JP2023178856A - Spatial distribution evaluation method, spatial distribution evaluation device, spatial distribution evaluation system, and spatial distribution evaluation program - Google Patents
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Abstract
Description
特許法第30条第2項適用申請有り 公開日 令和4年3月1日 令和4年電気学会全国大会 予稿集, 第46頁 開催日 令和4年3月21日(開催期間 令和4年3月21日~23日) 令和4年電気学会全国大会 オンライン開催Application for application of Article 30,
本発明は、空間分布評価方法、空間分布評価装置、空間分布評価システム及び空間分布評価プログラムに関する。 The present invention relates to a spatial distribution evaluation method, a spatial distribution evaluation device, a spatial distribution evaluation system, and a spatial distribution evaluation program.
ナノコンポジット絶縁材料は、エポキシ樹脂などの樹脂材料中へ、アルミナ、チタニア、シリカなどの無機粒子であるフィラーを混入することで、電気的特性や熱的特性など、各種材料特性を向上させることを目的に開発が進められてきた。フィラーは、フィラー粒子とも呼ばれる。特に、近年ではフィラーの粒子サイズを精密にコントロールして、ナノメートルオーダーのナノフィラーとマイクロメートルオーダーのマイクロフィラーとの両方を混在させることで、所望の材料特性を実現できるように、様々な樹脂とフィラーとの組み合わせが検討されている。 Nanocomposite insulation materials improve various material properties such as electrical properties and thermal properties by mixing fillers, which are inorganic particles such as alumina, titania, and silica, into resin materials such as epoxy resins. Development has been underway for this purpose. Fillers are also called filler particles. In particular, in recent years, various resins have been developed to achieve desired material properties by precisely controlling the filler particle size and mixing both nanometer-order nanofillers and micrometer-order microfillers. A combination of filler and filler is being considered.
さらに、近年では、遠心分離装置や可変注型技術を応用して、樹脂材料中のフィラーの分布を精密に傾斜分布させることで、1つのバルク試料中で特性を徐々に変化させた傾斜機能材料(FGM:Functionally Graded Materials)も開発されている。 Furthermore, in recent years, functionally graded materials whose properties gradually change within a single bulk sample have been developed by applying centrifugal separators and variable casting technology to precisely gradient the distribution of fillers in resin materials. (FGM: Functionally Graded Materials) has also been developed.
以上のいずれのナノコンポジット絶縁材料においても、所望の特性を得て機能性を向上させるためには、フィラーの分布を制御することが重要となり、その分布を適切に評価する方法が強く求められる。例えば、樹脂中でフィラーの凝集などが発生した場合、逆に特性低下するケースも起こり得る。 In any of the above nanocomposite insulating materials, in order to obtain desired properties and improve functionality, it is important to control the distribution of the filler, and there is a strong need for a method to appropriately evaluate the distribution. For example, if filler aggregation occurs in the resin, the properties may deteriorate.
従来、ナノコンポジット絶縁材料中のフィラーの分布を評価する際、走査電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)が主に用いられてきた。SEMを用いた評価は、材料中の局所的なフィラーの分布と分散とを同時に把握することが可能である。 Conventionally, a scanning electron microscope (SEM) has been mainly used to evaluate the distribution of fillers in nanocomposite insulating materials. Evaluation using SEM makes it possible to simultaneously understand the local distribution and dispersion of filler in the material.
また、コンポジット材料の評価方法として、コンポジット材料の表面に電子線を照射して、発生した二次電子の量を基に導通フィラーを特定し、その分布状態を評価する技術が提案されている。 Furthermore, as a method for evaluating composite materials, a technique has been proposed in which the surface of the composite material is irradiated with an electron beam, conductive fillers are identified based on the amount of secondary electrons generated, and the state of distribution thereof is evaluated.
しかしながら、SEMによる観察を行うためには、試料の適当なサイズへの切断、必要に応じた樹脂中への包埋、観察断面の研磨、及び、真空蒸着装置などを用いた導電化処理などといった様々な処理が必要となる。そのため、実際の製品のように大型かつ複雑な形状を有するようなバルク試料に対しては、SEMによる観察では、フィラーの分布を評価することが困難である。 However, in order to perform SEM observation, it is necessary to cut the sample into an appropriate size, embed it in resin if necessary, polish the observed cross section, and conductive treatment using a vacuum evaporation device. Various treatments are required. Therefore, it is difficult to evaluate the distribution of filler by observing with SEM for a bulk sample having a large size and complicated shape like an actual product.
また、コンポジット材料に電子線を照射してフィラーの分布状態を評価する技術では、導通フィラーを対象としており、導通フィラー以外のフィラーの分布を評価することは困難である。 Further, the technique of evaluating the distribution state of fillers by irradiating a composite material with an electron beam targets conductive fillers, and it is difficult to evaluate the distribution of fillers other than conductive fillers.
開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、フィラーの分布を適切に評価する空間分布評価方法、空間分布評価装置、空間分布評価システム及び空間分布評価プログラムを提供することを目的とする。 The disclosed technology has been made in view of the above, and aims to provide a spatial distribution evaluation method, a spatial distribution evaluation device, a spatial distribution evaluation system, and a spatial distribution evaluation program that appropriately evaluate the distribution of filler. do.
本願の開示する空間分布評価方法、空間分布評価装置、空間分布評価システム及び空間分布評価プログラムの一つの態様において、樹脂の中にフィラーを含む試料に含まれる各元素に関するスペクトルデータを生成し、前記スペクトルデータから前記フィラーに含まれる所定の特徴元素の強度を取得し、前記特徴元素の強度を基に前記試料における前記フィラーの分布を評価する。 In one aspect of the spatial distribution evaluation method, spatial distribution evaluation apparatus, spatial distribution evaluation system, and spatial distribution evaluation program disclosed in the present application, spectral data regarding each element contained in a sample containing a filler in the resin is generated, The intensity of a predetermined characteristic element contained in the filler is obtained from the spectrum data, and the distribution of the filler in the sample is evaluated based on the intensity of the characteristic element.
