透湿度評価装置および透湿度評価方法
【課題】高い防湿性を有する耐湿保護膜を対象とした透湿度測定の正確性と簡便性の改善を図ること。
【解決手段】アルカリ金属薄膜１０に対して光源１１から光を照射し、アルカリ金属薄膜１０を透過した光を受光部１２で受ける。また、湿度提供部１５が提供する水蒸気が被測定対象の薄膜を通過したならば、その水蒸気がアルカリ金属薄膜１０に接触するように構成する。アルカリ金属薄膜１０に水蒸気が接触し、アルカリ金属薄膜１０が水酸化するとその光透過率が変化するので、受光部１２による受光強度の変化を受光強度変化計測部１３によって測定することで、透湿度算出部１４は測定された受光強度の変化量から透湿度を算出する。
【解決手段】アルカリ金属薄膜１０に対して光源１１から光を照射し、アルカリ金属薄膜１０を透過した光を受光部１２で受ける。また、湿度提供部１５が提供する水蒸気が被測定対象の薄膜を通過したならば、その水蒸気がアルカリ金属薄膜１０に接触するように構成する。アルカリ金属薄膜１０に水蒸気が接触し、アルカリ金属薄膜１０が水酸化するとその光透過率が変化するので、受光部１２による受光強度の変化を受光強度変化計測部１３によって測定することで、透湿度算出部１４は測定された受光強度の変化量から透湿度を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は耐湿性保護膜などの薄膜の透湿度を評価し、測定する透湿度評価装置および透湿度評価方法に関し、特に透湿度の測定感度の向上と装置構成および測定操作の簡便化に関わり、高い防湿性を有する耐湿性保護膜の透湿度測定の正確性および簡便性の改善を目指すものである。
【背景技術】
【０００２】
有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子を用いたディスプレイは、従来の液晶ディスプレイに比べ、コントラストが高く色が鮮やかなこと、視野角が広いこと、自らが発光し、バックライトが不要であるため薄型軽量化が可能であることなどの様々な特徴があり、次世代のディスプレイとして注目されている。
【０００３】
特に自発光という特徴は、柔軟性のある高分子フィルム上に有機ＥＬ素子を形成することにより、曲げたり丸めたりすることが可能なフレキシブルディスプレイの実現を可能にする技術として大きな注目を集めている。
【０００４】
ところで、有機ＥＬ素子を構成する発光層や電極材料としては、水分に対する反応性が非常に高いものが使用されているため、ごく微量であっても水分が素子の内部に入り込んでしまうとこれらの材料が水分と反応して劣化してしまい、その部分が発光しなくなってしまう。
【０００５】
ガラスや金属の板は、水分の透過を遮断する能力が非常に高いため、平板型のディスプレイにおいてはガラス板や金属板を組み合わせて有機ＥＬ素子を封止することにより水分との反応を抑制することが可能であるが、フレキシブルディスプレイにおいてはガラス板等は柔軟性が無いため使用できない。一方、高分子フィルムは水蒸気透過性が高く水分の遮断能力に欠けているので、薄膜で柔軟性があり、なおかつ水蒸気透過率が低い耐湿保護膜を高分子フィルム表面や有機ＥＬ素子表面に形成して水蒸気の透過を防止する必要がある。
【０００６】
耐湿保護膜として種々の無機および有機材料が検討されているが、ディスプレイのフレキシブル性を維持するためには防湿保護膜の膜厚を非常に薄くする必要があり、その水蒸気透過度も従来の防湿膜を遥かに下回る１０−４〜１０−５ｇ／ｍ２／ｄａｙ程度である必要があるといわれている。
【０００７】
このため、有機ＥＬフレキシブルディスプレイに用いる防湿保護膜の開発や生産管理には、非常に高感度な水蒸気透過度測定装置が必要である。
【０００８】
しかし、従来の標準的な水蒸気透過度測定方法であるカップ法（非特許文献１参照。）やモコン法（非特許文献２参照。）では、検出限界がそれぞれ１ｇ／ｍ２／ｄａｙ、１０−２ｇ／ｍ２／ｄａｙであり有機ＥＬディスプレイ用耐湿保護膜の水蒸気透湿度測定に用いるには感度が明らかに不足している。
【０００９】
さらに現状において最も感度の高いモコン法は測定装置が非常に高価であるために分析コストが高いという問題もあり、高感度で簡便な水蒸気透過度測定方法が求められている。
【００１０】
この問題に関する解決方法として、例えばガラス基板上に形成した有機ＥＬ素子上に評価しようとする耐湿保護膜を形成し、高温多湿雰囲気下での有機ＥＬ素子の劣化状況を観察する方法（非特許文献３参照。）や、基板上に形成したカルシウム薄膜上に耐湿保護膜を形成し、カルシウム薄膜が水分と反応して変色していく様子を観察する方法、あるいはカルシウム薄膜の両端に端子を設け、薄膜の電気抵抗変化から水分量を求める方法（非特許文献４参照。）などが開発されている。
【００１１】
【非特許文献１】ＪＩＳ Ｚ ０２０８
【非特許文献２】ＪＩＳ Ｋ ７１２９Ｂ
【非特許文献３】S. K. Park et at, Electrochemical and Solid-State Letter, 8 H21-H23 (2005)
【非特許文献４】R. Paetzold et at, Proceeding of SPIE Vol.5214 P73-P82 (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、有機ＥＬ素子上に保護膜を形成する方法は、保護膜の有機ＥＬディスプレイに対する適用性の評価には利用できるが、発光層や陰極など有機ＥＬ素子を構成する様々な材料が水分と反応するため、定量的な水蒸気透過量の評価を行なうことは困難である。
【００１３】
また、カルシウム薄膜の変色を観察する測定方法は、複雑な画像処理を行なうためにカメラやコンピュータ、さらに解析のためのソフトウェアなどが必要となり、装置が複雑になるという問題がある。
【００１４】
さらに、カルシウム薄膜の電気抵抗変化から水分量を求める方法では、水分量と電気抵抗変化が比例する範囲が狭いので、例えば水分量が多くある程度カルシウムの化学反応が進むと電気的には断線状態となり、水蒸気透過量の測定が不可能となる。そのため、測定前にある程度の精度で保護膜の水蒸気透過度を予測してカルシウム薄膜の条件を設定する必要が生じ、測定の簡便性が大きく損なわれるという問題があった。
【００１５】
本発明は、前述した従来の課題を解決するためになされたものであり、高い防湿性を有する耐湿保護膜を対象とした透湿度測定の正確性と簡便性の改善を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる透湿度評価装置は、評価対象である薄膜の透湿度を評価する透湿度評価装置であって、水蒸気との化学反応によって光に対する透過性が変化する光透過部材と、前記光透過部材に対して光を照射する光源と、前記光透過部材を透過した光の強度を検知する光強度検知手段と、所定の湿度を供給する湿度供給手段と、前記湿度供給手段が供給する水蒸気を前記評価対象である薄膜を介して前記光透過部材に接触させ、当該水蒸気と前記光透過部材との化学反応によって生じる光強度測定手段による測定結果の変化量を計測する変化量計測手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明にかかる透湿度評価装置では、前記光透過部材は、アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属によって形成されることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明にかかる透湿度評価装置では、光を透過し、水蒸気を遮断する基板の一方の面上に前記光透過部材の薄膜を形成し、該光透過部材の薄膜の上に前記評価対象である薄膜を形成したことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明にかかる透湿度評価装置では、光を透過し、水蒸気を遮断する基板の一方の面上に前記光透過部材の薄膜を形成し、前記基板の他方の面上に前記光強度検知手段として機能する光電変換素子を設けたことを特徴とする。
