KR20010108054A - 고상물질 - Google Patents

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Abstract

고상물질을 처리하기 위한 공정이 설명되는 데 여기서는 200 nm에 이르는 단면을 갖는 공극들이 물질의 표면층에 형성되고, 이러한 공극들은 다른 물질 또는 동일한 물질의 휠라멘트로 채워진다. 이는 강도 및 음향 손실을 포함하여 물질의 여러 특징들에 개선점을 제공한다.
본 발명은 피에조세라믹의 생산에서 가장 성공적으로 이용될 수 있다.

Description

고상물질{Solid State Material}
특성을 개선하기 위한 목적으로 고상물질들을 처리하기 공지된 한가지의 방향은 물질의 특정한 특징, 특히 그 강도를 향상시키기 위하여 특정 첨가물(additive)들의 물질을 표면층(surface layer)에 존재하도록 하는 것이다.
공지된 고상물질(USSR Authorship Certificate No. 1220104)이 있는 데, 그것의 표면에 밀접한 층은 첨가물로서 금 혼합물을 포함한다.
이러한 물질이 갖는 문제점은 표면에 밀접한 구역에서 결정 격자(crystalline ceramic)의 규칙적인 순서가 없기 때문에 강도가 불충분하다는 것이다.
공지된 고상물질(V. M. Parashchenko, M. M. Rakhmankulov and A. P. Tsisin, "Technology of casting under pressure", Moscow: metallurgiya, 1996, p. 187)이 있는 데, 그것의 표면에 밀접한 층은 첨가물로서 보론(boron), 탄소(carbon), 황(sulfur), 크롬(chromium) 또는 알루미늄(aluminium)의 혼합물을 포함한다.
이러한 물질이 갖는 문제점은 또한 표면에 밀접한 구역에서 결정격자의 규칙적인 순서가 없다는 것이다.
공지된 피에조세라믹 물질(USSR Authorship Certificate No. 1172906)이 있는 데, 이는 지르코늄(zirconium), 납(lead) 및 바륨(barium)의 산화물의 고용체(solid solution)에 기초한 것이며, 그것의 표면에 밀접한 층은 높아진 납 농도(전체적으로 0.5-0.8 %)를 포함하며, 이는 결정화의 추가적인 표면 중심(surface centre)들을 형성할 수 있다.
그러나, 이러한 물질은 표면층들에서 단결정입자의 결정격자의 규칙적인 순서가 없기 때문에 또한 불충분한 강도를 갖는다.
본 발명은 개선된 특성을 부여할 목적으로 강(steel), 구조 합금(structural alloy), 반도체 물질(semiconductor material), 유전체(dielectric), 페라이트(ferrite), 피에조세라믹 물질(piezo-ceramic material) 등을 포함하는 고상물질을 처리하기 위한 공정에 관한 것이다. 이는 또한 부품(물품)들의 처리에 대하여도 이용될 수 있다.
본 발명의 하나의 목적은 표면에 밀접한 층에서 물질의 초기 결정 구조의 3차원 순서에 의하여 물질의 강도를 향상시키는 것이다.
본 발명에 의하여 해결되는 다른 목적은 물질을 특정한 특성, 다시 말해서 음향 손실(acoustic loss)의 크기를 개선시키는 것으로, 이는 기본적으로 피에조세라믹 물질에 대하여 중요하다.
이러한 문제점들은 고상물질의 표면에 밀접한 층의 원칙적으로 새로운 구조를 만들어냄으로서 해결될 수 있다.
이러한 구조는 물질의 표면층에 형성된 200 nm에 이르는 직경을 갖는 나노미터 단면의 공극들 및 공극들내에 위치하는 동일한 또는 다른 물질들로 만들어진 나노미터 단면(200 nm 까지)의 휠라멘트들로 구성된다.
