KR20160142395A - 레이저-침출된 다결정질 다이아몬드 및 레이저-침출 방법들 및 디바이스들 - Google Patents

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퀴 리앙
윌리엄 브라이언 앳킨스
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핼리버튼 에너지 서비시즈 인코퍼레이티드
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Abstract

본 발명은 다결정질 다이아몬드(PCD)를 레이저-침출하는 방법, 그러한 방법들을 수행하기 위한 디바이스들, 및 레이저-침출된 PCD 및 레이저-침출된 PCD를 함유하는 소자들 및 드릴 비트들에 관한 것이다.

Description

레이저-침출된 다결정질 다이아몬드 및 레이저-침출 방법들 및 디바이스들{LASER-LEACHED POLYCRYSTALLINE DIAMOND AND LASER-LEACHING METHODS AND DEVICES}
본 발명은 레이저-침출된 다결정질 다이아몬드(PCD; polycrystalline diamond), 그러한 레이저-침출된 PCD를 함유하는 소자들 및 드릴 비트들, 레이저-침출 PCD의 방법들 및 그러한 방법들을 수행하기 위한 디바이스들에 관한 것이다.
통상적으로 유지 추출 또는 채광을 위한 어스 드릴링(earth drilling) 동안 극한 온도 및 압력이 직면된다. 타의 추종을 불허하는 기계적 속성들을 갖는, 다이아몬드는, 어스 드릴링용 절단 소자 또는 내-마모성 접촉 소자에 적절하게 사용될 때 가장 효율적인 물질일 수 있다. 다이아몬드는 특히 단단하고, 마모면과의 접촉점에서 떨어져 열을 전도하며, 이러한 조건들에서 다른 이점들을 제공할 수 있다.
다결정질 형태의 다이아몬드는 다이아몬드 결정들의 불규칙 분포로 인해 단일-결정 다이아몬드와 비교해서 강인성을 더하며, 이는 단일-결정 다이아몬드에서 발견되는 특정한 벽개면들을 방지한다. 따라서, 다결정질 다이아몬드(PCD)가 많은 드릴링 애플리케이션들에서 다이아몬드의 흔한 바람직한 형태이다. PCD를 이용하는 드릴 비트 절단 소자는 통상적으로 다결정질 다이아몬드 커터(PDC; polycrystalline diamond cutter)로서 지칭된다. 따라서, PCD 절단 소자들을 포함하는 드릴 비트는 PDC 비트로서 지칭될 수 있다.
PCD 소자들은 다이아몬드의 소립들 및 다른 시재료들을 극히 높은 압력 및 온도 조건들에 처하게 함으로써 프레스에서 제조될 수 있다. 하나의 PCD 제조 방법은 기판, 이를테면 텅스텐 카바이드 기판 바로 위에 PCD 테이블을 형성하는 단계를 수반한다. 방법은 기판을, 촉매와 혼합된 헐거운 다이아몬드 입자들과 함께, 용기에 배치하는 단계를 수반한다. 그 다음 용기는 압력 전달 셀에 배치되고 고-온, 고-압(HTHP) 프레스 사이클에 놓인다. 높은 온도 및 압력 및 촉매는 다이아몬드 소립들이 기판에 친밀하게 결합되는 통합 PCD 테이블로 형성하게 한다. 그러나, PCD의 사용 이전에 촉매를 제거하는 것이 유용한데, 이는 촉매의 속성들이 많은 애플리케이션, 이를테면 드릴링에 부정적인 효과를 미치기 때문이다. 그에 따라, PCD가 PCD의 전부 또는 부분에서 촉매 결합제를 제거하기 위해 침출될 수 있다. 촉매의 부분이 제거된 PCD는 침출된 PCD로서 지칭된다. 실질적으로 모든 촉매가 침출된 PCD는 내열성 다결정질 다이아몬드(TSP; thermally stable polycrystalline diamond)로서 지칭된다.
