JP5958346B2 - ガスバリア積層体の製造方法 - Google Patents
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Description
を有するガスバリア積層体の製造方法を提供することにある。
また、本発明の構成においては、バリア層がウェットプロセスにて積層されるときに、その下層として応力緩和層が大気圧プラズマCVD法により形成されていると、前記バリア層が基板や下層膜吸着水を受けにくくなるため、積層されたバリア層については、大気圧プラズマCVD法により形成された応力緩和層によって、下層からの水の影響を受けにくくより緻密でガスバリア性能の高い膜が得られると考えられる。
本発明においては、応力緩和層が大気圧プラズマCVD法で形成されたことを特徴の1つとする。
一般に、金属酸化物及び金属酸窒化物の少なくとも一方を含む層を形成する方法には真空蒸着やスパッタ法、真空プラズマCVD等が知られているが、これらの方法で得られた金属酸化物及び金属酸窒化物の少なくとも一方を含む層は前述のような十分に優れた応力緩和性能は得られない。
とりわけ、多気圧プラズマCVD法で形成された金属酸化物及び金属酸窒化物の少なくとも一方を含む層の圧縮応力は、真空プラズマCVD法で形成された金属酸化物及び金属酸窒化物の少なくとも一方を含む層の圧縮応力の約1/100である。圧縮応力の測定方法としては、厚さ100μm、巾10mm、長さ50mmの石英硝子上に、各層を1μm厚みで製膜し、NEC三栄社製薄膜物性評価装置MH4000にて圧縮応力(残留応力、MPa)を測定することができる。
X線反射率法の概要は、X線回折ハンドブック 151ページ(理学電機株式会社編 2000年 国際文献印刷社)や化学工業1999年1月No.22を参照して行うことができる。
XPS表面分析装置は、本発明では、VGサイエンティフィックス社製ESCALAB−200Rを用いた。具体的には、X線アノードにはMgを用い、出力600W(加速電圧15kV、エミッション電流40mA)で測定した。エネルギー分解能は、清浄なAg3d5/2ピークの半値幅で規定したとき、1.5eV〜1.7eVとなるように設定した。
本発明のガスバリア積層体の製造方法において、本発明に係る金属酸化物及び金属酸窒化物の少なくとも一方を含む層の形成に好適に用いることのできる大気圧プラズマCVD法について、更に詳細に説明する。
V1≧IV>V2または V1>IV≧V2 を満たし、
前記第2の高周波電界の出力密度が、1W/cm2以上である。
各電極部に高周波電圧プローブ(P6015A)を設置し、該高周波電圧プローブの出力信号をオシロスコープ(Tektronix社製、TDS3012B)に接続し、電界強度を測定する。
電極間に放電ガスを供給し、この電極間の電界強度を増大させていき、放電が始まる電界強度を放電開始電界強度IVと定義する。測定器は上記高周波電界強度測定と同じである。
本発明におけるバリア層は、珪素原子および酸素原子を含有し、酸素及び水蒸気の透過を阻止する膜で、構成する材料として具体的には、珪素を有する無機酸化物が好ましく、珪素酸窒化物層を挙げることができる。
本発明のガスバリア積層体の製造は、基板上の少なくとも一方の面に、前記のように応力緩和層として、金属酸化物及び金属窒化物の少なくとも一方を含む層を大気圧プラズマCVD法で形成した上に、少なくとも1種の珪素化合物を含有する液体を20℃〜120℃で塗布(ウェットプロセス)、乾燥させ、珪素化合物薄膜を形成して前記珪素化合物薄膜に対し改質処理を行って、珪素酸窒化物の薄膜を積層することを特徴とする。
本発明に係るバリア層は、大気圧プラズマCVD法で形成した応力緩和層上にポリシラザン化合物を含有する塗布液を積層塗布することにより形成される。
