KR101277228B1 - 인성 다이아몬드 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

마이크로파 플라즈마 화학 증착에 의해 성장된 단결정 다이아몬드는, 50-90 GPa의 경도 및 11-20 MPa m1/2의 파괴 인성을 갖는다. 단결정 다이아몬드를 성장시키는 방법은, 시드 다이아몬드를 홀더 내에 위치시키는 단계; 및 단결정 다이아몬드가 11-20MPa m1/2의 파괴 인성을 갖도록, 단결정 다이아몬드를 약 1000℃ 내지 약 1100℃의 온도에서 성장시키는 단계를 포함한다.

Description

인성 다이아몬드 및 이의 제조 방법{TOUGH DIAMONDS AND METHOD OF MAKING THEREOF}
본 발명은, 본 명세서에 참조 병합되어 있는, 2003년 7월 14일자로 출원된 미국 가출원 제 60/486,435호의 이익을 주장한다.
정부 이익에 대한 진술
본 발명은 국립 과학 협회로부터 EAR-0135626호의 승인 번호로 미국 정부 지원을 받아 발명되었다. 미국 정부는 본 발명에 대한 특정한 권리를 갖는다.
본 발명은 다이아몬드, 및 보다 구체적으로 증착 챔버 내에서 마이크로파 플라즈마 화학 증착(MPCVD)을 사용하여 제조된 인성(tough) 다이아몬드에 관한 것이다.
합성 다이아몬드를 대규모로 제조하는 것은 오랫동안 연구 및 산업 모두의 목표가 되어 왔다. 다이아몬드는 이의 보석의 특성 외에 가장 단단한 물질로 알려져 있으며, 열전도도가 가장 높은 것으로 알려져 있고, 광범위한 전자기 방사선에 대해 투과성이다. 다이아몬드는 이의 보석원석으로서의 가치 외에 이의 광범위한 적용예로 인해 다수의 산업에서 유용하다. 그러나, 다이아몬드는, 이를 고충격 전동 공구(high impact machine tools)와 같은 많은 적용예에 대해 부적합하도록 하는 낮은 파괴 인성(fracture toughness)을 가질 수 있다.
적어도 지난 20년동안, 화학 증착(CVD)으로 소량의 다이아몬드를 제조하는 방법이 이용가능하였다. 문헌(B.V.Spitsyn et al., "Vapor Growth of Diamond on Diamond and Other Surfaces," Journal of Crystal Growth, vol. 52, pp.219-226)에 보고된 바와 같이, 이 방법은 감압 및 800-1200℃의 온도에서, 메탄, 또는 다른 단체(simple) 탄화수소 가스, 및 수소 가스를 조합 사용하여, 기재 상에 다이아몬드를 CVD하는 것을 포함한다. 수소 가스를 포함시키면, 다이아몬드가 핵화(nucleate) 및 성장함에 따라 그래파이트의 형성이 방지된다. 이 기술로 1㎛/h 까지의 성장 속도가 보고되었다.
연이은 연구, 예를 들어 문헌("Diamond Synthesis from Gas Phase in Microwave Plasma," Journal of Crystal Growth, vol. 62, pp.642-644)에 보고된 바와 같은 Kamo 등의 연이은 연구에서, 1-8Kpa의 압력, 800-1000℃의 온도, 300-700 W의 마이크로파 출력, 2.45GHz의 주파수에서 다이아몬드를 제조하기 위하여 마이크로파 플라즈마 화학 증착(MPCVD)을 사용하는 것이 설명되었다. Kamo 등의 방법에서 1-3%의 메탄 가스 농도가 사용되었다. 이 MPCVD 방법을 사용하여 3㎛/h의 최대 성장 속도가 보고되었다.
상기 방법 및 다수의 보다 최근 보고된 방법에서, 이 다이아몬드의 파괴 인성은 경우에 따라 천연 다이아몬드보다 더 우수하다. 특히, 다결정질 형태의 다이아몬드만을 생산 또는 성장시키는 높은 성장 속도 방법은, 천연 다이아몬드보다 높은 파괴 인성을 갖는 다이아몬드를 생산하는 것으로 알려져 있다. 어닐링된 일부 고온 고압(HPHT) 합성 다이아몬드 외에, 대부분의 다이아몬드는 11 MPa m1/2 미만의 파괴 인성을 갖는다.
