KR940002022B1 - 다이아몬드의 가공방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

다이아몬드의 가공방법

본 발명은 절삭공구, 내마모공구, 반도체용히이트싱크등에 공업적으로 사용되는 다이아몬드의 가공방법에 관한 것이다.

다이아몬드는 현존하는 재료중에서 경도 및 탄성률이 가장 높은 재료이다. 또한, 극히 순수한 다이아몬드는 열전도도 및 적외선 영역내에서 광투과율이 가장 높은 우수한 특성을 지니므로, 다이아몬드는 다른 재료로 대체할 수 없는 귀중한 자원중의 하나이다.

종래, 다이아몬드를 분할하는 방법으로 절삭과 벽개(cleavage)가 잘 알려져 있다. 상기 전자의 방법에는 2가지 방법이 있는데 그중 하나는 다음과 같다. 즉, 다이아몬드입자를 함유하는 절삭블레이드가 고속으로 회전하여, 다이아몬드 표면을 압박하여 절삭을 행하는 것이고 다른 방법은, 예를들면, 레이저비임을 사용하는 열절삭이다.

상기 후자의 방법에서는, 다른 다이아몬드나 절삭블레이드로 다이아몬드에 홈을 낸후, 칼날모양의 쐐기를 홈안으로 박아서 다이아몬드를 쪼갠다.(캐쓰호코가쿠 Kesshokogaku)핸드북 411∼412페이지 참조). 상기 후자의 방법은 (111)면에 평행하게 쉽게 쪼개지는 다이아몬드의 성질을 이용한 것으로 다이아몬드를 경제적으로 분할하는 최선의 방법으로 고려되고 있으며 특히 이 방법은, 상기 전자의 방법과 비교할 경우, 절삭블레이드와 동일한 만큼의 폭손실을 요하지 않으며, 또한 다이아몬드를 분할하는데 상당한 시간을 요하지도 않는다.

그러나, 이 방법은 장식품을 제조하기 위해 통상의 절단기를 사용하여 대형 다이아몬드를 분할하는데 이용되고 있을 뿐 이 방법에서는, 고도의 기술을 요하며, 고가의 다이아몬드를 파괴할 가능성이 크고, 평면이 불균일하게 쪼개질 가능성이 높아("다이아몬드"(Sanyo Shuppan 무역주식회사)(216∼218페이지 및 "세라믹스"11(1976) No.6 520페이지 참조). 산업분야에서 이용되지 않는다. 또한, 다이아몬드를 분할하여서는 히이트싱크 및 와이어드로우잉 다이에 있어 불가결한 복수의 얇은, 균일한 플레이트를 얻을 수는 없다.

종래 기술의 문제점은 본 발명에 의해 명백해졌다. 즉, 균일한 벽개면을 얻으려면, 홈과 (111)벽개면 사이의 각이 0.5°이하이어야만 한다. 그러나, 다이아몬드는 0.5°정도의 정확성을 얻기에는 너무나 경도가 크기 때문에, 다른 다이아몬드나 절삭블레이드를 사용하여 이런 정확도를 갖는 홈을 낸다는 것은 불가능하다. 또한, 홈의 윤곽선이 절단했을 경우 0.1㎜ 이내이어야만 하나, 종래 기술을 사용하여 그런 정확한 홈을 낸다는 것은 상당히 곤란하다.

또한, 종래 기술은 천연다이아몬드결정의 가공을 대상으로 해왔으나, 천연다이아몬드결정은 그 표면이 땅속에 있어서 용해작용을 받아, 곡면형상이 되어 있는 예가 많고, 이와같은 경우 기준이 되는(111)면을 찾아내기가 곤란하였다.

아울러, 벽개를 재현성좋게, 또한 정밀도좋게 행하기 위해서는 홈의 형상은 일정한 각도를 가진 V자형상인 것이 바람직하나, 종래 기술로는 형상이 부정형으로 되기 쉽고, 벽개에 필요한 응력을 거는 작용점이 흐트러져 재현성, 정밀도에 문제가 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 다이아몬드의 벽개에 관한 향상된 공정을 제공하는데 있다.

즉, 단결정 다이아몬드상에, 전자비임, 이온비임 및 레이저비임으로 이루어지는 군에서 선택한 에너지비임으로 (111)면에 평행하게 홈을 형성한 후 홈안으로 쐐기를 박아서 단결정 다이아몬드를 분할하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드의 가공방법을 제공하는 것으로, 이 공정은 합성다이아몬드 및 천연다이아몬드에 응용할 수 있다.

상기 본 발명의 다이아몬드의 가공방법은 다음과 같이 2공정으로 이루어진다.

