JP2011080130A - Diamond-coated electrode, and method for producing diamond-coated electrode - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はダイヤモンド被覆電極に係り、特に、ピンホールによる流体の浸入が少ない耐久性に優れたダイヤモンド被覆電極に関するものである。 The present invention relates to a diamond-coated electrode, and more particularly, to a diamond-coated electrode having excellent durability with less fluid penetration by a pinhole.
所定の電極基材の表面に導電性を有するダイヤモンド被膜がコーティングされているダイヤモンド被覆電極が、例えば産業廃液などを浄化したり所定の電解反応を行なわせたりする水処理用電極等として提案されている。しかしながら、通常のダイヤモンド被膜の結晶粒子は一般に粒径(粒子の最大直径)が2μm以上と大きいため、例えば図10に示すようにダイヤモンド被膜102を構成している多数のダイヤモンド結晶粒子104の間に比較的大きな隙間が生じ、その隙間がピンホール(穴状欠陥)となって電解液等が矢印(→)で示すように電極基材100の表面付近まで浸入し、ダイヤモンド被膜102が基材表面から剥離し易いという問題があった。
A diamond-coated electrode in which a surface of a predetermined electrode base material is coated with a conductive diamond film has been proposed as a water treatment electrode that purifies industrial waste liquid or performs a predetermined electrolytic reaction, for example. Yes. However, since the crystal grains of the normal diamond film generally have a large particle diameter (maximum particle diameter) of 2 μm or more, for example, as shown in FIG. A relatively large gap is formed, and the gap becomes a pinhole (hole-like defect) so that the electrolyte or the like penetrates to the vicinity of the surface of the
一方、ダイヤモンド被膜の成膜条件(ガス圧やガス濃度など)を調整することにより粒径が1μm未満の微結晶ダイヤモンドから成る単層構造のダイヤモンド被膜を形成したり、種結晶生成処理と結晶成長処理とを繰り返すことにより微結晶で多層構造のダイヤモンド被膜を形成したりする技術が提案されている(例えば特許文献1参照)。このような微結晶ダイヤモンドの技術をダイヤモンド被覆電極に適用すれば、微結晶化によりピンホールそのものが小さくなるだけでなく、表面の撥水効果により電解液等の流体の浸入が抑制されるため、被膜剥離に対する耐久性向上が期待できる。 On the other hand, by adjusting the diamond film formation conditions (gas pressure, gas concentration, etc.), a single-layer diamond film composed of microcrystalline diamond with a particle size of less than 1 μm can be formed, seed crystal generation treatment and crystal growth A technique for forming a diamond film having a multilayer structure with microcrystals by repeating the treatment has been proposed (see, for example, Patent Document 1). If such a microcrystalline diamond technology is applied to a diamond-coated electrode, not only the pinhole itself is reduced by microcrystallization, but also the infiltration of fluid such as an electrolyte is suppressed by the water repellent effect on the surface. Durability improvement against film peeling can be expected.
しかしながら、単層構造のダイヤモンド被膜の場合、グラファイト等の非ダイヤモンド炭素が混入することが避けられず、脆くなるなどして耐久性が損なわれることがある一方、多層構造のダイヤモンド被膜の場合は十分な密着性が得られず、依然として剥離が生じ易いなど、何れの場合も未だ改善の余地があった。 However, in the case of a diamond film with a single layer structure, it is inevitable that non-diamond carbon such as graphite is mixed, and durability may be impaired due to brittleness, etc. In any case, there was still room for improvement, such as a lack of good adhesion and the tendency to still peel off.
本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、ピンホールによる流体の浸入が少ない耐久性に優れたダイヤモンド被覆電極を提供することにある。 The present invention has been made in the background of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a diamond-coated electrode excellent in durability with less intrusion of fluid by a pinhole.
かかる目的を達成するために、第1発明は、所定の電極基材の表面に導電性を有するダイヤモンド被膜がコーティングされているダイヤモンド被覆電極の製造方法であって、(a) 結晶粒径が30nm以下の単結晶のダイヤモンドを用いて表面に核付け処理を行う核付け工程と、(b) ダイヤモンドの種結晶を生成する種結晶生成処理とその種結晶を結晶成長させる結晶成長処理とを交互に繰り返すことにより、その結晶成長処理で設けられる1層のダイヤモンド層の膜厚Tcが200nm以下の超微結晶多層構造で、全体の膜厚Tdが400nm〜3μmの範囲内のダイヤモンド多層膜を、前記核付け処理が行われた表面上に形成する超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程とを有し、且つ、(c) 前記核付け工程および前記超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程を交互に3回以上繰り返すことにより、総膜厚Ttが1.2μm〜30μmの範囲内のダイヤモンド被膜を前記電極基材の表面上に形成することを特徴とする。 In order to achieve such an object, the first invention is a method for producing a diamond-coated electrode in which a surface of a predetermined electrode base material is coated with a conductive diamond film, and (a) a crystal grain size of 30 nm The following nucleation process for nucleating the surface using single crystal diamond, and (b) a seed crystal generation process for generating a diamond seed crystal and a crystal growth process for growing the seed crystal alternately. By repeating the above, a diamond multilayer film having a superfine crystal multilayer structure in which the film thickness Tc of one diamond layer provided by the crystal growth treatment is 200 nm or less and the entire film thickness Td is in the range of 400 nm to 3 μm is obtained. A microcrystalline diamond multi-layer coating process formed on the nucleated surface, and (c) the nucleating process and the microcrystalline diamond By repeating three times or more multi-layer coating process alternately, characterized in that the total film thickness Tt form a diamond coating in the range of 1.2μm~30μm on the surface of the electrode substrate.
上記核付け処理は、超音波装置内にダイヤモンド粒子およびアルコール液を入れ、その中に電極基材を挿入して基材表面、或いは基材表面上に設けられたダイヤモンド多層膜等の表面に微小凹凸を設ける表面荒し処理で、その上に設けられるダイヤモンド多層膜の密着性が向上する。 In the nucleation process, diamond particles and an alcohol liquid are placed in an ultrasonic device, and an electrode base material is inserted therein, and the surface of the base material or the surface of a diamond multilayer film provided on the base material surface is minute. The surface roughening treatment for providing irregularities improves the adhesion of the diamond multilayer film provided thereon.
第2発明は、所定の電極基材の表面に導電性を有するダイヤモンド被膜がコーティングされているダイヤモンド被覆電極の製造方法であって、(a) ダイヤモンドの種結晶を生成する種結晶生成処理とその種結晶を結晶成長させる結晶成長処理とを交互に繰り返すことにより、その結晶成長処理で設けられる1層のダイヤモンド層の膜厚Tcが200nm以下の超微結晶多層構造で、全体の膜厚Tdが400nm〜3μmの範囲内のダイヤモンド多層膜を形成する超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程と、(b) 前記ダイヤモンド多層膜の上に、膜厚Tgが10nm〜1μmの範囲内で且つ前記膜厚Tdより小さいグラファイト層を形成するグラファイト積層工程とを有し、且つ、(c) 前記超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程および前記グラファイト積層工程を交互に繰り返し行い、少なくとも前記ダイヤモンド多層膜を3回以上形成することにより、総膜厚Ttが1.2μm〜30μmの範囲内のダイヤモンド被膜を前記電極基材の表面上に形成することを特徴とする。 A second invention is a method for producing a diamond-coated electrode in which a surface of a predetermined electrode base material is coated with a conductive diamond film, comprising: (a) a seed crystal generation process for generating a diamond seed crystal; By alternately repeating the crystal growth process for crystal growth of the seed crystal, the diamond film thickness Tc of the single layer provided in the crystal growth process is an ultrafine crystal multilayer structure having a thickness of 200 nm or less, and the total film thickness Td is A microcrystalline diamond multilayer coating step for forming a diamond multilayer film in a range of 400 nm to 3 μm; and (b) a film thickness Tg on the diamond multilayer film in a range of 10 nm to 1 μm and from the film thickness Td. A graphite lamination process for forming a small graphite layer, and (c) the ultra-microcrystalline diamond multilayer coating process and the A graphite film having a total film thickness Tt in the range of 1.2 μm to 30 μm is formed on the surface of the electrode substrate by alternately repeating the graphite lamination process and forming the diamond multilayer film at least three times. It is characterized by that.
第3発明は、第2発明のダイヤモンド被覆電極の製造方法において、(a) 結晶粒径が30nm以下の単結晶のダイヤモンドを用いて表面に核付け処理を行う核付け工程を有し、(b) 前記超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程で少なくとも最初に前記ダイヤモンド多層膜を形成するのに先立って前記核付け工程で前記核付け処理を行うことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for producing a diamond-coated electrode according to the second aspect of the present invention, comprising: ) The nucleation process is performed in the nucleation step prior to forming the diamond multilayer film at least first in the ultra-microcrystalline diamond multilayer coating step.
