JP2007538151A - ダイヤモンド被覆電極 - Google Patents

Abstract

【課題】耐腐蝕性が改良されたダイヤモンド被覆電極を提供すること。
【解決手段】本発明は、導電性ダイヤモンドで形成された被覆部を、少なくともその一方の面に有する基板（Ｆ）からなる電極で、該被覆部が、第１平均粒径を有する少なくとも１つの第１ダイヤモンド層（Ｂ、Ｄ）と、第２平均粒径を有する少なくとも１つの第２ダイヤモンド層（Ｃ、Ｅ）とからなり、該第１平均粒径が、第２平均粒径よりも大きく、第１ダイヤモンド層（Ｂ、Ｄ）が、第２ダイヤモンド層（Ｃ、Ｅ）で覆われている、電極に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、導電性ダイヤモンドで形成された被覆部を、少なくともその一方の面に有する基板からなる電極に関する。

ドイツ特許公開第１９９１１７４６号公報には、ダイヤモンド被覆電極の製法が開示されている。導電性基板上に、５ｎｍ〜１００ｎｍの範囲の平均粒径を有するダイヤモンドパウダーから形成される層が蒸着されている。このダイヤモンド層は、シード層として作用し、その上部には、通常１〜５０μｍの範囲の粒径を有するダイヤモンド層が化学蒸着（ＣＶＤ）にて蒸着されている。

ドイツ特許公開第６９４１０５７６号公報から、このようなダイヤモンド被覆電極を廃水処理に用いることが既知である。しかしながら、実際のところ、このような電極の耐腐蝕性はそれ程高くないことが判明している。このことにより、基板からダイヤモンド層が分離してしまう結果となる。
ドイツ特許公開第１９９１１７４６号公報 ドイツ特許公開第６９４１０５７６号公報

本発明の目的は、従来技術における不都合な点を解消することである。本発明の目的は、耐腐蝕性が改良されたダイヤモンド被覆電極を提供することである。

前記目的は、請求項１の特徴によって達成される。有用な実施態様は、請求項２〜２１の特徴に由来する。

本発明のダイヤモンド被覆電極は、耐腐蝕性が改良されたものである。

本発明により、導電性ダイヤモンドで形成された被覆部を、少なくともその一方の面に有する基板からなる電極が提供される。かかる被覆部は、第１平均粒径を有する少なくとも１つの第１ダイヤモンド層と、第２平均粒径を有する少なくとも１つの第２ダイヤモンド層とからなり、かかる第１平均粒径は、第２平均粒径よりも大きく、第１層が第２層で覆われている。

本電極は優れた耐腐蝕性を示す。第１ダイヤモンド層上に、より小さい平均粒径を有する第２ダイヤモンド層を蒸着させることにより、液体が被覆部内に浸透することを、効果的に防ぐことができる。第２ダイヤモンド層により、効果的なシールが形成され、かかるシールは、有利なことに、化学蒸着中に１つ又はそれ以上のパラメータを単に変更するだけで製造することができる。第１層は、粗粒子が付随する微粒子ベース層を有していてもよい。かかる粗粒子は、柱状構造を有していてもよい。

本発明の実施態様によれば、第１平均粒径は、０．５μｍ〜２５μｍの範囲である。第２平均粒径は、１．０μｍ未満、好ましくは５０〜２００ｎｍの範囲であることが有利である。前記第２平均粒径を有する第２ダイヤモンド層は、液体の浸透を防ぎ、下部に設けられた第１ダイヤモンド層を効果的に保護する。

さらなる実施態様によれば、第２ダイヤモンド層の厚さは、第１ダイヤモンド層の厚さよりも小さい。第１ダイヤモンド層の厚さに対する第２ダイヤモンド層の厚さの比は、０．０５〜０．９９の範囲が有利であることが判明している。腐蝕に対して効果的にシールするためには、第２ダイヤモンド層を比較的小さい厚さで蒸着させることで充分である。この結果、腐蝕に対する効果的な保護に要するコストを、低く維持することができる。

さらなる実施態様によれば、第１及び第２ダイヤモンド層は交互配列構造を形成する。かかる特徴により、耐腐蝕性はさらに増強する。特に、電気化学的攻撃によって生じる腐食に対し、優れた耐性を得ることができる。交互配列構造全体の厚さは、１〜２００μｍの範囲であればよい。かかる交互配列構造の厚さは、２〜２５μｍの範囲であることが好ましい。

