JP2000160340A

JP2000160340A - 炭素材料

Info

Publication number: JP2000160340A
Application number: JP10337598A
Authority: JP
Inventors: Katsutoshi Hara; 克俊原; Noriyuki Kitaori; 典之北折; Keizo Takahashi; 敬蔵高橋
Original assignee: Kao Corp
Current assignee: Kao Corp
Priority date: 1998-11-27
Filing date: 1998-11-27
Publication date: 2000-06-13

Abstract

(57)【要約】【課題】新規な炭素材料を提供すること。【解決手段】ダイヤモンド構造及びグラファイト構造
を併有し、金属光沢を有する非黒色系の炭素材料。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、新規な炭素材料に
関し、詳しくは金属光沢を有し加色剤として有用な炭素
材料に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】ダイヤ
モンド状炭素（Diamondlike Carbon:DLC）膜は、別名、
硬質炭素膜、非晶質炭素膜、水素化炭素膜などと呼ばれ
ている。それぞれの呼び名は、作製プロセス、膜質、膜
構造のどの面に重きを置くかによって使い分けられてい
る。ＤＬＣ膜は、各種基材の硬質な潤滑剤保護薄膜とし
て応用されることが多い。例えば、各種電子デバイスに
おける素子の絶縁膜或いは保護膜、磁気ヘッドや軸受け
などの機械的的保護膜、蒸着型の磁気テープや磁気ディ
スクにおける磁性層の保護膜等として用いられている。

【０００３】本発明者らは、ＤＬＣの構造、物性、製造
プロセス等に関する研究を通じ、新たな炭素材料を開発
することを目的として種々の検討を行った結果、本発明
を完成させたものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、ダイヤ
モンド構造及びグラファイト構造を併有し、金属光沢を
有する非黒色系の炭素材料を提供するものである。

【０００５】また、本発明は、化学気相成長法を用いた
上記炭素材料の好ましい製造方法として、金属板が配置
された減圧槽内において、炭素水素化合物からなる炭素
源をプラズマ化し、該金属板の表面にプラズマを照射し
て、該表面に厚さ０．０５〜３μｍの薄膜を形成する炭
素材料の製造方法を提供するものである。

【０００６】更に、本発明は、金属板が配置された減圧
槽内において、炭素水素化合物からなる炭素源をプラズ
マ化し、該金属板の表面にプラズマを照射して、該表面
に炭素を主成分とする厚さ０．０５〜３μｍの薄膜を形
成し、該薄膜を該表面から剥離することにより得られる
炭素材料を提供するものである。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の炭素材料は、炭素を主成
分とし副成分として水素を含有している。また、後述す
る原料ガスの種類によっては酸素や窒素等の元素が含有
されることもある。

【０００８】本発明の炭素材料は、ダイヤモンド構造及
びグラファイト構造を併有している。つまり、本発明の
炭素材料においては、炭素原子同士がｓｐ３混成軌道に
よって四面体状に結合している結晶構造を有する部分
と、ｓｐ２混成軌道によって平面状に結合している結晶
構造を有する部分とが混在している。ダイヤモンド構造
を有する部分と、グラファイト構造を有する部分とは、
炭素材料中においてほぼ均一に分散しているが、製法や
製造条件等により変動することもある。ダイヤモンド構
造を有する部分と、グラファイト構造を有する部分との
比率（体積比）は、製法や製造条件等により変動する。
本発明の炭素材料が、これら二つの結晶構造を有してい
ることの同定にはラマン分光分析が用いられ、ダイヤモ
ンド構造及びグラファイト構造それぞれに特有のラマン
バンドよって同定される。ラマン分光分析は、物質の非
弾性散乱光から構造や結晶性を知る分光法であり、得ら
れるラマンスペクトルから、ｓｐ２混成軌道及びｓｐ３
混成軌道の有無を同定することができる。また、本発明
の炭素材料は、上記の二つの結晶構造のほか、非晶質構
造や、炭素原子同士が単結合により鎖状に結合した高〜
低分子量の炭化水素化合物に由来する結晶構造を有して
いてもよい。

