JP2006225711A - Apparatus for forming carbon film and method for manufacturing vessel having inner face coated with carbon film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば樹脂等の容器等において軟質で透明性の高いガスバリヤ性を有する炭素膜形成装置及び内面炭素膜被覆容器の製造方法に関する。 The present invention relates to a carbon film forming apparatus having a gas barrier property that is soft and highly transparent in a container such as a resin, and a method for manufacturing an inner surface carbon film coated container.
近年、プラスチック容器の一つである例えばペット(PET)ボトルは、外部からの酸素の透過、内部(例えば炭酸飲料水)からの二酸化炭素の透過を防止するためにその内面に例えばDLC(Diamond Like Carbon)のような硬質の炭素膜をコーティングすることが試みられている(特許文献1、2)。
In recent years, for example, a PET (PET) bottle, which is one of plastic containers, has a DLC (Diamond Like) on its inner surface in order to prevent the permeation of oxygen from the outside and the permeation of carbon dioxide from the inside (for example, carbonated drinking water). Attempts have been made to coat a hard carbon film such as Carbon) (
高周波プラズマCVDを用いたプラスチック容器への炭素膜コーティングする基本的な発明である前記特許文献2にかかる装置について、図8を参照して説明する。図8はこの公報に記載されている高周波プラズマCVDを用いたプラスチック容器への炭素膜コーティング装置の断面図である。
An apparatus according to
図8に示すように、基台3上に載置され、上下端にフランジ1a,1bを有し、アースシールドを兼ねる筒状支持部材2と、該筒状の筒状支持部材2内に配設されてなり、内部に容器Bを収納可能な空間を有する外部電極本体4及び外部電極底部材5とからなる有底筒状の外部電極6と、前記基台3と前記外部電極部材5の間に配置されている平板状誘電体部材7と、前記外部電極6上面にその上面が前記筒状支持部材2の上部フランジ1aと面一になるように載置されてなる筒状誘電体部材8と、前記筒状支持部材2の上部フランジ1aに螺着され、上下にフランジ9a,9bを有するガス排気管10と、前記上フランジ9aに取り付けられて内部を閉塞すると共に、設置側に接続されてなる蓋体12と、前記外部電極6に、例えば周波数13.56MHzの高周波電力をケーブル14、整合器16及び給電端子15を通して供給する高周波電源13とを具備するものである。
ここで、前記外部電極6は、金属製の外部電極本体4と、該外部電極本体4の底部に着脱可能かつシール可能に取り付けられている平板状をなす金属製の外部電極底部材5とから構成されている。
また、前記外部電極底部材5、前記平板状誘電体部材7および前記基台3は図示しないプッシャーにより前記外部電極本体4に対して一体的に上下動し、前記外部電極本体4の底部を開閉する。
As shown in FIG. 8, a
Here, the
Further, the external
また、図8に示すように、内部に挿入される容器Bの口部および肩部に対応する空洞部を有する誘電体材料からなる筒状スペーサ31は、前記外部電極6における前記本体4の上部に挿入されている。このスペーサ31は、この上に載置される後述する筒状誘電体部材8から螺着されたねじ(図示せず)により固定されている。このように筒状スペーサ31を前記外部電極6における前記本体4の上部に挿入固定することにより、前記外部電極本体4の底部側から容器Bを挿入すると、その容器Bの口部および肩部が前記スペーサ31の空洞部48内に、これ以外の容器B部分が前記外部電極6内に収納される。
前記スペーサ31を構成する誘電体材料としては、例えばプラスチックまたはセラミックを挙げることができる。プラスチックとしては、種々のものを用いることができるが、特に高周波損失が低く、耐熱性の優れたポリテトラフルオロエチレンのようなフッ素系樹脂が好ましい。セラミックとしては、高周波損失が低いアルミナ、ステアタイトまたは機械加工性が高いマコールが好ましい。
Also, as shown in FIG. 8, a
Examples of the dielectric material constituting the
また、分岐ガス排気管11は、前記ガス排気管10の側壁に連結され、その他端に図示しない真空ポンプのような排気設備が取り付けられている。
The branch
このような構成の装置を用いてボトルへ炭素膜をコーティングする方法について説明する。 A method for coating a carbon film on a bottle using the apparatus having such a configuration will be described.
