• Korean Journal of Materials Research
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• v.20 no.4
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• pp.194-198
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• 2010

Cubic boron nitride (c-BN) is a promising material for use in many potential applications because of its outstanding physical properties such as high thermal stability, high abrasive wear resistance, and super hardness. Even though 316L austenitic stainless steel (STS) has poor wear resistance causing it to be toxic in the body due to wear and material chips, 316L STS has been used for implant biomaterials in orthopedics due to its good corrosion resistance and mechanical properties. Therefore, in the present study, c-BN films with a $B_4C$ layer were applied to a 316L STS specimen in order to improve its wear resistance. The deposition of the c-BN films was performed using an r.f. (13.56 MHz) magnetron sputtering system with a $B_4C$ target. The coating layers were characterized using XPS and SEM, and the mechanical properties were investigated using a nanoindenter. The friction coefficient of the c-BN coated 316L STS steel was obtained using a pin-on-disk according to the ASTM G163-99. The thickness of the obtained c-BN and $B_4C$ were about 220 nm and 630 nm, respectively. The high resolution XPS spectra analysis of B1s and N1s revealed that the c-BN film was mainly composed of $sp^3$ BN bonds. The hardness and elastic modulus of the c-BN measured by the nanoindenter were 46.8 GPa and 345.7 GPa, respectively. The friction coefficient of the c-BN coated 316L STS was decreased from 3.5 to 1.6. The wear property of the c-BN coated 316L STS was enhanced by a factor of two.

• International Journal of Precision Engineering and Manufacturing
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• v.5 no.3
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• pp.35-42
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• 2004

This research describes that the cutting characteristics and tool wear behavior in the micro cutting of three kinds of wear resistant cemented carbides (WC-Co; V40, V50 and V60) using PCD (Poly Crystalline Diamond) and PCBN (Poly crystalline Cubic Boron Nitride) cutting tools by use of the SEM (Scanning Electron Microscope) direct observation method. The purpose of this research is to present reasonable cutting conditions from the viewpoint of high efficient cutting refer to a precise finished surface and tool wear. Summary of the results is as follows: (1) The cutting forces tend to increase as the increase of the weight percentage of WC particles, and the thrust forces was larger than the principal forces in the cutting of WC-Co. These phenomena were different from the ordinary cutting such as cutting of steel or cast iron. (2) The cutting speed hardly influenced the thrust force, because of the frictional force between the cutting tool edge and small WC particles at low cutting speed region such as 2$\mu\textrm{m}$/s. It seemed that the thrust cutting force occurred by the contact between the flank face and work material near the cutting edge. (3) The wear mechanism for PCD tools is abrasion by hard WC particles of the work materials, which leads diamond grain to be detached from the bond. (4) From the SEM direct observation in cutting the WC-Co, it seems that WC particles are broken and come into contact with the tool edge directly. This causes tool wear, resulting in severe tool damage. (5) In the orthogonal micro cutting of WC-Co, the tool wear in the flank face was formed bigger than that in the rake face on orthogonal micro cutting. And the machining surface integrity on the side of the cutting tool with a negative rake angle was better than that with a positive one, as well as burr in the case of using the cutting tool with a negative rake angle was formed very little compared to the that with a positive one.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2000.02a
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• pp.124-124
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• 2000

