KR20170082659A - 특유의 형태를 갖는 연마제 입자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 불규칙한 표면을 가지며, 표면 거칠기가 약 0.95 미만인 단결정질 다이아몬드 입자에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 복수의 연마제 입자를 제공하는 단계, 상기 입자에 반응성 코팅을 제공하는 단계, 상기 코팅된 입자를 가열하는 단계, 및 변형된 연마제 입자를 회수하는 단계를 포함하는, 변형된 연마제 입자를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

특유의 형태를 갖는 연마제 입자{ABRASIVE PARTICLES HAVING A UNIQUE MORPHOLOGY}

본 출원은 2008년 9월 16일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제 61/097,422 호, 2008년 9월 16일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제 61/097,438 호 및 2009년 6월 17일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제 61/187,789 호에 관한 것이며 이들을 우선권으로 주장한다.

본 발명은 특유의 형태를 갖는 연마제 입자에 관한 것이다. 더욱 자세하게는, 본 발명은 산업 분야에서 다이아몬드 입자의 성능을 향상시키기 위해서 다이아몬드 입자의 표면을 러핑 (roughing) 하는 것에 관한 것이다.

본원 방법, 시스템 및 재료에 대해 설명하기 전에, 본 명세서는 설명된 특정 방법론, 시스템 및 재료에 한정되지 않고, 매우 다양할 수도 있다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 특정한 버전이나 실시형태만을 설명하기 위한 것이지, 발명의 범위를 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 본원 및 첨부의 청구범위에서 사용된 것처럼, 단수 형태는 문맥상 명확하게 다르게 나타내지 않는 한 복수 형태도 포함한다. 더불어, 여기서 "~을 포함한다" 라는 단어는 "~을 포함하나 이에 한정되지 않는다" 는 것을 의미한다. 다르게 규정되어 있지 않다면, 사용된 모든 기술적, 과학적 용어는 당업자들이 통상 이해하고 있는 것과 같은 의미를 갖는다.

다르게 나타내고 있지 않다면, 명세서 및 청구범위에서 사용하는 내용물의 양, 크기, 중량, 반응 조건 등과 같은 특성을 나타내는 모든 수치는 예컨대 용어 "약" 에 의해 변형되는 것으로 이해된다. 따라서, 달리 나타내지 않는 한, 하기 명세서 및 첨부의 청구범위에서 설명하는 수치 파라미터들은 본 발명에 의해 얻고자 하는 소망하는 특성에 따라 다양해질 수도 있는 근사치이다. 적어도, 그리고 청구범위의 범주와 균등론의 출원을 제한하지 않으려는 바와 같이, 각각의 수치 파라미터는 적어도 보고된 중요한 수치의 관점에서 그리고 보통의 반올림 기술을 적용함으로써 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "약" 이라는 용어는 그 단어를 사용한 수치에 10 % 를 가감하는 것을 나타낸다. 그러므로, 약 50 % 는 45 % ~ 55 % 의 범위를 의미한다.

정의

본 발명의 명세서 및 청구범위에서, 이하의 용어는 다음과 같은 정의에 따라 사용될 것이다.

용어 "연마제" 는, 본원에서 사용되는 바와 같이, 보다 부드러운 재료를 마모하기 위해 사용되는 임의의 재료를 말한다.

용어 "재료 제거" 는, 본원에서 사용되는 바와 같이, mg, g 등으로 나타내는, 부여된 시간동안 제거되는 작업물의 중량을 말한다.

용어 "재료 제거율" 은, 본원에서 사용되는 바와 같이, mg/분, g/시간 등으로 나타내는, 시간 주기로 나누어 제거된 재료를 말한다.

용어 "단결정질 다이아몬드" 는, 본원에서 사용되는 바와 같이, 고압/고온 합성 중 하나에 의해 형성된 다이아몬드 또는 천연 다이아몬드를 말한다. 단결정질 다이아몬드의 파괴는 원자 벽개면을 따라 진행된다. 단결정질 다이아몬드 입자는 벽개면에서 비교적 쉽게 파괴된다.

용어 "입자(들)" 은, 본원에서 사용되는 바와 같이, 이산체(들) 를 말한다. 또한, 입자는 결정 또는 결정립으로 간주된다.

용어 "피트 (pit)" 는, 본원에서 사용되는 바와 같이, 입자에서의 압입자국 (indentation) 또는 틈새 (crevice), 2 차원 이미지 상에서의 압입자국 또는 틈새 또는 대상물에서의 압입자국 또는 틈새 중 하나를 말한다.

용어 "다결정질 다이아몬드" 는, 본원에서 사용되는 바와 같이, 다결정질 입자 구조를 유발하는 폭발 합성에 의해 형성된 다이아몬드를 말한다. 각각의 다결정질 다이아몬드 입자는 약 100 Å 미만의 크기를 갖는 다수의 미세결정질구조를 구성한다. 다결정질 다이아몬드 입자는 벽개면을 갖지 않는다.

용어 "스파이크" 는, 본원에서 사용되는 바와 같이, 입자의 중심으로부터 바깥쪽을 향하는 날카로운 돌기, 2 차원 이미지의 중심으로부터 바깥쪽을 향하는 날카로운 돌기 또는 대상물로부터 바깥쪽을 향하는 날카로운 돌기를 말한다.

용어 "초연마제" 는, 본원에서 사용되는 바와 같이, 우세한 경도 및 내마모성을 갖는 연마제를 말한다. 다이아몬드 및 입방 질화 붕소가, 초연마제의 예시이며, 3500 초과의 누프 (Knoop) 압입 경도값을 갖는다.

용어 "중량 손실" 은, 본원에서 사용되는 바와 같이, 변형 처리 전의 입자군의 중량과 변형 처리 후의 동일 질량의 다이아몬드 입자 또는 연마제 입자의 중량차를 말한다.

용어 "작업물" 은, 본원에서 사용되는 바와 같이, 연마, 광택, 래핑 또는 다른 재료 제거 방법에 의해 재료가 제거되는 부품 또는 대상을 말한다.

용어 "주변부" 는, 본원에서 사용되는 바와 같이, 폐평면 형태중 경계부 또는 2 차원 이미지의 모든 경계를 말한다.

용어 "볼록 주변부" 는, 본원에서 사용되는 바와 같이, 페렛 (Feret) 탄젠트 지점을 연결하는 라인을 말하는데, 여기서, 페렛은 2 차원 이미지 또는 대상물의 각 측면상의 경계부에 닿는 2 개의 평행 탄젠트 사이의 거리이다. 도 24 내지 도 26 은 이러한 개념을 도시한다.

용어 "표면 거칠기" 는, 본원에서 사용되는 바와 같이, CLEMEX 이미지 분석장치, Clemex Vision 사용자 가이드 PE 3.5 ⓒ2001 에서 언급되는 바와 같이 대상물의 에지 또는 경계부의 피트 및 스파이크의 크기 또는 정도를 칭량하는 2 차원 이미지의 측정을 말한다. 표면 거칠기는 볼록 주변부를 주변부로 나눈 비율에 의해 판정된다.

피트 및 스파이크의 정도가 증가함에 따라, 표면 거칠기 인자가 감소하는 것에 주목한다.

용어 "진구도" 는, 본원에서 사용되는 바와 같이, 2 차원 이미지 또는 대상물의 닫힌 면적 (4πA) 을 주변부의 제곱 (p²) 으로 나눈 어림값을 말한다.

용어 "표면적" 은, 본원에서 사용되는 바와 같이, 입자의 외부 표면을 말한다. 복수 개의 입자, 즉, 분말이 사용될 때, 용어 "비표면적" 이 사용되고, 분말의 그램 당 표면적으로 나타낸다.

