JP2005249569A - 薄膜付着強度評価方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、基材上の薄膜の付着強度の環境条件による劣化程度を短時間で感度よく検出可能な薄膜付着強度評価方法および装置を提供する。
【解決手段】片面に薄膜３を形成した基材２からなる試験片（複合材料）１に引っ張り歪みを加える試験機と薄膜３に表れる破壊を観察し、その画像を出力する顕微鏡観察手段と、前記画像を解析して基材２に対する薄膜３の付着強度を求める処理系とを備えた薄膜付着強度評価装置５により薄膜３の付着強度評価方法であって、前記薄膜３面に液体４を接触保持した状態で、該薄膜３に引っ張り方向と垂直な縦筋状のクラック破壊２１及び引っ張り方向と平行な横筋状のバックリング破壊２２を生ぜしめる第１の手順と、前記バックリング破壊２２の画像を出力する第２の手順と、該バックリング破壊２２を解析して薄膜３の付着強度を求める第３の手順とを行うことを特徴とする薄膜付着強度評価方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、基材上に作成された任意の厚みの薄膜の、液体中における付着強度の変化を、直ちに、且つ、精度よく評価する薄膜付着強度評価方法及び装置に関する。

近年の成膜技術の急速な進歩により、各産業界において、高分子等からなる延性の基材（フィルム）上にセラミックスなどからなる脆性の薄膜を形成した複合材料が多く使われている。

この複合材料に共通して要求される基本的性能として、前記薄膜が使用中の変形や外力により、または、使用されている環境条件の影響により基材から剥離しないことである。

このため、前記複合材料は、その薄膜の付着強度の測定や評価を行うことが不可欠となっている。

特に、製造プロセス中や製品として使用される環境において、薄膜が曝される、液体や雰囲気に対する付着強度耐性が求められている。

しかしながら、特に、環境中の雰囲気による付着強度への影響を調べる場合、試験片（複合材料）を長時間液体中、あるいは雰囲気環境下に保管した後にはく離試験を実施するため、製造した製品を直ちに評価することは困難であった。

薄膜の付着強度を評価するための従来技術としては、剥離試験による方法やスクラッチ法が挙げられる。

剥離試験による評価方法は、薄膜上にテープを接着したり、又は別のフィルムをラミネートして前記テープ又はフィルムを薄膜から剥離させてその際に生ずる剥離力により薄膜の付着強度を測定、評価するものである。

一方、スクラッチ法は、薄膜を微細な針で引っ掻き、薄膜を剥がし、その表面状態から付着強度を求めるものである。

前記の剥離試験による薄膜の付着強度の評価方法は、テープを薄膜に接着する場合の接着力やフィルムのラミネートの条件を常に一定にする必要があるが、実際上これ等は困難である。

また、スクラッチ法では、針の押しつけ方や引っ掻き方により複合材料が変形し易く、定量的な付着強度の評価が難しく、特に脆性薄膜を形成した複合材料では変形が大きく、解析が複雑となる問題点がある。

一方、上記従来技術のようにテープやラミネートフィルムおよび針による引っ掻き等の不安定要素となるものを使用せずとも、付着強度の評価が可能な方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この方法は、薄膜／基材からなる複合材料に引っ張り荷重を加え、一般的に薄膜のポアッソン比が基材のそれよりも小さい事により生ずる、引っ張り方向と直交する方向（幅方向）への圧縮力により、薄膜を座屈剥離させることによって付着強度の良否を評価するも
のである。

従来技術のように不安定要素となるものを使用しないため安定性、再現性に優れた方法であるが、環境条件による付着強度の劣化を調べる場合には、従来技術と同様に、試験片を長時間液体、雰囲気環境下に保管する必要がある。

以上のように、基材上に作成された任意の厚みの薄膜の、液体中における付着強度の変化を短時間で感度良く評価する完全な方法がないのが現状である。

以下に先行技術文献を示す。
特開平１０−３３２５６０号公報

本発明は、以上の事情に鑑みて創案されたものであり、その目的とするところは、基材上に作成された任意の厚みの薄膜の付着強度の環境条件による劣化、特に、各種液体や雰囲気に対する劣化程度を短時間で感度よく検出可能な薄膜付着強度評価方法および装置を提供することである。