【００２０】
また、本発明にかかる透湿度評価装置では、乾燥したガスが流れるガス流路が形成されるとともに外部に対する開口部を有する乾燥容器をさらに備え、前記評価対象である薄膜は前記開口部を覆って設置されるとともに前記開口部の外側から前記湿度供給手段によって水蒸気を供給され、前記乾燥容器内のガス流路上において前記開口部に対して下流側に前記光透過部材を設置したことを特徴とする。
【００２１】
また、本発明にかかる透湿度評価装置では、前記光強度検知手段は太陽電池であり、光透過部材を透過した光の強度を該太陽電池の短絡電流値として出力することを特徴とする。
【００２２】
また、本発明にかかる透湿度評価装置では、前記光透過部材としてＣａを用いることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明にかかる透湿度評価方法は、評価対象である薄膜の透湿度を評価する透湿度評価方法であって、水蒸気との化学反応によって光に対する透過性が変化する光透過部材に対して光を照射する照射工程と、前記光透過部材を透過した光の強度を検知する光強度検知工程と、前記光透過部材に対し、前記評価対象である薄膜を介して水蒸気を接触させる水蒸気接触工程と、前記水蒸気と前記光透過部材との化学反応によって生じる光強度測定手段による測定結果の変化量を計測する変化量計測工程と、を含んだことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば透湿度評価装置および透湿度評価方法は、水蒸気との化学反応によって光に対する透過性が変化する光透過部材に対し、評価対象である薄膜を介して水蒸気を接触させ、水蒸気と光透過部材との化学反応によって生じる光透過性の変化量から透湿度を評価するので、高い防湿性を有する耐湿保護膜を対象とした透湿度測定の正確性と簡便性の改善することができるという効果を奏する。
【００２５】
また、本発明よれば、光透過部材としてアルカリ金属もしくはアルカリ土類金属、特に好適にはＣａ（カルシウム）を使用することで、水蒸気に対する反応性が良好で、精度の高い透湿度評価を実現することができるという効果を奏する。
【００２６】
また、本発明によれば、基板上に光透過部材の薄膜を形成し、その上に評価対象である薄膜を形成することで、簡易な構成で正確性の高い透湿度評価を実現することができる。
【００２７】
また、本発明によれば、基板の一方の面上に光透過部材の薄膜を形成し、基板の他方の面上に光電変換素子を形成することで、簡易な構成で光透過部材を透過した光量を測定することができる。
【００２８】
また、本発明によれば、乾燥したガスが流れるガス流路を形成した乾燥容器内に光透過部材を設置し、乾燥容器の開口部を評価対象である薄膜で覆って水蒸気を供給することで、評価対象である薄膜を容易に交換可能とし、簡便性の高い透湿度評価装置を得ることができるという効果を奏する。
【００２９】
また、本発明によれば、光強度検知手段として太陽電池を用い、光透過部材を透過した光の強度を該太陽電池の短絡電流値として出力することで簡易な構成で精度よく対象薄膜の透湿度を評価することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下に添付図面を参照して、この発明に係る透湿度評価装置および透湿度評価方法の好適な実施例について詳細に説明する。
【実施例】
【００３１】
まず、図１を参照し、本発明の概念と基本構成について説明する。同図に示した構成では、アルカリ金属薄膜１０（なお、ここではアルカリ金属を例としているが、アルカリ土類金属であってもよく、またその他にも水蒸気との化学反応によって光に対する透過性が変化する物質であれば任意の物質を使用することができる。）、に対して光源１１から光を照射し、アルカリ金属薄膜１０を透過した光を受光部１２で受けている。
【００３２】
また、湿度提供部１５が提供する水蒸気が被測定対象の薄膜を通過したならば、その水蒸気がアルカリ金属薄膜１０に接触するように構成している。
【００３３】
アルカリ金属薄膜１０に水蒸気が接触し、アルカリ金属薄膜１０が水酸化するとその光透過率が変化するので、受光部１２による受光強度の変化を受光強度変化計測部１３によって測定することで、透湿度算出部１４は測定された受光強度の変化量から透湿度を算出することができる。
【００３４】
このアルカリ金属（あるいはアルカリ土類金属など）の水酸化による透過率変化について、図２に示した模式図を参照してさらに説明する。
【００３５】
同図に示した光源２１は、光を照射する任意の素子もしくは装置であり、絞り板２２は光源２１からの光をアルカリ金属あるいはアルカリ土類金属の金属薄膜２４の部分のみに照射するための手段である。また薄膜２４は透湿度測定対象の薄膜であり、基板２５は透明で水蒸気を透過しない素材を用いている。
【００３６】
さらに、基板２５を挟んで光源２１の反対側に光電変換可能な検出器２６を設け、この検出器２６と電流値あるいは電圧値を示すメーター２７とを配線２８で接続している。
【００３７】
一定の湿度および温度を維持できる容器内にこの透湿度測定装置の絞り板２２から検出器２６までを積層した部分（以下測定部と称す）を設置すると、透湿度測定対象物である薄膜２３における水蒸気の透過が始まる。この水蒸気が金属薄膜２４に到達すると、水蒸気と金属とが反応して水酸化物が生成する。
Ｘ ＋ ｎＨ２Ｏ → Ｘ（ＯＨ）ｎ ＋ ｎ／２Ｈ２ ・・・（１）
ここでｎは金属Ｘの水酸化物における価数を示す。この反応により、元来銀色などの金属色を呈していた金属薄膜２４が変色する。一例を挙げるとリチウムでは銀色から黒褐色を経て半透明の白色、ナトリウムでは銀色から半透明の白色、カルシウムでは銀色から透明などの変色が発生する。
【００３８】
金属薄膜２４の一方の面から光源２１を用いて光を照射し、金属薄膜２４の反対側で光電変換可能な検出器２６を用いて透過光の光量を計測すると、この金属薄膜２４の変色に伴い透過光量も変化する。そこで、予め薄膜が完全に水蒸気と反応した場合の透過光量を測定しておけば、金属薄膜２４の水蒸気との反応進行度および反応の完了を検知することが出来る。したがって、一定温度、一定湿度の容器内に透湿度測定装置の計測部を設置してから金属２４と水蒸気との反応が完了するまでの時間についても計測が可能である。
【００３９】
一方、この金属薄膜２４と水蒸気との反応が完了した時点までに透湿度測定対象物の薄膜２３を透過した水蒸気の量は、式（１）に示した化学反応式により、金属Ｘの量に比例することが分かる。
【００４０】
そこで、予め金属薄膜の膜厚と面積を計測しておけば反応完了までに透湿度測定対象の薄膜を透過した水蒸気の量を計算することができ、これらの反応完了までの所要時間と水蒸気透過量から、測定対象の薄膜に関する水蒸気透過率が求められる。
【００４１】
つづいて、透湿度測定装置の具体的な構成例について説明する。本発明にかかる透湿度測定装置は、光を照射するための光源と、測定対象薄膜を透過した水蒸気とアルカリ金属（あるいはアルカリ土類金属）との反応状況を計測する計測部と、計測部で計測した値を表示するための表示部と、計測部周囲の温度および湿度を一定に調整する恒温恒湿槽等の容器を組み合わせて構成する。
