JPWO2019003809A1 - フィルムの処理方法及びフィルムの製造方法 - Google Patents

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Abstract

磁界を形成する磁石3b,4bをそれぞれが有する第1放電電極ユニット3及び第2放電電極ユニット4と、第1放電電極ユニット3及び第2放電電極ユニット4の極性を交互に切り替え可能な交流電源5とを備えるフィルム処理装置1により行われる処理方法を開示する。この処理方法では、交流電源5から供給される高周波電力により第1放電電極ユニット3及び第2放電電極ユニット4の極性を交互に切り替えながらプラズマPを生成して、フィルムFに対する所定の表面処理を行う。

Description

本発明は、フィルムの処理方法及びフィルムの製造方法に関する。
特許文献1は、蒸着フィルムの製造方法の一例を開示する。この蒸着フィルムの製造方法では、蒸着の前処理として、基材フィルムを連続的に走行させながらプレーナーマグネトロン方式の放電電極を用いたプラズマ処理を行っている。
特開2016−186106号
しかしながら、特許文献1に示す処理方法では、フィルム表面に陰極降下電圧のような高い電圧は誘起されにくく、その降下電圧は小さくなる傾向にある。また、直流方式によるマグネトロン放電では、一般的にマグネトロン電極側が陰極(カソード)で、カソード電極近傍に多くのアルゴン(Ar)等のイオンや電子が混在するため、カソード電極側でプラズマ密度が高くなり、カソード電極から離れるに従ってプラズマ密度が低下してしまう。このため、フィルムに対する所定の処理(プラズマ処理)を効率的に行えない場合がある。更に、直流方式によりカソード電極が常に陰極(カソード)となり、カソード電極の表面の非エロージョン部などに堆積した絶縁被膜などに電荷が集中してしまう。このことから、アーク放電等の異常放電が発生してしまう虞もあり、特に大きな電力の投入や長時間の放電ではプラズマ処理動作が不安定になってしまう可能性がある。
本発明は、フィルムに対する処理能力を向上させると共に、プラズマ処理動作を安定して行うことができるフィルムの処理方法、及びフィルムの製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、その一側面として、フィルムの処理方法に係り、このフィルムの処理方法は、磁界を形成する磁石をそれぞれが有する第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットと、第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットに電気的に接続され第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットの極性を交互に切り替え可能な交流電源とを備えるプラズマ処理装置を準備する工程と、交流電源から第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットに対して高周波電力を供給してプラズマ処理装置内にプラズマを生成させると共に、処理対象であるフィルムをプラズマ処理装置に通して搬送し当該プラズマによりフィルムの表面処理を行う工程と、を備えている。このフィルムの処理方法では、交流電源(例えば、サイン波又は矩形波どちらでも良い)から供給される高周波電力により第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットの極性を交互に切り替えながらプラズマを生成してフィルムの表面処理を行う。
このフィルムの処理方法では、フィルムの処理に用いるプラズマを生成させるために2つの放電電極ユニットを用い、これら放電電極ユニットに対して交流である高周波電力を供給する。この方法によれば、各電極ユニットの極性が所定の周期で交互に切り替わるため、電極表面に堆積した絶縁被膜などで発生する電荷のチャージアップが緩和されて、アーキングが発生しづらくなる。また、チャージアップが緩和されることから、より高い電力を各放電電極ユニットに供給することができるため、フィルム表面に照射されるプラズマ中のイオンが増え、処理が進みやすくなる。以上により、本発明に係るフィルムの処理方法によれば、フィルムに対する処理能力を向上させると共に、プラズマ処理動作を安定して行うことができる。上記の表面処理方法においては、第1放電電極ユニットと第2放電電極ユニットの間にプラズマが発生し、磁石によって生じる磁界によってプラズマはフィルムに近づくようブリッジ上に生成される。すなわち、上記の処理方法によれば、フィルム近傍でのプラズマ密度の低減を直流方式と比べて抑えることができる。
上述したフィルムの処理方法において、高周波電力の周波数が1kHz以上400kHz以下の間であってもよく、高周波電力の周波数が10kHz以上100kHz以下の間であってもよい。この場合、第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットの極性の切り替えが好適に行われるため、各放電電極ユニットにおけるチャージアップが好適に緩和される。そのため、アーク放電等の異常放電を発生させることがなく、大電力を投入することができる。
上述したフィルムの処理方法において、第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットはそれぞれが平板電極を備えて構成されており、第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットが並列に配置されていてもよい。この場合、平板型(いわゆるプレーナ型)のマグネトロンプラズマ処理装置を用いることができるため、装置構成を簡素化しやすくなる。また、加工対象のフィルムをフラットな状態のまま処理するため、より均一な処理を実現することが可能となる。加えて、フィルムをロール上に搬送させて処理するよりもプラズマに暴露される時間が長いため、より効率的に処理を行うことができる。ここで用いられるプラズマ処理装置として、平板型のマグネトロンプラズマ処理装置に代えて、円筒側(いわゆるロータリー型)のマグネトロンプラズマ処理装置を用いてもよい。この場合には、第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットは、円筒型の電極を備える構成であってもよい。