本発明に係るポリシラザン含有の塗布液により形成されたバリア層は、改質処理前または改質処理中に水分が除去されていることが好ましい。そのために、バリア層中の有機溶媒の除去を目的とする第一工程と、それに続くバリア層中の水分の除去を目的とする第二工程とに分かれていることが好ましい。
本発明に係るバリア層の含水率は、以下に示す分析方法に従って測定することができる。
装置:HP6890GC/HP5973MSD
オーブン:40℃(2min)、その後、10℃/minの速度で150℃まで昇温
カラム:DB−624(0.25mmid×30m)
注入口:230℃
検出器:SIM m/z=18
HS条件:190℃・30min
本発明におけるバリア層中の含水率は、上記の分析方法により得られる含水量から、バリア層の体積で除した値として定義され、第二工程により水分が取り除かれた状態においては、好ましくは0.1%以下であり、さらに好ましい含水率は、0.01%以下(検出限界以下)である。
本発明における改質処理とは、ポリシラザン化合物の珪素酸窒化物への転化反応をいう。
改質処理として用いることのできるプラズマ処理としては、公知の方法を用いることができるが、前述の大気圧プラズマ処理が好ましい。
本発明において、改質処理の方法の1つとして、紫外線照射による処理も好ましい。紫外線(紫外光と同義)によって生成されるオゾンや活性酸素原子は高い酸化能力を有しており、低温で高い緻密性と絶縁性を有する酸化ケイ素膜または酸化窒化珪素膜を形成することが可能である。
本発明において、最も好ましい改質処理方法は、真空紫外線照射による処理(エキシマ照射処理)である。真空紫外線照射による処理は、ポリシラザン化合物内の原子間結合力より大きい100〜200nmの光エネルギーを用い、好ましくは100〜180nmの波長の光のエネルギーを用い、原子の結合を光量子プロセスと呼ばれる光子のみの作用により、直接切断しながら活性酸素やオゾンによる酸化反応を進行させることで、比較的低温で、酸化珪素膜の形成を行う方法である。
e+Xe→e+Xe*
Xe*+Xe+Xe→Xe2 *+Xe
となり、励起されたエキシマ分子であるXe2 *が基底状態に遷移するときに172nmのエキシマ光を発光する。
本発明において、基板である樹脂フィルム支持体上には平滑層が設けられていることが好ましい。
好ましい態様のひとつは、前述の感光性樹脂中に表面に光重合反応性を有する感光性基が導入された反応性シリカ粒子(以下、単に「反応性シリカ粒子」ともいう)を含むものである。ここで光重合性を有する感光性基としては、(メタ)アクリロイルオキシ基に代表される重合性不飽和基などを挙げることができる。また感光性樹脂は、この反応性シリカ粒子の表面に導入された光重合反応性を有する感光性基と光重合反応可能な化合物、例えば、重合性不飽和基を有する不飽和有機化合物を含むものであってもよい。また感光性樹脂としては、このような反応性シリカ粒子や重合性不飽和基を有する不飽和有機化合物に適宜汎用の希釈溶剤を混合することによって固形分を調整したものを用いることができる。
ブリードアウト防止層は、平滑層を有するフィルムを加熱した際に、フィルム支持体中から未反応のオリゴマーなどが表面へ移行して、接触する面を汚染してしまう現象を抑制する目的で、平滑層を有する基板の反対面に設けられる。
(支持体)
熱可塑性樹脂支持体として、両面に易接着加工された厚み125μmのポリエステルフィルム(帝人デュポンフィルム株式会社製、テトロンO3)の基板を、170℃で30分アニール加熱処理したものを用いた。
(ブリードアウト防止層の形成)
上記支持体の片面に、JSR株式会社製 UV硬化型有機/無機ハイブリッドハードコート材 OPSTAR Z7535を塗布、乾燥後の膜厚が4μmになるようにワイヤーバーで塗布した後、硬化条件;500mJ/cm2空気下、高圧水銀ランプ使用、乾燥条件;80℃、3分で硬化を行い、ブリードアウト防止層を形成した。
