KR102634951B1 - 고성능 나노다이아몬드 연마재 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

폭발합성 나노다이아몬드 연마재는, 나노다이아몬드의 표면에서 산소의 원소 함량(atomic percentage)은 0 % 내지 12.5 %이고, 탄소의 원소 함량은 87.5 % 내지 100%이고, 그리고 폭발 반응에 의해 나노다이아몬드가 형성되는 것이다.

Description

고성능 나노다이아몬드 연마재 및 그 제조 방법{HIGH PERFORMANCE NANODIAMOND ABRASIVE MATERIAL AND PREPARING METHOD THEREOF}
고성능 나노다이아몬드 연마재 및 그 제조 방법이 제공된다.
폭발 반응에 의해 형성되는 폭발합성 나노다이아몬드(DND, Detonation Nanodiamond)는 입경이 매우 작은 수 나노미터의 크기를 가지며, 그리고 비표면적이 통상 다이아몬드 대비 약 수십 배 내지 약 수백 배 큰 비표면적을 갖는다. 또한, 폭발합성 나노다이아몬드는 생체 내에서 독성이 거의 없고, 구조체의 안정성으로 인하여 생체적합성을 갖는다. 또한, 폭발합성 나노다이아몬드는 독특한 전기적, 화학적, 그리고 광학적 특성을 가지므로, 그 산업적 활용 가치가 최근 높아지고 있다. 예를 들어, 폭발합성 나노다이아몬드는 내열성, 내마모성, 내화학성 등이 우수하며, 정밀 연마재, 고경도 가공용 기계/공구, 고성능 윤활유, 내마모/내마찰 코팅제, 전기전자, IT, 우주항공, 국방, 의료, 화장품 등에 산업적으로 적용되고 있다.
폭발합성 나노다이아몬드는 합성, 정제, 분산 등의 공정을 통해 제조될 수 있다. 폭발합성 나노다이아몬드 제조에서, 매우 짧은 폭발 과정에 의해 순간적인 고온고압이 발생하며, 이를 통해 나노다이아몬드가 합성된다. 폭발합성 나노다이아몬드는 기본적으로 다이아몬드를 구성하는 sp 3 구조의 탄소를 함유하므로 높은 경도를 가지며, 동시에 합성과정에서 필연적으로 발생하는 sp 2 구조의 탄소인 그래파이트(graphite) 또는 비결정성 탄소를 가지고 있다. 폭발합성 나노다이아몬드 수트(soot)에서 sp 2 구조의 탄소인 그래파이트 또는 비결정성 탄소를 제거하여, 폭발합성 나노다이아몬드의 순도를 높이기 위해, 황산, 질산, 염산, 불산 등을 이용하여 산 처리하는 화학적 정제 방법이 널리 사용되고 있다. 또한, 폭발합성 나노다이아몬드 표면의 sp 2 구조의 결합(defect)으로 인하여 폭발합성 나노다이아몬드 표면에 형성된 수산화기(OH), 카르복실기(COOH), 카르보닐기(C=O), 탄화수소기(CH) 등의 작용기에 의해, 폭발합성 나노다이아몬드는 물 등의 용매에 잘 분산될 수 있다.
한편, 차세대 반도체 산업이 점차 SiC 기반으로 이동함에 따라 연마재의 성능 향상이 시급히 요구되고 있다. 그러나, 종래의 다이아몬드 연마재의 경우, 연마 속도가 우수하나 연마 후 표면 거칠기(roughness)에서 그 한계성을 가진다. 또한, 종래의 폭발합성 나노다이아몬드는 그 크기가 약 2~10 nm로서 구형의 모양을 가지는 특성이 있으나 연마 속도가 느리다.
일 실시예는 연마 성능이 우수한 나노다이아몬드 연마재 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
일 실시예는 연마 속도를 빠르게 하면서도 연마후 표면 거칠기를 크게 개선하기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
일 실시예에 따른 폭발합성 나노다이아몬드 연마재는, 나노다이아몬드의 표면에서 산소의 원소 함량(atomic percentage)은 0 % 내지 12.5 %이고, 탄소의 원소 함량은 87.5 % 내지 100%이고, 그리고 폭발 반응에 의해 나노다이아몬드가 형성되는 것이다.