まず、外部電極6の外部電極本体4内に容器Bを挿入し、その後、外部電極6内のガスをガス排気管11から排気する。この時、前記外部電極6に収納した容器B内外の空間のガスが排気される。規定の真空度(代表値:10-2〜10-5Torr)に到達した後、媒質ガス(例えばメタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン等のアルカン類;エチレン、プロピレン、ブテン、ペンテン、ブタジエン等のアルケン類;アセチレン等のアルキン類;ベンゼン、トルエン、キシレン、シクロヘキサン等の脂肪族炭化水素類等)をガス供給管17から内部電極18に供給し、さらに内部電極18のガス吹き出し管20を通して容器B内に吹き出す。前記容器B内の圧力は、ガス供給量と排気量のバランスによって例えば2×10-1〜1×10-2Torrに設定する。その後、高周波電源13から50〜1000Wの高周波電力を整合器16および給電端子15を通して外部電極6に印加する。
First, the container B is inserted into the
このような高周波電力の外部電極6への印加によって、前記外部電極6と内部電極18との間にプラズマが生成される。この時、容器Bは外部電極6と筒状スペーサ31からなる空間にほぼ隙間無く収納されているため、プラズマは容器B内に発生する。前記媒質ガスは、前記プラズマによって解離、又は更にイオン化して、炭素膜を形成するための成膜種が生成され、この成膜種が前記容器B内面に堆積し、硬質なDLC膜を形成する。該硬質なDLC膜を所定の膜厚まで形成した後、高周波電力の印加を停止し、媒質ガス供給の停止、残留ガスの排気、窒素、希ガス、又は空気等を外部電極6内に供給し、この空間内を大気圧に戻す。この後、前記容器Bを外部電極6から取り外す。なお、この方法において炭素膜を厚さ30nm成膜するには1〜3秒間要する。
By applying such high frequency power to the
しかしながら、例えばペットボトル等の容器に成膜された膜は硬質のDLC膜であるので、落下などによるボトルの大変形時に、その変形量に追従しきれずクラックが発生する、と言う問題がある。また、硬質のDLCは着色してしまい、見栄えの良いガスバリヤ性を有するボトルを形成することができない、という問題がある。
よって、容器にコーティングされる炭素膜は軟質の方が好ましい。また、近年の飲料製品の多様化に鑑み、透明性の高い炭素膜でガスバリヤ性を有する容器の出現が望まれている。
However, since the film formed on a container such as a PET bottle is a hard DLC film, there is a problem that when the bottle is largely deformed due to dropping or the like, the amount of deformation cannot be followed and cracks occur. Moreover, hard DLC will be colored and there exists a problem that the bottle which has the gas barrier property with a good appearance cannot be formed.
Therefore, the carbon film coated on the container is preferably soft. In view of the diversification of beverage products in recent years, the appearance of a container having gas barrier properties with a highly transparent carbon film is desired.
本発明は、前記問題に鑑み、炭素膜の着色が低減され、より軟質で透明性の高いガスバリヤ性を有する炭素膜形成装置及び内面炭素膜被覆容器の製造方法を提供することを課題とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a carbon film forming apparatus and an inner surface carbon film coated container manufacturing method that have a gas barrier property that is less colored and is softer and more transparent.
上述した課題を解決するための本発明の第1の発明は、被処理物である容器が挿入された時に、該容器の外周を取り囲む大きさを有する外部電極と、前記容器の口部が位置する側の前記外部電極の端面に誘電体部材を介して取り付けられた排気管と、前記排気管に取り付けられた排気手段と、前記容器に媒質ガスを供給するためのガス供給手段と、前記外部電極に接続された高周波電源とを具備し、前記外部電極は、アースとの間をコイルで直流的に短絡してなることを特徴とする炭素膜形成装置にある。 According to a first aspect of the present invention for solving the above-described problem, an external electrode having a size surrounding the outer periphery of the container and a mouth portion of the container are positioned when a container as an object to be processed is inserted. An exhaust pipe attached to the end face of the external electrode on the side to be connected via a dielectric member, an exhaust means attached to the exhaust pipe, a gas supply means for supplying a medium gas to the container, and the external The carbon film forming apparatus includes a high frequency power source connected to an electrode, and the external electrode is DC short-circuited to a ground with a coil.
第2の発明は、第1の発明において、前記コイルのインピーダンスは、放電インピーダンスの9倍以上であることを特徴とする炭素膜形成装置にある。 A second invention is the carbon film forming apparatus according to the first invention, wherein the impedance of the coil is 9 times or more of a discharge impedance.
第3の発明は、第1の発明において、前記外部電極内の前記容器内に前記排気管側から挿入され、接地側に接続される内部電極を有することを特徴とする炭素膜形成装置にある。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the carbon film forming apparatus according to the first aspect, further comprising an internal electrode inserted into the container in the external electrode from the exhaust pipe side and connected to the ground side. .
第4の発明は、第3の発明において、前記内部電極がガス供給手段を兼ねることを特徴とする炭素膜形成装置にある。 A fourth invention is the carbon film forming apparatus according to the third invention, wherein the internal electrode also serves as a gas supply means.
第5の発明は、第1の発明の炭素膜形成装置を用いて被処理物に炭素膜を被覆するにあたり、(a)被処理物である容器を、外部電極内に挿入する工程と、(b)前記容器内外のガスを排気管手段により前記排気管を通して排気した後、前記容器に媒質ガスをガス供給手段により供給し、前記容器内を所定のガス圧力に設定する工程と、(c)高周波電源から高周波電力を前記アースとの間をコイルで直流的に短絡してなる外部電極に供給し、前記容器内にプラズマを生成させ、このプラズマにより前記媒質ガスを解離させて前記容器内面に炭素膜をコーティングする工程とを含むことを特徴とする内面炭素膜被覆容器の製造方法にある。 In a fifth aspect of the invention, in coating the object to be processed with the carbon film forming apparatus of the first invention, (a) a step of inserting a container as the object to be processed into the external electrode; b) exhausting the gas inside and outside the container through the exhaust pipe means through the exhaust pipe, and then supplying a medium gas to the container by the gas supply means to set the inside of the container at a predetermined gas pressure; and (c) A high-frequency power from a high-frequency power source is supplied to an external electrode formed by DC short-circuiting with the ground, and plasma is generated in the container, and the medium gas is dissociated by the plasma to the inner surface of the container. And a step of coating the carbon film.
第6の発明は、第5の発明において、前記外部電極内に挿入する工程の後に、さらに、内部電極を前記容器の底部側に位置するように挿入する工程を含むことを特徴とする内面炭素膜被覆容器の製造方法にある。 6th invention WHEREIN: After the process inserted in the said external electrode in 5th invention, the process of inserting an internal electrode so that it may be located in the bottom part side of the said container is further included, The inner surface carbon characterized by the above-mentioned It exists in the manufacturing method of a film coating container.