第4発明は、第2発明または第3発明のダイヤモンド被覆電極の製造方法において、繰り返し行なわれる前記超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程および前記グラファイト積層工程は、前記電極基材をCVD装置の反応炉内に保持したままCVD法によって行なわれることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for producing a diamond-coated electrode according to the second or third aspect of the invention, wherein the ultra-microcrystalline diamond multilayer coating step and the graphite laminating step are repeatedly performed. It is characterized in that it is carried out by the CVD method while being held at a temperature.
第5発明は、所定の電極基材の表面に導電性を有するダイヤモンド被膜がコーティングされているダイヤモンド被覆電極であって、(a) 1層のダイヤモンド層の膜厚Tcが200nm以下の超微結晶多層構造で、全体の膜厚Tdが400nm〜3μmの範囲内のダイヤモンド多層膜と、(b) 膜厚Tgが10nm〜1μmの範囲内で且つ前記膜厚Tdより小さいグラファイト層とを有し、且つ、(c) 前記ダイヤモンド多層膜および前記グラファイト層が交互に繰り返し積層されて、少なくともそのダイヤモンド多層膜が3回以上形成されることにより、総膜厚Ttが1.2μm〜30μmの範囲内のダイヤモンド被膜が前記電極基材の表面上に設けられていることを特徴とする。 A fifth invention is a diamond-coated electrode in which a surface of a predetermined electrode base material is coated with a conductive diamond film, and (a) an ultrafine crystal having a film thickness Tc of one diamond layer of 200 nm or less A multi-layered diamond multilayer film having a total film thickness Td in the range of 400 nm to 3 μm; and (b) a graphite layer having a film thickness Tg in the range of 10 nm to 1 μm and smaller than the film thickness Td, And (c) the diamond multilayer film and the graphite layer are alternately and repeatedly laminated, and the diamond multilayer film is formed at least three times, so that the total film thickness Tt is in the range of 1.2 μm to 30 μm. A diamond coating is provided on the surface of the electrode substrate.
第1発明のダイヤモンド被覆電極の製造方法においては、結晶粒径が30nm以下の単結晶のダイヤモンドを用いて核付け処理を行う核付け工程と、ダイヤモンドの種結晶を生成する種結晶生成処理およびその種結晶を結晶成長させる結晶成長処理を交互に繰り返すことにより、1層のダイヤモンド層の膜厚Tcが200nm以下の超微結晶多層構造で、全体の膜厚Tdが400nm〜3μmの範囲内のダイヤモンド多層膜を形成する超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程とを、交互に3回以上繰り返すことにより、総膜厚Ttが1.2μm〜30μmの範囲内のダイヤモンド被膜を形成する。その場合に、1層のダイヤモンド層の膜厚Tcが200nm以下であるため、そのダイヤモンド層を構成しているダイヤモンド結晶粒子も粒径が膜厚Tcと略等しい超微結晶となり、ピンホールそのものが小さくなるとともに表面の撥水効果が高くなることにより電解液等の流体の浸入が抑制される。 In the method for producing a diamond-coated electrode according to the first invention, a nucleation step in which a single crystal diamond having a crystal grain size of 30 nm or less is used for nucleation, a seed crystal generation process for generating a diamond seed crystal, and its By alternately repeating the crystal growth treatment for crystal growth of the seed crystal, a diamond having an ultrafine crystal multilayer structure in which the film thickness Tc of one diamond layer is 200 nm or less and the entire film thickness Td is in the range of 400 nm to 3 μm A diamond film having a total film thickness Tt in the range of 1.2 μm to 30 μm is formed by alternately repeating the microcrystalline diamond multilayer coating process for forming a multilayer film three or more times. In that case, since the film thickness Tc of one diamond layer is 200 nm or less, the diamond crystal particles constituting the diamond layer also become ultrafine crystals having a particle diameter substantially equal to the film thickness Tc, and the pinhole itself is formed. Intrusion of fluid such as an electrolyte is suppressed by decreasing the surface and increasing the water-repellent effect on the surface.
また、結晶粒径が30nm以下の単結晶のダイヤモンドを用いて核付け処理を行う核付け工程を繰り返して超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程を実施し、所定膜厚Tdのダイヤモンド多層膜を3回以上形成するようにしたため、電極基材とダイヤモンド多層膜との間、およびダイヤモンド多層膜相互の間の密着性が向上し、単に多結晶ダイヤモンド多層コーティング工程で種結晶生成処理および結晶成長処理を繰り返すだけで目的とする総膜厚Ttとする場合に比較して被膜強度が高くなり、ピンホールによる流体の浸入が抑制されることと相まって剥離に対して優れた耐久性が得られるようになる。 In addition, a nucleation process in which a nucleation process is performed using a single crystal diamond having a crystal grain size of 30 nm or less is repeated to perform a microcrystalline diamond multilayer coating process, and a diamond multilayer film having a predetermined film thickness Td is applied three or more times. As a result, the adhesion between the electrode substrate and the diamond multilayer film and between the diamond multilayer films is improved, and the seed crystal generation process and the crystal growth process are simply repeated in the polycrystalline diamond multilayer coating process. As compared with the case where the target total film thickness Tt is obtained, the coating strength is increased, and the durability against peeling is obtained in combination with the suppression of fluid penetration by the pinhole.
また、超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程では、種結晶生成処理および結晶成長処理を交互に繰り返すことによって超微結晶のダイヤモンド多層膜を形成するため、単層構造の微結晶ダイヤモンド被膜に比較してグラファイト等の非ダイヤモンド炭素の混入が抑制され、この点でも被膜強度が向上して被膜剥離等に対して一層優れた耐久性が得られるようになる。 In the ultra-microcrystalline diamond multi-layer coating process, an ultra-microcrystalline diamond multi-layer film is formed by alternately repeating seed crystal generation processing and crystal growth processing. The non-diamond carbon such as the above is suppressed, and also in this respect, the coating strength is improved, and further excellent durability against peeling of the coating can be obtained.
第2発明のダイヤモンド被覆電極の製造方法は、ダイヤモンドの種結晶を生成する種結晶生成処理およびその種結晶を結晶成長させる結晶成長処理を交互に繰り返すことにより、1層のダイヤモンド層の膜厚Tcが200nm以下の超微結晶多層構造で、全体の膜厚Tdが400nm〜3μmの範囲内のダイヤモンド多層膜を形成する超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程と、そのダイヤモンド多層膜の上に膜厚Tgが10nm〜1μmの範囲内で且つ膜厚Tdより小さいグラファイト層を形成するグラファイト積層工程とを有し、それ等の超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程およびグラファイト積層工程を交互に繰り返し行い、少なくともダイヤモンド多層膜を3回以上形成することにより、総膜厚Ttが1.2μm〜30μmの範囲内のダイヤモンド被膜を電極基材の表面上に形成する。すなわち、超微結晶のダイヤモンド多層膜が3回以上設けられる点は第1発明と同じであり、ピンホールそのものが小さくなるとともに、ダイヤモンド被膜の最表面がこのダイヤモンド多層膜の場合は、表面の撥水効果が高くなることにより電解液等の流体の浸入が抑制される。また、ダイヤモンド被膜の最表面がグラファイト層の場合は、グラファイト層は非結晶であるためピンホールが少なくて電解液等の流体の浸入が一層確実に防止される。 The method for producing a diamond-coated electrode according to the second aspect of the present invention includes alternately repeating a seed crystal generation process for generating a diamond seed crystal and a crystal growth process for crystal growth of the seed crystal to thereby obtain a film thickness Tc of one diamond layer. Is an ultra-microcrystalline multilayer structure with a thickness of 200 nm or less, and an ultra-microcrystalline diamond multilayer coating process for forming a diamond multilayer film with an overall film thickness Td in the range of 400 nm to 3 μm, and a film thickness Tg on the diamond multilayer film A graphite laminating step for forming a graphite layer within a range of 10 nm to 1 μm and smaller than the film thickness Td, and repeatedly performing such a microcrystalline diamond multilayer coating step and a graphite laminating step alternately, and at least a diamond multilayer film Is formed three times or more, so that the total film thickness Tt is 1.2 μm to 30 μm. Forming a diamond coating in the range of on the surface of the electrode substrate. In other words, the point that the ultrafine diamond multilayer film is provided three or more times is the same as in the first invention. The pinhole itself is reduced, and when the outermost surface of the diamond film is this diamond multilayer film, the surface repellent property is reduced. By increasing the water effect, the intrusion of a fluid such as an electrolyte is suppressed. Further, when the outermost surface of the diamond coating is a graphite layer, the graphite layer is non-crystalline, so there are few pinholes and the infiltration of a fluid such as an electrolytic solution can be prevented more reliably.
