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유기금속화학증착 분진(MOCVD dust)을 이용한 갈륨 함유 고순도 수용액 제조 연구
Fabrication of High Purity Ga-containing Solution using MOCVD dust 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.24 no.4, 2015년, pp.50 - 55  

이덕희 (고등기술연구원 신소재공정센터) ,  윤진호 (고등기술연구원 신소재공정센터) ,  박경수 (고등기술연구원 신소재공정센터) ,  홍명환 (고등기술연구원 신소재공정센터) ,  이찬기 (고등기술연구원 신소재공정센터) ,  박정진 ((주)엔코)

초록
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본 연구에서는 LED 칩 제조를 위해 이용되는 유기금속화학증착(MOCVD) 장비에서 발생하는 분진(dust)으로부터 용매추출을 통해 고순도 갈륨(Ga) 함유 수용액을 회수하는 연구를 수행하였다. 추출제 종류, 추출제의 농도 변화에 대한 연구를 통해 Ga 추출에 효과적인 추출제를 선정하고자 하였으며 다단계 추출/역추출 공정을 통해 추출 효율을 향상시켜 고순도 Ga 수용액을 제조하였다. 선행연구에서 원료에 대한 분석을 바탕으로 Ga의 추출 및 분리를 위해 PC88A, DP-8R, Cyanex 272 추출제 중 Cyanex 272를 선택하였으며 1.5M일 때 43.8%의 효율이 나타났다. 다단계 추출을 통해 Ga의 추출 효율은 83%까지 상승하였으며 0.1 M HCl을 이용한 역추출 공정으로 불순물이 없는 5N급 고순도 Ga 수용액을 제조할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, we have investigated solvent extraction of Ga and recovery of high pure Ga solution from MOCVD dust for manufacturing of LED chip. Effect of extractan, concentration of extractant were examined for choosing the more effective extractant and high pure Ga solution was fabricated by mult...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 다량으로 배출되고 폐기되는 MOCVD dust를 원료로 사용하여 HCl로 침출한 후 용매 추출을 통해 Ga 회수를 위한 효과적인 추출제를 선정하고, 역추출 공정을 통해 고순도 Ga 수용액을 얻는 연구를 수행하였다. PC88A, DP8R, Cyanex 272를 추출제로 사용하여 Ga과 기타금속의 분리에 적합한 추출제의 선정 및 단계별 추출을 통해 추출 효율을 향상시키는 연구를 수행하였다. 또한, HCl을 이용한 역추출 공정으로 Ga 함유 고순도 수용액을 제조하여 최적의 습식 재활용 전처리 조건을 도출하고자 하였다.
  • 2의 결과에서 보는 것과 같이 한차례 용매추출 실험으로는 원료 침출액으로부터 Ga의 추출효율이 50%에도 미치지 못한다. 따라서, 다단계 용매추출 실험 설계를 통해 Ga의 추출 효율을 높여야 할 필요성이 있으며, 본 연구에서는 3단계의 용매추출을 통해 Ga의 추출 효율을 높이고자 하였다. 추출 조건으로써 O/A 비율은 3, pH는 −0.
  • PC88A, DP8R, Cyanex 272를 추출제로 사용하여 Ga과 기타금속의 분리에 적합한 추출제의 선정 및 단계별 추출을 통해 추출 효율을 향상시키는 연구를 수행하였다. 또한, HCl을 이용한 역추출 공정으로 Ga 함유 고순도 수용액을 제조하여 최적의 습식 재활용 전처리 조건을 도출하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 MOCVD 공정 중 발생하는 dust를 원료로 사용해 Ga이 함유된 고순도 수용액을 제조하기 위한 최적 추출제 선정 및 용매추출을 수행하였다. 특히, 추출제 중 Cyanex 272가 Ga의 추출 효율이 가장 높아 적합한 용매로 확인되었으며 농도 변화에 따른 추출 효율에서는 1.
  • 본 연구에서는 다량으로 배출되고 폐기되는 MOCVD dust를 원료로 사용하여 HCl로 침출한 후 용매 추출을 통해 Ga 회수를 위한 효과적인 추출제를 선정하고, 역추출 공정을 통해 고순도 Ga 수용액을 얻는 연구를 수행하였다. PC88A, DP8R, Cyanex 272를 추출제로 사용하여 Ga과 기타금속의 분리에 적합한 추출제의 선정 및 단계별 추출을 통해 추출 효율을 향상시키는 연구를 수행하였다.
  • 선행 연구에서 수행한 MOCVD dust의 XRD 및 ICP 분석을 바탕으로 연구를 진행하였다.10) 선행연구의 XRD 분석 결과, MOCVD dust 원료는 hexagonal의 GaN와 Ga0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Ga 화합물 반도체의 장점은? Ga은 금속원소이지만 금속자체로서의 용도보다 대부분 GaN, GaAs, GaP, GaInP 등 다양한 형태의 화합물로 주로 사용되며 발광다이오드(LED)를 포함한 반도체 재료 및 첨단 전자 산업의 핵심소재로 이용되고 있다. 이러한 Ga 화합물 반도체는 실리콘 반도체에 비해 고가임에도 불구하고 전자 이동성(Saturated drift velocity), 내광성 및 에너지 변환 효율이 높아 실리콘 반도체를 사용할 수 없는 환경 및 조건에서 사용되고 있다.1-3) 하지만, Ga은 자연상태로 존재하지 않고 Al의 원료인 보크사이트(Bauxite)와 섬아연광(Sphalerite) 등에 수십 ppm 정도로 함유되어 원료로부터 직접 회수가 불가능하기 때문에 발생하는 부산물로부터 회수하는 것이 일반적이다.
Ga의 용도는? Ga은 금속원소이지만 금속자체로서의 용도보다 대부분 GaN, GaAs, GaP, GaInP 등 다양한 형태의 화합물로 주로 사용되며 발광다이오드(LED)를 포함한 반도체 재료 및 첨단 전자 산업의 핵심소재로 이용되고 있다. 이러한 Ga 화합물 반도체는 실리콘 반도체에 비해 고가임에도 불구하고 전자 이동성(Saturated drift velocity), 내광성 및 에너지 변환 효율이 높아 실리콘 반도체를 사용할 수 없는 환경 및 조건에서 사용되고 있다.
Ga의 공급 현황은? 1-3) 하지만, Ga은 자연상태로 존재하지 않고 Al의 원료인 보크사이트(Bauxite)와 섬아연광(Sphalerite) 등에 수십 ppm 정도로 함유되어 원료로부터 직접 회수가 불가능하기 때문에 발생하는 부산물로부터 회수하는 것이 일반적이다.4) 또한, 원료는 특정국가에 집중되어 있고 보고에 따르면 LED MOCVD용 precursor 수요는 2012년도에 32톤에서 두 배 이상 늘어나 2016년에는 약 114% 증가한 70톤에 육박할 것으로 보이지만 산업현장에서 요구되는 수요량을 충족시키기에는 부족한 실정이다.2,5) 그래서 전세계적으로 활용범위가 넓어지고 있는 Ga의 수입의존도를 줄이고 안정적인 공급을 위해 재활용에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있지만 국내의 재활용 기술은 미비한 수준이다.
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참고문헌 (10)