本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、本発明の請求項１に係る発明は、片面に薄膜３を形成した基材２からなる試験片（複合材料）１に引っ張り歪みを加える引張り試験機と薄膜３に表れる破壊を観察し、その画像を出力する顕微鏡観察手段と、前記画像を解析して基材２に対する薄膜３の付着強度を求める処理系とを備えた薄膜付着強度評価装置５により薄膜３の付着強度を評価する方法であって、前記試験片１の薄膜３面に液体４を接触保持した状態で、前記試験機により、前記試験片１に引っ張り歪みを徐々に加えて該薄膜３に引っ張り方向と垂直な縦筋状のクラック破壊２１及び引っ張り方向と平行な横筋状のバックリング破壊２２を生ぜしめる第１の手順と、引っ張り歪みの印加中に生じた前記バックリング破壊２２の画像を前記顕微鏡観察手段を用いて出力する第２の手順と、前記処理系により該顕微鏡観察手段から出力された前記画像に含まれる前記バックリング破壊２２を解析して引っ張り歪みに対する依存性から薄膜３の付着強度を求める第３の手順とを行うことを特徴とする薄膜付着強度評価方法である。

本発明の請求項２に係る発明は、請求項１記載の薄膜付着強度評価方法において、前記第３の手順が、特定の歪みにおける、前記画像中に含まれる前記バックリング破壊２２のはくり長さ２３を計測してその大小により付着強度を求めるものであることを特徴とする請求項１に記載の薄膜付着強度評価方法である。

本発明の請求項３に係る発明は、請求項１記載の薄膜付着強度評価方法において、前記第３の手順が、特定の歪みにおける、前記画像中に含まれる前記バックリング破壊２２のはくり面積を計測してその大小により付着強度を求めるものであることを特徴とする請求項１に記載の薄膜付着強度評価方法である。

本発明の請求項４に係る発明は、前記薄膜付着強度評価装置５において、前記試験片１の薄膜３面に液体４を接触保持した状態を実現するため、前記引張り試験機は、液体４中で前記試験片１に引張り歪みを加える機能を有し、前記顕微鏡観察手段は液体４中において前記薄膜３に発生したクラック破壊２１、およびバックリング破壊２２をその場で観察、出力する機能を持つことを特徴とする薄膜付着強度評価装置である。

本発明の請求項１に記載の薄膜付着強度評価方法によれば、従来技術のように、付着強度の使用環境、特に液体の影響を見るために、長時間、液体や雰囲気に保管する事なしに、基材上に作成された薄膜の液体中における付着強度の変化を、直ちに且つ精度よく評価することができるし、また、バックリング破壊を基本とする評価方法のため、あらゆる薄膜製品に適用することができる。

また、本発明の請求項２に記載の薄膜付着強度評価方法によれば、バックリング破壊のはく離長さの大小によって付着強度を評価するため、定量的な評価が行える。

さらに、本発明の請求項３に記載の薄膜付着強度評価方法によれば、バックリング破壊のはく離面積を基にして付着強度の評価が行われるため、比較的近似する付着強度の複合材料の付着強度の差を正確に求めることができる。

またさらに、本発明の請求項４に記載の薄膜付着強度評価装置により、試験片の薄膜面に液体を接触保持した状態を実現するため、引張り試験機は、液体中で該試験片に引張り歪みを加える機能を有し、顕微鏡観察手段は液体中において薄膜に発生したクラック破壊、およびバックリング破壊をその場で観察、出力する機能を持つことができる。

