KR101070976B1 - 치환도금을 이용한 다이아몬드 부착 방법 및 이에 이용되는 다이아몬드 부착 장치 - Google Patents

치환도금을 이용한 다이아몬드 부착 방법 및 이에 이용되는 다이아몬드 부착 장치 Download PDF

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Abstract

치환도금을 이용한 다이아몬드 부착 방법 및 이에 이용되는 장치에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 다이아몬드 부착 방법은 피도금 모재보다 이온화 경향이 낮은 도금 물질을 이온 상태로 포함하며, 다이아몬드 입자가 분산되어 있는 치환도금액에 상기 피도금 모재를 침적하여, 상기 도금물질이 상기 피도금 모재에 치환도금되면서 상기 다이아몬드 입자가 상기 도금물질과 함께 상기 피도금 모재에 부착되도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

치환도금을 이용한 다이아몬드 부착 방법 및 이에 이용되는 다이아몬드 부착 장치 {METHOD OF ATTACHING DIAMOND USING IMMERSION PLATING, AND APPARATUS FOR THE METHOD}
본 발명은 다이아몬드 부착 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 전착 방식에 의한 다이아몬드 입자 부착에 비하여, 다이아몬드 입자를 모재에 쉽게 부착할 수 있는 기술에 관한 것이다.
다이아몬드 입자는 우수한 경도를 바탕으로 절삭용 공구 등에 널리 적용되고 있다.
일반적으로 다이아몬드 입자는 도 1 혹은 도 2에 도시된 형태로 모재에 부착 및 고정된다. 도 1에 도시된 예는 다이아몬드가 도전체로 코팅되어 있는 경우에 해당하고, 도 2에 도시된 예는 다이아몬드가 도전체로 코팅되어 있지 않은 경우에 해당한다.
우선, 도전체가 코팅된 다이아몬드 입자(110)를 미립자 부착층(115)을 통하여 모재(101)에 부착한다. 이후, 다이아몬드 입자(110)를 포함한 미립자 부착층(115)의 고정력 향상을 위하여 니켈 등을 이용하여 육성도금층(120)을 형성한다. 다이아몬드가 도전체로 코팅되어 있는 경우, 도 1에 도시된 예와 같이, 폴리싱(130)을 통하여 다이아몬드 입자가 노출되도록 한다. 반면, 다이아몬드가 도전체로 코팅되어 있지 않은 경우, 도 2에 도시된 예와 같이, 별도의 폴리싱 과정 없이 다이아몬드 입자가 노출될 수 있다.
한편, 도 1 및 도 2에 도시된 예에서 미립자 부착층(115)은 주로 니켈 전해 도금 방식으로 형성된다. 그러나, 니켈 전해 도금 방식에 의한 다이아몬드 부착 방법은 복잡한 전처리 과정이 필요하다. 또한, 전해 니켈 도금 방식 장치를 구성하기 위해서는 정류기, 양극, 전선 등 복잡한 구조가 요구된다.
또한, 니켈 전해 도금의 효율을 높이기 위해서는 전극의 전류밀도를 높여야 하고, 50℃ 이상의 비교적 높은 온도가 유지되어야 한다.
또한, 니켈 전해 도금 방식에 의한 다이아몬드 부착 방법은 니켈 전해 도금시 다이아몬드 입자 위에 또 다른 다이아몬드 입자가 부착되는 현상이 종종 발생한다.
본 발명의 목적은 기존의 니켈 전해 도금 방식을 탈피하여, 모재에 다이아몬드 입자를 쉽게 부착할 수 있는 다이아몬드 부착 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기의 다이아몬드 부착 방법에 이용될 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 다이아몬드 부착 방법은 피도금 모재보다 이온화 경향이 낮은 도금 물질을 이온 상태로 포함하며, 다이아몬드 입자가 분산되어 있는 치환도금액에 상기 피도금 모재를 침적하여, 상기 도금물질이 상기 피도금 모재에 치환도금되면서 상기 다이아몬드 입자가 상기 도금물질과 함께 상기 피도금 모재에 부착되도록 하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 피도금 모재를 먼저 산세 처리한 후, 상기 도금물질을 치환도금하는 것이 바람직하다.
