KR100882410B1 - 나노 화학기상증착 다이아몬드 소재를 이용한 경면 가공용 다이아몬드 공구의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 다양한 소재 위에 나노크기의 다이아몬드 입자를 수 마이크론에서 수천 마이크론 두께로 성장시킨 소재를 다양한 공구형상에 용접하여 가공후 피삭재의 표면조도(surface roughness)가 경면이어야 하는 정밀가공에 사용하는 공구 제조에 관한 것이다.

이렇게 제조된 공구는 기존의 천연 다이아몬드와 고온고압에서 제조된 단결정(monocrystalline diamond) 다이아몬드로 제조된 공구의 기능을 대체할 수 있으며, 다이아몬드 소재의 양산화에 의한 생산성 증대와 공구가격의 경제성 향상, 가공공정의 용이함, 그리고 제조되는 공구의 수명에 대한 신뢰성을 대폭 향상시킬 수 있게 된다.

공구, 가공, 경면, 나노, CVD, 다이아몬드

Description

나노 화학기상증착 다이아몬드 소재를 이용한 경면 가공용 다이아몬드 공구의 제조방법{Method of producing CVD diamond tool for low surface-roughness machining by using polished nano-CVD diamond materials}

도 1은 본 발명에서 사용된 나노 CVD 다이아몬드 막의 고배율 미세조직.

도 2는 도 1의 나노 CVD 다이아몬드 막이 증착된 소재의 구조를 도식적으로 나타낸 그림.

도 3은 본 발명에서 사용된 나노 CVD 다이아몬드 소재를 이용하여 제작되는 경면 가공용 다이아몬드 공구의 제작전 분리도

도 4는 본 발명에서 사용된 나노 CVD 다이아몬드 소재를 이용하여 제작되는 경면 가공용 다이아몬드 공구

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 나노 CVD 다이아몬드 증착막 11: 다이아몬드 막이 증착되는 기지재료

20 : 나노 CVD 다이아몬드 소재를 용접하기 위한 용접 합금

30 : 공구 샹크

본 발명은 화학기상증착법(CVD : chemical vapor deposition)을 이용하여 나노크기의 입자로 제어된 다이아몬드 막을 다양한 재료 위에, 예를 들면, SiC, Si3N4, 그리고, WC-Co계 등에 수십 마이크로 미터 (㎛) 에서 수 미리미터(mm) 두께로 합성한 다이아몬드 막(또는 다이아몬드와 기판재료로 이루어진 다이아몬드 복합재료)을 사용하고, 이를 연마하여 표면조도가 Ra = 0.1 ㎛ 이하의 경면을 갖도록 한 후, 이를 절단하여 다양한 모양의 공구에 용접하여 최종공구형태로 연마 제조되는 경면 가공용 다이아몬드 공구 제조에 관한 것이다.

표면조도가 매우 우수한 고경면의 표면을 얻기 위해서는 가공 공구에 매우 날카로운 가공날을 필요로 하게 되는데, 이렇게 만들어진 날카로운 가공날은 가공을 위해 조금만 사용하여도 금방 마모되어 그 날카로움을 잃게 되어 공구의 수명이 매우 짧은 단점을 가진다.

다이아몬드는 현존하는 재료들 중에서 가장 경도가 높아 내마모 특성이 우수하여 이러한 고경면의 가공을 위해 적용되는 최적의 재료로서, 현재, 천연다이아몬드나 고온고압하에서 인공적으로 합성되는 단결정 다이아몬드 (monocrystalline diamond)가 사용되고 있다. 그러나 이러한 천연다이아몬드나 단결정 다이아몬드를 사용한 공구는 다이아몬드 자체의 가격이 매우 높아 공구가격 자체가 고가일 뿐만 아니라, 다이아몬드 자체의 내마모 특성의 이방성에 기인하여 항상 일정한 물성을 얻기가 매우 어려워 공구 수명의 신뢰성 확보에 어려움이 있다. 또한, 물성이 공급되는 다이아몬드에 의존하게 되므로 공구 제작을 위한 수급에도 많은 어려움이 있 다. 아울러, 숙련된 기술자만이 가공이 가능하여 제작에도 어려움이 따른다.

또다른 경면가공용 공구로 이용되는 다이아몬드로는 고온고압에서 합성한 다이아몬드 입자를 금속의 결합재와 혼합하여 고온에서 소결하여 복합재료를 만들고, 이를 공구로 가공하여 사용하는 경우이다. 이러한 공구를 PCD(Poly-crystalline Compact Diamond) 공구라 하는데, 이 경우 가공 중에 금속결합재가 포함되어 있어 천연다이아몬드에서 보이는 우수한 물성을 보이지 못할 뿐만 아니라, 가공 중 혼합되어 있는 다이아몬드 입자의 탈락 또는 깨짐(chipping)이 손쉽게 발생하여 경면 가공에서는 만족스러운 수명을 보이지 못한다.

