JP6175419B2

JP6175419B2 - 評価装置

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Publication number: JP6175419B2
Application number: JP2014180639A
Authority: JP
Inventors: 高橋　洋祐; 洋祐高橋
Original assignee: Noritake Co Ltd
Current assignee: Noritake Co Ltd
Priority date: 2014-09-04
Filing date: 2014-09-04
Publication date: 2017-08-02
Anticipated expiration: 2034-09-04
Also published as: JP2016053557A

Description

本発明は、接合性を評価する評価装置に関する。

近年、金属やセラミックス等により構成される電子デバイスおよび電池部材等が、例えば３００℃以上の比較的高温となる環境下で使用される機会が増えてきている。また、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のように、使用温度域が６００℃〜１０００℃という高温の燃料電池の普及も進みつつある。加えて、かかる高温でも使用可能な電子デバイス、例えば、ＳｉＣ半導体デバイス等の要求が高まってきている。

電子デバイスおよび電池部材等を互いに接合する接合材料としては樹脂材料が一般的であるが、かかる樹脂材料はこのような高温環境下では用いることができない。そのため、金属やセラミックスからなる電子デバイスおよび電池部材等を例えば３００℃以上の高温で接合できたり、接合後に例えば３００℃以上の高温で使用できたりするガラス接合材料が注目されている。なお、この種の材料を接合する焼成炉に関する従来技術として、特許文献１、２が挙げられる。

特許第５４５２１８９号公報特許第５４４９６９０号公報

ところで、ＳＯＦＣや電子デバイス分野に用いられるガラス接合材料としては、３００℃以上の高温環境下で接合または使用されるため、そのような高温で長時間保持しても接合劣化が小さいように、高温で長時間保持した後の接合性（以下、単に「高温接合性」という。）が良いことが求められている。かかる高温接合性は、ガラス接合材料の組成や結晶状態、ガラス接合材料を製造するときの製造条件や製造方法によって容易に変わるため、ガラス接合材料と、これに接合される部材との高温接合性を事前に検査しておくことが望ましい。また、ガラス接合材料に限らず、近年、セラミックスや金属等の複数の異なる部材を積層焼成して、各部材を接合（典型的には一体焼結）する用途も増えてきている。このように、高温で積層焼成して接合するような各部材についても、高温接合性を事前に把握しておくことが望ましい。

従来、この種の高温接合性の良否をｉｎ‐ｓｉｔｕで定量的に評価する方法はなく、実際に焼成炉内で高温に長時間晒した後、常温に冷却して接合状態を目視にて確認するか、あるいは高温顕微鏡で疑似的に再現したミクロな接合状態のものを観察して評価していた。高温接合性の定量的な評価をｉｎ‐ｓｉｔｕでより簡易的に実施できれば大変有用であるが、そのような評価方法は十分に確立されていなかった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、上述したような各部材の積層体について、高温接合性をｉｎ‐ｓｉｔｕで定量的に評価することができる評価装置を提供することである。

本発明に係る装置は、第１部材の表面に第２部材が積層された積層体について、該第１部材と該第２部材との接合性を評価するための装置である。この装置は、内部を３００℃以上の温度域に保持可能に構成されたチャンバと、前記チャンバ内に配置され、前記積層体を保持するホルダと、前記ホルダに保持された前記積層体を前記チャンバに設けられた窓部の外部から撮像する撮像部と、前記撮像部で撮像した前記積層体の画像を解析して、前記第１部材に対する前記第２部材の接触角を計測する演算部とを備える。また、前記撮像部は、前記３００℃以上の温度域において加熱処理されている過程の前記積層体を経時的に撮像するように構成されている。そして、前記演算部は、前記加熱処理されている過程の前記第１部材に対する前記第２部材の接触角の経時変化を連続的に計測するように構成されている。

