KR101616769B1 - 형상제어가 가능한 다이아몬드의 표면 처리방법 및 그에 의한 다이아몬드 - Google Patents

형상제어가 가능한 다이아몬드의 표면 처리방법 및 그에 의한 다이아몬드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 형상제어가 가능한 다이아몬드의 표면 처리방법 및 그에 의한 다이아몬드에 관한 것으로서, 구체적으로 본 발명에 따른 다이아몬드 표면 처리 방법은 다이아몬드 입자 표면에 폴리머를 마스킹하는 마스킹 단계; 상기 마스킹된 다이아몬드 입자 표면을 세라믹으로 코팅하는 코팅 단계; 상기 다이아몬드 입자 표면으로부터 상기 폴리머를 제거하는 폴리머 제거 단계; 상기 폴리머가 제거된 다이아몬드 입자와 메탈 파우더를 혼합하는 혼합 단계; 상기 혼합된 다이아몬드 입자와 메탈 파우더를 열처리하는 열처리 단계; 및 상기 다이아몬드 입자 표면으로부터 세라믹 코팅층을 제거하는 세라믹 제거 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면 규칙적인 에칭의 형성이 가능하며, 이로 인하여 가공 충격이 발생 시에도 다이아몬드의 절단이 아닌 에칭 면을 따라 다이아몬드의 파쇄가 발생하는 부분 파쇄를 인위적으로 발생시킴으로써 다이아몬드 입자의 에지가 지속적으로 형성되는 효과를 얻을 수 있으며, 또한 파쇄된 다이아몬드 입자의 에지의 지속적인 형성이 가능하도록 함으로써 가공성능의 지속적인 유지를 가능하게 하고, 그에 따라 수명이 향상되는 등의 효과를 얻을 수 있다.

Description

형상제어가 가능한 다이아몬드의 표면 처리방법 및 그에 의한 다이아몬드{The surface treatment method of Shape-Controllable Diamond and the Diamond thereby}
본 발명은 형상제어가 가능한 다이아몬드의 표면 처리방법 및 그에 의한 다이아몬드에 관한 것이다.
다이아몬드는 전자 산업 및 화학 산업을 포함한 거의 모든 산업 분야에 걸쳐서 우수한 특성을 갖는 소재로 주목받고 있다. 다이아몬드는 높은 경도, 넓은 범위에서의 광 투과성, 화학적 안정성, 높은 열전도도, 낮은 열팽창성, 전기적 절연성 등의 장점을 갖는다. 최근에는 나노 기술의 비약적인 발전과 함께 다이아몬드의 특성들을 효과적으로 응용하기 위한 다이아몬드 파우더 및 표면처리 방법들이 개발되고 있다. 다이아몬드 파우더의 표면처리는 다이아몬드 파우더 입자의 거칠기를 증가시켜 표면적을 넓혀 효율성을 증대시키고자 하는 표면처리 방법이 일반적으로 사용되고 있다.
하지만, 향후 다이아몬드 파우더의 응용성을 증대시키기 위해서는 거칠기 증가뿐만 아니라 각각의 목적 및 용도에 따라 다이아몬드 파우더의 표면형상을 제어할 수 있는 표면처리가 필요하다.
일 예로, 다이아몬드를 이용하여 공구를 제작하여 사용할 때 가공 충격(가공 부하)이 발생하게 되며, 이러한 가공 충격에 의하여 다이아몬드의 파쇄가 발생한다.
표면처리를 거치지 않은 다이아몬드 입자의 경우 연삭 과정에서 불규칙하고 큰 크랙이 발명하여 단순 파쇄에 그칠 뿐 신규한 에지가 발생하지 않는다. 이러한 이유로 표면처리를 통하여 연삭 과정에서 신규한 에지가 지속적으로 발생하도록 하고 있으나, 이와 같은 일반적인 표면처리방법에 의하여 표면 처리된 다이아몬드 입자(10a)는 불규칙하고 다양한 크기의 에지 생성으로 균일한 연삭이 어려우며 이를 이용하여 제조된 연삭 공구 등은 균일한 작업성 및 수명을 보장하기 어려운 면이 있었다.
