JP5734109B2 - 測定装置および測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、薄膜材料のガス透過度の試験に使用する測定装置および測定方法に関する。

薄膜材料は、製品の包装および保護、ならびに製品における部品の被覆などに使用されている。製品の包装の用途としては、例えば食品の包装などが挙げられ、部品の被覆の用途としては、例えば精密機器における素子の被覆などが挙げられる。用途に応じて、薄膜材料は、大気中の特定の成分（例えば水蒸気、酸素、炭酸ガスなど）を選択的に透過させるか、またはほとんど透過させない性質を示す必要がある。例えば、保護を目的している薄膜材料は、保護される対象に悪影響を与える成分を可能な限り透過させない性質（特定の成分に対する低い透過性）を示す必要がある。よって、上述のような薄膜材料は、所望の程度の透過性を示すか否かについて試験されなければならない。

例えば、薄膜材料が水分の付着によって性能が悪化する素子の被覆に使用される場合、薄膜材料は、大気中にある水蒸気をほぼ透過させない必要がある。よって、このような薄膜材料を試験する場合、微量の成分を検出し得る非常に高感度な試験を実施する必要がある。このような試験に用いる微量な成分の測定装置は、高感度であるために、微量の混入物の存在によって試験結果の精度に悪影響を受けるおそれがある。例えば、一般的な測定装置の構成および欠点について図２を用いて以下に説明する。

図２に示すように、測定装置１００は、試験の環境温度を制御するオーブン１０１、フィルム１０３の透過性を測定するセル１０２を備えている。オーブン１０１は、セル１０２を収納しており、セルが収納されている試験環境の全体の加熱を行う。図示していないが、オーブン１０１の内部には、セル１０２の内部（１０２ａおよび１０２ｂ）にガスを供給する構成（ポンプ、バルブ、管など）、一方の内部１０２ａからフィルム１０３を介して他方の内部１０２ｂに移動した成分を検出器に送り出す管など、他に多くの構成が収納されている。ここでは、オーブン１０１は閉じた空間として描写されているが、外部と連絡しており、オーブン１０１の内部の気体は、大気と同じ組成を有している。

ここで、セル１０２は、フィルム１０３を挟むことによって、内部（１０２ａおよび１０２ｂ）と外部（オーブン１０１の内部）とを遮断している。しかし、従来技術では、大気中の成分を完全に遮断することは実質的に不可能である。フィルム１０３は曲げ応力に弱いため、セル１０２とフィルム１０３との密着性を高めようとすると、フィルム１０３が破損して、破損した箇所から大気が侵入する。密着性が低ければ、フィルム１０３とセル１０２との間からセル１０２の内部に大気が侵入する。したがって、どのようにしてもセル１０２による大気の巻き込みを十分に回避できない。

このような問題を解決する技術として、フィルムを固定するリングを２つ使用して、これらのリングの間に空間を形成し、試験結果に悪影響を与えない気体を当該空間に充填する技術が提案されている（特許文献１）。

特開２００５−２３３９４３号公報（２００３年９月２日公開）

しかし、特許文献１に記載の技術では形成される空間が小さい。このため、長時間にわたって試験を継続させると、セルとフィルムとの密着性の低さ、またはフィルムの破損にしたがって、上記空間に充填された気体が大気と交換されてゆき、結果としてセルの内部に大気が侵入する。特許文献１に記載の技術では、この大気の侵入を防ぐために上記空間に気体を常に供給し続けている。つまり、特許文献１に記載の技術では、気体を供給する手段、および当該気体の供給を制御する手段がさらに必要であり、当然の結果として構成を複雑にせざるを得ない。

