(57)【要約】【課題】  潤滑油の離脱、枯渇を防ぐための、潤滑面上あるいはその近傍に設けるべく潤滑剤貯蔵構造を有する自己組織化単分子膜を提供する。【解決手段】  固体表面上に部分的又は全面的に形成した流動性潤滑剤貯蔵構造を有する自己組織化単分子膜であって、該膜は疎水性シラン系有機化合物からなることを特徴とする自己組織化単分子膜。【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又は全面的に形成した流動性潤滑剤貯蔵構造を有する自己組織化単分子膜であって、該膜は疎水性シラン系有機化合物からなることを特徴とする自己組織化単分子膜。
【請求項２】
固体表面に疎水性シラン系有機化合物の溶液を接触させた後乾燥して、流動性潤滑剤貯蔵構造を有する自己組織化単分子膜を形成することを特徴とする自己組織化単分子膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、宇宙用軸受などの微小機械のしゅう動要素として有用な流動潤滑剤の貯蔵又は固定が可能な自己組織化単分子膜及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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制度を期待し、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使われている。
【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、宇宙用軸受などにおいては潤滑剤給油が困難なため長期間のメンテナンスフリーが要求されている。
【０００４】
しかし、潤滑剤には流動性あるいは蒸発性があるため、潤滑剤が必要な部位からの離脱、枯渇が不可避である。特に回転部分からのスピンアウト（遠心力による飛散）が重大な潤滑油離脱の原因として挙げられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、潤滑油の離脱、枯渇を防ぐための、潤滑面上あるいはその近傍に設けるべく潤滑剤貯蔵構造を有する自己組織化単分子膜及びその製造方法を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、以下に示す自己組織化単分子膜及びその製造方法が提供される。
【０００７】
（１）固体表面上に部分的又は全面的に形成した流動性潤滑剤貯蔵構造を有する自己組織化単分子膜であって、該膜は疎水性シラン系有機化合物からなることを特徴とする自己組織化単分子膜。
（２）固体表面に疎水性シラン系有機化合物の溶液を接触させた後乾燥して、流動性潤滑剤貯蔵構造を有する自己組織化単分子膜を形成することを特徴とする自己組織化単分子膜の製造方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、各種の固体表面上に、潤滑剤の貯蔵構造を有する自己組織化単分子膜を形成することができる。この膜は、これに流動性潤滑剤を吸着させることにより、潤滑面とすることができる。即ち、固体表面を微量の潤滑剤の使用により、潤滑表面化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明による自己組織化単分子膜は、固体表面と化学結合して流動性潤滑剤に対して吸着性を示す。自己組織化単分子膜を部分的あるいは全面的に固体表面上に形成すると、自己組織化膜はそれ自身の低濡れ性によって、あるいはそれ自身が物理的障害となって、潤滑剤の流動を阻止して、潤滑剤貯蔵構造を形成する。
【００１０】
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したときに、該有機分子が該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。
【００１１】
本発明において用いる疎水性シラン系有機化合物はその溶液を固体表面に接触、乾燥したときに、該固体表面に自己組織化単分子膜を形成し得るものであればよい。このようなものには、分子中にケイ素原子を１〜３個、好ましくは１〜２個含有し、かつ固体表面に結合し得る官能基を１〜９個含有し、かつ疎水性（撥水性）有機基を含有するシラン系有機化合物が含有される。
該シラン系有機化合物には、下記一般式（１）で表されるものが包含される。
Ｒ−ＳｉＸ３        （１）
前記式中、Ｒは疎水性有機基を示し、Ｘは固体表面に結合し得る基又は元素を示す。
【００１２】
