以下、本発明とその構成要素、及び本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
〈ガスバリア性フィルム〉
初めに、本発明のガスバリア性フィルムについて説明する。
本発明のガスバリア性フィルムは、支持体側から第1の高ガスバリア性領域、水分トラップ領域、第2の高バリア性領域をこの順に有することを特徴とする。
本発明のガスバリア性フィルムにおいて、支持体から第1の高ガスバリア性領域まで形成されたフィルムのJIS K 7129B法に従って測定した水蒸気透過率(水蒸気透過度:25±0.5℃、相対湿度(90±2)%RH)(WVTR(g/m2/day))は2×10−2〜1×10−3である。
また、本発明において、第2の高ガスバリア性領域にはケイ素化合物を含有し、水分トラップ領域にはシラザン化合物由来の窒素原子を含有するケイ素化合物を含有することを特徴とする。
本発明のガスバリア性フィルムのガスバリア性としては、JIS K 7129B法に従って測定した水蒸気透過率(水蒸気透過度:25±0.5℃、相対湿度(90±2)%RH)が、9×10−4g/(m2・24h)以下であることが好ましく、より好ましくは9×10−5g/(m2・24h)以下である。
また、JIS K 7126−1987に準拠した方法で測定された酸素透過率(酸素透過度)が0.01ml/(m2・0.1MPa/day)以下であることが好ましく、より好ましくは0.001ml/(m2・0.1MPa/day)以下である。
続いて、本発明のガスバリア性フィルムを構成する各要素について説明する。
〈第1の高ガスバリア性領域〉
初めに、本発明における第1の高ガスバリア性領域について説明する。
本発明における第1の高ガスバリア性領域は、支持体から第1の高ガスバリア性領域まで形成されたフィルムの水蒸気透過率(WVTR(g/m2/day))が2×10−2〜1×10−3のガスバリア性を満たすものとなれば、材料や層構成に特に限定はない。
第1の高ガスバリア性領域に適用可能な具体的な材料としては、無機酸化物、無機窒化物、あるいは、無機酸窒化物が挙げられる。例えば、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタン、酸化スズ、酸化バナジウム、酸化インジウム・スズ(ITO)などの金属酸化物や、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素などの金属窒化物、金属酸窒化物などが挙げられる。また、アルミニウム、白金、金、銀、ニッケル、クロムなどの金属も挙げることができる。金属フィルムをプラスチックフィルム上に形成する方法としては、後述するような蒸着法やスパッタリング法などが適用できるが、アルミ箔などをプラスチックフィルムに貼り合わせてもよい。
上述した材料の中では、透明性が高い点で、無機酸化物、無機窒化物、あるいは、無機酸窒化物が好ましい。なかでも、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素などのケイ素化合物がより好ましく、二酸化ケイ素が最も好ましい。
ここで、本発明における二酸化ケイ素とは、原子組成比において、Si:O=1:1.8〜2.2の範囲のものを含み、更にN原子をSi:N=1:0.01〜0.2程度含んでいても構わない。
第1の高ガスバリア性領域を形成する方法としては、前述したガスバリア性を満たすことができれば特に制限はないが、真空蒸着法、分子線エピタキシャル成長法、イオンクラスタービーム法、低エネルギーイオンビーム法、イオンプレーティング法、CVD法、スパッタリング法、大気圧プラズマ法などのドライプロセスや、スプレーコート法、スピンコート法、ブレードコート法、ディップコート法、キャスト法、ロールコート法、バーコート法、ダイコート法などの塗布プロセスが挙げられ、材料に応じて適宜選択可能である。
これらのうち、ドライプロセスとしては、大気圧下でのロール・トゥ・ロールプロセスが可能である点で大気圧プラズマ法が好ましい。
また、安全性が高く、簡便でより低コストでの膜形成が可能である点で、塗布プロセスがより好ましい。
塗布プロセスで膜形成を行う場合、例えば、無機酸化物の微粒子分散液を塗布後乾燥する方法や、アルコキシド体などの前駆体から無機酸化物膜を形成するゾルゲル法などを適用することができるが、シラザン化合物やシロキサン化合物、アルキルシランやアルコキシシランなどの塗布膜に転化処理を施すことで、ケイ素酸化物膜を得る方法が、より高いガスバリア性を短時間かつ簡便に形成可能な点でより好ましい。より具体的には、パーヒドロポリシラザン、ヘキサメチルジシラザン、シルセスキオキサン、ヘキサメチルジシロキサン、テトラメチルシラン、トリメチルメトキシシラン、テトラエトキシシランなどを挙げることができる。
そのなかでも、より緻密な二酸化ケイ素膜が得られる点で、パーヒドロポリシラザンを含有する組成物から形成することが最も好ましい。パーヒドロポリシラザンを含有する組成物から二酸化ケイ素膜を形成する方法については、後述する第2の高ガスバリア性領域を形成する方法と同様である。
〈支持体〉
次に、本発明における支持体について説明する。
本発明における支持体としては、本発明における第1の高ガスバリア性領域を保持することができるものであれば特に限定はされないが、ロール・トゥ・ロールなどの大量生産に適用可能で、取り扱い易く、低コスト化が可能な点で、プラスチックフィルムが好ましい。
プラスチックフィルムとしては、例えば、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート(PC)、ポリアリレート、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン(PS)、ナイロン(Ny)、芳香族ポリアミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド等の各樹脂フィルム、有機無機ハイブリッド構造を有するシルセスキオキサンを基本骨格とした耐熱透明フィルム(製品名Sila−DEC、チッソ株式会社製)、更には前記樹脂を2層以上積層して成る樹脂フィルム等を挙げることができる。
コストや入手の容易性の点では、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート(PC)などが好ましく用いられ、また、光学的透明性、耐熱性、無機層、ガスバリア層との密着性の点においては、有機無機ハイブリッド構造を有するシルセスキオキサンを基本骨格とした耐熱透明フィルムを好ましく用いることができる。
本発明に係る支持体の厚みとして、5μm〜500μmの範囲が好ましく、更に好ましくは25μm〜250μmの範囲である。
また、本発明に係る支持体は透明であることが好ましい。支持体が透明であり、支持体上に形成する層も透明であることにより、透明なガスバリアフィルムとすることが可能となるため、光電変換素子(太陽電池)等の透明基板とすることも可能となるからである。
ここで、支持体が透明とは、可視光(400nm〜700nm)の光透過率が80%以上であることを示す。
また、上記に挙げた樹脂等を用いたプラスチックフィルムは、未延伸フィルムでもよく、延伸フィルムでもよい。
本発明に用いられるプラスチックフィルム支持体としては、従来公知の一般的な方法により製造することが可能である。例えば、材料となる樹脂を押し出し機により溶融し、環状ダイやTダイにより押し出して急冷することにより、実質的に無定形で配向していない未延伸の支持体を製造することができる。
また、未延伸の支持体を一軸延伸、テンター式逐次二軸延伸、テンター式同時二軸延伸、チューブラー式同時二軸延伸などの公知の方法により、支持体の流れ(縦軸)方向、または支持体の流れ方向と直角(横軸)方向に延伸することにより延伸支持体を製造することができる。この場合の延伸倍率は、支持体の原料となる樹脂に合わせて適宜選択することできるが、縦軸方向及び横軸方向にそれぞれ2倍〜10倍が好ましい。
また、本発明に係るプラスチックフィルムにおいては、有機層または無機層を形成する前にコロナ処理を施してもよい。
また、本発明における支持体上に、第1の高ガスバリア性領域を形成する際、形成する層の支持体表面に対する密着性を向上する目的で、アンカーコート剤層を形成してもよい。
このアンカーコート剤層に用いられるアンカーコート剤としては、ポリエステル樹脂、イソシアネート樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、エチレンビニルアルコール樹脂、ビニル変性樹脂、エポキシ樹脂、変性スチレン樹脂、変性シリコン樹脂、及びアルキルチタネート等を、1または2種以上併せて使用することができる。
これらのアンカーコート剤には、従来公知の添加剤を加えることもできる。そして、上記のアンカーコート剤は、ロールコート、グラビアコート、ナイフコート、ディップコート、スプレーコート等の公知の方法により支持体上にコーティングし、溶剤、希釈剤等を乾燥除去することによりアンカーコーティングすることができる。
上記のアンカーコート剤の塗布量としては、0.1g/m2〜5g/m2(乾燥状態)程度が好ましい。
本発明において、支持体と第1の高ガスバリア性領域との間に、ガスバリア性領域にかかる応力を緩和するための応力緩和層、樹脂支持体の表面を平滑化するための平滑層、樹脂支持体からのブリードアウトを防止するためのブリードアウト防止層などを設けることが好ましい。以下に、応力緩和層、平滑層、ブリードアウト防止層について説明する。
(応力緩和層)
樹脂支持体上に、第1の高ガスバリア性領域を前駆体化合物から塗布形成する場合などは特に、例えば、シラザン化合物がケイ素酸化物に転化する際、高密度化し膜の収縮が起こるため、応力が集中することでケイ素酸化物層にクラックが発生するなどの問題が生じることがある。また、取り扱い時やフィルム搬送時に受ける屈曲応力により、クラックが発生する懸念もある。
そこで、例えば、樹脂支持体とケイ素酸化物層の中間に位置するような硬度、密度あるいは弾性率などの物性値を有する応力緩和層を設けると、クラック発生などを抑制する効果があると考えている。
具体的には、後述する平滑層に用いられるようなシリカ粒子を含むアクリル樹脂や、本発明の第1、第2の高ガスバリア性領域を形成するために用いられるシラザン化合物やシロキサン化合物などから該応力緩和層を形成することが可能である。例えば、密度などを上層の高ガスバリア性領域より低くなるように応力緩和層を設計する場合、高ガスバリア性領域と同じ材料を用いても、転化反応の進行度を転化方法や転化条件の選択、あるいは設ける層の膜厚などを適宜選択することによって制御することが可能である。また、得られる膜密度自体を応力緩和層に用いる材料の選択によって制御することも可能である。
具体的な材料としては、例えば、オルガノポリシラザンやパーヒドロポリシラザン、アルコキシシラン、あるいは、それらの混合物などを用いることが好ましい。
特に、メチルヒドロポリシラザンなどのオルガノポリシラザンとパーヒドロポリシラザンの混合物を該応力緩和層として用い、高ガスバリア性領域にパーヒドロポリシラザンを用いた場合、硬度、密度あるいは弾性率などの物性値に勾配を持たせることでバリアフィルムの曲げに対する応力を緩和する機能を持たせることができ、また、応力緩和層と高ガスバリア性領域の密着性を向上させることができる点で好ましい。
オルガノポリシラザンとパーヒドロポリシラザンの混合比率は、望みの物性値に制御する目的で適宜選択すればよく、特に制限はない。例えば、オルガノポリシラザンの比率が高くなると、密度は低く設定でき、また、パーヒドロポリシラザンの比率が高くなると、密度は高く設定できる。
また、応力緩和層は、樹脂支持体と第1の高ガスバリア性領域間のみならず、例えば、第2の高ガスバリア性領域を複数層設ける場合など、各高ガスバリア性領域間に応力緩和層を交互に設けてもよく、また、外部応力を緩和する目的でガスバリア性フィルムの最上層に設けてもよい。応力緩和層は、熱、湿度、経時で、クラックや層界面での局所的な密着不良等が発生しないような材料構成、あるいは層構成を選択することが好ましい。
(平滑層)
支持体上の平滑層は、突起等が存在する透明樹脂フィルム支持体の粗面を平坦化し、あるいは、透明樹脂フィルム支持体に存在する突起により透明無機化合物層に生じた凹凸やピンホールを埋めて平坦化するために設けられる。このような平滑層は、基本的には感光性樹脂を硬化させて形成される。
平滑層の感光性樹脂としては、例えば、ラジカル反応性不飽和化合物を有するアクリレート化合物を含有する樹脂組成物、アクリレート化合物とチオール基を有するメルカプト化合物を含有する樹脂組成物、エポキシアクリレート、ウレタンアクリレート、ポリエステルアクリレート、ポリエーテルアクリレート、ポリエチレングリコールアクリレート、グリセロールメタクリレート等の多官能アクリレートモノマーを溶解させた樹脂組成物等が挙げられる。また、上記のような樹脂組成物の任意の混合物を使用することも可能であり、光重合性不飽和結合を分子内に1個以上有する反応性のモノマーを含有している感光性樹脂であれば特に制限はない。
感光性樹脂の組成物は光重合開始剤を含有してもよい。