1つの側面では、本発明は、フィラーの分布を適切に評価することができる。 In one aspect, the present invention can appropriately evaluate filler distribution.
以下に、本願の開示する空間分布評価方法、空間分布評価装置、空間分布評価システム及び空間分布評価プログラムの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施例により本願の開示する空間分布評価方法、空間分布評価装置、空間分布評価システム及び空間分布評価プログラムが限定されるものではない。 Embodiments of the spatial distribution evaluation method, spatial distribution evaluation device, spatial distribution evaluation system, and spatial distribution evaluation program disclosed in the present application will be described in detail below based on the drawings. Note that the following examples do not limit the spatial distribution evaluation method, spatial distribution evaluation apparatus, spatial distribution evaluation system, and spatial distribution evaluation program disclosed in the present application.
図1は、実施例に係る空間分布評価システムの構成例を示す図である。空間分布評価システム1は、レーザー誘起ブレークダウン分光法(LIBS:Laser Induced Breakdown Spectroscopy)を用いて試料に含まれるフィラー粒子の分布を評価する。LIBSは、試料の元素組成を調べるために用いられる分析技術である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a spatial distribution evaluation system according to an embodiment. The spatial
本実施例に係る空間分布評価システム1は、空間分布評価装置10、レーザー光源11、ミラー12及び13、集光レンズ14、軸外放物面鏡15、換気装置付容器16、二軸ステージ17、光ファイバ18、分光器19、並びに、検出器20を有する。
The spatial
また、試料片200は、フィラー粒子の分布測定の対象として用いられるナノコンポジット絶縁材料である。図2は、試料片及び測定エリアを示す図である。試料片200は、例えば、ベース材質がエポキシ樹脂であり、一次粒径が数十μmであるマイクロフィラーとしてSiO2、SrTiO3を含み、一次粒径が数十mmであるナノフィラーとしてAl2O3を含む。また、試料片200のサイズは、140mm×140mm×8mm厚である。本実施例では、ナノフィラーであるAl2O3を対象として空間分布評価を行う場合で説明する。
Further, the
試料片200は、測定エリア201~204で示される部分の表裏の8つの領域それぞれが測定領域とされる。以下では、測定エリア201~204で示される部分の表裏の領域をそれぞれ、単に測定エリア201~204と呼ぶ。また、試料片200における比較エリア211及び212は、試料片200を切断した断面の領域であり、測定箇所による影響を検証するための比較箇所となる。
In the
レーザー光源11は、空間分布評価装置10からの制御にしたがい、半導体レーザー励起固体レーザー光を照射する。半導体レーザー励起固体レーザー光は、例えば、波長が1064mmであり、周波数が20Hzであり、エネルギーが20mJである。以下では、半導体レーザー励起固体レーザー光を、単に「レーザー光」と呼ぶ。レーザー光源11は、例えば、図2に示した試料片200における測定エリア201~204のそれぞれで500回ずつレーザー光を照射するように制御される。照射されたレーザー光は、ミラー12及び13のそれぞれで反射されて、集光レンズ14へ入射される。
The laser light source 11 emits solid-state laser light excited by a semiconductor laser according to the control from the spatial
集光レンズ14は、例えば、焦点距離が350mmの平凸レンズを用いることができる。集光レンズ14は、ミラー13を介して入射されたレーザー光を集光して試料片200の表面に照射する。
As the
二軸ステージ17は、試料片200が設置される。二軸ステージ17は、試料片200が設置された状態で、換気装置付容器16の内部に配置される。そして、二軸ステージ17は、試料片200を一方向に2mm/secの速度で移動させる。これにより、二軸ステージ17は、一点に向けて照射されるレーザー光の試料片200に対する照射位置を、試料片200の表面上でライン状に移動させることができる。また、二軸ステージ17は、試料片200を移動させた一方向とは異なる方向に試料片200を移動させた後に、一方向に移動させることで、試料片200の表面上の他のラインに沿ってレーザー光の照射位置を移動させることができる。
A
例えば、二軸ステージ17は、各測定エリア201~204でスペクトルデータを500個ずつ取得する場合、各測定エリア201~204についてそれぞれ100箇所のレーザー光の照射点を含む5つのラインが形成されるように試料片200を移動させる。
For example, when the two-
試料片200は、レーザー光の照射により、表面が僅かに削られる。それにより、試料片200の表面では、電子励起状態になった試料片200に存在する原子が電離してプラズマが発生する。そして、発生したプラズマ中の原子やイオンが、基底状態に戻る時に、元素特有の光の波長を放出する。以下では、プラズマから基底状態に戻る際に各元素からの光の放出を、「プラズマからの発光」と呼ぶ。
The surface of the
軸外放物面鏡15は、貫通穴を有する。軸外放物面鏡15は、例えば、焦点距離が152.4mmである。軸外放物面鏡15は、試料片200におけるプラズマからの発光による光が入射される。そして、軸外放物面鏡15は、入射された光を光ファイバ18の端面に結像させる。
The off-axis parabolic mirror 15 has a through hole. The off-axis parabolic mirror 15 has, for example, a focal length of 152.4 mm. Light emitted from plasma in the
光ファイバ18は、例えば、バンドルファイバを用いることができる。光ファイバ18は、分光器19に接続される。光ファイバ18は、プラズマの発光が結像された光の入力を端面に受ける。そして、光ファイバ18は、入力された光を分光器19へ転送する。
For example, a bundle fiber can be used as the
分光器19は、ツェルニターナ型分光器である。分光器19は、例えば、ゲート幅が10μsであり、遅延時間が0.1μsであり、グレーティング刻線数が2400本である。分光器19は、プラズマからの発光による光の入力を光ファイバ18から受ける。そして、分光器19は、入力された光を波長毎に分光して検出器20へ出力する。
The spectrometer 19 is a Czerny-Turner type spectrometer. The spectrometer 19 has, for example, a gate width of 10 μs, a delay time of 0.1 μs, and a grating number of 2400 lines. The spectrometer 19 receives light input from the
検出器20は、分光器19により分光された光の入力を受ける。そして、検出器20は、波長毎に光を検出して、スペクトルデータを生成する。その後、検出器20は、生成したスペクトルデータを空間分布評価装置10へ出力する。
