KR930007149B1 - 공업용 다이아몬드 코팅 및 그 형성방법 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
제1a도~제1c도는 선행 기술에 따른 다이아몬드 코팅의 제조방법을 보인 단면도.
제2도는 본 발명에 따른 다이아몬드 코팅의 제조방법을 설명하기 위한 마이크로 웨이브 CVD 장치를 보인 개략도.
제3a도~제3e도는 본 발명의 제1실시형태에 따른 다이아몬드 코팅의 제조방법.
제4도, 제5도는 선행기술과 비교함으로서 본 발명의 잇점을 보인 그래프.
제6도는 머싱작업 후의 본 발명에 따른 다이아몬드 코팅을 보인 단면도.
제7a도~제7d도는 본 발명의 제2실시형태에 따른 다이아몬드의 제조방법을 보인 단면도.
제8a도~제8b도는 본 발명의 제1실시형태의 변형을 보인 설명도.
제9a도~제9b도는 본 발명의 제2실시형태의 변형을 보인 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 기재 2 : 홀더
3 : 헬모쯔 코일(Helmholtz coil) 4 : 전원
5 : 가스주입시스템 6 : 마이크로 웨이브 발생기
7 : 진공실
9 : 터보분자 펌프(Turbo molecular pump)
10 : 다이아몬드 필름(다이아몬드 결정)
11 : 접착제 12 : 로터리 펌프
본 발명은 공업용 다이아몬드 코팅 및 그 형성방법에 관한 것이다. 기계적 용도를 위해 매우 단단한 표면 또는 연마부를 갖는 컷팅공구, 그라인딩 공구 또는 다른 기구들과 같은 기계공구의 수명은 다이아몬드, 티타늄 카바이드, 티타늄 니트라이드, 카본네이트 티타늄 니트라이드, 알루미늄 옥사이드와 같은 매우 단단한 물질로 이루어진 단단한 보호막을 표면 또는 연마부에 직접 코팅하여 연장할 수 있다. 특히 다이아몬드 코팅은 비철금속 또는 세라믹으로 이루어진 표면에 코팅하는 경우에 매우 효과적인 것으로 믿어져 왔다.
이런 기술의 실시 문제들 중 하나는 공구의 표면으로부터 상기 다이아몬드 필름이 이탈 또는 마모되는 것이다. 현재까지 아직 공구의 표면의 다이아몬드 코팅이 충분한 접착성을 갖지 못하기 때문이다. 상기 다이아몬드 필름과 대상물 표면 사이의 열팽창 계수의 차이가 표면으로부터 다이아몬드 필름의 분리를 일으키는 것으로 생각되고 있다. 본 출원인은 1990년 3월 26일자로 출원한 일본 특허출원 번호 제2-76308호에서 상기 종래의 결점을 해결하기 위한 개선된 방법을 제안했다. 제1a도~제1c도는 일본 출원에 제기된 본 발명에 따른 다이아몬드 코팅의 제조방법을 보인 단면도이다. 제1a도는 부호 "10"으로 표시된 박막의 형성에 있어서 기재(1)로부터 성장한 다이아몬드 결정들의 단면도이다.
상기 도면에서 보인 것처럼 결정들은 역원뿔형으로 성장된다. 기재의 표면에 대한 결정들의 접촉영역은 빈약한 접착성을 띈 역원뿔형이기 때문에 매우 작다. 다이아몬드 필름(10)으로 피복된 기재(1)는 제1b도에서 보인 바와 같이 금납(접착제(11))의 수단에 의해 다이아몬드 필름으로 보강될 대상물(20)의 표면과 결합된다.