平滑層の形成方法は特に制限はないが、スピンコーティング法、スプレー法、ブレードコーティング法、ディップ法等のウエットコーティング法、あるいは、蒸着法等のドライコーティング法により形成することが好ましい。
平滑層の形成では、上述の感光性樹脂に、必要に応じて、酸化防止剤、紫外線吸収剤、可塑剤等の添加剤を加えることができる。また、平滑層の積層位置に関係なく、いずれの平滑層においても、成膜性向上及び膜のピンホール発生防止等のために適切な樹脂や添加剤を使用してもよい。
平滑層の平滑性は、表面粗さで表現される値で、最大断面高さRt(p)が、10nm以上、30nm以下であることが好ましい。この範囲よりも値が小さい場合には、後述の珪素化合物を塗布する段階で、ワイヤーバー、ワイヤレスバーなどの塗布方式で、平滑層表面に塗工手段が接触する場合に、塗布性が損なわれる場合がある。また、この範囲よりも大きい場合には、珪素化合物を塗布した後の、凹凸を平滑化することが難しくなる場合がある。
表面粗さは、AFM(原子間力顕微鏡)で、極小の先端半径の触針を持つ検出器で連続測定した凹凸の断面曲線から算出され、極小の先端半径の触針により測定方向が数十μmの区間内を多数回測定し、微細な凹凸の振幅に関する粗さである。
(平滑層への添加剤)
好ましい態様の一つは、前述の感光性樹脂中に表面に光重合反応性を有する感光性基が導入された反応性シリカ粒子(以下、単に「反応性シリカ粒子」ともいう)を含むものである。
ここで光重合性を有する感光性基としては、(メタ)アクリロイルオキシ基に代表される重合性不飽和基などを挙げることができる。また感光性樹脂は、この反応性シリカ粒子の表面に導入された光重合反応性を有する感光性基と光重合反応可能な化合物、例えば、重合性不飽和基を有する不飽和有機化合物を含むものであってもよい。
また、感光性樹脂としては、このような反応性シリカ粒子や重合性不飽和基を有する不飽和有機化合物に適宜汎用の希釈溶剤を混合することによって固形分を調整したものを用いることができる。
ここで反応性シリカ粒子の平均粒子径としては、0.001μm〜0.1μmの平均粒子径であることが好ましい。平均粒子径をこのような範囲にすることにより、後述する平均粒子径1μm〜10μmの無機粒子からなるマット剤と組合せて用いることによって、防眩性と解像性とをバランス良く満たす光学特性と、ハードコート性とを兼ね備えた平滑層を形成し易くなる。
更に平均粒子径として0.001μm〜0.01μmのものを用いることがより好ましい。
平滑層とガスバリア層との密着性を向上し、また、基材の湾曲を防止し、加熱処理を行った場合にクラックの発生を防止し、ガスバリアフィルムの透明性や屈折率などの光学的物性を良好に保持する観点から、平滑層中には、上述の様な無機粒子を質量比として20%〜60%の範囲で含有することが好ましい。
本発明では、重合性不飽和基修飾加水分解性シラン化合物が、加水分解性シリル基の加水分解反応によって、シリカ粒子との間に、シリルオキシ基を生成して化学的に結合しているようなものを、反応性シリカ粒子として用いることができる。
加水分解性シリル基としては、例えば、アルコキシシリル基、アセトキシシリル基等のカルボキシリレートシリル基、クロルシリル基等のハロゲン化シリル基、アミノシリル基、オキシムシリル基、ヒドリドシリル基等が挙げられる。
重合性不飽和基としては、アクリロイルオキシ基、メタクリロイルオキシ基、ビニル基、プロペニル基、ブタジエニル基、スチリル基、エチニイル基、シンナモイル基、マレート基、アクリルアミド基等が挙げられる。
本発明に用いられる平滑層の厚みとしては、支持体の平滑性を向上し、更に、支持体の光学特性のバランスを調整し易くなると共に、平滑層を支持体の一方の面にのみ設けた場合における平滑フィルムのカールを防止する観点から、1μm〜10μmの範囲が好ましく、更に好ましくは2μm〜7μmの範囲である。
(ブリードアウト防止層)
ブリードアウト防止層は、平滑層を有するフィルムを加熱した際に、フィルム支持体中から未反応のオリゴマーなどが表面へ移行して、接触する面を汚染してしまう現象を抑制する目的で、平滑層を有する支持体の反対面に設けられる。ブリードアウト防止層は、この機能を有していれば、基本的に平滑層と同じ構成をとっても構わない。
ブリードアウト防止層に含ませることが可能な、重合性不飽和基を有する不飽和有機化合物としては、分子中に2個以上の重合性不飽和基を有する多価不飽和有機化合物、あるいは分子中に1個の重合性不飽和基を有する単価不飽和有機化合物等を挙げることができる。
その他の添加剤として、マット剤を含有しても良い。マット剤としては、平均粒子径が0.1μm〜5μm程度の無機粒子が好ましい。
このような無機粒子としては、シリカ、アルミナ、タルク、クレイ、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、硫酸バリウム、水酸化アルミニウム、二酸化チタン、酸化ジルコニウム等の1種又は2種以上を併せて使用することができる。
ここで無機粒子からなるマット剤は、ブリードアウト防止層の固形分100質量部に対して2質量部以上、好ましくは4質量部以上、より好ましくは6質量部以上、20質量部以下、好ましくは18質量部以下、より好ましくは16質量部以下の割合で混合されていることが望ましい。
またブリードアウト防止層には、ハードコート剤及びマット剤の他の成分として熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、電離放射線硬化性樹脂、光重合開始剤等を含有させてもよい。
以上のようなブリードアウト防止層は、ハードコート剤、マット剤、及び必要に応じて他の成分を配合して、適宜必要に応じて用いる希釈溶剤によって塗布液として調製し、当該塗布液を支持体フィルム表面に従来公知の塗布方法によって塗布した後、電離放射線を照射して硬化させることにより形成することができる。
尚、電離放射線を照射する方法としては、超高圧水銀灯、高圧水銀灯、低圧水銀灯、カーボンアーク、メタルハライドランプなどから発せられる100nm〜400nm、好ましくは200nm〜400nmの波長領域の紫外線を照射する、又は走査型やカーテン型の電子線加速器から発せられる100nm以下の波長領域の電子線を照射することにより行うことができる。
ブリードアウト防止層の厚みとしては、支持体の耐熱性を向上させ、更に、支持体の光学特性のバランスを調整し易くなると共に、ブリードアウト防止層を基材の一方の面にのみ設けた場合における支持体のカールを防止する観点から、1μm〜10μmの範囲が好ましく、更に好ましくは2μm〜7μmの範囲である。
〈第2の高ガスバリア性領域〉
本発明において、第2の高ガスバリア性領域はケイ素化合物を含有することを特徴とする。
本発明における前記ケイ素化合物としては、無機ケイ素化合物であることが好ましく、酸化ケイ素化合物、窒化ケイ素化合物、酸窒化ケイ素化合物、あるいは、それらの混合物を含有することがより好ましく、二酸化ケイ素を含有することが最も好ましい。
ここで、本発明における二酸化ケイ素とは、原子組成比において、Si:O=1:1.8〜2.2の範囲のものを含み、更にN原子をSi:N=1:0.01〜0.2程度含んでいても構わない。
また、本発明における第2の高ガスバリア性領域は、水蒸気透過率において少なくとも3×10−2以下のガスバリア性を有していればよいと考えられる。
本発明における第2の高ガスバリア性領域は水分トラップ領域と共に形成しているため、直接的にガスバリア性を測定することは難しいが、ガスバリア性を有さない(検出限界以下の)層上に設けられた、第2の高ガスバリア性領域と実質的に同等の二酸化ケイ素を含有する層のガスバリア性を求めれば、それがすなわち第2の高ガスバリア性領域のガスバリア性であると考えている。
具体的には、後述する実施例1の比較フィルム1−4Bを高温高湿下処理し、ガスバリア性を有する層が二酸化ケイ素を含有する層のみとなった場合(比較フィルム1−4Aより、シラノール層はガスバリア性を有さないことが分かるが、二酸化ケイ素層は高温高湿下処理後も全く変化しない)のガスバリア性が3×10−2であることから、第2の高ガスバリア性領域である二酸化ケイ素を含有する層のガスバリア性は、3×10−2であることが確認できたと言える。
また、実施例1の比較フィルム1−3Aを高温高湿下処理したフィルムのガスバリア性が、比較フィルム1−4Bと同様に3×10−2であることから、第1の高ガスバリア性領域として適用可能なガスバリア性領域であれば、第2の高ガスバリア性領域としても適用可能であるということができる。
別の言い方をすれば、後述する水分トラップ領域がその機能を失わない程度に水分の透過を妨げることが可能なガスバリア性を第1及び第2の高ガスバリア性領域が有していればよい。これは、第1及び第2の高ガスバリア性領域が水分トラップ領域を挟み込むことで、その機能を保持し、本発明の効果が初めて得られるためである。
ただし、水分トラップ領域は、その機能が故に、通常の環境下では変化し易い領域であるため、単独で安定に形成することが難しい。
よって、本発明においては、水分トラップ領域の形成と共に第2の高ガスバリア性領域を形成することで、水分トラップ領域を安定に保持することが可能となった。
具体的には、シラザン化合物を用いて塗布膜を形成した後、転化処理を施すことで、表面側に第2の高ガスバリア性領域を、その下に水分トラップ領域を同時に形成することができる。シラザン化合物としては、パーヒドロポリシラザンのような無機高分子シラザン化合物や、ヘキサメチルジシラザンのような低分子シラザン化合物などを用いることができる。本発明においては、パーヒドロポリシラザンを含有する組成物を用いることが高ガスバリア性を有する第2の高ガスバリア性領域を形成できる点で好ましい。
本発明においては、第2の高ガスバリア性領域上に更に水分トラップ領域を含む第2の高ガスバリア性領域を複数層積層してもよく、また、前述したような第1の高ガスバリア性領域に適用可能な材料を用いてガスバリア性領域を更に複数層積層して設けてもよく、あるいは、前述したように応力緩和層などをガスバリア性領域と交互に積層して設けてもよい。
第2の高ガスバリア性領域を形成する方法としては、第1の高ガスバリア性領域を形成する方法として先に挙げた塗布プロセスを好ましく用いることができる。
シラザン化合物を前駆体として膜を形成した場合、転化処理を施すことで最終的に第2の高ガスバリア性領域と水分トラップ領域を形成することができるが、転化処理については、後で詳細に説明する。
〈パーヒドロポリシラザンを含有する組成物〉
続いて、本発明におけるパーヒドロポリシラザンを含有する組成物について説明する。
本発明におけるパーヒドロポリシラザンを含有する組成物は、水分トラップ領域及び第2の高ガスバリア性領域を形成する際に用いられる。また、本発明の第1の高ガスバリア性領域を形成する上でも有用である。
本発明におけるパーヒドロポリシラザンを含有する組成物としては、パーヒドロポリシラザンを含有していれば特に制限はなく、組成物中のパーヒドロポリシラザン以外の材料としては、パーヒドロポリシラザン及びその溶媒と塗布可能な程度の相溶性を有していれば、いかなる材料を用いてもよい。
また、組成物中には、パーヒドロポリシラザンに対し、0.1〜10質量%程度で酸化反応を促進するために添加されるアミンや金属等の触媒を含んでもよく、特にアミン触媒を0.5〜5質量%含むことが反応を短時間化できる上で好ましい。
組成物中の溶媒及び触媒を除いたパーヒドロポリシラザンの含有率としては、50質量%以上が好ましく、80質量%以上がより好ましく、100質量%、すなわち、パーヒドロポリシラザンのみからなることが最も好ましい。パーヒドロポリシラザンの含有率が50質量%以上であれば、高ガスバリア性領域に適用可能な程度のガスバリア性が見込める点で好ましく、80質量%以上だとより高いガスバリア性が得られる点でより好ましく、100質量%だと単層塗布膜(この場合の単層とは、組成が単一という意味ではなく、組成物の塗布液を1回塗布して得られた膜のことを指す)を転化処理することで、第1の高ガスバリア性領域上に水分トラップ領域と第2の高ガスバリア性領域を同時形成できる点でさらに好ましい。
本発明におけるパーヒドロポリシラザンとして入手可能な材料は、AZエレクトロニックマテリアルズ(株)製 アクアミカ NN120、NN110、NAX120、NN310、NN320、NL110A、NL120A、NL150A、NP110、NP140、SP140等が挙げられる。
〈水分トラップ領域〉
本発明において、水分トラップ領域はシラザン化合物由来の窒素原子を含有するケイ素化合物を含有する層である。
本発明における水分トラップ領域は、前述したように第1の高ガスバリア性領域上にシラザン化合物から第2の高ガスバリア性領域と同時形成することで、シラザン化合物由来の窒素原子を含有するケイ素化合物を含有する層として形成することができる。
本発明の水分トラップ領域において、窒素原子を含有するケイ素化合物を含有する層の原子組成比は、Si:O:N=1:0.15〜0.85:0.15〜0.85であることが好ましく、Si:O:N=1:0.15〜0.35:0.65〜0.85であることがより好ましく、Si:O:N=1:0.25〜0.35:0.65〜0.75であることが更に好ましい。