The
空間分布評価装置10は、スペクトルデータからフィラーに含まれる特徴元素のピークにおける光強度及びフィラーに含まれる元素以外の比較元素のピークにおける光強度の比を求める。そして、空間分布評価装置10は、求めた比を用いて測定エリア201~204毎の特徴元素の含有率、すなわちフィラーの濃度を算出して、各測定エリア201~204におけるフィラー粒子の分布を評価する。以下に、空間分布評価装置10の詳細について説明する。
The spatial
図3は、空間分布評価装置のブロック図である。空間分布評価装置10は、図3に示すように、照射制御部101、スペクトルデータ受信部102、濃度算出部103及び空間分布評価部104を有する。また、空間分布評価装置10は、キーボードやマウスなどの入力装置111及びモニタなどの表示装置112が接続される。
FIG. 3 is a block diagram of the spatial distribution evaluation device. As shown in FIG. 3, the spatial
照射制御部101は、レーザー光源11を制御して、レーザー光が試料片200に照射されるタイミングを制御する。例えば、二軸ステージ17による試料片200の移動により、測定エリア201にレーザー光が照射される位置に試料片200が移動されると、照射制御部101は、レーザー光源11からのレーザー光の照射を開始させる。そして、照射制御部101は、二軸ステージ17による試料片200の移動に合わせて、1つのラインで100回照射されて5つのラインが形成されるようにレーザー光源11にレーザー光を照射させる。照射制御部101は、測定エリア202~205についても同様にレーザー光をレーザー光源11に照射させる。
The irradiation control unit 101 controls the laser light source 11 to control the timing at which the
ここで、試料片200へのレーザー光の照射について詳細に説明する。図4は、試料片の表面におけるライン上の照射痕の概要を示す平面図である。また、図5は、試料片における照射痕断面の概要を示す断面図である。
Here, irradiation of the
例えば、図4において、試料片200は、矢印Pの方向に二軸ステージ17により移動される。この移動により、試料片200の表面には、レーザー光の照射によるラインが形成される。
For example, in FIG. 4, the
レーザー光の照射により試料片200の表面が削られる。本実施例では、試料片200における照射面形状を揃えるため、1つのラインについて測定前に2回のレーザー光の走査を行った後に、3回目のレーザー光の走査で得られたスペクトルを分析に用いた。図5における、領域231が、1回目のレーザー光の走査により削られた部分である。また、領域232が、2回目のレーザー光の走査により削られた部分である。そして、領域233が、3回目の走査により削られた領域であり、分析及び評価の対象となる領域である。3回目の走査におけるレーザー光のスポット径220は、250μmである。すなわち、この領域233の幅Wは約250μmである。また、試料片200の削られる前の表面から領域233の底面までの深さは約20μmである。
The surface of the
図4における、領域233におけるレーザー光のスポット径220は、領域233の幅Wに相当し、約250μmである。また、試料片200の移動速度が2mm/Sであり、レーザー光の照射の繰り返し周波数が20Hzであることから、1地点当たりレーザー光が2回程度照射される。図4において、領域221が1照射分の減耗箇所であり、領域222が2照射分の減耗箇所である。
In FIG. 4, the
スペクトルデータ受信部102は、試料片200の表面へのレーザー光の照射により発生したプラズマからの発光による光のスペクトルデータの入力を検出器20から受ける。スペクトルデータ受信部102は、測定エリア201~204毎に、500個のスペクトルデータを取得する。そして、スペクトルデータ受信部102は、測定エリア201~204毎の500個のスペクトルデータを濃度算出部103へ出力する。
The spectral data receiving unit 102 receives from the
図6は、スペクトルデータの一例を示す図である。図6は、横軸で光の波長を表し、縦軸で発光強度を表す。図6は、ベース材質がエポキシ樹脂であり、マイクロフィラーとしてSiO2、SrTiO3を50vol%含み、ナノフィラーとしてAl2O3を1vol%含む試料片200のスペクトルデータである。スペクトルデータ受信部102は、図6に示されるようなスペクトルデータを500個、濃度算出部103へ出力する。
FIG. 6 is a diagram showing an example of spectrum data. In FIG. 6, the horizontal axis represents the wavelength of light, and the vertical axis represents the emission intensity. FIG. 6 shows spectrum data of a
濃度算出部103は、測定エリア201~204毎の500個のスペクトルデータの入力をスペクトルデータ受信部102から受ける。次に、濃度算出部103は、定量評価に用いるLIBSピークを選定する。ここで、濃度算出部103は、各元素と発光ピーク波長との対応関係を示すピーク波長情報を保持する。図7は、各元素と発光ピーク波長との対応関係の一例を示す図である。例えば、濃度算出部103は、Ti(チタン)であれば、波長が261.1、264.7、334.2、398.2、453.4、484.1及び521.0(nm)などでピークを有し、Al(アルミニウム)であれば、波長が309.7、394.4及び396.1(nm)でピークを有するといった情報を含むピーク波長情報を保持する。以下では、AlのピークをAlピークと呼び、TiのピークをTiピークと呼ぶ。
The concentration calculating section 103 receives input of 500 pieces of spectral data for each of the
本実施例では、ナノフィラーはAl2O3であり、Alは試料片200を構成する他の材料には含まれない。そのため、試料片200におけるAlの分布を推定することで、ナノフィラー粒子の分布を推定することができる。このように評価対象のナノフィラー粒子の分布を推定するための、ナノフィラーに含まれる実際の検出対象の元素を、ここでは「特徴元素」と呼ぶ。また、以下では、ナノフィラーの分布を、ナノフィラー分布と呼ぶ場合がある。
In this example, the nanofiller is Al 2 O 3 and Al is not included in the other materials constituting the
濃度算出部103は、取得したスペクトルデータにおけるナノフィラーに含まれる特徴元素であるAlに由来するピークの発光強度を検出する。ここでは、濃度算出部103は、Al以外の他の元素に由来するピークとの重なりが少なく、且つ、ピーク強度の比較的大きなピークとして、396.2nmの波長の発光強度をAlピークの発光強度として検出した。 The concentration calculation unit 103 detects the emission intensity of a peak derived from Al, which is a characteristic element contained in the nanofiller, in the acquired spectrum data. Here, the concentration calculation unit 103 calculates the emission intensity of the Al peak by using the emission intensity at a wavelength of 396.2 nm as a peak that has a relatively large peak intensity and has little overlap with peaks derived from other elements other than Al. Detected as.