이러한 표면층 구조를 갖는 물질을 생산하기 위한 초기 물질에서, 임의의 고상 결정 세라믹 물질(고체 합성 혼합물을 포함함)이 이용될 수 있다. 초기 물질은 도체(예를 들어, 구리, 니켈, 티타늄, 강) 또는 반도체(실리콘, 갈륨 비소화물(gallium arsenide)일 수 있다.
"나노 공극(nanopore)내에 위치하는 나노 휠라멘트(nanofilament)"구조의 형성은 고상물질의 음향 손실의 레벨을 상당히 감소시키고, "나노 공극내에 위치하는 나노 휠라멘트"구조의 경계를 따르는 결정 구조의 삼차원 순서로 인하여 그 강도를 증가시킨다. 피에조활성 물질(piezo-active material)에 대하여, 이러한 효과는 도메인(domain)의 양을 증가시키고, 그것의 분극벡터(polarization vector)는 "나노 공극내에 위치하는 나노 휠라멘트"구조의 표면에 수직으로 배열된다.
은(silver), 금(gold), 플라티늄(platinum) 또는 구리(copper)와 같은 금속들은 피에조세라믹에 대하여 휠라멘트를 위한 물질로서 이용되어야 한다.
본 발명의 다른 목적은 그 표면층에 상기 "나노 공극내에 위치하는 나노 휠라멘트"구조를 형성하는 것을 포함하는 고상물질을 처리하기 위한 공정이다. 여기에서, 나노 공극들의 형성은 물질의 바탕(blank)의 표면의 전기 침식처리(electrical erosion treatment)에 의하여 달성되고, 나노 휠라멘트를 채우는 것은 휠라멘트 물질(filament material)의 국부적인 이온 침전(local ion precipitation)에 의하여 달성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 표면층에서 상기 "나노 공극에 위치하는 나노 휠라멘트"구조를 형성함으로서 고상물질의 완성된 부품(물품)들의 처리를 위한 공정이다.
예 1. 공극내에 위치하는 금속 휠라멘트를 갖는 피에조세라믹
나노 공극들은 음의 극성(negative polarity)을 갖는 펄스(처리 피치-600 nm, 변형 전압 4 V; 각각의 공극에 대한 처리시간-400 nsec)들을 공급함으로서, 안티몬 술포요오드화물(antimony sulfoiodide)(SSbI)로 만들어진 점직경(point diameter) 20 nm의 제1탐침(prove)을 이용하는 전기 침식 방법에 의한 표준 기술(바인더(binder)로 압착된 피에조세라믹 충전물(charge)은 1450℃의 온도에서 연소하고 점차적으로 냉각함)에 의하여 생산되는 피에조세라믹 바탕의 끝면(endface)들 중의 하나에 형성된다. 그 후에 양의 극성(positive polarity)의 펄스들이 공급되면서 은으로 만들어진 제2탐침(점직경 10 nm)이 이용되어 국부 이온 침전방법(처리 피치-600 nm; 변형 전압 2 V; 각각의 공극에 대한 처리 시간 600 nsec)에 의하여 형성된 나노 공극들내에 은(Ag)의 나노 휠라멘트를 형성한다. 제1 및 제2탐침의 위치설정은 주사 터널 현미경(scanning tunnel microscope)을 이용하여 수행될 수 있다. 공극들의 농도는 평균적으로 um2당 3개이다.
설명된 방법에 의하여 처리되는 피에조세라믹 판(plate)은 강도(파괴 변형(breaking strain))에 대한 실험을 거쳤다. 이는 3100 n/mm2이었고, 이러한 방법에 의한 처리를 거치지 않은 유사한 판의 강도는 2200 n/mm2이었다.
물질에서의 음향 손실값에 역으로 비례하는 전기기계적 결합 계수(electromechanical coupling coefficient)는 0.71에서 0.85로 증가한다.
