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폐 평판디스플레이 패널유리의 재활용 연구 동향
Current Research Trend on Recycling of Waste Flat Panel Display Panel Glass 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.24 no.1, 2015년, pp.58 - 65  

신동윤 (고등기술연구원 신소재공정센터) ,  강이승 (고등기술연구원 신소재공정센터) ,  박재량 (고등기술연구원 신소재공정센터) ,  이찬기 (고등기술연구원 신소재공정센터) ,  윤진호 (고등기술연구원 신소재공정센터) ,  홍현선 (고등기술연구원 신소재공정센터)

초록
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국내 디스플레이 산업의 핵심기술과 글로벌 점유율은 세계 최고 수준이지만 폐 디스플레이의 재활용 관련한 전반적 기술은 매우 미흡하고 폐 디스플레이의 유리소재는 전량 매립하고 있는 실정이다. 본 논문에서는 폐 초박막 액정표시장치(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display) 유리를 고강도 콘크리트 파일 및 발포체의 원료로 재활용 하는 연구, 초박막 액정표시장치 제조 공정에서 발생하는 불량품인 파유리를 장섬유 및 단섬유 등으로 재활용 하는 연구 동향에 대하여 조사하였다. 폐유리를 재활용한 원료 성분은 고강도 콘크리트 파일과 발포체 원료로 재료 재활용이 가능한 것으로 입증되었으며 특히 콘크리트 파일의 경우 기존 제품보다 향상된 특성을 나타내었다. 이외에도 파유리를 장섬유나 단섬유로 재활용 하는 기술은 이미 상용화 단계에 있으므로 향후 폐 디스플레이 유리 소재의 상용화 재활용 시스템을 구축할 수 있는 기술을 확립하는 방향으로 연구를 진행할 필요가 있다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Although Korea is a top market sharing and world leading producer and developer of flat panel display devices, relevant recycling technology is not up to her prestigious status. Besides, most of the waste glass arising from flat panel displays is currently land-filled. The present paper mainly revie...

주제어

#폐 LCD   #폐 FDP   #재활용   #패널   #유리  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

