JP5938758B2 - 積層膜及び電子デバイス用バリアフィルム - Google Patents
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Description
(積層膜100の構成)
まず、図1A及び図1Bを参照しながら、本発明の好適な実施形態に係る積層膜100の構成について説明する。図1Aは、本発明の好適な実施形態に係る積層膜100の構成の第1の例を示す説明図であり、図1Bは、本発明の好適な実施形態に係る積層膜100の構成の第2の例を示す説明図である。なお、図1A及び図1B中の「X+X’(Y+Y’)」は、官能基X(Y)とX’(Y’)とが相互作用(この場合は、化学結合)して生成された基を示している。
基材101は、最下層の第1の層110(例えば、材料A層または材料B層等)を形成するための基材となる部材であり、第1の材料(例えば、材料Aまたは材料B等)が吸着可能な表面を有する材料であるか、第1の材料が吸着可能なように表面処理された材料であれば、特に限定はされない。具体的には、図1Aの第1の例によれば、基材101として、材料Aの官能基Xと相互作用(化学結合等)可能な官能基X”と、官能基Yと相互作用(化学結合等)可能な官能基Y”のうちの少なくとも1種類を表面に有する材料を用いることができる。また、図1Bの第2の例によれば、基材101として、材料Aの帯電した官能基X(図1Bでは正に帯電)とは反対の電荷(図1Bでは負)に帯電させた材料を用いることができる。
第1の層110は、基材101の表面に設けられ、第1の材料からなる層である。また、第1の材料は、上述したように、複数種類、すなわち、少なくとも2種類の官能基を有する材料である。
XnM(OR)m ・・・(1)
XnSi(OR)4−n ・・・(2)
M(OR)m ・・・(3)
R’lXnM(OR)m ・・・(4)
第2の層120は、第1の層110上に積層され、第2の材料からなる層である。また、第2の材料は、上述したように、第1の材料が有する複数種類の官能基のうちの少なくとも2種類以上の官能基と相互作用可能な材料である。
[M2+ 1−xM3+ x(OH)2]x+[Bn− x/n・yH2O]x− ・・・(1)
(式中、M2+は2価金属、M3+は3価金属、Bn−はアニオン、nはアニオンの価数、xは0<x<0.4の実数、yは0より大きい実数である。)
また、本実施形態によれば、積層膜100の膜厚を50nm以下とすることができる。本実施形態に係る積層膜100は、膜厚が50nm以下と非常に薄くても、高いガスバリア性、例えば、0.5g/m2/day以下の透湿率を有することができる。
なお、基材101上に、第1の層110と第2の層120とからなる積層膜100が積層されていることは、例えば、積層膜100の原子間力顕微鏡写真(AFM)により確認することができる。また、エリプソメータを用いて、各層の膜厚を測定することで確認することもできる。
以上、本実施形態に係る積層膜100の構成について詳細に説明したが、続いて、図4A〜図4Dを参照しながら、上述した構成を有する積層膜100の製造方法の第1の例について説明する。図4A〜図4Dは、本実施形態に係る積層膜100の製造方法の第1の例の各工程の流れを示す説明図である。
まず、基材101の表面を、材料Aが吸着可能な状態に表面処理する。具体的には、図4Aに示すように、材料Aの官能基Xと相互作用可能な官能基X’’と、材料Aの官能基Yと相互作用可能な官能基Y’’のうちの少なくとも1種類を基材101の表面に導入する。基材101の表面が、元々材料Aを吸着可能な状態になっている場合、例えば、基材101の表面に、官能基X’’と官能基Y’’のうちの少なくとも1種類が元々存在している場合は、この表面処理工程を省略しても良い。
基材101の表面の官能基と、材料A及び材料Bが有する官能基等によって、材料A層を先に(第1の層110として)形成するか、材料B層を先に(第1の層110として)形成するかが選択される。例えば、材料Aが有する官能基Xと相互作用可能な官能基X”が基材101の表面に存在する場合には、材料A層を始めに積層する。以下の説明では、材料A層を先に形成する場合を例に挙げて説明するが、材料B層を先に形成する場合も勿論あり得る。
