KR20100086847A - 다이아몬드 공구 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다이아몬드 공구 및 그 제조방법에 관한 것으로, 다이아몬드 막이 코팅되는 다양한 재료의 표면에 레이저를 이용한 가공으로 재료의 표면에 다양한 형태의 홈 및 골을 구성하고 이후 코팅되는 다이아몬드 막과 코팅을 위한 재료 간에 접착력(adhesion strength)을 대폭 향상시키는 방법 및 그 제조방법으로 만들어진 다이아몬드 코팅 공구에 관한 것으로, 특히 다이아몬드 코팅 막의 연삭 및 연마특성과 내마모 특성을 요하는 다양한 분야에 적용 가능한 다이아몬드가 코팅된 소재와 공구를 제공함을 목적으로 한다.

다이아몬드가 코팅될 재료에 크기, 간격, 깊이 등이 제어 가능한 형상으로 레이저로 가공됨으로 해서 우수한 접착력 구현이 가능하며, 이를 통해 다이아몬드 코팅 막을 이용한 연삭 및 연마작업이 가능하며, 동시에, 이러한 가공 분야에서 다이아몬드 코팅 막의 박리 또는 탈락이 방지되는 효과를 얻을 수 있게 되어 우수한 절삭 및 내마모 특성을 얻을 수 있게 된다.

기상화학합성법, 다이아몬드 코팅, 레이저 가공, 접착력, 연삭성능

Description

다이아몬드 공구 및 그 제조방법{DIAMOND TOOL AND METHOD OF PRODUCING THE SAME}

본 발명은 수 ㎛에서 수 mm의 두께로 다이아몬드 막이 코팅된 소재가 적용되는 다양한 분야 예컨대, 절삭공구, 내마모 특성을 요하는 특수 공구, 반도체 압착 공구(TAB tool) 또는 표면 연삭성능이 필요한 CMP 패드 컨디셔너 등에서 다이아몬드 코팅 막의 탈락 문제를 해소함과 동시 기계적 특성을 향상시키기 위한 것으로 , 레이저를 이용해 다이아몬드가 코팅될 재료의 표면을 여러 모양으로 패터닝(patterning) 하여 홈 및 굴곡을 구성한 이후 다이아몬드 막을 코팅함으로써 우수한 접착력을 확보하고, 동시에 이러한 형상을 연삭 및 연마 작업에 적용하는 다이아몬드가 코팅된 공구 및 그 제조방법에 관한 것이다.

다이아몬드는 현존하는 재료 중에 가장 우수한 경도 및 화학적 안정성을 가지고 있어 여러 가지 기계적 특성을 요하는 분야에서 매우 중요한 재료로 이용되고 있다. 특히, 기상화학증착법(CVD: chemical vapor deposition)으로 코팅되는 다이아몬드 막은 기존에 산업적으로 사용되던 ‘금속결합재와 다이아몬드 분말이 혼합되어 만들어진 소결다이아몬드(PCD)’와는 다르게 순수한 다이아몬드 특성을 100% 가지고 있어 절삭공구분야 및 내마모 분야에서 매우 우수한 특성을 발휘할 수 있다.

이렇게 우수한 특성의 기상화학합성법으로 코팅된 다이아몬드 막을 이용하기 위해서는 무엇보다도 다이아몬드 막이 코팅되는 재료와 다이아몬드 막간에 우수한 접착력(adhesion strength)을 확보하여야 한다. 그런데 근본적으로 Fe, Co, Ni 등과 같이 천이 금속을 기판 재료로 사용해서는 다이아몬드 코팅이 어려우며, 코팅이 이루어지더라도 접착력의 확보는 거의 불가능하다. 왜냐하면 이들 천이 금속은 다이아몬드의 흑연화 촉매로서 다이아몬드가 아닌 흑연이 코팅되기 때문이다.