薄膜における原子組成比は、スパッタ法とXPS表面分析を組み合わせることで確認することができる。スパッタ法によって、膜表面から深さ方向へエッチングを行いながら、XPS表面分析装置を用いて検出される各原子(Si、O、N、Cなど)の組成比を求めることで、第1の高ガスバリア性領域、水分トラップ領域、第2の高ガスバリア性領域の各領域における原子組成比を確認することができる。ただし、この方法によって求められた原子組成比は、各原子がその膜中に存在する比率を表しているのであって、その比率において単一の化合物を形成しているとは限らず、複数の化合物の混合物(例えば、SiO2+SiOxNy、あるいは、SiO2+SixNyなど。)である場合も含む。
また、本発明における水分トラップ領域の水分トラップ能は、水分との反応により生成したシラノール量の増加分ΔSiOHを求めることで、測ることができると考えている。
このΔSiOHは、膜深さ方向における飛行時間型二次イオン質量分析法(Tof−SIMS)を用いれば求めることができる。
Tof−SIMSで検出された相対Siイオン強度を1に規格化したとき、本発明における水分トラップ領域の水分トラップ能は、
ΔSiOH=(60℃90%処理後の水分トラップ領域の相対SiOHイオン強度)−(作製直後の水分トラップ領域の相対SiOHイオン強度)
として求めることができる。
本発明において、水分トラップ領域の水分トラップ能ΔSiOH(60℃90%3日処理)は、0.01〜0.2程度であることが好ましく、0.05〜0.1程度であることがより好ましい。
ここで、飛行時間型二次イオン質量分析法について、説明する。
(飛行時間型二次イオン質量分析法:Tof−SIMS)
飛行時間型二次イオン質量分析法は、Tof−SIMS(トフシムス:Time−Of−Flight Secondary Ion Spectrometry)と一般的に呼ばれる。原理としては、高真空中で試料にパルス状のイオンを照射し、スパッタリング現象により表面からはぎ取られたイオンを重さ(原子量、分子量)で分けて検出する。そして、重さとその検出量のパターン(質量スペクトル)から試料最表面に存在する化学種(原子、分子)を推定することができる。
より詳細には、下記2つの段階を経て、分析を行うものである。
(1)二次イオン放出:固体試料表面にパルス状にイオン(一次イオン)を照射し、イオン衝撃を受けた試料表面からは、スパッタリング現象により試料表面から様々な粒子が放出される。
特に、Tof−SIMSでは、一次イオンの電流密度を低く抑え(staticモード)、できるだけ試料表面を破壊せずスパッタを行う。
(2)質量分離、検出:スパッタリングにより放出された粒子中に存在するイオン(二次イオン)を取り出し、その重さ(質量)で分けて検出することにより、試料表面〜内部の組成分析を行う方法が、二次イオン質量分析法である。
Tof−SIMSでは、質量分離に飛行時間型の分析装置を採用している。電場で飛行管に引き込まれたイオンは、軽いものが早く、重いものは遅く飛行管内を飛行し、検出器に到達する。
この飛行時間を質量に換算し、質量分離を行う。飛行時間型を用いることで、高感度、高質量分解能、高質量物質の検出が可能である。
これにより、表面に存在する化学種の二次元分布が分かるだけでなく、イオンビームで表面を削り測定、を繰り返すことによって、浅い領域での深さ方向の元素組成分析が可能となる。また、検出した化学種の相対的な存在量も求めることができる。
本発明においては、単一な化合物からなる層であっても、混合物として均一な一つの領域を形成している層であっても、明確な界面が確認できれば、一つの領域として認識している。本発明において、各領域に明確な界面が存在することに関しては、TEMの断面写真によってはっきりと確認することができる。
また、この水分トラップ層は、2つの高ガスバリア性領域間に中間層として存在するとも言えるため、バリア層のみを単純に厚膜化した際に生じ易い割れを防止する効果もあると考えている。これにより、高いガスバリア性を維持しつつ、屈曲耐性も向上できるため、高い安定性を確保できる。
また、一般的に用いられる樹脂中間層では、SiO2などの無機膜との密着不良により、膜剥がれ等の問題が生じ易く、性能劣化に繋がる恐れがある。
一方、本発明における水分トラップ領域は、高ガスバリア性領域と同じ原料由来の無機膜であるため、密着性が良好であり、性能安定性を更に向上できる。
本発明のように、水分トラップ領域と第2の高ガスバリア性領域を一つの塗布膜から同時に形成するためには、後述する転化処理を適切な条件にてシラザン化合物の塗布膜に施せばよい。すなわち、塗布膜厚と転化処理条件を最適に組み合わせればよい。転化処理条件を膜厚に合わせて最適化することで、塗布膜の表層部に二酸化ケイ素を含有する層(第2の高ガスバリア性領域)が形成され、該二酸化ケイ素を含有する層の下にシラザン化合物由来の窒素原子を含有するケイ素化合物を含有する層(水分トラップ領域)が形成される。
単層塗布膜の転化処理で2層以上の組成の異なる層を簡単に形成できる理由としては、下記のような機構を考えている。すなわち、ポリシラザンから二酸化ケイ素への転化反応は塗布膜の表層部分から進行していくため、表層部に密度の高い二酸化ケイ素を含有する層がいったん形成されると、酸化処理に必要な活性酸素種が膜厚深さ方向に侵入していくことができなくなってしまう。このように、酸化反応による二酸化ケイ素層の形成が阻害されてしまうことで、二酸化ケイ素層の下層に窒素原子含有量の多いケイ素化合物を含有する層が形成されると考えられる。
具体的には、酸素の供給が不十分な状態で、例えば紫外線等のエネルギー線を照射した場合、ポリシラザンは、酸窒化ケイ素化合物に構造変化し、膜中である程度安定に存在させることが可能となる。このように形成された酸窒化ケイ素化合物は、さらに構造変化が可能な中間体とも言えるが、高いガスバリア性を有する二つの二酸化ケイ素を含有する層に挟まれて存在するため、構造を維持することができると考えている。
また、本発明の特異的な構成を得る上で、支持体上に第1の高ガスバリア性領域が必須である点については、以下のように説明することができる。
すなわち、ガスバリア性のない(下方向からの水分透過がある)支持体上にポリシラザン塗布膜を形成し転化処理を施した場合、形成直後は支持体上にシラノールリッチな二酸化ケイ素を含有する層、その上に窒素原子含有量の多いケイ素化合物を含有する層、表層に水晶様の高密度な二酸化ケイ素を含有する層と、3種類の層が一旦形成されるものの(実施例1の比較フィルム1−3A参照)、ガスバリア層(すなわち、第1の高ガスバリア性領域)で下側をブロックされていない窒素原子含有量の多いケイ素化合物層(すなわち、水分トラップ領域)は、下側(支持体側)から侵入してくる水分によりシラノール化が進行し、最終的には全てシラノールリッチな二酸化ケイ素を含有する層に変化してしまうのである。
よって、水分トラップ領域とその上の第2のガスバリア性領域を安定的に得るためには、必ず第1のガスバリア性領域上に形成することが必須となるわけである。これは、第1のガスバリア性領域がない、実施例1のガスバリア性フィルム1−4Bでは、水分トラップ領域が安定に存在できていない(高温高湿下処理後にシラノールリッチな二酸化ケイ素層に全て変換されている)ことからも明らかである。
このように、水分との反応性を有する本発明の窒素原子を含有する水分トラップ領域は、通常の環境下では安定に存在し得ないが、高ガスバリア性領域間に挟み込まれることで、その水分トラップ機能を発揮し、ガスバリア性フィルムの構成要素の一つとして用いたときに、より高いガスバリア性を得るのに効果的であることが分かった。
〈転化処理〉
本発明においては、第1の高ガスバリア性領域上にシラザン化合物を含有する組成物の塗布液を塗布した後、転化処理(酸化処理、改質処理ともいう)を行うことで、水分トラップ領域と第2の高ガスバリア性領域を効率よくこの順に同時形成することができる。
本発明でいう転化処理とは、シラザン化合物を後述する方法により酸化処理するものである。
転化処理を行うことで、前述したように、表面に硬く緻密な二酸化ケイ素を含有する第2の高ガスバリア性領域を形成することができ、その下に反応性を有する、窒素原子を含有するケイ素化合物を含有する水分トラップ領域を安定に存在させることができる。
シラザン化合物を含有する組成物の塗布液は、塗布時に塗布液と水分が反応するのを抑制するため、溶媒としてキシレン、ジブチルエーテル、ソルベッソ、ターペン等、水分を含有しにくいものを用いることが好ましい。
シラザン化合物を含有する組成物の塗布液の塗布方法としては、任意の適切な方法が採用され得る。具体例としては、スピンコート法、ロールコート法、フローコート法、インクジェット法、スプレーコート法、プリント法、ディップコート法、流延成膜法、バーコート法、グラビア印刷法等が挙げられる。
第1のガスバリア性領域上に設けるシラザン化合物を含有する組成物から形成した、水分トラップ領域を含む第2の高ガスバリア性領域の膜厚は、30〜2000nmの範囲が好ましく、さらに好ましくは40〜500nmの範囲であり、特に好ましくは40〜300nmの範囲である。
シラザン化合物を含有する組成物から形成した、水分トラップ領域を含む第2の高ガスバリア性領域は、一組でも十分効果があるが、複数の同様な層を積層してもよい。また、さらにその上にガスバリア性フィルムの保護層として、応力緩和層の項で先に挙げたような、有機ポリシロキサンや有機樹脂層等を1層、あるいは複数層設けてもよい。
シラザン化合物を含有する組成物の塗布液の塗布により形成された塗布膜(塗膜)は、転化処理が施され、組成物中に含有するシラザン化合物が二酸化ケイ素や酸窒化ケイ素に転化される。
第1の高ガスバリア性領域上に、水分トラップ領域としての窒素原子を含有するケイ素化合物を含有する領域と第2の高ガスバリア性領域としての二酸化ケイ素を含有する領域を形成する方法としては、ある程度の膜厚(触媒の有無により最適値は異なるが、例えば50nm以上等)の塗布膜を設ければ、80〜200℃程度の低温加熱処理(ホットプレートやオーブン、電気炉、フラッシュランプアニール装置等)や酸化ガス雰囲気下でのプラズマ照射処理等でも目的の構成を得ることは可能である。しかし、より緻密な二酸化ケイ素層を形成できる転化処理方法を選択すれば、処理条件を調整するだけで、膜厚範囲の選択幅が広がるだけでなく、大気中では不安定な水分トラップ領域を確実に第1の高ガスバリア性領域と第2の高ガスバリア性領域間に閉じ込めることができる上で好ましい。
塗布された膜は、溶媒が除去された均一な乾燥膜を得る上で、アニールする態様が好ましい。アニール温度は、好ましくは60〜200℃、さらに好ましくは70〜160℃である。アニール時間は、好ましくは5秒〜24時間程度、さらに好ましくは10秒〜2時間程度である。
このように、次工程に続く転化処理前に、前述した範囲でアニールを行うことにより、均一な塗布膜を安定に得ることができる。
なお、アニールは、一定温度で行ってもよく、段階的に温度を変化させてもよく、連続的に温度を変化(昇温及び/または降温)させてもよい。アニールの際には、反応を安定化するために湿度を調節することが好ましく、通常30〜90%RH、より好ましくは40〜80%RHである。
シラザン化合物を含有する組成物に施す転化処理は、短時間に、より緻密な膜を形成することができる点で、光照射処理することが好ましい。
さらに、光照射処理は、加熱処理と組み合わせて行うことがより好ましい。
光照射処理としては、光照射処理における光が、紫外光であることがより好ましい。紫外光を照射することで活性酸素やオゾンが発生し、酸化反応がより進行する。
この活性酸素やオゾンは非常に反応性が高いため、シラザン化合物を含有する組成物から形成した塗布膜中のポリシラザンは、シラノールを経由することなく直接酸化されることで、より高密度で欠陥の少ない二酸化ケイ素膜が形成される。
さらに反応性オゾンの不足分を光照射部とは異なる部分で、放電法等の公知の方法により酸素からオゾンを生成し、紫外線照射部に導入してもよい。
このときに照射する紫外線の波長は特に限定されるところではないが、紫外光の波長は100〜450nmが好ましく、150〜300nm程度の真空紫外光を照射することがより好ましい。
光源は、低圧水銀灯、重水素ランプ、キセノンエキシマランプ、メタルハライドランプ、エキシマレーザー等を用いることができる。ランプの出力としては400W〜30kW、照度としては100mW/cm2〜100kW/cm2、照射エネルギーとしては10〜5000mJ/cm2が好ましく、100〜2000mJ/cm2がより好ましい。また、紫外線照射の際の照度は1mW/cm2〜10W/cm2が好ましい。
上記の中でも、波長としては、100〜200nmの真空紫外光が最も好ましく、酸化反応をより低温、短時間で進めることが可能となる。また、光源としては、キセノンエキシマランプ等の希ガスエキシマランプが最も好ましく用いられる。
パーヒドロポリシラザンを含有する組成物から形成した塗布膜中のポリシラザンに、紫外線を照射することにより、ポリシラザンが高密度のケイ素酸化物膜、すなわち高密度シリカ膜に転化する。該シリカ膜の膜厚や密度は紫外線の強度、照射時間、波長(光のエネルギー密度)により制御が可能であり、所望の膜構造を得るためにランプの種類を使い分ける等、適宜選択することが可能である。また、連続的に照射するだけでなく複数回の照射を行ってもよく、複数回の照射が短時間のいわゆるパルス照射で有ってもよい。
