KR20140077350A

KR20140077350A - Ｔｅｍ시편 제조방법

Info

Publication number: KR20140077350A
Application number: KR1020120146047A
Authority: KR
Inventors: 이재욱
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2014-06-24
Also published as: KR101481235B1

Abstract

파이렉스에 시편을 고정하고 트라이포드 폴리셔에 장착하는 장착단계; 시편의 일면을 경면으로 가공하는 기본가공단계; 상기 시편의 일면에 더미TEM그리드를 부착하고 시편의 타면이 외측을 향하도록 더미TEM그리드를 파이렉스에 고정하는 고정단계; 상기 트라이포드 폴리셔의 각도를 조정하여 시편의 타면을 경사지게 가공하는 본가공단계; 및 상기 시편의 타면에 실TEM그리드를 부착하고 더미TEM그리드를 제거하는 제거단계;를 포함하는 TEM시편 제조방법이 소개된다.

Description

ＴＥＭ시편 제조방법 {METHOD FOR PRODUCING TEM SPECIMEN}

본 발명은 NdFeB계 소결자석의 상세 미세구조 분석을 위한 최적의 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM)의 TEM시편 제조방법에 관한 것이다.

NdFeB계 영구자석은 현재 상용화된 자석들 중 Sm-Co나 페라이트(Ferrite)계 자석에 비해 가장 큰 자력에너지를 가지고 있으며 앞으로 하이브리드 차량 및 전기차 모터의 핵심 소재로 각광을 받고 있다. 특히 Nd는 희토류 귀금속으로 NdFeB계 영구자석의 핵심 원소로 고가일 뿐만 아니라 최근 중국의 자원전쟁화로 더욱 중요성이 강조되고 있다.

현재 상용화된 NdFeB계 영구자석은 통상적으로 소결법으로 제조되는데 그 제작 과정은 크게 밀링(milling), 소결(sintering), 자화(magnetizing) 과정을 거치게 된다.

이상적인 NdFeB계 소결 자석의 경우 결정입계 (grain boundary)에 Nd가 존재하고 동일한 조성의 동일한 결정 크기를 가지는 결정립들은 모두 동일한 방향으로 자화되게 된다.

그에 비해 실제로 제조되는 NdFeB계 소결 자석의 경우 결정립들의 조성과 크기가 다를 뿐만 아니라 자화 방향도 서로 다르게 분포하게 된다. 그뿐만 아니라 결정입계에는 Nd 외에 Nd의 산화물인 NdO2, 기공(pore) 등이 존재하게 된다.

따라서 실제로 제조되는 NdFeB계 소결 자석은 이상적인 경우에 비해 자력 특성이 떨어지게 되며 최종적으로 제품의 성능에 나쁜 영향을 미치게 되므로 최대한 이상적인 구조에 가깝게 제조되어야 한다.

본 발명은 이러한 NdFeB계 소결자석의 상세 미세구조(형상, 결정상, 자구구조 등) 분석을 위한 최적의 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM) 시편 제작(시편 두께 100 nm이하)을 목적으로 하고 있다.

일반적으로 널리 알려진 종래의 투과전자현미경 시편 제작법으로는 NdFeB계 소결자석의 투과전자현미경 시편 제작이 쉽지 않다.

먼저 ion miller를 이용한 TEM 시편제작의 경우 NdFeB 소결자석을 약 10 ㎛까지 기계 연마하는 것이 쉽지 않을 뿐만 아니라 이 두께가 두꺼워 질수록 Ar+ ion을 이용한 ion milling 시간이 기하급수적으로 늘어나게 된다. 이 경우 Ar+ ion에 의한 시편 손상이 발생하고 또한 NdFeB 소결자석의 경우 ion milling 시에 결정입계 부분이 결정립보다 강도가 약해서 먼저 milling이 되기 때문에 전체적으로 투과전자현미경 관찰이 가능한 얇은 영역을 가지는 시편 제작이 쉽지 않다.

다음으로, 비교적 쉽고 빠르게 투과전자현미경 시편 제작이 가능한 집속이온빔(Focused Ion Beam, FIB)의 경우 시편 제작 단가가 개당 40만원 정도로 비쌀 뿐만 아니라 시편 제작시에 발생하는 NdFeB 자석 분말이 장비를 오염시킬 수 있고 최악의 경우 장비 성능을 저하시켜 장비를 망가뜨릴 수 있기에 이 방법은 NdFeB계 소결자석의 투과전자현미경 시편제작법으로는 적합하지 않다.