또 다른 문제점은 다이아몬드 막 자체가 매우 큰 잔류응력을 가지고 있으며, 화학적으로도 안정하여 화학반응을 통해서는 증착되는 재료와의 접착력을 형성하기 어렵다는 점이다. 아울러, 기판재료와의 열팽창계수의 차이로 인하여 다이아몬드 막의 두께가 수 ㎛ 이상만 되더라도 쉽게 기판재료에서 다이아몬드 막이 박리되어 다이아몬드 막의 특성을 이용하는데 문제가 발생한다. 따라서 현재까지 기상화학합성법으로 다이아몬드가 코팅되는 재료로는 초경재료(WC-Co)와 SiC 및 Si₃N₄와 같은 극히 소수의 재료 등에 국한되고 있다.

물론, 이렇게 국한된 재료에서도 다이아몬드 코팅시 접착력에 문제점가 발생하며, 따라서 이러한 문제의 해결을 위해 다양한 방법들이 제안되었다. 예로 초경재료의 경우 미국특허 US,5,585,176호와 US,6,365,230호에서처럼 화학적 에칭방법을 통해 Co를 완전히 제거하고 이후에 고온에서의 열처리를 통해 표면의 입자만을 성장시켜 접착력을 확보하는 것이다.

또 세라믹 소재의 경우에는 초경재료와는 다르게 다이아몬드의 촉매 역할을 하는 천이금속은 없으나 세라믹 자체의 안정성에 기인하여 코팅되는 다이아몬드 막과 우수한 접착력을 얻는 것이 더욱 어렵다. 따라서 세라믹 재료의 경우 미세조직을 변화시켜 다이아몬드와의 접착력을 향상시키려는 노력이 이루어졌다. 미국특허 US 5,334,453호과 한국특허 제290683호에서처럼 세라믹 소재의 표면에 크고 긴 형태의 입자를 형성시켜 코팅되는 다이아몬드 막과의 기계적 엉킴효과(mechanical interlocking)를 증진시켜 접착력을 얻고자 하였다. 즉, SiC나 Si₃N₄ 등의 세라믹 재료는 소결온도를 변화시키면 침상의 입자를 만들 수 있으며 이들 입자를 표면에 노출시켜 다이아몬드 막과 기계적 결합을 증진시켜 접착력을 확보하는 방법이다.

그러나 이러한 방법은 모두 소수의 침상형태의 미세조직을 갖는 재료에 국한되는 한계가 있으며, 번거로운 열처리 공정 및 제어하기 어려운 화학적 에칭등과 같은 복잡한 과정을 필수적으로 필요로 한다. 물론, 이렇게 제어된 미세조직에서도 충분한 접착력의 확보에는 문제가 있는 것으로 여겨진다.

본 발명은 소수의 재료에서 보이는 미세조직의 변화를 이용한 접착력 향상의 한계를 극복하여 일반적인 재료에서도 우수한 접착력을 얻고자 하는데 있으며, 수 ㎛에서 수 mm의 두께를 가지는 두꺼운 다이아몬드 막이 코팅된 소재에서도 기계적 충격을 견디는 충분한 접착력을 가진 다이아몬드 코팅 복합체를 제공하는 것을 목적으로 하며, 동시에 우수한 기계적 특성을 구현하는 공구를 제조하는데 있다. 특히, 다이아몬드가 증착될 재료의 표면을 레이저로 가공하여 원하는 깊이, 길이와 모양을 만들어 이를 통해 우수한 접착력을 얻으며, 아울러, 이러한 가공형상에 의한 코팅된 다이아몬드 막을 피삭재를 연삭하거나 연마하는데 적용하는 공구에 이용함을 목적으로 한다.

기상화학합성법으로 코팅되는 다이아몬드 막에서 우수한 접착력을 얻기 위한 가장 효과적인 방법은, 코팅되는 재료기판의 표면에서 코팅되는 막이 기계적으로 서로 엉켜 떨어질 수 없는 모습의 구조를 형성하게 하는데 있다. 즉, 기계적 엉킴 효과(mechanical interlocking)를 극대화하는 구조를 만들어 주는 것이다. 앞서 언급하였듯이 다이아몬드 코팅 막의 접착력 향상을 위한 선행문헌들에서 제공되는 방법들은 모두 이러한 기계적 엉킴 효과를 최대화하는 방법들이었다.