결국 상기 기재(1)는 제1c도에서 보인 바와 같이 기계적 그라인딩에 의해 상기 다이아몬드 필름으로부터 제거된다. 제1c도로부터 쉽게 이해할 수 있는 것처럼 다이아몬드 결정들(10)과 대상물(20)의 표면의 접촉영역은 이런 공정에 의해 실질적으로 증가되고 또한 접착제의 효과에 의해 코팅구조의 기계적 강도가 크게 개선될 수 있다. 따라서 이런 방법은 수많은 응용에 있어서 매우 효과적이다. 다른 한편으로 그러나 약간의 불편함은 상기 방법이 그라인딩 공구의 경우에서와 같이 기계작동중 많은 마찰열을 발생하는 장치에 제공될 때 나타날 수 있다. 기재상에 형성된 다이아몬드 코팅이 이런 경우에서 기재의 표면으로부터 마모되었다.
본 발명의 목적은 대상물의 표면으로부터 거의 분리되지 않는 다이아몬드 코팅 및 그 형성방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 큰 마찰열로 인한 기계작동중 온도가 증가되는 장치에 제공될 수 있는 다이아몬드 코팅 및 그 형성방법을 구비하는데 있다.
본 발명의 다른 목적, 장점 및 특징은 아래의 상세한 설명에서 기술될 것이고 부분적으로 당해 기술분야의 통상의 전문가에게 아래의 검토에 의하여 명백하게 되거나 본 발명의 실시에 의하여 알게될 것이다. 본 발명의 상기 목적 및 장점을 특히 첨부된 청구범위에서 지적한 수단 및 결합에 의해 알게되고 달성된다.
전술한 목적 및 다른 목적을 성취하기 위하여 여기서 실시되고 넓게 언급된 것처럼 본 발명에 따르면 다이아몬드 코팅으로부터 다이아몬드 구조와 다른 구조인 카본을 제거하고 그 빈공간에 열저항성 물질을 채우는 것이다.
상기 해결책은 다이아몬드 코팅의 마모는 온도가 300℃이상 오를때, 대상물의 표면구조로부터 쉽게 분리되는 비정질 카본 또는 그래파이트와 같은 다이아몬드 구조와 다른 구조가, 증착된 다이아몬드 코팅에서 발생된다는 발견으로부터 나온 것이다.
즉, 본 발명에 따른 다이아몬드 코팅은 열저항성 물질로 채워진 순수 다이아몬드 결정들 만으로 이루어진 다이아몬드 코팅이므로 높은 온도에서도 코팅의 분리가 일어나지 않는다.
제2도 및 제3a도~제3e도를 본 발명의 제1실시예에 따른 카본 코팅의 형성방법이 설명될 것이다.
제2도는 자계에서 다이아몬드의 증착을 실행하기 위한 마이크로 웨이브 CVD장치를 도시하고 있다. 상기 장치는 진공실(7)과, 진공실(7)안에 위치한 홀더(2)와, 홀더(2)에 적당한 바이어스 전압을 인가하기 위한 전원(4)와, 진공실(7)에 연결된 마이크로 웨이버 발생기(5)와, 진공실(7)안으로 반응 가스를 유입시키기 위한 개스 유입 시스템(5)와, 진공실(7) 주변을 에워싼 헬몰쯔 코일(Helmholtz coil, 3)과 적당한 범위에 진공실내 압력을 유지시키고 거기서 소모된 가스를 제거하기 위한 터보분자 펌프(9)와, 로터리 펌프(12)를 구비한 진공시스템들로 구성된다.
진공실(7)내 홀더(2)상에 피복될 직경 4인치의 실리콘 반도체 기재(1)를 올려 놓은 후, 진공 시스템 수단에 의해 진공실(7)을 진공시키고 메칸올(50ccm)과 수소(100ccm)을 포함한 반응가스를 가스 주입 시스템(5)으로부터 진공실로 주입한다. 상기 코일(3)들에 의해 유도된 자장의 세기는 기재 표면에서 예를들면 875가우스 또는 그 이상의 안정된 범위에서 조절된다. 마이크로 웨이브(2.45GHz)가 4kW로 발생기(6)로부터 입력된다.
상기 반응가스가 고에너지 플라즈마로 활성되고 0.25토르(Torr)의 반응압력에서 기재(1)의 표면상에 다이아몬드 결정을 성장하도록 분해된다.
