JP5493743B2 - Transparent barrier film - Google Patents
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Description
本発明は、酸素および水蒸気を遮断する透明バリアフィルムに関する。特に食品、日用品、医薬品等の包装分野に用いられる透明バリアフィルム、あるいは非包装分野での酸素および水蒸気を遮断が必要な部材分野に用いられる透明バリアフィルムに関する。 The present invention relates to a transparent barrier film that blocks oxygen and water vapor. In particular, the present invention relates to a transparent barrier film used in the packaging field of foods, daily necessities, pharmaceuticals, etc., or a transparent barrier film used in the field of members that need to block oxygen and water vapor in the non-packaging field.
従来より、食品や日用品、医薬品の包装分野では内容物の変質を防止することが求められてきた。これら内容物の変質は、酸素や水蒸気などのガスが包装材料を透過して内容物と反応してしまうことにより生じる。よって、酸素や水蒸気などのガスを透過させない性質(ガスバリア性)を備えていることが求められており、温度、湿度などに影響されないアルミニウムなどの金属箔やアルミニウム蒸着フィルムが用いられてきた。また、包装用途ではなくとも酸素や水蒸気の進入で耐久性が劣化するようなエレクトロニクス部材等にもガスバリア性が必要とされる。同時に可視光線の透過が求められるときは、金属箔やアルミニウム蒸着フィルムでは対応しきれない問題があった。 Conventionally, in the field of packaging of food, daily necessities and pharmaceuticals, it has been required to prevent the contents from being altered. These alterations of contents occur when a gas such as oxygen or water vapor passes through the packaging material and reacts with the contents. Therefore, it is required to have a property (gas barrier property) that does not allow gas such as oxygen and water vapor to pass therethrough, and metal foils such as aluminum and aluminum vapor deposition films that are not affected by temperature, humidity, and the like have been used. In addition, gas barrier properties are also required for electronic members and the like whose durability deteriorates due to the ingress of oxygen or water vapor, even if they are not used for packaging. At the same time, when visible light transmission was required, there was a problem that metal foil and aluminum vapor deposition film could not cope.
そこで、これらの欠点を克服した包装用材料として、最近では酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化アルミニウム、酸化珪素などの無機酸化物を透明な基材フィルムした蒸着フィルムが上市されている。これらの蒸着フィルムは透明性及び酸素、水蒸気等のガス遮断性を有していることが知られ、金属箔などでは得る事が出来ない透明性、ガスバリア性の両方を有する包装材料として好適とされている。金属酸化物蒸着フィルムの中で、酸化珪素蒸着フィルムは、ガスバリア性が優れている。 Therefore, recently, as a packaging material that overcomes these drawbacks, a vapor deposition film on the basis of a transparent base film of an inorganic oxide such as magnesium oxide, calcium oxide, aluminum oxide, or silicon oxide has been put on the market. These vapor-deposited films are known to have transparency and gas barrier properties such as oxygen and water vapor, and are suitable as packaging materials having both transparency and gas barrier properties that cannot be obtained with metal foil or the like. ing. Among metal oxide vapor deposited films, silicon oxide vapor deposited films have excellent gas barrier properties.
特許文献1では、アルミ酸化物蒸着膜、珪素酸化物蒸着膜の積層構成などバリア性酸化物蒸着膜の組成が異なるものを逐次積層することでカール性を抑制することが記載されているが、内部応力増加によるクラックが起こりバリア性向上には限界がある。
In
本発明の目的は、高いバリア性を有するとともに、クラックの発生も抑制可能な透明バリアフィルムの提供にある。 An object of the present invention is to provide a transparent barrier film having high barrier properties and capable of suppressing the occurrence of cracks.
請求項1に記載の発明は、透明基材の少なくとも片面に、少なくとも1層のバリア性薄膜を積層してなる透明バリアフィルムにおいて、
前記バリア性薄膜が、酸化反応性ガスを導入しながら行なう真空成膜により形成され、かつ前記バリア性薄膜のクラック発生開始歪量[%]が、2.5%以上3.3%以下であり、
前記酸化反応性ガスが、酸素ガスまたは二酸化炭素ガスからなり、
前記バリア性薄膜が、酸化珪素膜であり、
前記真空成膜の条件は、酸素ガスまたは二酸化炭素ガスの導入量が30sccm以上1000sccm以下であり、かつ成膜圧力が1.0×10 −2 Pa以上8.0×10 −2 Pa以下である
ことを特徴とする透明バリアフィルムである。
The invention according to
The barrier thin film is formed by vacuum film formation while introducing an oxidation reactive gas, and the crack initiation start strain amount [%] of the barrier thin film is 2.5% or more and 3.3% or less. The
The oxidation reactive gas is composed of oxygen gas or carbon dioxide gas,
The barrier thin film is a silicon oxide film;
The conditions for the vacuum film formation are that the introduction amount of oxygen gas or carbon dioxide gas is 30 sccm or more and 1000 sccm or less, and the film formation pressure is 1.0 × 10 −2 Pa or more and 8.0 × 10 −2 Pa or less. A transparent barrier film characterized by the above.
