JP2022124227A - ガスバリアフィルムおよびその製造方法、ならびに偏光板および画像表示装置 - Google Patents

ガスバリアフィルムおよびその製造方法、ならびに偏光板および画像表示装置 Download PDF

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Abstract

【課題】優れたガスバリア性を有し、かつ透明性および耐屈曲性に優れるガスバリアフィルムを提供する。【解決手段】ガスバリアフィルム(1)は、透明フィルム(11)の少なくとも一方の面にガスバリア層(20)を備える。ガスバリア層は、構成元素としてケイ素、酸素および窒素を含む酸窒化シリコン層を含む。酸窒化シリコン層は、2180~2280cm-1に赤外吸収ピークを示すものが好ましい。一実施形態では、トリシリルアミン、窒素および酸素をチャンバー内に導入して、CVD法により酸窒化シリコン層を成膜する。【選択図】図1

Description

本発明は、ガスバリアフィルムおよびその製造方法、ならびにガスバリア層付き偏光板および画像表示装置に関する。
画像表示装置の軽量化・薄型化・フレキシブル化に伴って、ガラス基板に代えてフィルム基板が用いられるようになっている。樹脂フィルムは、ガラスに比べて水蒸気や酸素等のガス透過性が高いため、これらのガスに起因する素子の劣化を抑制する目的で、ガスバリアフィルムを用いることが提案されている。ガスバリア層の材料としては、一般に、酸化シリコン、酸化アルミニウム等の酸化物が用いられている。
有機EL素子は、わずかな水分の浸入に起因して「ダークスポット」と呼ばれる欠点が生じる場合があり、高いガスバリア性(水蒸気遮断性)が要求される。ガスバリア性に優れる材料として、窒化シリコン(SiN)および酸窒化シリコン(SiON)が知られている。
例えば、特許文献1では、Siターゲットを用い、反応性ガスとして酸素を導入して、スパッタ法により酸窒化シリコン薄膜を形成した例、およびモノシランを原料ガスとしてプラズマCVDにより酸窒化シリコン薄膜を形成した例が示されている。また、特許文献1では、耐屈曲性を高めるために、2層の酸窒化シリコン薄膜の間に酸化シリコン薄膜を配置することが提案されている。特許文献2では、トリシリルアミンを原料として、プラズマCVDにより酸窒化シリコン薄膜を形成した例が示されている。
特開2007-15350号公報 国際公開第2013/134661号
可撓性基板上に有機EL素子を形成した折り曲げ可能な表示装置(フレキシブルディスプレイやフォルダブルディスプレイ)が実用化されており、ガスバリアフィルムは、折り曲げた際にもガスバリア層にもガスバリア層にクラックが生じないこと(耐屈曲性)が要求されている。スパッタ膜は密度が高くガスバリア性に優れるものの、膜内の残留応力が大きく、特許文献1に記載されているように、耐屈曲性に課題がある。
CVD膜は、スパッタ膜に比べて応力が小さく耐屈曲性に優れている。しかし、シリコン系薄膜のCVD成膜に一般に用いられているモノシランは、有毒ガスであり、その取扱いに課題がある。トリシリルアミンは、モノシランに比べて毒性が低く、CVDのケイ素源として有用であるが、原料中の不純物が多く、トリシリルアミンを原料としてCVDにより成膜した窒化シリコン層は透明性が低いとの課題がある。
上記に鑑み、本発明は、優れたガスバリア性を有し、かつ透明性および耐屈曲性に優れるガスバリアフィルムの提供を目的とする。
ガスバリアフィルムは、透明フィルムの少なくとも一方の面にガスバリア層を備える。ガスバリア層は、構成元素としてケイ素、酸素および窒素を含む酸窒化シリコン層を含む。
酸窒化シリコン層は、2180~2280cm-1に赤外吸収ピークを示すものが好ましい。一実施形態では、トリシリルアミン、窒素および酸素をチャンバー内に導入して、CVD法により酸窒化シリコン層を成膜する。
ガスバリア層は、酸窒化シリコン層に加えて、酸窒化シリコン層よりも屈折率が低い低屈折率層を含んでいてもよい。ガスバリア層は、酸窒化シリコン層の両面に低屈折率層を備えていてもよい。
低屈折率層は、構成元素としてシリコンおよび酸素を含む酸化シリコン層であってもよい。酸化シリコン層は、5原子%以下の炭素を含んでいてもよい。酸化シリコン層は、ヘキサメチルジシロキサン等の有機ケイ素化合物および酸素をチャンバー内に導入して、CVD法により成膜してもよい。
ガスバリアフィルムは、例えば、画像表示装置の形成に用いられる。画像表示装置は、画像表示セルの視認側表面にガスバリアフィルムを備える。画像表示セルは有機ELセルであってもよい。画像表示装置は、さらに偏光子を備えていてもよく、偏光子と位相差フィルムとが積層された円偏光板を備えていてもよい。偏光子とガスバリアフィルムとを積層してガスバリア層付き偏光板を作製してもよい。
本発明のガスバリアフィルムは、ガスバリア性および透明性に優れるため、有機EL等の画像表示装置等のガスバリアフィルムとしての使用に適している。また、ガスバリア層が耐屈曲性に優れているため、フレキシブルディスプレイやフォルダブルディスプレイ用のガスバリアフィルムとしても有用である。
一実施形態のガスバリアフィルムの積層構成を示す断面図である。 一実施形態のガスバリアフィルムの積層構成を示す断面図である。 一実施形態のガスバリアフィルムの積層構成を示す断面図である。 ガスバリアフィルムを備える画像表示装置の構成例を示す断面図である。 実施例および比較例で成膜した薄膜の赤外吸収スペクトルである。
図1は、一実施形態のガスバリアフィルムの積層構成を示す断面図である。ガスバリアフィルム1は、透明フィルム11の少なくとも一方の面に、酸窒化シリコン層231を含むガスバリア層20を備える。図2に示すガスバリアフィルム2のように、ガスバリア層は複数の薄膜の積層構成であってもよい。また、図3に示すガスバリアフィルム3のように、透明フィルム11の両面に、ガスバリア層21,22が設けられていてもよい。