이러한 기계적 엉킴 효과를 극대화하기 위해 다이아몬드 연삭 휠이나 드릴 등의 기계적인 가공 방법을 이용하여 소재 표면에 여러 모양의 가공 패턴 등을 만 들어 줄 수 있으나, 이러한 기계적인 연삭이나 가공방법으로는 수 ㎛의 크기로 자유롭게 원하는 형태로의 홈이나 요철 등으로 구성된 패터닝(patterning)을 한다는 것은 거의 불가능하며, 경제적으로도 전혀 타당성이 없는 접근방법이다.

본 발명에서는 이러한 기계적 엉킴 효과(mechanical interlocking)를 얻기 위한 방법 및 형상가공을 레이저를 통해 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 다이아몬드가 코팅된 공구를 연삭공구 혹은 연마공구로 이용하기 위해 다이아몬드가 코팅될 소재 표면을 레이저로 가공하여 그 형상을 공구에 적용함을 목적으로 한다.

레이저 가공의 특징은 기존 방식과는 다르게 미세조직이나 성분에 관계없이 다양한 재료위에 원하는 깊이, 길이 및 형태로 표면에 가공 형상을 만들어 줄 수 있다는 점이며, 이를 통해 최적의 접착력을 구현할 수 있으며, 공구의 성능을 최적화할 수 있다는 장점이 있다.

기존의 레이저 가공은 절단이나 제품의 마킹(marking) 등에 국한되어 적용되었다. 그러나 본 발명에서는 이러한 레이저의 국한된 용도에서 발상의 전환을 통해 이종물질 간의 접착력 확보를 위한 표면 미세가공의 방법 및 연삭 그리고 연마공구의 성능향상을 위한 형상 제작에 적용하고 자 한다.

표면가공에 적용되는 레이저는 섬유 레이저(fiber laser), CO₂ 레이저, 엔디야그(Nd-YAG) 레이저, 엑시머(excimer) 레이저, 피코(pico) 레이저, 펨토(femto)초 레이저 등 대부분의 레이저 방식이 적용 가능하나, 다이아몬드가 코팅될 재료에서 원하는 작은 크기와 깊이(예로 수 ㎛ ~ 수백 ㎛)를 가공하는 것에는 경제성 측면 등을 고려하여 주로 제품의 마킹(marking)에 사용되는 fiber laser가 바람직하다. 이 레이저를 이용한 표면가공 방식을 살펴보면 제 1 단계는 선택된 재료위에 원하는 형상을 레이저를 이용하여 홈 및 골을 형성(패터닝)하는 것이고, 제 2 단계에서는 레이저 가공으로 형성된 홈 주위의 불순물을 제거하기 위해 에칭공정을 거치며, 제 3 단계로는 기상화학합성법을 통해 수 ㎛에서 수 mm 두께의 다이아몬드 막을 코팅하여 다이아몬드 막이 코팅된 복합체 또는 연삭 및 연마공구를 얻는다.

물론 이런 방식을 통해 다이아몬드가 코팅된 소재는 그 표면을 경면 연마하여 내마모 특성을 요하는 소재로 적용되며, 다른 한편으로는 레이저로 가공된 패턴에 의해 형성된 거칠 굴곡의 표면 형상을 그대로 적용하여 CMP 패드 컨디서너 등과 같은 연삭공구 혹은 연마공구에 적용된다.

이 때, 다이아몬드의 코팅은 알려진 모든 방식으로 가능한데, 예로, hot filament CVD, microwave PACVD, DC-PACVD 등이 가능하다. 다이아몬드 코팅을 위한 원료 가스는 메탄을 기본으로 수소 및 아르곤 등이 첨가될 수 있으며, 입자 제어를 위해서는 질소 및 산소와 같은 제 3의 원소 가스가 첨가될 수 있다.

