同時発表： 筑波研究学園都市記者会（資料配布） 文部科学記者会（資料配布） 科学記者会（資料配布） 1
圧電効果を利用して摩擦力の低減に成功
－省エネルギー技術として期待－
平成２２年９月２１日 独立行政法人物質・材料研究機構 概要 １．独立行政法人物質・材料研究機構（理事長：潮田資勝）材料信頼性センター（セ ンター長：緒形 俊夫）微小材料工学グループの後藤 真宏 主幹研究員は、同グル ープの土佐 正弘 グループリーダーならびに笠原 章 主幹研究員と共に、酸化亜 鉛コーティング膜の結晶配向性をうまく制御すると、大気・真空・油中のあらゆ る環境下で低摩擦特性を有することを発見した。また、油中において荷重が大き くなると摩擦係数が小さくなるという通常とは異なる不思議な特徴を有すること を明らかにした。 ２．地球環境・エネルギー問題が深刻化するなか、自然エネルギーによる発電が重 要視されると同様に省エネルギー技術の開発も期待されている。有力な省エネル ギー対策の一つに材料の低摩擦化技術があげられる。航空機・船舶・自動車など のあらゆる装置の中には駆動部が多く含まれており、そこでは摩擦によるエネル ギーロスが発生する。また、近年これらの駆動環境は、高温多湿、真空、油中な どの様々であり、それらの環境変化にも耐え、摩擦力を低減できる低摩擦材料の 開発が必要不可欠となっている。 ３．今回、我々は、独自に開発してきたコンビナトリアルスパッタコーティング装 置 1)を駆使し、酸化亜鉛の結晶配向性を正確に制御することに成功した。それら のコーティング膜について、様々な環境下で摩擦試験を行ったところ、結晶配向 性をうまく制御すると、あらゆる環境下で低い摩擦係数を有する材料になること を突き止めた。また、圧子から及ぼされる圧力により、酸化亜鉛の圧電効果 2)が 機能し、反発力が発生し、油中において高荷重で摩擦係数が小さくなる現象が見 られた。 ４．今回の成果は、磁場や電場などの印加といった特別なエネルギー供給無しで、 重力による荷重により、摩擦力の低減を実現できる基本技術であることから、今 後、あらゆる装置の駆動部分に利用することにより、省エネルギー化が実現でき ることが期待される。 ５．本研究成果は、文部科学省科学研究費補助金、基盤研究Ａ「ピエゾ効果を利用 した摩擦力の低減と低摩擦コーティングの開発」により得られたものである。2 研究の背景 地球環境・エネルギー問題が深刻化するなか、太陽光、風力、波力などの自然エネ ルギーによる発電が重要視されると同様に省エネルギー技術の開発も期待されている。 有力な省エネルギー対策の一つに材料の低摩擦化技術があげられる。航空機・船舶・ 自動車などの輸送機関や、その他様々な装置において、それらの内部に使用されてい るあらゆる装置の中には多数の駆動部が含まれており、そこでは摩擦によるエネルギ ーロスが常に発生している。もし、それらのエネルギーロスを抑制することができれ ば、省エネルギー効果は大きく、それらの摩擦力を低減できる低摩擦材料の開発が必 要不可欠となっている。また、近年これら駆動環境は、高温多湿、真空、油中など様々 であり、それら環境変化にも耐えうる新規の低摩擦材料も必要とされていた。 研究成果の内容 今回、我々の狙いは、安価で材料としては一般的であり、しかも酸化による材料の 機能変化の小さい金属酸化物を用いて低摩擦材料が創製できないかということであっ た。そこで、独自に開発してきたコンビナトリアルスパッタコーティング装置を駆使 し、酸化亜鉛（ZnO）の結晶配向性を正確に制御することに成功した。コンビナトリア ルスパッタコーティング装置とは、8 つのスパッタ成膜条件を詳細に変化させながら 全自動でコーティングができ、しかも、その摩擦、光学特性が測定できる装置である。 それらのコーティング膜について、真空、油中、大気中の様々な環境下で摩擦試験を 行ったところ、結晶配向性をうまく制御すると、油中、真空中で低い摩擦係数を有す る材料になることを突き止めた。また、圧子から及ぼされる圧力により、酸化亜鉛の 圧電効果が機能し、反発力が発生し、油中において高荷重で摩擦係数が小さくなる現 象が見られた。図 1 に油（ヘキサデカン）中における結晶配向性が最適化された ZnO コーティング摩擦係数の荷重および往復摺動回数依存性を示す。通常の材料とは異な り、荷重ならびに往復摺動回数が増加するにつれて摩擦係数が小さくなっていること がわかる。これは油中において圧電効果が有効に働いていることを示している。 図 2 に我々が提唱する結晶配向性制御された ZnO コーティングの異なる環境下での摩 擦機構のモデルを示す。大気中では表面に多数の水分子（極性分子）が吸着しており、 圧電効果が打ち消されてしまう。しかしながら、ヘキサデカン分子（非極性分子）中 では圧電効果は保持されるため、低摩擦化が起きると考えられる。 波及効果と今後の展開 今回、我々は非常に一般的で酸化の影響を受けにくいとされる金属酸化物の一つで ある ZnO を取り上げ、その結晶配向性を制御したコーティング膜の作製を行うことで 油、真空環境下で摩擦係数の小さい材料を創製することに成功した。このコーティン グを各種材料の表面に施すことにより、油、真空環境下で圧電効果による低摩擦化を 実現することが可能なため、今後、輸送機関や各種装置に使われている駆動部のエネ ルギーロスを低減することができ、省エネルギー化を実現することが期待される。
3 問い合わせ先： 〒305-0047 茨城県つくば市千現１－２－１ 独立行政法人物質・材料研究機構 企画部 広報室 TEL:029-859-2026 FAX:029-859-2017 研究内容に関すること： 独立行政法人物質・材料研究機構 材料信頼性センター 微小材料工学グループ 後藤 真宏（ごとう まさひろ） ＴＥＬ：029-859-2746 ＦＡＸ：029-859-2746 E-mail: [email protected] 用語解説 １）コンビナトリアルスパッタコーティング装置 全自動で効率よく成膜条件を変えながらコーティングを行い、その後、摩擦特性 や光学特性の測定を行う装置である。 ２）圧電効果 物質に圧力を加えると、結晶の格子が歪み、分極が現れる現象である。
