KR101345862B1 - 다이아몬드 제조방법 - Google Patents

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Abstract

다이아몬드의 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 제조방법은, 탄소원료가 되는 적어도 하나의 탄소 디스크(111) 및 용융된 탄소 디스크를 고용화 시키는 적어도 하나의 촉매 디스크(112)를 포함하는 적층셀(110)을 제공하는 단계; 및 상기 적층셀(110)에 열 및 압력을 가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다이아몬드 제조방법{METHOD FOR PRODUCING DIAMOND}
본 발명은 다이아몬드 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 적층셀에 고온 및 고압을 가하여 모양과 입도가 균일한 초미세 다이아몬드를 제조할 수 있는 다이아몬드 제조방법에 관한 것이다.
다이아몬드는 천연 광물 중 가장 우수한 경도를 갖고, 광투과율이 높으며, 절연성이 좋은 물리적 특성과 화학적으로 안정한 구조를 갖는 특성으로 인해 산업적으로 여러 분야에서 이용되고 있다.
공업용 다이아몬드의 제조방법은 고온고압 방식(high pressure high temperature, HPHT) 및 화학 기상 증착 방식(chemical vapor deposition, CVD)이 널리 쓰이고 있다. 특히, 고온고압 방식에 의한 다이아몬드 제조방법이 양산을 위한 기계적 디자인이 쉽고, 작동의 간편성, 경제성, 빠른 생산 및 높은 수율로 인해 가장 많이 사용되고 있다. 고온고압 방식을 이용하여 다이아몬드를 제조하는 방법은 한국공개특허공보 제2011-0104562호 등에 개시되어 있다.
최근에는 인쇄회로기판(PCB), 발광다이오드(LED), 태양광 산업용 기판 등 정밀소재 가공에 있어서 입도가 104μm보다 작은 공업용 분말형 다이아몬드의 필요성이 커지고 있으며, 그 중에서도 특히, 입도가 38μm보다 작은 초미세 공업용 다이아몬드의 수요가 급증하는 추세이다.
이러한 초미세 공업용 다이아몬드의 제조방법으로 현재 보편적으로 사용되는 방법은 공업용 다이아몬드를 분쇄하는 방법이다. 하지만 기계적 방법으로 중간 입도를 가진 다이아몬드를 분쇄하기에는 많은 에너지와 시간을 필요로 하는 문제점이 있었다. 또한, 분쇄법으로 만들어진 초미세 다이아몬드는 그 모양과 입도가 균일하지 않은 문제점이 있었다.
한편, 고온고압 방식을 이용하는 다이아몬드 제조 공정에서 사용하는 튜브형 셀 등은 형태가 비교적 복잡하므로 다이아몬드 생산성을 저하시키고, Zn, Cu 등의 미세 합금 분말을 탄소 분말과 섞어 넣기 때문에 활성이 높은 미세 합금 분말의 폭발 위험성 및 분말끼리의 응집하려는 특성이 있어 균일한 혼합이 어려운 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 모양과 입도가 균일한 초미세 다이아몬드를 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 생산성 및 안정성이 높은 단순한 형태의 셀을 이용하여 초미세 다이아몬드를 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 제조방법은 탄소원료가 되는 적어도 하나의 탄소 디스크 및 용융된 탄소 디스크를 고용화 시키는 적어도 하나의 촉매 디스크를 포함하는 적층셀을 제공하는 단계; 및 상기 적층셀에 열 및 압력을 가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 탄소 디스크 및 상기 촉매 디스크는 서로 교차되어 적층될 수 있다.
상기 촉매 디스크의 소재는 니켈(Ni), 철(Fe), 망간(Mn), 코발트(Co) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 촉매 디스크에는 인산칼슘(calcium phosphate), 보론(boron), 알루미늄(aluminum), 티타늄(titanium) 중 적어도 어느 하나가 첨가될 수 있다.
상기 적층셀은 도금된 촉매 디스크를 더 포함할 수 있다.
상기 도금된 촉매 디스크는 아연(Zn), 구리(Cu), 철(Fe), 코발트(Co), 망간(Mn), 니켈(Ni), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 탄탈(Ta), 크롬(Cr) 중 적어도 어느 하나를 이용하여 도금될 수 있다.