【００４２】
測定方法としては、まず、水蒸気を透過しない透明な基板上に金属薄膜を真空プロセス等によって形成し、金属薄膜の面積と厚さを測定しておく。次に、透明基板の金属薄膜を形成した面を測定対象物の薄膜により、金属薄膜が完全に覆われるように被覆する。
【００４３】
被覆方法は、スピンコートやドクターブレード等の湿式法でも、蒸着やスパッタ等の真空プロセスでも構わないが、湿式法では溶媒や原料が水分を含まないように注意を払う必要がある。
【００４４】
つぎに金属や測定対象物を成膜した基板の上に、基板上の金属膜のある部分にのみ光が照射されるように絞り穴の付いた絞り板を載せて計測部を構成する。検出器は光透過量を電気に変換できるものであれば何でも良く、太陽電池、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子、フォトダイオード、フォトトランジスタ、ＣｄＳなどの受光素子などが考えられる。金属薄膜の下部全体の光透過量を計測する必要があるため、小さな素子の場合は複数個を平面上に並べて検出器とすることが望ましい。
【００４５】
この計測部に絞り板側から光源により光を照射すると、透過光が存在する場合には検出器において端子間の電流、電圧、あるいは抵抗等の変化が起こる。この変化を電流計、電圧計、抵抗計等検出器の出力に見合った表示部と電気配線により接続して透過光の量を計測する。
【００４６】
これらの検出器の中で太陽電池は面積の大きいものが容易に得られること、短絡電流を計測値として用いるのであれば、比較的単純な電流計で表示ができることなどの利点があり、本発明の透湿度測定装置用検出器として特に優れている。
【００４７】
上記の計測部を一定の温度および一定の湿度に保った容器に設置すると、容器内の水蒸気が測定対象物の薄膜を透過して金属薄膜に到達し、金属と反応して水酸化物を形成する。そして時間経過と共に金属の割合が減り、水酸化物の割合が増加するため、光の透過量が徐々に変化する。その後、金属が全て水酸化物に変化すると、光の透過量は一定の値になる。
【００４８】
予め金属が全て水酸化物になった場合の光透過量を実験的に求めておけば、測定開始からその光透過量になるまでの時間を計測することで、測定対象物の薄膜をある時間で透過した水蒸気の量を求めることが出来る。
【００４９】
この金属としては水蒸気との反応性の高いアルカリ金属やアルカリ土類金属を用いることが出来るが、水蒸気との反応前後での透過光量の差が大きいほうが測定が容易であり測定精度も高め易いという点から、水酸化物薄膜の透明性が高いＣａ金属が特に好ましい。
【００５０】
つぎに、本実施例にかかる透湿度評価装置を用いて行なった評価結果の具体的な例について説明する。
【００５１】
図３は、透湿度評価装置内で用いた計測部の構成を説明する断面図である。５ｃｍ角、厚さ０．５ｍｍのガラス基板３１の上に、Ｃａ薄膜３２を直径４ｃｍの円形に成膜した。直径４ｃｍの穴が開いたメタルマスクを基板上に載せ、Ｃａ金属を原料とした抵抗加熱による真空蒸着法により成膜を行なった。蒸着時間を調節することにより、Ｃａ薄膜３２の膜厚は２５０ｎｍとした。
【００５２】
その上に測定対象物としてエポキシ樹脂層３３を厚さ５０μｍになるように、エポキシ樹脂系ワニスをスピンコートにより基板全体に塗布した。ワニスは予め減圧脱泡することにより含まれている水分を除去し、スピンコートも乾燥空気中で行なった。
【００５３】
この積層体を長辺１０ｃｍ、短辺５ｃｍのポリシリコン太陽電池３４上に、エポキシ樹脂被覆面が上になるように設置した。さらにエポキシ樹脂被覆面の上に、中央に直径４ｃｍの穴が開いた１０ｃｍ四方の絞り板３５を乗せて計測部を構成した。
【００５４】
このようにして作成した計測部４４を図４に示す様に、上面にガラス窓を有する恒温恒湿槽４２のガラス窓の真下の位置に設置した上で、太陽電池の出力端子に導線４５の一端を接続し、導線４５の他端は恒温恒湿槽外に設置した電流計４６と接続した。
【００５５】
また、恒温恒湿槽４２上面のガラス窓４３の上から、１００Ｗの人工太陽照明灯４１により擬似太陽光を計測部４４に向けて照射して測定を行なった。なお、恒温恒湿槽内は、２０℃、６０％ＲＨに設定した上で、太陽電池短絡電流の計時変化を測定した。この結果図５の（ａ）に示したように短絡電流の変化が見られた。
【００５６】
一方、Ｃａ金属が水蒸気と完全に反応した場合の短絡電流を確認するために、図３に示した計測部からエポキシ樹脂層３３を除き、Ｃａ薄膜３２が直接恒温恒湿槽内の外気に接するようにした計測部を作成し、同一条件により短絡電流の経時変化を測定した。この測定結果を図５の（ｂ）に示す。
【００５７】
また、Ｃａが水蒸気と反応し終えて略一定となった状態での短絡電流値Ｉｓｃ［ｍａｘ］により規格化した短絡電流を縦軸に、Ｉｓｃ［ｍａｘ］が測定されるまでの経過時間により規格化した経過時間を横軸にして、図５の（ａ），（ｂ）に示した計測値を表示しなおしたグラフを図６（ａ），（ｂ）に示す。
【００５８】
規格化した図６においては、エポキシ樹脂層の有無に関わらずほぼ同様の経時変化を示しており、Ｃａと水蒸気との反応機構は樹脂層の影響をほとんど受けないことを示している。
【００５９】
直径４ｃｍ、厚さ２５０ｎｍのＣａ膜は、１．２２×１０−５ｍｏｌに相当し、Ｃａｌ原子が水２分子と反応して水酸化物が生成するため、全てのＣａ膜が反応するためには４．３７×１０−４ｇの水蒸気が必要になる。
【００６０】
計測対象物が薄膜であるため膜中における面内方向での水蒸気拡散は無視できると考えると、水蒸気の透過領域の面積は４πｃｍとなり、Ｃａと水蒸気との反応が完了するまでの時間は図５から７１８５秒と求められる。従って、エポキシ樹脂層の透湿度は４．２ｇ／ｍ２／ｄａｙと求められる。
【００６１】
つづいて、本実施例にかかる透湿度評価装置を用いて行なった他の評価結果の具体的な例について説明する。図３に示した透湿度計測部における厚さ５０μｍのエポキシ樹脂層の上にプラズマＣＶＤ法でシランと窒素ガスを原料として基板温度１５０℃でＳｉ３Ｎ４薄膜を厚さ２００ｎｍ成膜し、計測対象物をエポキシ樹脂とＳｉ３Ｎ４の２層構造とした。
【００６２】
この透湿度計測部を用いて上述と同様の条件で短絡電流の経時変化を測定したところ、図７に示した結果が得られた。また、Ｃａが水蒸気と反応し終えた状態で短絡電流Ｉｓｃ［ｍａｘ］により規格化した短絡電流を縦軸に、Ｉｓｃ［ｍａｘ］が測定されるまでの経過時間により規格化した経過時間を横軸にして図６に示した計測値を表示しなおしたグラフを図６に（ｃ）として併せて示す。
【００６３】
図６のグラフから明らかなように、図６（ａ）、（ｂ）に示した短絡電流変化と図６（ｃ）に示した短絡電流変化とは反応挙動が非常に近似しており、Ｃａと水蒸気の反応は共に同様なメカニズムによる反応が起こっていると考えられる。
【００６４】
従って、計測対象物を透過した水蒸気量ついても同様に、４．３７×１０−４ｇとみなされる。この水蒸気が透過するために要した時間は図７から４４．５６日と求められ、これらの値からエポキシ樹脂−Ｓｉ３Ｎ４複合膜の透湿度は７．８×１０−３ｇ／ｍ２／ｄａｙと求められる。
【００６５】
また、上記の計算ではＣａ薄膜が全て水蒸気と反応し終えるまでの時間を用いて湿度の計算を行なったが、計測対象膜が透明でなおかつピンホールなどの局所的な欠陥からの水蒸気透過がなければ図６に示したように規格化した短絡電流の時間変化は計測対象膜の有無に関わらず同様な挙動を示すことから、Ｃａ膜が半透明の状態になるまでの経過時間から透湿度を推算することも可能である。
【００６６】