かかる評価装置によると、３００℃以上の温度域で加熱処理されている過程の第１部材に対する第２部材の接触角の経時変化を解析することにより、高温で長時間保持した後における第１部材と第２部材との接合性（高温接合性）を定量的に評価することができる。また、実際に積層体を加熱しながらｉｎ‐ｓｉｔｕで計測するので、実際の使用環境に近い条件で、しかも高い精度をもって上記評価を行うことが可能となる。

ここに開示される評価装置の好ましい一態様では、前記演算部は、前記連続的に計測された前記接触角の経時変化データから、ラーソンミラーパラメータを用いて接触角の長時間挙動を推定するように構成されている。かかる構成によると、比較的短期間の接触角の経時変化データから、例えば１０万時間というような高温で長時間保持した後の接合劣化（高温接合性）を加速的に評価することができる。

ここに開示される評価装置の好ましい一態様では、前記第１部材は金属またはセラミックスからなり、前記第２部材はガラスからなる。ガラス材料は、比較的高温となる環境下で金属またはセラミックス部材を接合する用途で利用され得る。上記構成によれば、実際の使用環境に近い条件でガラス接合材料と金属またはセラミックス部材との高温接合性を評価できるので、上記接合の用途に適したガラス接合材料の設計等を好適に行うことができる。第１部材を構成する金属またはセラミックス材料としては、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の固体電解質や支持体等に用いられるイットリア安定化ジルコニアに代表されるジルコニア系材料や、太陽電池およびＳＯＦＣ等のインターコネクタ等に用いられるステンレスに代表される鉄系合金、クロム系合金またはランタンクロマイト等が例示される。

ここに開示される評価装置の好ましい一態様では、前記チャンバは、内部を３００℃〜１５００℃の温度域に保持し得るように構成されている。このような温度範囲とすることにより、上述したＳＯＦＣなどの用途に用いられる各種材料からなる積層体をｉｎ‐ｓｉｔｕで精度よく評価することができる。

ここに開示される評価装置の好ましい一態様では、前記チャンバは、内部を所定のガス雰囲気に調整し得るように構成されている。このようにすれば、大気雰囲気以外のガス雰囲気に曝される用途に利用される積層体について、実際の使用環境に近い条件で、より高い精度をもって評価を行うことが可能となる。また、好ましい一態様では、前記チャンバは、内部を減圧し得るように構成されている。このようにすれば、減圧雰囲気に曝される用途に利用される積層体について、実際の使用環境に近い条件で、より高い精度をもって評価を行うことが可能となる。

ここに開示される装置の好ましい一態様では、前記チャンバの窓部は、冷却用媒体を流すための流路を有する。かかる構成によると、窓部の流路に冷却用媒体を流通させることによって、チャンバの窓部を冷却することができる。これにより、チャンバ内の熱が窓部を通して撮像部に伝わるのを抑制することが可能となり、例えば撮像部の熱による損傷を防止することができる。

ここに開示される装置の好ましい一態様では、前記チャンバの窓部と前記撮像部との間に遮熱板を備える。このように遮熱板で窓部と撮像部との間を隔離することによって、チャンバの窓部から撮像部に向かう熱を遮ることができる。そのため、チャンバ内の熱が撮像部に伝わるのを一層抑制することができる。

ここに開示される装置の好ましい一態様では、前記チャンバの窓部の外部からチャンバ内を照射するライトを備える。このようにすれば、チャンバ内が薄暗い場合でも、ライトにより積層体を照射して、撮像部による撮像を適切に行うことができる。

本発明の一実施形態に係る評価装置を模式的に示す図である。１０００℃で保持を開始したときの画像データである。１１００℃で保持を開始したときの画像データである。１２００℃で保持を開始したときの画像データである。１２００℃で２時間保持したときの画像データである。接触角の経時変化を示すグラフである。ラーソンミラーパラメータ（ＬＭＰ）を用いて推定した接触角の長時間挙動を示すグラフである。接合性評価を行う際の積層体（試験片）を示す画像である。

以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。なお、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。

