KR20030038673A

KR20030038673A - 입도폭이 좁은 단결정질 다이아몬드 미분말 및 그 제조법

Info

Publication number: KR20030038673A
Application number: KR10-2003-7000926A
Authority: KR
Inventors: 야마나카히로시; 오시마류지; 사토료우이치; 사이토노부유키; 이시즈카히로시
Original assignee: 가부시키가이샤 이시즈카 겐큐쇼
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2001-07-23
Publication date: 2003-05-16
Also published as: CA2416522A1; AU2001272778A1; WO2002008122A1; BR0112596A; EA200300182A1; CN1447775A; IL154038A0

Abstract

입도폭이 좁은 초정밀 가공용에 적합한 단결정질 다이아몬드 미분말 및 그 제조법이 제공된다. 다이아몬드 미분말은 정적 초고압하에서 합성된 단결정질 다이아몬드의 초미분쇄 및 정밀분급에 의해서 얻어지고, 마이크로트랙 UPA 입도측정기에 의한 측정값에 있어서, D50값 입경이 120㎚ 이하이고, 또한 D50값 입도에 대한 D10값 입도 및 D90값 입도의 비가 각각 50% 이상 및 200% 이하의 데이터로 특징지어진다. 얻어진 다이아몬드 미분말은 일반 경질재 및 박막형 자기헤드의 저PTR연마와 같은 경도가 다른 복합재의 초정밀연마, 기타 각 종의 정밀용도에 적합하다.

Description

입도폭이 좁은 단결정질 다이아몬드 미분말 및 그 제조법{NARROW SIZE-RANGED SINGLE CRYSTALLINE MINUTE DIAMOND PARTICLES AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF}

정밀가공기술의 고도화에 따라서, 연마재로서 이용되는 다이아몬드분말의 입도는 점차 미세한 쪽으로 이행되고 있으며, 입도가 1㎛ 이하, 즉 서브미크론급의 다이아몬드 미분말의 사용도 증가하고 있다. 이와 함께, 이러한 미분말의 품질, 특히 입도분포에 대한 요구도 해마다 엄격해지는 경향이 있다.

다이아몬드 미분말의 제조방법으로서는 정적 초고압력을 이용해서 합성한 단결정질의 다이아몬드를 원료로 해서 이용하고, 이것을 분쇄한 후 분급공정으로 제공하여, 입도가 갖추어진 제품으로 하는 방법이 일반적이다. 이 방법으로 제조되는 다이아몬드 미분말은 분쇄공정 및 분급공정 상의 제약에서, 입도표시에 있어서0∼0.1㎛, 마이크로트랙 UPA 측정값에서의 D50값으로서 0.12/㎛ 부근이 시판품의 최소 사이즈가 되어 있다.

한편, 폭약을 이용한 충격가압에 의해서 흑연 또는 폭약성분을 다이아몬드로 전환하는 충격 내지 동적 가압방법도 공업적으로 확립되어 있다. 원료로서 흑연을 사용하여 합성된 다이아몬드는 듀폰타입·다이아몬드라 하고, 한편 폭약 자체를 탄소원으로 사용해서 합성한 다이아몬드는 클러스터 다이아몬드, 또는 울트라파인·다이아몬드 등이라 하고 있으며, 어느 것이나 정밀가공분야에서의 연마재로서 널리 사용되고 있다.

이러한 충격가압에 의해서 합성된 다이아몬드는, 일반적으로 수㎚∼수십㎚인 입경의 1차 입자가 응집 내지 결합하고, 겉보기 입경이 수백㎚∼수㎛인 다결정질의 2차 입자를 형성하고 있는 것이 알려져 있다.

상기 듀폰타입·다이아몬드의 2차 입자 사이즈는, 단결정질의 분쇄분말과 같이, 입도표시에 있어서 0∼0.1㎛, 마이크로트랙 UPA측정에 의한 D50값에 있어서 0.12/㎛당이 입수가능한 시판의 최소 사이즈가 되어 있다.