ここで、本実施例では、濃度算出部103は、396.2nmの波長でのピークをAlピークとして用いることの指定を予め受ける。ただし、特徴元素の分布の推定に用いるピークの選定は、濃度算出部103が自動で行うことも可能である。例えば、濃度算出部103は、保持する各元素のピーク波長情報を用いて、試料片200を構成する材料において、特徴元素以外の他の元素に由来するピークとの重なりが少なく、且つ、ピーク強度の比較的大きなピークを選定すればよい。また、特徴元素の選定も自動で行うことも可能であり、例えば、濃度算出部103は、ナノフィラーに含まれる元素のうち、他の元素に由来するピークとの重なりが少なく、且つ、ピークにおける発光強度の比較的大きなピークを有する元素を特徴元素として選定すればよい。
Here, in this embodiment, the concentration calculation unit 103 receives a designation in advance to use a peak at a wavelength of 396.2 nm as an Al peak. However, the concentration calculation unit 103 can also automatically select the peaks used for estimating the distribution of the characteristic elements. For example, the concentration calculation unit 103 uses the peak wavelength information of each element held to determine whether the peak intensity of the material constituting the
ただし、測定により得られたスペクトルデータでは、レーザー照射1回毎のAlピークの強度変化に大きなばらつきが発生する。図8は、Alピークに関するレーザー照射回数と発光強度との相関を示す図である。図8は、横軸でレーザー照射回数を表し、縦軸で発光強度を表す。図8に示すように、レーザー照射回数毎のAlピークの発光強度は、18000~24000カウントの範囲で大きくばらつくことがある。そのうえで、測定エリア201~204におけるAlピークの強度変化のばらつきと、比較エリア211~212におけるAlピークの強度変化のばらつきとの間に明確な違いは見られないことから、このばらつきは測定箇所による影響ではないといえる。そこで、レーザー照射回数毎でのばらつきによる影響を抑制するため、濃度算出部103は、試料片200に含まれる他の元素由来のピークとの発光強度の比を用いて濃度を計算する。以下では、特徴元素との比を求める他の元素を、「比較元素」と呼ぶ。
However, in the spectrum data obtained by measurement, large variations occur in the intensity change of the Al peak for each laser irradiation. FIG. 8 is a diagram showing the correlation between the number of laser irradiations and the emission intensity regarding the Al peak. In FIG. 8, the horizontal axis represents the number of laser irradiations, and the vertical axis represents the emission intensity. As shown in FIG. 8, the emission intensity of the Al peak for each number of laser irradiations may vary greatly in the range of 18,000 to 24,000 counts. Furthermore, since there is no clear difference between the variation in the intensity change of the Al peak in the
ここで、発光強度の比を計算する際、特徴元素及び比較元素のピークの励起に関する上順位のエネルギーはできるだけ近いことが望ましい。これは、発光強度が上順位のエネルギーと強い相関があり、プラズマの温度がばらついた場合に、上順位のエネルギーが近い元素のピークの発光強度に同程度のばらつきが生じるためである。 Here, when calculating the ratio of emission intensities, it is desirable that the energies of the upper order of excitation of the peaks of the characteristic element and the comparative element be as close as possible. This is because the emission intensity has a strong correlation with the energy of the higher order, and when the temperature of the plasma varies, the emission intensity of the peaks of elements whose energies are close to each other in the upper order will vary to the same extent.
この点、Alピークに近接したピークとしては、Ti由来のピークが多く存在する。図9は、Alピーク及びTiピークの関係を示す図である。図9に示すように、Tiピークの中で波長が398.2nmのTiピークが、他のピークとの重なりあいが少なく、且つ、Alピークの励起に関する上順位のエネルギーが近いピークである。そこで、本実施例では、Tiを比較元素として、比較元素の検出に用いるピークの波長を398.2nmとする。 In this respect, there are many peaks derived from Ti as peaks close to the Al peak. FIG. 9 is a diagram showing the relationship between Al peak and Ti peak. As shown in FIG. 9, among the Ti peaks, the Ti peak with a wavelength of 398.2 nm has little overlap with other peaks, and is a peak whose upper order energy with respect to excitation of the Al peak is close. Therefore, in this example, Ti is used as a comparison element, and the wavelength of the peak used for detection of the comparison element is set to 398.2 nm.
ここで、本実施例では、濃度算出部103は、398.2nmの波長でのピークをTiピークとして用いることの通知を予め受ける。ただし、比較元素及び比較元素の分布の推定に用いるピークの選定についても、濃度算出部103が自動で行うことも可能である。例えば、濃度算出部103は、特徴元素のピークに近接したピークを多く有する元素を比較元素として決定し、その比較元素のピークの中で他のピークとの重なりあいが少なく、且つ、特徴元素のピークの励起に関する上順位のエネルギーが近いピークを選定すればよい。 Here, in this embodiment, the concentration calculation unit 103 receives a notification in advance that the peak at a wavelength of 398.2 nm will be used as the Ti peak. However, it is also possible for the concentration calculation unit 103 to automatically select the comparison element and the peaks used for estimating the distribution of the comparison element. For example, the concentration calculation unit 103 determines an element that has many peaks close to the peak of the characteristic element as a comparison element, and determines an element that has a small amount of overlap with other peaks among the peaks of the comparison element and also It is sufficient to select peaks having similar upper-order energies regarding excitation of the peaks.
