제 42회 한국자원리싸이클링학회 학술발표대회

폐인쇄회로기판(PCBA)의 부품분리,

분쇄 및 선별공정에 관한 연구

박승수* 김성민 정인상 문 향

권석제 한성수 서아람 조아람 박재구(한양대학교),

박재범 한 국(에스씨지솔루션즈(주))

한양대학교 자원환경공학과

자원환경처리연구실

목 차

연구의 배경 및 목적

연구방법

공정 1. 부품분리

공정 2. 분쇄/단체분리

공정 3. 물리적선별

결 론

폐인쇄회로기판 재활용의 필요성

연구의배경

3/20

• 전자·전기제품 사용량의 증가, 교체주기의 감소로 인해 전자폐기물에 대한 발생량 증가.

• 전자폐기물 중 인쇄회로기판(PCBA)에는 Cu, Ni, Au, Ag, Pt 등 많은 유가금속이 함유.

• 인쇄회로기판의 재활용은 폐기물 처리의 대안이자, 자원고갈 및 금속가격 증가의 해결방안.

Fig. 1. (a) 전자폐기물 더미 (b) 전자폐기물 발생량 (c) 전자폐기물에 관한 뉴스 기사

(a)

(b)

(c)

실장인쇄회로기판(PCBA; Printed Circuit Board Assembly)

연구의배경

(실장)인쇄회로기판(PCBA; Printed Circuit Board Assembly)

인쇄회로기판(PCB; Printed Circuit Board)

PCBA = PCB + electronic components

전자 부품(ECs; Electronic Components)

4/23

연구의배경

5/20

부품분리의 필요성

습식제련의 필요성

Table 1. 노트북 인쇄회로기판(PCB)과 각종 전자부품에 함유된 금속의 양 (wt.%)

현재 PCBA 리싸이클링공정을 통해 회수되는 금속

부품에 소량 함유되어 회수되지 못하고 버려지는 금속

PCBA 동제련소에서 건식제련

Ta, Pd 등 미량의 유가금속이처리과정에서 손실

• Cu, Ag, Au 등

소수의 유가금속만을 회수

• BFR 등의 유해성분소각으로

인한 유독가스 발생

공정흐름도1)

연구 방법

6/20

Shredder

Cut crusher

단체분리장치

Laptop

해체/선별

non-PCBAPCBA

부품분리기

PCBECs

정전선별기 Knelson 분급기

Cu concentrationtailings Cu concentration tailings

1) 특허출원: 10-2014-0052914, 『인쇄회로기판의 구리 선별방법』, 2014.04.30

+180 𝜇𝑚 -180 𝜇𝑚

공정 1. 부품분리

7/20

노트북 PCBA의 부품분리장치2)

PCBA

Feeding/

Crushing rod

Steel brush

IR heater

PCBA in

Heat PCBA(via IR heater)

Crush large ECs(via feeding/crushing rod)

Sweep off small ECs(via steel brush)

Feed PCBA(via feeding/crushing rod)

Discharge PCBA(via feeding/crushing rod)

Rep

eat 3

times

2) 특허등록: 10-1367307, 한양대학교, 『인쇄회로기판의 부품분리장치』, 2014.02.19

Fig. 2. 노트북 PCBA 부품분리장치 개요도 Fig. 3. 노트북 PCBA 부품분리장치의 처리 흐름도

공정 1. 부품분리

8/20

휴대폰 PCBA의 부품분리장치3)

소형 부품분리 장치

• PCBA의 종류에 무관하게 부품 분리 가능

• 평균 약 85%의 부품분리율 달성

Heat PCBA(via IR heater)

Sweep off ECs(via steel brush)

Feed PCBA(via screw and hopper)

Discharge PCBA(via screw and steel brush)

3) 특허출원: 10-2014-0047573, 한양대학교, 『인쇄회로기판의 부품분리장치』, 2014.04.21

Fig. 4. 휴대폰 PCBA 부품분리장치 개요도

Fig. 5. 휴대폰 PCBA 부품분리장치의 처리 흐름도

공정 1. 부품분리

9/20

부품분리율 평가

최대 부품분리율: 94%

• 온도: 250℃

• 이송속도: 1RPM

(Capacity: 15 kg/hr)