本発明では、透明基材上にバリア性薄膜を真空成膜するに際し、酸化反応性ガスを導入し、酸化反応を促進させているので、高いバリア性を有するとともに、クラックの発生も抑制可能な透明バリアフィルムが提供される。 In the present invention, when the barrier thin film is vacuum-deposited on the transparent substrate, an oxidation reactive gas is introduced to promote the oxidation reaction, so that it has high barrier properties and can suppress the occurrence of cracks. A transparent barrier film is provided.
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
図1は、本発明の透明バリアフィルムの一例の断面図である。本発明の透明バリアフィルム10は、透明基材102の少なくとも片面に、少なくとも1層のバリア性薄膜104を積層してなり、バリア性薄膜104が、酸化反応性ガスを導入しながら行なう真空成膜により形成され、かつバリア性薄膜104のクラック発生開始歪量[%]が、2.5%以上3.3%以下であることを特徴とする。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
FIG. 1 is a cross-sectional view of an example of the transparent barrier film of the present invention. The
バリア性薄膜104は、真空成膜によって形成することがバリア性能や均一性の観点から好ましい。成膜手段は、真空蒸着法、スパッタリング法、化学的気相成長法(CVD法)などの公知の方法が挙げられるが、成膜速度が速く生産性が高いことから真空蒸着法が好ましい。その真空蒸着法の中でも特に電子ビーム加熱方式は成膜速度が照射面積や電子ビーム電流などで制御し易いことや材料への昇温降温が短時間で行える点で有効である。バリア性薄膜104を形成する材料は各種選択できるが、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化珪素などの酸化化合物が挙げられる。これらの各種材料を用いて形成したバリア性薄膜104は、可視光領域の透過率が高く、酸素や水蒸気の透過を防ぐ性質があるため透明バリアフィルムを形成する上で好ましい。特に、酸化珪素薄膜は他の酸化化合物に比べてバリア性が高いことと水分に対する耐性が高いため好ましい。薄膜の膜厚は用途によって選ぶことができるが、内部応力を含んだ膜は透明基材102をカールすることがある。そのカールの大きさは、透明基材102の厚さによって異なるが、同じ内部応力を含む膜を仮定した場合に6μmや12μmといった薄い透明基材102ではカールが大きくなり、100μm以上の厚さの透明基材102はカールが小さくなる傾向がある。
The barrier
カールが大きいとハンドリングの点で煩雑になる欠点があるが、一般的に透明バリアフィルムを単体で用いることは少なく他のフィルム等に貼り合わせて使用することが多いため、接着などで問題が生じなければ用いることができる。しかし、クラックが発生する可能性も高くなると考えられる。クラックが生じるとバリア性の低下が起こるため問題となる。 A large curl has the disadvantage of being complicated in terms of handling, but generally a transparent barrier film is rarely used as a single unit and is often used by bonding it to other films, etc., which causes problems such as adhesion. If not, it can be used. However, it is considered that there is a high possibility that cracks will occur. When cracks occur, the barrier property is lowered, which is a problem.