具体的に説明すると、計測対象膜を成膜せずＣａ薄膜が露出した測定系において、規格化した短絡電流が０．２になるまでの規格化放置時間は０．６３となる。また、Ｃａが完全に反応した時の電流値は２４．７ｍＡであった。
【００６７】
これに対し、図７に示した測定結果に関してＣａが完全に反応した際の短絡電流はＣａが露出した系での測定値と同じ２４．７ｍＡであると仮定して短絡電流を規格化すると、規格化短絡電流が０．２となる電流値４．９４ｍＡには測定開始から２４．７日後に到達する。
【００６８】
この放置時間がＣａ露出状態での測定結果と同様に規格化した値の０．６３に相当すると仮定すると、図７に示した計測系においてＣａが完全に反応するために必要な経過時間は３９．２日と計算される。
【００６９】
この値は、図７に示した実測値４４．５６日に対して１２％少ない値であるが、透湿度の概算を求める上では充分な精度を持つ値とみなせる。このような計算を行なうことにより、測定精度は低下するものの、測定時間を短縮することが可能となる。
【００７０】
さらに図７に示した例では最初の１０日間程度はほとんど短絡電流が流れない状態が継続しているが、これはＣａの膜厚が厚く、膜表面から厚さ方向に一部分のみしか水分と反応していない状態が続いているためであり、Ｃａ薄膜の膜厚をさらに薄くすればこの短絡電流が流れ始めるまでの時間が短くなり測定時間もさらに短縮されると考えられる。
【００７１】
上述してきたように本発明にかかる透湿度評価装置および透湿度評価方法は、水蒸気との化学反応によって光に対する透過性が変化する光透過部材（たとえばアルカリ金属やアルカリ土類金属の薄膜）に対し、評価対象である薄膜を介して水蒸気を接触させ、水蒸気と光透過部材との化学反応によって生じる光透過性の変化量から透湿度を評価するので、高い防湿性を有する耐湿保護膜を対象とした透湿度測定の正確性と簡便性を改善することができる。
【００７２】
なお、本実施例に示した電池構造や装置構成はあくまで一例であり、本発明はこれに限定されることなく適宜構造および構成を変更して実施することが出来るものである。
【００７３】
例えば、本実施例では、アルカリ金属薄膜上に測定対象の薄膜を成膜した計測部を使用する場合を例に説明を行なったが、本発明の適用はこれに限定されるものではなく、アルカリ金属基板に接する水蒸気が全て測定対象の薄膜を経由すればよい。
【００７４】
図８は、他の装置構成例を説明する説明図である。同図に示した構成では、透湿度測定装置は、除湿機５１（あるいはガスボンベであってもよい）と送風機５２（あるいは減圧器であってもよい）によって容器内にガス流路５３を形成し、容器の開口部５４を耐湿性保護膜で覆うと共に、開口部５４の外側に恒温恒湿槽５５を設けている。そして、アルカリ金属薄膜５７をガス流路４１内に、開口部５４に対して下流側となるように設置し、光源５６から出射され、アルカリ金属薄膜５７を透過した光を受光素子５８によって受光して、演算装置５９が受光強度変化から透湿度を算出している。
【００７５】
この構成を採用した場合であっても、既に述べたものと同様の効果、すなわち簡易な構成で測定対象の薄膜の透湿度を高精度に測定する、という効果を得ることが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
以上のように、本発明に係る透湿度評価装置および透湿度評価方法は、耐湿保護膜の透湿度測定に有用であり、特に防湿性の高い耐湿保護膜の透湿度測定における測定の簡便化と高精度化に適している。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の概念と基本構成について説明する説明図である。
【図２】アルカリ金属の水酸化による透過率変化について説明する説明図である。
【図３】透湿度評価装置内で用いた計測部の構成を説明する断面図である。
【図４】計測部を恒温恒湿槽内部に設置する場合の装置構成を説明する説明図である。
【図５】太陽電池短絡電流の計時変化を説明する説明図である（その１）。
【図６】太陽電池短絡電流の計時変化を説明する説明図である（その２）。
【図７】太陽電池短絡電流の計時変化を説明する説明図である（その３）。
【図８】乾燥した空気を流すガス流路を設け、流路の開口部を覆う形で測定対象である膜を形成し、流路の中に金属薄膜を設置する方式の装置構成図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０ アルカリ金属薄膜
１１，２１，５６ 光源
１２ 受光部
１３ 受光強度変化計測部
１４ 透湿度算出部
１５ 湿度提供部
２２，３５ 絞り板
２３ 測定対象薄膜
２４ 金属薄膜
２５ 基板
２６ 検出器
２７ メーター
２８ 配線
３１ ガラス基板
３２ Ｃａ薄膜
３３ エポキシ樹脂層
３４ 太陽電池
４１ 人工太陽照明灯
４２，５５ 恒温恒湿槽
４３ ガラス窓
４４ 計測部
４５ 導線
４６ 電流計
５１ 除湿機
５２ 送風機
５３ ガス流路
５４ 開口部
５７ アルカリ金属薄膜
５８ 受光素子
５９ 演算装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は耐湿性保護膜などの薄膜の透湿度を評価し、測定する透湿度評価装置および透湿度評価方法に関し、特に透湿度の測定感度の向上と装置構成および測定操作の簡便化に関わり、高い防湿性を有する耐湿性保護膜の透湿度測定の正確性および簡便性の改善を目指すものである。
【背景技術】
【０００２】
有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子を用いたディスプレイは、従来の液晶ディスプレイに比べ、コントラストが高く色が鮮やかなこと、視野角が広いこと、自らが発光し、バックライトが不要であるため薄型軽量化が可能であることなどの様々な特徴があり、次世代のディスプレイとして注目されている。
【０００３】
特に自発光という特徴は、柔軟性のある高分子フィルム上に有機ＥＬ素子を形成することにより、曲げたり丸めたりすることが可能なフレキシブルディスプレイの実現を可能にする技術として大きな注目を集めている。
【０００４】
ところで、有機ＥＬ素子を構成する発光層や電極材料としては、水分に対する反応性が非常に高いものが使用されているため、ごく微量であっても水分が素子の内部に入り込んでしまうとこれらの材料が水分と反応して劣化してしまい、その部分が発光しなくなってしまう。
【０００５】
ガラスや金属の板は、水分の透過を遮断する能力が非常に高いため、平板型のディスプレイにおいてはガラス板や金属板を組み合わせて有機ＥＬ素子を封止することにより水分との反応を抑制することが可能であるが、フレキシブルディスプレイにおいてはガラス板等は柔軟性が無いため使用できない。一方、高分子フィルムは水蒸気透過性が高く水分の遮断能力に欠けているので、薄膜で柔軟性があり、なおかつ水蒸気透過率が低い耐湿保護膜を高分子フィルム表面や有機ＥＬ素子表面に形成して水蒸気の透過を防止する必要がある。
【０００６】
耐湿保護膜として種々の無機および有機材料が検討されているが、ディスプレイのフレキシブル性を維持するためには防湿保護膜の膜厚を非常に薄くする必要があり、その水蒸気透過度も従来の防湿膜を遥かに下回る１０−４〜１０−５ｇ／ｍ２／ｄａｙ程度である必要があるといわれている。
【０００７】
このため、有機ＥＬフレキシブルディスプレイに用いる防湿保護膜の開発や生産管理には、非常に高感度な水蒸気透過度測定装置が必要である。
【０００８】
しかし、従来の標準的な水蒸気透過度測定方法であるカップ法（非特許文献１参照。）やモコン法（非特許文献２参照。）では、検出限界がそれぞれ１ｇ／ｍ２／ｄａｙ、１０−２ｇ／ｍ２／ｄａｙであり有機ＥＬディスプレイ用耐湿保護膜の水蒸気透湿度測定に用いるには感度が明らかに不足している。