상기 기재(1)의 온도는 증착중 800℃를 유지한다. 따라서 10㎛두깨의 다이아몬드 필름이 20시간 동안 계속된 증착에 의해 기재상에 피복된다. 기재의 표면은 직경 30㎛-40㎛의 다이아몬드 입자가 분산되어 있는 용액에서 60분 동안 초음파 처리에 의해 기재상에 결정 성장을 위한 결정핵을 제공하기 위해 먼저 스크래치 된다.
제3a도의 부호 "10"은 기재(1)로부터 성장된 박막형상의 다이아몬드 결정의 단면을 보여준다. 도면에서 보인 바와 같이 상기 결정들이 역원뿔형으로 성장된다. 기재의 표면과 결정의 접촉영역은 역원뿔형이기 때문에 매우 작어서 나쁜 접착성을 갖는다.
다이아몬드 필름(10)으로 피복된 기재(1)를 진공실로부터 꺼내고 제3b도에 도시된 것처럼 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole)로 구성된 접착제를 이용하여 다이아몬드 필름으로 강화될 대상물(20)의 표면에 접합시킨다.
상기 대상물의 표면은 예를들면 텅스텐 카바이드로 이루어진 그라인더의 연마표면이다. 상기 접착제 대신으로 구조 강화를 위한 안정된 열저항성과 강화 접착제와 같은 다른 접착제, 예를들면 에폭시(epoxy), 니트릴/페놀(nitrile/phenolic)이 이용될 수 있다. 다이아몬드 필름(10)의 표면은, 만약 요구된다면 대상물(20)에 대하여 접착성을 더욱 높이기 위해 접합에 앞서 플라즈마 처리 또는 모래분사처리 되어진다.
상기 기재(1)는 제3c도에서 보인 바와 같이 기계적 그라인딩에 의해 다이아몬드 필름(10)으로부터 제거된다. 제3c도에서 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이 다이아몬드 결정(10)들과 대상물의 표면(10)과의 접촉면적이 이러한 공정에 의해 실질적으로 증가된다.
상기 대상물은 플라즈마 에칭을 실시하기 위해 제2도에 보인 장치에서 재증착된다. 부식가스는 100SCCM로 진공실(7)에 주입된 산소이다. 산소의 반응압력은 진공 시스템에 의해 0.10토르(Torr)로 유지된다. 마이크로 웨이브 에너지(2.45GHz)의 입력전원은 4kW이다.
대상물에 인가된 자장의 세기는 875가우스 또는 이상이다. 에칭작업은 코팅으로부터 다이아몬드와 다른 아모퍼스 카본과 그래파이트와 같은 카본물질을 제거하도록 30분 동안 계속된다. 그러므로 제3d도에서 도시된 바와 같이, 카본물질이 코팅에서 제거된 후 공간이 남게 된다.
결국 상기 공간은 제3e도에 도시된 바와 같이 접착력 있는 보호 코팅이 되도록 폴리벤지미다졸과 같은 열저항 접착제 또는 결합제로 채워진다.
본 발명의 효과를 증명하기 위해 비교실험이 실시되었다. 테스트는 날이 다이아몬드 코팅으로 선택적으로 피복되거나 피복되지 않은 텅스텐으로 이루어진 간단한 컷팅 공구로 교환된 선반으로 알루미늄 실린더의 외주 표면을 자르는 시험이다.
외주표면을 회전을 날의 컷팅 속도는 400m/min이다. 표면에 대한 컷팅 깊이는 0.25㎜이다. 컷팅 날에 대한 표면의 이송 속도는 0.1㎜/rev이다.
제4도는 컷팅 작업으로 인해 닳아 없어진 날의 표면부의 두께와 커트된 표면의 길이 사이의 관계를 보인 그래프이다. 곡선(21)은 공구가 다이아몬드 코팅이 없는 것을 나타낸다. 곡선(22)는 다이아몬드가 종래 기술에 따라 공구상에 직접적으로 증착된 경우를 나타낸다.