입자의 에지는 가공 대상물의 가공에 직접적으로 관련된 부분으로서 작업 효율과 직접적으로 연관된다. 따라서 입자의 파쇄 시에 신규한 에지의 발생 없는 단순 파쇄에 그치는 경우에는 작업의 효율이 떨어지고, 다이아몬드 입자들의 교체 주기가 앞당겨지는 문제가 있다.
본 발명은 규칙적이거나 임의의 패턴에 따른 에칭이 가능한 다이아몬드의 표면 처리방법 및 그에 의한 다이아몬드를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 파쇄 시에도 신규한 에지가 균일하게 지속적으로 발생하여 가공성능을 그대로 유지하고 수명이 향상되는 다이아몬드의 표면 처리방법 및 그에 의한 다이아몬드를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 다이아몬드 표면 처리 방법은 다이아몬드 입자 표면에 폴리머를 마스킹하는 마스킹 단계; 상기 마스킹된 다이아몬드 입자 표면을 세라믹으로 코팅하는 코팅 단계; 상기 다이아몬드 입자 표면으로부터 상기 폴리머를 제거하는 폴리머 제거 단계; 상기 폴리머가 제거된 다이아몬드 입자와 메탈 파우더를 혼합하는 혼합 단계; 상기 혼합된 다이아몬드 입자와 메탈 파우더를 열처리하는 열처리 단계; 및 상기 다이아몬드 입자 표면으로부터 세라믹 코팅층을 제거하는 세라믹 제거 단계;를 포함한다.
또한 상기 폴리머는 내열성 폴리머일 수 있다.
또한 상기 코팅 단계에서의 세라믹은 알루미나, TiN, TiC, TiO2 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
또한 상기 폴리머 제거 단계에서는 열적, 화학적 방법 중 어느 하나의 방법으로 상기 폴리머를 제거할 수 있다.
또한 상기 화학적 폴리머 제거 방법은 유기 용매 또는 유기 용매 수용액 중 어느 하나에 의한 용해로 수행될 수 있다.
또한 상기 유기 용매는 알코올, 에테르 알코올 및 케톤을 포함할 수 있다.
또한 상기 열처리 단계에서는 섭씨 600 내지 1000도에서 수행될 수 있다.
또한 상기 메탈 파우더는 각각 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 니켈/인(Ni/P), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta), 철(Fe), 코발트(Co) 및 망간(Mn) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
또한 상기 세라믹 제거 단계는 산처리에 의하여 수행될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 다이아몬드 분말은 상술한 다이아몬드 입자 표면 처리 방법 중 하나에 의하여 제조된다.
본 발명에 따르면 규칙적인 에칭의 형성이 가능하며, 이로 인하여 가공 충격이 발생 시에도 다이아몬드의 절단이 아닌 에칭 면을 따라 다이아몬드의 파쇄가 발생하는 부분 파쇄를 인위적으로 발생시킴으로써 다이아몬드 입자의 에지가 지속적으로 형성되는 효과를 얻을 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 균일한 크기의 치핑 형성을 유도하여 다이아몬드 입자의 에지의 지속적인 형성이 가능하도록 함으로써 가공성능의 지속적인 유지를 가능하게 하고, 그에 따라 수명이 향상되는 등의 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 일반적인 연삭공구로서의 연삭휠을 나타내는 개략도이다.
도 2는 도 1의 연삭휠의 표면에 노출된 다이아몬드 입자를 나타내는 개략도이다.
도 3a는 작업이 진행됨에 따른 이상적인 다이아몬드의 마모 상태를 개략적으로 나타내는 개략도이다.
도 3b는 일반적인 표면처리를 통하여 불규칙한 표면을 갖는 다이아몬드 입자의 마모 및 파쇄 상태를 나타내는 개략도이다.
도 3c는 일 실시예에 따른 규칙적 또는 일정한 패턴이 형성된 표면을 갖는 다이아몬드 입자의 마모 및 파쇄 상태를 나타내는 개략도이다.
도 4 및 도 5는 도 3c와 같이 규칙적 또는 일정한 패턴이 형성된 표면을 갖는 다이아몬드 입자에 가공충격이 발생하여 부분적으로 파쇄되는 모습을 나타내는 개략도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 다이아몬드 표면 처리 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7 내지 도 13은 일 실시예에 따른 다이아몬드 표면처리 방법을 순차적으로 나타내는 개략도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다. 또한 각 실시예를 통하여 동일한 도면부호는 동일한 부재를 가리킨다. 한편, 도면상에서 표시되는 각 구성은 설명의 편의를 위하여 그 두께나 치수가 과장될 수 있으며, 실제로 해당 치수나 구성간의 비율로 구성되어야 함을 의미하지는 않는다.