濃度算出部103は、波長が398.2nmのTiピークを用いて396.3nmのAlピークとの発光強度の比であるAl/Ti比を算出する。図10は、レーザー照射回数とAl/Ti比との相関を示す図である。図10に示すように、Al/Ti比を用いることで、レーザー照射回数による値のばらつきは小さくなる。 The concentration calculation unit 103 calculates the Al/Ti ratio, which is the ratio of the emission intensity using the Ti peak at a wavelength of 398.2 nm and the Al peak at 396.3 nm. FIG. 10 is a diagram showing the correlation between the number of laser irradiations and the Al/Ti ratio. As shown in FIG. 10, by using the Al/Ti ratio, variations in values due to the number of laser irradiations are reduced.
また、測定エリア201~204及び比較エリア211~212のそれぞれのスペクトルデータから算出したAl/Ti比からヒストグラムを作成したところ、いずれもガウス分布に概ねしたがう形状が得られる。そして、各エリアのAl/Ti比のヒストグラムがガウス分布にしたがうことから、Al/Ti比の平均をAl/Ti比の代表値として取り扱うことが可能であるといえる。そこで、Al/Ti比の平均を求めてそれぞれを比較したところ、測定エリア201~204及び比較エリア211~212のいずれかのAl/Ti比が大きくなるなどの傾向は確認されなかった。そのため、平均値のばらつきは測定エリア201~204でのナノフィラーであるAl2O3の分布状態の違いを表すと考えられる。
Furthermore, when a histogram was created from the Al/Ti ratio calculated from the spectral data of the
濃度算出部103は、各スペクトルデータの全てについてAl/Ti比を算出する。次に、濃度算出部103は、測定エリア201~204毎にAl/Ti比の平均を算出する。ここで、プラズマからの発光では多く含まれる元素ほど発光強度が大きくなる。すなわち、この場合の発光強度は、その元素の所定領域当たりの分布、すなわち含有率と考えることができる。さらに、含有率は濃度であるので、濃度算出部103は、特徴元素の発光強度から濃度を算出することができる。
The concentration calculation unit 103 calculates the Al/Ti ratio for all of the spectral data. Next, the concentration calculation unit 103 calculates the average Al/Ti ratio for each of the
そこで、濃度算出部103は、測定エリア201~204毎のAl/Ti比から得られるAlの分布を、各測定エリア201~204におけるナノフィラーであるAl2O3の分布、すなわち含有率として求める。図11は、各測定エリアでのAl/Ti比及び推定したAl2O3の含有率を示す図である。濃度算出部103は、例えば、測定エリア201~204の8つそれぞれについて、図11に示すAl/Ti比を算出する。
Therefore, the concentration calculation unit 103 calculates the Al distribution obtained from the Al/Ti ratio for each of the
次に、濃度算出部103は、全てのスペクトルデータから得られたAl/Ti比の全平均を算出して、Al2O3のナノフィラーを1vol%充填時のAl/Ti比の基準値とする。ここで、本実施例では、濃度算出部103は、試料片200の測定エリア201~204におけるAl/Ti比の全平均をAl/Ti比の基準値としたが、基準値はこれに限らない。例えば、標準試料があれば、濃度算出部103は、その標準試料を用いた検量線を基に決定されるAl/Ti比の基準値を用いてもよい。また、過去の統計情報があれば、濃度算出部103は、統計情報を用いてAl/Ti比の基準値を算出してもよい。
Next, the concentration calculation unit 103 calculates the total average of the Al/Ti ratio obtained from all the spectral data, and sets it as the reference value of the Al/Ti ratio when 1 vol% of Al 2 O 3 nanofiller is filled. do. Here, in this embodiment, the concentration calculation unit 103 uses the total average of the Al/Ti ratios in the
次に、濃度算出部103は、各測定エリア201~204において取得したAl/Ti比の平均値とAl/Ti比の基準値との偏差を算出する。例えば、濃度算出部103は、図11における推定Al2O3含有率として表される値を測定エリア201~204それぞれの偏差として算出する。そして、濃度算出部103は、算出した偏差を用いて各測定エリア201~204におけるAl2O3のナノフィラー分布を評価する。例えば、各測定エリア201~204で偏差にほぼ偏りが無ければ、濃度算出部103は、各測定エリア201~204にナノフィラーが均等に分布しておりばらつきが小さいと判定する。また、各測定エリア201~204のうち偏差が他のエリアと大きく異なるエリアがある場合、濃度算出部103は、そのエリアの分布が他のエリアの分布と異なっておりばらつきが大きいと判定する。その後、濃度算出部103は、評価結果を表示装置112へ送信して表示させることで、利用者に評価結果を通知する。
Next, the concentration calculation unit 103 calculates the deviation between the average value of the Al/Ti ratio obtained in each of the
本実施例では、濃度算出部103は、図11に示すように測定エリア201~204それぞれの推定Al2O3含有率を、0.96~1.04vol%として算出した。この結果により、濃度算出部103は、試料片200におけるAl2O3のナノフィラー粒子は、分布のばらつきが小さく且つ空間分布が試料片200のスケールで均一であると推定する。本実施例では、試料片200のスケールは、測定に用いたラインの間隔であるmmスケールから試料片200の全体のcmスケールの範囲である。
In this example, the concentration calculation unit 103 calculated the estimated Al 2 O 3 content of each of the
なお、本実施例に係る空間分布評価装置10によるLIBSを用いたナノフィラー分布の評価では、数十nmの一次粒子の集まりであるナノフィラーの凝集の有無、すなわちナノフィラーの分散性については、空間分解能の面から評価することが困難である。ナノフィラーの分散性の評価については、既存のSEM観察などにより実施されることが好ましい。
In addition, in the evaluation of the nanofiller distribution using LIBS by the spatial
ここで、本実施例に係る空間分布評価装置10によるナノコンポジット絶縁材料中のナノフィラー分布の評価の妥当性を検証するため、XRF(X-Ray Fluorescence)装置を用いて、同じ試料片200の分析を行った。XRFで得られる情報は、検出された各元素のwt%である。そこで、この場合にもAl/Ti質量比を算出して、それらの平均値に対する偏差によりAl2O3含有率を算出した。
