KR101427710B1 - Method for manufacturing diamond powder using gas-to-particle synthesis and diamond power manufactured using the same - Google Patents

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Abstract

다이아몬드 파우더(powder)의 제조 방법은, 기판상에 다이아몬드를 포함하는 시드(seed) 입자를 형성하는 단계; 기판 및 필라멘트가 위치하는 반응 챔버에 원료 기체를 주입하는 단계; 기판을 가열하는 단계; 필라멘트를 가열하여 원료 기체를 활성화시키는 단계; 가열된 필라멘트를 이용하여 시드 입자를 기판으로부터 분리하는 단계; 및 활성화된 원료 기체를 이용하여, 기판으로부터 분리된 시드 입자상에 다이아몬드를 성장시키는 단계를 포함할 수 있다. 다이아몬드 파우더의 제조 방법에 의하여, 기체로부터의 입자 합성(gas-to-particle synthesis) 빙식으로 다이아몬드 파우더를 제조할 수 있다. A method of manufacturing a diamond powder includes the steps of forming seed particles containing diamond on a substrate; Injecting a raw material gas into a reaction chamber in which the substrate and the filament are located; Heating the substrate; Heating the filament to activate the raw material gas; Separating the seed particles from the substrate using the heated filament; And growing the diamond on the seed particles separated from the substrate using the activated source gas. According to the method for producing diamond powder, diamond powder can be produced by ice-gas-to-particle synthesis.

Description

기체로부터의 입자 합성을 이용한 다이아몬드 파우더의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 다이아몬드 파우더{METHOD FOR MANUFACTURING DIAMOND POWDER USING GAS-TO-PARTICLE SYNTHESIS AND DIAMOND POWER MANUFACTURED USING THE SAME}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a diamond powder using particles synthesized from a gas,

실시예들은 기체로부터의 입자 합성(gas-to-particle synthesis)을 이용한 다이아몬드 파우더(powder)의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 다이아몬드 파우더에 대한 것이다. Embodiments relate to a method for manufacturing a diamond powder using gas-to-particle synthesis from a gas and a diamond powder produced thereby.

다이아몬드는 도핑(doping), 합금 또는 표면 수정 등의 방법에 의하여 도전성을 갖도록 가공될 수 있으며, 도전성을 갖는 다이아몬드는 연료 전지의 촉매 지지체 등 전기화학적으로 응용될 수 있다. 촉매 지지체로의 사용을 위해서는, 높은 비표면적(specific surface area)을 갖도록 도전성 다이아몬드를 파우더(powder) 형태로 제조할 필요가 있다. The diamond can be processed to have conductivity by a method such as doping, alloy or surface modification, and the diamond having conductivity can be applied electrochemically, such as a catalyst support of a fuel cell. For use as a catalyst support, it is necessary to produce conductive diamond in the form of powder so as to have a high specific surface area.

이와 관련하여, 보론이 도핑된 다이아몬드(boron doped diamond; BDD) 또는 탄소/다이아몬드-BDD를 코어(core)-쉘(shell)의 구조로 제조하는 기술에 대한 연구가 이루어졌다. 코어-쉘 형태의 제조 방법에서는 일반적으로 화학기상증착(chemical vapor deposition; CVD)을 이용하여 다이아몬드 파우더 또는 탄소 파우더에 다이아몬드 코팅이 입혀진다. 그러나, 이 공정은 파우더 형태의 피 증착물에 기상으로부터 성장종이 침투함으로써 코팅이 진행되야 하므로 파우더 형태의 피증착물 내부에 존재하는 입자들 각각에 대해 그 상대적 위치와 관계 없이 코팅을 균일하게 유지하기 힘든 단점이 있다. In this regard, research has been conducted on a technique for manufacturing a boron doped diamond (BDD) or a carbon / diamond-BDD to a core-shell structure. In the core-shell type manufacturing process, diamond powder or carbon powder is generally coated with diamond by using chemical vapor deposition (CVD). However, since the coating must proceed by penetrating the growth paper from the vapor phase to the deposit of the powder form, this process has a disadvantage that it is difficult to uniformly maintain the coating regardless of its relative position to each particle existing in the powder- .

