전자산업의 강판재료를 식각하는 공정에서의 반응수율 향상을 위한 기술 개발

박진수, 정재학, 이문용, 소원섭, 이창윤

영남대학교 응용화학공학부

zioo123@orgio.net

Development of Technology for yield improvement in the steel etching process of  electronic industry

Jin Soo Park, Jae Hak Jung, Moonyong Lee, Won Suop So, Chang youn Lee

School of Chemical Engineering & Technology, Yeung nam University

zioo123@orgio.net

서론

식각액 재생 공정의 수율 향상은 (1) 산화반응 자체의 선택적 전환율 증가, (2) 산화반응에 소요되는 순수 반응물 흐름양 최대화, (3) 식각액 재생 공정의 종합적 예측적 관리의 세 가지를 통하여 달성할 수 있다. 여기서 (1) 산화반응 자체의 선택적 전환율 증가는 반응 조건의 최적화, 산화 반응조 내부구조 개선을 통한 혼합효과 개선, 식각액 재생 공정 흐름도 및 운전조건 개선 등을 통하여 구현될 수 있다. 또한 (2) 산화반응에 소요되는 순수 반응물 흐름양 최대화는 투입 과수량과 염화철 순환액의 증가를 통하여 구현될 수 있다. (3) 식각액 재생 공정의 종합적 예측적 관리를 위해서는 식각액 재생 공정 효율의 정확한 산정과 관리를 위한 tool의 개발 및 구축이 필요하다.

이론

식각액 재생 공정에서 일어나는 염화철 산화반응은 Fenton의 산화 반응 메카니즘을 따르는 것으로 알려져 있다. Fenton의 산화 반응 메카니즘은 다음과 같다.

1) Initiation Step

①

2) Propagation Step

②

③

3) Termination Step

④

여기서 propagation step과 termination step이 경쟁적으로 일어나는데 propagation step 이 우세할수록 식각액 재생 공정의 반응의 산화효율은 떨어지게 되고 반대로 termination step이 우세할수록 식각액 재생 공정의 반응의 산화효율은 향상된다.

X = (산화반응에 사용된 과수양)/(투입된 총 과수양) X 100

한편 식각액 재생 공정의 수율은 다음과 같이 정의된다.

Y = (식각액 재생공정의 가동 전의 신액 투입양 - 식각액 재생공저의 가동 중의 신액 투입양)/(식각액 재생공정의 가동 전의 신액 투입양) X 100

실험

1) 식각액 재생 공정의 반응조 RPM의 변화

반응조의 RPM의 변화실험은 고정된 최적 RPM을 얻기 위한 실험이었다. 반응조 내의 RPM의 변화에 의해서 과산화수소가 구액과 접촉할 수 있는 기회가 늘어나 과산화수소의 전환율이 향상된다는 것을 바탕으로 실험을 하였다. RPM은 0, 100, 300, 500을 수행하였으며 실험에서의 초기 값은 다음과 같았다.

◐ A : 17.5   B :  22.1 ◐ 피 로 도  : 18.4  ◐ 과수투입량 : 2.5 ml (350g/l)

그림 1에서 보듯이 RPM이 높아질수록 반응속도와  전환율이 높아지는 것을 볼 수가 있다. 향후의 실험에서 최적의 RPM기준은 실험결과의 변화의 추이를 관찰하  는 것이 더욱 중요하기 때문에 500RPM을 선택을 하였으며, RPM이 증가할수록    구액과 H2O2와의 Mixing 효과가 좋아지는 것을 확인할 수 있다.

2) 과산화수소의 투입양의 변화

과산화수소에 투입량에 따른 영향을 보기 위하여 과산화수소의 양을 변화시키면서 실험을 하였다. 본 실험에서 어느 특정 부분에서 전환율이 최고치를 나타내는 것을 볼 수가 있었다. 먼저 1차 실험에서는 0, 1, 1.25, 1.6, 2.1, 2.5, 3, 4, 5, 10를 투입을 하였고 2부근에서 최고전환율을 보였으므로 이 점을 중심으로 한 2차 실험때에는 투입량을 1.7, 1.9, 2.1, 2.5 으로 실험을 하였다. 대략적으로 2.1에서 최고전환율을 보이고 있었다. 결과를 각각 그림 2와 3에 나타내었다. 과산화수소의 투입양에 따른 전환율의 최적점이 존재하는 사실은 과산화수소 농도에 따른 전환율 최적점의 존재 이유와 동일하게 설명될 수 있다. 즉, 수율 향상을 위한 직접적인 방법이 과수 투입양을 늘려줌으로써 산화반응의 절대양을 증가시켜 궁극적으로는 수율을 증가시키는 접근방법이다.

3) 순환량에 의한 영향

식각액 재생공정의 반응조로의 염화철 용액 순환량에 따른 전환율의 영향을 보기 위해 실험을 수행하였다. 그림 4에서 보듯이 순환량을 증가시킴에 따라 전환율이 증가함을 확인할 수 있다. 이는 과수산화반응에서 예측했던 바와 같이 염화철 순환량이 커질수록 FeCl2의 국지적 농도가 증가하게되어 과수가 FeCl2와 반응할 수 있는 기회가 늘어남으로써 산화반응으로의 정반응이 증가하기 때문이며, 또 다른 효과로는 순환량 증가에 따른 식각액 재생공정의 반응조 내에서의 mixing 효과가 향상됨으로써 전환율이 증가되기 때문이다.

4) 식각액 재생공정의 반응조 내부구조 변경

실험을 통하여 식각액 재생공정의 반응조 mixing 효과 증진 필요성을 확인하였다. 따라서 mixing 효과를 극대화하기 위하여 검증된 표준 설계지침에 따라서 반응조의 내부구조 변경 설계를 수행하였다. 그림 5에 변경된 설계도를 나타내었다.

구조 변경전 DATA                       구조 변경후 DATA

반응전		반응후
A	16.4	A	16.5
B	21.4	B	21.4
피 로 도	19.237	피 로 도	18.832
전환율	24.5	수 율	30.4

반응전		반응후
A	16.4	A	16.6
B	21.3	B	21.3
피 로 도	18.925	피 로 도	18.113
전환율	48.8	수 율	42

표에서 볼 수 있듯이 반응기의 내부구조 변경 후 수율에서 약 10%의 증가효과를 확인할 수 있다.

결론

주요 운전변수가 식각액 재생공정의 수율 간의 관계를 이론적/실험적으로 규명하여 수율 향상을 위한 전략을 수립하였다. 반응기 내부구조 개선, 공정 개선, 순환량 증대, 과수투입량 증대, 피로도 관리로 65% 수율 운전이 충분히  가능함을 현장 test로 확인하였다, 그러나 어떠한 방법으로 수율이 증대되더라도 Ni농도 및 이물질 축적이 필수적으로 수반되게 되므로 이것이 제품 규격에 미치는 원인과 이에 대한 해결책이 먼저 확립되어야 비로소 고수율 식각액 재생 공정의 운전이 현실화 될 수 있을 것이다.

그림 1 식각액 재생공정의 RPM 실험결과

그림 2. 1차 실험 결과

그림 3. 2차 실험 결과

그림 4. 순환량에 따른 시간대별 전환율

그림 5.  구조 변경후의 반응조의 도면