Here, in order to verify the validity of the evaluation of the nanofiller distribution in the nanocomposite insulating material by the spatial
図12は、XRF装置による分析結果を示す図である。XRF装置を用いた測定では、図12に示すように、Al/Ti質量比は0.198~0.230と見積もられ、全8箇所の結果により算出した平均値に対する偏差は±10%以内となった。X線は測定対象物の密度によって透過性が異なる特性を持つことから、XRFはフィラー粒子量の多寡により検出深さが変化するため、ナノフィラー分布の定量的な評価に用いることは困難である。ただし、測定箇所毎に検出深さに関するばらつきがあったことを仮定しても、Al/Ti質量比のばらつきの範囲は大きいが、概ね本実施例に係る空間分布評価装置10によるナノフィラー分布の評価結果と対応する結果が得られた。このことから、本実施例に係る空間分布評価装置10の評価結果は妥当と考えられる。
FIG. 12 is a diagram showing the analysis results by the XRF device. In measurements using an XRF device, the Al/Ti mass ratio is estimated to be 0.198 to 0.230, as shown in Figure 12, and the deviation from the average value calculated from the results of all 8 locations is within ±10%. It became. Since X-rays have characteristics that transmittance differs depending on the density of the object to be measured, and XRF has a detection depth that changes depending on the amount of filler particles, it is difficult to use it for quantitative evaluation of nanofiller distribution. . However, even if it is assumed that there are variations in detection depth for each measurement location, the range of variation in the Al/Ti mass ratio is large, but in general, the nanofiller distribution by the spatial
図13は、実施例に係る空間分布評価システムによるフィラー分布の評価処理のフローチャートである。次に、図13を参照して、空間分布評価システム1によるフィラー分布の評価処理の流れについて説明する。
FIG. 13 is a flowchart of filler distribution evaluation processing by the spatial distribution evaluation system according to the embodiment. Next, with reference to FIG. 13, the flow of filler distribution evaluation processing performed by the spatial
レーザー光源11は、空間分布評価装置10の照射制御部101からの制御を受けて、レーザー光を照射する(ステップS1)。 The laser light source 11 irradiates laser light under control from the irradiation control unit 101 of the spatial distribution evaluation device 10 (step S1).
レーザー光源11から照射されたレーザーは、ミラー12及び13を経由して集光レンズ14に入射し、集光されて試料片200の表面に照射される。試料片200は、レーザーの照射を表面に受けて、試料片200に存在する原子が電離してプラズマが発生する。そして、発生したプラズマの原子やイオンが基底状態に戻るときに元素特有の光の波長を放出することで、プラズマからの発光が発生する(ステップS2)。
The laser irradiated from the laser light source 11 enters the
プラズマからの発光により発生した光は、軸外放物面鏡15を経由して光ファイバ18の端面に結像する。光ファイバ18は、軸外放物面鏡15から入力された光を分光器19へ転送する。分光器19は、分光器19は、光ファイバ18から入力された光を波長毎に分光して検出器20へ出力する(ステップS3)。
Light generated by light emission from the plasma passes through the off-axis parabolic mirror 15 and forms an image on the end face of the
検出器20は、分光器19により分光された光の入力を受ける。そして、検出器20は、波長毎に光を検出して、スペクトルデータを生成する(ステップS4)。その後、検出器20は、生成したスペクトルデータを空間分布評価装置10へ出力する。
The
空間分布評価装置10の照射制御部101は、全ての測定エリア201~204における全ラインの走査が終了したか否かを判定する(ステップS5)。実行する走査が残っている場合(ステップS5:否定)、照射制御部101は、次の走査を行わせるようにレーザー光源11を制御する。そして、評価処理はステップS1へ戻る。
The irradiation control unit 101 of the spatial
これに対して、全ての走査が終了した場合(ステップS5:肯定)、空間分布評価装置10のスペクトルデータ受信部102は、スペクトルデータを検出器20から受信して、濃度算出部103へ出力する。濃度算出部103は、取得したスペクトルデータから評価対象のフィラーに含まれる特徴元素の所定の波長を有するピークの発光強度を取得する(ステップS6)。
On the other hand, if all scanning is completed (step S5: affirmative), the spectral data receiving unit 102 of the spatial
次に、濃度算出部103は、取得したスペクトルデータから評価対象のフィラーに含まれる元素以外の所定の比較元素の特定の波長を有するピークの発光強度を取得する(ステップS7)。 Next, the concentration calculation unit 103 acquires the emission intensity of a peak having a specific wavelength of a predetermined comparison element other than the element included in the filler to be evaluated from the acquired spectrum data (step S7).
次に、濃度算出部103は、特徴元素のピークの発光強度と比較元素のピークの発光強度との比を算出する(ステップS8)。 Next, the concentration calculation unit 103 calculates the ratio between the peak emission intensity of the characteristic element and the peak emission intensity of the comparison element (step S8).
次に、濃度算出部103は、算出した全ての比の平均を算出して比の基準値を算出する(ステップS9)。 Next, the concentration calculation unit 103 calculates the average of all calculated ratios to calculate a ratio reference value (step S9).