또한, 도금물질의 치환도금 후에는 다이아몬드 입자의 고정력 향상을 위하여 육성도금이 실시되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 피도금 모재는 와이어 형태 또는 플레이트 형태가 될 수 있다. 또한, 상기 피도금 모재는 정해진 형태를 갖는 공구재일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 다이아몬드 부착 장치는 도금 용기; 및 상기 도금 용기 내에 저장되고, 피도금 모재보다 이온화 경향이 낮은 도금 물질을 이온 상태로 포함하며, 다이아몬드가 입자가 분산되어 있는 치환도금액;을 포함하고, 상기 피도금 모재가 상기 치환도금액에 침적되어 상기 피도금 모재와 상기 도금 물질의 치환도금이 이루어지면서, 상기 다이아몬드 입자가 상기 도금물질과 함께 상기 피도금 모재에 부착되는 것을 특징으로 하는 한다.
이때, 상기 도금 용기 내에 배치되며, 상기 피도금 모재가 연속적으로 상기 치환도금액에 침적 및 배출되도록 하는 방향전환수단;을 더 포함할 수 있다
본 발명에 따른 다이아몬드 부착 방법은 치환도금 방법을 이용함으로써 간단한 공정으로도 우수한 피복력을 갖는 도금층을 형성할 수 있으며, 이에 따라 다이아몬드 입자도 모재에 쉽게 부착할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 다이아몬드 부착 방법은 니켈 전해 도금 방식을 이용한 다이아몬드 부착 방법에 비하여 비교적 낮은 온도에서도 실시가 가능하고, 정류기나 양극이 불필요하여 공정 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 다이아몬드 부착 방법은 피도금 모재와 도금물질과의 치환반응에 의한 도금층이 일정 두께까지만 형성되므로, 다이아몬드 입자를 단일층의 형태로 부착할 수 있는 장점이 있다.
도 1 및 도 2는 모재에 다이아몬드 입자가 부착된 예들을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 치환도금을 이용한 다이아몬드 부착 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 치환도금을 이용한 다이아몬드 부착 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 치환도금을 이용한 다이아몬드 부착 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6 내지 도 9는 와이어 침적 시간에 따른 다이아몬드 입자 부착 결과를 나타낸 사진들이다.
도 10 내지 도 14는 치환도금액 내 다이아몬드 입자 농도에 따른 다이아몬드 입자 부착 결과를 나타낸 사진들이다.
도 15 내지 도 18은 치환도금 후, 다이아몬드 입자가 모재에 부착된 예들을 나타낸 사진들이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 치환도금을 이용한 다이아몬드 부착 방법 및 이에 이용되는 다이아몬드 부착 장치에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 도1 및 도 2에 도시된 미립자 부착층(115)를 형성하기 위하여 이용되는 치환도금은 이온화 경향의 차이를 이용한 것이다.
즉, 본 발명에서는 이온화 경향이 높은 모재 금속과 이온화 경향이 상대적으로 낮은 도금금속 이온의 치환반응을 이용한다. 모재 금속의 경우 전자를 얻어 이온화되려고 하고, 도금금속 이온은 비온화되려고 하면서 모재에 치환도금이 이루어진다.
널리 알려진 바와 같이, 금속의 이온화 경향은 수소(H)를 기준으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Li > K > Ba >Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Ni > Sn > Pb > H
H> Cu > Hg > Ag > Pt > Au
예를 들어, 모재 금속이 Fe이고 도금금속이 이온 상태로 존재하는 Cu인 경우, 이온화 경향이 높은 Fe와 이온화 경향이 상대적으로 낮은 Cu 간에는 다음과 같은 치환반응이 나타난다.
Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu
따라서, 본 발명에서 도금의 대상이 되는 모재, 즉 피도금 모재의 경우 이온화 경향이 상대적으로 높은 금속을 이용하고, 이온 상태로 존재하는 도금금속의 경우 이온화 경향이 상대적으로 낮은 금속을 이용한다.