ここで開示される評価装置は、第１部材の表面に第２部材が積層された積層体について、高温で長時間保持した後の第１部材と第２部材との接合性（高温接合性）を評価する装置である。本発明の実施にあたって高温接合性を評価する対象となる積層体は、複数の異なる部材を高温（例えば３００℃以上）で積層焼成して各部材を接合（例えば一体焼結）したり、あるいは接合後に高温（例えば３００℃以上）で使用したりする用途で利用される積層体であれば特に制限されない。高温接合性を評価する対象となる積層体は、そのような高温で積層焼成して接合したり、あるいは接合後に高温で使用したりする用途で利用される第１部材および第２部材を含むものであればよい。かかる第１部材および第２部材は、互いに接合される前の第１部材および第２部材であってもよいし、既に接合された第１部材および第２部材であってもよい。

第１部材および第２部材を構成する材料としては、例えば、ガラス材料や、セラミックス、半導体材料に代表される無機材料、ならびに各種の金属およびその合金あるいは金属間化合物等に代表される金属材料などが例示される。具体的には、ＳＯＦＣ、太陽電池、リチウム二次電池、自動車インバータ素子に代表されるインバータ部材、パワーエレクトロニクス半導体素子に代表されるパワーエレクトロニクス部材を構成する各種の材料（典型的にはガラス材料、セラミックス材料および金属材料など）が例示される。ここで開示される評価装置は、そのような高温環境下で接合したり、接合後に高温で使用したりする用途で利用される積層体に対して好適に使用することができる。

ここに開示される評価装置は、高温で長時間保持したときの第１部材に対する第２部材の接触角の経時変化を測定して、第１部材と第２部材との高温接合性をｉｎ‐ｓｉｔｕで定量的に評価する装置に関するものである。以下、図１を参照しながら、ＳＯＦＣの固体電解質に用いられるイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）と封止ガラスとが積層された積層体５０について、各部材間の高温接合性を評価する手順につき説明するが、本発明の適用対象を限定する意図ではない。図１は、その評価を行うための評価装置１００を模式的に示す図である。本実施形態の評価装置１００は、チャンバ１０と、ホルダ２０と、撮像部３０と、演算部４０とを備えている。

＜チャンバ＞
ここで開示される評価装置１００に用いられるチャンバ１０は、内部を３００℃以上の高温度域に保持可能に構成されている。チャンバ１０の加熱手段としては従来公知のものを特に制限なく使用することができる。チャンバ１０内の加熱温度としては、積層体５０の評価したい温度に応じて適宜設定すればよく、概ね３００℃以上（例えば３００℃〜１５００℃）にすることが適当であり、好ましくは５００℃以上（例えば５００℃〜１５００℃）であり、特に好ましくは７００℃以上（例えば８００℃〜１５００℃）である。ここで開示される評価装置１００は、そのような高温環境下で接合したり、接合後に高温で使用したりする用途で利用される積層体５０に対して好適に利用することができる。好ましい一態様では、上記積層体５０の近傍に温度センサ（例えば熱電対）１８を備えている。このように積層体５０の近傍に温度センサ１８を備えることによって、積層体５０の温度を正確に把握して演算部４０にフィードバックすることができる。これにより、チャンバ１０内の温度を積層体５０の評価したい温度に正確にコントロールでき、より精度の高い評価を行うことが可能になる。

チャンバ１０は、内部を任意のガス雰囲気に調整可能に構成されており、積層体５０の実際の使用時に近いガス雰囲気をチャンバ１０内に形成し得るようになっている。チャンバ１０内に形成し得るガス雰囲気のガスとしては、水素ガスもしくは水素ガスやアンモニアガスを含む混合ガスの他にメタン（ＣＨ_４）ガス、炭酸（ＣＯ_２）ガス等の還元性ガスを用いることができる。あるいは、窒素（Ｎ_２）やアルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスであってもよい。これらのガスの１種または２種以上を用いてもよい。２種以上の混合ガスを用いる場合には、２種以上のガスを同一のノズルからチャンバ１０内に導入してもよいし、別々のノズルから導入してもよい。このように、チャンバ１０の内部を任意のガス雰囲気に調整可能に構成することにより、大気雰囲気以外のガス雰囲気に曝される用途に利用される積層体５０についても、実際の使用環境に近い条件で、より高い精度をもって評価を行うことが可能となる。

