JP2017014618A - フレキシブル基板を処理する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フレキシブル基板をコーティングの前に事前処理して、コーティングされた基板のバリア特性を改善する方法の提供。【解決手段】重合面を有するフレキシブル基板を用意する工程２０２、電子ビームを放出する工程２０４、重合面を１ｋｅＶから６ｋｅＶの電子エネルギーを有する電子ビームに曝す工程２０６、処理ドラムに隣接して配置される第一のローラとの間で電子ビームに曝すことによって重合面の化学結合を破壊することを含む改変をする工程２０８、および改変面にバリア層を堆積する工程２１０を含む基板のバリア特性を改善する方法。【選択図】図４

Description

本開示の諸実施形態は、フレキシブル基板を処理する方法に関する。詳細には、これらの実施形態は、フレキシブル基板をコーティングの前に事前処理して、コーティングされた基板のバリア特性を改善する方法に関する。

プラスチックのフィルムまたは箔などのフレキシブル基板の処理は、パッケージング業界、半導体業界および他の業界において大きな需要がある。処理は、フレキシブル基板を所望の材料でコーティングすることから成ることが多い。

この作業を実施するシステムは一般に、基板を搬送する処理システムに結合された処理ドラム、例えば円筒形ローラを含み、この処理ドラムの上で基板の少なくとも一部分が処理される。例えば、フレキシブル基板が搬送されている間に、処理ドラムの上でフレキシブル基板の一部分をコーティングすることができる。

食品包装用のプラスチックフィルムは、金属またはシリコンを含む層でコーティングして、コーティングがなければプラスチック材料を透過して包装済み商品を劣化させることになる酸素および水蒸気からパッケージ内部の食品を保護することができる。そのために、コーティングされたプラスチック基板のバリア特性は、種々の要素、例えば、プラスチック材料自体、コーティングの厚さおよび性質、ならびにコーティング処理中の様々な処理パラメータによって決まる。いくつかのパラメータにより、水蒸気または酸素のバリア特性を改善することができるが、これらのパラメータは、基板特性全体に関する他の態様に悪影響を及ぼすこともある。

したがって、プラスチック基板上のコーティングのバリア特性を全般的に改善する方法があることが望ましい。

一態様では、フレキシブル基板を処理する方法が提供される。この方法は、重合面を有するフレキシブル基板を用意すること、電子ビームを放出すること、重合面を電子ビームに曝すこと、電子ビームに曝すことによって重合面を改変すること、および改変面にバリア層を堆積することを含む。

本発明の上述の特徴が得られる方法が細部にわたり理解できるように、上で簡潔に要約した本発明のより具体的な説明が、添付の図面に示されている本発明の実施形態を参照することによって得られよう。

諸実施形態によるフレキシブル基板を処理する例示的システムの概略図である。 図１に示された実施形態の処理ドラムの概略斜視図である。 別の実施形態によるフレキシブル基板を処理するシステムの概略図である。 諸実施形態によるフレキシブル基板を処理する例示的方法を示す流れ図である。

次に、各図に１つまたは複数の例が示されている様々な実施形態を細部にわたり参照する。各例は、説明として提示されており、限定を意味するものではない。例えば、一実施形態の一部として図示または説明された特徴を用いて、または他の実施形態と組み合わせて、さらに別の実施形態を得ることができる。本開示は、このような修正形態または変形形態を含むことが意図されている。

本明細書で開示される実施形態は、フィルムをシリコン層、酸化シリコン層、金属層、金属酸化物層または金属窒化物層で、一例としてはアルミニウム、酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムでコーティングする前に、電子ビームでプラスチック基板を処理する方法に関する。本発明者らは、電子で事前処理することによりコーティング後のフィルムのバリア特性が、同じコーティングを備えるがコーティング前に電子処理をしない同じフィルムと比較して、予想外に改善することを見出した。したがって、電子で処理されるフィルムの面は通常、それだけには限らないが、後の処理ロールから離れる方向に向けられる面であり、かつ後でコーティングによって覆われる面である。