また、本発明では各ダイヤモンド多層膜の間に非結晶のグラファイト層が設けられているため、本発明者等の実験によれば、単に多結晶ダイヤモンド多層コーティング工程で種結晶生成処理および結晶成長処理を繰り返すだけで目的とする総膜厚Ttとする場合に比較して、剥離に対して一層優れた耐久性が得られるようになった。この理由は、グラファイト層は非結晶であるため、ピンホールが少なくて電解液等の流体の浸入が一層確実に防止されるとともに、密着性が向上して被膜強度が高くなるためと考えられる。グラファイト層の膜厚Tgはダイヤモンド多層膜の膜厚Tdよりも小さいため、グラファイト層を設けたことに起因するダイヤモンド被膜の脆弱化を抑制しつつ、被膜強度を向上させて剥離を防止することができる。 Further, in the present invention, since an amorphous graphite layer is provided between each diamond multilayer film, according to experiments by the present inventors, a seed crystal generation process and a crystal growth process are simply performed in a polycrystalline diamond multilayer coating process. As compared with the case where the target total film thickness Tt is obtained simply by repeating the above, it is possible to obtain more excellent durability against peeling. This is presumably because the graphite layer is non-crystalline, so that there are few pinholes and the infiltration of a fluid such as an electrolyte is more reliably prevented, and the adhesion is improved and the film strength is increased. Since the film thickness Tg of the graphite layer is smaller than the film thickness Td of the diamond multilayer film, it is possible to improve the film strength and prevent peeling while suppressing the weakening of the diamond film due to the provision of the graphite layer. it can.
また、超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程で形成されるダイヤモンド多層膜自体には、グラファイト等の非ダイヤモンド炭素の混入が抑制されるため、第1発明と同様に単層構造の微結晶ダイヤモンド被膜に比較して優れた被膜強度が得られるようになり、被膜剥離等に対して一層優れた耐久性が得られるようになる。 In addition, since the diamond multilayer film itself formed by the ultra-microcrystalline diamond multilayer coating process suppresses the mixing of non-diamond carbon such as graphite, it is compared with the microcrystalline diamond film having a single layer structure as in the first invention. As a result, excellent film strength can be obtained, and even better durability against film peeling can be obtained.
更に、この第2発明では、ダイヤモンド多層膜を3回以上設ける際に、所定膜厚Tgのグラファイト層を設けるようにしたため、必ずしも一々核付け処理を行う必要がなく、例えば第4発明のように繰り返し行なわれる超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程およびグラファイト積層工程を、CVD装置の反応炉内に電極基材を保持したままCVD法によって行うことが可能となり、ダイヤモンド被覆電極の製造を容易に行うことができる。 Further, in the second invention, when the diamond multilayer film is provided three times or more, the graphite layer having a predetermined film thickness Tg is provided, so that it is not always necessary to perform the nucleation process one by one. For example, as in the fourth invention The repeated ultra-microcrystalline diamond multi-layer coating process and the graphite lamination process can be performed by the CVD method while holding the electrode base material in the reactor of the CVD apparatus, which facilitates the production of the diamond-coated electrode. it can.
第3発明では、超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程で少なくとも最初にダイヤモンド多層膜を形成するのに先立って核付け工程で核付け処理を行うため、その核付け処理により電極基材とダイヤモンド被膜との密着性が高くなり、ダイヤモンド被膜の剥離が一層効果的に抑制される。 In the third invention, since the nucleation process is performed in the nucleation process prior to the formation of the diamond multilayer film at least first in the ultra-microcrystalline diamond multilayer coating process, Adhesion is enhanced and the peeling of the diamond coating is more effectively suppressed.
第5発明は、1層のダイヤモンド層の膜厚Tcが200nm以下の超微結晶多層構造で、全体の膜厚Tdが400nm〜3μmの範囲内のダイヤモンド多層膜と、膜厚Tgが10nm〜1μmの範囲内で且つ前記膜厚Tdより小さいグラファイト層とを有し、且つ、それ等のダイヤモンド多層膜およびグラファイト層が交互に繰り返し積層されて、少なくともそのダイヤモンド多層膜が3回以上形成されることにより、総膜厚Ttが1.2μm〜30μmの範囲内のダイヤモンド被膜が電極基材の表面上に設けられているダイヤモンド被覆電極で、前記第1発明或いは第2発明の製造方法を用いて製造することができる。このようなダイヤモンド被覆電極においては、超微結晶のダイヤモンド多層膜が3回以上設けられるため、ピンホールそのものが小さくなるとともに表面の撥水効果が高くなることにより電解液等の流体の浸入が抑制される。また、各ダイヤモンド多層膜の間に所定の膜厚Tgのグラファイト層が設けられているため、第2発明と同様にダイヤモンド被膜の脆弱化を抑制しつつ被膜強度を向上させて剥離を適切に防止することができる。更に、超微結晶のダイヤモンド多層膜自体には、グラファイト等の非ダイヤモンド炭素の混入が抑制されるため、単層構造の微結晶ダイヤモンド被膜に比較して優れた被膜強度が得られるようになり、被膜剥離等に対して一層優れた耐久性が得られるようになる。 The fifth aspect of the invention is an ultra-microcrystalline multilayer structure in which the thickness Tc of one diamond layer is 200 nm or less, the diamond multilayer film having a total film thickness Td in the range of 400 nm to 3 μm, and the film thickness Tg of 10 nm to 1 μm. And the diamond multilayer film and the graphite layer are alternately and repeatedly laminated, and at least the diamond multilayer film is formed at least three times. Is a diamond-coated electrode in which a diamond film having a total film thickness Tt in the range of 1.2 μm to 30 μm is provided on the surface of the electrode substrate, and is manufactured using the manufacturing method of the first invention or the second invention. can do. In such a diamond-coated electrode, the microcrystalline diamond multilayer film is provided three or more times, so that the pinhole itself becomes smaller and the surface water-repellent effect is enhanced, so that the ingress of fluid such as an electrolyte is suppressed. Is done. Moreover, since a graphite layer having a predetermined film thickness Tg is provided between each diamond multilayer film, as in the case of the second invention, the film strength is improved while preventing the diamond film from becoming brittle, and peeling is appropriately prevented. can do. Furthermore, since the ultra-microcrystalline diamond multilayer film itself is suppressed from mixing non-diamond carbon such as graphite, an excellent film strength can be obtained compared to a single-layer microcrystalline diamond film, Even better durability can be obtained with respect to film peeling and the like.
本発明は、産業廃液などを浄化したり所定の電解反応を行なわせたりする水処理用のダイヤモンド被覆電極に好適に適用されるが、他の分野で用いられるダイヤモンド被覆電極にも同様に適用され得る。電極基材としては、銅や超硬合金、チタン等の金属が好適に用いられるが、グラファイト等の他の導電性材料を採用することもできる。電極基材の形状は、板状や棒状など適宜定められる。ダイヤモンドは本来電気的に絶縁体であるが、ダイヤモンドを結晶成長させる際に、例えばボロン(硼素;B)等の不純物をドーピングすることによって所定の導電性を持たせることができる。ドーピング量は不純物の種類によって適宜定められるが、例えばボロンの場合、0.05〜5原子%の範囲内が適当で、0.5〜1原子%の範囲内が望ましい。 The present invention is preferably applied to a diamond-coated electrode for water treatment that purifies industrial waste liquid or causes a predetermined electrolytic reaction, but is similarly applied to a diamond-coated electrode used in other fields. obtain. As an electrode base material, metals such as copper, cemented carbide and titanium are preferably used, but other conductive materials such as graphite can also be adopted. The shape of the electrode substrate is appropriately determined such as a plate shape or a rod shape. Although diamond is an electrical insulator by nature, it can be given conductivity by doping impurities such as boron (boron; B) when the crystal is grown. The doping amount is appropriately determined depending on the kind of impurities. For example, in the case of boron, the range of 0.05 to 5 atomic% is appropriate, and the range of 0.5 to 1 atomic% is desirable.
核付け処理を行う際に用いるダイヤモンドは、結晶粒径が30nm以下であれば良いが、20nm以下が望ましく、例えば5〜20nm程度の人工単結晶の市販品が好適に用いられる。 The diamond used for the nucleation treatment may have a crystal grain size of 30 nm or less, but is preferably 20 nm or less. For example, a commercially available artificial single crystal of about 5 to 20 nm is preferably used.
