KR20030019388A

KR20030019388A - 과망간산염 에칭액의 전기화학적 재생용 캐소드

Info

Publication number: KR20030019388A
Application number: KR1020027015616A
Authority: KR
Inventors: 데뵈르라인하르트; 뒨네바일제바스티안
Original assignee: 아토테크 도이칠란드 게엠베하
Priority date: 2000-05-19
Filing date: 2001-05-15
Publication date: 2003-03-06
Anticipated expiration: 2021-05-15
Also published as: ATE282724T1; WO2001090442A1; DE10025551A1; TWI279454B; CA2404378A1; BR0110851A; US20030141198A1; DE60107239D1; JP2003534459A; US7056424B2; AU2001267441A1; DE60107239T2; DE10025551C2; KR100804455B1; CN1429282A; HK1051222A1; CN1256465C; MXPA02010706A; WO2001090442A9; JP4991078B2

Abstract

플라스틱 표면을 에칭하고 거칠게 하는 데에 이용되는 과망간산염 용액을 재생하기 위해, 전기분해법이 알려져 있다. 화학적 재생 방법에 비하여 이들 방법에 의해 상대적으로 더 작은 양의 부산물이 생성된다고 하더라도, 인쇄 회로 기판이 처리될 때 많은 양의 이산화망간이 생성된다. 재생 방법 동안에 이산화망간의 형성을 방지하기 위해, 캐소드 본체 (3) 상에 다공성의 전기적 비도전층 (7) 이 제공되는 새로운 캐소드 (2) 가 개발되었다. 바람직하게는, 이 층은 내산성 및/또는 내알칼리성인 플라스틱 재료로 이루어진다.

Description

과망간산염 에칭액의 전기화학적 재생용 캐소드{CATHODE FOR ELECTROCHEMICAL REGENERATION OF PERMANGANATE ETCHING SOLUTIONS}

알칼리성 과망간산염 용액은, 예를 들어, 인쇄 회로 기판의 제조에서 플라스틱 물질을 에칭하기 위해 이용될 뿐만 아니라, 위생 기구, 자동차 산업, 정밀 기계 산업 또는 부속품 탑재용의 플라스틱으로 제조된 가공 부품의 금속화 이전에도 이용된다. 이러한 용액은 통상 1 liter 의 수용액당 30 내지 100 g 의 알칼리 과망간산염 및 30 내지 100 g 의 알칼리 수산화물을 포함한다. 과망간산나트륨보다 저렴한 과망간산칼륨은 통상 약 65g/l 미만의 농도에서 사용되며 상당히 더 양호한 가용성 과망간산나트륨은 65 g/l 보다 높은 농도에서 사용된다. 통상, 알칼리 수산화물 소스로 수산화칼륨 및 수산화나트륨이 사용된다. 일반적으로, 이러한 용액들은 60℃ 내지 98℃ 의 온도에서 작용한다. 통상, 플라스틱 표면은, 에칭을 용이하게 하기 위해, 실제 에칭 공정 이전에 유기 팽윤제로 처리된다.

플라스틱 표면의 에칭 처리로 인하여, 과망간산염종이 주로 망간산염종으로환원되므로, 이들 비율상에서 망간산염종은 과망간산염종 및 이산화망간과 불균등하게 된다. 이러한 반응 동안에, 상당한 양의 이산화망간 슬러지가 에칭액 내에 생성될 수 있다. 과망간산염의 소모로 인하여, 이 방법에 의한 연속적인 작업이 불가능하다. 또한, 이 방법은, 용액에 과망간산염을 첨가하여야 하고 폐기물을 영구적으로 처리하여야 하므로, 비용이 많이 든다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 재생 방법이 개발되어 왔다. 이 방법은 EP 0 204 399 A1 에 개시되어 있다. 이 방법에서, +Ⅶ 보다 작은 산화수를 가진 망간 화합물을 갖는 에칭액 내의 망간산염종을 재산화시키기에 충분한 양만큼, 소모된 과망간산염 에칭액 내에 산화제를 첨가하여, 과망간산염을 형성한다. 산화제로는 무기 브롬산염 (inorganic bromates), 치아염소산염 (hypochlorites), 아염소산염 (chlorites), 염소산염 (chlorates), 퍼록소디술페이트 (peroxodisulfates), 모노퍼술페이트 (monopersulfates) 및 이들의 혼합물이 제안된다. 산화제는 재생 반응 동안에 환원되고 이 환원 반응으로 인해 소모된다.

그러나, 이 방법은 복잡한 것으로 판명되었다. 또한, 산화제의 보충으로 인해, 에칭액 내에 또다른 물질이 형성된다. 따라서, 이 용액은 버려져야 한다. 이러한 이유로, 바람직하지 않은 반응 생성물을 배출하지 않는 전기화학적 재생 방법이 개발되어 왔다. 이러한 방법은 EP 0 291 445 A2 에 설명되어 있다. 이 방법은 특히 인쇄 회로 기판의 플라스틱 표면을 거칠게 하거나 클리닝하는 기능을 하는 과망간산염 에칭액을 재생하는 데에 이용된다. 이 방법은, 전기화학적 산화에 의해, +Ⅵ 의 산화수를 가진 망간을 +Ⅶ 의 산화수를 가진 망간으로 산화시키는 공정으로 이루어져 있다. 이 반응은 전기화학적 장치 내에서 수행되며 양극 반응 (anodic reaction) 을 포함한다. 이러한 목적으로, 전기화학적 장치 내에 캐소드와 애노드가 배치되고, 이 전기화학적 장치는 바람직하게는 상기 캐소드와 애노드 사이에 놓인 격막 (diaphragm) 을 갖는다. 애노드 및 캐소드는, 캐소드가 음극으로 극성을 갖고 애노드는 양극으로 극성을 갖도록 전류원에 접속되어 있다. 격막에 의해 서로 분리된 2 개의 전해액 컴파트먼트 (compartment) 가 제공되는 장치로 최적의 재생 결과가 얻어진다는 것이 상기 문헌에 분명히 적시되어 있다. 그러나, 하나의 전해액 컴파트먼트만을 제공하고, 거기에 2 개의 전극 모두를 침지한 (immerse) 장치를 사용한다면, 충분한 재생을 또한 얻을 수 있을 것이다.