次に、図4Bに示すように、表面処理された基材101上に、材料Aからなる第1の層110を形成する。具体的には、まず、第1の材料として用いる材料Aを溶液中に溶解又は分散し、材料Aの溶液(材料A層形成用の溶液)を作製する。溶液中の材料Aの濃度は、100nmol/L〜1mmol/Lまたは0.01g/L〜10g/Lが好適であり、1μmol/L〜100μmol/Lまたは0.1g/L〜1g/Lが更に好適である。材料Aの濃度が低すぎると、基材101表面への材料Aの吸着が不十分となるおそれがある。一方、材料Aの濃度が高すぎると、溶液の粘度が高くなってしまうため、基材101を浸漬して均一な膜を形成することが困難となるおそれがある。
次に、図4Cに示すように、材料Aからなる第1の層110上に、材料Bからなる第2の層120を形成する。具体的には、まず、第2の材料として用いる材料Bを溶液中に溶解又は分散し、材料Bの溶液(材料B層形成用の溶液)を作製する。溶液中の材料Bの濃度は、100nmol/L〜1mmol/Lまたは0.01g/L〜10g/Lが好適であり、1μmol/L〜100μmol/Lまたは0.1g/L〜1g/Lが更に好適である。材料Bの濃度が低すぎると、第1の層110上への材料Bの吸着が不十分となるおそれがある。一方、材料Bの濃度が高すぎると、溶液の粘度が高くなってしまうため、第1の層110が形成された基材101を浸漬して均一な膜を形成することが困難となるおそれがある。
次に、図4Dに示すように、材料Bからなる第2の層120上に、材料Aからなる第1の層110を形成する。具体的には、まず、材料Aを溶液中に溶解又は分散し、上述した材料Aの溶液を作製する。このようにして作製した材料Aの溶液に、第1の層110及び第2の層120が形成された基材101を浸漬すると、図4Dに示すように、材料Aの官能基Xと材料Bの官能基X’との相互作用、材料Aの官能基Yと材料Bの官能基Y’との相互作用、または、これら両方の相互作用により、材料Aが第2の層120の表面に吸着する。図4Dの例では、材料Aの官能基X(官能基Y)と材料Bの官能基X’(官能基Y’)との相互作用として、官能基X(官能基Y)と官能基X’(官能基Y’)との化学結合が生じている。このようにして、第2の層120上に第1の層110が形成される。
次に、上述した第1の層110上への第2の層120の形成工程と第2の層120上への第1の層110の形成工程を繰り返し実施することで、基材101上に第1の層110(材料A層)と第2の層120(材料B層)を交互に積層していき、第1の層110と第2の層120とからなる交互積層構造を所定の層数だけ形成する。その結果、基材101上に、1層以上の第1の層110と1層以上の第2の層120とが吸着法により交互に積層された本実施形態に係る積層膜100を得ることができる。
続いて、図5A〜図5Dを参照しながら、上述した構成を有する積層膜100の製造方法の第2の例について説明する。図5A〜図5Dは、本実施形態に係る積層膜100の製造方法の第2の例の各工程の流れを示す説明図である。
まず、基材101の表面を、材料Aが吸着可能な状態に表面処理する。具体的には、図5Aに示すように、基材101の表面を材料Aの官能基Xの電荷(図5A〜図5Dの例では正電荷)と反対の電荷(図5A〜図5Dの例では負電荷)に帯電させる。基材101の表面が、元々材料Aを吸着可能な状態になっている場合、例えば、基材101の表面が、官能基Xと反対の電荷に帯電している場合は、この表面処理工程を省略しても良い。
基材101の表面の官能基と、材料A及び材料Bが有する官能基等によって、材料A層を先に(第1の層110として)形成するか、材料B層を先に(第1の層110として)形成するかが選択される。例えば、基材101の表面が、材料Aの官能基Xと反対の電荷に帯電している場合には、材料A層を始めに積層する。以下の説明では、材料A層を先に形成する場合を例に挙げて説明するが、材料B層を先に形成する場合も勿論あり得る。
次に、図5Bに示すように、表面処理された基材101上に、材料Aからなる第1の層110を形成する。具体的には、まず、第1の材料として用いる材料Aを溶液中に溶解又は分散し、材料Aの溶液(材料A層形成用の溶液)を作製する。溶液中の材料Aの濃度については上述した第1の例と同様である。
次に、図5Cに示すように、材料Aからなる第1の層110上に、材料Bからなる第2の層120を形成する。具体的には、まず、第2の材料として用いる材料Bを溶液中に溶解又は分散し、材料Bの溶液(材料B層形成用の溶液)を作製する。溶液中の材料Bの濃度については、上述した第1の例と同様である。
