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염화철 에칭 용액 재생을 위한 액상 및 고상 산화제를 이용한 산화공정에 대한 연구
Oxidation Process for the Etching Solution Regeneration of Ferric Chloride Using Liquid and Solid Oxidizing Agent 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.23 no.2, 2017년, pp.158 - 162  

김대원 (고등기술연구원 신소재공정센터) ,  박일정 (고등기술연구원 신소재공정센터) ,  김건홍 (고등기술연구원 신소재공정센터) ,  채병만 ((주)케이엠씨) ,  이상우 ((주)케이엠씨) ,  최희락 (부경대학교 재료공학과) ,  정항철 (고등기술연구원 신소재공정센터)

초록
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철, 구리, 알루미늄, 니켈 등의 금속을 에칭하기 위한 에칭액으로 $FeCl_3$ 용액이 사용되며, 에칭 과정에서 $Fe^{3+}$$Fe^{2+}$로 환원되면서 에칭속도를 저하시키고, 에칭효율이 감소하게 된다. 또한 에칭 후 발생하는 염화철 에칭폐액은 환경적, 경제적으로 문제를 지니기 때문에 에칭액을 재생하여 재사용 할 필요가 있다. 본 연구에서는 $FeCl_2$ 용액에 HCl을 첨가한 후, 산화제로 $H_2O_2$, $NaClO_3$를 첨가하여 용액 내 $Fe^{2+}$를 산화시켰으며, 산화과정에서 산화-환원전위(ORP)와 산화율간의 관계를 조사하였다. ORP는 $H_2O_2$$NaClO_3$의 농도가 증가함에 따라 증가하였으며, 산화가 진행되면서 점차 감소하여 산화가 완료된 후에 일정한 ORP를 유지하였다. Nernst 식과 일치하는 결과를 보였다. 또한 충분한 양의 HCl 및 $H_2O_2$, $NaClO_3$를 첨가하였을 경우, 약 99% 이상 산화가 이루어짐을 알 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

$FeCl_3$ solution has been used as an etchant for metal etching such as Fe, Cu, Al and Ni. In the etching process, $Fe^{3+}$ is reduced to $Fe^{2+}$ and the etching efficiency is decreased. Waste $FeCl_3$ etchant has environmental, economic problems and th...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 금속에칭에 이용되는 FeCl3 용액이 사용 후 환원되어 재사용을 못하는 상태일 경우, 산화제로 과산화수소와 염소산나트륨을 이용하여 에칭폐액을 재사용할 수 있는 산화공정의 메커니즘에 대하여 연구를 실시하였다. 산화공정에 있어서 용액의 ORP 변화를 통해 반응이 완료되었는지 알 수 있으며, 용액의 ORP 변화는 산화반응에 대한 Nernst식을 이용하여 [Fe3+]/[Fe2+]의 농도 비 뿐만 아니라 염산에 의한 [H+]및 [H2O2] 그리고 [NaClO3]의 농도 변화에 의해 결정되는 것을 확인하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
에칭이 진행됨에 따라 에칭 용액으로서 기능을 하지 못하게 되는 이유는 무엇인가? 현재 디스플레이 산업의 대형화와 관련하여 shadow mask는 열팽창계수가 적은 니켈 합금을 사용하고 있으며, 이러한 제품 생산과 관련한 에칭 가공 공정에서는 강력한 산화력을 나타내는 염화제이철(ferric chloride, FeCl3) 농축 수용액을 사용하고 있다. 그러나 에칭이 진행됨에 따라 FeCl3 용액 내의 Fe3+가 Fe2+로 환원되면서 에칭속도가 감소하게 되고 에칭효율이 떨어져 에칭 용액으로서 기능을 하지 못하게 되며, 일반적인 FeCl3 용액에 의한 금속의 식각반응은 Equation (1)과 같이 나타낼 수 있다[1].
에칭폐액의 산화를 위한 방법에는 무엇이 있는가? 에칭폐액의 산화를 위해 많은 화학적 방법들이 제시되어왔으며, 산화제로서 기상을 이용한 산화, 액상을 이용한 산화, 고상을 이용한 산화 방법들이 알려져 있다[2,3]. NaClO3와 HCl용액을 첨가하여 산화시키는 방법, 염소가스를 주입하는 방법, 전기분해를 통한 산화, 오존을 첨가하는 방법 등의 다양한 산화 방법들이 제시되어 왔다.
에칭폐액의 산화를 위한 화학적 방법과 산화 방법의 한계점은 무엇인가? NaClO3와 HCl용액을 첨가하여 산화시키는 방법, 염소가스를 주입하는 방법, 전기분해를 통한 산화, 오존을 첨가하는 방법 등의 다양한 산화 방법들이 제시되어 왔다. 이러한 방법들은 매우 반응성이 높고, 독성을 가진 화합물을 사용하기 때문에 유해성과 같은 환경적 문제 및 효율성과 같은 경제성 문제 등이 발생하게 된다. 또한 산소를 주입하여 산화시키는 방법이 제시되었지만, 재생 속도가 매우 느리기 때문에 많은 양의 에칭폐액을 처리하는데 효율적이지 않다[4-7]. 따라서 에칭폐액의 재생 공정 적용 시, 효과적이며 경제적인 공정 개발 및 유해물질 발생을 최소화 할 수 있는 최적화된 방법을 통하여 공정운영을 할 필요가 있다.
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참고문헌 (9)

  1. Lee, H. M., Park, M., Park, G. H., and Park, C., "Wet Etching of Stainless Steel Foil by Aqueous Ferric Chloride Solution," Korean Chem. Eng. Res., 50(2), 211-216 (2012). 

  2. Allen, D. M., and Ler, L. T., "Increasing Utilisation Efficiency of Ferric Chloride Etchant in Industrial Photochemical Machining," J. Environ. Monit., 1, 103-108 (1999). 

  3. Lee, H., Ahn, E., Park, C., and Tak, Y., "Regenration of Waste Ferric Chloride Etchant HCl and $H_2O_2$ ," Appl. Chem. Eng., 24(1), 67-71 (2013). 

  4. Ler, L. T., "Oxygen as a Potential Etchant Regenerator," MS Dissertation, Cranfield Institute of Technology, Bedford (1993). 

  5. Allen, D. M., and Ler, L. T., "The Potential for Oxygen Regeneration of Spent Ferric Chloride Etchant Solutions," PCMI J., 59, 3-7 (1995). 

  6. Ler, L. T., "Measurement and Reduction of the Environmental Impact of Industrial Photochemical Maching," Ph.D. Dissertation, Cranfield Institute of Technology, Bedford (1998). 

  7. Peter, A., "Automated Oxygen Regeneration of Ferric Chloride Etchant," Ph.D. Dissertation, Cranfield Institute of Technology, Bedford (1999). 

  8. Allen, D. M., and Almond, H. J. A., "Characterisation of Aquous Ferric Chloride Etchants Used in Industrial Photochemical Machining," J. Mater. Process Technol., 149, 238-245 (2004). 

  9. Yoo, K., Jha, M. K., Kim, M. S., Yoo, J. M., Jeong, J., and Lee, J. C., "Separation of Ni and Fe from $H_2SO_4$ Leaching Solution of Scrapped Fe-Ni Alloy," J. Korean Inst. Resour. Recycl., 17(1), 80-87 (2008). 

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