DLCの応用技術

―進化するダイヤモンドライクカーボンの産業応用と未来技術―

Application and Technology of DLC Films ―Evolving Industrial Application and Future Technology of Diamond-Like Carbon―

［コードNo.2007T599］

■監修／	大竹尚登（名古屋大学）
■体裁／	Ｂ５判　３０６ページ
■発行／	２００７年　１２月　(株)シーエムシー出版
■定価／	６８,２５０円（税込価格）

★	現在から未来のDLC応用技術A to Zを紹介！
★	これからDLCをつくる研究者・開発者の為に合成法・評価法の基礎を詳述！
★	産・学・官の第一線の研究・開発者による分担執筆！

※　本書籍はご試読頂けません　※

刊行にあたって
DLCが注目されている。2度目のブームとも呼ばれているが、1990年前後の第1次DLCブームから約20年を経て本格的な市場の拡大が続いている。一昨年辺りから自動車部品へのDLC応用が本格的に始まったことが大きく、研究開発の刺激にもなっている。ブームは日本だけではない。欧米では以前から自動車応用がかなり進んでいるし、韓国でも1人で立ち上げたコーティング会社がわずか8年でビルを持つまでに成長している。 　成長のバックグラウンドにあるのは地球環境問題と法規制である。つまり、従来のコーティングや流体潤滑にかわる環境負荷の小さい材料として白羽の矢が立てられた。DLCが注目されたのはたまたまではなく、材料として優れた特性を持つからだが、その根底になるのは炭素＝CというIV族最高位元素が主役の材料だからだと筆者は思っている。IVという中庸の位置を占めているからこそ、ダイヤモンドの四面体構造があってそれがDLCの特性に関わっているし、化学的安定性や生体親和性の高さにも関わってくる。このDLC技術が環境問題の決め手とまで言うつもりはないが、キーテクノロジーの一つであることは疑う余地がない。毎年熱となって消費される摩擦損失は20兆円と言われている。世の中のあらゆる動いているものの摩擦係数を0.1下げることが、どれだけのエネルギー損失低減になるかは明らかであろう。 　今般本書を纏めた目的は、このDLCをもっと世の中に知ってもらい、もっと使ってもらうことである。そのために厳しい開発競争を続けている電源メーカーからDLC装置関連、コーティング関連、応用関連に至る第一線の方々に執筆を依頼した。日本のDLC技術は現在この状態で、こんなこともできるようになっていると理解してもらうためである。さらに、DLCの性格付けと評価についてもページを割いた。応用の多くの割合を占めるトライボ特性についてはプロセストライボロジーの専門家の方々にご執筆いただき、かなり掘り下げた内容となった。 　本書により読者の皆さんにDLCの応用技術についての現状を把握して頂き、新しい応用の姿を発見して頂ければ幸甚である。
（「監修にあたって」より） 名古屋大学　大学院工学研究科　マテリアル理工学専攻　大竹尚登

執筆者一覧（執筆順）
大竹尚登	名古屋大学 大学院工学研究科 マテリアル理工学専攻 准教授
斎藤秀俊	長岡技術科学大学 物質・材料系 教授
片岡征二	湘南工科大学 機械デザイン工学科 教授
黒田剛史	名古屋大学 大学院工学研究科 マテリアル理工学専攻
中川拓	名古屋大学 大学院工学研究科 マテリアル理工学専攻
大石竜輔	名古屋大学 工学部 物理工学科
高島舞	名古屋大学 工学部 物理工学科
中東孝浩	日本アイ・ティ・エフ(株) 技術部 部長補佐
西口晃	ナノテック(株) 常務取締役
河田一喜	オリエンタルエンヂニアリング(株) 取締役 研究開発部 部長
赤理孝一郎	(株)神戸製鋼所 機械エンジニアリングカンパニー産業機械事業部 高機能商品部技術室 次長
寺山暢之	神港精機(株) 装置事業部 真空装置技術部 開発課 課長
森広行	(株)豊田中央研究所 金属材料基盤研究室 研究員
中西和之	(株)豊田中央研究所 金属材料基盤研究室 主任技師
太刀川英男	(株)豊田中央研究所 金属材料基盤研究室 主監
熊谷泰	ナノコート・ティーエス(株) 代表取締役社長
鈴木泰雄	(株)プラズマイオンアシスト
齊藤利幸	(株)ジェイテクト 研究開発センター 材料技術研究部 トライボロジー研究室 主担当
安藤淳二	(株)ジェイテクト 軸受・駆動事業本部 カップリングシステム技術部 主任
中谷達行	トーヨーエイテック(株) 精密部品製造部 主幹
岡本圭司	トーヨーエイテック(株) BI室 主事
稲葉宏	(株)日立製作所 生産技術研究所 生産システム第二研究部 主任研究員
安岡学	(株)不二越 機械工具事業部 チーフエンジニア
松浦尚	住友電気工業(株) 半導体技術研究所 主席
杉野隆	大阪大学 大学院工学研究科 電気電子情報工学専攻 教授
青木秀充	大阪大学 大学院工学研究科 電気電子情報工学専攻 准教授
木村千春	大阪大学 大学院工学研究科 電気電子情報工学専攻 助教
長谷部光泉	国家公務員共済組合連合会 立川病院 放射線科 医長
鈴木哲也	慶應義塾大学 大学院理工学研究科 環境・資源・エネルギー科学専修 教授
西英隆	東京工業大学 大学院機械物理工学専攻
馬場恒明	長崎県工業技術センター 応用技術部 部長
齊藤隆雄	日本ガイシ(株) 製造技術部 主任
平田敦	東京工業大学 大学院理工学研究科 准教授
大花継頼	(独)産業技術総合研究所 ナノカーボン研究センター 主任研究員
青木佑一	東京工業大学 大学院工学研究科 機械物理工学専攻
松尾誠	(株)iMott 代表取締役
岩本喜直	(株)iMott 取締役
藤本真司	松下電工(株) 生産技術研究所
佐々木信也	東京理科大学 工学部 機械工学科 教授
北村憲彦	名古屋工業大学 つくり領域 准教授
楊明	首都大学東京 システムデザイン研究科 教授
大越康晴	東京電機大学 理工学部 生命理工学系 助手
平栗健二	東京電機大学 工学部 電気電子工学科 教授
玉置賀宣	玉置電子工業(株) 代表取締役社長
滝川浩史	豊橋技術科学大学 電気・電子工学系 教授
渡部修一	日本工業大学 工学部 システム工学科 教授
八田章光	高知工科大学 工学部 電子・光システム工学科 教授
��崎正也	埼玉大学 大学院理工学研究科 准教授
竹内貞雄	日本工業大学 先端材料技術研究センター 教授
松井真二	兵庫県立大学 高度産業科学技術研究所 教授

構成および内容
第1章	序論
1	DLCとは?　DLC標準化の試み（斎藤秀俊）
1.1	DLC膜の広がり
1.2	DLC膜分類の歴史
1.3	これからのDLC膜の分類
1.4	DLC膜評価プロジェクト
1.5	リサーチクラスター事業の成果
2	プロセストライボロジーにおけるDLCの位置づけ（片岡征二）
2.1	潤滑油に代わるDLC膜への期待
2.2	塑性加工工具へ適用するための必要条件
2.3	DLC膜の密着性向上への取組み状況
2.3.1	密着性評価試験法
2.3.2	トライボ試験による密着性評価試験結果
2.4	DLCコーテッド工具のドライ絞り加工への適用
3	DLCのつくり方と評価手法の基礎(大竹尚登、黒田剛史、中川拓、大石竜輔、高島舞)
3.1	はじめに
3.2	DLC合成の流れと必要な機材・材料
3.3	DLC成膜の条件
3.4	DLC膜の評価
第2章	機械的応用
1	DLCの機械的応用の概観（中東孝浩）
1.1	はじめに
1.2	有害化学物質に関連する主な規制
1.3	DLCの用途とその機械的要求性能
1.4	DLCの摩擦・摩耗特性
1.5	無潤滑摺動を狙ったDLCコーティング
1.6	無潤滑切削を狙ったDLCコーティング
1.7	変形する高分子材料へのDLCコーティング
1.8	まとめ
2	DLCの応用についての最新動向（西口晃）
2.1	金型への応用
2.2	切削工具への応用
2.3	機械部品への応用
2.4	自動車部品への応用
2.5	医療用部品への応用
2.6	太陽電池への応用
2.7	飲料容器への応用
2.8	装飾品への応用
2.9	まとめ
3	パルスDCプラズマCVD法によるDLC膜の合成とその応用（河田一喜）
3.1	はじめに
3.2	量産型パルスDC-PCVD装置
3.3	パルスDC-PCVD法で作製したDLC膜の特性
3.4	DLC膜の応用
3.5	おわりに
4	UBMS法によるDLCコーティングの各種応用例（赤理孝一郎）
4.1	UBMS法の原理と特長
4.2	UBMS法によるDLCコーティングの特性
4.2.1	皮膜密着性
4.2.2	硬度制御性
4.2.3	組成制御性
4.3	UBMS法によるDLCコーティングの応用例
4.3.1	部品分野
4.3.2	金型・工具分野
5	ホローカソード放電を利用した穴内面へのDLCコーティングとその応用（寺山暢之）
5.1	はじめに
5.2	装置開発の経緯
5.3	装置構成
5.4	内面DLCの皮膜特性
5.5	金型への適用
5.6	まとめ
6	直流プラズマCVD法によるDLC-Si膜のトライボ特性と低摩擦機構(森広行、中西和之、太刀川英男)
6.1	はじめに
6.2	直流プラズマCVD法によるDLC-Si成膜技術
6.3	潤滑油中における低摩擦特性およびその機構
6.4	おわりに
7	プラズマブースター法によるDLC合成とその応用（熊谷泰）
7.1	はじめに
7.2	成膜装置とプロセス
7.3	複合多層DLC（セルテスDLC）被膜の特性
7.3.1	複合多層構造
7.3.2	密着力
7.3.3	硬さとヤング率
7.3.4	摩擦係数と耐摩耗性
7.3.5	耐焼付性
7.3.6	耐熱性
7.3.7	電気的特性・光学的特性
7.4	おわりに
8	PBIID法によるDLC成膜と各種応用（鈴木泰雄）
8.1	まえがき
8.2	プラズマイオン注入・成膜（PBIID）技術
8.2.1	PBIID技術
8.2.2	PBIID動作原理
8.2.3	PBIID装置
8.2.4	PBIID技術の特長
8.3	PBIID技術によるDLC膜
8.3.1	PBIIDによるDLC成膜プロセス
8.3.2	PBIIDによるDLC膜の特性
8.3.3	DLC膜の特長
8.4	各種成膜加工法との比較
8.5	応用
8.5.1	自動車部品
8.5.2	金型部品
8.5.3	機械部品
8.6	技術課題
8.7	まとめ
9	DLC-Siコーティングの4WDカップリング用電磁クラッチへの応用(齊藤利幸、安藤淳二)
9.1	はじめに
9.2	ITCCの作動原理と要求特性
9.3	電磁クラッチのトライボロジー特性
9.3.1	耐シャダー性評価試験
9.3.2	フルード潤滑下におけるμ-v特性
9.3.3	DLC-Siクラッチの摩耗特性
9.4	DLC-Siクラッチの大量処理技術
9.5	まとめ
10	ロータリーエンジンへのDLC薄膜合成の応用（中谷達行、岡本圭司）
10.1	はじめに
10.2	ロータリーエンジンの摩耗問題
10.3	DLC膜の特性
10.4	DLC成膜条件
10.5	TOYO-DLCの耐熱性評価
10.5.1	耐熱特性
10.5.2	熱伝導率特性と耐熱特性との関係
10.6	TOYO-DLCの耐摩耗性評価
10.6.1	硬度
10.6.2	Si含有量と水素量の関係
10.6.3	Si含有量とIG/IDおよびヤング率の関係
10.7	ロータリーエンジンへのDLC適応結果
10.8	おわりに
11	FCVA法によるDLC薄膜の作製と磁気ヘッドへのコーティング（稲葉宏）
11.1	はじめに
11.2	FCVA装置
11.3	ta-C膜
11.4	C＋イオンとta-C薄膜
11.4.1	C＋イオンエネルギーとsp3結合比率
11.4.2	入射C＋イオンの挙動
11.5	FCVA法における異物対策
11.5.1	中性異物対策
11.5.2	荷電性異物対策
11.5.3	リアルタイムパーティクルフィルタ
11.6	ta-C薄膜信頼性試験
11.6.1	耐摩耗性評価
11.6.2	耐燃焼性評価
11.6.3	耐腐食性評価
11.7	おわりに
12	切削工具における環境問題とドライ加工（安岡学）
12.1	はじめに
12.2	ドライ加工用切削工具に適したDLC膜
12.3	各種被膜とアルミニウム合金の摺動特性
12.4	DLCコーティングドリルの切削事例
12.5	今後の切削工具用途の膜開発
第3章	電気的・光学的・化学的応用
1	屈折率変化a-C:H膜（松浦尚）
1.1	はじめに
1.2	回折光学素子
1.3	a-C:H膜の屈折率変化
1.4	屈折率変調型回折光学素子の設計
1.5	まとめ
2	アモルファス炭素系膜のLow-K膜としての特性（杉野隆、青木秀充、木村千春）
2.1	はじめに
2.2	低誘電率膜への要求
2.3	各種カーボン系低誘電率材料
2.3.1	ダイヤモンドライクカーボン（DLC）膜
2.3.2	アモルファスカーボン
2.3.3	ナノダイヤモンド
2.3.4	CNx膜
2.3.5	BN、BCN膜
2.4	まとめ
3	DLCコーティングのカテーテル、ステントへの適用（長谷部光泉、鈴木哲也）
3.1	はじめに
3.2	カテーテルおよびガイドワイヤー
3.3	ステント
3.4	おわりに
4	DLCのガスバリア性とその応用（大竹尚登、西英隆）
4.1	PETボトルへのガスバリア機能付与技術
4.2	a-C:H膜の利用
4.3	PETフィルムへのアモルファス炭素膜の成膜
4.4	まとめ
第4章	次世代応用のためのDLC基盤技術
1	PBII法によるマイクロ部材へのDLCコーティング（馬場恒明）
1.1	はじめに
1.2	細管内壁用PBII装置の構成
1.3	細管内壁へのイオン注入とDLC膜作製
1.4	おわりに
2	大気圧DLC成膜技術（齊藤隆雄）
3	真空アーク蒸着（VAD）法による低ドロップレットDLC膜の合成と特性評価(平田敦)
3.1	はじめに
3.2	低ドロップレットDLC膜の合成
3.2.1	磁場によるアークプラズマの輸送
3.2.2	磁場による陰極放電点の操蛇
3.2.3	物理的・電気的シールドの設置
3.2.4	アーク放電生成条件の制御
3.3	真空アーク蒸着DLC膜の特性評価
4	Si-DLC膜の水中でのトライボロジー特性（大花継頼）
4.1	はじめに
4.2	水中におけるSi-DLC膜のトライボロジー特性
4.3	DLC膜とSi-DLC膜の多層化膜
4.4	摩耗面の評価
4.5	まとめ
5	セグメント構造DLC膜の合成と機械部材への応用(大竹尚登、青木佑一、松尾誠、岩本喜直)
