ダイヤモンドの用途(工業)を徹底解説!硬度・熱伝導性・放熱材・切削工具・半導体

ダイヤモンドの用途(工業)

ダイヤモンドの工業用途における硬度と切削加工

 

工業用ダイヤモンドは、採掘される全ダイヤモンドの約8割を占め、その最大の特徴は「世界一の硬度」です。ダイヤモンドを微粉末にした研磨剤は、金属材料、磁器、ガラス、半導体、コンクリートなど、あらゆる材料の切断・研磨に使用されます。特にダイヤモンドカッターとして、道路工事のアスファルト切断から、石材や金属の切断まで幅広く活躍しています。

 

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ダイヤモンド切削工具は、超硬合金やハイスと比較して「硬さ」「熱の拡散性」に非常に優れており、研磨すると鋭利な切れ刃を成形できるため、超精密加工や長寿命で高能率・高精度な加工を実現します。単結晶ダイヤモンド工具は、研磨に比べて加工時間を1/4に短縮し、研磨レスで形状精度と高効率加工を可能にします。

 

参考）ダイヤモンド工具・ＣＢＮ工具の基礎知識 ｜切削加工の基礎｜ア…
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ダイヤモンド工具は、自動車部品や電子部品、ガラス、陶磁器、アルミ、刃物、電線、炭素繊維まで様々な材料を望みの形にする研削加工の場面で使用され、最も身近な「削る」場面としては歯医者での治療用工具の先端にもダイヤモンドが使われています。半導体基盤のミクロンレベルでのカットから、コンクリートや石材の切り出しまで、様々なレベルでの切断工具として利用されています。

 

参考）工業用ダイヤモンドとは｜技術情報｜株式会社グローバルダイヤモ…
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ダイヤモンドの熱伝導性と放熱材への応用

ダイヤモンドは現存する材料中で最も高い熱伝導率(λ=2000W/mK)を有し、熱膨張係数(α=2.3ppm)も小さいことから、理想的な放熱材料として注目されています。炭素原子が4つの価電子の共有結合で強固に結びついており、熱が格子の振動で伝わるため、その強固な結合の格子が熱を伝えやすくしています。

 

参考）アルミニウム系放熱材料の開発の現状
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LSI(大規模集積回路)などの放熱板では、半導体の性質を持つⅡb型のダイヤモンド(炭素の一部がホウ素またはアルミニウムに置き換えられたもの)が使用され、新しい半導体の材料として今後も期待されています。電子部品には放熱板という熱を逃がす部品がありますが、5G、6Gといったより速い通信速度を実現するためには、処理能力が高く電圧が高いため、より効率的な放熱が必要となり、将来的にはダイヤモンドの利用が見込まれています。​
次世代半導体やパワーデバイスにおいて、熱の管理や制御「ヒートマネジメント」は非常に重要であり、優れた熱伝導率をもつダイヤモンドを利用し、最大の効果が得られるよう日々開発が進んでいます。ダイヤモンドパワーデバイスは、それ自体が熱を放散するヒートシンク材料であり、高温に耐え、かつ高温で電流密度が上がるなど特異な物性をもつことから、高温動作・冷却不要、高耐電圧、大電流密度などが実現できると期待されています。

 

参考）放熱材としてのダイヤ｜技術情報｜株式会社グローバルダイヤモン…
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ダイヤモンドダイスによる伸線加工と精密加工

ダイヤモンド伸線ダイスは、電線などを所定の寸法に仕上げるために使用される線引きダイスで、最も硬く、かつ耐摩耗性の大きいダイヤモンドの特性を利用して精密な穴あけや伸線作業に用いられます。耐摩耗性及び形状保持、寸法精度の確保のため単結晶ダイヤモンド又はダイヤモンド焼結体(PCD)を使用しています。

 

参考）https://www.jstage.jst.go.jp/article/tetsutohagane1955/73/11/73_11_1471/_pdf/-char/ja
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近年、コイルの占積率を高める目的で、丸ではなく平角形状などのエナメル線が使用されるケースが増えてきており、異形伸線ダイスは高い寸法精度と異形状でありながら非常に優れた滑らかな研磨仕上げを行っています。世界最高の技術を有するダイヤモンドダイスは、世界最小径5ミクロンを可能にし、耐磨耗性に優れ標準公差0.1ミクロンという驚異的な正確さを誇ります。

 

