ダイヤモンドライクカーボン、一般にDLCと略されるこの材料は、その名の通り、ダイヤモンドに類似した優れた物理的・化学的特性を持つ、非晶質（アモルファス）の炭素薄膜の総称です。それは、純粋なダイヤモンドやグラファイトとは異なる、第三の炭素材料とも言える存在であり、極めて高い硬度と低い摩擦係数、そして優れた耐摩耗性を併せ持つことから、現代のトライボロジー（摩擦・摩耗・潤滑の科学）分野において、最も注目され、広く実用化されている表面改質技術の一つです。
特異な構造：ダイヤモンドとグラファイトの混在
DLCがダイヤモンドに似た特性を発揮する秘密は、その原子レベルでの結合状態にあります。炭素原子は、その結合の仕方によって、全く異なる性質を持つ物質を形成します。
- ダイヤモンド: 炭素原子がsp³混成軌道と呼ばれる結合様式で、互いに正四面体の頂点方向に、三次元的に強固に結びついた結晶構造を持ちます。この強固なネットワークが、ダイヤモンドの極めて高い硬度の源泉です。
- グラファイト: 炭素原子がsp²混成軌道で結びつき、蜂の巣のような六角形の平面構造（グラフェンシート）を形成し、これらのシートが弱い力で積み重なった層状構造を持ちます。この層状構造が、グラファイトの潤滑性や導電性の理由です。
DLCは、これらのsp³結合（ダイヤモンド結合）とsp²結合（グラファイト結合）が、原子レベルで混在し、かつ、特定の結晶構造を持たない非晶質（アモルファス）のネットワークを形成しているという、極めてユニークな構造を持っています。DLCの特性は、このsp³結合とsp²結合の比率によって大きく左右され、一般にsp³結合の割合が高いほど、ダイヤモンドに近い、すなわち硬く、電気抵抗の高い膜になります。
さらに、DLC膜の中には、製造プロセスによっては、相当量の水素原子が結合した形で含まれることがあります。この水素の存在も、膜の構造と特性に大きな影響を与えます。
卓越した特性
この特異な構造から、DLCは多くの優れた工学的特性を発揮します。
- 高硬度: sp³結合の存在により、ビッカース硬さで1000HVから9000HVという、窒化チタン（TiN）や窒化クロム（CrN）といった他の硬質膜に匹敵、あるいはそれを凌駕する、極めて高い硬度を示します。
- 低摩擦係数: これがDLCの最も際立った特徴の一つです。特に、水素を含むDLC膜（後述）は、特定の条件下（例えば、不活性雰囲気中や真空中）で、0.01以下という、固体潤滑剤である二硫化モリブデンやPTFE（テフロン®）に匹敵する、驚異的な低摩擦係数を示します。これは、摺動界面でグラファイトに似た構造が形成されやすいことや、相手材との凝着が起こりにくいことに起因すると考えられています。
- 優れた耐摩耗性: 高い硬度と低い摩擦係数の相乗効果により、他の硬質膜と比較しても、極めて優れた耐摩耗性を発揮します。
- 化学的安定性・耐食性: 炭素原子同士の強固な結合により、酸やアルカリといった化学薬品に対して非常に安定であり、優れた耐食性を示します。
- ガスバリア性: 緻密な非晶質構造は、気体分子の透過を防ぐため、ガスバリアコーティングとしても利用されます。
- 生体適合性: 炭素を主成分とするため、人体に対する為害性が少なく、アレルギー反応も起こしにくいため、医療用インプラントなどへの応用も進められています。
成膜プロセス：プラズマが鍵
DLC膜は、その準安定な非晶質構造を形成するため、特殊なプラズマを利用した気相成長法（CVD法またはPVD法）によって作製されます。
- プラズマCVD法: 真空容器内にメタンやアセチレンといった炭化水素系のガスを導入し、高周波やマイクロ波によってプラズマを発生させます。プラズマ中で分解・イオン化された炭素や炭化水素のイオンが、負にバイアスされた基板（コーティングしたい部品）に引き寄せられ、高いエネルギーを持って衝突・堆積することで、DLC膜が形成されます。水素を多く含むDLC膜（a-C:H）が主にこの方法で作られます。
- PVD法（物理気相成長法）:
- スパッタリング法: 真空容器内で、グラファイトのターゲットにアルゴンイオンなどを高速で衝突させ、弾き飛ばされた炭素原子を基板に堆積させる方法です。
- アークイオンプレーティング法: 真空アーク放電を利用して、グラファイトターゲットを蒸発・イオン化させ、基板に高いエネルギーで照射して成膜する方法です。この方法では、sp³結合比率が非常に高い、水素を含まないDLC膜（ta-C）を作製できます。
これらのプロセスに共通するのは、炭素原子あるいは炭素を含むイオンに、高い運動エネルギーを与えて基板に叩きつけることで、通常の熱平衡状態では生成し得ない、sp³結合を豊富に含む準安定な非晶質構造を「凍結」させるという点です。
DLCの種類
DLCは、そのsp³/sp²比率や水素含有量によって、様々な種類に分類され、それぞれ異なる特性を示します。
- 水素化アモルファスカーボン (a-C:H): プラズマCVD法で主に作製され、水素を20～50原子%程度含みます。sp³結合比率は30～60%程度で、極めて低い摩擦係数を示すことが最大の特徴です。自動車部品などで広く実用化されています。
- 水素フリーテトラヘドラルアモルファスカーボン (ta-C): アークイオンプレーティング法などで作製され、水素をほとんど含みません。sp³結合比率が70～90%と極めて高く、DLCの中で最もダイヤモンドに近い、すなわち最も硬く、耐摩耗性に優れた膜です。切削工具や金型などに適用されます。
- 金属含有DLC: チタンやタングステンといった金属元素をDLC膜中に添加することで、密着性の向上や内部応力の緩和、あるいは導電性の付与といった、特性の改質が図られています。
応用分野
そのユニークで優れた特性から、DLCはトライボロジー特性（摩擦・摩耗特性）の改善が求められる、極めて広範な分野で応用されています。
- 自動車部品: エンジン内部のピストンリング、バルブリフター、燃料噴射系の部品など。低摩擦化による燃費向上と、耐摩耗性向上による長寿命化に貢献します。
- 切削工具・金型: アルミニウム合金のような凝着しやすい材料の切削工具や、プラスチック射出成形金型の離型性向上、プレス金型の耐摩耗性向上など。
- 光学・電子部品: ハードディスクの磁気ヘッドやディスク表面の保護膜、光ファイバーコネクタのフェルール、赤外線ウィンドウの保護膜など。
- 医療分野: 人工関節の摺動部品、ステント、手術用器具など、生体適合性と耐摩耗性が要求される分野。
- 日用品: カミソリの刃先、腕時計の外装部品、釣具のリール部品など。
課題と今後の展望
DLC膜は多くの利点を持つ一方で、母材との密着性の確保や、膜内部に存在する高い内部応力による剥離、そして膜厚の限界といった課題も抱えています。これらの課題を克服するため、母材との間に中間層を設けたり、成膜プロセスを精密に制御したりといった技術開発が続けられています。
ダイヤモンドライクカーボンは、炭素というありふれた元素から、ダイヤモンドに匹敵する、あるいはそれを超える機能性を引き出す、まさに現代の錬金術とも言える技術です。省エネルギー化や製品の高機能化・長寿命化に対する社会的な要求が高まる中で、DLCの応用範囲は、これからもますます拡大していくことが期待される、キーマテリアルなのです。
コメント