88A를 용해시킨 n-dodecane, DODGAA를 용해시킨 [C4min][Tf2N](IL)를 테스트한 결과, 추출제로써 널리 사용되던 PC-88A보다 DODGAA가 더 높은 선별 능력을 보였으며, DODGAA를 이용한 경우에도 n-dodecane보다 IL에 용해시켰을 때, 더 뛰어난 효과가 있었다. 그리고 IL에 용해시킨 DODGAA를 이용한 결과, Y와 Eu를 다른 원소로부터 효과적으로 분리할 수 있었다.
이와 같은 방법을 통해, 일본의 큐슈대에서는 NaCl용액을 기반으로 하여 Dodecyl ammonium acetate(DAA)와 sodium dodecyl sulfate(SDS)를 계면활성제로 첨가하여 백색 형광체를 분리하였다(그림 2). 이를 통하여 DAA는 pH 5이하에서, SDS는 pH 9~10 사이에서 백색형광체가 각각 분리된다는 것을 확인하였고, DAA를 첨가했을 때 70%의 가장 좋은 회수율을 나타내었다[5].
청색 형광체와 녹색 형광체 분리를 위한 계면 활성제로써 각각 2-thenoyltrifluoroacetone(HTTA)와 Chloroform을 사용하였을 때 분리공정 순서에 따라 효율이 달라지는 것을 발견할 수 있었다. 첫 번째 공정으로 청색 형광체 분리를 위해 HTTA를 먼저 첨가한 후 녹색 형광체 분리를 위해서 Chloroform을 첨가하였을 때와 두 번째 공정으로써 Chloroform을 먼저 첨가한 후 HTTA를 첨가하였을 때의 결과를 비교해 보았을 때 첫 번째 공정의 결과가 더 좋았던 것을 확인할 수 있다. 이를 바탕으로 계면 활성제의 종류뿐만 아니라 반응순서 또한 효율에 영향을 미친다는 것이 확인 가능하였다[11].
폐 삼파장 형광체를 산 침출하여 침출 용액을 만들고, 액액 추출로 희토류를 분리한 연구를 살펴보면, 형광체를 질산, 염산, 황산을 이용하여 산 침출한 결과, 표 3과 같이 Y와 Eu의 침출 효율이 다른 원소에 비해 월등히 높음을 확인할 수 있었다. 첫 번째 침출로 황산을 이용한 후, 다시 두 번째 침출로 농도를 짙게 한 황산, 질산을 이용하여 산 침출한 결과 La, Ce, Tb가 다른 원소에 비해 월등히 높은 침출 효율을 보였다. 이렇게 침출한 용액에 대해 액액 추출로 희토류 금속을 회수하기 위한 추출용매로, N,N-dioctyldiglycol amic acid(DODGAA)를 용해시킨 n-dodecane과, PC-88A를 용해시킨 n-dodecane, DODGAA를 용해시킨 [C4min][Tf2N](IL)를 테스트한 결과, 추출제로써 널리 사용되던 PC-88A보다 DODGAA가 더 높은 선별 능력을 보였으며, DODGAA를 이용한 경우에도 n-dodecane보다 IL에 용해시켰을 때, 더 뛰어난 효과가 있었다.
뿐만 아니라 계면 활성제 첨가 순서에 따라서도 효율의 차이가 발생하였다. 청색 형광체와 녹색 형광체 분리를 위한 계면 활성제로써 각각 2-thenoyltrifluoroacetone(HTTA)와 Chloroform을 사용하였을 때 분리공정 순서에 따라 효율이 달라지는 것을 발견할 수 있었다. 첫 번째 공정으로 청색 형광체 분리를 위해 HTTA를 먼저 첨가한 후 녹색 형광체 분리를 위해서 Chloroform을 첨가하였을 때와 두 번째 공정으로써 Chloroform을 먼저 첨가한 후 HTTA를 첨가하였을 때의 결과를 비교해 보았을 때 첫 번째 공정의 결과가 더 좋았던 것을 확인할 수 있다.
용매추출법에 의한 희토류 분리 및 회수하는 과정에서, PC-88A/등유 이외의 다른 추출용매를 사용하여 그 추출 효율을 비교하는 연구도 진행되었다. 폐 삼파장 형광체를 산 침출하여 침출 용액을 만들고, 액액 추출로 희토류를 분리한 연구를 살펴보면, 형광체를 질산, 염산, 황산을 이용하여 산 침출한 결과, 표 3과 같이 Y와 Eu의 침출 효율이 다른 원소에 비해 월등히 높음을 확인할 수 있었다. 첫 번째 침출로 황산을 이용한 후, 다시 두 번째 침출로 농도를 짙게 한 황산, 질산을 이용하여 산 침출한 결과 La, Ce, Tb가 다른 원소에 비해 월등히 높은 침출 효율을 보였다.