認められる効果は、電子処理の様々な部分的効果の組合せであることが想定される。電子ビームを重合基板上に向けることによって、基板の表面粗さが低減される。さらに、衝突電子によってフィルム表面の電子構造が変えられ、例えば励起され、その結果、プラスチックフィルム表面と後で施されるコーティングとの間の接着性が変化し、水蒸気および酸素に対するバリア特性が改善されることになる。さらに、ポリマーフィルムの表面の結合が破壊され、その結果、後のコーティングとフィルムの間の結合の性質が変わり、それぞれ改善されることになる。

上述の効果の少なくとも一部分の性質は、プラスチックフィルムの表面が構造的に改変されるようなものであり、それぞれ不可逆的に改変される。さらに、表面の分離水または水分子の量が減少し、それゆえに表面は、電子ビームによって洗浄される。本明細書に記載の基板は、通常はすでに完全に重合されていることに留意されたい。すなわち、電子ビームは、表面上の重合反応を促進するのに寄与せず、かつ／または基板は、電子ビームによって処理されるように通常はすでに事前に硬化されている。

諸実施形態において、電子ビームによる事前処理は、プラスチックフィルムの上方の空間にガスを付加することと組み合わせることができる。ガス分子は電子ビームによって励起され、それぞれイオン化される。適切なガスはＡｒであること、あるいは、より具体的には、ヘリウム、またはＮ_２もしくはＯ_２のような反応性ガス、または前者の任意の混合物であることが判明した。

図面についての以下の説明の中で、同じ参照番号は同じ構成要素を指す。一般に、個々の実施形態に関して相違点のみが説明される。

図１は、それだけには限らないが、ウエブ、フィルム、または箔などのフレキシブルプラスチック基板１１０を処理する例示的システム１００を示す。この例示的実施形態は、真空チャンバ１８０を含む。諸実施形態によれば、フレキシブル基板の処理は真空チャンバ１８０の中で行われる。具体的には、処理ドラム１０５が、例示的システム１００の真空チャンバ１８０内に配置される。それによって、処理は真空状態で行うことができる。真空チャンバ１８０は通常、その中に真空状態を維持しながら基板１１０をチャンバの中に導入しやすくするように適合された入口１８５と、処理された基板１５０用の出口１９０とを備える。あるいは、巻出しローラおよび巻取りローラ（図１に図示せず）を含むロールツーロールシステム全体を真空チャンバ１８０内に収容することもできる。

本明細書の実施形態によれば、システム１００は、フレキシブル基板１１０を搬送するように、かつ／または横方向に引っ張るように適合された第１のローラ１２５を含む。具体的には、本明細書の実施形態によれば、第１のローラ１２５は、フレキシブル基板１１０が横方向に引っ張られる（すなわち、基板幅に沿って引っ張られる）ように構成され、例えば処理ドラム１０５に対して配置される。それによって、処理ドラム１０５の上までフレキシブル基板１１０を適切に搬送しやすくなる。

諸実施形態によれば、第１のローラ１２５は、処理ドラム１０５に隣接して配置される。すなわち、第１のローラ１２５と処理ドラム１０５の間に延びる基板搬送路内には他のいかなるローラもない。諸実施形態によれば、第１のローラ１２５は案内ローラである。特定の実施形態によれば、例示的システム１００のように、第１のローラ１２５は真空チャンバ１８０の中に配置される。あるいは、第１のローラ１２５は、真空チャンバ１８０の外側に配置することもできる。第１のローラ１２５は、例えば、それだけには限らないが、円筒形状を有することができる。

本明細書の実施形態によれば、処理ドラム１０５は、その縦軸に対して回転可能である。それによって、フレキシブル基板１１０は、回転している処理ドラム１０５を越えて移動させることによって搬送し、処理することができる。諸実施形態によれば、縦軸１０６は、処理ドラム１０５の中心軸と一致する。諸実施形態によれば、処理ドラム１０５は、縦軸１０６に沿って、図２に示されるような処理ドラム長１０７を有する。