한편, 나노다이아몬드 파우더를 다공성 막 형태로 구성할 경우, 화학 반응의 실시간 모니터링 또는 DNA/생화학 센싱을 위한 도파 모드 공진 센서 등에 응용할 수 있다. 현재까지 나노다이아몬드 파우더는 폭발법(detonation), 또는 고온고압(high-pressure high-temperature) 공정 및 후속하는 밀링(milling)에 의하여 제조될 수 있다. 그러나 이상의 공정에 의할 경우, 대량 생산이 가능한 반면 입자 응집(agglomeration)이 발생하여 공정 간 입자 분리 또는 도핑이 어려워지는 문제점이 있고, 전도성 부여를 위한 보론 도핑 등이 불가능한 단점이 있다. On the other hand, when the nanodiamond powder is formed in the form of a porous film, it can be applied to a real time monitoring of a chemical reaction or a waveguide mode resonance sensor for DNA / biochemical sensing. To date, nanodiamond powders can be prepared by detonation, or a high-pressure high-temperature process and subsequent milling. However, in the above process, mass production is possible, but particle agglomeration occurs, so that particle separation or doping becomes difficult between the processes, and boron doping or the like for imparting conductivity is impossible.

미국 공개특허공보 제2012/0102843호U.S. Published Patent Application No. 2012/0102843

본 발명의 일 측면에 따르면, 기체로부터의 입자 합성(gas-to-particle synthesis)을 이용한 다이아몬드 파우더(powder)의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 다이아몬드 파우더를 제공할 수 있다. According to an aspect of the present invention, there can be provided a method of manufacturing a diamond powder using gas-to-particle synthesis from a gas and a diamond powder produced thereby.

일 실시예에 따른 다이아몬드 파우더(powder)의 제조 방법은, 기판상에 다이아몬드를 포함하는 시드(seed) 입자를 형성하는 단계; 상기 기판 및 필라멘트가 위치하는 반응 챔버에 원료 기체를 주입하는 단계; 상기 기판을 가열하는 단계; 상기 필라멘트를 가열하여 상기 원료 기체를 활성화시키는 단계; 가열된 상기 필라멘트를 이용하여 상기 시드 입자를 상기 기판으로부터 분리하는 단계; 및 활성화된 상기 원료 기체를 이용하여, 상기 기판으로부터 분리된 상기 시드 입자상에 다이아몬드를 성장시키는 단계를 포함할 수 있다. A method of manufacturing a diamond powder according to an embodiment includes the steps of forming seed particles containing diamond on a substrate; Injecting a raw material gas into a reaction chamber in which the substrate and the filament are located; Heating the substrate; Heating the filament to activate the raw material gas; Separating the seed particles from the substrate using the heated filament; And growing the diamond on the seed particles separated from the substrate using the activated source gas.

상기 기판은 300 ℃ 이상 630 ℃ 미만의 온도로 가열될 수 있다. The substrate may be heated to a temperature of 300 ° C or more and less than 630 ° C.

상기 시드 입자는, 가열된 상기 필라멘트로부터 방출된 열전자에 의해 상기 기판 및 상기 시드 입자에 전하를 충전하고, 충전된 전하 사이의 반발력을 이용하여 기판으로부터 분리될 수 있다. 또한, 상기 시드 입자는, 상기 필라멘트에 의해 가열된 상기 원료 기체의 대류를 더 이용하여 상기 기판으로부터 분리될 수도 있다.The seed particles can be separated from the substrate by charging the substrate and the seed particles with the thermoelectrons emitted from the heated filament, and utilizing the repulsive force between the charged charges. Further, the seed particles may be separated from the substrate by further utilizing the convection of the raw material gas heated by the filament.

상기 다이아몬드를 성장시키는 단계 후에, 상기 시드 입자를 기판상에 석출시킬 수 있다. 이때, 석출된 복수 개의 시드 입자로 이루어지는 다공성 막을 형성할 수도 있다.After the step of growing the diamond, the seed particles may be precipitated on the substrate. At this time, a porous film composed of a plurality of precipitated seed particles may be formed.

일 실시예에 따른 다이아몬드 파우더는, 전술한 다이아몬드 파우더의 제조 방법에 의하여 제조될 수 있다. 상기 다이아몬드 파우더는 나노 결정질 다이아몬드(nano-crystalline diamond)로 이루어질 수도 있다. The diamond powder according to one embodiment can be produced by the above-described method for producing a diamond powder. The diamond powder may be a nano-crystalline diamond.

본 발명의 일 측면에 따르면, 기체로부터의 입자 합성(gas-to-particle synthesis) 방식을 이용하여 원료 기체 내에 부유된 시드(seed) 물질의 입자상에 다이아몬드를 성장시킴으로써 나노 결정질 다이아몬드(nano-crystalline diamond) 파우더를 제조할 수 있다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method of producing a nano-crystalline diamond by growing a diamond on particles of a seed material suspended in a raw material gas using a gas-to-particle synthesis method, ) Powder can be produced.