また、紫外線照射と同時に該塗膜を加熱することも、反応(酸化反応、転化処理、改質処理ともいう)を促進するために好ましく用いられる。加熱の方法は、ヒートブロック等の発熱体に基板を接触させ熱伝導により塗膜を加熱する方法、抵抗線等による外部ヒーターにより雰囲気を加熱する方法、IRヒーターの様な赤外領域の光を用いた方法等が挙げられるが、特に限定はされない。塗膜の平滑性を維持できる方法を適宜選択してよい。
加熱する温度としては、50〜200℃の範囲が好ましく、さらに好ましくは80〜150℃の範囲であり、加熱時間としては1秒〜10時間の範囲が好ましく、さらに好ましくは10秒〜1時間の範囲で加熱することである。
光照射処理の中でもより好ましいのは、真空紫外線(VUV光)処理である。
本発明では、パーヒドロポリシラザンを含有する組成物の塗布液を第1の高ガスバリア性領域上に塗布、乾燥した後、真空紫外線を照射する方法で転化処理する事が好ましい。この真空紫外線照射により、ポリシラザンの分子結合を切断し、また膜内若しくは雰囲気内に微量に存在する酸素でも効率的にオゾン若しくは活性酸素に変換することが可能であり、塗膜表面のセラミックス化(シリカ改質)が促進され、また得られるセラミックス膜が一層緻密になる。VUV光照射は、塗膜形成後であればいずれの時点で実施しても有効である。
本発明における真空紫外線とは、具体的には100〜200nmの真空紫外線が用いられる。真空紫外線の照射強度及び/または照射時間は、適宜設定することが可能である。真空紫外線照射装置は、市販のランプ(例えば、ウシオ電機製)を使用することが可能である。
VUV光照射はバッチ処理にも連続処理にも適合可能であり、被塗布基材の形状によって適宜選定することができる。例えば、バッチ処理の場合には、シラザン化合物を含有する組成物から形成した塗布膜を、真空紫外線発生源を具備した真空紫外線焼成炉で処理することができる。真空紫外線焼成炉自体は一般に知られており、例えば、ウシオ電機(株)製を使用することができる。また、シラザン化合物を含有する組成物から形成した塗布膜を設けた支持体が長尺フィルム状である場合には、これを搬送させながら上記のような真空紫外線発生源を具備した乾燥ゾーンで連続的に真空紫外線を照射することにより、表面をセラミックス化することができる。
該真空紫外光は、ほとんどの物質の原子間結合力より大きいため、原子の結合を光量子プロセスと呼ばれる光子のみによる作用により、直接切断することが可能であるため好ましく用いることができる。この作用を用いることにより、加水分解を必要とせず低温でかつ効率的に改質処理が可能となる。
これに必要な真空紫外光源としては、希ガスエキシマランプが好ましく用いられる。
Xe、Kr、Ar、Ne等の希ガスの原子は化学的に結合して分子を作らないため、不活性ガスと呼ばれる。しかし、放電等によりエネルギーを得た希ガスの原子(励起原子)は他の原子と結合して分子を作ることができる。希ガスがキセノンの場合には、
e+Xe→Xe*
Xe*+2Xe→Xe2 *+Xe
となり、励起されたエキシマ分子であるXe2 *が基底状態に遷移するときに172nmのエキシマ光を発光する。エキシマランプの特徴としては、放射が一つの波長に集中し、必要な光以外がほとんど放射されないので効率が高いことが挙げられる。また、余分な光が放射されないので、対象物の温度を低く保つことができる。さらには始動・再始動に時間を要さないので、瞬時の点灯点滅が可能である。
エキシマ発光を得るには誘電体バリア放電を用いる方法が知られている。誘電体バリア放電とは両電極間に誘電体(エキシマランプの場合は透明石英)を介してガス空間を配し、電極に数10kHzの高周波高電圧を印加することによりガス空間に生じる、雷に似た非常に細いmicro dischargeと呼ばれる放電で、micro dischargeのストリーマが管壁(誘電体)に達すると誘電体表面に電荷が溜まるため、micro dischargeは消滅する。誘電体バリア放電は、このmicro dischargeが管壁全体に広がり、生成・消滅を繰り返している放電である。このため肉眼でも分る光のチラツキを生じる。また、非常に温度の高いストリーマが局所的に直接管壁に達するため、管壁の劣化を早める可能性もある。
効率よくエキシマ発光を得る方法としては、誘電体バリア放電以外に無電極電界放電でも可能である。容量性結合による無電極電界放電で、別名RF放電とも呼ばれる。ランプと電極及びその配置は基本的には誘電体バリア放電と同じでよいが、両極間に印加される高周波は数MHzで点灯される。無電極電界放電はこのように空間的にまた時間的に一様な放電が得られるため、チラツキが無い長寿命のランプが得られる。
誘電体バリア放電の場合はmicro dischargeが電極間のみで生じるため、放電空間全体で放電を行わせるには外側の電極は外表面全体を覆い、かつ外部に光を取り出すために光を透過するものでなければならない。このため細い金属線を網状にした電極が用いられる。この電極は光を遮らないようにできるだけ細い線が用いられるため、酸素雰囲気中では真空紫外光により発生するオゾン等により損傷しやすい。
これを防ぐためにはランプの周囲、すなわち照射装置内を窒素等の不活性ガスの雰囲気にし、合成石英の窓を設けて照射光を取り出す必要が生じる。合成石英の窓は高価な消耗品であるばかりでなく、光の損失も生じる。
二重円筒型ランプは外径が25mm程度であるため、ランプ軸の直下とランプ側面では照射面までの距離の差が無視できず、照度に大きな差を生じる。したがって仮にランプを密着して並べても、一様な照度分布が得られない。合成石英の窓を設けた照射装置にすれば酸素雰囲気中の距離を一様にでき、一様な照度分布が得られる。
無電極電界放電を用いた場合には外部電極を網状にする必要はない。ランプ外面の一部に外部電極を設けるだけでグロー放電は放電空間全体に広がる。外部電極には通常アルミのブロックで作られた光の反射板を兼ねた電極がランプ背面に使用される。しかし、ランプの外径は誘電体バリア放電の場合と同様に大きいため、一様な照度分布にするためには合成石英が必要となる。
細管エキシマランプの最大の特徴は構造がシンプルなことである。石英管の両端を閉じ、内部にエキシマ発光を行うためのガスを封入しているだけである。
細管ランプの管の外径は6〜12mm程度で、あまり太いと始動に高い電圧が必要になる。
放電の形態は誘電体バリア放電でも無電極電界放電のいずれでも使用できる。電極の形状はランプに接する面が平面であってもよいが、ランプの曲面に合わせた形状にすればランプをしっかり固定できるとともに、電極がランプに密着することにより放電がより安定する。またアルミで曲面を鏡面にすれば光の反射板にもなる。
Xeエキシマランプは波長の短い172nmの紫外線を単一波長で放射することから発光効率に優れている。この光は、酸素の吸収係数が大きいため、微量な酸素でラジカルな酸素原子種やオゾンを高濃度で発生することができる。また、有機物の結合を解離させる波長の短い172nmの光のエネルギーは能力が高いことが知られている。この活性酸素やオゾンと紫外線放射が持つ高いエネルギーによって、短時間でポリシラザン層の改質を実現できる。したがって、波長185nm、254nmの発する低圧水銀ランプやプラズマ洗浄と比べて高スループットに伴うプロセス時間の短縮や設備面積の縮小、熱によるダメージを受けやすい有機材料やプラスチック基板等への照射を可能としている。
エキシマランプは光の発生効率が高いため低い電力の投入で点灯させることが可能である。また、光による温度上昇の要因となる波長の長い光は発せず、紫外線領域で短い波長でエネルギーを照射するため、照射対象物の表面温度の上昇が抑えられる特徴を持っている。
また、真空紫外線の照射強度が高ければ、光子とポリシラザン内の化学結合が衝突する確率が増え、改質反応を短時間化することができる。また、内部まで侵入する光子の数も増加するため改質膜厚も増加及び/または膜質の良化(高密度化)が可能である。但し、照射時間が長すぎると平面性の劣化やガスバリア性部材の他の材料にダメージを与える場合がある。一般的には、照射強度と照射時間の積で表される積算光量で反応進行具合を考えるが、酸化シリコンの様に組成は同一でも、様々な構造形態をとること材料においては、照射強度の絶対値が重要になる場合もある。
従って、本発明ではVUV照射工程において、少なくとも1回は100〜200mW/cm2の最大照射強度を与える改質処理を行うことが好ましい。該強度で改質処理を行うと、改質効率が高くなるためである。
VUV光の照射時間は、任意に設定可能であるが、高照度工程での照射時間は0.1秒〜3分間が好ましい。より好ましくは0.5秒〜1分である。
VUV光照射時の酸素濃度は100〜10000ppm(1%)とすることが好ましい。より好ましくは、100〜5000ppmである。前記の濃度範囲より酸素濃度が高いと改質効率が低くなり、また前記範囲より低い酸素濃度の場合、大気との置換時間が長くなるのと同時に、ロール・トゥ・ロールの様な連続生産を行う場合はウエッブ搬送によってVUV照射庫内に巻き込む空気量(酸素を含む)が多くなり、多大な流量のガスを流さないと酸素濃度を調整できなくなってくる。
ポリシラザン含有塗膜中には、塗布時に酸素及び微量の水分が混入し、さらにはポリシラザン含有塗膜以外でも、薄膜ガラスや樹脂層等に吸着酸素や吸着水があり、照射庫内に敢えて酸素を導入しなくとも、改質反応に要する酸素を供給する酸素源は十分にあることが分かった。また、前述した様に172nmのVUV光が酸素により吸収され、膜面に到達する172nmの光量が減少してしまい、光による処理の効率を低下することになる。すなわち、VUV光照射時には、できるだけ酸素濃度の低い状態で、VUV光が効率よく塗膜まで到達する状態で改質処理することが好ましい。
VUV光照射時にこれら酸素以外のガスとしては乾燥不活性ガスとすることが好ましく、特にコストの観点から乾燥窒素ガスにすることが好ましい。酸素濃度の調整は照射庫内へ導入する酸素ガス、不活性ガスの流量を計測し、流量比を変えることで調整可能である。
〈ガスバリア性フィルムの用途〉
本発明のガスバリア性フィルムは、種々の封止用材料、基材として用いることができる。
本発明のガスバリア性フィルムは、有機光電変換素子や有機エレクトロルミネッセンス素子等の有機電子デバイスに特に有用に用いることができる。例えば、光電変換素子に用いる際に、本発明のガスバリア性フィルムは透明であるため、このガスバリア性フィルムを基材として用いてこの側から太陽光の受光を行うように構成できる。即ち、このガスバリア性フィルム上に、例えば、ITO等の透明導電性薄膜を透明電極として設け、光電変換素子用基材を構成することができる。
そして、基材上に設けられたITO透明導電膜を電極としてこの上に半導体層を設け、さらに金属膜からなる電極を形成して光電変換素子を形成することができる。この上に別の封止材料を(同じでもよいが)重ねて前記ガスバリア性フィルム基材と周囲を接着、素子を封じ込めることで光電変換素子を封止することができ、これにより外気の湿気や酸素等のガスによる光電変換素子への影響を封じることができる。
光電変換素子用基材は、本発明のガスバリア性フィルム上に、透明導電性膜を作製することにより得られる。
また、透明導電膜の形成は、真空蒸着法やスパッタリング法等を用いることにより、また、インジウム、スズ等の金属アルコキシド等を用いたゾルゲル法等塗布法によっても製造できる。なお、透明導電膜の膜厚としては、0.1〜1000nmの範囲の透明導電膜が好ましい。
次いで、本発明のガスバリア性フィルムの好ましい用途の1つである有機光電変換素子について説明する。
〈有機光電変換素子〉
(封止基材とその製造方法)
本発明のガスバリア性フィルムにおいて、ガスバリア性フィルム上に、さらに透明導電膜を形成し、これを陽極として、この上に有機光電変換素子を構成する層、陰極となる層とを積層し、この上にさらにもう一つのガスバリア性フィルムを封止基材として、重ね接着することで封止することができる。
用いられるもう一つの封止材料(封止基材)としては、本発明のガスバリア性フィルムを用いることができる。また、例えば、包装材等に使用される公知のガスバリアフィルム、例えばプラスチックフィルム上に酸化ケイ素や、酸化アルミニウムを蒸着したもの、緻密なセラミック層と、柔軟性を有する衝撃緩和ポリマー層を交互に積層した構成のガスバリアフィルム等を封止フィルムとして用いることができる。
また特に、樹脂ラミネート(ポリマー膜)された金属箔は、光取り出し側のガスバリアフィルムとして用いることはできないが、低コストでさらに透湿性の低い封止材料であり光取り出しを意図しない(透明性を要求されない)場合、封止フィルムとして好ましい。
本発明において金属箔とはスパッタや蒸着等で形成された金属薄膜や、導電性ペースト等の流動性電極材料から形成された導電膜と異なり、圧延等で形成された金属の箔またはフィルムを指す。
金属箔としては、金属の種類に特に限定はなく、例えば銅(Cu)箔、アルミニウム(Al)箔、金(Au)箔、黄銅箔、ニッケル(Ni)箔、チタン(Ti)箔、銅合金箔、ステンレス箔、スズ(Sn)箔、高ニッケル合金箔等が挙げられる。これらの各種の金属箔の中で特に好ましい金属箔としてはAl箔が挙げられる。