  1. Moskalyk, R. R., 2003 : "Gallium: the backbone of the electronics industry", Miner. eng. Vol. 16, pp. 921-929. 

  2. Kim, D. and Son, R., 2013 : "LED MOCVD용 Precursor 시장 및 산업 분석", IHS Electronics & Media. 

  3. Kinoshita, T., Ishigaki, Y., Shibata, N., Yamaguchi, K., Akita, S., Kitagawa, S., Kondou, H., Nii, S., 2011 : "Selective recovery of gallium with continuous countercurrent foam separation and its application to leaching solution of zinc refinery residues", Sep. Purif. Technol. Vol. 78, pp. 181-188. 

  4. Choi, Y. Y., Nam, C. W., Yu, Y. T., Kim, W. Y., 2005 : "Recovery of Gallium from GaAs Scraps by Thermal Decomposition", J. of Korean Inst. of Resources recycling, Vol. 14, pp. 28-32. 

  5. Salazar, K., McNutt, M. K., 2013 : "Mineral Commodity Summaries 2013", U.S. Geological survey, pp. 58. 

  6. Xu, K., Deng, T., Liu, J., Peng, W., 2007 : "Study on the recovery of gallium from phosphorus flue dust by leaching with spent sulfuric acid solution and precipitation", Hydrometallurgy, Vol. 86, pp. 172-177. 

  7. Ahmed, I. M., El-Nadi, Y. A., El-Hefny, N. E., 2013 : "Extraction of gallium(III) from hydrochloric acid by cyanex 923 and cyanex 925", Hydrometallurgy, Vol. 131-132, pp. 24-28. 

  8. Herdzik, I., Dembinski, W., Narbutt, J., Siekierski, S., 2012 : "Separation of Gallium and Indium Isotopes by Cation and Anion Exchange Chromatography", Solv. Extr. ion exch, Vol. 30, pp. 593-603. 

  9. Yang, J. Y., O, B. S., Yoon, J. S., 2014 : "Development of Reuse Process Through Recovery and Refinement of Precursor for LED", J. of Korean Inst. of Resources recycling, Vol. 23, pp. 25-32. 

  10. Park, K. S., Swain, B., Kang, L. S., Lee, C. G., Hong, H. S., Shim, J. G., Park, J. J., 2014 : "Leaching behavior of Ga and In from MOCVD dust", J. Kor. Powd. Met. Inst, Vol. 21, pp. 202-206. 

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