本発明によれば、外部電極とアースとの間をコイルで接続することで、直流的に短絡させ、外部電極への負バイアスの発生を防ぎ、炭素膜を軟質にすると共に着色が低減され、透明性の高い容器を得ることができる。 According to the present invention, by connecting a coil between the external electrode and the ground, it is short-circuited in a direct current, prevents the occurrence of negative bias to the external electrode, softens the carbon film and reduces coloring, A highly transparent container can be obtained.
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施形態及び実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態及び実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by this embodiment and an Example. In addition, constituent elements in the following embodiments and examples include those that can be easily assumed by those skilled in the art or those that are substantially the same.
[発明の実施形態]
図1は、本実施形態に係るプラスチック容器内面への炭素膜形成装置を示す断面図である。
[Embodiment of the Invention]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a carbon film forming apparatus on the inner surface of a plastic container according to this embodiment.
図1に示すように、本実施形態に係るプラスチック容器内面への炭素膜形成装置は、被処理物である容器Bが挿入された時にその容器の外周を取り囲む大きさを有する外部電極6と、前記容器Bの口部が位置する側の前記外部電極6の端面に筒状誘電体部材8を介して取り付けられたガス排気管10と、前記外部電極6内の前記容器B内に前記ガス排気管10側から挿入され、接地側に接続される内部電極18と、前記ガス排気管10に取り付けられた排気手段と、前記内部電極18に媒質ガスを供給するためのガス供給手段と、前記外部電極6に接続された高周波電源13と、を具備し、前記外部電極6は、アースとの間をコイル21で直流的に短絡してなるものである。
As shown in FIG. 1, the carbon film forming apparatus on the inner surface of the plastic container according to the present embodiment includes an
ここで、上下端にフランジ1a,1bを有し、アースシールドを兼ねる筒状支持部材2は基台3上に載置されている。筒状の金属製の外部電極本体4は、前記筒状支持部材2内に配置されている。平板状をなす金属製の外部電極底部材5は前記外部電極本体4の底部に着脱可能かつシール可能に取り付けられている。前記外部電極本体4および前記外部電極底部材5により炭素皮膜を形成するプラスチック容器(例えばペットボトル)Bを設置可能な大きさの空間を持つ有底筒状の外部電極6が構成されている。平板状誘電体部材7は、前記基台3と前記外部電極底部材5の間に配置されている。
Here, the
なお、前記外部電極底部材5、前記平板状誘電体部材7および前記基台3は図示しないプッシャーにより前記外部電極本体4に対して一体的に上下動し、前記外部電極本体4の底部を開閉する。
The external
平板状誘電体部材8は、前記外部電極6上面にその平板状誘電体部材8上面が前記筒状支持部材2の上部フランジ1aと面一になるように載置されている。上下にフランジ9a,9bを有するガス排気管10は、前記筒状支持部材2の上部フランジ1aに螺着することにより前記ガス排気管10が前記筒状支持部材2に固定されている。また、図示しないねじを前記ガス排気管10の下部フランジ9bから前記筒状誘電体部材8を貫通して、外部電極6の外部電極本体4に螺着することにより、前記ガス排気管10が前記平板状誘電体部材8および前記外部電極6に固定されると共に、前記筒状誘電体部材8が前記外部電極6に対しても固定される。なお、前記ガス排気管10と前記誘電体部材8および前記外部電極6との固定は、前記ガス排気管10と前記外部電極6とがねじにより高周波的に短絡しない様に、一定の厚さの誘電体で隔離され、接触しない構造となっている。
前記コイル21は内径、ターン数などでインダクタンスを調整するが、例としては導体径0.5mmのテフロン(登録商標)被覆線を用い、内径20mm、30ターン程度を用いた。また、絶縁性と安定性を高めるために、接着剤などを用い固定や充填をしても良い。
The flat
The inductance of the
さらに、本実施形態では、前記ガス排気管10と前記外部電極6との間は、前記筒状誘電体部材8の一部に形成された空間内に設けられたコイル21で短絡接続し、高周波電力は通さず、直流的には短絡する構成となっている。
Further, in the present embodiment, the
また、分岐ガス排気管11は、前記ガス排気管10の側壁に連結され、その他端に図示しない真空ポンプのような排気設備が取り付けられている。蓋体12は、前記ガス排気管10の上部フランジ9aに取り付けられている。
The branch
例えば周波数13.56MHzの高周波電力を出力する高周波電源13は、ケーブル14および給電端子15を通して前記外部電極6の外部電極本体4に接続されている。整合器16は、前記高周波電源13と前記給電端子15の間の前記ケーブル14に介装されている。
For example, a high
ガス供給管17は、前記蓋体12を貫通し、ガス排気管10を通して前記外部電極6の外部電極本体4内における容器Bの口部に対応する個所に挿入されている。略円柱状をなす金属製の内部電極18は、前記外部電極6に挿入された容器B内の底部付近に配置され、その上端が前記ガス供給管17の下端に着脱自在に取り付けられている。前記内部電極18は、図1に示すように中心軸にガス流路19がくり抜かれていると共に、底部に媒質ガスを吹き出すための絶縁材料からなるガス吹き出し部である例えばプラスチック、セラミックのような絶縁材料からなるガス吹き出し管20が挿着されている。
The
前記内部電極18の径は、容器Bの口金径以下とする。
The diameter of the
前記内部電極18は、例えばタングステンやステンレス鋼のような耐熱性を有する金属材料により作られるが、アルミニウムで作ってもよい。また、内部電極18表面が平滑であると、その内部電極18の表面に堆積する炭素膜を剥離し易くなる虞がある。このため、内部電極18の表面を予めサンドブラスト処理し、表面粗さを大きくして表面に堆積する炭素膜を剥離し難くすることが好ましい。但し、前記の表面を平滑にする方法も、非常に平滑にすることによって堆積する炭素膜を剥離させやすく、内部電極に残らないようにすれば、内部電極クリーニングが不要になるという利点も生まれる。
The
次に、図1に示す炭素膜形成装置を用いて内面炭素膜被覆プラスチック容器の製造方法を説明する。 Next, a method for producing an inner surface carbon film-coated plastic container will be described using the carbon film forming apparatus shown in FIG.