[透明フィルム]
透明フィルム11は、ガスバリア層形成の土台となる層であり、可撓性を有している。基材として可撓性のフィルムを用いることにより、ロールトゥーロールでガスバリア層を形成可能であるため、ガスバリア層の生産性が高められる。また、可撓性フィルム上にガスバリア層が設けられたガスバリアフィルムは、フレキシブルデバイスやフォルダブルデバイスにも適用できるとの利点を有する。
透明フィルム11の可視光透過率は、好ましくは80%以上、より好ましくは90%以上である。透明フィルム11の厚みは特に限定されないが、強度や取扱性等の観点から、5~200μm程度が好ましく、10~150μmがより好ましく、40~100μmがさらに好ましい。
透明フィルム11を構成する樹脂材料としては、透明性、機械強度、および熱安定性に優れる樹脂材料が好ましい。樹脂材料の具体例としては、トリアセチルセルロース等のセルロース系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリエーテルスルホン系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、(メタ)アクリル系樹脂、環状ポリオレフィン系樹脂(ノルボルネン系樹脂)、ポリアリレート系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリビニルアルコール系樹脂、およびこれらの混合物が挙げられる。
透明フィルム11は、表面に、ハードコート層、表面平滑化層等のコーティング層を備えていてもよい。透明フィルム11の表面が平滑であれば、その上に形成されるガスバリア層21のガスバリア性が高められ、水蒸気透過率が小さくなる傾向がある。透明フィルム11のガスバリア層21形成面の算術平均高さSaは、1.5nm以下または1.0nm以下であってもよい。算術平均高さSaは、原子間力顕微鏡(AFM)により測定した1μm×1μmの範囲の三次元表面形状から、ISO 25178に準じて算出される。
透明フィルム11の表面には、ガスバリア層21との密着性向上等の目的で、コロナ処理、プラズマ処理、フレーム処理、オゾン処理、グロー処理、ケン化処理、カップリング剤による処理等の表面改質処理を施してもよい。
透明フィルム11の表面には、ガスバリア層21との密着性向上等を目的として、プライマー層(不図示)を設けてもよい。プライマー層を構成する材料としては、例えば、シリコン、ニッケル、クロム、スズ、金、銀、白金、亜鉛、インジウム、チタン、タングステン、アルミニウム、ジルコニウム、パラジウム等の金属;これらの金属の合金;これらの金属の酸化物、フッ化物、硫化物または窒化物等が挙げられる。プライマー層の膜厚は、例えば、1~20nm程度であり、好ましくは1~15nm、より好ましくは1~10nmである。
[ガスバリア層]
<酸窒化シリコン層>
ガスバリア層21は、少なくとも1層の酸窒化シリコン層を231含む。酸窒化シリコン層231は、ガスバリア層におけるガスバリア機能の中心を担う層であり、ケイ素、酸素および窒素を主たる構成元素とする材料からなる層である。酸窒化シリコン層は、成膜時の原料や透明フィルム11および外部環境から取り込まれる少量の水素・炭素等の元素を含んでいてもよい。
酸窒化シリコン層において、ケイ素、酸素および窒素以外の元素の含有量は、それぞれ、5原子%以下が好ましく、3原子%以下がより好ましく、1原子%以下がさらに好ましい。酸窒化シリコン層を構成する元素のうち、ケイ素、酸素および窒素の合計は、90原子%以上が好ましく、95原子%以上がより好ましく、97原子%以上がさらに好ましく、99原子%以上、99.5原子%以上または99.9原子%以上であってもよい。
酸窒化シリコンの組成は、SiOで表され、0<x<2,0<y<1.33である。酸素と窒素の比x/yは、0.1~20が好ましく、0.3~10がより好ましく、0.5~8がさらに好ましい。x/yは、0.8以上、1.0以上、1.2以上または1.5以上であってもよい。x/yは、6以下、5以下、4以下、3以下または2以下であってもよい。x/yが小さいほど(すなわち、窒素の比率が高いほど)ガスバリア性が高められる傾向があり、x/yが大きいほど(すなわち、酸素の比率が高いほど)可視光の吸収が少なく透明性が向上する傾向がある。
酸窒化シリコンは化学量論組成を有していてもよく、酸素または窒素が不足している非化学量論組成であってもよい。化学量論組成の酸窒化シリコンは、x/2+3y/4=1である。(x/2+3y/4)の値は、0.7~1.10が好ましい。(x/2+3y/4)の上限は理論的には1であるが、酸素または窒素が過剰に取り込まれることにより、1より大きな値を示す場合がある。(x/2+3y/4)が0.7以上であれば、透明性およびガスバリア性が高められる傾向がある。(x/2+3y/4)の値は、0.75以上が好ましく、0.80以上がより好ましく、0.85以上であってもよい。
酸窒化シリコン層の屈折率は、一般に1.5~2.2であり、1.55~2.00が好ましく、1.60~1.90、1.85以下、1.80以下、1.75以下または1.70以下であってもよい。屈折率がこの範囲である酸窒化シリコンは、優れたガスバリア性と透明性を両立可能である。また、屈折率が2.00以下であることにより、光透過性が向上する傾向がある。ここでの屈折率は、波長550nmにおける値である。以下においても、特に断りがない限り、屈折率は波長550nmの値である。酸窒化シリコンは、窒素の比率が高いほど(すなわちx/yが小さいほど)、屈折率が高くなる傾向がある。
