(57)【要約】【課題】薄膜においても高い強度を有する潤滑膜及びその製造方法を提供する。【解決手段】固体表面上に部分的または全面的に形成した複合潤滑膜であって、該固体表面に固定化されたシラン系有機化合物からなる自己組織化単分子膜と、流動性潤滑剤膜とからなることを特徴とする高強度複合潤滑膜。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体表面上に部分的または全面的に形成した複合潤滑膜であって、該固体表面に固定化されたシラン系有機化合物からなる自己組織化単分子膜と、流動性潤滑剤膜とからなることを特徴とする高強度複合潤滑膜。
【請求項２】
固体表面にシラン系有機化合物と流動性潤滑剤を含む溶液を接触させた後乾燥することを特徴とする高強度複合潤滑膜の製造方法。
【請求項３】
固体表面にシラン系有機化合物を含む溶液を接触させた後乾燥して形成した自己組織化単分子膜上に、流動性潤滑剤を塗布することを特徴とする高強度複合潤滑膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超高密度記録装置、精密位置決め機構、精密搬送装置、精密回転機械、マイクロマシンなどの微小機械のしゅう動要素として有用な高強度複合潤滑膜に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記微小機械では摩擦を低下させ、また摩擦要素が接触したときの衝撃をやわらげるため潤滑剤が塗布されているが、ナノメータレベルの位置決めあるいは作動精度を期待し、そして潤滑剤蒸発あるいは飛散による環境への悪化をおそれるために、ナノメータ厚さの、主としてフッ素系高分子パーフルオロポリエーテルなどの潤滑剤が用いられている。
【０００３】
超高密度記録装置、精密位置決め機構、精密搬送装置、精密回転機械、マイクロマシンなどにおいては記録密度を高めるため、また位置決めあるいは作動精度をより確実にするためにより薄膜の潤滑システムが必要とされている。
【０００４】
潤滑剤には固体表面保護の観点からの吸着性、および摩擦低減の観点からの流動性の２つの相反する性質が求められている。従来の潤滑では適当量の潤滑油をしゅう動部分に給油することにより、そのうち固体表面近傍の潤滑剤（境界潤滑膜）が吸着性を、それ以外が流動性を示していると考えられるが、これらを個別に制御することは行われていなかった。
【０００５】
潤滑膜が数ナノメータの厚さになると、潤滑剤の流動および回復が遅れるため期待すべき効果を得にくくなる。これを避けるためには吸着性を示す潤滑剤（吸着層）と流動性を示す潤滑剤（流動層）とを個別に制御することが必要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、薄膜においても高い強度を有する潤滑膜及びその製造方法を提供することをその課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、以下に示す高強度複合潤滑膜及びその製造方法が提供される。
（１）固体表面上に部分的または全面的に形成した複合潤滑膜であって、該固体表面に固定化されたシラン系有機化合物からなる自己組織化単分子膜と、流動性潤滑剤膜とからなることを特徴とする高強度複合潤滑膜。
（２）固体表面にシラン系有機化合物と流動性潤滑剤を含む溶液を接触させた後乾燥することを特徴とする高強度複合潤滑膜の製造方法。
