JP4855276B2 - サンプル台、測定対象サンプル、透湿度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は透湿度の測定に用いられるサンプル台と、そのサンプル台を用いた測定対象サンプル、及び透湿度測定装置に関する。

従来より、測定対象膜の透湿度を測定するために、透湿度測定装置が広く用いられている。
一般に、透湿度測定装置は、表面に測定対象膜が形成された基板を挟んで一方の真空槽（供給室）に気体の水を供給し、測定対象膜と、基板とを通過し、他方の真空槽（測定室）に到達した水の量を測定することで透湿度を測定する。
基板には水の透過性が求められるため、一般にナイロン、アクリル等の有機樹脂が用いられていた。

しかし、そのような基板は吸湿性が高い上に熱変形しやすく、しかも柔軟性が高いため、測定対象膜のストレスの影響で丸まり、扱い次第では測定対象膜にクラックが入りやすく、そのため、測定結果の再現性が悪いという問題があった。
また、従来は透湿度測定装置のＯリングに直接基板を載置したため、Ｏリングを変形させて基板をＯリングに密着させる際に、基板に皺が生じる等、取り扱いが困難であった。
特開２００２−３５７５３３号公報

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、透湿度を正確に測定可能な技術を提供することである。

上記課題を解決するために本発明は、透湿度測定装置用のサンプル台であって、金属がリング状に成形された載置環と、前記載置環の内側の開口よりも平面形状が大きく、透湿度が１×１０^-1ｇ／ｍ²／日以上のセラミック製の基板とを有し、前記載置環には溝が形成され、前記開口を覆うように前記基板を前記載置環に配置して前記サンプル台を載置部材に配置する際に、前記溝内にリング状の密閉部材を配置し、前記密閉部材が前記載置環と前記載置部材の両方に気密に密着するように構成されたサンプル台である。
本発明はサンプル台であって、前記載置環の表面と表面が同じ高さにある支持部が、前記載置環の内周からリング内側に向けて突き出されたサンプル台である。
本発明はサンプル台であって、前記密閉部材は前記溝に配置されるサンプル台である。
本発明はサンプル台であって、前記載置環の表面には、表面が前記載置環の表面よりも高く突き出された位置決め部が、前記載置環の縁に沿って配置されたサンプル台である。
本発明は、前記基板が前記載置環上に載置された前記サンプル台と、前記基板表面に配置された測定対象膜と、前記載置環と、前記基板の間に配置され、前記載置環の内側の前記開口を取り囲み、前記基板と前記載置環との間を気密に接着するシール部材とを有する測定対象サンプルである。
本発明は、壁部材で内部空間がそれぞれ取り囲まれた測定室と供給室と、リング状の載置部材とを有し、前記載置部材は、前記測定室の開口周囲の前記壁部材に気密に接続され、前記載置部材の開口を介して前記測定室の内部空間と、前記供給室の内部空間とが連通するように構成され、前記載置部材上には、前記測定対象サンプルが、前記載置環の前記シール部材が配置された面とは反対側の面と、前記載置部材の表面に密着して配置され、前記載置部材の開口が前記載置環の外周で取り囲まれ、前記供給室には水供給系が接続され、前記供給室の内部の水は、前記測定対象サンプルの前記基板と前記測定対象膜とを通過して前記測定室に移動可能に構成され、前記水の圧力を測定する測定装置が、前記供給室と前記測定室にそれぞれ接続された透湿度測定装置である。
本発明は透湿度測定装置であって、前記供給室は、真空槽内に配置された透湿度測定装置である。

尚、透湿度とは、一定時間に単位面積当たりの膜状物質を通過する気体の水の量をいい、温度２５℃又は４０℃において測定対象物を境界面とし、一方の側の空気を相対湿度９０％、他の側の空気を吸湿剤によって乾燥状態に保ったとき、２４時間にこの境界面を通過する水の質量（ｇ）を、その材料１ｍ²当たりに換算した値をその材料の透湿度と定める（ＪＩＳ Ｚ０２０８（１９７６））。