N2H4 또는 NaBH4의 처리에 의해 나노다이아몬드의 표면에서 산소 작용기가 감소할 수 있다.
연마 대상물의 표면 거칠기 Ra(arithmetical average roughness) 평균값이 10 nm 이하일 수 있다.
연마기의 원판(platen) 회전속도 200 rpm, 헤드(Head) 회전속도 100 rpm, 그리고 역방향 회전 2.5 DaN인 경우, 연마 시작 후부터 60 분까지의, 연마 대상물의 표면 거칠기 Ra(arithmetical average roughness)의 감소 속도는 2 nm/min 이상일 수 있다.
일 실시예에 따른 폭발합성 나노다이아몬드 연마재의 제조 방법은, 폭발합성 나노다이아몬드와 N2H4 또는 NaBH4를 혼합하여 가열하여, 폭발합성 나노다이아몬드를 표면 처리하는 단계, 표면 처리된 폭발합성 나노다이아몬드를 분리하는 단계, 그리고 분리된 폭발합성 나노다이아몬드를 세척하고 건조하는 단계를 포함한다.
나노다이아몬드 연마재의 제조 방법은 건조된 폭발합성 나노다이아몬드를 초음파 분산기로 분산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
나노다이아몬드 연마재의 제조 방법은 분산된 폭발합성 나노다이아몬드를 원심분리기로 침전시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
폭발합성 나노다이아몬드를 분리하는 단계는, 가압 필터 장치를 이용하는 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 연마 성능이 우수한 나노다이아몬드 연마재 및 그 제조 방법이 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 연마 속도가 빠르면서도 연마후 표면 거칠기가 크게 개선될 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 각각 상용 연마재, 표면 처리 전 폭발합성 나노다이아몬드, 표면 처리 후 폭발합성 나노다이아몬드에 대하여, 연마 시간에 따른 표면 거칠기 변화를 나타내는 3D 이미지이다.
도 2a 및 도 2b는 상용 연마재, 표면 처리 전 폭발합성 나노다이아몬드, 표면 처리 후 폭발합성 나노다이아몬드에 대하여, 각각 연마 시간에 따른 표면 거칠기 변화에 대한 값을 나타내는 그래프이다.
도 3은 N2H4를 이용한 표면 처리 전후의 폭발합성 나노다이아몬드 각각의 원심력에 따른 입도 값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 다양한 몰(mol) 비율의 N2H4를 이용한 표면 처리 전후의 폭발합성 나노다이아몬드 각각의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 5는 다양한 몰 비율의 N2H4를 이용한 표면 처리 전후의 폭발합성 나노다이아몬드 각각의 UV-라만 스펙트럼이다.
도 6은 다양한 몰 비율의 N2H4를 이용한 표면 처리 전후의 폭발합성 나노다이아몬드 각각에 대한 IDia/IG 값을 나타낸 그래프이다.
도 7은 다양한 몰 비율의 N2H4를 이용한 표면 처리 전후의 폭발합성 나노다이아몬드 각각에 대한 XPS 스펙트럼이다.
도 8은 다양한 몰 비율의 N2H4를 이용한 표면 처리 전후의 폭발합성 나노다이아몬드 각각에 대해, XPS 분석에 기초한 원소 함량 값을 나타내는 그래프이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
그러면 일 실시예에 따른 고성능 나노다이아몬드 연마재에 대해 상세히 설명한다.
일 실시예에 따르면, 폭발합성 나노다이아몬드의 표면을 N2H4로 처리함으로써, 폭발합성 나노다이아몬드 표면의 산소 작용기를 제거하여 산소 작용기가 감소할 수 있으며, 이에 따라 폭발합성 나노다이아몬드의 연마 성능이 향상될 수 있다.
