ダイヤモンドライクカーボン

ダイヤモンドライクカーボン（DLC）とは

ダイヤモンドライクカーボン（DLC）は、主に炭化水素や炭素の同素体から構成される非晶質の硬質膜です。硬質炭素膜とも呼ばれ、その頭文字をとってDLCと略されます。DLCの特性は、膜中の水素含有量や、炭素原子の電子軌道がダイヤモンドに近いかグラファイトに近いかによって大きく変化します。

DLCの特徴

DLCは、その優れた特性から様々な分野で利用されています。主な特徴としては、以下のような点が挙げられます。

硬度: ビッカース硬さで1,500～7,000Hvと非常に高い硬度を持ちます。
潤滑性: 摩擦係数が低く、優れた潤滑性を示します。
耐摩耗性: 摩擦による摩耗に強く、耐久性に優れています。
化学的安定性: 化学的に安定で、様々な環境下で使用できます。
表面平滑性: 表面が滑らかで、摩擦を低減します。
離型性: 材料がくっつきにくく、型抜きが容易になります。
耐焼き付き性: 高温下でも焼き付きを起こしにくい性質があります。

これらの特性は、膜厚や製造方法によって調整でき、用途に応じた最適なDLC膜を作製できます。

DLCの製法

DLCの製法には、主に以下の2つの方法があります。

CVD法（化学気相成長法）: 原料ガスをプラズマ化し、試料表面に蒸着させる方法です。熱CVD、プラズマCVD（高周波、マイクロ波、直流など）があります。特にプラズマCVD法は、低温で成膜でき、複雑な形状にも均一に成膜しやすいという利点があります。
PVD法（物理気相成長法）: 真空中で原料をイオンビームやアーク放電などに晒し、飛び散った炭素原子を試料表面に付着させる方法です。真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法などがあります。PVD法では、金属を添加したDLCや水素フリーDLCを作製できます。

DLCの膜の種類と性質

DLCは、構成する炭素の混成軌道の割合や水素含有量によって性質が異なります。主な種類としては、以下の2つがあります。

a-C:H（水素化アモルファスカーボン）: 水素を含み、sp2混成軌道（グラファイト構造）の炭素の割合が多いDLCです。一般的に使用されるタイプで、潤滑性に優れます。
ta-C（テトラヘドラルアモルファスカーボン）: 水素を含まず、sp3混成軌道（ダイヤモンド構造）の炭素の割合が多いDLCです。水素フリーDLCとも呼ばれ、高い硬度を持ちます。

一般的に、sp3結合の割合が多いほどダイヤモンドに近い性質（硬度が高い）、sp2結合の割合が多いほどグラファイトに近い性質（潤滑性が高い）になります。水素含有量が多いと硬度が下がる傾向にあります。無潤滑環境下では水素含有量が多い方が摩擦係数が優れ、潤滑油中では水素フリーのDLCの方が摩擦係数が優れるという特徴があります。

これらの特性はあくまで組成によるもので、膜厚、表面粗さ、製造方法などによっても大きく変化するため、実際の使用においては総合的に考慮する必要があります。

DLCの主な用途

DLCは、その優れた特性から幅広い分野で利用されています。主な用途としては、以下のようなものが挙げられます。

ハードディスクの表面: 高密度記録を実現するための保護膜として使用されます。
剃刀（かみそり）の刃: 耐摩耗性を高め、切れ味を長持ちさせます。
軽金属切削加工用の工具・金型: 耐摩耗性、耐焼き付き性を高めます。
ペットボトルの内面: 化学的安定性、ガスバリア性を高めます。
パッキンの表面皮膜: 摩擦を低減し、密閉性を高めます。
自動車・オートバイ用エンジン、トランスミッション、サスペンションなどの部品: 耐摩耗性、潤滑性を高め、部品の長寿命化に貢献します。
光学部品の保護膜: 傷つきにくくし、耐久性を高めます。
治具の表面皮膜: 耐摩耗性を高め、寿命を長くします。
スピーカー（トゥイーター）: 高音域の音質を向上させます。

参考文献

斎藤秀俊・大竹尚登・中東孝浩『DLC膜ハンドブック』エヌ・ティー・エス、2006年。
權田俊一『21世紀版薄膜作製応用ハンドブック』エヌ・ティー・エス、2003年。
鈴木秀人・池永勝『事例で学ぶDLC成膜技術』日刊工業新聞社、2003年。
鈴木秀人・池永勝『ドライプロセスによる超硬質皮膜の原理と工業的応用』日刊工業新聞社、2000年。
稲垣道夫『解説・カーボンファミリー -それぞれの多様性とその評価-』アグネ承風社、2001年。
炭素材料学会 カーボン用語辞典編集委員会『カーボン用語辞典』アグネ承風社、2000年。
和佐清孝・早川茂『薄膜化技術（第3版）』共立出版株式会社、2002年。
W.Kulisch『Deposition of Diamond-Like Superhard Materials』Springer、1999年。
真下正夫・吉田政次『薄膜工学ハンドブック』株式会社 講談社サイエンティフィク、1998年。
真下正夫・畑朋延・小島勇夫『[図解]薄膜技術』株式会社 培風館、1999年。
プラズマ CVD 法による高品質ダイヤモンドの合成 (PDF) プラズマ・核融合学会誌, 2000

関連項目

物理気相成長 (PVD)
化学気相成長 (CVD)

外部リンク

斎藤 秀俊：ダイヤモンドライクカーボン 表面技術 2010年 61巻 2号 p.201, doi:10.4139/sfj.61.201
中山明, 田辺敬一朗、DLC 膜のマリンエンジニアリング応用に対する可能性について マリンエンジニアリング 2011年 46巻 5号 p.688-693, doi:10.5988/jime.46.688
DLC ダイヤモンドライクカーボン ナノテック株式会社
DLC複合成膜装置 島津製作所
DLCコーティングについて 日本アイ・ティ・エフ株式会社

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