本明細書の実施形態によれば、フレキシブル基板は、ローラ１２５に供給される前にロール（図示せず）から巻き出される。コーティングされた基板１５０は通常、ローラ１３０を越えて真空チャンバ１８０の外へと出口まで案内され、フレキシブル基板は通常、真空チャンバ１８０内で処理された後に、または同じもしくは別の真空チャンバ内での別の処理ステップの後に、ロール（図示せず）上に巻かれる。

諸実施形態によれば、処理ドラム長１０７は、基板１１０の幅の少なくとも１０５％の長さである。諸実施形態によれば、フレキシブル基板１１０のコーティングは、例えば、それだけには限らないが、処理ドラム１０５の上でフレキシブル基板１１０の一部分にコーティングを行うことによって、処理ドラム１０５の上で作用する。

諸実施形態によれば、電子ビーム１２０は、基板をコーティングする前に、基板１１０の表面１１２に対し向けられる。ビーム１２０は通常、ローラ１２５と処理ドラム１０５との間の表面１１２に対して、より具体的には、基板が処理ドラム１０５と接触するドラムの領域１１４に対して向けられる。第１の領域１１４は、真空チャンバ１８０に相対的と見なされる領域であること、すなわち、フレキシブル基板１１０の処理中に通常は静止している要素であることに留意されたい。つまり、本明細書では、第１の領域１１４は、処理ドラム１０５と共に回転する領域ではない。電子ビーム１２０を放出する電子ビームデバイス１１５は、電子ビームが基板に対してその幅全体にわたり作用するように適合され、その結果、基板１１０が縦方向に移動することにより、真空チャンバ１８０を通過する基板の（一方の側の）全表面が電子ビーム１２０で処理されることになる。電子ビームデバイス１１５は、例えば、電子フラッド銃、リニア電子銃、電子ビーム、または同様のものなどの電子源でよい。電子源に使用されるガスは、アルゴン、Ｏ_２、Ｎ_２、ＣＯ_２、またはＨｅでよく、とりわけＯ_２、Ｎ_２、ＣＯ_２、またはＨｅであればよい。

したがって、放出電子で処理された重合面１１２は、後でコーティングされる基板のバリア特性の改善を実現するために、物理的に、それぞれ構造的に変えられることが強調される。所望の効果は、電子を１ｋｅＶから６ｋｅＶのエネルギーで、より典型的には１ｋｅＶから４ｋｅＶ、例えば２ｋｅＶ、３ｋｅＶ、または４ｋｅＶのエネルギーで供給することによって得ることができる。典型的な電子流は、２０ｍＡから１５００ｍＡまでで、例えば５００ｍＡである。

諸実施形態によれば、電子ビームデバイス１１５は、フレキシブル基板１１０に対して、そのさらなる処理の前に作用する。それによって、基板１１０の基板表面１１２の改変はまた、フレキシブル基板１１０と処理ドラム１０５の間に電位差をもたらすこともある。具体的には、電子ビームデバイス１１５は、フレキシブル基板１１０に電子を供給することによって、フレキシブル基板１１０を帯電させることがある。それによって、負電荷がフレキシブル基板に加えられる可能性がある。処理ドラム１０５のグランド１１８へのグランド接続１０８によって例示的に示されているように（図１および図３に示す）、処理ドラム１０５が接地されている場合、フレキシブル基板１１０上の電荷が、接地された処理ドラム１０５に対する電位差をもたらす。しかし、この帯電効果は単に、本明細書で開示される方法の副産物として見られるべきものにすぎない。これは通常、上述の基板表面１１２の物理的／構造的変更に寄与せず、したがってまた、諸実施形態によるバリア特性の改善にも寄与しない。