種結晶生成処理および結晶成長処理を行う超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程の実施には、CVD(化学気相成長)法が好適に用いられ、特にマイクロ波プラズマCVD法が望ましいが、ホットフィラメントCVD法や高周波プラズマCVD法等の他のCVD法を用いることもできる。第2発明のグラファイト積層工程の実施に際しても、上記CVD法を用いてグラファイト層を形成することが可能で、第4発明のようにCVD装置の反応炉内に電極基材を保持したまま、供給する反応ガスを切り換えるなどして超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程およびグラファイト積層工程を連続して行うことができる。 A CVD (chemical vapor deposition) method is preferably used for the execution of the ultra-microcrystalline diamond multi-layer coating process in which the seed crystal generation process and the crystal growth process are performed, and the microwave plasma CVD method is particularly preferable. Alternatively, other CVD methods such as a high-frequency plasma CVD method can be used. In carrying out the graphite laminating step of the second invention, it is possible to form a graphite layer using the above-mentioned CVD method, and supply the electrode substrate while holding the electrode substrate in the reactor of the CVD apparatus as in the fourth invention. The microcrystalline diamond multilayer coating process and the graphite laminating process can be performed continuously by switching the reaction gas to be used.
ダイヤモンド多層膜の1層のダイヤモンド層の膜厚Tcは200nm以下であれば良いが、100nm以下が望ましく、50nm以下が一層望ましい。膜厚Tcは一定であっても良いが、200nm以下の範囲で連続的に変化させたり段階的に変化させたりすることもできる。 The film thickness Tc of one diamond layer of the diamond multilayer film may be 200 nm or less, preferably 100 nm or less, and more preferably 50 nm or less. The film thickness Tc may be constant, but can be continuously changed or changed stepwise within a range of 200 nm or less.
電極基材の表面に直接ダイヤモンド多層膜を形成するようにしても良いが、密着性を高めるためなど必要に応じて他の下地層を設け、その上にダイヤモンド多層膜を形成するようにしても良い。第1発明では、3回以上形成されるダイヤモンド多層膜は、互いに接するように直接重ねて積層しても良いが、それ等のダイヤモンド多層膜の間に、第2発明のようにグラファイト層を設けたり、その他の中間層を設けたりすることも可能である。ダイヤモンド多層膜の間に所定の膜厚Tgのグラファイト層を設ける場合、得られたダイヤモンド被覆電極は第5発明の一実施例である。ダイヤモンド多層膜の上にグラファイト層等の中間層が設けられる場合、中間層の表面に対して核付け処理を行い、その核付け処理が行われた表面上にダイヤモンド多層膜を形成すれば良い。 The diamond multilayer film may be formed directly on the surface of the electrode base material, but another base layer may be provided as necessary to improve adhesion, and the diamond multilayer film may be formed thereon. good. In the first invention, the diamond multilayer films formed three or more times may be directly stacked so as to be in contact with each other, but a graphite layer is provided between the diamond multilayer films as in the second invention. It is also possible to provide other intermediate layers. When a graphite layer having a predetermined film thickness Tg is provided between the diamond multilayer films, the obtained diamond-coated electrode is an embodiment of the fifth invention. When an intermediate layer such as a graphite layer is provided on the diamond multilayer film, the surface of the intermediate layer may be nucleated, and the diamond multilayer film may be formed on the surface subjected to the nucleation process.
第2発明では、少なくともダイヤモンド多層膜が3回以上形成されるようにすれば良く、ダイヤモンド被膜の最上層はダイヤモンド多層膜であっても良いしグラファイト層であっても良い。ダイヤモンド被覆電極の使用分野や要求性能等に応じて適宜選択できる。第5発明のダイヤモンド被覆電極についても同様である。第1発明の実施に際しても、必要に応じて最上層にグラファイト層等を設けることが可能である。 In the second invention, it is sufficient that the diamond multilayer film is formed at least three times, and the uppermost layer of the diamond coating may be a diamond multilayer film or a graphite layer. It can be appropriately selected according to the field of use or required performance of the diamond-coated electrode. The same applies to the diamond-coated electrode of the fifth invention. In implementing the first invention, it is possible to provide a graphite layer or the like as the uppermost layer as necessary.
グラファイト層は、その存在によるダイヤモンド被膜の脆弱化を抑制する上で、膜厚Tgが10nm〜1μmの範囲内で且つダイヤモンド多層膜の膜厚Tdよりも小さくされるが、膜厚Tgは0.5μm以下が望ましく、或いはダイヤモンド多層膜の膜厚Tdの1/2以下とすることが望ましい。 The graphite layer has a film thickness Tg in the range of 10 nm to 1 μm and smaller than the film thickness Td of the diamond multilayer film in order to suppress the weakening of the diamond film due to the presence of the graphite layer. 5 μm or less is desirable, or it is desirable to be 1/2 or less of the film thickness Td of the diamond multilayer film.
第3発明では、超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程で少なくとも最初にダイヤモンド多層膜を形成するのに先立って核付け工程で核付け処理を行うが、超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程でダイヤモンド多層膜を形成するのに先立って常に核付け工程で核付け処理を行うこともできる。第2発明の実施に際しては、このような核付け処理は必ずしも必要なく、超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程およびグラファイト積層工程のみを繰り返し行ってダイヤモンド被膜を形成しても良い。 In the third invention, the nucleation process is performed in the nucleation process prior to the formation of the diamond multilayer film at least in the ultra-microcrystalline diamond multilayer coating process. The diamond multilayer film is formed in the ultra-microcrystalline diamond multilayer coating process. Prior to this, the nucleation process can always be performed in the nucleation process. In carrying out the second invention, such a nucleation process is not necessarily required, and only the ultra-microcrystalline diamond multilayer coating process and the graphite lamination process may be repeated to form a diamond film.
第4発明では、繰り返し行なわれる超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程およびグラファイト積層工程が、電極基材をCVD装置の反応炉内に保持したままCVD法によって行なわれるが、第2発明の実施に際しては、CVD装置の反応炉内に電極基材を保持して超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程およびグラファイト積層工程を行い、1積層周期分のダイヤモンド多層膜およびグラファイト層を形成した後、電極基材を一旦反応炉から外へ取り出し、例えば前記核付け処理等を行った後に再び反応炉内にセットして、次の超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程およびグラファイト積層工程を行うようにしても良い。 In the fourth invention, the microcrystalline diamond multilayer coating process and the graphite laminating process, which are repeatedly performed, are performed by the CVD method while the electrode base material is held in the reaction furnace of the CVD apparatus. The electrode substrate is held in the reaction furnace of the CVD apparatus, and the ultra-microcrystalline diamond multilayer coating process and the graphite laminating process are performed to form a diamond multilayer film and a graphite layer for one lamination period, and then the electrode substrate is reacted once. After taking out from the furnace, for example, after performing the nucleation process and the like, it may be set in the reaction furnace again to perform the next ultra-microcrystalline diamond multilayer coating process and graphite lamination process.
第5発明のダイヤモンド被覆電極は、第1発明或いは第2発明の製造方法を用いて好適に製造されるが、必ずしもそれ等の製造方法に限定されるものではなく、他の製造方法で製造しても差し支えない。 The diamond-coated electrode of the fifth invention is preferably produced using the production method of the first invention or the second invention, but is not necessarily limited to these production methods, and is produced by other production methods. There is no problem.