도 1a 내지 1e는 일 실시예에 따른 다이아몬드 파우더의 제조 방법의 각 단계를 나타내는 개략적인 개념도이다.
도 2는 일 실시예에 따라 시드(seed) 입자가 형성된 기판의 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope; SEM) 이미지이다.
도 3은 실시예들에 따라 다이아몬드 파우더가 제조된 후의 기판의 평면 및 단면을 나타내는 SEM 이미지들이다.
도 4는 실시예들에 따라 제조된 다이아몬드 파우더의 x-선 회절(x-ray diffraction) 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따라 제조된 다이아몬드 파우더의 고분해능 투과 전자 현미경(high resolution transmission electron microscope) 이미지 및 선택 영역 전자 회절(selected area electron diffraction) 패턴을 나타낸다. FIGS. 1A to 1E are schematic conceptual diagrams showing respective steps of a method of manufacturing a diamond powder according to an embodiment.
2 is a Scanning Electron Microscope (SEM) image of a substrate on which seed particles are formed according to an embodiment.
3 is SEM images showing the plane and cross-section of the substrate after the diamond powder is produced according to the embodiments.
4 is a graph showing an x-ray diffraction pattern of a diamond powder prepared according to embodiments.
FIG. 5 shows a high resolution transmission electron microscope image and a selected area electron diffraction pattern of a diamond powder prepared according to one embodiment.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 몇몇 실시예들을 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예들에 의하여 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited by the following examples.

실시예들은 다이아몬드 파우더(powder)의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 다이아몬드 파우더에 대한 것이다. 다이아몬드 파우더는 나노 결정질 다이아몬드(nano-crystalline diamond; NCD)로 이루어질 수 있다. 본 명세서에서 NCD는 나노미터 수준의 결정 크기를 갖는 임의의 다이아몬드 구조를 지칭하며, 별도로 구분하여 명시되지 않을 경우 초나노 결정질 다이아몬드(ultrananocrystalline diamond; UNCD)를 포함할 수도 있는 것으로 의도된다. Embodiments relate to a method for manufacturing a diamond powder and a diamond powder produced thereby. Diamond powder can be made of nano-crystalline diamond (NCD). The NCD herein refers to any diamond structure with a crystal size on the order of nanometers and is intended to include an ultranocrystalline diamond (UNCD) unless otherwise specified.

실시예들에서, 다이아몬드 파우더는 기체로부터의 입자 변환(gas-to-particle conversion) 방법에 의하여 합성될 수 있다. 또한, 합성된 다이아몬드 파우더는 기판상에 석출(precipitate)될 수 있다. 석출된 다이아몬드 파우더는 기판상의 다공성(porous) 막을 형성할 수도 있다. In embodiments, the diamond powder may be synthesized by a gas-to-particle conversion method from a gas. Further, the synthesized diamond powder can be precipitated on the substrate. The precipitated diamond powder may form a porous film on the substrate.

일 실시예에서, 다이아몬드 파우더는 열 필라멘트 화학기상증착(Hot Filament Chemical Vapor Deposition; HF-CVD) 공정에 의하여 제조된다. HF-CVD에서는 탄화수소(CH4) 및 수소(H2)를 포함하는 원료 기체를 사용하여 기판상에 탄소 물질을 증착하되, HF-CVD의 공정 파라미터를 조절함으로써 다이아몬드 파우더로 이루어지는 다공성 막의 공극률(porosity) 및 공극 구조(pore structure)를 조절할 수 있다. In one embodiment, the diamond powder is prepared by a hot filament chemical vapor deposition (HF-CVD) process. In HF-CVD, a carbon material is deposited on a substrate using a raw material gas containing hydrocarbons (CH 4 ) and hydrogen (H 2 ), and the porosity of the porous film made of diamond powder is controlled by controlling the process parameters of HF- ) And pore structure can be controlled.

합성된 다이아몬드 파우더의 구조 및 특성은 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope; SEM), 고분해능 투과 전자 현미경(High Resolution Transmission Electron Microscope; HR-TEM), x-선 회절(x-ray diffraction; XRD) 장비, 및 선택 영역 전자 회절(Selected Area Electron Diffraction; SAED) 패턴 등을 이용하여 측정될 수 있다. The structure and characteristics of the synthesized diamond powder can be measured by a scanning electron microscope (SEM), a high resolution transmission electron microscope (HR-TEM), an x-ray diffraction (XRD) And a Selected Area Electron Diffraction (SAED) pattern.

도 1a 내지 1e는 일 실시예에 따른 다이아몬드 파우더의 제조 방법의 각 단계를 나타내는 개략적인 개념도이다.FIGS. 1A to 1E are schematic conceptual diagrams showing respective steps of a method of manufacturing a diamond powder according to an embodiment.