곡선(23)은 다이아몬드가 우선 기재상에 증착되었다가 제1a도~제1c에 도시된 바와 같이 공구에 이전된 경우를 나타낸다. 곡선(24)은 다이아몬드가 기재상에 우선 증착되고, 공구에 이전되고, 제3a도~제3e도에 보인 바와 같이 에칭되고 폴리벤지미다졸이 채워진 경우를 나타낸다. 그래프에서 보인 바와 같이 높은 내연마성 공구는 역원뿔 다이아몬드의 넓은 바닥 표면이 날과 결합하는 다이아몬드 코팅으로 이루어진 컷팅날의 사용으로 실현될 수 있다는 것을 곡선(23), (24)과, 곡선(21), (22)의 비교에 의해 알 수 있다.
본 발명의 현저한 장점은 컷팅 속도가 1000m/min로 증가되어 날의 온도가 약 300℃로 증가될때 나타난다.
제5도는 제4도와 동일한 관계를 보인 그래프이다. 곡선(23)은 다이아몬드가 제1a도~제1c도에 보인 바와 같이 기재상에 증착되고 그 후 공구에 이전된 경우를 나타낸다. 곡선(24)은 다이아몬드가 기재상에 증착되어 공구에 이전되고 제3a도~제3e도에서 보인 바와 같이 에칭되고 폴리벤지미다졸로 채워진 경우를 나타낸다.
그래프에서 보인 바와 같이 곡선(23)은 다이아몬드 코팅이 컷팅 길이가 증가됨에 따라 실질적으로 닳아 없어졌음을 나타낸다. 이러한 결과는 코팅의 다이아몬드 결정들 사이의 빈공간에서 생기는 아모퍼스 카본 또는 그래파이트가 온도의 증가로 인하여 분리되기 때문이라고 생각된다. 이와 대조적으로 곡선(24)은 적은 마모와 함께 코팅의 열저항을 나타낸다. 이것은 제6도에서 보인 바와 같이, 컷팅 중의 연마 작용으로 인하여 비록 표면부분이 닳아도 구성요소인 다이아몬드 원뿔의 기초를 보강하는 폴리벤지미다졸 충전제가 있기 때문인 것으로 생각된다.
제7a도~제7d도를 참조하여, 본 발명의 제2실시형태에 따른 카본 코팅의 제조방법이 설명될 것이다.
제7a도 부호 "10"로 표시된 박막의 형상에 있어서 기재(1)로부터 성장된 다이아몬드 결정들의 단면도를 보인 도면이다.
증착과정은 제1실시형태와 같은 방법으로 행해진다. 그후 대상물은 제2도에 나타낸 바와 동일한 장치내에서 반응가스를 증착용 가스에서 에칭용 가스로 바꿔 플라즈마 에치을 받게 된다.
즉 증착과 에칭은 대상물의 이동없이 연속적으로 실행될 수 있다. 에칭가스는 100SCCM 상태인 진공실(7)에 주입된 산소이다. 산소의 반응입력은 진공 시스템 수단에 의해 0.10토르(Torr)를 유지한다.
마이크로 웨이브 에너지(2.45GHz)의 입력전원은 4kW이다. 대상물에 공급된 자장에 세기는 875가우스 또는 그 이상이다. 에칭작업은 코팅으로부터 다이아몬드와 구조가 다른 아모퍼스 카본과 그래파이트와 같은 카본물질을 제거하도록 30분동안 계속된다. 그러므로 제거후에 공간이 제7b도에서 보인 바와 같이 코팅에 생긴다. 순수 다이아몬드 결정들로만 구성된 다이아몬드 필름(10)으로 피복된 기재(1)는 제7c도에서 보인 바와 같이 폴리벤지미다졸로 이루어진 접착제 의해 다이아몬드 필름이 보강될 대상물(20)의 표면과 접합된다. 상기 접착제 대신에 다른 접착제 즉 제1실시형태에서와 같은 구조 강화제용 열저항 강화 접착제 예를 들면, 에폭시/페놀, 니트릴/페놀 등이 이용될 수 있다.