上述したフィルムの処理方法において、プラズマ処理に用いられるフィルム幅方向の電極幅及び処理速度当たりのプラズマ処理強度Epdが100[W・s/m]以上、好ましくは、200[W・s/m]以上となるように交流電源は所定の電力を第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットに供給してもよい。この場合、より高い電力を各放電電極ユニットに供給することで、フィルム表面に照射されるプラズマ中のイオンが増え、加工対象であるフィルムへの処理をより確実に行うことが可能となる。ここでいうプラズマ処理強度Epdは、以下の式(1)又は(2)により表すことができ、処理パワー[W]は交流電源からの電力であり、フィルム流れ方向の電極幅[m]/電極面積[m]は放電電極ユニットの電極幅/電極面積であり、処理速度[m/s]は、処理されるフィルムの搬送速度である。
Figure 2019003809
本発明は、別の側面として、フィルムの製造方法に係り、このフィルムの製造方法は、上述した何れかのフィルムの処理方法により当該フィルムへの蒸着の前処理を行う工程と、当該蒸着の前処理工程が行われたフィルムの処理面に蒸着層を形成する工程と、を備えている。また、フィルムの製造方法の別の例として、上述した何れかのフィルムの処理方法により当該フィルムへの他の層の積層の前処理を行う工程と、当該積層の前処理工程が行われたフィルムの処理面に他の層を積層する工程と、を備えていてもよい。なお、いずれの製造方法においても、フィルムと蒸着層又は他の層との密着力が、JIS K 6854−2(180度はく離)及びJIS K 6854−3(T形はく離)に準拠した測定により通常の条件(Dry)で3N/15mm以上で、且つ、水を付けながらの条件(Wet)で1N/15mm以上であることが好ましい。
本発明は、更に別の側面として、フィルムの処理装置に係り、この処理装置は上述した何れかに記載のフィルムの処理方法に用いられるプラズマ処理装置であって、搬送されるフィルムがプラズマ処理装置内に出入りするための入口及び出口を有するボックスと、当該ボックス内に配置され、磁界を形成する磁石をそれぞれが有する第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットと、第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットに電気的に接続され第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットの極性を交互に切り替え可能な交流電源と、を備えている。このプラズマ処理装置によれば、蒸着装置等を含む処理装置を小型化することが出来ると共に、その動作を安定化させることが可能となる。このボックスが真空チャンバー内に収められていてもよいし、ボックス自体が真空チャンバーの機能を有していてもよい。すなわち、第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットが収められたボックスに排気系を設置し、他の部屋と個別に圧力を設定できる構成にしてもよい。
上述したフィルム処理装置において、第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットはそれぞれが平板電極を備えて構成されており、第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットが並列に配置されていてもよい。この場合、平板型のマグネトロンプラズマ処理装置を用いることができるため、装置構成を簡素化しやすくなる。
本発明によれば、フィルムに対する処理能力を向上させると共に、プラズマ処理動作を安定して行うことが可能なフィルムの処理方法、及びフィルムの製造方法を提供することができる。
図1は、本発明の一実施形態に係るフィルムの処理方法に用いられるフィルム処理装置(プラズマ処理装置)を模式的に示す模式断面図であり、図1(a)及び(b)は切替の状態を示している。 図2は、図1に示すフィルム処理装置の各放電電極ユニットに供給される高周波電力の周波数信号の一例を示す図である。 図3(a)、(b)及び(c)は、図1に示すフィルム処理装置により製造される、蒸着層を含む積層体フィルムの一例を示す断面図である。 図4(a)及び(b)は、図1に示すフィルム処理装置により製造される、他の層が積層される積層体フィルムの一例を示す断面図である。
以下、本発明に係るフィルムの処理方法、及びフィルムの製造方法の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いる場合があり、重複する説明は省略する。
図1は、本発明の一実施形態に係るフィルムの処理方法に用いられるフィルム処理装置(プラズマ処理装置)を模式的に示す模式断面図である。図1に示されるように、本実施形態に用いられるフィルム処理装置1は、例えば真空装置内に配置され、2つのマグネトロン・カソードに交流電圧を印加することで相互に放電を行うマグネトロンプラズマ処理装置である。フィルム処理装置1は、ボックス2と、ボックス2内に並列に配置される第1放電電極ユニット3及び第2放電電極ユニット4と、第1放電電極ユニット3及び第2放電電極ユニット4に電気的に接続される交流電源5とを備えて構成されている。加工対象のフィルムFはフィルム処理装置1内に挿入され、装置内部で生成されるプラズマPにより所定の表面処理が行われる。マグネトロンプラズマ処理装置は、電極の裏面側に磁石(S極、N極)を配置して磁界Gを形成し、高密度プラズマを発生させてイオンエッチング等(基材表面のアモルファス化や官能基の変化なども含む)を行う装置である。第1放電電極ユニット3及び第2放電電極ユニット4の各電極は、フィルムFの流れ方向(MD、図1における左右方向)に対して直交する方向(TD、「フィルム幅方向」と言う。図1の紙面に対して直交する方向)に並列に配置されている。そして、フィルム幅方向の電極幅がフィルムFの幅以上に設計されていることにより、フィルムの全面に均一に処理を行うことが可能になっている。
ボックス2は、上述したように真空装置内に配置され、その内部が所定の減圧状態とされる筐体である。ボックス2には、プラズマPによる表面処理の対象となるフィルムFの挿入及び搬出が可能なように、入口2a及び出口2bが設けられている。
