(57)【要約】【課題】マクロなスケールにおいて超潤滑を実現する構造体を提供する。【解決手段】本発明の構造体１００は、基材１０１と、基材の一面１０１ａにおいて、面積が１ｍｍ２未満の領域Ｒに形成された複数のピラー１０２と、を有し、複数のピラー１０２のうち、隣接する二つのピラー１０２同士の距離Ｄが１μｍ以上であり、一つ一つのピラーの頂部１０２ｂの面積が１μｍ２未満である。【選択図】図１
2020138489.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、
前記基材の一面において、面積が１ｍｍ２未満の領域に形成された複数の凸なるピラーと凹なる隙間からなり、複数の前記ピラーのうち、隣接する二つのピラー同士の距離が１μｍ以上であり、
一つ一つの前記ピラーの頂部の面積が１μｍ２未満であることを特徴とする構造体。
【請求項２】
前記ピラーの頂部の面積が０．０１μｍ2以下であることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項３】
複数の前記ピラーが格子状に並んでいることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の構造体。
【請求項４】
前記ピラーが、二硫化モリブデンを主成分として含む材料からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項５】
前記ピラーが、シリコンを主成分として含む材料からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項６】
前記基材が、シリコンを主成分として含む材料からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項７】
前記基材が、樹脂またはプラスティックを主成分として含む材料からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超潤滑性を有する構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
相対運動する部材同士の摩擦を低減する潤滑剤として、固体潤滑剤が注目されている。固体潤滑剤は、せん断抵抗の小さい物質によって構成され、耐熱性、耐圧性に優れている。最適な固体潤滑剤として、最小の摩擦係数０．０２を有するテフロン（登録商標）コーティングが知られている（特許文献１）。固体潤滑剤に関しては、素材開発、表面加工など膨大な研究開発が行われてきたのにもかかわらず、今のところ、テフロンコーティングに勝るものは実現されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０９−２６２８７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
テフロンコーティングは、摩擦係数は小さいが粘着性が高いため、これに変わる硬質な潤滑剤の材料開発が望まれている。一方、摩擦係数がさらに小さく、例えば氷表面のような状態を実現する固体潤滑剤は、いまだに存在していない。固体潤滑剤には、宇宙空間のような真空状態や高温での極限環境下でも、利用できるような耐久性（ロブスト）が求められている。
【０００５】
本発明者らは、数ｎｍ程度のミクロなスケールにおいて、超潤滑性が発現するメカニズムを明らかにしている。しかしながら、数μｍ以上のマクロなスケールにおける超潤滑性は、摺動面のサイズが大きくなると歪みや結晶粒界の影響が顕著に現れるため、ミクロなスケールとは異なるメカニズムで発現することが想定される。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、マクロなスケールにおいて超潤滑を実現する構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
【０００８】
（１）本発明の一態様に係る構造体は、基材と、前記基材の一面において、面積が１ｍｍ２未満の領域に形成された複数の凸なるピラーと凹なる隙間からなり、複数の前記ピラーのうち、隣接する二つのピラー同士の距離が１μｍ以上であり、一つ一つの前記ピラーの頂部の面積が１μｍ２未満である。
【０００９】
（２）前記（１）に記載の構造体において、前記ピラーの頂部の面積が０．０１μｍ2以下であることが好ましい。
【００１０】
（３）前記（１）または（２）のいずれかに記載の構造体において、複数の前記ピラーが格子状に並んでいてもよい。
【００１１】
（４）前記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の構造体において、前記ピラーが、二硫化モリブデンを主成分として含む材料からなっていてもよい。
【００１２】
（５）前記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の構造体において、前記ピラーが、シリコンを主成分として含む材料からなっていてもよい。
【００１３】
（６）前記（１）〜（５）のいずれか一つに記載の構造体において、前記基材が、シリコンを主成分として含む材料からなっていてもよい。
【００１４】