疎水性有機基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）炭素水素基が包含される。
【００１３】
本発明で用いるシラン系有機化合物において、その分子量は、２００〜８００、好ましくは５００〜７００程度である。
【００１４】
本明細書で言う流動性潤滑剤には、従来公知の各種のもの、例えば、炭素水素系、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包含される。この潤滑剤において、その沸点は５０〜２５０℃、好ましくは２００〜２５０℃である。
【００１５】
本明細書で言う固体表面には、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が包含されるが、特に制約されない。
【００１６】
本発明による単分子膜は、該疎水性シラン系有機化合物を含む溶液を固体表面に接触させた後、乾燥することによって得ることができる。
【００１７】
該疎水性シラン化合物を含む溶液において、その溶媒は該シラン系有機化合物を溶解させ得るものであればよく、このようなものには、炭化水素系溶媒、エステル系溶媒、エーテル系溶媒等が包含される。該溶媒の沸点は、特に制約されないが、通常、３０〜５０℃、好ましくは３０〜４０℃である。
該溶液中に含まれる該疎水性シラン系有機化合物の濃度は、１０−５〜１０−６モル／リットル、好ましくは１０−３〜１０−４モル／リットルである。
該溶液を固体表面に接触させた後の乾燥温度は、１００〜２００℃、好ましくは１２０〜１５０℃である。
【００１８】
前記のようにして、固体表面上には、図１に示すように、シラン系有機化合物からなる自己組織化単分子膜が形成されるが、この膜は、流動性潤滑剤を該膜中に保持ないし固定化し得る構造（潤滑油貯蔵構造）を有するものである。そして、この単分子膜に流動性潤滑剤を吸着させることにより、該固体表面を潤滑性表面とすることができる。この場合、流動性潤滑剤の吸着量は、固体表面上に、厚さ０．５〜５ｍｍ、好ましくは１〜３ｍｍの潤滑剤膜が形成されるような量であればよい。
【００１９】
次に、本発明による単分子膜についてさらに詳述する。
【００２０】
（潤滑剤貯蔵構造の製造方法１）
疎水性シラン系有機化合物の溶液に新たな固体試料を接触させると、固体表面と自己組織化単分子膜とが適当に化学結合して、図２に示すような、自己組織化単分子膜が部分的に形成される。ここで、溶液の濃度を高めることにより、あるいは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面積に占める割合を増加させることができる。
【００２１】
（潤滑剤貯蔵構造の製造方法２）
疎水性シラン系有機化合物の溶液に新たな固体試料を接触させると、あるいは高い濃度の溶液を用いると、図２に示すように、固体表面全体に自己組織化単分子膜が形成される。ここで、自己組織化単分子膜は紫外線、イオンビームなどの照射によって分解するため、フォトリソグラフィー、イオンビームなどの技術によって図２と同様のパターン状の自己組織化膜を形成することができる。ただし、この方法よれば、第１の方法と違い、制御された幾何学的パターン状の自己組織化単分子膜を形成することが可能である。
【００２２】
（潤滑剤分子の貯蔵）
前記のようにして製作したパターン状の自己組織化単分子膜を形成した固体試料を、潤滑剤溶液に浸漬することによって、図４に示すような潤滑剤分子の貯蔵構造が形成される。なお、溶液濃度が高いほど潤滑剤分子の貯蔵量は増加する。
【００２３】
（潤滑剤分子の貯蔵機構）
潤滑剤分子の流動の予想図を模式的に図５および図６に示す。図５は前記の製造方法１を用いた場合に、図６は前記の製造方法２を用いた場合に対応している。いずれの図でも、潤滑剤流動分子（灰色で塗りつぶされた部分）は、右方向へ拡散しようとするが、潤滑剤分子の流動は次の２つの制約を受けその結果として潤滑剤分子は貯蔵される。まず、自己組織化単分子膜の上に乗り上げた潤滑剤分子は、自己組織化単分子膜の低い濡れ性によって流動が妨げられ（図５のＡの上に存在する流動分子）、また自己組織化単分子膜自信が物理的な障害となって潤滑剤分子の流動が妨げられる（図５のＢ）。
【００２４】
（潤滑剤分子の貯蔵に関する計測の試料）
以下、潤滑剤分子の貯蔵に関する計測に用いた試料の仕様を示す。
【００２５】
（１）固体試料
ガラス製の磁気ディスク用基板を用いた。これにスパッタ法によって、３〜５ｎｍの厚さのダイヤモンドライクカーボン薄膜で被覆した。ダイヤモンドライクカーボン薄膜の水素含有量は３０〜４０％原子比率である。
【００２６】
（２）自己組織化分子