酸窒化シリコン層の密度は2.10g/cm以上が好ましい。酸窒化シリコン層の密度が大きいほど、ガスバリア性が高くなる傾向がある。酸窒化シリコンは、窒素の比率が高いほど(すなわちx/yが小さいほど)、密度が大きくなる傾向がある。
酸窒化シリコン層の膜厚は、10~150nmが好ましく、20~100nmがより好ましい。酸窒化シリコン層の膜厚が10nm以上であることにより、高いガスバリア性(低水蒸気透過率)を実現可能であり、膜厚が大きいほど、ガスバリアフィルムの水蒸気透過率が小さくなる傾向がある。酸窒化シリコン層の膜厚が過度に大きい場合は、可視光短波長の光吸収が大きくなり、光透過率が低下する傾向がある。
酸窒化シリコン層は、2180~2280cm-1に赤外吸収ピークを示すものが好ましい。不純物としての水素原子を多く含むシリコン系薄膜は、Si-H等の水素化シリコンに由来する波数2140cm-1付近の赤外吸収ピークを示す。一方、不純物としての水素量が減少して酸素に置き換わると、3つの酸素原子がSi原子のバックボンドに結合したSi-H(O)に由来する波数2250cm-1付近に新たなピークが生じることが知られている。
2180~2280cm-1に赤外吸収ピークを示すシリコン系薄膜は、不純物としての水素の含有量が少なく、透明性に優れる傾向がある。水素原子をほとんど含まないシリコン系薄膜は、波数2000~2300cm-1の領域の水素化シリコンに由来する赤外吸収ピークを有さず、透明性に優れるとともに、膜密度が高く、ガスバリア性に優れる傾向がある。しかし、膜中の水素量が少なく、2000~2300cm-1の領域に赤外吸収ピークを示さない膜は、柔軟性が低く、耐屈曲性に劣る場合がある。これに対して、波数2180~2280cm-1の領域に赤外線吸収スペクトルを示す酸窒化シリコン層は、透明性に優れるとともに、耐屈曲性にも優れる傾向がある。
酸窒化シリコン層の成膜方法は特に限定されず、ドライコーティング法でもウェットコーティング法でもよい。膜密度が高くガスバリア性の高い膜が形成されやすいことから、スパッタ法、イオンプレーティング法、真空蒸着法、CVD法等のドライプロセスが好ましい。膜応力が小さく、耐屈曲性に優れる膜が形成されやすいことから、CVD法が好ましく、中でも、プラズマCVD法が好ましい。
可撓性フィルム上にガスバリア層を形成する場合は、ロールトゥーロール方式でCVD成膜を実施することにより、生産性を向上できる。ロールトゥーロール方式のCVD成膜装置は、成膜ロールが一対の対向電極の一方または両方の電極を構成しており、成膜ロール上をフィルムが走行する際に、フィルム上に薄膜が形成される。2つの成膜ロールが一対の対向電極を構成している場合は、それぞれの成膜ロール上で薄膜が形成されるため、成膜速度を2倍に向上できる。
CVDにより酸窒化シリコンを成膜する際のケイ素の供給源としては、シラン、ジシラン等の水素化ケイ素、およびジクロロシラン等のハロゲン化ケイ素等のSi含有ガスが挙げられる。ケイ素供給源として、ヘキサメチルジシラザン、ヘキサメチルジシロキサン、1,1,3,3-テトラメチルジシロキサン、テトラメチルシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリメチルシラン、ジメチルジメトキシシラン、テトラメトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、トリメチルメトキシシラン、テトラエトキシシラン、ジエチルジエトキシシラン、メチルジメトキシシラン、メチルジエトキシシロキサン、メチルジエトキシシロキサン、モノシリルアミン、ジシリルアミン、トリシリルアミン等のケイ素化合物を用いてもよい。これらの中でも、毒性が低く、低沸点であり、高透明かつ高密度の膜を形成可能であることから、トリシリルアミンが好ましい。
酸窒化シリコンを成膜するために、シリコン供給源に加えて、窒素源および酸素源となるガスを導入する。窒素供給源としては、窒素、アンモニア等が挙げられる。酸素供給源としては、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素等が挙げられる。膜中に取り込まれる水素や炭素を低減する観点から、窒素源としては窒素ガスが好ましく、酸素源として酸素ガスが好ましい。
シリコン源としてのトリシリルアミンとともに窒素源を導入してCVDにより成膜した窒化シリコンは、膜中の水素量が多く、Si-H等の水素化シリコンに由来する波数2140cm-1付近(2120~2170cm-1)の赤外吸収ピークを示す。窒素に加えて酸素を導入してCVDにより成膜した酸窒化シリコン層は、赤外吸収のピークが高波数側にシフトして、2180~2280cm-1に赤外吸収ピークを示し、窒化シリコン層よりも優れた透明性を示す。酸素は、シリコンに対する結合力が強いため、酸素の導入により膜中への水素の取り込みが抑制されることが、透明性向上の一因と推定される。
トリシリルアミン等のシリコン源に対する窒素および酸素の導入量を調整することにより、酸窒化シリコン層の組成を適宜に調整できる。透明性とガスバリア性とを両立する観点から、酸素の導入量は、窒素の導入量に対して、体積比で、0.05~5倍が好ましく、0.1~2倍がより好ましく、0.2~1.5倍がさらに好ましく、0.25~1.0倍または0.3~0.8倍であってもよい。酸素導入量が過度に小さい場合は、膜に導入される酸素量が少なく、膜の光透過率が小さくなる傾向がある。酸素導入量が過度に大きい場合は、膜に取り込まれる窒素量が少なく、ガスバリア性が不足する傾向がある。
CVDの導入ガスとして、ケイ素源、窒素源および酸素源以外のガスを用いてもよい。例えば、トリシリルアミン等の液体を用いる場合は、液体を気化させて成膜チャンバー内に導入するためにキャリアガスを用いてもよい。また、窒素源や酸素源を、キャリアガスと混合して成膜チャンバー内に導入してもよく、プラズマ放電を安定させるために放電用ガスを用いてもよい。キャリアガスおよび放電用ガスとしては、ヘリウム、アルゴン、ネオン、キセノン等の希ガス、水素が挙げられる。膜中に取り込まれる水素量を低減して透明性を高める観点から、希ガスが好ましい。
プラズマCVDにおける諸条件は、適宜設定すればよい。基板温度(成膜ロールの温度)は、例えば-20~500℃程度に設定される。フィルム上にガスバリア層を成膜する場合の基板温度は、フィルムの耐熱性の観点から、150℃以下が好ましく、100℃以下がより好ましい。成膜室の圧力は、例えば、0.5~50Pa程度である。プラズマ発生用電源としては、交流電源が用いられる。ロールトゥーロール方式のCVD成膜における電源の周波数は一般に50Hz~500kHzの範囲内であり、印加電力は0.1~10kW程度である。
CVDにより成膜した酸窒化シリコン層の密度は、2.10~2.50g/cm程度であり、2.15~2.45g/cm、2.20~2.40g/cmまたは2.25~2.35g/cmであってもよい。
<低屈折率層>
ガスバリア層は、酸窒化シリコン層の単一層でもよく、他の薄膜との積層構成であってもよい。酸窒化シリコン層と他の薄膜とを積層することにより、ガスバリア層に様々な特性を付加できる。一実施形態において、ガスバリア層は、酸窒化シリコン層よりも屈折率が低い低屈折率層を備えていてもよい。
図2に示すガスバリアフィルム2において、ガスバリア層21は、酸窒化シリコン層231の両面に低屈折率層211,213を備える。低屈折率層211,213は、酸窒化シリコン層とともにガスバリア性を高めるとともに、光学干渉層として機能し、ガスバリア層による光反射を低減して光透過率を高める作用を有し得る。
低屈折率層は、酸窒化シリコン層よりも低屈折率であればその材料は特に限定されず、有機層でも無機層でもよい。低屈折率層を構成する無機材料としては、酸化シリコン、フッ化マグネシウム等が挙げられる。酸窒化シリコン層と低屈折率層との屈折率差は、0.10以上が好ましく、0.13以上または0.15以上であってもよい。屈折率差は一般に1.0以下であり、0.5以下、0.4以下または0.3以下であってもよい。低屈折率層の屈折率は、1.30~1.55であってもよく、1.40~1.52であってもよい。
低屈折率層は、好ましくは酸化シリコン層である。酸化シリコン層は、成膜時の原料や透明フィルム11および外部環境から取り込まれる少量の水素・炭素・窒素等の元素を含んでいてもよい。酸化シリコン層が窒素を含む場合、窒素含有量は、酸窒化シリコン層よりも小さいことが好ましい。酸化シリコン層において、ケイ素および酸素以外の元素の含有量は、それぞれ、5原子%以下が好ましい。
酸化シリコン層は、ケイ素および酸素に加えて、炭素を含む炭酸化シリコンであってもよい。例えば、ケイ素源として有機ケイ素化合物を用いてCVDにより成膜した酸化シリコンには、少量の炭素が含まれる場合がある。膜密度を高めて、酸化シリコン層をガスバリア性向上に寄与させる観点から、酸化シリコン層(炭酸化シリコン層)における炭素含有量は、5原子%以下が好ましい。ケイ素および酸素を主たる構成元素とするシリコン化合物において、炭素含有量が5原子%以下であれば、炭素原子による膜特性への影響が小さいため、炭素を含んでいても「酸化シリコン」と同等とみなすことができる。酸化シリコン層における炭素含有量は、1原子%以上でもよく、2原子%以上でもよい。
低屈折率層の成膜方法は特に限定されず、ドライコーティング法でもウェットコーティング法でもよい。酸窒化シリコン層をロールトゥーロールのCVD法により成膜する場合は、生産性の観点から、低屈折率層もCVD法により成膜することが好ましい。
CVD法により酸化シリコン層を成膜する場合のケイ素源および酸素源としては、酸窒化シリコン層の成膜に関して先に例示したものが挙げられる。毒性が低く、膜中への窒素の取り込みを抑制できることから、有機ケイ素化合物が好ましく、膜中への不純物の取り込みを抑制可能であり、透明性およびガスバリア性の高い膜を形成可能であることから、ヘキサメチルジシロキサンが好ましい。ケイ素源としてヘキサメチルジシロキサン等の有機ケイ素化合物を用いた場合、膜中に炭素が取り込まれる場合があるが、上記のように、少量であれば、酸化シリコン層に炭素が含まれていてもよい。膜中の炭素量を低減する観点から、酸素源としては酸素ガスが好ましい。
ケイ素源に対する酸素源の導入量が多いほど、膜中の炭素量が低減し、膜密度が高くなる傾向がある。ヘキサメチルジシロキサンと酸素を用いてCVDにより酸化シリコンを成膜する場合、酸素の導入量は、ヘキサメチルジシロキサン(気体)の導入量に対して、体積比で10倍以上が好ましく、15倍以上または20倍以上であってもよい。成膜速度を適切に維持する観点から、酸素の導入量は、ヘキサメチルジシロキサン(気体)の導入量に対して、体積比で200倍以下が好ましく、100倍以下または50倍以下であってもよい。
酸化シリコン層のCVD成膜においては、キャリアガスや放電ガスを導入してもよい。基板温度、圧力、電源周波数、印加電圧等の諸条件は、酸窒化シリコン層の成膜と同様、適宜調整すればよい。
低屈折率層としての酸化シリコン層をガスバリア性向上に寄与させる観点から、酸化シリコン層の密度は、1.80g/cm以上が好ましく、1.90g/cm以上がより好ましく、2.00~2.40g/cm、2.05~2.35g/cm、または2.10~2.30g/cmであってもよい。