金属箔の厚さは、金属箔に用いる材料による使用時のピンホール発生を防止し、ガスバリア性(透湿度、酸素透過率)を向上させ、かつ、生産性を向上させる等の観点から、6〜50μmの範囲に調整することが好ましい。
樹脂フィルム(ポリマー膜)がラミネートされた金属箔では、該樹脂フィルムとしては、機能性包装材料の新展開(株式会社 東レリサーチセンター)に記載の各種材料を使用することが可能であり、例えばポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート系樹脂、ポリアミド系樹脂、エチレン−ビニルアルコール共重合体系樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体系樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体系樹脂、セロハン系樹脂、ビニロン系樹脂、塩化ビニリデン系樹脂等が挙げられる。
ポリプロピレン系樹脂、ナイロン系樹脂等の樹脂は、延伸されていてもよく、さらに塩化ビニリデン系樹脂をコートされていてもよい。また、ポリエチレン系樹脂は、低密度あるいは高密度のものも用いることができる。
後述するが、2つのフィルムの封止方法としては、例えば、一般に使用されるインパルスシーラー熱融着性の樹脂層をラミネートして、インパルスシーラーで融着させ、封止する方法が好ましく、この場合、ガスバリア性フィルム同士の封止は、封止作業時のフィルムの取り扱い性の向上と、インパルスシーラー等による熱融着を容易に実施可能にさせる観点から膜厚としては300μm以下が望ましい。
(有機光電変換素子の封止)
本発明の有機光電変換素子では、本発明のガスバリア性フィルム上に透明導電膜を形成して得られた有機光電変換素子用基材上に、有機光電変換素子を構成する各層を形成した後、上記の封止基材を用いて、不活性ガスによりパージされた環境下で、上記封止基材で陰極面を覆うようにして、有機光電変換素子を封止することができる。
不活性ガスとしては、N2の他、He、Ar等の希ガスが好ましく用いられるが、HeとArを混合した希ガスも好ましく、気体中に占める不活性ガスの割合は、90〜99.9体積%であることが好ましい。不活性ガスによりパージされた環境下で封止することにより、保存性が改良される。
また、前記の樹脂フィルム(ポリマー膜)がラミネートされた金属箔を用いて、有機光電変換素子を封止するにあたっては、ラミネートされた樹脂フィルム面ではなく、金属箔上にセラミック層を形成し、このセラミック層面を有機光電変換素子の陰極に貼合することが好ましい。
封止フィルムのポリマー膜面を有機光電変換素子の陰極に貼合すると、部分的に導通が発生することがある。
封止フィルムを有機光電変換素子の陰極に貼り合わせる封止方法としては、一般に使用されるインパルスシーラーで融着可能な樹脂フィルム、例えばエチレン酢酸ビニルコポリマー(EVA)やポリプロピレン(PP)フィルム、ポリエチレン(PE)フィルム等の熱融着性フィルムを積層して、インパルスシーラーで融着させ封止する方法がある。
接着方法としてはドライラミネート方式が作業性の面で優れている。この方法は一般には1.0〜2.5μm程度の硬化性の接着剤層を使用する。
但し、接着剤の塗設量が多すぎる場合には、トンネル、浸み出し、縮緬皺等が発生することがあるため、好ましくは接着剤量を乾燥膜厚で3〜5μmになるように調節することが好ましい。
ホットメルトラミネーションとはホットメルト接着剤を溶融し支持体に接着層を塗設する方法であるが、接着剤層の厚さは一般に1〜50μmと広い範囲で設定可能な方法である。一般に使用されるホットメルト接着剤のベースレジンとしては、EVA、EEA、ポリエチレン、ブチルラバー等が使用され、ロジン、キシレン樹脂、テルペン系樹脂、スチレン系樹脂等が粘着付与剤として、ワックス等が可塑剤として添加される。
エクストルージョンラミネート法とは高温で溶融した樹脂をダイスにより支持体上に塗設する方法であり、樹脂層の厚さは一般に10〜50μmと広い範囲で設定可能である。
エクストルージョンラミネートに使用される樹脂としては一般に、LDPE、EVA、PP等が使用される。
次いで、本発明の有機光電変換素子の構成層について説明する。
(有機光電変換素子の構成)
本発明に係る有機光電変換素子の好ましい態様を説明するが、これらに限定されない。
本発明の有機光電変換素子の構成としては特に制限がなく、陽極と陰極と、両者に挟まれた発電層(p型半導体とn型半導体が混合された層、バルクヘテロジャンクション層、i層ともいう)が少なくとも1層以上あり、光を照射すると電流を発生する素子であることが好ましい。
有機光電変換素子の層構成の好ましい具体例を以下に示す。
(i)陽極/発電層(光電変換層ともいう)/陰極
(ii)陽極/正孔輸送層/発電層(光電変換層)/陰極
(iii)陽極/正孔輸送層/発電層(光電変換層)/電子輸送層/陰極
(iv)陽極/正孔輸送層/p型半導体層/発電層(光電変換層)/n型半導体層/電子輸送層/陰極
(v)陽極/正孔輸送層/第1発電層(光電変換層ともいう)/電子輸送層/中間電極/正孔輸送層/第2発電層(光電変換層ともいう)/電子輸送層/陰極。
(発電層(光電変換層ともいう))
本発明の有機光電変換素子の発電層について説明する。
本発明の有機光電変換素子の発電層は、正孔を輸送できるp型半導体材料と電子を輸送できるn型半導体材料を含有していることが必要であり、これらは実質2層でヘテロジャンクション層を形成していてもよいし、1層の内部で混合された状態となっているバルクヘテロジャンクション層を形成してもよいが、バルクヘテロジャンクション層のほうが光電変換効率の向上の観点からより好ましい構成である。
発電層に用いられるp型半導体材料、n型半導体材料については後述する。
本発明の有機光電変換素子の発電層は、有機EL素子の発光層と同様に、発電層を正孔輸送層、電子輸送層で挟み込むことで、正孔及び電子の陽極・陰極への取り出し効率を高めることができるため、それらを有する構成((ii)、(iii))が好ましく用いられる。
また、発電層自体も正孔と電子の整流性(キャリア取り出しの選択性)を高めるため、(iv)のようにp型半導体材料とn型半導体材料単体からなる層で発電層を挟み込むような構成(p−i−n構成ともいう)であってもよい。
また、太陽光の利用効率を高めるため、異なる波長の太陽光をそれぞれの発電層で吸収するような、タンデム構成((v)の構成)であってもよい。
太陽光利用率(光電変換効率)の向上を目的として、図1に示す有機光電変換素子10におけるサンドイッチ構造に代わって、一対の櫛歯状電極上にそれぞれ正孔輸送層14、電子輸送層16を形成し、その上に光電変換部15を配置するといった、バックコンタクト型の有機光電変換素子を構成とすることもできる。
さらに、詳細な本発明に係る有機光電変換素子の好ましい態様を図1〜図3を用いて説明する。
図1は、バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子からなる太陽電池の一例を示す断面図である。図1において、バルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子10は、基板11の一方面上に、陽極12、正孔輸送層17、バルクヘテロジャンクション層の発電層14、電子輸送層18及び陰極13が順次積層されている。
基板11は、順次積層された陽極12、発電層14及び陰極13を保持する部材である。本実施形態では、基板11側から光電変換される光が入射するので、基板11は、この光電変換される光を透過させることが可能な、即ち、この光電変換すべき光の波長に対して透明な部材である。
基板11は、例えば、ガラス基板や樹脂基板等が用いられる。この基板11は、必須ではなく、例えば、発電層14の両面に陽極12及び陰極13を形成することでバルクヘテロジャンクション型の有機光電変換素子10が構成されてもよい。
発電層14は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する層であって、p型半導体材料とn型半導体材料とを一様に混合したバルクヘテロジャンクション層を有して構成される。p型半導体材料は相対的に電子供与体(ドナー)として機能し、n型半導体材料は相対的に電子受容体(アクセプタ)として機能する。
図1において、基板11を介して陽極12から入射された光は、発電層14のバルクヘテロジャンクション層における電子受容体あるいは電子供与体で吸収され、電子供与体から電子受容体に電子が移動し、正孔と電子のペア(電荷分離状態)が形成される。
発生した電荷は、内部電界、例えば、陽極12と陰極13の仕事関数が異なる場合では陽極12と陰極13との電位差によって、電子は、電子受容体間を通り、また正孔は、電子供与体間を通り、それぞれ異なる電極へ運ばれ、光電流が検出される。
例えば、陽極12の仕事関数が陰極13の仕事関数よりも大きい場合では、電子は陽極12へ、正孔は陰極13へ輸送される。
なお、仕事関数の大小が逆転すれば電子と正孔は、これとは逆方向に輸送される。また、陽極12と陰極13との間に電位をかけることにより、電子と正孔の輸送方向を制御することもできる。
なお、図1には記載していないが、正孔ブロック層、電子ブロック層、電子注入層、正孔注入層、あるいは平滑化層等の他の層を有していてもよい。
さらに好ましい構成としては、前記発電層14が、所謂p−i−nの三層構成となっている構成(図2)である。通常のバルクヘテロジャンクション層は、p型半導体材料とn型半導体層が混合したi層単体であるが、p型半導体材料単体からなるp層、及びn型半導体材料単体からなるn層で挟むことにより、正孔及び電子の整流性がより高くなり、電荷分離した正孔・電子の再結合等によるロスが低減され、一層高い光電変換効率を得ることができる。
さらに、太陽光利用率(光電変換効率)の向上を目的として、このような光電変換素子を積層したタンデム型の構成としてもよい。
図3は、タンデム型のバルクヘテロジャンクション層を備える有機光電変換素子からなる太陽電池を示す断面図である。タンデム型構成の場合、基板11上に、順次透明電極12、第1の発電層14′を積層した後、電荷再結合層15を積層した後、第2の発電層16、次いで対電極13を積層することで、タンデム型の構成とすることができる。第2の発電層16は、第1の発電層14′の吸収スペクトルと同じスペクトルを吸収する層でもよいし、異なるスペクトルを吸収する層でもよいが、好ましくは異なるスペクトルを吸収する層である。また、第1の発電層14′、第2の発電層16がともに前述のp−i−nの三層構成であってもよい。
(p型半導体材料、n型半導体材料)
本発明の有機光電変換素子の発電層(光電変換層ともいう)の形成に用いられる材料について説明する。
(p型半導体材料)
本発明の有機光電変換素子の発電層として好ましく用いられるバルクヘテロジャンクション層の形成に用いられるp型半導体材料としては、種々の縮合多環芳香族低分子化合物や共役系ポリマー・オリゴマーが挙げられる。
縮合多環芳香族低分子化合物としては、例えば、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、ヘキサセン、ヘプタセン、クリセン、ピセン、フルミネン、ピレン、ペロピレン、ペリレン、テリレン、クオテリレン、コロネン、オバレン、サーカムアントラセン、ビスアンテン、ゼスレン、ヘプタゼスレン、ピランスレン、ビオランテン、イソビオランテン、サーコビフェニル、アントラジチオフェン等の化合物、ポルフィリンや銅フタロシアニン、テトラチアフルバレン(TTF)−テトラシアノキノジメタン(TCNQ)錯体、ビスエチレンテトラチアフルバレン(BEDTTTF)−過塩素酸錯体、及びこれらの誘導体や前駆体が挙げられる。
また、上記の縮合多環を有する誘導体の例としては、国際公開第03/16599号、国際公開第03/28125号、米国特許第6,690,029号明細書、特開2004−107216号公報等に記載の置換基をもったペンタセン誘導体、米国特許出願公開第2003/136964号明細書等に記載のペンタセンプレカーサ、J.Amer.Chem.Soc.,vol127.No14.4986、J.Amer.Chem.Soc.,vol.123、p9482、J.Amer.Chem.Soc.,vol.130(2008)、No.9、2706等に記載のトリアルキルシリルエチニル基で置換されたアセン系化合物等が挙げられる。
共役系ポリマーとしては、例えば、ポリ3−ヘキシルチオフェン(P3HT)等のポリチオフェン及びそのオリゴマー、またはTechnical Digest of the International PVSEC−17,Fukuoka,Japan,2007,P1225に記載の重合性基を有するようなポリチオフェン、Nature Material,(2006)vol.5,p328に記載のポリチオフェン−チエノチオフェン共重合体、国際公開第08/000664号に記載のポリチオフェン−ジケトピロロピロール共重合体、Adv Mater,2007p4160に記載のポリチオフェン−チアゾロチアゾール共重合体、Nature Mat.vol.6(2007),p497に記載のPCPDTBT等のようなポリチオフェン共重合体、ポリピロール及びそのオリゴマー、ポリアニリン、ポリフェニレン及びそのオリゴマー、ポリフェニレンビニレン及びそのオリゴマー、ポリチエニレンビニレン及びそのオリゴマー、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、ポリシラン、ポリゲルマン等のσ共役系ポリマー、等のポリマー材料が挙げられる。