상기 탄소 디스크 및 상기 도금된 촉매 디스크는 서로 교차되어 적층될 수 있다.
상기 적층셀은 외부로부터 전기 에너지를 인가 받아 열을 발생시킬 수 있다.
상기 전기 에너지를 인가하는 전극체가 상기 적층셀의 적어도 일부와 접촉될 수 있다.
상기 전극체는 상기 적층셀의 양 단부에 접촉될 수 있다.
상기 전극체는 복수의 탄소 디스크를 포함하는 전극부 및 탄소강 재질의 캡을 적층한 것일 수 있다.
상기 적층셀의 외면을 감싸는 개스킷을 더 포함할 수 있다.
상기 개스킷의 소재는 파이로필라이트(pyrophyllite)를 포함할 수 있다.
상기 개스킷의 형상은 육면체일 수 있다.
상기 적층셀의 상기 탄소 디스크와 상기 촉매 디스크를 분리하는 단계; 상기 탄소 디스크와 상기 촉매 디스크를 왕수에 넣어 다이아몬드와 흑연을 분리하는 단계; 상기 다이아몬드와 상기 흑연을 황산에 넣어 상기 흑연을 1차적으로 제거하는 단계; 및 상기 다이아몬드와 상기 흑연을 열분해하여 상기 흑연을 2차적으로 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 적층셀에 가해지는 상기 열은 1500 ℃이고, 상기 압력은 5 내지 11 GPa일 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 모양과 입도가 균일한 초미세 다이아몬드를 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 생산성 및 안정성이 높은 단순한 형태의 셀을 이용하여 초미세 다이아몬드를 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 압력을 제어하여 다이아몬드의 크기와 제조량을 변화시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 제조용 셀 유닛의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다이아몬드 제조용 셀 유닛의 사시도이다.
도 3은 도 1 또는 도 2에 도시된 다이아몬드 제조용 셀 유닛을 수납하는 개스킷을 도시한 사시도이다.
도 4는 다이아몬드 제조용 셀 유닛을 탑재하여 압력을 가하고, 전류를 공급하여 가열시키는 HPHT 장비의 도면이다.
도 5는 도 4의 HPHT 장비가 다이아몬드 제조용 셀 유닛에 압력을 가하는 내부 모식도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고온고압 공정 후의 탄소 디스크를 광학현미경으로 확대한 사진이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 다이아몬드의 전계방사 주사전자현미경(FE-SEM) 사진이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 다이아몬드의 면적당 평균 합성량을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 다이아몬드의 입도를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 다이아몬드의 모양을 나타내는 도면이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 다이아몬드의 분광 분석(라만 분광기, Raman spectroscopy) 데이터를 나타내는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
다이아몬드 제조용 셀 유닛의 구성
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 제조용 셀 유닛(100)의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 제조용 셀 유닛(100)은 적층셀(110) 및 전극체(120)를 포함할 수 있다.
적층셀(110)은 적어도 하나의 탄소디스크(111) 및 적어도 하나의 촉매 디스크(112)를 포함한다. 적층셀(110)에 후술할 고온고압 공정을 거쳐 다이아몬드 분말을 제조할 수 있다.
탄소 디스크(111)는 탄소(Carbon)원료를 소재로 하며, 외부로부터 전기적 에너지를 인가 받아 발열되어 용융될 수 있다. 탄소 디스크(111)의 형상은 일정한 두께를 갖는 원판 형상일 수 있다. 탄소 디스크(111)의 두께 및 직경은 제조하고자 하는 다이아몬드의 양을 고려하여 다양하게 변경될 수 있다.
촉매 디스크(112)는 열에 의해 용융된 탄소 디스크(111)가 균일한 상(phase)을 가질 수 있도록 고용화 시킨다. 구체적으로, 촉매 디스크(112)는 외부로부터 전기적 에너지를 인가 받아 용융될 수 있다. 이렇게 용융된 촉매 디스크(112)의 촉매 금속에 용융된 탄소 디스크(111)의 탄소 원료가 과포화 상태로 고용화 된 후, 핵생성과 입자 성장을 통해 공업용 분말형 다이아몬드로 석출될 수 있다.