또한, 특히 인쇄 회로 기판 내의 보어 구멍 (bore hole) 에서, 10 내지 100 g/l 의 알칼리 퍼망간산염 및 적어도 30 g/l 의 알칼리 수산화물을 함유하는 알칼리 과망간산염 에칭액에 의해 에폭시 수지를, 3 ㎛ 를 초과하는 에칭속도로, 에칭하는 방법이 설명되어 있다. 이 방법은, a. 0.5 내지 25 V 의 직류 전압 및 0.1 내지 20 A/cm²의 직류 전류밀도로 전기화학적 양극 산화 (electrochemical anodic oxidation) 에 의해 과망간산염 에칭액을 안정화하는 단계; b. 전기화학적 및/또는 측광적인 측정 및 원하는 값으로부터 벗어난 경우의 적절한 추가적 도즈량에 의해 과망간산염 및 OH^-이온 농도를 조절하는 단계를 포함한다.

화학적 산화제를 전기화학적으로 재생하는 유사한 응용이 W.P. Innes, W.H.Toller 및 D. Tomasello 의Plat. Surf.Finish.,1978, 페이지 36-40 에 설명되어 있다. 이 방법은 크롬산 에칭액의 재생에 관한 것이다. 이 경우에도, 재생 장치의 애노드와 캐소드는 격막에 의해 서로 분리되어 있고, 이 격막은 긴 다공성의 세라믹 실린더이다.

또다른 적용이 US-A3,470,044 에 개시되어 있다. 이 문헌에서 설명된 방법은 소모된 암모늄 퍼술페이트 (ammonium persulfate) 에칭액의 전기화학적 재생에 관한 것이다. 이러한 용액은 특히, 예를 들어, 구리, 코발트, 철, 니켈, 아연 및 이들의 합금 등의 금속을 용해하는 데에 이용된다. 재생 반응을 위해, 에칭액은 애노드가 배치된, 전해조 내의 애노드 컴파트먼트를 통과한다. 이 컴파트먼트는 격막에 의해 캐소드 컴파트먼트로부터 분리되며, 이 격막은 캐소드 이온 교환막 (ion exchange membrane) 으로 되어 있다. 캐소드는 캐소드 컴파트먼트 내에 배치되어 있다. 전기화학적 장치의 동작 동안에, 술페이트 (sulfate) 의 산화에 의해 퍼술페이트 (persulfate) 가 애노드에서 생성되고, 금속 이온이 캐소드 컴파트먼트로 이동하여 이 금속 이온은 캐소드에서 원소 금속으로 환원된다.

과망간산염 에칭액을 재생하는 또다른 장치가 JP 6-306668A 에 개시되어 있다. 이 경우, 장치는 재생 용기, 이 용기를 통과하는 과망간산염 에칭액, 및 이 용기 내에 배치되어 있고 서로 대향하고 있는 복수의 캐소드와 애노드를 구비한다. 캐소드는, 예를 들어, 폴리테트라플루오로 에틸렌층 등의 전기적 비도전층 (nonconducting layer) 에 의해 부분적으로 피복되어 있다. 예를 들어, 캐소드는 가는 봉의 형태로 설계된다. 이러한 봉들은 특정 부분 상에만 상기 층으로 피복된다. 이러한 부분은 피복되지 않은 다른 부분과 교차된다.

에칭 반응으로 인해 형성된 +Ⅶ 미만의 산화수를 갖는 망간종을 재산화시키기 위해 많은 양의 화학약품이 소비되거나 많은 양의 에너지가 소비된다는 점 때문에, 플라스틱 재료의 표면을 에칭하는 알려진 방법들은 복잡하다는 것이 판명되었다. 특히, 과망간산염 에칭액의 연속적인 재생에도 불구하고, 많은 양의 이산화망간 슬러지가 형성된다는 것이 판명되었다. 이러한 슬러지는 분리하여 계속적으로 폐기시켜야 한다. 또한 이러한 슬러지는 캐소드에서 발생하는 수소를 통해 용액 내에서 파열되어 (blown up) 이 슬러지는 플라스틱부를 에칭하기 위해 사용되는 처리 용기에 도달할 수 있다. 또한, 장시간의 재생 작업 후에는, 그리고 이와 관련하여 상당한 슬러지가 형성된 후에는, 플라스틱 표면의 거칠음이 불균일하게 되어 플라스틱 표면의 거친 정도가 변동하게 된다는 것이 발견되었다.

