KR960002187B1 - 다이아몬드 합성법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

다이아몬드 합성법

제1도는 본 발명의 반응 용기의 하나의 실시 태양의 측단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 외부 슬리이브 12 : 히터 슬리이브

14 : 원더스톤 슬리이브 16 : 탄탈륨(tantalum) 슬리이브

18 : 연강제링 20 : 단부캡

22,24 : 금속 촉매층/용매층 26 : 순수 탄소 원료층

30 : 비다이아몬드 종정 물질 32 : 상부 표면

34 : 세라믹 패드

본 발명은 다이아몬드 합성법에 관한 것이다.

고온/고압 기술을 사용하는 다이아몬드 합성법은 상업적으로 매우 잘 확립되어 있다. 이 방법은 탄소원을 적당한 촉매/용매 존재하에, 탄소 상평형도(相平衡圖)에 있어서 다이아몬드 안정 영역 중에 해당하는 온도 및 압력에 노출시키는 것을 포함한다. 다이아몬드 합성에 유용한 촉매/용매들은 공지되어 있으며, 주기율 표상의 Ⅷ족 금속들을 포함한다.

대부분의 상업적인 다이아몬드 합성법은 작거나 비교적 작은 입자를 제조하는 반면에, 훨씬 더 큰 다이아몬드를 제조하는 방법도 알려져 있다. 이러한 방법들은 일반적으로 다이아몬드 종정(種晶 : seed) 물질을 금속 촉매층/용매층으로 실질적으로 순수한 탄소원으로부터 분리시킴으로써, 합성하는 동안에 다이아몬드 종정 물질과 탄소원 사이에 예정된 온도 구배가 형성되도록 만들어진 반응기 내에서 다이아몬드를 제조하는 것을 포함한다. 다이아몬드 종정 물질은 반응 매질의 온도가 거의 최소치인 지점에 위치하고, 반면에 탄소원은 온도가 거의 최대치인 지점에 위치한다. 다이아몬드 핵생성 억제물질 및(또는) 단리용 물질로 된 층은 금속 촉매/용매층과 다이아몬드 종정 물질 사이에 삽입된다. 이에 관해서는, 예를 들면 미합중국 특허 제4,349,576호, 동 제4,034,066호, 동 제4,301,134호, 동 제4,073,380호, 동 제4,034,066호, 동 제3,297,407호, 동 제4,322,396호 및 동 제4,287,168호의 기재 내용을 참조할 수 있다.

본 발명에 의하면, 금속 촉매층/용매층에 의해 다이아몬드 합성용의 실질적으로 순수한 탄소원으로부터 분리시킨 사면체 구조로 결합된 결정성 비다이아몬드계 종정 물질만으로 이루어진 종정 물질이 함유된 반응용기를 고온/고압 장치의 반응 대역에 위치시키는 단계와, 상기 반응 용기 중의 내용물을 탄소 상평형도에 있어서의 다이아몬드 안정 영역의 온도 및 압력 조건에 둠으로써 상기 종정 물질과 탄소원 사이에 온도 구배를 형성시켜 종정 물질은 상기 온도 구배의 최소 온도값에 근접한 지점에 위치하고 탄소원은 상기 온도구배의 최고 온도값에 근접한 지점에 위치하도록 하는 단계, 그리고 상기 종정 물질상에 큰 다이아몬드 결정이 생성되기에 충분한 시간 동안 상기 조건들을 유지시키는 단계로 이루어지며, 상기 비다이아몬드계 종정 물질과 금속 촉매층/용매층 사이에는 격리층 또는 핵생성 억제층이 배치되지 않고, 그 종정 물질의 융점은 상기 금속 촉매/용매와 거의 반응을 일으킬 수 없으며 가해진 온도 및 압력 조건하에서 금속 촉매/용매의 융점보다 높은 것을 특징으로 하는 다이아몬드 결정의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 잇점 중의 하나는 다이아몬드가 반응 용기 내에 존재하는 격리층이나 핵생성 억제층이 없이도 성장할 수 있다는 것이다. 다이아몬드 종정 물질은 금속 촉매/용매가 탄소원으로부터의 탄소로 포화되는 동안 상기 촉매/용매 중에 용해되지 않는다. 이것은 큰 다이아몬드 입자의 생성 공정을 크게 단순화하고, 또한 경제성도 개선한다.

비다이아몬드계 종정 물질은 섬아연석광(sphalerite) 또는 섬유아연석(wurzite) 구조를 갖는 것이 바람직하다.