よって、薄膜材料を収納している空間に大気を侵入させることなく、薄膜材料におけるガスの透過性を高感度に試験するための簡便な技術が必要とされている。

上記問題点に鑑みて、本発明の目的は、薄膜材料におけるガスの透過性の試験における感度の向上に寄与する測定装置および測定方法を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の測定装置は、薄膜材料を挟んでいるときに対向する第１の空間および第２の空間を形成するセルを備えており、上記薄膜材料を透過して上記第１の空間から上記第２の空間に移動する気体の標的成分を測定する測定装置であって、上記セルに接して設けられている、当該セルの温度を制御する温度制御部、上記セルおよび温度制御部を収納している容器、上記容器の内部に第１のガスを供給する第１のガス供給部、上記標的成分を含んでいる第２のガスを上記第１の空間に供給する第２のガス供給部、ならびにキャリアガスとしての第３のガスを供給する上記第２の空間に第３のガス供給部をさらに備えており、上記第３のガスが、上記標的成分とは異なる成分のみを含んでおり、上記第１のガスが、以下の（ａ）および（ｂ）の条件：（ａ）上記標的成分と異なる成分のみを含んでいるか、または大気より低い濃度において上記標的成分を含んでいる；（ｂ）上記第３のガスの成分と異なる成分のみを含んでいるか、または大気より低い濃度において上記第３のガスの成分を含んでいる、を満たしている。

また、本発明の測定装置において、上記第１のガスは、上記標的成分と異なる成分のみを含んでいることが好ましい。

また、本発明の測定装置において、上記第１のガスは、上記第３のガスの上記構成成分とは異なる成分のみを含んでいることが好ましい。

また、本発明の測定装置において、上記第１のガスは不活性ガスからなることが好ましい。

また、本発明の測定装置において、上記セルの一部は上記温度制御部に収納されていることが好ましい。

上記課題を解決するために、本発明の方法は、上述の測定装置を用いて上記第２の空間に存在している成分を測定する方法であって、上記第２の空間に存在している上記標的成分を検出する工程、および当該工程の検出結果に基づいて上記薄膜材料のガス透過度を決定する工程を包含している。

また、上記方法において、検出する上記工程は、上記第２のガスに含まれている上記薄膜材料を透過する成分、および上記第１のガスに含まれている成分を同時に検出する工程であり、当該工程の検出結果に基づいて上記薄膜材料のガス透過度の測定時における測定条件の適否を評価する工程をさらに包含していることが好ましい。

上記課題を解決するために、本発明の方法は、上述の測定装置を用いて上記第２の空間に存在している成分を測定する方法であって、上記第１のガスに含まれている成分を検出する工程、および当該工程の検出結果に基づいて上記セルの密閉度を決定する工程を包含している。

本発明は、所望の成分を含んでいるガスを用いてセルの周囲を満たすことによって、試験の精度に与える悪影響を低減させ得るか、または当該精度の低下を検出し得るという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る測定装置の構成を示す概略図である。 従来の測定装置の構成を示す概略図である。

添付の図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る測定装置の構成を示す概略図である。図１に示されている測定装置は、薄膜フィルムを透過した成分を高感度に検出するための測定装置である。

〔測定装置１〕
図１に示すように、測定装置１は、容器１１、ガス透過セル（セル）１８、温度制御部１３、および検出器１６を備えている。容器１１は、ガス透過セル１８を収納しており、ガス透過セル１８を大気から遮断している。ガス透過セル１８は、ガス透過度について試験される薄膜材料１４を、上部１８ａおよび下部１８ｂを用いて挟むことによって固定している。したがって、ガス透過セル１８の内部には、薄膜材料１４を境にして空間（第２の空間）１２ａおよび空間（第１の空間）１２ｂが形成されている。ガス透過セル１８の外表面の大部分は、温度制御部１３に覆われている。ガス透過セル１８内の空間１２ａは、管１７ｃを介して検出器１６と連絡している。

容器１１の内部は、ガス供給部（第１のガス供給部）１５ａから第１のガスの供給を受けており、第１のガスは排気口（図１の紙面において左上にある出口）から排出される。つまり、第１のガスは図１に示されている矢印の方向にしたがって容器１１の内部を通過する。ガス透過セル１８の空間１２ｂは、ガス供給部（第２のガス供給部）１５ｂから管１７ａを介して第２のガスの供給を受けており、第２のガスは空間１２ｂから管１７ｄを通って排出される。ガス透過セル１８の空間１２ａは、ガス供給部（第３のガス供給部）１５ｃから第３のガスの供給を受けており、空間１２ａに存在しているガスは、管１７ｃを通って検出器１６に供給される。