第1放電電極ユニット3及び第2放電電極ユニット4それぞれは、平板型(プレーナ型)のマグネトロンプラズマ処理装置の電極ユニットであり、平板状の電極3a,4a(平板電極)と、平板状の電極3a,4aの裏側に配置され、磁界を形成する磁石3b,4bとを備えている。平板状の電極3a,4aは、例えばステンレスから構成することができるが、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)又はジルコニウム(Zr)などの金属から構成されていてもよい。各磁石3b及び4bは、S極とN極とが対になった複数の永久磁石(例えばネオジム磁石等)から構成されており、隣接する磁石の磁化方向が異なっている。このような磁石3b及び4bにより、空間中に磁界Gが形成され、第1放電電極ユニット3及び第2放電電極ユニット4は、高密度プラズマを生成することができる。このような構成を備えた第1放電電極ユニット3及び第2放電電極ユニット4は、交流電源5の両端にそれぞれ電気的に接続されている。磁石3b及び4bにより形成される磁界Gは、平面視(図示上方から視た際に)リング状(ドーナツ状)に形成されていることが望ましい。
第1放電電極ユニット3及び第2放電電極ユニット4は、詳細は後述するが、交流電源5から供給される高周波電力による切り替えにより、一方がカソードとして機能した際には他方がアノードとして機能するように構成される。このような構成の第1放電電極ユニット3及び第2放電電極ユニット4は、いずれにも地絡していない状態で交流電源5に電気的に接続されている。
交流電源5は、所定の高周波電力を第1放電電極ユニット3及び第2放電電極ユニット4に供給するためのプラズマ発生電源である。交流電源5が交流である高周波電力を第1放電電極ユニット3及び第2放電電極ユニット4に供給することにより、一方の放電電極ユニットがカソードの際に他方の放電電極ユニットがアノードとなり、荷電粒子が第1放電電極ユニット3及び第2放電電極ユニット4との間を行き来する状態が形成される(図1(a)及び(b)参照)。つまり、交流電源5からの高周波信号により、第1放電電極ユニット3及び第2放電電極ユニット4において交互にマグネトロン放電が為される。
交流電源5から供給される高周波電力は、例えば3kW以上である。また、このフィルム処理装置1では、プラズマ処理に用いられる電極幅(流れ方向の電極長さ)と処理速度当たりの処理強度Epdが100[W・s/m]以上となるように、交流電源5は、所定の電力を第1放電電極ユニット3及び第2放電電極ユニット4に供給してもよい。ここでいう「Epd」は、以下の式(1)又は式(2)により表すことができ、処理パワー[W]は交流電源5からの電力であり、フィルムFの流れ方向の電極幅[m]/電極面積[m]は放電電極ユニットの電極幅/電極面積であり、処理速度[m/s]は、処理されるフィルムの搬送速度である。
Figure 2019003809
上記式(1)及び(2)における電極面積とは、カソード電極の面積を意味するが、本発明におけるカソード電極は、交流電圧の印加のために電極3a,4aで交互に入れ替わることになるため、2つの電極の面積を足して2で割ったものに等しく、同一形状であれば一方の面積に等しい。
また、交流電源5から供給される高周波電力の周波数は、例えば1kHz以上400kHz以下の周波数であり、より好ましくは10kHz以上100kHz以下の周波数である。大きな電圧降下は、マグネトロン電極表面側で発生し、フィルムFの表面(図示下面)側ではそれよりは小さくなるが、フィルム処理装置1によれば、交流による極性の切替え処理により、より高い電力を各放電電極ユニットに供給することができる。また、磁石によって生じる磁界GによってプラズマはフィルムFに近づくようブリッジ状に生成される。以上から、フィルム処理装置1は、フィルムFの表面に対する処理の強度を強めることができる。
上述した構成のフィルム処理装置1によって表面処理されるフィルムFとしては、特に制限されるものではなく公知の各種材料を用いることができるが、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)又はポリエチレンナフタレート(PEN)等のポリエステル系フィルムを例示することができる。フィルムFとしては、ポリエチレン(PE)又はポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン系フィルム、ナイロン−6又はナイロン−66等のポリアミド系フィルム、ポリスチレンフィルム、ポリカーボネートフィルム、ポリイミドフィルム、セルロース系フィルム等を用いてよい。フィルムFは、延伸フィルムであってもよいし、未延伸フィルムであってもよい。フィルムFの表面にコロナ処理などの表面処理を設けてもよいし、フィルムFに、帯電防止剤、紫外線防止剤、可塑剤又は滑剤などの各種添加剤や安定剤が含まれていてもよい。フィルムFの厚みとしては、特に制限はないが、加工性等を考慮すると、例えば6μm〜100μmの範囲であることが好適である。
次に、上述したフィルム処理装置1によるフィルムFの表面処理の方法について説明する。まず、処理方法として、上述した装置構成を有するフィルム処理装置1を準備する。
続いて、フィルム処理装置1のボックス2内に、例えば、アルゴン(Ar)、ヘリウム(He)又は窒素(N)からなる1種以上の不活性ガスを導入する。導入する不活性ガスとしては、希ガスで気体であるアルゴンガスを用いることが好ましい。この際、酸素(O)などの反応性の高いガスを導入するようにしてもよい。次に、所定のガスが導入されると、ボックス2内の圧力を例えば0.1Pa以上50Pa未満となるように減圧調整を行う。圧力が0.1Pa以下の場合、放電が安定しにくく、安定した表面処理を行うことができず、一方、圧力が50Pa以上であると、自己バイアス電圧が下がり、プラズマPによる十分な効果を得ることが難しい場合がある。ボックス2内の圧力が40Pa以上の領域では、各電極の磁石3b,4bによる磁気誘導の効果がやや弱くなるため、ボックス2内の圧力は、1Pa〜25Paの範囲内にあることが好ましい。
続いて、ボックス2内に所定の不活性ガス等が導入され且つ所定圧力に調整された状態で、プラズマ発生電源として機能する交流電源5から所定の高周波電力を第1放電電極ユニット3及び第2放電電極ユニット4へ供給する。つまり、交流電圧を第1放電電極ユニット3及び第2放電電極ユニット4に印加する。この高周波電力の供給により、所定の周期(例えば40kHz)で第1放電電極ユニット3と第2放電電極ユニット4による放電が交互に行われる。この高周波電力の周波数は、例えば1kHz以上400kHz以下、より好ましくは10kHz以上100kHz以下の範囲内であることが好ましい。例えば、図2に示すように、周波数が40kHzの場合、交流信号としての周期が25μsとなり、12.5μs毎に第1放電電極ユニット3の極性と第2放電電極ユニット4の極性とが、双方の極性が異なるように正極性と負極性との間で切り替わる。