【０００９】本発明の炭素材料に副成分として含まれて
いる水素は、ダイヤモンド構造及び／又はグラファイト
構造を構成する炭素原子と結合した状態で存在している
か、または炭化水素化合物の形で本発明の炭素材料中に
存在している。炭化水素化合物の具体例としては、後述
する原料ガスとして用いられる炭化水素化合物や、炭素
原子同士が単結合により鎖状に結合した高〜低分子量の
炭化水素化合物等が挙げられる。本発明の炭素材料にお
けるこれら炭化水素化合物の存否は、上述したラマン分
光分析により判断することができる。即ち、上述したダ
イヤモンド構造及びグラファイト構造それぞれに特有の
ラマンバンドに加えて、炭化水素化合物に由来する蛍光
物質のバックグランドが観察される場合には、本発明の
炭素材料に炭化水素化合物が含有されていると判断でき
る。尚、本発明の炭素材料中の炭化水素化合物の含有量
を測定することは現在の技術では極めて困難である。同
様に、本発明の炭素材料中に含まれる水素原子の量を測
定することも困難である。

【００１０】本発明の炭素材料は、従来の炭素材料には
全くみられない独特の深みのある金属光沢を有してい
る。この金属光沢が発現する機構は分明ではないが、光
の干渉作用が関与しているのではないかと推測される。
また、本発明の炭素材料は非黒色であり、製法や製造条
件等により種々の色を呈する。典型的な色には、金色、
緑色、赤色、青色、紫色、橙色等がある。

【００１１】本発明の炭素材料は典型的には最大で数ミ
リメートル程度の薄片状であり、またこの薄片を粉砕し
て得られた針状、粉状の形態を有している。これらの形
態は、本発明の炭素材料の用途等に応じて適宜選択され
る。

【００１２】次に、本発明の炭素材料の好ましい製造方
法について説明する。図１には、本発明の炭素材料の好
ましい製造方法に用いられる装置が示されている。この
装置は、電子磁気共鳴を利用した化学気相成長法（以
下、ＥＣＲ−ＣＶＤ法という）を行う装置として公知の
ものであり、大別して、真空チャンバ１と、この真空チ
ャンバ１にそれぞれ連通するプラズマ生成室２及び排気
装置３とからなる。

【００１３】真空チャンバ１の内部は遮蔽板４によって
上下二室に区分されている。遮蔽板４によって区分され
た下室には周面に金属板５が配された円筒状のキャンロ
ール６が横設されている。金属板５としては、ステンレ
ス、アルミニウム、銅、鉄等の板を用いることができ
る。金属板５の厚みは、この金属板５をキャンロール６
の周面に配するに足る機械的強度が確保し得る程度であ
ればよい。また、真空蒸着やスパッタリング等の薄膜形
成手段によって形成された金属薄膜でもよい。尚、遮蔽
板４はキャンロール６上を覆うように配されており、上
下二室は遮蔽板４によって完全に隔離されていない。ま
た、下室には、金属板５の表面と接離可能になされてお
り（図１中矢印Ａで示す）且つ端縁部７Ａがキャンロー
ル６の回転方向と直交するように配置されたブレード状
の薄膜剥離装置７が備えられている。薄膜剥離装置７
は、その端縁部７Ａが金属板５の表面と当接することに
より、該表面上に形成された本発明の炭素材料の薄膜を
剥離させるようになされている。薄膜剥離装置７の下部
には、この薄膜剥離装置７によって剥離された薄膜の剥
離片を収集する剥離片収集器８が配置されている。

【００１４】プラズマ生成室２は二つの開口部を有して
おり、その一方が上述の通り真空チャンバ１に連通して
いる。他方の開口部はマイクロ波導入ガラス９によって
閉ざされている。従って、プラズマ生成室２と真空チャ
ンバ１とで減圧槽が構成されることになる。また、この
マイクロ波導入ガラス９を隔ててマイクロ波導入管１０
が並設されている。マイクロ波導入ガラス９は、プラズ
マ生成室２とマイクロ波導入管１０とを分離してプラズ
マ生成室２を減圧するために、且つマイクロ波を減衰さ
せることなく、プラズマ生成室２へ導入するために必要
である。マイクロ波導入管１０は、マイクロ波電源１１
に接続されている。また、プラズマ生成室２の壁面に
は、電磁石１２がプラズマ生成室２の内部を取り囲むよ
うに配置されており、プラズマ生成室２の内部に所定の
磁場を発生し得るようになされている。更に、プラズマ
生成室２の内部には、原料ガス導入管１３を通じて、原
料ガス供給源（図示せず）から原料ガスが供給されるよ
うになされている。

【００１５】排気装置３は、真空チャンバ１内を所定の
真空度にするために用いられる。尚、符号１４は排気装
置３によって真空にされた真空チャンバ１内の真空度を
表示する真空計である。