また、チャンバ１０は、チャンバ内部の圧力を任意に調整可能に構成されており、積層体５０の実際の使用時に近い圧力雰囲気をチャンバ１０内に形成し得るようになっている。例えば、チャンバ１０は、内部の圧力を１００Ｐａ以下（好ましくは０．１Ｐａ以下、より好ましくは１０^−５Ｐａ以下）に調整可能に構成されているとよい。このように、チャンバ１０の内部圧力を任意に調整可能に構成することにより、大気圧以外の減圧雰囲気に曝される用途に利用される積層体５０についても、実際の使用環境に近い条件で、より高い精度をもって評価を行うことが可能となる。

ここで開示される評価装置１００に用いられるチャンバ１０は、該チャンバ１０の壁面に窓部１２が設けられている。チャンバ１０の壁面に設けられた窓部１２を通して、チャンバ１０内の積層体５０を視認できるようになっている。また、チャンバ１０の壁面に設けられた窓部１２を通して、前記撮像部３０がチャンバ１０内の積層体５０を撮像し得るようになっている。この実施形態では、チャンバ１０の窓部１２は、冷却用媒体を流すための流路１４を有している。かかる構成によると、窓部１２の流路１４に冷却用媒体を流通させることによって、チャンバ１０の窓部１２を冷却することができる。これにより、チャンバ１０内の熱が窓部１２を通して撮像部３０に伝わるのを抑制することが可能となり、例えば撮像部３０の熱による損傷を防止することができる。好ましい一態様では、窓部１２の周囲に上記流路１４を有する水冷ジャケット１６が装着されている。このようにすれば、窓部１２を水冷ジャケット１６で保護するとともに、窓部１２を効率的に冷却し得る。

＜ホルダ＞
ホルダ２０は、チャンバ１０内に配置され、当該チャンバ１０内において積層体５０を保持するように構成されている。この実施形態では、ホルダ２０は、積層体５０を保持する台（ステージ）であり、その上面に積層体５０を載置し得るようになっている。ホルダ２０は、例えば、保持された積層体５０の姿勢や向きを変える機能（例えば３方向に移動可能なＸＹＺ軸ステージ）が備えられていてもよい。このようにすれば、種々の角度から積層体５０を撮像することができる。また、ホルダ２０は、積層体５０の設置や交換等が容易となるように、チャンバ１０内を移動する機能が備えられていてもよい。

上記ホルダ２０に保持される積層体５０の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、板状、円柱状、円筒状、棒状、直方体、段差を有する形状など、様々な形状を有するものが挙げられる。この実施形態では、積層体５０は、板状の第１部材５２上に円柱状の第２部材５４が積層された試験片の形態であり得る。板状の第１部材５２は、平板状のものを用いてもよいし、例えば、目的に応じて所望の加工が施されたものを用いてもよい。板状の第１部材５２については、表面形状が平滑なものであってもよいし、例えば表面の所定の位置に窪み等が設けられていてもよい。また、円柱状の第２部材５４については、その直径が本発明の目的である接触角の計測が可能な範囲であればよく、通常は３０ｍｍ〜１００ｍｍであり、好ましくは４０ｍｍ〜６０ｍｍ程度である。本実施形態において好ましい第１部材５２として、ＹＳＺ等のセラミックス材料や金属材料が挙げられる。また、好ましい第２部材５４としてガラス材料が挙げられる。