続いて、第1放電電極ユニット3及び第2放電電極ユニット4と交流電源5とによりプラズマPが生成されると、極性の切替えを継続しつつ、処理対象のフィルムFを第1放電電極ユニット3及び第2放電電極ユニット4の上方を通過するように搬送する。この際、表面処理を施したい側の面を第1放電電極ユニット3及び第2放電電極ユニット4側に向ける。第1放電電極ユニット3及び第2放電電極ユニット4とフィルムFとの間の距離は5mm以上100mm以下の範囲内であることが好ましく、10mm以上50mm以下の範囲内であることがより好ましく、この範囲となるようにフィルムFをボックス2内で搬送させる。
そして、ボックス2内を通るフィルムFを所定の搬送速度で送り出し、プラズマ処理をフィルムFの処理面に対して行う。フィルムFの搬送速度(秒速)としては、例えば2[m/秒]以上20[m/秒]以下を例示することができるが、これに限定されない。このような処理により、例えば、フィルムFの表面の結晶構造を崩して非晶化し、蒸着の前処理(密着化処理)を行ったり、または、他のフィルムとの積層(貼り合わせ等含む)のための前処理(密着化処理)を行ったりすることができる。上述したプラズマ処理をフィルムFに対して繰り返し行う(例えば同じ処理を2〜3回繰返す)ようにしてもよい。
本発明の一実施形態に係るフィルムFの処理方法におけるフィルム改質効果であるC−C結合の状態を、フィルム表面のX線光電子分光測定のスペクトルから見ることができる。例えばフィルムFがポリエチレンテレフタレートフィルムの場合、フィルム表面のX線光電子分光測定におけるC1s波形分離から求めたC−C結合の半値幅が1.255ev以上1.585eV以下の範囲となるように上述した処理を行うことが好ましい(ここで、X線光電子分光測定における測定条件は、X線源がMgKαであり、出力が100Wとする)。C−C結合の半値幅が1.255ev以上1.585eV以下となっていることで、充分な改質が行われ且つフィルム表面が劣化されずに処理されていることを示すことができる。また、上述したプラズマ処理をコロナ処理面にさらに行っても良い。
続けて蒸着処理を行う場合には、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、又は化学気相成長法(CVD)などの成膜手段を用いて、成膜の前処理が行われたフィルムFの処理面に対して薄膜層を形成する。生産性等を考慮すると、真空蒸着法を用いることが好ましい。薄膜層として、例えば酸化アルミニウム又は酸化ケイ素からなる透明なガスバリア層を形成してもよい。ガスバリア層である薄膜層の厚さは、用途や構成により異なるものとすることができるが、例えば5nm〜300nmの範囲内とすることが好ましい。膜厚が5nm未満であると、膜厚が十分ではなく、ガスバリア層としての機能を十分に果たせない。一方、膜厚が300nmを超えると、フレキシビリティを保持することが出来ず、薄膜に亀裂が入りやすくなる。また、生産性も悪くなる。性能と生産性も考慮すると、10nm〜200nmの膜厚がより好ましい。蒸着処理を行う室を前述したフィルム処理装置1と連続して又は一体として設けることにより、インライン(同一系内)での処理を行って生産性を高めるようにしてもよい。蒸着層の上にガスバリア被覆層を形成してもよく、その上に更に保護層を設けてもよい。
このような蒸着処理を行って形成する積層フィルムの例を図3に示す。図3(a)に示すように、PETフィルム11の一方の面に形成されているコロナ処理層12の上に、上述したプラズマ処理により密着処理層13が形成され、フィルムF1とされる。そして、図3(b)に示すように、その密着処理層13の上に蒸着層14(例えば酸化アルミニウム層等)を形成し、蒸着層を有するフィルムF1aとすることができる。図3(c)に示すように、フィルムF1aの蒸着層14の上に更にガスバリア被覆層15、第1表面層16(例えばナイロン層等)及び第2表面層17(例えばCPP(Cast PolyPropylene)層等)を順次積層して、積層フィルムF1bとしてもよい。第1表面層16は、例えばその厚さが10〜50μmであってもよい。第2表面層17は、無延伸ポリプロピレン(CPP)から構成されてもよいが、低密度ポリエチレン(LDPE)、リニア低密度ポリエチレン(LLDPE)、エチレン酢酸ビニル共重合樹脂(EVA)、アイオノマー、アクリル系共重合体樹脂等から構成されていてもよい。前述の通り、フィルム表面のX線光電子分光測定におけるC1s波形分離から求めたC−C結合の半値幅が1.255ev以上1.585eV以下の範囲となるように処理することが、フィルム処理面の改質効果によって蒸着層との密着性を向上させ、バリアフィルムとして用いた場合のバリア性を維持するために好ましい。さらにフィルム表面のX線光電子分光測定におけるC1s波形分離から求めたC−C結合の半値幅が1.255ev以上1.560eV以下の範囲となるように処理してもよい。
また、フィルムFの前処理に続けて、他のフィルムを積層する処理(貼合せ含む)を行う場合には、例えば、フィルムFの処理面に対して、熱可塑性樹脂層等の他の層を構成する材料等をエクストルーダ等により押出し成形し、フィルムFに他の層を積層することも可能である。このような積層の前処理を行って形成した積層フィルムの例を図4に示す。図4(a)に示す例では、PETフィルム21の一方の面に形成されているコロナ処理層22とは逆側に、上述したプラズマ処理により密着処理層23が形成され、フィルムF2とされる。そして、図4(b)に示すように、エクストルーダから押し出された熱可塑性樹脂層24がその密着処理層23の上に積層され、他の層が積層されたフィルムF2aとすることができる。この積層処理がされた面と逆側(コロナ処理層22側)に、図3に示すような蒸着層14を別途、設けるようにしてもよいし、又は、バリア層である蒸着層と基材となるPETフィルムとの間にリアクティブイオンエッティング処理層又はアンカーコート層などを設けて両者を積層させるようにしてもよい。図4の例では積層処理がされた面と逆側にコロナ処理層22を設けているが必ずしもなくてもよい。前述の通り、フィルム表面のX線光電子分光測定におけるC1s波形分離から求めたC−C結合の半値幅が1.255ev以上1.585eV以下の範囲となるように処理することが、フィルム処理面の改質効果によってポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンフィルムなどの熱可塑性樹脂との密着性を向上させるためには好ましい。さらには、例えば無水マレイン酸等のグラフト重合を行いポリオレフィンに官能基を導入した接着性ポリオレフィンなどの熱可塑性樹脂を使用してもよい。