따라서, 본 발명은 관련 분야의 한계 및 단점으로 인한 문제점들을 하나 이상 실질적으로 해결하는 다이아몬드의 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 목적은, 마이크로파 플라즈마 화학 증착 시스템 내에서, 증가된 파괴 인성을 갖는 다이아몬드를 제조하는 장치 및 방법과 관련이 있다.
본 발명의 추가적인 특징 및 장점은, 이하 상세한 설명에서 설명하며, 부분적으로는 상세한 설명으로부터 명백하거나, 본 발명을 실행하여 알 수 있다. 본 발명의 목적 및 다른 장점은, 첨부 도면 뿐 아니라 상세한 설명 및 특허청구범위에 특히 기재된 구성에 의해 실현 및 달성된다.
이들 및 다른 장점을 달성하기 위하여, 또한 본 발명의 목적에 따라, 구체화 및 광범위하게 기재된 바와 같이, 마이크로파 플라즈마 화학 증착으로 성장된 단결정 다이아몬드는 50-90 GPa의 경도 및 15-20 MPa m1/2의 파괴 인성을 갖는다.
다른 실시형태에서, 단결정 다이아몬드는 18-20 MPa m1/2의 파괴 인성을 갖는다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 단결정 다이아몬드를 성장시키는 방법은, 시드 다이아몬드를 홀더 내에 위치시키는 단계, 그리고 단결정 다이아몬드가 11-20 MPa m1/2의 파괴 인성을 갖도록 단결정 다이아몬드를 약 1000℃ 내지 약 1100℃의 온도에서 성장시키는 단계를 포함한다.
상기 일반적인 설명 및 하기 상세한 설명은 모두 설명을 위한 것이며, 청구된 바와 같은 본 발명을 추가적으로 설명하기 위한 것으로 이해해야 한다.
첨부 도면은, 본 발명을 추가적으로 이해시키기 위한 것으로, 본 명세서에 포함되고 이의 일부를 구성하며, 본 발명의 실시형태를 나타내고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명한다.
도 1은 다이아몬드의 경도 및 파괴 인성 시험용 인덴터(indenter)의 다이어그램이다.
도 2는 마이크로파 플라즈마 CVD-성장 단결정 다이아몬드 상에 만들어진 인덴테이션(indentation) 사진이다.
도 3은 마이크로파 플라즈마 CVD-성장 단결정 다이아몬드의 경도 및 인성을 타입 IIa 천연 다이아몬드와 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 4는, 상이한 온도들에서 형성된 마이크로파 플라즈마 CVD-성장 단결정 다이아몬드의 경도 및 인성을, 타입 IIa 천연 다이아몬드와 비교하여 나타내는 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시형태를 기재하며, 그 결과는 첨부 도면에서 설명한다.
본 출원의 마이크로파 플라즈마 CVD-성장 단결정 다이아몬드는, 참조 병합되어 있는 2002년 11월 6일자로 출원된 미국 특허 출원 제 10/288,499호("다이아몬드의 제조 장치 및 방법")에 기재된 장치를 사용하여 성장시켰다. 일반적으로, 시드 다이아몬드는 시드 다이아몬드/다이아몬드가 성장됨에 따라 성장된 다이아몬드를 이동시키는 홀더 내에 위치시킨다. 본 출원의 발명자는 또한 미국 특허 출원 제 10/288,499호의 발명자이다.
