[논문]희소금속을 이용한 산업현황 및 재활용 기술 동향

강이승; 이찬기

[국내논문] 희소금속을 이용한 산업현황 및 재활용 기술 동향 원문보기

세라미스트 = Ceramist, v.18 no.3, 2015년, pp.23 - 34

강이승 (고등기술연구원 신소재공정센터) , 이찬기 (고등기술연구원 신소재공정센터)

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AI 본문요약
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문제 정의

또한, 희소금속을 함유하고 있는 폐금속 자원의 발생 및 수거 현황, 재활용 기술 및 관련 업체 현황을 분석하여 자원순환 활성화를 위한 기술적, 제도적 장치를 마련하는 것이 시급한 실정이다. 따라서 본고에서는 국내 주력 산업 및 신성장동력 산업 5가지를 선정하고, 이들 산업군의 특징 및 사용하는 희소금속의 기술 현황, 재활용 기술 현황을 분석하여 향후 지속가능한 관리방안을 제시하고자 한다.

가설 설정

반면에 잉곳 형태의 실리콘 스크랩은 순도가 높고 다른 산업 및 공정에 활용가치가 높아서 실리콘 가공 및 웨이퍼 제조업체에서 직접 재활용하거나 위탁 처리 업체 등을 통해 반도체 또는 태양전지의 원료로 재이용 또는 재활용하고 있다.¹⁷⁾ 잉곳 형태의 실리콘 소재의 발생량은 2,000톤/년 정도지만, 대부분 재사용하고 있어서 실질적으로 폐기되거나 반출되지 않는다.

제안 방법

3과 같이 pH 평형상태의 각 금속 원소별 분포비가 다른 것으로부터 Ca, Ba, Sr을 쉽게 분리하였다. 이 후에 pH를 1.1 및 1.4로 조절한 후 두 번의 세척을 거침으로써 La 과 Ce을 분리하였고, 다음 공정에서 믹서-세틀러 장치를 pH=1.02 및 pH=2.60의 두 단계로 조절하여 각각 Y와 Tb를 분리하였다. 마지막으로 Eu와 Al 용액에 옥살산을 첨가하여 침전시킴으로써 Eu를 쉽게 분리해낼 수 있다.

대상 데이터

대상이 되는 물질은 실리콘 잉곳 성장 및 잉곳의 와이어 절단, 웨이퍼의 경면연마에서 발생하는 실리콘 슬러지를 중심으로 연구되었으며, 회수한 실리콘의 순도가 낮고 공정에 대한 사업성 연계가 부족해 기초적인 R&D 단계에 머물러 있는 상황이다.

성능/효과

1) 희소금속의 정의는 지역별, 시대별로 그 분류기준이 상이하며 현재 우리나라에서는 35종 56개 원소로 정의하고 있다.²⁾ 이용 형태는 광석, 화합물 금속 등 가공단계 및 용도에 따라 여러 형태로 활용되고 있지만 용도별로는 크게 구조재용과 기능 소재로 구분할 수 있다.
5 ㎛ 정도의 초경합금 제품을 생산하고 있으나, 외국의 기술 수준에는 미치지 못하고 있는 실정이다.²¹⁾ 초경 재료의 기계적 특성은 크게 소결 조건, 코발트 함량, 원료의 입자크기(WC, Co)에 의존하는 경향이 있으며, (Fig. 12.) 특히, 코발트의 입자크기, 분포 및 형상에 따라 초경재료의 기계적 특성을 변화를 가져온다. 예를 들어, 동일한 WC 원료를 사용하여도 미세한 Co 원료를 사용할 경우, 보다 조대한 WC가 형성되어 인성이 우수한 초경합금을 제조할 수 있다.
4) 1980년 중반부터 생산이 시작된 LCD로 인하여 평판 디스플레이 시장은 1985년부터 1995년까지 연간 32% 이상 급격히 성장하였으며, 이후 1995년부터 2007년까지 노트북과 모니터, TV 시장을 중심으로 연간 20% 이상 급성장을 유지한 결과, 전체 디스플레이 시장의 93% 이상을 LCD 디스플레이가 차지하였다.
^5,6) 현재 국내에서 발생하는 FPD의 폐기량 및 수집량에 대한 체계적인 통계 파악은 이루어지지 않고 있지만, 제품의 예상 수명을 10년으로 가정할 경우 2015년부터 약 200-300만대의 폐 FPD 제품이 발생할 것으로 예측된다.⁴⁾ 특히 LCD 제품의 경우 2014년 기준으로 폐제품 발생량은 CRT 제품 대비 약 10% 수준으로 미비하지만, 향후 폐 CRT 제품 발생량을 앞지르고 폐제품 발생량의 거의 대부분을 차지할 것으로 예상된다. 증가하는 폐제품을 효과적으로 수거하기 위하여 2003년 생산자책임재활용제도(Extended Producer Responsibility, EPR)에 텔레비전 제품이 포함된 후 수거율이 증가하긴 했지만, 여전히 RC에서 회수하는 폐제품의 양은 43% 정도로 턱없이 부족한 실정이며 재활용 대상 품목 역시 일부 항목에 국한되어 있다.
5,6) 현재 국내에서 발생하는 FPD의 폐기량 및 수집량에 대한 체계적인 통계 파악은 이루어지지 않고 있지만, 제품의 예상 수명을 10년으로 가정할 경우 2015년부터 약 200-300만대의 폐 FPD 제품이 발생할 것으로 예측된다.⁴⁾ 특히 LCD 제품의 경우 2014년 기준으로 폐제품 발생량은 CRT 제품 대비 약 10% 수준으로 미비하지만, 향후 폐 CRT 제품 발생량을 앞지르고 폐제품 발생량의 거의 대부분을 차지할 것으로 예상된다.
이렇게 침출한 용액에 대해 액액 추출로 희토류 금속을 회수하기 위한 추출용매로, N,N-dioctyldiglycol amic acid(DODGAA)를 용해시킨n-dodecane과, PC88A를 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.¹⁰⁾
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 용해시킨n-dodecane과, PC88A를 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.
폐삼파장 형광체를 산 침출하여 침출 용액을 만들고, 액액 추출로 희토류를 분리한 연구를 살펴보면, 형광체를 질산, 염산, 황산을 이용하여 산 침출한 결과, Table 2와 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 용해시킨n-dodecane과, PC88A를 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.
하지만 이러한 노력에도 불구하고 Nd-Fe-B 자석 재활용 기술 개발에는 몇 가지 걸림돌이 있다. 첫 번째는 Nd-Fe-B 자석 가공 과정에서 스크랩이 발생할 때 표면의 부식 및 산화로 인해 자력이 감소한다는 점이다. 일부 연구에서는 Nd-Fe-B 스크랩을 이용하여 자석으로 재사용하는 선순환 공정을 만들고자 하였으나 스크랩 자체의 자력이 감소하는 문제로 인해 실현되기 어려운 공정이라고 사료된다.
용매추출법에 의한 희토류 분리 및 회수하는 과정에서, PC-88A/등유 이외의 다른 추출용매를 사용하여 그 추출 효율을 비교하는 연구도 진행되었다. 폐삼파장 형광체를 산 침출하여 침출 용액을 만들고, 액액 추출로 희토류를 분리한 연구를 살펴보면, 형광체를 질산, 염산, 황산을 이용하여 산 침출한 결과, Table 2와 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.