촉매 디스크(112)의 소재는 3주기 전이금속을 포함할 수 있다. 예를 들면, 촉매 디스크(112)는 니켈(Ni), 철(Fe), 망간(Mn), 코발트(Co) 또는 이들의 합금(Ni77Fe11Mn9Co3)을 포함할 수 있다.
또한, 촉매 디스크(112)는 니켈(Ni), 철(Fe), 망간(Mn), 코발트(Co) 또는 이들의 합금(Ni77Fe11Mn9Co3)을 포함하는 주원료에 고용성을 증가시키는 첨가물질이 첨가될 수 있다. 예를 들면, 첨가물질은 인산칼슘(calcium phosphate), 보론(boron), 알루미늄(aluminum), 티타늄(titanium) 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 촉매 디스크(112)는 탄소 디스크(111)와 동일하도록 일정한 두께를 갖는 원판 형상일 수 있다. 또한, 탄소 디스크(111)와 촉매 디스크(112)의 직경은 동일한 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
탄소 디스크(111)와 촉매 디스크(112)는 서로 교차되어 적층될 수 있다. 이때, 탄소 디스크(111)와 촉매 디스크(112)가 접촉된 상태로 교차되어 적층되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 촉매 디스크(112)의 상면과 하면은 각각 탄소 디스크(111)와 마주하여 접촉될 수 있다. 도 1에서는 탄소 디스크(111) 12개와 촉매 디스크(112) 13개가 교차되어 적층되어 적층셀(110)을 형성하는 것으로 도시되어 있으나, 적층셀(110)을 형성하는 탄소 디스크(111)와 촉매 디스크(112)의 수는 본 발명의 목적에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
이렇게 하여 외부의 전기적 에너지를 인가 받아 탄소 디스크(111)에 발생된 열이 촉매 디스크(112)에 효과적으로 전달되어 촉매 디스크(112)의 일부가 용융될 수 있고, 용융된 촉매 디스크(112)가 탄소 디스크(111)를 고용화 시킬 수 있다.
전극체(120)는 다이아몬드 제조용 셀 유닛(100)에 전류를 인가하는 역할을 하며, 적층셀(110)에 접촉될 수 있다. 전극체(120)는 적층셀(110)의 양 단부에 형성되어, 적층셀(110)의 탄소 디스크(111) 또는 촉매 디스크(112)와 마주하여 접촉될 수 있다.
전극체(120)는 전극부(121) 및 캡(122)을 적층하여 형성될 수 있다. 이때, 적층셀(110)의 상면에 전극부(121) 및 캡(122)이 순서대로 적층되거나, 적층셀(110)의 하면에 전극부(121) 및 캡(122)이 순서대로 적층되는 것이 바람직하다.
전극체(120)는 전기 전도도가 높은 재질로 형성될 수 있다. 전극부(121)는 복수개의 탄소 디스크를 포함할 수 있다. 따라서 전극부(121)는 적층셀(110)에 전류를 인가할 뿐만 아니라, 적층셀(110)이 전기적 에너지를 인가 받아 발열될 때 열이 외부로 방출되는 것을 막고, 적층셀(110) 내부의 열을 유지시키는 역할을 할 수 있다. 전극부(121)의 적층된 탄소 디스크(111)의 개수는 도 1에서는 3개인 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 전극부(121)가 기능하는 범위 내에서 변형될 수 있다. 캡(122)의 재질은 탄소강인 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다이아몬드 제조용 셀 유닛(100')의 사시도이다.
이하의 도 2의 설명에서는 상술한 도 1의 설명과 차이점에 대해서만 기술하고 중복되는 적층셀(110)의 탄소 디스크(111)와 촉매 디스크(112) 및 전극체(120)에 대한 설명은 생략한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 다이아몬드 제조용 셀 유닛(100')은 적층셀(110') 및 전극체(120)를 포함할 수 있다.
적층셀(110')은 적어도 하나의 탄소디스크(111), 적어도 하나의 촉매 디스크(112) 및 적어도 하나의 도금된 촉매 디스크(113)를 포함한다.
도금된 촉매 디스크(113)는 촉매 디스크(112)에 아연(Zn), 구리(Cu), 철(Fe), 코발트(Co), 망간(Mn), 니켈(Ni), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 탄탈(Ta), 크롬(Cr) 중 적어도 어느 하나를 이용하여 도금하여 제조할 수 있다. 도금은 공지된 여러 방법을 이용할 수 있으나, 막의 밀착성이 좋고, 막의 두께 조절이 용이한 전기도금법이 바람직하다.