사파이어의 표면에 대해 말할 때 용어 "웨이퍼 거칠기" 는 웨이퍼의 표면의 특징이다. 연마제 광택으로부터 미세 스크래치 또는 트랙 마크를 포함하는 이러한 특징은 접촉식 또는 비접촉식 프로파일미터 (profilometer) 를 사용하여 측정된다.

용어 "다이아몬드 입자(들)" 또는 "다이아몬드 분말(들)" 은 본원 출원에서 동의어로 사용되며, 상기 규정된 "입자" 와 동일한 의미를 갖는다.

상기 규정된 용어가 현미경을 이용한 측정 기술을 사용하여 2 차원 입자 프로파일을 측정하는 것에 대해 말하고 있지만, 이러한 특징은 3 차원 형태로도 확대되는 것으로 이해됨에 주목하는 것이 중요하다. 입자 크기와 형상의 자동화된 이미지 분석은 입자 특성 측정의 신뢰가능하고 재현가능한 방법으로서 당업자에게 인식되고 있다. CLEMEX 이미지 분석장치가 사용되었지만, 이 데이터를 재현할 수 있는 유사 장치가 입수 가능하다.

일 실시형태에서, 단결정질 다이아몬드 입자가 사용될 수도 있다. 약 100 미크론 미만의 크기를 갖는 단결정질 다이아몬드 입자가 유용하다. 그러나, 약 100 미크론을 초과하는 크기를 갖는 다이아몬드 입자도 사용될 수도 있다. 다이아몬드 입자의 크기는 약 0.1 ~ 약 1000 미크론이다. 사용될 수도 있는 다이아몬드 입자의 일례는, D1amond Innovations, Inc.(Worthington, Ohio, U.S.A)에 의해 제조된 SJK-5 4 ~ 8 미크론, 산업용 인조 다이아몬드이다.

다른 실시형태에서, 천연 다이아몬드 입자, 소결된 다결정질 다이아몬드 또는 충격 다결정질 인조 다이아몬드 입자가 하기 논의되는 변형 처리를 받을 수도 있다.

일 실시형태에서, 다른 연마제가 변형 처리될 수도 있다. 연마제의 예시는, 작업물 성형 또는 마무리에 사용되는 광물과 같은 임의의 재료를 포함한다. 천연 및 인조 다이아몬드, 붕소, 탄소 및 질소 화합물과 같은 초연마제 재료가 사용될 수도 있다. 적절한 다이아몬드 재료는 결정질 또는 다결정질일 수도 있다. 연마제 결정립의 다른 예시는 탄산칼슘, 에머리 (emery), 노배큐라이트 (novaculite), 부석 더스트 (pumice dust), 산화 제 2 철 (rouge), 모래, 세라믹, 알루미나, 유리, 실리카, 실리콘 카바이드 및 지르코니아 알루미나를 포함할 수도 있다.

다른 실시형태에서, 반응성 코팅이 연마제 또는 초연마제 입자를 변형시키기 위해서 사용된다. 이러한 반응성 코팅은, 이것으로 제한하는 것은 아니지만, 수산화리튬, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 탄산칼륨, 과산화나트륨, 중크롬산칼륨 및 질산칼륨 등과 같은 알칼리 금속 수산화물을 포함한다. 또한, 반응성 코팅은 알칼리 금속 수산화물의 조합을 포함할 수도 있다.

반응성 코팅으로서 사용될 수도 있는 또다른 금속의 일례는 주기율표의 VIII 족에 포함된 것, 이들의 금속 화합물 및 이들의 조합이다. 반응성 코팅으로서사용될 수도 있는 재료의 다른 예시는 U.S. 2,947,609 에 교시된 촉매 금속 및 U.S. 2,947,610 에 교시된 촉매 금속을 포함한다.

일 실시형태에서, 금속 코팅이 반응성 코팅으로서 사용되고, 연마제 재료는 다이아몬드이다. 금속 코팅에 대한 다이아몬드 입자의 중량비는 약 10 중량 % ~ 약 90 중량 % Ni 또는 약 10 중량 % ~ 약 60 중량 % Ni 이다. 그러나, 이러한 비율은 기술적 효율 이외에 경제적 효율의 문제인 것에 주목해야 한다. 일 실시형태에서, 금속 코팅은 적어도 부분적으로 다이아몬드 입자를 부분적으로 덮는다. 대안으로, 금속 코팅은 각각의 다이아몬드 입자를 균일하게 둘러쌀 수도 있다. 금속이 다이아몬드와 화학적으로 결합될 필요는 없다. 니켈 및/또는 니켈 합금이 다이아몬드를 위한 코팅으로서 사용될 수도 있다. 다이아몬드에 니켈을 도포하는 방법은 무전해 증착 프로세스에 의하지만, 전해 도금, 물리적 기상 증착 또는 화학적 기상 증착과 같은 방법이 다이아몬드 입자에 니켈 층을 도포하는데 사용될 수도 있다.

일 실시형태에서, 다이아몬드 입자에는 약 10 ~ 약 60 중량 % 니켈 인 코팅이 코팅된다. 코팅 프로세스는, 먼저 코팅되지 않은 다이아몬드 입자를 콜로이달 상태의 팔라듐 용액에 넣는다. 미세한 팔라듐 입자가 다이아몬드 입자의 표면에서 균일하게 흡수되어 니켈의 무전해 증착을 위해 표면을 자가 촉매식으로 되게 한다. 프로세스의 다음 단계에서, 활성화된 다이아몬드가 용해된 니켈 리터당 약 10 g 을 함유하는 설파믹산니켈에 배치된다. 활성화된 다이아몬드 및 니켈 현탁액이 혼합되는 한편, 차아인산 (hypophosphate) 나트륨이 현탁액에 추가되고, 코팅 욕의 온도는 약 80 ℃ 로 유지된다. 차아인산 용액이 추가되면, 용액 중에 용해된 모든 니켈은 활성화된 다이아몬드 표면 상에 자가 촉매식으로 증착될 것이다.

다이아몬드 상에 니켈이 얼마나 많이 증착되는지에 따라, 소모된 니켈/차아인산 용액을 대체하고 이러한 프로세스를 반복함으로써 더 많은 니켈이 추가될 수 도 있다. 입자를 균일하게 코팅하려면, 각각의 다이아몬드 입자 상에 니켈의 충분히 균일하게 도포되도록 수회의 사이클이 요구될 수도 있다. 사이클의 수를 감시하고, 온도, pH 및 혼합 에너지와 같은 코팅 욕 파라미터를 제어함으로써, 다이아몬드 상의 니켈 함량이 충분히 재현 가능하다. 코팅중 도금되는 니켈과 다이아몬드 입자의 상호작용의 결과, 코팅된 다이아몬드가 다소간의 응집물을 갖는 것이 드문 일은 아니다. 응집물을 포함하는 별개의 입자가 소정량의 니켈 코팅을 함유하는 한, 응집물의 존재는 프로세스의 품질에 영향을 미치지 않아, 응집물을 제거하려는 시도가 필요치 않다.

다이아몬드 입자가 코팅된 후에, 코팅된 입자는 노에 넣어지고, 그리고 수소 분위기, 진공 분위기 또는 불활성 가스 분위기 하에서, 약 650 ℃ ~ 약 1000 ℃ 로 가열된다. 약 700 ℃ ~ 약 950 ℃ 또는 약 800 ℃ ~ 약 900 ℃ 의 온도가 사용될 수도 있다. 코팅된 다이아몬드는 약 5 분 ~ 약 5 시간의 시간 주기 동안 가열될 수도 있다. 약 30 분 ~ 약 2 시간 또는 약 1 시간 ~ 약 2 시간의 시간 주기가 사용될 수도 있다.