나노다이아몬드의 표면에서 산소의 원소 함량(atomic percentage)은 0 % 내지 12.5 %이고, 탄소의 원소 함량이 87.5 % 내지 100%일 수 있다. 산소의 원소 함량이 12.5 %를 초과하고, 탄소의 원소 함량이 87.5 % 미만인 경우, 폭발합성 나노다이아몬드 표면의 산소 작용기가 증가하여, 폭발합성 나노다이아몬드의 연마 성능이 저감될 수 있다.
일 실시예에 따른 나노다이아몬드 연마재를 이용하여 연마하는 경우, 연마 대상물의 표면 거칠기 Ra(arithmetical average roughness) 평균값을 10 nm 이하로 만들 수 있다. 이에 따라, 표면 거칠기가 크게 개선될 수 있다.
일 실시예에 따른 나노다이아몬드 연마재를 이용하여 연마하는 경우, 연마기의 원판(platen) 회전속도 200 rpm, 헤드(Head) 회전속도 100 rpm, 그리고 역방향 회전 2.5 DaN인 경우, 연마 시작 후부터 60 분까지의, 연마 대상물의 표면 거칠기 Ra(arithmetical average roughness)의 감소 속도는 2 nm/min 이상일 수 있다. 이에 따라, 연마 속도가 크게 향상될 수 있다.
폭발합성 나노다이아몬드는 나노다이아몬드 수트(soot)를 정제한 것일 수 있다.
나노다이아몬드 수트는 나노 크기의 입도를 갖는 다이아몬드이며, 폭발 반응에 의해 형성될 수 있다. 나노다이아몬드 수트는 폭발합성 과정에서, 그래파이트(graphite), 비정형 탄소 등의 탄소 불순물을 포함할 수 있다.
폭발합성 나노다이아몬드는 sp 3 구조의 탄소와 sp 2 구조의 탄소를 포함할 수 있다. 예를 들어, sp 3 구조를 갖는 탄소는 다이아몬드 등일 수 있으며, UV-라만 스펙트럼에서 약 1330 cm-1에서 피크를 나타낼 수 있다. sp 2 구조를 갖는 탄소는 그래파이트, 그래핀, 탄소나노튜브 등일 수 있으며, UV-라만 스펙트럼에서 약 1590 cm-1에서 피크를 나타낼 수 있다.
수소 가스 분위기의 처리 전후에, 나노다이아몬드에서 sp 3 /sp 2 탄소 비율은 변화 없이 유지될 수 있다. 나노다이아몬드에서 sp 3 /sp 2 탄소 비율은 UV-라만 스펙트럼에 기초한 강도 비율과 동일한 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 나노다이아몬드의 강도 비율은 수학식 1을 만족한다.
[수학식 1]
강도 비율 = Intensity at 1330 cm-1/ Intensity at 1590 cm-1
또한, 나노다이아몬드의 강도 비율은 UV-라만 스펙트럼에 기초하여 G 피크에서의 강도에 대한 다이아몬드 피크에서의 강도의 값(I Dia /I G )과 동일한 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 나노다이아몬드의 강도 비율은 수학식 2를 만족한다.
[수학식 2]
강도 비율 = Intensity at Diamond peak / Intensity at G peak
그러면 일 실시예에 따른 나노다이아몬드 연마재의 제조 방법에 대해 상세히 설명한다.
나노다이아몬드 연마재의 제조 방법은, 폭발합성 나노다이아몬드와 N2H4를 혼합하여 가열하여, 폭발합성 나노다이아몬드를 표면 처리하는 단계, 표면 처리된 폭발합성 나노다이아몬드를 분리하는 단계, 그리고 분리된 폭발합성 나노다이아몬드를 세척하고 건조하는 단계를 포함한다.