도 2에 도시된 바와 같이, 도금된 촉매 디스크(113)는 탄소 디스크(111) 및 촉매 디스크(112)와 동일하도록 일정한 두께를 갖는 원판 형상일 수 있다. 또한, 도금된 촉매 디스크(113)와 탄소 디스크(111) 및 촉매 디스크(112)의 직경은 동일한 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
탄소 디스크(111)와 도금된 촉매 디스크(113)는 서로 교차되어 적층될 수 있다. 이때, 탄소 디스크(111)와 도금된 촉매 디스크(113)가 접촉된 상태로 교차되어 적층되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 도금된 촉매 디스크(113)의 상면과 하면은 각각 탄소 디스크(111)와 마주하여 접촉될 수 있다. 도 2에서는 촉매 디스크(112) 7개가 상부에서 탄소 디스크(111)와 교차되어 적층되고, 도금된 촉매 디스크(113) 6개가 하부에서 탄소 디스크(111)와 교차되어 적층되어 적층셀(110)을 형성하는 것으로 도시되어 있으나, 적층셀(110')을 형성하는 탄소 디스크(111), 촉매 디스크(112) 및 도금된 촉매 디스크(113)의 수는 본 발명의 목적에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
이렇게 하여 외부의 전기적 에너지를 인가 받아 탄소 디스크(111)에 발생된 열이 촉매 디스크(112) 및 도금된 촉매 디스크(113)에 효과적으로 전달되어 촉매 디스크(112) 및 도금된 촉매 디스크(113)의 일부가 용융될 수 있고, 용융된 촉매 디스크(112) 및 도금된 촉매 디스크(113)가 탄소 디스크(111)를 고용화 시킬 수 있다.
다이아몬드의 제조
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 제조용 셀 유닛(100, 100')을 사용하여 다이아몬드를 제조하는 과정을 도 3 내지 도 5를 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3은 도 1 또는 도 2에 도시된 다이아몬드 제조용 셀 유닛(100, 100')을 수납하는 개스킷(130)을 도시한 사시도이다.
도 4는 다이아몬드 제조용 셀 유닛(100, 100')을 탑재하여 압력을 가하고, 전류를 공급하여 가열시키는 HPHT 장비(DV)의 도면이다.
도 5는 도 4의 HPHT 장비(DV)가 다이아몬드 제조용 셀 유닛(100, 100')에 압력을 가하는 내부 모식도이다.
도 3을 참조하면, 개스킷(130)은 다이아몬드 제조용 셀 유닛(100, 100')의 외면을 감싸 수납할 수 있다. 개스킷(130)은 외부에서 압력을 인가하는 프레스 장치의 구성에 따라 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 6 방향에서 압력을 가하는 프레스 장치의 경우, 개스킷(130)의 외면은 육면체의 형상을 가질 수 있다.
개스킷(130)의 소재는 고온에서 물리적, 화학적 영향에 견딜 수 있는 내화재료를 포함한다. 예를 들면, 개스킷(130)은 파이로필라이트(pyrophyllite, Al2Si4O10(OH)2)를 포함할 수 있다. 파이로필라이트는 압력 전달성, 기계가공성, 내열보온성, 절연성, 밀봉성 등이 뛰어나 개스킷(130)의 소재로 바람직하다.
다음으로, 도 4를 참조하면, 다이아몬드 제조용 셀 유닛(100, 100')을 수납한 개스킷(130)을 HPHT 장비(DV) 내에 탑재한다. HPHT 장비(DV)는 개스킷(130)의 외면에 압력을 가할 수 있도록 육방정 프레스인 것이 바람직하다.
다음으로, 다이아몬드 제조용 셀 유닛(100, 100')에 서서히 압력을 가하면, 도 4 및 도 5에 도시된 화살표의 방향과 같이 압력이 가해진다. 구체적으로, HPHT 장비(DV) 내부에는 개스킷(130)의 외면과 마주하는 여섯 방향에, 축(F)과 연결된 피스톤(P)이 압력을 가하게 된다(도 5에서는 4면의 방향만 도시하였음). 개스킷(130) 내의 다이아몬드 제조용 셀 유닛(100, 100')에 가해지는 압력은 5 GPa 내지 11 GPa인 것이 바람직하나, 본 발명의 목적에 따라 압력의 크기는 변경이 가능하다.