以上、本実施形態に係るフィルムの処理方法では、フィルムの処理に用いるプラズマPを生成させるために2つの放電電極ユニットを用い、これら放電電極ユニットに交流である高周波電力を供給している。このため、この方法によれば、各電極ユニットの極性が所定の周期で交互に切り替わるため電極表面に堆積した絶縁被膜などで発生する電荷のチャージアップが緩和されて、アーキングが発生しづらくなる。更に、チャージアップが緩和されることから、より高い電力を各放電電極ユニットに供給することができ、フィルム表面に照射されるプラズマ中のイオンが増え、処理を促進できる。以上により、本実施形態に係るフィルムの処理方法によれば、フィルムに対する処理能力を向上させると共に、プラズマ処理動作を安定して行うことができる。
このフィルムの処理方法では、高周波電力の周波数を1kHz以上400kHz以下に、好ましくは10kHz以上100kHz以下にすることができる。この場合、第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットの極性の切り替えが好適に行われるため、各放電電極ユニットにおけるチャージアップを好適に緩和することができる。チャージアップが緩和されることから、アーク放電等の異常放電を発生させることがなく、大電力を投入することができる。
このフィルムの処理方法では、第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットそれぞれが平板電極を備えて構成されており、第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットが並列に配置されている。これにより、平板型のマグネトロンプラズマ処理装置を用いることができるため、装置構成を簡素化しやすくなる。また、加工対象のフィルムをフラットな状態のまま処理するため、より均一な処理を実現することが可能となる。加えて、フィルムをロール上に搬送させて処理するよりもプラズマに暴露される時間が長くなるため、より効率的に処理を行うことができる。
このフィルムの処理方法では、交流電源は、高周波電力としてプラズマ処理に用いられるフィルム幅方向の電極幅と処理速度当たりの処理強度Epdが100[W・s/m]以上となる電力を第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットに供給することもできる。この場合、フィルム表面側の降下電圧をより大きくすることができるため、加工対象であるフィルムに対するプラズマ処理をより確実に行うことが可能となる。
このフィルムの処理方法に用いられるプラズマ処理装置は、磁界を形成する磁石をそれぞれが有する第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットと、第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットの極性を交互に切り替え可能な交流電源と、を備えている。このプラズマ処理装置によれば、蒸着装置等を含む処理装置を小型化することが出来ると共に、その動作を安定化させることが可能となる。
このフィルム処理装置では、第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットはそれぞれが平板電極を備えて構成されており、第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットが並列に配置されている。このため、平板型のマグネトロンプラズマ処理装置を用いることができ、装置構成を簡素化しやすくなる。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例を適用することが可能である。例えば、上述したフィルム処理装置では、平板状の電極を含む第1放電電極ユニット3及び第2放電電極ユニット4を用いていたが、これに代えて、円筒型の電極(ロータリーカソード)を含む2つの放電電極ユニットを用いてもよい。この場合、第1放電電極ユニット3及び第2放電電極ユニット4において、平板電極3a,4aに替えて磁石を覆うように2つの円筒形の電極を配置する。このような円筒型の電極を用いたマグネトロンプラズマ処理装置を用いても、上述したフィルムの処理方法を実現することができる。この場合、電極部分の円筒高さがフィルム幅方向の電極幅に相当することは明らかである。
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
まず、図1に示す平板型のマグネトロンプラズマ処理装置を準備すると共に、加工対象となるフィルムであるPETフィルムを準備した。PETフィルムの一方の面にはコロナ処理が施されていた。
次に、交流電源を有するマグネトロンプラズマ処理装置内にアルゴン(Ar)ガスを流量250[sccm]で導入すると共に、所定の減圧を行った。交流電源からの高周波電力の周波数が40kHzとなるように設定して、プラズマ処理を行うためのプラズマを生成させた。
続いて、プラズマが生成されたマグネトロンプラズマ処理装置内に上述したPETフィルムを、コロナ処理が施された面とは逆側の面が放電電極ユニット側に向くようにして、挿入・搬送させ、プラズマ処理により当該面の密着化処理を行った。PETフィルムの搬送速度は15[m/s]であった。ここで用いられるプラズマの処理強度指標Epdは219[W・s/m]であった。以上により、実施例1に係るフィルムを作製した(層構成は、図4(a)のフィルムF2参照)。第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットとフィルムとの間の距離は25mmであった。
(実施例2)
実施例2では、実施例1と同様のPETフィルムを用い、フィルムの搬送速度を2[m/s]に変更し、プラズマの処理強度指標Epdは492[W・s/m]となるように交流電源による電力を設定し、PETフィルムの密着化処理を行った。実施例2におけるその他の条件等については実施例1と同様であった。