低屈折率層を光学干渉層として適切に作用させる観点から、ガスバリア層に含まれる複数の低屈折率層の膜厚は、3~250nmが好ましく、5~200nmまたは10~150nmであってもよい。低屈折率層の膜厚は、ガスバリア層の光反射率や、反射光の色付きが小さくなるように設定することが好ましい。反射光の特性(スペクトル)は、光学モデル計算により正確に評価することが可能である。光学計算により多層光学薄膜の反射スペクトルを求める方法としては、薄膜のそれぞれの界面に対して薄膜干渉の公式を繰り返し適用して、多重反射した波を全て足し合わせる方法;およびマックスウェル方程式の境界条件を考慮して転送行列により反射スペクトルを計算する方法、等が知られている。
<ガスバリア層の積層構成>
上記の通り、ガスバリア層は、酸窒化シリコン層の単一層でもよく、酸窒化シリコン層と低屈折率層等との積層構成でもよい。ガスバリア層が酸窒化シリコン層と酸化シリコン等の低屈折率層を含む場合、図2に示す様に、酸窒化シリコン層231の両面に酸化シリコン層211,213が配置されていることが好ましい。低屈折率層と酸窒化シリコン層は接していてもよく、両者の間に他の層が含まれていてもよい。
透明フィルム11から遠い側に位置する低屈折率層213は、ガスバリア層21の最表面層(最外層)である。酸窒化シリコン層231と透明フィルム11側の面に配置された低屈折率層211は、ガスバリア層21の透明フィルム11に近い側の面の最表面層であってもよい。図2に示すガスバリアフィルム2において、ガスバリア層21は、1層の酸窒化シリコン層231の両面に低屈折率層211,213が配置された合計3層の交互積層構成であり、低屈折率層211,213が最表面層を構成している。ガスバリア層21の透明フィルム11に最も近接して配置された最表面層211は、透明フィルム11に接していてもよく、透明フィルム11上に設けられたプライマー層等の機能層に接していてもよい。
ガスバリア層21の最外層として低屈折率層が配置されることにより、ガスバリア層に接して配置されるフィルムや粘着剤層等との界面の屈折率差が小さく、反射率の低減にも寄与する。ガスバリア層21の透明フィルム11側の最表面層211が低屈折率層である場合は、透明フィルム11とガスバリア層との界面での反射も低減できる。
ガスバリア層は、2層以上の酸窒化シリコン層を含んでいてもよく、例えば、2層の酸窒化シリコン層と3層の低屈折率層との交互積層体であってもよい。ガスバリア層は、4層の積層構成または6層以上の積層構成であってもよい。例えば、4層構成のガスバリア層は、透明フィルム11側から、酸窒化シリコン層/低屈折率層/酸窒化シリコン層/低屈折率層の順に配置された交互積層体であってもよい。合計の総数が偶数である交互積層体においても、最外層が低屈折率層であることが好ましい。合計4層以上からなるガスバリア層は、酸窒化シリコン層と低屈折率層の間に、両者の中間の屈折率を有する中屈折率層や、酸窒化シリコン層よりも高屈折率の材料からなる高屈折率層を含んでいてもよい。ガスバリア層は、3層の酸窒化シリコン層と4層の低屈折率層の計7層からなる交互積層構成であってもよく、8層以上からなる交互積層構成であってもよい。
ガスバリア層は、酸窒化シリコン層および低屈折率層以外の層(他の層)を含んでいてもよい。「他の層」の例としては、金属または半金属の酸化物、窒化物、酸窒化物等のセラミック材料からなる無機薄膜が挙げられる。低透湿性と透明性を兼ね備えることから、Si、Al、In、Sn、Zn、Ti、Nb、CeまたはZrの酸化物、窒化物または酸窒化物が好ましい。
高いガスバリア性と透明性とを両立する観点から、ガスバリア層の合計膜厚は、30~1000nmが好ましく、50~500nmがより好ましい。
図3に示すガスバリアフィルム3のように、透明フィルム11の両面にガスバリア層21,22を備える場合、一方の面のガスバリア層21と他方の面のガスバリア層22の構成は、同一でもよく異なっていてもよい。透明フィルム11の一方の両面にガスバリア層が設けられることにより、ガスバリアフィルムのガスバリア性を向上できる。ガスバリア層21,22の積層構成が異なる場合、一方のガスバリア層が上記の酸窒化シリコン層を含むガスバリア層であればよい。
[ガスバリアフィルムの特性]
ガスバリアフィルムの水蒸気透過率は、3.0×10-2g/m・day以下が好ましく、2.0×10-2g/m・day以下がより好ましく、1.0×10-2g/m・day以下がさらに好ましく、5.0×10-3g/m・day以下であってもよい。有機EL素子等の保護対象の劣化を抑制する観点からは、水蒸気透過率は小さいほど好ましい。ガスバリアフィルムの水蒸気透過率の下限は特に限定されないが、一般には1.0×10-5g/m・day以上である。水蒸気透過率(WVTR)は、温度40℃、相対湿度差90%の条件下で、JIS K 7129:2008の附属書B(モコン法)により測定される。
ガスバリアフィルムの光透過率は、83%以上が好ましく、85%以上がより好ましい。光透過率は、JlS Z8781-3:2916で規定されるCIE三刺激値のY値である。
[画像表示装置]
上記のガスバリアフィルムは、各種の包装用途、太陽電池、画像表示装置等に適用できる。上記のガスバリアフィルムは、ガスバリア性および透明性が高いことから、画像表示装置に好適に用いられる。
図4は、ガスバリアフィルムを備える画像表示装置の構成例を示す断面図であり、画像表示セル70の表面に、粘着剤層42を介してガスバリアフィルムが貼り合わせられ、その上に粘着剤層41を介して偏光板50が貼り合わせられている。
<画像表示セル>
図4に示す画像表示装置200において、画像表示セル70はトップエミッション型の有機ELセルであり、基板71上に、有機EL素子75を備える。有機EL素子は、基板71側から、金属電極、有機発光層および透明電極を順に備える。図示を省略しているが、ガスバリアフィルムは、有機EL素子の側面を覆うように設けられていることが好ましい。