예 2. 공극들내에 위치하는 반도체 휠라멘트들을 갖는 금속
최초 물질은 텅스텐이다. 10-200 nm의 단면을 갖는 공극이 텅스텐의 표면에 100-1000 nm의 깊이로 형성된다. 공극들은 100-1000 nm의 길이와 10-200 nm의 단면을 갖는 휠라멘트들로 채워진다. 공극의 농도는 평균적으로 um2당 3개이다. 휠라멘트 물질은 실리콘이다.
"나노 공극내에 위치하는 나노 휠라멘트"구조를 이용하지 않는 실험된 텅스텐 와이어의 강도는 3600 n/mm2이었다. "나노 공극내에 위치하는 나노 휠라멘트"구조를 이용할 경우, 처리 후의 강도는 4400 n/mm2였다. 이에 의해 물질내의 음향손실 계수는 평균적으로 20 % 감소되었다.
예 3. 공극내에 위치하는 유전체 휠라멘트들을 갖는 금속
초기 물질은 텅스텐이다. 10-200 nm의 단면을 갖는 공극들이 텅스텐의 표면에 100-1000 nm의 깊이로 형성된다. 공극들은 100-100 nm의 길이와 10-200nm의 단면을 갖는 휠라멘트들로 채워진다. 공극들의 농도는 평균적으로 um2당 3개이다. 휠라멘트 물질은 황(sulfur)이다.
"나노 공극내에 위치하는 나노 휠라멘트"구조를 이용하지 않고 실험된 텅스텐 와이어의 강도는 3600 n/mm2이었다. "나노 공극내에 위치하는 나노 휠라멘트"구조를 이용할 경우, 처리 후에 강도는 4100 n/mm2이었다.
이에 의해 물질에서 음향 손실 계수는 평균적으로 20 % 감소되었다.

Claims (32)

  1. 고상물질들의 처리 공정에 있어서,
    고상물질의 바탕을 제공하는 단계,
    적어도 바탕 물질의 표면층에 200 nm에 이르는 직경을 갖는 공극들을 형성하는 단계, 및
    바탕의 물질과 다른 물질 또는 동일한 물질로 만들어지는 휠라멘트로 상기 공극들을 채우는 단계를 포함함을 특징으로 하는 공정.
  2. 제1항에 있어서, 각각의 공극에 여러 개의 휠라멘트들이 위치하는 것을 특징으로 하는 공정.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 공극들은 전기 침식 처리에 의하여 물질에 형성되고, 공극들을 채우는 것은 휠라멘트 물질의 국부 이온 침전에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 공정.
  4. 제1항 내지 제3항들 중의 어느 한 항에 있어서, 처리되는 물질은 세라믹 물질이고, 공극들을 채우기 위한 물질은 금속인 것을 특징으로 하는 공정.
  5. 선행하는 항들 중의 한 항에 있어서, 처리되는 물질은 피에조세라믹인 것을 특징으로 하는 공정.
  6. 제1항 내지 제5항들 중의 한 항에 있어서, 공극들을 채우기 위한 물질은 은인 것을 특징으로 하는 공정.
  7. 제1항 내지 제5항들 중의 한 항에 있어서, 공극들을 채우기 위한 물질은 금인 것을 특징으로 하는 공정.
  8. 제1항 내지 제5항들 중의 어느 한 항에 있어서, 공극들을 채우기 위한 물질은 플라티늄인 것을 특징으로 하는 공정.
  9. 제1항 내지 제5항들 중의 어느 한 항에 있어서, 공극들을 채우기 위한 물질은 구리인 것을 특징으로 하는 공정.
  10. 제1항 내지 제3항들 중의 어느 한 항에 있어서, 처리되는 물질은 금속이고, 공극들을 채우기 위한 물질은 반도체 물질인 것을 특징으로 하는 공정.
  11. 제1항 내지 제3항들 중의 어느 한 항에 있어서, 처리되는 물질은 금속이고, 공극들을 채우기 위한 물질은 유전체 물질인 것을 특징으로 하는 공정.