以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1は、本発明方法(第1発明)に従って製造されたダイヤモンド被覆電極の一例を説明する図で、(a) はダイヤモンド被膜20が設けられた表層部分の拡大断面図、(b) はダイヤモンド被膜20の中の一つのダイヤモンド多層膜22aを更に拡大してダイヤモンド結晶粒子Cの並び方を概念的に示したイメージ図である。このダイヤモンド被覆電極10は、電極基材12の表面14上に図2のマイクロ波プラズマCVD装置30を用いて図3のフローチャートに従ってダイヤモンド被膜20をコーティングしたもので、電極基材12は超硬合金、銅等の金属板材にて構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram for explaining an example of a diamond-coated electrode manufactured according to the method of the present invention (first invention). (A) is an enlarged sectional view of a surface layer portion provided with a
上記ダイヤモンド被膜20は、多数のダイヤモンド多層膜22a、22b、・・・22n(以下、特に区別しない場合は単にダイヤモンド多層膜22という)にて構成されており、それ等のダイヤモンド多層膜22の各膜厚Tdは400nm〜3μmの範囲内の略一定の大きさであり、総膜厚Ttは1.2μm〜30μmの範囲内である。このダイヤモンド多層膜22の数すなわち積層数Nは3以上で、且つ、目的とする総膜厚Ttとなるように膜厚Tdに応じて適宜定められる。また、それ等のダイヤモンド多層膜22は、それぞれ図1(b) に示すように多数のダイヤモンド層24a、24b、・・・24m(以下、特に区別しない場合は単にダイヤモンド層24という)を連続的に積層したもので、それ等のダイヤモンド層24の各膜厚Tcは略同じで30〜40nmの範囲内(例えば目標値35nm)であり、ダイヤモンド結晶粒子Cの粒径が膜厚Tcと略等しい超微結晶の多層構造を成している。
The
図2のマイクロ波プラズマCVD装置30は、反応炉32、マイクロ波発生装置34、原料ガス供給装置36、真空ポンプ38、および電磁コイル40を備えて構成されている。円筒状の反応炉32内にはテーブル42が設けられ、ダイヤモンド被膜20をコーティングすべき複数の電極基材12が所定の姿勢でセット(配置)される。マイクロ波発生装置34は、例えば2.45GHz等のマイクロ波を発生する装置で、このマイクロ波が反応炉32内へ導入されることにより電極基材12が加熱されるとともに、マイクロ波発生装置34の電力制御によって加熱温度が調節される。
The microwave
原料ガス供給装置36は、メタン(CH4 )や水素(H2 )、一酸化炭素(CO)などの原料ガスを反応炉32内に供給するためのもので、それ等のガスボンベや流量を制御する流量制御弁、流量計などを備えて構成されているが、本実施例ではボロンをドーピングするために、例えば酸化ボロンをメタノールに溶かした液体を原料ガスに混ぜて反応炉32内に供給できるようになっている。真空ポンプ38は、反応炉32内の気体を吸引して減圧するためのもので、圧力計46によって検出される反応炉32内の圧力値が予め定められた所定の圧力値になるように、真空ポンプ38のモータ電流などがフィードバック制御される。電磁コイル40は、反応炉32内を取り巻くように反応炉32の外周側に円環状に配設されている。
The source
このようなマイクロ波プラズマCVD装置30を用いたダイヤモンド被膜20のコーティング処理は、図3のフローチャートに示す手順に従って行なわれる。図3のステップS1では、電極基材12を反応炉32内に配置するのに先立って、結晶粒径が5〜20nmのダイヤモンドの人工単結晶を用いて核付け処理を行う。この核付け処理は、超音波装置内にダイヤモンド粒子およびアルコール液を入れ、その中に電極基材12を挿入してその表面に微小凹凸を設ける表面荒し処理で、最初は基材表面14に核付け処理が行われるが、ステップS3の判断がNO(否定)の場合に行う2回目以降の核付け処理は、電極基材12の表面14上に設けられたダイヤモンド多層膜22に対して行われる。このステップS1は核付け工程で、例えば超音波装置を用いて作業者の手作業で行うことができる。結晶粒径が5〜20nmのダイヤモンドの人工単結晶は、例えば市販品を購入すれば良い。
The coating process of the
その後、電極基材12を反応炉32内にセットし、マイクロ波プラズマCVD法によりステップS2で超微結晶ダイヤモンド多層コーティング処理を行う。この超微結晶ダイヤモンド多層コーティング処理は、前記ダイヤモンド多層膜22を形成するためのもので、ステップS2−1の種結晶生成処理およびステップS2−2の結晶成長処理を交互に繰り返すことによって行なわれる。
Thereafter, the
ステップS2−1の種結晶生成処理は、ダイヤモンドの結晶成長を抑制して種結晶を生成するためのものである。具体的には、メタンの濃度が10%〜30%の範囲内で定められた設定値となるようにメタンおよび水素の流量調節を行うとともに、電極基材12の表面温度が700℃〜900℃の範囲内で定められた設定温度になるようにマイクロ波発生装置34を調節し、反応炉32内のガス圧が2.7×102 Pa〜2.7×103 Paの範囲内で定められた設定圧になるように真空ポンプ38を作動させ、その状態を0.1時間〜2時間継続する。これにより、ダイヤモンドの結晶成長の起点となる多数の種結晶が生成され、前記核付け処理が行われた電極基材12の表面14上に付着させられる。また、ステップS2−3に続いて行う2回目以降の種結晶生成処理では、ステップS2−2の結晶成長処理で結晶成長させられた多数のダイヤモンド結晶粒子Cから成るダイヤモンド層24の表面上に、新たに生成された種結晶が層状に付着させられる。
The seed crystal generation process in step S2-1 is for generating a seed crystal while suppressing the crystal growth of diamond. Specifically, the flow rate of methane and hydrogen is adjusted so that the concentration of methane becomes a set value determined within a range of 10% to 30%, and the surface temperature of the
ステップS2−2の結晶成長処理では、上記ステップS2−1の種結晶生成処理で付着された種結晶を結晶成長させる。具体的には、メタンの濃度が1%〜4%の範囲内で定められた設定値になるようにメタンおよび水素の流量調節を行うとともに、電極基材12の表面温度が800℃〜900℃の範囲内で定められた設定温度になるようにマイクロ波発生装置34を調節し、反応炉32内のガス圧が1.3×103 Pa〜6.7×103 Paの範囲内で定められた設定圧になるように真空ポンプ38を作動させ、その状態を、ダイヤモンド層24の膜厚がTcとなるように予め定められた所定時間、具体的にはダイヤモンド結晶粒子Cの結晶長さ(結晶成長方向の長さ寸法)が膜厚Tcになる予め求められた処理時間だけ継続する。
In the crystal growth process in step S2-2, the seed crystal attached in the seed crystal generation process in step S2-1 is grown. Specifically, the flow rate of methane and hydrogen is adjusted so that the methane concentration becomes a set value determined within a range of 1% to 4%, and the surface temperature of the
ステップS2−2に続いてステップS2−3を実行し、ダイヤモンド多層膜22が予め定められた目的とする膜厚Tdに達したか否かを判断する。具体的には、ステップS2−1の種結晶生成処理およびステップS2−2の結晶成長処理の処理回数が、膜厚Tdと前記ダイヤモンド層24の膜厚Tcとに応じて定められた設定回数(Td/Tc)に達したか否かを判断する。そして、その設定回数に達するまではステップS2−1およびS2−2を繰り返し実行し、設定回数に達したらステップS3を実行する。 Subsequent to step S2-2, step S2-3 is executed to determine whether or not the diamond multilayer film 22 has reached a predetermined target film thickness Td. Specifically, the number of processing times of the seed crystal generation processing in step S2-1 and the crystal growth processing in step S2-2 is determined by the set number of times determined according to the film thickness Td and the film thickness Tc of the diamond layer 24 ( It is determined whether or not (Td / Tc) has been reached. Steps S2-1 and S2-2 are repeatedly executed until the set number is reached, and step S3 is executed when the set number is reached.