次に、図5Dに示すように、材料Bからなる第2の層120上に、材料Aからなる第1の層110を形成する。具体的には、まず、材料Aを溶液中に溶解又は分散し、上述した材料Aの溶液を作製する。このようにして作製した材料Aの溶液に、第1の層110及び第2の層120が形成された基材101を浸漬すると、図5Dに示すように、材料Aが有する官能基Yが、材料Bの官能基Y’と相互作用(結合)するとともに、帯電した材料Aの置換基Xが、その反対の電荷に帯電した材料Bに静電気力で引きつけられることにより、材料Aが第2の層120の表面に吸着する。すなわち、図5Dの例では、材料Bと材料Aとの間の相互作用として、材料Bの負電荷と材料Aの官能基Xの正電荷との静電気力と、材料Bの置換基Y’と材料Aの置換基Yとの化学結合力の2種類の相互作用が生じている。このようにして、第2の層120上に第1の層110が形成される。
次に、上述した第1の層110上への第2の層120の形成工程と第2の層120上への第1の層110の形成工程を繰り返し実施することで、基材101上に第1の層110(材料A層)と第2の層120(材料B層)を交互に積層していき、第1の層110と第2の層120とからなる交互積層構造を所定の層数だけ形成する。その結果、基材101上に、1層以上の第1の層110と1層以上の第2の層120とが吸着法により交互に積層された本実施形態に係る積層膜100を得ることができる。
次に、上述した本実施形態に係る積層膜100を用いて作製されたバリアフィルムについて説明する。このバリアフィルムは、FPDや照明等の発光素子などの基板として用いられるものであって、基材101として樹脂フィルムを用い、この樹脂フィルム上に上述した積層膜100を設けたものである。ただし、バリア性能を有するバリアフィルムとして用いる場合には、積層膜100における第2の材料としては、上述した無機層状化合物を用いる。無機層状化合物は、樹脂フィルムを通過してバリア層へ浸入した水蒸気や酸素等のガスを透過させないため、この無機層状化合物を用いた積層膜100は、これらのガスの透過を抑制するバリア性能を有することができる。
以上説明した本実施形態に係る積層膜100は、第1の材料と第2の材料とが、少なくとも2種類以上の相互作用で吸着されている。よって、従来の1種類の相互作用で吸着される多層ヘテロ構造を有する膜に比べ、隣り合う層間の密着性が高く、高密度な膜を形成できる。その結果、本実施形態に係る積層膜100を用いて、バリアフィルムや光学素子を作製すると、その性能と耐久性を高めることができる。
実施例1は、第1の材料としてAPTESを用い、第2の材料としてモンモリロナイト(MMT)を用いた例である。具体的には、以下の手順で実施例1の積層膜を作製した。
基材として、表面が酸化されたシリコンウェハ(Nilaco製#500452)を、ピラニア(Piranha)溶液(H2O2:濃硫酸=1:1)に24時間浸漬した後、純水で洗浄し、エアブローで乾燥させたものを用いた。
2)第1の材料の溶液の調製
第1の材料として、ポリカチオンであるアミノプロピルトリエトキシシラン(APTES:AminoPropylTriEthoxySilane)とエタノールを混合及び撹拌し、100mMのAPTES溶液からなる第1の材料の溶液を調製した。
3)第2の材料の溶液の調製
第2の材料としてモンモリロナイト(MMT)を用い、MMTとしてKunimine工業製Kunifil−D36を0.5g、純水1L中に入れ、市販のスターラー(AsOne製KNS−T1)を用いて、1日間撹拌し、MMTの分撒水溶液からなる第2の材料の溶液を調製した。
4)第1の層の形成
1)で洗浄した基材を、2)で作成した第1の材料の溶液に、室温で30分間浸漬後、エタノール、蒸留水の順に洗浄し、エアブローで乾燥させた。このときの、第1の層の付着の様子を模式的に図6Aに示す。
5)第2の層の形成
4)で第1の層を形成した基材を、3)で作成した第2の材料の溶液に、室温で15分間浸漬後、蒸留水で洗浄し、エアブローで乾燥させた。このときの、第2の層の付着の様子を模式的に図6Bに示す。
6)交互吸着