기재(1)는 제7d도에서 보인 바와 같이 기계적 그라인딩에 의해 다이아몬드 필름(10)으로부터 제거된다.
제7d도에서 쉽게 알 수 있는 것처럼 다이아몬드 결정(10)들과 대상물(20)의 표면의 접촉영역은 이런 공정에 의해 실질적으로 증가되고 각각의 다이아몬드 결정들은 고온 상태에서도 감성되지(degraded) 않는 접착제(11)에 의해 고정된다.
바람직한 실시예들의 상기 기술은 예시 및 상술의 목적으로 제출된 것이다. 언급된 실시예로 본 발명을 국한하거나 제한하고자 하는 것이 아니며 많은 변화와 변경이 상기 기술에 의해 가능하다. 실시예는 본 발명의 원리를 가장 명료하게 설명하고 당해 기술분야에서 가장 효과적으로 숙고된 특별한 이용에 맞는 다양한 변화를 갖는 여러 실시 형태를 실시할 수 있는 실용적 응용을 위해 선택된 것이다. 예를들면 코팅될 대상물의 표면과 같은 모양을 갖는 몰드로서의 기재(1)을 준비한다면, 같은 방법으로 다양한 모습을 갖는 대상물들이 피복될 수 있다.
제8a도와 제8b도는 이런 변형의 예를 도시한 것이다. 제8a도는 피복되어야 할 대상물로서 날카로운 팁을 갖는 실린더(30)를 도시하고 있다. 이러한 대상물의 코팅을 위해 제8b도에 보인 바와 같이 기재(31)는 본 대상물(30)의 바깥면에 상응하는 내부 표면을 제공하기 위해 이용된다. 내부 표면은 제3a도~제3e도에 관한 것을 위해서 설명된 것처럼 같은 공정에 의해 얻어진 다이아몬드 코팅을 우선 피복한다. 제9a도와 제9b도는 이런 변형의 또다른 예를 도시한 것이다. 제9a도는 피복되어야 할 대상물로서 코팅으로 보강되어야 할 위쪽 표면을 갖는 직사각형 블럭(30)을 도시한 것이다.
이러한 대상물의 코팅을 위해, 제9b도에 보인 기재(31)는 제7a도~제7d도에서 보인 바와 같은 공정에 의해서 대상물(30)의 위쪽면에 상응하는 내부쪽 표면을 제공하는데 이용된다.
상기 언급된 것처럼 제2도에 보인 장치에 있어서의 증착방법은 대상물이 복잡한 표면을 갖더라도 균일한 다이아몬드 코팅을 이런 방법에 의해 증착할 수 있기 때문에 매우 적당하다.
한편 다이아몬드와 구조가 다른 카본 물질의 에칭은 웨트(wet) 에칭과 같은 에칭 장치 또는 화학적 에칭의 다른 형태의 수단에 의해 적당하게 실행할 수 있다.
증착용 쳄버와 동일한 쳄버에서 에칭을 하는 제2실시형태의 방법의 에칭은 다이아몬드 코팅이 외부 분위기의 노출없이 청결을 유지할 수 있기 때문에 보다 좋게 실시된다. 불필요한 기재(1)의 제거는 기재를 용해할 수 있는 안정된 화학물(솔벤트)의 이용에 의해 또한 이루어질 수 있다.
다이아몬드 구조와 다른 형태의 카본은 에칭 대신에 압력을 감소시킨 상태의 제2도에 보인 장치에서 다이아몬드 코팅을 가열하여 본 발명의 다이아몬드 코팅으로부터 쉽게 제거할 수 있다.
Claims (16)
- 공업용 다이아몬드 코팅으로부터 다이아몬드 구조와 다른 형태를 갖는 카본을 제거하는 단계와 상기 코팅에 생긴 빈 공간을 열저항성 물질로 채우는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 대상물의 표면에 공업용 다이아몬드 코팅의 형성방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제거 단계가 에칭에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 공업용 다이아몬드 코팅의 형성방법.