도 3은 본 발명에 따른 치환도금을 이용한 다이아몬드 부착 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 도시된 장치는 도금 용기(310) 및 치환도금액(320)을 포함한다.
도금 용기(310)는 치환도금이 이루어지는 내부 공간을 제공하며, 상기 내부 공간에는 치환도금액(320)이 저장된다.
도금 용기(310) 내에 저장되는 치환도금액(320)은 치환도금을 위하여, 피도금 모재(301)보다 이온화 경향이 낮은 도금 물질을 이온 상태로 포함한다. 또한, 치환도금액(320)에는 치환도금시 다이아몬드 입자가 도금 물질과 함께 피도금 모재(301)에 부착될 수 있도록, 다이아몬드가 입자(322)가 분산되어 있다.
치환도금액(320)은 황산구리(CuSO4) 수용액, 질산은(AgNO3) 수용액 등과 같이, 구리나 은이 이온(Cu2+, Ag+)의 형태로 포함될 수 있는 용액이 될 수 있다.
다이아몬드 입자(322)는 도 15 내지 도 18에 도시된 사진들을 참조할 때 대략 20㎛ 정도인 것을 이용할 수 있다. 그러나, 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.
피도금 모재(301)가 치환도금액(320)에 침적되면, 피도금 모재(301)와 도금 물질의 치환도금이 이루어진다. 이때, 도금 물질이 피도금 모재(301) 쪽으로 이동함에 따라 치환도금액(320)에 분산된 다이아몬드 입자(322)도 함께 피도금 모재(301) 쪽으로 이동하고, 그 결과 도금 물질과 함께 피도금 모재(301)에 부착된다.
이러한 치환도금을 이용한 다이아몬드 입자 부착의 경우, 도금을 위한 전극이나 정류기가 불필요하며, 상온에서도 실시될 수 있는 간단한 공정으로 도금 및 다이아몬드 입자 부착이 가능하여 공정 비용 절감에 유리하다.
또한, 치환도금의 특성상 일정 두께까지 도금이 이루어지면 더 이상 도금이 진행되지 않는다. 따라서, 다이아몬드 입자(322)를 단일층의 형태로 부착할 수 있다.
피도금 모재(301)를 구성하는 물질은 공구재 등에 널리 이용되는 알루미늄(Al), 아연(Zn), 철(Fe) 등이 이용될 수 있다.
도금 물질은 아연(Zn), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 백금(Pt), 금(Au) 등이 이용될 수 있다. 이때, 도금 물질은 피도금 모재보다 이온화 경향이 낮은 것을 이용한다.
이러한 점을 고려할 때, 피도금 모재와 도금 물질들 간의 치환반응은 다음과 같은 예들이 될 수 있다.
Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu
Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu
2Al + 3Cu2+ → 2Al3+ + 3Cu
2Al + 3Zn2+ → 2Al3+ + 3Zn
2Al + 3Ni2+ → 2Al3+ + 3Ni
Fe + Ni2+ → Fe2+ + Ni
Zn + Ni2+ → Zn2+ + Ni
한편, 피도금 모재(301)는 와이어 형태, 플레이트 형태가 될 수 있다. 또한, 피도금 모재(301)는 정해진 형태를 갖는 공구재가 될 수 있다.
피도금 모재(301)의 형태에 따라서, 치환도금액(320)에 침적되는 방식도 도 3 및 도 4에 도시된 예와 같이, 상이할 수 있다.
즉, 피도금 모재(301)가 와이어 형태 혹은 길이가 긴 플레이트 형태인 경우, 도 3에 도시된 예와 같이, 피도금 모재가 연속적으로 치환도금액(320)에 침적 및 배출되는 방식이 더 바람직할 수 있다.