도 1a를 참조하면, 기판(2) 상에 하나 이상의 시드(seed) 입자(3)를 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 기판(2)은 실리콘(Si)으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 지름 약 4 인치(inch), 두께 약 0.5 mm, 표면 방향 (100)을 가지며, p-형 보론(boron) 도핑되고, 약 1 내지 10 Ω·cm의 저항을 갖는 Si 웨이퍼(wafer)가 사용될 수 있다. 그러나, 이는 예시적인 것으로서 실시예들에서 사용 가능한 기판의 종류는 이에 한정되는 것은 아니다. Referring to FIG. 1A, one or more seed particles 3 may be formed on a substrate 2. In one embodiment, the substrate 2 may be made of silicon (Si). For example, Si wafers having a diameter of about 4 inches, a thickness of about 0.5 mm, a surface orientation of 100, p-type boron doping and a resistivity of about 1 to 10? ) Can be used. However, this is an exemplary one, and the types of substrates usable in the embodiments are not limited thereto.

기판(2)은 기판 고정부(1)상에 위치할 수 있다. 기판 고정부(1)는 소정의 온도로 냉각될 수 있으며, 기판 고정부(1)와 기판(2)과 열적으로 접촉시킴으로써 기판 고정부(1)를 통해 기판(2)의 온도를 조절할 수 있다. 이때, 기판(2)의 온도란 기판(2)상에서 열전대(thermocouple) 방식으로 측정되는 온도를 지칭할 수 있다. The substrate 2 may be located on the substrate fixing portion 1. [ The substrate fixing section 1 can be cooled to a predetermined temperature and the temperature of the substrate 2 can be adjusted through the substrate fixing section 1 by making thermal contact with the substrate fixing section 1 and the substrate 2. [ . At this time, the temperature of the substrate 2 may refer to a temperature measured on the substrate 2 by a thermocouple method.

기판(2)상에는 하나 이상의 시드 입자(3)가 위치할 수 있다. 시드 입자는 다이아몬드 파우더를 성장시키기 위한 나노미터 단위 직경의 다이아몬드 입자이다. 예를 들어, 나노 다이아몬드 입자를 포함하는 메탄올(methanol) 현탁액으로부터 초음파를 이용하여 기판상에 나노 다이아몬드 파우더 형태의 시드 입자(3)가 형성될 수도 있다. 시드 입자(3)는 약 3 nm의 평균 두께를 갖도록 기판상에 위치할 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. HF-CVD 공정을 위한 기판 처리 및 시드 물질 형성 공정에 대해서는 본 발명의 기술분야에서 잘 알려져 있으므로, 본 발명의 요지를 명확하게 하기 위하여 본 명세서에서는 상세한 설명을 생략한다. On the substrate 2, one or more seed particles 3 may be located. Seed particles are nanometer-unit diameter diamond particles for growing diamond powder. For example, seed particles 3 in the form of a nanodiamond powder may be formed on a substrate by using ultrasonic waves from a methanol suspension containing nanodiamond particles. The seed particles 3 may be positioned on the substrate to have an average thickness of about 3 nm, but are not limited thereto. Since the substrate processing and the seed material forming process for the HF-CVD process are well known in the technical field of the present invention, a detailed description thereof will be omitted in order to clarify the gist of the present invention.

도 2는 일 실시예에 따라 시드 입자가 형성된 기판의 SEM 이미지이다. 도 2는 기판의 평면을 도시하며, 도시되는 바와 같이 기판상에 나노 미터 수준의 크기를 갖는 시드 입자들이 형성되었다. 일 실시예에서, 시드 입자들은 양전하(+)를 갖는 반면 Si 기판의 표면은 음전하(-)를 가져, 시드 입자와 기판 사이의 정전기적 인력에 의하여 시드 입자가 기판상에 부착될 수 있다. 2 is an SEM image of a substrate on which seed particles are formed according to one embodiment. Fig. 2 shows the plane of the substrate, in which seed particles having a nanometer level size were formed on the substrate as shown. In one embodiment, the seed particles have a positive charge (+) while the surface of the Si substrate has a negative charge (-), so that the seed particles can be deposited on the substrate by electrostatic attraction between the seed particles and the substrate.

다음으로, 도 1b를 참조하면, 시드 입자(3)가 형성된 기판(2)과 필라멘트(4)가 반응 챔버 내에 배치될 수 있다. 도 1a 내지 1e는 반응 챔버 내부의 공간을 도시하며, 반응 챔버의 벽은 설명을 위하여 도시를 생략한다. 예컨대, 필라멘트(4)는 약 0.3 mm의 직경을 갖는 선형 필라멘트일 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. Next, referring to FIG. 1B, the substrate 2 on which the seed particles 3 are formed and the filament 4 may be disposed in the reaction chamber. 1A to 1E show the space inside the reaction chamber, and the walls of the reaction chamber are omitted from illustration for the sake of explanation. For example, the filament 4 may be a linear filament having a diameter of about 0.3 mm, but is not limited thereto.