또한 자력선별의 경우에는 형광체의 자화율을 이용하여 선별해 내는 기술이다. 표 2를 보면 적색 형광체와 백색 형광체의 자화율이 매우 유사하다는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 기존의 High Gradient Magnetic Separation(HGMS)으로는 분리가 불가능하고 자화율뿐만 아니라 물체가 받는 중력의 영향력을 고려하여 실험을 설계하였다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	평판 디스플레이란?	평판 디스플레이(FPD: Flat Panel Display)는 TV, 모니터, 휴대폰, 영상표시장치 등에 사용되는 장치로 전기적 신호를 영상으로 나타내는 화면표시장치이다. FPD의 종류는 크게 브라운관 TV로 알려진 음극선관(CRT: Cathode Ray Tube), 액정표시장치(LCD: Liquid Crystal Display), 플라즈마 표시장치(PDP: Plasma Display Panel)와 유기발광다이오드(OLED: Organic Light Emitting Diodes)로 나뉜다[1].
	FPD의 종류는 어떻게 나뉘는가?	평판 디스플레이(FPD: Flat Panel Display)는 TV, 모니터, 휴대폰, 영상표시장치 등에 사용되는 장치로 전기적 신호를 영상으로 나타내는 화면표시장치이다. FPD의 종류는 크게 브라운관 TV로 알려진 음극선관(CRT: Cathode Ray Tube), 액정표시장치(LCD: Liquid Crystal Display), 플라즈마 표시장치(PDP: Plasma Display Panel)와 유기발광다이오드(OLED: Organic Light Emitting Diodes)로 나뉜다[1].
	CCFL 내 RGB 형광체와 백색 형광체 분리방법에는 어떤 것들이 있는가?	이때 RGB 형광체로부터 희토류 금속의 회수율 증가 및 효율적인 자원회수의 방면에서 RGB 형광체와 백색 형광체 분리에 대한 연구가 진행되고 있다. 백색 형광체의 선별을 위해서는 주로 3가지 방법이 진행되고 있는데, 부유선별법, 중액선별법, 자력선별법이 있다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

폐디스플레이 CCFL에 존재하는 형광체 내 희토류 원소 회수 기술 동향 분석
Current Technology Trends Analysis on the Recovery of Rare Earth Elements from Fluorescent Substance in the Cold Cathode Fluorescent Lamps of Waste Flat Panel Displays 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (13)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

폐디스플레이 CCFL에 존재하는 형광체 내 희토류 원소 회수 기술 동향 분석 Current Technology Trends Analysis on the Recovery of Rare Earth Elements from Fluorescent Substance in the Cold Cathode Fluorescent Lamps of Waste Flat Panel Displays 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (13)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

강이승 (17) 신동윤 (2) 이지은 (2) 안중우 (12) 홍현선 (38)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

폐디스플레이 CCFL에 존재하는 형광체 내 희토류 원소 회수 기술 동향 분석
Current Technology Trends Analysis on the Recovery of Rare Earth Elements from Fluorescent Substance in the Cold Cathode Fluorescent Lamps of Waste Flat Panel Displays 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper