GaAs 스크랩으로부터 Ga 회수를 위한 습식제련 공정 연구

심종길,김영암,박재훈,박정진,이찬기,박경수 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2015 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2015 No.-

갈륨은 뛰어난 특성을 가지는 반도체 재료지만, 정광이 거의 존재하지 않는 희소원소이며, 주로 알루미늄이나 아연 제련 등의 부산물로서 얻을 수 있고, 주로 화합물 반도체(compound semiconductor)에 사용되고 있다. 화합물 반도체는 갈륨비소(gallium arsenide, GaAs), 갈륨인(GaP) 등이 있으며, 발광 다이오드(light emitting diode, LED), IC 등에 이용되고 있다. 이러한 화합물 반도체(GaAs, GaP 등)를 습식으로 분리, 농축하는 일반적인 방법으로는 이온교환법(ion exchange method), 용매추출법(solvent extraction method), 산-중화법 등이 있다. 이온교환법은 갈륨을 포함한 용액을 적정한 pH의 영역에서 킬레이트 이온교환 수지를 사용하여 흡착한 후, 탈기하여 갈륨 수용액으로 회수한 후, 전해채취를 통하여 갈륨을 회수하는 방법이며, 용매추출법은 유기용매에 카르본산계 또는 인산계 킬레이트 추출제를 포함한 유기상을 사용하여 수용액의 pH를 조정한 후, 갈륨을 선택적으로 추출하여 분리ㆍ농축한 후, 전해채취를 통하여 갈륨을 회수하는 방법이다. 산-중화법은 강산으로 침출해 중화를 거친 후, 알칼리 용해하여 비소와 인을 동시에 석출시키는 정액에 의해서 농축 분리하고 알칼리 용액으로 갈륨을 재용해하여 전해채취를 통해 갈륨을 회수하는 방법이다. 이온교환법과 용매추출법은 고비용과 작업의 안정성 및 환경오염 측면에서 문제점이 있으며, 산-중화법은 산과 알칼리가 다량 소비되는 단점이 있다. 따라서, 본 연구에서는 GaAs를 알칼리 용액에 산화제를 투입하여 고액농도(pulp density)에 따라 갈륨과 비소를 용해한 후, 알칼리 용해액에 알칼리 토금속 화합물(alkaline earth metals)을 첨가하고, 고액분리하여 갈륨을 용해한 용액과 비소와 알칼리 토금속의 화합물의 고체를 분리하였다. 분리된 갈륨용액은 전해채취를 통하여 갈륨으로 석출시켜 회수하는 습식제련 공정 연구를 수행하였다.

GaAs 스크랩으로부터 Ga 회수를 위한 습식제련 공정 연구

심종길,김영암,박재훈,박정진,이찬기,박경수 한국폐기물자원순환학회 2015 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2015 No.11

갈륨은 뛰어난 특성을 가지는 반도체 재료지만, 정광이 거의 존재하지 않는 희소원소이며, 주로 알루미늄이나 아연 제련 등의 부산물로서 얻을 수 있고, 주로 화합물 반도체(compound semiconductor)에 사용되고 있다. 화합물 반도체는 갈륨비소(gallium arsenide, GaAs), 갈륨인(GaP) 등이 있으며, 발광 다이오드(light emitting diode, LED), IC 등에 이용되고 있다. 이러한 화합물 반도체(GaAs, GaP 등)를 습식으로 분리, 농축하는 일반적인 방법으로는 이온교환법(ion exchange method), 용매추출법(solvent extraction method), 산-중화법 등이 있다. 이온교환법은 갈륨을 포함한 용액을 적정한 pH의 영역에서 킬레이트 이온교환 수지를 사용하여 흡착한 후, 탈기하여 갈륨 수용액으로 회수한 후, 전해채취를 통하여 갈륨을 회수하는 방법이며, 용매추출법은 유기용매에 카르본산계 또는 인산계 킬레이트 추출제를 포함한 유기상을 사용하여 수용액의 pH를 조정한 후, 갈륨을 선택적으로 추출하여 분리․농축한 후, 전해채취를 통하여 갈륨을 회수하는 방법이다. 산-중화법은 강산으로 침출해 중화를 거친 후, 알칼리 용해하여 비소와 인을 동시에 석출시키는 정액에 의해서 농축 분리하고 알칼리 용액으로 갈륨을 재용해하여 전해채취를 통해 갈륨을 회수하는 방법이다. 이온교환법과 용매추출법은 고비용과 작업의 안정성 및 환경오염 측면에서 문제점이 있으며, 산-중화법은 산과 알칼리가 다량 소비되는 단점이 있다. 따라서, 본 연구에서는 GaAs를 알칼리 용액에 산화제를 투입하여 고액농도(pulp density)에 따라 갈륨과 비소를 용해한 후, 알칼리 용해액에 알칼리 토금속 화합물(alkaline earth metals)을 첨가하고, 고액분리하여 갈륨을 용해한 용액과 비소와 알칼리 토금속의 화합물의 고체를 분리하였다. 분리된 갈륨용액은 전해채취를 통하여 갈륨으로 석출시켜 회수하는 습식제련 공정 연구를 수행하였다.