본 발명에 따르는 다이아몬드 공구 제조방법은 기판을 준비하는 단계; 상기 기판의 표면을 레이저로 가공하여 홈을 형성하는 단계; 및 상기 홈이 형성된 기판 표면에 다이아몬드 막을 증착하는 단계를 포함하여, 접착력이 우수한 두꺼운 다이아몬드 증착막의 적용이 가능한 것을 특징으로 한다.

나아가 상기 기판에 레이저 가공으로 홈을 형성하는 단계 이후, 상기 기판을 NaOH 용액으로 에칭하여 상기 홈 주위의 불순물을 제거하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한 상기 다이아몬드 막을 증착하는 단계는, hot filament CVD, microwave PACVD, DC-PACVD 중 어느 하나로 이루어질 수 있고, 상기 다이아몬드 막을 증착하는 단계는, 메탄, 수소 또는 아르곤을 원료 가스로 하는 것이 바람직하다.

나아가 상기 다이아몬드 막을 증착하는 단계는, 메탄 3%가 포함된 수소가스를 원료로 필라멘트 온도 2100 ^oC에서 기판의 온도는 900 ^oC로 하여 60 torr의 압력 하에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 기판의 표면을 레이저로 가공하는 단계는 6 내지 20 W, 20 Hz, 2 ms의 노출 조건에서 single mode fiber laser를 이용할 수 있고, 상기 레이저는 섬유 레이저(fiber laser), CO₂ 레이저, 엔디야그(Nd-YAG) 레이저, 엑시머(excimer) 레이저, 피코(pico) 레이저, 펨토(femto)초 레이저 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

나아가 상기 다이아몬드 막은 3㎛ 내지 500㎛, 더 바람직하게는 30㎛ 내지 100 ㎛의 두께로 증착되는 것이 바람직하고, 상기 기판은 SiC, Si₃N₄ 또는 WC-Co(초경재료) 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

또한 상기 기판을 준비하는 단계는: 상압 소결법을 적용하여 소결체를 얻는 단계; 상기 SiC 분말에 부피비 1%의 B₄C를 소결조제로 첨가한 후 볼 밀링 방식으로 혼합하는 단계; 상기 혼합된 분말을 건조하는 단계; 및 상기 건조된 분말을 성형한 뒤, 흑연 발열체의 소결로에서 아르곤 1기압으로 유지하며 2100^oC에서 2시간 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의해 기상화학합성법으로 코팅되는 다이아몬드 막의 응용에 있어서, 그동안 접착력의 문제로 사용에 제약을 받았던 두꺼운 다이아몬드 막의 응용 분야에서 다이아몬드 막의 폭 넓은 적용이 가능하며, 무엇보다도 그동안 각진 형상으로 긴 입자 형태의 미세조직을 가지는 재료에서만 적용이 가능하였던 다이아몬드 코팅 막이 이러한 국한된 제약조건을 해소하여 폭 넓은 영역으로의 응용이 가능해진다.

특히 다이아몬드 입자 자체의 각진 형상을 이용한 연삭 및 절삭공정에 이들 접착력이 우수한 두꺼운 다이아몬드 증착막의 적용이 가능하며, 동시에 열악한 환경조건에서도 적용될 수 있다. 아울러 복잡한 열처리 공정이나 까다로운 에칭공정 없이 일반적인 재료에서도 다이아몬드 막의 사용이 가능해져 기존에 응용이 힘들었던 새로운 분야로의 다이아몬드 코팅 막의 적용 영역을 확대할 수 있다.

아울러, 기존과는 다르게 다이아몬드 막의 코팅이 이루어질 재료의 표면을 레이저를 통한 자유로운 형상 가공하는 것과 이렇게 형성된 형상을 그대로 이용하여 연삭 및 연마공구에 그대로 적용하는 것에 의해 연마 및 연삭공구의 성능향상 뿐만 아니라 레이저의 응용영역을 확대하는 계기가 된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 다이아몬드 공구 및 그 제조방법의 일실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 우수한 접착력을 보이는 다이아몬드 막이 코팅된 다이아몬드 복합재료 및 공구를 얻는데 그 목적이 있다. 레이저 가공법을 이용하여 재료의 표면에 홈 또는 굴곡(요철)을 형성하며 이를 통해 다이아몬드 막의 기계적 결합력을 극대화하고, 아울러 레이저의 출력조절을 통해 표면의 거칠기와 형상 및 깊이 등을 자유롭게 구현할 수 있다.

