特許第6862926号(P6862926)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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特許6862926ガスバリア性膜の成膜装置及び成膜方法とガスバリア性膜付プラスチック容器の製造方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6862926
(24)【登録日】2021年4月5日
(45)【発行日】2021年4月21日
(54)【発明の名称】ガスバリア性膜の成膜装置及び成膜方法とガスバリア性膜付プラスチック容器の製造方法
(51)【国際特許分類】
   C23C 16/509 20060101AFI20210412BHJP
   B65D 23/02 20060101ALI20210412BHJP
【FI】
   C23C16/509
   B65D23/02 Z
【請求項の数】17
【全頁数】19
(21)【出願番号】特願2017-39515(P2017-39515)
(22)【出願日】2017年3月2日
(65)【公開番号】特開2017-172040(P2017-172040A)
(43)【公開日】2017年9月28日
【審査請求日】2019年12月11日
(31)【優先権主張番号】特願2016-52525(P2016-52525)
(32)【優先日】2016年3月16日
(33)【優先権主張国】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000006035
【氏名又は名称】三菱ケミカル株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】393032125
【氏名又は名称】MCCアドバンスドモールディングス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100086911
【弁理士】
【氏名又は名称】重野 剛
(74)【代理人】
【識別番号】100144967
【弁理士】
【氏名又は名称】重野 隆之
(72)【発明者】
【氏名】柳原 英人
(72)【発明者】
【氏名】松村 香
(72)【発明者】
【氏名】持田 光範
【審査官】 山本 一郎
(56)【参考文献】
【文献】 米国特許出願公開第2013/0209704(US,A1)
【文献】 特開2008−088472(JP,A)
【文献】 特開2012−116541(JP,A)
【文献】 特開2005−271959(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C23C 16/509
B65D 23/02
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも口部、胴部及び底部を有するプラスチック容器の内面に、プラズマCVD法によりガスバリア性膜を成膜する装置において、
該プラスチック容器の底部が奥側となるように該プラスチック容器を収容する凹部が形成された第1の電極と、
該凹部の奥部に設けられた磁石と、
該第1の電極との間でプラズマを発生させる第2の電極と、
該第1の電極と第2の電極との間にプラズマ発生用の電圧を印加する電源と、
該凹部に収容されたプラスチック容器内を排気する排気手段と、
該プラスチック容器内に原料ガスを供給する原料ガス供給手段と
を有し、
該磁石は、該凹部の奥部である、該凹部を高さ方向に3分割した場合の該凹部の底面を含む部分以外には配置されないことを特徴とするガスバリア性膜の成膜装置。
【請求項2】
請求項1において、前記凹部の内面に誘電体部材が配置されていることを特徴とするガスバリア性膜の成膜装置。
【請求項3】
請求項1又は2において、前記磁石は、前記凹部に収容されたプラスチック容器の底部と該凹部の底面との間に介在するように設けられていることを特徴とするガスバリア性膜の成膜装置。
【請求項4】
請求項1ないし3のいずれか1項において、前記磁石はキャップ付きフェライト磁石であり、前記第1の電極側にキャップが配置されていることを特徴とするガスバリア性膜の成膜装置。
【請求項5】
請求項1ないし3のいずれか1項において、前記磁石はリング状であり、該磁石の孔部分に前記プラスチック容器の底部を嵌合させるように設けられていることを特徴とするガスバリア性膜の成膜装置。
【請求項6】
請求項1ないし3のいずれか1項において、前記磁石は断面コの字型であり、該磁石の凹部に前記プラスチック容器の底部を嵌合させるように設けられていることを特徴とするガスバリア性膜の成膜装置。
【請求項7】
請求項1ないし3のいずれか1項において、前記磁石は、前記プラスチック容器の底部の投影面と同形状であり、該プラスチック容器と同軸的に設けられていることを特徴とするガスバリア性膜の成膜装置。
【請求項8】
請求項1ないしのいずれか1項において、前記第2の電極は、前記凹部に収容された前記プラスチック容器外の前記口部から離隔した位置に配置されることを特徴とするガスバリア性膜の成膜装置。
【請求項9】
請求項1ないしのいずれか1項において、前記原料ガス供給手段の原料ガス供給ノズルの先端が、前記凹部に収容された前記プラスチック容器内に位置するように配置されることを特徴とするガスバリア性膜の成膜装置。
【請求項10】
請求項9において、前記プラスチック容器の口部から前記原料ガス供給ノズルの先端までの長さが、該プラスチック容器の高さの1/10〜1/2であることを特徴とするガスバリア性膜の成膜装置。
【請求項11】
請求項1ないし8のいずれか1項において、前記第1の電極が真空チャンバ内に設けられており、前記第2の電極が、前記原料ガスを該真空チャンバ内に供給するシャワーヘッドを兼ねていることを特徴とするガスバリア性膜の成膜装置。
【請求項12】
請求項1ないし11のいずれか1項において、前記プラスチック容器の口部の内径(D)が35mm以下であり、該口部の内径(D)に対する該プラスチック容器の高さ(H)の比(H/D)が3以上であることを特徴とするガスバリア性膜の成膜装置。
【請求項13】