다이아몬드에 버금가는 높은 경도뿐만 아니라 높은 화학적 안정성 및 열전도성 등 우수한 물리화학적 특성을 가진 입방정 질화붕소(cubic boron nitride)는 마찰.마모, 전자, 광학 등의 여러 분야에서의 산업적 응용이 크게 기대되는 재료이다. 특히 탄화물형성원소에 대해 안정하여 철계금속의 가공을 위한 공구재료로의 응용 또한 크게 기대된다. 이 때문에 각종의 PVD, CVD 공정을 이용하여 c-BN 박막의 합성에 대한 연구가 광범위하게 진행되어 많은 성공사례들이 보고되고 있다. 그러나 c-BN 박막의 유용성에도 불구하고 아직 실제적인 응용이 이루어지지 못한 것은 c-BN 박막의 증착직후 급격한 박리현상 때문이다. 본 연구에서는 평행자기장을 부가한 ME-ARE(Magnetically Enhanced Activated Reactive Evaporation)법을 이용한 c-BN 박막의 합성에서 적용한 증착공정 인자들의 변화에 따른 박리특성 고찰과 함께 다층박막화 및 제 3원소 혼입 방법을 적용하여 박리특성 향상 정도를 조사하였다. BN 박막합성은 전자총에 의해 증발된 보론과 (질소+아르곤) 플라즈마의 활성화반응증착(Activated Reactive Evaporation)에 의해 이루어졌다. 기존의 ARE 장치와 달리 열음극(got cathode)과 양극(anode) 사이에 평행자기장을 부가하여 플라즈마의 증대시켜 반응효율을 높였다. 합성실험용 모재로는 p-type으로 도핑된 (100) Si웨이퍼를 30$\times$40mmzmrl로 절단 후, 10%로 희석된 완충불산용액에 10분간 침적하여 표면의 산화층을 제거한 후 사용하였다. 박막실험실에서의 주요공정변수는 기판바이어스 전압, discharge 전류, Ar/N2가스유량비이었다. 합성된 박막의 결정성 분석을 FTIR을 이용하였으며, BN 박막의상 및 미세구조관찰을 위해 투과전자현미경(TEM;Philips EM400T) 분석을 병행하였고, 박막의 기계적 물성 평가를 위해 미소경도를 측정하였다. 박리특성의 고찰은 대기중에서의 자발적 박리가 일어나 90%이상의 박리가 진행된 시점까지의 시간을 측정하였고, 증착직후 박막의 잔류응력 변화와 연관하여 고찰해 보았다.

• Design & Manufacturing
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• v.17 no.2
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• pp.22-26
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• 2023

As Light-Emitting Diodes(LEDs) continue to advance in performance, their application in automotive lamps is increasing. Automotive LEDs utilize light guides not only for aesthetics but also to control light quantity and direction. Light guides employ patterns of a few hundred micrometers(㎛) to regulate the light, and the surface roughness(Ra) of these patterns can reach tens of nanometers(nm). Given that these light guides are produced through injection molding, mold processing technology with high surface quality micro-patterns is required. This study serves as a preliminary investigation into the development of high surface quality micro-pattern processing technology. It examines the surface roughness of the workpiece based on the cutting direction of the pattern and the cutting fluid type when cutting micro-patterns on STAVAX steel using cubic Boron Nitride(cBN) tools. The experiments involved machining a step-shaped micro-pattern with a height of 60 ㎛ and a pitch of 400 ㎛ in a 22×22 mm area under identical cutting conditions, with only the cutting direction and cutting fluid type being varied. The machining results of four cases were compared, encompassing two cases of cutting direction(parallel to the pattern, orthogonal to the pattern) and two cases of cutting fluid type (flood, mist). Consequently, the Ra value was found to be the highest(Ra 128.33 nm) when machining with the flood type in parallel to the pattern, while it was the lowest(Ra 95.22 nm) when machining with the mist type orthogonal to the pattern. These findings confirm that there is a difference of up to 25.8 % in the Ra value depending on the cutting direction and cutting fluid type.

• Composites Research
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• v.36 no.6
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• pp.435-440
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• 2023

This study aimed to enhance the thermal conductivity of B₄C/Al composite materials, commonly used in transport/storage containers for spent nuclear fuel, by incorporating both boron carbide (B₄C) and cubic boron nitride(cBN) as reinforcing agents in an aluminum (Al) matrix. The composite materials were successfully manufactured through a stir casting process and practical neutron-absorbing materials were obtained by rolling the fabricated composite ingot. The evaluation of the thermal conductivity of the fabricated composites was carried out because thermal conductivity is critical for neutron absorbing materials. The thermal conductivity measurement results indicated an approximately 3% increase in thermal conductivity under the same volume fraction when compared to composite materials using only B₄C particles. Through neutron absorption cross-sectional area calculations, it was confirmed that the neutron absorption capability decreased to a negligible level. Based on the findings of this study, new design approaches for neutron absorption materials are proposed, contributing to the development of high-performance transport/storage containers.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 1999.07a
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• pp.148-148
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• 1999