(実施例3)
実施例3では、実施例1と同様のPETフィルムを用い、導入するアルゴンガスの流量を5000[sccm]に変更して、PETフィルムの密着化処理を行った。実施例3におけるその他の条件等については実施例1と同様であった。例えば、プラズマの処理強度指標Epdは、実施例1と同様に、219[W・s/m]であった。
(実施例4)
実施例4では、実施例1と同様のPETフィルムを用い、フィルムの搬送速度を4[m/s]に変更しプラズマの処理強度指標Epdは2869[W・s/m]となるように交流電源による電力を設定し、PETフィルムの密着化処理を行った。実施例4におけるその他の条件等については実施例1と同様であった。
(実施例5)
実施例5では、実施例1と同様のPETフィルムを用い、フィルムの搬送速度を2[m/秒]に変更しプラズマの処理強度指標Epdは5738[W・s/m]となるように交流電源による電力を設定し、PETフィルムの密着化処理を行った。実施例5におけるその他の条件等については実施例1と同様であった。
[アーク放電の発生評価]
実施例1〜5のPETフィルムに2時間のプラズマ処理をした際に、アーク放電が発生しないことが確認できた。これは、交流電源による各放電電極の極性が交互に切り替えられたことによるものと考えられる。
[第1の密着性評価]
次に、実施例1〜5に係る処理済みPETフィルムの密着性の評価として、フィルム処理面の表面組成(XPS)の解析を行った。XPSによる解析としては、C−C結合ピークの半値幅(FWHM)を測定し、このFWHMの値が実用上好ましい範囲である1.255[eV]以上1.585[eV]以下の間であるか否かの評価を行った。FWHMの値は、より具体的には、X線光電子分光測定を行ったときに、C1s波形分離におけるC−C結合のピークの半値幅を示している。実施例1のフィルムの処理面のFWHMの値は1.278[eV]であり、実施例2のフィルムの処理面のFWHMの値は1.356[eV]であり、実施例3のフィルムの処理面のFWHMの値は1.269[eV]であり、実施例4のフィルムの処理面のFWHMの値は1.498[eV]であり、実施例5のフィルムの処理面のFWHMの値は1.522[eV]であり、いずれのフィルムも上述した好ましい範囲内の密着性を有していることが確認できた。比較例1として、通常のPETフィルム(コロナ処理のみ実施)では、コロナ処理面側のFWHMの値が1.208[eV]であり、コロナ処理を行っていない側の面のFWHMの値が1.172[eV]であり、上述した好ましい範囲内の下限である1.255[eV]よりもかなり低いものであった。
上記した実施例1〜5、及び、比較例1−1(コロナ処理面側)、比較例1−2(非コロナ処理面側)における条件及び評価結果については、以下の表1の通りであった。
Figure 2019003809
[第2の密着性評価]
実施例1〜5に係る密着化の処理済みPETフィルムの別の密着性の評価として、処理済みの各PETフィルムの処理面に、その厚みが15μmとなるようにポリエチレン(PE)をエクストルーダにより押出成形し、さらに、PE面に厚みが40μmのLLDPEフィルムをサンドイッチラミネーションを行った際の各PETフィルムとPE層との実際の密着度を測定した(層構成は、図4(b)のフィルムF2aを参照)。比較例1−1として、通常のPETフィルム(コロナ処理のみ実施)のコロナ処理面にその厚みが15μmとなるようにポリエチレンをエクストルーダにより押出成形し、さらに、PE面に厚みが40μmのLLDPEフィルムをサンドイッチラミネーションを行った際の各PETフィルムとPE層との実際の密着度を測定した。比較例1−2として、通常のPETフィルム(コロナ処理のみ実施)のコロナ処理面と反対側の面(未処理面)にその厚みが15μmとなるようにポリエチレンをエクストルーダにより押出成形し、さらに、PE面に厚みが40μmのLLDPEフィルムをサンドイッチラミネーションを行った際の各PETフィルムとPE層との実際の密着度を測定した。
密着度の測定は、JIS K 6854−2(180度はく離)及びJIS K 6854−3(T形はく離)により行った。当該試験は、通常の条件(Dry)と、水を付けながらの条件(Wet)の2種類の測定条件の下で行った。条件(Wet)では、剥離箇所に水を十分に付けながら剥離試験を行った。その結果を以下の表2に示す。
Figure 2019003809
上記表2から明らかなように、プラズマによる処理を行った処理面にPE層を被覆した実施例1〜5に係るフィルムでは、その密着力(DRY)が6.0[N/15mm]以上となることが確認できた。また、実施例1〜5では、より過酷条件であるWetの場合であっても、その密着力が1.2[N/15mm]以上となることが確認できた。一方、比較例1−1及び1−2に係るフィルムでは、密着力(DRY)が最大でも2.4[N/15mm]であり、また、密着力(Wet)が最大でも0.4[N/15mm]であり、密着性がかなり低かった。
[第3の密着性評価]
実施例1〜5に係る密着化の処理済みPETフィルムの更に別の密着性の評価として、処理済みの各PETフィルムの処理面に、厚みが10μmとなるように無水マレイン酸変性ポリエチレン系接着性樹脂(以後、「接着性樹脂」と記載)と厚みが20μmとなるようにポリエチレン(PE)をエクストルーダにより共押出成形するとともに、さらに、PE面に厚みが30μmのLLDPEフィルムをサンドイッチラミネーションを行った際の各PETフィルムと接着性樹脂層との実際の密着度を測定した。比較例1−1として、通常のPETフィルム(コロナ処理のみ実施)のコロナ処理面にその厚みが10μmとなるように接着性樹脂と厚みが20μmとなるようにポリエチレンをエクストルーダにより共押出成形するとともに、さらに、PE面に厚みが30μmのLLDPEフィルムをサンドイッチラミネーションを行った際のPETフィルムと接着性樹脂層との実際の密着度を測定した。比較例1−2として、通常のPETフィルム(コロナ処理のみ実施)のコロナ処理面と反対側の面(未処理面)にその厚みが10μmとなるように接着性樹脂と厚みが20μmとなるようにポリエチレンをエクストルーダにより共押出成形するとともに、さらに、PE面に厚みが30μmのLLDPEフィルムをサンドイッチラミネーションを行った際のPETフィルムと接着性樹脂層との実際の密着度を測定した。
