WO2010084548A1 - 潤滑剤、および、それを用いた磁気ディスク装置 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a lubricant and a magnetic disk device using the same, and a lubricant suitable for contributing to stabilization of the interface with the magnetic disk while keeping the flying height of the magnetic head low, and to use the same
  • the present invention relates to a magnetic disk device.
  • the flying height of a magnetic head has decreased to about 10 nm with an increase in recording density.
  • a protective film and a lubricating layer are formed on the surface.
  • the flying height tends to decrease year by year, and the chance that the magnetic head directly contacts the disk side is expected to increase rapidly.
  • the control of the lubricating layer has become an important issue.
  • a diamond-like carbon (DLC) film having high hardness is often used as a surface protective film for preventing friction and wear due to sliding between the head and the disk.
  • DLC diamond-like carbon
  • the conventional magnetic disk drive covers the surface of the protective film with a lubricant so that no harmful gas or organic contaminants are adsorbed on the surface, and further improves the lubrication characteristics and has excellent durability and stability. I got a disk unit.
  • the lubricant used as a method for improving the lubrication characteristics of the magnetic disk surface needs to be stably formed with a uniform film thickness on the surface of the protective film, and has good adhesion and bonding properties with the protective film. High is important.
  • perfluoropolyether lubricants having terminal polar groups such as hydroxyl groups and piperonyl groups have been generally used.
  • the film thickness is significantly reduced due to the rotational scattering of the disk, and in the worst case, a head crash occurs.
  • the molecular weight is increased, the rotational molecular radius of one molecule is increased, which causes a problem that hinders low flying height.
  • Patent Document 1 discloses a lubricant using a fluorine-containing polymer produced by reacting a compound having a specific structure with 1,3-butadiene diepoxide. As a result, the film thickness for one molecule is reduced, and the reliability in a wide temperature environment can be improved without impairing the flying stability.
  • the surface morphology of such molecules has been studied in detail from simulation analysis by a computer (see, for example, Non-Patent Document 1).
  • Patent Document 1 when a plurality of polar groups are arranged in the middle of the polymer, the film thickness for one molecule decreases, but the surface energy of the lubricating film also increases due to the increase in polar groups. Fear of doing. As the surface energy increases, contaminants are more likely to adhere, and lubricant transfer to the head side is more likely to occur.
  • the present invention was made to solve the above problems, and its purpose is to keep the surface energy low while keeping the film thickness for one molecule low in the lubricant used in the magnetic disk device, It is an object of the present invention to provide a lubricant capable of realizing stabilization of a head-disk interface in a magnetic disk device over a long period of time.
  • the constitution of the lubricant of the present invention has a polar group or a polar side chain at the terminal part and at least one intermediate part of the main chain skeleton, and is nonpolar at the terminal part or intermediate part of the main chain skeleton. It is made to consist of the structure of the high molecular compound which has these side chains.
  • the main chain skeleton of the polymer compound is composed of a combination of structural units of any one of formulas (1), (2), (3), and (4).
  • the polar group or the side chain having the polarity is specifically any one of —OH, —CH 2 OH, —COOH, —NH 2 , —CH 2 OCH 2 CH (OH) CH 2 OH groups. Is included.
  • nonpolar side chain is specifically composed of the structure of the formula (5) or (6).
  • This lubricant composition forms a lubricant with a thin film thickness for one molecule, and at the same time, keeps the surface energy of the lubricant film low.
  • a lubricant when used in a magnetic disk device, it is possible to form a lubricating film that contributes to lowering the flying height of the head while also preventing contamination from attaching to the head and preventing transfer to the head. Become.
  • the surface energy is kept low while keeping the film thickness of one molecule low, and the head-disk interface in the magnetic disk device is stabilized over a long period of time.
  • a lubricant capable of realizing the above can be provided.
  • FIG. 1 is a top view of a magnetic disk device. It is the figure which showed typically the analysis result by the molecular dynamics simulation of the lubricant which concerns on one Embodiment of this invention. It is the figure which showed typically the analysis result by the molecular dynamics simulation of the lubricant concerning a prior art.