【００１６】上記の装置を用いて本発明の炭素材料を製
造するには、化学気相成長法（以下、ＣＶＤ法という）
が用いられる。先ず、排気装置３によって真空チャンバ
１及びプラズマ生成室２内を所定の真空度にする。例え
ば、１０ｍＰａ以下の真空度に保つ。次に、原料ガス導
入管１３を通じて、炭素源としての原料ガスをプラズマ
生成室２内に導入する。原料ガスの導入量は、１０〜５
０ＳＣＣＭ、特に３０〜４５ＳＣＣＭであることが成膜
速度の点から好ましい。原料ガス導入後の真空チャンバ
１内の真空度は、１０〜１００ｍＰａであることが好ま
しい。原料ガスの導入に際しては、必要に応じ希釈ガス
としての水素ガス等を原料ガスと共に導入することがで
きる。

【００１７】原料ガスとしては炭素水素化合物が使用さ
れるが、基本的に炭素を含有するガスであればその種類
に特に制限は無い。本明細書における炭化水素化合物
は、炭素と水素のみから構成される化合物のほか、炭素
及び水素に加えて、酸素や窒素等の元素を含む化合物を
包含する。炭化水素化合物の具体例としては、炭素と水
素のみから構成される化合物の例として、ベンゼン、ト
ルエン等の芳香族炭化水素、メタン、エタン、プロパ
ン、ヘキサン、エチレン、アセチレン等の脂肪族炭化水
素等が挙げられ、炭素及び水素に加えて他の元素を含む
化合物の例として、エタノール、メタノール等のアルコ
ール類、フェノール類、エーテル類、ケトン類、アミン
類が挙げられる。また、上記炭化水素化合物中の水素原
子の一部をハロゲン原子で置換した化合物等も用いるこ
とができる。原料ガスは一種以上を用いることができ
る。

【００１８】次に、キャンロール６を図１中矢印Ｂで示
す方向に所定の周速で回転させる。周速は、０．５ｍ／
ｍｉｎ以上であることが好ましい。更に、マイクロ波電
源１１によって所定波長のマイクロ波を発生させ、マイ
クロ波導入管１０及びマイクロ波導入ガラス９を介して
プラズマ生成室２内に導入し、既に導入されている原料
ガスをプラズマ化して、このプラズマをキャンロール６
の周面に配されている金属板５の表面に照射する。マイ
クロ波の周波数は、プラズマ生成室２の広さ、真空度、
原料ガスの種類によって決定される。マイクロ波の出力
は、プラズマの安定生成、成膜速度の低下防止、生成し
た薄膜の熱による損傷防止等の点から５０〜５００Ｗ、
特に１００〜３００Ｗであることが好ましい。

【００１９】原料ガスのプラズマ化に際しては、プラズ
マ生成室２の壁面に配された電磁石によってプラズマ生
成室２内に磁場を発生させる。この磁場強度は、マイク
ロ波の周波数（例えば２．４５ＧＨｚ）に対して電子サ
イクロトロン共鳴条件（以下、ＥＣＲ条件という）を満
足するような強度とする。

【００２０】キャンロール６を回転させながら金属板５
の表面にプラズマを照射して、該表面に本発明の炭素材
料を所定の厚さになるように形成する。この厚さは、得
られる炭素材料をどのような色にするかによって異なる
が、通常０．０５〜３μｍ、好ましくは０．１〜３μ
ｍ、更に好ましくは０．３〜２μｍとする。厚さが０．
０５μｍ未満であると、所望の発色が得られないばかり
か輝度も少なく、更に金属板５より剥離させにくくなる
場合があり、３μｍ超であると所望の膜厚を得る以前に
金属板５より剥離したり、プラズマの熱により薄膜表面
が変色することがあり、また黒色を呈してしまう。

【００２１】本製造方法においては、プラズマの照射対
象として金属板を用いることが重要である。本発明者ら
の詳細な検討の結果、照射対象として例えば樹脂フィル
ム等を用いても本発明の炭素材料は得られず、金属板を
用いることによって初めて得られることが判明した。こ
の理由は分明でないが、本発明の炭素材料の形成に照射
対象面の電気導電性や熱伝導性が関与していることが一
因ではないかと推測される。

【００２２】所定の厚さの炭素材料が得られたら、薄膜
剥離装置７の端縁部７Ａを金属板５の表面に当接させて
該炭素材料を剥離させる。剥離片は剥離片収集器８によ
って収集され、本発明の炭素材料が得られる。このよう
にして得られた炭素材料は薄片状である。この薄片状の
炭素材料は、必要に応じてこの後粉砕されて針状、粉状
の形態にされてもよい。