続けて上記支持体の反対面に、JSR株式会社製 UV硬化型有機/無機ハイブリッドハードコート材 OPSTAR Z7501を塗布、乾燥後の膜厚が4μmになるようにワイヤーバーで塗布した後、乾燥条件;80℃、3分で乾燥後、空気雰囲気下、高圧水銀ランプ使用、硬化条件;500mJ/cm2硬化を行い、平滑層を形成した。
(応力緩和層の形成)
次に、上記平滑層、ブリードアウト防止層を設けた支持体の上記平滑層の上に大気圧プラズマCVD法により珪素酸化物層を以下に示す条件で形成した。
上記平滑層、ブリードアウト防止層を設けた支持体の上に有機珪素化合物と酸素を原料した大気圧プラズマCVDにより以下に示す条件で薄膜形成した。膜厚は50nmである。ロール電極型放電処理装置を用いて処理を実施。ロール電極に対向する棒状電極を複数個フィルムの搬送方向に対し平行に設置し、各電極部に原料及び電力を投入し以下のように薄膜を形成した。
〈応力緩和層混合ガス組成物1〉
放電ガス:窒素ガス 94.85体積%
薄膜形成ガス:ヘキサメチルジシロキサン 0.15体積%
添加ガス:酸素ガス 5.0体積%
〈緩衝膜成膜条件〉
第1電極側 電源種類 ハイデン研究所 100kHz(連続モード) PHF−6k
周波数 100kHz
出力密度 10W/cm2(この時の電圧Vpは7kVであった)
電極温度 120℃
第2電極側 電源種類 パール工業 13.56MHz CF−5000−13M
周波数 13.56MHz
出力密度 5W/cm2(この時の電圧Vpは1kVであった)
電極温度 90℃
(バリア層の形成)
次に、上記試料応力緩和層上に珪素化合物層塗布液を用いてウェットプロセスにてバリア層を形成した。
パーヒドロポリシラザン(PHPS)の20質量%ジブチルエーテル溶液(AZエレクトロニックマテリアルズ(株)製 アクアミカ NAX120−20)を、乾燥後の膜厚が、200nmとなるようにワイヤレスバーの番手とパーヒドロポリシラザン溶液を脱水ジブチルエーテルで希釈し調整して、23℃50%RH環境下で、上記珪素酸化物膜層上に塗布、後に80℃、1分乾燥した試料を得た。
除湿処理を行った試料に対し、下記の条件で改質処理を施した。改質処理時の露点温度は−8℃で実施した。
装置:株式会社 エム・ディ・コム製エキシマ照射装置MODEL:MECL−M−1−200
波長:172nm
ランプ封入ガス:Xe
(改質処理条件)
稼動ステージ上に固定した試料を、以下の条件で改質処理を行って、バリア層を形成した。
試料と光源の距離 :1mm
ステージ加熱温度 :70℃
照射装置内の酸素濃度:1.0%
エキシマ照射時間 :5秒
以上により、ガスバリア性フィルムであるガスバリア積層体試料1を作製した。
〈プラズマCVD層〉
〈応力緩和層混合ガス組成物2〉
放電ガス:窒素ガス 99.0体積%
薄膜形成ガス:ヘキサメチルジシロキサン 0.5体積%
添加ガス:酸素ガス 0.5体積%
〈緩衝膜成膜条件〉
第1電極側 電源種類 ハイデン研究所 100kHz(連続モード) PHF−6k
周波数 100kHz
出力密度 12W/cm2(この時の電圧Vpは6kVであった)
電極温度 120℃
第2電極側 電源種類 パール工業 13.56MHz CF−5000−13M
周波数 13.56MHz
出力密度 5W/cm2(この時の電圧Vpは1kVであった)
電極温度 90℃
試料3
〈プラズマCVD層〉
〈応力緩和層混合ガス組成物3〉
放電ガス:窒素ガス 94.99体積%
薄膜形成ガス:テトラエトキシシラン 0.01体積%
添加ガス:酸素ガス 5.0体積%
〈第二酸化珪素膜成膜条件〉
第1電極側 電源種類 ハイデン研究所 100kHz(連続モード) PHF−6k
周波数 100kHz
