KR101852975B1

KR101852975B1 - 다이아몬드 표면 처리 방법

Info

Publication number: KR101852975B1
Application number: KR1020150062509A
Authority: KR
Inventors: 송오성; 송정호; 이현우
Original assignee: 서울시립대학교 산학협력단
Priority date: 2015-05-04
Filing date: 2015-05-04
Publication date: 2018-05-02
Also published as: KR20160130882A

Abstract

본 발명의 일 측면은, 다이아몬드의 일부 표면에 금속층을 증착하는 단계; 상기 금속층을 금속 응집체(metal agglomerate)로 변환하여 상기 다이아몬드를 식각하는 단계; 및 상기 금속 응집체를 상기 다이아몬드로부터 제거하여 다공성 나노 다이아몬드를 형성하는 단계;를 포함하는 다이아몬드 표면 처리 방법을 제공한다.

Description

다이아몬드 표면 처리 방법{METHOD OF TREATING SURFACE OF DIAMOND}

본 발명은 다이아몬드의 표면 처리 방법 및 다이아몬드 공구 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다이아몬드의 표면적을 넓혀 금속 모재와 견고하게 결합할 수 있는 다이아몬드의 표면 처리 방법 및 상기 방법으로 제조된 다이아몬드를 채용한 공구의 제조 방법에 관한 것이다.

합성 다이아몬드는 자연에서 석출되는 천연 다이아몬드와 동일한 물리 화학적 물성을 가진 소재로서, 매우 높은 경도와 강도, 우수한 내화학성, 높은 열전도율을 갖고 있어 절삭 공구, 연마 공구 등에 사용하기에 매우 적합하다.

LED 및 기타 반도체용 기판 소재로 사용되는 사파이어 및 실리콘 웨이퍼의 수요가 증가함에 따라, 상기 기판 소재를 연마하기 위한 연마 공구 및 상기 기판 소재를 절단 하기 위한 절삭 공구에 사용될 수 있는 합성 다이아몬드의 수요도 매우 증가하고 있다.

따라서, 합성 다이아몬드를 공구에 견고하게 고정시키는 방법에 대한 개발이 요구된다.

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 다이아몬드의 표면적을 넓혀 금속 모재와 견고하게 결합할 수 있는 다이아몬드 표면 처리 방법 및 상기 방법으로 제조된 다이아몬드를 채용한 공구의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 표면 처리 방법은 다이아몬드의 일부 표면에 금속층을 증착하는 단계; 상기 금속층을 금속 응집체(metal agglomerate)로 변환하여 상기 다이아몬드를 식각하는 단계; 및 상기 금속 응집체를 상기 다이아몬드로부터 제거하여 다공성 나노 다이아몬드를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

일 예로, 상기 금속층은 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 망간(Mn) 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나로 이루어질 수 있다.

일 예로, 상기 다이아몬드를 식각하는 단계에서, 상기 금속층을 열처리하여 금속 응집체로 변환할 수 있다.

일 예로, 상기 금속층을 열처리하는 것은, 상기 금속층이 증착된 다이아몬드를 10초 내지 2시간 동안 400 ℃ 내지 1500 ℃의 온도로 가열하여 수행될 수 있다.

일 예로, 상기 금속층을 금속 응집체로 변환하는 단계는 진공 분위기 또는 환원성 가스 분위기에서 수행될 수 있다.

일 예로, 상기 다이아몬드를 식각하는 단계에서, 상기 금속 응집체는 상기 금속층에 상기 다이아몬드를 구성하는 탄소가 고용되어 형성될 수 있다.

일 예로, 상기 금속 응집체는 1 내지 100 ㎛의 크기를 갖는 괴상일 수 있다.

일 예로, 상기 다공성 나노 다이아몬드를 형성하는 단계에서, 상기 금속 응집체를 상기 다이아몬드로부터 제거하는 것은 상기 다이아몬드를 산성 용액에 세척하는 것에 의하여 수행될 수 있다.

일 예로, 상기 산성 용액은 질산, 염산, 황산, 왕수 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다.