  • the main chain structure of the lubricant polymer in the present embodiment is formed by, for example, dissolving a polymer represented by the following general formulas (7) and (8) in a fluorine-based solvent and performing a polymerization reaction.
  • M and n in Formula (7) represent an integer of 0 or more. Further, both terminal portions have a functional group having polarity such as —CH 2 OH, —COOH, —NH 2 , —CH 2 OCH 2 CH (OH) CH 2 OH group. The functional group may be only at one end.
  • Chemical formula (8) is a molecule having an epoxy group at both ends, and p represents an integer of 1 or more.
  • OCF 2 CF 2 and OCF 2 in formula (7) may be replaced by formula (9) or (10).
  • R f in formulas (8) and (10) represents a non-polar side chain.
  • R f in formulas (8) and (10) represents a non-polar side chain.
  • the surface energy can be kept low.
  • the polymer obtained by the synthesis reaction of formulas (7) and (8) has a structure having polar groups at both ends and an intermediate part, and at the same time a nonpolar side chain at the intermediate part. The position of the polar group and the position of the nonpolar side chain may be shifted.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a state when a lubricant according to an embodiment of the present invention is applied onto a substrate.
  • FIG. 1 shows a stable form of one molecule when the lubricant polymer according to the present embodiment is applied to a substrate surface having a polar group.
  • the lubricant polymer having the main chain skeleton 2 is adsorbed on the substrate 1, the polar group 3 is bonded to the polar group on the substrate side by hydrogen bonding, and the nonpolar side chain 4 faces the space side.
  • the polar group of the lubricant faces the substrate side, the adsorption force with the substrate is improved, and the non-polar side chain faces the spatial direction, whereby the surface energy of the lubricating film can be reduced.
  • the effect of reducing the adhesion of contaminants and the frictional force can be expected, and the lubrication characteristics can be improved.
  • the polar group 3 may be a side chain having polarity. It suffices if there is a polar group 3 or a polar side chain at the terminal part of the main chain skeleton and at least one intermediate part. Further, it is sufficient that at least one non-polar side chain is present at the terminal or intermediate portion of the main chain skeleton.
  • the number of polar groups in one molecule is too large, the cohesive force between polymers becomes larger than the adhesion force to the substrate, and as a result, the coverage of the lubricating film may be reduced.
  • a polymer having an average molecular weight of 3000 g / mol it is considered that about 1 to 8 intermediate polar groups are appropriate. This number can be increased as the molecular weight increases.
  • FIG. 2 is a sectional view of the magnetic disk medium.
  • FIG. 3 is a top view of the magnetic disk device.
  • the structure of the magnetic disk medium includes a substrate 5 (nonmagnetic support), a base film 6, a magnetic film 7, a protective film 8, a lubricating film 9, and the like.
  • the base film 6 may be omitted.
  • the lubricant film 9 is applied on the protective film 8, and the lubricant has polar groups at both ends (or one end) and an intermediate portion as shown in FIG. 1, and at the same time nonpolar at the intermediate portion. It is the structure which has the side chain of. If the molecular weight is too small, the lubrication characteristics may be deteriorated and the film thickness may be reduced due to rotational scattering / evaporation. If the molecular weight is too large, the film thickness increases, so the average molecular weight is between 500 and 6000 g / mol. desirable.
  • the structure of a magnetic disk device is generally such that a magnetic disk 25 for recording and holding data, a motor 26 for rotating the magnetic disk, and reading and writing of magnetic data to and from the magnetic recording layer on the surface of the magnetic disk medium.
  • the magnetic head 27 includes an arm 28 that supports the magnetic head 27, and a positioning device 29 that controls the position of the magnetic head 27.
  • the surface of the carbon protective film forming the protective film 8 is modified with a polar group such as a reactive carbonyl group, a carboxyl group, or a hydroxyl group, and the polar group is bonded to the polar group on the lubricant side for protection. A strong bonding force is generated at the interface between the film and the lubricating film.
