JP5770122B2 - 機能性フィルムの製造方法 - Google Patents
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- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
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- C23C16/54—Apparatus specially adapted for continuous coating
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C08J2367/02—Polyesters derived from dicarboxylic acids and dihydroxy compounds
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K50/00—Organic light-emitting devices
- H10K50/80—Constructional details
- H10K50/84—Passivation; Containers; Encapsulations
- H10K50/844—Encapsulations
Description
ガスバリアフィルムは、一般的に、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム等のプラスチックフィルムを基板(支持体)として、その上に、ガスバリア性を発現する膜を成膜してなる構成を有する。
さらに、有機層と無機層との積層構造を、複数、有することにより、より高いガスバリア性が得られることも、知られている。
また、特許文献2には、大気圧中で形成された第1有機層および真空中で形成された第2有機層とからなる有機層と、この有機層の上に形成される無機層とを有するガスバリアフィルムが記載されている。
このような凹凸や異物を有する基板では、これらの凹凸に起因して、無機層が被覆できない部分、いわば『影』となる部分が存在する。基板上の、無機膜によって被覆できなかった領域は、無機孔(欠陥)となって、水分が通過可能になってしまう。
言い換えると、有機/無機積層形のガスバリアフィルムでは、無機層の下層となる有機層が、種々の凹凸をいかに無くせるかによって、性能が大きく左右される。
また、特許文献1においては、この被覆性の観点から、有機層が、珪素原子もしはフッ素原子を含有する化合物を含んでいる。有機層が、このような化合物(例えば、界面活性剤)含むことにより、有機層形成時に、有機層となる塗料の表面張力を下げて、無機層の形成面となる有機層の表面平滑性を向上している。
中でも、高いガスバリア性を得ることができ、かつ、プラズマCVDによる成膜が可能で、良好な生産性を得られる無機層として、窒化珪素層が知られている。
ここで、本発明者の検討によれば、有機層の上に窒化珪素層を形成してなるガスバリアフィルムは、1×10-3[g/(m2・day)]程度の水蒸気透過率までは、安定して目的とするガスバリア性を得ることができる。しかしながら、これ以上の高いガスバリア性を目的として、ガスバリアフィルムを作製すると、製造方法や有機層の組成等によっては、目的とするガスバリア性が得られない場合が、多々、生じる。
また、厚さが0.5〜5μmとなるように、前記有機層を形成するのが好ましい。
また、前記塗料を5〜50cc/m2塗布して、前記有機層を形成するのが好ましい。
また、長尺な前記基板をロール状に巻回してなる基板ロールから、前記基板を引き出して、この引き出した基板を長手方向に搬送しつつ、前記基板への塗料の塗布、乾燥、および、有機化合物の硬化を行って有機層を形成し、この有機層を形成した基板を、再度、ロール状に巻回して基板/有機層ロールとし、前記基板/有機層ロールから有機層を形成された基板を引き出して、この基板を長手方向に搬送しつつ、前記窒化珪素層の形成を行い、この窒化珪素層を形成した基板を、再度、ロール状に巻回するのが好ましい。
また、前記有機層が、3官能以上の(メタ)アクリレート系の有機化合物を架橋してなる層であるのが好ましい。
さらに、前記界面活性剤が、珪素系の界面活性剤であるのが好ましい。
また、前記有機層の厚さが0.5〜5μmであるのが好ましい。
さらに、前記有機層が、3官能以上の(メタ)アクリレート系の有機化合物を架橋してなる層であるのが好ましい。
図1(A)に示すガスバリアフィルム10aは、基本的に、後述するプラスチックフィルム等の支持体Zを基板として、支持体Zの上(表面)に有機層12を有し、この有機層12の上に、窒化珪素層14を有する。また、ガスバリアフィルム10aにおいて、有機層12と窒化珪素層14との間には、有機層12の成分と窒化珪素(窒化珪素層14の成分)とが混合された混合物からなる混合層16を有する。
後に詳述するが、窒化珪素層14の下層となる有機層12および混合層16は、ハロゲン(ハロゲン原子(元素)を含む化合物)を含まない層(ハロゲンフリーの層)である。