【０００９】
さらに現状において最も感度の高いモコン法は測定装置が非常に高価であるために分析コストが高いという問題もあり、高感度で簡便な水蒸気透過度測定方法が求められている。
【００１０】
この問題に関する解決方法として、例えばガラス基板上に形成した有機ＥＬ素子上に評価しようとする耐湿保護膜を形成し、高温多湿雰囲気下での有機ＥＬ素子の劣化状況を観察する方法（非特許文献３参照。）や、基板上に形成したカルシウム薄膜上に耐湿保護膜を形成し、カルシウム薄膜が水分と反応して変色していく様子を観察する方法、あるいはカルシウム薄膜の両端に端子を設け、薄膜の電気抵抗変化から水分量を求める方法（非特許文献４参照。）などが開発されている。
【００１１】
【非特許文献１】ＪＩＳ Ｚ ０２０８
【非特許文献２】ＪＩＳ Ｋ ７１２９Ｂ
【非特許文献３】S. K. Park et at, Electrochemical and Solid-State Letter, 8 H21-H23 (2005)
【非特許文献４】R. Paetzold et at, Proceeding of SPIE Vol.5214 P73-P82 (2004)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、有機ＥＬ素子上に保護膜を形成する方法は、保護膜の有機ＥＬディスプレイに対する適用性の評価には利用できるが、発光層や陰極など有機ＥＬ素子を構成する様々な材料が水分と反応するため、定量的な水蒸気透過量の評価を行なうことは困難である。
【００１３】
また、カルシウム薄膜の変色を観察する測定方法は、複雑な画像処理を行なうためにカメラやコンピュータ、さらに解析のためのソフトウェアなどが必要となり、装置が複雑になるという問題がある。
【００１４】
さらに、カルシウム薄膜の電気抵抗変化から水分量を求める方法では、水分量と電気抵抗変化が比例する範囲が狭いので、例えば水分量が多くある程度カルシウムの化学反応が進むと電気的には断線状態となり、水蒸気透過量の測定が不可能となる。そのため、測定前にある程度の精度で保護膜の水蒸気透過度を予測してカルシウム薄膜の条件を設定する必要が生じ、測定の簡便性が大きく損なわれるという問題があった。
【００１５】
本発明は、前述した従来の課題を解決するためになされたものであり、高い防湿性を有する耐湿保護膜を対象とした透湿度測定の正確性と簡便性の改善を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる透湿度評価装置は、評価対象である薄膜の透湿度を評価する透湿度評価装置であって、水蒸気との化学反応によって光に対する透過性が変化する光透過部材と、前記光透過部材に対して光を照射する光源と、前記光透過部材を透過した光の強度を検知する光強度検知手段と、所定の湿度を供給する湿度供給手段と、前記湿度供給手段が供給する水蒸気を前記評価対象である薄膜を介して前記光透過部材に接触させ、当該水蒸気と前記光透過部材との化学反応によって生じる光強度測定手段による測定結果の変化量を計測する変化量計測手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明にかかる透湿度評価装置では、前記光透過部材は、アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属によって形成されることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明にかかる透湿度評価装置では、光を透過し、水蒸気を遮断する基板の一方の面上に前記光透過部材の薄膜を形成し、該光透過部材の薄膜の上に前記評価対象である薄膜を形成したことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明にかかる透湿度評価装置では、光を透過し、水蒸気を遮断する基板の一方の面上に前記光透過部材の薄膜を形成し、前記基板の他方の面上に前記光強度検知手段として機能する光電変換素子を設けたことを特徴とする。
【００２０】
また、本発明にかかる透湿度評価装置では、乾燥したガスが流れるガス流路が形成されるとともに外部に対する開口部を有する乾燥容器をさらに備え、前記評価対象である薄膜は前記開口部を覆って設置されるとともに前記開口部の外側から前記湿度供給手段によって水蒸気を供給され、前記乾燥容器内のガス流路上において前記開口部に対して下流側に前記光透過部材を設置したことを特徴とする。
【００２１】
また、本発明にかかる透湿度評価装置では、前記光強度検知手段は太陽電池であり、光透過部材を透過した光の強度を該太陽電池の短絡電流値として出力することを特徴とする。
【００２２】
また、本発明にかかる透湿度評価装置では、前記光透過部材としてＣａを用いることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明にかかる透湿度評価方法は、評価対象である薄膜の透湿度を評価する透湿度評価方法であって、水蒸気との化学反応によって光に対する透過性が変化する光透過部材に対して光を照射する照射工程と、前記光透過部材を透過した光の強度を検知する光強度検知工程と、前記光透過部材に対し、前記評価対象である薄膜を介して水蒸気を接触させる水蒸気接触工程と、前記水蒸気と前記光透過部材との化学反応によって生じる光強度測定手段による測定結果の変化量を計測する変化量計測工程と、を含んだことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば透湿度評価装置および透湿度評価方法は、水蒸気との化学反応によって光に対する透過性が変化する光透過部材に対し、評価対象である薄膜を介して水蒸気を接触させ、水蒸気と光透過部材との化学反応によって生じる光透過性の変化量から透湿度を評価するので、高い防湿性を有する耐湿保護膜を対象とした透湿度測定の正確性と簡便性の改善することができるという効果を奏する。
【００２５】
また、本発明よれば、光透過部材としてアルカリ金属もしくはアルカリ土類金属、特に好適にはＣａ（カルシウム）を使用することで、水蒸気に対する反応性が良好で、精度の高い透湿度評価を実現することができるという効果を奏する。
【００２６】
また、本発明によれば、基板上に光透過部材の薄膜を形成し、その上に評価対象である薄膜を形成することで、簡易な構成で正確性の高い透湿度評価を実現することができる。
【００２７】
また、本発明によれば、基板の一方の面上に光透過部材の薄膜を形成し、基板の他方の面上に光電変換素子を形成することで、簡易な構成で光透過部材を透過した光量を測定することができる。
【００２８】
また、本発明によれば、乾燥したガスが流れるガス流路を形成した乾燥容器内に光透過部材を設置し、乾燥容器の開口部を評価対象である薄膜で覆って水蒸気を供給することで、評価対象である薄膜を容易に交換可能とし、簡便性の高い透湿度評価装置を得ることができるという効果を奏する。
【００２９】
また、本発明によれば、光強度検知手段として太陽電池を用い、光透過部材を透過した光の強度を該太陽電池の短絡電流値として出力することで簡易な構成で精度よく対象薄膜の透湿度を評価することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下に添付図面を参照して、この発明に係る透湿度評価装置および透湿度評価方法の好適な実施例について詳細に説明する。
【実施例】
【００３１】