반면, 피도금 모재(301)가 플레이트 형태이거나 정해진 형태의 공구재인 경우, 도 4에 도시된 예와 같이, 피도금 모재(301)를 일정시간 침적시키는 방식이 더 바람직할 수 있다. 이때, 피도금 모재(301b)는 비중의 차이 혹은 별도의 수단 등을 통하여, 치환도금액(320)에 완전히 침적되거나, 혹은 다이아몬드 부착이 예정된 일부분만 침적될 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 피도금 모재가 연속적으로 치환도금액에 침적 및 배출되는 방식이 적용되는 경우, 피도금 모재의 이송을 위하여 도금 용기 내에 방향전환수단(330)을 더 포함할 수 있다.
방향전환수단(330)은 하나 이상의 롤의 형태로 이루어질 수 있다. 그 예로, 방향전환수단(330)은 도 3에 도시된 예와 같이, 입측 롤 및 출측 롤을 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 2개의 롤 중 하나는 입측 롤이 되고, 다른 하나는 출측 롤이 된다.
입측 롤은 피도금 모재(301)가 치환도금액(320)에 침적되도록 피도금 모재(301)의 방향을 전환시키는 역할을 한다. 출측 롤은 치환도금 및 다이아몬드 입자 부착 후 피도금 모재(301)가 치환도금액(320)으로부터 배출되도록, 피도금 모재의 방향을 전환시키는 역할을 한다.
도 5는 본 발명에 따른 치환도금을 이용한 다이아몬드 부착 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에서는 다이아몬드 입자 부착을 위하여 치환도금 방식을 이용한다. 보다 구체적으로, 본 발명에 따른 다이아몬드 입자 부착 방법은 피도금 모재 탈지/산세 단계(S510) 및 치환도금/다이아몬드 입자 부착 단계(S520)를 포함할 수 있다.
탈지/산세 단계(S510)에서는 피도금 모재를 먼저 산세 처리하여, 모재 표면의 산화물 등을 제거하고, 표면을 활성화할 수 있다. 산세 이전에는 모재 표면의 유기물 등을 제거하기 위한 탈지 과정이 포함된다.
치환도금/다이아몬드 입자 부착 단계(S520)에서는 피도금 모재보다 이온화 경향이 낮은 도금 물질을 이온 상태로 포함하며, 다이아몬드 입자가 분산되어 있는 치환도금액에 피도금 모재를 침적한다. 피도금 모재가 치환도금액에 침적된 상태에서, 도금물질이 피도금 모재에 치환도금된다. 이와 더불어, 다이아몬드 입자가 도금물질과 함께 피도금 모재에 부착된다.
치환도금 후에는 다이아몬드 입자를 모재에 더욱 견고하게 잡아주어 고정력이 향상될 수 있도록 육성도금이 실시된다.(S530)
한편, 치환도금액에서, 도금물질의 농도는 치환도금 효율 등을 고려할 때 0.5M ~ 3M 정도를 제시할 수 있으며, 다이아몬드 입자의 농도는 50 ct/L ~ 1000ct/L 정도를 제시할 수 있다. 그러나, 도금물질의 농도, 다이아몬드 입자의 농도는, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 피도금 모재의 침적시간, 도금 용기의 사이즈, 형태 등에 의하여 적절히 선택될 수 있다.
마찬가지로, 치환도금시 피도금 모재의 침적시간은, 치환도금 효율, 박리 발생 등을 고려할 때, 5초 내지 1분 정도를 제시할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 6 내지 도 9는 와이어 침적 시간에 따른 다이아몬드 입자 부착 결과를 나타낸 사진들이다.
실험을 위하여 1L 부피의 1M 황산구리 용액에 평균 입경이 대략 20㎛인 다이아몬드 입자 400ct를 분산하였으며, 각각 Fe 재질의 모재 상에 치환도금하였다.
도 6 내지 도 9을 참조하면, 동일한 조건에서 모재의 침적시간이 길수록 다이아몬드 입자 부착량이 대체로 증가함을 알 수 있다.
도 10 내지 도 14는 치환도금액 내 다이아몬드 입자 농도에 따른 다이아몬드 입자 부착 결과를 나타낸 사진들이다.