一例として、図1(B)に示すガスバリアフィルム10bのように、窒化珪素層14の上(最上層)に、好ましい態様として、主に窒化珪素層14を保護するための保護有機層12aを有する構成であってもよい。
より高いガスバリア性能が得られる構成として、図1(C)に示すガスバリアフィルム10cのように、有機層12、窒化珪素層14および両層の間の混合層16との組み合わせを、複数(図1(C)に示す例では2つ)、有する構成も、利用可能である。また、図1(C)に示す例では、好ましい態様として、図1(B)に示す例と同様に、主に窒化珪素層14を保護するための保護有機層12aを、最上層に有する。
すなわち、本発明において、ハロゲンを含有しない有機層12は、窒化珪素層14の下層となる有機層12である。言い換えれば、本発明において、ハロゲンを含有しない有機層12は、窒化珪素層14と共に混合層16を挟む有機層12である。
すなわち、本発明の製造方法は、一例として、プラスチックフィルム等の支持体Zを基板として、この上に、有機層12および窒化珪素層14を形成して、図1(A)に示すような、有機層12、窒化珪素層14および混合層16を有する本発明のガスバリアフィルム10a(機能性フィルム)を製造する。
また、別の例として、本発明の製造方法は、支持体Zの上に、有機層12、窒化珪素層14および混合層16の組み合わせが、1以上、形成された物を基板として、本発明の製造方法を実施して、図1(C)に示すガスバリアフィルム10cのように、有機層12、窒化珪素層14および混合層16の組み合わせを、複数、有する、ガスバリアフィルムを製造してもよい。すなわち、本発明の製造方法は、本発明の機能性フィルムを基板として、本発明の機能性フィルムを製造してもよい。
すなわち、本発明は、光学フィルタや光反射防止フィルムなどの各種の光学フィルム等、公知の機能性フィルムに、各種、利用可能である。しかしながら、後述するが、本発明によれば、極微細なピンホールが無い、全面的に着膜した窒化珪素層14を形成することができる。そのため、本発明は、窒化珪素層14の空隙による性能劣化が大きい、ガスバリアフィルムには、好適に利用される。
好ましくは、後述するロール・ツー・ロールでの有機層12および窒化珪素層14の形成が可能なように、長尺なシート状の支持体Z(ウエブ状の支持体Z)が利用される。
また、本発明においては、このようなプラスチックフィルムの表面に、保護層、接着層、光反射層、反射防止層、遮光層、平坦化層、緩衝層、応力緩和層等の、各種の機能を得るための層(膜)が形成されているものを、支持体Z(基板)として用いてもよい。
有機層12は、有機化合物からなる層(有機化合物を主成分とする層(膜))で、基本的に、モノマーおよび/またはオリゴマーを、架橋(重合)したものである。この有機層12は、後述する、ガスバリア性等の目的とする機能を発現する窒化珪素層14を適正に形成するための、下地層として機能する。
後に詳述するが、本発明の製造方法において、有機層12は、通常、有機層12となる有機化合物を含む塗料を調製して、この塗料を塗布、乾燥した後、架橋することによって形成する。
また、塗料は、通常、有機溶剤と、架橋して有機層12となる有機化合物と、塗料による支持体表面(基板表面)の被覆性や、支持体Zの表面の凹凸や付着した異物の包埋性を向上する界面活性剤等とを、混合/溶解(分散)して調製される。
従って、本発明においては、ハロゲンを含有しない有機化合物や、例えば珪素系の界面活性剤などのハロゲンを含有しない界面活性剤を用いて、有機層12を形成する塗料を調製する。この点に関しては、後に詳述する。
有機層12の厚さを0.5μm以上とすることにより、支持体Zの表面の凹凸や、支持体Zの表面に付着した異物を好適に包埋して、有機層12の表面すなわち窒化珪素層14の形成面を平坦化し、窒化珪素層14が形成(着膜)し難い前述の『影』の部分を、好適に無くすことができる。
また、有機層12の厚さを5μm以下とすることにより、有機層12が厚すぎることに起因する、有機層12のクラックや、ガスバリアフィルム10aのカール等の問題の発生を、好適に抑制することができる。
なお、図1(B)や図1(C)に示す例のように、複数の有機層12(保護有機層12aを含む)を有する場合には、各有機層12の厚さは、同じでも異なってもよい。
この際に、有機層がハロゲンを含んでいると、プラズマCVDで窒化珪素層を形成する際に、プラズマによる有機層のエッチングによって、有機層中のハロゲンが放出される。このハロゲンは、プラズマ内(成膜系内)において、成膜ガス(シラン)が分解して生成された珪素と結合してしまう。その結果、窒化珪素の形成および着膜が阻害され、窒化珪素層に、極微細なピンホールが、多数、形成されてしまう。
このピンホールは、有機層がハロゲンを含んでいる場合には、有機層が厚くなるほど、有機層からのハロゲンの放出量が多くなり、発生し易くなる。
すなわち、本発明においては、この窒化珪素層14におけるピンホールの形成を考慮することなく、有機層12を十分に厚くして、有機層12を有することによる表面平坦化や、異物の包埋効果等を十二分に得ることができる。