일 예로, 상기 금속층은, 상기 다이아몬드를 구성하는 탄소의 상기 금속층에 대한 고용해도(solid solubility)가 서로 상이한 복수의 금속 박막들로 이루어질 수 있다.

일 예로, 상기 다이아몬드는 천연 다이아몬드 또는 합성 다이아몬드일 수 있다.

일 예로, 상기 금속층을 증착하는 단계는 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition) 또는 화학적 기상 증착법(chemical vapor deposition)에 의해 수행될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 공구의 제조 방법은, 상기 다이아몬드 표면 처리 방법에 의하여 표면 처리된 다공성 나노 다이아몬드를 금속 모재에 접합하는 단계를 포함할 수 있다.

일 예로, 상기 다공성 나노 다이아몬드를 금속 모재에 접합하는 단계는 소결법(sintering), 전착법(electroplating) 또는 융착법(brazing)에 의하여 수행될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 표면 처리 방법에 의하여 제조된 다이아몬드는 그 표면적이 넓어 다이아몬드 공구와 견고하게 결착될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 표면 처리 방법을 나타낸 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 표면 처리 방법에 따라 제조된 다이아몬드의 단면도이다.
도 3a 내지 도 3b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 표면 처리 방법을 단계별로 도시한 것이다.
도 4는 탄소(C)-니켈(N)의 상평형도이다.
도 5는 기존 합성 다이아몬드와 니켈이 증착된 후의 합성 다이아몬드의 광학 현미경 사진이다.
도 6은 니켈이 증착되고 열처리를 하기 전의 다이아몬드(a), 400 ℃에서 열처리한 다이아몬드(b), 600 ℃에서 열처리한 다이아몬드(c), 800 ℃에서 열처리한 다이아몬드(d)의 표면 SEM 사진이다.
도 7은 니켈이 증착되고 열처리를 하기 전의 다이아몬드(a), 400 ℃에서 열처리한 다이아몬드(b), 600 ℃에서 열처리한 다이아몬드(c), 800 ℃에서 열처리한 다이아몬드(d)의 광학 현미경 사진이다.
도 8은 400 ℃에서 열처리한 다이아몬드(a), 600 ℃에서 열처리한 다이아몬드(b), 800 ℃에서 열처리한 다이아몬드(c)를 산처리한 후의 표면 SEM 사진이다.
도 9는 니켈이 증착되고 열처리를 하기 전의 다이아몬드, 400 ℃에서 열처리한 다이아몬드, 600 ℃에서 열처리한 다이아몬드, 800 ℃에서 열처리한 다이아몬드의 이력 곡선(hysteresis loop)의 일부를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 다공성 나노 다이아몬드를 채용한 다이아몬드 절삭 공구이다.
도 11a 및 11b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 다공성 나노 다이아몬드를 채용한 다이아몬드 연마 공구이다.

이하, 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.

본 실시예들은 다른 형태로 변형되거나 여러 실시예가 서로 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

한편, 본 명세서에서 사용되는 "일 실시예(one example)"라는 표현은 서로 동일한 실시예를 의미하지 않으며, 각각 서로 다른 고유한 특징을 강조하여 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 그러나, 아래 설명에서 제시된 실시예들은 다른 실시예의 특징과 결합되어 구현되는 것을 배제하지 않는다. 예를 들어, 특정한 실시예에서 설명된 사항이 다른 실시예에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 실시예에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 실시예에 관련된 설명으로 이해될 수 있다.

다이아몬드를 절삭 및 연마를 위한 소재로서 사용하는 다이아몬드 공구는 금속 모재(shank)와 금속 모재 상에 결합 부착되어 피삭재(workpiece) 대상을 절삭 및 연마하는 다이아몬드 지석부(whetstone)로 구성된다. 이 때 지석부는 복수개의 다이아몬드 지립(abrasive grain)과 금속 결합재로 이루어진다. 다이아몬드는 합성 및 천연 다이아몬드와 입방정 질화 붕소(cBN, cubic boron nitride)를 일반적으로 지칭하며, 추가적으로 탄화 실리콘(silicon carbide) 및 알루미나(alumina) 등의 초연마재, 또는 이들 중 둘 이상의 혼합물을 의미하는 것일 수 있다. 또한 금속 모재는 통상 스테인레스강 또는 탄소강과 같은 금속 재료를 사용할 수 있다.