密着度の測定は、JIS K 6854−2(180度はく離)及びJIS K6854−3(T形はく離)により行った。当該試験は、通常の条件(Dry)と、水を付けながらの条件(Wet)の2種類の測定条件の下で行った。条件(Wet)では、剥離箇所に水を十分に付けながら剥離試験を行った。その結果を以下の表3に示す。
Figure 2019003809
上記表3から明らかなように、プラズマによる処理を行った処理面に接着性樹脂層を被覆した実施例1〜5に係るフィルムでは、その密着力(DRY)が6.0[N/15mm]以上となることが確認できた。また、実施例1〜5では、より過酷条件であるWetの場合であっても、その密着力が2.9[N/15mm]以上となることが確認できた。一方、比較例1−1及び1−2に係るフィルムでは、密着力(DRY)が最大でも2.5[N/15mm]であり、また、密着力(Wet)が最大でも0.5[N/15mm]であり、密着性がかなり低かった。
(実施例6)
次に、実施例1等に係るフィルムの作製に用いた平板型のマグネトロンプラズマ処理装置を用いて、同様のPETフィルム(一方にコロナ処理が実施)に蒸着層を形成することを行った。
まず、交流電源を有するマグネトロンプラズマ処理装置内にアルゴン(Ar)ガスを流量250[sccm]及び酸素(O)を流量1000[sccm]導入(合計1250[sccm]導入)すると共に、所定の減圧を行った。交流電源からの高周波電力の周波数が40[kHz]となるように設定して、プラズマ処理を行うためのプラズマを生成させた。
続いて、プラズマが生成されたマグネトロンプラズマ処理装置内に上述したPETフィルムを、コロナ処理が施された面が放電電極ユニット側に向くようにして、挿入・搬送させ、プラズマによる処理により当該面の密着化処理を行った。PETフィルムの搬送速度は、2[m/s]であった。ここで用いられるプラズマの処理強度指標Epdは、4098[W・s/m]であった。以上により、実施例6に係るフィルムを作製した(層構成は、図3(a)のフィルムF1参照)。
(実施例7)
実施例7では、実施例6と同様のPETフィルムを用い、フィルムの搬送速度を4[m/s]に変更して、実施例7に係るPETフィルムの密着化処理を行った。実施例7におけるその他の条件等については実施例6と同様であった。ここで用いられるプラズマの処理強度指標Epdは、2049[W・s/m]であった。
(実施例8)
実施例8では、実施例6と同様のPETフィルムを用い、導入ガスとして、流量250[sccm]のアルゴンガスのみをボックス(チャンバー)内に導入すると共に所定の減圧を行い、実施例8に係るPETフィルムの密着化処理を行った。実施例8におけるその他の条件等については実施例6と同様であった。ここで用いられるプラズマの処理強度指標Epdは、4098[W・s/m]であった。
(実施例9)
実施例9では、実施例6と同様のPETフィルムを用い、導入ガスとして、流量250[sccm]のアルゴンガスのみをボックス(チャンバー)内に導入すると共に所定の減圧を行い、更に、フィルムの搬送速度を4[m/s]に変更して、実施例9に係るPETフィルムの密着化処理を行った。実施例9におけるその他の条件等については実施例6と同様であった。ここで用いられるプラズマの処理強度指標Epdは、2049[W・s/m]であった。
[アーク放電の発生評価]
実施例6〜9のPETフィルムに2時間のプラズマ処理をした際に、アーク放電が発生しないことが確認できた。これは、交流電源による各放電電極の極性が交互に切り替えられたことによるものと考えられる。
[第1の密着性評価]
次に、実施例6〜9に係る処理済みPETフィルムの密着性の評価として、フィルム処理面の表面組成(XPS)の解析を行った。XPSによる解析としては、C−C結合ピークの半値幅(FWHM)を測定し、このFWHMの値が実用上好ましい範囲である1.255[eV]以上1.560[eV]以下であるか否かの評価を行った。実施例6のフィルムの処理面のFWHMの値は1.330[eV]であり、実施例7のフィルムの処理面のFWHMの値は1.322[eV]であり、実施例8のフィルムの処理面のFWHMの値は1.512[eV]であり、実施例9のフィルムの処理面のFWHMの値は1.410[eV]であり、いずれのフィルムも必要な範囲の密着性を有していることが確認できた。比較例2として、通常のPETフィルム(コロナ処理のみ実施)では、比較例1と同様に、コロナ処理面側のFWHMの値が1.208[eV]であり、上述した好ましい範囲内の下限である1.255[eV]よりも低いものであった。
上記した実施例6〜9及び比較例2における条件及び評価結果については、以下の表4の通りであった。
Figure 2019003809
[第2の密着性評価]
実施例6〜9に係る処理済みPETフィルムの別の密着性の評価として、各処理済みのPETフィルムの処理面に、その厚みが15nmとなるように酸化アルミニウムを真空蒸着法によって蒸着させ、実施例6〜9に係る処理済みPETフィルムの密着化層の上に蒸着層を積層形成した。また、その上にポリビニルアルコールと酸化ケイ素の混合物を含むガスバリア被覆層を積層形成した。更にレトルト用の積層体として、ガスバリア被覆層上に第1表面層(厚さ15μmのナイロン層)及び第2表面層(厚さ70μmのCPP)をドライラミネート法にて積層した(層構成は、図3(c)の積層フィルムF1b参照)。比較例2として、通常のPETフィルム(コロナ処理のみ実施)のコロナ処理面にその厚みが15nmとなるように酸化アルミニウムを真空蒸着法によって蒸着させ、比較例2に係るPETフィルムの上に蒸着層を積層形成した。その上に実施例6〜9と同様にガスバリア被覆層を積層形成した。また、実施例6〜9と同様に、その上に更に第1表面層(厚さ15μmのナイロン層)及び第2表面層(厚さ70μmのCPP)をドライラミネート法にて積層した。そして、PETフィルムと酸化アルミニウム層との実際の密着度を測定した。
密着度の測定は、JIS K 6854−2(180度はく離)及びJIS K 6854−3(T形はく離)により行った。当該試験は、通常の条件(Dry)と、水を付けながらの条件(Wet)の2種類の測定条件の下で、室温40度、湿度90%の室内にて保管し、経時的な変化(レトルト処理前、レトルト処理直後、1ヶ月後、3ヶ月後)を含めて実施した。条件(Wet)では、剥離箇所に水を十分に付けながら剥離試験を行った。レトルト処理は、4方パウチ(サイズ150×200mm)を作製し、水200gを充填したものを、貯湯式レトルト釜にて121度60分処理を行った。レトルト処理直後の密着度の測定は処理後2時間以内に実施した。その結果を以下の表5に示す。