5.1	はじめに
5.2	セグメント構造DLC膜の合成
5.3	セグメント構造DLC膜の評価
5.4	DLCの機能複合化
5.5	まとめ
6	DLC皮膜の機械的性質と原子構造（藤本真司）
6.1	まえがき
6.2	DLC皮膜の機械的性質と原子構造
6.2.1	皮膜の作製
6.2.2	皮膜の構造
6.2.3	皮膜中の水素量
6.2.4	皮膜の硬度
6.2.5	皮膜の摺動特性
6.3	あとがき
7	DLCの耐摩耗性評価法の基礎（佐々木信也）
7.1	はじめに
7.2	摩擦・摩耗メカニズムから見たDLCの特徴
7.2.1	摩擦のメカニズム
7.2.2	摩耗のメカニズム
7.3	摩耗評価方法
7.3.1	一般的な摩耗評価方法
7.3.2	摩耗特性評価試験で注意すべき点
7.3.3	耐摩耗性と密着性
7.4	おわりに
8	プロセス・トライボロジーとしてのDLC膜の適用可能性評価（北村憲彦）
8.1	塑性加工プロセスにおけるトライボロジー条件
8.2	最近のDLCの適用例
8.3	鍛造加工へのDLC工具適用の可能性評価
8.4	ボール通し試験
8.5	まとめ
9	マイクロ成形加工用金型へのコーティングとその特性評価（楊明）
9.1	はじめに
9.2	マイクロ金型へのコーティング
9.3	静押込み荷重試験によるマイクロ領域での密着性評価
9.4	マイクロトライボロジー特性評価
9.5	マイクロ金型に適した多層構造DLC膜
9.6	まとめ
10	DLCおよびその関連物質の水素脱吸着特性（斎藤秀俊）
10.1	DLC膜のクラスターモデル
10.2	DLC膜からの水素離脱
10.3	DLC膜の吸蔵水素
10.3.1	吸蔵水素測定法
10.3.2	DLCおよび関連物質の水素吸蔵特性
11	DLC膜の生体適合性評価（大越康晴、平栗健二）
11.1	はじめに
11.2	生体内留置試験によるDLC膜の病理組織学的評価
11.3	生体内留置試験によるDLC膜の安定性評価
11.4	まとめ
12	DLC合成用パルス電源（玉置賀宣）
12.1	パルス電源の基礎と特徴
12.2	パルス電源の方式と特徴
12.3	DLC合成用パルス電源の現状
第5章	次世代応用のためのDLC先端技術
1	フィルタードアーク蒸着法によるDLC膜の合成と特性評価（滝川浩史）
1.1	はじめに
1.2	フィルタードアーク蒸着法
1.3	T-FAD生成のDLC膜
1.4	おわりに
2	DLC系ナノコンポジット膜の合成とそのトライボロジー特性（渡部修一）
2.1	はじめに
2.2	ナノ粒子分散構造膜
2.3	ナノ積層構造膜
2.4	DLC／硫化物系ナノコンポジット膜
2.5	まとめ
3	DLC薄膜の水素遮断性（八田章光）
3.1	はじめに
3.2	水素遮断性評価試料の作製
3.3	透過法による水素遮断性の評価
3.4	水素透過量測定結果
3.5	拡散方程式による検討
3.6	まとめ
4	セグメント構造DLC膜の超音波モータの摩擦駆動面への応用（���ｱ正也）
4.1	はじめに
4.2	弾性表面波リニアモータ
4.3	DLC膜の導入
4.4	駆動特性
4.5	おわりに
5	FIBによる自立体DLC膜の加工と応用（竹内貞雄）
5.1	はじめに
5.2	内部応力を低減したDLC自立体の製作
5.3	DLC自立体の加工特性
5.4	FIBによるマイクロギヤの加工と組み立て
6	集束イオンビームによる立体ナノ構造形成技術とその応用（松井真二）
6.1	はじめに
6.2	立体ナノ構造形成方法
6.3	ナノエレクトロメカニクスへの応用
6.3.1	空中配線の作製と評価
6.3.2	静電ナノマニピュレータ
6.3.3	ナノスプリング
6.4	ナノオプテイクス（自然生物の擬似ナノ構造作製とその光学的評価）
6.5	ナノバイオへの応用
6.6	まとめ
第6章	総括（大竹尚登）
1	DLCの未来

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