이와 동시에, 다이아몬드 제조용 셀 유닛(100, 100')의 전극체(120)에 전기 에너지를 인가하면, 탄소 디스크(111)에 발생된 열이 촉매 디스크(112, 113)에 전달되어 촉매 디스크(112, 113)의 일부가 용융될 수 있고, 용융된 촉매 디스크(112, 113)가 탄소 디스크(111)를 고용화 시킬 수 있다. 이렇게 탄소 원료가 촉매 금속에 과포화 상태로 고용화 된 후, 핵생성과 입자 성장을 통해 공업용 분말형 다이아몬드로 석출될 수 있다.
다음으로, 개스킷(130)을 HPHT 장비(DV)에서 꺼내어 적층셀(110, 110')의 탄소 디스크(111)와 촉매 디스크(112, 113)를 분리한다. 이어서, 탄소 디스크(111)와 촉매 디스크(112, 113)를 질산과 염산이 1:3으로 혼합된 왕수에 넣어 촉매 금속을 용해시키고 여과 및 세척을 거치면 다이아몬드와 흑연이 남는다. 이어서, 다이아몬드와 흑연을 황산에 넣은 후 여과 및 세척을 거치면 흑연이 1차적으로 제거된다. 이어서, 다이아몬드와 흑연을 세라믹 도가니에 넣어 열을 가하여 흑연을 산화시키는 열분해 작업을 거치면 흑연이 2차적으로 제거되어 다이아몬드만 분리할 수 있다.
(실험예)
이하에서는, 본 발명의 일 실험예에 따라 제조된 다이아몬드의 특성에 대해 살펴보도록 한다.
본 제1 실험예에 따른 적층셀(110)은 촉매 디스크(112)는 Ni77Fe11Mn9Co3 디스크를 사용하였고, 직경 20mm의 탄소 디스크(111) 12개, 직경 20mm의 촉매 디스크(112) 13개를 서로 교차되게 적층시켰다. 전극체(120)의 전극부(121)는 탄소 디스크(111)와 동일한 크기의 탄소 디스크 3개를 적층하였고, 캡(122)은 탄소강으로 제작하여 구성하였다.
상기 다이아몬드 제조용 셀 유닛(100)을 육면체 형상의 파이로필라이트 개스킷(130)에 수납시킨 후, HPHT 장비(DV) 내에 탑재하였다. HPHT 장비(DV)는 Guilin 사의 장비를 입수하여 사용하였다.
이후, HPHT 장비(DV)에 파워 5000W를 가하여 HPHT 장비(DV) 내의 적층셀(110)의 온도를 1500℃, 시간을 300sec로 고정하고, 적층셀(110)에 가해지는 압력을 시편마다 각각 5.7, 6.0, 6.6, 7.1, 7.5, 10.6 GPa이 되도록하여 고온고압 환경에서 다이아몬드가 생성되도록 하였다.
한편, 본 제2 실험예에 따른 적층셀(110')은 촉매 디스크(112)는 Ni77Fe11Mn9Co3 디스크를 사용하였고, 도금된 촉매 디스크(113)는 Ni77Fe11Mn9Co3 디스크에 아연(Zn)을 전기도금법으로 도금하여 사용하였다. 아연 도금층의 두께는 FE-SEM 분석 결과 7μm였다. 직경 20mm의 탄소 디스크(111) 12개, 직경 20mm의 촉매 디스크(112) 7개, 직경 20mm의 도금된 촉매 디스크(113) 6개를 도 2와 같이 서로 교차되게 적층시켰다. 전극체(120)의 전극부(121)는 탄소 디스크(111)와 동일한 크기의 탄소 디스크 3개를 적층하였고, 캡(122)은 탄소강으로 제작하여 구성하였다.
상기 다이아몬드 제조용 셀 유닛(100')을 육면체 형상의 파이로필라이트 개스킷(130)에 수납시킨 후, HPHT 장비(DV) 내에 탑재하였다. HPHT 장비(DV)는 Guilin 사의 장비를 입수하여 사용하였다.