또한, 특히, 단위 시간당 큰 플라스틱 표면이 에칭되는 경우에, 과망간산의 재생 효율은 점점 감소한다는 것이 발견되었다. 이러한 거동은 특히, SBU (sequential buil up) 법이 이용되는 경우에 발생된다. 이 방법은, 사이에 놓여진 플라스틱층을 갖는 각 회로판들 (circuit planes) 이 순차적으로 제조되는 공정을 포함한다. 회로 캐리어에서의 각 유전층은, 이 유전층 상의 다음 회로선판 (circuit line plane) 의 양호한 접착성을 보장하기 위해, 세정되어 과망간산염 에칭 용액으로 거칠게 처리된다. 과망간산염 화합물의 소모 및 각 분해 산물, 예를 들어 망간산염 및 이산화망간의 형성은, 이 공정에서 큰 면적을 처리해야 하므로, 단위 시간당 상당하다. 여기까지는, 이들 에칭액 내에 과망간산염의 농도를 원하는 레벨로 유지하기 위해, 복수의 재생 장치가 제조 설비와 병행하여 배치되었다. 이러한 장치는 큰 바닥 면적을 요하여서, 개별 유닛이 나란히 배치될 때 (처리 용기 및 재생 장치) 문제가 발생한다. 이러한 분제점들은 쉽게 해결할 수 없다.

따라서, 본 발명의 목적은, 종래 장치 및 방법의 단점을 피하고 특히 고효율을 갖는 과망간산염 에칭액의 재생에 적합한 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 과망간산염 에칭액의 재생을 위한 전기화학적 장치용 캐소드, 이 캐소드의 제조방법, 및 과망간산염 에칭액을 전기화학적으로 재생하는 장치에 관한 것이다.

본 발명은 과망간산염 에칭액을 재생하는 전기화학적 장치용의 새로운 캐소드를 구비한다.

또한, 본 발명은 과망간산염 에칭액을 전기화학적으로 재생하는 새로운 장치를 구비한다.

또한, 본 발명은 과망간산염 에칭액을 전기화학적으로 재생하는 장치용 캐소드의 새로운 제조 방법을 구비한다.

과망간산염 에칭액을 재생하는 전기화학적 장치에 이용되는 본 발명에 따른 캐소드는 그 표면 상에 다공성의 전기적 비도전층이 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이 층은, 전류가 이를 통하여 흐를 수 있도록 형성된다. 다공성 (porous) 이란 용어는, 본 발명의 문맥에 있어서, 구멍 (perforation) 과 등가인것으로 사용된다. 따라서, 종래의 다공성 재료층을 갖는 캐소드가 본 발명의 범위 내에 포함될 뿐만 아니라, 피륙의 메쉬 (meshes) 사이의 사이공간인 구멍을 갖는 피륙 재료로 코팅된 캐소드도 포함된다.

전기화학적 재생 장치는 하나 이상의 애노드, 본 발명에 따른 하나 이상의 캐소드, 하나 이상의 애노드 및 하나 이상의 캐소드에 대한 전류원, 및 전류원과 하나 이상의 애노드 사이 및 전류원과 하나 이상의 캐소드 사이의 도전 라인을 구비한다.

본 발명에 의한 방법은 다음의 단계를 구비하는 바, 즉, a. 다공성의 전기적 비도전층을 캐소드 본체에 제공하는 단계, b. 이 층을 갖는 캐소드 본체를 망간산염을 포함한 알칼리성 과망간산염 용액에 접촉시키는 단계, c. 애노드를 망간산염을 포함한 알칼리성 과망간산염 용액에 접촉시키는 단계, 및 d. 캐소드와 애노드에 의해 형성되는 회로 내에 전류원으로 전류를 발생시켜, 캐소드의 표면상에 +Ⅳ 의 산화수를 갖는 망간산염을 적어도 주로 포함하는 불용성층을 형성시키는 단계를 구비한다.

종래의 캐소드 및 재생 장치를 사용하는 경우에는, 여과법에 의해 거의 분리되지 않는 이산화망간 슬러지가 과도한 양으로 생성되기 때문에, 에칭액의 작용에 문제를 일으켰다. 다량의 이산화망간의 발생으로 인해, 두꺼운 슬러지층이 전기화학적 셀의 바닥에 형성되었다. 캐소드 및 애노드는 부분적으로 이 층에 잠겨져, 이 영역내에서는, 애노드에서의 망간산염의 과망간산염으로의 재산화 또는 캐소드에서의 음극 반응이 실제로 더 이상 가능하지 못하게 된다. 바람직하게는 애노드와 캐소드 사이에 격막이 장착되지 않은 종래 재생 장치의 각 전극에서 발생하는 메카니즘을 더 조사해 보면, 음극 전류 밀도가 충분히 높은 경우에는, 과망간산염은 망간산염으로 그리고 또한 이산화망간으로 현저하게 환원되지 않았다는 결론에 이르게 되었다. 이 경우, 캐소드에서의 과전압 (overvoltage) 이 매우 높아서, 에칭액 내의 용매로 사용되는 물의 분해로 인해 캐소드에 수소가 현저하게 발생되었다. 수소의 발생으로 인해, 전술한 전기화학적 반응은 저하되었다. 따라서, 이 경우엔, 캐소드에서의 과망간산염의 환원이 전류 밀도의 더 큰 증가 및 이에 따른 과전압으로 인한 수소의 발생을 위해 저하되었기 때문에, 활성 캐소드 표면의 감소는 실제로 재생 셀의 바닥에서의 이산화망간의 축적으로 인한 재생 반응 효율의 증가를 초래했어야 할 것이었다. 놀랍게도, 종래 장치를 이용하는 경우에는 그 반대 현상이 관찰되었는데, 다시 말해서, 이산화망간 슬러지가 축적될 때, 효율은 감소하였다. 이러한 효과에 대한 이유는 아직 발견되지 않았다.