성능/효과

  • LCD (Liquid Crystal Display) 제품을 해체하여 크기 및 생산 년도 별 소재 분포 비율을 조사한 결과, 제품 평균 중량은 약 23 kg이었으며, 그 중 유리가 차지하는 평균 조성은 약 5.8%로 나타났다1). 이에 따라 폐 LCD 제품 발생량(매년 약 200만대)으로부터 계산해보면, 폐 LCD 유리 발생량은 매년 약 46만 톤에 달할 것으로 예상된다.
  • TFT-LCD 유리는 그 강도가 매우 높은 알루미노붕규산염(aluminoborosilicate)계 유리이므로 미분쇄 효율이 낮기 때문에, 분쇄 특성을 파악하기 위한 예비 실험을 진행한 결과, 볼밀링 분쇄 공정에서 볼의 재질은 철보다 알루미나가, 볼의 크기는 3 cm보다 2 cm가 더 미분효율이 좋았으며, 이러한 조건에서 3시간 볼밀링 분쇄를 거침으로써 발포화 공정에 적당한 −200 mesh의 크기로 100% 분쇄할 수 있었다.
  • 콘크리트 혼합재로 사용하기 위한 TFT-LCD 유리분말과 활성화제의 최적 비율을 조사하기 위해 모르타르 압축강도 시험을 실시한 결과, 유리분말 첨가에 따라 포졸란 반응성이 향상되어 압축강도가 향상되었다. TFT-LCD 유리분말의 최적 조건으로는 입도크기 100 ㎛이하, 첨가량은 10%이었으며, 활성화제의 최적 조건으로는 Ca(OH)2를 1% 가량 첨가하는 것이었다. 이는 활성화제 첨가로 인해 미반응 유리분말의 반응이 촉진되어 압축강도가 향상된 것으로 보인다.
  • 그러므로 TFT-LCD 파유리를 원료로 첨가하여 재활용하더라도 장섬유 및 단섬유를 포함하고 있는 다양한 제품들의 제조 시 기존 제품의 물성과 크게 차이가 없으며, 원료 절감 및 에너지 절감 등의 효과가 있을 것으로 판단된다. 실제로 장섬유 유리의 제조에 LCD 파유리를 원료로 하여 재활용하는 기술은, 군산대로부터의 기술이전을 통하여 미국계 장섬유 유리 업체인 OCF(주)의 김천공장과 (주)KCC 조치원 공장에 각각 2010년, 2011년부터 이전하여 양산 적용하고 있으며 이는 매우 성공적인 재료재활용이라고 할 수 있다.
  • 마찬가지로 규석의 함유량을 100으로 할 때, 소다석회붕규산염계 단섬유유리의 경우 최대 5517), 소다석회규산염계 판유리, 병 및 식기유리는 최대 2418), 태양전지용 저철분 판유리는 최대 2419), 알칼리 붕규산염계 내열유리는 최대 2020) 첨가할 수 있다. 또한 붕규산염계 로빙섬유 유리 제조공정에 있어서 납석의 중량 함유량을 100 기준으로 OLED 파유리 또는 LCD 파유리 중 하나를 최대 47021) 첨가 가능하며, 도자기 배합조성물에 대하여 고령토, 점토, 납석, 도석 및 이들의 혼합물의 중량 함유량을 100 기준으로 할 때 LCD 파유리 또는 폐유리를 최대 3322) 첨가하여 제조할 수 있다. 이렇게 LCD 파유리를 재활용하여 제조된 제품들의 고온 물성 및 저온물성에 대한 평가 결과 기존 제품대비 고온 물성 및 저온물성이 거의 동일하다.
  • TFT-LCD 파유리를 재활용하여 이러한 유리제조 원료의 일부를 대체 할 경우, 유리의 제조공정과 물리적 성질을 훼손하지 않는 유리 batch 조성물을 제조할 수 있어 원료비를 크게 절감하고 제조단가를 낮출 수 있다. 또한, 결정성 원료 대신 무정질 LCD 파유리를 원료로 대체함으로써 원료의 용융성이 향상되며, 이로써 용융 시 소요되는 에너지가 기존의 공정대비 적게 소요되어 에너지 절감 효과가 있을 수 있다.
  • 폐 TFT-LCD 유리의 발포화 공정에 적절한 발포조제를 선정하는 것이 중요하다. 무기질 유리 다포체의 제조에 있어 가장 기본적인 발포조제는 탄소이므로, 탄소계 발포조제에 대한 최적 조건을 조사하는 실험 결과, 천연 흑연(Natural Graphite)이 가장 적합하였다. Cullet 원료의 경우 발포체의 밀도가 낮을수록 발포체의 다공율이 증가되는 경향성을 보이므로 발포화의 진행 여부를 알 수 있었으나, ITO가 박리된 판유리 소재의 경우 특정 조건에서 이러한 경향을 따르지 않는 현상을 보였는데, 이는 불량 발포화가 일어난데 기인한 것으로 발포조제의 보완이 필요함을 의미한다9).
  • 활성화제가 1%가 첨가된 콘크리트 파일을 실제로 제조하여 물성 평가를 실시한 결과가 Table 2에 나와 있다. 압축강도, 전단강도, 휨강도, 축력휨강도 모두 기존의 포틀랜드 시멘트만으로 제조된 콘크리트 파일에 비해 향상되었다는 것을 알 수 있다. 이로써 폐 비정질 세라믹스인 TFT-LCD 유리분말은 기존 콘크리트 파일 제품보다 우수한 고강도 콘크리트 파일의 제조 원료로 재활용하기에 적합하다고 판단된다12-14).
  • 이러한 최적화 예비 실험결과를 바탕으로 폐 TFT-LCD 유리의 볼밀링 분쇄를 통해 −200 mesh의 입자크기로 미분화한 다음, 염산을 이용한 산 침출로 인듐 및 주석의 회수가 가능하며, 침출잔사 형태의 폐 유리 cullet의 발포조제로는 천연 흑연이 가장 적절하였다.
  • TFT-LCD 유리는 다음과 같은 장점 때문에 고강도 콘크리트 파일의 원료로 활용될수 있다. 첫째, 일반 유리와 달리 알칼리가 함유되지 않아 콘크리트의 부피팽창 및 알칼리 실리카 반응에 대한 문제가 없으며, 둘째, 유리의 청징제로 사용된 비소가 SrO로 대체 사용됨으로써 인체에 무해하다. 셋째, 유리 원료인 규산질 소재가 수밀성을 증대 시킬 수 있다12-14).
  • 콘크리트 혼합재로 사용하기 위한 TFT-LCD 유리분말과 활성화제의 최적 비율을 조사하기 위해 모르타르 압축강도 시험을 실시한 결과, 유리분말 첨가에 따라 포졸란 반응성이 향상되어 압축강도가 향상되었다. TFT-LCD 유리분말의 최적 조건으로는 입도크기 100 ㎛이하, 첨가량은 10%이었으며, 활성화제의 최적 조건으로는 Ca(OH)2를 1% 가량 첨가하는 것이었다.