이후, HPHT 장비(DV)에 파워 5000W를 가하여 HPHT 내의 적층셀(110)의 온도를 1500℃, 시간을 300sec로 고정하고, 적층셀(110')에 가해지는 압력을 시편마다 각각 5.7, 6.0, 6.6, 7.1, 7.5, 10.6 GPa이 되도록하여 고온고압 환경에서 다이아몬드가 생성되도록 하였다.
상기 제1 실험예 및 제2 실험예의 적층셀(110, 110')의 각 디스크(111, 112, 113)을 분리하고, 분리를 마친 탄소 디스크(111)와 촉매 디스크(112, 113)을 왕수에 담구어 금속촉매를 제거하였다. . 이어서, 증류수로 3번의 여과 및 세척 작업 후 24시간 자연 건조하여 다이아몬드와 흑연을 남도록 하였다.
다음으로, 다이아몬드와 흑연을 95wt%의 황산에 넣어 흑연을 1차적으로 제거하였다. 이후, 20wt% 묽은 황산으로 희석시킨 후, 여과지를 이용하여 3번의 여과 및 세척 작업 후, 1차적으로 흑연이 제거된 공업용 분말형 다이아몬드와 흑연의 혼합물을 분리하였다.
다음으로, 분말형 다이아몬드와 흑연의 혼합을 세라믹 도가니에 넣어, 650℃에서 2시간동안 유지하여 2차적으로 흑연을 제거하여 공업용 분말형 다이아몬드를 분리하였다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고온고압 공정 후의 탄소 디스크를 광학현미경으로 확대한 사진이다.
도 6은 적층셀(110), 도 7은 적층셀(110')을 사용하여 고온고압 공정을 마친 후 분리한 탄소 디스크를 광학현미경으로 확대한 사진이다. 도 6 및 도7의 (a)는 5.7GPa, (b)는 6.0 GPa, (c)는 6.6 GPa, (d)는 7.1 GPa, (e)는 7.5 GPa, (f)는 10.6 GPa의 압력을 가한 시편의 사진이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 다이아몬드로 확인되는 밝고 작은 점이 모든 사진에서 관찰되어, 온도 1500℃, 시간 300sec을 유지하고 시편 각각에 압력 5.7, 6.0, 6.6, 7.1, 7.5, 10.6 GPa의 압력을 가할때, 적층셀(110)과 적층셀(110')의 모든 시편에서 다이아몬드가 생성됨을 확인할 수 있었다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 다이아몬드의 전계방사 주사전자현미경(FE-SEM) 사진이다.
도 8은 적층셀(110), 도 9은 적층셀(110')을 사용하여 고온고압 공정을 마친 후 제조된 다이아몬드의 FE-SEM 사진이다. 도 8 및 도 9의 (a)는 5.7GPa, (b)는 6.0 GPa, (c)는 6.6 GPa, (d)는 7.1 GPa, (e)는 7.5 GPa, (f)는 10.6 GPa의 압력을 가한 후의 사진이다.
도 8의 (a)에서는 다이아몬드가 면적당 1898개/mm2가 합성되었고, 다이아몬드의 평균 사이즈는 3μm, 다이아몬드의 모양은 사면체인 것으로 나타났다. (b)에서는 다이아몬드가 면적당 2277개/mm2가 합성되었고, 다이아몬드의 평균 사이즈는 3μm, 다이아몬드의 모양은 사면체인 것으로 나타났다. (c)에서는 다이아몬드가 면적당 2657개/mm2가 합성되었고, 다이아몬드의 평균 사이즈는 3μm, 다이아몬드의 모양은 불균일한 것으로 나타났다. (d)에서는 다이아몬드가 면적당 2277개/mm2가 합성되었고, 다이아몬드의 평균 사이즈는 2.9μm, 다이아몬드의 모양은 육면체인 것으로 나타났다. (e)에서는 다이아몬드가 면적당 2277개/mm2가 합성되었고, 다이아몬드의 평균 사이즈는 2.6μm, 다이아몬드의 모양은 사면체인 것으로 나타났다. (f)에서는 다이아몬드가 면적당 2277개/mm2가 합성되었고, 다이아몬드의 평균 사이즈는 500μm, 다이아몬드의 모양은 육면체인 것으로 나타났다.