以下、本発明の薄膜強度評価装置及び方法の実施の形態を図１から図５を参照して詳述する。

図１は本発明に係る薄膜付着強度評価装置の全体構成図であり、図２は本発明に係る薄膜付着強度評価装置の別の全体構成図であり、図３は本発明に係る引張り試験中の複合材料の引張り状態、圧縮状態を示す模式図であり、図４は本発明に係る引張り荷重を加えることにより薄膜の表面に生じたクラック破壊およびバックリング破壊を示す平面図で、（ａ）は空気中での測定結果であり、（ｂ）は液体中での測定結果であり、図５は本発明に係る薄膜付着強度評価方法による成膜方法がことなる試料の大気中と水中でのバックリングはく離長さの平均値と歪みとの関係を示す図である。

まず、本発明の対象となる複合材料１は、基材２と、薄膜３とからなり、該基材２は、例えばポリエチレン等の樹脂フィルムからなり、薄膜３は、例えばセラミックスやガラス等の脆性体からなる。

但し、本発明は金属やプラスチック等の弾塑性体からなる薄膜３の付着強度評価にも適用できる。

図１に示すように、本発明の薄膜強度評価装置５は、片面に薄膜３を形成した基材２からなる試験片（複合材料）１に引っ張り歪みを加える試験機と光学顕微鏡１６と該光学顕微鏡１６に連結するＣＲＴ１７やコンピュータ１３などの処理系から構成されている。

先ず、試験片１を引っ張る試験機の構造を説明する。

試料である試験片（複合材料）１は、薄膜３面を上にして両端を把持具６、７により把持され、その試験片１を把持した後、薄膜３面の顕微鏡観察領域に付着強度耐性を評価する液体４を滴下する。

前記片方の把持具６は、例えば、試験片１の長手方向に沿って移動するパルスモータ駆動のステージ８上に連結され、他方の把持具７はロードセル９に連結される。

前記ステージ８およびロードセル９は、ベッド１０上に支持され、該ステージ８にはステージコントローラ１１が連結され、該ステージ８を往復動させる。

また、ロードセル９には電圧計１２が連結され、該ロードセル９で計測した引っ張り力をそれに相当する電圧に変換する。

前記ステージコントローラ１１および電圧計１２はコンピュータ１３に連結される。

次に、顕微鏡観察手段は、例えば、対物レンズ１４とＣＣＤカメラ１５等からなる光学顕微鏡１６が使用されるが、液体４越しに薄膜３に現われたバックリング破壊２２を観察するため、液侵型の対物レンズ１４を使用し、試験片（複合材料）１の薄膜３上面に滴下した液体４に直接対物レンズ１４を接触させる。

処理系は、光学顕微鏡１６に連結するＣＲＴモニタ１７やコンピュータ１３等からなり、ＣＲＴモニタ１７にはビデオカセットレコーダ（ＶＣＲ）１８が付設され、ＶＣＲ１８にはビデオのコントロールを行うビデオタイマ１９が付設される。

以上の構成により、ステージコントローラ１１によりステージ８を駆動すると試験片１に引っ張り力が作用し、その引っ張り力はロードセル９で検出され、電圧計１２を介してコンピュータ１３に入力される。

また、ステージコントローラ１１の移動量は試験片１の歪み量に相当し、コンピュータ１３に入力される。

試験片１に引っ張り力が作用すると、ポアッソン効果により、図３に示したように、試験片１の引っ張り方向（紙面に垂直な方向）と直交する幅方向（矢印で示す）に圧縮力が作用する。

しかし、引っ張りの初期段階では、この力はそれほど大きくなく、直ちにバックリング破壊２２は発生しない。

また、薄膜３に破壊が生じていない状態では、薄膜３と基材２との界面に液体が侵入することは少ないので、付着強度は変化していない。

最初の破壊は１〜２％程度の比較的低い歪みにおいて、引っ張り方向に垂直に生じるクラックである。

この時、クラックの開口部には新たな空間が発生し、それを満たすべく開口部分に急速に液体４は流れ込み、その結果、薄膜３と基材２との界面にも急速に液体４が侵入する。

この液体４の侵入により薄膜３と基材２間の付着強度が低下した場合、薄膜３は圧縮力に耐えきれずにはく離し、所謂バックリング破壊２２が現われる。

前記クラック破壊２１やバックリング破壊２２は、光学顕微鏡１６により撮像され、その画像は電気的に変換され、コンピュータ１３に入力されると共にＣＲＴモニタ１７に表示される。

