JP5467477B2 - 水蒸気透過測定装置および水蒸気透過測定方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、各種デバイスを封止するための封止部材を透過する水蒸気を検知する水蒸気透過測定装置および水蒸気透過測定方法に関する。

太陽電池や有機ＥＬなどの水分を嫌う電子デバイスは、封止部材を用いて防湿が図られることが多い。封止部材は、少なくともデバイスの水分を嫌う部分が外気から遮断されるように配設される。この封止部材の配設方法としては、たとえば、デバイス全体を封止部材の内部空間に配設する方法や、デバイス全体を覆うようにラミネートする方法や、デバイスのうち水分を嫌う部分のみを外気から遮断するように配設する方法などが挙げられる。

封止部材の防湿性能（水蒸気透過性能）を比較することは、封止部材の開発や生産管理において大変重要である。そこで、各種封止部材の防湿性能を測るための種々の技術が従来提案されている（たとえば特許文献１参照）。

特開２００８−２８６７０２号公報

ところで、封止部材によってデバイスを完全に防湿することは難しい。このため、デバイスが封止された状態における封止部材の防湿性能を評価可能な技術の開発が望まれる。しかし、従来の技術は、デバイスが封止された状態で封止部材の防湿性能を評価するためには、非常に大型の装置や特殊な装置を必要としてしまう。

また、近年開発されつつある太陽電池や有機ＥＬなどのデバイスでは、水蒸気透過度として１０^−４〜１０^−６［g/m2/day］程度が要求される。しかし、従来の封止部材の防湿性能測定技術のうち、大型の装置や特殊な装置を必要としない技術では、水蒸気透過度の検出限界が１０^−３［g/m2/day］程度であり、感度が不足してしまう。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、封止部材を透過する水蒸気をデバイスが封止された状態で簡便かつ高感度に測定することができる水蒸気透過測定装置および水蒸気透過測定方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の水蒸気透過測定装置は、上述した課題を解決するために、光源と、結露促進部と、受光部と、液体凝縮解析部と、封止部材と、を備えたことを特徴とするものである。結露促進部は、基板と、所定の金属により構成され前記基板の表面に付着した複数の金属微粒子と、を有し、光源が照射した光の一部を複数の金属微粒子の表面プラズモン共鳴によりプラズモン吸収する。受光部は、封止部材の外部に設けられ、封止部材を透過した結露促進部による反射光および透過光の少なくとも一方を受光する。液体凝縮解析部は、受光部により受光された反射光および透過光の少なくとも一方にもとづいて結露促進部の上面の液体の凝縮を解析する。封止部材は、所定の電子デバイスの一部または全部および結露促進部を封止する。

また、請求項２記載の発明は、上述した課題を解決するために、光源と、結露促進部と、受光部と、液体凝縮解析部と、封止部材と、を備えたことを特徴とするものである。結露促進部は、基板と、基板の上面に形成され所定の金属に表面の少なくとも一部を覆われた周期構造と、所定の金属により構成され周期構造の周期より小さい直径を有し周期構造の表面に付着した複数の金属微粒子と、を有し、所定の金属の周期構造の表面プラズモン共鳴および前記複数の金属微粒子の表面プラズモン共鳴により光源が照射した光の一部がプラズモン吸収される。受光部は、封止部材の外部に設けられ、封止部材を透過した結露促進部による反射光および透過光の少なくとも一方を受光する。液体凝縮解析部は、受光部により受光された反射光および透過光の少なくとも一方にもとづいて結露促進部の上面の液体の凝縮を解析する。封止部材は、所定の電子デバイスの一部または全部および結露促進部を封止する。

また、請求項３記載の発明は、請求項２記載の水蒸気透過測定装置において、前記周期構造が、前記基板の上面に複数の微小球が密に周期的に配置された単層膜を形成し、前記単層膜を形成する前記複数の微小球のそれぞれの上面の少なくとも一部を覆うように前記所定の金属を所定の膜厚で物理蒸着する、ことにより形成され、前記微小球が、前記光源の光の波長より小さい直径を有し、前記封止部材が、前記デバイスの全部および前記結露促進部を樹脂で覆って所定の温度で加熱することにより前記デバイスの全部および前記結露促進部に対して空間を残さないように密着して覆うように形成された、ものである。

また、請求項４記載の発明は、請求項２または３に記載の水蒸気透過測定装置において、前記周期構造の表面に付着した前記金属微粒子は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の直径を有する、ものである。

また、請求項５記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の水蒸気透過測定装置において、前記受光部が、前記反射光および前記透過光の少なくとも一方の所定の測定波長における強度に応じた信号を出力し、前記液体凝縮解析部が、前記反射光および前記透過光の少なくとも一方の前記所定の測定波長における強度にもとづいて前記結露促進部上の液体の凝縮を解析する、ものである。

また、請求項６記載の発明は、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の水蒸気透過測定装置において、前記受光部が、前記反射光および前記透過光の少なくとも一方の強度の波長分布を取得可能に構成され、前記液体凝縮解析部が、前記結露促進部による前記プラズモン吸収の波長分布の影響を受けた前記反射光および前記透過光の少なくとも一方の強度の波長分布に応じて前記結露促進部上の液体の凝縮を解析する、ものである。

また、請求項７記載の発明は、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の水蒸気透過測定装置において、前記封止部材が、前記デバイスの全部および前記結露促進部のそれぞれに対して空間を残さないように密着して覆うように形成されることにより前記デバイスの全部および前記結露促進部を封止する、ものである。

また、請求項８記載の発明は、請求項１、２、４、５または６に記載の水蒸気透過測定装置において、前記封止部材が、内部空間を有するように前記デバイスの基板部材に接合され、前記内部空間に前記デバイスの一部および前記結露促進部を封止する、ものである。

また、請求項９記載の発明は、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の水蒸気透過測定装置において、前記所定の電子デバイスが、太陽電池デバイスまたは有機ＥＬデバイスであるものである。

また、請求項１０記載の発明は、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の水蒸気透過測定装置において、前記受光部が、前記結露促進部による前記反射光を受光する反射光受光部と、前記結露促進部による前記透過光を受光する透過光受光部と、の少なくとも一方を備えて構成されたものである。