  • a polar group such as a reactive carbonyl group, a carboxyl group, or a hydroxyl group
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing an analysis result by molecular dynamics simulation of a lubricant according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing an analysis result by molecular dynamics simulation of a lubricant according to the prior art.
  • FIG. 4 shows an analysis result obtained by examining a lubricant according to an embodiment of the present invention by molecular dynamics simulation.
  • a substrate in which polar groups (—OH groups) 10 are evenly arranged on the surface of the protective film 8 (diamond-like carbon film) is considered, and there is a lubricant polymer 11 having a molecular weight of about 2500 g / mol.
  • the attached model was used.
  • the prepared polymer was placed on a substrate, and molecular dynamics calculation was performed until the energy of the entire system was stabilized at room temperature.
  • the polar group 3 of the polymer (large circle in FIG. 4) tends to face the substrate side, while the main chain or side chain of the fluorine system faces upward and covers the polar group of the lubricant polymer Therefore, the reduction of surface energy can be expected.
  • FIG. 5 shows a stable form in the case where no polar side chain is attached and only polar groups are present at the polymer terminal and the middle part.
  • the lubricant of the present embodiment it is possible to reduce the film thickness of the lubricating film and at the same time to reduce the surface energy of the lubricating film. It is possible to form an excellent lubricating film that is effective for preventing the adhesion of contaminants and preventing the transfer of lubricant to the head. Further, by using the lubricant of the present embodiment, a magnetic disk device capable of realizing high reliability of the head-disk interface over a long period can be manufactured.

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Abstract