폐 LED의 특성 및 유가금속의 추출 방법

김병조,심종길,박재훈,박정진,이찬기,박경수 한국공업화학회 2015 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2015 No.1

LED 시장의 규모가 증가함에 따라 폐 LED의 양도 증가하고 있다. 폐 LED에는 Au, Ag, In, Ga 등과 같은 유가금속이 함유되어 있어, 유가금속을 추출하는 연구가 필요하다. 본 연구에서는 폐자원 수거업체를 대상으로 다양한 종류의 폐 LED를 확보하여 특성을 조사하였다. 폐 LED를 분리/분쇄 및 열처리를 실시 후, HNO₃를 사용하여 AgNO₃ 형태로 침출한 후 HCl을 투입하여 AgCl로 회수하였으며, 환원제를 사용하여 Ag 메탈을 회수하였다. Ag를 회수 후 여액에 함유되어 있는 In, Ga은 D2EHPA, Cyanex 272, Cyanex 923 등의 추출제를 사용하여 회수하고, 치환 및 전해채취 공정으로 In과 Ga 메탈을 회수하였다. 질산침출공정에서 침출되지 않은 잔사에 함유되어 있는 Au는 왕수를 사용하여 침출하였으며, 환원제를 사용하여 Au 메탈로 회수하였다.

아세토니트릴 첨가가 물유리 기반 실리카 에어로겔의 기공구조에 미치는 영향

김영훈,김태희,심종길,박형호 한국마이크로전자및패키징학회 2018 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.25 No.4

Sodium silicate based silica aerogels are lower in cost than silica alkoxide based silica aerogels, but the demand is decreasing as their physical properties are lowered. In this research, acetonitrile as a drying control chemical additive (DCCA) is added in the sol state to improve the pore-structural properties of sodium silicate based silica aerogel by preventing the agglomeration of particles and cross-linked bond. The sodium silicate based silica aerogel by ambient pressure drying were prepared by sol-gel process. Acetonitrile/Na2SiO3 molar ratio of 0, 0.05, 0.1, 0.15, and 0.2 was added to the sol state. The physical properties of the final product were analyzed using Fourier transform infrared, contact angle measurement, Brunauer-Emmett-Teller and Barrett-Joyner-Halenda measurements and field emission scanning electron microscopy. It was confirmed that the sample with adding 0.15 molar ratio of acetonitrile and sodium silicate showed a high specific surface area (577 m2/g), a high pore volume (3.29 cc/g), and a high porosity (93%) comparable to the porestructural properties of silica alkoxide based silica aerogels. 물유리 기반 실리카 에어로겔은 실리카 알콕사이드 기반 실리카 에어로겔에 비해 단가가 싸지만 기공률 및 비표면적과 같은 기공 특성이 상대적으로 열악하여 수요가 감소되고 있다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 졸 상태에서건조 제어 화학 첨가제(drying control chemical additive)인 아세토니트릴(acetonitrile)을 첨가하여 물성을 향상시키고자하였다. 상압 건조 물유리 기반 실리카 에어로겔은 졸-겔 공정을 통해 제조되었으며, 졸 상태에서 물유리와 0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2의 몰 비율로 아세토니트릴을 첨가하여 실험을 수행하였다. 최종 생성물의 물성은 퓨리에 분광기(Fourier transform infrared), 접촉각측정기(contact angle measurement), Brunauer-Emmett-Teller 및 Barrett-Joyner-Halenda 분석기와 전계방사형 주사전자현미경(field emission scanning electron microscopy)를 이용하여 분석하였다. 졸 상태에서 물유리와의 몰 비율이 0.15인 아세토니트릴을 첨가한 샘플의 경우, 높은 비표면적 (577 m2/g), 높은 기공 부피 (3.29 cc/g), 높은 기공률 (93%)을 보유하여 실리카 알콕사이드 기반 실리카 에어로겔과 유사한 기공구조를 나타낼 수 있음을 확인하였다.

MOCVD 더스트로부터 Ga과 In의 침출 거동

박경수,강이승,이찬기,홍현선,심종길,박정진,Park, Kyung-Soo,Swain, Basudev,Kang, Lee Seung,Lee, Chan Gi,Hong, Hyun Seon,Shim, Jong-Gil,Park, Jeung-Jin 한국분말야금학회 2014 한국분말재료학회지 (KPMI) Vol.21 No.3

Leaching of MOCVD dust in the LED industry is an essential stage for hydro-metallurgical recovery of pure Ga and In. To recover Ga and In, the leaching behavior of MOCVD scrap of an LED, which contains significant amounts of Ga, In, Al and Fe in various phases, has been investigated. The leaching process must be performed effectively to maximize recovery of Ga and In metals using the most efficient lixiviant. Crystalline structure and metallic composition of the raw MOCVD dust were analyzed prior to digestion. Subsequently, various mineral acids were tested to comprehensively study and optimize the leaching parameters such as acidity, pulp density, temperature and time. The most effective leaching of Ga and In was observed for a boiling 4 M HCl solution vigorously stirred at 400 rpm. Phase transformation of GaN into gallium oxide by heat treatment also improved the leaching efficiency of Ga. Subsequently high purity Ga and In can be recovered by series of hydro processes.