가열 사이클이 완료되고, 입자가 냉각된 후, 변형된 다이아몬드 입자는 니켈 코팅된 다이아몬드를 공통 산에 용해시킴으로써 회수된다. 사용될 수도 있는 산은, 염산, 플루오르화 수소산, 질산 및 이들의 소정의 조합을 포함한다. 산, 또는 이들의 조합은, 산 : 코팅된 다이아몬드의 비가 100 : 1 ~ 1000 : 1 (체적에의함) 로 추가된다. 이후, 이 혼합물은 약 6 시간 ~ 약 8 시간의 주기 동안 약 100 ℃ ~ 약 120 ℃ 로 가열된다. 이후, 이 용액은 냉각되어, 유리된 다이아몬드가 침전되고, 이 용액은 디캔팅된다 (decanted). 실질적으로 모든 금속 코팅이 침지될 때까지 산세 및 가열 단계가 반복된다.

이에 따라, 임의의 전환된 그래파이트 (니켈과의 반응중 그래파이트로 전환되는 다이아몬드로부터의 탄소) 가 공지된 임의의 용해 처리 방법을 통해 다이아몬드 입자로부터 제거된다. 공통의 용해 절차의 예시는 HNO₃ 및 H₂SO₄ 의 혼합물을 함유하는 산성 용액에서 약 150 ℃ ~ 약 180 ℃ 의 범위로 점진적으로 가열하는 그래파이트 탄소의 산화를 포함한다

선택된 노 조건에 따라, 금속과 다이아몬드 사이에서 다소의 반응이 발생할 수도 있다. 금속이 다이아몬드에 더 많이 에칭될수록, 더 많은 그래파이트가 형성되고, 이에 따라, 다이아몬드에서 더 많은 중량이 손실된다. 그래파이트를 완벽하게 용해시키기 위해서, 더 많은 양의 산이 사용될 수도 있고, 또는 추가의 용해 처리가 필요할 수도 있다. 이후, 다이아몬드 입자가 산, 및 물과 같은 잔류물을 제거하기 위해서 세척된다. 후속하여, 다이아몬드 입자가 오븐에서 건조되고, 공기로 건조되며, 전자파로 건조되거나 또는 공지된 다른 건조 방법으로 건조된다.

도 1a 내지 도 1f 는 종래의 단결정질 다이아몬드, 니켈 코팅 프로세스를 사용하여 변형된 다이아몬드 및 철 분말 프로세스를 사용하여 변형된 다이아몬드의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지이다.
도 2 는 변형 전후의 4 - 8 ㎛ 다이아몬드 입자, 예컨대 분말의 물리적 특성 및 성능을 도시하는 표 1 이다.
도 3 은 종래의 다이아몬드 분말, 니켈 코팅 프로세스를 사용하여 변형된 다이아몬드 분말 및 철 분말 프로세스를 사용하여 변형된 다이아몬드 분말의 표면 거칠기 분포를 도시하는 그래프이다.
도 4 는 종래의 다이아몬드 분말, 니켈 코팅 프로세스를 사용하여 변형된 다이아몬드 분말 및 철 분말 프로세스를 사용하여 변형된 다이아몬드 분말의 진구도 분포를 도시하는 그래프이다.
도 5 는 니켈 코팅 프로세스를 사용하여 변형된 다이아몬드 분말을 포함하는 다양한 다이아몬드 분말로 만들어진 슬러리를 사용한 래핑 프로세스로부터의 사파이어의 표면 마무리 및 재료 제거율을 도시하는 그래프이다.
도 6a 및 도 6b 는 종래의 다이아몬드 입자 (도 6a) 와 변형된 다이아몬드 입자 (도 6b) 의 비교도이다.
도 7 은 종래의 다이아몬드 입자의 SEM 이미지이다.
도 8 은 니켈 코팅 프로세스를 사용하여 변형된 다이아몬드 입자의 SEM 이미지이다.
도 9a 내지 도 9d 는 실시형태의 다이아몬드 입자의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지이다.
도 10a 내지 도 10d 는 실시형태의 다이아몬드 입자의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지이다.
도 11a 내지 도 11d 는 실시형태의 다이아몬드 입자의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지이다.
도 12 는 종래의 단결정질 다이아몬드 입자의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지이다.
도 13 은 실시형태의 다이아몬드 입자의 특성 및 성능을 나타내는 표 1 을 도시한다.
도 14 는 실시형태의 다이아몬드 입자의 특성 및 성능을 나타내는 그래프이다.
도 15 는 실시형태의 다이아몬드 입자의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 16 은 실시형태의 다이아몬드 입자의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지이다.
도 17 은 실시형태의 다이아몬드 입자의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지이다.
도 18 은 실시형태의 다이아몬드 입자의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지이다.
도 19 는 실시형태의 다이아몬드 입자의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지이다.
도 20 은 실시형태의 다이아몬드 입자의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지이다.
도 21 은 실시형태의 다이아몬드 입자의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지이다.
도 22 는 종래의 단결정질 다이아몬드 입자, 종래의 다결정질 다이아몬드 입자 및 실시형태의 단결정질 다이아몬드 입자의 래핑 성능을 비교하는 그래프이다.
도 23 은 실험 조건을 포함하는 표 2 를 도시한다.
도 24 는 "정의" 부분을 보충하는 설명도이다.
도 25 는 "정의" 부분을 보충하는 설명도이다.
도 26 은 "정의" 부분을 보충하는 설명도이다.
도 27a 및 도 27b 는 실시형태의 다이아몬드 입자의 SEM 이미지이다.

도 1c 및 도 1d 에 도시된 바와 같이 매우 거칠고 불규칙한 표면을 갖는 단결정질 다이아몬드 입자가 일 실시형태에 속한다. 도 1d 는 다이아몬드 입자의 개체군을 도시하며, 도 1c 는 도 1d 로부터 입자의 확대도를 도시한다. 이 입자들은 전술한 방법을 사용하여 변형된다. 거친 외형에 추가하여, 변형된 다이아몬드 입자는 도 1a 및 도 1b 에 도시된 종래의 단결정질 다이아몬드 입자에 비해 특유의 특성을 갖는다. 도 1b 는 단결정질 다이아몬드 입자의 개체군을 도시하며, 도 1a 는 도 1b 로부터 입자의 확대도를 도시한다. 밀링에 의해 생성된 종래의 단결정질 다이아몬드 입자는 변형 처리되지 않았다.

도 1d 에 도시된 바와 같이, 변형된 다이아몬드 입자는 도 1a 에 도시된 종래의 단결정질 다이아몬드보다 상당히 많은 스파이크와 피트를 포함한다. 스파이크는, 연마제 슬러리가 없는 적용 분야에 사용될 때, 절삭날로서 작용한다. 본 적용의 다이아몬드 입자의 성능은, 액체 슬러리 또는 현탁액 내에서 연마제 래핑이 없는 분야에서 사용될 때, 상당히 개선되는 것으로 발견되었다. 변형된 다이아몬드 입자가 고정식 결합 시스템에 사용될 때, 피트와 스파이크는 결합 시스템 내에서 입자를 고정할 수 있다.

일 실시형태에서, 금속 입자는 다이아몬드 입자를 변형하는데 사용된다. 다이아몬드 입자 대 금속 입자의 중량비는 1 : 5 ~ 5 : 1 이다. 그러나, 이러한 비율은 기술적 효율보다 오히려 경제적 효율의 문제인 것으로 주목되어야 한다. 금속 입자의 크기는 약 0.05 미크론 ~ 약 100 미크론의 범위이다. 금속 입자의 크기는 통상, 다이아몬드 입자의 크기 미만이다. 일 실시형태에서, 철 입자가 사용될 수도 있다. 일 실시형태의 프로세스에서 사용될 수도 있는 철 입자의 예시는 그레이드 HQ 1 ㎛ 카르보닐 철 분말 (BASF, Ludwigshafen, Germany) 을 포함한다.