1밀리미터 초과의 두께를 갖는 마이크로파 플라즈마 CVD-성장 단결정 다이아몬드를 타입 Ib {100} 합성 다이아몬드 상에 증착시켰다. 성장 속도(50-150㎛/h)를 증진시키고 그리고 매끄러운 {100} 면 성장을 촉진하기 위하여, CVD 챔버 내 마이크로파 유도된 플라즈마로부터 N2/CH4=0.2-5.0%, CH4/H2=12-20%, 120-220 torr 전체 압력, 및 900-1500℃의 대기 내에서 단결정 다이아몬드를 성장시켰다. 라만 스펙트럼에서, <950℃ 또는 >1400℃에서 갈색 다이아몬드를 생성하는 소량의 수소화된 비정질 탄소(a-C:H)4 및 질소-함유 a-C:H(N:a-C:H)4가 나타난다. 포토루미네선스(PL) 스펙트럼에서 질소-결여(vacancy)(N-V) 불순물이 나타난다. 두께 4.5mm까지의 단결정 다이아몬드를, 통상적인 다결정질 CVD 성장 방법보다 두 차수 크기만큼이나 큰 성장 속도로 가공하였다.
도 1은 다이아몬드의 경도 및 파괴 인성의 시험용 인덴터의 다이어그램이다. 비커스 경도 및 파괴 인성 시험을 도 1의 인덴터(1)를 사용하여 마이크로파 플라즈마 CVD-성장 단결정 다이아몬드 상에 수행하였다. 도 1의 인덴터(1)는 마운트(3) 상에 위치된 임핀징(impinging) 물질(2)을 갖는다. 임핀징 물질(2)은 탄화규소, 다이아몬드 또는 다소 다른 경질 물질이 될 수 있다. 임핀징 물질은, 피라미드형 비커스 인덴터 형상을 갖는 면을 가지며, 이 피라미드형 비커스 인덴터 형상의 측면들은 136°의 각을 갖는다.
인덴터는, 시험 다이아몬드(2)에 인덴테이션 또는 크랙이 형성될 때까지 시험 다이아몬드(2)에 포인트 하중(point load)을 적용한다. 인덴터의 탄성 변형을 막기 위하여, 시험 다이아몬드의 <100> 방향으로 {100} 면 상에 1로부터 3kg까지 하중을 변화시켰다. 도 2는 마이크로파 플라즈마 CVD-성장 단결정 다이아몬드 상에 만들어진 인덴테이션의 사진이다. 인덴테이션 및 인덴테이션과 관련있는 크랙의 크기는 광학 현미경으로 측정한다.
주지된 바와 같이, 본 발명의 상기된 실시형태에서의 경도(즉, 비커스 경도) Hv는 하기 식으로부터 결정될 수 있다:
Hv=1.854×P/D2
여기서, P는 시험 다이아몬드 내에 인덴테이션을 형성하기 위하여 인덴터 상에 사용된 최대 하중이며 그리고 D2(또는 d2)는 인덴테이션의 면적이다(도 1 참조). 도 1의 "h"는 시험 다이아몬드 내 인덴테이션의 깊이이다.
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시험 다이아몬드의 파괴 인성 Kc는 하기 식 2에 식 1로부터의 경도 Hv를 사 용하여 결정할 수 있다:
Kc=(0.016±0.004)(E/Hv)1/2 (P/c3/2)
E는 영율(Young' modulus)로, 1000 GPa인 것으로 가정된다. P는 시험 다이아몬드 내에 인덴테이션을 형성하기 위하여 인덴터 상에 사용되는 최대 하중이다. d는, d=(d1+d2)/2인 도 2에 도시된 바와 같은 시험 다이아몬드 내 인덴테이션 캐비티의 평균 길이이다. c는 c=(c1+c2)/2인 도 2에 도시된 바와 같은 시험 다이아몬드 내 방사상 크랙의 평균 길이이다.
도 3은 마이크로파 플라즈마 CVD-성장 단결정 다이아몬드의 경도 및 인성을 타입 IIa 천연 다이아몬드와 비교하여 도시한 그래프이다. 도 3에 도시된 마이크로파 플라즈마 CVD-성장 단결정 다이아몬드는, 높은 성장 속도를 얻기 위하여 약 1300℃의 온도에서 성장시켰다. 도 3에 도시된 바와 같이, 마이크로파 플라즈마 CVD-성장 단결정 다이아몬드는 천연 IIa 다이아몬드에 비해 6-18MPa m1/2의 훨씬 높은 파괴 인성을 갖는다. 대부분의 마이크로파 플라즈마 CVD-성장 단결정 다이아몬드는, 타입 IIa 천연 다이아몬드의 보고된 파괴 인성 범위(도 3에 정사각형 점선(10)으로 도시됨) 및 다결정질 CVD 다이아몬드의 보고된 파괴 인성 범위(도 3에 정사각형 점선(20)으로 도시됨)보다 높은 파괴 인성을 갖는다. 도 3의 마이크로파 플라즈마 CVD-성장 단결정 다이아몬드는 11-18 MPa m1/2의 파괴 인성 및 50-90 GPa 의 경도를 갖는다.