（３）固体表面にシラン系有機化合物を含む溶液を接触させた後乾燥して形成した自己組織化単分子膜上に、流動性潤滑剤を塗布することを特徴とする高強度複合潤滑膜の製造方法。
【０００８】
【発明の実施の形態】
自己組織化単分子膜は固体表面と化学結合して吸着性を示す。これと流動性を示す従来の潤滑剤分子とを組合わせることによって、図１に示すような複合潤滑膜を形成する。複合潤滑膜は自己組織化単分子膜の固体表面保護機能に加えて流動潤滑剤分子の保持機能も併せ持ち、高強度性能が発現する。
【０００９】
なお、本明細書で言う自己組織化単分子膜とは、有機分子の溶液に固体を浸漬することにより、有機分子が固体表面に吸着して自主的に形成する単分子膜を意味する。
【００１０】
下記一般式（１）で表されるシラン系有機化合物の溶液に固体を接触させると、該シラン系有機化合物が固体表面の水酸基等と反応して、図２に示すような自己組織化単分子膜を形成する。
【化１】
Ｒ−ＳｉＸ３                      （１）
前記式中、Ｒは有機基を示し、Ｘは固体表面に結合し得る基又は元素を示す。
【００１１】
有機基Ｒには、炭素数１〜１８、好ましくは６〜１８の含炭素基（アルキル基、シクロアルキル基、アルケニル基、シクロアルケニル基、アリール基、アルアルキル基等）が包含される。Ｘには炭素数１または２のアルコキシ基や、ハロゲン元素（塩素、臭素等）、メルカプト基、カルボキシル基、スルホン酸基、リン酸基等が包含される。
前記含炭素基は、炭素水素基や含ハロゲン（フッ素、塩素、臭素等）炭化水素基等が包含される。
【００１２】
本発明で用いる流動性潤滑剤としては、従来公知の各種のもの、例えば、炭化水素系、含フッ素炭化水素系、オルガノシロキサン系等の潤滑剤が用いられる。この潤滑剤は、固体表面上に厚さ０．５〜５ｎｍ、好ましくは１〜２ｎｍの潤滑剤膜を与えるような量で用いられる。
【００１３】
本発明において用いる固体表面は、カーボン、ダイヤモンドライクカーボン、シリカ、シリコン、ガラス、金属等からなるものであるが、特に制約されない。
【００１４】
（複合潤滑膜の製造方法）
シラン系有機化合物の溶液に流動性潤滑剤分子を加えたものに新たな固体試料を接触させると、固体表面には自己組織化単分子と流動性潤滑剤分子とが適当に配置して、図１で示すような複合分子膜が形成される。ここで、固体試料の溶液接触時間を増やすことによって自己組織化単分子膜の固体表面積に占める割合を増加させることができる。
【００１５】
（製造方法１による複合潤滑膜の製造）
その製造例として、シラン系有機化合物にはＦＤＴＳ（ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｄｅｃｙｌｔｒｉｃｈｌｏｒｏｓｉｌａｎｅ、ＣＦ３（ＣＦ２）７ＣＨ２ＣＨ２ＳｉＣｌ３、分子長さ約１５Å）、流動分子にはＦｏｍｂｌｉｎ  Ｚ０３（ＣＦ３−［（Ｏ−ＣＦ２−ＣＦ２）ｐ−（Ｏ−ＣＦ２）ｑ］−Ｏ−ＣＦ３、ただしｐ／ｑ＝２／３、分子量３８４０、分子層厚さ約１５Å、Ａｕｓｉｍｏｎｔ社）、溶媒にはハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ−７１００ＤＬ、３Ｍ社）を用いて複合潤滑膜を作成した。また、固体試料には表面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）薄膜が蒸着してある磁気デスク基板を用いた。
【００１６】
（複合潤滑膜に関する平均膜厚の計測結果）