폭발합성 나노다이아몬드와 N2H4를 혼합하여 가열된다. 예를 들어, 가열은, N2H4가 액상인 경우, 약 60 ℃ 내지 약 100 ℃에서, 약 0.5 시간 내지 약 36시간 진행될 수 있다. 여기서, 가열 온도가 약 60 ℃보다 낮은 경우, 환원 반응이 효과적으로 일어나지 않을 수 있다. N2H4가 기상인 경우, 가열은 약 100 ℃ 내지 약 500 ℃에서 약 0.5 시간 내지 약 36시간 진행될 수 있다. N2H4가 액강 또는 기상인 경우, 가열 시간은 약 0.5 시간 내지 약 36시간 범위에 있을 때, 환원 반응이 일어나면서도 생산 효율이 유지될 수 있다.
폭발합성 나노다이아몬드와 N2H4를 혼합하는 몰 비율은 약 1:0.05 내지 1:15일 수 있다. 1:0.05보다 작은 경우, N2H4의 양이 너무 작아 환원 반응이 충분히 일어나지 못할 수 있으며, 반응 속도가 너무 느려 반응 효율이 떨어질 수 있다. 1: 15보나 큰 경우, N2H4가 포화 상태에 이르러, 연마 속도 개선 효과와 표면 거칠기의 개선 효과가 거의 없을 수 있으며, N2H4의 독성으로 인하여 친환경성이 떨어질 수 있다.
N2H4 외에도, 연마 속도 개선 및 연마후 표면 거칠기 개선을 위해, 폭발합성 나노다이아몬드와 NaBH4(sodium borohydride)가 혼합되고 가열될 수 있다.
표면 처리된 폭발합성 나노다이아몬드는 분리된다. 예를 들어, 가압 필터 장치가 이용될 수 있다.
분리된 폭발합성 나노다이아몬드는 세척되고 건조된다. 예를 들어, 초순수를 이용하여 폭발합성 나노다이아몬드가 반복하여 세척될 수 있다. 세척된 폭발합성 나노다이아몬드는 진공오븐에서 건조될 수 있다.
건조된 폭발합성 나노다이아몬드는 초음파 분산기로 분산된다. 초음파 분산시, 온도 상승을 고려해 분산후 냉각하는 방식이 반복하여 수행될 수 있다. 분산 후, 원심분리기로 폭발합성 나노다이아몬드가 침전되고, 상등액만 분리하여 연마용 분산 용액이 제조된다.
이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나, 하기의 실시예는 본 발명의 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실험예 1 (연마 디스크의 제조)
약 1 cm 직경의 티타늄 막대를 약 1 cm 길이로 잘라, 페놀 수지 약 25 g과 함께 마운팅 프레스(mounting press)에 넣고, 약 170 ℃ 및 약100 bar에서 약 10 분간 가열하고 약 7 분간 냉각시켜, 직경 약 3.5 cm 크기의 샘플 디스크(disk)가 제조된다. 연마지(abrasive paper)를 이용해 냉각수를 샘플 디스크로 공급하면서, 원판 회전속도 약 200 rpm, 헤드(head) 회전속도 약 100 rpm, 역방향 회전 약 2.5 DaN의 조건으로, 샘플 디스크의 티타늄 절단면을 약 10분씩 연마하여, 연마 디스크가 제조된다. 제조된 연마 디스크는 연마 성능 평가에 사용된다
실험예 2 (연마 성능 평가)
폭발합성 나노다이아몬드 약 10 g 과 N2H4 약 2.5914 mL (폭발합성 나노다이아몬드:N2H4 = 1:0.1~10 mol 비율)를 초순수 약 100 mL와 반응 장치에 넣고, 약 80 ℃, 약 24시간 반응시켜, 폭발합성 나노다이아몬드의 표면이 처리된다.