本発明は上記のように構成されており、基板の透湿度は１×１０^-1ｇ／ｍ²／日以上であり、気体の水の透過性が高いので、測定対象膜を透過した水は、基板も透過して測定室に侵入可能になっている。
基板はセラミック製なので変形や破損が生じにくい。従って、測定対象膜は、膜厚１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下と薄い場合であっても、基板表面に形成されることで、変形や破損が防止される。

本発明は基板は載置環上に配置されているので、測定対象サンプルをＯリングのような密閉部材上に配置した時に、基板が直接密閉部材に接触しない。従って、密閉部材を変形させて、測定対象サンプルを密閉部材に密着させる時に、基板が変形しない。

本発明では、セラミック製の基板を使用しているので、測定対象膜の応力や、基板の吸湿や、熱による基板の変形が生じず、測定対象膜の破損が起こらない。しかも、基板の透湿度は変化しないので、透湿度を正確に測定可能であり、再現性も高い。

図２の符号３０は本発明のサンプル台を示しており、このサンプル台３０は載置環３１と、位置決め部３２と、基板４１とを有している。
載置環３１は内周が円形のリング状に成形されている。図２の符号３５は載置環３１のリング内側の開口を示している。位置決め部３２はリング状であって、そのリング内側の開口は、載置環３１の開口３５よりも大径にされ、位置決め部３２の開口の中心が載置環３１の開口３５の中心と一致するように、載置環３１の表面に配置され、位置決め部３２のリング上部は載置環３１の表面から高く突き出されている。

従って、開口３５中心からの距離は、位置決め部３２の内周の方が載置環３１の内周よりも遠く、載置環３１の表面は、開口３５から位置決め部３２までの部分が露出して、開口３５を取り囲むリング状の載置部３９が形成されている。

基板４１は直径が載置環３１の開口３５の直径よりも大きく、かつ、位置決め部３２の内周よりも小さいセラミック製の円盤であって、基板４１は開口３５から落下せずに載置部３９上に載置可能になっている。

ここでは、載置環３１は一定厚みの平板に開口が形成されており、表面は同一平面に位置するから、載置部３９には段差が無く、基板４１を載置部３９上に載置すると、基板４１の開口３５の外側に位置する部分は全て載置部３９と接触し、基板４１が安定して保持されるようになっている。

次に、このサンプル台３０を用いて測定対象サンプルを作成する工程について説明する。
先ず、ペースト状の接着剤を開口３５の縁に沿って載置部３９に塗布するか、フィルム状の接着剤を開口３５の縁に沿って載置部３９に貼付して、開口３５を取り囲むリング状の接着剤層３６を形成する（図３（ａ）、図４（ａ））。
接着剤層３６のリング内周は基板４１の外周よりも小さく、ここでは接着剤層３６のリングは開口３５と同心円状になっている。

基板４１の表面に予め測定対象膜４２を成膜しておき、基板４１の裏面を載置環３１に向けて載置環３１の上方に配置し、基板４１の中心を開口３５中心の真上に位置させ、基板４１の縁が位置決め部３２と重ならないようにした後、略鉛直方向に降下させると、基板４１が位置決め部３２と接触せずに載置部３９上に乗せられ、接着剤層３６の載置環３１と反対側の面がリング全周に亘って基板４１の裏面と密着し、開口３５は基板４１で覆われた状態になる。

接着剤層３６は熱硬化性樹脂（ここではエポキシ樹脂）を含有する接着剤で構成されており、接着剤層３６を加熱すると熱硬化性樹脂が熱重合し、接着剤層３６は全周に亘って、片面が載置部３９に、反対側の面が基板４１に密着した状態で硬化し、基板４１が載置環３１に固定されて測定対象サンプル４０が得られる（図３（ｂ）、図４（ｂ））。
図４（ｂ）の符号３８は接着剤層３６が硬化して形成されたリング状のシール部材を示しており、シール部材３８は全周に亘って片面が載置部３９に、反対側の面が基板４１に密着している。

次に、この測定対象サンプル４０の測定に用いる透湿度測定装置について説明する。
図１の符号１は本発明の透湿度測定装置の一例を示しており、この透湿度測定装置１は測定室１１と、供給室１２と、載置部材２１と、密閉部材２８とを有している。
測定室１１と供給室１２は開口が形成された箱状である。
載置部材２１は中央部分に開口（接続口）２５が形成された金属製の板であって、平面形状がリング状になっている。