まず、図１を参照し、本発明の概念と基本構成について説明する。同図に示した構成では、アルカリ金属薄膜１０（なお、ここではアルカリ金属を例としているが、アルカリ土類金属であってもよく、またその他にも水蒸気との化学反応によって光に対する透過性が変化する物質であれば任意の物質を使用することができる。）、に対して光源１１から光を照射し、アルカリ金属薄膜１０を透過した光を受光部１２で受けている。
【００３２】
また、湿度提供部１５が提供する水蒸気が被測定対象の薄膜を通過したならば、その水蒸気がアルカリ金属薄膜１０に接触するように構成している。
【００３３】
アルカリ金属薄膜１０に水蒸気が接触し、アルカリ金属薄膜１０が水酸化するとその光透過率が変化するので、受光部１２による受光強度の変化を受光強度変化計測部１３によって測定することで、透湿度算出部１４は測定された受光強度の変化量から透湿度を算出することができる。
【００３４】
このアルカリ金属（あるいはアルカリ土類金属など）の水酸化による透過率変化について、図２に示した模式図を参照してさらに説明する。
【００３５】
同図に示した光源２１は、光を照射する任意の素子もしくは装置であり、絞り板２２は光源２１からの光をアルカリ金属あるいはアルカリ土類金属の金属薄膜２４の部分のみに照射するための手段である。また薄膜２４は透湿度測定対象の薄膜であり、基板２５は透明で水蒸気を透過しない素材を用いている。
【００３６】
さらに、基板２５を挟んで光源２１の反対側に光電変換可能な検出器２６を設け、この検出器２６と電流値あるいは電圧値を示すメーター２７とを配線２８で接続している。
【００３７】
一定の湿度および温度を維持できる容器内にこの透湿度測定装置の絞り板２２から検出器２６までを積層した部分（以下測定部と称す）を設置すると、透湿度測定対象物である薄膜２３における水蒸気の透過が始まる。この水蒸気が金属薄膜２４に到達すると、水蒸気と金属とが反応して水酸化物が生成する。
Ｘ ＋ ｎＨ２Ｏ → Ｘ（ＯＨ）ｎ ＋ ｎ／２Ｈ２ ・・・（１）
ここでｎは金属Ｘの水酸化物における価数を示す。この反応により、元来銀色などの金属色を呈していた金属薄膜２４が変色する。一例を挙げるとリチウムでは銀色から黒褐色を経て半透明の白色、ナトリウムでは銀色から半透明の白色、カルシウムでは銀色から透明などの変色が発生する。
【００３８】
金属薄膜２４の一方の面から光源２１を用いて光を照射し、金属薄膜２４の反対側で光電変換可能な検出器２６を用いて透過光の光量を計測すると、この金属薄膜２４の変色に伴い透過光量も変化する。そこで、予め薄膜が完全に水蒸気と反応した場合の透過光量を測定しておけば、金属薄膜２４の水蒸気との反応進行度および反応の完了を検知することが出来る。したがって、一定温度、一定湿度の容器内に透湿度測定装置の計測部を設置してから金属２４と水蒸気との反応が完了するまでの時間についても計測が可能である。
【００３９】
一方、この金属薄膜２４と水蒸気との反応が完了した時点までに透湿度測定対象物の薄膜２３を透過した水蒸気の量は、式（１）に示した化学反応式により、金属Ｘの量に比例することが分かる。
【００４０】
そこで、予め金属薄膜の膜厚と面積を計測しておけば反応完了までに透湿度測定対象の薄膜を透過した水蒸気の量を計算することができ、これらの反応完了までの所要時間と水蒸気透過量から、測定対象の薄膜に関する水蒸気透過率が求められる。
【００４１】
つづいて、透湿度測定装置の具体的な構成例について説明する。本発明にかかる透湿度測定装置は、光を照射するための光源と、測定対象薄膜を透過した水蒸気とアルカリ金属（あるいはアルカリ土類金属）との反応状況を計測する計測部と、計測部で計測した値を表示するための表示部と、計測部周囲の温度および湿度を一定に調整する恒温恒湿槽等の容器を組み合わせて構成する。
【００４２】
測定方法としては、まず、水蒸気を透過しない透明な基板上に金属薄膜を真空プロセス等によって形成し、金属薄膜の面積と厚さを測定しておく。次に、透明基板の金属薄膜を形成した面を測定対象物の薄膜により、金属薄膜が完全に覆われるように被覆する。
【００４３】
被覆方法は、スピンコートやドクターブレード等の湿式法でも、蒸着やスパッタ等の真空プロセスでも構わないが、湿式法では溶媒や原料が水分を含まないように注意を払う必要がある。
【００４４】
つぎに金属や測定対象物を成膜した基板の上に、基板上の金属膜のある部分にのみ光が照射されるように絞り穴の付いた絞り板を載せて計測部を構成する。検出器は光透過量を電気に変換できるものであれば何でも良く、太陽電池、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子、フォトダイオード、フォトトランジスタ、ＣｄＳなどの受光素子などが考えられる。金属薄膜の下部全体の光透過量を計測する必要があるため、小さな素子の場合は複数個を平面上に並べて検出器とすることが望ましい。
【００４５】
この計測部に絞り板側から光源により光を照射すると、透過光が存在する場合には検出器において端子間の電流、電圧、あるいは抵抗等の変化が起こる。この変化を電流計、電圧計、抵抗計等検出器の出力に見合った表示部と電気配線により接続して透過光の量を計測する。
【００４６】
これらの検出器の中で太陽電池は面積の大きいものが容易に得られること、短絡電流を計測値として用いるのであれば、比較的単純な電流計で表示ができることなどの利点があり、本発明の透湿度測定装置用検出器として特に優れている。
【００４７】
上記の計測部を一定の温度および一定の湿度に保った容器に設置すると、容器内の水蒸気が測定対象物の薄膜を透過して金属薄膜に到達し、金属と反応して水酸化物を形成する。そして時間経過と共に金属の割合が減り、水酸化物の割合が増加するため、光の透過量が徐々に変化する。その後、金属が全て水酸化物に変化すると、光の透過量は一定の値になる。
【００４８】
予め金属が全て水酸化物になった場合の光透過量を実験的に求めておけば、測定開始からその光透過量になるまでの時間を計測することで、測定対象物の薄膜をある時間で透過した水蒸気の量を求めることが出来る。
【００４９】
この金属としては水蒸気との反応性の高いアルカリ金属やアルカリ土類金属を用いることが出来るが、水蒸気との反応前後での透過光量の差が大きいほうが測定が容易であり測定精度も高め易いという点から、水酸化物薄膜の透明性が高いＣａ金属が特に好ましい。
【００５０】
つぎに、本実施例にかかる透湿度評価装置を用いて行なった評価結果の具体的な例について説明する。
【００５１】
図３は、透湿度評価装置内で用いた計測部の構成を説明する断面図である。５ｃｍ角、厚さ０．５ｍｍのガラス基板３１の上に、Ｃａ薄膜３２を直径４ｃｍの円形に成膜した。直径４ｃｍの穴が開いたメタルマスクを基板上に載せ、Ｃａ金属を原料とした抵抗加熱による真空蒸着法により成膜を行なった。蒸着時間を調節することにより、Ｃａ薄膜３２の膜厚は２５０ｎｍとした。
【００５２】
その上に測定対象物としてエポキシ樹脂層３３を厚さ５０μｍになるように、エポキシ樹脂系ワニスをスピンコートにより基板全体に塗布した。ワニスは予め減圧脱泡することにより含まれている水分を除去し、スピンコートも乾燥空気中で行なった。
【００５３】
この積層体を長辺１０ｃｍ、短辺５ｃｍのポリシリコン太陽電池３４上に、エポキシ樹脂被覆面が上になるように設置した。さらにエポキシ樹脂被覆面の上に、中央に直径４ｃｍの穴が開いた１０ｃｍ四方の絞り板３５を乗せて計測部を構成した。
【００５４】
このようにして作成した計測部４４を図４に示す様に、上面にガラス窓を有する恒温恒湿槽４２のガラス窓の真下の位置に設置した上で、太陽電池の出力端子に導線４５の一端を接続し、導線４５の他端は恒温恒湿槽外に設置した電流計４６と接続した。