철 분말이 프로세스를 실행하기 위해서 사용된 분말로서 언급되었지만, 코발트, 니켈, 망간 및 크롬과 같은 다른 금속 및 이들 금속의 화합물 및 이들의 조합이 사용될 수도 있다.

변형된 다이아몬드 입자를 만드는 다른 실시형태에서, 약 10 중량 % ~ 약 80 중량 % 다이아몬드 입자 및 약 20 ~ 약 90 % 철 입자가 균일한 혼합물을 얻는 임의의 적절한 혼합 방법을 사용하여 혼합된다. 일 실시형태에서, 철과 다이아몬드 입자의 계량된 부분은, 쟈 (jar) 에 넣어져, 밀봉되고, 적어도 약 1 시간 또는 대안으로, 약 30 분 ~ 약 1 시간 동안, Turbula® shaker-mixer (Glen Mills, Inc., Clifton, New Jersey, U.S.A) 와 같은 혼합 장치에 삽입된다. 결합제 (binder) 가, 선택적으로 혼합 이전에 혼합물에 첨가될 수도 있다. 결합제는 입자 표면에 매끄러움을 제공하여, 금속 분말과 다이아몬드 간의 더 긴밀한 접촉과 조밀한 패킹을 가능케한다. 또한, 결합제는 생형체 (green-body) 로서 가압체 (pressed body) 를 함께 유지시킨다.

이후, 혼합물이 압축되어 다이아몬드 입자와 철 입자의 긴밀한 혼합물을 만든다. 다이아몬드 입자와 철 입자가 긴밀한 혼합물을 형성하고, 입자가 서로 매우 근접하게 접촉하는 한, 이들 입자를 압축하기 위해서 임의의 방법이 사용될 수도 있다. 혼합물을 압축하기 위해 사용되는 일 방법은 프레스 상에 설정된 고정 다이 내로 혼합물을 배치시키는 것이다. 적절한 프레스의 일례는 Carver, Inc.(Wabash, IN) 에 의해 제조된 Carver® 펠렛 프레스 (pellet press) 이다. 다이 프레스에서, 혼합물은 약 5 ~ 약 50,000 psi, 약 10,000 ~ 약 40,000 psi 또는 약 15,000 ~ 약 30,000 psi 의 압력을 받아 펠렛을 형성한다. 혼합물을 펠렛화하는 것이 교시되어 있지만, 다이아몬드와 철 입자 혼합물이 펠렛화될 필요는 없고, 단지 입자가 서로 긴밀한 접촉을 형성하기 위해서 압축된다. 변형 가능한 공구에 의한 정수압 프레싱 (isostatic pressing) 또는 단상태 (monostatic) 프레싱이 긴밀한 접촉을 얻기 위해서 사용될 수도 있다.

대안으로, 또한, 혼합물은 수 밀리미터 내지 수 인치 두께의 얇은 시트로 혼합물을 프레싱함으로써, 즉 고압의 압밀 (compaction) 롤 또는 단광 롤 (briquetting roll) 에 의해 압착될 수도 있다. 이후, 형성된 시트는 이하에서 논의되는 추가의 프로세싱을 위해 더 작은 부분으로 절단될 수도 있다. 철과 다이아몬드 입자의 혼합물을 압축하는 다른 방법은 압력 하에 혼합물을 혼합하고 추출하는 것을 포함한다. 펠리타이저 (pelletizer) 에 의한 다이아몬드와 철 입자 혼합물의 펠릿화 또는 텀블링 장치에서의 혼합물의 텀블링 (tumbling) 이 혼합물을 압축하는데 사용될 수도 있는 대안의 방법이다. 이들 방법에 의해 형성된 펠릿, 브릭, 브리켓 (briquettte) 또는 케이크가 이하에서 논의되는 바와 같이 추가로 처리될 수도 있다.

철 및 다이아몬드 입자의 혼합물을 압축하는 추가의 방법은 용기 또는 테이프 캐스팅 (tape casting) 내로의 혼합물의 사출 성형 (injection molding), 압출, 프레싱을 포함한다. 대안으로, 각각의 다이아몬드 입자에는, 철과 다이아몬드 입자가 서로 긴밀하게 접촉하는 한, 이온 주입 (ion implantation), 스퍼터링, 스프레이 드라잉, 전해 코팅 (electrolytic coating), 무전해 코팅 또는 다른 임의의 적용 가능한 방법에 의해 금속 입자가 코팅될 수도 있다.

다이아몬드와 철 입자의 혼합물을 압착한 후, 펠릿, 응집물 또는 다른 응축된 형태가 될 수도 있는 압착 혼합물이, 노 내에 배치되고, 수소 분위기, 진공 분위기, 또는 불활성 가스 분위기 하에서, 약 650 ℃ ~ 약 1000 ℃ 로 가열된다. 약 700 ℃ ~ 약 900 ℃ 또는 약 750 ℃ ~ 약 850 ℃ 의 온도가 사용될 수도 있다. 압착된 혼합물은 약 5 분 ~ 약 5 시간의 시간 주기 동안 가열될 수도 있다. 약 30 분 ~ 약 2 시간 또는 약 1 시간 ~ 약 2 시간의 시간 주기가 사용될 수도 있다.

가열 사이클이 완료되고 압착된 혼합물이 냉각된 후, 변형된 다이아몬드 입자는 공통의 산에 철 입자를 용해시킴으로써 회수된다. 사용될 수도 있는 산은, 염산, 플루오르화 수소산, 질산 및 이들의 조합을 포함한다. 산 또는 이들의 조합은, 산 : 압착 혼합물 (즉, 펠릿) 이 100 : 1 ~ 1000 : 1 (체적으로) 의 비율로 추가된다. 이후, 혼합물은 약 6 시간 ~ 약 8 시간의 주기 동안 약 100 ℃ ~ 약 150 ℃ 로 가열된다. 이후, 이 용액이 냉각되고, 유리된 다이아몬드가 침전되고, 용액이 디캔팅된다. 산세 및 가열 단계는, 실질적으로 모든 철이 침지될 때까지 반복된다.

이에 따라, 임의의 전환된 그래파이트 (철과의 반응중 그래파이트로 전환되는 다이아몬드로부터의 탄소) 가 공지된 임의의 용해 처리 방법을 통해 다이아몬드 입자로부터 제거된다. 공통의 용해 절차의 예시는 HNO₃ 및 H₂SO₄ 의 혼합물을 함유하는 산성 용액에서 약 150 ℃ ~ 약 180 ℃ 의 범위에서 점진적으로 가열하는 그래파이트 탄소의 산화를 포함한다

선택된 노 조건에 따라, 금속과 다이아몬드 사이에서 다소의 반응이 발생할 수도 있다. 금속 분말이 다이아몬드에 더 많이 에칭될수록, 더 많은 그래파이트가 형성되고, 이에 따라, 다이아몬드에서 더 많은 중량이 손실된다. 그래파이트를 완벽하게 용해시키기 위해서, 더 많은 양의 산이 사용될 수도 있고, 또는 추가의 용해 처리가 필요할 수도 있다. 이후, 다이아몬드 입자가 산, 및 물과 같은 잔류물을 제거하기 위해서 세척된다. 후속하여, 다이아몬드 입자가 노에서 건조되고, 공기로 건조되며, 전자파로 건조되거나 공지된 다른 건조 방법으로 건조된다.