 高分子化合物の構造からなる潤滑剤において、主鎖骨格の末端部および少なくとも一つの中間部に、極性基または極性を持つ側鎖を有し、かつ、主鎖骨格の末端部または中間部に、非極性の側鎖を有するようにする。例えば、極性基または極性を持つ側鎖に、-OH,-CHOH,-COOH,-NH,-CHOCHCH(OH)CHOH基のいずれかを用い、非極性の側鎖に、式(5)または(6)の構造から側鎖を用いる。 これにより、磁気ディスク装置に用いられる潤滑剤において、1分子分の膜厚を低く保ちつつ、表面エネルギーを低く抑えるようにし、長期にわたって、磁気ディスク装置でのヘッド・ディスク界面の安定化を実現することができる。 -(CFO)-CF …(5) -(CF-CF …(6) (式(5)(6)においてPは0以上の整数を示す)

Description

潤滑剤、および、それを用いた磁気ディスク装置
 本発明は、潤滑剤、および、それを用いた磁気ディスク装置に係り、磁気ヘッドの浮上を低く保ちつつ、磁気ディスクとの界面の安定化に資するのに好適な潤滑剤、および、それを用いた磁気ディスク装置に関する。
 近年、磁気ディスク装置では、高記録密度化に伴い磁気ヘッドの浮上量が約10nmにまで下がってきている。磁気ヘッドが頻繁に磁気記録媒体と接触、摺動すると摩耗による損傷が発生するため、その表面には保護膜および潤滑層が形成されている。今後も年々浮上量は小さくなる傾向にあり、磁気ヘッドが直接ディスク側に接触する機会は急増していくと予想される。また、回転数の高速化と潤滑層の薄膜化に伴い、潤滑剤をディスク表面に一様に保つことも困難になってきており、潤滑層の制御が重要な課題となっている。
 ヘッド・ディスク間の摺動による摩擦・摩耗を防ぐための表面保護膜としては、硬度の高いダイヤモンド状カーボン(DLC:Diamond-Like Carbon)膜が多く用いられている。保護膜として、DLC膜を用いた場合、その表面は、反応性のカルボニル基、カルボキシル基や水酸基等の官能基を有する薄い酸化膜に覆われており、ここに汚染物は吸着しやすくなる。そこで、従来の磁気ディスク装置は、保護膜表面を潤滑剤で覆い尽くすことにより、表面に有害なガスや有機物の汚染物を吸着させず、さらに潤滑特性を向上させ、耐久性に優れ安定した磁気ディスク装置を得ていた。
 この磁気ディスク表面の潤滑特性を改善する方法として用いられている潤滑剤は、保護膜表面に均一な膜厚で安定に形成されることが必要であり、保護膜との密着性・結合性が高いことが重要である。この密着性を高めるために、水酸基やピペロニル基などの末端極性基を持ったパーフルオロポリエーテル系潤滑剤が一般に使用されていた。
 潤滑剤の分子量が低い場合は、ディスクの回転飛散による膜厚減少が顕著になり、最悪の場合ヘッドクラッシュを引き起こすことになる。一方、分子量を大きくすると、1分子の回転分子半径が大きくなるため、低浮上化の妨げになる問題が生じる。
 特許文献1では、特定構造を有する化合物と1,3-ブタジエンジエポキシドとを反応させて製造される含フッ素ポリマーを用いる潤滑剤が開示されている。これにより、1分子分の膜厚が薄くなり、浮上安定性を損なうことなく、幅広い温度環境での信頼性を高めることができるとしている。このような分子の表面形態は、コンピュータによるシュミレーション解析からも詳細に検討されている(例えば、非特許文献1参照)。
特開2007-284659公報
Haigang Chen et al.,"Effects of Molecular Structure on the Conformation and Dynamics of Perfluoropolyether Nanofilms", IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, JUNE 2007,VOL. 43, NO. 6, p.2247-2249
 しかしながら、特許文献1に記載されているように、複数の極性基を高分子の中間に配置させると、1分子分の膜厚は減少するが、極性基の増加により潤滑膜の表面エネルギーも増加する怖れが生じる。表面エネルギーが増加すると、汚染物質が付着しやすくなるほか、ヘッド側への潤滑剤の移着も起こりやすくなる。
 本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、その目的は、磁気ディスク装置に用いられる潤滑剤において、1分子分の膜厚を低く保ちつつ、表面エネルギーを低く抑えるようにし、長期にわたって、磁気ディスク装置でのヘッド・ディスク界面の安定化を実現することのできる潤滑剤を提供することにある。
 本発明の潤滑剤の構成は、主鎖骨格の末端部および少なくとも一つの中間部に、極性基または極性を持つ側鎖を有し、かつ、主鎖骨格の末端部または中間部に、非極性の側鎖を有する高分子化合物の構造からなるようにしたものである。
 より具体的には、前記高分子化合物の主鎖骨格が、式(1)(2)(3)(4)のいずれかの構造単位の組み合わせからなるようにしたものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
 また、前記極性基または前記極性を持つ側鎖について、具体的には、-OH,-CHOH,-COOH,-NH,-CHOCHCH(OH)CHOH基のいずれかを含むようにしたものである。