도 9의 (a)에서는 다이아몬드가 면적당 1520개/mm2가 합성되었고, 다이아몬드의 평균 사이즈는 1.75μm, 다이아몬드의 모양은 사면체인 것으로 나타났다. (b)에서는 다이아몬드가 면적당 1898개/mm2가 합성되었고, 다이아몬드의 평균 사이즈는 1.5μm, 다이아몬드의 모양은 사면체인 것으로 나타났다. (c)에서는 다이아몬드가 면적당 3795개/mm2가 합성되었고, 다이아몬드의 평균 사이즈는 1.05μm, 다이아몬드의 모양은 팔면체인 것으로 나타났다. (d)에서는 다이아몬드가 면적당 3795개/mm2가 합성되었고, 다이아몬드의 평균 사이즈는 1.1μm, 다이아몬드의 모양은 사면체인 것으로 나타났다. (e)에서는 다이아몬드가 면적당 2657개/mm2가 합성되었고, 다이아몬드의 평균 사이즈는 1.15μm, 다이아몬드의 모양은 사면체인 것으로 나타났다. (f)에서는 다이아몬드가 면적당 4554개/mm2가 합성되었고, 다이아몬드의 평균 사이즈는 2.9μm, 다이아몬드의 모양은 사면체인 것으로 나타났다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 다이아몬드의 면적당 평균 합성량을 나타내는 도면이다.
도 10의 검은색 선은 적층셀(110), 붉은색 선은 적층셀(110')을 사용하여 제조된 다이아몬드의 면적당 평균 합성량을 나타낸다. 적층셀(110)을 사용한 경우, 공정압력이 5.7 ~ 6.6 GPa 일때 합성량이 증가하였고, 6.6 ~ 7.1 GPa 일때 합성량이 감소하였고, 7.1 ~ 10.6 GPa 일때 합성량이 균일함을 확인할 수 있었다. 적층셀(110')을 사용한 경우, 공정압력이 5.7 ~ 6.6 GPa 일때 합성량이 확연히 증가하였고, 6.6 ~ 7.1 GPa 일때 합성량이 균일하였고, 7.1 ~ 7.5 GPa 일때 합성량이 감소하였고, 7.5 ~ 10.6 GPa 일때 합성량이 균일함을 확인할 수 있었다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 다이아몬드의 입도를 나타내는 도면이다.
도 11의 검은색 선은 적층셀(110), 붉은색 선은 적층셀(110')을 사용하여 제조된 다이아몬드의 입도를 나타낸다. 적층셀(110)을 사용한 경우, 상대적으로 저압인 5.7 ~ 7.5 GPa에서 입도가 3μm, 상대적으로 고압인 10.6 GPa에서 입도가 500μm로 확연히 증가됨을 확인할 수 있었다. 적층셀(110')을 사용한 경우, 상대적으로 저압인 5.7 ~ 7.5 GPa에서 입도가 1.5μm, 상대적으로 고압인 10.6 GPa에서 입도가 2.6μm로 증가됨을 확인할 수 있었다. 따라서, 적층셀(110, 110')을 사용하여 고온고압 공정에서 압력만 낮추는 방법으로 다이아몬드 입도를 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
또한, 도 10 및 도 11을 참조하면, 도금된 촉매디스크(113)를 포함하는 적층셀(110')을 사용하였을 때 상대적으로 다이아몬드의 합성량이 많고, 입도는 작아진 것을 확인할 수 있었다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 다이아몬드의 모양을 나타내는 도면이다.
도 12를 참조하면, 적층셀(110)을 사용하여 공정압력을 10.6 GPa에서 제조된 다이아몬드는 육면체, 적층셀(110')을 사용하여 공정압력을 6.6 GPa에서 제조된 다이아몬드는 팔면체로 나타났고, 나머지는 모두 사면체로 나타났다. 이는 제조된 다이아몬드가 모두 5μm 이하여서 다이아몬드의 (100)면과 (111)면의 우선 성장경향이 나타나지 않아 사면체로 합성된 것으로 판단된다.
도 13및 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 다이아몬드의 분광 분석(라만 분광기, Raman spectroscopy) 데이터이다.