次に、濃度算出部103は、測定エリア201~204毎の比の平均を算出する(ステップS10)。
Next, the concentration calculation unit 103 calculates the average of the ratios for each of the
次に、濃度算出部103は、比の基準値と測定エリア201~204毎の比の平均との偏差から、測定エリア201~204毎のフィラーの推定含有率を算出する(ステップS11)。その後、濃度算出部103は、算出した測定エリア201~204毎のフィラーの推定含有率の情報を空間分布評価部104へ出力する。
Next, the concentration calculating unit 103 calculates the estimated filler content for each of the
空間分布評価部104は、測定エリア201~204毎のフィラーの推定含有率の情報の入力を濃度算出部103から受ける。そして、空間分布評価部104は、測定エリア201~204毎のフィラーの推定含有率を比べて、測定エリア201~204毎のフィラー粒子の分布を評価する(ステップS12)。
The spatial distribution evaluation unit 104 receives input from the concentration calculation unit 103 of information on the estimated filler content for each of the
その後、空間分布評価部104は、評価結果を表示装置112へ送信して表示させることで、利用者に評価結果を通知する(ステップS13)。
After that, the spatial distribution evaluation unit 104 notifies the user of the evaluation result by transmitting the evaluation result to the
以上に説明したように、本実施例に係る空間分布評価システムは、LIBSを用いて各測定エリアにおけるスペクトルデータを取得する。そして、空間分布評価システムは、スペクトルデータからフィラーに含まれる特徴元素のピークにおける光強度及びフィラーに含まれる元素以外の比較元素のピークにおける光強度の比を求め、求めた比を用いて測定エリア毎の特徴元素の含有率、すなわちフィラーの濃度を算出して、各測定エリアにおけるフィラー粒子の分布を評価する。 As explained above, the spatial distribution evaluation system according to the present example acquires spectrum data in each measurement area using LIBS. Then, the spatial distribution evaluation system calculates the ratio of the light intensity at the peak of the characteristic element contained in the filler and the light intensity at the peak of a comparison element other than the element contained in the filler from the spectral data, and uses the calculated ratio to calculate the measurement area. The content of each characteristic element, that is, the concentration of the filler, is calculated to evaluate the distribution of filler particles in each measurement area.
これにより、一定体積中に含まれるナノフィラー粒子の総量を濃度として捉え、空間分布評価を行うことが可能となる。また、試料の適当なサイズへの切断、必要に応じた樹脂中への包埋、観察断面の研磨、及び、真空蒸着装置などを用いた導電化処理などといった様々な処理を行わなくても良くなり、フィラー粒子の空間分布評価を容易に行うことができる。また、大型な形状や複雑な形状の試料であっても容易に分布の評価を行うことができる。さらに、2つの元素の比を用いることで、測定毎の光強度の変動を軽減することができ、より正確な空間分布評価を行うことが可能となる。さらに、測定したスペクトルデータから得られる光強度の平均値を分布の基準値として、基準値との偏差を用いて分布の評価を行うことで、含有率が未知のフィラーであっても分布を評価することが可能となる。 This makes it possible to evaluate the spatial distribution by considering the total amount of nanofiller particles contained in a certain volume as the concentration. In addition, there is no need to perform various treatments such as cutting the sample into an appropriate size, embedding it in resin as necessary, polishing the observed cross section, and making it conductive using a vacuum evaporation device. Therefore, it is possible to easily evaluate the spatial distribution of filler particles. In addition, distribution can be easily evaluated even for samples with large or complex shapes. Furthermore, by using the ratio of the two elements, it is possible to reduce fluctuations in light intensity for each measurement, making it possible to perform more accurate spatial distribution evaluation. Furthermore, by using the average value of the light intensity obtained from the measured spectrum data as the reference value for the distribution, and evaluating the distribution using the deviation from the reference value, the distribution can be evaluated even for fillers whose content rate is unknown. It becomes possible to do so.
ここで、本実施例では、特徴元素と比較元素とのピークの高さにあたる発光強度の比を用いて分散を評価したが、他にも、濃度分析装置は、特徴元素に由来するピークの高さ、あるいはピークにおける発光強度の積算値であるピークの面積、及び参照ピークとの面積比を用いて分散を評価してもよい。また、本実施例ではナノフィラー分布の評価を行う場合について説明したが、本実施例に係る空間分布評価システムは、同様の方法によりマイクロフィラーやその他の複合材料中の分散剤(例えば、ガラス繊維強化プラスチック中のガラス)のように、母材と元素組成が異なる内包物の分布の評価を行うことも可能である。 Here, in this example, the dispersion was evaluated using the ratio of the emission intensity corresponding to the peak height of the characteristic element and the comparison element, but the concentration analyzer can also evaluate the height of the peak derived from the characteristic element. Alternatively, the dispersion may be evaluated using the area of the peak, which is the integrated value of the emission intensity at the peak, and the area ratio with the reference peak. In addition, although this example describes the case where nanofiller distribution is evaluated, the spatial distribution evaluation system according to this example can be used to evaluate dispersants (e.g., glass fibers) in microfillers and other composite materials using a similar method. It is also possible to evaluate the distribution of inclusions that have a different elemental composition from the base material, such as glass in reinforced plastics.
さらに、本実施例では、LIBSを用いて空間分布評価を行ったが、他の方法を用いて各元素のスペクトルを取得して同様に空間分布評価を行うことも可能である。例えば、蛍光X線分析法(XRF)を用いてもよい。その場合、XRF顕微鏡や可搬型XRFにてある程度局所の元素スペクトルを取得可能であり、その取得した元素スペクトルから上述した方法で空間分布評価を行うことも可能である。また、ラマン分光法を用いてもよい。その場合、化学結合のスペクトルを取得することができ、フィラーに由来する化学結合ピークの高さを特徴元素に由来するピーク高さとして取り扱うことにより、上述した方法で空間分布評価を行うことも可能である。この場合も、大規模サンプルを前処理無く迅速に測定可能である。 Furthermore, in this example, the spatial distribution was evaluated using LIBS, but it is also possible to obtain the spectrum of each element using other methods and similarly perform the spatial distribution evaluation. For example, X-ray fluorescence spectroscopy (XRF) may be used. In that case, it is possible to obtain a local elemental spectrum to some extent using an XRF microscope or portable XRF, and it is also possible to evaluate the spatial distribution using the method described above from the obtained elemental spectrum. Alternatively, Raman spectroscopy may be used. In that case, it is possible to obtain a chemical bond spectrum, and by treating the height of the chemical bond peak derived from the filler as the peak height derived from the characteristic element, it is also possible to perform spatial distribution evaluation using the method described above. It is. In this case as well, large-scale samples can be measured quickly without pretreatment.