인공적으로 다이아몬드를 제조하는 또 다른 방법으로는, 메탄과 수소와 같은 기체를 원료로 하고 고온, 저압 분위기에서 분해 및 합성에 필요한 에너지를 투입하여 합성이 가능한데, 이러한 방법을 기상화학합성법(CVD : chemical vapor deposition)이라 하며, 이렇게 합성되는 다이아몬드를 기존의 고온고압 다이아몬드와 구별하여 CVD 다이아몬드라 칭한다. CVD 다이아몬드는 합성 후 다결정(polycrystalline) 구조로서 천연 다이아몬드와 같은 단결정(single crystal)과는 다르게 물성의 이방성이 존재하지 않게 된다. 즉, CVD 다이아몬드는 모든 방향에 동일한 기계적 물성을 보이는 특징을 가진다.

이러한, CVD 다이아몬드는 물성이 천연다이아몬드와 거의 동일하면서 다양한 모양의 재료위에 합성이 가능하여, 현재, 수 마이크론에서 수십 마이크론으로 코팅하여 절삭공구로 이용되고 있으나, 이렇게 코팅된 CVD 다이아몬드 공구는 CVD 다이아몬드가 가지는 결정특성 (각진 다결정체)에 기인하여 필연적으로 표면조도(surface roughness)가 매우 거칠어 경면을 필요로 하는 가공에는 적용할 수 없다.

한편, CVD 다이아몬드를 약 0.5 mm 의 두께로 합성하고 이를 연마 및 절단한 후 가공하여 공구로도 이용되고 있으나, 이 경우 합성되는 다이아몬드의 입자크기가 합성되는 시간에 따라 함께 증가하여 수십에서 수백마이크론 크기로 성장하게 된다. 이렇게 합성한 다이아몬드를 이용해 제작된 공구는 기계 가공 중 입자가 떨어지는 현상(chipping)이 발생하는데, 이 경우 떨어져 나가는 입자의 크기가 수 마이크론에서 수 십마이크론의 크기를 가지게 되어 경면을 필요로 하는 기계가공에는 성능상의 한계를 가진다.

기존에 경면 가공을 위한 공구로 천연다이아몬드나 고온고압에서 합성한 단결정 다이아몬드를 사용하고 있으나, 이 경우 매우 고가이며 특히 물성의 이방성으로 인하여 항상 동일한 물성의 공구 구현에 어려움이 있었으며, 숙련된 가공 기술자만이 공구를 제작할 수 있는 한계가 있었다. CVD 다이아몬드를 코팅한 공구의 경우에도 CVD 다이아몬드의 결정성에 기인한 거친 표면과 또한, 경면 연마된 CVD 공구에서도 입자의 탈락(chipping)시 수 마이크론의 입자의 탈락이 발생하여 궁극적으로 경면 가공시 수명의 단축을 초래하였다.

본 발명에서는 이러한 기존의 경면연마 공구의 모든 단점을 극복하기 위해 기상화학합성법(CVD : chemical vapor deposition)을 이용한 CVD 다이아몬드를 사용하였으며, CVD 다이아몬드를 합성할 때 다이아몬드의 입자크기를 나노미터(nanometer) 단위로 제어되도록 하는 것을 특징으로 하였으며, 이를 통해 경면 가공시 비록 입자의 탈락이 일어나더라도 그 크기가 수십 나노미터 이하로 제어됨으로써 공구의 수명과 성능을 대폭 향상하게 하였다.

또 다른 특징은, 합성되는 CVD 다이아몬드가 일반적인 CVD 다이아몬드 합성과는 다르게 두께가 증가하여도 수십 나노미터 이상으로 커지지 않도록 제어하였고 합성 후 다이아몬드 소재의 면조도 향상을 위하여 연마를 실시하였다.

이렇게 제조된 다이아몬드 소재를 사용하면 입자크기가 수십 나노미터로 제어되고 다결정(polycrystalline)체로서 기존의 천연 다이아몬드나 단결정 다이아몬드가 가지는 물성의 이방성이 없는 등방성의 내마모 특성으로 인해 제작되는 모든 공구의 수명이 동일하여 공구수명의 신뢰성을 대폭 항상시키는 장점을 가지게 된다.