도 9a ~ 도 9d; 도 10a ~ 도 10d 및 도 11a ~ 도 11d 에 도시된 바와 같이 입자가 매우 거칠고 불규칙한 표면을 갖는 단결정질 다이아몬드 입자가 일 실시형태에 속한다. 거친 외형에 추가하여, 변형된 다이아몬드 입자는 도 12 에 도시된 종래의 단결정질 다이아몬드 입자에 비해 특유의 특성을 갖는다. 도 12 에 도시된, 밀링에 의해 생성된 종래의 단결정질 다이아몬드 입자는 변형 처리되지 않았다.

도 13 을 참조하면, 표 2 는 단결정질 다이아몬드 입자 (9 ㎛) 샘플에 대한 크기, 중량 손실, 표면적, 재료 제거, 거칠기 및 진구도를 포함하는 데이터를 갖는다. 게다가, 종래의 단결정질 다이아몬드 입자와 유사한 입자 크기의 종래의 다결정질 다이아몬드 입자 모두에 대한 비교 데이터가 도시되어 있다. 이러한 데이터는 이하에서 논의하는 바와 같이 도 14 및 도 15 의 그래프에서 사용되고 있다.

도 9a ~ 도 9d; 도 10a ~ 도 10d 및 도 11a ~ 도 11d 에 도시된 바와 같이, 다이아몬드 입자는 도 12 에 도시된 바와 같은 종래의 단결정질 다이아몬드 입자에 비해 매우 상이한 외형을 갖는다. 도 9a ~ 도 9d 는 런 #4 의 다이아몬드 입자의 SEM 이미지를 도시하고, 도 10a ~ 도 10d 는 런 #5 의 다이아몬드 입자의 SEM 이미지를 도시하며, 도 11a ~ 도 11d 는 런 #9 의 다이아몬드 입자의 SEM 이미지를 도시한다. 도 13 (표 2) 은 추가 샘플로부터 다이아몬드 입자의 대응 특성 및 특질을 기록한다.

도 9a ~ 도 9d; 도 10a ~ 도 10d 및 도 11a ~ 도 11d 에 도시된 바와 같이, 다이아몬드 입자는 스파이크와 피트를 포함한다. 스파이크는, 연마제 슬러리가 없는 적용 분야에 사용될 때, 절삭날로서 작용한다. 변형된 다이아몬드 입자의 성능은, 액체 슬러리 또는 현탁액 내에서 연마제 래핑이 없는 분야에서 사용될 때, 상당히 개선되는 것으로 발견되었다. 변형된 다이아몬드 입자가 고정식 결합 시스템에 사용될 때, 피트 및/또는 스파이크는 결합 시스템 내에서 입자를 고정할 수 있다.

변형된 다이아몬드 입자는 표면 거칠기, 진구도 및 재료 제거에서 특유의 특성을 나타낸다. 도 14 는 변형된 다이아몬드 입자의 중량 손실과 비교한 이들의 특성을 도시한다. 측정이 어떻게 얻어졌는지에 대한 상세한 설명은 실시예 4 에서 논의한다. 도 14 에 도시된 바와 같이, 다이아몬드 입자의 중량 손실은 0 % 초과 ~ 약 70 % 이다.

도 14 에 도시된 바와 같이, 다이아몬드 입자는 약 0.95 미만의 표면 거칠기를 갖는다. 약 0.50 ~ 약 0.80 그리고 약 0.50 ~ 약 0.70 의 표면 거칠기가 관찰된다. 다이아몬드 입자의 표면 거칠기는 금속 입자(들) 의 크기, 다이아몬드와 접촉하는 금속 입자(들) 의 양, 반응 시간 및 사용된 온도의 함수이다. 도 14 에 잘 도시된 바와 같이, 표면 거칠기 인자가 감소함에 따라 (거칠기가 증가함에 따라), 래핑 프로세스 (실시예 4 에 기재됨) 에서 재료 제거를 실행하는 다이아몬드의 능력은 약 0.92 의 표면 거칠기 인자에 대해 약 125 mg 으로부터 약 0.62 의 표면 거칠기 인자에 대해 약 200 mg 까지 증가하여, 약 60 % 증가한다. 이는 표면 변형이 제공되는 절삭 지점의 수의 증가에 기여할 수도 있다.

도 14 는, 또한, 다이아몬드 입자가 약 0.70 미만의 진구도 판독을 나타냄을 도시한다. 약 0.2 ~ 약 0.5 그리고 약 0.25 ~ 0.4 의 진구도 판독이 관찰된다. 진구도가 표면 거칠기와는 별개의 특징이지만, 도 14 에 도시된 바와 같이 다이아몬드의 진구도와 래핑 성능 사이에 강한 상호관계가 존재함이 관찰될 수 있다. 도 14 에서는, 재료 제거가 약 0.70 의 진구도에 대해 약 125 mg 로부터 약 0.25 의 진구도에 대해 약 200mg 까지 증가하는 것이 도시될 수 있다. 또한, 도 14 에 도시될 수 있는 바와 같이, 재료 (사파이어) 제거의 증가에 의해 나타내는 바와 같은 다이아몬드 분말의 중량 손실과 래핑 성능 간에 강한 상호작용이 존재한다. 다이아몬드의 중량 손실이 증가함에 따라, 다이아몬드는 재료를 제거하기 위해서 그의 능력이 더 공격적으로 된다.

도 15 는 다이아몬드 중량 손실 (%) 대 표면적을 나타내는 그래프이다. 9 ㎛ 다이아몬드 입자의 개체군으로부터 판독이 얻어진다. 35 % 초과의 중량 손실을 갖는 변형된 다이아몬드 입자의 비표면적은 동일한 입자 크기 분포를 갖는 종래의 다이아몬드 입자에 비해 약 20 % 더 높다. 입자의 비표면적은, 변형 처리 프로세스중 다이아몬드와 철 입자의 반응의 크기에 정비례 (directly proportional) 하는 것을 알 수 있다. 예컨대, 다이아몬드 입자의 비표면적은 약 0.45 ~ 약 0.90 ㎡/g 이다.

도 16 ~ 도 19 는 철에 의한 처리의 정도가 변경되는 다양한 다이아몬드 입자의 예시를 도시한다. 도 16 은 60 중량 % 철에서 750 ℃ 의 온도로 1 시간 동안 가열되어 다이아몬드 입자의 15 중량 % 손실을 유발하는 다이아몬드 입자를 도시한다. 도 17 은 80 중량 % 철에서 750 ℃ 의 온도로 1 시간 동안 가열되어 다이아몬드 입자의 25 중량 % 손실을 유발하는 다이아몬드 입자를 도시한다. 도 18 은 60 중량 % 철에서 850 ℃ 의 온도로 1 시간 동안 가열되어 다이아몬드 입자의 30 중량 % 손실을 유발하는 다이아몬드 입자를 도시한다. 도 19 는 80 중량 % 철에서 850 ℃ 의 온도로 1 시간 동안 가열되어 다이아몬드 입자의 45 중량 % 손실을 유발하는 다이아몬드 입자를 도시한다. 도 20 은 60 중량 % 철에서 850 ℃ 의 온도로 2 시간 동안 가열되어 다이아몬드 입자의 53 중량 % 손실을 유발하는 다이아몬드 입자를 도시한다. 도 21 은 80 중량 % 철에서 850 ℃ 의 온도로 2 시간 동안 가열되어 다이아몬드 입자의 61 중량 % 손실을 유발하는 다이아몬드 입자를 도시한다.

변형된 다이아몬드 입자는 하나 이상의 피트 및/또는 스파이크를 포함한다. 이러한 특징을 나타내는 다이아몬드 입자의 예는 도 19 에 도시되어 있다. 약 45 % 의 중량 손실을 갖는 다이아몬드 입자 (1) 는 스파이크 (2) 를 형성하는 피트 (4, 6) 를 포함한다. 스파이크의 길이와 피트의 깊이는 변형 처리 파라미터에 따라 변한다. 입자 상의 피트의 평균 깊이는 입자의 최장 길이의 약 5 % ~ 약 70 % 이다.