透明基材102は、特に限定されるものではなく公知のものを使用することができる。例えばポリオレフィン系(ポリエチレン、ポリプロピレン等)、ポリエステル系(ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等)、ポリアミド系(ナイロン−6、ナイロン−66等)、ポリスチレン、エチレンビニルアルコール、ポリ塩化ビニル、ポリイミド、ポリビニルアルコール、ポリカーボネイト、ポリエーテルスルホン、アクリル、セルロース系(トリアセチルセルロース、ジアセチルセルロース等)などの樹脂フィルムが挙げられるが特に限定されない。実際的には、用途や要求物性により適宜選定をすることが望ましく、限定をする例ではないが医療用品、薬品、食品等の包装には、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ナイロンなどがコスト的に用いやすく、電子部材、光学部材等の極端に水分を嫌う内容物を保護する包装には、ポリエチレンナフタレート、ポリイミド類、ポリエーテルスルホンなどのそれ自体も高いガスバリア性を有する基材を用いることが望ましい。また、透明基材102の厚さは限定するものではないが、用途に応じて、6μmから200μm程度が使用しやすい。
The
真空成膜によってバリア性薄膜104を作製する際には、酸化反応性ガスを導入することが好ましい。好適な酸化反応性ガスとしては、酸素ガス、水蒸気ガスおよび二酸化炭素ガスから選択された少なくとも1種が挙げられる。酸化反応性ガスとして酸素、水蒸気ガス、二酸化炭素を導入することで、膜応力が変化して弾性率を低くすることができる。なお、酸素、水蒸気ガス、二酸化炭素は単独で用いても、複数組み合わせて用いてもよい。
When producing the barrier
酸素、水蒸気ガス、二酸化炭素を導入する場合、これらの導入手段は、例えば酸化珪素の蒸着粒子が透明基材102へ付着する軌跡上に設置することがより好ましい。ガス導入方法は、パイプ方式やシャワーヘッド方式などの公知の方法を用いることができる。
In the case of introducing oxygen, water vapor gas, and carbon dioxide, it is more preferable that these introducing means be installed on a locus where, for example, vapor deposition particles of silicon oxide adhere to the
酸素、水蒸気ガス、二酸化炭素を導入する場合の流量および成膜圧力は、それぞれ、30sccm以上1000sccm以下、1.0×10−2Pa以上8.0×10−2Pa以下であることが好ましい。酸素、水蒸気ガス、二酸化炭素を導入する場合の流量および圧力を上記範囲にして成膜することで、高温多湿環境下でフィルムが膨張してバリア性薄膜104に歪がかかったとしても、クラックが発生せず、バリアを維持できる透明バリアフィルムを得ることができる。
When oxygen, water vapor gas, and carbon dioxide are introduced, the flow rate and the film forming pressure are preferably 30 sccm or more and 1000 sccm or less, and 1.0 × 10 −2 Pa or more and 8.0 × 10 −2 Pa or less, respectively. Even if the film expands in a high-temperature and high-humidity environment and the barrier
本発明でいうクラック発生開始歪量[%]は、次のようにして測定される。
まず、図2に示すように、引張試験機1を準備する。引張試験機1は、基台2上に固定されたステージ3と、基台2上で水平方向に移動可能なステージ4とを有する。本発明の透明バリアフィルム10の一方の端部を、引張試験機1のステージ3に固定する。また、本発明の透明バリアフィルム10の他方の端部を、引張試験機1のステージ4に固定する。なお、透明基材102の厚さは12μm、バリア性薄膜104の厚さは25nmに設定するのが好ましい。次に、ステージ4を基台2上で水平方向に下記の歪量が毎秒0.01%となる速度で移動させ、本発明の透明バリアフィルム10に引張力を印加する。バリア性薄膜104の上方に設置された顕微鏡観察手段5により、バリア性薄膜104の状態を100倍の倍率にて観察する。ステージ4による引張方向に対して垂直方向にクラック破壊が観察された時点で測定を終了する。測定終了時における、透明バリアフィルム10の歪量、すなわち{(透明バリアフィルム10の引張後の長さ−透明バリアフィルム10の測定前の長さ)/透明バリアフィルム10の測定前の長さ} × 100 (%)を、本発明でいうクラック発生開始歪量[%]とする。
The crack initiation strain amount [%] in the present invention is measured as follows.
First, as shown in FIG. 2, a
クラック発生の要因としては、透明バリアフィルム10の伸縮によるものが考えられる。これは、高温多湿や高温乾燥雰囲気になるとバリア性薄膜104に大きな歪が加わることで薄膜にクラックが発生する。また、透明基材102とバリア性薄膜104の密着を上げるためにコーティングするアンカーコート層や、バリア性薄膜104の保護のためにコーティングするオーバーコート層を積層することでもクラックが発生する原因と考えられる。特にコーティングの場合は、いわゆるウェットコーティングで各種溶剤を高温のオーブンにて揮発させるためにフィルムの縮みとコート層の応力が同時に加わるため歪量は多くなると考えられる。
As a cause of the occurrence of cracks, it can be considered that the
特に、バリア性薄膜とコート層を繰返し積層すると高いバリア性が得られる半面クラックが発生しやすくなるため、バリア性能が頭打ちもしくは悪くなる傾向がある。このため、クラックの発生を抑制することが重要である。 In particular, repeated lamination of a barrier thin film and a coating layer tends to generate half-surface cracks that can provide high barrier properties, and thus barrier performance tends to peak or deteriorate. For this reason, it is important to suppress the occurrence of cracks.