아울러, 레이저로 가공된 재료 표면형상에 그대로 다이아몬드를 증착하여 연삭 및 연마공구로 적용하게 된다.

이하에서는, 재료의 표면 가공 및 다이아몬드 막의 코팅에 대한 구체적인 방법을 실시 예를 통해 살펴보기로 한다.

실시예 1

다이아몬드 코팅을 위해 SiC 기판을 제작하였다. 상압 소결법을 적용하여 통상의 SiC 소결체를 얻었는데, SiC 분말에 부피비로 약 1%의 B₄C를 소결조제로 첨가하고, 볼 밀링 방식으로 24시간 혼합하였다. 혼합된 분말은 건조 후, 직경이 20 mm 금속몰드를 이용하여 성형하고, 흑연발열체의 소결로에서 불활성 기체인 아르곤(Ar)을 1기압으로 유지하며 2100^oC에서 2시간 소결하여 상대밀도 99%의 소결체를 얻었다. 이렇게 얻어진 SiC 기판을 표면 평탄화를 위해 다이아몬드 연삭 휠을 이용하여 연삭하였다.

이렇게 얻어진 평면의 SiC 기판의 표면에 20 W급 single mode fiber laser를 이용하여 6 W, 20 Hz, 2 ms의 노출 조건으로 0.2 mm의 간격으로 균일한 홈을 형성하였다. 도 1a는 이렇게 레이저로 가공된 SiC 시편에 NaOH 용액으로 에칭을 실시하여 불순물을 제거한 후 관찰한 홈의 미세조직사진이다. SiC 재료의 표면에 규칙적인 조건으로 일정 크기의 홈이 가공조건인 0.2 mm 간격으로 형성된 것을 볼 수 있다. 도 1b는 이들 중 하나의 가공홈을 확대하여 관찰한 것인데, 약 25 ㎛의 크기에 약 20 ㎛ 깊이로 형성된 것을 알 수 있으며, 레이저의 조건에 의해 홈의 깊이방향으로 폭이 줄어들며 원뿔 형태로 가공된 것을 알 수 있다. 물론, 레이저의 출력 변화를 통해 형성되는 홈의 크기와 모양 및 그 깊이를 변화시킬 수 있으며, 이를 통해 코팅되는 다이아몬드 막의 두께에 따른 적절한 결합력 및 가공 형상을 구현할 수 있게 된다.

레이저의 가공 상태를 확인하고 다이아몬드 코팅에 의한 접착력 확인을 위해 평면의 SiC에 도 1과 같은 조건으로 레이저로 가공하였는데, 이 때는 각 가공홈의 간격을 0.1 mm로 줄여 제작하였다. 레이저로 가공되고 에칭이 완료된 SiC 시편은 다이아몬드의 핵생성 밀도를 높이기 위해 다이아몬드 분말이 포함된 에탄올 용액에서 초음파 진동장치에서 10분간 전처리되었다. 전처리 이후 SiC 시편을 세척하고 다이아몬드 코팅을 위해 열필라멘트 CVD 합성장치에 장입하여, 다이아몬드 코팅을 실시하였다. 열필라멘트 CVD 장치에서의 다이아몬드 코팅속도는 약 1 ㎛/h 으로 느리다는 단점이 있으나, 대용량의 시편을 동시에 합성할 수 있는 장점을 가지고 있다. 다이아몬드 코팅 조건은 메탄 3%가 포함된 수소가스를 원료로 필라멘트 온도 2100 ^oC에서 기판의 온도는 900 ^oC로 하여 60 torr의 압력 하에서 실시하였다.

