JP2010215957A - 巻取り式蒸着装置及び巻取り式蒸着方法並びにバリアフィルム - Google Patents

Abstract

【課題】フィルム基材の帯電現象による問題を回避しながら、電子ビーム加熱による蒸発物質の蒸着を可能にし、巻取り走行されるフィルム基材に損傷のないバリア性薄膜を安定に成膜できるようにした巻取り式蒸着装置及び巻取り式蒸着方法並びにバリアフィルムを提供する。
【解決手段】電子ビーム１９により加熱されて蒸発する蒸発物質を、巻取り走行されるフィルム基材１２に蒸着してガスバリア性の薄膜を形成する巻取り蒸着装置において、表面にガスバリア性薄膜を蒸着させたフィルム基材１２を、成膜ロール１５から剥離直前に加熱する加熱手段と、成膜ロール１５に正の電位を印加して、巻出し・巻取り室２０内でフィルム基材１２が成膜ロール１５から剥離された後の、フィルム基材１２と成膜ロール１５との間にプラズマ２７を発生させる電位印加手段とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子ビームにより加熱されて蒸発する蒸発物質を、巻取り走行されるフィルム基材に蒸着してガスバリア性の薄膜を形成する巻取り蒸着装置及び巻取り式蒸着方法並びにバリアフィルムに関する。特に、樹脂フィルムと透明酸化膜の組み合わせを代表とする、誘電体からなるフィルム基材にガスバリア性の薄膜を蒸着して成膜する巻取り蒸着装置及び巻取り式蒸着方法並びにこれら装置及び方法により形成されるバリアフィルムに関する。

食品、日用品あるいは医薬品の包装分野では、内容物の変質を防止することが求められてきた。これら内容物の変質は、酸素や水蒸気などのガスが包装材料を透過して内容物と反応することに起因する。このため、包装材料には酸素や水蒸気などのガスを透過させない性質（ガスバリア性）を備えていることが要求される。この要求を満たす包装材には、温度、湿度などに影響されないアルミニウムなどの金属箔やアルミニウム蒸着フィルムが多用されてきた。

ところが、アルミニウムなどの金属箔やアルミニウム蒸着フィルムを用いた包装材料は、ガスバリア性に優れるが、包装材料を透視して内容物を確認することができない。さらに、使用後の廃棄の際は不燃物として処理しなければならず、また、包装後の内容物などの検査の際に金属探知器が使用できないなどの問題を有していた。同様に、包装用途ではなくとも酸素や水蒸気の浸入で耐久性が劣化するようなエレクトロニクス部材等にもガスバリア性が必要とされる。このガスバリア性と同時に可視光線の透過が求められるときは、金属箔やアルミニウム蒸着フィルムでは対応しきれない問題があった。

そこで、これらの問題を克服した包装材料として、最近では酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化アルミニウム、酸化珪素などの透明な薄膜を樹脂フィルム基材上に蒸着した蒸着フィルムが上市されている。これらの蒸着フィルムは透明性及び酸素、水蒸気等のガス遮断性を有していることが知られ、金属箔などでは得ることが出来ない透明性、ガスバリア性の両方を有する包装材料として好適とされている。

また、蒸着用基材に長尺な樹脂フィルムを用いることにより、フィルム基材を連続的に巻き取ることが可能となり、ガスバリア性のある包装材料を大量生産することができる。

図１は、従来における巻取り式真空蒸着装置の構成を示す概略図である。この図１において、成膜用の真空チャンバー１内は隔壁２により巻出し・巻取り室１ａと成膜室１ｂとに仕切られている。この巻出し・巻取り室１ａと成膜室１ｂには、それぞれの室を真空に排気する真空ポンプ３ａ，３ｂが接続されている。また、真空チャンバー１内には、仕切材２に形成した開口を通して巻出し・巻取り室１ａと成膜室１ｂの両方に周面が臨むように配置された成膜ロール４が回転可能に設けられている。巻出し・巻取り室１ａ内には、ロール状に巻回された長尺な樹脂フィルム基材５を成膜ロール４に向けて巻出す巻出しロール６と、成膜室１ｂでガスバリア性薄膜が蒸着された樹脂フィルム基材５を巻き取る巻取りロール７がそれぞれ回転可能に配設されている。また、成膜室１ｂ内には、蒸発材料８Ａを収容した耐熱性のるつぼ８、及び、るつぼ８内の蒸発材料８Ａに高エネルギーの電子ビーム９ａを照射することで加熱蒸発させる電子銃９が配設されている。

図１において、巻出しロール６から巻出されたフィルム基材５は成膜ロール４へ送られる。成膜室１ｂ内では、成膜ロール４の回転につれ成膜室１ｂ内に臨むフィルム基材５の
表面に、電子銃９からの電子ビーム９ａにより加熱されてるつぼ８から蒸発する蒸発物質が蒸着され成膜される。そして、成膜された後のフィルム基材５は成膜ロール４の周面から離間され巻取りロール７に順次巻取られる。この時、成膜ロール４は冷却され、蒸発過程で生じた熱によるフィルム基材５の浮きを少なくしている。さらに、この過程で蒸発材料が蒸発中に成膜室内に酸素などの反応性ガスを入れることで比較的容易に酸化物薄膜などを成膜することができ、一般に反応性蒸着と呼ばれている。