전술한 바와 같이, 변형된 연마제 입자는, 연마제가 없는 적용분야, 고정 연마제 적용분야, 래핑, 그라인딩, 절삭, 광택, 드릴링, 다이싱, 소결 연마제 또는 연마제 압분체 및 와이어 소우(saw) 용 와이어를 포함하는 많은 적용분야에서 유용할 수도 있다. 일반적으로, 거친 표면이 공구 또는 수지 결합 시스템 내에서 다이아몬드의 파지를 돕는다는 것이 기대된다.

와이어 소우 적용분야에 관해서는, 연마제 입자는 전기 도금, 금속 소결 또는 폴리머 또는 수지 결합체에 의해 와이어에 부착될 수도 있다. 전기 도금 와이어 소우는, 일반적으로, 니켈 금속 층이 공동 증착된 단일 연마제 입자 층을 포함한다. 또한, 일부 와이어는 연마제를 와이어에 부착하기 위해서 수지를 사용한다. 변형된 다이아몬드 입자의 사용은, 금속 또는 수지 매트릭스에서 연마제 입자의 양호한 파지를 제공하게 하여 이에 따라 와이어 소우의 수명이 연장된다. 또한, 변형된 연마제 입자는 더 높은 재료 제거 속도에 양호한 쾌삭 (free-cutting) 능력을 제공할 수도 있다.

와이어 소우에 의해 통상 절삭되는 재료는 실리콘, 사파이어, SiC, 금속, 세라믹, 탄소, 석영, 암석, 유리 복합재 및 화강암 (granite) 을 포함한다.

또한, 연마제 입자는 슬러리 및 다른 캐리어 액체에서 유용하다. 통상의 슬러리 용액은, 약 0.2 중량 % ~ 약 50 중량 % 의 농도로 존재하는 약 0.1 ~ 약 100 미크론 크기 범위의 변형된 다이아몬드 입자, 수계 비히클, 글리콜계 비히클, 오일계 비히클 또는 탄화수소계 비히클 및 이들의 조합과 같은 주 비히클 및 계면활성제, pH 및 색 조정제, 및 점도 조절제를 포함하는 선택적인 첨가제를 포함할 수도 있다.

다른 실시형태에서, 변형된 연마제 입자 및 초연마제에는, 변형 이후에, 주기율표의 IVA, VA, VIA, IIIb 및 IVb 족 및 이의 합금 및 조합을 포함하는 군에서 선택된 재료와 같은 코팅으로 선택적으로 코팅될 수도 있다. 사용될 수도 있는 비금속계 코팅은 실리콘 카바이드이다.

실시예 1

6 ㎛ 의 공칭 평균 크기를 갖는 4 - 8 ㎛ 단결정질 다이아몬드 입자, 예컨대, 다이아몬드 분말에, 니켈/인 코팅(90 % Ni/10 % P) 이 코팅된다. 니켈이 코팅된 다이아몬드 분말은 30 중량 % NiP 와 70 중량 % 다이아몬드를 포함한다. 각각의 다이아몬드 입자에는 NiP 코팅이 균일하게 덮여진다. Ni 코팅 분말 25g 샘플 2 개가 노에서 가열된다. 25 g 샘플 하나가 1 시간 동안 825 ℃ 에서 가열되고, 다른 하나의 샘플은 2 시간 수소 분위기 하에서 900 ℃ 에서 가열된다. 가열 사이클이 완료되고, 코팅 다이아몬드 분말이 실온으로 냉각된 후에, 변형된 다이아몬드 입자는 질산 2ℓ에 니켈 코팅 다이아몬드를 용해시킴으로써 회수된다. 이후, 혼합물이 5 시간의 주기동안 120 ℃ 에서 가열된다. 이후, 용액이 실온에서 냉각되고, 유리된 다이아몬드가 정착되고, 용액이 디캔팅된다. 실질적으로 모든 니켈이 침지될 때까지 산세 및 가열 단계가 하나의 추가 시간에서 반복된다.

니켈이 다이아몬드로부터 제거된 후, 전환된 그래파이트 (니켈과의 반응중 그래파이트로 전환된 다이아몬드로부터의 탄소) 가 7 시간 동안 가열된 황산 2ℓ를 사용하여 입자로부터 제거된다. 이후, 용액이 실온에서 냉각되고, 다이아몬드가 정착되고, 용액이 디캔팅된다. 실질적으로 모든 그래파이트가 침지될 때까지 황산 산세 및 가열 단계가 하나의 추가 시간에서 반복된다.

중량 손실, 표면 거칠기 및 진구도의 측정이 이 실험으로부터 회수된 재료에 의해 얻어진다. 본원에 기재된 바와 같은 미세한 철 분말 프로세스를 사용하여 변형된 SJK-5 4 - 8㎛ 다이아몬드가 이러한 분석에 포함된다. 또한, 유사한 공칭 크기의 다결정질 다이아몬드 분말에 대한 데이터도 포함된다.

표면 거칠기 및 진구도가, Hitachi model S-2600N 주사 전자 현미경 (SEM) 에 의해 2500X 배율로 취해진 기본 재료 및 변형된 다이아몬드 입자의 이미지로부터 획득된다. 이 SEM 이미지는 동일한 배율 (2500X) 로 보정된 Clemex 이미지 분석장치 비전 (Vision) PE 3.5 로 업로드된 TIFF 이미지 파일에 저장된다. 이 실시예에서, 그리고 이러한 배율을 위해서, 보정은 0.0446 ㎛/픽셀 해상도 (pixel resolution) 로 된다. 이미지 분석 시스템은 베이스 입자에 의해 입자 상의 입자 크기와 형상 파라미터를 측정한다. 각각의 실험 세트로부터 적어도 50 개의 입자의 개체군에 대한 측정이 Clemex 이미지 분석장치에 의해 자동으로 이루어진다. 측정을 유도하기 위해서 이미지 분석 장치에 의해 사용된 수학식은 전술한 "정의" 부분에서 알 수 있으며, 또한 Clemex 비전 사용자 가이드 PE 3.5 ⓒ2001 에서도 알 수 있다. 5 개의 분말 샘플의 다이아몬드 입자의 표면 특성이 도 2 (표 1) 에 도시되어 있다.

도 1c 에 도시된 바와 같이, 니켈 코팅 방법을 사용하여 생성된 변형된 다이아몬드 입자의 표면 텍스쳐는 도 1a 에 도시된 시작 재료의 표면 텍스쳐와 상당히 상이하다. 800 ℃ 초과 온도에서, 니켈이 다이아몬드와 반응하여, 이미지 분석 방법을 사용한 거칠기 및 진구도 인자에 의해 기술될 수 있는 독특한 텍스쳐를 만드는 것이 명확하다. 이러한 예시에서 얻는 데이터에 기초하여, 거칠기 값은 35 % 중량 손실 샘플에 대해 0.89 로부터 0.77 로 그리고, 56 % 다이아몬드 중량 손실에 대해 0.89 로부터 0.78 로 바뀐다. 진구도 값은 변형 프로세스 후에, 35 % 중량 손실에 대해 0.64 로부터 0.47 로 그리고, 56 % 다이아몬드 중량 손실에 대해 0.64 로부터 0.46 으로 바뀐다.