또 폭약으로부터의 전화(轉化)에 의해서 얻어지는 상기 클러스터 다이아몬드는, 겉보기 사이즈 수㎛의 응집입자로서 시판되고 있으나, 강력한 산화처리를 함으로써 5∼10㎚라 하는 1차 입자로 해쇄하는 것이 가능하다.

이상과 같은 상황에 있어서, 현재 사용 가능한 연마용의 다이아몬드 미분말은 공칭 0∼0.1/㎛, 마이크로트랙 UPA측정에 의한 D50값으로 0.12㎛를 하한으로 하고 있고, 0.01㎛(10㎚)에서 0.12㎛(120㎚)까지의 범위의 연마재, 특히 단결정질의미분말은 시장에서 얻을 수 없어 보다 다양화되는 초미세가공의 요구에 부응할 수 없었다.

게다가 0.25㎛ 이하의 다이아몬드 미분말은 0∼0.25나 0∼1/8 등의 표시로 나타내는 바와 같이, 언더사이즈를 모두 포함해서 포집하여 제품화되어 있다. 따라서 입도폭이 비교적 넓고 연마공정에 기여하지 않을 뿐만 아니라, 때로는 악영향을 미치는 일조차 있는 미분말을 소입경측에 함유하고 있다. 또한 미세한 프랙션 때문에 D50값이 실질보다 작게 표시되는 경향이 있다.

한편, 광학부품, 전자부품, 정밀기계부품 등의 성능이나 기능에 대한 요구가 최근 더욱 더 고도화하고, 이에 따라서 사용되는 재료도 금속재료, 세라믹스, 유리, 플라스틱으로 대단히 다양하다. 이와 같은 부품의 제조공정에 있어서는, 경도가 다른 복수의 재료로 구성된 복합재료를 연마할 필요성이 늘고 있다. 박막형 자기헤드(소재)는 본 발명의 다이아몬드 미분말이 연마가공의 대상으로 하는 피삭재의 하나이나 이것도 알틱(altic)(Al₂0₃-TiC) 등의 기재, 알루미나(A1₂O₃) 등으로 이루어진 보호/절연을 위한 세라믹질막 및 퍼멀로이(Fe-Ni)나 샌더스트(Fe-Al-Si) 등의 자성 금속막으로 이루어진 복합재료이다.

이러한 자기헤드의 ABS(Air Bearing Surface : 공기부상면)의 연마가공을 할 경우, 연마재로서는 종래 충격압력하에서 합성되는 소위 다결정 다이아몬드가 다용되고 있다. 이 타입의 연마재를 사용해서 박막형 자기헤드를 연마할 경우, 헤드구성재료간의 경도차에 의해서 상대적으로 연질재료인 금속막이 선택적으로 가공되어, 단차나 면의 거칠어짐 발생을 피할 수 없다. 이 때문에 금속막으로 이루어진 자극부가 세라믹질의 ABS에서 후퇴되는 폴 팁 리세션(Pole Tip Recession : PTR)이 발생되어 기록매체와의 자기간격이 증대하고, 결국 실질적인 헤드 부상량이 증가하게 된다는 문제가 있었다.

박막형 자기헤드 구성재료간의 경도차에 의한 단차를 작게 하기 위한 해결책의 하나로서, 연마재로서 사용하는 다이아몬드의 입경을 작게 하는 것을 생각할 수 있다. 그러나 종래의 연마재(다결정형)에는, 충분한 연마능력을 지닌 유효입자성분 외에, 충분한 연마능력을 지니지 않은 유효입자보다 미세한 입자성분이 상당한 비율로 함유되어 있다. 이들 미세한 입자성분은 알틱/알루미나 등으로 구성된 상대적으로 경질인 세라믹부분에 대해서는 유효한 연마재로서 기능하지 않지만 퍼멀로이나 샌더스트 등의 상대적으로 연질인 금속재에 대해서는 연마작용을 나타낸다.