ところで、フィルム基材５の巻出し、成膜及び巻取り動作が一連に行われると、巻取りロール７と対応する成膜ロール４のフィルム基材引き出し側箇所において、フィルム基材５に成膜ロール４から引き剥がそうとする張力が働く。そして、この張力とは逆の向きに静電気力で、フィルム基材５が成膜ロール４に密着しようとする力が働く。この場合、張力＞静電気力であるなら成膜ロール４からフィルム基材５が剥がれ、フィルム基材５は巻取りロール７に巻取られていく。このときの成膜ロール４とフィルム基材５間の界面には、静電気力に応じた放電が生じフィルム基材５に衝撃を与える。その衝撃により、フィルム基材５または薄膜に損傷が起こり、張力が不安定となるなどの不都合が生じる。

また、張力＜静電気力の場合は、フィルム基材５が成膜ロール４の周面から剥がれることがないため、フィルム基材５は成膜ロール４の周面に張り付いたまま成膜ロール４と一体に成膜ロール４のフィルム基材引き出し側（巻取りロール７と対向する側）からフィルム基材の導入側へと巻き込まれ、その結果、フィルム基材の巻取りが不可能となる。これに対処するために、成膜ロール４での剥離箇所の静電気力を減らす方法が多数考えられてきた。この静電気力は電子ビームによって蒸発材料８Ａの上部より散乱電子や反跳電子などがフィルム基材５まで到達したものと考えられている。これは、電子ビームを蒸発材料に照射することで急激に静電気力が増大している点から予想できる。さらに生成する薄膜も金属酸化物であると誘電体になるため、散乱電子や反跳電子などが蓄積してしまう。

真空蒸着法の中で、電子ビーム加熱方式は成膜速度が照射面積や電子ビームの電流値として制御し易く、蒸発材料への昇温降温が短時間で行える点で有効であるが、その反面、電子ビームを蒸発材料に照射すると反射や散乱などの現象が起こる。樹脂フィルム基材を巻取りながら電子ビームによる加熱にて蒸発する蒸発物質をフィルム基材に蒸着すると、特に前記現象により帯電現象が起こり数々の悪影響を引き起こす。例えば、樹脂フィルム基材が成膜ロールの周面から剥離される時に両者間に放電が起こり、樹脂フィルム基材の表面に放電痕と呼ばれる絶縁破壊の痕が発生し、樹脂フィルム基材と蒸着膜を劣化させてしまう。具体的には、ピンホールやバリア特性の低下などが挙げられる。

さらに、放電すると静電気力が開放され、張力のバランスが崩れ、巻取りの挙動が不安定となる。帯電が極度に増えるとフィルム基材が成膜ロールから剥がれなくなり、成膜ロールに何重にも巻き込まれてしまう。樹脂の種類によってはフィルムが切れてしまい、時間的影響が大きく生産性を低下させる。

そこで、特許文献１には、巻取り手段により真空の成膜室内を移動する誘電体の長尺基板に、電子ビーム蒸発源から蒸発物質を蒸着する真空蒸着方法において、電子ビーム蒸発源の近傍に設置した電極に電位を印加してこれに放電を発生させ、その放電領域を通過する蒸発物質を正イオン化して蒸着することにより、長尺基板上で負に帯電している蒸発物質から発生した二次電子を電気的に中和する技術が開示されている。ただし、この方法では、イオン発生のための装置が必要なことと、電極を電子ビーム蒸発源の近傍に設置するために、電極への蒸発物質の付着・堆積が避けられず、成膜条件および成膜時間の進行によってイオン中和の最適条件が変わってしまう問題がある。

特開２０００−３１３９５３号公報

本発明は、上記のような従来の問題を解決するためになされたもので、フィルム基材の帯電現象による上記問題を回避しながら、電子ビーム加熱による蒸発物質の蒸着を可能にし、併せて、巻取り走行されるフィルム基材に損傷のないバリア性薄膜を安定に成膜できるようにした巻取り式蒸着装置及び巻取り式蒸着方法並びにバリアフィルムを提供することを課題としている。

本発明の請求項１に係る発明は、巻出し・巻取り室と成膜室を有する真空チャンバーと、前記巻出し・巻取り室内を排気して第１の圧力に調節する第１の圧力調節手段と、前記成膜室内を排気して前記巻出し・巻取り室の圧力と異なる第２の圧力に調節する第２の圧力調節手段と、前記巻出し・巻取り室内に配設され、ロール状に巻回された長尺なフィルム基材を巻出す巻出しロールと、円筒面状の周面を有し、前記周面が前記巻出し・巻取り室と前記成膜室の両方に臨むようにして前記真空チャンバー内に回転可能に設けられ、前記巻出しロールから巻出される前記フィルム基材を前記周面に巻き掛けて前記成膜室へ連続的に案内する金属製の成膜ロールと、前記巻出し・巻取り室内に配設され、前記成膜室でガスバリア性薄膜が蒸着された後の前記フィルム基材を巻き取る巻取りロールと、前記成膜室内に配置され蒸発材料を収容する容器と、前記成膜室に設けられ前記蒸発材料に電子ビームを照射して加熱蒸発させることにより前記成膜ロールに巻き掛けられ前記成膜室に位置する前記フィルム基材の表面にガスバリア性薄膜を蒸着させる電子銃と、表面にガスバリア性薄膜を蒸着させた該フィルム基材を、前記成膜ロールから剥離直前に加熱する加熱手段と、前記成膜ロールに正の電位を印加して、前記巻出し・巻取り室内で前記フィルム基材が前記成膜ロールから剥離された後の該フィルム基材と前記成膜ロールとの間にプラズマを発生させる電位印加手段と、を備えることを特徴とする巻取り式蒸着装置である。