載置部材２１のリングの内周、即ち接続口２５は測定室１１の開口と供給室１２の開口のいずれよりも小さく、リング外周は測定室１１の開口と供給室１２の開口のいずれよりも大きくなっている。
測定室１１は開口を上に向けて配置されている。

載置部材２１は接続口２５が測定室１１の開口上に位置するように、そのリングの全周が測定室１１の開口を取り囲む壁部材に密着して取り付けられている。従って、測定室１１の開口と接続口２５の開口とは連通し、測定室１１は接続口だけを介して外部と接続される。

供給室１２は開口を下側に向けられ、該開口が接続口２５上に位置するように、その開口を取り囲む壁部材が、測定室１１の開口を取り囲む壁部材、又は、載置部材２１のリングの縁部分全周に密着するように、測定室１１上に配置されている。

従って、測定室１１の開口と、供給室１２の開口は接続口２５だけを介して互いに面し、測定室１１の内部空間と供給室１２の内部空間は接続口２５だけを介して互いに接続されている。

載置部材２１の測定室１１の外側の面、即ち、供給室１２の内部空間と面する面には、接続口２５と相似形の溝が、接続口２５の縁から所定距離だけ離間して、接続口２５を取り囲むように形成されている。

密閉部材２８はリング状であって、ゴムのように変形可能な弾性材料で構成されており、溝２４と相似形にして接続口２５と同心円状に配置した時に、載置部材２１に乗せられる大きさであり、ここでは溝２４と同じ大きさであり、溝２４の底面上に載置されている（図５（ａ））。

上述したように、溝２４は接続口２５の縁から所定距離だけ離間して接続口２５を取り囲んでいるから、密閉部材２８は接続口２５の縁から所定距離だけ離間して接続口２５を取り囲んでいる。

この透湿度測定装置１に使用される測定対象サンプル４０の載置環３１は、リング外周が接続口２５よりも大きく、内周は溝２４の底面上の密閉部材２８の内周よりも小さくされており、載置環３１は接続口２５から落下せずに、密閉部材２８上に配置可能になっている。

ここでは、載置環３１のシール部材３８が配置された側とは反対側の面には、載置部材２１の溝２４と平面形状が略等しい溝３４が、開口３５の縁から所定距離だけ離間した場所で、開口３５を取り囲むように形成されている。

真空槽２と供給室１２には不図示の搬出入室口が設けられており、搬出入口を開け、真空槽２の内部を通過させて測定対象サンプル４０を供給室１２内に搬入し、載置環３１の溝３４が載置部材２１の溝２４とが対向するよう位置合わせする。

密閉部材２８の厚みは、載置部材２１に乗せた時には、溝２４、３４の深さの合計よりも大きくなっており、溝２４、３４が対向する状態で測定対象サンプル４０を下降させると、載置環３１の溝３４に密閉部材２８のリング上部が入り込み、その溝３４の底面に接触して、測定対象サンプル４０が密閉部材２８に乗せられた状態になる。

その状態で不図示の押圧部材で測定対象サンプル４０を載置部材２１に向かって押圧すると、押圧によって密閉部材２８が変形し、密閉部材２８は全周に亘って片面が載置部材２１に密着し、反対側の面が載置環３１に密着する。
基板４１は透湿度が１×１０^-1ｇ／ｍ²／日以上と気体の透過性が高くされているのに対し、密閉部材２８と上述したシール部材３８は気体を透過しない材料で構成されている。

密閉部材２８は全周に亘って片面が載置部材２１に、反対側の面が載置環３１に密着しているから、載置部材２１と載置環３１の間は気体は透過せず、上述したように、シール部材３８は全周に亘って片面が基板４１に、反対側の面が載置環３１に密着しているから、基板４１と載置環３１の間も気体が透過しない。

しかも、載置環３１と、載置部材２１と、供給室１２及び測定室１１の壁部材は、金属のように気体を透過しない材料で構成されているから、基板４１と、測定対象膜４２とを透過した気体だけが、供給室１２から測定室１１に浸入可能になっている。