図示しないプッシャーにより外部電極底部材5、平板状誘電体部材7および基台3を取り外して外部電極本体4の底部を開放する。つづいて、容器Bを開放した外部電極本体4の底部側からその容器Bの口部側から挿入した後、図示しないプッシャーにより外部電極本体4の底部側に外部電極底部材5、平板状誘電体部材7および基台3をこの順序で取り付けることによって、図1に示すように容器Bを前記外部電極本体4および前記外部電極底部材5からなる外部電極6の内部空間に収納する。このとき、前記容器Bは排気管10にその口部を通して連通される。
The external
次いで、図示しない排気手段により分岐ガス排気管11およびガス排気管10を通して前記ガス排気管10および前記容器B内外のガスを排気する。つづいて、媒質ガスをガス供給管17から内部電極18のガス流路19に供給し、この内部電極18の底部に挿着した絶縁材料からなるガス吹き出し管20から容器B内に吹き出させる。この媒質ガスは、さらに容器Bの口部に向かって流れていく。つづいて、ガス供給量とガス排気量のバランスをとり、前記容器B内を所定のガス圧力に設定する。
Next, the
次いで、高周波電源13から例えば周波数13.56MHzの高周波電力をケーブル14、整合器16および給電端子15を通して前記外部電極6の外部電極本体4に供給する。このとき、前記内部電極18の周囲にプラズマが生成される。このようなプラズマの生成によって、媒質ガスが前記プラズマで解離されて前記外部電極6内の容器B内面に均一厚さで均質な炭素膜がコーティングされる。
Next, high-frequency power having a frequency of 13.56 MHz, for example, is supplied from the high-
炭素膜の厚さが所定の膜厚に達した後、前記高周波電源13からの高周波電力の供給を停止し、媒質ガスの供給の停止、残留ガスの排気を行い、ガスの排気を停止した後、窒素、希ガス、又は空気等を前記ガス供給管17から内部電極18のガス流路19およびガス吹き出し管20を通して容器B内に供給し、この容器B内外を大気圧に戻し、内面炭素膜被覆容器を取り出す。その後、前述した順序に従って容器Bを交換し、次の容器のコーティング作業へ移る。
After the thickness of the carbon film reaches a predetermined film thickness, the supply of the high frequency power from the high
ここで、前記外部電極6と内部電極18の間にプラズマが発生すると、短絡コイルにより直流的に短絡された外部電極6の内壁面には電子が蓄積することがないため、この外部電極6が負電位に自己バイアスされることがない。これにより外部電極6側には、大きな電位降下が生じない。
このとき、プラズマ中に炭素源となるアセチレンガスが存在することによって、プラスにイオン化された炭素源が外部電極6内に位置されている容器20の内壁面への衝突は少なく、且つエネルギーは小さくなる。このため、容器Bの内壁面上に形成される炭素膜が受けるイオン衝撃が小さくなるため、形成される炭素膜は、硬度10GPa以下の軟質な炭素膜となる。
Here, when plasma is generated between the
At this time, due to the presence of acetylene gas as a carbon source in the plasma, the positively ionized carbon source is less likely to collide with the inner wall surface of the
また、前記コイル21のインピーダンスは、後述する実施例に示すように、放電インピーダンスの少なくとも9倍以上、より好ましくは12倍以上とするのがよい。
The impedance of the
ここで、本発明で得られる軟質な炭素膜とは、ダイヤモンド(炭素原子の結合がSP3結合)に比して、グラファイト(炭素原子の結合がSP2結合)の配合が多い、微小硬度計測法において10GPa以下のものをいう。 Here, the soft carbon film obtained in the present invention is a fine hardness measurement in which graphite (carbon atom bond is SP 2 bond) is more mixed than diamond (carbon atom bond is SP 3 bond). In the law, it means 10 GPa or less.
また、微小硬度計測法以外では、例えばラマン分光法によるS(グラファイト状成分)/N(ポリマー成分)比(以下、「ラマンS/N比」という。))が1.0以下、より好ましくはラマンS/N比が1.0以下0.2以上の範囲となる場合をいう。これは、ラマンS/N比が1.0を超える場合には、硬質膜となり、また、黄色の着色が顕著となり、透明性の向上を図ることができないからである。また、ラマンS/N比が0.2未満の場合には、ガスバリヤ性が悪くなり、ガスバリヤ膜としての機能を発揮することができないからである。 In addition to the microhardness measurement method, for example, the S (graphite-like component) / N (polymer component) ratio (hereinafter referred to as “Raman S / N ratio”)) by Raman spectroscopy is 1.0 or less, more preferably. The case where the Raman S / N ratio is in the range of 1.0 or less and 0.2 or more. This is because when the Raman S / N ratio exceeds 1.0, a hard film is formed, and yellow coloration becomes remarkable, and the transparency cannot be improved. Further, when the Raman S / N ratio is less than 0.2, the gas barrier property is deteriorated and the function as the gas barrier film cannot be exhibited.