参考）https://www.ogura-indus.co.jp/product/precision/section03/
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超精密加工用バイト、線引きダイス、ドレッサー、医療用ナイフなどの加工工具や耐摩工具のほか、ヒートシンク、ボンディングツール、各種窓材や超高圧アンビルなど、工業や科学の広範な分野で利用されています。とくに最近では、硬脆材料の押出しや極細線の伸線作業にダイヤモンドダイスが用いられ、その特性を最大限に活用しています。

 

参考）合成ダイヤモンド：知っておきたい基礎知識から最新情報まで
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ダイヤモンド半導体と次世代パワーデバイス

ダイヤモンド半導体は、シリコンに比べて約5万倍の大電力効率化、約1200倍の高速特性を実現する理論的可能性を持ち、6Gと呼ばれる次世代通信や電力インフラ、航空・宇宙産業、電気自動車などの分野での応用が期待されています。ダイヤモンドは超ワイドバンドギャップ(5.47eV)、高い電子移動度(4000cm²/V·s)、高い臨界破壊電界(20MV/cm)、高い熱伝導率(22W/cm·K)などの優れた特性を持ち、高電力応用に適しています。

 

参考）https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11278176/
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ダイヤモンドはほかの物質と比較して、熱伝導率や絶縁破壊耐圧が非常に高く、電子が結晶内を高速で移動できるという優れた物性を兼ね備えており、非常に厳しい高温・高電圧環境や、大電力を扱う用途への使用が可能となります。バンドギャップが広く耐熱性に優れ、絶縁破壊電界が高く高電圧動作が可能、熱伝導率がシリコンの10倍以上と高く放熱に有利、電子・正孔移動度が高く高速なスイッチングが可能、耐放射線性と化学的安定性を誇り原子炉や宇宙などの極限環境下でも安定動作します。

 

参考）いよいよ実用化が近づいてきた究極の半導体「ダイヤモンド半導体…
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1990年代からはn型・p型の制御技術やトランジスタ構造の研究が進み、2000年代以降は電界効果トランジスタ(FET)やダイオードの試作も各地で行われるようになりました。高い熱伝導率と高い破壊電界により、ダイヤモンドは高電力・高温半導体デバイスの有望な候補となっており、最近の研究では240-600GHzの大気窓でプラズモニック共鳴品質係数が1より大きくなる可能性があり、6G通信アプリケーションに有望です。

 

参考）https://www.mdpi.com/2079-4991/14/5/460/pdf?version=1709536377
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ダイヤモンド医療用途と光学材料としての活用

医療分野では、ダイヤモンドの優れた硬度と耐摩耗性を活かして歯科用ドリルの刃先に使用されており、歯牙や骨等の硬組織及び補綴物等を研削するための歯科用ダイヤモンドバーとして広く利用されています。作業部にダイヤモンド粒子をめっきで固定し、歯科用ハンドピース等に装着して使用することで、歯質と修復物の切削効率が優れており、高い精度と最小限の振動を実現しています。

 

参考）https://www.shofu.co.jp/product1/core_sys/images/main/seihin/kensaku/pdf/diamond_fg_6/diamond_point_fg_2.pdf
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レコードの針として、細く磨きあげて作るレコードの針には相応の耐摩耗性と強度が必要であり、高い硬度を誇るダイヤモンドがレコードの針の原料として用いられてきました。また、家電製品や工業用品の製造現場では、ダイヤモンドを使った資材が多数存在し、特に自動車や自転車の生産ラインではダイヤモンドを用いた専用機材が欠かせません。

 

参考）意外と知られていないダイヤモンドの宝石以外の用途｜スタッフブ…
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光学材料としての応用では、ダイヤモンドレンズの完全なレーザ光学システムの最適化により、切断ヘッドが90％以上軽量化されました。合成ダイヤモンドは超高屈折率(2.4)と優れた熱伝導性(2000W/mK)により、ダイヤモンド製のレーザオプティクスは従来のレーザオプティクスよりも10倍軽量になり、kW領域のファイバレーザの運用が極めて柔軟になります。カメラ・双眼鏡レンズ・プリズム・ハードディスク用ガラス基盤などの加工に際して、ダイヤモンドホイールは必要不可欠な工具であり、メタル・レジン・ポリックス・電着など、ボンドの種類によってそれぞれ高い性能を引き出しています。

 

参考）ダイヤモンド工具｜研磨・研削材全般、各種研磨機、電動工具類、…
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工業用ダイヤモンドの詳細な用途解説 - グローバルダイヤモンド社
合成ダイヤモンドの基礎知識と工業用途 - 中央宝石研究所
ダイヤモンド半導体の実用化に関する詳細 - ブランドプラチナ

 

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