다이아몬드에 버금가는 높은 경도뿐만 아니라 높은 화학적 안정성 및 열전도성 등 우수한 물리화학적 특성을 가진 입방정 질화붕소(cubic Boron Nitride)는 마찰.마모, 전자, 광학 등의 여러 분야에서의 산업적 응용이 크게 기대되는 자료이다. 특히 탄화물형성원소에 대해 안정하여 철계금속의 가공을 위한 공구재료로의 응용 또한 기대되는 재료이다. 특히 탄화물형성원소에 대해 안정하여 철계금속의 가공을 위한 공구재료로의 응용 또한 크게 기대된다. 이 때문에 각종의 PVD, CVD 공정을 이용하여 c-BN 박막의 합성에 대한 연구가 광범위하게 진행되어 많은 성공사례들이 보고되고 있다. 그러나 이러한 c-BN 박막의 유용성에도 불구하고 아직 실제적인 응용이 이루어지지 못한 것은 증착직후 급격한 박리현상을 보이는 c-BN 박막의 밀착력문제때문이다. 본 연구에서는 평행자기장을 부가한 ME-ARE(Magnetically Enhanced Activated Reactive Evaporation)법을 이용하여 c-BN 박막을 합성하고, 합성된 c-BN 박막의 밀착력에 미치는 공정인자의 영향을 규명하여, 급격한 박리현상을 보이는 c-BN 박막의 밀착력 향상을 위한 최적 공정을 도출하고자 하였다. BN 박막 합성은 전자총에 의해 증발된 보론과 (질소+아르곤) 플라즈마의 활성화반응증착(activated reactive evaporation)에 의해 이루어졌다. 기존의 ARE장치와 달리 열음극(hot cathode)과 양극(anode)사이에 평행자기장을 부여하여 플라즈마를 증대시켜 반응효율을 높혔다. 합성실험용 모재로는 p-type으로 도핑된 (100) Si웨이퍼를 30$\times$40 mm크기로 절단 후, 100%로 희석된 완충불산용액에 10분간 침적하여 표면의 산화층을 제거한후 사용하였다. c-BN 박막을 얻기 위한 주요공정변수는 기판바이어스 전압, discharge 전류, Ar/N가스유량비이었다. 증착공정 인자들을 변화시켜 다양한 조건에서 c-BN 박막의 합성하여 밀착력 변화를 조사하였다. 합성된 박막의 결정성 분석을 FTIR을 이용하였으며, Bn 박막의 상 및 미세구조관찰을 위해 투과전자현미경(TEM;Philips EM400T) 분석을 병행하였고, 박막의 기계적 물성 평가를 위해 미소경도를 측정하였다. 증착된 c-BN 박막은 3~10 GPa의 큰 잔류응력으로 인해 증착직후 급격한 박리현상을 보였다. 이의 개선을 위해 증착중 기판바이어스 제어 및 후열처리를 통해 밀착력을 수~수백배 향상시킬 수 있었다. c-BN 박막의 합성을 위해서는 증착중인 박막표면으로 큰 에너지를 갖는 이온의 충돌이 필요하기 때문에 기판 바이어스가 요구되는데, c-BN의 합성단계를 핵생성 단계와 성장 단계로 구분하여 인가한 기판바이어스를 달리하였다. 이 결과 그림 1에서 나타낸 것처럼 c-BN 박막의 핵생성에 필요한 기판바이어스의 50% 정도만을 인가하였을 때 잔류응력은 크게 경감되었으며, 밀착력이 크게 향상되었다.