본 실시예들 및 이의 이점들의 보다 완전한 이해가 첨부한 도면들과 함께 취해지는 다음 설명을 참조함으로써 획득될 수 있으며, 첨부한 도면들은 본 발명의 특정한 실시예들을 도시하며, 여기서 같은 부호들은 유사한 구성요소들을 나타내고, 여기서:
도 1은 레이저-침출 방법을 예시한다;
도 2는 레이저-침출 동안의 촉매 농도 구배를 예시한다;
도 3은 액체 용액에 침지하기 전 레이저-침출된 PCD를 예시한다;
도 4는 액체 용액에 침지한 후 레이저-침출된 PCD 또는 도 3을 예시한다;
도 5는 다른 레이저-침출 방법을 예시한다;
도 6은 레이저-침출용 디바이스를 예시한다; 그리고
도 7a는 조작된 침출 경계를 갖는 예시적인 PCD를 예시한다; 그리고
도 7b는 대안적인 조작된 침출 경계를 갖는 예시적인 PCD를 예시한다.
본 발명은 레이저-침출된 PCD 및 그것을 함유하는 소자들 및 드릴 비트들뿐만 아니라 레이저-침출 방법들 및 그러한 방법들을 수행하기 위한 디바이스들에 관한 것이다. 레이저-침출은 일반적으로 적어도 일정 촉매가 PCD에서 제거되도록, 레이저를 사용하여 촉매를 함유하는 PCD를 가열하는 것을 수반한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 촉매는 레이저-침출을 사용하여 PCD에서 선택적으로 제거된다. 먼저, 단계(10)에서 촉매 함유 PCD가 액체 용액에 배치된다. 다음, 단계(20)에서, PCD의 부분이 PCD에서 적어도 하나의 촉매의 이동을 가능하게 하기에 충분한 온도로 레이저에 의해 조명된다. 일 실시예에서, 이러한 온도는 적어도 하나의 촉매의 용융점을 초과할 수 있다. 그러나, 촉매는 이들의 용융점 미만의 온도에서 PCD로부터 이동하기 시작할 수 있고, 그에 따라 보다 낮은 온도로 가열하는 것이 다른 실시예들에서 용인된다. 그 다음, 단계(30)에서, 용융된 촉매는 PCD의 표면으로 확산하고 액체 용액에 투입된다.
전형적인 촉매는 금속, 전형적으로 VIII족 금속, 이를테면 코발트(Co), 니켈(Ni), 또는 철(Fe), 또는 VIII족 금속 함유 합금을 포함할 수 있다. 비-금속 촉매들, 이를테면 카보네이트 및 설페이트 촉매들이 또한 사용될 수 있다. 촉매의 어느 하나의 유형은 본질적으로 순수한 촉매일 수 있거나 그것은 또한 고온 고압 조건들 하에서 다이아몬드 입자들의 결합을 촉진시킬 수 있는 다른 물질들을 함유할 수도 있다.
PCD는 비흡착 PCD일 수 있거나 그것은 기판, 이를테면 텅스텐-카바이드-함유 기판에 흡착될 수 있다. 본 방법의 하나의 이점은, 산(acid) 침출과 달리, 기판이 특별한 보호를 필요로 하지 않을 수 있다는 것이다.
몇몇 실시예에서, PCD는 레이저-침출 전에 이미 부분적으로 침출되었을 수 있다. 예를 들어, PCD 표면의 전부 또는 부분을 먼저 산 침출하는 것이 보다 빠른 또는 보다 비용-효율적인 경우, 이것이 레이저-침출에 선행할 수 있다. 다른 예에서, 원하는 제거량보다 적은 양의 촉매가 먼저 산 침출에 의해 제거될 수 있고, 나머지가 그 다음 레이저-침출에 의해 제거될 수 있다.
PCD는 액체 용액에 완전히 침지될 수 있거나 그것은 부분적으로 침지될 수 있으며, 따라서 촉매가 제거되는 PCD의 부분들이 용액에 침지되게 된다. 액체 용액은 기판이 보호되지 않는다 하더라도, 침출 공정 동안 기판을 파손하거나 실질적으로 손상시키지 않도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 액체 용액은 기판과 간단히 반응하지 않을 수 있다. 대안적으로, 액체 용액은 기판과 비교적 반응을 일으키지 않을 수 있고, 그에 따라, 기판이 액체 용액에 침지되지 않는 한, 어떤 보호도 요구되지 않는다. 몇몇 실시예에서, 기판을 액체 용액에 침지하는 것은 기판에서 촉매의 침출을 방지하도록 돕기 위해 회피될 수 있다.