속도의 영향

• 이송속도가 느려짐에 따라 지수

함수적으로 분리효율 증가

온도의 영향

• 225℃ - 250℃ 범위 내에서

최대치

cf.> Sn-Ag-Cu 합금의 융점: 217℃

9RPM

6RPM

3RPM

1RPM

0%

20%

40%

60%

80%

100%

200℃225℃

250℃275℃

Dis

asse

mbly

Rat

io (

%)

Maximum

disassembly ratio

Fig. 6. 다양한 조건에서의 부품분리율 비교

공정 2. 분쇄/단체분리

10/20

목 적

노트북의 인쇄회로기판의 구조의 특이성

• 구리박판과 유리섬유가 판형으로 번갈아가며 쌓여있는 “Sandwich”모양

• 에폭시 수지로 단단하게 결합되어 있는 상태

기존의 분쇄기를 사용할 경우 두 물질간의 단체분리가 쉽지 않음

전단력을 주 분쇄메카니즘으로 하여 인쇄회로기판의 단체분리 효율 향상

Fig. 8. 기존 분쇄기를 이용한 인쇄회로기판분쇄물의 화상

Fig. 7. 인쇄회로기판의 파쇄면 화상

공정 2. 분쇄/단체분리

11/20

분쇄/단체분리장치 구성

단체분리부

회수부

중분쇄부

Feed

금속 비금속

1차분쇄물

분진

중분쇄부

단체분리부

1차싸이클론(via steel brush)

2차싸이클론(via feeding/crushing rod)

금속입자

비금속입자

분진

Fig. 9. 분쇄/단체분리장치의 구성 Fig. 10. 분쇄/단체분리장치의 처리 흐름도

감압에 의해cyclone으로 이동

공정 2. 분쇄/단체분리

12/20

감압

가벼운 입자무거운입자

상승/분쇄

투입

나선형으로 상승

외벽에서전단/충격분쇄

중력에 의해하부로 떨어짐

가벼운 입자

무거운 입자

입자 투입

순환

분쇄/단체분리장치 원리4)

Fig. 11. 단체분리부의 개요도 Fig. 12. 단체분리부의 처리 흐름도

4) 특허출원: 10-2013-0065080, 한양대학교, 『인쇄회로기판의 금속 단체분리장치』, 2013.06.07

단체분리도 평가

단면적비≒품위로 가정하여 각 입도별 품위분포 작성

단체분리 입자의 기준을 변경해 가며 분쇄물의 단체분리도를 평가

공정 2. 분쇄/단체분리

13/20D

egre

e o

f lib

era

tion (

%)

Particle size (㎛)화상처리 화상해석

𝐿𝐴(%) =𝑊𝐴𝑓𝑟𝑒𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑐𝑙𝑒

σ𝑖=1𝑛 𝑊𝐴𝑖

× 100

Fig. 13. 화상처리된 이미지 및 이들로부터 해석된 단체분리도 평가자료

화상처리/해석 알고리듬5)

물질별(Cu, FR-4) 레퍼런스 이미지를 촬영 후 각 물질의 색상성분 대표값을 추출

연마 시편의 이미지 촬영 후 각 픽셀에 대해서 reference image의 색상성분 대표값과의

오차가 최소가 되는 물질의 색으로 맵핑

공정 2. 분쇄/단체분리

14/20

5) 특허출원: 10-2013-0065081, 한양대학교, 『화상 해석 기법에 의한 단체분리도 평가 장치 및 방법』, 2013.06.07

Fig. 14. 화상처리 및 해석 알고리듬 순서도

MLA data와의 비교

단체분리도 평가 결과의 비교

디지털 화상현미경(DOM)과 MLA를 각각 이용한 분쇄물의 단체분리도 평가

• 대체로 비슷한 경향을 보이는 것을 확인함

• 입자 면적 측정에서의 기하학적 차이에 의해 약간의 오차 발생

i.e. DOM: 시편의 투영이미지 촬영, MLA: 시편의 단면이미지 촬영

공정 2. 분쇄/단체분리

15/20

Fig. 15. DOM(좌)과 MLA(우)를 통해 촬영된 분쇄물 시편의 이미지

Fig. 16. 입도에 따른 단체분리도 평가 비교

공정 3-1. 정전선별

16/20

원 리

• 접지된 회전전극 (Grounded roll electrode),

코로나 전극 (Corona electrode)