후속연구

1%의 형광체가 들어 있기 때문에 매년 발생하는 형광체 분말의 양은 대략 80톤에 이를 것으로 추정된다.⁸⁾ 따라서 현재 소각 처리되는 LCD 중 35%의 가격 구성비를 가지는 BLU를 재활용한다면 매우 큰 경제 적 가치를 가질 수 있을 것이다.
우선적으로 ① 폐제품의 발생량, 재활용 기술의 난이도, 사업화에 대한 경제성 등을 종합적으로 고려하여 주요 타겟을 정하는 것이 중요하고, ② 정부 정책과 산· 학·연의 유기적인 협력 관계 구축을 통해 희소금속 재활용 기술을 이용한 원료 확보 대책을 마련하며, ③ 저감 기술 및 대체소재 개발을 통한 희소금속 수요 조절을 할 수 있다면 국제적으로 문제 되고 있는 공급자의 시장 지배력을 벗어나 수요 자간 수요확보를 위한 경쟁에서 우위를 점할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	희소금속의 이용형태는 어떻게 구분되는가?	1) 희소금속의 정의는 지역별, 시대별로 그 분류기준이 상이하며 현재 우리나라에서는 35종 56개 원소로 정의하고 있다.2) 이용 형태는 광석, 화합물 금속 등 가공단계 및 용도에 따라 여러 형태로 활용되고 있지만 용도별로는 크게 구조재용과 기능 소재로 구분할 수 있다. 구조재용 희소금속은 철강이나 비철금속에 사용하는데 Cr, Ni, Mn, W, Mo, V, Co 등이 있으며 기존 소재의 강도, 내식성, 탄성 및 내마모성을 획기적으로 향상시킬 수 있기 때문에 소량 첨가하고 있다.
	희소금속이란 무엇인가?	희소금속은 ① 지각 내 존재량이 적거나 추출이 어려운 금속자원 중 현재 산업적 수요가 있고 향후 수요 신장이 예상되는 금속원소, ② 극소수의 국가에 매장과 생산이 편재되어 있거나 특정 국가에서 전량을 수입해 공급에 위험성이 있는 금속원소로 정의하며, 현재 수요가 있는 것과 향후 기술혁신에 수반에 새로운 공업용 수요가 예측되는 금속원소로 정의한다.1) 희소금속의 정의는 지역별, 시대별로 그 분류기준이 상이하며 현재 우리나라에서는 35종 56개 원소로 정의하고 있다.
	폐 FPD 제품의 가치는 어느 정도인가?	폐 FPD 제품의 재활용이 필요한 이유는 환경적인 요인 외에도 사회경제적 가치에서 찾을 수 있다. 폐 FPD 제품에는 비철금속, 플라스틱뿐만 아니라 값비싼 희소금 속이 함유되어 있는데 이것의 가치를 따지면 약 33조 원의 가치가 있는 것으로 알려져 있다.7) 현재 재활용 되고 있는 품목은 폐디스플레이 해체/분리를 통해 얻은 Case/Frame, 플라스틱 등 비교적 재활용이 용이한 부품들이고, 재활용 기술력이 미비한 패널, BLU 등은 위탁처리 하여 매립/소각 처리하고 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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