出力密度 10W/cm2(この時の電圧Vpは7kVであった)
電極温度 120℃
第2電極側 電源種類 パール工業 13.56MHz CF−5000−13M
周波数 13.56MHz
出力密度 10W/cm2(この時の電圧Vpは2kVであった)
電極温度 90℃
試料4
前記試料1の応力緩和層を、塗布法を用いて作製した。大気圧プラズマ法を用いる代わりに、前記試料1のバリア層で用いたパーヒドロポリシラザン(PHPS)の改質処理による珪素酸化物層に置き換えた。
試料4において、応力緩和層を、パーヒドロポリシラザン(PHPS)に代えて、有機ポリシラザン(メチルヒドロポリシラザン)を用い、同条件で塗布、乾燥、改質処理して形成し試料5を作製した。
試料1において、応力緩和層を以下の樹脂組成物に変更したものを試料6とした。
上記平滑層、ブリードアウト防止層を設けた支持体の平滑層上に、下記組成物を、乾燥膜厚が400nmとなるように塗布し、80℃にて5分間乾燥した。次に80W/cm高圧水銀灯を12cmの距離から4秒間照射して硬化させた。
ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート単量体 60質量部
ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート2量体 20質量部
ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート3量体以上の成分 20質量部
ジエトキシベンゾフェノン(UV光開始剤) 2質量部
メチルエチルケトン 50質量部
酢酸エチル 50質量部
イソプロピルアルコール 50質量部
上記組成物を撹拌しながら溶解した。
上記平滑層、ブリードアウト防止層を設けた支持体の平滑層上に、真空プラズマ装置を用いて、40°で気化させたテトラメチルジシロキサン(TMDSO)を用い、TMDSO/酸素=0.5の流量比で真空容器内に導入し、13.3Paの真空度を維持しながら、13.56MHzの高周波を平行平板電極に導入してプラズマ放電を起こし、真空プラズマCVD法により膜厚50nmの珪素酸化物層を形成した。なお、出力密度は、5W/cm2であった。
真空プラズマCVD層形成条件として、真空度を26.6Paとし、出力密度を2W/cm2に代える以外は試料7と同様にして試料8とした。
作製した第一、第二、また第三の酸化珪素層の炭素含有量はXPSにて測定した(原子数濃度%)。炭素含有率は下記のXPS法によって算出される原子数濃度%であり、以下に定義される。
XPS表面分析装置は、本発明では、VGサイエンティフィックス社製ESCALAB−200Rを用いた。具体的には、X線アノードにはMgを用い、出力600W(加速電圧15kV、エミッション電流40mA)で測定した。エネルギー分解能は、清浄なAg3d5/2ピークの半値幅で規定したとき、1.5eV〜1.7eVとなるように設定した。
〔評価1:クラック耐性の評価〕
ポリシラザン改質時の膜収縮で発生する応力によるバリア層のクラック発生を、作製した試料表面について、100倍ルーペを用いて目視観察することで評価した。
5:クラック発生なし
4:クラック若干発生あるが、使用上問題なし
3:クラック発生あるが、使用上懸念
2:クラック発生あり、使用上問題あり
1:クラック発生あり、使用出来ない
〔評価2:ガスバリア性の評価〕
上記作製した各ガスバリア積層体について、下記の方法に従って、水蒸気透過率を測定し、これをガスバリア性の尺度とした。
以下の測定方法により評価した。
蒸着装置:日本電子(株)製真空蒸着装置JEE−400
恒温恒湿度オーブン:Yamato Humidic ChamberIG47M
レーザー顕微鏡:KEYENCE VK−8500