상기와 같은 점을 감안하여 개발된 본 발명은 경면가공용 공구제조에 다음과 같은 소재를 사용하였다. CVD 법을 통해 합성되는 다이아몬드의 입자크기를 성장되는 막의 전체 두께에서 1 마이크론 (㎛) 크기, 적절하게는 100 나노미터 (nm)를 넘지 않는 크기로 제어하며, 합성되는 다이아몬드의 두께는 경면연마의 공구로서 수명을 확보하기 위해 30 마이크론(㎛) 이상 2 미리미터(mm)이하의 크기를 갖는 것을 특징으로 하였다. 아울러, CVD　다이아몬드의 합성 시 다이아몬드 면에 발생하는 기지재료의 굴곡(요철)을 없애고 경면의 다이아몬드 소재 면을 얻기 위하여 다이아몬드면에 다이아몬드 슬러리(또는 휠)로 연마처리를 하였다.

본 발명의 실시 예는 다음과 같다.

실시 예 1

기지재료로 직경이 60 mm 이며 두께가 3 mm 크기의 원판형 치밀화된 SiC 세라믹스를 이용하여 CVD 다이아몬드를 합성하였는데, 이때 열필라멘트 CVD 장치를 이용하였다. 나노크기 입자의 CVD 다이아몬드 합성을 위해, 원료로는 메탄, 질소, 수소기체로 이루어진 혼합기체를 이용하였으며, 70 시간 합성하였다. 합성이 완료된 CVD 다이아몬드 코팅 SiC 복합재료 원판을 다이아몬드 슬러리가 혼합된 연마기에서 연마를 실시하였으며, 연마후 얻어진 CVD 다이아몬드의 표면조도는 Ra=0.02 ㎛, 증착된 다이아몬드 막의 두께는 55 ㎛ 였다. 도 1은 70 시간 CVD 다이아몬드를 합성한 이후 전자현미경으로 관찰한 다이아몬드 입자의 크기인데, 입자들이 약 50 nm 크기로 합성되었음을 의미한다. 도 2는 본 발명에 사용된 나노 CVD 다이아몬드 소재를 도식적으로 나타낸 것이다. 일반적인 방법으로 CVD 다이아몬드를 합성하는 경우 70 시간동안 증착하는 경우 입자크기는 약 50 ㎛ 이상으로 성장하게 된다. 따라서, 본 발명에 이용되는 소재의 다이아몬드 입자의 크기가 나노크기로 매우 작은 것을 확인할 수 있다. 이렇게 연마를 통해 얻어진 CVD 다이아몬드가 증착된 SiC 원판을 레이저 절단기를 이용하여 각변이 5x5 mm 인 이등변 삼각형 크기로 절단하고, 이를 진공용접을 이용하여, 최종 공구로 연마 가공하였다. 도 3은 본 발명에서 사용된 다이아몬드 소재를 이용하여 경면연마용 공구로 제작되는 공구의 분리도이다. 나노 CVD 다이아몬드 소재는 용접합금(20)에 의해 공구(30)에 용접되고, 이후 가공되어 공구로 제작되며, 도 4는 모든 공정이 완료되어 공구로 제작된 본 발명의 최종 모 습을 도식적으로 보여 준다.

이렇게 제작된 공구를 유기감광체OPC: Organic Photo conductor)드럼 가공에 적용하였다. 가공후 측정된 OPC 드럼의 표면조도는 Ra = 0.05㎛로 기존의 가공공구였던 PCD 다이아몬드 공구 (Ra = 0.1㎛)와 비교하여 매우 우수한 결과를 보였다.

기존의 경면가공용 공구로 이용되는 천연 및 단결정 다이아몬드와 비교하여 등방성의 물성으로 인한 공구수명의 신뢰성 향상과 가공의 용이함에 의해 비숙련자에 의해서도 공구제작이 가능하며, 무엇보다도 합성된 다이아몬드 입자가 나노크기를 갖는 특징으로 인해 입자의 탈락시 발생하는 공구의 수명단축을 방지한다. 또한, 동일한 물성을 보이는 나노 CVD 다이아몬드의 합성은 기지재료의 크기를 조절하여 대면적으로 대량 제작이 가능하여 대량생산과 이를 통한 공구가격의 경쟁력을 대폭 향상시켜 고가의 천연 및 단결정 다이아몬드를 대체하는 효과를 얻게 된다.

Claims (3)

1. 화학기상증착(CVD) 다이아몬드를 사용하는 경면가공용 공구제조에 있어서,

   다이아몬드의 입자크기는 다이아몬드막 내에서 균일한 크기로 1 마이크로미터 (micrometer)이하를 가지며, 다이아몬드막의 두께는 30 마이크로미터 이상 2 미리미터 이하를 특징으로 하고 표면조도가 Ra=0.1㎛ 이하로 연마된 CVD 다이아몬드 소재를 사용하여 공구를 제조하는 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 가공된 피삭재의 가공조도가 Ra=0.2㎛이하 또는 Rmax=1.0㎛이하인 공구제조법.
3. 청구항 1에 있어서, 경면가공된 피삭재의 재질이 금속 또는 프라스틱인 공구제조법.

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