また、ポリマー材料ではなくオリゴマー材料としては、チオフェン6量体であるα−セクシチオフェンα,ω−ジヘキシル−α−セクシチオフェン、α,ω−ジヘキシル−α−キンケチオフェン、α,ω−ビス(3−ブトキシプロピル)−α−セクシチオフェン、等のオリゴマーが好適に用いることができる。
これらの化合物の中でも、溶液プロセスが可能な程度に有機溶剤への溶解性が高く、かつ乾燥後は、結晶性薄膜を形成し、高い移動度を達成可能な化合物が好ましい。
また、発電層上に電子輸送層を塗布で成膜する場合、電子輸送層溶液が発電層を溶かしてしまうという課題があるため、溶液プロセスで塗布した後に不溶化できるような材料を用いてもよい。
このような材料としては、Technical Digest of the International PVSEC−17,Fukuoka,Japan,2007,P1225に記載の重合性基を有するようなポリチオフェンのような、塗布後に塗布膜を重合架橋して不溶化できる材料、または米国特許出願公開第2003/136964号明細書、及び特開2008−16834号公報等に記載されているような、熱等のエネルギーを加えることによって、可溶性置換基が反応して不溶化する(顔料化する)材料等を挙げることができる。
(n型半導体材料)
本発明に係るバルクヘテロジャンクション層に用いられるn型半導体材料としては特に限定されないが、例えば、フラーレン、オクタアザポルフィリン等、p型半導体の水素原子をフッ素原子に置換したパーフルオロ体(パーフルオロペンタセンやパーフルオロフタロシアニン等)、ナフタレンテトラカルボン酸無水物、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド、ペリレンテトラカルボン酸無水物、ペリレンテトラカルボン酸ジイミド等の芳香族カルボン酸無水物や、そのイミド化物を骨格として含む高分子化合物等を挙げることができる。
しかし、各種のp型半導体材料と高速(〜50fs)、かつ効率的に電荷分離を行うことができる、フラーレン誘導体が好ましい。フラーレン誘導体としては、フラーレンC60、フラーレンC70、フラーレンC76、フラーレンC78、フラーレンC84、フラーレンC240、フラーレンC540、ミックスドフラーレン、フラーレンナノチューブ、多層ナノチューブ、単層ナノチューブ、ナノホーン(円錐型)等、及びこれらの一部が水素原子、ハロゲン原子、置換または無置換のアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、ヘテロアリール基、シクロアルキル基、シリル基、エーテル基、チオエーテル基、アミノ基、シリル基等によって置換されたフラーレン誘導体を挙げることができる。
中でも、[6,6]−フェニルC61−ブチリックアシッドメチルエステル(略称PCBM)、[6,6]−フェニルC61−ブチリックアシッド−nブチルエステル(PCBnB)、[6,6]−フェニルC61−ブチリックアシッド−イソブチルエステル(PCBiB)、[6,6]−フェニルC61−ブチリックアシッド−nヘキシルエステル(PCBH)、Adv.Mater.,vol.20(2008),p2116等に記載のbis−PCBM、特開2006−199674号公報等のアミノ化フラーレン、特開2008−130889号公報等のメタロセン化フラーレン、米国特許第7,329,709号明細書等の環状エーテル基を有するフラーレン等のような、置換基を有してより溶解性が向上したフラーレン誘導体を用いることが好ましい。
(正孔輸送層、電子ブロック層)
本発明の有機光電変換素子10は、バルクヘテロジャンクション層と陽極との中間には正孔輸送層17を、バルクヘテロジャンクション層で発生した電荷をより効率的に取り出すことが可能となるため、これらの層を有していることが好ましい。
これらの層を構成する材料としては、例えば、正孔輸送層17としては、スタルクヴイテック製、商品名BaytronP等のPEDOT、ポリアニリン及びそのドープ材料、国際公開第06/19270号パンフレット等に記載のシアン化合物、等を用いることができる。
なお、バルクヘテロジャンクション層に用いられるn型半導体材料のLUMO準位よりも浅いLUMO準位を有する正孔輸送層には、バルクヘテロジャンクション層で生成した電子を陽極側には流さないような整流効果を有する電子ブロック機能が付与される。
このような正孔輸送層は電子ブロック層とも呼ばれ、このような機能を有する正孔輸送層を使用するほうが好ましい。このような材料としては、特開平5−271166号公報等に記載のトリアリールアミン系化合物、また酸化モリブデン、酸化ニッケル、酸化タングステン等の金属酸化物等を用いることができる。
また、バルクヘテロジャンクション層に用いたp型半導体材料単体からなる層を用いることもできる。これらの層を形成する手段としては、真空蒸着法、溶液塗布法のいずれであってもよいが、好ましくは溶液塗布法である。バルクヘテロジャンクション層を形成する前に、下層に塗布膜を形成すると塗布面をレベリングする効果があり、リーク等の影響が低減するため好ましい。
(電子輸送層・正孔ブロック層)
本発明の有機光電変換素子10は、バルクヘテロジャンクション層と陰極との中間には電子輸送層18を形成することで、バルクヘテロジャンクション層で発生した電荷をより効率的に取り出すことが可能となるため、これらの層を有していることが好ましい。
また、電子輸送層18としては、オクタアザポルフィリン、p型半導体のパーフルオロ体(パーフルオロペンタセンやパーフルオロフタロシアニン等)を用いることができるが、同様にバルクヘテロジャンクション層に用いられるp型半導体材料のHOMO準位よりも深いHOMO準位を有する電子輸送層には、バルクヘテロジャンクション層で生成した正孔を陰極側には流さないような整流効果を有する正孔ブロック機能が付与される。
このような電子輸送層は正孔ブロック層とも呼ばれ、このような機能を有する電子輸送層を使用する方が好ましい。
このような材料としては、バソキュプロイン等のフェナントレン系化合物、ナフタレンテトラカルボン酸無水物、ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド、ペリレンテトラカルボン酸無水物、ペリレンテトラカルボン酸ジイミド等のn型半導体材料、及び酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ガリウム等のn型無機酸化物及びフッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化セシウム等のアルカリ金属化合物等を用いることができる。
また、バルクヘテロジャンクション層に用いたn型半導体材料単体からなる層を用いることもできる。これらの層を形成する手段としては、真空蒸着法、溶液塗布法のいずれであってもよいが、好ましくは溶液塗布法である。
(その他の層)
エネルギー変換効率の向上や、素子寿命の向上を目的に、各種中間層を素子内に有する構成としてもよい。中間層の例としては、正孔ブロック層、電子ブロック層、正孔注入層、電子注入層、励起子ブロック層、UV吸収層、光反射層、波長変換層等を挙げることができる。
(透明電極(第1電極))
本発明に係る透明電極は、陰極、陽極は特に限定せず、素子構成により選択することができるが、好ましくは透明電極を陽極として用いることである。例えば、陽極として用いる場合、好ましくは380〜800nmの光を透過する電極である。材料としては、例えば、インジウムチンオキシド(ITO)、SnO2、ZnO等の透明導電性金属酸化物、金、銀、白金等の金属薄膜、金属ナノワイヤ、カーボンナノチューブ用いることができる。
また、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリチエニレンビニレン、ポリアズレン、ポリイソチアナフテン、ポリカルバゾール、ポリアセチレン、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアセン、ポリフェニルアセチレン、ポリジアセチレン及びポリナフタレンの各誘導体からなる群より選ばれる導電性高分子等も用いることができる。また、これらの導電性化合物を複数組み合わせて透明電極とすることもできる。
(対電極(第2電極))
対電極は導電材単独層であってもよいが、導電性を有する材料に加えて、これらを保持する樹脂を併用してもよい。対電極の導電材としては、仕事関数の小さい(4eV以下)金属、合金、電気伝導性化合物及びこれらの混合物を電極物質とするものが用いられる。
このような電極物質の具体例としては、ナトリウム、ナトリウム−カリウム合金、マグネシウム、リチウム、マグネシウム/銅混合物、マグネシウム/銀混合物、マグネシウム/アルミニウム混合物、マグネシウム/インジウム混合物、アルミニウム/酸化アルミニウム(Al2O3)混合物、インジウム、リチウム/アルミニウム混合物、希土類金属等が挙げられる。
これらの中で、電子の取り出し性能及び酸化等に対する耐久性の点から、これら金属とこれより仕事関数の値が大きく安定な金属である第二金属との混合物、例えば、マグネシウム/銀混合物、マグネシウム/アルミニウム混合物、マグネシウム/インジウム混合物、アルミニウム/酸化アルミニウム(Al2O3)混合物、リチウム/アルミニウム混合物、アルミニウム等が好適である。
対電極は、これらの電極物質を蒸着やスパッタリング等の方法により薄膜を形成させることにより、作製することができる。また、膜厚は通常10nm〜5μm、好ましくは50〜200nmの範囲で選ばれる。
対電極の導電材として金属材料を用いれば、対電極側に来た光は反射されて第1電極側に反射され、この光が再利用可能となり、光電変換層で再度吸収され、より光電変換効率が向上し好ましい。
また、対電極13は、金属(例えば、金、銀、銅、白金、ロジウム、ルテニウム、アルミニウム、マグネシウム、インジウム等)、炭素からなるナノ粒子、ナノワイヤ、ナノ構造体であってもよく、ナノワイヤの分散物であれば、透明で導電性の高い対電極を塗布法により形成でき好ましい。
また、対電極側を光透過性とする場合は、例えば、アルミニウム及びアルミニウム合金、銀及び銀化合物等の対電極に適した導電性材料を薄く1〜20nm程度の膜厚で作製した後、上記透明電極の説明で挙げた導電性光透過性材料の膜を設けることで、光透過性対電極とすることができる。
(中間電極)
また、前記(v)(または図3)のようなタンデム構成の場合に必要となる中間電極の材料としては、透明性と導電性を併せ持つ化合物を用いた層であることが好ましく、前記透明電極で用いたような材料(ITO、AZO、FTO、酸化チタン等の透明金属酸化物、Ag、Al、Au等の非常に薄い金属層またはナノ粒子・ナノワイヤを含有する層、PEDOT:PSS、ポリアニリン等の導電性高分子材料等)を用いることができる。
なお、前述した正孔輸送層と電子輸送層の中には、適切に組み合わせて積層することで中間電極(電荷再結合層)として働く組み合わせもあり、このような構成とすると1層形成する工程を省くことができ好ましい。
(金属ナノワイヤ)
本発明に係る導電性繊維としては、金属でコーティングした有機繊維や無機繊維、導電性金属酸化物繊維、金属ナノワイヤ、炭素繊維、カーボンナノチューブ等を用いることができるが、金属ナノワイヤが好ましい。
一般に、金属ナノワイヤとは、金属元素を主要な構成要素とする線状構造体のことを言う。特に、本発明における金属ナノワイヤとはnmサイズの直径を有する線状構造体を意味する。
本発明に係る金属ナノワイヤとしては、1つの金属ナノワイヤで長い導電パスを形成するために、また、適度な光散乱性を発現するために、平均長さが3μm以上であることが好ましく、さらには3〜500μmが好ましく、特に3〜300μmであることが好ましい。併せて、長さの相対標準偏差は40%以下であることが好ましい。
また、平均直径は、透明性の観点からは小さいことが好ましく、一方で、導電性の観点からは大きい方が好ましい。本発明においては、金属ナノワイヤの平均直径として10〜300nmが好ましく、30〜200nmであることがより好ましい。併せて、直径の相対標準偏差は20%以下であることが好ましい。
本発明に係る金属ナノワイヤの金属組成としては特に制限はなく、貴金属元素や卑金属元素の1種または複数の金属から構成することができるが、貴金属(例えば、金、白金、銀、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウム等)及び鉄、コバルト、銅、錫からなる群に属する少なくとも1種の金属を含むことが好ましく、導電性の観点から少なくとも銀を含むことがより好ましい。
また、導電性と安定性(金属ナノワイヤの硫化や酸化耐性、及びマイグレーション耐性)を両立するために、銀と、銀を除く貴金属に属する少なくとも1種の金属を含むことも好ましい。本発明に係る金属ナノワイヤが2種類以上の金属元素を含む場合には、例えば、金属ナノワイヤの表面と内部で金属組成が異なっていてもよいし、金属ナノワイヤ全体が同一の金属組成を有していてもよい。
