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합성 다이아몬드를 위한 산화제가 첨가된 세정공정
Oxidation Added Wet Cleaning Process for Synthetic Diamonds 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.14 no.8, 2013년, pp.3597 - 3601  

송정호 (서울시립대학교 신소재공학과) ,  이지헌 (서울시립대학교 신소재공학과) ,  송오성 (서울시립대학교 신소재공학과)

초록
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본 연구에서는 고품질의 합성다이아몬드를 얻고자 합성다이아몬드 표면에 잔류하는 그래핀, DLC 등의 흑연계 준안정상을 효과적으로 제거하는 세정공정을 위해 왕수와 황산 외에 $K_2S_2O_8$, $P_2O_5$, $KMnO_4$의 산화제가 들어간 습식세정공정, P II 제안하였다. 이 공정은 기존의 산처리를 이용한 세정공정(P I) 뿐만 아니라 신세정공정(P I+P II)을 함께 사용하여 7GPa-$1500^{\circ}C$-5minutes의 조건 하에서 합성된 200um의 다이아몬드 표면에 잔류하는 흑연과 불순물 등을 제거하기 위해 진행되었다. 이를 육안분석, 광학현미경, 마이크로라만, TGA-DTA를 통하여 확인하였다. 육안분석과 광학현미경 분석 결과 새로운 습식세정공정(P I+P II) 진행 후 합성다이아몬드의 채색이 밝은 노란색으로 개선되었다. 또한 마이크로라만 분석을 통해 $1330cm^{-1}$의 다이아몬드 고유 피크 외에 $1440cm^{-1}$의 흑연계 준안정상인 DLC피크가 사라지는 것을 확인하여 정량적으로 잔류불순물의 양이 줄어든 것을 확인하였다. TGA-DTA 결과, 처리 전(P I only) 흑연계 준안정상이 먼저 분해되어 $770.91^{\circ}C$부터 열분해가 시작되었으나 신세정공정(P I+P II)으로 처리 후 순수한 합성다이아몬드는 $892.18^{\circ}C$부터 시작되어 흑연계 준안정상이 효과적으로 제거된 것을 확인하였다. 이러한 신세정공정은 합성다이아몬드의 잔류불순물제거를 통해 품질향상을 기대할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, a wet cleaning process, P II, using aqua-regia and sulfuric acid mixture with oxidant agent ($K_2S_2O_8$, $P_2O_5$, $KMnO_4$, $H_2O_2$ etc) is proposed to remove the metastable phase of graphite such as graphene and DLC for high quality synt...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구에서는 공업용합성다이아몬드 표면에 잔류하는 그래핀, DLC 같은 흑연계 준안정상을 효과적으로 제거하기 위해 산화제가 포함된 산용액으로 처리하는 습식세정공정을 제안하였다.
  • TGA-DTA (TA Instrument사 SDT-Q600모델)기기를 이용하여 열중량분석을 진행하였다. 순수한 다이아몬드의 열분해 온도는 850℃이상이며 흑연 및 흑연계 준안정상의 열분해 온도는 이보다 낮아 이를 이용하여 PⅡ 세정공정 전, 후의 흑연계 준안정상의 잔류여부를 정량적으로 파악하고자 하였다. 각 시편에 대해 챔버내에 각 시료를 11.