以上の点を考慮すると、本発明において、有機層12の厚さは、前述のように0.5〜5μmとするのが好ましく、1〜3μmとするのがより好ましく、特に、1.5〜2.5μmとするのが好ましい。
具体的には、ポリエステル、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、メタクリル酸−マレイン酸共重合体、ポリスチレン、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、セルロースアシレート、ポリウレタン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリカーボネート、脂環式ポリオレフィン、ポリアリレート、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、フルオレン環変性ポリカーボネート、脂環変性ポリカーボネート、フルオレン環変性ポリエステル、アクリロイル化合物、などの熱可塑性樹脂、あるいはポリシロキサン、その他の有機珪素化合物の膜が好適に例示される。
中でも特に、高Tgや強度に加え、屈折率が低い、光学特性に優れる等の点で、アクリレートおよび/またはメタクリレートのモノマーやオリゴマーの重合体を主成分とするアクリル樹脂やメタクリル樹脂は、有機層12として好適に例示される。
その中でも特に、Tgが高く、窒化珪素層14形成時の耐エッチング性に優れる等の点で、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート(TMPTA)、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート(DPHA)などの、3官能以上のアクリレートおよび/またはメタクリレートのモノマーやオリゴマーの重合体を主成分とするアクリル樹脂やメタクリル樹脂は、好適に例示される。
当然の事であるが、混合層16は、窒化珪素層14のようなガスバリア性は有さない。従って、混合層16が厚い程、実質的に、窒化珪素層14の厚さが薄くなってしまう。加えて、前述のように、混合層16の形成原因となる有機層12のエッチングによって、窒化珪素層14極微細なピンホールが生成される。
これに対し、3官能以上の(メタ)アクリレートからなる(メタ)アクリル樹脂は、Tgが高く、かつ、強度も高いので、プラズマによるエッチングを抑制できる等の点で、好適に利用される。
ここで、有機層12における界面活性剤の含有量には限定は無いが、0.01〜10重量%が好ましい。すなわち、後述する本発明の製造方法では、有機溶剤を除いた濃度で、0.01〜10重量%となる界面活性剤を含有する塗料を用いて、有機層12を形成するのが好ましい。
また、使用する界面活性剤は、珪素系の界面活性剤など、ハロゲンを含有しない界面活性剤である。
以上の点に関しては、後に詳述する。
ガスバリアフィルム10aにおいて、窒化珪素層14は、目的とするガスバリア性を、主に発現するものである。すなわち、本発明の機能性フィルムにおいて、窒化珪素層14は、ガスバリア性など、目的とする機能を主に発現するものである。
窒化珪素層14の厚さを15nm以上とすることにより、十分なガスバリア性能(目的性能)を安定して発現する窒化珪素層14が形成できる。また、窒化珪素層14は、一般的に脆く、厚過ぎると、割れやヒビ、剥がれ等を生じる可能性が有るが、窒化珪素層14の厚さを200nm以下とすることにより、割れが発生することを防止できる。
また、このような点を考慮すると、窒化珪素層14の厚さは、15〜100nmにするのが好ましく、特に、20〜75nmとするのが好ましい。
後に詳述するが、本発明の製造方法においては、有機層12を形成したら、プラズマCVDによって、窒化珪素層14を形成する。ここで、有機層12の表面に、プラズマCVDによって窒化珪素層14の形成を行うと、CVDのプラズマによって有機層12がエッチングされてしまい、窒化珪素の着膜と共に、有機層12の形成材料と窒化珪素とが混合された、混合層16が不可避的に形成されてしまう。
混合層16における有機材料の量は、窒化珪素層14の形成(窒化珪素の着膜)が進行するにしたがって低減して、最終的には、有機材料が混在しない、純粋な窒化珪素層14が形成される。
従って、混合層16の厚さは、有機層12の形成材料や、窒化珪素層14の形成条件によって影響されるが、本発明者の検討によれば、一般的に、数nm程度であり、通常は、多くても10nm以下である。
従って、本発明のガスバリアフィルム10a(機能性フィルム)は、混合層16も、ハロゲンを含有しない(ハロゲンフリーである)。
この製造装置は、有機層12を形成する有機成膜装置30と、窒化珪素層14を形成する無機成膜装置32とを有する。なお、図2において、(A)は、有機成膜装置30であり、(B)は、無機成膜装置32である。
このようなRtoRは、高い生産性で、効率の良いガスバリアフィルム10a(機能性フィルム)の製造が可能である。
しかしながら、本発明においては、より発明の効果が大きく得られる等の点で、RtoRによって、ガスバリアフィルム10a等を製造するのが好ましい。この点については、後に詳述する。