図３に複合潤滑膜の平均膜厚および接触角の計測結果を示す。図の横軸は溶液浸漬時間を、縦軸は潤滑膜の平均膜厚（左縦軸）および水に対する接触角（右縦軸）を示す。平均膜厚はエリプソメータにて、接触角は接触角計にて測定した。図中の○印は浸漬直後の平均膜厚を、□印はその後さらに流動分子を洗い流した後の結果である。すなわち、○印は複合潤滑膜（ＦＤＴＳ＋Ｆｏｍｂｌｉｎ  Ｚ０３）の平均厚さ、□印は自己組織化単分子膜（ＦＤＴＳ）のみの平均厚さである。これらのデータより、浸漬時間の増加に伴ってＦＤＴＳの自己組織化膜が成長し最終的にはその平均膜厚が分子長さ（約１５Å）にまで達すること、すなわち浸漬時間の増加に伴ってＦＤＴＳの自己組織化膜の生成が促進されて、最終的には固体表面上にＦＤＴＳの自己組織化膜が形成されることがわかる。一方、○印と□印の値の差に相当する流動分子Ｆｏｍｂｌｉｎ  Ｚ０３の膜厚は浸漬時間にかかわらず一定値（約１５Å）を示す、すなわち浸漬時間には依存しない。そして、最終的には、Ｆｏｍｂｌｉｎ  Ｚ０３の分子層がＦＤＴＳの自己組織化単分子膜の上に存在して、２分子層構造になっている。
【００１７】
（複合潤滑膜に関する接触角の計測結果）
さらに図３にはＦｏｍｂｌｉｎ  Ｚ０３洗浄後の接触角測定結果▲が示してある。データは浸漬時間の増加に伴う接触角の増加は表面エネルギの低下を示しており、このデータからも自己組織化膜の形成が確認できる。
【００１８】
（Ｆｏｍｂｌｉｎ  Ｚ０３膜およびＳＡＭ膜のスクラッチ試験の結果）
スクラッチ試験機を用いてＦｏｍｂｌｉｎ  Ｚ０３膜単体とＳＡＭ膜単体それぞれを塗布した試料についてスクラッチ強度を測定した。膜厚はＦｏｍｂｌｉｎＺ０３単体が２ｎｍ、ＳＡＭ単体が１．５ｎｍである。スクラッチ試験は試料にダイヤモンド製の硬質針を摩擦させるものであり、ここで硬質針の押付け荷重を徐々に増やしてＤＬＣ薄膜膜が破壊される時の荷重を測定して、これをスクラッチ強度とする。スクラッチ強度が高いほど表面に塗布された潤滑膜の強度が高い。図４にＦｏｍｂｌｉｎ  Ｚ０３膜とＳＡＭ膜のスクラッチ強度を示す。荷重（横軸）の増加に伴ってある荷重で急激に摩擦（縦軸）が増大する。このときの荷重がスクラッチ強度である。図より、Ｆｏｍｂｌｉｎ  Ｚ０３単体とＳＡＭ膜単体ではＦｏｍｂｌｉｎ  Ｚ０３単体の方がスクラッチ強度が高い。
【００１９】
（製造方法１による複合潤滑膜のスクラッチ試験の結果）
これに対して、Ｆｏｍｂｌｉｎ  Ｚ０３膜単体と複合潤滑膜をそれぞれを塗布した試料についてのスクラッチ強度を比較した。塗布した潤滑膜は以下の通りである。
Ａ：Ｆｏｍｂｌｉｎ  Ｚ０３、膜厚１．４ｎｍ
Ｂ：Ｆｏｍｂｌｉｎ  Ｚ０３、膜厚１．７ｎｍ
Ｃ：Ｆｏｍｂｌｉｎ  Ｚ０３、膜厚１．３ｎｍ＋ＳＡＭ膜厚０．４ｎｍ＝総膜厚１．７ｎｍ
Ｄ：Ｆｏｍｂｌｉｎ  Ｚ０３、膜厚１．５ｎｍ＋ＳＡＭ膜厚０．８ｎｍ＝総膜厚２．３ｎｍ
Ｅ：Ｆｏｍｂｌｉｎ  Ｚ０３、膜厚３．０ｎｍ
試験の結果、図５に示すように、同程度の膜厚の場合（ＢとＣの比較）には複合潤滑膜の方が強度が高く、また、Ｆｏｍｂｌｉｎ  Ｚ０３単体の膜厚３ｎｍ（Ｅ）よりも複合膜で膜厚２．３ｎｍ（Ｄ）の方が、膜厚が薄いにもかかわらず、強度が高くなるという結果が得られた。
【００２０】
（複合潤滑膜の製造方法２）
前記シラン系有機化合物の溶液には流動性潤滑剤分子を加えずに固体試料を接触させると、ＳＡＭ膜のみが形成される。溶媒を乾燥除去した後に、流動性潤滑剤を塗布することによって複合潤滑膜を形成させる。製造方法１よりもこの製造方法２による方が、ＳＡＭ分子の高被覆率複合潤滑膜を容易に製造することができる。