真空槽２外部には真空排気系９が配置されている。
ここでは、真空排気系９は粗引きポンプ７とターボ分子ポンプ８とを有しており、供給室１２と真空槽２の搬出入口を閉じ、測定対象サンプル４０を押圧した状態で、粗引きポンプ７で真空槽２と供給室１２と測定室１１を真空排気する。

測定室１１と供給室１２には内部圧力（全圧）を測定する第一、第二の測定装置３、４が接続されている。
測定室１１の内部圧力が所定圧力まで真空排気されたところで、真空槽２と供給室１２の真空排気を続けながら、バルブ１９を操作し、測定室１１を粗引きポンプ７からターボ分子ポンプ８に切替え、ターボ分子ポンプ８の背圧を粗引きポンプ７で排気し、測定室１１内部に、供給室１２の内部圧力よりも低い高真空雰囲気を形成する。

供給室１２には、真空槽２外部に配置された水供給系５が流量制御装置１７を介して接続されており、測定室１１内部に所定圧力の高真空雰囲気が形成された後、真空槽２と供給室１２の真空排気を続けると共に、ターボ分子ポンプ８の排気速度を所定速度に維持したまま、水供給系５からキャリアガスと共に気体の水を導入する。
ここでは、第一、第二の測定装置３、４は、質量分析計を備え、キャリアガスと水のモル比を測定可能になっており、モル比と、全圧とから水の分圧が求められる。

透湿度を測定するときの供給室１２内部の水の分圧は予め決められており、第二の測定装置４は、測定される水の分圧に基づいて、供給室１２内部の水の分圧が決められた値になるように、水供給系５と供給室１２間の流量制御装置１７と、粗引きポンプ７と供給室１２間の可変バルブ１８を制御し、供給室１２内部の水の分圧を所定圧力に維持する。

供給室１２内部の水の分圧が所定圧力に達して後、測定室１１の水の分圧の測定を続け、ある測定時間での測定室１１内部の水の分圧の上昇量と、測定時間と、測定室１１内部の温度と、測定室１１の排気速度と、基板４１の露出面積（ここでは開口３５の面積）とから、測定対象膜４２と基板４１の透湿度（単位：ｇ／ｍ²／日）の合計が分かる。基板４１の透湿度は予め分かっており、透湿度の合計から、基板４１の透湿度を引いた値が、測定対象膜４２の透湿度となる。

基板４１が樹脂基板のように熱に弱いものであると、破損や変形が生じ、透湿度を正確に測定できないが、基板４１はセラミック製であり、破損や変形が生じ難いから、透湿度を正確に測定できる。

尚、基板４１は透湿度が既知のものを用いてもよいし、基板４１の透湿度が不明な場合は、測定対象膜４２が形成されていない状態の基板４１を載置環３１に固定して測定対象サンプル４０を作成し、上記と同じ工程で基板４１だけの透湿度を予め求めておくとよい。

透湿度は単位面積当たりの値であるので、基板４１裏面が開口３５以外のところで大きく露出すると、透湿度の測定値が不正確になる。例えば、シール部材３８が載置環３１のリング内周と開口３５の縁との間の距離が大きすぎると、透湿度の測定値が不正確になるので、シール部材３８から開口３５までの距離が近い方が望ましく、より望ましくは、シール部材３８のリング内周と開口３５の縁が略一致することである。

シール部材３８に用いる熱硬化性樹脂はエポキシ樹脂に限定されず、硬化物の気体（特に水）を透過しないものであれば、例えば、アクリル樹脂、メラミン樹脂、ウレタン樹脂等を用いることもできる。シール部材３８を構成する接着剤には、熱硬化性樹脂以外にもフィラーや熱可塑性樹脂やゴム等の添加剤を添加することもできる。また、気体を透過しないのであれば、接着剤層３６を硬化させずにそのままシール部材としてもよい。シール部材３８は、真空リークレートが１×１０^-7Ｐａ・ｍ³／秒以下であることが望ましい。

密閉部材２８は特に限定されないが、具体的にはフッ素ゴムやシリコーンゴムやニトリルゴム等のゴム製のＯリングである。密閉部材２８はＨ₂Ｏ（水蒸気）リークレートが１×１０^-7Ｐａ・ｍ³／秒以下であることが望ましい。
以上は、載置環３１の開口３５に全部に基板４１の裏面が露出する場合について説明したが本発明はこれに限定されるものではない。