一方、請求項１１記載の水蒸気透過測定方法は、上述した課題を解決するために、基板と、所定の金属により構成され前記基板の表面に付着した複数の金属微粒子と、を有し、前記複数の金属微粒子の表面プラズモン共鳴により光源が照射した光の一部をプラズモン吸収する結露促進部を用いた水蒸気透過測定方法であって、所定の電子デバイスの一部または全部および前記結露促進部を封止部材で封止するステップと、前記封止部材で封止された前記結露促進部に光を照射するステップと、前記光の一部が前記結露促進部によりプラズモン吸収されるステップと、前記封止部材の外部に設けられた受光部が前記封止部材を透過した前記結露促進部による反射光および透過光の少なくとも一方を受光するステップと、前記反射光および前記透過光の少なくとも一方にもとづいて前記結露促進部上の液体の凝縮を解析するステップと、を有することを特徴とする方法である。

また、請求項１２記載の水蒸気透過測定方法は、上述した課題を解決するために、基板と、前記基板の上面に形成され所定の金属に表面の少なくとも一部を覆われた周期構造と、前記所定の金属により構成され前記周期構造の周期より小さい直径を有し前記周期構造の表面に付着した複数の金属微粒子と、を有し、前記所定の金属の前記周期構造の表面プラズモン共鳴および前記複数の金属微粒子の表面プラズモン共鳴により光源が照射した光の一部をプラズモン吸収する結露促進部を用いた水蒸気透過測定方法であって、所定の電子デバイスの一部または全部および前記結露促進部を封止部材で封止するステップと、前記封止部材で封止された前記結露促進部に光を照射するステップと、前記光の一部が前記結露促進部によりプラズモン吸収されるステップと、前記封止部材の外部に設けられた受光部が前記封止部材を透過した前記結露促進部による反射光および透過光の少なくとも一方を受光するステップと、前記反射光および前記透過光の少なくとも一方にもとづいて前記結露促進部上の液体の凝縮を解析するステップと、を有することを特徴とする方法である。

また、請求項１３記載の発明は、請求項１１または１２に記載の水蒸気透過測定方法において、前記反射光および前記透過光の少なくとも一方の所定の測定波長における強度に応じた信号を出力するステップ、をさらに有し、前記液体の凝縮を解析するステップが、前記反射光および前記透過光の少なくとも一方の前記所定の測定波長における強度にもとづいて前記結露促進部上の液体の凝縮を解析するステップである方法である。

本発明に係る水蒸気透過測定装置および水蒸気透過測定方法によれば、デバイスが封止された状態で封止部材を透過する水蒸気を簡便かつ高感度に測定することができる。

本発明の第１実施形態に係る水蒸気透過測定装置の一例を示す概略的な全体構成図。 結露促進部の一例を示す概略的な構成図。 基板の上面に形成された微小球の単層膜の一構成例を示す平面図。 （ａ）は、金属蒸着膜が微小球のそれぞれの上面の全てを覆う場合の様子の一例を示す説明図、（ｂ）は、金属蒸着膜が微小球のそれぞれの上面の一部を覆う場合の様子の一例を示す説明図。 図４（ｂ）のＶ−Ｖ線断面図。 周期構造の表面プラズモン共鳴による吸収スペクトルの一例を示す説明図。 結露促進部の上面近傍の絶対湿度と吸収スペクトルのピーク波長のシフト量Δλとの関係の一例を模式的に示す説明図。 結露促進部の上面近傍の絶対湿度と反射光の特定の波長に対応する反射光受光部の出力との関係の一例を示す説明図。 （ａ）は結露促進部の第１変形例を示す図、（ｂ）は結露促進部の第２変形例を示す図。 （ａ）は光学系の第１変形例を示す図、（ｂ）は光学系の第２変形例を示す図。 （ａ）は光学系の第３変形例を示す図、（ｂ）は光学系の第４変形例を示す図。 本発明の第２実施形態に係る水蒸気透過測定装置の一例を示す概略的な全体構成図。

本発明に係る水蒸気透過測定装置および水蒸気透過測定方法の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

本発明の一実施形態に係る水蒸気透過測定装置および水蒸気透過測定方法は、水蒸気の凝縮を促進する結露促進部をデバイスとともに封止し、結露促進部によるプラズモン吸収の影響を受けた反射光や透過光にもとづいて、封止部材内部における分子程度の大きさの水分子の凝縮を容易に検出する技術を提供するものである。
（第１の実施形態）

図１は、本発明の第１実施形態に係る水蒸気透過測定装置の一例を示す概略的な全体構成図である。本実施形態では、水分を嫌う電子デバイスとして太陽電池デバイスを用い、結露促進部が太陽電池デバイスとともに封止される場合の例について説明する。

図１に示すように、水蒸気透過測定装置１０は、太陽電池モジュール１１および結露促進部１２を備える。

太陽電池モジュール１１は、一般的な太陽電池モジュールと同様の構成を有し、接着用樹脂１３により密封（以下、ラミネート加工という）された太陽電池デバイス１４と、このラミネート加工された太陽電池デバイス１４を挟持する強化白板ガラス１５および裏面ガラス１６と、これらを保持する金属フレーム１７と、他の太陽電池モジュールと電気的に接続するためのジャンクションボックス１８と、を有する。なお、裏面ガラス１６にかえて裏面保護樹脂などを用いても構わない。

太陽電池デバイス１４は、封止部材としての接着用樹脂１３により強化白板ガラス１５および裏面ガラス１６とともにラミネート加工されることにより、外気中の水蒸気に直接さらされることがないようになっている。また、図１に示すように、ラミネート加工された太陽電池デバイス１４、強化白板ガラス１５および裏面ガラス１６の端面は、端面シール材１３ａにより封止される。端面シール材１３ａは、この端面からの水蒸気浸透を防止する。

本実施形態に係る水蒸気透過測定装置１０は、太陽電池デバイス１４とともに結露促進部１２を接着用樹脂１３、強化白板ガラス１５および裏面ガラス１６とともにラミネート加工することにより封止する。この接着用樹脂１３は、結露促進部１２および太陽電池デバイス１４のそれぞれに対して空間を残さないように密着して覆うように形成されることにより、太陽電池デバイス１４の全部および結露促進部１２を封止する。