액체 용액은 그것이 PCD 내로부터 PCD 표면에 도달할 때 촉매를 PCD 표면에서 떨어져 이동시킬 수 있는 임의의 액체일 수 있다. 특히, 그것은 촉매를 용해할 수 있는 임의의 액체일 수 있다. 액체 용액은 특정한 촉매가 제거되게 조정될 수 있고 PCD에 또는 PCD 및 기판에 다수의 촉매가 존재하는 인스턴스들에서 하나의 촉매를 선택적으로 제거할 수 있다. 예를 들어, PCD가 하나의 촉매를 함유하고 기판이 또한 촉매로서 사용가능한, 상이한 물질, 이를테면 NiWC, CoWC, 또는 CrWC를 함유하는 경우, 액체 용액은 PCD 촉매를 우선적으로 제거하도록 선택될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 액체 용액은 기판을 용해하지 않도록 설계될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 액체 용액은 PCD의 표면에서 또는 그 근처에서 촉매를 간단히 제거하도록 설계될 수 있으나; 그것은 대부분의 산-침출 용액들이 그러할 수 있는 바와 같이 PCD 내 깊은 곳에서는 실질적으로 촉매를 제거할 수 없을 수 있다. 액체 용액은 촉매와의 아무런 복합체를 형성하지 않을 수 있거나 간단히 촉매 이온들이 용액에 투입되게 할 수 있다.
특히, 액체 용액은 극성 용매, 이를테면 산, 또는 알코올- 또는 수-성 액체일 수 있다. 화학적 침출에서 통상적인 것보다 약산이 사용될 수 있다. 액체 용액은 촉매가 그것들에 용질로서 투입될 때 용액이 되는, 순수한 또는 비교적 순수한 액체들일 수 있다.
몇몇 실시예에서, 액체 용액은 환경적으로 양성이거나, 또는 이러한 방법에 사용될 때 사람의 피부에 부식을 일으키지 않는, 비-독성인 것으로 선택될 수 있다.
액체 용액은 상온에 있을 수 있거나, 또는 그것은 가열될 수 있다. 그것은 레이저에 의해 또는 PCD에 의해 가열되어 질 수 있다. 필요한 경우, 액체 용액은 그것이 증발하는 것을 방지하기 위해 방법 동안 냉각될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 액체 용액은 액체 용액 내 국부 촉매 농도 구배를 회피함으로써 그것이 PCD 표면에 도달하면 촉매를 제거하도록 돕기 위해 교반 또는 순환될 수 있다. 예를 들어, 그것은 초음파로 교반될 수 있다. 액체 용액은 또한 침출을 저해하는 촉매 농도들을 회피하도록 이러한 공정 동안 대체될 수 있다.
PCD가 가열되는 온도는 하나 이상의 촉매의 선택적 제거, 또는 모든 촉매의 제거를 가능하게 하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 그것은 촉매가 PCD 밖으로 이동하기 시작하는 지점 또는 그 근점 또는 촉매의 용융점 또는 그 근점일 수 있다. 다수의 촉매에 대해, 상이한 온도들에서 공정을 반복하는 것은 원하는 경우, 하나의 촉매의 선택적 제거, 또는 상이한 촉매들의 순차적 제거를 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, Co의 용융점은 약 1495 ℃이고, 따라서 Co-함유 PCD가 Co를 제거하기 위해 대략 해당 온도로 가열될 수 있다. Ni가 존재하는 경우, 그것은 또한 그것이 약 1455 ℃의 용융점을 갖기 때문에 제거될 수 있다. 목표가 존재하는 촉매의 모든 유형을 제거하는 것인, 일 실시예에서, PCD는 대략 가장 높은 용융점을 갖는 촉매의 용융점으로 가열될 수 있다. 유사하게 목표가 존재하는 촉매의 모든 유형을 제거하는 것인, 다른 실시예에서, PCD는 촉매의 모든 유형이 PCD에서 이동하게 하기에 충분한 온도로 가열될 수 있다. 다른 예에서, 온도는 적어도 하나의 촉매가 PCD에서 이동하게 할 최소한으로 상승될 수 있다. 예를 들어, 그것은 Co를 이동하게 하기 위해 적어도 340 ℃로 상승될 수 있다.