종래의 KR10-2011-0123007 A "투과 전자 현미경용 시편 제조 방법"은 "투과 전자 현미경용 시편 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 방법에서는 시편 표면의 분석 부위를 집속 이온빔의 방향에 수직으로 놓은 상태에서 상기 집속 이온빔을 이용하여 상기 분석 부위가 포함된 시편의 양쪽 영역 시편를 제거함으로써 상기 시편의 양 측면을 형성한다. 상기 집속 이온빔의 방향에 대해 상기 시편의 양 측면을 차례로 기울여서 상기 시편의 양 측면을 상기 집속 이온빔으로 제거한다. 상기 시편과 상기 시편의 연결 부위 중 일부를 제거한 다음, 리프팅 시스템의 탐침 끝단을 상기 시편에 부착하고 상기 시편과 상기 시편의 연결 부위 전부를 제거하여 상기 시편로부터 상기 시편을 분리한다. 상기 시편을 그리드에 부착한 후 상기 시편의 양 측면을 상기 집속 이온빔으로 제거하여 상기 시편 두께가 200nm 이하가 되도록 한다. 상기 집속 이온빔의 가속전압을 낮추어서 상기 시편의 양 측면의 비정질 영역을 제거한다."를 제시한다.

그러나 상기와 같은 기술에 의할 경우 가격과 시간이 많이 소요되며 장비의 오염을 피할 수 없다는 단점이 있다.

한편, 종래의 KR10-2006-0070959 A "수평 조절이 가능한 트라이포드 폴리셔"는 "트라이포드 폴리셔를 설치한 바닥면의 수평상태를 확인하기 위하여, 플레이트와, 상기 플레이트의 상부에 설치되는 3개 이상의 마이크로미터와, 상기 마이크로미터와 일체로 연결되고 상기 플레이트 하부에 형성되어 상기 마이크로미터에 의해 길이가 변화하는 지지편과, 상기 플레이트 상면에 3개 이상의 수평계를 포함하는 수평레벨장치."를 제시한다.

본 발명은 이러한 트라이포드 폴리셔를 이용하여 비교적 쉽고 빠르게 정밀한 TEM시편을 제작하는데 그 목적이 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR

10-2011-0123007

A

KR

10-2006-0070959

A

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, NdFeB계 소결자석의 상세 미세구조 분석을 위한 최적의 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM)의 TEM시편 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 TEM시편 제조방법은, 파이렉스에 시편을 고정하고 트라이포드 폴리셔에 장착하는 장착단계; 시편의 일면을 경면으로 가공하는 기본가공단계; 상기 시편의 일면에 더미TEM그리드를 부착하고 시편의 타면이 외측을 향하도록 더미TEM그리드를 파이렉스에 고정하는 고정단계; 상기 트라이포드 폴리셔의 각도를 조정하여 시편의 타면을 경사지게 가공하는 본가공단계; 및 상기 시편의 타면에 실TEM그리드를 부착하고 더미TEM그리드를 제거하는 제거단계;를 포함한다.

상기 장착단계는 시편을 왁스를 이용하여 파이렉스에 고정할 수 있다.

상기 기본가공단계는 다이아몬드 래핑필름을 이용하여 단계적으로 연마할 수 있다.

상기 더미TEM그리드는 중앙에 미세홀이 형성되고, 상기 고정단계는 시편의 일면이 미세홀을 가리도록 부착할 수 있다.

상기 고정단계는 왁스를 이용하여 더미TEM그리드가 잠기도록 함으로써 더미TEM그리드와 시편을 함께 파이렉스에 고정할 수 있다.

상기 본가공단계는 시편의 타면을 경사지게 가공하여 시편의 일면과 타면이 뾰족한 모서리를 형성하도록 할 수 있다.

상기 실TEM그리드는 중앙에 관찰홀이 형성되고, 상기 제거단계는 실TEM그리드의 일측을 시편의 타면 중 경사지지 않은 부분에 부착함으로써 시편의 경사진 타면이 관찰홀에 위치되도록 할 수 있다.