また、本発明の請求項２に係る発明は、前記巻出し・巻取り室の第１の圧力と前記成膜室の第２の圧力との間の圧力比が３．０×１０^−２以下であることを特徴とする請求項１に記載する巻取り式蒸着装置である。

また、本発明の請求項３に係る発明は、前記真空チャンバー内で前記巻出し・巻取り室と前記成膜室との間に中間室が設けられ、前記中間室内を排気して第３の圧力に調節する第３の圧力調節手段が設けられ、前記成膜ロールに巻き掛けられた前記フィルム基材の一部が前記中間室に位置していることを特徴とする請求項１に記載する巻取り式蒸着装置である。

次に、本発明の請求項４に係る発明は、請求項１乃至３の何れか１項に記載する巻取り式蒸着装置を用いて形成されたことを特徴とするバリアフィルムである。

また、本発明の請求項５に係る発明は、蒸発材料が金属であり、成膜室内に酸素ガスを導入することでフィルム基材に金属酸化物からなるガスバリア性薄膜が成膜されたことを特徴とする請求項４に記載するバリアフィルムである。

また、本発明の請求項６に係る発明は、前記金属酸化物が酸化アルミニウムであることを特徴とする請求項５に記載するバリアフィルムである。

また、本発明の請求項７に係る発明は、前記酸化化合物が酸化珪素であることを特徴とする請求項５に記載するバリアフィルムである。

次に、本発明の請求項８に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載する巻き取り式蒸着装置を用いて、長尺なフィルム基材をロール状に巻回してなる巻出しロールと、成膜後のフィルム基材を巻き取る巻取りロールを巻出し・巻取り室に配設し、前期巻出し・巻取り室と成膜室を排気により一定の圧力に調節し、前記巻出しロールからフィルム基材を巻出し、巻出された前記フィルム基材を金属製の成膜ロールの周面に巻き掛けながら前記成膜室へ連続的に案内し、前記成膜ロールに巻き掛けられて前記成膜室に臨む前記フィルム基材の表面に電子銃からの電子ビームにより加熱され蒸発された蒸発物質を蒸着してガスバリア性薄膜を形成し、表面にガスバリア性薄膜を蒸着させた該フィルム基材を、前記成膜ロールから剥離直前に加熱手段により加熱し、前記電位印加手段から前記成膜ロールに正の電位を印加することにより、前記巻出し・巻取り室内で前記フィルム基材が前記成膜ロールから剥離された後の該フィルム基材と前記成膜ロールとの間にプラズマを発生させながら、成膜後のフィルム基材を巻取りロールに巻き取ることを特徴とする巻取り式蒸着方法である。

また、本発明の請求項９に係る発明は、前記巻出し・巻取り室の第１の圧力と前記成膜室の第２の圧力との間の圧力比が３．０×１０^−２以下であることを特徴とする請求項８に記載する巻取り式蒸着方法である。

また、本発明の請求項１０に係る発明は、前記巻出し・巻取り室と前記成膜室との間に中間室が設けられ、前記中間室内を排気して第３の圧力に調節する第３の圧力調節手段が設けられ、前記成膜ロールに巻き掛けられた前記フィルム基材の巻き掛け範囲のうち、前記成膜室に位置する巻き掛け範囲の領域を除く他の巻き掛け範囲の領域が前記中間室に曝されていることを特徴とする請求項８に記載する巻取り式蒸着方法である。

次に、本発明の請求項１１に係る発明は、請求項８乃至１０の何れか１項に記載する巻取り式蒸着方法を用いて形成されたことを特徴とするバリアフィルムである。

また、本発明の請求項１２に係る発明は、蒸発材料が金属であり、前記成膜室内に酸素ガスを導入することで前記フィルム基材に金属酸化物からなるガスバリア性薄膜を成膜することを特徴とする請求項１１記載のバリアフィルムである。

また、本発明の請求項１３に係る発明は、前記金属酸化物が酸化アルミニウムであることを特徴とする請求項１２記載のバリアフィルムである。

また、本発明の請求項１４に係る発明は、前記酸化化合物が酸化珪素であることを特徴とする請求項１２記載のバリアフィルムである。

本発明の巻取り式蒸着装置及び方法においては、成膜ロールに電位印加手段から正の電位を印加して、巻出し・巻取り室内でフィルム基材が成膜ロールから剥離された後の当該フィルム基材と成膜ロールとの間にプラズマを発生させる。この場合、フィルム基材は、電子ビーム加熱による反射電子や散乱電子によって帯電（カソード（陰極））している。そこで、成膜ロールをアノード（陽極）となるように成膜ロールに強制的にプラス電位を与えることで、成膜ロールからフィルム基材が剥離した後の成膜ロールとフィルム基材との間の領域に安定なグロープラズマを発生させることができる。また、表面にガスバリア性薄膜を蒸着させた当該フィルム基材を、成膜ロールから剥離直前に加熱手段により加熱
し、蒸着時に冷却されたフィルムの温度を高くすることで、フィルム（誘電体）内の電子移動度を高めて、帯電した静電気を放電し易くし、成膜ロールからの剥離をより容易に行うことが出来る。これにより、従来のような剥離放電によるガスバリア性薄膜への放電痕や従来のような帯電による成膜ロールへのフィルム基材の巻き込みを防止することができ、バリアフィルムの生産の安定化およびバリア性を向上できる。

また、本発明においては、巻出し・巻取室の圧力と成膜室の圧力との圧力比が３．０×１０^−２以下であることで、成膜室でのプラズマ発生を防止することができる。これにより、巻取室内のみにグロープラズマが生成され、成膜ロールとフィルム基材との間の剥離放電を効果的に緩和することができる。