図６は本発明の測定対象サンプル４０に用いる載置環３１の他の例を示しており、この載置環３１は細長の支持部３７を有している。
支持部３７は一端が載置環３１のリング内周側面に接続され、他端が開口３５の内側に向かって突き出されている。ここでは、支持部３７は細長の板状であって、４本の支持部３７の一端が載置環３１のリングの内周に接続され、他端が開口３５の略中心で互いに接続され、十字状になっている。

支持部３７の表面は載置部３９と面一になっており、シール部材３８の厚みが無視できる程小さい場合には、基板４１をシール部材３８に配置した時に、基板４１裏面は支持部３７と接触する。

基板４１は縁部分がシール部材３８を介して載置部３９に支持されるだけなく、その中央部分が支持部３７によって支持されるので、基板４１が大径で可撓性を有する場合であっても撓まず、基板４１や測定対象膜４２の破損や変形が起こらない。

尚、シール部材３８の厚みが無視できない程大きい場合には、支持部３７の表面を載置部３９よりも高くし、基板４１をシール部材３８で載置環３１に固定した時に、基板４１の表面に支持部３７の表面を接触させる。
支持部３７は、基板４１をシール部材３８で固定した時に、基板４１裏面と接触可能であれば、板状ではなく、断面形状が円形の棒状であってもよい。

支持部３７の面積が無視できない程大きい場合には、透湿度を算出するときの開口３５の面積として、開口３５の面積から、支持部３７の開口３５内に位置する部分の面積を引いた値を用いる。

以上は、基板４１が円盤状であり、開口３５が円形である場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、基板４１の平面形状が開口３５よりも大きく、基板４１の縁部分が全て載置環３１に接触可能であれば、基板４１と開口３５の平面形状は、例えば矩形であってもよい。

位置決め部３２の形状も円形リングに限定されず、矩形のリング形状であってもよく、位置決め部３２はリング形状である必要も無い。位置決め部３２は開口３５中心からの距離が、基板４１を載置環３１に配置したときの開口３５中心から基板４１縁までの距離よりも遠く、基板４１を載置環３１に載置可能であれば、例えば、複数の位置決め部３２を、開口３５の中心からの距離が、開口３５中心から基板４１縁までの距離よりも遠い円周上に間隔を空けて配置してもよい。

以上は、測定室１１と供給室１２を真空槽２内部に配置する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。測定室１１と供給室１２を真空槽２内部に配置せず、その外壁を直接外部雰囲気に晒してもよいが、供給室１２を真空槽２内部に配置し、供給室１２の搬出入口を外部雰囲気に直接晒さないようにすれば、供給室１２内部に外部雰囲気から水や空気が浸入し難くなるので、透湿度の測定がより正確に行われる。

基板４１は厚みが大きい程透湿度は低くなる。多孔質アルミニウム製の基板で厚みを変えて透湿度を測定したところ、厚みが０．１５ｍｍ以上では、透湿度は１×１０^-1ｇ／ｍ²／日未満となった。透湿度が１×１０^-1ｇ／ｍ²／日未満であると、測定対象膜４２の透湿度測定が正確にできなくなるので、本発明には、厚みが０．１４ｍｍ以下のセラミック基板が適している。

本発明に用いる基板は、透湿度が１×１０^-1ｇ／ｍ²／日以上のセラミック基板であれば、特に限定されない。具体的には、多孔質アルミニウム以外にも、多孔質アルミナ製の基板を用いることができる。

本発明の測定対象膜４２は特に限定されないが、その一例を述べると、有機ＥＬ素子のバリア膜、例えば、ＳｉＯＮ膜、ＳｉＯｘ膜（ｘは正の実数）、Ａｌ₂Ｏ₃膜等の絶縁膜である。
測定対象膜４２が有機ＥＬ素子に用いるバリア膜の場合、該バリア膜の膜厚は一般に１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であるから、測定対象膜４２で基板４１表面を覆うためには、基板４１の表面粗さは１０ｎｍ以下にすることが望ましい。