前記炭素膜では、測定の際に観測される蛍光強度はその膜に含まれる水素量に比例して強くなることが知られており、蛍光強度を試料間で比較することにより、水素量を比較することができる。この水素量予測の方法として、炭素膜の蛍光強度(N:ポリマー成分)とこの蛍光強度をベースラインとしたときのピークトップのピーク強度(S:グラファイト状成分)との強度比率(ラマンS/N比)を求め、このラマンS/N比が小さいほど炭素膜が軟質であり、一方ラマンS/N比が大きいほど炭素膜が硬質であるとしている。 In the carbon film, the fluorescence intensity observed at the time of measurement is known to increase in proportion to the amount of hydrogen contained in the film, and the amount of hydrogen is compared by comparing the fluorescence intensity between samples. can do. As a method for predicting the amount of hydrogen, the intensity ratio (Raman S / S) of the fluorescence intensity of the carbon film (N: polymer component) and the peak intensity at the peak top (S: graphite-like component) when this fluorescence intensity is taken as the baseline. N ratio) is determined, and the smaller the Raman S / N ratio, the softer the carbon film, while the larger the Raman S / N ratio, the harder the carbon film.
なお、前記強度比率を測定する場合には、測定感度向上を目的として全反射ラマン分光法(ATR(Attenuated Total Reflection)−Raman)を用いることが好ましい。なお、測定する際におけるレーザ条件の一例としては、レーザ装置102としてArイオンレーザを用い、そのレーザ波長は515nmとし、レーザ強度は20mWとするのが好ましい。 When measuring the intensity ratio, it is preferable to use total reflection Raman spectroscopy (ATR (Attenuated Total Reflection) -Raman) for the purpose of improving measurement sensitivity. Note that, as an example of laser conditions for measurement, an Ar ion laser is used as the laser device 102, the laser wavelength is preferably 515 nm, and the laser intensity is preferably 20 mW.
このように、本発明にかかる軟質炭素膜はラマンS/N比を1.0以下とすることにより、透明性が高く、しかもガスバリヤ性を保持することができる。 As described above, the soft carbon film according to the present invention has high transparency and can maintain gas barrier properties by setting the Raman S / N ratio to 1.0 or less.
また、そのL*a*b*表色系(JIS Z8729)のb*絶対値が7以下、より好ましくは、7以下3.5以上である。
ここで、b*絶対値が7を超える場合には、着色が濃く、透明性に欠け、実際に飲料を充填した商品の見栄えが悪いからである。
前記L*a*b*表色系はJIS Z8729により、測定する。
そのL*a*b*表色系(JIS Z8729)のa*絶対値が1以下である。
The b * absolute value of the L * a * b * color system (JIS Z8729) is 7 or less, more preferably 7 or less and 3.5 or more.
Here, when b * absolute value exceeds 7, coloring is dark, lacks in transparency, and the appearance of the product actually filled with the beverage is poor.
The L * a * b * color system is measured according to JIS Z8729.
The a * absolute value of the L * a * b * color system (JIS Z8729) is 1 or less.
ここで、前述したラマンS/N比が1.0以下の条件における多層の炭素膜の微小硬度は10GPa以下である。この多層の炭素膜の微小硬度の計測については、実施例における「(2)硬度」に後述する。なお、このときの多層の炭素膜のS/N比は2.0以下である。 Here, the microhardness of the multilayer carbon film under the condition that the Raman S / N ratio is 1.0 or less is 10 GPa or less. The measurement of the microhardness of the multilayer carbon film will be described later in “(2) Hardness” in Examples. At this time, the S / N ratio of the multilayer carbon film is 2.0 or less.
ここで、本発明で被処理物とは、いわゆるプラスチック等の樹脂容器の他にガラス容器、セラミック容器、紙容器等を例示することができる。 Here, examples of the object to be treated in the present invention include a glass container, a ceramic container, a paper container and the like in addition to a resin container such as a so-called plastic.
前記容器としては、ガソリンタンク等の燃料を充填する容器等を挙げることができる。また、それ以外の容器としては、例えば医薬品用プラスチック容器、食品用プラスチック容器を挙げることができる。 Examples of the container include a container filled with fuel such as a gasoline tank. In addition, examples of other containers include a plastic container for pharmaceuticals and a plastic container for food.
また、有機トランジスタ等の有機電子デバイスにおいて、機能材料を水分や酸素等から保護する必要性の高い保護膜として用いるようにしてもよい。
また、フィルム等に対するガスバリヤ膜として有効である。さらに、例えば発光層、電極層等の電子材料を有するものであってもよい。例えば電子材料としては、有機EL(Organic Electro Luminescence、又は、OLED(Organic Light Emitting Diode)ともいう。)又は無機EL基板の保護膜として炭素膜を用いるようにしてもよい。
Further, in an organic electronic device such as an organic transistor, the functional material may be used as a protective film having a high necessity for protecting it from moisture or oxygen.
It is also effective as a gas barrier film for films and the like. Furthermore, you may have electronic materials, such as a light emitting layer and an electrode layer, for example. For example, as an electronic material, a carbon film may be used as a protective film of an organic EL (Organic Electro Luminescence or OLED (Organic Light Emitting Diode)) or an inorganic EL substrate.
ここで、前記樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステルフィルム、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン等のポリオレフィンフィルム、ポリスチレンフィルム、ポリアミドフィルム、ポリカーボネートフィルム、ポリアクリロニトリルフィルムフィルム等の公知の材料を例示することができる。 Here, examples of the resin include known materials such as polyester films such as polyethylene terephthalate, polyolefin films such as polyethylene, polypropylene, and polybutene, polystyrene films, polyamide films, polycarbonate films, and polyacrylonitrile film films.