도 3의 마이크로파 플라즈마 CVD-성장 단결정 다이아몬드들에 대한 파괴인성 차이는, 처리 온도와 다소 상관관계가 있는 것으로 보였다. 따라서, 본 발명자는 특정 처리 온도 범위 내에서 부가적인 마이크로파 플라즈마 CVD-성장 단결정 다이아몬드를 성장시켰다. 다시 말해, 시드 다이아몬드를 홀더 내에 위치시키고, 특정 처리 온도 범위 내에서 단결정 다이아몬드를 성장시켰다. 이어서 이들 부가적인 마이크로파 플라즈마 CVD-성장 단결정 다이아몬드를 동일한 경도 및 파괴 인성 시험하였다.
도 4는, 타입 IIa 천연 다이아몬드와 비교하여 상이한 온도들에서 형성시킨 마이크로파 플라즈마 CVD-성장 단결정 다이아몬드들의 경도 및 인성을 도시한 그래프이다. 보다 구체적으로, 도 4는 각각 1300℃ 초과, 1150-1250℃ 및 1000℃-1100℃에서 형성시킨 마이크로파 플라즈마 CVD-성장 단결정 다이아몬드들의 경도 및 인성을 보여준다. 도 4에 도시된 바와 같이, 1000℃-1100℃에서 성장시킨 마이크로파 플라즈마 CVD-성장 단결정 다이아몬드는 약 18-20MPa m1/2의 파괴 인성 및 60-70 GPa의 경도를 갖는다.
단결정 다이아몬드의 성장 속도가 보다 느리다고 할지라도, 18-20MPa m1/2의 높은 파괴 인성을 갖는 단결정 다이아몬드를 1000℃-1100℃에서 제조할 수 있다. 어떤 다른 다이아몬드, 합성 또는 천연 다이아몬드도, 이러한 높은 파괴 인성을 갖는 것으로 보고된 바 없었다. 또한, 1150℃-1350℃와 같은 높은 온도에서 성장된 다이아몬드는, 반드시 높은 파괴 인성을 얻을 수 있는 것은 아니나, 높은 경도를 갖게 하는 경향이 있어 그러한 다이아몬드를 다른 목적에 유용하게 한다.
본 발명은 이의 정신 또는 본질적인 특성에서 벗어나지 않고 수가지 형태로 구체화될 수 있으므로, 상기된 실시형태는, 달리 구체화되지 않는 한, 상기 상세한 설명의 어떤 세부내용에 의해 제한되는 것이 아니라, 첨부되는 특허청구범위에 정의된 바와 같은 정신 및 범위 내에서 광범위하게 해석되어야 하며, 따라서 특허청구범위의 경계 및 범위 내에 속하는 모든 변화 및 변경, 또는 이러한 경계 및 범위의 등가물은 첨부된 특허청구범위에 포함되는 것으로 또한 이해해야 한다.

Claims (13)

  1. 50-90 GPa의 경도 및 18-20 MPa m1/2의 파괴 인성을 갖는, 마이크로파 플라즈마 화학 증착에 의해 성장된 단결정 다이아몬드.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 경도가 60-70 GPa인 것을 특징으로 하는 단결정 다이아몬드.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 18-20 MPa m1/2의 파괴 인성을 갖는 단결정 다이아몬드.