유도 전극(Induction electrode) 으로 구성

• PET/Aluminum, Rare Metal,

Rutile/Zircon/Quarts, Cu/FR-4 선별에 적합.

(Knoll and Taylor, 1984)

Fig. 17. 코로나방전형 정전선별기의 개요도

Fig. 18. 코로나방전형 정전선별기의 사진

공정 3-1. 정전선별

17/20

정전선별

Fig. 19. 코로나방전형 정전선별기 내의 전기장(左), 입자의 궤적에 미치는 힘 모델(中) 입자 궤적 시뮬레이션 (右)

Table 2. 각 조건에서의 탈착지점 및 collecting point 계산

(𝟎, 𝟎) 𝜃𝑛

𝐹𝑐

𝐹𝑔

𝐹𝑐𝐹𝑔

𝐹𝑔

(𝒙𝟎, 𝒚𝟎)

(𝒙𝒊, 𝒚𝒊)

𝐹𝑒

𝐹𝑒

𝐹𝑟

𝐹𝑒

𝐹𝑒𝐹𝑟

𝐹𝑔

시뮬레이션 순서

• 전기장 설계 ▷ 입자 탈착점 예측 ▷ 입자 이동궤도 출력

PCB 분쇄물 정전선별 최적조건

• 입자 변수 : 입도, 밀도, 유전율

• 선별기 변수 : 전극의 세기, 회전전극 회전속도, 유도전극 위치, 회전전극 반경, 유도전극 반경

Conductor

Non-Conductor

공정 3-1. Knelson 분급기

18/20

원 리

r1

r2

r3

r4

r5

r6

h

𝑄1

𝑄2

𝑄3

𝑄4

𝑄5

• Chamber의 회전에 의해 입자에 가해지는 원

심력과 fluidizing water에 의해 입자에 가해

지는 항력이 동시에 작용

• 두 힘의 비(比)에 따라 정광과 광미가 결정됨

𝑋 =𝐹𝑐𝐹𝑑

Fig. 20. Knelson 분급기의 내부 모식도 Fig. 21. Knelson 분급기 내부 chamber

Fig. 22. 입자의 영향을 미치는 힘, 원심력(Fc), 항력(Fd)

공정 3-1. Knelson 분급기

19/20

Knelson 분급기

Chamber 1 Chamber 2 Chamber 3 Chamber 4 Chamber 5

d50_Cu 87.8565 ㎛ 52.1685 ㎛ 34.6574 ㎛ 24.8319 ㎛ 18.7800 ㎛

d50_Epoxy 395.3541 ㎛ 234.7584 ㎛ 155.9582 ㎛ 111.7435 ㎛ 84.5099 ㎛

Fig. 23. 각 chamber의 geometry Fig. 24. 입자에 따른 입도별 각chamber내에서의 X값 변화

Fig. 25. 주어진 조건에서 정광으로 회수되는 입자의 비율

Table 2. 각 chamber에서의 d50_Cu와 d50_Epoxy (실험조건: Q = 15ℓ/min, N = 1000 rpm)

결론

20/20

PCBA 를 대상으로 리싸이클링 공정 즉, 부품분리, 분쇄,

선별 등에 대한 실험 및 시뮬레이션을 실시하였다.

현재 공정 전체에서 각 금속의 회수율, 산출율을 포함

하는 Mass Balance 도출 및 최적조건을 찾기 위한 연구

가 진행되고 있다.

향후 분리된 전자 부품에 대한 리싸이클링 공정에 대한

연구를 진행할 예정이다.

Thank you!