폭발합성 나노다이아몬드 약 10g = 약 10g/12 (g/mol) = 약 0.83 mol
0.1 mol비율 N2H4 = 약 0.83 mol*0.1 = 약 0.083 mol
반응 종료 후, 약 4 bar의 아르곤 가스(Ar)로 가압 필터 장치에 여과지(0.025㎛ VSWP Nitrocellulose membrane filter, Mllipore)를 사용하여, 표면 처리된 폭발합성 나노다이아몬드가 분리된다. 다음, 초순수 약 100 mL를 사용하여 2회 세척하고, 약 60℃ 진공오븐에서 건조 과정이 진행된다. 표면 처리 전후의 각각의 폭발합성 나노다이아몬드 약 10 g을 약 1 wt%로 초순수를 이용해 1000 g을 각각 만들고, 초음파 분산기(Amplitude 100%)를 사용해서 약 15 분간 분산이 진행된다. 용액의 온도 상승을 고려해서 약 5분 분산 후 약 15분 냉각하는 방식이 3회 반복된다. 분산 후 원심분리기로 약 4,000 rpm에서 약 10 분간 침전이 진행되고, 상등액만 분리하여 연마용 분산 용액으로 사용된다.
연마 성능 실험은 원판(platen) 회전속도 약 200 rpm, 헤드(Head) 회전속도 약 100 rpm, 역방향 회전 약 2.5 DaN, 연마재 및 윤활 용액 투입속도 약 0.06 mL/s로 모두 같은 조건에서 진행된다. 본 연마 성능 평가에서는 상용 연마재, 표면 처리 전 폭발합성 나노다이아몬드, N2H4로 표면 처리된 폭발합성 나노다이아몬드가 사용되었다. 상용 연마재는 시중에 판매중인 연마재(Diamond suspension reflex LDP 1μ, PRESI Trade Co., Ltd)이며, 연마재와 함께 윤활 용액(LUBRICANT REFLEX LUB, PRESI Trade Co., Ltd) 1 L가 사용된다. 연마기 원판(platen)에 연마 융(Polishing cloths)이 사용된다. 본 실시예에서 사용되는 N2H4는 50~60% Sigma Aldrich 제품이다.
본 실시예에서 표면 거칠기는, 5배 렌즈를 이용하여 WSI(White light interferometry) 모드, 스캔 레이트(scan rate) 3배 , 고정밀(high accuracy) 조건으로 비접촉 3D 표면 프로파일러(non-contact 3D surface profiler) 분석기를 사용하여, 임의의 위치에서 2회 이상 분석된다. 표면 거칠기는 Ra(arithmetical average roughness) 평균값으로 비교된다.
도 1a 내지 도 1c 및 도 2a 및 도 2b는 상용 연마재, 표면 처리 전 폭발합성 나노다이아몬드, 표면 처리후 폭발합성 나노다이아몬드 각각에 대하여, 연마 후 시간에 따른 표면 거칠기 변화에 대한 3D이미지 및 표면 거칠기 값을 나타낸다. 여기서 표면 처리는 전술한 방법에 의해 0.1 몰 비율의 N2H4가 이용된다.
도 1a 내지 도 1c 및 도 2a 및 도 2b를 참고하면, 상용 연마재의 경우, 표면 거칠기가 수렴하는 속도가 매우 빠르지만, 약 70nm의 표면 거칠기로 수렴하는 한계성을 가진다. 또한, 표면 처리 전 폭발합성 나노다이아몬드는 약 10 nm의 표면 거칠기로 수렴하지만, 수렴 속도가 매우 느리다. 그러나, 0.1 몰 비율의 N2H4로 표면 처리된 폭발합성 나노다이아몬드는 표면 거칠기 수렴 속도가 매우 빠르며, 약 3 nm의 표면 거칠기까지 수렴한다.
도 2a 및 도 2b를 참고하면, 상용 연마재, 표면 처리 전 폭발합성 나노다이아몬드, 표면 처리후 폭발합성 나노다이아몬드 각각에 대하여, 연마 시작 후부터 60 분까지의 표면 거칠기 Ra 평균값의 감소율은 약 0.75 nm/min, 1.56 nm/min, 3.6 nm/min이다.