また、水蒸気透過測定装置１０は、強化白板ガラス１５を介して結露促進部１２の表面（上面）に光を照射する光源２１と、この光のうち結露促進部１２の上面で反射（散乱）された光を強化白板ガラス１５を介して受光する反射光受光部２２と、を有する。図１には、光源２１が結露促進部１２の上面に対し所定の入射角で斜めに光を照射する場合の例について示した。

反射光受光部２２は、受光した光の情報に応じた信号を出力し、情報処理装置３０に与える。情報処理装置３０は、反射光受光部２２により受光された結露促進部１２の上面の反射光にもとづいて結露促進部１２の上面に液化した水分子の凝縮度合いを解析する。

情報処理装置３０は、たとえばデスクトップ型やノートブック型のパーソナルコンピュータなどにより構成することができる。情報処理装置３０は、表示部３１および主制御部を少なくとも有する。

表示部３１は、たとえば液晶ディスプレイやＯＬＥＤ（Organic Light Emitting Diode）ディスプレイなどの一般的な表示出力装置により構成され、主制御部の制御に従って各種情報を表示する。

主制御部は、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭをはじめとする記憶媒体などにより構成される。主制御部のＣＰＵは、ＲＯＭをはじめとする記憶媒体に記憶された液体凝縮解析プログラムおよびこのプログラムの実行のために必要なデータをＲＡＭへロードし、このプログラムに従って、結露促進部１２の上面に凝縮した分子程度の大きさの水分子を容易に検出する処理を実行する。

主制御部のＲＡＭは、ＣＰＵが実行するプログラムおよびデータを一時的に格納するワークエリアを提供する。主制御部のＲＯＭをはじめとする記憶媒体は、情報処理装置３０の起動プログラム、液体凝縮解析プログラムや、これらのプログラムを実行するために必要な各種データを記憶する。

なお、ＲＯＭをはじめとする記憶媒体は、磁気的もしくは光学的記録媒体または半導体メモリなどの、ＣＰＵにより読み取り可能な記録媒体を含んだ構成を有し、これら記憶媒体内のプログラムおよびデータの一部または全部は電子ネットワークを介してダウンロードされるように構成してもよい。ここで電子ネットワークとは、電気通信技術を利用した情報通信網全般を意味し、無線／有線ＬＡＮ（Local Area Network）やインターネット網のほか、電話通信回線網、光ファイバ通信ネットワーク、ケーブル通信ネットワークおよび衛星通信ネットワークなどを含む。

主制御部のＣＰＵは、液体凝縮解析プログラムによって、少なくとも液体凝縮解析部３２として機能する。液体凝縮解析部３２は、ＲＡＭの所要のワークエリアをデータの一時的な格納場所として利用する。なお、液体凝縮解析部３２は、ＣＰＵを用いることなく回路などのハードウエアロジックによって構成してもよい。

液体凝縮解析部３２は、反射光受光部２２により受光された反射光にもとづいて結露促進部１２の上面の液体の凝縮度合いを解析する。この解析結果は、表示部３１に表示される。

図２は、結露促進部１２の一例を示す概略的な構成図である。結露促進部１２は、周期構造４２の表面プラズモン共鳴および複数の金属微粒子４３による表面プラズモン共鳴により光源２１から照射された光をプラズモン吸収するよう構成される。また、結露促進部１２は、接着用樹脂１３を浸透するなどして結露促進部１２の近傍に存在する水蒸気の液化分子が吸着しやすいよう構成される。金属微粒子４３は、所定の金属により構成された複数の金属微粒子であり、たとえば銀ナノ粒子が挙げられる。

表面プラズモン共鳴は、金属に照射された光と金属表面付近の自由電子との相互作用が共鳴的に起こる現象である。光源２１から照射された光は、結露促進部１２の上面で生じる表面プラズモン共鳴によりプラズモン吸収される。このため、反射光受光部２２が受光する反射光強度は、このプラズモン吸収の影響を反映した波長分布をもつ。

光の入射に対する自由電子の応答は、金属表面に接する媒質、すなわち水蒸気の液化分子の誘電率に非常に敏感である。この性質を利用し、水蒸気透過測定装置１０は、反射光受光部２２が受光する反射光にもとづいて結露促進部１２の上面に吸着した分子サイズレベルの水分子の吸着を検出する。

図２に示すように、結露促進部１２は、基板４１、所定の金属の周期構造４２および所定の金属により構成された複数の金属微粒子４３としての複数の銀ナノ粒子を有する。金属微粒子４３は、周期構造４２の表面に付着される。

基板４１は、ケイ酸ガラスなどの一般的なガラス基板などにより構成される。

周期構造４２は、基板４１の上面に複数の微小球４４が密に周期的に配置された単層膜と、この単層膜を形成する微小球４４のそれぞれの上面の少なくとも一部を覆う金属蒸着膜４５と、を有する。

図３は、基板４１の上面に形成された微小球４４の単層膜の一構成例を示す平面図である。

単層膜は、たとえば次の手順により形成される。まず、微小球４４を溶媒に分散したコロイド溶液を作成する。次にこのコロイド溶液を基板４１の上面へ滴下し塗布する。次に基板４１の上面に塗布されたコロイド溶液の溶媒を蒸発させる。蒸発に際し、各微小球４４の間に毛細管力が働くため、微小球４４どうしが引き付けあう。この結果、微小球４４が密に周期的に配置された自己組織化単層膜が形成される。この自己組織化単層膜は、六方最密格子構造であることが好ましい（図３参照）。

なお、微小球４４は、溶媒の蒸発時に粒子間に毛細管力が働き自己組織化膜形成が可能な粒子であればよく、たとえばポリスチレン球やシリカ球などのほか、金属や他のポリマーなどにより構成された微粒子などを用いてもよい。また、単層膜の作成方法は自己組織化に限られず、たとえば電子線でパターニングしてもよいし、ＭＥＭＳ微細加工技術を用いて作成しても良い。

シリカ球は、ポリスチレン球に比べ耐熱性に優れる。このため、微小球４４としてシリカ球を用いる場合、ガラス基板上に分散された後に加熱処理を施すことによりシリカ球のガラス基板に対する付着力を向上させることが可能である。具体的には、基板４１にシリカ球の単層膜（図３参照）が形成された後、基板４１とシリカ球との付着力が向上するよう、基板４１および単層膜に対して所定の条件（たとえば７００℃で１時間など）で加熱処理が施される。加熱処理により、基板４１とシリカ球とが水素結合されて互いの付着力を向上させることができる。