また、コンピュータ１３にはロードセル９に連結する電圧計１２を介して試験片１に加えられた引っ張り荷重が入力されると共に、ステージコントローラ１１を介し、試験片１
の歪み量に相当する移動量が入力される。

更に、コンピュータ１３には、前記クラック破壊２１やバックリング破壊２２の拡大画像が光学顕微鏡１６を介して入力される。

以上により、コンピュータ１３は試験片１のある歪み量における引っ張り力の値や、その引っ張り力によって生じた前記クラック破壊２１やバックリング破壊２２の状態がすべて入力され、次の規準による付着強度の評価が行われる。

即ち、試験片（複合材料）１の基材２に対する薄膜３の付着強度が液体４により劣化する場合、バックリング破壊２２が発生するひずみは、液体４がない場合に比べて小さくなる。

また、液体４の侵入により付着強度が減少した結果、一つのバックリング破壊２２部分でのはく離が進展し、はく離長さ２３は長くなる。

従って、バックリング破壊２２のはく離長さ２３は、液体４がない場合に比べて長ければ、付着強度の劣化が生じたと判断する。

また、基材２からの圧縮力が薄膜３に伝達されなくなるため、バックリング破壊２２の数は液体４がない場合に比べて減少する。

図４は、一定の面積の試験片（複合材料）１に矢印方向に沿って引っ張り力を加えた場合に薄膜３の表面に生じたクラック破壊２１とバックリング破壊２２の具体例を示すものである。

前記したように、付着強度は顕微鏡視野面積内におけるバックリング破壊２２の発生する歪みや、はく離長さ２３、または、はく離面積を計測することにより求められ、この演算は画像処理に基づきコンピュータ１３により行われる。

なお、試験片（複合材料）１の薄膜３に液体４を接触させる手段として、図２に示すように、試験片（複合材料）１を引っ張る試験機において、試験片（複合材料）１および、各々の把持具６、７は、小型の液体４が漏れない容器中２０に配置されてもよい。

以下に、本発明の薄膜付着強度評価方法による複合材料１の付着強度を評価する具体的実施例を挙げて、さらに詳細に説明する。

まず、本試験片１の基材２は１００μｍの厚みのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムが用いられ、薄膜３は、厚さ１００ｎｍの金属酸化物を蒸着法により成膜したものと、スパッタ法により成膜したものの２種類を用意して、また、液体４としては蒸留水を用いた。

図５は、本試験片１における、バックリング破壊２２の個数を比較表示した線図であり、横軸は歪み量（％）を示し、縦軸は１６７μｍ×１２５μｍの領域に生じたバックリング破壊２２のはく離長さ２３の平均値を表示するものである。

また、図において○印は大気中における蒸着膜試験片１、●は水中における蒸着膜試験片１、△印は大気中におけるスパッタ膜試験片１、▲印は水中におけるスパッタ膜試験片１を各々示す。

図示されていないが、引っ張り荷重が加えられると、まず、クラック破壊２１が２％歪みの付近から発生し、３〜４％歪みのあたりで飽和し、飽和後においてはいずれの試験片１もクラック破壊数は大差がない状態であった。

クラック破壊２１が飽和した５％歪みのあたりから、バックリング破壊２２が発生し、図示のように大気中で測定した○印および△印の２つの試験片１では、バックリング破壊２２のはく離長さ２３は非常に小さく、付着強度が高い事が分かる。

一方、水中で測定した蒸着膜試験片１●のはく離長さ２３はかなり大きくなっており、付着強度の劣化が生じていることが分かる。

一方、スパッタ膜試験片１▲では、水中でもはく離長さ２３に顕著な変化は見られないことから、付着強度の劣化はほとんどないものと考えられた。

このように蒸着膜に比べ、スパッタ膜の方が付着強度の劣化度合いが小さかった理由としては、成膜時、スパッタの方が、粒子のエネルギーが高く、そのため基材２との相互作用量も大きいため劣化しにくかったのではないかと考えられる。