첫째, 이온비임, 전자비임 및 레이저비임에서 선택한 방법으로 (111)면에 평행하게 단결정다이아몬드의 표면에 홈을 낸다. 이때, 이동장치를 지닌 X-Y테이블을 사용하여, 단결정다이아몬드의 (111)면을 테이블의 X 또는 Y축에 평행하고 또한 에너지비임에 평행하게 조정한 후 단결정다이아몬드에 용이하게 홈을 낸다. 종래 기술에 있어 상당한 숙련이 없이 확실하고 정확하게 벽개하기 위하여, 상기 공정은 다음의 벽개공정을 위한 효과적인 수단으로서 바람직하다. 단결정다이아몬드의 표면상에 홈을 낸후, 금속 또는 세라믹으로 만든 쐐기 또는 칼등의 날카로운 판을 홈안에 설치하고 날카로운 판을 (111)면에 평행하게 홈안으로 끼워 넣은 후 단결정다이아몬드를 완전히 쪼갠다. 홈안으로 날카로운 판을 끼워넣는 수단으로 해머링, 가압 또는 열팽창응력을 사용할 수 있다.

일반적으로, 쐐기의 길이는 홈의 길이보다 길지만, 쐐기의 길이에는 제한이 없고, 특히, 칼의 길이는 홈보다 짧아야 한다. 또한 가끔 바늘을 쐐기로서 사용한다. 이 향상된 공정은, 단결정 다이아몬드를 쪼개기 위한 가장 신뢰성있고 정확한 방법으로 알려진 레이저비임을 사용한 종래 방법과 비교해볼 때, 다이아몬드를 쪼개는데에 있어서의 용이성, 신뢰성 및 정밀성면에 있어 그 상대를 찾을 수 없다. 또한, 상기 홈은 V자형상이기 때문에 에너지비임을 사용할 경우 양호한 결과를 얻게 된다. 이들 공정은 합성단결정 다이아몬드 및 천연단결정 다이아몬드에 응용할 수 있다.

크고 양질의 합성단결정 다이아몬드는 천연 다결정다이아몬드보다 단결정다이아몬드를 분할하는데 있어 신뢰성, 용이함, 정확성이 있기 때문에 바람직하다.

상술한 바와같이 대부분의 천연단결정다이아몬드는 땅속에 용해되어 있으며 그 표면이 굴곡이 있거나 불균일하다. 따라서, 단결정다이아몬드의 벽개에 필수불가결한 면인(111)면을 그외양으로부터 판별하기는 곤란하며, X-레이를 사용하여 평면치수를 구별하는 방법이 있으나, 이 방법은 많은 시간과 공정을 필요로 하므로, 경제적인 관점에서 보아 비효율적인 방법이라고 할 수 있다. 반대로, 합성단결정 다이아몬드는 일반적으로 (111)면 및 (100)면으로 둘러싸인 다면체이므로, 그 외양으로부터 (111)면을 판별하기가 용이하고, 또한 본 발명에서 합성단결정 다이아몬드를 사용하므로 바람직하다. 단결정다이아몬드에 홈을 내기 위하여 X-Y테이블상에 설치할 경우, 단결정다이아몬드를 (111)면과 홈형성방향 사이에 0.1°의 정확도이내로 조절하는 것이 용이하여, X-Y테이블상에 움직이는 방향과 평행인 다이아몬드의 성장면(111)만이 기준면에 고정된다.

또한, 직경이 1.5㎜ 이상, 크기가캐럿이상인 고품질의 합성단결정다이아몬드는, 일반적으로 직경이 1㎜ 이하인 시판의 연마제로 불리우는 합성단결정다이아몬드보다 우수하다. 상기 연마제는 너무 작아서 사용할 수 없고 품질도 와이어드로우잉다이용등에 사용하는데 있어 충분치 않다.

[실시예 1]

구형처럼 정8면체인 크기가 1.0∼1.1캐럿이고, 미량의 질소이외에는 불순물을 함유하지 않은, 70개의 천연다이아몬드를 7개의 세트로 나누고, 각각 세트는 10개의 천연다이아몬드로 이루어진다. 또한, 팔육면체이고 크기가 1.0∼1.1캐럿이며 미량의 질소이외에는 불순물을 함유하지 않은 10개의 합성다이아몬드를 준비했다. 이들 80개의 다이아몬드는 다음의 절단테스트용으로 사용했으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다. 상기 모든 다이아몬드를 종래 기술의 4가지방법 및 본 발명의 4가지방법을 사용하여 2분할한다.

[종래기술의 4가지 방법]

[실험번호 1]

[블레이드에 의한 절삭]

두께 0.15㎜의 인청동계의 원반을 절단기에 장착하고, 원반의 외주부에 입경이 10㎛ 정도인 다이아몬드분말을 기계유와 함께 반죽한 혼합물을 블레이드가장자리상에 문질러 발랐다. 블레이드를 8,000r.p.m.으로 회전시켜 이것을 천연다이아몬드의 표면에 대서 다이아몬드를 절삭했다. 절삭된 면에는 절삭블레이드의 마크가 남아있고, 절삭표면에는 0.1㎜이상의 굴곡이 있었다.