도 2는 레이저 가공된 SiC 시편에 대하여 100 시간동안 다이아몬드를 증착하고 단면을 연마가공하여 얻은 단면 미세조직이다. SiC 소재(10) 위에 약 100 ㎛로 코팅된 다이아몬드 막(30)이 관찰되며, 다이아몬드 막(30)과 세라믹(SiC) 소재(10)의 경계면에 레이저에 의해 형성된 홈(20)들이 확인된다. 이들 홈(20)은 약 20 ㎛의 깊이를 보이는데, 모두 다이아몬드 막(30)이 충진되어 코팅된 것을 확인할 수 있다.

이후 이들 증착 막은 다이아몬드 연삭 휠로 연마공정에 의해 하중이 직접적으로 두꺼운 다이아몬드 증착막에 가해졌음에도 불구하고 그대로 유지된 것으로부터 매우 우수한 접착력이 구현된 것을 알 수 있다. 반면 레이저 가공되지 않은 SiC를 기판으로 100 시간동안 다이아몬드막이 증착된 시편의 경우 연마를 시도할 경우, 다이아몬드 휠의 연석 하중에 의해 다이아몬드 증착 막이 쉽게 기판으로부터 박리되어 매우 약한 접착력을 보였다.

한편, 정량적 접착력 평가를 위해 동일한 조건으로 레이저 가공된 SiC 기판위에 약 30 ㎛ 두께로 다이아몬드 막을 증착하고 증착된 이들 막에 대해 로크웰 경도기를 이용하여 60 kg의 하중으로 접착력을 평가해 보았다. 도 3은 그 미세조직으로, 압흔된 주위에 로크웰 다이아몬드 콘에 의해 압흔된 콘 끝부분의 흔적(40)만 관찰될 뿐 다이아몬드 증착막의 박리가 억제된 것을 확인할 수 있다.

반면, 레이저로 가공되지 않은 SiC 시편에 15 시간동안 다이아몬드 막을 증 착하여 약 15 ㎛의 얇은 다이아몬드 막이 증착된 시편의 경우에는 도 4에 나타난 바와 같이 60 kg의 하중에 의해 압흔된 지점(40) 주위의 모든 다이아몬드 막이 쉽게 박리된 것을 확인할 수 있었다. 이로부터, 세라믹 재료의 표면 레이저 가공에 의해 접착력 효과가 매우 큰 것을 확인할 수 있다.

실시예2 .

실시예 2는 레이저로 가공된 기판의 형상을 그대로 이용하여 연삭 및 연마 공구로 작용하는 예이다. 실시예 2는 실시예 1과 전과정이 동일하다. 즉, 준비된 SiC 기판을 레이저로 가공하고, 전처리 후 30 ㎛의 두께로 다이아몬드를 코팅한다.

도 5a 는 이렇게 하여 얻어진 미세조직을 보여준다. 레이저로 가공된 홈 주위에 일정 높이의 균일한 다이아몬드 막이 가공홈의 크기에 맞추어 돌출(50)된 것을 확인할 수 있다. 도 5b는 이러한 가공홈의 하나를 확대한 미세조직인데, 점선의 원으로 표시한 것과 같이 레이저 가공 홈 크기에 맞추어 약 3-5 ㎛의 높이로 홈 주위에 다이아몬드 막이 돌출되었다. 이러한 현상은 레이저 가공시 레이저 빔을 맞은 홈의 주위에 순간적으로 돌출되어 용해되는 가공 현상에 의한 것도 1b에서 가공홈 주위의 밝은 영역으로, 이러한 현상을 이용하면 균일하게 돌출된 입자들에 의해서 피삭재의 평면을 연삭하고 가공하는 공정에서 이들 미세조직이 매우 효율적이며 유용하게 적용될 수 있다. 즉, 홈의 주위를 따라 돌출되어 성장된 다이아몬드 입자가 가지는 날카로운 결정면에 따른 거칠기로 다른 재료의 연삭 및 연마 공정에 적용되는 공구로서 우수한 기계적 물성을 보여주게 되며, 돌출된 홈 주위의 공간과 홈 내부의 공간을 통해서는 연삭된 피삭재의 찌꺼기들이 손쉽게 밖으로 배출되는 효과를 얻을 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명에 의해 레이저로 가공된 형상에 그대로 다이아몬드 막을 증착하여 연삭 및 연마공구로 제작하여 적용 가능하게 된다. 특히, 이러한 공구의 형상은 반도체 웨이퍼의 평탄화 공정에 적용되는 CMP 패드 컨디셔너 공구로 활용되는 매우 큰 장점을 가진다.