電極の外面を形成している最表ダイヤモンド層は、第２ダイヤモンド層であることが有利である。これにより、層数を最少とすることができ、同時に、腐蝕に対する優れた保護特性を得ることができる。

さらなる実施態様によれば、ダイヤモンドは、その導電性を向上させるためにドーピングを含んでいる。かかるドーピングは、以下の物質：ホウ素及びチッ素の少なくとも１つからなる。ダイヤモンドに含まれるドーピングの量は、１０ｐｐｍ〜３０００ｐｐｍの範囲、好ましくは１００ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍの範囲である。かかるドーピングは、ダイヤモンド被覆部に優れた電気抵抗を付与するのに好適である。

第１ダイヤモンド層に含まれるドーピングの第１平均量は、第２ダイヤモンド層に含まれるドーピングの第２平均量と異なる。特に、第１平均量は第２平均量よりも少ない。さらに、最表ダイヤモンド層に含まれるドーピングの第３平均量を、かかる最表ダイヤモンド層と基板との間に設けられるダイヤモンド層の平均量よりも多くすることができる。前記特徴により、電極の電気特性、特にダイヤモンド被覆部の伝導性が向上する。ダイヤモンド及び／又は基板は、１００Ωｃｍ未満、好ましくは０．１Ωｃｍ未満の電気抵抗を有する。

さらなる実施態様によれば、最表ダイヤモンド層のダイヤモンド結晶の、表面上の領域単位の少なくとも３０容量％、好ましくは少なくとも５０容量％が、双晶である。この特徴により、ダイヤモンド被覆部の電気機械的耐性が増強される。化学蒸着において、例えば温度上昇といったパラメータを適宜選択することにより、容易に双晶を成長させることができる。さらに、最表ダイヤモンド層は疎水性又は親水性の表面を有していてよい。親水性の表面は、酸素雰囲気下で、蒸着したダイヤモンド被覆部をアニーリングすることにより得られる。最表ダイヤモンド層の疎水性の表面は、水素及び／又はメタンを含む雰囲気下で、ダイヤモンド被覆部をアニーリングすることにより得られる。

基板が金属、好ましくは自己保護金属であるならば有利であることが判明している。「自己保護金属」とは、自身の表面上に、化学的又は電気化学的酸化によって隔離層が形成され、保護される金属のこという。かかる金属は、以下の金属：チタン、ニオブ、タンタル、アルミニウム、ジルコニウム、鋼及び、化学蒸着で用いられる雰囲気から鋼の鉄を分離し、ダイヤモンド層との共有結合を形成する層で被覆されている鋼から選択することができる。例えば、チタンホウ素チッ化物又はクロム炭化物からなる層が好適である。基板の厚さは、０．１〜２０．０ｍｍの範囲であることが有利である。

本発明の有利な実施態様によれば、ダイヤモンド被覆部は基板の対向面に設けられる。これにより、電極の効果が著しく発現される。基板は角形、好ましくは長方形であればよく、この場合、例えば大型平面電極の製造が容易である。しかしながら、基板はまた、曲面を有していてもよい。基板は、チューブ、スラブ、ロッド又はプレートであってもよい。さらに基板は、エキスパンデッドメタルであってもよい。それは、１つ又はそれ以上のアパーチャーを有していてもよい。

本発明の実施態様は、図面を参照しながら実施例によって説明することができるが、本発明はかかる実施例に限定されるものではない。

図１において、基板Ｆ上には、ナノ結晶ダイヤモンドパウダーによるシード層Ａが蒸着している。基板Ｆは、チタン又は、チタンホウ素チッ化物もしくはクロム炭化物からなる層で被覆されている鋼であることが好ましい。このような層は、化学蒸着で用いられる雰囲気から鋼の鉄を分離し、ダイヤモンド層との共有結合を形成する。

シード層Ａは、厚さが０．５〜２５μｍの範囲の第１ダイヤモンド層Ｂで覆われている。成長方向における第１平均粒径は、０．５μｍよりも大きいことが好ましい。かかる成長方向は、実質的に、基板Ｆの表面に対して垂直である。

第１ダイヤモンド層Ｂは、第２ダイヤモンド層Ｃで覆われている。第２ダイヤモンド層Ｃの厚さは、第１ダイヤモンド層Ｂの厚さよりも小さいことが好ましい。第２平均粒径は、成長方向において０．５μｍよりも小さいことが好ましい。