  12. 부품들을 처리하기 위한 공정에 있어서,
    적어도 처리되는 부품이 만들어지는 물질의 표면층에 200nm에 이르는 크기를 갖는 공극들을 형성하는 단계, 및
    부품의 물질과 다른 물질 또는 동일한 물질로 만들어지는 휠라멘트들로 상기 공극들을 채우는 단계를 포함함을 특징으로 하는 공정.
  13. 제12항에 있어서, 공극들은 전기 침식 처리에 의하여 부품의 물질내에 형성되고, 공극들을 채우는 것은 휠라멘트 물질의 국부 이온 침전에 의하여 수행되는것을 특징으로 하는 공정.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 처리되는 부품은 세라믹 물질로 만들어지고, 공극을 채우는 물질은 금속인 것을 특징으로 하는 공정.
  15. 제12항 내지 제14항들 중의 어느 한 항에 있어서, 처리되는 부품은 피에조세라믹 물질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 공정.
  16. 제12항 내지 제15항들 중의 어느 한 항에 있어서, 공극들을 채우기 위한 물질은 은인 것을 특징으로 하는 공정.
  17. 제12항 내지 제15항에 따른 공정에 있어서, 공극들을 채우기 위한 물질은 금인 것을 특징으로 하는 공정.
  18. 제12항 내지 제15항들 중의 어느 한 항에 있어서, 공극들을 채우기 위한 물질은 플라티늄인 것을 특징으로 하는 공정.
  19. 제12항 내지 제15항들 중의 어느 한 항에 있어서, 공극들을 채우기 위한 물질은 구리인 것을 특징으로 하는 공정.
  20. 제12항 또는 제13항에 있어서, 처리되는 부품은 금속으로 만들어지고, 공극들을 채우기 위한 물질은 반도체 물질인 것을 특징으로 하는 공정.
  21. 제12항 또는 제13항에 있어서, 처리되는 부품은 금속으로 만들어지고, 공극들을 채우기 위한 물질은 유전체 물질인 것을 특징으로 하는 공정.
  22. 고상물질에 있어서, 10 내지 200 nm의 직경을 갖는 공극들이 적어도 물질의 표면층에 형성되고, 다른 물질의 휠라멘트들이 공극들에 위치하는 것을 특징으로 하는 물질.
  23. 고상물질에 있어서, 10 내지 200 nm의 직경을 갖는 공극들이 적어도 물질의 표면층에 형성되고, 동일한 물질의 휠라멘트들이 공극들에 위치하는 것을 특징으로 하는 물질.
  24. 제22항 또는 제23항에 있어서, 공극들은 100 내지 1000 nm의 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 공정.
  25. 제22항 내지 제24항들 중의 어느 한 항에 있어서, 물질은 세라믹 물질이며, 공극들을 채우기 위한 휠라멘트들은 금속으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 물질.
  26. 제22항 내지 제25항들 중의 어느 한 항에 있어서, 물질은 피에조세라믹인 것을 특징으로 하는 물질.
  27. 제22항 내지 제26항들 중의 어느 한 항에 있어서, 공극들을 채우기 위한 휠라멘트들은 은으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 물질.
  28. 제22항 내지 제26항들 중의 어느 한 항에 있어서, 공극들을 채우기 위한 휠라멘트들은 금으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 물질.
  29. 제22항 내지 제26항들 중의 어느 한 항에 있어서, 공극들을 채우기 위한 휠라멘트들은 플라티늄으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 물질.
  30. 제22항 내지 제26항들 중의 어느 한 항에 있어서, 공극들을 채우기 위한 휠라멘트들은 구리로 만들어지는 것을 특징으로 하는 물질.
  31. 제22항 내지 제24항들 중의 어느 한 항에 있어서, 물질은 금속이고, 공극들을 채우기 위한 휠라멘트들은 반도체 물질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 물질.
  32. 제22항 내지 제24항들 중의 어느 한 항에 있어서, 물질은 금속이고, 공극들을 채우기 위한 휠라멘트들은 유전체 물질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 물질.
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