바람직한 종정용 섬아연석방 구조 물질은 동축정계 질화붕소, β-탄화규소, 인화붕소 및 인화알루미늄과 같은 다이아몬드의 격자 파라미터와 밀접한 격자 파라미터를 갖는 것들이다.

종정 물질로서 사용할 수 있는 섬유아연석 구조를 갖는 물질의 예로는 질화알루미늄 및 질화붕소가 있다.

또한, 사면체 구조로 결합된 α-탄화규소도 특히 적합한 종정 물질인 것으로 밝혀졌다.

종정 물질은 원더스톤(wonderstone)과 같은 적당한 물질로 만든 패드(pad) 표면에 위치시키는 것이 바람직하다.

종정 물질은 개별적인 결정체이거나, 또는 이들은 덩어리가 큰 결정체 또는 침상체(針狀體)일 수 있다. 예를 들면, 종정 물질은 표면으로부터 돌출된 다수의 침상 종정(seed piont)들을 함유하는 표면의 일부를 형성할 수 있다. 각각의 침상 종정상에서 성장이 일어나게 된다.

이하, 본 발명의 한가지 실시 태양을 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 도면은 히터 슬리이브(12) 및 원더스톤 슬리이브(14)를 둘러싸고 있는 마크네사이트로 된 외부 슬리이브(10)로 이루어진 반응 용기를 보여주는 것이다. 원더스톤 슬리이브(14)와 히터 슬리이브(12)는 탄탈륨(tantalum) 슬리이브(16)로 분리되어 있다. 연강제링(18)이 마크네사이트 슬리이브(10) 중간의 단부에 제공된다. 이 링은 다이아몬드를 합성하는 동안 슬리이브의 팽출(bulging)을 최소화하는 작용을 한다. 원더스톤의 단부 캡(20)은 반응 용적을 슬리이브 조립체 내로 포함시키기 위해 제공된다.

다이아몬드 합성에 필요한 물질들은 반응 용기 내에 위치한다. 이러한 물질에는 금속 다이아몬드 촉매층/용매층의 두개의 층(22,24)가 포함된다. 이 두 층사이에 순수한 탄소원층(26)이 끼어 있다.

비다이아몬드 종정(30)은 세라믹 패드(34)의 상부면(32)에 부분적으로 매립된다. 또한, 이 종정들은 상기 표면에 형성된 함몰부 또는 오목부 내에 위치할 수도 있다.

금속 촉매/용매는 당업계에서 공지되고, 상기 미합중국 특허 명세서에 상세히 기재된 다수의 금속 또는 합금 중의 어느 하나가 될 수 있다.

탄소원은 전형적으로 순수한 흑연 또는 다이아몬드 미립자가 된다.

반응 용기는 사용시에는 통상적인 고압/고온 장치의 반응 대역에 놓여진다. 반응 대역의 압력을 증가시키고, 이어서 온도를 증가시켜서 반응 용기 내의 조건들을 탄소 상평형도에 있어서 다이아몬드가 안정한 영역으로 이동시킨다. 전형적인 인가 압력은 50∼70킬로바아이고, 전형적인 인가 온도는 1450∼1650℃이다. 이러한 조건하에서 온도 구배의 최고 온도가 탄소원 영역 중에 있고, 반면에 온도 구배의 최저 온도는 종정영역 중에 있도록 용매층(24) 내에서의 온도 구배가 형성된다. 증가된 온도 및 압력 조건들은 수시간 및 전형적으로는 24시간 또는 그 이상 동안 유지된다. 이 시간 동안 탄소원 물질은 용매층(24) 중에 용해되어 하향 확산된다. 탄소원으로부터 하향 확산되는 탄소 원자들은 결국 종정에 도달하고, 이 종정들 위에서 다이아몬드 성장이 일어나게 된다. 종정들은 촉매/용매와 거의 반응하지 않기 때문에, 격리층 또는 핵생성 억제층이 불필요하다. 제조된 다이아몬드 결정들의 크기는 증가된 온도 및 압력 조건들이 유지되는 시간에 따라 변한다. 일반적으로, 제조된 다이아몬드 결정들의 크기는 적어도 0.2캐럿이 될 것이다. 그러나, 훨씬 더 큰 결정, 즉 1mm 또는 그 이상의 것도 비다이아몬드 종정 위에 생성될 수 있다. 비다이아몬드 종정으로부터 다이아몬드 결정의 분리는 용이하게 달성된다.

이하, 본 발명의 실시예를 기재한다.