透明バリアフィルムのクラック発生開始歪量[%]は、2.5%以上3.3%以下であることが好ましい。クラック発生開始歪量[%]が3.3%より大きい場合、SiOxのxが2以上となるような過剰酸化状態となる。そうなるとバリア性がまったく発現せず、好ましくない。一方、クラック発生開始歪量[%]が2.5%より小さい場合、クラック耐性が弱く高温多湿環境下でフィルムが膨張してバリア性薄膜に歪がかかった場合にクラックが発生しバリア性が劣化するため、好ましくない。 The crack initiation strain amount [%] of the transparent barrier film is preferably 2.5% or more and 3.3% or less. When the crack initiation strain amount [%] is larger than 3.3%, an excessive oxidation state in which x of SiOx is 2 or more is obtained. In such a case, the barrier property does not appear at all, which is not preferable. On the other hand, when the crack initiation strain [%] is less than 2.5%, the crack resistance is weak and the film expands in a high-temperature and high-humidity environment and the barrier thin film is distorted. Since it deteriorates, it is not preferable.
以下、本発明を実施例および比較例によりさらに説明するが、本発明は下記例に制限されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example further demonstrate this invention, this invention is not restrict | limited to the following example.
巻取り式の真空蒸着装置内にPET(ポリエチレンテレフタレート、東レ社製P60)の12μm厚のフィルムを用いて、電子銃の加速電圧を40kV、ビーム電流を0.25Aとして酸化珪素材料(SiO、大阪チタニウムテクノロジーズ社製)を加熱し、酸素750sccmの流量を圧力4.5×10−2(Pa)で導入した。蒸発が始まった時点でシャッターを開け、酸化珪素膜が25nmとなるように成膜速度を調整した。 Using a 12 μm thick film of PET (polyethylene terephthalate, P60 manufactured by Toray Industries, Inc.) in a wind-up type vacuum deposition apparatus, the acceleration voltage of the electron gun is 40 kV, the beam current is 0.25 A, and silicon oxide material (SiO, Osaka Titanium Technologies) was heated, and a flow rate of oxygen 750 sccm was introduced at a pressure of 4.5 × 10 −2 (Pa). When evaporation started, the shutter was opened and the deposition rate was adjusted so that the silicon oxide film was 25 nm.
実施例1と同様の条件で、酸素ではなく水蒸気60sccmの流量を圧力2.0×10 −2 (Pa)で導入し膜厚も25nmとなるように成膜速度を調整した。なお、本実施例2は参考例である。 Under the same conditions as in Example 1, a flow rate of 60 sccm of water vapor instead of oxygen was introduced at a pressure of 2.0 × 10 −2 (Pa), and the film formation rate was adjusted so that the film thickness was 25 nm. The second embodiment is a reference example.
実施例1と同様の条件で、酸素ではなく二酸化炭素500sccmの流量を圧力7.7×10−2(Pa)で導入し膜厚も25nmとなるように成膜速度を調整した。 Under the same conditions as in Example 1, a flow rate of 500 sccm of carbon dioxide instead of oxygen was introduced at a pressure of 7.7 × 10 −2 (Pa), and the film formation rate was adjusted so that the film thickness was 25 nm.
[比較例1]
実施例1と同様の条件で、酸素の流量を0sccmとして膜厚が25nmとなるように成膜速度を調整した。
[Comparative Example 1]
Under the same conditions as in Example 1, the deposition rate was adjusted so that the flow rate of oxygen was 0 sccm and the film thickness was 25 nm.
[比較例2]
実施例1と同様の条件で、酸素の流量を1200sccm、圧力8.5×10−2(Pa)として膜厚が25nmとなるように成膜速度を調整した。
[比較例3]
実施例1と同様の条件で、水蒸気の流量を500sccm、圧力を6.0×10−2(Pa)として膜厚が25nmとなるように成膜速度を調整した。
[Comparative Example 2]
Under the same conditions as in Example 1, the flow rate of oxygen was 1200 sccm, the pressure was 8.5 × 10 −2 (Pa), and the deposition rate was adjusted so that the film thickness was 25 nm.
[Comparative Example 3]
Under the same conditions as in Example 1, the flow rate of water vapor was 500 sccm, the pressure was 6.0 × 10 −2 (Pa), and the film formation rate was adjusted so that the film thickness was 25 nm.