【００５５】
また、恒温恒湿槽４２上面のガラス窓４３の上から、１００Ｗの人工太陽照明灯４１により擬似太陽光を計測部４４に向けて照射して測定を行なった。なお、恒温恒湿槽内は、２０℃、６０％ＲＨに設定した上で、太陽電池短絡電流の計時変化を測定した。この結果図５の（ａ）に示したように短絡電流の変化が見られた。
【００５６】
一方、Ｃａ金属が水蒸気と完全に反応した場合の短絡電流を確認するために、図３に示した計測部からエポキシ樹脂層３３を除き、Ｃａ薄膜３２が直接恒温恒湿槽内の外気に接するようにした計測部を作成し、同一条件により短絡電流の経時変化を測定した。この測定結果を図５の（ｂ）に示す。
【００５７】
また、Ｃａが水蒸気と反応し終えて略一定となった状態での短絡電流値Ｉｓｃ［ｍａｘ］により規格化した短絡電流を縦軸に、Ｉｓｃ［ｍａｘ］が測定されるまでの経過時間により規格化した経過時間を横軸にして、図５の（ａ），（ｂ）に示した計測値を表示しなおしたグラフを図６（ａ），（ｂ）に示す。
【００５８】
規格化した図６においては、エポキシ樹脂層の有無に関わらずほぼ同様の経時変化を示しており、Ｃａと水蒸気との反応機構は樹脂層の影響をほとんど受けないことを示している。
【００５９】
直径４ｃｍ、厚さ２５０ｎｍのＣａ膜は、１．２２×１０−５ｍｏｌに相当し、Ｃａｌ原子が水２分子と反応して水酸化物が生成するため、全てのＣａ膜が反応するためには４．３７×１０−４ｇの水蒸気が必要になる。
【００６０】
計測対象物が薄膜であるため膜中における面内方向での水蒸気拡散は無視できると考えると、水蒸気の透過領域の面積は４πｃｍとなり、Ｃａと水蒸気との反応が完了するまでの時間は図５から７１８５秒と求められる。従って、エポキシ樹脂層の透湿度は４．２ｇ／ｍ２／ｄａｙと求められる。
【００６１】
つづいて、本実施例にかかる透湿度評価装置を用いて行なった他の評価結果の具体的な例について説明する。図３に示した透湿度計測部における厚さ５０μｍのエポキシ樹脂層の上にプラズマＣＶＤ法でシランと窒素ガスを原料として基板温度１５０℃でＳｉ３Ｎ４薄膜を厚さ２００ｎｍ成膜し、計測対象物をエポキシ樹脂とＳｉ３Ｎ４の２層構造とした。
【００６２】
この透湿度計測部を用いて上述と同様の条件で短絡電流の経時変化を測定したところ、図７に示した結果が得られた。また、Ｃａが水蒸気と反応し終えた状態で短絡電流Ｉｓｃ［ｍａｘ］により規格化した短絡電流を縦軸に、Ｉｓｃ［ｍａｘ］が測定されるまでの経過時間により規格化した経過時間を横軸にして図６に示した計測値を表示しなおしたグラフを図６に（ｃ）として併せて示す。
【００６３】
図６のグラフから明らかなように、図６（ａ）、（ｂ）に示した短絡電流変化と図６（ｃ）に示した短絡電流変化とは反応挙動が非常に近似しており、Ｃａと水蒸気の反応は共に同様なメカニズムによる反応が起こっていると考えられる。
【００６４】
従って、計測対象物を透過した水蒸気量ついても同様に、４．３７×１０−４ｇとみなされる。この水蒸気が透過するために要した時間は図７から４４．５６日と求められ、これらの値からエポキシ樹脂−Ｓｉ３Ｎ４複合膜の透湿度は７．８×１０−３ｇ／ｍ２／ｄａｙと求められる。
【００６５】
また、上記の計算ではＣａ薄膜が全て水蒸気と反応し終えるまでの時間を用いて湿度の計算を行なったが、計測対象膜が透明でなおかつピンホールなどの局所的な欠陥からの水蒸気透過がなければ図６に示したように規格化した短絡電流の時間変化は計測対象膜の有無に関わらず同様な挙動を示すことから、Ｃａ膜が半透明の状態になるまでの経過時間から透湿度を推算することも可能である。
【００６６】
具体的に説明すると、計測対象膜を成膜せずＣａ薄膜が露出した測定系において、規格化した短絡電流が０．２になるまでの規格化放置時間は０．６３となる。また、Ｃａが完全に反応した時の電流値は２４．７ｍＡであった。
【００６７】
これに対し、図７に示した測定結果に関してＣａが完全に反応した際の短絡電流はＣａが露出した系での測定値と同じ２４．７ｍＡであると仮定して短絡電流を規格化すると、規格化短絡電流が０．２となる電流値４．９４ｍＡには測定開始から２４．７日後に到達する。
【００６８】
この放置時間がＣａ露出状態での測定結果と同様に規格化した値の０．６３に相当すると仮定すると、図７に示した計測系においてＣａが完全に反応するために必要な経過時間は３９．２日と計算される。
【００６９】
この値は、図７に示した実測値４４．５６日に対して１２％少ない値であるが、透湿度の概算を求める上では充分な精度を持つ値とみなせる。このような計算を行なうことにより、測定精度は低下するものの、測定時間を短縮することが可能となる。
【００７０】
さらに図７に示した例では最初の１０日間程度はほとんど短絡電流が流れない状態が継続しているが、これはＣａの膜厚が厚く、膜表面から厚さ方向に一部分のみしか水分と反応していない状態が続いているためであり、Ｃａ薄膜の膜厚をさらに薄くすればこの短絡電流が流れ始めるまでの時間が短くなり測定時間もさらに短縮されると考えられる。
【００７１】
上述してきたように本発明にかかる透湿度評価装置および透湿度評価方法は、水蒸気との化学反応によって光に対する透過性が変化する光透過部材（たとえばアルカリ金属やアルカリ土類金属の薄膜）に対し、評価対象である薄膜を介して水蒸気を接触させ、水蒸気と光透過部材との化学反応によって生じる光透過性の変化量から透湿度を評価するので、高い防湿性を有する耐湿保護膜を対象とした透湿度測定の正確性と簡便性を改善することができる。
【００７２】
なお、本実施例に示した電池構造や装置構成はあくまで一例であり、本発明はこれに限定されることなく適宜構造および構成を変更して実施することが出来るものである。
【００７３】
例えば、本実施例では、アルカリ金属薄膜上に測定対象の薄膜を成膜した計測部を使用する場合を例に説明を行なったが、本発明の適用はこれに限定されるものではなく、アルカリ金属基板に接する水蒸気が全て測定対象の薄膜を経由すればよい。
【００７４】
図８は、他の装置構成例を説明する説明図である。同図に示した構成では、透湿度測定装置は、除湿機５１（あるいはガスボンベであってもよい）と送風機５２（あるいは減圧器であってもよい）によって容器内にガス流路５３を形成し、容器の開口部５４を耐湿性保護膜で覆うと共に、開口部５４の外側に恒温恒湿槽５５を設けている。そして、アルカリ金属薄膜５７をガス流路４１内に、開口部５４に対して下流側となるように設置し、光源５６から出射され、アルカリ金属薄膜５７を透過した光を受光素子５８によって受光して、演算装置５９が受光強度変化から透湿度を算出している。
【００７５】
この構成を採用した場合であっても、既に述べたものと同様の効果、すなわち簡易な構成で測定対象の薄膜の透湿度を高精度に測定する、という効果を得ることが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
以上のように、本発明に係る透湿度評価装置および透湿度評価方法は、耐湿保護膜の透湿度測定に有用であり、特に防湿性の高い耐湿保護膜の透湿度測定における測定の簡便化と高精度化に適している。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の概念と基本構成について説明する説明図である。
【図２】アルカリ金属の水酸化による透過率変化について説明する説明図である。
【図３】透湿度評価装置内で用いた計測部の構成を説明する断面図である。
【図４】計測部を恒温恒湿槽内部に設置する場合の装置構成を説明する説明図である。
【図５】太陽電池短絡電流の計時変化を説明する説明図である（その１）。