載置部材２１や、載置環３１は金属製に限定されず、透湿度が低いものであれば、ガラスや硬質樹脂等を用いることもできる。
キャリアガスは水を分解しないものであればよく、例えば、窒素、アルゴン等の不活性ガスを単独又は混合して用いることができる。

基板４１として、膜厚０．１４ｍｍの、多孔質アルミニウム製のセラミック基板を用い、該基板４１の表面に測定対象膜を形成せずに実施例の測定対象サンプル４０を作成した。
これとは別に、膜厚２５μｍのポリイミドフィルムを基板として用い、該基板の表面に測定対象膜を形成せずに比較例の測定対象サンプルを作成した。

実施例と比較例の測定対象サンプル４０を、上記図１の透湿度測定装置１に取付け、基板４１を交換せずに透湿度の測定を５回繰り返した。その測定結果を下記表１に記載する。

上記表１から明らかなように、比較例は透湿度の変化が大きかったのに対し、実施例は測定を繰り返しても透湿度の変化が小さく、本発明によれば測定対象膜４２の透湿度を正確に求められることがわかる。

本発明の透湿度測定装置を説明するための断面図 本発明のサンプル台を説明するための斜視図 （ａ）、（ｂ）：測定対象サンプルを作成する工程を説明するための斜視図 （ａ）、（ｂ）：測定対象サンプルを作成する工程を説明するための断面図 （ａ）〜（ｃ）：測定対象サンプルを載置部材に載置する工程を説明するための断面図 載置環の他の例を説明するための斜視図

符号の説明

１……透湿度測定装置 ２……真空槽 ５……水供給系 １１……測定室 １２……供給室 ２１……載置部材 ２５……接続口 ２８……密閉部材 ３０……サンプル台 ３１……載置環 ３２……位置決め部 ３５……開口 ３７……支持部 ３８……シール部材 ４０……測定対象サンプル ４１……基板 ４２……測定対象膜

Claims (7)

1. 透湿度測定装置用のサンプル台であって、
   金属がリング状に成形された載置環と、
   前記載置環の内側の開口よりも平面形状が大きく、透湿度が１×１０^-1ｇ／ｍ²／日以上のセラミック製の基板とを有し、
   前記載置環には溝が形成され、
   前記開口を覆うように前記基板を前記載置環に配置して前記サンプル台を載置部材に配置する際に、
   前記溝内にリング状の密閉部材を配置し、前記密閉部材が前記載置環と前記載置部材の両方に気密に密着するように構成されたサンプル台。
2. 前記載置環の表面と表面が同じ高さにある支持部が、前記載置環の内周からリング内側に向けて突き出された請求項１記載のサンプル台。
3. 前記密閉部材は前記溝に配置される請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のサンプル台。
4. 前記載置環の表面には、表面が前記載置環の表面よりも高く突き出された位置決め部が、前記載置環の縁に沿って配置された請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のサンプル台。
5. 前記基板が前記載置環上に載置された請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のサンプル台と、
   前記基板表面に配置された測定対象膜と、
   前記載置環と、前記基板の間に配置され、前記載置環の内側の前記開口を取り囲み、前記基板と前記載置環との間を気密に接着するシール部材とを有する測定対象サンプル。
6. 壁部材で内部空間がそれぞれ取り囲まれた測定室と供給室と、
   リング状の載置部材とを有し、
   前記載置部材は、前記測定室の開口周囲の前記壁部材に気密に接続され、
   前記載置部材の開口を介して前記測定室の内部空間と、前記供給室の内部空間とが連通するように構成され、
   前記載置部材上には、請求項５記載の前記測定対象サンプルが、前記載置環の前記シール部材が配置された面とは反対側の面と、前記載置部材の表面に密着して配置され、
   前記載置部材の開口が前記載置環の外周で取り囲まれ、
   前記供給室には水供給系が接続され、前記供給室の内部の水は、前記測定対象サンプルの前記基板と前記測定対象膜とを通過して前記測定室に移動可能に構成され、
   前記水の圧力を測定する測定装置が、前記供給室と前記測定室にそれぞれ接続された透湿度測定装置。
7. 前記供給室は、真空槽内に配置された請求項６記載の透湿度測定装置。

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