ここで、前記高周波電源13からの高周波電力は、例えば13.56MHzとしているが、1乃至100MHzとすることができ、特に限定されるものではない。また、その出力も好適には100〜1000Wの出力としている。また、この高周波電力の印加は連続的でも間欠的(パルス的)でもよい。
Here, the high-frequency power from the high-
ここで、前記媒質ガスとしては炭化水素を基本とし、例えばメタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン等のアルカン類;エチレン、プロピレン、ブテン、ペンテン、ブタジエン等のアルケン類;アセチレン等のアルキン類;ベンゼン、トルエン、キシレン、インデン、ナフタリン、フェナントレン等の芳香族炭化水素類;シクロプロパン、シクロヘキサン等のシクロパラフィン類;シクロペンテン、シクロヘキセン等のシクロオレフィン類などが使用でき、その他一酸化炭素、二酸化炭素なども使用できる。これにより、例えば容器中の例えば酸素、水蒸気、ガソリン等の透過を防止するための炭素膜をコーティングすることができる。また、炭素膜が傾斜機能を有する膜であってもよい。 Here, the medium gas is basically hydrocarbon, for example, alkanes such as methane, ethane, propane, butane, pentane and hexane; alkenes such as ethylene, propylene, butene, pentene and butadiene; alkynes such as acetylene Aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene, indene, naphthalene and phenanthrene; cycloparaffins such as cyclopropane and cyclohexane; cycloolefins such as cyclopentene and cyclohexene, and other carbon monoxide and carbon dioxide Etc. can also be used. Thereby, for example, a carbon film for preventing permeation of, for example, oxygen, water vapor, gasoline, etc. in the container can be coated. Further, the carbon film may be a film having a gradient function.
本実施形態では、上部フランジ9aと外部電極本体4とを短絡させるようにコイル21が配設されているが、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば図2に示すように、筒状支持部材2と外部電極本体4とをコイル21で短絡させるようにしてもよい。さらに、図3に示すように、第1コンデンサC1と第1コイルL1とが直列に設けられた第1線路16aと、第1線路16aに対して第2コンデンサC2を並列に設けた第2線路16bとからなる整合器21において、第1線路16aと第2線路16bとを短絡させる第2コイルL2を配設するようにしてもよい。
In the present embodiment, the
For example, as shown in FIG. 2, the
この結果、前記外部電極6と内部電極18の間にプラズマが発生すると、従来のように誘電体部材により完全に絶縁されていた場合には、該絶縁されている外部電極6の内壁面に電子が蓄積する。このため、この外部電極6が図4−2に示すように、負電位に自己バイアスされる。外部電極6側には、この蓄積電子のために例えば500〜1000V程度の電位降下が生じる。このとき、プラズマ中に炭素源となるアセチレンガスが存在することによって、プラスにイオン化された炭素源が外部電極6に沿うように位置されている容器Bの内壁面に選択的に衝突し、ついで近接する炭素同士が結合することによって、容器Bの内壁面に極めて緻密なDLC膜からなる硬質炭素膜が形成される。
一方、本実施形態では、短絡コイルにより直流的に短絡された外部電極6の内壁面には電子が蓄積することがないため、図4−1に示すように、外部電極6が負電位に自己バイアスされることがない。これにより外部電極6側には、大きな電位降下が生じない。
As a result, when plasma is generated between the
On the other hand, in the present embodiment, electrons do not accumulate on the inner wall surface of the
以上、本実施形態によれば、短絡コイルにより直流的に短絡された外部電極6の内壁面には電子が蓄積することがないため、図4−1に示すように、外部電極6が負電位に自己バイアスされることがなく、この結果外部電極6側には、大きな電位降下が生じないので、プラスにイオン化された炭素源が容器Bの内壁面への衝突は少なく、且つエネルギーは小さくなる。このため、容器Bの内壁面上に形成される炭素膜が受けるイオン衝撃が小さくなるため、容器内面に形成される炭素膜は、硬度10GPa以下の軟質炭素膜とすることができる。この結果軟質の炭素膜とすることができるので、容器の内壁面でのクラックの発生の抑制や、透明性の向上が得られることとなる。
As described above, according to the present embodiment, electrons do not accumulate on the inner wall surface of the
なお、本実施形態では、容器B内に挿入する内部電極18を用いて放電をしているが、本発明は内部電極を積極的に用いることなく、達成することができる。すなわち、接地側に接続されているガス排気管10と外部電極6とにプラズマを発生させて導入された媒質ガスをイオン化させるようにすることもできる。
また、本実施形態では、内部電極と媒質ガスを供給するガス供給手段とを兼用しているが、別々に設けるようにしてもよい。
In this embodiment, the
In the present embodiment, the internal electrode and the gas supply means for supplying the medium gas are also used, but may be provided separately.
以下、本発明の効果を示す好適な実施例について説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
本実施例では、コイルのコイル設置箇所としては、図3に示した整合器内とした。
用いた容器の容量は500cc、成膜圧力は100mTorr、ガス流量は90sccm、RFパワーは900W、周波数は13.56MHzとした。
Hereinafter, although the suitable Example which shows the effect of this invention is described, this invention is not limited to this Example.
In this embodiment, the coil installation location of the coil is within the matching unit shown in FIG.
The capacity of the container used was 500 cc, the film forming pressure was 100 mTorr, the gas flow rate was 90 sccm, the RF power was 900 W, and the frequency was 13.56 MHz.