基板71としては、ガラス基板またはプラスチック基板が用いられる。トップエミッション型の有機ELセルでは、基板71は透明である必要はなく、基板71としてポリイミドフィルム等の高耐熱性フィルムを用いてもよい。
有機発光層は、それ自身が発光層として機能する有機層の他に、電子輸送層、正孔輸送層等を備えていてもよい。透明電極は、金属酸化物層または金属薄膜であり、有機発光層からの光を透過する。基板71の裏面側には基板の保護や補強を目的としてバックシート(不図示)が設けられていてもよい。
有機ELセルは、基板上に透明電極と有機発光層と金属電極とを順に積層したボトムエミッション型でもよい。ボトムエミッション型の有機ELセルでは、透明基板が用いられ、基板が視認側に配置される。透明基板としてガスバリアフィルムを用いてもよい。
画像表示セルは有機ELセルに限定されず、液晶セルや電気泳動方式の表示セル(電子ペーパー)等でもよい。画像表示セル70の視認側表面には、タッチパネルセンサー(不図示)が配置されていてもよい。
<偏光板>
有機ELセル70の視認側表面には偏光板50が配置されていてもよい。偏光板は、偏光子を含み、一般には、偏光子の両面には、偏光子保護フィルムとしての透明フィルムが積層されている。偏光子の一方の面または両面の偏光子保護フィルムを省略してもよい。偏光子としては、例えば、ポリビニルアルコール系フィルム等の親水性高分子フィルムに、ヨウ素や二色性染料等の二色性物質を吸着させて一軸延伸したものが挙げられる。
偏光子保護フィルムとしては、セルロース系樹脂、環状ポリオレフィン系樹脂、アクリル系樹脂、フェニルマレイミド系樹脂、ポリカーボネート系樹脂等の、透明樹脂フィルムが好ましく用いられる。偏光子保護フィルムとしてガスバリアフィルムを用いてもよい。
偏光板は、偏光子の一方または両方の面に、必要に応じて適宜の接着剤層や粘着剤層を介して積層された光学機能フィルムを備えていてもよい。光学機能フィルムとしては、位相差板、視野角拡大フィルム、視野角制限(覗き見防止)フィルム、輝度向上フィルム等が挙げられる。
有機ELセル70の金属電極は光反射性である。そのため、外光が有機ELセルの内部に入射すると、金属電極で光が反射し、外部からは反射光が鏡面のように視認される。有機ELセルの視認側に、偏光板50として円偏光板を配置することにより、金属電極での反射光の外部への再出射を防止して、表示装置の画面の視認性および意匠性を向上できる。
円偏光板は、偏光子の有機ELセル70側の面に位相差フィルムを備える。偏光子に隣接して配置された偏光子保護フィルムが位相差フィルムであってもよい。また、ガスバリアフィルムの透明フィルム11が位相差フィルムであってもよい。位相差フィルムがλ/4のレターデーションを有し、位相差フィルムの遅相軸方向と偏光子の吸収軸方向とのなす角度が45°である場合に、偏光子と位相差フィルムとの積層体が、金属電極での反射光の再出射を抑制するための円偏光板として機能する。円偏光板を構成する位相差フィルムは、2層以上のフィルムが積層されたものであってもよい。例えば、偏光子とλ/2板とλ/4板とを、それぞれの光学軸が所定の角度をなすように積層することにより、可視光の広帯域にわたって円偏光板として機能する広帯域円偏光板が得られる。
<粘着剤層>
図4に示す画像表示装置200では、ガスバリア層21上に、粘着剤層41を介して偏光板50が貼り合わせられており、ガスバリア層22上に、粘着剤層42を介して画像表示セル70が貼り合わせられている。
粘着剤層41,42としては、可視光線透過率が高いものが好適に用いられる。粘着剤層41,42を構成する粘着剤としては、アクリル系ポリマー、シリコーン系ポリマー、ポリエステル、ポリウレタン、ポリアミド、ポリビニルエーテル、酢酸ビニル/塩化ビニルコポリマー、変性ポリオレフィン、エポキシ系、フッ素系、ゴム系等のポリマーをベースポリマーとするものを適宜に選択して用いることができる。粘着剤層41,42の厚みは、一般には5~100μm程度である。
粘着剤層の屈折率は、一般に1.4~1.5程度である。粘着剤層41に接するガスバリア層21の最外層213が酸化シリコン等の低屈折率層であることにより、界面での屈折率差が小さいため、界面での反射が抑制される。
<その他の部材>
画像表示装置は、画像表示セルとガスバリアフィルムを有するものであれば、その構成は図4に示す形態に限定されない。例えば、上述のように、有機ELセルの基板や偏光子保護フィルムとしてガスバリアフィルムを適用することもできる。図4では、透明フィルム11の両面にガスバリア層を備えるガスバリアフィルム3を用いた例を示しているが、ガスバリアフィルムは、透明フィルムの一方の面のみにガスバリア層を備えるものでもよい。
画像表示装置は、上記以外の光学部材を含んでいてもよい。例えば、画像表示セル70とガスバリアフィルム3の間、ガスバリアフィルム3と偏光板50との間、または偏光板50の視認側表面に、タッチパネルセンサーが配置されていてもよい。タッチパネルセンサーは、画像表示セルの内に一体化されたインセル型であってもよい。偏光板50の視認側表面には、透明カバーウインドウが配置されていてもよい。カバーウインドウはタッチパネルセンサーと一体化されたものでもよい。カバーウインドウの視認側表面には、反射防止層やハードコート層等が設けられていてもよい。
<画像表示装置の形成>
画像表示装置の形成においては、上記の各部材を、粘着剤層や接着剤層を介して順次貼り合わせればよい。例えば、画像表示セルにガスバリアフィルムを貼り合わせて封止を行った後、ガスバリアフィルム上に偏光板を貼り合わせればよい。