ここで、第２のガスに含まれている成分の１種以上が、薄膜材料１４を透過して空間１２ｂから空間１２ａ（図１の紙面における左向きの矢印の方向）に移動する。よって、検出器１６に送られるガスは、第２のガスに含まれている成分の１種以上と第３のガスとの混合物である。つまり、測定装置１は、上述のように、薄膜材料１４のガス透過度を試験する測定装置であるので、試験の原理は、従来公知の測定装置と同じである。よって、通常の薄膜材料のガス透過度試験と同様の条件が、測定装置１を用いた薄膜材料１４のガス透過度の試験に適用され得る。

しかし、上述のように、測定装置１は、ガス透過セル１８が容器１１に収納されて大気から遮断されている点、およびガス透過セル１８が温度制御部１３に覆われている点において、従来技術と明らかに異なっている。図２に示されている一般的な測定装置１００と異なり、測定装置１は、温度制御部１３を用いてガス透過セル１８の温度を直接的に制御している。よって、本発明に係る測定装置１は、従来の測定装置１００のように内部に大気を含んでいるオーブン１０１を使用する必要がないので、ガス透過セル１８を収納する構成を自由に選択し得る。このため、本発明に係る測定装置１は、大気と比べて試験に与える悪影響を低減させ得る気体をガス透過セル１８の周囲（容器１１の内部）に循環させることによって、長時間にわたる試験の精度の向上を実現している。さらに、本発明において、上述のようにガス透過セル１８は直接的に温度制御されているので、ガス透過セル１８の温度を一定に保つことが容易である。よって、本発明に係る測定装置１は、安定した試験環境を長時間にわたって実現し得る。

（第１〜第３のガス）
上記第３のガスは、薄膜材料１４を透過して空間１２ｂから空間１２ａに移動した１種以上の成分を検出器１６に送るための、一般的なキャリアガスである。よって、第３のガスは、薄膜材料１４を透過する度合いについて測定されることが所望されている、第２のガスに含まれている成分（標的成分）を含んでおらず、当該標的成分に影響を与えないガスである。第３のガスとしては、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスおよび酸素、またはこれらの組合せが挙げられる。

上記第１のガスは、仮にガス透過セル１８の内部に侵入した場合でも、大気と比べて試験に与える悪影響を低減させ得る成分および組成を有している。つまり、第１のガスとしては、次の条件（ａ）を満たしているガスが挙げられる。条件（ａ）−１．標的成分と異なる成分のみを含んでいるか、または２．大気より低い濃度において標的成分を含んでいる。条件（ａ）−１．は、標的成分を含んでおらず、ガス透過セル１８内に侵入しても空間１２ａにおける標的成分の存在量を変化させないガスを意味している。条件（ａ）−２．は、標的成分を含んでいるが、ガス透過セル１８内に侵入したときに、空間１２ａにおける標的成分の存在量を変化させる量が、大気と比べて小さくなるガスを意味している。

上記第１のガスとしては、以下の条件（ｂ）をさらに満たしているガスが挙げられる。条件（ｂ）−１．第３のガスの成分と異なる成分のみを含んでいるか、または２．大気より低い濃度において第３のガスの成分を含んでいる。条件（ｂ）−１．は、第３のガスと同じ成分を含んでおらず、ガス透過セル１８内に侵入しても第３のガスの存在量を変化させず、検出器１６において第１のガスのガス透過セル１８内への侵入を検出可能なガスを意味している。条件（ｂ）−２．は、第３のガスと同じ成分を含んでいるが、ガス透過セル１８内に侵入しても空間１２ａにおける第３のガスの存在量を変化させる量が、大気と比べて小さくなるガスを意味している。

以上のことから、条件（ａ）および（ｂ）において、いずれも選択肢１．であることが好ましい。つまり、第１のガスとしては、条件（ａ）および（ｂ）のいずれかにおいて選択肢１．を満たしているガスがより好ましく、条件（ａ）および（ｂ）のいずれにおいても選択肢１．を満たしているガスが最も好ましい。より詳細には、第３のガスは、第１のガスおよび第２のガスと成分が異なるガスであることが最も好ましい。第１のガスがガス透過セル１８内に侵入すると、検出器１６によって第１のガスの成分およびその量が検出される。よって、試験を行いながらガス透過セル１８の密閉度を監視し得るので、試験の精度を確かめながら薄膜材料１４のガス透過度を測定することができる。また、第１のガスの侵入する量にしたがって、試験の条件の良否を判定し得るので、試験の最適化が容易になる。