도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따라 표면처리된 다이아몬드 및 그 특성에 대하여 설명한다.
도 1은 일반적인 연삭공구로서의 연삭휠을 나타내는 개략도이고, 도 2는 도 1의 연삭휠의 표면에 노출된 다이아몬드 입자를 나타내는 개략도이다. 또한 도 3a는 작업이 진행됨에 따른 이상적인 다이아몬드의 마모 상태를 개략적으로 나타내는 개략도이고, 도 3b는 일반적인 표면처리를 통하여 불규칙한 표면을 갖는 다이아몬드 입자의 마모 및 파쇄 상태를 나타내는 개략도이며, 도 3c는 일 실시예에 따른 규칙적 또는 일정한 패턴이 형성된 표면을 갖는 다이아몬드 입자의 마모 및 파쇄 상태를 나타내는 개략도이다. 또한 도 4 및 도 5는 도 3의 다이아몬드 입자에 가공충격이 발생하여 부분적으로 파쇄되는 모습을 나타내는 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 연삭휠(110)의 연삭부에는 다수의 다이아몬드 입자(10)가 폴리머본드와 같은 접착부(120)에 의하여 부착되어 있다. 연삭휠(110)이 회전하여 가공 대상물 등을 절단하는 과정에서 다이아몬드 입자(10)와 접착부(120)는 표면부터 점차 마모된다.
구체적으로 도 2에 도시된 바와 같이 다이아몬드 입자(10)는 접착부(120)의 외부 표면에 노출되어 가공 대상물을 절삭하는 기능을 한다. 이상적인 다이아몬드 입자의 경우 도 3a에 도시된 바와 같이 외측으로부터 균일하게 마모되어 가며, 작업이 더욱 진행되면 다이아몬드 입자(10)가 접착부(120)로부터 이탈하게 된다. 외 표면의 다이아몬드 입자(10)가 이탈한 후에는 접착부(120)가 더욱 마모되어 접착부(120) 내측의 새로운 다이아몬드 입자가 외부로 노출되어 새로이 가공 대상물의 절삭을 수행하게 된다.
한편, 일반적인 표면처리 방법에 의하여 표면처리된 다이아몬드 입자(10)의 경우 불규칙한 표면에 기인하여 발생하는 크랙(Cr) 또한 불규칙적으로 형성됨으로써 절삭 가공에 따른 외부 임팩트(F1) 발생 시 치핑(chipping)의 크기가 다양하고 불규칙하게 형성되며, 이러한 다이아몬드 입자를 포함하는 절삭 공구는 균일한 가공 성능 유지를 어렵게 한다.
반면, 도 3c에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 입자(10c)의 경우 균일하게 에칭되어 있는 표면에 기인하여 임팩트(F1) 시 발생하는 크랙(Cr)이 앞서 설명한 도 3b의 불규칙한 표면을 갖는 다이아몬드 입자의 경우에 발생하는 크랙에 비하여 규칙적으로 발생하게 된다. 이러한 이유로 절삭 작업이 지속적으로 이루어지는 경우에도 비교적 균일한 크기의 치핑이 발생하게 되고, 이를 포함하는 연삭휠 또한 균일한 절삭성과 연삭성을 유지할 수 있다.
즉, 불규칙적인 에칭부가 형성된 경우 다이아몬드 입자가 절단됨으로써 가공 성능이 저하되는 문제점이 발생하였다. 그러나 본 발명에 따른 다이아몬드 표면 처리 방법에 의하여 표면 처리된 다이아몬드 입자는 가공 충격이 발생하는 경우 도 4에 도시된 바와 같이 에칭부(E1) 들 간에 균열이 발생하여 부분적인 파쇄가 일어난다. 또한 부분적인 파쇄가 발생한 경우 도 5에 도시된 바와 같이 다이아몬드 입자의 원래 에지 이외에도 부분적인 파쇄에 의한 에지(R1, R2)가 추가적으로 발생하게 된다.