레이저는 단파 레이저 또는 마이크로파의 임의의 에너지원일 수 있다. 레이저는 연속 또는 펄싱 방식으로 PCD에 인가될 수 있다. 그것은 또한 표면의 특정한 부분들에 지향되어, 선택적 침출을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, PCD의 부분은 침출되지 않을 수 있는 한편 다른 부분은 침출된다. 대안적으로, 표면의 부분들은 상이한 정도, 이를테면 상이한 깊이들로 또는 촉매가 상이한 비율들로 제거되는 정도로 침출될 수 있다.
몇몇 실시예에서, PCD는 표면을 따라 미리-결정된 패턴으로 이동되게 하는, 시스템, 이를테면 아래 도 6에 예시된 시스템에 위치될 수 있다.
레이저의 국부 인가는 조명된 영역 및 또한, 조건들에 따라, 주변 영역들의 침출로 이어질 수 있다. 레이저는 PCD의 다이아몬드 입자들이 자발적으로 가열되게 할 수 있다. 다이아몬드는 높은 열 전도성(22 W/cmK까지의)을 갖고, 따라서 그것은 열을 주변 촉매로 빠르게 방산하고, 그 다음 용융시킨다. 촉매가 PCD 표면에서 이미 침출된 실시예들에서, 다이아몬드는 열을 하지의 촉매로 전달한다. 초기 산 침출로 획득되는 깊이를 초과하는 깊이들로 침출하는 것은 이러한 방식으로 획득될 수 있다. 나아가 부분적으로 침출된 PCD의 침출도 또한 이러한 방식으로 획득될 수 있다.
촉매는 그것이 충분한 온도 또는 이의 용융점을 초과하는 온도에 도달하면 이동성이 되고 다이아몬드 입자들을 통해 다이아몬트 테이블의 표면으로 이동 또는 확산하며 그 다음 단순 농도 구배로 인해 액체 용액에 투입된다. 이러한 개념은 PCD(110)가 다이아몬드 입자들(120) 및 촉매(130)를 함유하는, 도 2에 예시된다. 레이저(140)가 PCD(110)를 조명할 때, 촉매(130)는 도시된 바와 같이 농도 구배에 따라 이동한다. 몇몇 실시예에서, 자기장이 또한 금속 촉매, 이를테면 Co가 PCD 밖으로 이동하는 것을 조장하기 위해 인가될 수 있다. 이는 레이저-침출 동안 보다 낮은 온도들의 사용을 가능하게 할 수 있다. 자기장은 또한 단독으로든 또는 레이저-침출과 조합되든지에 관계없이, 보다 통상적인 침출, 이를테면 산 침출 동안의 이동을 용이하게 할 수 있다.
이러한 방법을 사용하면, 모든 또는 실질적으로 모든 촉매가 TSP를 생성하기 위해 PCD의 전부 또는 부분에서 제거될 수 있다. TSP는 표준 대기압에서 적어도 750 °C까지의 온도에서 균열하거나 흑연화하지 않을 수 있다. 다른 실시예들에서, 소정의 비율의 촉매가 PCD의 전부 또는 부분에서 제거될 수 있다. 예를 들어, 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 85%, 적어도 90%, 적어도 95%, 적어도 98%, 또는 적어도 99%가 제거될 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 촉매는 기판으로부터 소정의 깊이까지 제거될 수 있다. 예를 들어, 표면에서 적어도 10 마이크론, 적어도 50 마이크론, 적어도 100 마이크론, 적어도 200 마이크론, 적어도 300 마이크론, 적어도 400 마이크론, 적어도 500 마이크론, 적어도 600 마이크론, 적어도 700 마이크론, 적어도 800 마이크론, 적어도 900 마이크론, 또는 적어도 100 마이크론까지 제거될 수 있다. 촉매는 또한 10 마이크론 이하, 50 마이크론 이하, 100 마이크론 이하, 200 마이크론 이하, 300 마이크론 이하, 400 마이크론 이하, 500 마이크론 이하, 600 마이크론 이하, 700 마이크론 이하, 800 마이크론 이하, 900 마이크론 이하, 또는 1000 마이크론 이하로 제거될 수 있다. 다른 예에서, 촉매는 표면으로부터 임의의 다음 깊이들 간 범위에서 제거될 수 있다: 10 마이크론, 50 마이크론, 100 마이크론, 200 마이크론, 300 마이크론, 400 마이크론, 500 마이크론, 600 마이크론, 700 마이크론, 800 마이크론, 900 마이크론, 및 1000 마이크론. 또 다른 실시예에서, 촉매는 PCD 및 기판 간 계면의 200 마이크론, 100 마이크론, 또는 50 마이크론 내로 제거될 수 있다.