【図６】太陽電池短絡電流の計時変化を説明する説明図である（その２）。
【図７】太陽電池短絡電流の計時変化を説明する説明図である（その３）。
【図８】乾燥した空気を流すガス流路を設け、流路の開口部を覆う形で測定対象である膜を形成し、流路の中に金属薄膜を設置する方式の装置構成図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０ アルカリ金属薄膜
１１，２１，５６ 光源
１２ 受光部
１３ 受光強度変化計測部
１４ 透湿度算出部
１５ 湿度提供部
２２，３５ 絞り板
２３ 測定対象薄膜
２４ 金属薄膜
２５ 基板
２６ 検出器
２７ メーター
２８ 配線
３１ ガラス基板
３２ Ｃａ薄膜
３３ エポキシ樹脂層
３４ 太陽電池
４１ 人工太陽照明灯
４２，５５ 恒温恒湿槽
４３ ガラス窓
４４ 計測部
４５ 導線
４６ 電流計
５１ 除湿機
５２ 送風機
５３ ガス流路
５４ 開口部
５７ アルカリ金属薄膜
５８ 受光素子
５９ 演算装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
評価対象である薄膜の透湿度を評価する透湿度評価装置であって、
水蒸気との化学反応によって光に対する透過性が変化する光透過部材と、
前記光透過部材に対して光を照射する光源と、
前記光透過部材を透過した光の強度を検知する光強度検知手段と、
所定の湿度を供給する湿度供給手段と、
前記湿度供給手段が供給する水蒸気を前記評価対象である薄膜を介して前記光透過部材に接触させ、当該水蒸気と前記光透過部材との化学反応によって生じる光強度測定手段による測定結果の変化量を計測する変化量計測手段と、
を備えたことを特徴とする透湿度評価装置。
【請求項２】
前記光透過部材は、アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の透湿度評価装置。
【請求項３】
光を透過し、水蒸気を遮断する基板の一方の面上に前記光透過部材の薄膜を形成し、該光透過部材の薄膜の上に前記評価対象である薄膜を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の透湿度評価装置。
【請求項４】
光を透過し、水蒸気を遮断する基板の一方の面上に前記光透過部材の薄膜を形成し、前記基板の他方の面上に前記光強度検知手段として機能する光電変換素子を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の透湿度評価装置。
【請求項５】
乾燥したガスが流れるガス流路が形成されるとともに外部に対する開口部を有する乾燥容器をさらに備え、前記評価対象である薄膜は前記開口部を覆って設置されるとともに前記開口部の外側から前記湿度供給手段によって水蒸気を供給され、前記乾燥容器内のガス流路上において前記開口部に対して下流側に前記光透過部材を設置したことを特徴とする請求項１，２，４のいずれか一つに記載の透湿度評価装置。
【請求項６】
前記光強度検知手段は太陽電池であり、光透過部材を透過した光の強度を該太陽電池の短絡電流値として出力することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の透湿度評価装置。
【請求項７】
前記光透過部材としてＣａを用いることを特徴とする請求項２〜６のいずれか一つに記載の透湿度評価装置。
【請求項８】
評価対象である薄膜の透湿度を評価する透湿度評価方法であって、
水蒸気との化学反応によって光に対する透過性が変化する光透過部材に対して光を照射する照射工程と、
前記光透過部材を透過した光の強度を検知する光強度検知工程と、
前記光透過部材に対し、前記評価対象である薄膜を介して水蒸気を接触させる水蒸気接触工程と、
前記水蒸気と前記光透過部材との化学反応によって生じる光強度測定手段による測定結果の変化量を計測する変化量計測工程と、
を含んだことを特徴とする透湿度評価方法。
【請求項１】
評価対象である薄膜の透湿度を評価する透湿度評価装置であって、
水蒸気との化学反応によって光に対する透過性が変化する光透過部材と、
前記光透過部材に対して光を照射する光源と、
前記光透過部材を透過した光の強度を検知する光強度検知手段と、
所定の湿度を供給する湿度供給手段と、
前記湿度供給手段が供給する水蒸気を前記評価対象である薄膜を介して前記光透過部材に接触させ、当該水蒸気と前記光透過部材との化学反応によって生じる光強度測定手段による測定結果の変化量を計測する変化量計測手段と、
を備えたことを特徴とする透湿度評価装置。
【請求項２】
前記光透過部材は、アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の透湿度評価装置。
【請求項３】
光を透過し、水蒸気を遮断する基板の一方の面上に前記光透過部材の薄膜を形成し、該光透過部材の薄膜の上に前記評価対象である薄膜を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の透湿度評価装置。
【請求項４】
光を透過し、水蒸気を遮断する基板の一方の面上に前記光透過部材の薄膜を形成し、前記基板の他方の面上に前記光強度検知手段として機能する光電変換素子を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の透湿度評価装置。
【請求項５】
乾燥したガスが流れるガス流路が形成されるとともに外部に対する開口部を有する乾燥容器をさらに備え、前記評価対象である薄膜は前記開口部を覆って設置されるとともに前記開口部の外側から前記湿度供給手段によって水蒸気を供給され、前記乾燥容器内のガス流路上において前記開口部に対して下流側に前記光透過部材を設置したことを特徴とする請求項１，２，４のいずれか一つに記載の透湿度評価装置。
【請求項６】
前記光強度検知手段は太陽電池であり、光透過部材を透過した光の強度を該太陽電池の短絡電流値として出力することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の透湿度評価装置。
【請求項７】
前記光透過部材としてＣａを用いることを特徴とする請求項２〜６のいずれか一つに記載の透湿度評価装置。
【請求項８】
評価対象である薄膜の透湿度を評価する透湿度評価方法であって、
水蒸気との化学反応によって光に対する透過性が変化する光透過部材に対して光を照射する照射工程と、
前記光透過部材を透過した光の強度を検知する光強度検知工程と、
前記光透過部材に対し、前記評価対象である薄膜を介して水蒸気を接触させる水蒸気接触工程と、
前記水蒸気と前記光透過部材との化学反応によって生じる光強度測定手段による測定結果の変化量を計測する変化量計測工程と、
を含んだことを特徴とする透湿度評価方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−２８６７０２（Ｐ２００８−２８６７０２Ａ）
【公開日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１３３１７６（Ｐ２００７−１３３１７６）
【出願日】平成１９年５月１８日（２００７．５．１８）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月１８日（２００７．５．１８）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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