도 6a 및 6b는 실시예 2의 결과를 좀더 자세히 설명하기 위해 그 과정을 도식적으로 표현한 것이다. 도 6a는 SiC 기판(10)에 레이저 가공으로 인해 홈(60)이 형성되며, 동시에 홈(60) 주위에는 레이저 가공에 의한 부산물로 돌출부(70) 영역이 형성된다. 이후 도 6b와 같이 다이아몬드 코팅에 의해 SiC 기판(10)에는 균일한 다이아몬드 코팅막(80)이 형성되지만, 레이저 가공에 의한 돌출부(70)에도 균일한 다이아몬드 코팅막이 형성되면서, 결과적으로는 SiC 기판에 균일한 크기와 균일한 모양의 도출되는 다이아몬드 막(90)이 형성된다. 이들 돌출된 다이아몬드 영역(90)은 연삭 및 연마공정에 적용된다. 결론적으로 레이저 홈(60)에 의해 형성된 기판상의 형상이 코팅된 다이아몬드 막의 접착력을 대폭 향상시킬 뿐만 아니라, 다이아몬드 코팅막의 돌출된 형상(90)에 의해 연삭 및 연마 공정을 위한 공구로 매우 효과적이며 독특한 특징을 갖게 된다.

실시예 3.

소결하여 얻어진 SiC 기판에 20 W급 single mode fiber laser를 이용하여 20 W, 20 Hz, 2 ms의 노출 조건으로 0.1 mm의 간격으로 가공을 실시하였다. 도 7은 이렇게 가공된 SiC 기판재료 표면의 미세조직이다. 도 1에서와는 다르게 홈(dimple)의 크기가 매우 깊고 큰 것을 알 수 있다. 이로부터 레이저 출력의 변화를 통해 크기 및 형태 변화가 용이함을 알 수 있다.

이렇게 가공된 시편을 NaOH 용액에서 10분간 에칭을 실시하여 불순물을 제거하고, 다이아몬드 분말이 포함된 에탄올 용액에서 초음파 진동장치에서 10분간 전처리를 실시하였다. 전처리 후 세척하고 다이아몬드 코팅을 위해 열필라멘트 CVD 합성장치에 장입하여, 15시간 동안 다이아몬드 코팅을 실시하였다. 다이아몬드 코팅 조건은 메탄 3%가 포함된 수소가스를 원료로 필라멘트 온도 2100 ^oC에서 기판의 온도는 900 °C로 하여 60 torr의 압력 하에서 실시하였다.

도 8은 다이아몬드 막이 코팅된 미세조직을 보여주는데, 많은 균일한 가공 홈 중의 하나를 확대 관찰한 것으로 레이저에 의해 형성된 가공 홈을 따라 다이아몬드 막이 균일하게 코팅되어 있으며, 이렇게 형성된 홈에 의해 기계적 엉킴 효과로 인하여 우수한 접착력을 보일 뿐만 아니라 형성된 홈에 의해 연삭 및 연마 공정시 연삭 찌꺼기의 배출 및 제거가 용이해져 이들 미세조직은 연삭 효율을 대폭 향상시키게 된다. 즉, 이러한 가공 및 코팅 현상을 이용하여 다양한 형상으로 레이저 가공모양을 만들어 연삭 및 연마 공정에 이들 두꺼운 다이아몬드 코팅 막을 적용할 수 있게 된다.