＜撮像部＞
撮像部３０は、上記ホルダ２０に保持された積層体５０をチャンバ１０に設けられた窓部１２の外部から撮像するものとして構成されている。撮像部３０としては、窓部１２の外部（典型的にはチャンバ１０の外部）から積層体５０を高解像度で撮像できるものであれば特に限定することなく使用することができる。例えばＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどを用いた公知の撮像装置（カメラ）を使用することができる。撮像部３０は、第１部材５２と第２部材５４との接触状態を撮像データとして取り込み、この撮像データを演算部４０に送信する。好ましい一態様では、撮像部３０は、積層体５０を第１部材５２の表面に沿う方向から撮像するように構成されている。このようにすれば、第１部材５２と第２部材５４との接触状態をより正確に撮像することができる。また、撮像部３０は、３００℃以上の高温度域において加熱処理されている過程の積層体５０を経時的に撮像するように構成されている。撮像部３０は、第１部材５２と第２部材５４との接触状態を撮像データとして経時的に取り込み、この撮像データを演算部４０に経時的に送信する。なお、ここでいう「継続的に」とは、撮像が途切れることなく行われる態様の他、撮像が一定時間（例えば１分〜１００時間）毎に断続的に継続して行われることを包含する。

好ましい一態様では、チャンバ１０の窓部１２と撮像部３０との間に遮熱板３２を備えている。一実施形態として好適な遮熱板３２は、結晶化ガラスやホウ珪酸ガラス等で形成されて高い耐熱性を有しており、撮像部３０の前側に取り付けられている。遮熱板３２は、透光性の観点からは１枚であることが好ましいが、遮熱性能の観点からは２枚以上の遮熱板３２を使用してもよい。このように遮熱板３２で窓部１２と撮像部３０との間を隔離することによって、チャンバ１０の窓部１２から撮像部３０に向かう熱を遮ることができる。そのため、チャンバ１０内の熱が撮像部３０に伝わるのをより効果的に抑制することができる。

また、好ましい一態様では、チャンバ１０の窓部１２の外部からチャンバ１０内を照射するライト３４を備えている。この実施形態では、ライト３４は、窓部を通してチャンバ１０内に向けられ、積層体５０を照らすようになっている。このようにすれば、チャンバ１０内が薄暗い場合でも、ライト３４により積層体５０を照射して、撮像部３０による撮像を適切に行うことができる。

＜演算部＞
演算部４０は、撮像部３０で撮像した積層体５０の画像を解析して、第１部材５２に対する第２部材５４の接触角を計測するように構成されている。この実施形態では、演算部４０は、撮像部３０から取りこまれた積層体５０の画像から自動的に第２部材５４／第１部材５２間の境界を決定し、第２部材５４の外表面を検出する。そして、θ／２法、接線法あるいはカーブフィッティング法に基づき、第１部材５２に対する第２部材５４の接触角（すなわち第２部材５４の接線と第１部材５２の表面との成す角度）を計測する。かかる演算部４０としては、所定の処理機能を備えるコンピュータ、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）等を好適に用いることができる。かかるコンピュータには、少なくとも、上記処理を行うためのプログラムを記憶したＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）と、そのプログラムを実行可能なＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）と、入出力ポートとが含まれる。該コンピュータには、チャンバ１０の温度センサ（例えば熱電対）１８等からの各種信号、および撮像部３０からの信号（出力）などが入力ポートを介して入力される。また、該コンピュータからは、撮像部３０やチャンバ１０への駆動信号などが出力ポートを介して出力される。

演算部４０は、撮像部３０から取りこまれた積層体５０の画像から、加熱処理されている過程の第１部材５２に対する第２部材５４の接触角の経時変化を連続的に計測するように構成されている。また、演算部４０は、連続的に計測された接触角の経時変化データから、温度と時間の関数で表されるラーソンミラーパラメータ（ＬＭＰ）を用いて、接触角の長時間挙動を推定する。なお、ここでいう「連続的に」とは、計測が途切れることなく行われる態様の他、計測が一定時間（例えば１分〜１００時間）毎に断続的に継続して行われることを包含する。