諸実施形態によれば、電子ビームデバイス１１５は、フレキシブル基板１１０に対し、フレキシブル基板の幅の大部分を横切って延びるラインに沿って同時に作用するように構成される。具体的には、電子ビームデバイス１１５はリニア供給源でよく、すなわち、リニア電子源などの、細長い領域に沿って荷電粒子を同時に放出する供給源でよい。例えば、電子ビームデバイス１１５は、長い方の長さがおよそ基板幅、より具体的には基板幅の少なくとも９５％であり、短い方の長さが基板幅の０．５％から１０％の間であるほぼ長方形の領域の上に、電子を同時に放出することができる。電子ビームデバイス１１５の開口部の基板表面からの距離は、５ｍｍから１２０ｍｍまで、より典型的には２０ｍｍから１００ｍｍまででよい。

荷電粒子のリニア供給源は、フレキシブル基板の高速処理をしやすくすることができ、その結果、基板の搬送速度を最大化することが可能になる。代替実施形態によれば、電子ビームデバイス１１５は走査電子源であり、すなわち、電子を放出すると共に、図１に示された領域１１４などのラインまたは区域に沿って、典型的には基板幅全体に沿って、放出方向を走査する供給源である。それに応じて、本明細書で使用される用語の「電子ビーム」は、ある個所に合焦されるビームに限定されず、これにはまた、走査され、あるラインまたは領域の上をそれぞれ掃引されるビーム、ならびにより大きい領域から基板上のターゲット領域の方向に放出される複数の電子が含まれ、それゆえに大量の電子の流れも含まれることを理解されたい。リニア電子源の例は、２００７年１２月２１日に出願の「Ｌｉｎｅａｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｏｕｒｃｅ，ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ ｕｓｉｎｇ ｌｉｎｅａｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｏｕｒｃｅ，ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｏｕｒｃｅｓ」という名称の欧州特許出願第２０７３２４３Ａ１号に記載されており、同出願は参照により、同出願が本開示と矛盾しない範囲で本明細書に組み込まれる。その中でリニアプラズマ電子源が言及されており、この電子源は、第１の電極として機能し、側壁を有する筐体と、電子ビームを通過させ、電子源の長さ方向を画定する筐体内のスリット開口部と、筐体内に配列され、スリット開口部と対向する第１の側面を有する第２の電極であって、第１の側面がスリット開口部から第１の距離だけ間隔があけられ、電子源の長さ方向の長さが第１の距離の少なくとも５倍であり、少なくとも７０ｃｍである第２の電極と、筐体内にガスを供給する少なくとも１つのガス供給源とを含み、第１の電極はアノードであり、第２の電極はカソードである。

諸実施形態によれば、フレキシブル基板には、それだけには限らないが、ポリプロピレン含有基板、ポリエステル基板、ナイロン基板、ＯＰＰ基板（すなわち、配向ポリプロピレンフィルム）、およびＣＰＰ基板（すなわち、キャスティングポリプロピレンフィルム）が含まれる。諸実施形態によれば、フレキシブル基板は厚さが５０μｍ未満、より詳細には５μｍ、さらに詳細には２μｍである。例えば、フレキシブル基板はＯＰＰ基板であり、厚さが、例えば２０μｍなど、５０μｍ以下であればよい。本明細書に記載の実施形態ではまた、フレキシブル基板は、２μｍ以下、例えば０．７μの厚さを有する超薄フィルムであることも企図されている。

諸実施形態によれば、システム１００は、処理ドラム１０５上のフレキシブル基板１１０の少なくとも一部分をコーティングするための、処理ドラム１０５に対向して配置されたコーティングユニット１４０を含む。諸実施形態によれば、コーティングユニット１４０は、第１の領域１１４の下流であり第２の領域１１６の上流でもあるところの、フレキシブル基板１１０の一部分をコーティングするように配置され、第２の領域ではコーティングされた基板１５０は、ローラ１３０によって処理ドラム１０５から遠ざかるように案内される。