上記ステップS2の超微結晶ダイヤモンド多層コーティング処理に際しては、水素等の原料ガスを供給する際に、前記酸化ボロンをメタノールに溶かした液体をその原料ガスに混ぜて反応炉32内に所定の流量で供給することにより、そのダイヤモンド層24、更にはダイヤモンド多層膜22にボロンをドーピングする。ボロンのドーピング量(含有量)は、酸化ボロンを溶かした液体の供給流量を変更することによって調節でき、所定の導電性が得られるように例えば0.5〜1原子%の割合でボロンがドーピングされるように設定される。
In the ultra-microcrystalline diamond multi-layer coating process in step S2, when a raw material gas such as hydrogen is supplied, a liquid obtained by dissolving boron oxide in methanol is mixed with the raw material gas, and the reaction gas is supplied to the
このステップS2は超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程であり、ダイヤモンド多層膜22が目的とする膜厚Tdに達してステップS2−3の判断がYES(肯定)になると、ステップS3を実行する。ステップS2の超微結晶ダイヤモンド多層コーティング処理は、例えばコンピュータを用いた制御装置によりマイクロ波プラズマCVD装置30の作動を制御して自動的に行なわれるようにすることができる。
This step S2 is an ultra-microcrystalline diamond multilayer coating process. When the diamond multilayer film 22 reaches the target film thickness Td and the determination in step S2-3 becomes YES (positive), step S3 is executed. The ultra-microcrystalline diamond multilayer coating process in step S2 can be automatically performed by controlling the operation of the microwave
ステップS3では、ダイヤモンド多層膜22が予め定められた目的とする積層数Nに達したか否か、すなわちステップS2の超微結晶ダイヤモンド多層コーティング処理の実行回数が積層数Nと同じ回数になったか否かを判断し、積層数Nと同じ回数になるまでステップS1およびS2を繰り返す。ステップS1およびS2が積層数Nと同じ回数だけ繰り返し実行されると、ダイヤモンド多層膜22が積層数Nだけ積層された目的とするダイヤモンド被膜20が形成されるとともに、ステップS3の判断がYESとなり、前記ダイヤモンド被覆電極10を製造するための一連のダイヤモンド被膜成膜処理が終了する。
In step S3, whether or not the diamond multilayer film 22 has reached a predetermined target number N of layers, that is, whether or not the number of executions of the ultra-microcrystalline diamond multilayer coating process in step S2 is the same as the number N of layers. It is determined whether or not, and steps S1 and S2 are repeated until the number of stacks is equal to N. When steps S1 and S2 are repeatedly executed as many times as the number N of layers, the
このように本実施例では、結晶粒径が5〜20nmの単結晶のダイヤモンドを用いて核付け処理を行うステップS1の核付け工程と、種結晶を生成する種結晶生成処理(ステップS2−1)およびその種結晶を結晶成長させる結晶成長処理(ステップS2−2)を交互に繰り返すことにより、1層のダイヤモンド層24の膜厚Tcが30〜40nmの超微結晶多層構造で、全体の膜厚Tdが400nm〜3μmの範囲内のダイヤモンド多層膜22を形成するステップS2の超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程とを、交互に積層数N(≧3)と同じ回数だけ繰り返すことにより、総膜厚Ttが1.2μm〜30μmの範囲内の目的とするダイヤモンド被膜20を形成する。その場合に、1層のダイヤモンド層24の膜厚Tcが30〜40nmであるため、そのダイヤモンド層24を構成しているダイヤモンド結晶粒子Cも粒径が膜厚Tcと略等しい超微結晶となり、ピンホールそのものが小さくなるとともに表面の撥水効果が高くなることにより電解液等の流体の浸入が抑制される。
As described above, in this embodiment, the nucleation process in step S1 in which a single crystal diamond having a crystal grain size of 5 to 20 nm is used, and the seed crystal generation process in which a seed crystal is generated (step S2-1). ) And the crystal growth treatment (step S2-2) for crystal growth of the seed crystal are alternately repeated, so that the entire film can be obtained in an ultrafine crystal multilayer structure in which the film thickness Tc of one diamond layer 24 is 30 to 40 nm. By repeating the ultra-microcrystalline diamond multilayer coating process of step S2 for forming the diamond multilayer film 22 having a thickness Td in the range of 400 nm to 3 μm alternately by the same number of times as the number N of layers (≧ 3), the total film thickness is obtained. A
また、5〜20nmの結晶粒径の単結晶のダイヤモンドを用いて核付け処理を行うステップS1の核付け工程を繰り返して、ステップS2の超微結晶ダイヤモンド多層コーティング処理を実施し、所定膜厚Tdのダイヤモンド多層膜22を3回以上形成するようにしたため、電極基材12とダイヤモンド多層膜22との間、およびダイヤモンド多層膜22相互の間の密着性が向上し、単にステップS2の多結晶ダイヤモンド多層コーティング処理で種結晶生成処理および結晶成長処理を繰り返すだけで目的とする総膜厚Ttとする場合に比較して被膜強度が高くなり、上記のようにピンホールによる流体の浸入が抑制されることと相まって剥離に対して優れた耐久性が得られるようになる。
Further, the nucleation process of step S1 in which the nucleation process is performed using single crystal diamond having a crystal grain diameter of 5 to 20 nm is repeated, and the ultrafine crystal diamond multi-layer coating process of step S2 is performed to obtain a predetermined film thickness Td. Since the diamond multilayer film 22 is formed three times or more, the adhesion between the
また、ステップS2の超微結晶ダイヤモンド多層コーティング処理では、種結晶生成処理(ステップS2−1)および結晶成長処理(ステップS2−2)を交互に繰り返すことによって超微結晶のダイヤモンド多層膜22を形成するため、単層構造の微結晶ダイヤモンド被膜に比較してグラファイト等の非ダイヤモンド炭素の混入が抑制され、この点でも被膜強度が向上して被膜剥離等に対して一層優れた耐久性が得られるようになる。 Further, in the ultra-fine diamond multi-layer coating process in step S2, the ultra-fine diamond multi-layer film 22 is formed by alternately repeating the seed crystal generation process (step S2-1) and the crystal growth process (step S2-2). Therefore, in comparison with a microcrystalline diamond film having a single-layer structure, mixing of non-diamond carbon such as graphite is suppressed, and also in this respect, the film strength is improved and further excellent durability against film peeling is obtained. It becomes like this.
因に、前記積層数Nや総膜厚Ttが異なる5種類の試験品No1〜No5を用意し、所定の水処理を行なってダイヤモンド被膜20の剥離に対する耐久性を調べたところ、図4に示す結果が得られた。電極基材12は超硬合金板で、寸法(mm)は幅×厚さ×高さ=10×1×30である。
In this connection, five types of test products No1 to No5 having different numbers of layers N and total film thickness Tt were prepared, and subjected to predetermined water treatment to examine the durability against peeling of the
図4において、試験品No1およびNo2は積層数N=1、2の比較品で、総膜厚Ttはある程度厚いが、何れも早期にダイヤモンド被膜20が剥離して電極寿命となった。これに対し、積層数Nが3以上の試験品No3〜No5は本発明品で、何れも240時間使用してもダイヤモンド被膜20が剥離することは無かった。このことから、所定の結晶粒径のダイヤモンドを用いて核付け処理するステップS1の核付け工程を繰り返して、ステップS2の超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程を実施し、ダイヤモンド多層膜22を所定の積層数N(≧3)だけ形成することが、そのダイヤモンド多層膜22の密着性を向上させて被膜強度を高くし、単に種結晶生成処理(ステップS2−1)および結晶成長処理(ステップS2−2)を繰り返すだけで所定の総膜厚Ttとする場合に比較して、剥離に対する耐久性を向上させることに大きく寄与していることが分かる。
In FIG. 4, test products No1 and No2 are comparative products with the number of stacked layers N = 1 and 2, and the total film thickness Tt is somewhat thick, but in both cases, the
次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の実施例において前記実施例1と実質的に共通する部分には同一の符号を付して詳しい説明を省略する。 Next, another embodiment of the present invention will be described. In the following embodiments, parts that are substantially the same as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図5のダイヤモンド被覆電極50は、前記図1のダイヤモンド被覆電極10に比較して、前記多数のダイヤモンド多層膜22の上にそれぞれグラファイト層54a、54b、・・・54n(以下、特に区別しない場合は単にグラファイト層54という)が設けられている。各グラファイト層54の膜厚Tgは略同じで10nm〜1μmの範囲内であり、且つ前記ダイヤモンド多層膜22の膜厚Tdよりも小さい。ダイヤモンド多層膜22は、前記実施例1と同様に構成されており、前記図1(b) に示すように多数のダイヤモンド層24の膜厚Tcが30〜40nmの超微結晶多層構造で、全体の膜厚Tdは400nm〜3μmの範囲内である。また、グラファイト層54を含むダイヤモンド被膜52の総膜厚Ttは、同じく前記実施例1と同様に1.2μm〜30μmの範囲内とされている。本実施例では ダイヤモンド多層膜22およびグラファイト層54を1積層周期として積層数N(≧3)だけ積層されているが、最上層のグラファイト層54nを省略することも可能である。このダイヤモンド被覆電極50は第5発明の一実施例である。
The diamond-coated
そして、このようなダイヤモンド被覆電極50は、前記図2のマイクロ波プラズマCVD装置30を用いて例えば図6のフローチャートに示す手順に従ってダイヤモンド被膜52を形成することによって製造される。図6のステップR1、R2、R4はそれぞれ前記図3のステップS1、S2、S3と同じで、ステップR2の中のステップR2−1〜R2−3も前記ステップS2−1〜S2−3と同じであるが、ステップR2に続いてステップR3のグラファイト積層処理を実行するとともに、ステップR4に続いてステップR2以下を実行する点が相違する。ステップR3はグラファイト積層工程で、図6のフローチャートに従う製造手順は第2発明の一実施例である。
Such a diamond-coated
ステップR3のグラファイト積層処理は、マイクロ波プラズマCVD装置30の反応炉32内に電極基材12を保持したまま、ステップR2の微結晶ダイヤモンド多層コーティング処理に連続して行なわれる。具体的には、水素ガスの供給を停止し、メタンガスのみを供給することにより、ダイヤモンド結晶粒子Cの結晶成長を停止して、非結晶のグラファイト層54を形成する。また、処理時間は、グラファイト層54の膜厚Tgに応じて予め定められる。次のステップR4では、ダイヤモンド多層膜22およびグラファイト層54を1積層周期とする積層回数が予め定められた積層数N(≧3)と同じ回数に達したか否かを判断し、積層数Nと同じ回数になるまでステップR2およびR3を繰り返す。本実施例では、マイクロ波プラズマCVD装置30の反応炉32内に電極基材12を保持したまま、ステップR2およびR3が積層数Nと同じ回数だけ連続して繰り返し行われる。これにより、ダイヤモンド多層膜22およびグラファイト層54が積層数Nだけ積層された目的とするダイヤモンド被膜52が形成されるとともに、ステップR4の判断がYESとなり、前記ダイヤモンド被覆電極50を製造するための一連のダイヤモンド被膜成膜処理が終了する。ステップR2の超微結晶ダイヤモンド多層コーティング処理、ステップR3のグラファイト積層処理、およびステップR4の判断処理は、例えばコンピュータを用いた制御装置によりマイクロ波プラズマCVD装置30の作動を制御して自動的に行なわれるようにすることができる。