도 2 (표 1) 에서 알 수 있는 바와 같이, 825 ℃ 에서 실행된 프로세스에 비해 900 ℃ 에서 변형 프로세스가 다이아몬드의 더 큰 중량 손실 및 약간 더 미세한 크기 및 약간 더 큰 비표면적을 유발하지만, 본질적으로 이들 두 샘플의 거칠기와 진구도에 차이는 없다. 다이아몬드 입자의 생성된 표면 텍스쳐는 질적으로, 많은 소형 "치형 (teeth)" 또는 절삭 지점을 갖는 것으로서 기재되어 있다. 이러한 특징은, 입자 프로파일의 경계에서 조사될 때 더욱 분명하지만, 이들 특징은 각각의 입자의 전체 표면에 걸쳐 존재한다. 절삭 지점 또는 치형 수의 증가가 변형된 다이아몬드 입자의 개선된 성능에 책임이 있는 것으로 생각된다. 도 6b 는 변형된 다이아몬드 입자의 절삭 지점 또는 치형의 2 차원 설명도를 나타낸다. 도 6a 는 금속 코팅에 의해 변형되지 않은 종래의 단결정질 다이아몬드 입자의 2 차원 설명도를 나타낸다. 도 7 은 금속 코팅에 의해 변형되지 않은 종래의 단결정질 다이아몬드 입자의 SEM 이미지이다. 도 8 은 니켈 코팅에 의해 변형된 다이아몬드 입자의 절삭 지점 또는 치형을 도시하는 SEM 이미지이다.

구별을 위해서, 변형된 입자의 표면 텍스쳐는 상기 교시된 바와 같은 철 분말 변형 프로세스를 사용하여 제조되었던 텍스쳐와는 상이하다. 도 1e 에 도시된 바와 같이, 철 분말 변형 입자는 딥 피트와 스파이크를 나타낸다. 철 분말 변형 다이아몬드의 평균 거칠기는 0.68 이며, 평균 진구도는 0.34 이다. 도 3 및 도 4 에 도시된 바와 같이, 이러한 값은 니켈 코팅된 변형 다이아몬드 입자를 위해 측정된 값과 상당히 다르다. 또한, 철 분말에 의해 변형된 입자가, 니켈 코팅된 변형 다이아몬드와 같은 주변부의 단위 길이당 많은 절삭 지점을 갖지 않을지라도, 더 깊은 피트와 포켓이 결합 시스템 내에서 보다 양호한 파지를 제공하는데 유용할 수 있다.

실시예 2

MBG-620 70/80 메시 (mesh) 단결정질 다이아몬드 입자에는 니켈/인 코팅 (90 % Ni/10 % P) 이 코팅된다. 니켈 코팅된 다이아몬드 분말은 56 중량 % NiP 및 44 중량 % 다이아몬드를 포함한다. 각각의 다이아몬드 입자에는 NiP 코팅이 균일하게 덮여진다. Ni 코팅된 분말 5g 샘플이 노 안에서 수소 분위기 하에 1 시간 반 동안 1000 ℃ 의 온도로 가열된다. 가열 사이클이 완료되고, 코팅된 다이아몬드 분말이 실온으로 냉각된 후에, 변형된 다이아몬드 입자가 500 ㎖ 질산에서 니켈 코팅된 다이아몬드를 용해시킴으로써 회수된다. 이후, 혼합물은 5 시간의 주기 동안 120 ℃ 로 가열된다. 이후, 용액이 실온으로 냉각되고, 유리 다이아몬드가 정착되며, 용액이 디캔팅된다. 실질적으로 모든 니켈이 침지될 때까지 산세 및 가열 단계가 하나의 추가 시간에서 반복된다.

니켈이 다이아몬드로부터 제거된 후, 전환된 그래파이트가 황산 500 ㎖ 를 사용하여 입자로부터 제거되어 7 시간 동안 150 ℃ 로 가열된다. 이후, 용액이 실온으로 냉각되고, 다이아몬드가 정착되며, 용액이 디캔팅된다. 실질적으로 모든 그래파이트가 침지될 때까지 황산 산세 및 가열 단계가 하나의 추가 시간에서 반복된다.

이 실험에 의해 14 % 의 다이아몬드 중량 손실이 얻어진다. 입자의 예시가 도 27a 및 도 27b 에 도시된다.

실시예 3

실시예 1 의 다이아몬드 분말이 사파이어 래핑 적용 분야에서 추가로 평가된다. 에틸렌 글리콜계 슬러리가 단결정질 변형된 다이아몬드 입자 ("니켈 코팅 변형된 다이아몬드"), 및 동일 로트 (lot) 로부터, 니켈 코팅 변형된 다이아몬드가 만들어진 종래의 단결정질 다이아몬드 입자 "(변형되지 않은 다이아몬드") 를 사용하여 만들어진다. 또한, 종래의 다결정질 다이아몬드 뿐만 아니라 실시예 1 에 설명된 바와 같은 철 분말 변형 다이아몬드로부터 슬러리가 만들어진다. 슬러리가 평탄 (flat)-래핑 사파이어 웨이퍼를 위해 사용된다. 래핑 플레이트는 복합재 구리/수지 재료 (Lapmaster Inc.) 이며, 사파이어 웨이퍼는 c-평면이며, 2 인치 직경이고, 애즈 랩드 (as-lapped) 표면 텍스쳐 및 490 ㎛ 두께이다. 래핑 프로세스가 동일한 처리 조건 및 동일한 시간량 하에 각각의 슬러리를 사용하여 실행된다. 각각의 슬러리의 다이아몬드 농도는 500 ㎖ 당 10 캐럿 (carat) 이며 점도는 15 - 20 cps 이다. 각각의 실험 전에, 래핑 플레이트는 600 그릿 (grit) 다이아몬드 드레싱 휠을 사용하여 5 분 동안 드레싱된다. 사파이어 웨이퍼 상의 각각의 압력은 3.2 psi 이며, 래핑 플레이트의 회전 속도는 60 rpm 이고, 슬러리 공급률은 분당 2 - 3 ㎖ 이다. 각각의 사이클 후, 웨이퍼가 중량 손실에 대해 측정된다.

도 5 는, 500 ㎖ 슬러리에서 다이아몬드 10 캐럿을 갖는 슬러리의 종래의 4 - 8 미크론 단결정질 다이아몬드 입자, 500 ㎖ 슬러리에서 다이아몬드 10 캐럿을 갖는 슬러리의 종래의 4 - 8 미크론 다결정질 다이아몬드 입자 및 500 ㎖ 슬러리당 다이아몬드 10 캐럿을 사용하는 35 % 중량 손실 및 56 % 중량 손실의 변형된 4 - 8 미크론 단결정질 다이아몬드 입자를 사용한 2 개의 슬러리의 래핑 성능을 비교한 그래프이다. 도 5 및 도 2 (표 1) 에 도시된 바와 같이, 종래의 4 - 8 ㎛ 다이아몬드 슬러리의 재료 제거율은 사파이어 웨이퍼 당 126 mg/시간이다. 다결정질 다이아몬드 입자에 의해 만들어진 슬러리를 사용하면, 재료 제거율은 168 mg/시간이다. 변형된 다이아몬드 입자를 사용하여 만들어진 슬러리는 35 % 중량 손실 분말에 대해 279 mg/시간의 재료 제거율을 가지며, 56 % 중량 손실 분말을 사용한 것에 대해서는 304 mg/시간의 재료 제거율을 갖는다.