本発明において金属ナノワイヤの製造手段には特に制限はなく、例えば、液相法や気相法等の公知の手段を用いることができる。また、具体的な製造方法にも特に制限はなく、公知の製造方法を用いることができる。
例えば、Agナノワイヤの製造方法としては、Adv.Mater.,2002,14,833〜837;Chem.Mater.,2002,14,4736〜4745等、Auナノワイヤの製造方法としては特開2006−233252号公報等、Cuナノワイヤの製造方法としては特開2002−266007号公報等、Coナノワイヤの製造方法としては特開2004−149871号公報等を参考にすることができる。
特に、上述した、Adv.Mater.及びChem.Mater.で報告されたAgナノワイヤの製造方法は、水系で簡便にAgナノワイヤを製造することができ、また、銀の導電率は金属中で最大であることから、本発明に用いられる金属ナノワイヤの製造方法として好ましく適用することができる。
本発明においては、金属ナノワイヤが互いに接触し合うことにより3次元的な導電ネットワークを形成し、高い導電性を発現するとともに、金属ナノワイヤが存在しない導電ネットワークの窓部を光が透過することが可能となり、さらに金属ナノワイヤの散乱効果によって、有機発電層部からの発電を効率的に行うことが可能となる。第1電極において金属ナノワイヤを有機発電層部に近い側に設置すれば、この散乱効果がより有効に利用できるのでより好ましい実施形態である。
(光学機能層)
本発明に係る有機光電変換素子は、太陽光のより効率的な受光を目的として、各種の光学機能層を有していてもよい。光学機能層としては、例えば、反射防止層、マイクロレンズアレイ等の集光層、陰極で反射した光を散乱させて再度発電層に入射させることができるような光拡散層等を設けてもよい。
反射防止層としては、各種公知の反射防止層を設けることができるが、例えば、透明樹脂フィルムが二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムである場合は、フィルムに隣接する易接着層の屈折率を1.57〜1.63とすることで、フィルム基板と易接着層との界面反射を低減して透過率を向上させることができるのでより好ましい。
屈折率を調整する方法としては、酸化スズゾルや酸化セリウムゾル等の比較的屈折率の高い酸化物ゾルとバインダー樹脂との比率を適宜調整して塗設することで実施できる。易接着層は単層でもよいが、接着性を向上させるためには2層以上の構成にしてもよい。
集光層としては、例えば、支持基板の太陽光受光側にマイクロレンズアレイ上の構造を設けるように加工したり、あるいは所謂集光シートと組み合わせたりすることにより特定方向からの受光量を高めたり、逆に太陽光の入射角度依存性を低減することができる。
マイクロレンズアレイの例としては、基板の光取り出し側に一辺が30μmでその頂角が90度となるような四角錐を2次元に配列する。一辺は10〜100μmが好ましい。これより小さくなると回折の効果が発生して色付き、大きすぎると厚みが厚くなり好ましくない。
また、光拡散層としては、各種のアンチグレア層、金属または各種無機酸化物等のナノ粒子・ナノワイヤ等を無色透明なポリマーに分散した層等を挙げることができる。
(成膜方法・表面処理方法)
電子受容体と電子供与体とが混合されたバルクヘテロジャンクション層、及び輸送層・電極の形成方法としては、蒸着法、塗布法(キャスト法、スピンコート法を含む)等を例示することができる。このうち、バルクヘテロジャンクション層の形成方法としては、蒸着法、塗布法(キャスト法、スピンコート法を含む)等を例示することができる。
このうち、前述の正孔と電子が電荷分離する界面の面積を増大させ、高い光電変換効率を有する素子を作製するためには、塗布法が好ましい。また、塗布法は製造速度にも優れている。
この際に使用する塗布方法に制限はないが、例えば、スピンコート法、溶液からのキャスト法、ディップコート法、ブレードコート法、ワイヤバーコート法、グラビアコート法、スプレーコート法等が挙げられる。さらには、インクジェット法、スクリーン印刷法、凸版印刷法、凹版印刷法、オフセット印刷法、フレキソ印刷法等の印刷法でパターニングすることもできる。
塗布後は残留溶媒及び水分、ガスの除去、及び半導体材料の結晶化による移動度向上・吸収長波化を引き起こすために、加熱を行うことが好ましい。製造工程中において所定の温度でアニール処理されると、微視的に一部が凝集または結晶化が促進され、バルクヘテロジャンクション層を適切な相分離構造とすることができる。その結果、バルクヘテロジャンクション層のキャリア移動度が向上し、高い効率を得ることができるようになる。
発電層(バルクヘテロジャンクション層)14は、電子受容体と電子供与体とが均一に混在された単一層で構成してもよいが、電子受容体と電子供与体との混合比を変えた複数層で構成してもよい。この場合、前述したような塗布後に不溶化できるような材料を用いることで形成することが可能となる。
(パターニング)
本発明に係る電極、発電層、正孔輸送層、電子輸送層等をパターニングする方法やプロセスには特に制限はなく、公知の手法を適宜適用することができる。
バルクヘテロジャンクション層、輸送層等の可溶性の材料であれば、ダイコート、ディップコート等の全面塗布後に不要部だけ拭き取ってもよいし、インクジェット法やスクリーン印刷等の方法を使用して塗布時に直接パターニングしてもよい。
電極材料等の不溶性の材料の場合は、電極を真空堆積時にマスク蒸着を行ったり、エッチングまたはリフトオフ等の公知の方法によってパターニングしたりすることができる。また、別の基板上に形成したパターンを転写することによってパターンを形成してもよい。
そこで、このワイヤの傾斜特性及び銅−亜鉛−ニッケル三元合金めっき層の存在を確認すべく、以下の測定を実施した。
XPS(X−ray photoelectron microscopy)による測定銅−亜鉛−ニッケル三元めっきワイヤを、最終湿式伸線前後について、本装置を用いて深さ方向での元素分布(濃度勾配)を調査した。本装置は、試料の測定面における元素濃度を測定、Arガスで試料表面を削り、また、削ったことでできた試料表面の新生面の元素濃度を測定するというルーチンを繰り返し、試料の深さ方向での元素の濃度勾配を分析するものである。
以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。
実施例1
まず、比較のフィルム1−1A〜1−3A、本発明のガスバリア性フィルム1−1B〜1−3Bを作製した。
<比較フィルム1−1A〜1−3A、本発明のガスバリア性フィルム1−1B〜1−3Bの作製>
(支持体)
本発明では、支持体(図4、5)として、両面に易接着加工を施した厚さ125μmのポリエステルフィルム(帝人デュポンフィルム株式会社製、テトロンO3)を、170℃で30分アニール加熱処理した後、裏面側に下記ブリードアウト防止層(図4では省略)を作製したものを用いた。
(ブリードアウト防止層の作製)
ポリエステルフィルムの裏面側に、JSR株式会社製 UV硬化型有機/無機ハイブリッドハードコート材 OPSTAR Z7535を塗布、乾燥後の膜厚が4μmになるようにワイヤーバーで塗布した後、硬化条件;1.0J/cm2、空気下、高圧水銀ランプ使用、乾燥条件;80℃、3分で硬化を行い、ブリードアウト防止層を作製した。
<比較フィルム1−1A>
支持体5として、上記ブリードアウト防止層を裏面側に形成した厚さ125μmのポリエステルフィルムを用いた。この支持体上に、二酸化ケイ素膜をスパッタ法を用いて約100nm形成し、高バリア性領域(図4、3)を有する比較フィルム1−1Aを得た。
<本発明のガスバリア性フィルム1−1B>
上記で得た比較フィルム1−1A上に、パーヒドロポリシラザンの20質量%ジブチルエーテル溶液(AZエレクトロニックマテリアルズ株式会社製、アクアミカNAX120−20、アミン触媒タイプ)とパーヒドロポリシラザンの20質量%ジブチルエーテル溶液(AZエレクトロニックマテリアルズ株式会社製、アクアミカNN120−20、無触媒タイプ)を1:4の質量比率で混合した後、ジブチルエーテルにて4質量%になるように希釈した溶液を用い、スピンコート(5000rpm、60秒)にて塗布後、80℃にて1分間乾燥することで、パーヒドロポリシラザン塗布膜を形成した。
さらに、ステージ可動型キセノンエキシマ照射装置(MDエキシマ社製、MECL−M−1−200)を用いて、エキシマランプを照射(エキシマ光源ランプと基材との距離:3mm、ステージ温度:100℃、処理環境の酸素濃度:0.1%、ステージ可動速度10mm/秒で10回搬送)することで、膜の表面およそ10nmが二酸化ケイ素からなる第2の高ガスバリア性領域1に、その下のおよそ40nmが窒素原子を含有するケイ素化合物からなる水分トラップ領域2に転化された、本発明のガスバリア性フィルム1−1B(図4、4:なし)を作製した。
ここで、各領域の膜厚は、TEM(Transmission Electron Microscope:透過電子顕微鏡)の断面写真より、明確な界面が見られることで確認できた。
また、各領域の組成については、スパッタ法とXPS表面分析を組み合わせて確認した。
スパッタ法を用いて表面から深さ方向へエッチングを行い、XPS表面分析装置を用いて、最表面を0nmとして、0.5nm/分の速度でスパッタし、原子組成比を測定したところ、表層からおよそ10nm付近までは、Si:Oの比率がほぼ1:2(第2の高ガスバリア性領域、図4、1)に、その下から第1の高ガスバリア性領域(二酸化ケイ素層)までのおよそ40nm付近までは、Si:O:Nの比率がほぼ均一に1:0.35:0.65(水分トラップ領域、図4、2)に、更にその下の第1の高ガスバリア性領域から支持体までの100nmが二酸化ケイ素層になっていることが分かった。
表面分析に用いるXPS表面分析装置としては、特に限定はなく、いかなる機種も使用することができるが、本実施例においてはVGサイエンティフィックス社製ESCALAB−200Rを用いた。X線アノードにはMgを用い、出力600W(加速電圧15kV、エミッション電流40mA)で測定した。
<比較フィルム1−2A>
支持体5として、上記ブリードアウト防止層を裏面側に、下記平滑層を表面側に形成した厚さ125μmのポリエステルフィルムを用いた。この支持体上に、二酸化ケイ素膜を、プラズマCVD法(酸素ガス導入下、テトラエトキシシランを原料ガスに用い、原料ガス供給量とエネルギーの出力密度を調整することで、堆積速度が高速になるように調整した)を用いて約50nm形成し、高ガスバリア性領域(図4、3)を有する比較フィルム1−2Aを得た。
(平滑層の作製)
支持体(図4、5)の表面側に、JSR株式会社製 UV硬化型有機/無機ハイブリッドハードコート材 OPSTAR Z7501を塗布、乾燥後の膜厚が4μmになるようにワイヤーバーで塗布した後、乾燥条件;80℃、3分で乾燥後、空気雰囲気下、高圧水銀ランプ使用、硬化条件;1.0J/cm2で硬化を行い、平滑層(クリアハードコート層:CHC層)を作製した(図4では省略)。
<本発明のガスバリア性フィルム1−2B>
上記で得た本発明における第1の高ガスバリア性領域を有する比較フィルム1−2A上に、ガスバリア性フィルム1−1Bと同様にして、水分トラップ領域(図4、2)及び第2の高ガスバリア性領域(図4、1)を設けた、本発明のガスバリア性フィルム1−2Bを得た(図4、4:なし)
また、ガスバリア性フィルム1−1Bと同様に、TEMの断面写真、及びXPS表面分析から、膜の表面からおよそ10nmが第2の高ガスバリア性領域1(二酸化ケイ素層)、その下のおよそ40nmが水分トラップ領域2(Si:O:N=1:0.25:0.7)、更にその下のおよそ100nmが第1の高ガスバリア性領域(二酸化ケイ素層)になっていることが分かった。
<比較フィルム1−3A>
支持体(図4、5)として、上記ブリードアウト防止層を裏面側に、下記平滑層を表面側に形成した厚さ125μmのポリエステルフィルムを用いた。この支持体上に、本発明のガスバリア性フィルム1−1Bの作製と同様にして、パーヒドロポリシラザン塗布膜を形成後、転化処理を施すことで、膜の表面からおよそ10nmが二酸化ケイ素からなる第1の高ガスバリア性領域(図4、3)に、その下のおよそ20nmが窒素原子を含有するケイ素化合物層に、更にその下のおよそ20nmがシラノールリッチな二酸化ケイ素層に転化された比較フィルム1−3Aを作製した。
ここで、シラノールリッチな二酸化ケイ素層とは、Si原子の一部にOH基が置換したSiOH(シラノール)が多く含まれるシリカ層のことを表している。シラノールリッチな二酸化ケイ素層は、Si:Oの比率がほぼ均一に1:2.2となっていること、及び、シラノール基の存在がTof−SIMS(Time−Of−Flight Secondary Ion Spectrometry:飛行時間型二次イオン質量分析法)により確認できたことから推定している。
ちなみに、比較フィルム1−3Aをウェットサーモ(60℃、90%RH)下で3日間処理した後、上記と同様に各領域の組成を確認したところ、膜の表面からおよそ10nmの二酸化ケイ素からなる第1の高ガスバリア性領域(図4、3)に変化はなかったが、その下のおよそ20nmあった窒素原子を含有するケイ素化合物層は消失し、更にその下におよそ20nmあったシラノールリッチな二酸化ケイ素層の膜厚が40nmとなっていた。このことから、高ガスバリア性領域に挟まれていない窒素原子を含有するケイ素化合物層は、高温高湿下にて全てシラノールリッチな二酸化ケイ素層に変化することが確認できた。