도 3은 레이저-침출 전에 적어도 400 마이크론으로 산 침출된 PCD의 취해진 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 나타낸다. 대략 10 마이크론의 직경을 갖는 레이저-가열된 스팟들이 산화에 의해 야기되는 이들의 비교적 부드러운 마감으로 인해 보여질 수 있다. 도 2의 좌측으로의 화이트 요소는 에너지 분산형 분광기(EDS) 현미경을 사용하여 코발트 옥사이드로서 식별되었다. 이는 코발트가 표면으로 이동하고 공기 중에서 산소와 반응했을 때 생성되었고 레이저로부터의 열이 표면으로 이동되는, Co를 용융시켰을 경우, 그것이 다이아몬드 테이블을 통해 적어도 400 마이크로의 깊이로 전달되었음을 확립했다.
도 4는 수-성 액체 용매에서 초음파 교반된 후 도 2의 PCD의 SEM 이미지를 나타낸다. 코발트 옥사이드는 다이아몬드 표면에서 완전히 또는 거의 완전히 제거된 것이 분명하며, 이는 다이아몬드 및 코발트 옥사이드 간 공유 결합들의 부족으로 인한 것으로 예상된다.
도 1이 PCD를 레이저로 가열하기 전에 액체 용액에 배치하는 것을 예시하지만, 도 2 및 도 3의 예들이 분명하게 함에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이, 먼저 PCD를 단계(210)에 도시된 바와 같이 먼저 레이저로 가열한 다음, 그것을 단계(220)에 도시된 바와 같이,액체 용액에 배치하는 것이 또한 가능하다. 그러나, 촉매를 표면으로 이동하게 하기에 충분한 촉매-농도 구배를 획득하기 위해, 몇몇 실시예에서 먼저 일정 촉매를 PCD의 표면에서 침출하는 것이 필요할 수 있다. 이러한 실시예에서, 촉매는 옥사이드를 형성하기 위해 공기와 반응할 수 있다. 또는, 레이저-가열이 특수 대기 하에서 수행되는 경우, 그것은 해당 대기의 다른 성분과 반응할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 촉매는 금속 보라이드 또는 금속 복합체를 형성할 수 있다. 다른 실시예들에서, PCD가 액체 용액에 배치되면, 촉매는 액체 용액의 성분과 복합체를 형성할 수 있다.
도 1의 방법 또는 도 5의 방법 중 어느 하나를 사용하면, 액체 용액에서 촉매를 회수하기 위한 임의의 최종 단계가 수행될 수 있다. 대부분의 인스턴스에서, 간단한 pH 조절이 촉매를 액체 용액으로부터 금속으로서 석출시키게 하기에 충분할 것이다. 대안적으로, 그것은 염으로서 석출된 다음 금속을 재형성하도록 추가 처리될 수 있다. 이는 촉매의 재사용을 가능하게 한다. 덧붙여, 그것은 독성 물질들, 이를테면 Co를, 환경으로 방출하는 것을 방지하거나 복잡한 폐기물 처리 절차를 방지한다. 몇몇 실시예에서, 본 출원에 개시된 레이저-침출 방법들은 사용 또는 손상된 PCD 또는 기판에서 촉매를 제거하기 위해 사용될 수 있다.