図１に示されるように、第２ダイヤモンド層Ｃは、さらなる第１ダイヤモンド層Ｄで覆われている。このさらなる第１ダイヤモンド層Ｄは、さらなる第２ダイヤモンド層Ｅで覆われており、この第２ダイヤモンド層Ｅが最表ダイヤモンド層を形成している。

第２ダイヤモンド層Ｃと比較して、さらなる第２ダイヤモンド層Ｅは、特別な特徴をいくつか有する。最表ダイヤモンド層Ｅの電気機械的耐性を増強するために、多量のダイヤモンド双晶が含まれていてもよい。その量は、表面上の領域単位の３０〜６０％又はそれ以上である。さらに、最表ダイヤモンド層Ｅには、ドーピング、好ましくはホウ素が、第１ダイヤモンド層Ｂ、Ｄ及び第２ダイヤモンド層Ｃよりも多量に含まれていてもよい。最後に、最表ダイヤモンド層Ｅの表面Ｓは、疎水性又は親水性を示す。

第１ダイヤモンド層Ｂ、Ｄ及び第２ダイヤモンド層Ｃ、Ｅの粒径は、雰囲気中のメタン含量を変更するか、及び／又は化学蒸着における温度を変化させるかによって、変更することができる。雰囲気中のメタン含量が少ないか、及び／又は高温であると、粒径の大きな粒子が蒸着し、逆にメタン含量が多いか、及び／又は低温であると、粒径の小さな粒子が蒸着する。高温とは、基板温度が８５０℃の範囲であり、低温とは、基板温度が７５０℃の範囲である。第１ダイヤモンド層Ｂ、Ｄは、通常、１０００ｐｐｍ未満の量のホウ素を含んでいる。第２ダイヤモンド層Ｃ、Ｅは、概ね、５００ｐｐｍを超える量のホウ素を含んでいる。

さらに、化学蒸着において適したパラメータを選択することにより、最速成長方向に対してテクスチャ構造を有するダイヤモンド粒子を生成することができる。第１ダイヤモンド層は、（１００）面又は（１１０）面又は（１１１）面方向にテクスチャ構造を有するダイヤモンド粒子を含んでいることが好ましい。テクスチャ構造を有する第１ダイヤモンド層Ｂ、Ｄは、機械的強度及び耐腐蝕性に優れる。

以下の表に、第１ダイヤモンド層Ｂ、Ｄ及び第２ダイヤモンド層Ｃ、Ｅに適した蒸着パラメータを例示する。

図２は、概略的に図１に示された電極と同様の電極の走査電子顕微鏡写真である。図２に示されるように、シード層Ａの厚さは、約０．４μｍである。第１ダイヤモンド層の厚さは、１．２μｍの範囲である。第２ダイヤモンド層Ｃ及びさらなる第２ダイヤモンド層Ｅの厚さは、約１．８μｍである。第２ダイヤモンド層Ｅとさらなる第２ダイヤモンド層Ｅとの間に挟まれた、さらなる第１ダイヤモンド層の厚さもまた、約１．８μｍである。

図３、４に、第１ダイヤモンド層Ｂ及び第２ダイヤモンド層Ｃの表面の３次元プロットを示す。かかるプロットは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）での記録写真から得られたデータに基づいて算出したものである。図３に示されるように、第１ダイヤモンド層は、２００ｎｍの範囲の表面粗さを有する。

図４に示されるように、第２ダイヤモンド層Ｃは、粗さが約５０ｎｍの範囲といった、著しく滑らかな表面を有する。

微粒子化された第２ダイヤモンド層Ｃ又はさらなる第２ダイヤモンド層Ｅを備えることにより、これらで覆われている第１ダイヤモンド層Ｂ又はさらなる第１ダイヤモンド層Ｄでは、液体の浸透が効果的に妨げられる。よって、本発明の電極において、耐腐蝕性が著しく増強する。

図１、２に示されるように、第１ダイヤモンド層Ｂ、Ｄ及び第２ダイヤモンド層Ｃ、Ｅの交互配列構造が用いられる。このような交互配列構造により、電極の耐腐蝕性はさらに増強する。

本発明による電極は、特に耐腐蝕性が要求される廃水等の処理に用いることができる。

電極の概略断面図 電極の横断面の走査電子顕微鏡写真 第１ダイヤモンド層の表面の、第１の３次元プロット 第２ダイヤモンド層の、第２の３次元プロット

符号の説明

Ａ シード層
Ｂ 第１ダイヤモンド層
Ｃ 第２ダイヤモンド層
Ｄ さらなる第１ダイヤモンド層
Ｅ さらなる第２ダイヤモンド層又は最表層
Ｆ 基板
Ｓ 外面

Claims (21)