반응 챔버 내에는 탄화수소(CH4) 및 수소(H2)를 포함하는 원료 기체가 주입될 수 있다. 예를 들어, 원료 기체는 수소(H2) 기체 내에 약 5%의 탄화수소(CH4)가 혼합된 기체일 수도 있다. 필라멘트(4) 및 기판(2)은 소정의 온도로 가열될 수 있다. 일 실시예에서, 반응 챔버 내의 압력은 약 7.5 Torr로 유지되었으며, 필라멘트(4)와 기판(2) 사이의 간격은 약 10 mm로 조절되었다. 또한, 필라멘트 온도는 약 2400 ℃로 유지되었으며, 기판의 온도는 약 500 ℃ 내지 약 630 ℃의 범위에서 조절되었다. A raw material gas containing hydrocarbons (CH 4 ) and hydrogen (H 2 ) may be injected into the reaction chamber. For example, the feed gas may be a gas mixed with about 5% of hydrocarbons (CH 4 ) in hydrogen (H 2 ) gas. The filament 4 and the substrate 2 can be heated to a predetermined temperature. In one embodiment, the pressure in the reaction chamber was maintained at about 7.5 Torr, and the spacing between the filament 4 and the substrate 2 was adjusted to about 10 mm. In addition, the filament temperature was maintained at about 2400 占 폚, and the temperature of the substrate was adjusted in the range of about 500 占 폚 to about 630 占 폚.

필라멘트(4)가 가열되면, 가열된 필라멘트(4)에서 발생된 열전자(5)가 기판(2) 및 기판(2)상의 시드 입자(3)에 입사될 수 있다. 기판(2) 및 시드 입자(3)는 초기에 반대 극성을 가져 상호간의 정전기적 인력의 영향을 받았으나, 충분한 양의 열전자(5)가 입사되면 열전자(5)로 인하여 기판(2) 및 시드 입자(3)는 모두 음전하를 갖게 된다. 한편, 가열된 필라멘트(4)로부터 방출되는 열전자로 인하여 반응 챔버 내에 충진된 원료 기체도 활성화된다. The thermoelectrons 5 generated in the heated filament 4 can be incident on the seed particles 3 on the substrate 2 and the substrate 2 when the filaments 4 are heated. The substrate 2 and the seed particles 3 initially have opposite polarities and are affected by the electrostatic attraction between them. However, when a sufficient amount of the thermoelectrons 5 is incident, the substrate 2 and the seed particles 3, (3) all have a negative charge. On the other hand, the raw material gas filled in the reaction chamber due to the thermoelectrons emitted from the heated filament 4 is also activated.

도 1c를 참조하면, 열전자로 인하여 기판(2) 및 시드 입자(3)가 모두 음전하를 갖게 됨에 따라, 기판(2) 및 시드 입자(3) 사이의 정전기적 반발력으로 인하여 시드 입자(3)가 기판(2)으로부터 분리될 수 있다. 즉, 시드 입자(3)는 기판(2)으로부터 분리되어 반응 챔버 내의 공간 내에 부유하게 된다. 이때, 기판(2)으로부터 이탈된 시드 입자(3)들은 상술한 정전기적 반발력 이외에도 주어진 온도에서의 브라운 운동(Brownian motion)에 의해서도 기판(2)과 인접한 가스상 내로 유입될 수 있다.Referring to FIG. 1C, as the substrate 2 and the seed particles 3 all have a negative electric charge due to the thermoelectrons, the seed particles 3 are prevented from adhering to the substrate 2 due to the electrostatic repulsion between the substrate 2 and the seed particles 3 Can be separated from the substrate 2. That is, the seed particles 3 separate from the substrate 2 and float in the space within the reaction chamber. At this time, the seed particles 3 separated from the substrate 2 can be introduced into the gas phase adjacent to the substrate 2 by Brownian motion at a given temperature in addition to the above-described electrostatic repulsion.

또한, 반응 챔버 내의 원료 기체의 대류 또한 시드 입자(3)를 부유시키는 원인이 된다. 원료 기체는 상온에서 반응 챔버 내로 주입된 후 필라멘트(4) 근처에서 높은 온도로 가열되는데, 가열된 원료 기체로 인하여 필라멘트(4) 부근에서 위로 상승하는 대류가 형성된다. 정전기적 반발력 및 대류의 조합된 영향으로 인해 시드 입자(3)는 원료 기체 내에 부유하는 상태로 유지된다. Convection of the raw material gas in the reaction chamber also causes the seed particles 3 to float. The raw material gas is injected into the reaction chamber at room temperature and then heated to a high temperature near the filament 4, which convects upward in the vicinity of the filament 4 due to the heated raw material gas. Due to the combined effect of electrostatic repulsion and convection, the seed particles 3 remain suspended in the raw material gas.