실험예 3
연마 요인 중 하나로 연마재 입자 크기에 대한 영향이 높다고 알려져 있다. 전술한 실험예 2에서 표면 처리 전후의 폭발합성 나노다이아몬드를 제조하는 경우, 분산 후 원심분리기로 약 4,000 rpm에서 약 10 분간 원심분리 후에, 입도 분석기를 이용해 입도 변화가 측정된다. 도3을 참고하면, 원심분리 후 입도는 0.1몰의 N2H4로 폭발합성 나노다이아몬드의 표면 처리 전후에 변하지 않는다. 이에 따라, 실험예 2에서 N2H4 표면 처리된 폭발합성 나노다이아몬드 연마재에 의한 연마 속도 향상 및 연마 표면 거칠기 향상은, 연마재 입자 크기 변화에 의해 일어난 것이 아님을 알 수 있다.
실험예 4
N2H4 표면 처리 전후 폭발합성 나노다이아몬드의 표면 작용기 변화에 의해, 실험예 2에서 연마 속도 향상 및 연마 표면 거칠기 향상이 일어났는지를 알기 위해, FT IR 스펙트럼(Fourier-transform infrared spectroscopy) 분석이 수행된다. 분석 샘플은 KBr 약 200 mg에 N2H4 표면 처리 전후 폭발합성 나노다이아몬드 샘플 1 mg을 각각 더하여 분쇄하고 펠렛(pellet)으로 제조된다. 폭발합성 나노다이아몬드의 표면 처리는, 폭발합성 나노다이아몬드와 N2H4 의 비율로 1:0.1 mol, 1:1 mol, 1:10 mol 비율로 전술한 실험예 2와 동일한 방법으로 수행된다. FT-IR 분석에서, 펠렛은 약 150 ℃ 진공오븐에서 약 12 시간 이상 건조된 후 측정되며, 해상도(resolution) 4cm-1으로 128 회 스캔에 의해 FT-IR 스펙트럼이 나타난다. FT-IR 스펙트럼은 직선(straight lines, 1 iteration) 조건으로 기본선 보정(baseline correction) 및 정규화(normalization)에 의해 나타난다. 도 4를 참고하면, 1385cm-1, 1630cm-1 그리고 3163cm-1의 -OH 피크, 1763cm-1에서 C=O 피크, 1000cm-1에서 1140cm-1 사이에 최대값을 갖는 피크는 C-O-C 작용기에 의해 나타난다. 1257cm-1의 피크 또한 에테르(ether)의 -C-O에 의해 나타나고 있으며, 특별한 피크의 강도 변화가 보이지 않으며, 새로운 피크의 생성도 보이지 않는다. 이는, N2H4 표면 처리에 의해 폭발합성 나노다이아몬드의 표면에 표면 작용기가 생성되지도 않고, 표면 작용기의 변화도 없다는 것이다. 이에 따라, 실험예 2에서 N2H4 표면 처리된 폭발합성 나노다이아몬드 연마재에 의한 연마 속도 향상 및 연마 표면 거칠기 향상은, 폭발합성 나노다이아몬드의 표면 작용기 변화에 의해 일어난 것이 아님을 알 수 있다.
실험예 5
N2H4의 표면 처리 전후 폭발합성 나노다이아몬드의 sp 3 /sp 2 탄소 비율에 의해, 실험예 2에서 연마 속도 향상 및 연마 표면 거칠기 향상이 일어났는지를 알기 위해, UV-라만 분광법(Raman spectroscopy)이 진행된다. 폭발합성 나노다이아몬드는, 폭발합성 나노다이아몬드와 N2H4 의 비율로 1:0.1 mol, 1:1 mol, 1:10 mol 비율로 전술한 실험예 2와 동일한 방법으로 표면 처리된다. 백-스캐터링 지오메트리(back-scattering geometry)에서 약 325 nm(He-Cd laser)의 여기 주파수(excitation frequency)를 사용하여 분석이 진행되고, 1325cm-1다이아몬드 피크와 1590cm-1 G-band 피크의 IDia/IG 값이 계산된다. 100배 렌즈가 사용되고 노출시간 180초로 고정된다. 레이저 출력은 약 10 % 내에서 유지된다. 백그라운드 제거는 900~2000cm-1 범위에서 고정점 제거(fixed point subtraction) 방식이 사용된다. 도 5는 측정된 UV-라만 스펙트럼이다.