1. 導電性ダイヤモンドで形成された被覆部を、少なくともその一方の面に有する基板（Ｆ）からなる電極であって、
   前記被覆部が、第１平均粒径を有する少なくとも１つの第１ダイヤモンド層（Ｂ、Ｄ）と、第２平均粒径を有する少なくとも１つの第２ダイヤモンド層（Ｃ、Ｅ）とからなり、
   前記第１平均粒径が、前記第２平均粒径よりも大きく、
   前記第１ダイヤモンド層（Ｂ、Ｄ）が、前記第２ダイヤモンド層（Ｃ、Ｅ）で覆われている、電極。
2. 第１平均粒径が、０．５μｍ〜２５μｍの範囲である、請求項１に記載の電極。
3. 第２平均粒径が、１．０μｍ未満、好ましくは５０〜２００ｎｍの範囲である、前記請求項の１つに記載の電極。
4. 第２ダイヤモンド層（Ｃ、Ｅ）の厚さが、第１ダイヤモンド層（Ｂ、Ｄ）の厚さよりも小さい、前記請求項の１つに記載の電極。
5. 第１ダイヤモンド層（Ｂ、Ｄ）の厚さに対する第２ダイヤモンド層（Ｃ、Ｅ）の厚さの比が、０．０５〜０．９９の範囲である、前記請求項の１つに記載の電極。
6. 第１ダイヤモンド層（Ｂ、Ｄ）と第２ダイヤモンド層（Ｃ、Ｅ）とが、交互配列構造を形成している、前記請求項の１つに記載の電極。
7. 交互配列構造全体の厚さが、１〜２００μｍの範囲である、前記請求項の１つに記載の電極。
8. 電極の外面（Ｓ）を形成している最表ダイヤモンド層（Ｅ）が、第２ダイヤモンド層である、前記請求項の１つに記載の電極。
9. ダイヤモンドが、その導電性を向上させるドーピングを含んでいる、前記請求項の１つに記載の電極。
10. ドーピングが、以下の物質：ホウ素及びチッ素の少なくとも１つからなる、前記請求項の１つに記載の電極。
11. ダイヤモンドに含まれるドーピングの量が、１０ｐｐｍ〜３０００ｐｐｍの範囲、好ましくは１００ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍの範囲である、前記請求項の１つに記載の電極。
12. 第１ダイヤモンド層（Ｂ、Ｄ）に含まれるドーピングの第１平均量が、第２ダイヤモンド層（Ｃ、Ｅ）に含まれるドーピングの第２平均量と異なる、前記請求項の１つに記載の電極。
13. ドーピングの第１平均量が、ドーピングの第２平均量よりも少ない、前記請求項の１つに記載の電極。
14. 最表ダイヤモンド層（Ｅ）に含まれるドーピングの第３平均量が、該最表ダイヤモンド層（Ｅ）と基板（Ｆ）との間に設けられるダイヤモンド層（Ｂ、Ｃ、Ｄ）の平均量よりも多い、前記請求項の１つに記載の電極。
15. ダイヤモンド及び／又は基板が、１００Ωｃｍ未満、好ましくは０．１Ωｃｍ未満の電気抵抗を有する、前記請求項の１つに記載の電極。
16. 最表ダイヤモンド層（Ｅ）のダイヤモンド結晶の、表面上の領域単位の少なくとも３０容量％、好ましくは少なくとも５０容量％が、双晶である、前記請求項の１つに記載の電極。
17. 最表ダイヤモンド層（Ｅ）が、疎水性又は親水性の表面を有している、前記請求項の１つに記載の電極。
18. 基板（Ｆ）が、金属、好ましくは自己保護金属である、前記請求項の１つに記載の電極。
19. 金属が、以下の金属：チタン、ニオブ、タンタル、アルミニウム、ジルコニウム、鋼、及びチタンホウ素チッ化物又はクロム炭化物の層で被覆されている鋼から選ばれる、前記請求項の１つに記載の電極。
20. 基板（Ｆ）が、０．１〜２０．０ｍｍの範囲の厚さを有する、前記請求項の１つに記載の電極。
21. 基板（Ｆ）の対向面が、導電性ダイヤモンドで被覆されている、前記請求項の１つに記載の電極。

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