なお、カットシート状の支持体Zを用いた場合でも、有機層12および窒化珪素層14、ならびに、最上層の有機層である保護有機層12aの形成方法は、基本的に、以下に説明するRtoRによる製造方法と、同様である。
有機成膜装置30は、一例として、塗布手段36と、乾燥手段38と、光照射手段40と、回転軸42と、巻取り軸46と、搬送ローラ対48および50とを有する。
なお、有機成膜装置30は、図示した部材以外にも、搬送ローラ対、支持体Zoのガイド部材、各種のセンサなど、長尺な被成膜材料を搬送しつつ塗布による成膜を行なう公知の装置に設けられる各種の部材を有してもよい。
回転軸42に支持体ロールZRが装填されると、支持体Zは、支持体ロールZRから引き出され、搬送ローラ対48を経て、塗布手段36、乾燥手段38および光照射手段40の下部を通過して、搬送ローラ対50を経て、巻取り軸46に至る、所定の搬送経路を通される(通紙される)。
この塗料は、架橋して重合することによって有機層12となる有機化合物(モノマー/オリゴマー)と、有機溶剤と、界面活性剤(表面調整剤)とを有する。また、この塗料には、必要に応じて、シランカップリング剤や重合開始剤(架橋剤)等、有機層12を形成する際に用いられる各種の添加剤が、適宜、添加される。
従って、有機層12となる塗料に添加される成分は、有機溶剤のように、乾燥や架橋によって除去される成分を除いて、ハロゲンを含有しない物質(ハロゲン原子を含有する化合物を含まない物質)が利用される。すなわち、有機層12となる有機化合物は、例えば前述のTMPTAやDPHAなどの、ハロゲン原子を含有しない有機化合物が用いられる。また、界面活性剤としては、例えば珪素系(シリコン系)の界面活性剤などの、ハロゲン原子を含有しない化合物からなる界面活性剤が用いられる。
なお、プラズマCVDによって窒化珪素層14を形成する際の珪素源としては、通常、シランが用いられる。すなわち、窒化珪素層14は、通常、珪素源としてのシランガスを含む成膜ガスを用いるプラズマCVDで、形成される。
この有機/無機積層型のガスバリアフィルムにおいて、基板表面に形成される有機層は、基板の凹凸や、基板表面に付着した異物や滑剤等を埋没して、無機層の形成面を平坦化するために設けられている。
高い生産性が得られ、しかも、高密度な膜が形成(成膜)できることから、窒化珪素層14の形成は、プラズマCVDが利用されている。
しかしながら、これ以上の高いガスバリア性を目的として、ガスバリアフィルムを作製すると、目的とするガスバリア性が得られない場合が、多々、生じる。
本発明者は、この原因について鋭意検討した結果、有機層に含まれる成分が重要であることを見出した。
ここで、ハロゲンを含有する有機層の表面に、プラズマCVDにて窒化珪素層を形成すると、エッチングされた有機層のハロゲンがプラズマ中に放出される。プラズマ中に放出されたハロゲンは、プラズマによる成膜ガス(シラン)の分解で生成された珪素と結合して、塩化珪素やフッ化珪素などのハロゲン化珪素を生成する。ハロゲンは、珪素より活性が高い。そのため、この珪素とハロゲンとの結合は、窒化珪素の生成(珪素と窒素との結合)を阻害する。その結果、有機層中のハロゲンが存在した位置には、窒化珪素が着膜せず、この部分に、nmオーダの極微細なピンホールが形成されてしまう。
このように、有機層がハロゲンを含有すると、プラズマCVDで形成した窒化珪素膜に、多数の微細なピンホールが形成されてしまう。
異物等を含んで支持体Z(基板)の表面全面を有機層で覆うためには、有機層となる塗料の表面張力を低くして、塗料による被覆性や、凹凸や異物の包埋性を向上する必要が有る。そのために、有機層を形成する塗料には、界面活性剤を添加するのが好ましい。
なお、この塗膜表面における界面活性剤の凝集部は、周辺との表面張力の差によって凹状になる。この界面活性剤の凝集部は、AFM(原子間力顕微鏡)で観察できる。
このような塗膜を硬化(有機化合物を架橋)すると、この界面活性剤の濃度勾配を保ったまま、有機層が形成される。
その結果、形成された窒化珪素層には、塗膜表面で界面活性剤が凝集していた位置を中心に、表面に向かって拡径する、逆円錐状の微細なピンホールが、多数、形成されてしまう。このピンホールは、例えば、窒化珪素層の膜厚が30〜50nmである場合には、底面(窒化珪素層14の表面)の直径が数nm〜100nm程度の、極微細なピンホールである。
従って、本発明によれば、有機層の上に窒化珪素層を形成してなる有機/無機積層型の機能性フィルムにおいて、水蒸気透過率が1×10-3[g/(m2・day)]未満の高性能なガスバリアフィルムなど、窒化珪素層14のピンホールに起因する性能低下が無い、高性能な機能性フィルムを、安定して得ることができる。
すなわち、真空蒸着やスパッタリング等の成膜方法では、ハロゲンを含有する有機層に窒化珪素層を形成しても、有機層にピンホールは生じない。