금속 모재에 지립 및 지석부를 결합시키는 방법으로는 크게 소결법(sintering), 전착법(electroplating), 융착법(brazing) 등이 있다. 소결법은 결합재 금속과 지립을 미리 혼합, 프레스 성형, 소결하고 난 후 은납 융착, 레이저 용접 또는 저항 용접 등을 이용해서 소결팁을 금속 모재에 접합하는 방법을 말한다. 전착법은 습식 전기 도금에 의해 니켈 등의 결합재를 이용해 지립을 금속 모재에 부착시키는 방법을 말한다. 융착법은 결합재 금속과 바인더가 혼합된 액상 페이스트(paste)를 금속 모재에 도포한 후 지립을 분산시켜 고온에서 금속 모재와 접합시키는 방법을 말한다.

전체 다이아몬드 공구의 약 80%이상을 차지하는 소결법에 의해 제조된 다이아몬드 공구는 지립이 다층 불균일로 배열되어 있고 매우 복잡한 금속 모재에는 대응하지 못하는데 비해, 전착법과 융착법은 단층 불균일 배열 혹은 균일 배열이 가능하며 특히 복잡한 형상의 다이아몬드 공구의 제조에 적합하다. 또한 소결법과 전착법은 다이아몬드 지립과 결합재가 화학반응이 수반되지 않으므로 상대적으로 보지력(retention force)이 약한 기계적 결합인데 비하여, 융착법은 지립과 결합재 계면에 강력한 화학적 결합이 이루어지며 이에 따라 공구 사용중 지립의 탈락이 거의 없으며, 많은 비용과 시간이 소모되는 드레싱 공정이 필요 없고 양방향 절삭 및 연마가 가능하다. 이에 따라 융착법에 의해 제조된 다이아몬드 공구는 소결법이나 전착법에 비해 절삭 성능이 매우 우수하고 특히 건식법이나 DIY(do it yourself) 제품으로 가장 적합한 특성을 가진다. 더욱이 융착법은 지립 노출의 최대화 및 정밀한 지립 간의 거리 조절이 가능하고 칩 포켓(chip pocket)의 존재로 슬러리 및 연삭액의 원활한 유동성이 확보된다. 더욱이 Ni-Cr 합금을 사용하는 경우 Cr의 첨가에 따라 우수한 내식성을 가지게 된다.

다이아몬드를 금속 모재에 고정시킬 때, 금속 모재와 다이아몬드의 접합 면적이 작아서, 접합 강도가 충분하지 못하여 다이아몬드가 사용 중에 탈락되거나 파괴되는 등의 불량이 발생하는 문제점이 생길 수 있다. 또한, 다이아몬드는 부도체이기 때문에 도금이 안되고 금속 모재에만 도금이 되는데 이때 적절한 도금 두께가 되면 다이아몬드 주변에도 도금 덧살이 생겨 결국 다이아몬드가 고정되는 방법을 쓸 수 있다. 이 경우에도 금속 모재와 다이아몬드의 접합 면적이 작아서 접합 강도가 충분하지 못하여 다이아몬드가 사용 중에 탈락되거나 파괴되는 등의 불량이 발생하는 문제점이 생길 수 있다.

따라서 다이아몬드의 표면적을 넓혀 접합 면적을 극대화할 수 있다면 다이아몬드와 금속 모재와의 접합 강도를 더욱 강하게 할 수 있다.