상기 제거단계는 실TEM그리드를 에폭시로 시편에 부착한 후 왁스용해액에 담가 더미TEM그리드를 제거할 수 있다.

상기 시편은 NdFeB계 소결자석일 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 TEM시편 제조방법에 따르면, 일반적인 ion miller를 이용한 TEM 시편제작법 대비 ion milling 시간을 획기적으로 줄일 수 있으며, 따라서 Ar+ ion beam에 의한 시편 손상이 없다.

또한, 고가의 ion miller 장비 없이도 투과전자현미경 시편 제작이 가능하다는 장점이 있다.

그리고, Ion milling 시의 단점인 시편 강도에 따른 시편 milling rate 차이를 없앨 수 있어서 비교적 동일한 두께의 TEM 시편 제작이 가능하다. 특히 NdFeB계 소결자석의 경우 결정입계만 먼저 얇아지는 현상을 피할 수 있어서 결정립과 결정입계 모두 투과전자현미경 관찰이 가능한 장점이 있다.

그리고, 집속이온빔(FIB) 대비 시편제작 비용이 훨씬 저렴하며 FIB로 시편을 제작할 경우 발생할 수 있는 고가의 FIB 장비 손상 문제가 없다.

또한, 더미TEM그리드의 사용으로 인하여 시편의 깎임 정도를 쉽게 확인할 수 있게 하였으며, 실TEM그리드를 사용함으로써 최종적으로 시편 부착 용이성을 향상시킬 수 있다.

도 1 내지 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 TEM시편 제조방법의 제조과정을 나타낸 도면.
도 7 내지 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 TEM시편 제조방법의 효과를 설명하기 위한 도면.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 TEM시편 제조방법에 대하여 살펴본다.

도 1 내지 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 TEM시편 제조방법의 제조과정을 나타낸 도면이고, 도 7 내지 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 TEM시편 제조방법의 효과를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 TEM시편 제조방법은, ion miller를 이용한 TEM 시편제작법 대비 ion milling 시간을 획기적으로 줄일 수 있으며, Ar+ ion beam에 의한 시편 손상이 없도록 하는 것이다.

이를 위한 본 발명에 따른 TEM시편 제조방법은, 파이렉스(300)에 시편(100)을 고정하고 트라이포드 폴리셔에 장착하는 장착단계; 시편(100)의 일면(110)을 경면으로 가공하는 기본가공단계; 상기 시편(100)의 일면(110)에 더미TEM그리드(200)를 부착하고 시편(100)의 타면(120)이 외측을 향하도록 더미TEM그리드(200)를 파이렉스(300)에 고정하는 고정단계; 상기 트라이포드 폴리셔의 각도를 조정하여 시편(100)의 타면(120)을 경사지게 가공하는 본가공단계; 및 상기 시편(100)의 타면(120)에 실TEM그리드(400)를 부착하고 더미TEM그리드(200)를 제거하는 제거단계;를 포함한다.

먼저, 파이렉스(300)에 시편(100)을 고정하고 트라이포드 폴리셔에 장착하는 장착단계를 수행한다. 파이렉스(PYREX)는 1916년에 미국의 코닝사(社)에서 발표한 붕규산유리(硼硅酸硫璃)에 붙여진 상품명으로서, 이 유리는 내열충격성이 우수하고 화학적 내구성이 뛰어나며, 이화학용 용기나 관, 내열조리기구에 널리 사용된다. 본 발명에서는 시편을 고정하고 이를 트라이포드 폴리셔에 장착하여 시편(100)과 함께 연마하는 것으로서, 시편(100)을 고정하는 역할을 수행한다.

그 후 시편(100)의 일면을 경면으로 가공하는 기본가공단계를 수행한다.

구체적으로, NdFeB계 소결자석을 대략 2mm×1mm의 직사각형 형태로 자른 후 크리스탈 왁스(320)를 이용하여 파이렉스(300)에 지지시킨다. 시편이 부착된 파이렉스(300)를 트라이포드 폴리셔에 고정 후 트라이포드 폴리셔의 3개의 발 높이를 동일하게 하여 먼저 시편(100)의 일면을 15 ㎛, 6 ㎛, 1 ㎛ 순으로 다이아몬드 래핑필름을 이용하여 기계 연마함으로써 경면(mirror plane)을 만든다.