ここで、図２〜図５は、第１部材５２の表面に第２部材５４が積層された積層体５０について、本実施形態に係る評価装置１００を用いて、チャンバ１０内を１０００℃、１１００℃、１２００℃で保持したときの積層体５０の画像の一例である。図２は１０００℃で保持を開始したときに得られる画像を、図３は１１００℃で保持を開始したときに得られる画像を、図４は１２００℃で保持を開始したときに得られる画像を、図５は１２００℃で２時間保持したときに得られる画像を、それぞれ示している。また、図６は、１０００℃、１１００℃、１２００℃で保持したときの第１部材５２に対する第２部材５４の接触角の経時変化を示すグラフである。かかる接触角の値は、上記画像のカーブフィッティング法に基づく自動解析により得られたものである。

図２〜図４および図６に示すように、第１部材５２に対する第２部材５４の接触角は、加熱温度が大きくなるに従い、減少傾向を示す。例えば、図２は加熱温度が１０００℃の場合に対応する画像データであり、ここでは第１部材５２の表面上で第２部材５４は殆ど流動しておらず、接触角は略９０℃を保っている。一方、図４は加熱温度が１２００℃の場合に対応する画像データであり、ここでは第１部材５２の表面上で第２部材５４が濡れ広がるため、接触角は減少している。また、図４、図５および図６に示すように、第１部材５２に対する第２部材５４の接触角は、同一の温度でも保持時間が大きくなるに従い、減少傾向を示す。例えば、図５は１２００℃で２時間保持した場合に対応する画像データであり、ここでは第１部材５２の表面上で第２部材５４が大きく濡れ広がるため、図４よりも接触角はさらに減少している。このような接触角の減少は、加熱温度および保持時間が大きくなるに従い、接合劣化と共に進行する。すなわち、接触角が減れば減るほど、その温度およびその保持時間における第１部材５２と第２部材５４との接合劣化が大きいことを示している。

ここで開示される評価装置１００では、このような接触角の経時変化データから、温度と時間の関数で表されるラーソンミラーパラメータ（ＬＭＰ）を用いて、接触角の長時間挙動を推定する。ここでＬＭＰは、加熱温度をＴ（℃）、保持時間をｔ、材料によって決まる固有の定数をＣとすると、下記式（１）にて算出され得る。なお、上記定数Ｃは一般的に２０とされるが、必ずしも２０である必要はない。

ＬＭＰ＝（Ｔ＋２７３）×（Ｃ＋ｌｏｇｔ）（１）

上記式（１）に示されるように、ＬＭＰは、加熱温度Ｔと保持時間ｔとから一義的に算出される。そして、加熱温度Ｔのみを変化させた場合、ＬＭＰは一定であるので、高温かつ短時間の接触角の経時変化データから、低温かつ長時間の接触角の挙動を推定することができる。例えば、１２００℃で１０００時間保持したときの接触角は、１０８２℃で１０万時間保持したときの接触角に相当する。したがって、１２００℃で１０００時間保持したときの接触角の経時変化データから、１０８２℃で１０万時間保持したときの接触角の長時間挙動を推定することが可能になる。そして、このように推定された接触角の長時間挙動から、高温で長時間（例えば１０万時間）保持した後における第１部材５２と第２部材５４との接合性（接合劣化）を加速的に評価することができる。

演算部４０は、図７に示すように、上記推定した接触角の長時間挙動をグラフ形式で表示部（図示せず）に出力してもよい。図７は、図６の１２００℃における接触角の経時変化データから、ＬＭＰを用いて換算した８００℃における接触角の長時間挙動を示すグラフである。表示部では、上記推定した接触角の長時間挙動がグラフ形式で表示され得る。これにより、上記推定した接触角の長時間挙動を視覚的に把握することができる。