また、本発明においては、中間室を設けることで、巻出し・巻取室にてガスを導入しても成膜室の圧力上昇を抑制することができる。

また、本発明のバリアフィルムにおいては、酸化アルミニウムの蒸発速度が遅いが、アルミニウム金属材料と酸素ガスを用いて反応性蒸着を用いた方が成膜速度を速くすることができる。特に、酸化アルミニウム膜は透明性に優れており、食品用包装材料として用いたときに、容易に内容物の確認を行うことができ、好ましい。

また、本発明のバリアフィルムにおいては、酸化珪素や酸化マグネシウムの蒸発速度が速いため、反応性蒸着を用いるよりも通常の加熱蒸着を用いた方が成膜速度を速くすることができる。特に、酸化珪素膜はバリア性に優れており、さらにはバリア性能の維持、つまり、耐久性に優れ、好ましい。

従来における巻取り式真空蒸着装置の構成を示す概略図。 本発明の巻取り式蒸着装置の一実施形態の構成を示す概略図。

本発明の巻取り式蒸着装置を一実施形態に基づいて、図２を用いて以下に詳細に説明する。

図２は、本発明の巻取り式蒸着装置の一実施形態の構成を示す概略図である。巻取り式蒸着装置１０は、成膜用の真空チャンバー１１、巻出しロール１３、巻取りロール１４、金属製の成膜ロール１５、電子銃１６、蒸発材料１８を収容するるつぼ１７、巻出し・巻取り室２０、成膜室２１、中間室２２、第１〜第３の真空ポンプ２３〜２５、プラズマ発生用直流電源２６等を含んで構成される。

巻出し・巻取り室２０、成膜室２１及び中間室２２は、真空チャンバー１１内を第１及び第２の隔壁２８，２９により上下方向に３つに仕切ることで構成される。巻出し・巻取り室２０には、巻出し・巻取り室２０内を排気して第１の圧力に調節する第１の真空ポンプ２３（特許請求の範囲１に記載の第１の圧力調節手段に相当する）が接続されている。また、成膜室２１には、成膜室２１内を排気して第２の圧力に調節する第２の真空ポンプ２４（特許請求の範囲１に記載の第２の圧力調節手段に相当する）が接続されている。さらに、中間室２２には、中間室２２内を排気して第３の圧力に調節する第３の真空ポンプ２５（特許請求の範囲３に記載の第３の圧力調節手段に相当する）が接続されている。

真空チャンバー１１内には、第２の隔壁２９に形成された開口及び第１の隔壁２８に形
成した開口を通して、巻出し・巻取り室２０から中間室２２を貫通して成膜室２１に臨む円筒状の周面を有する成膜ロール１５が第１及び第２の隔壁２８，２９と平行に配置されている。この成膜ロール１５は支持軸１５１を介して真空チャンバー１１に回転可能に支持されている。

支持軸１５１は、その両端に樹脂製の電気絶縁材を介してフランジ結合した軸部（図示せず）を有し、この両端の軸部は、真空チャンバー１１に設けた軸受部（図示せず）に回転可能に軸承されている。これにより、支持軸１５１を含めた成膜ロール１５を接置電位から電気的に絶縁するようになっている。これは、フィルム基材引出し側である成膜ロール１５の箇所において、成膜ロール１５の周面から剥離したフィルム基材１２と成膜ロール１５との間でのプラズマの発生を容易にするためである。樹脂製の電気絶縁材に用いられる材質は、特に指定されないが、電気絶縁性、耐熱性、耐衝撃性、剛性、耐疲労性、耐溶剤性などに優れたポリアセタール樹脂を用いることが好ましい。

巻出しロール１３は、巻出し・巻取り室２０内に成膜ロール１５へのフィルム基材１２の導入側に対向して成膜ロール１５と平行に、かつ回転可能に配設され、長尺なフィルム基材１２がロール状に巻回されている。また、巻取りロール１４は、巻出し・巻取り室２０内に成膜ロール１５へのフィルム基材１２の引き出し側に対向して成膜ロール１５と平行に、かつ回転可能に配設され、成膜室２１でガスバリア性薄膜が蒸着された後のフィルム基材１２を巻き取るようになっている。

巻出しロール１３から巻出されるフィルム基材１２はガイド用のフリーローラ１３ａを介して成膜ロール１５の導入部位に向け連続的に案内され、中間室２２内及び成膜室２１内に臨むようにして成膜ロール１５の周面に少なくとも１８０度の角度範囲に亘り巻き掛けられている。この場合、成膜ロール１５に巻き掛けられたフィルム基材１２の巻き掛け範囲のうち、成膜室２１内に位置する巻き掛け範囲の領域を除く他の巻き掛け範囲の領域が中間室２２に臨むようになっている。

また、成膜室２１でガスバリア性薄膜が蒸着された後のフィルム基材１２は、巻き取り室に設けられた加熱手段としてのヒーター３０により、成膜ロール１５から剥離直前に加熱され、ガイド用のフリーローラ１４ａを介して巻取りロール１４に巻き取られるようになっている。ここで、フィルムの加熱手段としては、上記した非接触のヒーター以外にも接触タイプのロールヒーター等が使用可能であり、基材フィルムの温度が８０℃を超えない範囲で加熱可能なものを用いる。

るつぼ１７は、成膜室２１に臨むフィルム基材１２の巻き掛け範囲の領域Ａ１に対向して成膜室２１内に配置されている。また、電子銃１６は、これから発生する電子ビーム１９がるつぼ１７内の蒸発材料１８に有効に照射し得るようにして成膜室２１に配設される。