また、スパッタリングは、成膜のためにプラズマを生成する。しかしながら、スパッタリング(反応性スパッタリングを含む)では、プラズマが生成されるのは、ターゲットの近傍であり、プラズマは被成膜面には至らない。すなわち、プラズマによって有機層がエッチングされることはなく、成膜される窒化珪素のみが有機層の表面に到達する。従って、スパッタリングも、有機層がハロゲンを含有しても、成膜系内に有機層のハロゲンが放出されることはなく、ハロゲンに起因するピンホールは形成されない。
また、前述のように、本発明のガスバリアフィルム10aにおいて、有機層12は、ハロゲンを含有しない(不可避的不純物に由来する成分を除く)。従って、塗布手段36が支持体Zに塗布する塗料に添加されるのは、有機溶剤などの、後の乾燥や架橋によって除去される成分を除き、ハロゲンを含有しない物(ハロゲン原子を含まない化合物)が用いられる。
中でも、前記有機層12の形成材料の説明で述べたように、ラジカル重合性化合物および/またはエーテル基を官能基に有するカチオン重合性化合物は、好適であり、中でも特にアクリレートおよび/またはメタクリレートのモノマーやオリゴマーは、好適であり、その中でも特に、3官能以上のアクリレートおよび/またはメタクリレートのモノマーやオリゴマーは、好適に例示される。
有機層12を形成する塗料中における界面活性剤の濃度には、限定は無いが、有機溶剤を除いた濃度(有機溶剤を除いた成分の合計を100重量%とした場合の濃度)で0.01〜10重量%の界面活性剤を含有するのが好ましい。
界面活性剤を0.01重量%以上含有することにより、塗布から乾燥における塗料の表面張力を適正にでき、より確実に、凹凸や異物を含んで間隙無く基板表面の全面を有機層12で覆うことができる、等の点で好ましい。
また、界面活性剤の含有量を10重量%以下とすることにより、塗料の相分離を好適に抑制できる、主モノマーの比率を上げることが可能となり、官能基数の多いモノマーの優位な点であるエッチング耐性に影響を及ぼす可能性を低減できる、等の点で好ましい。
以上の点を考慮すると、塗料中の界面活性剤の含有量は、0.05〜3重量%が好ましい。
塗料の調製に用いる有機溶剤には、特に限定はなく、メチルエチルケトン(MEK)、シクロヘキサノン、イソプロピルアルコール、アセトン等、有機/無機積層型の機能性フィルムにおける有機層の形成に用いられている有機溶剤が、各種、利用可能である。
本発明の製造方法においては、これらの添加成分も、乾燥後や架橋後の有機層12に残存する成分は、ハロゲンを含有しない物を用いる。
支持体Zの表面の異物や凹凸等を含んで、有機層12で支持体Zの表面を空隙なく被覆するためには、非塗布部が生じないように支持体Zに塗料を塗布する必要がある。すなわち、異物等を含んで、支持体Zの表面(窒化珪素層14の形成領域)の全面を、隙間無く塗料に浸す必要がある。そのためには、塗料の粘度は、ある程度、低いのが好ましい。逆に、塗布液での固形分濃度が高すぎる等で、塗料の粘度が高すぎると、スジ故障を引き起こし、その結果、有機層の欠落を起こし易くなる。
塗料の粘度を上記範囲とすることにより、このような不都合を確実に回避して、適正に、支持体Zの表面全面に塗料を塗布することができる。
従って、塗料の塗布は、ダイコート法、ディップコート法、エアーナイフコート法、カーテンコート法、ローラーコート法、ワイヤーバーコート法、グラビアコート法、スライドコート法等の公知の塗料の塗布方法が、全て利用可能である。
中でも、非接触で塗料を塗布できるので支持体Z(特に、複数の有機層12を形成する場合の無機層)の表面を損傷しない、ビード(液溜まり)の形成により支持体Zの表面の凹凸や異物等の包埋性に優れる、等の理由で、ダイコート法は、好適に利用される。
塗布量を5cc/m2以上とすることにより、より確実に、前述のように支持体Zの表面の全面を隙間無く塗料に浸して、支持体Zの表面を有機層12で空隙なく被覆できる。また、塗布量を50cc/m2以下とすることにより、塗布量が多過ぎることに起因する乾燥負荷の増大による生産性の低下や、残存溶剤増加による塗膜の効果不良等の不都合を、好適に回避できる。また、塗布方式によっては、塗布量が多すぎると、液ダレと呼ばれるビート部の不安定化が生じるが、塗布量を50cc/m2以下とすることにより、このような不都合も、好適に回避できる。
以上の点を考慮すると、支持体Zへの塗料の塗布量は、5〜30cc/m2がより好ましい。
従って、本発明においては、5cc/m2以上の塗布量で、有機層12の厚さ(≒塗布した塗料の乾膜の厚さ)が0.5〜3μmとなるように、塗料を調製するのが好ましい。言い換えれば、塗布手段36は、塗料に応じて、5cc/m2以上の塗布量で、乾膜の厚さが0.5〜3μmとなるように、支持体Zに塗料を塗布するのが好ましい。
乾燥手段38により塗料の乾燥方法には、限定はなく、支持体Zが光照射手段40に至る前に、塗料を乾燥(有機溶剤を除去)して、架橋が可能な状態にできるものであれば、公知の乾燥手段が全て利用可能である。公知の方法が、各種利用可能である。一例として、ヒータによる加熱乾燥、温風による加熱乾燥等が例示される。