第１のガスの好適な例としては、キャリアガスである第３のガスと同様に、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスが挙げられる。しかし、上述のように、大気の成分の一部を含んでおり、標的成分の濃度が大気よりも低いガスは、試験の精度を向上させ得るので、第１のガスとして使用可能である。

上記第２のガスは標的成分を含んでいるガスである。第２のガスは、標的成分のみからなるガスである必要はなく、標的成分の含有濃度が一定である混合ガスであれば、検出器１６の検出結果から、薄膜材料１４における標的成分の透過性を逆算し得る。測定装置１において測定可能な標的成分としては、水蒸気、酸素、窒素、ヘリウム、アルゴン、水素、二酸化炭素、一酸化炭素などの無機ガスおよびメタンなどの有機系ガスが挙げられる。

標的成分が水蒸気である場合における第１〜第３のガスの組合せ例は、以下の通り、第１のガス＝アルゴン、第２のガス＝水蒸気および窒素の混合ガス、第３のガス＝窒素である。上記組合せ例において、第１のガスは約９９．９９９９％以上の純度を有していることが好ましく、第２のガスは飽和水蒸気濃度に近い濃度の水蒸気を含んでいることが好ましく、第３のガスは約９９．９９９９５％以上の純度を有していることが好ましい。

これまでとは、逆に第１〜第３のガスに含まれていることが好ましくない成分としては、腐食性ガスなどが挙げられる。腐食性ガスは、ガス透過セル１８内部を腐食させて、試験中にガス透過セル１８に穴を開けたり、耐久性を著しく低下させたりする。

（容器１１）
容器１１は、内部の気密性を維持し得る容器であれば、特に限定されない。容器１１の一例としては、ステンレス鋼から構成されている、高い気密性を有している容器である。

（ガス透過セル１８）
ガス透過セル１８としては、高感度な薄膜材料のガス透過度試験において一般的に使用されるものが挙げられる。ガス透過セル１８の例としては、例えばステンレス鋼製のセルが挙げられる。ここでは、水蒸気の透過性を試験するために適した例を挙げたが、標的成分が他の気体であれば、その気体を検出するために適している公知のセルからガス透過セル１８を適宜選択すればよい。

図１では、空間１２ａから伸びている管１７ｃを通って、標的成分を含んでいるガスが検出器１６に供給され、空間１２ｂから管１７ｄを通って第２のガスが排出されるように描写されている。しかし、ガス透過セル１８の上部１８ａおよび下部１８ｂを入れ替えた構成、および上部１８ａおよび下部１８ｂの側面から管１７ｃおよび１７ｄが伸びている構成などがあり得る。

なお、上述のように、ガス透過セル１８の温度は、温度制御部１３によって直接的に制御される。したがって、図１には特に図示していないが、ガス透過セル１８の温度を検出する温度センサーは、ガス透過セル１８の外部の表面に接して設けられている。これと同様に、図１には特に図示していないが、ガス透過セル１８の温度を検出する温度センサーは、ガス透過セル１８の内部の表面に接して設けられている。

（温度制御部１３）
温度制御部１３は、ガス透過セル１８の少なくとも一部と接することによって、ガス透過セル１８の温度を直接的に制御可能なものであれば、特に限定されない。温度制御部１３の一例としては、市販のマントルヒータが挙げられる。温度制御部１３として容易に変形するマントルヒータを用いれば、ガス透過セル１８のほぼ全体を容易に覆うことができる。よって、マントルヒータは、ガス透過セル１８の温度を適切に制御し得る好ましい一例である。温度制御部１３として使用可能なマントルヒータは、例えば、使用するガス透過セル１８に応じて市販品を適宜改良したものである。なお、図１から明らかなように、温度制御部１３は、ガス透過セル１８を覆う構成であり、空間１２ａおよび空間１２ｂに接して設けられる構成ではない。