실험을 위하여 1M 황산구리 용액에 평균 입경이 대략 20㎛인 다이아몬드 입자를 50ct/L(도 10), 100ct/L(도 11), 200ct/L(도 12), 500ct/L(도 13) 및 1000ct/L(도 14)의 농도로 분산하였으며, 각각 Fe 재질의 모재 위에 도금하였다.
도 10 내지 도 14를 참조하면, 치환도금액 내 다이아몬드 입자 농도가 증가할수록 대체적으로 부착량이 증가함을 알 수 있다.
도 15 내지 도 18은 치환도금 후, 다이아몬드 입자가 모재에 부착된 예들을 나타낸 사진들이다.
도 15 내지 도 18을 참조하면, 간단한 치환도금에 의하여 다이아몬드 입자가 모재 상에 부착될 수 있는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 다이아몬드 부착 방법은 치환도금 방법을 이용함으로써 간단한 공정으로도 쉽게 다이아몬드 입자를 모재에 부착할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 다이아몬드 부착 방법은 피도금 모재와 도금물질과의 치환반응에 의한 도금층이 일정 두께까지만 형성되므로, 다이아몬드 입자를 단일층의 형태로 부착할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
101 : 모재 110 : 다이아몬드 입자
115 : 미립자 부착층 120 : 육성도금층
130 : 폴리싱 라인 301 : 피도금 모재
310 : 도금 용기 320 : 치환도금액
322 : 다이아몬드 입자 330 : 방향전환수단

Claims (11)

  1. 피도금 모재보다 이온화 경향이 낮은 도금 물질을 이온 상태로 포함하며, 다이아몬드 입자가 분산되어 있는 치환도금액에 상기 피도금 모재를 침적하여,
    상기 도금물질이 상기 피도금 모재에 치환도금되면서 상기 다이아몬드 입자가 상기 도금물질과 함께 상기 피도금 모재에 부착되도록 하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 부착 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 피도금 모재를 먼저 탈지 및 산세 처리한 후, 상기 도금물질을 치환도금하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 부착 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 도금물질의 치환도금 후, 상기 다이아몬드 입자의 고정력 향상을 위하여 육성 도금을 실시하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 부착 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 피도금 모재는 알루미늄(Al), 아연(Zn) 및 철(Fe) 중에서 선택되고,
    상기 도금물질은 아연(Zn), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 백금(Pt) 및 금(Au) 중에서 선택되되, 상기 피도금 모재보다 이온화 경향이 낮은 물질로 선택되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 부착 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 피도금 모재는
    와이어 형태인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 부착 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 피도금 모재는
    플레이트 형태인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 부착 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 피도금 모재는
    정해진 형태를 갖는 공구재인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 부착 방법.
  8. 도금 용기; 및
    상기 도금 용기 내에 저장되고, 피도금 모재보다 이온화 경향이 낮은 도금 물질을 이온 상태로 포함하며, 다이아몬드가 입자가 분산되어 있는 치환도금액;을 포함하고,
    상기 피도금 모재가 상기 치환도금액에 침적되어 상기 피도금 모재와 상기 도금 물질의 치환도금이 이루어지면서, 상기 다이아몬드 입자가 상기 도금물질과 함께 상기 피도금 모재에 부착되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 부착 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 피도금 모재는 알루미늄(Al), 아연(Zn) 및 철(Fe) 중에서 선택되고,
    상기 도금물질은 아연(Zn), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 백금(Pt) 및 금(Au) 중에서 선택되되, 상기 피도금 모재보다 이온화 경향이 낮은 물질로 선택되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 부착 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 장치는
    상기 도금 용기 내에 배치되며, 상기 피도금 모재가 연속적으로 상기 치환도금액에 침적 및 배출되도록 하는 방향전환수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 부착 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 방향전환수단은
    상기 피도금 모재가 상기 치환도금액에 침적되도록 하는 입측 롤과,
    상기 피도금 모재가 상기 치환도금액으로부터 배출되도록 하는 출측 롤을 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 부착 장치.
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