（７）前記（１）〜（５）のいずれか一つに記載の構造体において、前記基材が、樹脂またはプラスティックを主成分として含む材料からなっていてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の構造体では、摩擦に寄与する複数のピラーが、面積１μｍ２以上の領域に分布しており、それら一つ一つが超潤滑性を有している。そして、ピラー同士が十分離間しているため、ピラー間の相互作用を無視することができ、ピラーの数の増加により超潤滑領域を拡張することができる。したがって、本発明の構造体によれば、マクロなスケールにおいて超潤滑を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（ａ）、（ｂ）本発明の一実施形態に係る構造体の斜視図、側面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）図１の構造体の変形例１、２を示す図である。
【図３】図１の構造体の変形例３を示す図である。
【図４】図１の構造体の変形例４を示す図である。
【図５】本発明の比較例１に係る構造体における摩擦力の測定結果を示す図である。
【図６】本発明の実施例１に係る構造体における摩擦力の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を適用した実施形態に係る構造体について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００１８】
図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る構造体１００の斜視図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の構造体１００を、一方の側から見た側面図である。構造体１００は、主に、基材１０１と、基材の一面１０１ａにおいて、面積（Ｘ×Ｙ）が１ｍｍ２未満の領域Ｒに形成された複数のピラー（柱状の構造物）１０２と、を有する。
【００１９】
ピラー１０２が形成される領域Ｒは、最大径が１μｍ未満（サブミクロンオーダー）の領域であればよく、その形状が限定されることはない。この領域Ｒの形状としては、例えば、一辺当たりの長さが１μｍ未満の矩形状、直径が１μｍ未満の円形状等が挙げられる。
【００２０】
基材１０１の材料としては、ピラー１０２を形成することが可能なものであればよく、例えば、Ｓｉ、ＳｉＯ２等の無機材料を主成分として、あるいは樹脂、プラスティック等の有機材料を主成分として含むものが挙げられる。特に、樹脂またはプラスティックを主成分として含む材料からなる基材１０１は、フレキシブルなものとなり、曲面に対する設置が可能となる。
【００２１】
複数のピラー１０２のうち、隣接する二つのピラー１０２同士の距離Ｄは、１μｍ以上である。そのため、ピラー１０２間での分子間相互作用の影響が小さく、一つ一つのピラー１０２が自由に変位することができ、表面がソフト化した状態となる。このことが、大きな表面を有する相手材との摺動面での接触で、摩擦を小さくする要因となる。したがって、この場合の構造体の表面１００ａ（一点鎖線で表示）の摩擦力は、十分小さく抑えられ、摩擦係数０．０１を極度に下回る超潤滑を実現することができる。例えば、幅０．１μｍの大きさのピラーでは、１μｍ以上の距離があるなら相互作用の影響が少ないため、その場合には、超潤滑領域（超潤滑材の大きさ）を増やす観点から、形成されるピラーの数は多いほど好ましい。
【００２２】
距離Ｄが１μｍ未満であると、分子間相互作用の影響によって一つ一つのピラーの自由な変位が妨げられる可能性があるので、１μｍ以上であることが望ましい。
【００２３】
ピラー１０２は、一方向に延在する構造物であって、一端１０２ａが基材の一面１０１ａに接続され、他端１０２ｂが頂部として構造体の表面（摩擦面）１００ａを構成し、外部（摺動部材等）との摩擦に直接寄与する面となる。
【００２４】
構造体の表面１００ａにおける摩擦係数を、全方向にわたって均一な大きさにするため、すなわち、外部（摺動部材等）との接触が一様にあるためには、ピラー１０２の延在方向（図１（ｂ）では上下方向）と基材の一面１０１ａとのなす角度が、略９０度であれば好ましく、正確に９０度であればより好ましい。なお、構造体の表面１００ａにおける摩擦係数を、意図的に不均一にする場合、ピラーの接触面（摩擦面）を変えることによって可能である。すなわち、ピラーの接触面（摩擦面）を大きくすることにより、摩擦係数が大きくなるように制御することができる。
【００２５】
ピラー１０２は、二硫化モリブデン、シリコン、炭素等を主成分として含む材料からなることが好ましい。基材１０１として、ピラー１０２と同じ材料からなるものを用いる場合、ピラー１０２は基材１０１と一体であってもよい。
【００２６】
構造体１００に接触する物体との摩擦領域となる、一つ一つのピラーの頂部（頂面）１０２ａは、略平坦であり、その面積は１μｍ２未満であり、０．０１μｍ2以下であれば好ましいが、その形状についは限定されない。
【００２７】
図１（ｂ）の構造体１００は、ピラー１０２が、その延在方向において幅が一定である円柱状を有している場合について例示したものであるが、ピラー１０２は、角柱形状を有していてもよいし、他の形状を有していてもよい。図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、図１（ｂ）の構造体１００の変形例１、２を示す図である。ピラー１０２は、その延在方向において、図２（ａ）に示すように、基材１０１から離れるにつれて幅が狭くなる円錐台、角錐台であってもよいし、図２（ｂ）に示すように、基材１０１から離れるにつれて幅が広くなる円錐台、角錐台であってもよい。
【００２８】