上記4)と5)の工程を繰り返し、第1の層と第2の層とからなる対が、5対、10対、20対となるまで、それぞれ交互吸着を行い、3種類のサンプルを作製した。2対積層した状態を模式的に図6Cに示す。加水分解したAPTESの水酸基と相互作用するMMTの水酸基は、MMT結晶表面のエッジ部分にしか存在しない。よって図6Cのように、APTESはMMT結晶の平らな面とはアミノ基側が相互作用し、エッジ部分では水酸基側が相互作用する。MMTとポリカチオンとの交互吸着に代表される従来の技術では、MMTが相互作用するのは、結晶の平らな面だけである。一方、本発明では、結晶のエッジ部分にも相互作用して吸着することができるので、MMT粒子の間隙を埋める作用があり、膜を高度に緻密化できる。このように、第2の材料の官能基が偏在する場合、本発明により、従来の方法では得られない、更に緻密な膜形成が可能であることがわかる。
7)交互吸着膜(積層膜)の膜厚測定
上記4)〜6)の工程で5対の交互吸着膜を形成したサンプルについて、第1の層または第2の層を1層積層する毎にエリプソメータ(日本レーザー電子製NL−ELP)を用いて、交互吸着膜の膜厚を測定した。
また、10対及び20対の交互吸着膜を形成したサンプルについて、全ての工程が終了した後に、同様の方法で、交互吸着膜の膜厚を測定した。
8)交互吸着膜の付着性評価
次いで、6)の工程が終了し、7)の測定を終えたサンプルを、JIS K5400で規定される方法によって、交互吸着膜の付着性を評価した。具体的には、交互積層膜にカッターを用いて、1mmピッチの碁盤目状の切り込みを入れ、10×10の100升を形成した。形成した100升に区分けされた交互吸着膜上に、ニチバン製粘着テープ(CT−18S)を貼り付けた後、瞬間的に引きはがし、剥離せずに残った升の数を数えた。
実施例1は、第1の材料としてAPTESを用い、第2の材料としてリン酸ジルコニウム(ZrP)を用いた例である。具体的には、実施例1の3)の工程を下記のようにしたこと以外は、実施例1と同様の工程で交互吸着膜を作製し、7)の膜厚測定及び8)の付着性評価を行った。
まず、第一希元素化学製α−ZrP(リン酸ジルコニウム)を1g、純水150mLに入れ、市販のスターラーを用いて、1日間攪拌した。攪拌した液に、テトラブチルアンモニウムハイドロオキサイド(TBAHO:TetraButylAmmoniumHydroOxide)の150mM/L水溶液を30mL、ZrP溶液のpHが9を超えないように、少量ずつ加えることでZrP粒子の単層剥離を行い、第2の材料の溶液を調製した。
実施例1の2)の工程を下記のようにしたこと以外は、実施例1と同様の工程で従来の技術による交互吸着膜を作製し、7)の膜厚測定及び8)の付着性評価を行った。
ポリアリルアミンハイドロキシド(PAH:PolyAllylamineHydroxide)の30mM水溶液を作製し、第1の材料の溶液を調製した。
実施例3は、第1の材料としてAPTESを用い、第2の材料としてMMTを用いてバリアフィルムを作製した例である。具体的には、以下の手順で実施例3のバリアフィルムを作製した。
帝人DuPont Film製TeonexQ65FA(0.2mm厚のPENフィルム)を、洗剤と純水で洗浄し、エアブローで乾燥させた。その後、洗浄後のPENフィルムに対し、日本スタテック製HPS−101を用いて、10分間コロナ処理した。これにより、樹脂フィルムの表面に、水酸基を導入した。
2)第1の材料の溶液の調製
実施例1の2)と全く同様にして、APTESの100mM−エタノール溶液からなる第1の材料の溶液を調製した。
3)第2の材料の溶液の調製
実施例1の3)と全く同様にして、MMTの0.5g/L分散水溶液からなる第2の材料の溶液を調製した。
4)第1の層の形成
実施例1の4)と全く同様にして、第1の層を形成した。
5)第2の層の形成
実施例1の5)と全く同様にして、第2の層を形成した。
6)交互積層
上記4)と5)の工程を繰り返し、第1の層と第2の層とからなる対が、5対、10対、20対となるまで、交互積層を行い、3種類のバリアフィルムを作製した。
7)作製したバリアフィルムのWVTR(透湿率)測定
6)で作製したバリアフィルムについて、MOCON社製水蒸気透過率測定装置AQUATRANを用いて、40℃−90%RHの条件下でWVTRを測定した。