다이아몬드의 표면적을 넓히는 방법으로서, 종래 합성된 다이아몬드를 철 혹은 코발트, 또는 이를 포함한 합금의 금속 분말 내에 묻고 700~900℃의 온도에서 열처리하여 표면적을 2배 이상 확대시키는 방법이 있었다. 철과 코발트를 사용하는 이유는 이러한 합금계가 다이아몬드의 카본을 쉽게 고용하여 흑연화시켜 식각할 수 있기 때문이다. 그러나 이 경우 과도한 금속 촉매의 소비가 필요하고 금속 촉매가 무한정으로 공급되므로 확산 시간, 공정 온도가 적정 조건에서 벗어날 경우 접합 부분 외의 다이아몬드가 흑연으로 분해되는 문제점이 있었다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 표면 처리 방법에 의하여 제조된 다이아몬드는, 표면부에 식각에 의해 형성된 피트(pit)가 다수 존재함으로써, 상기 피트가 금소 모재와 다이아몬드 사이의 앵커 역할을 하여 결합력을 증가시키는 트라이곤(trigon)을 형성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 표면 처리 방법을 나타낸 공정도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 표면 처리 방법은 다이아몬드의 일부 표면에 금속층을 증착하는 단계(S1)와, 상기 금속층을 금속 응집체(metal agglomerate)로 변환하여 상기 다이아몬드를 식각하는 단계(S2)와, 상기 금속 응집체를 상기 다이아몬드로부터 제거하여 다공성 나노 다이아몬드를 형성하는 단계(S3)를 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드의 표면 처리 방법에 따라 제조된 다공성 나노 다이아몬드의 단면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드의 표면 처리 방법에 따라 제조된 다공성 나노 다이아몬드(100)는 다공성 나노 다이아몬드(100)의 상부(110)에만 식각 피트(P)가 형성되고 하부(120)는 식각 피트(P)가 형성되지 않았다. 상부(110)는, 예를 들어, 전체 다공성 나노 다이아몬드(100)의 H2 영역일 수 있으며, 하부(120)는, 예를 들어, 전체 다공성 나노 다이아몬드(100)의 H1 영역일 수 있다.

도 3a 내지 도 3b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 표면 처리 방법을 단계별로 도시한 것이다.

도 3a를 참조하면, 금속층(130)을 증착하는 단계(S1)(도 1 참조)에서, 준비된 천연 또는 합성 다이아몬드에 탄소와 고용도가 높은 금속을 증착시킬 수 있다. 탄소와 고용도가 높은 금속으로서 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 망간(Mn) 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나로 이루어진 것을 사용할 수 있다.

금속층(130)을 증착하는 방법은 스퍼터링(sputtering), 이베퍼레이션(evaporation) 등의 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition), 또는 원자층 증착법(atomic layer deposition)을 포함하는 화학적 기상 증착법(chemical vapor deposition)을 사용할 수 있다.

도 3b를 참조하면, 다이아몬드를 식각하는 단계(S2)(도 1 참조)에서, 금속층(130)(도 3a 참조)이 증착된 다이아몬드를 고온으로 열처리 한 후 공랭할 수 있다. 열처리는, 예를 들어, 진공로 또는 쾌속 열처리기(rapid thermal annealing)를 사용하여 400 ℃ 내지 1500 ℃의 온도로 10초 내지 2시간 동안 유지함으로써 수행될 수 있다. 열처리가 진행되면 금속층의 물질 이동에 의해 금속층(130)의 표면 에너지를 줄이고자 금속층(130)(도 3a 참조)이 응집될 수 있다. 물질 이동 중 또는 응집한 상태에서 하부의 다이아몬드와 금속층(130)(도 3a 참조)이 계속 반응하면서 다이아몬드 결정이 분해되어 흑연으로 금속층(130)(도 3a 참조)에 고용됨으로써 금속 응집체(140)가 형성될 수 있다. 다이아몬드가 흑연으로 금속층(130)(도 3a 참조) 속에 고용됨으로써 다이아몬드의 식각이 진행될 수 있다. 특히, 금속층(130)(도 3a 참조)이 응집한 곳은 중심부를 중심으로 식각이 급속히 진행되어 피트 형태의 식각 피트가 형성될 수 있다. 금속 응집체(140)는, 예를 들어 1 내지 100 ㎛ 크기를 갖는 괴상의 응집체일 수 있다.