도 1d를 참조하면, 가열된 필라멘트(4)로 인해 활성화된 원료 기체로부터, 부유하는 시드 입자(4)상에 다이아몬드가 성장되어 다이아몬드 파우더가 형성될 수 있다. 한편, 활성화된 원료 기체가 필라멘트(4)로부터 기판(2)으로 확산되는 동안 원료 기체의 대부분이 부유하는 시드 입자(4)상에 다이아몬드로 성장되므로, 기판(2)의 표면상에서의 핵 형성은 일어나지 않거나 기존에 비해 큰 폭으로 감소된다. Referring to FIG. 1D, diamonds may be grown on floating seed particles 4 from the raw material gas activated by the heated filament 4 to form diamond powder. On the other hand, nucleation on the surface of the substrate 2 is performed on the surface of the substrate 2 since the raw material gas is grown on the floating seed particles 4 while the raw material gas is diffused from the filament 4 to the substrate 2 It does not happen or is greatly reduced compared to the existing one.

도 1e를 참조하면, 시드 입자(3)상에 다이아몬드가 성장되다가 정전기적 반발력 및 대류에 의해 부유될 수 없을 정도로 시드 입자(3)의 크기가 증가하면, 시드 입자(3)는 기판(2)의 표면으로 석출된다. 시드 입자(3)에 인가되는 정전기적 척력은 시드 입자(3)의 단면적에 비례하며, 상기 단면적은 시드 입자(3)의 직경의 제곱에 비례한다. 반면, 시드 입자(3)의 질량은 시드 입자(3)의 직경의 세제곱에 비례한다. 시드 입자(3)에 인가되는 중력은 시드 입자(3)의 질량에 비례하므로, 시드 입자(3)의 직경이 점차 증가하면 시드 입자(3)는 결국 중력에 의하여 기판(2)의 표면으로 석출된다. 또한, 필라멘트(4)와 기판(2) 사이의 온도 구배(gradient)로 인한 열영동(thermophoresis) 또한 시드 입자(3)의 석출에 기여할 수 있다. 1e, when the size of the seed particles 3 increases to such an extent that diamond is grown on the seed particles 3 and is not floated by electrostatic repulsion and convection, the seed particles 3 are attracted to the substrate 2, As shown in Fig. The electrostatic repulsive force applied to the seed particles 3 is proportional to the cross-sectional area of the seed particles 3, and the cross-sectional area is proportional to the square of the diameter of the seed particles 3. On the other hand, the mass of the seed particle (3) is proportional to the cube of the diameter of the seed particle (3). Since the gravity applied to the seed particles 3 is proportional to the mass of the seed particles 3, when the diameter of the seed particles 3 gradually increases, the seed particles 3 are eventually precipitated on the surface of the substrate 2 by gravity do. Thermophoresis due to the temperature gradient between the filament 4 and the substrate 2 may also contribute to the precipitation of the seed particles 3. [

도 3은 실시예들에 따라 다이아몬드 파우더가 제조된 후의 기판의 평면 및 단면을 나타내는 SEM 이미지들이다. 도 3의 (a) 내지 (d)는 시드 입자가 형성된 기판을 각각 약 500 ℃, 약 530 ℃, 약 560 ℃ 및 약 630 ℃로 가열하면서 HF-CVD 공정을 수행한 후의 기판 표면을 나타낸다. 또한, 도 3의 (f) 내지 (i)는 각각 도 3의 (a) 내지 (d)에 도시된 기판의 단면을 나타낸다. 한편, 도 3의 (e)는 비교를 위하여 시드 입자가 형성되지 않은 기판을 약 560 ℃로 가열하면서 동일한 HF-CVD 공정을 수행한 후의 기판 표면을 나타내며, 도 3의 (j)는 도 3의 (e)에 도시된 기판의 단면을 나타낸다. 3 is SEM images showing the plane and cross-section of the substrate after the diamond powder is produced according to the embodiments. 3 (a) to 3 (d) show the surface of the substrate after the HF-CVD process is performed while heating the substrate on which the seed particles are formed at about 500 ° C., about 530 ° C., about 560 ° C., and about 630 ° C., respectively. 3 (f) to 3 (i) show cross-sectional views of the substrate shown in Figs. 3 (a) to 3 (d), respectively. 3 (e) shows the surface of the substrate after the same HF-CVD process is performed while heating the substrate on which the seed particles are not formed for comparison, to about 560 ° C., and FIG. 3 (j) (e). < / RTI >