本実施例において、蒸着膜試験片１では、水中で測定した方が、空気中で測定した場合に比べ、はく離長さ２３が明確に大きくなっており、付着強度の低下が認められた。

従って、本発明による付着強度評価装置及び方法を用いた付着強度の評価は信頼し得るものである。

また、以上の説明では、バックリング破壊２２のはく離面積については具体的に説明していないが、図４の画像からバックリング破壊２２の全はく離面積を求めることは現在の画像処理技術により容易に実施できる。

本発明に係る薄膜付着強度評価装置の全体構成図である。 本発明に係る薄膜付着強度評価装置の別の全体構成図である。 本発明に係る引張り試験中の複合材料の引張り状態、圧縮状態を示す模式図である。 本発明に係る引張り荷重を加えることにより薄膜の表面に生じたクラック破壊およびバックリング破壊を示す平面図で、（ａ）は空気中での測定結果であり、（ｂ）は液体中での測定結果である。 本発明に係る薄膜付着強度評価方法による成膜方法がことなる試料の大気中と水中でのバックリングはく離長さの平均値と歪みとの関係を示す図である。

符号の説明

１・・・試験片（複合材料）
２・・・基材
３・・・薄膜
４・・・液体
５・・・薄膜付着強度評価装置
６・・・把持具
７・・・把持具
８・・・ステージ
９・・・ロードセル
１０・・・ベッド
１１・・・ステージコントローラ
１２・・・電圧計
１３・・・コンピュータ
１４・・・対物レンズ
１５・・・ＣＣＤカメラ
１６・・・光学顕微鏡
１７・・・ＣＲＴモニタ
１８・・・ビデオセットレコーダ（ＶＣＲ）
１９・・・ビデオタイマ
２０・・・容器
２１・・・クラック破壊
２２・・・バックリング破壊
２３・・・はく離長さ

Claims (4)

1. 片面に薄膜を形成した基材からなる試験片（複合材料）に引っ張り歪みを加える引張り試験機と薄膜に表れる破壊を観察し、その画像を出力する顕微鏡観察手段と、前記画像を解析して基材に対する薄膜の付着強度を求める処理系とを備えた薄膜付着強度評価装置により薄膜の付着強度を評価する方法であって、前記試験片の薄膜面に液体を接触保持した状態で、前記試験機により、前記試験片に引っ張り歪みを徐々に加えて該薄膜に引っ張り方向と垂直な縦筋状のクラック破壊及び引っ張り方向と平行な横筋状のバックリング破壊を生ぜしめる第１の手順と、引っ張り歪みの印加中に生じた前記バックリング破壊の画像を前記顕微鏡観察手段を用いて出力する第２の手順と、前記処理系により該顕微鏡観察手段から出力された前記画像に含まれる前記バックリング破壊を解析して引っ張り歪みに対する依存性から薄膜の付着強度を求める第３の手順とを行うことを特徴とする薄膜付着強度評価方法。
2. 前記第３の手順が、特定の歪みにおける、前記画像中に含まれる前記バックリング破壊のはくり長さを計測してその大小により付着強度を求めるものであることを特徴とする請求項１に記載の薄膜付着強度評価方法。
3. 前記第３の手順が、特定の歪みにおける、前記画像中に含まれる前記バックリング破壊のはくり面積を計測してその大小により付着強度を求めるものであることを特徴とする請求項１に記載の薄膜付着強度評価方法。
4. 前記薄膜付着強度評価装置において、前記試験片の薄膜面に液体を接触保持した状態を実現するため、前記引張り試験機は、液体中で前記試験片に引張り歪みを加える機能を有し、前記顕微鏡観察手段は液体中において前記薄膜に発生したクラック破壊、およびバックリング破壊をその場で観察、出力する機能を持つことを特徴とする薄膜付着強度評価装置。

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