종래의 다이아몬드 연마재에 있어서, 입자경이 작은 연마재를 사용하면 PTR이 감소되는 경향은 확인되는 반면, 연질재료인 금속막의 선택연마는 큰 입자경의 것을 사용하는 경우보다 오히려 현저해진다. 이 현상은 다음과 같이 해석된다. 즉, 박막형 자기헤드의 연마가공은 연마재를 분산시킨 슬러리를 적하한 정반(연마판) 상에서 실시되고 있다. 이 때, 보다 큰 유효입자는 정반면에 매립되어서 고정된 상태로 연마작용에 기여하는 것에 비해, 보다 작은 미세입자는 헤드와 정반면의 사이에서 전동되기 때문에 연질재료가 선택적으로 연마된다고 생각된다.

또 종래의 단결정질 다이아몬드 연마재를 사용해서 박막형 자기헤드의 ABS의 연마가공을 행할 경우, 상기 금속막에 다이아몬드입자가 꽂힌다는 문제가 있었다.금속막에 입자가 꽂힌 상태의 자기헤드를 하드 디스크 드라이브에 실장하면, 구동되어서 헤드가 디스크상에 부상되어 있는 동안에 꽂혀 있는 입자가 탈락되고 디스크면에 접촉되어서 파손의 원인이 될 수 있다. 따라서 이와 같은 꽂힘은 가능한 한 억제해야 할 중요한 문제이다.

상기 꽂힘입자의 개수는 종래의 연마재를 사용할 경우 연마재의 공칭 입자경이 작아짐에 따라서 증가하는 경향을 보이고, 상기한 저(低)PTR값의 달성과의 양립은 곤란하였다.

따라서, 하드 디스크의 기록밀도 향상을 위해 저PTR가공을 가능하게 하고, 동시에 금속막에 대한 꽂힘을 일으키지 않는 연마재의 개발이 요망되고 있었다.

이상과 같은 상황에 있어서, 본 발명의 제 1의 목적은 상기한 바와 같이 유해한 언더사이즈 미분말을 대부분 포함하지 않고 각 종 고경도재의 정밀연마가공에 적합한 정밀분급된 단결정질 다이아몬드 미분말을 제공하는데 있다.

또 다른 목적은 경도가 다른 물질로 구성된 복합재, 특히 박막형 자기헤드의 연마가공에 있어서, 상대적으로 연질의 구성재료인 금속막의 선택적 연마의 억제 및 다이아몬드입자의 꽂힘의 회피에 의해서 저PTR 및 고품질의 연마금속표면을 달성가능한 단결정질 다이아몬드입자 연마재를 제공하는데 있다.

본 발명자 등은 다이아몬드입자 연마재를 조제할 때, 종래의 다이아몬드입자 연마재에 비교적 큰 비율로 함유되어 있는 미세입자성분을 대폭적으로 감소시킴으로써 박막형 자기헤드재의 가공에 있어서, 상기 PTR을 감소시키고 꽂힘입자의 발생을 대폭적으로 억제할 수 있다는 식견을 얻어 본 발명을 달성하기에 이르렀다.

본 발명은 입도폭이 좁은 단결정질 다이아몬드 미분말, 특히 고경도재료나 박막형 자기헤드 등과 같이 경도가 다른 복수의 물질로 이루어진 복합재의 초정밀 연마가공 등에 적합하게 한 단결정질 다이아몬드 미분말 연마재에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에서 얻어진 단결정질 다이아몬드 미분말의 입도측정결과를 나타낸 그래프

도 2는 본 발명의 실시예에서 얻어진 다른 단결정질 다이아몬드 미분말의 입도측정결과를 나타낸 그래프

도 1 및 도 2에 있어서, 막대 그래프는 각 입도범위의 프랙션의 빈도를, 곡선은 누적량을 나타낸다.