또한, 과망간산염 에칭액에 의한 불균일한 에칭은, 이 용액 내의 높은 물질 턴오버 (material turnover)으로 인해 에칭액의 조성이 더이상 쉽게 일정하게 유지되지 않는다는 사실때문이었음이 판명되었다. 흔히, 이러한 목적으로 배열되고 동시에 배치되는 장치들의 최대 용량을 이용할 때에만 전기화학적 재생이 가능하기 때문에, 에칭액이 완전히 재생될 수는 없었다. 따라서, 이러한 조건하에서는, 과망간산염 농도는 공칭값 미만이었고 망간산염 농도는 공칭값 초과이었다.

본 발명에 따른 캐소드 및 장치를 사용하는 경우, 종래 장치를 사용할 때 생기는 문제점들은 제거된다.

본 발명에 따라 전기화학적 재생 장치의 캐소드를 다공성의 전기적 비도전층으로 그 표면상에 코팅함으로써, +Ⅶ 미만의 산화수를 갖는 과망간산염 에칭액 내의 망간산염 화합물은 고효율로 과망간산염으로 재산화된다. 본 발명에 따른 캐소드를 전기화학적 장치에 이용하는 경우, 턴오버된 전하에 대한 망간산염 이온으로부터 형성된 과망간산염 이온의 전기화학적 당량 (electrochemical equivalent) 의 비율로 정의되는 효율은 2 내지 5 의 인수로 개선되었다. 캐소드 표면상의 층으로 인해, 전기화학적 반응에 유효한 면적이 예를 들어, 1/4 로 감소한다. 그러나, 이로 인해 증가된 국부적인 전류밀도는 본 발명에 의한 캐소드의 유리한 특성을 가져오지는 않는다. 이것은, 캐소드 본체의 크기의 감소로 인한 캐소드의 표면적의 감소가 표면상에 층이 증착되는 것과 동일한 효과를 갖는 것은 아니라는 사실로부터 알 수 있다.

또한, 종래 장치를 사용하는 경우와 비교하여, 이산화망간 슬러지가 휠씬 더 적게 발생된다. 흥미롭게도, 본 발명에 따라 캐소드에 형성된 이산화망간은 밀한 코팅으로서 캐소드 표면 상에 고착되어 떨어지지 않는다는 것이 발견되었다. 이때문에 슬러지가 더 적게 발생한다. 따라서, 종래 장치의 캐소드에서 발생되는 수소가 이산화망간 슬러지를 파열시켜 이산화망간이 플라스틱 부품을 위한 처리 용기 내로 들어와서 문제를 일으키는 문제점도 해결된다.

본 발명에 따른 캐소드 및 이러한 캐소드가 제공되는 재생 장치의 장점은, 단위 시간당 큰 플라스틱 표면을 에칭하는 SBU 방법을 이용하는 경우에 특히 유리한 효과를 갖는다. 이 경우, 재생 효율의 증가로 인해, 저 낮은 전기적 총 출력을 갖는 본 발명에 따른 더 적은 수의 전기화학적 재생 장치들로도 에칭 조건을 일정하게 유지시키에 충분한다. 따라서, 플라스틱이 에칭될 때의 높은 물질 턴오버에도 불구하고, 에칭으로 인한 상당한 편차는 발견되지 않는다.

바람직한 실시형태에 대한 상세한 설명

본 발명의 주제는 전기화학적 재생 장치의 캐소드의 표면 상의 다공성의 전기적 비도전층에 관한 것이다.

캐소드는 바람직하게는 이 층으로 완전히 코팅된다. 이 층은, 캐소드가 이 층으로 완전히 피복되어 있다 하더라도 이를 통해 전류가 흐를 수 있도록 설계된다.

바람직하게는, 내산성 및/또는 내알칼리성이고, 예를 들어, 플라스틱 재료 또는 세라믹으로 제조된 층을 사용한다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 이 층은 특히 캐소드 표면에 꼭 맞는 피륙을 구비하고 바람직하게는 이러한 피륙으로 이루어진다. 이 경우, 피륙의 메쉬 사이에 갭 (gap) 이 형성되어 있기 때문에, 전류가 이 층을 통해 흐를 수 있다. 본 발명의 또다른 실시형태에서는, 이 층은 본질적으로 또는 완전히 이 층을 통해 연장되어 있는 작은 구멍들을 가지고 있어서, 전기적인 도전성이 확보되고 피륙으로 제조되지 않으며 캐소드 본체를 완전히 피복하는 상대적으로 조밀한 재료로 제조된다.

이 층은 특히, 폴리알킬렌 (polyalkylene) 및 폴리퍼할로겐알킬렌 (polyperhalogenalkylene) 을 포함하는 그룹으로부터 선택된 재료를 구비하고 바람직하게는 이러한 재료로 이루어지며, 특히, 폴리프로필렌 (PP), 고밀도 폴리에틸렌 (HDPE) 및 폴리테트라플루오르에틸렌을 포함하는 그룹으로부터 선택된 재료로 이루어진다. 특히, 70 내지 100 ㎛ 의 메쉬 크기를 갖는 폴리테트라플루오르 에틸렌으로 제조된 거즈 (gauze) 로 본질적으로 이루어진 층이 바람직하다. 또한, 다공성 HDPE 를 사용하는 것이 바람직하다. 대체로, 다공성 세라믹을 사용할 수도 있다. 따라서, 본 발명에 따른 취지에서, 채널을 통해 전류가 흐를 수 있는 모든 재료가 다공성층을 형성하는 데에 적당하다고 할 수 있다.