（薄膜材料１４）
薄膜材料１４は、例えば、薄膜ガラスフィルム、有機ＥＬデバイス用のハイバリア膜のような表面薄膜コーティングフィルム、太陽電池のバックシート用フィルムのような高温下において用いられるフィルム、食品もしくは薬品の包装用フィルム、および半導体材料用フィルムが挙げられる。

（第１〜第３のガス供給部１５ａ〜ｃ）
第１〜第３のガス供給部１５ａ〜ｃは、従来公知の構成であり、特に限定されるものではない。第１〜第３のガス供給部１５ａ〜ｃは、例えば高圧の高純度ガスを充填したボンベを減圧弁と組み合わせた構成であり得る。

なお、図１において第２および第３のガス供給部１５ｂおよび１５ｃは、容器１１の内部に配置されている。しかし、管１７ａおよび１７ｂを容器１１の外部まで引き出すことによって、第２および第３のガス供給部１５ｂおよび１５ｃを容器１１の外部に配置し得る。第２および第３のガス供給部１５ｂおよび１５ｃを容器１１の外部に配置することによって、容器１１として容積のより小さいものを選択し得るので、好ましい。

また、図１には特に示していないが、管１７ａ〜１７ｄは、圧力を制御するか、またはガスの流れ制御するバルブ、管１７ａ〜１７ｄ内の湿度を検出するセンサー、ならびに湿度を制御する吸湿部などを必要に応じて備えている。

（検出器１６）
検出器１６は、気体を成分ごとに検出可能な従来公知の機器であれば、特に限定されない。公知の検出器１６の種類は、検出の原理に応じて多岐にわたっているが、標的成分の気体に応じて適宜選択され得る。標的成分が水蒸気である場合の検出器１６の例は、露点計、質量分析器、感湿センサー、クーロメトリック検出器である。

以上のように、本発明の測定装置１は、ガス透過セル１８が大気にさらされている場合と比べて、高感度なガス透過度試験における測定結果の精度を向上させ得る。ここでは、測定装置１が薄膜フィルムを透過した成分を高感度に検出するための測定装置として説明しているが、上述したように、測定装置１は、ガス透過度試験を実施しながら、第１のガスを検出することによってガス透過セル１８の密閉度を決定可能である。よって、測定装置１は、ガス透過度試験の精度を監視しながら、ガス透過度試験を行うことによって、得えられた薄膜材料１４のガスの透過性が信頼し得るか否かを判定することができる。さらに、得えられた薄膜材料１４のガスの透過性が信頼し得るか否かの判定結果に基づいて、試験条件の最適化を実施し得る。

〔測定方法〕
上述のように、測定装置１を用いれば、種々の気体について薄膜材料１４のガス透過度を高感度に測定することができる。また、それぞれが異なる成分を含んでいる第１のガス、第２のガスおよび第３のガスを選択して、測定装置１を用いれば、ガス透過セル１８の密閉度、つまり内部に第１のガスが侵入していることや、これと同時にガス透過セル１８の外部にガスが漏れているか否かを定量的に検出することができる。よって、測定装置１を用いて、薄膜材料１４のガス透過度およびガス透過セル１８の密閉度を同時に調べることによって、薄膜材料１４のガス透過度の測定時における測定条件の適否を評価することができる。

以上において測定装置１を用いた３通りの方法を説明した。これらの方法は、以下のように実施される。

（薄膜材料１４のガス透過度の測定方法）
測定装置１を用いたガス透過度の測定方法は、空間１２ｂに存在している成分を測定する方法である。当該方法は、空間１２ｂに存在している上記標的成分を検出する工程、および当該工程の検出結果に基づいて上記薄膜材料のガス透過度を決定する工程を包含している。この方法は、測定装置１の使用方法として最も一般的であり、〔測定装置１〕における記載を参照すれば、容易に実施し得る。

（ガス透過セル１８の密閉度の測定方法）
測定装置１を用いたガス透過セル１８の密閉度の測定方法は、ガス透過度の測定方法と同様に、空間１２ｂに存在している成分を測定する方法である。当該方法は、第１のガスに含まれている成分を検出する工程、および当該工程の検出結果に基づいて上記セルの密閉度を決定する工程を包含している。