도 3의 (d) 및 (i)에서는 연속적인 필름이 형성된 반면에, 도 3의 (a) 내지 (c), 및 (f) 내지 (h)에서는 서로 분리된 개별 입자들에 의한 다공성 막이 형성된 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 3의 (a) 내지 (c), 및 (f) 내지 (h)에 도시된 입자들을 도 1에 도시된 초기 시드 입자와 비교하면 개별 입자들의 크기가 증가하였음을 확인할 수 있다. 따라서, HF-CVD 공정에서 기판의 온도를 약 630 ℃ 미만의 범위에서 적절히 조절함으로써 연속적인 필름이 아닌 개별 입자들로 이루어진 다이아몬드 파우더를 형성할 수 있다. 예를 들어, 기판의 온도를 약 300 ℃ 내지 약 630 ℃ 미만의 범위에서 조절할 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 시드 입자를 초기부터 형성하지 않은 도 3의 (e) 및 (j)에서는 전술한 입자의 석출이 확인되지 않는다. In Figures 3 (d) and 3 (i), a continuous film is formed while in Figures 3 (a) to 3 (c) . In addition, it can be seen that the sizes of the individual particles are increased by comparing the particles shown in FIGS. 3 (a) to (c) and (f) to (h) with the initial seed particles shown in FIG. Thus, by appropriately adjusting the temperature of the substrate in the HF-CVD process to less than about 630 캜, it is possible to form a diamond powder of discrete particles rather than a continuous film. For example, the temperature of the substrate may be controlled within a range from about 300 캜 to less than about 630 캜, but is not limited thereto. 3 (e) and (j) in which the seed particles are not formed from the beginning, precipitation of the particles described above can not be confirmed.

도 4는 실시예들에 따라 제조된 다이아몬드 파우더의 XRD 패턴을 나타내는 그래프로서, 입사각에 따른 회절광의 세기를 나타낸다. 도 4의 그래프(410)는 도 3의 (c) 및 (h)에 도시된 실시예에 따라 기판 온도 약 560 ℃에서 제조된 다이아몬드 파우더의 XRD 패턴을 나타낸다. 또한, 도 4의 그래프(420)는 도 3의 (d) 및 (i)에 도시된 실시예에 따라 기판 온도 약 630 ℃에서 제조된 다이아몬드 필름의 XRD 패턴을 나타낸다. 도시되는 바와 같이, Si 기판으로 인한 피크 부분을 제외하면 입사각이 약 43.9도[(111) 면]일 때와 약 75.3도[(220) 면]일 때 피크가 나타내는 다이아몬드의 XRD 회절 특성을 확인할 수 있어, 기판상에 석출된 물질이 다이아몬드임을 알 수 있다. FIG. 4 is a graph showing an XRD pattern of a diamond powder produced according to embodiments, showing the intensity of diffracted light according to an incident angle. FIG. The graph 410 of FIG. 4 shows the XRD pattern of the diamond powder produced at a substrate temperature of about 560 ° C. according to the embodiment shown in FIGS. 3 (c) and 3 (h). 4 also shows an XRD pattern of a diamond film fabricated at a substrate temperature of about 630 DEG C according to the embodiment shown in Figs. 3 (d) and 3 (i). As shown, except for the peak portion due to the Si substrate, the XRD diffraction characteristics of the diamond represented by the peak when the incident angle is about 43.9 degrees [(111) plane] and about 75.3 degrees [(220) plane] It can be seen that the substance deposited on the substrate is diamond.

도 5는 도 3의 (c) 및 (h)에 도시된 실시예에 따라 기판 온도 약 560 ℃에서 제조된 다이아몬드 파우더를 나타낸다. 도 5의 (a) 및 (b)는 상기 실시예에 따라 제조된 다이아몬드 파우더의 HR-TEM 이미지이며, 도 5의 (c)는 상기 실시예에 따라 제조된 다이아몬드 파우더의 SAED 패턴을 나타낸다. 도 5의 (a)를 참조하면, 무작위로 배열된 나노 결정질 입자들이 모여 점선으로 도시되는 다결정질(polycrystalline) 구형 입자를 형성하였으며, 이의 경계가 점선으로 도시된다. 또한, 도 5의 (b)에서 입자의 결정면 사이의 간격이 약 2.06 Å이며, 도 5의 (c)에서 입자의 (111), (220) 및 (311) 결정면으로 인한 링(ring) 패턴이 관찰되는 것으로부터, 입자가 NCD로 이루어지는 것을 알 수 있다. FIG. 5 shows a diamond powder produced at a substrate temperature of about 560.degree. C. according to the embodiment shown in FIGS. 3 (c) and 3 (h). 5 (a) and 5 (b) are HR-TEM images of the diamond powder produced according to the above embodiment, and FIG. 5 (c) shows the SAED pattern of the diamond powder produced according to the above embodiment. Referring to FIG. 5 (a), randomly arranged nanocrystalline particles are gathered to form polycrystalline spherical particles shown by dashed lines, the boundaries of which are shown in dashed lines. 5 (b), the distance between the crystal planes of the particles is about 2.06 angstroms. In FIG. 5 (c), the ring pattern due to the (111), (220) From the observation, it can be seen that the particles consist of NCD.