도 6은 본 출원에 설명된 바와 같은 레이저-침출을 수행하기 위한 디바이스(310)를 예시한다. 디바이스(310)는 집속 렌즈(370)를 갖는, 레이저(140)를 포함한다. 레이저(140)는 배트(vat)(320)에 위치된, PCD(110)를 침출하기 위해 사용된다. 배트(320)는 액체 용액(330)을 함유할 수 있으며, 이는 사용되는 레이저-침출 방법에 따라, 레이저(140)를 이용한 조명 동안 또는 그 이후 존재할 수 있다. 디바이스(310)는 또한 초음파원(340) 또는 다른 교반 디바이스를 임의로 함유할 수 있다. PCD(110)는 X-Y 변환 스테이지(360) 상에 위치될 수 있다. 몇몇 실시예에서, X-Y 변환 스테이지(360)는 레이저 조명 동안 커터를 이동시킬 수 있는 마이크로미터 변환 스테이지일 수 있다. 도 6b에 예시된 실시예에서, 회전 스테이지(350)가 또한 존재한다. 다른 실시예들에서, PCD(110)는 레이저 조명 동안 움직이지 않고 유지될 수 있고 대신 레이저(140)가 이동할 수 있다. 몇몇 실시예에서, PCD 및 레이저 양자가 이동할 수 있다. 임의의 이러한 실시예들에서, PCD 또는 레이저 이동의 제어가 자동화될 수 있다. 예를 들어, 자동화된 스테이지 제어부들(380a 및 380b)이 각각, X-Y 스테이지(360) 및 회전 스테이지(350)를 제어할 수 있다. 일 실시예에서, X-Y 스테이지(360)가 또한 회전형일 수 있다.
도 6의 디바이스를 사용하면, PCD(110)가 초음파원(340)으로부터의 초음파 교반과 함께 액체 용액(330)에 침수된다. 레이저(140)는 액체 용액(330)을 통과하고 PCD(100)의 선택된 영역 상에 집속되는 빔을 제공한다. 도 6a에서, 선택된 영역은 PCD(110)의 작업면의 부분이다. 도 6b에서, 선택된 영역은 PCD(110)의 측면 측의 부분이다. X-Y 변환 스테이지(360) 및 회전 스테이지(350)는 PCD(100)의 어떤 영역들이 레이저 빔에 노출될지를 제어한다.
도 1 또는 도 5의 방법들을 수행하기 위해 사용되는 디바이스(310) 또는 다른 디바이스는 레이저-침출 방법을 용이하게 하도록 프로그래밍되는 프로세서 및 메모리를 포함할 수 있는, 제어 시스템을 더 함유할 수 있다. 제어 시스템은 레이저 또는 PCD 또는 양자의 이동을 제어할 수 있다. 제어 시스템은 레이저 조명의 지속 기간 또는 강도를 제어할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제어 시스템은 침출 깊이를 검출하고 레이저 또는 PCD 또는 양자의 이동뿐만 아니라 원하는 침출 깊이와 비교해서 PCD의 부분이 침출된 깊이에 기초하여 레이저 조명의 지속 기간 제어 강도를 제어할 수 있다.
이의 예들이 도 7a 및 도 7b에 도시되는, 다른 실시예에서, 기판(390) 상에 위치될 수 있는, PCD(110)가 실질적으로 적어도 하나의 촉매도 없는 침출된 영역(400) 및 실질적으로 동일한 촉매를 함유하는 비침출된 영역(410) 양자를 함유한다. 조작된 침출 경계(420)는 이러한 두 개의 영역 간에 위치된다. 조작된 침출 경계(420)는 실질적으로 비-평면형이다. 조작된 침출 경계(420)는 도 7a 및 도 7b에 예시된 바와 같이 촉매 농도의 예리한 전이에 의해 정의될 수 있다. 예를 들어, 경계에 걸친 촉매 농도는 10 마이크론 이하, 5 마이크론 이하, 또는 1 마이크론 이하의 거리에 걸쳐 적어도 90%, 적어도 80%, 적어도 70%, 적어도 60%, 또는 적어도 50%만큼 달라질 수 있다. 특히 다이아몬드 테이블의 온도가 조명 위치로부터 점진적으로 달라지는, 대안적인 실시예들에서, 촉매 농도는 조작된 침출 경계에 걸쳐 확산성 전이를 경험할 수 있다. 예를 들어, 경계에 걸친 촉매 농도는 5 마이크론 이상, 10 마이크론 이상, 20 마이크론 이상, 또는 50 마이크론 이상의 거리에 대해 10% 이하, 20% 이하, 30% 이하, 50% 이하가 아닌 만큼 달라질 수 있다.
조작된 침출 경계(420)는 PCD(110)의 균열의 전파를 중단 또는 감소시킬 수 있는데, 이는 전형적으로 보다 불안정하고 균열할 가능성이 있는, 침출된 영역(400)의 균열이 그것이 비침출된 영역(410)에 도달할 때 중단 또는 느려질 수 있기 때문이다. 그 결과, 조작된 침출 경계(420)를 함유하는 PCD(110)는 평면형 침출 경계와 유사한 PCD와 비교해서 개선된 충격 강도 또는 보다 긴 사용 수명을 가질 수 있다.