プラズマ発生用直流電源２６（特許請求の範囲１に記載の電位印加手段に相当する）は、成膜ロール１５に正の電位を印加して、巻出し・巻取り室２０内で、成膜ロール１５の周面から剥離した後のフィルム基材１２と成膜ロール１５との間にプラズマを発生させるためのものである。この直流電源２６の正極は図示省略の摺接子を介して支持軸１５１に接続され、直流電源２６の負極は接置電位に接続されている。

次に、本発明の巻取り式蒸着方法の一実施形態における動作について説明する。

巻出しロール１３からフィルム基材１２を巻出し、フリーローラ１３ａを介して成膜ロール１５の導入部位に向け連続的に案内する。巻出されたフィルム基材１２は成膜ロール１５の回転に伴い成膜ロール１５の周面に図２に示す状態に巻き掛けられて成膜室２１へ連続的に案内される。ここで、電子銃１６から発生する電子ビーム１９をるつぼ１７内の蒸発材料１８に照射することにより蒸発材料１８を加熱し蒸発させる。るつぼ１７から蒸発する蒸発物質は、成膜ロール１５の矢印方向への回転に伴い成膜ロール１５に巻き掛けられながら成膜室２１に臨むフィルム基材１２の表面に蒸着され、ガスバリア性薄膜が順次形成される。そして、ガスバリア性薄膜が形成された後のフィルム基材１２は、成膜ロール１５から剥離直前にヒーター３０により加熱され、フリーローラ１４ａを介して巻取りロール１４に順次巻き取られる。

一方、直流電源２６から成膜ロール１５に正の電位が印加されると、巻取りロール１４と対向する成膜ロール１５のフィルム基材引出し側である巻出し・巻取り室２０内で、成膜ロール１５の周面から剥離された後のフィルム基材１２と成膜ロール１５との間にプラズマ２７が発生する。これにより、前述したフィルム基材の加熱効果と合わせて、剥離放電によるガスバリア性薄膜への放電痕や帯電による成膜ロールへのフィルム基材の巻き込みを防止する。

樹脂製フィルム基材１２は、電子ビーム加熱による反射電子や散乱電子によって帯電している。この帯電は電子ビームの加速電圧によるエネルギーにて、樹脂製フィルム基材１２の内部まで打ち込まれてしまう。また、成膜ロール１５に巻き掛けられた樹脂製フィルム基材１２の内部に電子は滞留し、剥離時に放電することで開放される。逆に、開放されずに静電気力によって樹脂製フィルム基材１２が成膜ロール１５に密着し続けていると樹脂製フィルム基材１２は成膜ロール１５に巻き込まれる。この問題を回避するために、成膜ロール１５に正の電位を印加して成膜ロール１５と樹脂フィルム基材１２との間の剥離放電する部分にプラズマを発生させる。これにより、帯電した樹脂フィルム基材は電子を多く蓄積し、対極があれば、放電が始まると考えられる。この場合、樹脂フィルム基材自体をカソード（陰極）、成膜ロール１５をアノード（陽極）となるように成膜ロール１５に強制的に正の電位を与えて、安定なグロープラズマを発生させる。さらに、剥離直前のフィルム基材の温度を上げてやることで、フィルムの電子移動度を高くして放電し易くする。これにより、樹脂フィルム基材と成膜ロールの間で剥離放電よりも低い電圧で帯電が開放されることなる。また、成膜ロール１５と樹脂フィルム基材１２が接触している部分はプラズマが発生せずに、フィルム基材が剥離してからプラズマが発生する。これは、剥離放電の絶縁破壊を防止するためには好都合である。

巻取り室２０内にガスを導入することで、巻取り室２０内の圧力を上げ、成膜ロール１５でのプラズマを発生し易くすることができる。また、巻取り室２０と成膜室２１の間に中間室２３を設けることで、巻取り室２０にガスを導入しても成膜室２１の圧力上昇を抑制することができる。一般的に真空蒸着圧力は低いほど好ましいが、プラズマの発生しやすい圧力は１［Ｐａ］〜１０^−２［Ｐａ］程度であるため、成膜室２１と巻取り室２０の圧力比は２．０×１０^−２［Ｐａ］以上あれば巻取り室２０のガスにより、成膜室２１でのプラズマが発生することを防ぐことができる。これにより、巻取り室２０内のみグロープラズマ２７を生成し、成膜ロール１５と樹脂フィルム基材１２との間の剥離放電を効果的に緩和することができる。

成膜ロール１５は通常は接地電位となるが、本実施の形態では、成膜ロール１５の支持軸１５１の両端に樹脂製の電気絶縁材を介してフランジ結合した軸部（図示せず）を設け、この両端の軸部を真空チャンバー１１に設けた軸受部（図示せず）に回転可能に軸承することにより、成膜ロール１５を接置電位から電気的に浮いた状態にすることができる。

また、成膜ロール１５に正の電位を印加するために用いる直流電源２６は、グロープラズマ２７を維持できる電圧・電流の容量があればよく、特に限定がなく公知の直流電源を
使用することができる。また、安定なグロープラズマを発生するためには３００Ｖ、１０Ａ程度の電源容量があれば充分である。しかし、時には異常グロー放電からアーク放電に移行する場合もあるが、その際に電源が自動的にグロー放電に復帰できるようにすることが好ましい。