폭발합성 나노다이아몬드에서 sp 3 /sp 2 탄소 비율은 변화 없이 유지될 수 있다. 나노다이아몬드에서 sp 3 /sp 2 탄소 비율은 UV-라만 스펙트럼에 기초한 강도 비율과 동일한 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 나노다이아몬드의 강도 비율은 수학식 1을 만족한다.
[수학식 1]
강도 비율 = Intensity at 1330 cm-1/Intensity at 1590cm-1
또한, 폭발합성 나노다이아몬드의 강도 비율은 UV-라만 스펙트럼에 기초하여 G 피크에서의 강도에 대한 다이아몬드 피크에서의 강도의 값(IDia/IG)과 동일한 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 나노다이아몬드의 강도 비율은 수학식 2를 만족한다.
[수학식 2]
강도 비율 = Intensity at Diamond peak / Intensity at G peak
도 6은 N2H4 표면 처리 전후 폭발합성 나노다이아몬드 각각에 대한 IDia/IG 값을 나타낸 그래프이다. 도 6을 참고하면, N2H4 표면 처리 전후 폭발합성 나노다이아몬드의 강도 비율은 변화가 없다. 이에 따라, 실험예 2에서 N2H4 표면 처리된 폭발합성 나노다이아몬드 연마재에 의한 연마 속도 향상 및 연마 표면 거칠기 향상은, 폭발합성 나노다이아몬드의 강도 비율(sp 3 /sp 2 탄소 비율 또는 순도 변화)에 의해 일어난 것이 아님을 알 수 있다.
실험예 6
N2H4 표면 처리 전후 폭발합성 나노다이아몬드 표면의 원소 변화를 확인하기 위해서, X선 광전자분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 분석이 진행된다. 폭발합성 나노다이아몬드는, 폭발합성 나노다이아몬드와 N2H4 의 비율로 1:0.1 mol, 1:1 mol, 1:10 mol 비율로 전술한 실험예 2와 동일한 방법으로 표면 처리된다. 폭발합성 나노다이아몬드 표면의 원소 변화를 확인하기 위해 도 7과 같이 XPS 서베이 스캔(survey scan)이 수행된다. 도7을 참고하면, C 1s와 O 1s 피크만 나타나고 있으며, 이는 C와 O의 원소로 이루어져 있음을 의미한다. 좀더 자세히 N2H4 표면 처리 전후 폭발합성 나노다이아몬드의 원소 변화를 계산하기 위해, 도 8과 같이 C 1s와 O 1s의 원자 백분율이 계산된다. 도 8을 참고하면, N2H4 0.1 몰 비율로 표면 처리를 진행한 경우 산소 원소 비율이 산소 원소 비율 13.55%에서 11.17%로 감소한다. 또한 N2H4의 몰 비율을 0.1에서 10으로 증가시키는 경우, 산소 원소 비율은 10.83%까지 감소된다.
탄소 원소 비율 82.67%, 산소 원소 비율 13.55%에서 1 : 0.1 몰 비율로 N2H4를 이용해 수소화 처리한 DND는 탄소 원소 비율은 86.18%로 증가하고, 산소 원소 비율은 11.17%로 감소하며, 1 : 1 몰, 1 : 10 몰 N2H4로 수소화 처리한 DND의 탄소 원소 및 산소 원소 비율 또한 비슷한 수준의 원소 비율을 갖는다. 이에 따라, 폭발합성 나노다이아몬드 표면의 산소 기능기의 함량 감소에 의해 연마 속도 향상 및 연마 표면 거칠기가 향상된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (8)

  1. 나노다이아몬드의 표면에서 산소의 원소 함량(atomic percentage)은 0 % 내지 12.5 %이고, 탄소의 원소 함량은 87.5 % 내지 100%이고, 그리고 폭발 반응에 의해 나노다이아몬드 수트(soot)가 형성되는 것이고,
    상기 나노다이아몬드는 상기 나노다이아몬드 수트를 정제한 것이고,
    정제된 나노다이아몬드는 N2H4 또는 NaBH4의 처리 전후의 C-H 결합 반응이 일어나지 않는 것인, 폭발합성 나노다이아몬드 연마재.