[실시예 1]

전술한 방법으로 반응 용기를 준비하였다. 종정 물질은 평균 입도가 600∼850미크론인 양질의 등축정계 질화붕소 결정이었다. 이 종정을 금속 용매층(코발트층)(24)와 접촉하여 세라믹 패드 중에 부분적으로 매립 시켰다. 종정들은 천연적으로 존재하는 [111]면들이 금속 용매층(24)에 수직으로 노출되도록 방향을 설정하였다. 다이아몬드 합성 온도 및 입력 조건을 1500℃ 및 60킬로바아로 하여 30시간 동안 유지시키면, 각 종정은 약 0.5캐럿의 질량에 도달하게 되었는데, 이 질량 증가 부분이 다이아몬드이었다. 다이아몬드 안정 영역에서의 시간을 42시간으로 증가시킨 결과, 종정 물질 위에 0.9캐럿의 다이아몬드 성장이 얻어졌다.

[실시예 2]

실시예 1의 과정을 따르되, 다만 종정 물질로서 평균 입도가 250∼300미크론인 질화붕소 등축정계 결정을 사용하였으며, 다이아몬드 합성 조건을 단지 15시간 동안만 유지시켰다. 각 종정 위에서의 다이아몬드의 성장은 각 종정에서의 다이아몬드 질량이 약 0.25캐럿인 것으로 나타났다.

[실시예 3]

실시예 1의 과정을 따르되, 다만 종정 물질로서 평균 입도가 1200∼1400미크론인 α-탄화규소 결정을 사용하였다. 이 종정들을 세라믹 패드에 큰 평면이 금속 용매층(24)에 수직으로 접촉하도록 위치시켰다. 다이아몬드 합성 조건을 약 60시간 동안 유지시켰으며, 이 시간 동안 각 종정 위에서 다이아몬드가 성장하였다. 각 종정은 종정 위에서 성장한 0.7∼0.97캐럿의 다이아몬드 질량을 갖는 것으로 나타났다. 2개의 α-탄화규소 종정은 금속 용매층(24)과의 접촉으로 면들이 교차하는 쌍을 이룬 면들을 가지고 있다는데 주목해야 한다. 이들 종정에서 성장한 다이아몬드 결정들은 스스로 쌍을 이루었다. 따라서, 쌍을 이룬 종정을 신중하게 선택함으로써 쌍을 이룬 다이아몬드를 성장시킬 수 있다.

Claims (9)

1. 다이아몬드 합성용 금속 촉매층/용매층에 의해서 실질적으로 순수한 탄소원으로부터 분리된, 사면체 구조로 결합된 결정성 비다이아몬드 종정 물질만으로 이루어지는 종정 물질을 함유된 반응 용기를 고온/고압 장치의 반응 대역에 위치시키는 단계, 상기 반응 용기 중의 내용물을 탄소 상평형도에 있어서의 다이아몬드 안정 영역의 온도 및 압력 조건으로 유지함으로써, 종정 물질은 온도 구배의 최소 온도치에 근접한 점에 위치하고 탄소원은 온도 구배의 최고 온도치에 근접한 점에 위치하도록 종정 물질과 탄소원 사이에 온도 구배를 형성시키는 단계, 그리고 상기 종정 물질상에 커다란 다이아몬드 결정이 생성되기에 충분한 시간 동안 상기 조건들을 유지시키는 단계로 이루어지며, 상기 종정 물질과 금속 촉매층/용매층 사이에 격리층 또는 핵생성 억제층이 배치되지 않고, 비다이아몬드 종정 물질은 금속 촉매/용매와 거의 반응할 수 없으며, 가해진 온도 및 압력 조건 하에서 금속 촉매/용매의 융점보다 더 높은 융점을 갖는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 결정의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 비다이아몬드 종정 물질은 섬아연석광 구조(sphalerite)를 갖는 것임을 특징으로 하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 비다이아몬드 종정 물질은 등축정계 질화붕소, β-탄화규소, 인화붕소 및 인화알루미늄 중에서 선택되는 것임을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 비다이아몬드 종정 물질이 α-탄화규소임을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 비다이아몬드 종정 물질은 섬유아연석 구조를 갖는 것임을 특징으로 하는 방법.
6. 제5항에 있어서, 비다이아몬드 종정 물질은 질화알루미늄 및 질화붕소 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항에 있어서, 비다이아몬드 종정 물질이 반응 용기 중의 패드 표면에 위치하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항에 있어서, 입도가 적어도 0.2캐럿인 다이아몬드 결정을 제조하기에 충분한 시간 동안 그 온도 및 압력 조건을 유지하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항에 있어서, 입도가 적어도 1mm인 다이아몬드 결정을 제조하기에 충분한 시간 동안 그 온도 및 압력 조건을 유지하는 것을 특징으로 하는 방법.

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