単層膜の上面には、所定の金属が物理蒸着される。このとき、蒸着条件（蒸着膜厚、蒸着源と基板４１との位置関係など）により、所定の金属は、単層膜を構成する微小球４４のそれぞれの上面を全て覆う場合と、微小球４４のそれぞれの上面の一部を覆う場合とがある。

図４（ａ）は、金属蒸着膜４５が微小球４４（たとえば、ポリスチレン球）のそれぞれの上面の全てを覆う場合の様子の一例を示す説明図であり、図４（ｂ）は、金属蒸着膜４５がポリスチレン球４４のそれぞれの上面の一部を覆う場合の様子の一例を示す説明図である。また、図５は図４（ｂ）のＶ−Ｖ線断面図である。なお、図４（ａ）および（ｂ）において、金属蒸着膜４５に対して便宜的に斜線を付した。

たとえば、金属蒸着膜４５の膜厚が厚い場合（たとえば膜厚が２００ｎｍ以上など）には、金属蒸着膜４５は、ポリスチレン球などの微小球４４それぞれの上面を全て覆う（図４（ａ）参照）。一方、金属蒸着膜４５の膜厚が薄い場合（たとえば膜厚が５０ｎｍ以下など）には、金属蒸着膜４５は、ポリスチレン球などの微小球４４のそれぞれの上面の一部を覆うキャップ形状（cap-shaped）となる（図４（ｂ）および図５参照）。

図４（ａ）に示すように金属蒸着膜４５が微小球４４それぞれの上面を全て覆う場合には、金属蒸着膜４５の表面に沿って生じる電子疎密波である表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）は、図中Ａの方向には伝搬する伝搬型となり、図中Ｂの方向には伝搬せずに局在型となる。一方、図４（ｂ）および図５に示すように金属蒸着膜４５が微小球４４のそれぞれの上面の一部を覆う場合には、ＳＰＰは局在型となる。なお、図２には、図４（ａ）の図中Ａ方向における断面図を示した。

ＳＰＰが伝搬型の場合には、ＳＰＰに起因する表面プラズモン共鳴による吸収は角度依存性をもつ。一方、ＳＰＰが局在型の場合には、ＳＰＰに起因する表面プラズモン共鳴による吸収は角度依存性をもたない。したがって、たとえば結露促進部１２の上面に対して光源１３の光を垂直に入射する場合には、ＳＰＰが局在型となるよう、すなわち金属蒸着膜４５がキャップ形状となるように所定の金属を微小球４４の上面に物理蒸着するとよい。

所定の金属を微小球４４の上面に物理蒸着することにより、基板４１の上面に所定の金属に表面の少なくとも一部を覆われた周期構造４２が形成される。金属蒸着膜４５は、下地となる単層膜の微小球４４の配列状態を反映した形状となる。

なお、太陽電池デバイス１４および結露促進部１２は、接着用樹脂１３によりラミネート加工される際に高温下にさらされる場合がある。この場合、基板４１上に形成される周期構造４２は、耐熱性に優れる微小球４４の自己組織化単層膜を用いることが好ましい。また、周期構造４２は、ＭＥＭＳ微細加工技術を用いて作成されてもよい。

金属蒸着膜４５の上面には、水蒸気が結露する。このため、結露過程を通じて所定の金属の表面反射率を高く維持するよう、所定の金属としては不活性な金属を用いるとよい。また、所定の金属は、光源２１により照射される光の波長により表面プラズモン共鳴が高効率で生じることが好ましい。たとえば、光源２１が３００〜１５００ｎｍ程度の波長の光を出射する場合、所定の金属は金や銀などの貴金属を用いるとよい。以下の説明では、所定の金属として銀を用いる場合の例について示す。

金属蒸着膜４５は、下地となる単層膜の微小球４４の配列状態を反映した形状を有する。このため、金属蒸着膜４５が図４（ａ）に示すように微小球４４のそれぞれの上面を全て覆う場合には、金属蒸着膜４５には隣接する微小球４４により形成された谷間を反映した深さｄの細孔（谷間）が多数存在する（図２および図３参照）。また、図４（ｂ）および図５に示すように金属蒸着膜４５がキャップ形状である場合には、隣接する微小球４４により形成された谷間部分にさらに金属の微小なギャップが形成される。この細孔中および金属の微小なギャップ中では、他の金属表面に比べ、毛管凝縮現象により液体の飽和蒸気圧が低下する。このため、周期構造４２の上面の少なくとも一部を覆う金属蒸着膜４５は、微小球４４が離散的に存在する場合や平面的な金属膜に比べ、被測定気体の液化が促進される。

また、水分子の凝縮を検知する場合は、金属蒸着膜４５の上面は親水化処理を施してもよい。親水化処理により、金属蒸着膜４５の上面への水分子の吸着確率を高めることができる。たとえば金属蒸着膜４５が銀により構成される場合、金属蒸着膜４５の表面に酸化膜を形成することにより金属蒸着膜４５の上面を親水化することができる。この場合、酸化膜の形成方法としては、たとえば水道水または過酸化水素水に数秒間浸す方法などが挙げられる。また、金属蒸着膜４５の上面に親水性材料（カルボン酸、スルホン酸など）を塗布するなどして親水性の薄膜を形成することで金属蒸着膜４５の上面を親水化しても良い。

なお、単層膜の微小球４４は、その直径が１０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度であると容易に毛細管力による自己組織化単層膜を形成することができる。また、微小球４４の直径は、光源２１により照射される光の波長より小さいものを用いる。これは、金属蒸着膜４５による表面プラズモン共鳴を高効率で生じさせるためである。ここで、微小球４４の直径は周期構造４２の周期に直接影響し、周期構造４２の周期や所定の金属の材質や金属蒸着膜４５の膜厚は周期構造４２の表面プラズモン共鳴に影響することに注意する。たとえば光源２１が３００ｎｍ程度以上の波長の光を受光する場合には、微小球は直径が１００ｎｍ〜３００ｎｍ程度のものを用いるとよい。