樹脂製のフィルム基材１２は、特に限定されるものではなく公知のものを使用することができる。例えばポリオレフィン系（ポリエチレン、ポリプロピレン等）、ポリエステル系（ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等）、ポリアミド系（ナイロン−６、ナイロン−６６等）、ポリスチレン、エチレンビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリイミド、ポリビニルアルコール、ポリカーボネイト、ポリエーテルスルホン、アクリル、セルロース系（トリアセチルセルロース、ジアセチルセルロース等）などが挙げられるが特に限定されない。用途や要求物性により適宜選定をすることが望ましく、限定をする例ではないが、医療用品、薬品、食品等の包装には、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ナイロンなどがコスト的に用いやすく、電子部材、光学部材等の極端に水分を嫌う内容物を保護する包装には、ポリエチレンナフタレート、ポリイミド類などの高いガスバリア性を有する基材を用いることが望ましい。また、フィルム基材の厚みは限定するものではないが、用途に応じて、６μｍから２００μｍ程度が使用しやすい。

フィルム基材に成膜される一般的な酸化薄膜はアモルファス構造であり、酸化度を上げると透明性が増加する。しかしながら、透明性を上げるとガスバリア性が低下してしまう。酸化度を上げる方法は、酸素ガスを導入することなどが考えられるが、バリア性は透明になれば悪くなり、光吸収がある膜のほうがバリア性は高くなる傾向がある。

また、バリア性の酸化珪素膜や酸化マグネシウム膜を成膜する際に使用される蒸発材料には一酸化珪素や酸化マグネシウムを使用し、酸化アルミニウム膜はアルミニウムを蒸発材料として酸素ガスによる反応性蒸着にて成膜をすることが多い。蒸発速度が高い一酸化珪素や酸化マグネシウム材料に比べ、酸化アルミニウムは蒸発速度が低いため、アルミニウム金属材料からの反応性蒸着法の方が成膜速度を速くすることができるからである。

以下に、本発明の具体的な実施例について説明する。

<実施例１＞
フィルム基材に厚さが２５μｍのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート、東レ社製Ｔ６０）フィルムを用い、電子銃の加速電圧を４０ｋＶ、ビーム電流を０．２５Ａとして酸化珪素材料（ＳｉＯ、キヤノンオプトロン社製）を電子ビームにより加熱した。プラズマ発生用直流電源（ＭＤＸ−１０Ｋ，Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ社）を用いて、その負極を接地電位に、正極を成膜ロールに接続することで、成膜ロールに正電位を印加する。巻取り室にはＡｒガスを１５０ｓｃｃｍ導入して、巻取り室の圧力を０．８０Ｐａ、成膜室の圧力を１．１×１０^−２Ｐａ、中間室の圧力を３．０×１０^−３Ｐａとした。この時のプラズマ発生用直流電源の電圧を２００Ｖとし、電子銃によって加熱・蒸着したＰＥＴフィルムの成膜ロールの引き出し側にグロープラズマを生成した。この場合、プラズマ発生用直流電源から供給される電流は０．１５Ａだった。酸化珪素薄膜の膜厚が４０ｎｍとなるように巻取速度を調整して、電子ビーム加熱蒸着を行った。なお、蒸着後のフィルム基材は成膜ロールから剥離直前に表面温度で５０℃となるよう加熱した。

＜実施例２＞
実施例１と同様なフィルム基材と電子ビーム加熱条件でアルミニウム（純度９９．９％）を加熱し、酸素ガスを４８０ｓｃｃｍ（１０^−６ｍ^３／ｍｉｎ．）導入して、反応性蒸着を行った。この場合、実施例１と同様に成膜ロールに酸化アルミニウム膜が３０ｎｍとな
るように巻取速度を調整し、実施例１と同様に蒸着後のフィルム基材が成膜ロールから剥離直前に表面温度で５０℃となるようフィルム基材加熱を行った。プラズマ発生用直流電源は２００Ｖ，０．１５Ａで成膜ロールの引き出し側にプラズマを発生させた。巻取り室にはＡｒガス１５０ｓｃｃｍ（１０^−６ｍ^３／ｍｉｎ．）を導入し、巻取り室の圧力を０．８０Ｐａ、成膜室の圧力を２．３×１０^−２Ｐａ、中間室の圧力を４．３×１０^−３Ｐａとして電子ビーム加熱蒸着を行った。

＜実施例３＞
実施例１と同様なフィルム基材と酸化珪素材料、電子ビーム加熱条件、プラズマ条件、ガス導入条件、圧力条件で酸化珪素膜が８０ｎｍとなるように巻取速度を調整して、実施例１と同様に蒸着後のフィルム基材が成膜ロールから剥離直前に表面温度で５０℃となるよう加熱し、電子ビーム加熱蒸着を行った。

＜実施例４＞
実施例１と同様なフィルム基材と酸化珪素材料、電子ビーム加熱条件、プラズマ条件、巻取り室のガス導入条件を同じにし、中間室にＡｒガスを導入し、圧力条件変化させた。中間室へのＡｒガス流量を３０ｓｃｃｍ（１０^−６ｍ^３／ｍｉｎ．）を導入し中間室の圧力を８．２×１０^−２Ｐａとし、巻取り室の圧力を０．８０Ｐａ、成膜室の圧力を２．４×１０^−２Ｐａとした。この時、酸化珪素膜が４０ｎｍとなるように巻取速度を調整して、実施例１と同様に蒸着後のフィルム基材が成膜ロールから剥離直前に表面温度で５０℃となるよう加熱し、電子ビーム加熱蒸着を行った。

＜実施例５＞
中間室２２と成膜室２１との間の隔壁２８を取り外し、成膜室と巻取室との間の隔壁１枚で仕切られている形にし、実施例１と同様なフィルム基材と酸化珪素材料、加熱条件、プラズマ条件、ガス導入条件、フィルム基材加熱条件で、酸化珪素膜厚が４０ｎｍとなるように巻取速度を調整して、電子ビーム加熱蒸着を行った。この時の巻取り室の圧力を０．８０Ｐａ、成膜室の圧力を１．２×１０^−１Ｐａとした。