MOCVD 더스트 합성용액으로부터 D2EHPA를 이용한 In의 선택적 용매추출

임병용,이찬기,박재량,박경수,심종길,박정진,Im, Byoungyong,Swain, Basudev,Lee, Chan Gi,Park, Jae Layng,Park, Kyung-Soo,Shim, Jong-Gil,Park, Jeung-Jin 한국자원리싸이클링학회 2015 資源 리싸이클링 Vol.24 No.5

In, Ga, Fe, Al이 함유되어 있는 혼합용액으로부터 In을 분리하기 위해 D2EHPA를 이용한 용매추출 연구를 수행하였으며, In의 추출에 대한 수상의 HCl 및 추출제 농도 효과를 확인하였다. In과 Ga의 추출률은 HCl 농도의 감소에 따라 증가하였지만, Fe와 Al의 추출률에는 큰 영향을 미치지 않았다. In과 Ga의 분리인자($D_{In}/D_{Ga}$)는 1.0 M D2EHPA, 0.5 M HCl조건에서 115로 나타났다. 즉, D2EHPA는 혼합용액으로부터 In을 분리하는 추출제로 적합하며, 추출률 및 분리인자는 HCl 및 추출제의 농도 조절을 이용하여 조절할 수 있다. The separation of In from the synthesis solution with Ga, Fe, and Al has been studied by the solvent extraction using D2EHPA as an extractant. The effects as a function of the concentration of extractant and HCl on the extraction of In were investigated. The extraction of In and Ga increased with decreasing HCl concentration, but that of Fe and Al was independent. Separation factor between In and Ga of 115 was obtained at 1.0 M D2EHPA in the presence of 0.5 M HCl of feed solution. Consequently, this study shows that D2EHPA is suitable extractant for In extraction from the synthesis solution. Extraction efficiency and separation factor could be increased by controlling HCl and extractant concentration.

MOCVD dust로부터 Ga 금속 회수를 위한 전해채취 연구

임병용(Byoungyong Im),이지은(Jieun Lee),이찬기(Chan Gi Lee),엄성현(Sunghyun Uhm),박경수(Kyung-Soo Park),심종길(Jong-Gil Shim),박정진(Jeung-Jin Park) 한국에너지기후변화학회 2016 에너지기후변화학회지 Vol.11 No.1

Recovery of Ga from highly crystalline GaN of MOCVD dust by hydro-metallurgical has been investigated. Because of high crystallinity, the GaN is highly stable in the MOCVD dust, which is extremely difficult to leach out the Ga by ordinary acidic or alkaline media. For easier leaching, GaN was converted to leachable NaGaCO₂ by a solid-solid reaction between GaN-Na₂CO₃ through heat treatment at 800 °C. The heat treated materials was leached using 4 M HCl with a pulp density of 100 g/L at 70 °C. Above 99% of leaching efficiency was achieved using 4 M HCl. Followed by electrowinning was applied for recovery of Ga from leach solutions. Electrowinning reveals that, Faradic efficiency was increased with increasing pH. Ga with 97% purity can be obtained at all pH ranges (pH 0.5-2). In the electrowinning of Ga from HCl media under investigated condition, the purity of recovered Ga is independent of leach solution pH.

LED 공정스크랩으로부터 Ga 회수를 위한 침출 거동 연구

박경수 ( Kyung Soo Park ),( Basudev Swain ),강이승 ( Lee Seung Kang ),이찬기 ( Chan Gi Lee ),엄성현 ( Sung Hyun Uhm ),홍현선 ( Hyun Seon Hong ),심종길 ( Jong Gil Shim ),박정진 ( Jeoung Jin Park ) 한국공업화학회 2014 공업화학 Vol.25 No.4

LED scraps consisting of highly crystalline GaN and their leaching behavior are comprehensively investigated for hydro-metallurgicalrecovery of rare metals. Highly stable GaN renders the leaching of the LED scraps extremely difficult in ordinaryacidic and basic media. More favorable state can be obtained by way of high temperature solid-gas reaction of GaN-Na2CO3powder mixture, ball-milled thoroughly at room temperature and subsequently oxidized under ambient air environment at1000-1200 ℃ in a horizontal tube furnace, where GaN was effectively oxidized into gallium oxides. Stoichiometry analysisreveals that GaN is completely transformed into gallium oxides with Ga contents of ~73 wt%. Accordingly, the oxidized powdercan be suitably leached to ~96% efficiency in a boiling 4 M HCl solution, experimentally confirming the feasibility ofGa recycling system development.