(1) 本実施例における放電パラメータは以下のとおりである。
印加電圧Vpk:1021V(ここで、印加電圧は高電圧プローブを外部電極に接触させて計測した。)
放電インピーダンスZd:290Ω(ここで、放電インピーダンスは整合器のインピーダンスから位相共役により求めた。)
放電電流Ipk:3.4A(ここで、放電電流は、印加電圧と放電インピーダンスから計算した。)
(1) The discharge parameters in this example are as follows.
Applied voltage Vpk: 1021 V (Here, the applied voltage was measured by bringing a high voltage probe into contact with an external electrode.)
Discharge impedance Zd: 290Ω (Here, the discharge impedance was obtained from the impedance of the matching device by phase conjugation.)
Discharge current Ipk: 3.4 A (Here, the discharge current was calculated from the applied voltage and the discharge impedance.)
(2) 硬度
硬度の計測方法は、その膜厚が20〜50nm程度と極めて薄いので、炭素膜の硬度を直接測定することができない。よって、成膜を複数回繰り返して多層膜(200nm以上)とした模擬膜を成膜し、この硬度について公知の極薄膜の硬度を測定するナノインデーション試験によって測定することとした。
試験片はプラスチック容器内に基材を挿入し、この基材に成膜を複数回繰り返しておこなった。
測定はMTSシステムズ社製のナノインデンター(NanoIndenter TMXPsyDCM,MTSシステムズ社の商標)を用いた。このナノインデーション試験は、測定対象物に対し、ダイヤモンドチップからなる三角錐(バーコビッチ型)の圧子をその表面に押込み、そのときの圧子にかかる荷重Pと圧子の下の斜影面積Aから微小硬さ(GPa)を求めるものである。10GPa以下が軟質膜である。
(2) Hardness Since the method of measuring hardness is as thin as about 20 to 50 nm, the hardness of the carbon film cannot be directly measured. Therefore, the film formation was repeated a plurality of times to form a simulated film as a multilayer film (200 nm or more), and this hardness was measured by a nanoindentation test in which the hardness of a known ultrathin film was measured.
The test piece was formed by inserting a base material into a plastic container and repeating film formation on the base material a plurality of times.
For the measurement, a nano indenter (NanoIndenter TMXPsyDCM, a trademark of MTS Systems) manufactured by MTS Systems was used. In this nano-indentation test, a triangular pyramid (Berkovic type) indenter made of a diamond tip is pushed into the surface of the object to be measured, and the load P applied to the indenter at that time and the oblique area A under the indenter are used to make a microhard (GPa) is obtained. 10 GPa or less is a soft film.
成膜に用いたコイルインダクタンス、そのインダクタンスを周波数13.56MHzで換算したコイルインピーダンス、硬度、成膜速度、バリヤ性について「表1」に示す。
また、図5に成膜に用いたコイルインダクタンスと、成膜速度、硬度との関係図を、図6に図5の横軸をコイルインピーダンスに書き直したコイルインピーダンスと、成膜速度、硬度との関係図を各々示す。
Table 1 shows the coil inductance used for film formation, and the coil impedance, hardness, film formation speed, and barrier properties obtained by converting the inductance at a frequency of 13.56 MHz.
FIG. 5 shows the relationship between the coil inductance used for film formation, the film formation speed, and the hardness. FIG. 6 shows the relationship between the coil impedance, film formation speed, and hardness, with the horizontal axis of FIG. Each relationship diagram is shown.
表1及び図5に示すように、成膜速度は、コイルインダクタンスを30μH以上とした場合、成膜速度がコイル無しの場合と同等の、200Å/sの90%以上の成膜速度となった。これは、コイルが十分なインピーダンスを持つため、高周波電力ロスが少ないためと考えられる。 As shown in Table 1 and FIG. 5, when the coil inductance was set to 30 μH or more, the film formation rate was equal to or more than 90% of 200 Å / s, when the coil formation rate was no coil. . This is presumably because the coil has a sufficient impedance, so that high-frequency power loss is small.
また、膜のバリヤ性は、前述した十分な成膜速度が得られたコイルインダクタンス30μH以上の場合には、全て10倍以上であった。 Further, the barrier properties of the film were all 10 times or more when the coil inductance was 30 μH or more at which the sufficient film forming speed was obtained.
さらに、表1に示すように、これらの膜の硬度は全て10GPaを下回る軟質膜であった。また、色差b*値も7以下の透明性の高い膜となった。
一方、コイルが無い場合、13GPaと、10GPaを越える硬質膜であった。
Furthermore, as shown in Table 1, these films were all soft films having a hardness of less than 10 GPa. In addition, a highly transparent film having a color difference b * value of 7 or less was obtained.
On the other hand, when there was no coil, it was a hard film exceeding 13 GPa and 10 GPa.
この結果、コイルインダクタンスが30μH以上であれば十分な成膜速度とバリヤ性が得られることが判明した。
一方、コイルインダクタンスが3000μHを越えるとコイルを作製するのが難しいので、これ以下のインダクタンスが好ましい。
As a result, it has been found that if the coil inductance is 30 μH or more, a sufficient film forming speed and barrier property can be obtained.
On the other hand, if the coil inductance exceeds 3000 μH, it is difficult to produce a coil, and an inductance less than this is preferable.
次に、周波数を変えた場合についてのコイルインダクタンスとコイルインピーダンスとの関係について表2を参照して説明する。 Next, the relationship between the coil inductance and the coil impedance when the frequency is changed will be described with reference to Table 2.