  7. 제 6항에 있어서,
    60-70 GPa의 경도를 갖는 단결정 다이아몬드.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
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Families Citing this family (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE60335117D1 (de) * 2002-09-06 2011-01-05 Element Six Ltd Verfahren zum ändern die farbe eines cvd-artigen diamanteinkristalles und dadurch hergestellte diamant-schicht
US7157067B2 (en) * 2003-07-14 2007-01-02 Carnegie Institution Of Washington Tough diamonds and method of making thereof
ATE407100T1 (de) * 2003-12-12 2008-09-15 Element Six Ltd Verfahren zum einbringen einer markierung in einen cvd-diamanten
EP1807346A4 (en) * 2004-09-10 2010-04-28 Carnegie Inst Of Washington ULTRADUR VAPOR PHASE CHEMICAL DEPOSITED DIAMOND (CVD) AND THREE-DIMENSIONAL GROWTH OF THE SAME
JP5002982B2 (ja) * 2005-04-15 2012-08-15 住友電気工業株式会社 単結晶ダイヤモンドの製造方法
US8641999B2 (en) * 2005-07-11 2014-02-04 SCIO Diamond Technology Corporation Carbon grit
TWI410538B (zh) * 2005-11-15 2013-10-01 Carnegie Inst Of Washington 建基於以快速生長速率製造之單晶ｃｖｄ鑽石的新穎鑽石的用途／應用
JP5284575B2 (ja) * 2006-10-31 2013-09-11 住友電気工業株式会社 ダイヤモンド単結晶及びその製造方法
EP2215291A1 (en) * 2007-10-02 2010-08-11 Carnegie Institution Of Washington Low pressure method annealing diamonds
US9487858B2 (en) 2008-03-13 2016-11-08 Board Of Trustees Of Michigan State University Process and apparatus for diamond synthesis
US9023306B2 (en) * 2008-05-05 2015-05-05 Carnegie Institution Of Washington Ultratough single crystal boron-doped diamond
US20100028556A1 (en) * 2008-05-09 2010-02-04 Apollo Diamond Gemstone Corporation Chemical vapor deposition colored diamond
JP2012509831A (ja) * 2008-11-25 2012-04-26 カーネギー インスチチューション オブ ワシントン 急速成長速度における単結晶ｃｖｄダイヤモンドの製造
US20100192474A1 (en) 2009-01-30 2010-08-05 Lehigh University Ultrahard stishovite nanoparticles and methods of manufacture
CN104630882B (zh) * 2009-06-26 2018-03-30 六号元素有限公司 用于制备鲜艳橙色着色的单晶cvd 金刚石的方法及其获得的产品
US9255009B2 (en) * 2009-06-26 2016-02-09 Element Six Technologies Limited Diamond material
CN101705478B (zh) * 2009-12-04 2011-06-01 北京科技大学 一种提高自支撑金刚石膜强度的方法
TW201204863A (en) 2010-05-17 2012-02-01 Carnegie Inst Of Washington Production of large, high purity single crystal CVD diamond
SG179318A1 (en) * 2010-09-27 2012-04-27 Gemesis Company S Pte Ltd Method for growing white color diamonds by using diborane and nitrogen in combination in a microwave plasma chemical vapor deposition system
GB201121642D0 (en) 2011-12-16 2012-01-25 Element Six Ltd Single crtstal cvd synthetic diamond material
GB201205743D0 (en) * 2012-03-30 2012-05-16 Element Six Ltd Pressure cartridge
JP5527628B2 (ja) * 2012-04-09 2014-06-18 住友電気工業株式会社 ダイヤモンド単結晶
US9469918B2 (en) 2014-01-24 2016-10-18 Ii-Vi Incorporated Substrate including a diamond layer and a composite layer of diamond and silicon carbide, and, optionally, silicon
US11753740B2 (en) * 2019-11-18 2023-09-12 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Diamond substrate and method for manufacturing the same
CN111778553A (zh) * 2020-07-29 2020-10-16 哈尔滨工业大学 用于提升cvd单晶金刚石品质的籽晶连续减薄等离子体退火方法
CN113816737B (zh) * 2021-09-09 2022-10-11 四川大学 一种高效制备透明金刚石材料的方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030084839A1 (en) * 2001-11-07 2003-05-08 Hemley Russell J. Apparatus and method for diamond production

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3913280A (en) 1971-01-29 1975-10-21 Megadiamond Corp Polycrystalline diamond composites
US3745623A (en) 1971-12-27 1973-07-17 Gen Electric Diamond tools for machining