金属蒸着膜４５の膜厚は、金属蒸着膜４５の内部に効果的に表面プラズモンが形成される膜厚であるとよく、たとえば光源２１から照射される光の波長が可視光波長程度である場合は１０ｎｍ〜２００ｎｍ程度であることが好ましく、５０ｎｍ〜１００ｎｍ程度であるとより好ましい。

複数の金属微粒子４３は、コロイド溶液として周期構造４２の上面にスピンコートなどにより塗布されて周期構造４２の上面に分散して付着する。

なお、水分子の吸着確率を高めるように、金属微粒子４３のコロイド溶液の溶媒に対してスルホン酸やカルボン酸などの親水性溶液を添加するとよい。この場合、周期構造４２の上面に付着した金属微粒子４３の周囲を親水性とすることができ、金属微粒子４３の周囲への水分子の吸着確率を高めることができる。

周期構造４２の上面に分散して付着した複数の金属微粒子４３は、それぞれ孤立金属粒子として光源の光に対して局在型ＳＰＰにもとづく表面プラズモン共鳴現象を生じる。そこで、金属微粒子４３の直径は、光源２１により照射される光の波長により金属微粒子４３が表面プラズモン共鳴を高効率で生じる直径とするとよく、１ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましく、５ｎｍ〜５０ｎｍであると水蒸気の液化分子の凝集核となることが期待されるためより好ましい。

さらに好ましくは、金属微粒子４３の直径は、金属微粒子４３の表面プラズモン共鳴波長が周期構造４２による表面プラズモン共鳴波長と一致するように選択される。

図６は、周期構造４２の表面プラズモン共鳴による吸収スペクトルの一例を示す説明図である。なお、図６には、周期構造４２の表面に金属微粒子４３が付着していない場合の例について示した。また、図６には、あわせて吸収スペクトルの湿度依存性を示してある。また、図６には、結露促進部１２の上面近傍の主な媒質が空気である場合の例について示した。

結露促進部１２に光が照射されると、結露促進部１２は、周期構造４２による表面プラズモン共鳴および金属微粒子４３による表面プラズモン共鳴により光の一部をプラズモン吸収する。たとえば、結露促進部１２に白色光が入射すると、周期構造４２によって入射光の回折光成分が生じる。周期構造４２の周期は入射光の波長より小さいため、回折光成分は金属蒸着膜４５の表面成分のみの非伝搬光成分であり、伝搬光成分を持たない。

この結果、金属蒸着膜４５を構成する銀の内部の自由電子振動波数と回折光波数が一致すると、表面プラズモン共鳴が生じる。表面プラズモン共鳴波長成分は自由電子に吸収される。このため、反射光強度の波長分布に大きな吸収ピークが現れる（図６参照）。

一方、金属微粒子４３は、それぞれ孤立金属粒子として光源の光に対して表面プラズモン共鳴現象を生じる。この表面プラズモン共鳴によっても、反射光強度の波長分布に大きな吸収ピークが現れる。

表面プラズモン共鳴による吸収共鳴波長は、金属粒子の直径や誘電率、周囲媒質の誘電率で決まる。このため、金属微粒子４３の直径を調整することで、金属微粒子４３の表面プラズモン共鳴波長と周期構造４２による表面プラズモン共鳴波長とを一致させることができる。これらの共鳴波長を一致させることにより、それぞれ単独の場合にくらべて共鳴波長における光の吸収量が増大する。

また、金属微粒子４３の直径が１０ｎｍ程度である場合には、金属微粒子４３が液化分子の凝集核となる。

結露促進部１２の表面プラズモン共鳴による反射光受光部２２が受光する反射光強度の変化は、理論的な露点または露点よりも高い温度で起きる。このため、水蒸気透過測定装置１０は、封止部材としての接着用樹脂１３の内部において、水蒸気が結露促進部１２上に液化分子程度の大きさに凝縮しただけで、この凝縮を容易に検知することができる。

なお、あらかじめ入射角ごとに吸収スペクトルを取得しておくことにより最もピークが急峻となる入射角を決定しておき、この入射角にあわせて光源２１および反射光受光部２２を配置するとよい。

光源２１は、周期構造４２の表面プラズモン共鳴および複数の金属微粒子４３による表面プラズモン共鳴を励起可能な波長の光を出射する。また、反射光受光部２２は、これらのプラズモン共鳴の影響を受けた反射光を受光し、反射光の情報に応じた信号を出力する。

図７は、結露促進部１２の上面近傍の絶対湿度と吸収スペクトルのピーク波長のシフト量Δλとの関係の一例を模式的に示す説明図である。

たとえば、光源２１が白色光を出射し、反射光受光部２２が分光器を備えている場合、受光部２１は図６に示した吸収スペクトルの情報を情報処理装置３０に与える。図６に示す例では、吸収スペクトルのピーク波長は、水分子の凝縮度合いが高くなる（湿度が高くなる）にともない長波長側にシフトすることがわかる。

これは、表面プラズモン共鳴による吸収スペクトルの波長分布が、結露促進部１２の上面周囲の媒質の誘電率に依存するためである。たとえば、上面近傍の媒質が空気（屈折率〜１．００）の場合には、結露促進部１２の上面に水（屈折率〜１．３３）が結合することにより、吸収スペクトルのピーク波長は水分子の凝縮度合いが高くなるに伴い長波長シフトする。また、上面近傍の媒質がエチレンビニル酢酸（ＥＶＡ）（屈折率〜１．５２）などの透明樹脂の場合には、結露促進部１２の上面に水（屈折率〜１．３３）が結合することにより、吸収スペクトルのピーク波長は水分子の凝縮度合いが高くなるに伴い短波長シフトすることもある。

このため、光源２１が多色光（白色光など）であり、かつ反射光受光部２２が吸収スペクトルの情報を出力可能である場合は、液体凝縮解析部３２は、この吸収スペクトルのピーク波長の変化量にもとづいて結露促進部１２の上面の液体の凝縮度合いを解析することができる。また、図７に示すように、あらかじめピーク波長およびピーク強度と結露促進部１２の上面近傍の水蒸気濃度（湿度）とを関連付けておくことにより、液体凝縮解析部３２は、吸収スペクトルのピーク波長の変化量にもとづいて上面近傍の水蒸気濃度（湿度）を求めることができる。