ここで、光照射手段40による塗膜の硬化時には、必要に応じて、支持体Zにおける光照射手段40による光照射領域を、窒素置換等による不活性雰囲気(無酸素雰囲気)とするようにしてもよい。また、必要に応じて、裏面に当接するバックアップローラ等を用いて、硬化時に支持体Zすなわち塗膜の温度を調整するようにしてもよい。
本発明においては、前述のように、有機層12としてアクリル樹脂やメタクリル樹脂などのアクリル系樹脂が好適に利用されるので、光重合が好適に利用される。
このロールZoRは、図2(B)に示す無機成膜装置32(その供給室56)に供給される。
なお、無機成膜装置32は、図示した部材以外にも、搬送ローラ対や、支持体Zoの幅方向の位置を規制するガイド部材、各種のセンサなど、長尺な被成膜材料を搬送しつつ気相堆積法による成膜を行なう公知の装置に設けられる各種の部材を有してもよい。
無機成膜装置32において、支持体Zoを巻回したロールZoRは、供給室56の回転軸64に装填される。
回転軸64にロールZoRが装填されると、支持体Zoは、供給室56から、成膜室58を通り、巻取り室60の巻取り軸58に至る所定の搬送経路を通される(通紙される)。無機成膜装置32においても、ロールZoRからの支持体Zoの送り出しと、巻取り軸58での無機層成膜済の支持体Zo(すなわちガスバリアフィルム10)の巻き取りとを同期して行なって、支持体Zoを長手方向に搬送しつつ、成膜室58において、支持体Zoに連続的に窒化珪素層14の成膜を行なう。
真空排気手段70には、特に限定はなく、ターボポンプ、メカニカルブースターポンプ、ドライポンプ、ロータリーポンプなどの真空ポンプ等、真空での成膜装置に用いられている公知の(真空)排気手段が、各種、利用可能である。この点に関しては、後述する他の真空排気手段74および76も同様である。
図示例において、成膜室58は、ドラム80と、シャワー電極82と、ガイドローラ84aおよび84bと、高周波電源86と、ガス供給手段87と、前述の真空排気手段74とを有する。
供給室56から供給され、ガイドローラ84によって所定の経路に案内され、ドラム80の所定位置に巻き掛けられた支持体Zoは、ドラム80の周面の所定領域に掛け回されて、ドラム80に支持/案内されつつ、所定の搬送経路を搬送され、表面に窒化珪素層14を形成される。
そのため、ドラム80には、バイアス電力を供給するためのバイアス電源を接続してもよく、あるいは、接地してもよい。あるいは、バイアス電源との接続と接地とが、切り換え可能であってもよい。また、ドラム80は、支持体Zの冷却や加熱を行うため、支持体Zを支持する周面の温度を調整する、温度調整手段を有してもよい。
ガス供給手段87も、プラズマCVDに用いられる公知の成膜ガス(原料ガス/プロセスガス)の供給手段で、シャワー電極82に成膜ガスを供給する。
一例として、シランガス、アンモニアガスおよび窒素ガスの組み合わせ、シランガス、アンモニアガスおよび不活性ガスの組み合わせ、シランガス、アンモニアガス、窒素ガスおよび水素ガスの組み合わせ、シランガス、アンモニアガス、不活性ガスおよび水素ガスの組み合わせ等が例示される。
すなわち、シャワー電極82は、一面をドラム80に対面して配置される、内部に中空部を有する筐体状で、ドラム80との対向面には、この中空部に連通する貫通孔(ガス供給孔)が、多数、形成されている。
ガス供給手段87は、このシャワー電極82の中空部に成膜ガスを供給する。従って、成膜ガスは、ドラム80と対向面に形成された貫通孔から、成膜電極であるシャワー電極82と対向電極であるドラム80との間に供給される。
なお、窒化珪素層14の形成条件には、限定はなく、成膜ガスの種類、目的とする膜厚や成膜レート等に応じて、適宜、設定すればよい。
ここで、本発明においては、有機層12がハロゲンを含有しない。従って、前述のように、ハロゲンに起因する極微細なピンホールを有さない、高品質な窒化珪素膜14が形成される。また、混合層16も、ハロゲンを含有しない。
これに対し、RtoRでは、成膜領域(図示例ではシャワー電極82とドラム80との間)に、常に、未成膜の支持体Zが供給される。言い換えれば、RtoRでは、全面が有機層12すなわち全面がハロゲンの供給源となる支持体Zが、常に、成膜領域の上流端に供給されている。
しかも、RtoRでは、支持体Zの搬送に伴って、ガス流も支持体Zの搬送方向に沿った方向となる。そのため、成膜領域の上流端で成膜領域に放出されたハロゲンは、成膜領域を下流に向かって流れる。
その結果、支持体Z(被成膜面)の表面は、窒化珪素層14による被覆によって有機層12からハロゲンを放出しなくなっても、常に、ハロゲンと珪素(シラン)に曝されている。そのため、RtoRでは、枚葉式に比して、有機層のハロゲンに起因するピンホールが、形成され易い。
そのため、本発明においては、好ましい態様としてRtoRを利用することにより、窒化珪素層14層のピンホールが無い、高品質なガスバリアフィルム10aを、高い生産性で製造できる。
シャワー電極を利用するCCP−CVDにも限定はされず、ノズル等によって、成膜電極とドラムとの間に、成膜ガスを供給する構成でもよい。
巻取り室60に搬送されたガスバリアフィルム10は、巻取り軸92によってロール状に巻回され、ガスバリアフィルム10aを巻回してなるロール10aRとして、次工程に供給される。