The graphite laminating process in step R3 is performed continuously with the microcrystalline diamond multilayer coating process in step R2 while holding the
本実施例では、ダイヤモンドの種結晶を生成するステップR2−1の種結晶生成処理、およびその種結晶を結晶成長させるステップR2−2の結晶成長処理を交互に繰り返すことにより、1層のダイヤモンド層24の膜厚Tcが200nm以下の超微結晶多層構造で、全体の膜厚Tdが400nm〜3μmの範囲内のダイヤモンド多層膜22を形成するステップR2の超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程と、そのダイヤモンド多層膜22の上に膜厚Tgが10nm〜1μmの範囲内で且つ膜厚Tdより小さいグラファイト層54を形成するステップR3のグラファイト積層工程とを有し、それ等のステップR2およびステップR3R3を繰り返し行い、少なくともダイヤモンド多層膜22を3回以上形成することにより、総膜厚Ttが1.2μm〜30μmの範囲内のダイヤモンド被膜52を電極基材12の表面14上に形成する。すなわち、前記実施例1のダイヤモンド被膜20に比較して、ステップR2の超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程で所定膜厚Tdのダイヤモンド多層膜22を3回以上形成する際に、一々ステップR1で核付け処理を炉外で行う代わりに、所定膜厚Tgのグラファイト層54を設けるようにした点が相違する。
In the present embodiment, a diamond layer of one layer is obtained by alternately repeating the seed crystal generation process of Step R2-1 for generating a diamond seed crystal and the crystal growth process of Step R2-2 for crystal growth of the seed crystal. An ultra-microcrystalline diamond multi-layer coating process of step R2 for forming a diamond multi-layer film 22 having a total film thickness Td in the range of 400 nm to 3 [mu] m with an ultra-microcrystalline multi-layer structure having a film thickness Tc of 24 or less of 200 nm, and the diamond A graphite laminating step of step R3 for forming a graphite layer 54 having a film thickness Tg in the range of 10 nm to 1 μm and smaller than the film thickness Td on the multilayer film 22, and repeating these steps R2 and R3R3 And forming the diamond multilayer film 22 at least three times, the total film thickness Tt is A
したがって、超微結晶のダイヤモンド多層膜22が3回以上設けられる点は実施例1と同じであり、ピンホールそのものが小さくなるとともに、ダイヤモンド被膜52の最表面がこのダイヤモンド多層膜22の場合は、表面の撥水効果が高くなることにより電解液等の流体の浸入が抑制される。また、本実施例のように最表面がグラファイト層54の場合は、グラファイト層54は非結晶であるためピンホールが少なくて電解液等の流体の浸入が一層確実に防止される。
Therefore, the point that the ultra-microcrystalline diamond multilayer film 22 is provided three times or more is the same as in Example 1, and the pinhole itself is reduced, and when the outermost surface of the
また、各ダイヤモンド多層膜22の間に非結晶のグラファイト層54が設けられているため、本発明者等の実験によれば、単にステップR2の多結晶ダイヤモンド多層コーティング工程で種結晶生成処理(ステップR2−1)および結晶成長処理(ステップR2−2)を繰り返すだけで目的とする総膜厚Ttとする場合に比較して、剥離に対して一層優れた耐久性が得られるようになった。この理由は、グラファイト層54は非結晶であるため、ピンホールが少なくて電解液等の流体の浸入が一層確実に防止されるとともに、密着性が向上して被膜強度が高くなるためと考えられる。グラファイト層54の膜厚Tgはダイヤモンド多層膜22の膜厚Tdよりも小さいため、グラファイト層54を設けたことに起因するダイヤモンド被膜52の脆弱化を抑制しつつ、被膜強度を向上させて剥離を適切に防止することができる。
Further, since the amorphous graphite layer 54 is provided between the diamond multilayer films 22, according to the experiments by the present inventors, the seed crystal generation process (step S2) is performed in the polycrystalline diamond multilayer coating process of step R2. Compared to the case where the target total film thickness Tt is obtained simply by repeating R2-1) and the crystal growth treatment (step R2-2), it is possible to obtain more excellent durability against peeling. The reason is considered that the graphite layer 54 is amorphous, so that there are few pinholes and the infiltration of a fluid such as an electrolytic solution is prevented more reliably, and the adhesion is improved and the film strength is increased. . Since the film thickness Tg of the graphite layer 54 is smaller than the film thickness Td of the diamond multilayer film 22, the weakening of the
また、ステップR2の超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程で形成されるダイヤモンド多層膜22自体には、グラファイト等の非ダイヤモンド炭素の混入が抑制されるため、実施例1と同様に単層構造の微結晶ダイヤモンド被膜に比較して優れた被膜強度が得られるようになり、被膜剥離等に対して一層優れた耐久性が得られるようになる。 Further, since the diamond multilayer film 22 itself formed in the ultra-microcrystalline diamond multilayer coating process of Step R2 is prevented from mixing non-diamond carbon such as graphite, the single crystal structure microcrystals are the same as in the first embodiment. Excellent film strength can be obtained as compared with the diamond film, and more excellent durability against film peeling can be obtained.
更に、この実施例2では、ダイヤモンド多層膜22を3回以上設ける際に、所定膜厚Tgのグラファイト層を設けるようにしたため、必ずしも一々ステップR1の核付け処理を炉外で行う必要がなく、本実施例では繰り返し行なわれるステップR2の超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程およびステップR3のグラファイト積層工程を、マイクロ波プラズマCVD装置30の反応炉32内に電極基材12を保持したままCVD法によって連続して行うようにしたため、ダイヤモンド被膜52の成膜、更にはダイヤモンド被覆電極50の製造を容易に行うことができる。
Further, in Example 2, when the diamond multilayer film 22 is provided three times or more, the graphite layer having a predetermined film thickness Tg is provided, so that it is not always necessary to perform the nucleation process in Step R1 outside the furnace one by one. In this embodiment, the ultra-microcrystalline diamond multilayer coating process in step R2 and the graphite lamination process in step R3 are repeated by the CVD method while the
また、本実施例では、ステップR2の超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程で最初にダイヤモンド多層膜22を形成するのに先立ってステップR1の核付け工程が実施され、電極基材12の表面14に核付け処理が行われるため、その核付け処理により電極基材12とダイヤモンド被膜52との間の密着性が高くなり、ダイヤモンド被膜52の剥離が一層効果的に抑制される。
Further, in this embodiment, the nucleation process of Step R1 is performed prior to the formation of the diamond multilayer film 22 in the ultra-microcrystalline diamond multilayer coating process of Step R2, and the
因に、前記積層数Nや総膜厚Tt等が異なる6種類の試験品No1〜No6を用意し、所定の水処理を行なってダイヤモンド被膜52の耐久性を調べたところ、図7に示す結果が得られた。電極基材12は超硬合金板で、寸法(mm)は幅×厚さ×高さ=10×1×30である。なお、試験品No4の積層数Nの欄に記載の「3.5」は、ダイヤモンド多層膜22については4回形成したが、グラファイト層54は3回で、最表層がダイヤモンド多層膜22であることを意味する。他の試験品No1〜No3、No5、No6は、何れもダイヤモンド多層膜22およびグラファイト層54が同じ回数だけ積層され、最表層はグラファイト層54である。
In this connection, six types of test products No1 to No6 having different numbers of layers N, total film thickness Tt, and the like were prepared, the durability of the
図7において、試験品No1は積層数N=2の比較品で、早期にダイヤモンド被膜52が剥離して電極寿命となった。試験品No5は、積層数N=2でグラファイト層54の膜厚Tgがダイヤモンド多層膜22の膜厚Tdよりも大きい比較品で、試験品No6は、積層数N=3であるがグラファイト層54の膜厚Tgがダイヤモンド多層膜22の膜厚Tdよりも大きい比較品で、それぞれ7分或いは15分程度でダイヤモンド被膜52が剥離した。これに対し、試験品No2〜No4は、積層数Nが3以上でグラファイト層54の膜厚Tgがダイヤモンド多層膜22の膜厚Tdよりも小さい本発明品で、何れも240時間使用してもダイヤモンド被膜52が剥離することは無く、優れた耐久性が得られた。
In FIG. 7, the test product No. 1 is a comparative product with the number of stacked layers N = 2, and the
図8は、前記図5のダイヤモンド被膜52を前記図6とは異なる成膜方法で形成する場合で、ステップQ1〜Q3はそれぞれ前記ステップR2〜R4と同じであり、ステップR1の核付け工程を備えていない点が相違する。すなわち、核付け処理を行うことなく、最初からマイクロ波プラズマCVD装置30の反応炉32内に電極基材12をセットし、ステップQ1の超微結晶ダイヤモンド多層コーティング処理およびステップQ2のグラファイト積層処理を積層数Nと同じ回数だけ連続して繰り返し行うことによりダイヤモンド被膜52を成膜する場合で、ダイヤモンド被膜52を完全にマイクロ波プラズマCVD装置30の反応炉32内で成膜することができる。この図8の成膜手順は、第2発明の実施例である。
FIG. 8 shows a case where the
図9は、前記図6の実施例2に比較して、ステップR4の判断がNO(否定)の場合に、ステップR1に戻って核付け処理を炉外で行い、その後にマイクロ波プラズマCVD装置30の反応炉32内でステップR2の超微結晶ダイヤモンド多層コーティング処理およびステップR3のグラファイト積層処理を行う。すなわち、基材表面14だけでなくグラファイト層54の表面にもそれぞれ核付け処理が行われて表面に微小凹凸が設けられ、その上にダイヤモンド多層膜22が形成されるため、一層優れた密着性が得られて被膜強度が更に向上し、ダイヤモンド被膜52の耐久性が一層向上する。この図9の成膜手順は、第1発明および第2発明の実施例である。
FIG. 9 shows that compared with the second embodiment of FIG. 6, when the determination in step R4 is NO (No), the process returns to step R1 to perform the nucleation process outside the furnace, and then the microwave plasma CVD apparatus. The ultra-microcrystalline diamond multilayer coating process of step R2 and the graphite lamination process of step R3 are performed in the
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これ等はあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更,改良を加えた態様で実施することができる。 As mentioned above, although the Example of this invention was described in detail based on drawing, these are one embodiment to the last, and this invention is implemented in the aspect which added the various change and improvement based on the knowledge of those skilled in the art. be able to.