成膜後のフィルム評価方法
(1)クラック発生開始歪量・・・得られた透明バリアフィルムを幅5mm、長さ35mmにカットし、引張試験機1に25mm長となるように設置した。このフィルムはステージ4によりフィルムを引張ることで歪量を与えた。毎秒0.01%の歪量を与えて、光学顕微鏡での倍率100倍観察によりクラック発生時の歪量[%]を得た。なお、透明バリアフィルムのバリア性薄膜の観察の結果、ステージ4による引張方向に対して垂直方向にクラック破壊が観察された時点で測定を終了した。
(2)水蒸気透過率・・・モダンコントロール社製(MOCON PERMATRAN W3/33)を用いて、40℃−90%RH雰囲気下で測定した。
(3)外観・・・目視による色味確認で透明性判断
以上(1)〜(3)を総合判断とし、評価した。結果を表1に示す。
Film evaluation method after film formation (1) Crack generation start strain amount: The obtained transparent barrier film was cut into a width of 5 mm and a length of 35 mm, and installed in the
(2) Water vapor transmission rate: Measured in a 40 ° C.-90% RH atmosphere using a modern control (MOCON PERMATRAN W3 / 33).
(3) Appearance: Transparency judgment by visual color check The above (1) to (3) were evaluated as comprehensive judgments. The results are shown in Table 1.
実施例1〜3ではクラック発生開始歪量が2.5〜3.3[%]であり、バリア性も良好であった。比較例1では、バリア性は良いがクラック発生開始歪量が低く、黄色に着色しているため積層した際に、色味強くなり透明バリアフィルムとしては難がある。比較例2,3ではクラック発生開始歪量が3.3[%]以上となり、バリア性能が悪くなっている。これは、酸化が進みすぎて、余剰酸素が膜内に取り込まれたためバリア性能が悪くなっていると考えられる。
以上より総合判断では実施例1〜3が透明バリアフィルムとして適していると考えられる。
In Examples 1 to 3, the crack initiation strain was 2.5 to 3.3 [%], and the barrier property was also good. In Comparative Example 1, although the barrier property is good, the crack initiation strain is low, and since it is colored yellow, when it is laminated, the color becomes strong and there is a difficulty as a transparent barrier film. In Comparative Examples 2 and 3, the crack initiation strain amount is 3.3 [%] or more, and the barrier performance is deteriorated. This is considered to be because the barrier performance is deteriorated because the oxidation proceeds excessively and excess oxygen is taken into the film.
From the above, it is considered that Examples 1 to 3 are suitable as transparent barrier films in comprehensive judgment.
本発明の透明バリアフィルムは、高温多湿環境下でフィルムが膨張してバリア性薄膜に歪がかかったとしても、クラックが発生せずバリア性を維持できる。高耐久性が求られる防湿用途の利用が期待できる。 The transparent barrier film of the present invention can maintain the barrier property without cracking even if the film expands in a high temperature and high humidity environment and the barrier thin film is distorted. It can be expected to be used in moisture-proof applications that require high durability.
1・・・引張試験機
2・・・基台
3,4・・・ステージ
5・・・顕微鏡観察手段
10・・・透明バリアフィルム
102・・・透明基材
104・・・バリア性薄膜
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記バリア性薄膜が、酸化反応性ガスを導入しながら行なう真空成膜により形成され、かつ前記バリア性薄膜のクラック発生開始歪量[%]が、2.5%以上3.3%以下であり、
前記酸化反応性ガスが、酸素ガスまたは二酸化炭素ガスからなり、
前記バリア性薄膜が、酸化珪素膜であり、
前記真空成膜の条件は、酸素ガスまたは二酸化炭素ガスの導入量が30sccm以上1000sccm以下であり、かつ成膜圧力が1.0×10 −2 Pa以上8.0×10 −2 Pa以下である
ことを特徴とする透明バリアフィルム。 In a transparent barrier film formed by laminating at least one barrier thin film on at least one side of a transparent substrate,
The barrier thin film is formed by vacuum film formation while introducing an oxidation reactive gas, and the crack initiation start strain amount [%] of the barrier thin film is 2.5% or more and 3.3% or less. The
The oxidation reactive gas is composed of oxygen gas or carbon dioxide gas,
The barrier thin film is a silicon oxide film;
The conditions for the vacuum film formation are that the introduction amount of oxygen gas or carbon dioxide gas is 30 sccm or more and 1000 sccm or less, and the film formation pressure is 1.0 × 10 −2 Pa or more and 8.0 × 10 −2 Pa or less. <br/> A transparent barrier film characterized by the above.
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