+Ⅳ 를 넘는 산화수를 가진 캐소드에서의 망간종, 즉 MnO₄ ^-, MnO₄ ^2-및 +Ⅴ의 산화수를 가진 망간의 망간종의 전기화학적 반응으로 인해, 불용성 코팅이 캐소도에 형성되며, 이 코팅은 불용성인 것으로서, +Ⅳ 의 산화수를 가진 망간을 적어도 주로 포함하고 캐소드 표면 상에 흡착된다. 다공성의 전기적 비도전층과 함께 이 층은 이산화망간 코팅에 의해 결합된 코팅을 형성하며, 필요하다면 이 코팅은 캐소드 표면과 층 사이의 갭뿐만 아니라 층의 구멍 및 피륙 내의 빈 공간을 충전한다. 본 발명에서는, 이산화망간은 전기화학적 반응 및 균일 용액에서 또는 불균일하게 발생하는 산화환원 반응으로 인해 형성되는 반응 생성물인 것으로 정의된다. 아마도, 이 물질은 연망간석 (pyrolusite) 이지만, 이산화망간 미네랄일 수도 있다. 이 망간종을 포함하는 캐소드 역시 본 발명의 범위에 포함된다.

이 복합 코팅은 다공성이고 불용성이며 전기적 비도전층 및 이 층의 갭과 구멍에서 형성되는 코팅 모두를 구비한다. 이 복합 코팅은 전기적으로 도전성이다. 이러한 도전성은 층 내의 구멍 및 갭 및 코팅 내의 갭으로 인한 것일 뿐만 아니라 코팅 그 자체의 일정한 전기적 전도성으로 인한 것이다. 코팅의 전기적 도전성은 예를 들어, MnO_2-x등의 화학식으로 기술되는 이산화망간의 비화학량론적(nonstoichiometric) 조성으로 인한 것일 수 있으며, 여기서 x 는 0 과 1 사이의 수에 해당한다.

따라서, JP 6-306668 에 개시된 바와 같이 캐소드 표면을 부분적으로 개방시킬 필요가 없다. 이 경우, 캐소드 봉은 전기적 비도전층에 의해 부분적으로만 피복되어 있다. 이 경우, 주된 전류는 그 비도전층이 없는 캐소드 표면에서의 영역을 통하여 흐를 것이다.

캐소드 본체는 전기적 도전성 표면을 가지며, 바람직하게는 금속으로 이루어진다. 본 발명의 특히 바람직한 실시형태에서는, 캐소드 본체는 구리로 제조되거나 고온의 알칼리성 과망간산염 에칭액에 대한 저항력이 있는 특별한 스테인레스강으로 제조된다. 예를 들어, V4A 스테인레스강이 사용될 수 있다. 구리가 양극으로 극성을 가질 경우 열등한 저항력을 나타내기 때문에, 재생 컴파트먼트를 세정할 때 구리로 제조된 캐소드 본체를 재생 장치로부터 제거해야하므로, 스테인레스강이 구리보다 더 바람직하다.

형태에 따라서, 이 층은 캐소드 본체에 장착되거나, 가공된 재료로 증착된 후 적절한 막 형성 방법에 의해 다공성 층이 형성될 수 있다. 예를 들어, 전자의 경우에, 층 재료로부터 튜브가 먼저 제조되고 그 후 캐소드 상에 장착된다. 필요하면, 그 본체 상으로 수축될 수 있는 튜브용 재료가 선택된다. 후자의 경우에, 예를 들어, 분말 재료가 캐소드 본체 상에 증착된 후에 그것에 소결-융합(sinter-fused)되고, 이 방법 동안에 다공성층이 형성된다. 이러한 방법으로, 예를 들어 세라믹으로부터 다공성층을 제조할 수도 있다.

그 다음에, 이 층이 제공된 캐소드 본체 및 애노드를 망간을 포함하는 알칼리성 과망간산염 용액과 접촉시킨다. 이러한 목적으로, 과망간산염 용액은 전형적인 과망간산염 에칭액과 동일할 수 있다. 또한, 이산화망간 코팅을 생성하는 조건은 플라스틱 표면을 에칭하기 위해 적용되는 조건과 동일할 수 있다. 플라스틱 표면을 에칭하는 데에 사용되는 이 용액을 재생하기 위해 이 다공성층이 제공된 캐소드 본체를 과망간산염 에칭액에서 직접 이용한다면, 이산화망간 코팅은 전류가 흐르기 시작할 때도 형성된다. 과망간산 에칭액을 재생하기 위한 경우의 애노드로서 익스팬디드 메탈 (expanded metal) 부분을 이용할 수 있다.

이산화망간 코팅을 형성하기 위해, 캐소드 및 애노드에 의해 형성된 회로에 전류를 발생시켜 캐소드 표면 상에 이산화망간 코팅을 형성한다. 이러한 목적으로, 캐소드 및 애노드에 예를 들어 직류를 제공한다. 바람직하게는, 초기에 감소된 전류가 설정된다. 증가된 전류의 스위칭온 후에는, 전형적인 이산화망간층 형성 속도에 도달할 때까지 이 전류는 점점 증가된다. 놀랍게도, 재생 장치의 통상적인 작업동안에, 캐소드 표면 상의 이산화망간의 증착이 진행되지 않는다.