図８は、結露促進部１２の上面近傍の絶対湿度と反射光の特定の波長に対応する反射光受光部２２の出力との関係の一例を示す説明図である。図８には、特定の波長が５００ｎｍである場合の例について示した。

図６において特定の波長に注目すると、吸収強度は結露促進部１２の上面近傍の水蒸気濃度（湿度）、すなわち上面の結露量に応じて変化することがわかる。このため、液体凝縮解析部３２は、反射光の所定の測定波長の強度にもとづいて結露促進部１２の上面の液体の凝縮度合いを解析することができる。また、あらかじめ所定の測定波長における反射光強度と結露促進部１２の上面近傍の水蒸気濃度（湿度）とを関連付けておくことにより、液体凝縮解析部３２は、所定の測定波長の強度にもとづいて上面近傍の水蒸気濃度（湿度）を求めることができる（図８参照）。

液体凝縮解析部３２が反射光の所定の測定波長の強度にもとづいて結露促進部１２の上面の液体の凝縮度合いを解析する場合、反射光受光部２２はこの所定の測定波長のみを受光するよう構成される。たとえば、光源２１が所定の波長（たとえば４５０ｎｍなど）の単色光を出射する場合は、反射光受光部２２はこの単色光と対応する所定の測定波長（たとえば５００ｎｍなど）の強度に応じた信号を出力するよう構成されればよい。このとき、光源２１が出射する単色光のピーク波長と所定の測定波長とは一致しなくても構わない。また、光源２１が多色光（白色光など）を出射する場合は、反射光受光部２２の光路上の手前側に所定の測定波長のみを透過する図示しないフィルタを設けておくとよい。

液体凝縮解析部３２はさらに、結露促進部１２の上面に凝縮した水分量から封止部材内部の水分量を推定することができる。水分量の推定方法としては、たとえば次の２つの方法が挙げられる。

第１の方法は、結露促進部１２の上面近傍への到達水分量を推定する方法である。より具体的には、この方法は、接着用樹脂１３の上下方向に水分量の勾配があり結露促進部１２の近傍の凹部で最大水分量となる、と仮定することにより、凹部の水分量を到達水分量として指標化する方法である。この方法では、結露促進部１２に対する光の照射面積（図２の「Ｓ」参照）に対応する凹部（図２の「ｄ」参照）の体積をあらかじめ計算しておく。反射光受光部２２が受光する反射光はこの凹部に存在する水分によるプラズモン共鳴の影響を受けたものであると仮定することで、凹部に存在する絶対水分量（重量単位）が算定可能となり、封止部材の内部の凹部への到達水分量を推定することが可能となる。

第２の方法は、結露促進部１２への照射面積に対応する封止部材の体積に存在する水分量を算出する方法である。より具体的には、この方法は、接着用樹脂１３の上下方向では水分が均一に分布すると仮定する方法である。この方法では、照射面積Ｓを底面とする封止部材の体積中に水分子が均一に分布していると仮定することで、所定の封止部材の体積に存在する水分量を計算することができる。この水分量を用いて、単位体積あたりの水分量を推定することが可能となる。

本実施形態に係る水蒸気透過測定装置１０は、結露促進部１２の周期構造４２による表面プラズモン共鳴および金属微粒子４３による表面プラズモン共鳴により影響を受けた反射光にもとづいて結露促進部１２の上面の液体の凝縮度合いを解析する。この反射光強度変化は、理論的な露点または露点よりも高い温度で起きる。

このため、水蒸気透過測定装置１０は、結露促進部１２の上面に水分子が分子程度の大きさに凝縮したことを高感度に検知できる。したがって、水蒸気透過測定装置１０によれば、封止部材としての接着用樹脂１３の内部において、露滴への成長前における分子程度の大きさの水分子の凝縮過程を検知することができ、容易に結露の予告を行うことができる。

また、本実施形態に係る水蒸気透過測定装置１０によれば、高温高湿状態などの各種環境条件下でのデバイス中あるいはデバイスを模した試験治具中に組み込まれた樹脂部材などの封止部材の水蒸気透過性変動をリアルタイムで高精度に測定することできる。このため、水蒸気透過測定装置１０は、封止部材の防湿性能の評価に用いることができ、封止部材の開発などの場面における組成最適化を容易に行うことができる。

また、本実施形態に係る水蒸気透過測定装置１０の結露促進部１２を電子デバイスとともに封止し、デバイスの実際の使用環境下で封止部材の内部の水分量を測定することにより、デバイスの性能劣化の要因が水分である場合に、この要因を容易に特定することができる。

このため、本実施形態に係る水蒸気透過測定装置１０は、デバイスの劣化原因の切り分けや判断に利用することができる。また、本実施形態に係る水蒸気透過測定装置１０によれば、封止部材を浸透した水分量にもとづいて容易にデバイスの交換時期（寿命）を判定することができる。もちろん、本実施形態に係る水蒸気透過測定装置１０は、封止部材の物性測定における水分量センサとして利用することも可能である。

また、本実施形態に係る水蒸気透過測定装置１０の結露促進部１２の上面に１０ｎｍ程度の金属微粒子４３を分散させる場合、水蒸気透過測定装置１０は、水分子の分子程度の大きさの水分凝縮を促進することができる。

また、金属微粒子４３のコロイド溶液に親水性溶液を添加する場合、結露検出装置１０は、金属微粒子４３の周囲への水分子の吸着確率をより高めることができ、より早期の凝縮過程を検知することができる。

図９（ａ）は結露促進部１２の第１変形例を示す図であり、（ｂ）は結露促進部１２の第２変形例を示す図である。なお、図９（ａ）は図２および図４（ａ）に対応する図であり、金属蒸着膜４５が微小球４４のそれぞれの上面を全て覆う場合の一例について示してある。

図９（ａ）に示すように、結露促進部１２の金属微粒子４３は設けなくてもよい。この場合、反射光受光部２２は、周期構造４２の表面プラズモン共鳴の影響を受けた反射光を受光し、反射光の情報に応じた信号を出力する。