도 13의 (a)는 적층셀(110), (b)는 적층셀(110')을 사용하여 제조된 다이아몬드의 분광 분석 데이터이며, 다이아몬드와 흑연의 라만 스펙트럼인 1332 cm- 1와 1600 cm-1에서 피크가 생성됨에 근거하여 다이아몬드의 생성여부를 확인하였다.
도 14는 라만 스펙트럼에서 압력에 대한 다이아몬드와 흑연의 인텐시티 비율을 나타낸다.
도 14를 참조하면, 적층셀(110)을 사용한 경우, 공정압력이 5.7 ~ 6.0 GPa 일때 합성량이 증가하였고, 6.0 ~ 6.6 GPa 일때 합성량이 감소하였고, 6.6 ~ 10.6 GPa 일때 합성량이 증가하였음을 확인하였다. 적층셀(110')을 사용한 경우, 공정압력이 5.7 ~ 6.6 GPa 일때 합성량이 감소하였고, 6.6 ~ 10.6 GPa 일때 합성량이 증가하였음을 확인하였다.
또한, 촉매 디스크(112)가 포함된 적층셀(110)보다 촉매 디스크(112) 및 도금된 촉매 디스크(113)가 포함된 적층셀(110')을 사용한 경우에 다이아몬드의 합성량이 더 적음을 확인할 수 있었다.
이와 같이, 본 발명은 모양과 입도가 균일한 초미세 다이아몬드를 제조할 수 있고, 압력을 제어하여 다이아몬드의 크기와 제조량을 변화시킬 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.
100, 100': 다이아몬드 제조용 셀 유닛
110, 110': 적층셀
111: 탄소 디스크
112: 촉매 디스크
113: 도금된 촉매 디스크
120: 전극체
121: 전극부
122: 캡
130; 개스킷
DV: HPHT 장비
P: 피스톤
F: 축

Claims (16)

  1. 탄소원료가 되는 적어도 하나의 탄소 디스크, 용융된 탄소 디스크를 고용화 시키는 적어도 하나의 촉매 디스크 및 적어도 하나의 도금된 촉매 디스크를 포함하는 적층셀을 제공하는 단계; 및
    상기 적층셀에 열 및 압력을 가하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 디스크 및 상기 촉매 디스크는 서로 교차되어 적층된 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 디스크의 소재는 니켈(Ni), 철(Fe), 망간(Mn), 코발트(Co) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 디스크에는 인산칼슘(calcium phosphate), 보론(boron), 알루미늄(aluminum), 티타늄(titanium) 중 적어도 어느 하나가 첨가된 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 도금된 촉매 디스크는 아연(Zn), 구리(Cu), 철(Fe), 코발트(Co), 망간(Mn), 니켈(Ni), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 탄탈(Ta), 크롬(Cr) 중 적어도 어느 하나를 이용하여 도금된 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 디스크 및 상기 도금된 촉매 디스크는 서로 교차되어 적층된 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 적층셀은 외부로부터 전기 에너지를 인가 받아 열을 발생시키는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전기 에너지를 인가하는 전극체가 상기 적층셀의 적어도 일부와 접촉되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전극체는 상기 적층셀의 양 단부에 접촉되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 전극체는 복수의 탄소 디스크를 포함하는 전극부 및 탄소강 재질의 캡을 적층한 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 적층셀의 외면을 감싸는 개스킷을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 개스킷의 소재는 파이로필라이트(pyrophyllite)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 개스킷의 형상은 육면체인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 적층셀의 상기 탄소 디스크, 상기 촉매 디스크 및 상기 도금된 촉매 디스크를 분리하는 단계;
    상기 탄소 디스크, 상기 촉매 디스크 및 상기 도금된 촉매 디스크를 왕수에 넣어 다이아몬드와 흑연을 분리하는 단계;
    상기 다이아몬드와 상기 흑연을 황산에 넣어 상기 흑연을 1차적으로 제거하는 단계; 및
    상기 다이아몬드와 상기 흑연을 열분해하여 상기 흑연을 2차적으로 제거하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 적층셀에 가해지는 상기 열은 1500 ℃이고, 상기 압력은 5 내지 11 GPa 인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조방법.
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