즉, 기존의 일반적인 다이아몬드가 절단에 의하여 추가적인 에지가 생성되지 못하고 가공 효율이 저하되고, 종래의 표면처리 방법에 따라 표면처리된 불규칙한 표면을 갖는 다이아몬드의 경우 균일한 작업 안정성과 수명의 건정성이 보장되지 못함에 반하여, 본 실시예에 따른 표면처리 방법에 의하여 표면처리 된 다이아몬드 입자의 경우 부분 파쇄가 진행됨에 따라 신규한 에지(R1, R2)가 생성됨으로써 가공성능이 지속적으로 유지되고 수명이 증가하는 효과를 얻을 수 있게 된다.
도 6 내지 도 13을 참조하여 일 실시예에 따른 다이아몬드 표면 처리 방법을 설명한다. 도 6은 일 실시예에 따른 다이아몬드 표면 처리 방법을 나타내는 순서도이고, 도 7 내지 도 13은 일 실시예에 따른 다이아몬드 표면처리 방법을 순차적으로 나타내는 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표면처리 방법은 도 6에 도시된 바와 같이 다이아몬드 입자 표면에 폴리머를 마스킹 하는 마스킹 단계(S100), 마스킹된 다이아몬드 입자 표면을 세라믹으로 코팅하는 코팅단계(S200), 다이아몬드 입자 표면으로부터 내열성 폴리머를 제거하는 용해 단계(S300), 다이아몬드 입자와 금속 분말을 혼합하는 혼합단계(S400), 혼합된 다이아몬드 입자를 열처리하는 열처리 단계(S500) 및 세라믹 코팅층을 제거하는 산처리 단계(S600)를 포함한다. 이외에도 필요에 따라 세척 단계나 건조 단계를 더 포함할 수 있다. 이하 각 단계를 구체적으로 설명한다.
먼저 도 7에 도시된 바와 같이 다이아몬드 입자(10)를 제공한다. 본 실시예에 따른 표면처리의 대상인 다이아몬드 입자(10)는 약 1mm의 직경을 갖는 다이아몬드 입자를 예로 들어 설명한다. 다만, 기계적인 방법이나 수작업에 의하여 마스킹이 가능한 크기의 다이아몬드 입자라면 모두 본 실시예에 따른 표면 처리 방법을 적용할 수 있다.
다음으로 마스킹 단계(S100)에서는 도 8에 도시된 바와 같이 다이아몬드 입자(10) 표면에 폴리머를 마스킹(M1)한다. 이 때 폴리머는 내열성 폴리머를 이용하는 것이 바람직하다.
또한 폴리머를 이용한 마스킹은 최종적으로 에칭을 수행할 영역에 수행된다. 폴리머는 이중 마스킹 작업의 첫 단계에 해당하는 작업으로서 에칭부가 형성될 영역 모두에 마스킹 되어야 한다. 이 때 마스킹 작업은 수작업이나 인쇄 장비 등을 이용하여 수행할 수 있다.
다음으로 코팅 단계(S200)에서는 도 9에 도시된 바와 같이 마스킹(M1)된 다이아몬드 입자(10)의 표면을 세라믹으로 코팅층(M2)을 형성한다. 세라믹과 폴리머는 서로 친하지 않으며 반응하지 않는다. 세라믹을 마스킹된 다이아몬드 입자 표면에 코팅하는 경우 마스킹(M1)된 영역 이외의 부분에 세라믹 코팅층(M2)이 형성된다.
세라믹 코팅층의 형성은 이중 마스킹 작업의 두번째 단계에 해당하는 작업으로서 에칭부가 형성되지 않아야 하는 부분에 형성된다.
한편, 코팅 단계에서 이용되는 세라믹은 알루미늄의 산화물인 알루미나(alumina)나 TiN, TiC, TiO2등이 이용될 수 있다.
다음으로 폴리머 제거 단계(S300)에서는 도 10에 도시된 바와 같이 세라믹 코팅된 다이아몬드 입자(10)로부터 폴리머를 제거한다. 폴리머 제거 단계(S300)는 열적, 화학적 방법 등으로 수행될 수 있다. 예를 들어 화학적 폴리머 제거 방법은 유기 용매 또는 유기 용매 수용액 중 어느 하나에 의한 용해로 수행될 수 있다.