금속층(130)(도 3a 참조)은 복수의 금속 박막들로 구성될 수 있다. 상기 금속 박막들은 각각 다이아몬드를 구성하는 탄소의 고용해도(solid solubility)가 상이한 것일 수 있다. 즉, 탄소의 고용율이 서로 상이한 금속 박막들의 두께를 달리하여, 다이아몬드가 식각된 깊이, 피트의 밀도 등을 조절할 수 있다.

상기 금속층(130)(도 3a 참조)을 금속 응집체(140)로 변환하는 단계는 진공 분위기 또는 환원성 분위기에서 수행될 수 있다. 환원성 분위기는, 예를 들어, 수소가 포함된 불활성 가스를 포함하는 것일 수 있다. 이는 산화성 분위기에서 열처리하면 다이아몬드의 흑연화가 진행될 수 있기 때문이다.

다공성 나노 다이아몬드를 형성하는 단계(S3)(도 1 참조)에서, 금속 응집체(140)를 다이아몬드로부터 제거하여 피트(P)를 형성하는 것은 다이아몬드를 산성 용액에 세척하는 것에 의하여 수행될 수 있다. 상기 산성 용액은 질산, 염산, 황산, 왕수 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있다. 이러한 산처리 공정에 의하여, 잉여의 탄소가 고용된 금속 응집체(140)가 제거되고 일부 표면에 피트(P)가 형성된 다공성 나노 다이아몬드(100)(도 2 참조)를 얻을 수 있다.

공구로서 사용되기 위한 가장 이상적인 합성다이아몬드는 다이아몬드의 경도가 높은 면 방향인 (100)면 방향이 가능한 많이 노출되어 있는 것이 유리하다. 비교적 약한 (111)면 방향이 노출되어 있는 경우 연마, 절삭과정에서 다이아몬드가 파괴될 수 있는 문제점을 가지고 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 다공성 나노 다이아몬드(100)는 가장 강한 (100)면을 상대적으로 많이 갖는 다이아몬드 공구를 제공할 수 있다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 기술한다.

본 발명에 사용될 합성 다이아몬드는 고온 고압 인가가 가능한 육방정프레스(Guilin사 420φ모델)를 이용하여 합성하였다. 내부에 탑재되는 개스킷 내에 흑연파우더와 Ni/Co/Fe/Mn이 함유된 금속 촉매 파우더(Kovar metal catalyst)를 섞어 흑연 발열체 내에 넣은 후 5.5 GPa~6 GPa / 1500~1600 ℃의 조건으로 6시간 공정을 진행하여 최종적으로 120 ㎛의 합성 다이아몬드를 제조하였다.

이어, 탄소와 고용률이 높은 니켈을 다이아몬드의 일부 표면에 증착하였다. 니켈 증착은 RF/DC magnetron sputter(SCSP-3M3-380모델)를 이용하여 99.99% 니켈 타겟을 이용, 베이스 압력(base pressure)은 8.0 × 10-6 torr(Ar(99.9999%), 100 sccm), 동작 압력(working pressure)은 20 mTorr, RF 파워는 70 W, 온도는 상온, 증착 시간은 1시간의 조건으로 다이아몬드 상부 반면에 100 nm 두께로 니켈을 증착하였다.

도 4는 탄소(C)-니켈(Ni)의 상평형도이다.도 4를 참조하면, 약 1200 ℃의 작업온도에서 0.005 wt%이상의 탄소를 고용하여 효과적으로 다이아몬드를 흑연으로 식각하는 것이 가능할 것으로 예상된다.

도 5는 기존 합성 다이아몬드와 니켈이 증착된 후의 합성 다이아몬드의 광학 현미경 사진이다.

도 5를 참조하면, (a)에서, 기존 합성다이아몬드는 질소에 의해 노란색의 칼라를 띄고 있는 것을 알 수 있었으며, (b)에서, 니켈 코팅된 다이아몬드는 회백색을 띄어 니켈 증착이 진행된 것을 확인할 수 있었다. 이때 니켈의 두께는 쿼츠 오실레이터(quartz oscillator)를 이용하여 100 nm가 증착된 것을 확인하였다. 다이아몬드 하부(120)(도 3a 참조)는 니켈 코팅이 안되고 상부(130)(도 3a 참조)는 니켈이 코팅된 시료를 확보하였다.