후속연구

  • 또한 위의 성분들이 잘 용융되어 혼합되었기 때문에 균질도가 매우 높은 고급 유리이다. 그러므로 TFT-LCD 파유리는 적절한 양을 혼합하여 소다석회규산염계 판유리, 병 및 식기유리, 소다석회규산염계 단섬유 유리, 또는 붕규산염계 장섬유유리 등을 제조하는데 필요한 원료로 사용될 수 있다. TFT-LCD 파유리를 재활용하여 이러한 유리제조 원료의 일부를 대체 할 경우, 유리의 제조공정과 물리적 성질을 훼손하지 않는 유리 batch 조성물을 제조할 수 있어 원료비를 크게 절감하고 제조단가를 낮출 수 있다.
  • 매년 대량 발생하고 있는 폐 디스플레이 패널 유리의 재활용이 거의 이루어지고 있지 않으며 대부분 매립되고 있는 실정이다. 이는 폐 디스플레이 유리에 대한 경제적이고 효과적인 재활용 방안이 확립되어 있지 않기 때문이며, 이를 위해 추가적인 재활용 연구를 체계적으로 진행할 필요가 있다. 폐 TFT-LCD 유리를 고강도 콘크리트 파일 및 발포체로 재활용하는 연구가 진행되고 있지만 상용화까지는 많은 추가 연구 및 양산 적용성검토가 필요하다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
폐 디스플레이 패널을 소각할 경우 나타나는 문제점은 무엇인가? 폐 디스플레이 패널을 소각시켜 폐기할 경우 폐기되는 유리의 비중이 너무 높아져서 WEEE의 의무회수율 규정을 준수하기 어렵게 되기 때문에 제품 생산 업체나 국가 경쟁력 강화를 위해서 효과적인 사용 후 폐 디스플레이 제품 재활용 기술의 개발은 전략적으로 매우 중요하다3).
국내의 경우 폐 디스플레이 재활용은 어떻게 이루어지는가? 국내의 경우 폐 디스플레이 해체/분리를 통해 얻은 Case/Frame, Driving Circuit Unit (Printed Circuit Board, 전선 등) 등 비교적 재활용이 용이한 부품은 재활용하고, 재활용 기술력이 미비한 패널, Back Light Unit 등은 위탁 처리하여 매립/소각 처리하고 있다. 유용자원을 함유하고 있는 부품들을 소각 처리하는 주된 이유는 유리와 ITO (Indium Tin Oxide) 필름의 분리/회수, 유리와 형광체 분리/회수, 유해물질 무해화 등에 필요한 전처리 기술이 미흡하기 때문으로, 고가의 희소금속 및 희토류 금속자원 확보를 위한 ITO 필름, 형광체 등을 효율적으로 분리/회수할 수 있는 기술 개발이 절실하다2).
디스플레이의 종류는 무엇이 있는가? 디스플레이에는 CRT, PDP (Plasma Display Panel), OLED(Organic Light Emitting Diode), LCD의 4가지 종류가 있으며 디스플레이의 종류별로 사용되는 패널 유리기판의 특성도 달라진다. CRT용 유리기판은 조성이 서로 다른 전면유리와 후면유리로 구성된다.
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참고문헌 (22)

  1. Sungkyu Lee, et, al., 2013: Disassembly and Compositional Analysis of Waste LCD Displays, J. of Korean Inst. Resources Recycling, 22(2), pp. 29-36. 