コーティングユニット１４０は、フレキシブル基板１１０をコーティング材料１３５のフィルムでコーティングするために設けられ、その結果、コーティングされたフレキシブル基板１５０が製作されることになる。本明細書に記載の実施形態のいずれとも組み合わせることができる異なる実施形態によれば、コーティングは、熱蒸発、電子ビーム蒸発、スパッタリング処理、ＣＶＤ処理、プラズマ促進処理、またはこれらの組合せによって実現することができる。コーティングユニット１４０は、コーティングされる層の均一性の改善が容易になるように、例えば、スタガボート蒸発器から成るものでよい。

諸実施形態によれば、コーティングユニット１４０は、フレキシブル基板１１０を金属層、金属酸化物層、または金属窒化物層でコーティングするように構成される。例えば、コーティングユニット１４０は、フレキシブル基板１１０をアルミニウム層でコーティングするように構成することができる。コーティングされた金属層は通常、厚さが５００ｎｍ未満、より詳細には４５０ｎｍ未満、さらに詳細には１００ｎｍ未満である。さらに、諸実施形態によれば、コーティングされた金属層は、少なくとも５ｎｍ、より詳細には少なくとも８ｎｍ、さらに詳細には少なくとも１０ｎｍの厚さがある。例えば、それだけには限らないが、フレキシブル基板１１０は、厚さが約１０ｎｍから１００ｎｍまでの範囲のアルミニウム層、または厚さが約８ｎｍから４５０ｎｍの範囲の酸化アルミニウム（ＡｌＯ_ｘ）層もしくは窒化アルミニウム層でコーティングすることができる。ＡｌＯ_ｘを用いるなど、場合によって、コーティングは光学的に透明になり得る。諸実施形態において、基板１１０は、シリコン層または酸化シリコン層でコーティングされる。

諸実施形態によれば、水蒸気および／または酸素に対するコーティングされた基板１５０のバリア特性は、電子ビームが基板表面１１２に作用する前に、放出電子ビームで処理ガスを付加的に励起することによってさらに改善される。この目的のために、処理ガスが、基板表面１１２の付近で電子ビーム１２０と相互作用することができる位置または領域で、真空チャンバ１８０の中に導入される。ガス注入口１６０が図３に概略的に示されており、ガス１６５は、基板１１０の表面１１２に近接する領域に向けられている。ガス分子は、電子ビーム１２０と相互作用した後、基板表面と相互作用する。それによって、表面は励起された処理ガスに曝される。適切な処理ガスは、アルゴン、ヘリウム、窒素と酸素の混合物などの反応性ガスの混合物、および前者のうちのいずれかの組合せであり、より具体的には窒素と酸素、ヘリウム、およびこれらの混合物であることが判明した。励起された処理ガスが使用される場合、約１ｋｅＶから６ｋｅＶの電子エネルギーがガスの十分な励起を生じさせるのに適しており、より詳細には１ｋｅＶから４ｋｅＶが適している。

図４は、諸実施形態によるフレキシブル基板を処理する方法２００を概略的に示す。この方法は、２０２で重合表面を有するフレキシブル基板を用意すること、２０４で電子ビームを放出すること、２０６で重合面を電子ビームに曝すこと、２０８で電子ビームに曝すことによって重合面を改変すること、および２１０で改変面にバリア層を堆積することを含む。

諸実施形態において、電子ビームによって改変された基板表面１１２上では、金属、金属酸化物、シリコン、または酸化シリコンのバリア層のコーティングの前に、別の層が基板１１０に付けられる。この別の層には、ＡｌＯ_ｘ、またはトリアジン（Triazine）もしくはアクリレート（Acrylate）のような有機層が含まれてよい。加えて、または別法として、別の層がバリア層の上に、すなわち基板表面から離れた側に付けられてもよい。この別の層には、ＡｌＯ_ｘ、またはトリアジンもしくはアクリレートのような有機層が含まれてよい。