(ハードウェア構成)
図14は、空間分布評価装置のハードウェア構成の一例を示す図である。図14に示すように、空間分布評価装置10は、例えば、CPU(Central Processing Unit)91、メモリ92、ハードディスク93及びネットワークインタフェース94を有する。CPU91は、バスを介して、メモリ92、ハードディスク93及びネットワークインタフェース94と接続される。
(Hardware configuration)
FIG. 14 is a diagram showing an example of the hardware configuration of the spatial distribution evaluation device. As shown in FIG. 14, the spatial
ネットワークインタフェース94は、空間分布評価装置10と外部装置との通信のインタフェースである。ネットワークインタフェース94は、例えば、CPU91と検出器20との間の通信を中継する。
The
ハードディスク93は、補助記憶装置である。ハードディスク93は、例えば、スペクトルデータを格納する。また、ハードディスク93は、照射制御部101、スペクトルデータ受信部102、濃度算出部103及び空間分布評価部104の機能を実現するためのプログラムを含む各種プログラムを格納する。
The
メモリ92は、主記憶装置である。メモリ92は、例えば、DRAM(Dynamic Random Access Memory)を用いることができる。
CPU91は、ハードディスク93に格納された各種プログラムを読みだして、メモリ92に展開して実行する。これにより、CPU91は、スペクトルデータ受信部102、濃度算出部103及び空間分布評価部104の機能を実現する。
The
1 空間分布評価システム
10 空間分布評価装置
11 レーザー光源
12,13 ミラー
14 集光レンズ
15 軸外放物面鏡
16 換気装置付容器
17 二軸ステージ
18 光ファイバ
19 分光器
20 検出器
101 照射制御部
102 スペクトルデータ受信部
103 濃度算出部
104 空間分布評価部
111 入力装置
112 表示装置
201~204 測定エリア
211,212 比較エリア
1 Spatial
Claims (9)
前記スペクトルデータから前記フィラーに含まれる所定の特徴元素の強度を取得し、
前記特徴元素の強度を基に前記試料における前記フィラーの分布を評価する
ことを特徴とする空間分布評価方法。 Generates spectral data for each element contained in a sample containing filler in the resin,
Obtaining the intensity of a predetermined characteristic element contained in the filler from the spectral data,
A spatial distribution evaluation method, comprising: evaluating the distribution of the filler in the sample based on the intensity of the characteristic element.
前記レーザーの照射により前記試料がプラズマ化した際のプラズマからの発光による前記スペクトルデータを生成し、
前記スペクトルデータから前記フィラーに含まれる前記特徴元素の発光強度を取得し、
前記特徴元素の強度を基に前記試料における前記フィラーの分布を評価する
ことを特徴とする請求項1に記載の空間分布評価方法。 Irradiating the sample with a laser,
generating the spectrum data based on light emission from the plasma when the sample is turned into plasma by irradiation with the laser;
obtaining the emission intensity of the characteristic element contained in the filler from the spectral data;
The spatial distribution evaluation method according to claim 1, characterized in that the distribution of the filler in the sample is evaluated based on the intensity of the characteristic element.
前記特徴元素の強度と前記比較元素の強度との比を算出して、算出した前記比を基に前記フィラーの分布を評価する
ことを特徴とする請求項1に記載の空間分布評価方法。 Obtaining the intensity of a comparative element contained in the sample other than the element contained in the filler from the spectral data,
The spatial distribution evaluation method according to claim 1, further comprising calculating a ratio between the intensity of the characteristic element and the intensity of the comparison element, and evaluating the distribution of the filler based on the calculated ratio.
前記スペクトルデータから前記フィラーに含まれる所定の特徴元素の強度を取得する濃度算出部と、
前記濃度算出部により取得された前記特徴元素の強度を基に前記試料における前記フィラーの分布を評価する分布評価部と
を備えたことを特徴とする空間分布評価装置。 a spectral data receiving unit that receives spectral data regarding each element contained in a sample containing a filler in the resin;
a concentration calculation unit that obtains the intensity of a predetermined characteristic element contained in the filler from the spectral data;
A spatial distribution evaluation device comprising: a distribution evaluation section that evaluates the distribution of the filler in the sample based on the intensity of the characteristic element acquired by the concentration calculation section.
前記試料がプラズマ化した際のプラズマから発光された光を分光する分光器と、
前記分光器により分光された光を検出してスペクトルデータを生成する検出器と、
前記検出器により生成されたスペクトルデータを受信するスペクトルデータ受信部、前記スペクトルデータから前記フィラーに含まれる所定の特徴元素の発光強度を取得する濃度算出部及び前記特徴元素の発光強度を基に前記試料における前記フィラーの分布を評価する空間分布評価部を有する空間分布評価装置と
を備えたことを特徴とする空間分布評価システム。 A laser light source that irradiates a sample containing filler in resin with a laser to turn it into plasma;
a spectrometer that spectrally spectra the light emitted from the plasma when the sample is turned into plasma;
a detector that detects the light separated by the spectrometer and generates spectral data;
a spectral data receiving unit that receives spectral data generated by the detector; a concentration calculation unit that obtains the emission intensity of a predetermined characteristic element contained in the filler from the spectral data; A spatial distribution evaluation system comprising: a spatial distribution evaluation device having a spatial distribution evaluation section that evaluates the distribution of the filler in a sample.
前記スペクトルデータから前記フィラーに含まれる所定の特徴元素の強度を取得し、
前記特徴元素の強度を基に前記試料における前記フィラーの分布を評価する
処理をコンピュータに実行させることを特徴とする空間分布評価プログラム。 Generates spectral data for each element contained in a sample containing filler in the resin,
Obtaining the intensity of a predetermined characteristic element contained in the filler from the spectral data,
A spatial distribution evaluation program characterized by causing a computer to execute a process of evaluating the distribution of the filler in the sample based on the intensity of the characteristic element.
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