また、図９（ｂ）に示すように、結露促進部１２の周期構造４２は設けなくてもよい。この場合、反射光受光部２２は、複数の金属微粒子４３による表面プラズモン共鳴の影響を受けた反射光を受光し、反射光の情報に応じた信号を出力する。

図１０（ａ）は光学系の第１変形例を示す図であり、（ｂ）は光学系の第２変形例を示す図である。また、図１１（ａ）は光学系の第３変形例を示す図であり、（ｂ）は光学系の第４変形例を示す図である。これら光学系の第１変形例から第４変形例は、図９（ｂ）に示した結露促進部１２の第２変形例を用いて実施される。

図１０（ａ）に示すように、太陽電池モジュール１１の裏面部材として用いられる裏面ガラス１６や裏面保護樹脂が透明な材料（透明部材）５１により構成される場合、反射光受光部２２に代えて透過光受光部５２を用いてもよい。この場合、透過光受光部５２は、光源２１が出射した光のうち結露促進部１２を透過した光を透明部材５１を介して受光し、この受光した透過光強度に応じた信号を液体凝縮解析部３２へ与える。この場合、液体凝縮解析部３２は、透過光受光部５２により受光された透過光にもとづいて結露促進部１２の上面の液体の凝縮度合いを解析する。

また、図１０（ｂ）に示すように、太陽電池モジュール１１の裏面部材として用いられる裏面ガラス１６や裏面保護樹脂が透明部材５１である場合、反射光受光部２２と透過光受光部５２とを同時に用いてもよい。この場合、光源２１を出射して結露促進部１２で反射された光はビームスプリッタ５３に導かれて反射光受光部２２へ達する。一方、光源２１を出射して結露促進部１２を透過した光は透明部材５１を介して透過光受光部５２へ達する。この場合、液体凝縮解析部３２は、反射光受光部２２により受光された反射光および透過光受光部５２により受光された透過光にもとづいて、結露促進部１２の上面の液体の凝縮度合いを解析する。

また、図１１（ａ）に示すように、結露促進部１２の上面を裏面ガラス１６側へ向けて配置し（以下、結露促進部１２ａという）、かつ図１と同様の光学系を用いる場合には、反射光受光部２２は結露促進部１２ａの裏面反射光を受光することになる。たとえば、結露促進部１２ａが図９（ｂ）に示す構成を有する場合、光源２１を出射した光は強化白板ガラス１５、接着用樹脂１３および基板４１を介して金属微粒子４３に達する。そして、金属微粒子４３で反射された光は、基板４１、接着用樹脂１３および強化白板ガラス１５を介して反射光受光部２２に達する。

また、図１１（ｂ）に示すように、太陽電池モジュール１１の裏面部材として用いられる裏面ガラス１６や裏面保護樹脂が透明部材５１である場合、結露促進部１２の表面反射と裏面反射とを同時に利用してもよい。この場合、図１に示す光学系に加え、さらに裏面反射用の光源２１および反射光受光部２２を用いる。この場合、液体凝縮解析部３２は、反射光受光部２２により受光された表面反射光および裏面反射光にもとづいて、結露促進部１２の上面の液体の凝縮度合いを解析する。
（第２の実施形態）

図１２は、本発明の第２実施形態に係る水蒸気透過測定装置１０Ａの一例を示す概略的な全体構成図である。

この第２実施形態に示す水蒸気透過測定装置１０Ａは、封止部材がデバイスの一部のみを封止する点で第１実施形態に示す水蒸気透過測定装置１０と異なる。他の構成および作用については図１に示す水蒸気透過測定装置１０と実質的に異ならないため、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。本実施形態では、水分を嫌う電子デバイスとして有機ＥＬデバイス６１を用い、結露促進部１２が有機ＥＬデバイス６１の一部とともに封止される場合の例について説明する。

図１２に示すように、水蒸気透過測定装置１０Ａは、有機ＥＬデバイス６１および結露促進部１２を備える。

有機ＥＬデバイス６１は、基板部材６２上に形成されたデバイスの一部である素子６３と、一面が開放された箱型形状を有し素子６３を囲うように基板部材６２に接合された防湿部材６４とを有する。有機ＥＬデバイス６１の一部としての素子６３は、電極層と有機発光層により構成される。

防湿部材６４は、内部空間を有するように基板部材６２に接合される。結露促進部１２は、この内部空間に素子６３とともに封止される。

本実施形態に係る水蒸気透過測定装置１０Ａによっても、第１実施形態に係る水蒸気透過測定装置１０と同様の作用および効果を奏する。また、結露促進部１２は上部周辺の媒質が気体であるほうがより高感度であるため、水蒸気透過測定装置１０Ａは、封止部材の内部に存在する水分をより高感度に検出することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。

たとえば、第２実施形態に係る水蒸気透過測定装置１０Ａに対して結露促進部１２の第１および第２変形例を適用してもよいし光学系の第１〜第４変形例を適用してもよい。また、デバイスの全部および結露促進部１２を箱状の封止部材の内部空間に配設してもよい。

１０ 水蒸気透過測定装置
１１ 太陽電池モジュール
１２ 結露促進部
１３ 接着用樹脂
１４ 太陽電池デバイス
２１ 光源
２２ 反射光受光部
３２ 液体凝縮解析部
４１ 基板
４２ 周期構造
４３ 金属微粒子
４４ 微小球
４５ 金属蒸着膜
５２ 透過光受光部
６１ 有機ＥＬデバイス
６２ 基板部材
６３ 素子
６４ 防湿部材

Claims (13)