그리고, 도 1과 같이 상기 시편(100)의 일면에 더미TEM그리드(200)를 부착하고 도 2와 같이 시편의 타면(120)이 외측을 향하도록 더미TEM그리드(200)를 파이렉스(300)에 고정하는 고정단계를 수행한다. 상기 더미TEM그리드(200)는 중앙에 미세홀(100㎛ hole)이 형성되고, 상기 고정단계는 시편의 일면이 미세홀(220)을 가리도록 부착할 수 있다.

그리고 상기 고정단계는 왁스(320)를 이용하여 더미TEM그리드(200)가 잠기도록 함으로써 더미TEM그리드(200)와 시편(100)을 함께 파이렉스(300)에 고정할 수 있다.

그 후 상기 트라이포드 폴리셔의 각도를 조정하여 시편(100)의 타면(120)을 경사지게 가공하는 본가공단계를 수행한다. 이를 통해 도 3과 같이 시편(100)의 일면(110)은 경면을 이루고 시편(100)의 타면(120)은 기울어진 경면을 이루도록 한다.

이에 따라 상기 본가공단계는 시편(100)의 타면(120)을 경사지게 가공하여 시편(100)의 일면(110)과 타면(120)이 뾰족한 모서리를 형성하도록 할 수 있다. 도 3은 그러한 시편(100)의 형상을 나타낸 것이고, 도 4는 더미TEM그리드와 함께 시편이 연마되는 것을 나타낸 것으로서, 이때 더미TEM그리드(200) 역시 함께 연마되는 것이고, 연마의 정도는 더미TEM그리드(200)의 깎임 정도와 미세홀(220)을 통한 관찰로써 조절하는 것이다.

즉, 쐐기 타입으로 시편(100) 연마시에 더비TEM그리드(200)가 갈리는 방향 및 정도를 보고 시편(100)이 손상되지 않도록 트라이포드 폴리셔의 뒤쪽 발 2개의 높이를 조정한다.

구체적으로, 파이렉스(300)위에 더미(DUMMY)TEM그리드(200)를 놓고 연마면(경면)인 일면이 아래로 향하도록 시편를 다시 크리스탈 왁스(320)를 이용하여 파이렉스(300)에 지지시킨다. 그리고 준비된 파이렉스(300)를 트라이포드 폴리셔에 고정한 후 최종적으로 쐐기(wedge) 형태의 TEM 시편(100)이 제작될 수 있도록 트라이포드 폴리셔의 뒤쪽 발 2개의 높이를 조정한다. 이 상태에서 다시 15 ㎛, 6 ㎛, 1 ㎛, 0.5 ㎛, 연마천 순서로 기계연마하여 시편(100)의 두께가 최종적으로 3 ㎛ 이하가 되도록 만든다. 필요에 따라서는 0.5 ㎛ 래핑필름 및 연마천은 생략하는 것도 가능하다.

그 후에는 상기 시편(100)의 타면(120)에 실TEM그리드(400)를 부착하고 더미TEM그리드(200)를 제거하는 제거단계를 수행한다. 이를 통해 기계적 가공을 통하여 시편을 완성하는 것이다.

여기서, 상기 실TEM그리드(400)는 중앙에 관찰홀(420)이 형성되고, 상기 제거단계는 실TEM그리드(400)의 일측을 시편(100)의 타면(120) 중 경사지지 않은 부분에 부착함으로써 시편(100)의 경사진 타면(120)이 관찰홀(420)에 위치되도록 할 수 있다. 도 5는 이러한 실TEM그리드를 장착하는 과정을 나타내고, 도 6은 더미TEM그리드를 제거한 후 실TEM그리드와 시편이 결합된 상태를 나타난 도면이다. 실TEM그리드의 관찰홀을 통하여 TEM장비에서 시편의 관측이 가능한 것이다.

그리고 상기 제거단계는 실TEM그리드(400)를 에폭시(430)로 시편(100)에 부착한 후 왁스용해액에 담가 더미TEM그리드(200)를 제거할 수 있다.

한편, 상기 시편은 NdFeB계 소결자석일 수 있다.