- 제1항에 있어서, 상기 코팅이 증착에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 공업용 다이아몬드 코팅의 형성방법.
- 제1항에 있어서, 상기 열저항성 물질이 접착제인 것을 특징으로 하는 공업용 다이아몬드 코팅의 형성방법.
- 기재상에 다이아몬드 코팅을 생성시키는 단계와, 접착수단에 의해 대상물의 표면에 상기 다이아몬드 코팅을 접합시키는 단계와, 상기 기재를 상기 다이아몬드 코팅으로부터 제거하는 단계와, 상기 코팅에서 상기 다이아몬드 구조와 다른 형태의 카본을 제거하는 단계와, 제거후 상기 코팅에 생긴 빈 공간을 열저항성 물질로 채우는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 대상물의 표면상에 공업용 다이아몬드 코팅의 형성방법.
- 제5항에 있어서, 상기 제거 단계가 에칭에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 공업용 다이아몬드 코팅의 형성방법.
- 제5항에 있어서, 상기 코팅이 상기 기재상에 증착에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 공업용 다이아몬드 코팅의 형성방법.
- 제5항에 있어서, 상기 열저항성 물질이 접착제인 것을 특징으로 하는 공업용 다이아몬드 코팅의 형성방법.
- 기재상에 다이아몬드 코팅을 생성시키는 단계와, 상기 코팅으로부터 다이아몬드 구조와 다른 형태인 카본을 제거하는 단계와, 제거후 상기 코팅에 생긴 빈 공간을 채우기 위하여 상기 코팅과 상기 표면 사이에 공급되는 열저항성 접착제 수단에 의해 상기 표면과 상기 다이아몬드 코팅을 결합시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 대상물 표면상에 공업용 다이아몬드 코팅의 형성방법.
- 제9항에 있어서, 상기 제거 단계가 에칭에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 공업용 다이아몬드 코팅의 형성방법.
- 제9항에 있어서, 상기 다이아몬드로부터 상기 기재를 제거하는 단계로 더 구성되는 것을 특징으로 하는 공업용 다이아몬드 코팅의 형성방법.
- 제9항에 있어서, 상기 코팅이 증착에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 공업용 다이아몬드 코팅의 형성방법.
- 공업용 다이아몬드 코팅을 형성하기 위하여, 진공 증착에 의해 기재상에 다이아몬드 결정을 생성하는 단계와, 상기 다이아몬드 결정이 형성된 상기 기재와 대상물의 표면을 접착물질로 접합하는 단계와, 상기 대상물의 표면에 상기 다이아몬드 결정이 남아 있도록 상기 대상물로부터 상기 기재를 제거하는 단계와, 상기 대상물의 표면과 상기 기재를 접합하기전 또는 상기 대상물의 표면으로부터 상기 기재를 제거한 후에 상기 대상물의 표면으로부터 상기 다이아몬드 결정과 다른 형태의 카본을 제거하는 단계와, 상기 대상물의 표면에 생긴 빈공간을 열저항성, 접착성 물질로 채우는 단계를 포함하는 공정에 의하여 형성된, 적어도 하나 이상의 표면을 갖는 대상물의 상기 표면에 증착된 다수의 다이아몬드 결정들 사이의 빈공간을 열저항성, 접착성 물질을 채운 공업용 다이아몬드 코팅.
- 제13항에 있어서, 상기 대상물의 표면이 기계공구의 작업 표면인 것을 특징으로 하는 공업용 다이아몬드 코팅.
- 제13항에 있어서, 상기 다이아몬드 결정의 모양이 원뿔형이고, 상기 원뿔형 결정의 바닥면이 상기 대상물의 표면을 마주보는 것을 특징으로 하는 공업용 다이아몬드 코팅.
- 제13항에 있어서, 상기 열저항성, 접착성 물질이 폴리벤지미다졸, 에폭시, 니트릴/페놀로 구성되는 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 공업용 다이아몬드 코팅.
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