바람직하게는, 캐소드는 특히 금속으로 제조된 봉, 바람직하게는 강 (steel) 을 제조된 봉으로 형성된다. 애노드는 바람직하게는, 구멍뚫린 실린더 형상으로 설계되며, 캐소드는 애노드의 중심에 축대칭을 배치되어 있다. 바람직하게는, 이 실린더 또한 금속으로 이루어지며, 특히 강으로 이루어진다. 이러한 배치로 인해, 2 개의 전극 사이의 공간에서의 대칭적인 전계때문에, 균일한 전류 밀도 분포가 캐소드의 표면에 이루어진다. 이 때문에, 전극 표면에서 전기화학적인 반응을 재현가능하게 설정할 수 있어서 장치에서 한정된 조건을 조절한다.

특히, 애노드는 익스팬디드 메탈로 제조될 수 있다. 이러한 애노드 실시형태는 매우 쉽게 제조될 수 있다. 특히, V4A 강이 애노드용 재료로 이용될 수 있다.

바람직하게는, 캐소드에서의 이산화망간의 발생을 최소화하기 위해서, 캐소드의 기하학적 면적에 대한, 애노드의 기하학적 면적의 비를 적어도 3:1 의 값으로 설정한다. 가장 바람직하게는, 적어도 10:1 의 비로 설정할 수 있다.

전기화학적 반응을 위해, 캐소드의 전류 밀도를 25 내지 250 A/dm²의 범위내로 설정한다. 캐소드 본체가 약 15 mm 의 직경을 가진 봉으로 설계되어 과망간산염 배쓰 (permanganate bath) 안으로 약 45cm 만큼 침지된다면, 캐소드에서의 전체 전류는 약 50 A 내지 약 500 A 이 될 것이다.

본 발명에 따른 캐소드 및 애노드를 구비하는 재생 장치는, 액체 도전 라인을 통해 펌핑 수단 (pumping means) 에 의해 과망간산염 에칭액이 펌핑되고 다른 액체 도전 라인을 통해 그 용액이 처리 용기로 되돌아가는 분리된 용기에 수용되거나, 그 재생 장치는 처리 용기와 일체로 된 것일 수 있다. 그 장치를 처리 용기와 일체화시키기에 충분한 공간을 사용할 수 있다면, 플라스틱 부품의 처리를 위한 용기에서의 대류에 의해서만 처리 용액이 재생 장치로 갈 수 있기 때문에, 후자가 더 바람직하다. 또한, 이상적으로, 추가적인 펌프 및 액체 도전 라인을 요하지 않는다. 종래 장치에 의한 것보다 본 발명에 따른 재생 장치에 의해 상당히 더 높은 효율의 전기화학적 반응을 이루기 때문에, 본 발명의 장치는 종래 장치보다 더 작은 크기로 실현될 수 있다. 따라서, 처리 용기에 재생 장치를 배치시키는 것이 더 가능하다.

캐소드와 애노드 사이에 격막을 구비하지 않는 실시형태가 그러한 격막을 구비하는 실시형태보다 더 바람직한데, 이는 전자가 문제를 덜 일으키는 경향이 있고, 더 작은 전압 강하 및 이에 따른 장치에서의 더 작은 전력 손실을 가져오기 때문이다. 대체로, 재생 장치에는, 캐소드 컴파트머트를 애노드 컴파트먼트로부터 분리시키는 격막이 설치될 수도 있다.

재생 장치는 인쇄 회로 기판을 처리하는 데에 사용되는 과망간산염 에칭 설비에서 바람직하게 이용될 수 있다. 인쇄 회로 기판이 수평 운반 경로 (horizontal conveying path) 에서 운반되어 과망간산염 에칭액과 접촉하게 되는 소위 수평 설비 (horizontal plant) 에서 재생 장치가 사용되는 경우에, 특히 바람직하다는 것이 판명되었다. 이 경우, 인쇄 회로 기판은 바람직하게는 수평 배치로 또는 수직 배치로 운반된다. 이러한 배치의 장점은, 이러한 수평 설비의 처리량이 비교적 크기 때문에 단위 시간당 큰 플라스틱 표면을 처리할 수 있다는 사실에 기인한다. 따라서, 재생 장치는 또한 높은 효율을 가지게 된다.

본 발명의 바람직한 실시형태를 나타내는 도면을 참조하여 본 발명을 더 상세히 설명한다.

도 1 은 재생 장치 내의 양극/음극 쌍의 개략도이다.

도 2 는 제 1 실시형태에서의 본 발명에 따른 음극의 단면도이다.

도 3 은 제 2 실시형태에서의 본 발명에 따른 음극의 단면도이다.

재생 장치의 개략도가 도 1 에 도시되어 있다. 이 장치는 예를 들어, 인쇄 회로 기판용 처리 용기에서 사용될 수 있다.

이 장치는 V4A 강의 익스팬디드 메탈로 제조된 애노드 (1) 본 발명에 따른 캐소드 (2) 를 구비한다. 애노드 (1) 는 실린더 형상으로 되어 있다. 캐소드 (2) 도 또한 V4A 강으로 이루어지고 봉 형상으로 설계된다. 애노드 (1) 가 익스팬디드 메탈로 제조되었기 때문에, 애노드 (1) 의 구멍을 통한 처리 액체의 용이한 대류성 통과 (convective passage)가 가능하다. 따라서, 액체는 장치 내부의 애노드 (1) 와 캐소드 (2) 사이에서 연속적으로 교환되고 새롭게 된다. 캐소드 봉 (2) 은 애노드 (1) 안쪽 영역에 배치되어 캐소드 봉은 애노드 실린더에 축대칭으로 위치한다.