[실험번호 2]

[레이저비임에 의한 절삭]

천연다이아몬드를 X-Y테이블상에 고정시킨 후, 출력 200W YAG레이저비임을 사용하여 X-Y테이블을 소정방향으로 이동시키면서 절삭했다. 필스레이저때문에 절삭면상에 많은 수직의 줄무늬가 있었다. 또한 절삭면에는 레이저비임에 의해 2∼6°의 경사가 있었고, 테이블의 수직방향과 평행하지 않았다. 레이저비임의 유입영역둘레의 경사는 유출영역둘레의 경사와 상이하므로 절삭된 측면에 굴곡이 있었다.

[실험번호 3]

[다른 다이아몬드로 홈을 새겨 넣은 후 절단]

다른 날카로운 다이아몬드를 사용하여 천연다이아몬드표면에 홈을 새긴 후, 선단각 20°의 강철쐐기를 해머를 사용하여 금간부분안으로 박았다. 그결과, 많은 천연다이아몬드가 파괴되었고 수율은 30% 정도로 낮았다. 또한, 파괴되지 않은 다이아몬드의 절단평면에 조개껍질같은 굴곡이 있었다.

[실험번호 4]

실험번호 1에 사용한 블레이드를 이용하여 천연다이아몬드에 홈을 낸후, 그 다이아몬드를 실험번호 3과 동일한 방법으로 절단했다. 절단면은 실험번호 3에서 얻은 평면보다 오히려 향상되었다.

[본 발명의 4가지 방법]

[실험번호 5]

천연다이아몬드를, Y축에 평행하게 (111)면을 X-Y테이블에 고정시킨다. 상기 천연다이아몬드의 표면에 5와트의 YAG레이저비임으로 홈을 냈고, X-Y테이블을 Y축으로 움직였다. 홈의 형상은 레이저비임의 유입영역에서 넓이 0.08㎜ 및 깊이 0.3㎜이고, V자모양이었다. 20°의 선단각을 갖는 강철쐐기를 해머로 상기 홈안에 박은후 천연다이아몬드를 절단했다.

절단면은 실험번호 3 및 실험번호 4에서 얻은 평면보다 더욱 편평했다.

[실험번호 6]

천연다이아몬드를 실험번호 5와 동일한 방법으로 X-Y테이블에 고정시키고, 테이블은 진공실내에 설치한 후, 진공실의 압력은 10^-4torr로 낮추었다. 전자비임으로 천연다이아몬드의 표면에 홈을냈고, 홈은 레이저비임의 유입영역에서 넓이 0.1㎜ 및 깊이 0.2㎜이고, V자모양이었다. 또한, 천연다이아몬드를 실험번호 5와 동일한 방법으로 절단했다.

[실험번호 7]

실험번호 6에서 사용한 전자비임 대신에 아르곤이온 비임을 사용했고, 타공정들은 실험번호 6과 동일했다.

[실험번호 8]

팔육면체 모양이고 크기가 1.0캐럿인 합성다이아몬드를 실험번호 5처럼 천연다이아몬드의 상기 위치에 고정시켰다. 타공정들은 실험번호 5와 동일했다.

[표 1]

[실시예 2]

실시예 1과 동일한 방법을 이용하여, 각세트를 크기가 1.0∼1.1캐럿인 10개의 다이아몬드로 구성하고, 다이아몬드를 두께 0.5㎜판으로 잘랐다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.

표 2의 실험번호 11에서는, 판의 두께를 0.5㎜로 목표했으나 실험번호 3의 공정을 사용하여 얻을 수 없었음을 나타낸다.

모든 절단조건은 실시예 1과 동일했다.

상술한 방법에 의하여 제조된 판으로 다음의 생산품을 만들었다.

(1) 와이어드로우잉다이

상기 판을 직사각형모양으로 레이저에 의해 절삭했다. 그후 직사각형모양의 조작들을 와이어드로우잉다이로 만들기 위해 고정시켜 연마했다.

(2) 드레서

상기 판을 스덕과 같은 모양으로 레이저에 의해 절삭했다. 그후 몇개의 조각들을 강철솅크(Shank)에 장치하여 드레서를 마무리했다.

(3) 히이트 싱크

판의 상부와 하부면을 연마하여 직사각형 모양으로 레이저에 의해 절삭했다. 그후 표면을 금속화했다. 그후 히이트싱크를 마무리했다. 모든 생산품은 종전의 방법보다 저렴한 비용으로 생산되었다. 또한 와이어드로우잉다이 및 드레서가 연마테스트에서 고성능 및 안정된 성능을 증명했다.

[표 2]

Claims (3)

1. 크기가 1/30캐럿이상인 단경정다이아몬드의 표면에 에너지비임을 사용하여 (111)면과 평행한 다이아몬드의 표면에 홈을 형성하고 이 홈에 쐐기를 박아서 다이아몬드단결정을 분할하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드의 가공방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 에너지비임은 레이저비임, 이온비임 및 전자비임으로 이루어진 군에서 선택하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드의 가공방법.
3. 제1항에 있어서, 홈의 선성이 0.1㎜이내인 것을 특징으로 하는 다이아몬드의 가공방법.