유기 용매는 부탄올 등의 알코올, 부톡시-에탄올 등의 에테르 알코올, 아세톤 등의 케톤을 할 수 있다.
이어서, 혼합 단계(S400)에서는 도 11에 도시된 바와 같이 폴리머가 제거된 다이아몬드 입자와 메탈 파우더를 혼합한다. 이 때 메탈 파우더로는 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 니켈/인(Ni/P), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta), 철(Fe), 코발트(Co) 및 망간(Mn)등을 이용할 수 있다.
다음 열처리 단계(S500)에서는 혼합된 다이아몬드 입자와 메탈 파우더를 열처리하여 도 12에 도시된 바와 같이 다이아몬드 입자 표면을 에칭한다. 이 때 열처리는 섭씨 600 내지 1000도에서 수행될 수 있다. 세라믹의 경우 약 섭씨 1100도 이상에서 열에 의하여 반응하게 되기 때문에 상술한 열처리 온도에서는 안정적으로 유지된다.
다음 세라믹 제거단계(S600)에서는 도 12에 도시된 바와 같이 다이아몬드 입자(10) 표면으로부터 세라믹 코팅층을 제거한다. 이 때 세라믹 코팅층의 제거는 산처리에 의하여 수행될 수 있다. 산처리는 섭씨 50℃ 내지 200℃의 온도에서 황산 또는 질산 등을 이용하여 수행될 수 있다. 산세처리의 온도가 섭씨 50℃ 미만인 경우 표면이 깨끗하게 세척되지 않고 200℃를 초과하게 되면 과잉의 산세척이 발생하여 다이아몬드 표면 품질이 열화될 수 있다. 이와 같은 산처리 단계는 약 0.5 내지 5시간의 범위에서 수행되는 것이 바람직하다. 이는 마찬가지로 0.5시간 미만일 경우 표면이 깨끗하게 세척되지 않으며 5시간을 초과하게 되면 과잉의 산세척으로 인하여 표면 품질이 열화된다.
이 후 건조 단계 등을 통하여 위와 같이 산처리된 다이아몬드 분말을 건조시킴으로써 도 13에 도시된 바와 같이 규칙적으로 에칭되거나 가공자의 의도에 따른 패턴에 따라 에칭된 다이아몬드 입자를 얻을 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양하게 구현될 수 있다.

Claims (11)

  1. 다이아몬드 입자 표면에 폴리머를 마스킹하는 마스킹 단계;
    상기 마스킹된 다이아몬드 입자 표면을 세라믹으로 코팅하는 코팅 단계;
    상기 다이아몬드 입자 표면으로부터 상기 폴리머를 제거하는 폴리머 제거 단계;
    상기 폴리머가 제거된 다이아몬드 입자와 메탈 파우더를 혼합하는 혼합 단계; 및
    상기 혼합된 다이아몬드 입자와 메탈 파우더를 열처리하는 열처리 단계; 를 포함하는 다이아몬드 표면 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열처리 단계 이후, 상기 다이아몬드 입자 표면으로부터 세라믹 코팅층을 제거하는 세라믹 제거 단계;를 포함하는 다이아몬드 표면 처리 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머는 내열성 폴리머인 다이아몬드 표면 처리 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 코팅 단계에서의 세라믹은 알루미나, TiN, TiC, TiO2 중 적어도 어느 하나인 다이아몬드 표면 처리 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머 제거 단계에서는 열적, 화학적 방법 중 어느 하나의 방법으로 상기 폴리머를 제거하는 다이아몬드 표면 처리 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 화학적 폴리머 제거 방법은 유기 용매 또는 유기 용매 수용액 중 어느 하나에 의한 용해로 수행되는 다이아몬드 표면 처리 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유기 용매는 알코올, 에테르 알코올 및 케톤을 포함하는 다이아몬드 표면 처리 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 열처리 단계에서는 섭씨 600 내지 1000도에서 수행되는 다이아몬드 표면 처리 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 메탈 파우더는 각각 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 니켈/인(Ni/P), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta), 철(Fe), 코발트(Co) 및 망간(Mn) 중 적어도 어느 하나인 다이아몬드 표면 처리 방법.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 세라믹 제거 단계는 산처리에 의하여 수행되는 다이아몬드 표면 처리 방법.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 하나의 방법에 의하여 표면 처리된 다이아몬드 분말.
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