재생 장치를 작동시키기 위해, 캐소드 (2) 는 음극으로 극성을 갖게 하고, 애노드 (1) 는 양극으로 극성을 갖게 한다.

본 발명에 따른 캐소드 (2) 의 제 1 실시형태가 도 2 에 단면으로 도시되어 있다. 캐소드 (2) 는 수직 메쉬 (4) 및 수평 메쉬 (5) 를 갖는 피륙으로 이루어진 층 (7) 을 가진 캐소드 본체 (3) 를 구비한다. 피륙은 퓨브로서 캐소드 본체 (3) 에 장착된다. 예를 들어, 폴리테트라플루오르 에틸렌 (예컨대, DuPont de Nemours, Inc 사의 TEFLON^ⓡ) 으로 제조된 피륙을 사용할 수 있다.메쉬들 (4, 5) 사이에는, 이산화망간층 (6) 이 알칼리성 과망간산염 용액 내에서 전기화학적 환원 반응을 통해 발생된다.

이 층을 제조하기 위해, 캐소드 (2) (봉 직경은 약 15 mm 이고, 과망간산염 용액 안으로 잠겨진 깊이는 약 45 cm 임) 를 다음의 조성을 갖는 과망간산염 에칭액과 접촉시켰다.

물 내의 65 g/l KmnO₄및

50 g/l NaOH 도 1 에 도시된 재생 장치에서 80 ℃ 의 온도에서 반응이 일어난다. 그 다음, 전극에 전압을 인가하여, 애노드 (1) 와 캐소드 (2) 사이에 5 A 의 전류가 흐르게 하였다 (약 2 V 의 전압). 전류로 인해, 피륙의 메쉬들 (4, 5) 사이의 초기 이산화망간 코팅이 형성되었다. 약 20 분 후에, 캐소드 (2) 표면에서의 전류 밀도를 약 10 A 로 높였다 (약 3 V 의 전압). 약 2 A (약 3.5 V 의 전압), 약 50 A (약 4.5 V 의 전압), 약 80 A (약 5 V 의 전압) 및 마지막으로 약 100 A (약 5.4 V 의 전압) 의 전류를, 각각 20 분씩 후에, 인가하였다. 그 후에 전류를 일정하게 유지하였다. 처리 작업의 종료시에, 단단히 흡착된 이산화망간 코팅이 캐소드 본체 (3) 상에 형성되었다.

전기적 비도전성 피륙으로 제조된 층이 독일 표준 DIN 471 (German standard DIN 471) 에 따른 지거 서클립 링 (Seeger circlip ring) 에 의해 또는 스테인레스강 클립에 의해 캐소드 본체 (3) 에 채워진다면, 전술한 방법을 사용하여 휠씬 더빨리 캐소드 (2) 를 과망간산염 용액 내에서 형성시킬 수 있다. 너무 높은 전류가 형성 과정 동안 초기에 인가거나, 전압이 매우 급하게 상승하면, 전류는 1 내지 5 초 내에 거의 0 으로 감소되어, 허용될 수 없는 전압 값에 도달한다 (8 V 로부터 시작하여, 스테인레스 강은 전해에 의해 용해된다).

전술한 제조 방법은 캐소드 (2) 로 한번만 실행되었다. 그 후에, 이 캐소드 (2) 는 과망간산염 용액을 재생하는 어떠한 방법으로도 이용될 수 있다. 장시간의 작업 중단 후에도, 공칭 전류를 적용할 수 있다.

본 발명에 따른 캐소드 (2) 의 또다른 실시형태가 도 3 에 단면도로 도시되어 있다. 이 경우, 캐소드 (2) 에는 캐소드 본체 (3) 에 단단히 부착된 세라믹 (8) 의 다공성층 (7) 이 제공된다.

이 경우의 이산화망간 코팅 (6) 은, 도 2 의 캐소드 (2) 에 대해 주더진 조건과 동일한 조건하에서 형성된 층 (7) 이 제공되는 캐소드 본체 (3) 의 처리로 인해, 세라믹 (8) 의 다공성층 내에 형성된다.

도 2 및 도 3 에 도시된 캐소드 (2) 의 실시형태를 사용하는 경우에는, 전술한 유리한 특성을 갖는 재생 장치를 제조할 수 있다.

이하, 본 발명을 더 분명하게 설명하기 위해, 실시예들 및 비교예들을 설명한다.

실시예

15 mm 의 직경을 갖고 V4A 강을 제조된 봉 형상의 캐소드 본체는 70 ㎛ 의메쉬 크기를 갖는 단일층의 TEFLON^ⓡ피륙으로 코팅되었다. 이 코팅은 각각 2 cm 의 간격을 둔 와이어 링 (wire ring) 들에 의해 캐소드에 고정되었다. 와이어의 직경은 0.6 mm 이었다. 이와 같이 준비된 캐소드 본체는, 전류의 점진적인 증가에 의해 형성되어, 전술한 바와 같이, 캐소드 상에 이산화망간 코팅이 생성되었다.

이 형성된 캐소드는 350 l 의 체적을 가진 과망간산염 배쓰 안으로 침지되었다. 배쓰는 80 ℃ 의 온도로 가열되었다. 캐소드는 도 1 에 도시된 재생 장치에서 120 mm 의 직경을 가진 애노드 내로 삽입되었으며, 이 애노드는 배쓰 내에 장착된 것으로서 V4A 강의 익스팬디드 메탈로 제조된 바스켓 (basket) 으로 형성된 것이다. 이를 위해, 캐소드는, 애노드에 대해 축대칭으로 배치되도록 실린더형 애노드의 내부 컴파트먼트 내로 가는 캐리어 (도시 안됨) 에 꼭 맞게 되어 있었다.