1. 光源と、
   前記光源が照射した光の一部をプラズモン吸収する結露促進部と、
   前記結露促進部による反射光および透過光の少なくとも一方を受光する受光部と、
   前記受光部により受光された前記反射光および前記透過光の少なくとも一方にもとづいて前記結露促進部上の液体の凝縮を解析する液体凝縮解析部と、
   所定の電子デバイスの一部または全部および前記結露促進部を封止した封止部材と、
   を備え、
   前記結露促進部は、
   基板と、
   所定の金属により構成され前記基板の表面に付着した複数の金属微粒子と、
   を有し、前記複数の金属微粒子の表面プラズモン共鳴により前記光源が照射した光の一部をプラズモン吸収し、
   前記受光部は、
   前記封止部材の外部に設けられ、前記封止部材を透過した前記反射光および前記透過光の少なくとも一方を受光する、
   ことを特徴とする水蒸気透過測定装置。
2. 光源と、
   前記光源が照射した光の一部をプラズモン吸収する結露促進部と、
   前記結露促進部による反射光および透過光の少なくとも一方を受光する受光部と、
   前記受光部により受光された前記反射光および前記透過光の少なくとも一方にもとづいて前記結露促進部上の液体の凝縮を解析する液体凝縮解析部と、
   所定の電子デバイスの一部または全部および前記結露促進部を封止した封止部材と、
   を備え、
   前記結露促進部は、
   基板と、
   前記基板の上面に形成され所定の金属に表面の少なくとも一部を覆われた周期構造と、
   前記所定の金属により構成され前記周期構造の周期より小さい直径を有し前記周期構造の表面に付着した複数の金属微粒子と、
   を有し、前記所定の金属の前記周期構造の表面プラズモン共鳴および前記複数の金属微粒子の表面プラズモン共鳴により前記光源が照射した光の一部をプラズモン吸収し、
   前記受光部は、
   前記封止部材の外部に設けられ、前記封止部材を透過した前記反射光および前記透過光の少なくとも一方を受光する、
   ことを特徴とする水蒸気透過測定装置。
3. 前記周期構造は、
   前記基板の上面に複数の微小球が密に周期的に配置された単層膜を形成し、前記単層膜を形成する前記複数の微小球のそれぞれの上面の少なくとも一部を覆うように前記所定の金属を所定の膜厚で物理蒸着する、ことにより形成され、
   前記微小球は、前記光源の光の波長より小さい直径を有し、
   前記封止部材は、
   前記デバイスの全部および前記結露促進部を樹脂で覆って所定の温度で加熱することにより、前記デバイスの全部および前記結露促進部に対して空間を残さないように密着して覆うように形成された、
   請求項２記載の水蒸気透過測定装置。
4. 前記周期構造の表面に付着した前記金属微粒子は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の直径を有する、
   請求項２または３に記載の水蒸気透過測定装置。
5. 前記受光部は、
   前記反射光および前記透過光の少なくとも一方の所定の測定波長における強度に応じた信号を出力し、
   前記液体凝縮解析部は、
   前記反射光および前記透過光の少なくとも一方の前記所定の測定波長における強度にもとづいて前記結露促進部上の液体の凝縮を解析する、
   請求項１ないし４のいずれか１項に記載の水蒸気透過測定装置。
6. 前記受光部は、
   前記反射光および前記透過光の少なくとも一方の強度の波長分布を取得可能に構成され、
   前記液体凝縮解析部は、
   前記結露促進部による前記プラズモン吸収の波長分布の影響を受けた前記反射光および前記透過光の少なくとも一方の強度の波長分布に応じて前記結露促進部上の液体の凝縮を解析する、
   請求項１ないし５のいずれか１項に記載の水蒸気透過測定装置。
7. 前記封止部材は、
   前記デバイスの全部および前記結露促進部のそれぞれに対して空間を残さないように密着して覆うように形成されることにより前記デバイスの全部および前記結露促進部を封止する、
   請求項１ないし６のいずれか１項に記載の水蒸気透過測定装置。
8. 前記封止部材は、
   内部空間を有するように前記デバイスの基板部材に接合され、前記内部空間に前記デバイスの一部および前記結露促進部を封止する、
   請求項１、２、４、５または６に記載の水蒸気透過測定装置。
9. 前記所定の電子デバイスは、太陽電池デバイスまたは有機ＥＬデバイスである、
   請求項１ないし８のいずれか１項に記載の水蒸気透過測定装置。
10. 前記受光部は、
    前記結露促進部による前記反射光を受光する反射光受光部と、
    前記結露促進部による前記透過光を受光する透過光受光部と、
    の少なくとも一方を備えて構成された、
    請求項１ないし９のいずれか１項に記載の水蒸気透過測定装置。
11. 基板と、所定の金属により構成され前記基板の表面に付着した複数の金属微粒子と、を有し、前記複数の金属微粒子の表面プラズモン共鳴により光源が照射した光の一部をプラズモン吸収する結露促進部、を用いた水蒸気透過測定方法であって、
    所定の電子デバイスの一部または全部および前記結露促進部を封止部材で封止するステップと、
    前記封止部材で封止された前記結露促進部に光を照射するステップと、
    前記光の一部が前記結露促進部によりプラズモン吸収されるステップと、
    前記封止部材の外部に設けられた受光部が、前記封止部材を透過した前記結露促進部による反射光および透過光の少なくとも一方を受光するステップと、
    前記反射光および前記透過光の少なくとも一方にもとづいて前記結露促進部上の液体の凝縮を解析するステップと、
    を有することを特徴とする水蒸気透過測定方法。
12. 基板と、前記基板の上面に形成され所定の金属に表面の少なくとも一部を覆われた周期構造と、前記所定の金属により構成され前記周期構造の周期より小さい直径を有し前記周期構造の表面に付着した複数の金属微粒子と、を有し、前記所定の金属の前記周期構造の表面プラズモン共鳴および前記複数の金属微粒子の表面プラズモン共鳴により光源が照射した光の一部をプラズモン吸収する結露促進部、を用いた水蒸気透過測定方法であって、
    所定の電子デバイスの一部または全部および前記結露促進部を封止部材で封止するステップと、
    前記封止部材で封止された前記結露促進部に光を照射するステップと、
    前記光の一部が前記結露促進部によりプラズモン吸収されるステップと、
    前記封止部材の外部に設けられた受光部が、前記封止部材を透過した前記結露促進部による反射光および透過光の少なくとも一方を受光するステップと、
    前記反射光および前記透過光の少なくとも一方にもとづいて前記結露促進部上の液体の凝縮を解析するステップと、
    を有することを特徴とする水蒸気透過測定方法。
13. 前記反射光および前記透過光の少なくとも一方の所定の測定波長における強度に応じた信号を出力するステップ、
    をさらに有し、
    前記液体の凝縮を解析するステップは、
    前記反射光および前記透過光の少なくとも一方の前記所定の測定波長における強度にもとづいて前記結露促進部上の液体の凝縮を解析するステップである、
    請求項１１または１２に記載の水蒸気透過測定方法。