다공성 나노 다이아몬드를 제조하기 위하여 니켈이 증착된 다이아몬드를 진공로(YL-TF-40/13모델)에 장입한 뒤 승온속도 5 ℃/min, 각각 400, 600, 800 ℃의 온도에서 30분간 열처리 후 공랭하여 열처리 공정을 진행하였다.

도 6은 니켈이 증착되고 열처리를 하기 전의 다이아몬드(a), 400 ℃에서 열처리한 다이아몬드(b), 600 ℃에서 열처리한 다이아몬드(c), 800 ℃에서 열처리한 다이아몬드(d)의 표면 SEM 사진이다.

도 6을 참조하면, (a)에서, 증착 직후의 다이아몬드 표면 전체가 균일한 코팅층을 보이고 있는 것을 알 수 있다. (b)에서, 400 ℃에서 열처리 된 것으로 균일 증착면을 보이는 (a)와 달리 열처리에 의해 코팅부에 다수 크랙이 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 부분적으로는 니켈의 일부분이 응집되어 있는 것을 확인할 수 있다. (c)에서, 600 ℃에서 열처리된 시료로 (b)와 마찬가지로 열처리에 의해 다수의 크랙이 존재하는 것을 알 수 있었다. (d)에서, 800 ℃ 열처리 후 SEM 분석결과를 나타낸 것으로 (a)에 비해 매우 거친 표면을 확인할 수 있었으며 이는 열처리에 의해 탄소, 니켈이 고용된 후 응고되는 과정에서 응집되어 나타나는 것으로 판단되었다. 따라서 1000 ℃ 이하의 저온 열처리로도 100 nm급 직경의 자가 정렬적인 닷(dots)을 형성할 수 있고 식각 피트(P)(도 2 참조)의 밀도도 조절할 수 있을 것이 예상되었다.

도 7은 니켈이 증착되고 열처리를 하기 전의 다이아몬드(a), 400 ℃에서 열처리한 다이아몬드(b), 600 ℃에서 열처리한 다이아몬드(c), 800 ℃에서 열처리한 다이아몬드(d)의 광학 현미경 사진이다.

도 7을 참조하면, (a)에서, 열처리 전 균일한 니켈 코팅층을 가지고 있는 것을 확인할 수 있다. 표면부 약간의 검은색 물질은 오염에 의한 것으로 니켈 코팅과는 무관한 것으로 판단되었다. (b)에서, 니켈 코팅된 시료에 대해 400 ℃에서 30분간 열처리하였다. (a)에 비해 표면부에서 열처리로 인한 응집 현상 및 피트 생성을 확인할 수 있었다. 이는 도 6에 나타난 SEM 결과와 잘 일치한 것을 알 수 있었다. (c)에서, 600 ℃에서 30분간 열처리하였다. (b)와 마찬가지로 열에 의한 니켈의 응집 현상 및 피트 생성을 확인할 수 있었다. (d)에서, 800 ℃에서 30분간 열처리하였다. 이전 열처리 시편과 마찬가지로 표면부의 니켈 응집 현상 및 피트 생성을 확인할 수 있었다. 따라서 100 nm의 매우 얇은 니켈 박막이 다이아몬드 상부에 코팅된 경우 400℃의 저온의 열처리에서도 응집 현상이 일어나는 것을 알 수 있었다.

열처리가 진행된 합성 다이아몬드의 잔여 니켈층을 제거하기 위해 30 wt%의 질산(HNO₃) 용액에 다이아몬드를 투입 후 70℃로 가열하여 30분간 산처리를 진행하였다. 이 공정으로 잉여의 탄소가 고용된 니켈이 제거되고 표면이 식각된 다이아몬드를 최종적으로 제조할 수 있었다.