가설 설정

  • 3에서 진행된 TGA와 동시에 진행된 DTA 측정결과를 나타낸 그래프이다. 앞의 Fig. 3의 TGA결과를 고려하여 본딩 상태가 다이아몬드에 비해 취약할 것으로 예상되는 흑연계 불순물은 800℃에 발열반응이 활성화 되고, 다이아몬드는 900℃에서 발열반응이 최대로 일어난다고 가정하여 측정된 DTA분석 결과를 분리하여 보았다. (a)의 PⅠ세정 후의 경우는 불순물의 분율이 85.
  • 또한 TGA와 동시에 DTA(differential thermal analysis)도 수행하여 C 가 산화되어 생기는 발열반응의 열변화를 확인하였다. 이때 발열피크를 900℃에서는 다이아몬드 발열이 진행되고 800℃에서는 흑연계 불순물인 그래핀이 분해하여 발열이 진행된다고 가정하여 다이아몬드와 표면불순물의 존재를 간접적으로 판단하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
합성 공업용 다이아몬드의 품질을 결정하는 기준인 4S는 무엇인가? 합성 공업용 다이아몬드는 일반적으로 4S를 기준으로그 품질이 결정되며 4S는 strength, surface, shape, size를 뜻한다. 고온고압법으로 공업용 다이아몬드를 합성 시 이네 가지 항목을 응용목적에 따라 적절한 품질을 위해 합성 공정의 조건을 조절 할 수 있다.
합성다이아몬드의 색상이 노란색에서 갈색의 색 범위를 나타내는 원인은? 합성다이아몬드의 색상은 일반적으로 합성 시 질소의 혼입에 의해 노란색에서 갈색의 색 범위를 나타낸다. 또한 다이아몬드 자체 색상 외에도 표면 잔류물에 의한 색상의 채도에 의해서도 품질이 크게 결정되는데 가능한한 표면잔류물이 없어서 밝은 노란색이 시장에서 더 선호된다.
합성다이아몬드를 밝은 노란색으로 나타내기 위한 반복된 강산을 이용한 세정공정 진 및 열산화를 통한 표면의 불순물 제거 방법은 어떤 문제점이 있는가? 또한 다이아몬드 자체 색상 외에도 표면 잔류물에 의한 색상의 채도에 의해서도 품질이 크게 결정되는데 가능한한 표면잔류물이 없어서 밝은 노란색이 시장에서 더 선호된다. 따라서 이를 위해 기존에는 반복된 강산을 이용한 세정공정을 진행하거나 열산화시켜 표면의 불순물을 제거해야만 하는데, 이때 다이아몬드 표면도 일부 제거되는 문제가 있어서 중량 감소가 발생하는 문제가 있었다.
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참고문헌 (8)

  1. H. T. Hall, "Ultra-High Pressure Apparatus," Rev. Sci. Instr., 31, 2, pp.125-131, 1960 DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.1716907 

  2. R. T. Coelho, S. Yamada, D. K. Aspinwall, M. L. H. Wise, "The Application of Polycrystalline Diamond (PCD) Tool Materials When Drilling And Reaming Aluminium Based Alloys Including MMC," Int. J. Mach. Tolls Manufact, 35, 5, pp.761-774, 1995 DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0890-6955(95)93044-7 

  3. M. Wemer, R. Locher, "Growth and Application of Undoped and Doped Diamond Films," Rep. Prog. Phys., 61, 12, pp.1665-1710, 1998 DOI: http://dx.doi.org/10.1088/0034-4885/61/12/002 

  4. A. K. Khachatryan, S. G. Aloyan, P. W. May, R. Sargsyan, V. A. Khachatryan, V. S. Baghdasaryan, "Graphite-to-Diamond Transformation Induced by Ultrasound Cavitation," Diam. Relat. Mater., 17, pp.931-936, 2008 DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.diamond.2008.01.112 

  5. Y. Shen, O. Song, "Property of the HPHT Diamonds Using Stack Cell and Zn Coating with Pressure," J. Kor. Ceram. Soc., 49, 2, pp.167-172, 2012 DOI: http://dx.doi.org/10.4191/kcers.2012.49.2.167 

  6. Y. Zhang, C. Zang, H. Ma, Z. Liang, L. Zhou, S. Li, X. Jia, "HPHT synthesis of Large Sing Crystal Diamond Doped with High Nitrogen Concentration," Diam. Relat. Mater., 17, pp.209-211, 2008 DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.diamond.2007.12.018 

  7. J. Q. Zhang, H. A. Ma, Y. P. Jiang, Z. Z. Liang, Y. Tian, X. Jia, "Effects of the Additive Boron on Diamond Crystals Synthesized in the System of Fe-Based Alloy and Carbon at HPHT." Diam. Relat. Mater., 16, pp.283-287, 2007 DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.diamond.2006.06.005 

  8. Y. Wang, H. Kanda, "Growth of HPHT Diamonds in Alkali Halides: Possible Effects of Oxygen Contamination," Diam. Relat. Mater., 7, pp.57-63, 1998 DOI: http://dx.doi.org/10.1016/S0925-9635(97)00183-0 

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