 また、前記非極性の側鎖について、具体的には、式(5)または(6)の構造からなるようにしたものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
 この潤滑剤の構成により、1分子分の膜厚が薄い潤滑剤が形成されると同時に、潤滑膜の表面エネルギーも低く抑えられる。また、このような潤滑剤を磁気ディスク装置に用いると、ヘッドの低浮上化に貢献しながら、汚染物質の付着防止、ヘッドへの移着防止にも優れた潤滑膜を形成することが可能となる。
 本発明によれば、磁気ディスク装置に用いられる潤滑剤において、1分子分の膜厚を低く保ちつつ、表面エネルギーを低く抑えるようにし、長期にわたって、磁気ディスク装置でのヘッド・ディスク界面の安定化を実現することのできる潤滑剤を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る潤滑剤の基板上に塗布されたときの様子を示す図である。 磁気ディスク媒体の断面図である。 磁気ディスク装置の上面図である。 本発明の一実施形態に係る潤滑剤の分子動力学シミュレーションによる解析結果を模式的に示した図である。 従来技術に係る潤滑剤の分子動力学シミュレーションによる解析結果を模式的に示した図である。
 以下、本発明に係る一実施形態を、図1ないし図5と化学式を用いて説明する。
 先ず、化学式により本実施形態に係る潤滑剤の製造方法について説明する。
 本実施形態における潤滑剤高分子の主鎖構造は、例えば、次の一般式(7)(8)で示される高分子をフッ素系溶媒中に溶かし、重合反応させて作られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
 式(7)中のm、nは0以上の整数を表している。また、両末端部は、例えば-CHOH、-COOH、-NH、-CHOCHCH(OH)CHOH基のような極性を持つ官能基を有している。官能基は片側末端のみでもよい。化学式(8)は、両末端にエポキシ基を有する分子であり、pは1以上の整数を表している。
 式(7)中のOCFCFとOCFは、式(9)または(10)に置き換えてもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
 式(8)(10)のRは、非極性の側鎖を現し、例えば、式(11)、または、式(12)に示すフッ素系の側鎖を用いると表面エネルギーが低く抑えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
 pは0以上の整数を表している。膜厚の上昇を抑えるため、pは7以下に抑えた方が望ましい。式(7)(8)の合成反応により得られる高分子は、両末端と中間部に極性基を有し、同時に中間部に非極性の側鎖を有する構造となる。極性基の位置と、非極性側鎖の位置は、ずれていてもよい。
 次に、図1を用いて本発明の一実施形態に係る潤滑剤の基板上に塗布されたときの様子について説明する。
  図1は、本発明の一実施形態に係る潤滑剤の基板上に塗布されたときの様子を示す図である。
 図1には、本実施形態による潤滑剤高分子を、極性基を有する基板表面に塗布した場合の1分子の安定形態が示されている。基板1上に主鎖骨格2を持つ潤滑剤高分子が吸着しており、極性基3は基板側の極性基と水素結合により結び付き、非極性の側鎖4は空間側を向いている。潤滑剤の極性基が基板側を向くことで基板との吸着力を向上させ、非極性の側鎖が空間方向を向くことによって、潤滑膜の表面エネルギーを低減させることができる。これにより、汚染物質の付着低減や、摩擦力低減の効果が期待でき、潤滑特性の向上を図ることが可能となる。
 ここで、極性基3は、極性を持つ側鎖であってもよい。主鎖骨格の末端部と少なくとも一つの中間部に、極性基3または極性を持つ側鎖があればよい。また、非極性の側鎖は、主鎖骨格の末端部または中間部に、少なくとも一つあればよい。
 1分子中の極性基の数が多すぎると、基板への付着力より高分子同士の凝集力の方が大きくなり、結果として潤滑膜の被覆率が低減する怖れも出てくるため、例えば、平均分子量3000g/molの高分子の場合、中間の極性基は1~8個程度が妥当であると思われる。この数は、分子量が大きくなるほど多くすることが可能である。
 次に、図2および図3を用いて本発明の一実施形態に係る潤滑剤が用いられる磁気ディスク媒体と磁気ディスク装置について簡単に説明する。
  図2は、磁気ディスク媒体の断面図である。
  図3は、磁気ディスク装置の上面図である。
 磁気ディスク媒体の構造は、図2に示すように、基板5(非磁性支持体)、下地膜6、磁性膜7、保護膜8、潤滑膜9等からなる。下地膜6はなくてもよい。潤滑膜9は、保護膜8の上に塗布されており、潤滑剤は、図1に示すように両末端(あるいは、片末端)と中間部に極性基を有し、同時に中間部に非極性の側鎖を有する構造である。分子量は、小さすぎると潤滑特性の悪化や、回転飛散・蒸発による膜厚の減少を招く恐れがあり、大きすぎると膜厚が増加してしまうため、平均分子量は500~6000g/molの間が望ましい。