また、演算部４０は、上記推定した接触角の長時間挙動に基づいて、高温接合性の良否を判定するように構成してもよい。好ましい一態様では、良否の判定基準となる接触角の値をコンピュータ（ＨＤＤ等）に予め記憶させておき、これを閾値として上記推定した接触角の長時間挙動（例えば所定の耐久時間（例えば１０万時間）経過時における接触角）と比較することにより、高温接合性が良いか否かを判定する。例えば、接触角の閾値を２０°に設定した場合、上記推定した接触角の長時間挙動が２０°を上回る場合に「○」と判定し、２０°以下の場合に「×」と判定してもよい。また、このとき、上記高温接合性の判定基準（閾値）を複数用意することにより、良否を段階的に判定してもよい。この判定結果を表示部に出力してもよい。本実施形態によれば、ＬＭＰを用いて１０万時間を超えるような接触角の長時間挙動を短時間で取得できるので、高温接合性を迅速に評価することができる。

以上のように、本実施形態に係る評価装置１００によれば、３００℃以上の高温度域で加熱処理されている過程の第１部材５２に対する第２部材５４の接触角の経時変化から、第１部材５２と第２部材５４との高温接合性を定量的に評価することができる。また、実際に積層体５０を加熱しながらｉｎ‐ｓｉｔｕで自動的に計測するので、実際の使用環境に近い条件で、しかも高い精度をもって上記評価を行うことが可能となる。

また、この実施形態では、連続的に計測された接触角の経時変化データから、ＬＭＰを用いて接触角の長時間挙動を推定するので、比較的短時間の接触角の経時変化データから、例えば１０万時間というような長時間の高温耐久性を加速的に評価することが可能になる。そのため、ＳＯＦＣや太陽電池など、１０万時間というような耐久性のデータが求められる用途において、本実施形態の評価装置１００は好適に利用され得る。

以下、本発明に関する実施例を説明するが、本発明を以下の実施例に示すものに限定することを意図したものではない。

図１に示す評価装置１００を用いて、ＳＯＦＣの固体電解質に用いられるＹＳＺと封止ガラスとの高温接合性を評価した。具体的には、図８に示すように、板状のＹＳＺからなる第１部材５２の表面に円柱形状の封止ガラスからなる第２部材５４を積層した。この段階では、第１部材５２に対する第２部材５４の接触角は９０℃である。

次いで、かかる積層体５０をチャンバ１０のホルダ２０にセットし、１０００℃で２４０分（４時間）保持した。チャンバ内の雰囲気は大気雰囲気とした。その際、保持開始から２０分ごとに撮像部３０で第１部材５２と第２部材５４との接触状態を撮像し、取り込んだ撮像データから第１部材５２に対する第２部材５４の接触角をカーブフィッティング法に基づき計測した。また、加熱温度を１１００℃、１２００℃に変更して加熱試験を同じ手順で実施した。そして、同様の手順で第１部材５２に対する第２部材５４の接触角を２０分ごとに計測した。各温度における接触角の径時変化を図６に示す。

また、図６の１２００℃における接触角の経時変化データから、ＬＭＰを用いてシミュレーションを行い、８００℃における接触角の長時間挙動に換算した。結果を図７のグラフに示す。図７に示すように、１２００℃で４時間保持した場合の接触角の経時変化データから、８００℃で１８万時間保持した場合の接触角の長時間挙動に換算して、高温で長時間保持した後の接合性を予想することができた。

以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

例えば、上述した実施例では、第１部材５２にＹＳＺが用いられ、第２部材５４に封止ガラスが用いられている。第１部材５２および第２部材５４の構成材料は、これに限定されない。第１部材５２および第２部材５４は、焼成により相互に接合可能な材料であればよい。例えば、第１部材５２に金属が用いられ、第２部材５４にガラスが用いられてもよい。また、第１部材５２に金属が用いられ、第２部材５４にセラミクッスが用いられてもよい。本評価装置１００によれば、積層体５０の構成材料にかかわらず、異なる部材間の高温接合性をｉｎ‐ｓｉｔｕで定量的に評価することができる。