본 출원에 설명된 바와 같은 레이저-침출 방법은 조작된 침출 경계(420), 특히 촉매 농도가 예리하게 전이되는 경계를 형성하는 것에 특히 적절할 수 있다.
본 출원에 설명된 공정은 예를 들어, 추가적인 촉매를 순차적으로 제거하기 위해, 동일한 PCD에 반복적으로 인가될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 출원에 설명된 공정은 침출 이전에 마스킹을 필요로 하지 않고 PCD의 부분을 침출하기 위해 사용될 수 있다.
본 출원에 설명된 바와 같은 PCD 레이저-침출은 어스-보어링(earth-boring) 드릴 비트 상의 소자, 이를테면 커터 또는 내-마모성 접촉 소자에 사용될 수 있다.
본 발명의 단지 대표적인 실시예들이 위에서 구체적으로 설명되었지만, 이러한 예들의 변경예들 및 변형예들이 본 발명의 사상 및 의도된 범위에서 벗어나지 않고 가능하다는 것이 이해될 것이다.

Claims (20)

  1. 다결정질 다이아몬드(PCD; polycrystalline diamond)에서 촉매를 레이저-침출하는 방법으로서,
    레이저로 침출될 상기 PCD의 부분을 조명함으로써 상기 촉매가 상기 PCD 밖으로 이동하는 적어도 온도로 침출될 상기 PCD의 적어도 상기 부분의 온도를 상승시키는 단계로서, 상기 촉매는 침출될 상기 PCD의 상기 적어도 부분의 표면으로 용융되고 확산하는, 상기 온도를 상승시키는 단계; 및
    상기 표면을 액체 용액에 배치함으로써 상기 표면에서 상기 촉매를 제거하는 단계로서, 상기 촉매가 상기 표면에서 이탈하고 상기 액체 용액에 투입되어, 레이저-침출된 PCD를 야기하는, 상기 촉매를 제거하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 온도를 상승시키는 단계는 상기 표면에서 상기 촉매를 제거하는 단계 전에 발생하는, 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 표면을 액체 용액에 배치하는 것은 레이저로 침출될 상기 PCD의 상기 부분을 조명하기 전에 발생하는, 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 표면은 레이저-침출 전에 침출되는, 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 레이저는 단파장 레이저 또는 마이크로파를 포함하는, 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 촉매는 VIII족 금속 또는 이의 합금을 포함하는, 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 PCD는 상기 레이저-침출 절차 동안 보호되지 않는, 기판 상에 위치되는, 방법.
  8. 청구항 2에 있어서, 상기 PCD는 부분이 레이저로 조명될 때 공기에 노출되는, 방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 촉매는 상기 표면에 금속 옥사이드를 형성하는, 방법.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 액체 용액은 극성 용매를 포함하는, 방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 액체 용액은 산(acid)을 포함하는, 방법.
  12. 청구항 10에 있어서, 상기 액체 용액은 물을 포함하는, 방법.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 촉매를 금속으로서 석출시키기 위해 상기 액체 용액의 pH를 조절하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 PCD의 다수의 부분이 상기 레이저에 의해 조명되도록, 상기 PCD를 이동시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  15. 청구항 1에 있어서, 상기 PCD의 다수의 부분을 조명하기 위해 상기 레이저를 이동시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  16. 청구항 1에 있어서, 공정이 자동화되는, 방법.
  17. 청구항 1에 있어서, 공정이 반복되는, 방법.
  18. 청구항 1에 있어서, 공정이 침출될 상기 PCD의 상기 적어도 부분에 내열성 다결정질 다이아몬드(TSP; thermally stable polycrystalline diamond)를 야기하는, 방법.
  19. 청구항 1에 있어서, 공정이 침출된 상기 PCD의 상기 적어도 부분에서 적어도 선택된 퍼센테이지의 촉매의 제거를 야기하는, 방법.
  20. 청구항 1에 있어서, 공정이 침출될 상기 PCD의 상기 적어도 부분에서 선택된 깊이로 촉매의 제거를 야기하는, 방법.
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