JP2620252B2 (ja) * 1987-09-17 1997-06-11 住友電気工業株式会社 窒素含有硬質炭素膜の製造方法
US4985226A (en) * 1988-06-20 1991-01-15 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Hole-burning material and production thereof
JP2921063B2 (ja) * 1990-08-22 1999-07-19 住友電気工業株式会社 高品質ダイヤモンドの気相合成方法
JP3077206B2 (ja) * 1991-01-10 2000-08-14 住友電気工業株式会社 ダイヤモンド膜及びその製造方法
US5397428A (en) * 1991-12-20 1995-03-14 The University Of North Carolina At Chapel Hill Nucleation enhancement for chemical vapor deposition of diamond
US5443032A (en) * 1992-06-08 1995-08-22 Air Products And Chemicals, Inc. Method for the manufacture of large single crystals
RU2006538C1 (ru) * 1992-07-14 1994-01-30 Акционерное общество "Компакт Лтд" Способ выращивания алмазов
EP0671482A1 (en) * 1994-03-11 1995-09-13 General Electric Company Toughened chemically vapor deposited diamond
JP3484749B2 (ja) * 1994-04-04 2004-01-06 住友電気工業株式会社 ダイヤモンドの合成法
US5451430A (en) * 1994-05-05 1995-09-19 General Electric Company Method for enhancing the toughness of CVD diamond
JP3728465B2 (ja) * 1994-11-25 2005-12-21 株式会社神戸製鋼所 単結晶ダイヤモンド膜の形成方法
US5653800A (en) * 1995-08-03 1997-08-05 Eneco, Inc. Method for producing N-type semiconducting diamond
JPH0948694A (ja) * 1995-08-04 1997-02-18 Kobe Steel Ltd 単結晶ダイヤモンド膜の形成方法
RU2099283C1 (ru) * 1996-06-05 1997-12-20 Закрытое акционерное общество "Техно-ТМ" Покрытие на основе алмазоподобного материала и способ его получения
JP3125046B2 (ja) * 1997-11-21 2001-01-15 工業技術院長 ダイヤモンド単結晶薄膜製造方法
US6582513B1 (en) * 1998-05-15 2003-06-24 Apollo Diamond, Inc. System and method for producing synthetic diamond
AU1198900A (en) * 1998-10-01 2000-04-17 Uab Research Foundation, The A process for ultra smooth diamond coating on metals and uses thereof
CA2412853C (en) 2000-06-15 2009-08-25 Geoffrey Alan Scarsbrook Single crystal diamond prepared by cvd
RU2202513C1 (ru) * 2001-10-03 2003-04-20 Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет Способ выращивания слоя твердого углерода
US6811610B2 (en) 2002-06-03 2004-11-02 Diamond Innovations, Inc. Method of making enhanced CVD diamond
US7157067B2 (en) * 2003-07-14 2007-01-02 Carnegie Institution Of Washington Tough diamonds and method of making thereof
JP4547493B2 (ja) * 2006-02-08 2010-09-22 独立行政法人産業技術総合研究所 ダイヤモンド単結晶の製造方法及びダイヤモンド単結晶

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030084839A1 (en) * 2001-11-07 2003-05-08 Hemley Russell J. Apparatus and method for diamond production

Also Published As

Publication number Publication date
WO2005007936A3 (en) 2006-07-20
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US7713507B2 (en) 2010-05-11
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CA2532384C (en) 2014-04-01
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TW200504254A (en) 2005-02-01
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TW200502444A (en) 2005-01-16
ZA200600885B (en) 2007-04-25
CN1823008A (zh) 2006-08-23
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US7115241B2 (en) 2006-10-03
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US20050034650A1 (en) 2005-02-17
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CN1942610A (zh) 2007-04-04
JP2007531680A (ja) 2007-11-08
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US20080241049A1 (en) 2008-10-02
JP4846578B2 (ja) 2011-12-28
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EP1664394A2 (en) 2006-06-07
AU2004258193A1 (en) 2005-01-27

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