基板を処理するシステムおよび方法の例示的な諸実施形態が上で詳細に説明されている。これらのシステムおよび方法は、本明細書に記載の特定の実施形態に限定されるのではなく、システムの諸構成要素および／または方法の諸ステップは別々に、また本明細書に記載の他の構成要素および／またはステップとは別に利用することができる。例えば、コーティングステップの前に電子ビームによって基板表面を改変することは、説明されたものと異なるシステム、例えば専用の処理ドラムがないシステムで実行することができ、本明細書で説明された組合せに限定されない。

本発明の様々な実施形態の具体的な特徴は、一部の図面に示され、他の図面には示されていないことがあるが、これは単に便宜のためにすぎない。本発明の原理によれば、ある図面のどの特徴も、他の任意の図面のどの特徴とも組み合わせて参照および／または特許請求することができる。

本明細書では諸例を用いて、ベストモードを含めて本発明を開示し、また当業者が本発明を実施することを、任意のデバイスまたはシステムを作製および使用すること、および組み込まれる任意の方法を実施することを含めて可能にしている。様々な特定の諸実施形態を上記で開示したが、当業者には、特許請求の趣旨および範囲で、等しく効果的な修正形態が可能であることが理解されよう。特に、上述の実施形態の互いに非排他的な特徴は、互いに組み合わせることができる。本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲に定義されており、また当業者に想到される他の例を含むことができる。このような他の例は、それが特許請求の範囲の文字通りの言葉と相違しない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文字通りの言葉とは実質的な違いがない等価の構造要素を有する場合には、特許請求の範囲内にあるものとする。

Claims (15)

1. フレキシブル基板を処理する方法であって、
   重合面を有するフレキシブル基板を用意すること、
   電子ビームを放出すること、
   前記重合面を前記電子ビームに曝すこと、
   前記電子ビームに曝すことによって前記重合面を改変すること、および
   前記改変面にバリア層を堆積することを含む、方法。
2. 前記フレキシブル基板が、ポリプロピレン含有基板、ポリエステル基板、ナイロン基板、ＯＰＰ基板、およびＣＰＰ基板から成る群から選択される、請求項１に記載の方法。
3. 前記改変することが前記表面を清浄にすること、特に前記表面から水蒸気を除去することを含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記改変することが前記表面の表面粗さを低減することを含む、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記改変することが前記基板の前記重合面の化学結合を破壊することを含む、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記電子ビームが１ｋｅＶから６ｋｅＶの電子エネルギーを有する、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記電子ビームが２０ｍＡから１５００ｍＡのビーム電流で放出される、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の方法。
8. 処理ガスを入れること、
   前記処理ガスを前記放出電子ビームによって励起すること、および
   前記基板表面を前記励起された処理ガスに曝すことをさらに含む、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記処理ガスが、アルゴン、より具体的には窒素または酸素、窒素と酸素の混合物、および前者の組合せから成る群から選択される、請求項８に記載の方法。
10. 前記フレキシブル基板をロールから巻き出すこと、および
    前記フレキシブル基板をロール上に巻くことをさらに含む、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記バリア層が、アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、シリコン、酸化シリコンから成る群からの少なくとも１つの要素を含む、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記バリア層が、酸素および／または水蒸気に対する、特に酸素および水蒸気に対する光学的に透明なバリアである、請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記フレキシブル基板と前記バリア層の間にＡｌＯ_ｘ、またはトリアジンもしくはアクリレート層のような有機層を堆積すること、および／または
    前記バリア層の上にＡｌＯ_ｘ、またはトリアジンもしくはアクリレート層のような有機層を堆積することをさらに含む、請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記重合基板表面が前記電子ビームによって不可逆的に改変される、請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記フレキシブル基板がＰＥＴを含み、前記堆積されたバリア層がＡｌを含み、電子エネルギーが５ｋｅＶであり、電子流が５００ｍＡである、請求項１ないし１４のいずれか一項に記載の方法。

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