前記で示した製造方法１により、１Ｈ、１Ｈ、２Ｈ、２Ｈ−Ｐｅｒｆｌｏｒｏｄｅｃｙｌｔｒｉｃｈｌｏｒｏｓｉｌａｎｅを用いて潤滑剤貯蔵機構を形成させた。この分子の化学式はＣＦ３（ＣＦ２）７ＣＨ２ＣＨ２ＳｉＣｌ３で表される。用いた自己組織化分子の溶液の濃度は１ｍＭである。この分子の長さは１．５ｎｍである。固体試料を自己組織化分子の溶液に浸漬させる時間が長いほど自己組織化膜の成長、すなわち被覆率は増大する。そして、浸漬時間約６時間で被服率が約１００％に達することを純水に対する接触角から確認した。同時に走査型エリプソメータを用いて自己組織化単分子膜の厚さを測定したところ、浸漬時間６時間で分子長の１．５ｎｍを測定した。なお、走査型エリプソメータはレーザー光による測定であり、その測定値はレーザー光計測領域（直径数十ミクロン）における平均膜厚である。その計測値が自己組織化分子の分子長さ１．５ｎｍより小さい場合には、被覆率が１００％より小さいことを意味する。
【００２７】
（流動潤滑剤分子）
フッ素の高分子潤滑剤ＣＦ３［（ＯＣＦ２）ＣＦ２］ｐ（ＯＣＦ２）ｑ］ＯＣＦ３
（ただし、ｐ／ｑ＝２／３、分子量はＭｗ＝３８４０ｇ／ｍｏｌである。）を浸漬法によって固体試料上に貯蔵した。以降この潤滑剤をＦｏｎｂｌｉｎ  Ｚ０３と呼ぶ。以下のいずれの実験でも、貯蔵されるＦｏｎｂｌｉｎ  Ｚ０３の厚さが１．２ｎｍとなるように、用いた潤滑剤溶液の濃度を０．０１体積濃度、溶液からの固体試料引き上げ速度をを毎秒１ｍｍとした。走査型エリプソメータを用いてＦｏｎｂｌｉｎ  Ｚ０３の厚さを計算した。
【００２８】
（貯蔵機構がない場合の潤滑剤Ｆｏｎｂｌｉｎ  Ｚ０３の流動の様子）
図７に貯蔵構造がない場合の潤滑剤Ｆｏｎｂｌｉｎ  Ｚ０３の流動の様子を示す。計測は走査型エリプソメータを用いた。初期には固体試料の一部のみに塗布されていたＦｏｎｂｌｉｎ  Ｚ０３は時間とともに右側へ流れ出す。貯蔵機構が全く働いていないことを図７は示している。
【００２９】
（貯蔵機構がある場合の潤滑剤Ｆｏｎｂｌｉｎ  Ｚ０３の流動の様子）
図８に自己組織化単分子膜の平均厚さが０．５ｎｍの場合の潤滑剤Ｆｏｎｂｌｉｎ  Ｚ０３の流動の様子を示す。用いた自己組織化分子の分子長さは１．５ｎｍであるので、平均厚さ０．５ｎｍは固体表面被覆率約３６％に相当する。図８は３回の計測結果を示しており、見やすくするために、Ｘ軸の原点をずらしてある。すなわち、貯蔵端を示す縦の線は全く移動していない。ただし、貯蔵部の下部から微量の潤滑剤が染み出ていることを図は示している。続いて図９に自己組織化単分子膜の平均厚さが１．０ｎｍの場合の潤滑剤Ｆｏｎｂｌｉｎ  Ｚ０３の流動の様子を示す。自己組織化単分子膜の固体表面被覆率は約６７％である。さらに、図１０に自己組織化単分子膜の平均厚さが１．４ｎｍの場合の潤滑剤Ｆｏｎｂｌｉｎ  Ｚ０３の流動の様子を示す。自己組織化単分子膜の固体表面被覆率約は約９３％である。いずれの場合も、潤滑剤の貯蔵構造からのごく微量の染み出しが観測されているのみであり、貯蔵機構が正常に働いていることを示している。なお、貯蔵端に見られる上方の突起は潤滑剤が盛り上がっていることを示している（縦軸と横軸の比は約１／５，０００，０００であることに注意していただきたい）。この盛り上がりは、自己組織化単分子膜の平均厚さが１．４ｎｍの場合（図１０）の時が最も高くなっており、これは自己組織化単分子膜が厚いほど、潤滑剤の流動に対する貯蔵構造の抵抗が高いことを示している。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】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２】固体表面上に部分的に形成された自己組織化単分子膜の概念図を示す。
【図３】固体表面上全面に形成された自己組織化単分子膜の概念図を示す。
【図４】潤滑剤分子の貯蔵構造を示す。
【図５】製造方法１における、貯蔵構造の説明図（平面図）である。
【図６】製造方法２における、潤滑剤分子の貯蔵構造の説明図（平面図）である。
【図７】潤滑剤貯蔵構造がない場合の潤滑剤の流れを示す図である。
【図８】自己組織化膜の平均厚さが０．５ｎｍの潤滑剤貯蔵構造がある場合の潤滑剤の流れを示す図である。
【図９】自己組織化膜の平均厚さが１．０ｎｍの潤滑剤貯蔵構造がある場合の潤滑剤の流れを示す図である。
【図１０】自己組織化膜の平均厚さが１．４ｎｍの潤滑剤貯蔵構造がある場合の潤滑剤の流れを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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