画像表示装置の形成においては、複数の部材を予め積層しておいてもよい。例えば、偏光板とガスバリアフィルムとを粘着剤層を介して貼り合わせたガスバリア層付き偏光板を作製し、画像表示セルの表面に、粘着剤層を介してガスバリア層付き偏光板を貼り合わせてもよい。偏光子の表面に接着剤層を介してガスバリアフィルムを貼り合わせて、ガスバリア層付き偏光板を作製することもできる。偏光板の偏光子保護フィルム上にガスバリア層を形成することによりガスバリア層付き偏光板を作製してもよい。
ガスバリアフィルムは、一方の面または両面に、偏光板や画像表示セル等との貼り合わせに用いられる粘着剤層41,42を予め積層した粘着剤層付きガスバリアフィルムとして提供することもできる。また、ガスバリア層付き偏光板は、画像表示セルと貼り合わせるための粘着剤層を予め積層したものであってもよく、視認側表面にカバーウインドウ等を貼り合わせのための粘着剤層を予め積層したものであってもよい。これらの積層部材において、粘着剤層の露出面には、離型フィルムが仮着されていてもよい。
以下に、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
[実施例1]
厚み40μmの環状ポリオレフィンフィルム(日本ゼオン製「ゼオノアフィルムZF-14」)をロールトゥーロール方式のCVD成膜装置にセットし、真空槽内を1×10-3Paまで減圧した後、フィルムを走行させながら、基板温度12℃で、60nmの酸窒化シリコン層をCVD成膜した。プラズマ発生用電源の周波数80Hz、電力1.0kWの条件で放電してプラズマを発生させ、トリシリルアミン(TSA):30scc、窒素:500sccm、酸素:100sccmの流量条件で、電極間にガスを導入し、圧力1.0Paで、CVD成膜を実施した。TSAは加熱気化させて、CVDチャンバー内に導入した。
[実施例2]
ガスバリア層の構成を、酸窒化シリコン層の上下に酸化シリコン層(炭酸化シリコン層)を備える3層の積層構成とした。酸窒化シリコン層は、実施例1と同条件で成膜した。酸化シリコン層の成膜に際しては、原料ガスとして、ヘキサメチルジシロキサン(HMDSO):25scm、および酸素:700sccmを導入した。HMDSOは加熱気化させて、CVDチャンバー内に導入した。それ以外は、酸窒化シリコン層と同一の条件でCVD成膜を実施した。
[比較例1]
CVD成膜におけるガス導入量を、TSA:30scc、窒素600sccmに変更し、酸素を導入しなかったこと以外は、実施例1と同一の条件でCVD成膜を実施し、フィルム上に膜厚60nmの窒化シリコン層からなるガスバリア層を成膜した。
[比較例2]
HMDSOの流量を100scmに変更したこと以外は、実施例2の酸化シリコン層の成膜と同一の条件でCVD成膜を実施し、フィルム上に膜厚200nmの炭酸化シリコン層からなるガスバリア層を成膜した。
[比較例3]
ガスバリア層の構成を、窒化シリコン層の上下に炭酸化シリコン層を備える3層の積層構成に変更した。窒化シリコン層は、比較例1と同条件で成膜した。炭酸化シリコン層の成膜に際しては、HMDSOの流量を50scmに変更したこと以外は、比較例1と同一の条件でCVD成膜を実施した。
[比較例4]
ガスバリア層の構成を、2層の酸窒化シリコン層と3層の酸化シリコン層の計5層の積層構成とし、これらの薄膜をロールトゥーロール方式のマグネトロンスパッタにより成膜した。フィルムをスパッタ装置にセットし、チャンバー内を1×10-4Paまで減圧した後、フィルムを走行させながら、基板温度-8℃で、酸化シリコン層、酸窒化シリコン層、酸化シリコン層、酸窒化シリコン層、酸化シリコン層の順にDCマグネトロンスパッタにより成膜して、ガスバリア層を形成した。
酸化シリコン層および酸窒化シリコン層の成膜には、純Siターゲットを用いた。酸化シリコン層の成膜には、スパッタガスとしてAr/Oを19/1の体積比で導入し、電力密度2.23W/cm、圧力0.15Paの条件でスパッタを実施した。酸窒化シリコン層の成膜には、スパッタガスとしてAr/O/Nを23.5/1/23.5の体積比で導入し、電力密度2.23W/cm、圧力0.15Paの条件でスパッタを実施した。
[ガスバリアフィルムの評価]
<水蒸気透過率>
JIS K 7129:2008の附属書B(モコン法)により、温度40℃、相対湿度差90%の条件で、ガスバリアフィルムの水蒸気透過率(WVTR)を測定した。
<光透過率>
分光光度計(日立ハイテクサイエンス製「U4100」により、ガスバリアフィルムの光透過率(Y値)を測定した。
<耐屈曲性>
ガスバリアフィルムを、幅10mm、長さ150mmの短冊状に切り出し、ガスバリア層形成面を内側にしてU字状に曲げた状態で、長手方向の両端をクリップで留め、クリップ部分に500gの錘を取り付けた。この試料に金属製の棒(直径4mmまたは2mm)を通して試料を持ち上げ、フィルムの曲げ部分(曲げ直径φ=2mmまたは4mm)に荷重を負荷した状態で10秒間静止した。試験後のフィルムの折り曲げ部分のクラックの有無を目視にて観察し、下記の基準で評価した。
〇:4mmφおよび2mmφのいずれの場合もクラックが発生していなかったもの
△:4mmφではクラックが発生していなかったが、2mmφではクラックが発生していたもの
×:4mmφおよび2mmφのいずれの場合もクラックが発生していたもの
[薄膜の評価]
各実施例および比較例と同一の条件で、環状ポリオレフィンフィルム上に、単層の薄膜を形成して、赤外分光測定、ならびに薄膜の密度および組成の測定を実施した。
<赤外分光測定>
FT-IR装置(パーキンエルマー製「Frontier」)を用いて、反射法(ATR法)により、波数2000~2300cm-1の範囲の赤外吸収スペクトルを測定し、吸収ピークの波数を確認した。
<薄膜の密度>
薄膜の密度は、X線反射率(XRR)法により測定した。
<薄膜の組成>
