JP2008133500A

JP2008133500A - プラスチック容器の成膜装置

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Publication number: JP2008133500A
Application number: JP2006319823A
Authority: JP
Inventors: Hiroto Kashima; 浩人鹿島
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2006-11-28
Filing date: 2006-11-28
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2026-11-28
Also published as: JP5083500B2

Abstract

【課題】真空中でプラスチック容器に真空蒸着法、化学蒸着法（ＣＶＤ）等の方法により薄膜を形成するプラスチック容器の成膜装置に関する。
【解決手段】
外部電極の内側に配設したプラスチック製の容器内に内部電極を挿入配置し、前記容器内を真空にする手段と、内部電極から原料ガスを該容器内に供給する手段と、外部電極と内部電極間にプラズマを発生させる手段とを有し、前記容器内壁面にプラズマ化学気相析出法により薄膜を形成する成膜装置において、前記内部電極の先端にスリット状のガス供給孔を有する部材を設け、その部材の出口側面に短辺寸法が０．５ｍｍ以下、奥行き寸法が前記短辺寸法の１０倍以上有することを特徴とするプラスチック容器の成膜装置。
【選択図】図１

Description

本発明は真空中でプラスチック容器に真空蒸着法、化学蒸着法（ＣＶＤ）等の方法により薄膜を形成するプラスチック容器の成膜装置に関する。

従来からプラスチック容器は、その利便性から食品、医療など、幅広い分野で包装容器として利用されている。しかし、プラスチックは周知のように酸素、二酸化炭素などの低分ガスや水蒸気を透過してしまう性質を有している。そのため内容物が酸化してしまうなど悪影響を及ぼし、その利用範囲に制約を受けている。

このため、近年プラスチック容器にガスバリア性を有する薄膜を成膜することで、その機能を向上させる技術が知られてきている。例えば、プラスチック容器の酸素遮断性を向上させるなどの目的で、酸化珪素皮膜やダイヤモンドの結晶構造に近い炭素皮膜を容器の内外面に施すことが、盛んに行われている。

上記処方された容器は、単層のポリエステルあるいはポリエチレン容器の酸素透過度が１／１０あるいは１／２０にまで低下する。その結果内容物の酸化の進み方が緩慢になる。そして、商品寿命が延び、品質の向上を図ることが可能となった。

上述したように、従来はエチレン／ビニルアルコール共重合体樹脂（ＥＶＯＨ）やポリアミド（ＰＡ）といったバリア性樹脂を用いて、多層容器を必要としていた領域にも単層成形の容器を用いることが可能となった。

例えば、プラスチック容器の内面に炭素膜を形成するプラスチック容器の成膜装置が提案されている。（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。

前記特許文献１の装置は、図４に示すように、真空中でプラスチック容器４に成膜するために、収容されるプラスチック容器の外形とほぼ相似形の隙間８を有する中空状の外部電極２が形成されている。また、この外部電極２の空所内にプラスチック容器４が収容された際に、このプラスチック容器４の口部９が当接されると共に外部電極２を絶縁する絶縁部材３が形成されている。そして、接地され外部電極２の空所内に収容された容器４の内側７に容器４の口部９から挿入される原料ガス供給孔６として、複数個のガス放出孔を有する内部電極５が形成されている。さらに、外部電極２の空所内に連通されて空所内の排気を行う排気手段１１と、外部電極２の空所内に収容された容器４の内側の前記内部電極５に原料ガスを供給する供給管１０と、外部電極２にマッチングボックス１２を介して接続された高周波電源１３を備えていることを特徴とする装置である。

しかしながら、上記のような従来のプラスチック容器の成膜装置では、原料ガス供給孔６の寸法が大きいと、高周波電力を投入した際、図４で示す外部電極２と内部電極５で発生したプラズマが、内部電極５の原料ガス供給管１０の内部に侵入し、この侵入したプラズマにより原料ガス供給管１０及び内部電極５が加熱され、その輻射熱によりプラスチック容器が塑性変形を生じる。

従って、上記輻射熱によるプラスチック容器の塑性変形が生じない範囲に、成膜時間及び投入する高周波電力及びガス流量等の成膜条件を制限するか、また、ごく小さな孔を特殊な方法で内部電極５壁面に加工しない限り、内壁面に十分な厚みを持ち、且つ、緻密である膜を成膜することができない。そして、最適な酸素もしくは水蒸気透過度を得ようと
したとき不都合である。