【００２１】
（製造方法２による複合潤滑膜の製造）
ＳＡＭ用分子として、ｎ−ｈｅｘｙｌｔｒｉｃｈｌｏｒｏｓｉｌａｎｅ（ＣＨ３（ＣＨ２）５ＳｉＣｌ３）、ｎ−ｏｃｔｙｌｔｒｉｃｈｌｏｒｏｓｉｌａｎｅ（ＣＨ３（ＣＨ２）７ＳｉＣｌ３）、ｎ−ｄｅｃｙｌｔｒｉｃｈｌｏｒｏｓｉｌａｎｅ（ＣＨ３（ＣＨ２）９ＳｉＣｌ３）、の３種類の分子を用いて複合潤滑膜ＭｘＣ６、ＭｘＣ８およびＭｘＣ１０を製造した。固体試料には表面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）薄膜が蒸着してある磁気デスク基板を用いた。また、比較のためにフッ素系高分子潤滑剤Ｆｏｍｂｌｉｎ  Ｚ０３（分子量３８４０）およびＦｏｍｂｌｉｎ  Ｚｄｏｌ（分子量４０００、Ａｕｓｉｍｏｎｔ社）を用いた。Ｆｏｍｂｌｉｎ  Ｚｄｏｌの分子式はＯＨＣＨ２ＣＦ２［（ＯＣＦ２ＣＦ２）ｐ（ＯＣＦ２）ｑ］ＯＣＦ２ＣＨ２ＯＨ、ただしｐ／ｑ＝２／３、であり、末端に水酸基を有しているため、Ｆｏｍｂｌｉｎ  Ｚ０３と異なり、Ｆｏｍｂｌｉｎ  Ｚｄｏｌは固体への吸着性も示す。これら５種類の潤滑膜の厚さを表１に示す。いずれも総膜厚約２ｎｍで統一した。
【００２２】
【表１】
2004300182.tif 000002
【００２３】
（製造方法２による複合潤滑膜のスクラッチ試験の結果）
３種類の複合潤滑膜、および比較に用いたＦｏｍｂｌｉｎ  Ｚｄｏｌ、Ｆｏｍｂｌｉｎ  Ｚ０３を塗布した固体試料のスクラッチ試験の結果を図６に示す。Ｆｏｍｂｌｉｎ  ＺｄｏｌおよびＦｏｍｂｌｉｎ  Ｚ０３と比較して複合潤滑膜ＭｘＣ６、ＭｘＣ８およびＭｘＣ１０を塗布した固体試料の方がスクラッチ強度が高くなっていること、すなわち複合潤滑膜の方が従来のフッ素系潤滑剤Ｆｏｍｂｌｉｎ  Ｚｄｏｌ、Ｆｏｍｂｌｉｎ  Ｚ０３単体よりも強度が高く、潤滑性能が改善されていることがわかる。
【００２４】
本発明の複合潤滑膜において、その総厚は０．５〜５ｎｍ、好ましくは１〜２ｎｍであり、流動性潤滑剤膜は、０〜３ｎｍ、好ましくは０．３〜１．５ｎｍである。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、各種の固体表面上に高強度の超薄膜潤滑膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】自己組織化単分子膜を用いた高強度複合潤滑膜の概念図を示す。
【図２】固体表面上に形成された自己組織化単分子膜の説明図である。
【図３】複合潤滑膜の平均と接触角の計測結果を示す図である。
【図４】Ｆｏｍｂｌｉｎ  Ｚ０３膜とＳＡＭ膜のスクラッチ強度を示す図である。
【図５】製造方法１で形成された資料の種類と膜強度（ｍＮ）との関係を示す図である。
【図６】製造方法２で形成された試料の種類と膜強度（ｍＮ）との関係を示す図である。
【図１】
2004300182.tif 000003
【図２】
2004300182.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004300182.tif 000006
【図５】
2004300182.tif 000007
【図６】
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