なお、最上層の保護有機層12aは、その上に窒化珪素層14を形成しないので、ハロゲンを含有してもよいのは、前述のとおりである。
例えば、図1(C)に示す、有機層12、窒化珪素層14および混合層16の組み合わせを2つ有するガスバリアフィルム10cを製造する場合には、先の例と同様に、ロール10aRを有機成膜装置30の回転軸42に装填して、ガスバリアフィルム10aを基板として、窒化珪素層14の上に、有機層12を形成して、巻取り軸46に巻き取る。次いで、巻取り軸46に巻き取ったロールを、ロールZoRと同様に回転軸64に装填して、同様に、2層目の有機層12の上に、2層目の窒化珪素層14を形成し、巻取り軸92に巻き取る。
さらに、この上に保護有機層12aを形成する場合には、巻取り軸92に巻き取ったロールを、有機成膜装置30の回転軸42に装填して、同様にして、最上層の窒化珪素層14の上に保護有機層12aを形成して、巻取り軸46に巻き取ればよい。
<発明例1>
機能性フィルムとして、図1(A)に示すような、支持体Zの表面に有機層12および窒化珪素層14を有するガスバリアフィルム10を作成した。
有機化合物は、TMPTA(ダイセル・サイテック社製)を用いた。有機溶剤は、MEKを用いた。
界面活性剤は、珪素系の界面活性剤(ビックケミージャパン社製 BYK378)を用いた。添加量は、有機溶剤を除いた濃度で重量1%とした。
さらに、塗料には、有機溶剤を除いた濃度で重量2%の光重合開始剤(チバケミカルズ社製 Irg184)を添加した(すなわち固形分における有機化合物は97重量%)。
この界面活性剤および光重合開始剤は、ハロゲンを含有しない。
また、塗料の固形分濃度は、15重量%とした。
塗布手段36は、ダイコータを用いた。塗布量は、20cc/m2とした。調製した塗料は、この塗布量で、乾膜の膜厚すなわち有機層12の膜厚が2μmとなる。
乾燥手段38は、温風を用いた。光照射手段40は、紫外線照射装置を用いた。
シャワー成膜電極82には、高周波電源86から、周波数13.5MHzで3000Wのプラズマ励起電力を供給した。さらに、ドラム80はステンレス製とし、バイアス電源(図示省略)から、500Wのバイアス電力を供給した。また、成膜中は、ドラム80の温度を−20℃に調整した。
有機層12を形成する塗料に添加する界面活性剤を、フッ素系の界面活性剤(ビックケミージャパン社製 BYK340)に変更した以外は、発明例1と同様にして、ガスバリアフィルムを巻回してなる、ロールを作製した。
有機層12を形成する塗料に添加する界面活性剤を、ハロゲンおよび珪素の両方を含有する界面活性剤(珪素系の界面活性剤(BYK378)とフッ素系の界面活性剤(BYK340)とを、1:1で混合したもので、添加量は、有機溶剤を除いた濃度で1重量%とした)に変更した以外は、発明例1と同様にして、ガスバリアフィルムを巻回してなる、ロールを作製した。
また、水蒸気透過率が、1×10-4[g/(m2・day)]未満の場合を○;
1×10-4[g/(m2・day)]以上、1×10-3[g/(m2・day)]未満の場合を△;
1×10-3[g/(m2・day)]以上の場合を×; と、評価した。
窒化珪素層14の表面をAFM(10μm視野角)で観察した。その結果、比較例1および比較例2は、窒化珪素層14に、有機層が含有するハロゲンに起因する多数の微細なピンホールが確認された。比較例1および比較例2は、このピンホールに起因して、高いガスバリア性が得られなかった。
これに対して、有機層12がハロゲンを含有しない発明例1は、窒化珪素層14にピンホールが確認されず、水蒸気透過率が8.2×10-5[g/(m2・day)]という、1×10-4[g/(m2・day)]未満の非常に高いガスバリア性が得られた。
また、有機層12を形成した後にも、その表面を同様にAFMで観察した。その結果、発明例1、比較例1および比較例2のいずれも、表面に数十〜数百nm程度の凹部が形成されているのが確認された。発明例1、比較例1および比較例2は、いずれも有機層12が界面活性剤を含有しており、前述のように、この凹部が界面活性剤の凝集箇所である。有機層12がハロゲンを含有していない発明例1では、この凹部の上も窒化珪素層14が均一に形成されていた。これに対して、有機層12がハロゲンを含有する比較例1および比較例2は、特に、この凹部の上の窒化珪素層14にピンホールが確認された。
<発明例2〜6>
塗料の固形分濃度を変更して、10cc/m2の塗布量で塗料の乾膜すなわち有機層12の膜厚を0.3μm(発明例2)、10cc/m2の塗布量で同膜厚を0.5μm(発明例3)、10cc/m2の塗布量で同膜厚を1μm(発明例4)、10cc/m2の塗布量で同膜厚を3μm(発明例5)、および、10cc/m2の塗布量で同膜厚を5μm(発明例6)とした以外は、発明例1と同様にして、ガスバリアフィルム10aを巻回してなる、ロール10aRを作製した。
発明例2は、4.0×10-4[g/(m2・day)]で『△』;
発明例3は、9.9×10-5[g/(m2・day)]で『○』;