이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.While the invention has been shown and described with reference to certain embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. However, it should be understood that such modifications are within the technical scope of the present invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

Claims (8)

기판상에 다이아몬드를 포함하는 시드 입자를 형성하는 단계;
상기 기판 및 필라멘트가 위치하는 반응 챔버에 원료 기체를 주입하는 단계;
상기 기판을 가열하는 단계;
상기 필라멘트를 가열하여 상기 원료 기체를 활성화시키는 단계;
가열된 상기 필라멘트에 의한 정전기적 반발력, 상기 원료 기체의 대류 또는 상기 시드 입자의 브라운 운동을 이용하여 상기 시드 입자를 상기 기판으로부터 분리하는 단계; 및
활성화된 상기 원료 기체를 이용하여, 상기 기판으로부터 분리된 상기 시드 입자상에 다이아몬드를 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 파우더의 제조 방법.
Forming seed particles comprising diamond on a substrate;
Injecting a raw material gas into a reaction chamber in which the substrate and the filament are located;
Heating the substrate;
Heating the filament to activate the raw material gas;
Separating the seed particles from the substrate using electrostatic repulsion by the heated filament, convection of the raw material gas, or Brownian motion of the seed particles; And
And growing diamond on the seed particles separated from the substrate by using the activated raw material gas.
제 1항에 있어서,
상기 기판을 가열하는 단계는, 상기 기판을 630 ℃ 미만의 온도로 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 파우더의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of heating the substrate comprises heating the substrate to a temperature of less than 630 占 폚.
제 1항에 있어서,
상기 시드 입자를 상기 기판으로부터 분리하는 단계는,
가열된 상기 필라멘트로부터 방출된 열전자에 의해 상기 기판 및 상기 시드 입자에 전하를 충전하는 단계; 및
전하 사이의 반발력을 이용하여 상기 시드 입자를 상기 기판으로부터 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 파우더의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of separating the seed particles from the substrate comprises:
Filling the substrate and the seed particles with a charge by a hot electron emitted from the heated filament; And
And separating the seed particles from the substrate by using a repulsive force between charges.
제 1항 또는 제 3항에 있어서,
상기 시드 입자를 상기 기판으로부터 분리하는 단계는, 상기 필라멘트에 의해 가열된 상기 원료 기체의 대류에 의해 상기 시드 입자를 상기 기판으로부터 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 파우더의 제조 방법.
The method according to claim 1 or 3,
Wherein the step of separating the seed particles from the substrate comprises separating the seed particles from the substrate by convection of the raw material gas heated by the filament.
제 1항에 있어서,
상기 다이아몬드를 성장시키는 단계 후에, 상기 시드 입자를 기판상에 석출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 파우더의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Further comprising the step of depositing the seed particles on a substrate after the step of growing the diamond.
제 5항에 있어서,
상기 시드 입자는 복수 개의 시드 입자를 포함하며,
상기 시드 입자를 기판상에 석출시키는 단계는, 상기 복수 개의 시드 입자로 이루어지는 다공성 막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 파우더의 제조 방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the seed particle comprises a plurality of seed particles,
Wherein the step of depositing the seed particles on the substrate comprises forming a porous film composed of the plurality of seed particles.
기판상에 다이아몬드를 포함하는 시드 입자를 형성하는 단계;
상기 기판 및 필라멘트가 위치하는 반응 챔버에 원료 기체를 주입하는 단계;
상기 기판을 가열하는 단계;
상기 필라멘트를 가열하여 상기 원료 기체를 활성화시키는 단계;
가열된 상기 필라멘트에 의한 정전기적 반발력, 상기 원료 기체의 대류 또는 상기 시드 입자의 브라운 운동을 이용하여 상기 시드 입자를 상기 기판으로부터 분리하는 단계; 및
활성화된 상기 원료 기체를 이용하여, 상기 기판으로부터 분리된 상기 시드 입자상에 다이아몬드를 성장시키는 단계에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 파우더.
Forming seed particles comprising diamond on a substrate;
Injecting a raw material gas into a reaction chamber in which the substrate and the filament are located;
Heating the substrate;
Heating the filament to activate the raw material gas;
Separating the seed particles from the substrate using electrostatic repulsion by the heated filament, convection of the raw material gas, or Brownian motion of the seed particles; And
And growing the diamond on the seed particles separated from the substrate by using the activated raw material gas.
제 7항에 있어서,
상기 다이아몬드 파우더는 나노 결정질 다이아몬드로 이루어진 것을 특징으로 하는 다이아몬드 파우더.8. The method of claim 7,
Wherein the diamond powder is made of nanocrystalline diamond.
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