(발명의 개시)

상기한 과제에 있어서, 일반 피삭재의 초정밀 연마가공에 적합한 다이아몬드 연마재는, 본 발명에 의하면 정적 초고압하에서 합성된 단결정질 다이아몬드의 미분쇄에 의해서 얻어지는 단결정질 서브미크론급 다이아몬드를 마이크로트랙 UPA 입도측정기에 의한 측정값에 있어서, D50값 입경이 120㎚ 이하, 특히 100nm 이하이고, 또한 D50값 입도에 대한 DlO값 입도 및 D90값 입도의 비가 각각 50% 이상 및 200% 이하가 되도록 마무리함으로써 달성된다.

다음에 박막형 연마헤드 등, 경도가 다른 물질로 구성된 피삭재의 초정밀 연마가공에 적합한 다이아몬드 연마재는 본 발명에 의하면 단결정질 다이아몬드입자의 집합체로 구성되는 다이아몬드입자 연마재로서, 마이크로트랙 UPA측정기에 의한 측정값에 있어서, 상기 집합체의 평균 입자경 d_D50의 70%(0.7×d_D50) 이하의 입자경을 나타내는 미소입자의 비율이 측정된 입자전체의 15% 이하임을 특징으로 하는 D50 평균 입자경(d_D50)이 120㎚ 이하인 다이아몬드입자 연마재가 되도록 마무리함으로써 달성된다.

상기 다이아몬드 미분말은 전형적으로는 정적 초고압하에서 합성된 단결정질 다이아몬드분말을 미분쇄공정 및 정밀분급공정에 제공함으로써 얻어지고, 미분쇄공정 및 정밀분급공정의 반복에 의해서 D50값 평균 입도 120㎚ 이하, 특히 바람직하게는 100㎚ 이하의 정립(整粒)된 미립자의 집합체로 한다.

(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)

상기 미분쇄공정은 볼밀 등, 강구(鋼球)를 사용한 충격파쇄 내지는 마쇄, 마멸에 의거해서 실시할 수 있다. 또 상기 정밀분급공정은 유속을 조정해서 일루트리에이션(elutriation)에 의거하여 실시할 수 있다. 이 경우, 일루트리에이션분급공정에 있어서, 상승수류속도를 스토크스의 법칙에서 계산되는 입자의 침강속도의 2 내지 4배의 속도로 함으로써, 언더사이즈 미분말의 분리를 촉진하여 효율적인 분급을 행할 수 있다.

또한 필수적인 것은 아니나, 본 발명의 다이아몬드 미분말은 특히 비교적 저경도의 피삭재에 적합하게 하기 위해서 정립 도중에 다이아몬드입자를 800∼1400℃의 특정온도범위에서 가열처리에 제공하는 것도 유용하다. 즉 이 처리에 의해서 다이아몬드입자 자체가 강도치 저하 등의 열영향구조를 나타냄과 아울러, 표면의 일부가 흑연 등 비다이아몬드 탄소로 전환됨으로써 연마공정에 있어서 피삭재와의 접촉시의 충격이 경감되는 결과, 깊은 연마흠의 발생이나 다이아몬드입자의 피삭재 표면에 대한 부식이 억제되고, 한편 다이아몬드입자의 표면이 피복됨으로써 상대적으로 조각날의 돌출높이가 감소되는 결과, 가공면에 연마에 의한 깊은 흠의 발생이 억제된다. 비다이아몬드 탄소는 다이아몬드입자 전체에 대한 비율이 질량비에 있어서 0.5% 이상이면 효과가 현저해진다.

실시예 1

공칭 입도 2-6㎛의 토메이 다이아몬드제품 IRM급 단결정질 다이아몬드분말을 미분쇄 및 정밀분급에 제공하였다.