도 8은 400 ℃에서 열처리한 다이아몬드(a), 600 ℃에서 열처리한 다이아몬드(b), 800 ℃에서 열처리한 다이아몬드(c)를 산처리한 후의 표면 SEM 사진이다.

도 8을 참조하면, (a)에서, 기존의 다이아몬드 표면에 비해 니켈 증착과 열처리로 인해 표면부가 거칠어 진 것을 확인할 수 있으며 열처리에 의해서 니켈에 탄소가 고용된 뒤 산처리로 제거되면서 표면부에 약 1 ~ 2 ㎛ 크기의 피트가 다수 발견되는 것을 확인할 수 있다. (b)에서, (a)와 마찬가지로 기존의 부드러운 다이아몬드 표면에 비해 다수의 피트가 발견되는 것을 확인할 수 있다. (c)에서, 이전 시료와 마찬가지로 니켈 증착과 열처리로 인해 표면부가 거칠어진 것을 확인할 수 있었으며 분석 이미지의 중앙 하단부에 약 3 ㎛급 크기의 (111)면에 트라이곤(A)이 다수 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한 약 1 ~ 2 ㎛ 정도의 홀이 관찰되었다. 이전의 시료보다 비교적 고온에서 열처리되어 피트 및 트라이곤의 비율이 증가한 것을 알 수 있었다. 따라서 100 nm급 니켈 박막이 증착된 경우 400 ℃의 비교적 저온에서도 다이아몬드의 식각이 효과적으로 진행된 것을 확인할 수 있었다.

기존의 합성 다이아몬드와 니켈이 증착된 다이아몬드, 열처리된 다이아몬드의 자력 곡선을 확인하기 위해 VSM(vibrating sample magnetometer, Lakeshore사 7400 series) 측정을 진행하였다. 시료를 위치시키고 ±5000 Oe의 외부 인가 자기장, 83.612 Oe의 자기 증가값, 300 points 스캔값으로 검출 코일 내에 발생하는 유도기전력을 측정하여 각 다이아몬드의 자속밀도를 측정하였다.

도 9는 니켈이 증착되고 열처리를 하기 전의 다이아몬드, 400 ℃에서 열처리한 다이아몬드, 600 ℃에서 열처리한 다이아몬드, 800 ℃에서 열처리한 다이아몬드의 이력 곡선(hysteresis loop)의 일부를 나타내는 그래프이다.

도 9를 참조하면, y축의 moment 값이 0일 때를 기준으로 보자력값을 확인하기 위해 확대 분석하였다. 보자력 값은 각각 100 nm의 니켈을 증착한 시편의 경우, 36.89 Oe, 400 ℃에서 열처리한 경우, 97.9 Oe, 600 ℃에서 열처리한 경우, 302.27 Oe, 800 ℃에서 열처리한 경우, 226.54 Oe를 나타내었다. 열처리 이후 보자력은 열처리 전 증착시료에 비해 모두 증가하였다. 이는 강자성체인 니켈이 열처리 직후에는 평탄하여 쉽게 마그네틱 도메인이 이동할 수 있어서 37 Oe 정도의 작은 값을 갖다가 차차 물질 이동이 일어나면서 응집이 시작되어 마그네틱 도메인의 피닝 요소로 작동하여 보자력이 점점 커지게 되기 때문이다. 이후 800 ℃ 이후에는 완전 구형으로 응집되어 응집체 하나가 하나의 싱글 도메인처럼 작용하면서 보자력이 저하되는 현상을 보였다. 마찬가지로 온도가 더 증가하면서 보자력이 작아지는 추세를 보였다. 따라서 B-H loop측정을 통해서 간접적으로 니켈 강자성체의 응집 정도를 판단하고 이에 따른 다이아몬드 표면부 식각 정도를 간접적으로 확인하는 것이 가능하였다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 다공성 나노 다이아몬드를 채용한 다이아몬드 절삭 공구이다.