지금까지 설명한 본 발명의 실시예에서는 레이저에 의해 가공된 홈이 (평면도 상에서 보았을 때) 서로 독립된 여러 개의 원형 홈으로만 기술되었으나, 이 원형 홈이 서로 라인(line) 형상으로 연속된 패턴 즉, 골(valley) 형상의 패턴으로 형성하는 것도 가능하다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정하는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한 다양하게 수정 및 변형을 할 수 있음은 당업자에게 자명하다고 할 수 있는 바, 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속하는 것이다.

도 1a 및 도 1b는 레이저 가공 후 SiC 소재의 표면을 촬영한 미세조직사진;

도 2는 도 1a 및 1b의 소재에 다이아몬드 막을 100㎛ 증착 후 촬영한 사진;

도 3은 도 2의 소재에 압흔이 가해진 후 촬영한 사진;

도 4는 레이저 가공이 되지 않은 채 다이아몬드 막이 증착된 SiC 소재에 압흔이 가해진 후 촬영한 사진;

도 5a 및 5b는 도 1의 소재에 다이아몬드 막을 30㎛ 증착 후 촬영한 사진;

도 6a 및 6b는 SiC 소재 표면에 형성된 홈을 개략적으로 도시한 도면;

도 7은 SiC 소재 표면을 레이저로 가공한 후 촬영한 사진; 그리고,

도 8은 도 7의 소재에 다이아몬드 막을 15㎛ 증착 후 촬영한 사진이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : SiC 소재 20 : 홈

30 : 다이아몬드 막 60 : 홈

70 : 돌출부 80 : 다이아몬드 막

Claims (13)

1. 기판을 준비하는 단계;

   상기 기판의 표면을 레이저로 가공하여 홈을 형성하는 단계; 및

   상기 홈이 형성된 기판 표면에 다이아몬드 막을 증착하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 기판에 레이저 가공으로 홈을 형성하는 단계 이후,

   상기 기판을 NaOH 용액으로 에칭하여 상기 홈 주위의 불순물을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구 제조방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 다이아몬드 막을 증착하는 단계는, hot filament CVD, microwave PACVD, DC-PACVD 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구 제조방법.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 다이아몬드 막을 증착하는 단계는, 메탄, 수소 또는 아르곤을 원료 가스로 하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구 제조방법.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 다이아몬드 막을 증착하는 단계는, 메탄 3%가 포함된 수소가스를 원료로 필라멘트 온도 2100 ^oC에서 기판의 온도는 900 ^oC로 하여 60 torr의 압력 하에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구 제조방법.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 기판의 표면을 레이저로 가공하는 단계는 6 내지 20 W, 20 Hz, 2 ms의 노출 조건에서 single mode fiber laser를 이용하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구 제조방법.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 레이저는 섬유 레이저(fiber laser), CO₂ 레이저, 엔디야그(Nd-YAG) 레이저, 엑시머(excimer) 레이저, 피코(pico) 레이저, 펨토(femto)초 레이저 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구 제조방법.
8. 청구항 1에 있어서,

   상기 다이아몬드 막은 3㎛ 내지 500 ㎛의 두께로 증착되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구 제조방법.
9. 청구항 8에 있어서,

   상기 다이아몬드 막은 30㎛ 내지 100 ㎛의 두께로 증착되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구 제조방법.
10. 청구항 1에 있어서,

    상기 기판은 SiC, Si₃N₄ 또는 WC-Co(초경재료) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구 제조방법.
11. 청구항 1에 있어서,

    상기 기판을 준비하는 단계는:

    상압 소결법을 적용하여 소결체를 얻는 단계;

    상기 SiC 분말에 부피비 1%의 B₄C를 소결조제로 첨가한 후 볼 밀링 방식으로 혼합하는 단계;

    상기 혼합된 분말을 건조하는 단계; 및

    상기 건조된 분말을 성형한 뒤, 흑연 발열체의 소결로에서 아르곤 1기압으로 유지하며 2100^oC에서 2시간 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구 제조방법.
12. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항의 제조방법에 따라 제조된 다이아몬드 공구.
13. 소정 깊이의 홈이 형성된 기판; 및

    상기 기판 상에 증착된 다이아몬드 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구.

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