Arイオンエッチング銃を備える走査型X線光電子分光装置(アルバック・ファイ製「Quantum2000」)を用いて、デプスプロファイル測定を行い、得られたデプスプロファイルから、薄膜の厚み方向の中心部における元素(Si,O,N,C)の組成を求めた。組成の算出には、ワイドスキャンスペクトルから得られるSiの2p、Oの1s、Nの1s、およびCの1sそれぞれのバインディングエネルギーに相当するピークを用い、Si,O,NおよびCの合計を100原子%として算出した。
[評価結果]
薄膜の成膜条件および評価結果を表1に示し、実施例1のSiON層、比較例3のSiN層および比較例4のスパッタにより成膜したSiON層の赤外吸収スペクトルを図5に示す。ガスバリアフィルムにおけるガスバリア層の構成、ならびにWVTR、光透過率および耐屈曲性の評価結果を表2に示す。表2の積層構成は、下側がフィルム側であり、括弧内の数字は膜厚(単位はnm)である。Dはガスバリア層全体の膜厚である。
Figure 2022124227000002
Figure 2022124227000003
TSAをケイ素源として、窒素および酸素を導入してCVDにより成膜した酸窒化シリコン層(実施例1,2)は、2220cm-1付近に赤外吸収ピークを示したのに対して、酸素を導入せずに成膜した窒化シリコン(比較例1,3)は、2150cm-1付近に赤外吸収ピークを示した。スパッタにより成膜した酸窒化シリコン層(比較例4)は、2000~2300cm-1の範囲に赤外吸収ピークを示さなかった。
HMDSOをケイ素源として、酸素を導入してCVDによる成膜を行った実施例2、比較例2および比較例3を対比すると、HMDSOの流量の増加(すなわち、ケイ素源に対する酸素流量比の減少)に伴って膜密度が低下する傾向がみられた。これは、酸素量の減少に伴って膜中に取り込まれる炭素量が増大したことに関連していると考えられる。
実施例1のガスバリアフィルムは、耐屈曲性に優れ、WVTRが小さく(ガスバリア性が高く)、透明性にも優れていた。酸窒化シリコン層の両面に酸化シリコン層を積層した実施例2のガスバリアフィルムは、実施例1に比べると耐屈曲性が低下していたが、実施例1よりも優れたガスバリア性および透明性を有していた。
スパッタにより酸化シリコン層および酸窒化シリコン層を成膜した比較例4では、実施例2よりも高いガスバリア性および透明性を有していたが、耐屈曲性が乏しく、フレキシブルディスプレイやフォルダブルディスプレイ等への適用に課題があることが分かる。
比較例1のガスバリアフィルムは、実施例1と同等のガスバリア性および耐屈曲性を示したが、光透過率が低く、ディスプレイへの適用に課題があることが分かる。窒化シリコン層の両面に炭酸化シリコン層を積層した比較例3のガスバリアフィルムは、比較例1に比べると光透過率が上昇していたものの、実施例1,2に比べると透明性が不十分であった。
以上の結果から、所定の赤外線吸収ピークを示す酸窒化シリコン層は、優れたガスバリア性、透明性および耐屈曲性を有し、表示装置用のバスバリア層として有用であることが分かる。
1,2,3 ガスバリアフィルム
11 透明フィルム
20,21,22 ガスバリア層
231,232 酸窒化シリコン層
211,213,216,218 低屈折率層(酸化シリコン層)
200 画像表示装置
70 画像表示セル(有機ELセル)
71 基板
75 有機EL素子
41,42 粘着剤層
50 偏光板(円偏光板)

Claims (13)

  1. 透明フィルムの少なくとも一方の面にガスバリア層を備えるガスバリアフィルムであって、
    前記ガスバリア層は、構成元素としてケイ素、酸素および窒素を含み、2180~2280cm-1に赤外吸収ピークを示す酸窒化シリコン層を含む、ガスバリアフィルム。
  2. 前記ガスバリア層が、さらに、前記酸窒化シリコン層よりも屈折率が低い低屈折率層を含む、請求項1に記載のガスバリアフィルム。
  3. 前記ガスバリア層が、前記酸窒化シリコン層の両面に前記低屈折率層を備える、請求項2に記載のガスバリアフィルム。
  4. 前記低屈折率層が、構成元素としてシリコンおよび酸素を含む酸化シリコン層であり、
    前記酸化シリコン層の炭素含有量が5原子%以下である、
    請求項2または3に記載のガスバリアフィルム。
  5. 前記酸化シリコン層の炭素含有量が1~5原子%である、請求項4に記載のガスバリアフィルム。
  6. 透明フィルムの少なくとも一方の面にガスバリア層を備えるガスバリアフィルムの製造方法であって、
    前記ガスバリア層は、構成元素としてケイ素、酸素および窒素を含む酸窒化シリコン層を含み、
    トリシリルアミン、窒素および酸素をチャンバー内に導入して、CVD法により前記酸窒化シリコン層を成膜する、
    ガスバリアフィルムの製造方法。
  7. 前記ガスバリア層は、さらに、構成元素としてシリコンおよび酸素を含む酸化シリコン層を備え、
    有機ケイ素化合物および酸素をチャンバー内に導入して、CVD法により前記酸化シリコン層を成膜する、
    請求項6に記載のガスバリアフィルムの製造方法。
  8. 前記有機ケイ素化合物がヘキサメチルジシラザンである、請求項7に記載のガスバリアフィルムの製造方法。
  9. 前記酸化シリコン層の炭素含有量が1~5原子%である、請求項7または8に記載のガスバリアフィルムの製造方法。
  10. 請求項1~5のいずれか1項に記載のガスバリアフィルムと、偏光子とを備える、ガスバリア層付き偏光板。
  11. 請求項1~5のいずれか1項に記載のガスバリアフィルムと、画像表示セルとを備える、画像表示装置。
  12. 請求項10に記載のガスバリア層付き偏光板と、画像表示セルとを備える、画像表示装置。
  13. 前記画像表示セルが有機EL素子である、請求項11または12に記載の画像表示装置。

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