以下に、本発明の比較例について説明する。

＜比較例１＞
直流電源の電圧を０Ｖとして、プラズマを発生しないこと、フィルム基材を加熱しないこと以外は実施例１と同様なフィルム基材と酸化珪素材料、電子ビーム加熱条件、ガス導入条件、圧力条件で酸化珪素膜が４０ｎｍとなるように巻取速度を調整して、電子ビーム加熱蒸着を行った。

＜比較例２＞
アルゴンガスを導入せずに巻取り室の圧力を４．２×１０^−３Ｐａ、成膜室の圧力を３．０×１０^−３Ｐａ、中間室の圧力を１．０×１０^−３Ｐａとし、フィルム基材を加熱しないこと以外は実施例１と同様なフィルム基材と酸化珪素材料、電子ビーム加熱条件、ガス導入条件、圧力条件で酸化珪素膜が４０ｎｍとなるようにした。直流電源は電圧２００Ｖで０Ａとなり、成膜ロールにはプラズマが発生しない状態で電子ビーム加熱蒸着を行った。

＜比較例３＞
直流電源の電圧を０Ｖとし、プラズマを発生しないことと、フィルム基材を加熱しないこと以外は実施例２と同様なフィルム基材と酸化珪素材料、電子ビーム加熱条件、ガス導入条件、圧力条件で酸化アルミニウム膜が４０ｎｍとなるように巻取速度を調整して、電子ビーム加熱蒸着を行った。

＜比較例４＞
アルゴンガスを導入せずに巻取り室の圧力を６．４×１０^−３Ｐａ、成膜室の圧力を５．８×１０^−３Ｐａ、中間室の圧力を１．５×１０^−３Ｐａとし、フィルム基材を加熱しないこと以外は実施例１と同様なフィルム基材と酸化珪素材料、電子ビーム加熱条件、ガス導入条件、圧力条件で酸化アルミニウム膜が４０ｎｍとなるようにした。直流電源は電圧２００Ｖだが電流は０Ａとなり、成膜ロールにはプラズマが発生しない状態で電子ビーム加熱蒸着を行った。

上記実施例１〜５で作成したバリアフィルムの評価結果と、上記比較例１〜４で作成したバリアフィルムの評価結果を表１に示す。ここで、膜厚は、Ｘ線反射法によって測定（リガク社製、ＡＴＸ−Ｇ）した。また、水蒸気透過率は、モダンコントロール社製（ＭＯＣＯＮ ＰＥＲＭＡＴＲＡＮ Ｗ３／３３）を用いて、４０℃−９０％ＲＨ雰囲気下で測定した。また、酸素透過率は、モダンコントロール社製（ＭＯＣＯＮ ＯＸ−ＴＲＡＮ２／２０）を用いて、３０℃―７０％ＲＨ雰囲気下で測定した。また、目視による傷の評価は、放電による流れ方向に垂直な傷があるかどうか判断した。また、表１において、Ｏ．Ｒ．は測定限界以上示す。また、圧力比は、成膜室圧力／巻取室圧力で表される。

＜比較結果＞
表１から明らかなように、実施例１〜５までは、水蒸気透過率が４ｇ／ｍ^２−ｄａｙ以下となり、また、酸素透過率が５ｃｃ／ｍ^２−ｄａｙ以下となり、バリアフィルムのバリア性能が発揮されていることが確認された。

また、巻出し・巻取室の圧力と成膜室の圧力との圧力比を３．０×１０^−２以下とすることで、成膜室でのプラズマ発生を防止することができ、巻取室内のみにグロープラズマが生成され、成膜ロールとフィルム基材との間の剥離放電を効果的に緩和することができるとともに、剥離放電によるフィルム基材及び蒸着膜へのピンホール等の傷の発生をなくすことができた。

これに対して、比較例１〜４では、ＰＥＴからなるフィルム基材に放電によるピンホール等の傷が残っており、いずれも十分なバリア性能が得られないことが確認された。

成膜ロールを絶縁し、電圧を印加できるようにし、さらに蒸着後のフィルム基材を成膜ロールから剥離直前に加熱することで、生産性も高く、安価にバリア性を持つ蒸着フィルムが提供できる。食品、日用品、医薬品等の包装分野あるいは非包装分野での酸素および水蒸気を遮断が必要な部材分野に広く適応できる。

１・・・真空チャンバー １ａ・・・巻出し・巻取り室 １ｂ・・・成膜室
２・・・隔壁（仕切り材） ３ａ、３ｂ・・・真空ポンプ ４・・・成膜ロール ５・・・フィルム基材 ６・・・巻出しロール ７・・・巻取りロール
８・・・るつぼ ８Ａ・・・蒸発材料 ９・・・電子銃 ９ａ・・・電子ビーム
１０・・・巻取り式蒸着装置（本発明） １１・・・真空チャンバー
１２・・・フィルム基材 １３・・・巻出しロール １３ａ・・・フリーロール
１４・・・巻取りロール １４ａ・・・フリーロール １５・・・成膜ロール
１６・・・電子銃 １７・・・るつぼ １８・・・蒸発材料
１９・・・電子ビーム ２０・・・巻出し・巻取り室 ２１・・・成膜室
２２・・・中間室 ２３・・・第１の真空ポンプ ２４・・・第２の真空ポンプ
２５・・・第３の真空ポンプ ２６・・・プラズマ生成用直流電源
２７・・・プラズマ ２８，２９・・・隔壁 ３０・・・フィルム基材加熱ヒーター１５１・・・成膜ロールの支持軸