原子間力顕微鏡(AFM):Digital Instruments社製DI3100。
水分と反応して腐食する金属:カルシウム(粒状)
水蒸気不透過性の金属:アルミニウム(φ3〜5mm、粒状)
(水蒸気バリア性評価用セルの作製)
各試料No.1〜8のバリア層面に、真空蒸着装置(日本電子製真空蒸着装置 JEE−400)を用い、試料の測定面積部分(12mm×12mmを9箇所)以外をマスクし、金属カルシウムを蒸着させた。その後、真空状態のままマスクを取り去り、シート片側全面にアルミニウムをもう一つの金属蒸着源から蒸着させた。アルミニウム封止後、真空状態を解除し、速やかに乾燥窒素ガス雰囲気下で、厚さ0.2mmの石英ガラスに封止用紫外線硬化樹脂(ナガセケムテックス製)を介してアルミニウム封止側と対面させ、紫外線を照射することで、評価用セルを作製した。
4:1×10−4g/(m2・24h)以上、1×10−3g/(m2・24h)未満
3:1×10−3g/(m2・24h)以上、1×10−2g/(m2・24h)未満
2:1×10−2g/(m2・24h)以上、1×10−1g/(m2・24h)未満
1:1×10−1g/(m2・24h)以上。
各ガスバリア積層体を、半径が10mmの曲率になるように、180度の角度で100回の屈曲を繰り返した後、各ガスバリア積層体のガスバリア層面の顕微鏡観察と、下式に従って水蒸気透過率の劣化比率を測定し、下記の基準に従って折り曲げ耐性を評価した。
5:セラミック層でのクラックの発生がなく、また巻き付け操作前後での水蒸気透過率の劣化比率が1.2未満である
4:セラミック層でのクラックの発生がなく、また巻き付け操作前後での水蒸気透過率の劣化比率が1.2以上1.5未満である
3:セラミック層で極微小のクラックの発生が認められ、また巻き付け操作前後での水蒸気透過率の劣化比率が1.5以上2.0未満である
2:セラミック層で明らかなクラックの発生が認められ、また巻き付け操作前後での水蒸気透過率の劣化比率が2.0以上5.0未満である
1:セラミック層で明らかなクラックの発生が認められ、また巻き付け操作前後での水蒸気透過率の劣化比率が5.0以上である
積層の例
試料1のガスバリアユニットを2つ、または3つ繰り返し積層(応力緩和層、バリア層を交互に積層)したガスバリア積層体(試料9、10)を形成し、実施例1と同様にクラック耐性、耐屈曲性、バリア性能について評価したところ、バリア性能が大きく向上し、充分な応力緩和性能を持ち、耐屈曲性についても膜厚の増加にもかかわらず良好なレベルを維持していることが判った。
2 応力緩和層
3 バリア層
Claims (4)
- 基板の少なくとも片面に、金属酸化物および金属酸窒化物の少なくとも一方を含む応力緩和層を大気圧プラズマCVD法で形成し、前記応力緩和層上に、ポリシラザン単体からなるウェットコーティング層又はポリシラザンを主成分としてアミン又は金属の触媒を含むウェットコーティング層を真空紫外線照射により改質処理して珪素酸窒化物からなるバリア層を形成することを特徴とするガスバリア積層体の製造方法。
- 前記金属酸化物および金属酸窒化物は、炭素を含有することを特徴とする請求項1に記載のガスバリア積層体の製造方法。
- 前記金属酸化物および金属酸窒化物に含有される炭素は、元素比率で0.1%以上、30%未満であることを特徴とする請求項1または2に記載のガスバリア積層体の製造方法。
- 前記応力緩和層、及び前記バリア層をガスバリア層ユニットとした際に、前記基板の少なくとも片面に前記ガスバリア層ユニットを少なくとも二つ繰り返し積層することを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載のガスバリア積層体の製造方法。
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