분쇄에는 내경 및 길이가 모두 250㎜인 강철제의 볼밀포트를 사용하고, 이 안에 6㎜의 강구 20kg과 함께 원료인 다이아몬드분말 300g을 넣고, 회전수 80rpm으로 120시간 분쇄를 하였다. 포트에서 꺼낸 분쇄분말은 10HCl-1HNO₃혼합용액을 사용해서 철분을 용해 제거하고, 충분히 수세하였다.

일루트리에이터로서 직원통부의 길이가 각각 20㎝, 단면적은 제 1 단계째로서 2500㎠, 제 2 단계째로서 5000㎠의 분급관을 직렬로 결합한 구성을 사용하였다. 이 장치내에 상기의 미분쇄 다이아몬드분말을 1kg 투입하고, 25cc/시의 유량으로 120ℓ의 이온교환수를 공급해서 일루트리에이션조작을 행하였다. 제 2 단계째부터 유출된 현탁액은 저장조에 모으고, 염산을 첨가해서 pH2로 유지하였다.

분리 후의 각 단계에서의 입도의 마이크로트랙 UPA에 의한 측정값은 하기의표 1과 같다. 제 1 단계, 제 2 단계 및 유출포집분에 대해서 비 D90/D50의 값은 각각 156%, 132%, 177%, 또 DlO/D50의 값은 60%, 75% 및 58%가 되어 있고, 입도폭이 좁은 다이아몬드 미분말이 얻어지고 있다.

	D10	D50	D90	D90/D50
제 1 단계	59	99	154	156%
제 2 단계	56	75	99	132
유출액	31	53	94	177

상기 실시예에 있어서 제 1 단계 및 유출액에서 회수한 다이아몬드 미분말의 마이크로트랙 UPA에 의한 입도측정결과를 도 1 및 도 2에 나타낸다. 막대 그래프는 각 입도범위의 프랙션의 빈도를, 곡선은 누적량을 나타낸다.

실시예 2

일루트리에이션에 의한 분급조작에 의해서 제조된 토메이 다이아몬드제품 정밀 가공용 미크론사이즈 다이아몬드지립 MDlOO(상품명)을 원료로서 사용하였다. 이 지립의 마이크로트랙 UPA에 의한 입도분포는 D50값(d_D50)이 103.9㎚이고, d_D50의 70%값에 대응하는 27채널(72.3㎚)에서의 누적%가 19.75, 즉 입자경 70㎚ 이하의 입자의 함유율은 약 20%이었다.

이 원료 1kg을 실시예 1과 동일한 구성의 분급장치에 투입하고, 매분 0.5cc의 유량으로 이온교환수를 공급해서 일루트리에이션작업을 행하였다.

재(再)일루트리에이션분급 후의 입자경은 마이크로트랙 UPA측정값에 있어서,D50값(d_D50)이 107.4㎚로서 재일루트리에이션분급 전과 평균 입경이 실질적으로 동일하였으나, d_D50의 70%값(75.2㎚)에 대응하는 27채널(72.3㎚)에서의 누적%는 11.07이었다. 즉 입자경 70㎚ 이하의 입자의 함유량은 약 11%로 저하되어 있었다.

재일루트리에이션분급 전의 원료와 재일루트리에이션분급에 의해서 얻어진 다이아몬드입자의 각각에 대해서 질소가스 속에서 가열처리를 행하였다. 처리는 자기제 보트에 처리원료인 다이아몬드입자를 넣고, 질소가스로 분위기치환을 행한 후 1200℃로 3시간 유지해서 행하였다.

상기에 있어서 재일루트리에이션분급을 행하고 가열처리를 실시한 본 발명의 다이아몬드입자와, 비교용으로서 재일루트리에이션분급을 실시하지 않고 가열처리한 종래의 다이아몬드를 사용해서 각각 유용성 슬러리를 제작하여 박막형 자기헤드의 ABS 랩연마를 행하였다.