  2. 제1항에서,
    N2H4 또는 NaBH4의 처리에 의해 상기 나노다이아몬드의 표면에서 산소 작용기가 감소하는 것인, 폭발합성 나노다이아몬드 연마재.
  3. 제2항에서,
    연마 대상물의 표면 거칠기 Ra(arithmetical average roughness) 평균값이 10 nm 이하인, 폭발합성 나노다이아몬드 연마재.
  4. 제2항에서,
    연마기의 원판(platen) 회전속도 200 rpm, 헤드(Head) 회전속도 100 rpm, 그리고 역방향 회전 2.5 DaN인 경우, 연마 시작 후부터 60 분까지의, 연마 대상물의 표면 거칠기 Ra(arithmetical average roughness)의 감소 속도는 2 nm/min 이상인, 폭발합성 나노다이아몬드 연마재.
  5. 폭발합성 나노다이아몬드와 N2H4 또는 NaBH4를 혼합하여 가열하여, 폭발합성 나노다이아몬드를 표면 처리하는 단계,
    표면 처리된 상기 폭발합성 나노다이아몬드를 분리하는 단계, 그리고
    분리된 상기 폭발합성 나노다이아몬드를 세척하고 건조하는 단계
    를 포함하는, 나노다이아몬드 연마재의 제조 방법.
  6. 제5항에서,
    건조된 상기 폭발합성 나노다이아몬드를 초음파 분산기로 분산하는 단계를 더 포함하는, 나노다이아몬드 연마재의 제조 방법.
  7. 제6항에서,
    분산된 상기 폭발합성 나노다이아몬드를 원심분리기로 침전시키는 단계를 더 포함하는, 나노다이아몬드 연마재의 제조 방법.
  8. 제5항에서,
    상기 폭발합성 나노다이아몬드를 분리하는 단계는, 가압 필터 장치를 이용하는 것인, 나노다이아몬드 연마재의 제조 방법.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101203835B1 (ko) * 2005-12-30 2012-12-04 고수다르스트벤노예 우치레즈데니예 ＂페데랄노예 아겐츠트보 포 프라보보이 자스치테 레줄타토프 인텔렉투알노이 데야텔노스티 보옌노고, 스페츠치알노고 이드보이노고 나즈나체니아＂ 프리 미니스테르스트베 유스티치 로시이스코이 페드 나노 다이아몬드 및 그 제조방법

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3820080B2 (ja) * 2000-05-22 2006-09-13 石塚 博 微細ダイヤモンド研磨材粒子及びその製法
JP4936424B2 (ja) * 2005-10-31 2012-05-23 日本ミクロコーティング株式会社 研磨材及びその製造方法
KR101097178B1 (ko) * 2009-05-29 2011-12-21 한국산업기술대학교산학협력단 나노 다이아몬드를 포함하는 표면 연마제 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 연마제, 그리고 이 연마제를 이용한 연마 방법
KR101343891B1 (ko) * 2010-08-17 2013-12-20 (주)바이오니아 써멀 사이클러용 저 비열성 복합 소재

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101203835B1 (ko) * 2005-12-30 2012-12-04 고수다르스트벤노예 우치레즈데니예 ＂페데랄노예 아겐츠트보 포 프라보보이 자스치테 레줄타토프 인텔렉투알노이 데야텔노스티 보옌노고, 스페츠치알노고 이드보이노고 나즈나체니아＂ 프리 미니스테르스트베 유스티치 로시이스코이 페드 나노 다이아몬드 및 그 제조방법

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