さらに、内部電極５の原料ガス供給管１０の内部にプラズマが侵入することにより、高周波電力の殆どが、内部電極５の原料ガス供給管１０内部のプラズマに投入される。そして、外部電極２と内部電極５の間に発生するプラズマに必要な電力が投入されない。

このため、内部電極５の原料ガス供給管１０の内部に発生したプラズマを供給している原料の電離及び膜生成の反応を進行させてしまう。そして、プラスチック容器４の内壁面への成膜反応が十分に行われず、プラスチック容器４の内壁面の膜厚分布が不均一で、且つ、ポーラスな膜になりやすい。このため、酸素及び水蒸気透過度の低減を図る上で障害になっていた。

特許文献１ではガス放出孔の寸法規定がないため、かかる不具合を生じる危険性が高く、改善が必要であった。

また、特許文献２では、平行平板における成膜装置において、プラズマ電力と高周波電源周波数を一定として成膜圧力とイオンシース寸法との関係を求め、これより異常発光のないガス供給孔の大きさを提示し、さらに、ガス供給孔の最適断面形状をも提案している。しかしながら圧力一定という前提が崩れると成膜が不安定となることがしばしば見られた。

これはガス供給配管内部でガス供給開始や設定流量変化に伴う圧力の脈動が生じるためであり、ガス放出孔から噴出するガスもその影響で流量が安定せず、プラズマ整合が不安定となる。そして、甚だしい場合は放電中にプラズマ発光が突然消灯することもあった。

さらに、特許文献１に記載されたようにガス供給孔６（図４に示す）の大きさを一定以下とすることでプラズマ整合を安定させる技術が知られているが、単にガス供給孔６の開孔径を一定以下としただけでは不十分であった。

以下に先行技術文献を示す。
特開２０００−２５６８５９号公報特開昭６１−１５９７８号公報

本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、プラスチック容器の成膜装置において、輻射熱によるプラスチック容器の塑性変形を生ずることなく、また成膜中の圧力変動によるプラズマ放電の不安定性を改善し、均一で緻密な薄膜を、安定して連続成膜が可能なプラスチック容器の成膜装置を提供することを目的とする。

上記問題点を解決するために、本発明の請求項１に係る発明は、
外部電極の内側に配設したプラスチック製の容器内に内部電極を挿入配置し、前記容器内を真空にする手段と、内部電極から原料ガスを該容器内に供給する手段と、外部電極と内部電極間にプラズマを発生させる手段とを有し、前記容器内壁面にプラズマ化学気相析出法により薄膜を形成する成膜装置において、前記内部電極の先端にスリット状のガス供給孔を有する部材を設け、その部材の出口側面に短辺寸法が０．５ｍｍ以下、奥行き寸法
が前記短辺寸法の１０倍以上有することを特徴とするプラスチック容器の成膜装置である。

次に、本発明の請求項２に係る発明は、
前記スリット状のガス供給孔の短辺寸法が、該ガス供給孔を有する部材の流入側から流出側まで一定であることを特徴とする請求項１に記載のプラスチック容器の成膜装置である。

次に、本発明の請求項３に係る発明は、
前記スリット状のガス供給孔の短辺寸法が、該ガス供給孔を有する部材の流入側から流出側に向かって減少することを特徴とする請求項１に記載のプラスチック容器の成膜装置である。

次に、本発明の請求項４に係る発明は、
前記スリット状のガス供給孔を有する部材に、１個以上のスリット状のガス供給孔を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプラスチック容器の成膜装置。

次に、本発明の請求項５に係る発明は、
前記スリット状のガス供給孔を有する部材は、前記内部電極に着脱が可能な機構を備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプラスチック容器の成膜装置。

次に、本発明の請求項６に係る発明は、
前記スリット状のガス供給孔を有する部材が、射出成形法または焼結法で成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のプラスチック容器の成膜装置。

本発明のプラスチック容器の成膜装置は、配置された容器内に挿入する内部電極の先端にスリット状のガス供給孔を有する部材が設けられ、その部材の出口側面に短辺寸法が０．５ｍｍ以下、奥行き寸法が前記短辺寸法の１０倍以上有することで、内部電極の原料ガス供給管の内部に発生するプラズマを防ぎ、プラズマによる内部電極の加熱をなくす。このため、その輻射熱によるプラスチック容器の塑性変形を防止することができる。また、冷却手段の無い内部電極でも熱の蓄積が無いことから安定して連続成膜が可能となる。