Claims (14)

1. 巻出し・巻取り室と成膜室を有する真空チャンバーと、
   前記巻出し・巻取り室内を排気して第１の圧力に調節する第１の圧力調節手段と、
   前記成膜室内を排気して前記巻出し・巻取り室の圧力と異なる第２の圧力に調節する第２の圧力調節手段と、
   前記巻出し・巻取り室内に配設され、ロール状に巻回された長尺なフィルム基材を巻出す巻出しロールと、
   円筒面状の周面を有し、前記周面が前記巻出し・巻取り室と前記成膜室の両方に臨むようにして前記真空チャンバー内に回転可能に設けられ、前記巻出しロールから巻出される前記フィルム基材を前記周面に巻き掛けて前記成膜室へ連続的に案内する金属製の成膜ロールと、
   前記巻出し・巻取り室内に配設され、前記成膜室でガスバリア性薄膜が蒸着された後の前記フィルム基材を巻き取る巻取りロールと、
   前記成膜室内に配置され蒸発材料を収容する容器と、
   前記成膜室に設けられ前記蒸発材料に電子ビームを照射して加熱蒸発させることにより前記成膜ロールに巻き掛けられ前記成膜室に位置する前記フィルム基材の表面にガスバリア性薄膜を蒸着させる電子銃と、
   表面にガスバリア性薄膜を蒸着させた該フィルム基材を、前記成膜ロールから剥離直前に加熱する加熱手段と、
   前記成膜ロールに正の電位を印加して、前記巻出し・巻取り室内で前記フィルム基材が前記成膜ロールから剥離された後の該フィルム基材と前記成膜ロールとの間にプラズマを発生させる電位印加手段と、
   を備えることを特徴とする巻取り式蒸着装置。
2. 前記巻出し・巻取り室の第１の圧力と前記成膜室の第２の圧力との間の圧力比が３．０×１０^−２以下であることを特徴とする請求項１記載の巻取り式蒸着装置。
3. 前記真空チャンバー内で前記巻出し・巻取り室と前記成膜室との間に中間室が設けられ、前記中間室内を排気して第３の圧力に調節する第３の圧力調節手段が設けられ、前記成膜ロールに巻き掛けられた前記フィルム基材の一部が前記中間室に位置していることを特徴とする請求項１記載の巻取り式蒸着装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の巻取り式蒸着装置を用いて形成されたことを特徴とするバリアフィルム。
5. 蒸発材料が金属であり、成膜室内に酸素ガスを導入することでフィルム基材に金属酸化物からなるガスバリア性薄膜を成膜することを特徴とする請求項４記載のバリアフィルム。
6. 前記金属酸化物が酸化アルミニウムであることを特徴とする請求項４記載のバリアフィルム。
7. 前記酸化化合物が酸化珪素であることを特徴とする請求項８記載のバリアフィルム。
8. 請求項１〜３のいずれか１項に記載する巻き取り式蒸着装置を用いて、
   長尺なフィルム基材をロール状に巻回してなる巻出しロールと、成膜後のフィルム基材を巻き取る巻取りロールを巻出し・巻取り室に配設し、
   前期巻出し・巻取り室と成膜室を排気により一定の圧力に調節し、
   前記巻出しロールからフィルム基材を巻出し、巻出された前記フィルム基材を金属製の成
   膜ロールの周面に巻き掛けながら前記成膜室へ連続的に案内し、
   前記成膜ロールに巻き掛けられて前記成膜室に臨む前記フィルム基材の表面に電子銃からの電子ビームにより加熱され蒸発された蒸発物質を蒸着してガスバリア性薄膜を形成し、表面にガスバリア性薄膜を蒸着させた該フィルム基材を、前記成膜ロールから剥離直前に加熱手段により加熱し、
   前記電位印加手段から前記成膜ロールに正の電位を印加することにより、前記巻出し・巻取り室内で前記フィルム基材が前記成膜ロールから剥離された後の該フィルム基材と前記成膜ロールとの間にプラズマを発生させながら、成膜後のフィルム基材を巻取りロールに巻き取ることを特徴とする巻取り式蒸着方法。
9. 前記巻出し・巻取り室の第１の圧力と前記成膜室の第２の圧力との間の圧力比が３．０×１０^−２以下であることを特徴とする請求項８に記載する巻取り式蒸着方法。
10. 前記巻出し・巻取り室と前記成膜室との間に中間室が設けられ、前記中間室内を排気して第３の圧力に調節する第３の圧力調節手段が設けられ、前記成膜ロールに巻き掛けられた前記フィルム基材の巻き掛け範囲のうち、前記成膜室に位置する巻き掛け範囲の領域を除く他の巻き掛け範囲の領域が前記中間室に曝されていることを特徴とする請求項８に記載する巻取り式蒸着方法。
11. 請求項８乃至１０の何れか１項に記載する巻取り式蒸着方法を用いて形成されたことを特徴とするバリアフィルム。
12. 蒸発材料が金属であり、成膜室内に酸素ガスを導入することでフィルム基材に金属酸化物からなるガスバリア性薄膜を成膜することを特徴とする請求項１１記載のバリアフィルム。
13. 前記金属酸化物が酸化アルミニウムであることを特徴とする請求項１２記載のバリアフィルム。
14. 前記酸化化合物が酸化珪素であることを特徴とする請求項１２記載のバリアフィルム。

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