또한, 변형된 다이아몬드 입자가 상당히 더 높은 재료 제거율을 제공하지만, 사파이어 웨이퍼의 결과적인 표면 거칠기 (Ra) 는 종래의 단결정질 다이아몬드 및 다결정질 다이아몬드 보다 낮다는 것을 도 5 에 도시된 결과로부터 알 수 있다. 다결정질 다이아몬드 슬러리에 의해 광택된 웨이퍼의 웨이퍼 거칠기는 45.9 nm +/- 3.5 nm 이며, 단결정질 다이아몬드에 의해 광택된 웨이퍼의 웨이퍼 거칠기는 51.3 nm +/- 2.7 nm 이다. 비교해 보면, Veeco Wyco 모델 NT1lOO 광학 표면 프로파일미터에 의해 측정되는 바와 같이, 35 % 중량 손실 다이아몬드를 이용하여 광택된 사파이어 웨이퍼의 웨이퍼 거칠기는 32.8 nm +/- 1.8 nm 이며, 56 % 중량 손실 다이아몬드 슬러리에 의해 광택된 웨이퍼는 33.7 nm +/- 2.7 nm 의 웨이퍼 거칠기를 갖는다.

도 2 (표 1) 에 도시된 바와 같이, 단결정질 변형 다이아몬드 입자의 비표면적은 각각, 35 % 중량 손실 다이아몬드에 대해 1.29 ㎡/g 이며, 56 % 중량 손실 다이아몬드에 대해 1.55 ㎡/g 인 것을 알 수 있다. 이는 비표면적이 0.88 ㎡/g 인 것에 비해 각각 47 % 및 76 % 증가한다. 2 개의 샘플의 입자 크기 분포가 동일하기 때문에 이는 중요하다. 증가된 비표면적은 변형된 단결정질 다이아몬드 입자의 표면상에 추가 영역의 생성에 기인한다.

실시예 4

9 ㎛ 의 평균 크기를 갖는 6 - 12 ㎛ 단결정질 다이아몬드 분말이 30 중량 % 다이아몬드 입자와 70 중량 % 철 분말의 혼합비를 사용하여 3 ㎛ 의 평균 크기를 갖는 철 분말과 혼합된다(결합제 없음). 혼합물이 20,000 psi 의 압력에서 Carver 프레스를 사용하여 2 cm x 0.5 cm 펠렛으로 압분체화된다. 펠렛이 수소 분위기에서 2 시간 동안 700 ℃ 로 가열된다. 다이아몬드 입자는 산 침지 프로세스를 사용하여 회수된다. 이러한 샘플의 특징이 도 13 (표 2) 에 도시된다.

에틸렌 글리콜계 슬러리가 본 발명의 단결정질 다이아몬드 입자 ("변형된 다이아몬드") 및 동일한 로트로부터, 변형된 다이아몬드가 만드어지는 종래의 단결정질 다이아몬드 입자 "(변형되지 않은 다이아몬드") 를 사용하여 만들어진다. 슬러리는 평탄한 래핑 사파이어 웨이퍼를 위해 사용된다. 래핑 플레이트는 복합재 구리 플레이트이며, 사파이어 웨이퍼는 2 인치 직경이다. 래핑 프로세스가 동일한 처리 조건 및 동일한 시간량 하에 각각의 슬러리를 사용하여 실행된다. 슬러리의 다이아몬드 농도는 500 ㎖ 당 10 캐럿이며 점도는 15 - 20 cps 이다. 각각의 실험 전에, 래핑 플레이트는 600 그릿 다이아몬드 드레싱 휠을 사용하여 5 분 동안 드레싱된다. 사파이어 웨이퍼 상의 각각의 압력은 3.2 psi 이며, 래핑 플레이트의 회전 속도는 60 rpm 이고, 슬러리 공급률은 분당 2 - 3 ㎖ 이다. 각각의 사이클 후, 웨이퍼가 중량 손실에 대해 측정된다.

도 22 는, 500 ㎖ 슬러리에서 다이아몬드 10 캐럿을 갖는 슬러리의 종래의 6 - 12 미크론 단결정질 다이아몬드 입자, 500 ㎖ 슬러리에서 다이아몬드 10 캐럿을 갖는 슬러리의 종래의 8 - 12 미크론 다결정질 다이아몬드 입자, 및 500 ㎖ 슬러리당 다이아몬드 10 캐럿을 사용하는 슬러리에서 6 - 12 미크론 단결정질 다이아몬드 입자 (변형됨 6 - 12) 및 500 ㎖ 슬러리당 본 발명의 다이아몬드 20 10 캐럿을 사용하는 슬러리의 래핑 성능을 비교한 그래프이다.

종래의 단결정질 다이아몬드 입자 ("변형되지 않은 다이아몬드") 에 비해 본 발명의 단결정질 다이아몬드 입자 ("변형된 다이아몬드") 의 비표면적은 0.64 ㎡/g 대 0.50 ㎡/g 이며, 28 % 증가한다. 2 개의 샘플의 입자 크기 분포가 동일하기 때문에 이는 중요하다. 증가된 표면적은 본 발명의 단결정질 다이아몬드 입자의 표면상에 추가 영역의 생성에 기인한다.

실시예 5

9 ㎛ 종래의 단결정질 다이아몬드 입자와 철 분말이 도 23 의 표 3 에 도시된 바와 같은 다양한 시간 및 온도를 사용하여 펠릿 (실시예 3 에 따름) 에 프레스됨으로써 7 개의 연속적인 추가 실험이 실행된다.

다이아몬드가 처리되고, 실시예 4 에 기재된 바와 같이 회수된다. 중량 손실, 표면 거칠기 및 진구도의 측정이 이들 실험으로부터 회수된 샘플로부터 획득된다. 추가로, 슬러리는 각각의 샘플로부터 만들어지고, 실시예 4 에 기재된 래핑 시험에 의해 시험을 받는다.

각각의 샘플을 위해, 변형된 다이아몬드 입자의 이미지가, Hitachi model S-2600N 주사 전자 현미경 (SEM) 에 의해 2500X 배율로 취해진다. 이 SEM 이미지는 동일한 배율 (2500X) 로 보정된 Clemex 이미지 분석장치 비전 (Vision) PE 3.5 로 업로드된 TIFF 이미지 파일에 저장된다. 이 실시예에서, 그리고 이러한 배율을 위해서, 보정은 0.0446 ㎛/픽셀 해상도로 된다. 이미지 분석 시스템은 베이스 입자에 의해 입자 상의 입자 크기와 형상 파라미터를 측정한다. 각각의 실험 세트로부터 적어도 50 개의 입자의 개체군에 대한 측정이 Clemex 이미지 분석장치에 의해 자동으로 이루어진다. 측정을 유도하기 위해서 이미지 분석 장치에 의해 사용된 수학식은 전술한 "정의" 부분에서 알 수 있으며, 또한 Clemex 비전 사용자 가이드 PE 3.5 ⓒ2001 에서도 알 수 있다. 표면 거칠기 및 진구도가 계산되고, 그리고 각각의 시험을 위한 중량 손실 및 비표면적에 추가하여 도 13 (표 2) 에 기록된다. 실시예 4 로부터의 결과가 도 13 (표 2) 에 포함된다.

균등물

본 발명이 소정의 예시적 실시형태에 관련하여 설명되었지만, 많은 대안, 변형 및 변경이 전술한 상세한 설명과 일관된 방식으로 개시된 발명에서 이루어질 수도 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 다양한 개시된 예시적 실시형태의 소정의 양태가, 청구된 발명에 내포되지만 의도된 용도 또는 성능 요건에 보다 근접하게 적용되는 본원에는 명확하게 개시되지 않았지만 추가적인 실시형태를 만들도록 다른 개시의 실시형태 또는 이의 대안 중 어느 하나의 양태와 조합하여 사용될 수도 있다. 이에 따라, 본 발명의 사상 내에 있는 이러한 모든 대안, 변형, 및 변경 모두가 첨부의 청구범위의 범주 내에 포함된다.

Claims (1)

1. 발명의 설명에 기재된 것을 특징으로 하는 단결정질 다이아몬드 입자.

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