【００２３】本発明の炭素材料を得るには上述のＥＣＲ
−ＣＶＤ法の他に、熱ＣＶＤ法、マイクロ波ＣＶＤ法、
ＲＦ−ＣＶＤ法（高周波を利用したもの）等の他のＣＶ
Ｄ法を用いてもよい。

【００２４】本発明の炭素材料は、上述の通り独特の深
みのある金属光沢を有し、化学的にも安定しているの
で、種々の物品や材料の加色剤（着色剤）として好適に
用いられる。例えば、塗料やプラスチック製品の着色、
繊維の着色、陶磁器の着色に用いられ、また化粧品や染
毛剤等へ添加される。

【００２５】〔実施例１〕図１に示す装置を用いて炭素
材料を製造した。先ず、真空チャンバ１内に設置された
キャンロール６の周面にステンレス製で厚み０．８ｍｍ
の金属板５を配置した。排気装置３により真空チャンバ
１及びプラズマ生成室２内を排気し、真空度を１．０ｍ
Ｐａとした。原料ガス導入管１３を通じてベンゼンガス
を４０ＳＣＣＭでプラズマ生成室２内に導入し、真空度
を５０ｍＰａとした。キャンロール６を周速１．０ｍ／
ｍｉｎで回転させ、更にマイクロ波電源１１により周波
数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生させた。マイクロ
波の入力パワーを３００Ｗに制御し、マイクロ波導波管
１０及びマイクロ波導入ガラス９を介してプラズマ生成
室２内にマイクロ波を導入することで、ベンゼンガスを
プラズマ化し、このプラズマを金属板５の表面に照射し
た。その際プラズマ生成室２の壁面に配された電磁石に
所定の電流を供給して磁場を発生させ、プラズマ生成室
２内をＥＣＲ条件が満足されるような磁場強度とした。
４分３０秒間プラズマを金属板５に照射してその表面に
炭素材料の薄膜を形成した。この薄膜の厚みは１．２μ
ｍであった。薄膜剥離装置７の端縁部７Ａを金属板５の
表面に当接させて薄膜を剥離させ、その剥離片を剥離片
収集器８に収集した。このようにして得られた薄片状の
炭素材料を太陽光下で観察したところ、金色の金属光沢
を呈していた。この炭素材料をラマン分光分析したとこ
ろ、ダイヤモンド構造及びグラファイト構造を併有し、
炭素化合物を含有していることが確認された。

【００２６】〔実施例２〜４並びに比較例１及び２〕表
１に示す製造条件を用いる以外は実施例１と同様の方法
にて炭素材料を得た。得られた炭素材料の物性を表１に
示す。尚、実施例２〜４で得られた炭素材料について
も、実施例１で得られたものと同様に金属光沢を呈し、
またダイヤモンド構造及びグラファイト構造を併有し、
炭素化合物を含有していることがラマン分光分析で確認
された。また、比較例１及び２で得られた炭素材料は、
ダイヤモンド構造及びグラファイト構造を併有していた
が、金属光沢を呈していなかった。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、独特の深みの金属光沢
を有する非黒色系の新規な炭素材料が提供される。この
炭素材料は化学的に安定しているので、種々の物品や材
料の加色剤として好適に用いられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の炭素材料の好ましい製造方法に用いら
れる装置を示す模式図である。

【符号の説明】

１真空チャンバ２プラズマ生成室３排気装置４遮蔽板５金属板６キャンロール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋敬蔵栃木県芳賀郡市貝町赤羽2606 花王株式会社研究所内Ｆターム(参考） 4G046 AA00 AB05 CA02 CB02 CB03 CB08 CC02 GA01 4K030 AA09 BA27 BA28 BB06 CA02 DA08 FA01 FA02 JA01 LA01 LA11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ダイヤモンド構造及びグラファイト構造
を併有し、金属光沢を有する非黒色系の炭素材料。
【請求項２】化学気相成長法により請求項１記載の炭
素材料を製造する方法であって、金属板が配置された減
圧槽内において、炭素水素化合物からなる炭素源をプラ
ズマ化し、該金属板の表面にプラズマを照射して、該表
面に厚さ０．０５〜３μｍの薄膜を形成する炭素材料の
製造方法。
【請求項３】金属板が配置された減圧槽内において、
炭素水素化合物からなる炭素源をプラズマ化し、該金属
板の表面にプラズマを照射して、該表面に炭素を主成分
とする厚さ０．０５〜３μｍの薄膜を形成し、該薄膜を
該表面から剥離することにより得られる炭素材料。