 磁気ディスク装置の構造は、通常、図3に示すように、データを記録・保持する磁気ディスク25、磁気ディスクを回転させるモーター26、磁気ディスク媒体表面の磁気記録層に対して磁気データの読み書きをおこなう磁気ヘッド27、磁気ヘッド27を支持するアーム28、磁気ヘッド27の位置を制御する位置決め装置29から成る。
 保護膜8を形成するカーボン保護膜表面は、反応性のカルボニル基やカルボキシル基、水酸基などの極性基で修飾されており、これらの極性基が潤滑剤側の極性基と結合することにより、保護膜と潤滑膜の界面で強い結合力が生じる。
 以下、図4および図5を用いて本発明の効果について説明する。
  図4は、本発明の一実施形態に係る潤滑剤の分子動力学シミュレーションによる解析結果を模式的に示した図である。
  図5は、従来技術に係る潤滑剤の分子動力学シミュレーションによる解析結果を模式的に示した図である。
 図4には、本発明の一実施形態に係る潤滑剤を分子動力学シミュレーションにより検討した解析結果が示されている。この解析モデルでは、保護膜8(ダイヤモンド状カーボン膜)表面に極性基(-OH基)10が均等に配置されている基板を考え、そこに、分子量約2500g/molの潤滑剤高分子11が付着しているモデルを用いた。潤滑剤分子は、極性基(-OH基)が高分子末端と中間部に合計8個付いており、非極性側鎖(式(12)においてp=2とおいたもの)が中間部に4個付いた構造になっている。付着形態解析は、作成した高分子を基板上に乗せ、室温で系全体のエネルギーが安定化するまで分子動力学計算をおこなった。高分子の極性基3(図4の大きな丸)は、基板側を向く傾向にあり、一方フッ素系の主鎖や側鎖は上部を向き、潤滑剤高分子の極性基を覆い隠すような形態を取っている事から、表面エネルギーの低減が期待できる。
 これに対し、図5には、非極性側鎖が付いてない場合で、極性基のみが高分子末端と中間部に存在した場合の安定形態が示されている。潤滑剤分子の膜厚は、下がるが、極性基が表面に露出する部分が出てきており、図4の形態よりは表面エネルギーが増加する傾向にある。
 以上の説明のように、本実施形態の潤滑剤によれば、潤滑膜の膜厚を低く押さえることができると同時に潤滑膜の表面エネルギーを低減させることが可能になり、ヘッドの低浮上化、汚染物質の付着防止、ヘッドへの潤滑剤移着防止にも効果的な優れた潤滑膜の形成することができる。また、本実施形態の潤滑剤を用いることにより、長期にわたるヘッド・ディスク界面の高信頼性を実現することのできる磁気ディスク装置が製造可能となる。
 1…基板、2…潤滑剤高分子の主鎖、3…潤滑剤高分子の極性基、または極性を持つ側鎖、4…非極性の側鎖、5…基板(非磁性支持体)、6…下地、7…磁性膜、8…保護膜、9…潤滑膜、10…カーボン保護膜上の極性基(-OH基)、11…潤滑剤高分子、25…磁気ディスク、26…モーター、27…磁気ヘッド、28…アーム、29…位置決め装置。

Claims (7)

  1.  主鎖骨格の末端部および少なくとも一つの中間部に、極性基または極性を持つ側鎖を有し、かつ、主鎖骨格の末端部または中間部に、非極性の側鎖を少なくとも一つ有する高分子化合物の構造からなる潤滑剤。
  2.  前記高分子化合物の主鎖骨格が、式(1)(2)(3)(4)のいずれかの構造単位の組み合わせからなることを特徴とする請求項1記載の潤滑剤。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000006
  3.  前記極性基または前記極性を持つ側鎖が、-OH,-CHOH,-COOH,-NH,-CHOCHCH(OH)CHOH基のいずれかを含むことを特徴とする請求項1記載の潤滑剤。
  4.  前記非極性の側鎖が、式(5)または(6)の構造からなることを特徴とする請求項1に記載の潤滑剤。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000007
  5.  前記高分子化合物が、両末端または片末端に極性を有するフッ素系高分子と、両末端にエポキシ基を有する高分子の合成反応によって得られることを特徴とする請求項1記載の潤滑剤。
  6.  前記高分子化合物の平均分子量が500以上6000以下であり、前記極性基または前記極性を持つ側鎖が1分子中に1~20個、前記非極性の側鎖が1~20個の範囲であることを特徴とする請求項1記載の潤滑剤。
  7.  ディスク表面に潤滑層が形成された磁気ディスク装置であって、前記潤滑層に用いられる潤滑剤が、請求項1から6のいずれかに記載の潤滑剤であることを特徴とする磁気ディスク装置。
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