<本発明のガスバリア性フィルム1−3B>
上記で得た本発明における第1の高ガスバリア性領域を有する比較フィルム1−3A上に、ガスバリア性フィルム1−1Bと同様にして、水分トラップ領域2及び第2の高ガスバリア性領域1を設けた、本発明のガスバリア性フィルム1−3Bを得た(図4、4:シラノールリッチな二酸化ケイ素層/窒素原子を含有するケイ素化合物層)。
また、ガスバリア性フィルム1−1Bと同様に、TEMの断面写真、及びXPS表面分析から、膜の表面からおよそ10nmが第2の高ガスバリア性領域(図4、1)(二酸化ケイ素層)、その下のおよそ40nmが水分トラップ領域(図4、2)(Si:O:N=1:0.25:0.75)になっていることが分かった。
<比較フィルム1−4A>
支持体5として、上記ブリードアウト防止層を裏面側に、下記平滑層を表面側に形成した厚さ125μmのポリエステルフィルムを用いた。この支持体上に、本発明のガスバリア性フィルム1−1Bの作製と同様にして、パーヒドロポリシラザン塗布膜を形成後、エキシマランプ照射による転化処理は行わず、ウェットサーモ(60℃、90%RH)下で5分間処理した後、ホットプレートにて100℃5分間加熱することで、支持体上の全ての領域がほぼ均一にシラノールリッチな二酸化ケイ素層(およそ70nm)に転化された比較フィルム1−4Aを作製した。
<比較フィルム1−4B>
上記で得た比較フィルム1−4A上に、ガスバリア性フィルム1−1Bの作製と同様にして、パーヒドロポリシラザン塗布膜を形成後、エキシマランプ照射による転化処理を施すことで、膜の表面からおよそ10nmが二酸化ケイ素層、その下のおよそ20nmが窒素原子を含有するケイ素化合物層(Si:O:N=1:0.85:0.55)、更にその下から支持体までのおよそ90nmがシラノールリッチな二酸化ケイ素層となっている比較フィルム1−4Bを作製した。
ちなみに、比較フィルム1−4Bをウェットサーモ(60℃、90%RH)下で3日間処理した後、上記と同様に各領域の組成を確認したところ、膜の表面からおよそ10nmの二酸化ケイ素からなる第2の高ガスバリア性領域3に変化はなかったが、その下のおよそ20nmあった窒素原子を含有するケイ素化合物層は消失し、更にその下におよそ90nmあったシラノールリッチな二酸化ケイ素層の膜厚が110nmとなっていた。このことから、高ガスバリア性領域に挟まれていない窒素原子を含有するケイ素化合物層は、高温高湿下にて全てシラノールリッチな二酸化ケイ素層に変化することが確認できた。
<比較フィルム1−5A>
支持体5として、上記ブリードアウト防止層を裏面側に、下記平滑層を表面側に形成した厚さ125μmのポリエステルフィルムを用いた。この支持体上に、比較フィルム1−2Aと同様にして、プラズマCVD法(酸素ガス導入下、テトラエトキシシランを原料ガスに用い、原料ガス供給量とエネルギーの出力密度を調整することで、堆積速度が超低速になるように調整した)により二酸化ケイ素膜を約50nm形成することで、比較フィルム1−5Aを得た。
<比較フィルム1−5B>
上記で得た比較フィルム1−5A上に、本発明のガスバリア性フィルム1−1Bと同様にして、膜の表面からおよそ10nmが二酸化ケイ素層、その下のおよそ40nmが窒素原子を含有するケイ素化合物層(Si:O:N=1:0.25:0.75)となっている比較フィルム1−5Bを作製した。
<参考例フィルム1−6>
ガスバリア性フィルムの作製に用いた、ブリードアウト防止層を裏面側に、平滑層を表面側に形成した厚さ125μmのポリエステルフィルムを参考例フィルム1−6とした。
《ガスバリア性部材の評価》
得られたガスバリア性部材について、下記にようにして即、ウェットサーモ(60℃、90%RH)処理後、屈曲後のガスバリア性(水蒸気透過率)の評価を行った。
〈ガスバリア性の評価〉
ガスバリア性の指標として水蒸気透過率(WVTR(g/m2/day))について、下記にようにして測定した。
(屈曲処理)
ガスバリア性部材の保護層の面を外側にして、ガスバリア性部材を20mmφの曲率になるように、180度の角度で50回屈曲を繰り返した。
(装置)
蒸着装置:日本電子(株)製真空蒸着装置JEE−400
恒温恒湿度オーブン:Yamato Humidic ChamberIG47M
レーザー顕微鏡:KEYENCE VK−8500
原子間力顕微鏡(AFM):Digital Instruments社製DI3100
(原材料)
水分と反応して腐食する金属:カルシウム(粒状)
水蒸気不透過性の金属:アルミニウム(φ3〜5mm、粒状)
(評価用セルの作製)
ガスバリア性部材(ガスバリアフィルム)のガスバリア層面(セラミック層面ともいう)に、真空蒸着装置(日本電子製真空蒸着装置 JEE−400)を用い、透明導電膜を付ける前のガスバリア性部材試料の蒸着させたい部分(12mm×12mmを9箇所)以外をマスクし、金属カルシウムを蒸着させた。
その後、真空状態のままマスクを取り去り、シート片側全面にアルミニウムをもう一つの金属蒸着源から蒸着させた。アルミニウム封止後、真空状態を解除し、速やかに乾燥窒素ガス雰囲気下で、厚さ0.2mmの石英ガラスに封止用紫外線硬化樹脂(ナガセケムテックス製)を介してアルミニウム封止側と対面させ、紫外線を照射することで、評価用セルを作製した。
得られた両面を封止したガスバリア性部材を60℃、90%RHの高温高湿下で保存し、特開2005−283561号公報に記載の方法(カルシウム法)に基づき、金属カルシウムの腐食量からセル内に透過した水分量を計算した。
尚、ガスバリアフィルムのガスバリア層の表面から以外の水蒸気の透過が無いことを確認する為、比較試料としてガスバリアフィルムの代わりに、厚さ0.2mmの石英ガラス板を用いて金属カルシウムを蒸着した試料を、同様な60℃、90%RHの高温高湿下保存を行い、2000時間経過後でも金属カルシウム腐食が発生しないことを確認した。
比較のフィルム1−1A〜1−5A、1−4B〜1−5B、1−6、本発明のガスバリア性フィルム1−1B〜1−3Bについて各々測定された水蒸気透過率(WVTR(g/m2/day))について、表1にまとめた。
表1の結果より、本発明のガスバリア性フィルム1−1B〜1−3Bは、いずれも高いガスバリア性を有しており、ウェットサーモ(60℃、90%RH)処理後、屈曲処理後も水蒸気透過率の劣化がないことが分かった。
一方、比較のフィルム1−1A〜1−4A、1−4Bは、いずれも低いガスバリア性しか有していないことが分かった。
さらに、支持体〜第1の高ガスバリア性領域のWVTRが劣化処理(ウェットサーモ処理、あるいは、屈曲処理)前において9×10−4以下という非常に高いガスバリア性を示す比較のフィルム1−5A上に、本発明同様、水分トラップ領域及び第2の高ガスバリア性領域を設けた比較のフィルム1−5Bでは、屈曲処理前においては高いガスバリア性を示すものの、屈曲処理後に極端なガスバリア性の低下が見られることが分かった。
これは、比較のフィルム1−5Aでは、初期のガスバリア性は高いものの非常に割れ易く、1ヶ所でも欠陥が形成されるとその点に応力が集中するために、バリア膜の急激な破壊が起きてしまうためと考えられる。よって、屈曲耐性も低く、安定性を確保することができない。
以上により、本発明のガスバリア性フィルムでは、WVTRが1×10−2〜1×10−3といった比較的低いガスバリア性を示す第1の高バリア性領域を用いるので、ガスバリア膜の急激な破壊が起こりにくく、屈曲耐性も高いため、ガスバリア性フィルムの安定性を格段に向上させることができた。
実施例2
実施例1で作製したガスバリア性フィルムを用いて、下記の透明導電膜を有するガスバリア性フィルムの作製を行った。次いで、透明導電膜を有するガスバリア性フィルムを用いて、有機光電変換素子を作製した。ガスバリア性フィルムとして、比較のフィルム1−1A〜1−3A、1−5A、1−4B、1−5B、本発明のガスバリア性フィルム1−1B〜1−3Bを用いて、それぞれ有機光電変換素子2−1A〜2−3A、2−5A、2−4B、2−5Bを作製した。
《透明導電膜を有するガスバリア性部材の作製》
プラズマ放電装置としては、電極が平行平板型のものを用い、この電極間に実施例1で作製した強制劣化させたガスバリア性部材を載置し、かつ、混合ガスを導入して薄膜形成を行った。
なお、アース(接地)電極としては、200mm×200mm×2mmのステンレス板に高密度、高密着性のアルミナ溶射膜を被覆し、その後、テトラメトキシシランを酢酸エチルで希釈した溶液を塗布乾燥後、紫外線照射により硬化させ封孔処理を行い、このようにして被覆した誘電体表面を研磨し、平滑にして、Rmax;5μmとなるように加工した電極を用いた。
また、印加電極としては、中空の角型の純チタンパイプに対し、アース電極と同様の条件にて誘電体を被覆した電極を用いた。印加電極は複数作製し、アース電極に対向して設け放電空間を形成した。
また、プラズマ発生に用いる電源としては、パール工業(株)製高周波電源CF−5000−13Mを用い、周波数13.56MHzで、5W/cm2の電力を供給した。
電極間に以下の組成の混合ガスを流し、プラズマ状態とし、ガスバリア性フィルムを大気圧プラズマ処理し、各ガスバリア層上に、錫ドープ酸化インジウム(ITO)膜を150nmの厚さで成膜することで、透明導電膜付のガスバリア性フィルムを作製した。
(プラズマ発生条件)
放電ガス:ヘリウム 98.5体積%
反応性ガス1:酸素 0.25体積%
反応性ガス2:インジウムアセチルアセトナート 1.2体積%
反応性ガス3:ジブチル錫ジアセテート 0.05体積%
《有機光電変換素子の作製》
得られた透明導電膜(150nm、シート抵抗10Ω/□)付のガスバリア性フィルムに、各々フォトリソグラフィ技術と湿式エッチングとを用いて2mm幅にパターニングし第1の電極を形成した。
パターン形成した第1の電極(陽極)を、界面活性剤と超純水による超音波洗浄、超純水による超音波洗浄の順で洗浄後、窒素ブローで乾燥させ、最後に紫外線オゾン洗浄を行い、透明基板を得た。
得られた透明基板の表面上に、導電性高分子であるBaytron P4083(スタルクヴィテック社製)を膜厚が30nmになるように塗布乾燥した後、150℃で30分間熱処理させ正孔輸送層を製膜した。
これ以降は、各透明基板を窒素チャンバー中に持ち込み、窒素雰囲気下で作製した。
まず、窒素雰囲気下で上記基板を150℃で10分間加熱処理した。次に、クロロベンゼンにP3HT(プレクトロニクス社製:レジオレギュラーポリ−3−ヘキシルチオフェン)とPCBM(フロンティアカーボン社製:6,6−フェニル−C61−ブチリックアシッドメチルエステル)を3.0質量%になるように1:0.8で混合した液を調製し、フィルタでろ過しながら、膜厚が100nmになるように塗布を行い、室温で放置して乾燥させた。続けて、150℃で15分間加熱処理を行い、光電変換層を製膜した。
次に、上記一連の機能層を製膜した透明基板を真空蒸着装置チャンバー内に移動し、1×10−4Pa以下にまで真空蒸着装置内を減圧した後、蒸着速度0.01nm/秒でフッ化リチウムを0.6nm積層し、さらに続けて、2mm幅のシャドウマスクを通して(受光部が2×2mmに成るように直行させて蒸着)、蒸着速度0.2nm/秒でAlメタルを100nm積層することで第2の電極を形成した。
得られた有機光電変換素子を窒素チャンバーに移動し、以下の、封止用フィルムとUV硬化樹脂を用いて封止を行って、受光部が2×2mmサイズの有機光電変換素子試料を作製した。
(有機光電変換素子の封止)
窒素ガス(不活性ガス)によりパージされた環境下で、基板に用いたものと同じ2枚のガスバリア性フィルムのガスバリア層を設けた面を内側にして、シール材としてエポキシ系光硬化型接着剤をガスバリア層に塗布し、上記有機光電変換素子をガスバリア性フィルム間に挟み込んで密着させた後、片側の基板側からUV光を照射して硬化させた。
こうして両面封止済みの有機光電変換素子を得た。
《有機光電変換素子の評価》
(耐久性の評価)
上記作製した光電変換素子について、ソーラーシミュレーター(AM1.5Gフィルタ)の100mW/cm2の強度の光を照射し、有効面積を4.0mm2にしたマスクを受光部に重ね、IV特性を評価することで、短絡電流密度Jsc(mA/cm2)、開放電圧Voc(V)及びフィルファクターFF(%)を、同素子上に形成した4箇所の受光部をそれぞれ測定し、下記式1に従って求めたエネルギー変換効率PCE(%)の4点平均値を算出した。
(式1)
PCE(%)=〔Jsc(mA/cm2)×Voc(V)×FF(%)〕/100mW/cm2
初期電池特性としての変換効率を測定し、性能の経時的低下の度合いを、温度60℃、湿度90%RH環境で1000時間保存した加速試験後の変換効率残存率(変換効率/初期変換効率×100(%))により、下記基準で評価した。
◎:70%以上
○:40%以上、70%未満
△:20%以上、40%未満
×:20%未満
評価の結果を表2に示す。
表2より、比較の有機光電変換素子に比べて、本発明の有機光電変換素子は、耐久性が著しく優れていることが分かった。