発明例4は、9.1×10-5[g/(m2・day)]で『○』;
発明例5は、7.5×10-5[g/(m2・day)]で『○』;
発明例6は、2.3×10-4[g/(m2・day)]で『△』; であった。
また、発明例5は有機層12が厚すぎてクラックが生じてしまい、同様に、窒化珪素層14の非形成部が生じてしまったため、窒化珪素層14のピンホールが無いにも関わらず、ガスバリア性が低下したと考えられる。
しかしながら、本実施例では評価は『△』であるものの、発明例2は4.0×10-4[g/(m2・day)]、発明例6は2.3×10-4という、一般的な用途であれば、十分に高いガスバリア性を有する。
一方、有機層12の厚さが適正である発明例3〜発明例5では、支持体Zの表面全面を好適に覆って有機層12の表面を十分に平坦化でき、有機層12表面の全面に、ピンホールの無い窒化珪素層14が形成できたため、水蒸気透過率が1×10-4[g/(m2・day)]未満という、非常に高いガスバリア性が得られている。
<発明例7〜10>
塗料の固形分濃度を変更して、3cc/m2の塗布量で塗料の乾膜すなわち有機層12の膜厚を1μm(発明例7)、5cc/m2の塗布量で同膜厚を1μm(発明例8)、20cc/m2の塗布量で同膜厚を1μm(発明例9)、および、30cc/m2の塗布量で同膜厚を1μm(発明例10)とした以外は、発明例1と同様にして、ガスバリアフィルム10aを巻回してなる、ロール10aRを作製した。
発明例7は、3.2×10-4[g/(m2・day)]で『△』;
発明例8は、9.8×10-5[g/(m2・day)]で『○』;
発明例9は、9.1×10-5[g/(m2・day)]で『○』;
発明例10は、1.3×10-4[g/(m2・day)]で『△』; であった。
なお、塗布量10cc/m2で乾膜の厚さが1μmである前記発明例4は、9.1×10-5[g/(m2・day)]で『○』という、非常に高いガスバリア性を有している。
また、発明例10は塗料の塗布量が多すぎて、乾燥における残存溶剤の完全な除去が困難になり、硬膜不良を起こし、窒化珪素層14を形成する際のエッチングに対し耐久性が低くなったため、混合層16が厚くなり、その結果、実質的な窒化珪素層14が薄くなってしまったため、窒化珪素層14のピンホールが無いにも関わらず、ガスバリア性が低下したと考えられる。
しかしながら、本実施例では評価は『△』であるものの、発明例7は3.2×10-4[g/(m2・day)]、発明例10は1.3×10-4[g/(m2・day)]という、一般的な用途であれば、十分に高いガスバリア性を有する。
一方、有機層12の塗料の塗布量が適正である発明例8および発明例9では、支持体Zの表面全面を好適に覆って有機層12の表面を十分に平坦化でき、有機層12表面の全面に、ピンホールの無い窒化珪素層14が形成できたため、水蒸気透過率が1×10-4[g/(m2・day)]未満という、非常に高いガスバリア性が得られている。
以上の結果より、本発明の効果は明らかである。
12 有機層
12a 保護有機層
14 窒化珪素層
16 混合層
30 有機成膜装置
32 無機成膜装置
36 塗布手段
38 乾燥手段
40 光照射手段
42,64 回転軸
46,92 巻取り軸
48,50 搬送ローラ対
56 供給室
58 成膜室
60 巻取り室
68,84a,84b,90 ガイドローラ
70,58,76 真空排気手段
72,74 隔壁
80 ドラム
82 シャワー電極
86 高周波電源
87 ガス供給手段
Claims (6)
- 基板の上に塗料を用いてハロゲンを含有しない厚さ1〜3μmの有機層を形成し、
この有機層の上に、無機シランを含む成膜ガスを用いるプラズマCVDによって、窒化珪素層を形成することを特徴とする機能性フィルムの製造方法。 - 前記有機層を、有機溶剤、有機化合物および界面活性剤を有する塗料を用いて形成し、かつ、前記塗料が、前記有機溶剤を除いた濃度で0.01〜10重量%の界面活性剤を含む請求項1に記載の機能性フィルムの製造方法。
- 前記塗料を5〜50cc/m2塗布して、前記有機層を形成する請求項1または2に記載の機能性フィルムの製造方法。
- 長尺な前記基板をロール状に巻回してなる基板ロールから、前記基板を引き出して、この引き出した基板を長手方向に搬送しつつ、前記基板への塗料の塗布、乾燥、および、有機化合物の硬化を行って有機層を形成し、この有機層を形成した基板を、再度、ロール状に巻回して基板/有機層ロールとし、
前記基板/有機層ロールから有機層を形成された基板を引き出して、この基板を長手方向に搬送しつつ、前記窒化珪素層の形成を行い、この窒化珪素層を形成した基板を、再度、ロール状に巻回する請求項1〜3のいずれかに記載の機能性フィルムの製造方法。 - 前記有機層が、3官能以上の(メタ)アクリレート系の有機化合物を架橋してなる層である請求項1〜4のいずれかに記載の機能性フィルムの製造方法。
- 前記界面活性剤が、珪素系の界面活性剤である請求項2〜5のいずれかに記載の機能性フィルムの製造方法。
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