さらに、内部電極の原料ガス供給管の内部に発生するプラズマを防ぐことにより、供給内部における原料ガスの電離及び膜生成の反応を防止することができる。そして、外部電極と内部電極間に十分な高周波電力が投入される。

上記の結果、供給ガスの解離及びプラスチック容器の内壁面への成膜反応が十分に行われる。そして、プラスチック容器の内壁面の膜厚分布が均一で、且つ、緻密な膜を成膜することが可能である。さらに、酸素及び水蒸気透過度を低減させることができる。

本発明のプラスチック容器の成膜装置を実施の形態に沿って以下に図面を参照にしながら詳細に説明する。

図１は、本発明のプラスチック容器の成膜装置の一実施例の概略断面図である。また、図２（ａ）は図１の内部電極の先端部Ｅを示す平面拡大図である。さらに、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ´線の断面を示す断面図である。

また、図３（ａ）は図１の内部電極の他の先端部Ｆを示す平面拡大図である。さらに、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ´線の断面を示す断面図である。

本発明のプラスチック容器の成膜装置は、図１に示すように、真空中で容器４を成膜するために収容された容器４の外形とほぼ相似形の隙間８を有する中空状の外部電極２が形成されている。

さらに、この外部電極２の空所内に容器４が収容された際にこの容器４の口部が当接されると共に外部電極２を絶縁する絶縁部材３と、接地され外部電極２の空所内に収容された容器４の内側７に容器の口部９から挿入される原料ガス供給孔６を持つ部材を備えた内部電極５が形成されている。

また、外部電極２の空所内に連通されて空所内の排気を行う排気口１１と、外部電極２の空所内に収容された容器４の内側の前記内部電極５に原料ガスを供給する供給管１０と、外部電極２にマッチングボックス１２を介して接続された高周波電源１３を備えている。

本発明のプラスチック容器の成膜装置の内部電極５の先端に設けられているガス供給孔６を有する部材を図２（ａ）（ｂ）または図３（ａ）（ｂ）に示す。図２（ａ）（ｂ）に示す実施例では、スリット状のガス供給孔の先端面は短辺寸法ｄが０．５ｍｍ以下、奥行き寸法Ｔが短辺寸法の１０倍以上に形成されている。そして、スリット幅はガス流入側からガス流出側に向かって一定の幅に形成されている。

このため、原料ガスの吐出圧力が高くなり、高周波電力を投入した際に生じる外部電極と内部電極間５に発生したプラズマが原料ガス供給管１０の内部へ侵入することを防止できる。

また、図３（ａ）（ｂ）に示す実施例では、スリット状のガス供給孔６の奥行き寸法Ｔがガス流動方向に２ｍｍ以上７ｍｍ以下であり、そのスリット幅が、図３（ｂ）に示すようにガス流入側からガス流出側に向かって一定の割合で減少するように形成されている。

このため、内部電極５のガス圧力を高めることで配管内部に生じた圧力変動を容器７内部に伝え難くなり、成膜環境が安定する。そして、成膜工程も安定する。

また、配管を流れる成膜ガスの乱流をスリット部分で整流化することで容器内部に定常流れが生じることも成膜工程の安定性向上に寄与する。前記整流化についてはスリット状のガス供給孔６の短辺寸法と奥行き寸法のアスペクト比が効果の指標となることが実験から判明した。この理由は、乱流によってガス流に乱れが生じても、狭いスリットに押し込められると各方向の分子運動量が合算されて特定方向の運動量成分だけが残るためと想像される。

また、本発明のプラスチック容器の成膜装置に用いられている、スリット状のガス供給孔６を有する部材は、１個以上のスリット状のガス供給孔６ガスを有する。そして、スリット状のガス供給孔６のスリット数は、原料ガスの供給量を調整できる。また、必要に応じてスリット幅やテーパー角度を変えることで、ガス流量の調整が可能である。

また、本発明のプラスチック容器の成膜装置に用いられている、スリット状のガス供給孔６を有する部材は、前記内部電極５に着脱が可能な機構を備えている。このため、スリット状のガス供給孔６が成膜過程で目詰まりを起こした際に、スリット状のガス供給孔６を有する部材のみの交換で済む。そして、具体的には打ち込み嵌合式やねじ方式等により部材が形成される。