また、上述した実施形態では、演算部４０は、連続的に計測された接触角の経時変化データから、ラーソンミラーパラメータ（ＬＭＰ）を用いて、接触角の長時間挙動を推定するように構成されているが、これに限定されない。例えば、連続的に計測された接触角の経時変化データ（実測値）から、直接的に高温接合性を評価してもよい。ただし、上述した実施形態の如く、ＬＭＰを用いて接触角の長時間挙動を推定した方が、例えば１０万時間というような接触角の長時間挙動をより短時間で取得できる点で好ましい。

また、上述した実施形態では、積層体５０は、板状の第１部材５２上に円柱状の第２部材５４が積層された試験片の形態である。積層体５０の形態はこれに限定されるものではない。例えば、積層体５０は、製品として実際に使用される形態であってもよい。例えば、ＳＯＦＣの単セルまたは該単セルを複数搭載したスタックをチャンバ１０内に配置し、そのまま評価対象としてもよい。この場合、ＳＯＦＣを実際の使用環境下で発電しながら、各部材の高温接合性を評価してもよい。このようにすれば、実際の使用環境にさらに近い条件で、より高い精度をもって評価を行うことが可能である。

１０チャンバ
１２窓部
１４流路
２０ホルダ
３０撮像部
３２遮熱板
３４ライト
４０演算部
５０積層体
５２第１部材
５４第２部材
１００評価装置

Claims

第１部材の表面に第２部材が積層された積層体について、該第１部材と該第２部材との接合性を評価するための装置であって、
内部を３００℃以上の温度域に保持可能に構成されたチャンバと、
前記チャンバ内に配置され、前記積層体を保持するホルダと、
前記ホルダに保持された前記積層体を前記チャンバに設けられた窓部の外部から撮像する撮像部と、
前記撮像部で撮像した前記積層体の画像を解析して、前記第１部材に対する前記第２部材の接触角を計測する演算部と
を備え、
前記撮像部は、前記３００℃以上の温度域において加熱処理されている過程の前記積層体を経時的に撮像するように構成されており、
前記演算部は、前記加熱処理されている過程の前記第１部材に対する前記第２部材の接触角の経時変化を連続的に計測するように構成され、かつ、
前記連続的に計測された前記接触角の経時変化データから、ラーソンミラーパラメータを用いて接触角の長時間挙動を推定するように構成されている、評価装置。
前記演算部は、前記推定した接触角の長時間挙動に基づいて、前記第１部材と前記第２部材との高温接合性の良否を判定するように構成されている、請求項１に記載の評価装置。
前記第１部材は、金属またはセラミックスからなり、
前記第２部材は、ガラスからなる、請求項１または２に記載の評価装置。
前記チャンバは、内部を３００℃〜１５００℃の温度域に保持し得るように構成されている、請求項１〜３の何れか一つに記載の評価装置。
前記チャンバは、内部を所定のガス雰囲気に調整し得るように構成されている、請求項１〜４の何れか一つに記載の評価装置。
前記チャンバは、内部を減圧し得るように構成されている、請求項１〜５の何れか一つに記載の評価装置。
前記チャンバの窓部は、冷却用媒体を流すための流路を有する、請求項１〜６の何れか一つに記載の評価装置。
前記チャンバの窓部と前記撮像部との間に遮熱板を備える、請求項１〜７の何れか一つに記載の評価装置。
前記チャンバの窓部の外部からチャンバ内を照射するライトを備える、請求項１〜８の何れか一つに記載の評価装置。
燃料電池を構成する材料の接合性を評価するために用いられ、
前記燃料電池は、前記積層体を備え、
前記撮像部は、前記チャンバ内で前記燃料電池が発電している過程の前記積層体を経時的に撮像するように構成され、
前記演算部は、前記発電している過程の前記第１部材に対する前記第２部材の接触角の経時変化を連続的に計測するように構成されている、請求項１〜９の何れか一つに記載の評価装置。