成膜条件は、周波数以外については前述した条件と同様とした。
前記周波数は1〜100MHzとした。
図7に、成膜に用いる高周波の周波数とコイルがない場合の放電インピーダンス、必要コイルインピーダンス、前記放電インピーダンスと前記必要コイルインピーダンスの比であるインピーダンス比との関係図を示す。ここで、必要コイルインピーダンスとは、コイルを用いないときの成膜速度と比較し、最低のコイルを付けたときに90%以上の成膜速度とバリヤ性を得るために必要な最低のコイルのインピーダンスである。
The film forming conditions were the same as those described above except for the frequency.
The frequency was 1 to 100 MHz.
FIG. 7 shows the relationship between the high frequency used for film formation, the discharge impedance when there is no coil, the required coil impedance, and the impedance ratio which is the ratio of the discharge impedance to the required coil impedance. Here, the required coil impedance is the minimum coil required to obtain a film formation speed of 90% or more and barrier properties when the minimum coil is attached, compared to the film formation speed when the coil is not used. Impedance.
この結果、コイルに必要なインピーダンスは、表2及び図7に示すように、コイルが無いと微小硬度は10GPa以上となったが、放電インピーダンスの少なくとも9倍以上、より好ましくは12倍以上のインピーダンスを持つコイルを取り付ければ、全ての周波数域において成膜速度やバリヤ性を落とさずに、10GPa以下の軟質膜とすることができ、クラックの発生の抑制や透明性の向上を図ることができる。また、色差b*値も7以下の透明性の高い膜となった。 As a result, as shown in Table 2 and FIG. 7, the impedance required for the coil is 10 GPa or more without the coil, but at least 9 times the discharge impedance, more preferably 12 times the impedance. By attaching a coil having, a soft film of 10 GPa or less can be obtained without deteriorating the film forming speed and barrier property in all frequency ranges, and crack generation can be suppressed and transparency can be improved. In addition, a highly transparent film having a color difference b * value of 7 or less was obtained.
実際にこれらのボトルに飲料を充填し落下テストを行ったところ、従来の硬質膜と比較してクラックの発生が激減することを確認した。また、透明性についても、問題ないレベルになることが確認できた。
なお、コイルのインピーダンスが放電インピーダンスの1000倍を越えると、コイルが必要以上に大きくなる為、好ましくない。
When these bottles were actually filled with beverages and subjected to a drop test, it was confirmed that the occurrence of cracks was drastically reduced compared to conventional hard films. In addition, it was confirmed that the transparency was at a level with no problem.
It is not preferable that the coil impedance exceeds 1000 times the discharge impedance because the coil becomes larger than necessary.
以上のように、本発明にかかる炭素膜形成装置は、被処理物に形成される炭素膜の着色が低減され、より透明性が良好となり、ガスバリヤ性の良好な容器の製造に用いて適している。 As described above, the carbon film forming apparatus according to the present invention reduces the coloring of the carbon film formed on the object to be processed, makes the transparency better, and is suitable for use in manufacturing a container having a good gas barrier property. Yes.
B 容器
2 筒状支持部材
3 基台
4 外部電極本体
5 外部電極底部材
6 外部電極
7 平板状誘電体
8 環状誘電体部材
10 ガス排気管
13 高周波電源
15 給電端子
16 整合器
31 筒状スペーサ
Claims (6)
前記コイルのインピーダンスは、放電インピーダンスの9倍以上であることを特徴とする炭素膜形成装置。 In claim 1,
The carbon film forming apparatus, wherein the coil has an impedance of 9 times or more of a discharge impedance.
前記外部電極内の前記容器内に前記排気管側から挿入され、接地側に接続される内部電極を有することを特徴とする炭素膜形成装置。 In claim 1,
An apparatus for forming a carbon film, comprising: an internal electrode inserted into the container in the external electrode from the exhaust pipe side and connected to the ground side.
前記内部電極がガス供給手段を兼ねることを特徴とする炭素膜形成装置。 In claim 3,
The carbon film forming apparatus, wherein the internal electrode also serves as a gas supply means.
(a)被処理物である容器を、外部電極内に挿入する工程と、
(b)前記容器内外のガスを排気管手段により前記排気管を通して排気した後、前記容器に媒質ガスをガス供給手段により供給し、前記容器内を所定のガス圧力に設定する工程と、
(c)高周波電源から高周波電力を前記アースとの間をコイルで直流的に短絡してなる外部電極に供給し、前記容器内にプラズマを生成させ、このプラズマにより前記媒質ガスを解離させて前記容器内面に炭素膜をコーティングする工程とを含むことを特徴とする内面炭素膜被覆容器の製造方法。 In coating the carbon film on the object to be processed using the carbon film forming apparatus according to claim 1,
(A) inserting a container which is an object to be processed into an external electrode;
(B) after exhausting the gas inside and outside the container through the exhaust pipe by the exhaust pipe means, supplying a medium gas to the container by the gas supply means, and setting the inside of the container to a predetermined gas pressure;
(C) supplying high-frequency power from a high-frequency power source to an external electrode formed by DC short-circuiting with the ground, generating plasma in the container, dissociating the medium gas by the plasma, and And a step of coating the inner surface of the container with a carbon film.
前記外部電極内に挿入する工程の後に、さらに、内部電極を前記容器の底部側に位置するように挿入する工程を含むことを特徴とする内面炭素膜被覆容器の製造方法。 In claim 5,
After the step of inserting into the external electrode, the method of manufacturing an inner surface carbon film-coated container further includes a step of inserting the internal electrode so as to be positioned on the bottom side of the container.
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