Figure 2019003809
表5から明らかなように、比較例2に示すPETフィルムでは、レトルト処理を行った際に層間剥離(デラミネーション)が発生してしまったのに対し、実施例6〜9に係るフィルムでは、層間剥離が発生せずにPETフィルムへの酸化アルミニウム層の密着が維持できていることが確認できた。また、その密着強度がレトルト処理後も長期にわたって維持されることが確認できた。
上述した実施例6〜9に係るフィルム及び比較例2に係るフィルムのバリア性(酸素透過度)を測定した。測定は、JIS K 7126−2に準拠し、測定機器は、MOCON社製 OX−TRAN2/20、測定条件は、30度70%RHで行った。測定結果を以下の表6に示す。
Figure 2019003809
表6より明らかなように、本実施例6〜9による処理方法で密着層を形成したPETフィルムにガスバリア性の蒸着膜を積層してガスバリアフィルムとした場合、所定のガスバリア性を確保できることが確認できた。一方、比較例2に係るPETフィルムでは、レトルト処理の後に、ガスバリア性の蒸着層が剥離してしまい、ガスバリア性を維持することができなかった。
本発明は、各種のフィルムの処理方法及びフィルムの製造方法に適用することができる。
1…フィルム処理装置、2…ボックス、2a…入口、2b…出口、3…第1放電電極ユニット、3a,4a…電極、3b,4b…磁石、4…第2放電電極ユニット、5…交流電源、11,21…PETフィルム、12,22…コロナ処理層、13,23…密着処理層、14…蒸着層、15…ガスバリア被覆層、16…第1表面層、17…第2表面層、24…熱可塑性樹脂層、F,F1,F1a,F2,F2a…フィルム、F1b…積層フィルム、P…プラズマ、G…磁界。

Claims (15)

  1. 磁界を形成する磁石をそれぞれが有する第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットと、前記第1放電電極ユニット及び前記第2放電電極ユニットに電気的に接続され前記第1放電電極ユニット及び前記第2放電電極ユニットの極性を交互に切り替え可能な交流電源とを備えるプラズマ処理装置を準備する工程と、
    前記交流電源から前記第1放電電極ユニット及び前記第2放電電極ユニットに対して高周波電力を供給して前記プラズマ処理装置内にプラズマを生成させると共に、処理対象であるフィルムを前記プラズマ処理装置に通して搬送し当該プラズマにより前記フィルムの表面処理を行う工程と、を備え、
    前記交流電源から供給される前記高周波電力により前記第1放電電極ユニット及び前記第2放電電極ユニットの極性を交互に切り替えながら前記プラズマを生成して前記フィルムの表面処理を行う、フィルムの処理方法。
  2. 前記高周波電力の周波数が1kHz以上400kHz以下の間である、
    請求項1に記載のフィルムの処理方法。
  3. 前記高周波電力の周波数が10kHz以上100kHz以下の間である、
    請求項1に記載のフィルムの処理方法。
  4. 前記第1放電電極ユニット及び前記第2放電電極ユニットはそれぞれが平板電極を備え、前記第1放電電極ユニット及び前記第2放電電極ユニットが並列に配置されている、
    請求項1〜3の何れか一項に記載のフィルムの処理方法。
  5. 前記プラズマ処理に用いられるフィルム幅方向の電極幅及び処理速度当たりの処理強度Epdが100[W・s/m]以上となるように前記交流電源は所定の電力を前記第1放電電極ユニット及び前記第2放電電極ユニットに供給する、
    請求項1〜4の何れか一項に記載のフィルムの処理方法。
  6. 前記プラズマ処理に用いられるフィルム幅方向の電極幅及び処理速度当たりの処理強度Epdが200[W・s/m]以上となるように前記交流電源は所定の電力を前記第1放電電極ユニット及び前記第2放電電極ユニットに供給する、
    請求項1〜4の何れか一項に記載のフィルムの処理方法。
  7. 前記プラズマ処理装置は、前記第1放電電極ユニット及び第2放電電極ユニットをその内部に配置するボックスを更に備え、
    前記フィルムの表面処理を行う工程において、前記ボックス内に不活性ガスを導入する、
    請求項1〜6の何れか一項に記載のフィルムの処理方法。
  8. 前記フィルムの表面処理を行う工程において、前記ボックス内に更に酸素ガスを導入する、
    請求項7に記載のフィルムの処理方法。
  9. 前記フィルムがポリエチレンテレフタレートフィルムであって、フィルム処理面のX線光電子分光測定におけるC1s波形分離から求めたC−C結合の半値幅が、1.255eV以上1.585eV以下である、
    請求項1〜8の何れか一項に記載のフィルムの処理方法。
  10. 前記フィルムの表面処理を行う工程において、前記第1放電電極ユニット及び前記第2放電電極ユニットと前記フィルムとの間の距離は10mm以上50mm以内である、
    請求項1〜9の何れか一項に記載のフィルムの処理方法。
  11. 前記フィルムの表面処理を行う工程において、前記フィルムの搬送速度が2m/秒以上20m/秒以下である、
    請求項1〜10の何れか一項に記載のフィルムの処理方法。
  12. 前記フィルムの表面処理を行う工程を同一の前記フィルムに対して二度以上繰り返して行う、
    請求項1〜11の何れか一項に記載のフィルムの処理方法。
  13. 請求項1〜12の何れか一項に記載のフィルムの処理方法により当該フィルムへの蒸着の前処理を行う工程と、
    前記蒸着の前処理工程が行われた前記フィルムの前記処理面に蒸着層を形成する工程と、
    を備えるフィルムの製造方法。
  14. 請求項1〜12の何れか一項に記載のフィルムの処理方法により当該フィルムへの他の層の積層の前処理を行う工程と、
    前記積層の前処理工程が行われた前記フィルムの前記処理面に他の層を積層する工程と、
    を備えるフィルムの製造方法。
  15. 前記フィルムと前記蒸着層又は前記他の層との密着力が、JIS K 6854−2(180度はく離)及びJIS K 6854−3(T形はく離)に準拠した測定により通常の条件(Dry)で3N/15mm以上で且つ水を付けながらの条件(Wet)で1N/15mm以上である、
    請求項13又は14に記載のフィルムの製造方法。
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