実施例4は、第1の材料としてAPTESを用い、第2の材料としてZrPを用いてバリアフィルムを作製した例である。具体的には、実施例3の3)の工程を下記のようにしたこと以外は、実施例3と同様の工程でバリアフィルムを作製し、WVTRの測定を行った。
実施例2の3)と全く同様にして、第2の材料の溶液を調製した。
実施例3の2)の工程を下記のようにしたこと以外は、実施例3と同様の工程で従来の技術によるバリアフィルムを作製し、WVTRの測定を行った。
比較例1の2)と全く同様にして、第1の材料の溶液を調製した。
図7〜9に、実施例1〜2及び比較例1で行った、交互吸着膜を5対形成したサンプルの膜厚の測定結果を示す。いずれの実施例、比較例も、積層数が増えるに従って、交互吸着膜の膜厚が順次増加しており、第1の層及び第2の層が良好に形成されたことがわかった。
表4に、実施例1〜2及び比較例1で行った付着性の評価結果を示す。いずれの実施例も、比較例に比べて優れた付着性を示しており、本発明による多層ヘテロ構造を有する積層膜を構成する各層間の密着性が高いことがわかった。
表5に、実施例3〜4及び比較例2で作製したバリアフィルムを40℃−90%RHの条件でWVTR測定した結果を示す。いずれの実施例においても、比較例に比べてWVTRの値が大幅に小さくなっており、本発明による積層膜が高いバリア性能を有することが分かる。つまり、本発明による交互吸着膜(積層膜)を用いたバリアフィルムは、従来の交互吸着を用いたバリアフィルムに比べ、高いバリア性能を少ない積層数で実現できることが確認された。
101 基材
110 第1の層(材料A層)
120 第2の層(材料B層)
Claims (11)
- 複数種類の官能基を有する第1の材料からなる第1層と、前記複数種類の官能基のうち少なくとも2種類以上の官能基と相互作用可能な第2の材料からなる第2層とが、それぞれ少なくとも1層ずつ交互に積層されており、
前記第1の材料が、一般式:XnM(OR)m(ここで、Mは金属原子、Xはアミノアルキル基、アルキルカルボン酸基、アルキルコハク酸基およびアルキル無水コハク酸基からなる群より選択される少なくとも1種類の官能基である、Rはアルキル基である。)で表される金属アルコキシド化合物であり、
前記第2の材料が、粘土鉱物、リン酸塩系誘導体型化合物及び層状複水酸化物からなる群より選択される少なくとも1種の無機層状化合物である、積層膜。 - 前記第2の材料が、前記第1の材料の2種類以上の官能基と、静電気力と化学結合力の少なくともいずれか一方により相互作用することで、前記第1層と前記第2層とが積層される、請求項1に記載の積層膜。
- 前記第2の材料が、前記第1の材料の2種類以上の官能基と、静電気力と化学結合力の双方により相互作用することで、前記第1層と前記第2層とが積層される、請求項2に記載の積層膜。
- 前記複数種類の官能基のうちの少なくとも1種類の官能基が、正電荷または負電荷に帯電可能な官能基である、請求項3に記載の積層膜。
- 前記第2の材料が、前記第1の材料の前記帯電可能な官能基と反対の電荷に帯電可能な材料である、請求項4に記載の積層膜。
- 前記複数種類の官能基のうちの少なくとも1種類の官能基が複数個あり、該複数個の官能基同士が相互作用可能である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の積層膜。
- 前記第1の材料が、一般式:XnSi(OR)4−n(ここで、Xは官能基、Rはアルキル基である。)で表されるアルコキシシラン化合物である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の積層膜。
- 前記第1の材料の前記少なくとも2種類以上の官能基が、前記無機層状化合物の平らな面またはエッジ部分のいずれかに偏在する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の積層膜。
- 樹脂フィルム上に請求項1〜8のいずれか1項に記載の積層膜が積層された、電子デバイス用バリアフィルム。
- 前記積層膜の膜厚が、50nm以下である、請求項9に記載の電子デバイス用バリアフィルム。
- 前記電子デバイス用バリアフィルムの透湿率が、0.5g/m2/day以下である、請求項9または10に記載の電子デバイス用バリアフィルム。
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