염화철 에칭폐액의 전기화학적 재생 및 구리회수 시스템의 scale-up에 관한 연구

Abstract

PCB 제조공정 중 발생하는 에칭 폐액의 기존 재생 방법인 치환공정이 아닌 전기화학적 방법을 이용하여 염화철 에칭 폐액을 양극에서 재생하고, 음극에서 구리를 석출하기 위한 실험을 하였다. 에칭 공정 중에 사용되는 염화철 에칭액은 계속되는 에칭 공정에 의해 에칭 액 속의 구리농도 상승과 에칭액의 Fe3+농도의 저하로 ORP(Oxidation Reduction Potential)가 낮아지고 에칭 능력이 떨어지게 된다. 에칭 속도가 떨어지고 불균일한 에칭이 계속되면 이것을 dump(치환재생 및 구리회수)하게 된다. 하지만, 치환재생은 환경적으로 많은 문제점을 갖고 있기 때문에 보다 친환경적인 전기화학적 반응을 이용하여 폐 염화철 에칭액을 재생시키는 방법이 주목을 받고 있다. 본 연구에서는 염화철 부식액의 전기적 재생장치를 개발하기 위한 기초실험을 수행하고 실제 산업적으로 쓰일 수 있도록 적용시키는 단계의 실험들을 수행하였다. 모든 실험 과정은 MATLAB과 DAQ(Data Acquisition: 정보수집) System을 이용하여 자동 제어하였으며, 양극액과 음극액이 섞이지 않도록 반응기 사이에 음이온 교환막을 설치하여 전해조를 구성하였다. 양극액은 염화철 에칭 폐액을 그대로 사용하였으며, 음극액은 염화철 에칭 폐액을 조건에 맞게 0.5N 염산에 희석하여 사용하였다. 양극액 전극은 DSA 전극, 음극액 전극으로는 카본 전극을 사용하여 반응을 진행하였다. 양극액에서는 기존 실험액에 들어있는 Fe2+의 산화, Feeding액의 산화, 구리 에칭으로 인해 생성된 Fe2+산화반응이 일어난다. 반면, 음극액에서는 액 속에 있는 Cu 이온들이 전극판에서 입자상 구리로 석출, Feeding액의 환원, 기존 액 중 Fe3+환원반응이 일어난다. 본 연구는 실제 산업적으로 쓰이는 에칭Line에 연결할 Pilot을 개발하기 위한 연구이므로 모든 반응은 연속식 반응으로 진행하였다. 염화철 에칭 폐액에는 구리와 철, 두 가지 금속 이온들이 동시에 함유되어 있기 때문에 두 금속 간에 일어나는 간섭현상이 실험 진행의 변수로 작용하였다. 이를 해결하는 방법으로 RGB 칼라센서의 R값과 ORP 값을 이용한 제어식을 만들고 MATLAB 프로그램을 이용하여 자동제어 하였다. 전류밀도는 350mA/cm2일 때, 음극액 중 Fe3+농도가 낮을수록, 구리 이온 농도가 10g/L일 때 높은 구리 석출 효율을 나타냈다. 반면, 구리 이온 농도나 철 이온 농도 또는 조성에 상관없이 비슷한 수준의 전류효율을 나타내는 것으로 보아 실험조건보다는 System의 정밀도가 높을수록 높은 전류효율을 나타내는 것으로 보인다. 이러한 최적 조건 등을 이용하여 Pilot장치의 설계를 진행하였고, 전산모사와 실제 실험을 통해 비교한 결과 실현 가능성을 확인하였다. 전산모사 결과 2900L 에칭조와 160L 재생조 4개 이상을 연결한다면 하루 20시간 동안 에칭을 한다고 가정했을 때, 360시간 뒤에도 에칭 능력이 유지되는 것을 확인하였다.