구체적으로, 우선 에폭시(430)를 이용하여 시편에 실TEM그리드(관찰홀은 1500㎛ hole)를 부착한다. 에폭시(430)가 굳으면 아세톤에 시편을 담궈서 크리스탈 왁스(320)를 녹여 더미TEM그리드(200)를 제거한다.

추후, 이온밀러(Ion miller)를 이용하여 시편의 최종 두께가 100 nm 이하가 되도록 만드는 것도 가능하다. 이와 같은 방법으로 TEM 시편을 만들 경우 이론적으로는 기계연마만으로도 TEM 샘플 제작이 가능하며 이온밀러를 이용하더라도 잠깐의 후공정의 개념인바, 가공 시간을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 7 내지 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 TEM시편 제조방법의 효과를 설명하기 위한 도면으로서, 도 7은 트라이포드 폴리셔를 이용하여 만든 TEM 시편을 나타낸다. 이는 트라이포드 폴리셔를 이용하여 투과전자현미경 시편을 제작한 사진으로서, 기계연마만으로 혹은 기계연마 후 매우 짧은 시간의 이온밀링 만으로도 100 nm 이하의 두께를 가지는 TEM 시편을 만들 수 있다. 시편 두께가 충분히 얇아지면 도면에서 보다시피 무지개 빛의 프린지가 관찰된다.

한편, 도 8은 NdFeB계 소결자석의 TEM 결과로서, 트라이포드 폴리셔를 이용하여 TEM 시편을 제작하고 실제로 투과전자현미경을 이용하여 시편를 관찰한 사진이다. 명시야상을 통해 결정립 형상을 명확히 확인할 수 있고 회절패턴 분석을 통해 결정립의 결정상(Nd2Fe14B)을 확인할 수 있다. 또한 시편 두께가 충분히 얇아서 원자 배열을 직접 눈으로 확인할 수 있는 고분해능상을 얻을 수 있었으며 자석의 물성과 연관된 자구구조도 관찰가능하였다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

100 : 시편 200 : 더미TEM그리드
220 : 미세홀 300 : 파이렉스
320 : 왁스 400 : 실TEM그리드
420 : 관찰홀

Claims

파이렉스에 시편을 고정하고 트라이포드 폴리셔에 장착하는 장착단계;
시편의 일면을 경면으로 가공하는 기본가공단계;
상기 시편의 일면에 더미TEM그리드를 부착하고 시편의 타면이 외측을 향하도록 더미TEM그리드를 파이렉스에 고정하는 고정단계;
상기 트라이포드 폴리셔의 각도를 조정하여 시편의 타면을 경사지게 가공하는 본가공단계; 및
상기 시편의 타면에 실TEM그리드를 부착하고 더미TEM그리드를 제거하는 제거단계;를 포함하는 TEM시편 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 장착단계는 시편을 왁스를 이용하여 파이렉스에 고정하는 것을 특징으로 하는 TEM시편 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 기본가공단계는 다이아몬드 래핑필름을 이용하여 단계적으로 연마하는 것을 특징으로 하는 TEM시편 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 더미TEM그리드는 중앙에 미세홀이 형성되고, 상기 고정단계는 시편의 일면이 미세홀을 가리도록 부착하는 것을 특징으로 하는 TEM시편 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 고정단계는 왁스를 이용하여 더미TEM그리드가 잠기도록 함으로써 더미TEM그리드와 시편을 함께 파이렉스에 고정하는 것을 특징으로 하는 TEM시편 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 본가공단계는 시편의 타면을 경사지게 가공하여 시편의 일면과 타면이 뾰족한 모서리를 형성하도록 하는 것을 특징으로 하는 TEM시편 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 실TEM그리드는 중앙에 관찰홀이 형성되고, 상기 제거단계는 실TEM그리드의 일측을 시편의 타면 중 경사지지 않은 부분에 부착함으로써 시편의 경사진 타면이 관찰홀에 위치되도록 하는 것을 특징으로 하는 TEM시편 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제거단계는 실TEM그리드를 에폭시로 시편에 부착한 후 왁스용해액에 담가 더미TEM그리드를 제거하는 것을 특징으로 하는 TEM시편 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 시편은 NdFeB계 소결자석인 것을 특징으로 하는 TEM시편 제조방법.