図１（ｂ）の構造体１００は、基材の一面１０１ａにおいて、複数のピラー１０２が格子状に並んで配置されている場合について例示したものであるが、ピラー１０２はこのように配置されていなくてもよい。図３は、図１（ｂ）の構造体１００の変形例３を示す図である。ピラー１０２は、基材の一面１０１ａにおいて、図３に示すように放射状（同心円状）に並んで配置されていてもよし、他の並び方で配置されていてもよい。
【００２９】
ピラー１０２は、基材の一面１０１ａの全域に配置されてもよいが、必要な領域だけに、選択的に配置されてもよい。この場合、選択的にピラー１０２が配置された領域は、相対的に摩擦係数が小さく、摺動対象物が摺動されやすい領域となる。したがって、所望の経路にピラー１０２を配置することにより摺動経路を調整することができる。図４は、図１（ｂ）の構造体１００の変形例４を示す図である。例えば、図４に示すように、ピラー１０２をＬ字状に並べて配置することにより、摺動対象物を、Ｌ字状の経路に沿って（矢印の方向に）摺動されるように誘導することができる。
【００３０】
上述した構造体１００は、主に、次の手順に沿って製造することができる。まず、所定の材料からなる基材を準備し、その基材の一面に対し、スパッタリング法等の公知の成膜法を用いて、ピラーの材料からなる膜を形成する。次に、ピラーとして残す部分をマスクした上で、残さない部分をレーザーでエッチングすることによって、ピラー１０２が形成された構造体１００を得ることができる。
【００３１】
本実施形態に係る構造体１００では、摩擦に寄与する複数のピラー１０２が、面積１μｍ２以上の領域に分布しており、それら一つ一つが超潤滑性を有している。そして、ピラー同士が十分離間しているため、ピラー間の相互作用は無視することができる。したがって、本実施形態の構造体１００によれば、マクロなスケールにおいて超潤滑を実現することができる。
【実施例】
【００３２】
以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
【００３３】
（比較例１）
図１の構造体１００のうち、ピラー１０２が形成されていない状態の基材１０１を、比較例１の構造体として準備した。基材１０１としては、シリコンウェハから切り出した、主面の面積が１４ｍｍ角、厚みが約５２５μｍである部材を用いた。
【００３４】
（実施例１）
実施例１として、図１の構造体１００を準備した。基材１０１としては、比較例１と同様の構成のものを用いた。ピラー１０２としては、円柱状であって、両端面の直径が１００ｎｍ、軸方向の長さが１００ｎｍのものを、基材の一面１０１ａに形成した。隣接する二つのピラー１０２同士の間隔を５μｍとし、ピラー１０２が形成される領域Ｒの面積を５００μｍとした。
【００３５】
摩擦力顕微鏡（ＦＦＭ）を用いて、比較例１の構造体の表面（基材の一面１０１ａ）の摩擦係数を調べた。より詳細には、構造体の表面１００ａで、一定方向に直径４０μｍのＦＦＭ探針を摺動させ、各位置において、摺動に伴うＦＦＭ探針の傾きの大きさを測定し、測定結果から摺動に必要な力、すなわち摩擦力を検出した。図５は、その結果を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は位置Ｘ（ｎｍ）を示し、縦軸は摩擦力Ｆ（ｎＮ）を示している。
【００３６】
同様に、摩擦力顕微鏡を用いて、実施例１の構造体の表面１００ａ（ピラーの頂部１０２ｂ）の摩擦係数も調べた。より詳細には、複数のピラーの頂部１０２ｂで、一定方向にＦＦＭ探針を摺動させ、各位置において、摺動に伴うＦＦＭ探針の傾きの大きさを測定し、測定結果から摺動に必要な力、すなわち摩擦力を検出した。図６は、その結果を示すグラフである。このグラフの横軸、縦軸については、図５と同様である。
【００３７】
図５、６のそれぞれにおける二つの曲線Ｆ１（ｘ）、Ｆ２（ｘ）のうち、一方が＋ｘ方向（往き）の摺動に対応し、他方が−ｘ方向（帰り）の摺動に対応している。曲線Ｆ１（ｘ）をｘで積分した結果は、＋ｘ方向の摺動時の摩擦に伴う散逸エネルギーを示し、曲線Ｆ２（ｘ）をｘで積分した結果は、−ｘ方向の摺動時の摩擦に伴う散逸エネルギーを示している。したがって、二つの散逸エネルギーの和、つまり、二つの曲線Ｆ１（ｘ）、Ｆ２（ｘ）で囲まれた部分の面積が、往復の摺動に伴う散逸エネルギーを示している。この面積が大きいほど、構造体の表面の摩擦力（摩擦係数）が大きく、反対に、この面積が小さいほど、構造体の表面の摩擦力が小さいと解釈することができる。
【００３８】
図６のグラフにおいて、二つの曲線Ｆ１（ｘ）、Ｆ２（ｘ）はほぼ一致しており、曲線Ｆ１（ｘ）、Ｆ２（ｘ）で囲まれた部分の面積は、図５のグラフにおける同面積に比べて著しく小さくなっている。したがって、実施例１の構造体の表面の摩擦係数は、比較例１の構造体の表面の摩擦係数を下回ると解釈することができる。実際に、比較例１の構造体（ピラーなし）の表面の摩擦係数は０．０３であるのに対し、実施例１の構造体（ピラーあり）の表面の摩擦係数は０．００１以下になっている。実施例１の構造体１００では、摩擦に寄与する複数のピラー１０２が、面積１μｍ２以上の領域に分布し、それら一つ一つが超潤滑性を有している。
【符号の説明】
【００３９】
１００・・・構造体
１００ａ・・・構造体の表面
１０１・・・基材
１０１ａ・・・基材の一面
１０２・・・ピラー
１０２ａ・・・ピラーの頂部
Ｄ・・・ピラー同士の間隔
Ｒ・・・ピラーが形成される領域
【図１】
2020138489.tif 000003
【図２】
2020138489.tif 000004
【図３】
2020138489.tif 000005
【図４】
2020138489.tif 000006
【図５】
2020138489.tif 000007
【図６】
2020138489.tif 000008