도 10을 참조하면, 금속 모재(210)에 절삭부(220)가 접합된 다이아몬드 절삭 공구가 도시되어 있다. 절삭부(220)는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 다공성 나노 다이아몬드(200)가 결합재(240)에 결착된 것일 수 있다. 상기 다공성 나노 다이아몬드(200)를 결합재(240)에 의해 금속 모재에 접합하는 것은 소결법(sintering), 전착법(electroplating) 또는 융착법(brazing)에 의하여 수행될 수 있다.

도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 다공성 나노 다이아몬드를 채용한 다이아몬드 연마 공구이다.

도 11a를 참조하면, 금속 모재(310) 상에 연마부(315)가 형성되고, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 다공성 나노 다이아몬드(300)가 결합재(320)에 의해 연마부(315)에 결착된 다이아몬드 연마 공구가 도시되어 있다.

도 11b는 도 11a의 A-A` 면을 따라 절단된 단면도를 도시한 것이다.

도 11b를 참조하면, 금속 모재(310) 상에 연마부(315)가 형성되고, 연마부(315)는 결합재(320)에 의하여 다공성 나노 다이아몬드(300)와 결착될 수 있다. 상기 다공성 나노 다이아몬드(200)를 결합재(240)에 의해 금속 모재에 접합하는 것은 소결법(sintering), 전착법(electroplating) 또는 융착법(brazing)에 의하여 수행될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

100, 200, 300: 다공성 나노 다이아몬드
110: 다공성 나노 다이아몬드의 상부
120: 다공성 나노 다이아몬드의 하부
130: 금속층
140: 금속 응집체
210, 310: 금속 모재
220: 절삭부
240, 320: 결합재
315: 연마부

Claims

다이아몬드의 일부 표면에 금속층을 증착하는 단계;
상기 금속층을 금속 응집체(metal agglomerate)로 변환하여 상기 다이아몬드를 식각하는 단계; 및
상기 금속 응집체를 상기 다이아몬드로부터 제거하여 그 표면에 나노 크기의 구멍들이 다수 형성된 다이아몬드를 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 금속층은 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 망간(Mn) 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 2 이상의 금속으로 이루어지고,
상기 금속층은, 상기 다이아몬드를 구성하는 탄소의 상기 금속층에 대한 고용해도(solid solubility)가 서로 상이한 복수의 금속 박막들로 이루어진 것을 특징으로 하는 다이아몬드 표면 처리 방법.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 다이아몬드를 식각하는 단계에서, 상기 금속층을 열처리하여 금속 응집체로 변환하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 표면 처리 방법.
제3 항에 있어서,
상기 금속층을 열처리하는 것은, 상기 금속층이 증착된 다이아몬드를 10초 내지 2시간 동안 400 ℃ 내지 1500 ℃의 온도로 가열하여 수행되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 표면 처리 방법.
제4 항에 있어서,
상기 금속층을 금속 응집체로 변환하는 단계는 진공 분위기 또는 환원성 가스 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 표면 처리 방법.
제1 항에 있어서,
상기 다이아몬드를 식각하는 단계에서, 상기 금속 응집체는 상기 금속층에 상기 다이아몬드를 구성하는 탄소가 고용되어 형성된 것을 특징으로 하는 다이아몬드 표면 처리 방법.
제1 항에 있어서,
상기 금속 응집체는 1 내지 100 ㎛의 크기를 갖는 괴상인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 표면 처리 방법.
제1 항에 있어서,
그 표면에 나노 크기의 구멍들이 다수 형성된 다이아몬드를 제조하는 단계에서, 상기 금속 응집체를 상기 다이아몬드로부터 제거하는 것은 상기 다이아몬드를 산성 용액에 세척하는 것에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 표면 처리 방법.
제8 항에 있어서,
상기 산성 용액은 질산, 염산, 황산, 왕수 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 표면 처리 방법.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 다이아몬드는 천연 다이아몬드 또는 합성 다이아몬드인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 표면 처리 방법.
제1 항에 있어서,
상기 금속층을 증착하는 단계는 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition) 또는 화학적 기상 증착법(chemical vapor deposition)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 표면 처리 방법.
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