  2. Hyun Seon Hong, et, al., 2010: Overview and Future Concerns for Recycling Display Wastes, KIC News, 13(1), pp. 9-18. 

  3. M. Turner and D. Callaghan, 2007: Computer Law and Security Report, 23(1), pp. 73-76. 

    상세보기 crossref

  4. Korea Institute of Science and Technology Information, 2009: Raw LCD Glass Plates, Research Report. 

  5. LG Chem, Ltd., 2014: ALKALI-FREE GLASS AND PREPARATION THEREOF, US Patent, Pub. No.: US 2014/0011659 (2014.01.09). 

  6. Corning Incorporated, 2007: GLASS COMPOSITIONS FOR PROTECTING GLASS AND METHODS OF MAKING AND USING THEREOF, PCT, Pub. No.: WO 2007/095116 (2007.08.23). 

  7. Schott AG, 2007: ALUMINOBOROSILICATE GLASS, US Patent, Pub. No.: US 2007/0243992 (2007.10.18). 

  8. Nippon Electric Glass Co., Ltd., 1997: ALKALI-FREE GLASS SUBSTRATE, PCT, Pub. No.: WO 1997/011920 (1997.04.03). 

  9. Chul-Tae Lee, 2005: Physical and Chemical Properties of Waste Glass as Feed Materials for the Production of Foamed Glass, J. Korean Ind. Eng. Chem., 16(3), pp. 440-448. 

  10. Chul-Tae Lee, et al., 2009: Physical and Chemical Properties of Waste LCD Glass as Raw Materials for the Production of Foamglass, J. Korean Ind. Eng. Chem., 20(3), pp. 266-272. 

  11. Chul-Tae Lee, Tae-Moon Park, and Jung-Min Kim, 2012: Foaming Process of Waste LCD Glass for the Recovery of Valuable Materials from Waste LCD Panel, Appl. Chem. Eng., 23(2), pp. 195-203. 

  12. Seong-Hwan Jeon, Kyung-San Min, and Yang-Seob Soh, 2010: The Characteristics of P.H.C Pile using Admixture by Waste TFT-LCD Glass Powder, J. of the Korean Ceramic Society, 47(5), pp. 419-425. 

    원문보기 상세보기 crossref

  13. Lee Seung Heun, et, al., 2010: Properties of PHC Piles Using TFT-LCD Waste Glass, Proceedings of the Korea Concrete Inst. Conference, 22(1), pp. 319-320. 

  14. Seung-Joe Yoon and Jeong-Min Park, 2012: A Study on the Possibility of concrete Using Waste LCD Glass Powder, J. of the Architectural Inst. of Korea Structure and Construction, 28(8), pp. 95-102. 

  15. Kidong Kim, 2011: Recycling of Crushed TFT-LCD Glass for use in raw Long and Short Fiberglass, Research Report, Korea Sanhak Foundation. 

  16. Business-Academic Cooperation Team, Kunsan National University, 2009: Preparation of borosilicate fiber glass batches for long fiber containing cullet of TFT-LCD substrate glass, Korean Patent, Registration No. : 10-0917269 (2009.09.07). 

  17. Business-Academic Cooperation Team, Kunsan National University, 2009: Preparation of borosilicate fiber glass batches for long fiber containing cullet of TFT-LCD substrate glass, Korean Patent, Registration No. : 10-0929869 (2009.11.26). 

  18. Business-Academic Cooperation Team, Kunsan National University, 2010: Preparation of soda lime silicate glass batches for plate, bottle and tableware containing cullet of TFT-LCD substrate glass, Korean Patent, Pub. No. : 10-2010-0081777 (2010.07.15). 

  19. Business-Academic Cooperation Team, Kunsan National University, 2010: Photovoltaic low iron flat glass batches containing alkali-free alumino-borosilicate display glass cullet, Korean Patent, Registration No. : 10-0990875 (2010.10.25). 

  20. Business-Academic Cooperation Team, Kunsan National University, 2014: Preparation of alkali borosilicate glass batches for heat resistant glass containing TFT-LCD glass cullet or waste glass, Korean Patent, Registration No. : 10-1445108 (2014.09.22). 

  21. Business-Academic Cooperation Team, Kunsan National University, 2013: Preparation of borosilicate roving fiber glass batches containing alkali free aluminoborosilicate display cullet, Korean Patent, Registration No. : 10-1305447 (2013.09.02). 

  22. Business-Academic Cooperation Team, Kunsan National University, 2014: Porcelain batch compositions containing alkali free aluminoborosilicate display cullet or waste glass, Korean Patent, Registration No. : 10-1375162 (2014.03.11.). 

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