この方法において、通常のガス透過度の試験と異なっているのは、ガス透過セル１８の外部に存在している気体の成分を検出する点である。ガス透過セル１８の密閉度が十分に高い状態であれば、第１のガスの成分は検出されない。薄膜材料１４の破損などによって、ガス透過セル１８の密閉度が低下すると、第１のガスの成分が検出される。つまり、検出器１６が、第１のガスの成分に対応する有意に大きな検出結果を示している場合、ガス透過セル１８の不良な状態が定量的に判定できる。

（ガス透過度の測定条件の適否を判定する方法）
測定装置１を用いたガス透過度の測定条件の適否を判定する方法は、ガス透過度の測定方法と同様に、空間１２ｂに存在している成分を測定する方法である。当該方法は、上記第２のガスに含まれている薄膜材料１４を透過する成分、および第１のガスに含まれている成分を同時に検出する工程、ならびに当該工程の検出結果に基づいて薄膜材料１４のガス透過度の測定時における測定条件の適否を評価する工程を包含している。

この方法は、上述の２つの方法を組み合わせたものである。

本発明は、種々の薄膜材料のガス透過度試験に利用することができる。

１ 測定装置
１１ 容器
１２ａ 空間（第２の空間）
１２ｂ 空間（第１の空間）
１３ 温度制御部
１４ 薄膜材料
１５ａ〜ｃ ガス供給部（第１〜３のガス供給部）
１６ 検出器
１７ａ〜ｄ 管
１８ ガス透過セル（セル）
１８ａ 上部
１８ｂ 下部

Claims (8)

1. 薄膜材料を挟んでいるときに対向する第１の空間および第２の空間を形成するセルを備えており、上記薄膜材料を透過して上記第１の空間から上記第２の空間に移動する気体の標的成分を測定する測定装置であって、
   上記セルに接して設けられている、当該セルの温度を制御する温度制御部、
   上記セルおよび温度制御部を収納している容器、
   上記容器の内部に第１のガスを供給する第１のガス供給部、
   上記標的成分を含んでいる第２のガスを上記第１の空間に供給する第２のガス供給部、ならびに
   キャリアガスとしての第３のガスを上記第２の空間に供給する第３のガス供給部をさらに備えており、
   上記第３のガスが、上記標的成分とは異なる成分のみを含んでおり、
   上記第１のガスが、以下の（ａ）および（ｂ）の条件：
   （ａ）上記標的成分と異なる成分のみを含んでいるか、または大気より低い濃度において上記標的成分を含んでいる；
   （ｂ）上記第３のガスの成分と異なる成分のみを含んでいるか、または大気より低い濃度において上記第３のガスの成分を含んでいる、
   を満たしている、測定装置。
2. 上記セルの一部が上記温度制御部に収納されている、請求項１に記載の測定装置。
3. 上記第１のガスが、上記標的成分と異なる成分のみを含んでいる、請求項１または２に記載の測定装置。
4. 上記第１のガスが、上記第３のガスの成分とは異なる成分のみを含んでいる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の測定装置。
5. 上記第１のガスが不活性ガスからなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の測定装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の測定装置を用いて上記第２の空間に存在している成分を測定する方法であって、
   上記第２の空間に存在している上記標的成分を検出する工程、および
   当該工程の検出結果に基づいて上記薄膜材料のガス透過度を決定する工程を包含している、方法。
7. 検出する上記工程が、上記第２のガスに含まれている上記薄膜材料を透過する成分、および上記第１のガスに含まれている成分を同時に検出する工程であり、当該工程の検出結果に基づいて上記薄膜材料のガス透過度の測定時における測定条件の適否を評価する工程をさらに包含している、請求項６に記載の方法。
8. 請求項３に記載の測定装置を用いて上記第２の空間に存在している成分を測定する方法であって、
   上記第１のガスに含まれている成分を検出する工程、および
   当該工程の検出結果に基づいて上記セルの密閉度を決定する工程を包含している、方法。

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