양 슬러리의 연마성능을 PTR값 및 금속막에 대한 꽂힘현상으로 평가하였다. 즉 알틱(A1₂0₃-TiC), 알루미나(A1₂0₃) 및 퍼멀로이(Fe-Ni), 샌더스트(Fe-Al-Si)로 구성하고, 자기헤드를 모방한 복합재료 시험편에서의 단차를 측정하고, 또 5㎛조각의 금속막을 주사형 전자현미경으로 관찰해서 꽂힌 다이아몬드지립의 개수를 세었다.

PTR값은 본 발명품에 있어서는 2.355Å이 얻어졌지만, 이것은 종래품에서의 4.464Å의 52.2%이다.

한편, 꽂힘입자의 개수는 종래품에서의 15개에 비해, 본 발명의 다이아몬드입자 연마재의 경우는 3개이었다.

본 발명의 다이아몬드 미분말은 정압법에 의해 합성된 다이아몬드의 특징인 단결정질을 유지하면서, 120㎚ 이하의 입도역에 있어서 좁은 입도범위를 나타내는 것이기 때문에, 일반 경질재 및 박막형 자기헤드의 저PTR가공과 같은 경도가 다른 복합재의 초정밀연마, 기타 각 종의 정밀용도에 적합하다.

Claims

정적 초고압하에서 합성된 단결정질 다이아몬드의 분쇄에 의해서 얻어지는 단결정질 서브미크론급 다이아몬드 미분말로서, 마이크로트랙 UPA 입도측정기에 의한 측정값에 있어서, D50값 입경이 120㎚ 이하이고, 또한 D50값 입도에 대한 DlO값 입도 및 D90값 입도의 비가 각각 50% 이상 및 200% 이하인 것을 특징으로 하는 입도폭이 좁은 단결정질 다이아몬드 미분말.
청구항 1에 있어서,

상기 D50값 입경이 100㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 미분말.
단결정질 다이아몬드 입자의 집합체로 구성되는 다이아몬드입자 연마재로서, 마이크로트랙 UPA측정기에 의한 측정값에 있어서, 상기 집합체의 D50 평균 입자경(d_D50)의 70%(0.7×d_D50) 이하의 입자경을 나타내는 미소 입자의 비율이, 측정된 입자 전체의 15% 이하임을 특징으로 하는 평균 입자경 d_D50이 120㎚ 이하인 다이아몬드입자 연마재.
청구항 3에 있어서,

상기 다이아몬드입자의 표면이 가열처리에 의한 열영향구조를 가지며, 또한 상기 다이아몬드입자 집합체 전체에 대한 질량비에 있어서 0.5% 이상의 비다이아몬드 탄소로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 입자연마재.
청구항 4에 있어서,

상기 열영향구조를 가진 다이아몬드입자가 800∼1400℃ 범위의 가열처리온도에서의 가열처리를 거친 입자인 것을 특징으로 하는 다이아몬드입자 연마재.
정적 초고압하에서 합성된 단결정질 다이아몬드입자를 미분쇄공정 및 정밀분급공정에 제공하는 것으로써, D50값 평균입도 120㎚ 이하의 정립된 미립자의 집합체로 하는 것을 특징으로 하는 단결정질 다이아몬드 미분말의 제조법.
청구항 6에 있어서,

상기 D50값 평균입도가 100㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 미분말의 제조법.
청구항 6에 있어서,

상기 미분쇄공정이 강구를 사용한 충격파쇄 내지는 마쇄에 의거한 것임을 특징으로 하는 다이아몬드 미분말의 제조법.
청구항 6에 있어서,

상기 정밀분급공정이 일루트리에이션에 의거한 것임을 특징으로 하는 다이아몬드 미분말의 제조법.
청구항 6에 있어서,

상기 일루트리에이션에 의거한 분급공정에 있어서, 상승수류속도를 스토크스의 법칙으로부터 계산되는 입자의 침강속도의 2 내지 4배로 하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 미분말의 제조법.