さらに、本発明のプラスチック容器の成膜装置に用いられている、スリット状のガス供給孔６を有する部材は、射出成形法あるいは焼結法で作製される。

上記部材の材質は特に限定されるものではないが、上記製法によると、該部材は大量に生産できるために非常に廉価に製造できる。従って、内部電極５に、上記スリット状のガス供給孔６を有する部材を結合させて使用する際に、成膜過程で目詰まりを起こしたような場合、簡単に部材のみを交換して使用しても本発明のプラスチック容器の成膜装置の運転費用に殆ど影響しない。

以下に、本発明の具体的実施例を挙げて、さらに詳しく説明するが、それに限定されるものではない。

＜実施例１＞
本発明のスリット短辺が０．５ｍｍ、奥行き寸法が８ｍｍのガス供給孔を有する部材を設けたプラスチック容器の成膜装置を用いて、５００ｍｌのプラスチック容器１０本の内壁面に薄膜を形成した。この薄膜形成に際しては、成膜装置の原料ガスであるヘキサメチレンジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）と酸素からなる原料ガスの混合比率、成膜時間、ラジオフリークエンシー（ＲＦ）電力等の条件を任意に変化させて行った。しかる後、内壁面に薄膜を形成したプラスチック容器の酸素透過度及び膜厚等を測定し、評価した。その評価結果を表１に示す。

＜比較例１＞
従来の、スリット短辺が０．５ｍｍ、奥行き寸法が１．５ｍｍのガス供給孔を有する部材を設けたプラスチック容器の成膜装置を用いて、５００ｍｌのプラスチック容器１０本の内壁面に薄膜を形成した。また、薄膜形成に際しては、実施例１と同様に行った。しかる後、内壁面に薄膜を形成したプラスチック容器の酸素透過度及び膜厚等を測定し、評価した。その評価結果を表２に示す。

＜総合評価＞
実施例１に示した本発明によれば、プラスチック容器の薄膜形成に際しては、輻射熱によるプラスチック容器の塑性変形を生ずることなく、安定したプラズマ放電でプラスチック容器内壁面に均一な薄膜を形成することができた。そして、表１に示すように、酸素透過度に優れ、且つ、各部での膜厚のバラツキが少ないプラスチック容器を作成できた。

本発明のプラスチック容器の成膜装置はプラスチック容器の塑性変形を防止し、且つ、安定して連続成膜ができることはもとより、膜厚分布が均一で緻密な膜が成膜できるため、酸素および水蒸気透過度が低減されたプラスチック容器が生産できる。

本発明のプラスチック容器の成膜装置の一実施例の概略を示す概略断面図である。（ａ）は図１の内部電極の先端部Ｅの拡大を示す平面拡大図、（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ´線の断面を示す断面図である。（ａ）は図１の内部電極の他の先端部Ｆの拡大を示す平面拡大図、（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ´線の断面を示す断面図である。従来のプラスチック容器の成膜装置の概略断面図である。

符号の説明

１…外部電極天蓋部
２…外部電極
３…絶縁板
４…プラスチック容器
５…内部電極
６…ガス供給孔
７…プラスチック内部空間
８…プラスチック容器と外部電極の隙間
９…容器口部
１０…原料ガス供給管
１１…排出口

Claims

外部電極の内側に配設したプラスチック製の容器内に内部電極を挿入配置し、前記容器内を真空にする手段と、内部電極から原料ガスを該容器内に供給する手段と、外部電極と内部電極間にプラズマを発生させる手段とを有し、前記容器内壁面にプラズマ化学気相析出法により薄膜を形成する成膜装置において、前記内部電極の先端にスリット状のガス供給孔を有する部材を設け、その部材の出口側面に短辺寸法が０．５ｍｍ以下、奥行き寸法が前記短辺寸法の１０倍以上有することを特徴とするプラスチック容器の成膜装置。
前記スリット状のガス供給孔の短辺寸法が、該ガス供給孔を有する部材の流入側から流出側まで一定であることを特徴とする請求項１に記載のプラスチック容器の成膜装置。
前記スリット状のガス供給孔の短辺寸法が、該ガス供給孔を有する部材の流入側から流出側に向かって減少することを特徴とする請求項１に記載のプラスチック容器の成膜装置。
前記スリット状のガス供給孔を有する部材に、１個以上のスリット状のガス供給孔を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプラスチック容器の成膜装置。
前記スリット状のガス供給孔を有する部材は、前記内部電極に着脱が可能な機構を備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプラスチック容器の成膜装置。
前記スリット状のガス供給孔を有する部材が、射出成形法または焼結法で成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のプラスチック容器の成膜装置。