재생 장치는 직류 전원에 접속되고, 수용액 내에 65 g/l 의 KMnO₄및 59 g/l 의 NaOH 를 구비하는 과망간산염 에칭액을 포함하는 인쇄 회로 기판용 처리 용기 내에 침지되었다.

재생 장치에 흐르는 전류는 5.5 V 의 전압에서 100 A 로 설정되었다.

이러한 조건하에서, 턴오버 속도는 리터 배쓰당 그리고 시간당 2 내지 3 g 의 K₂MnO₄에 이르렀다. 이산화망간 슬러지는 작은 양만이 생성되었다.

비교예

이제는 표면 상에 아무 코팅도 없는 종래의 캐소드를 사용하여, 전술한 예에서 주어진 실험을 반복하였다. 전극의 크기, 그 재료 및 다른 실험 조건들은 전술한 예에서 주어진 전극의 크기, 그 재료 및 다른 실험 조건들돠 동일한 것으로 선택되었다. 100 A 의 전류를 설정할 때, 5 V 의 전압으로 조절하였다.

이러한 조건하에서, 턴오버 속도는 리터 배쓰당 그리고 시간당 0.6 g 의 K₂MnO₄에만 이르렀다. 그와 동시에, 많은 양의 이산화망간 슬러지가 생성되었다.

참조 번호

1 애노드

2 캐소드

3 캐소드 본체

4 피륙의 수직 메쉬

5 피륙의 수평 메쉬

6 이산화망간 코팅

7 다공성이고, 불용성인 전기적 비도전층

8 세라믹층

Claims

과망간산염 에칭액을 재생하는 전기화학적 장치용 캐소드에 있어서,

상기 캐소드 (2) 에는 그 표면 상에 다공성의 전기적 비도전층 (7) 이 제공되는 것을 특징으로 하는 캐소드.
제 1 항에 있어서,

상기 캐소드 (2) 는 상기 비도전층 (7) 으로 완전히 코팅되는 것을 특징으로 하는 캐소드.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 층 (7) 은 내산성 및/또는 내알칼리성의 플리스틱 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐소드.
제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 층 (7) 은 상기 캐소드 (2) 에 단단히 고정된 피륙 (4, 5) 을 구비하는 것을 특징으로 하는 캐소드.
제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 층 (7) 은 폴리알킬렌 및 폴리퍼할로겐알킬렌으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 재료를 구비하는 것을 특징으로 하는 캐소드.
제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 층 (7) 은 폴리프로필렌, 고밀도 폴리에틸렌 및 폴리테트라플루오르 에틸렌으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 재료를 구비하는 것을 특징으로 하는 캐소드.
제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,

불용성층 (6) 이 상기 캐소드 (7) 의 표면 상에 추가로 흡착되고, 상기 층 (6) 은 +Ⅳ 의 산화수를 갖는 망간을 적어도 주로 포함하는 것을 특징으로 하는 캐소드.
제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 캐소드 (2)는 봉 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 캐소드.
과망간산염 에칭액을 전기화학적으로 재생하는 장치용의 캐소드의 제조 방법에 있어서,

a. 캐소드 본체 (3) 에 다공성의 전기적 비도전층 (7) 을 제공하는 단계;

b. 상기 층 (7) 이 제공된 상기 캐소드 본체 (3) 를, 망간산염을 함유하는 알칼리성 과망간산염 용액과 접촉시키는 단계;

c. 애노드 (1) 를, 망간산염을 함유하는 상기 알칼리성 과망간산염 용액과 접촉시키는 단계; 및

d. 상기 캐소드 (2) 및 상기 애노드 (1) 에 의해 형성된 전류 회로에 전류원으로 전류를 발생시켜, +Ⅳ 의 산화수를 갖는 망간을 적어도 주로 함유하는 불용성층 (6) 을 상기 캐소드 (2) 의 표면 상에 형성시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 캐소드의 제조 방법.
제 9 항에 있어서,

상기 단계 d. 가 실시될 때, 초기에 낮은 전류가 설정되고, 상기 전류가 점점 더 증가되는 것을 특징으로 하는 캐소드의 제조 방법.
과망간산염 에칭액을 전기화학적으로 재생하는 장치에 있어서,

a. 하나 이상의 애노드 (1);

b. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 따른 하나 이상 캐소드 (2);

c. 상기 하나 이상의 애노드 (1) 및 상기 하나 이상의 캐소드 (2) 용의 전류원; 및

d. 상기 전류원과 상기 하나 이상의 애노드 (1) 사이 및 상기 전류원과 하나 이상의 캐소드 (2) 사이의 도전 라인을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 11 항에 있어서,

상기 하나 이상의 캐소드 (2) 는 봉 형상으로 제조되고, 상기 하나 이상의 애노드 (1) 는 구멍이 뚫린 실린더 형상으로 제조되며, 각 캐소드 (2) 는 상기 하나 이상의 애노드 (1) 의 중심에 축대칭으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,

상기 하나 이상의 애노드 (1) 는 익스팬디드 메탈로 이루어진 것을 특징으로 하는 장치.
제 11 항 내지 제 13 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 하나 이상의 캐소드 (2) 의 기하학적 면적에 대한 상기 하나 이상의 애노드 (1) 의 기하학적 면적의 비는 적어도 3:1 인 것을 특징으로 하는 장치.