10、50:ダイヤモンド被覆電極 12:電極基材 14:表面 20、52:ダイヤモンド被膜 22a・・・22n:ダイヤモンド多層膜 24a・・・24m:ダイヤモンド層 30:マイクロ波プラズマCVD装置(CVD装置) 32:反応炉 54:グラファイト層 C:ダイヤモンド結晶粒子 Tt:総膜厚 Tc:ダイヤモンド層の膜厚 Td:ダイヤモンド多層膜の膜厚 Tg:グラファイト層の膜厚
ステップS1、R1:核付け工程
ステップS2、R2、Q1:超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程
ステップS2−1、R2−1、Q1−1:種結晶生成処理
ステップS2−2、R2−2:Q1−2:結晶成長処理
ステップR3、Q2:グラファイト積層工程
DESCRIPTION OF
Claims (5)
結晶粒径が30nm以下の単結晶のダイヤモンドを用いて表面に核付け処理を行う核付け工程と、
ダイヤモンドの種結晶を生成する種結晶生成処理と該種結晶を結晶成長させる結晶成長処理とを交互に繰り返すことにより、該結晶成長処理で設けられる1層のダイヤモンド層の膜厚Tcが200nm以下の超微結晶多層構造で、全体の膜厚Tdが400nm〜3μmの範囲内のダイヤモンド多層膜を、前記核付け処理が行われた表面上に形成する超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程と
を有し、且つ、前記核付け工程および前記超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程を交互に3回以上繰り返すことにより、総膜厚Ttが1.2μm〜30μmの範囲内のダイヤモンド被膜を前記電極基材の表面上に形成する
ことを特徴とするダイヤモンド被覆電極の製造方法。 A method for producing a diamond-coated electrode in which a surface of a predetermined electrode substrate is coated with a conductive diamond film,
A nucleation step of performing nucleation treatment on the surface using a single crystal diamond having a crystal grain size of 30 nm or less;
By alternately repeating a seed crystal generation process for generating a diamond seed crystal and a crystal growth process for crystal growth of the seed crystal, the film thickness Tc of one diamond layer provided in the crystal growth process is 200 nm or less. A microcrystalline diamond multilayer coating process in which a diamond multilayer film having an ultrafine crystal multilayer structure and an overall film thickness Td in the range of 400 nm to 3 μm is formed on the nucleated surface; In addition, a diamond film having a total film thickness Tt in the range of 1.2 μm to 30 μm is formed on the surface of the electrode base material by alternately repeating the nucleation step and the microcrystalline diamond multilayer coating step three times or more. A method for producing a diamond-coated electrode.
ダイヤモンドの種結晶を生成する種結晶生成処理と該種結晶を結晶成長させる結晶成長処理とを交互に繰り返すことにより、該結晶成長処理で設けられる1層のダイヤモンド層の膜厚Tcが200nm以下の超微結晶多層構造で、全体の膜厚Tdが400nm〜3μmの範囲内のダイヤモンド多層膜を形成する超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程と、
前記ダイヤモンド多層膜の上に、膜厚Tgが10nm〜1μmの範囲内で且つ前記膜厚Tdより小さいグラファイト層を形成するグラファイト積層工程と
を有し、且つ、前記超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程および前記グラファイト積層工程を交互に繰り返し行い、少なくとも前記ダイヤモンド多層膜を3回以上形成することにより、総膜厚Ttが1.2μm〜30μmの範囲内のダイヤモンド被膜を前記電極基材の表面上に形成する
ことを特徴とするダイヤモンド被覆電極の製造方法。 A method for producing a diamond-coated electrode in which a surface of a predetermined electrode substrate is coated with a conductive diamond film,
By alternately repeating a seed crystal generation process for generating a diamond seed crystal and a crystal growth process for crystal growth of the seed crystal, the film thickness Tc of one diamond layer provided in the crystal growth process is 200 nm or less. A microcrystalline diamond multi-layer coating process for forming a diamond multi-layer film having an ultra-microcrystalline multi-layer structure and an overall film thickness Td in the range of 400 nm to 3 μm;
And a graphite laminating step for forming a graphite layer having a film thickness Tg in the range of 10 nm to 1 μm and smaller than the film thickness Td on the diamond multilayer film, and the microcrystalline diamond multilayer coating process and By alternately repeating the graphite lamination process and forming the diamond multilayer film at least three times, a diamond film having a total film thickness Tt in the range of 1.2 μm to 30 μm is formed on the surface of the electrode substrate. A method for producing a diamond-coated electrode, comprising:
前記超微結晶ダイヤモンド多層コーティング工程で少なくとも最初に前記ダイヤモンド多層膜を形成するのに先立って前記核付け工程で前記核付け処理を行う
ことを特徴とする請求項2に記載のダイヤモンド被覆電極の製造方法。 Having a nucleation step of nucleating the surface using a single crystal diamond having a crystal grain size of 30 nm or less,
The diamond-coated electrode according to claim 2, wherein the nucleation process is performed in the nucleation step prior to forming the diamond multilayer film at least first in the ultra-microcrystalline diamond multilayer coating step. Method.
ことを特徴とする請求項2または3に記載のダイヤモンド被覆電極の製造方法。 4. The ultra-microcrystalline diamond multilayer coating step and the graphite laminating step that are repeatedly performed are performed by a CVD method while the electrode base material is held in a reaction furnace of a CVD apparatus. 5. Of producing a diamond-coated electrode.
1層のダイヤモンド層の膜厚Tcが200nm以下の超微結晶多層構造で、全体の膜厚Tdが400nm〜3μmの範囲内のダイヤモンド多層膜と、
膜厚Tgが10nm〜1μmの範囲内で且つ前記膜厚Tdより小さいグラファイト層と
を有し、且つ、前記ダイヤモンド多層膜および前記グラファイト層が交互に繰り返し積層されて、少なくとも該ダイヤモンド多層膜が3回以上形成されることにより、総膜厚Ttが1.2μm〜30μmの範囲内のダイヤモンド被膜が前記電極基材の表面上に設けられている
ことを特徴とするダイヤモンド被覆電極。 A diamond-coated electrode in which a surface of a predetermined electrode substrate is coated with a conductive diamond film,
A diamond multi-layer structure having an ultra-microcrystalline multi-layer structure in which a film thickness Tc of one diamond layer is 200 nm or less, and a total film thickness Td in a range of 400 nm to 3 μm;
A graphite layer having a film thickness Tg in the range of 10 nm to 1 μm and smaller than the film thickness Td, and the diamond multilayer film and the graphite layer are alternately and repeatedly laminated so that at least the diamond multilayer film is 3 A diamond-coated electrode, wherein a diamond film having a total film thickness Tt in the range of 1.2 μm to 30 μm is provided on the surface of the electrode substrate by being formed more than once.
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- 2009-10-09 JP JP2009234858A patent/JP2011080130A/en active Pending
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