請求項1ないし12のいずれか1項に記載のガスバリア性膜の成膜装置により、プラスチック容器の内面にガスバリア性膜を成膜することを特徴とするガスバリア性膜の成膜方法。
【請求項14】
少なくとも口部、胴部及び底部を有するプラスチック容器の内面に、プラズマCVD法によりガスバリア性膜を成膜してガスバリア性膜付プラスチック容器を製造する方法において、
該プラスチック容器の底部が奥側となるように該プラスチック容器を収容する凹部が形成された第1の電極の該凹部の奥部に磁石を設けた後、該凹部に該プラスチック容器を収容する工程と、
該第1の電極との間でプラズマを発生させる第2の電極を該プラスチック容器の口部側に配置する工程と、
該プラスチック容器内を排気する工程と、
該プラスチック容器内に原料ガスを供給する工程と、
該第1の電極と第2の電極との間にプラズマ発生用の電圧を印加することにより、該原料ガスをプラズマ化して該プラスチック容器の内面にガスバリア性膜を成膜する工程
と有し、
該磁石は、該凹部の奥部である、該凹部を高さ方向に3分割した場合の該凹部の底面を含む部分以外には配置しないことを特徴とするガスバリア性膜付プラスチック容器の製造方法。
【請求項15】
請求項14のいずれか1項において、前記プラスチック容器の口部の内径(D)が35mm以下であり、該口部の内径(D)に対する該プラスチック容器の高さ(H)の比(H/D)が3以上であることを特徴とするガスバリア性膜付プラスチック容器の製造方法。
【請求項16】
請求項14又は15において、前記プラスチック容器内に原料ガスを供給する工程の前に、該プラスチック容器の内面をプラズマ処理する工程を有することを特徴とするガスバリア性膜付プラスチック容器の製造方法。
【請求項17】
請求項16において、前記プラズマ処理に酸素ガスを用いることを特徴とするガスバリア性膜付きプラスチック容器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、プラスチック容器の内面にガスバリア性膜を成膜する成膜装置及び成膜方法と、ガスバリア性膜付プラスチック容器の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
外部及び内部からの酸素や水蒸気の透過防止を目的として、ペットボトルなどのプラスチック容器(以下、単に「容器」ともいう)の内面にガスバリア性膜を成膜した容器やその製造方法は従来から知られている。
【0003】
例えば特許文献1には、容器を収容する空間が形成された外部電極内に容器を収容し、この容器内に、原料ガス供給管が接続された管状の内部電極を挿入した後、排気と原料ガスの供給を行い、外部電極に高周波電圧を印加して外部電極と内部電極の間にプラズマを発生させることで、ダイヤモンドライクカーボン膜(以下、DLC膜)を容器内部に成膜する方法が開示されている。
【0004】
非特許文献1にも、ペットボトルへのDLC膜のコーティング技術が開示されており、特許文献1と同様、高周波電源から電力を投入し、外部電極と内部電極の間にプラズマを発生させることで、DLC膜を容器内部に成膜する方法が記載されている。この非特許文献1には、DLC膜の膜厚を厚くするために、磁石によって成膜速度を向上させる検討を行ったところ、スカスカの膜で酸素透過度に寄与しなかったことが記載されているが、具体的に磁石をどの部分に配置し、どのように用いたかの記載はなされていない。
【0005】
特許文献2には、プラスチック容器が収容されている外部電極内以外でプラズマが発生し、排気室や排気系の部材を劣化させたり、原料ガス由来の異物が付着したりすることを防止するために、外部電極の上部のプラスチック容器口部から首部にあたる容器外周に誘電体からなる環状部材を配置した装置が開示され、この誘電体からなる環状部材の更に外周に磁石を配置して、外部電極と誘電体からなる環状部材に到る部分に形成される膜の膜厚差を小さくすることが記載されている。
【0006】
近年、ペットボトルなどの飲料用容器に限らず、錠剤や医薬品の保存容器など、様々な大きさや形状の容器にガスバリア性膜を成膜する方法が検討されている。
例えば、特許文献3には、特許文献1に開示された容器よりも小型のプラスチック容器の内壁面にガスバリア性膜を均一に成膜する方法として、容器の外壁面と外部電極の内壁面との間に誘電体部材を配置し、原料ガス供給管として機能する内部電極を容器内部に挿入せず、容器の口部から所定距離だけ離して配置する成膜方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開平8−53116号公報
【特許文献2】特開2008−88472号公報
【特許文献3】特開2012−116541号公報
【非特許文献】
【0008】
【非特許文献1】Journal of the Vacuum Society of Japan, Vol.58(2015) No.9 p.330−333
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明者らは、口部の内径が小さく、口部の内径に対して高さの高い容器に対して、特許文献3に記載されたように、容器の外壁面と外部電極の内壁面の間に誘電体部材を配置し、容器の外部で原料ガスを供給した後、外部電極に高周波電力を印加したところ、主に容器の口部側でのみプラズマが発生し、容器内部ではプラズマが発生しにくい傾向があり、容器の底部側では、ほとんどガスバリア性膜が成膜されないことを確認した。
また、容器内に成膜されたガスバリア性膜の膜厚は、容器口部付近では厚く、容器の底部側では薄く、容器全体においてガスバリア性膜の膜厚の均一性が悪いため、成膜後の容器は酸素や水蒸気の透過を十分に抑制することができないことを確認した。
この場合において、容器内部でのプラズマの発生を向上させるために、外部電極に印加する高周波電力を大きくすると、容器が熱変形してしまうという不具合が生じた。
【0010】
本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、口部の内径が小さく、口部の内径に対して高さの高い容器であっても、容器内面にガスバリア性膜を均一に成膜して、高いガスバリア性を有するプラスチック容器を製造することができる成膜装置及び成膜方法と、ガスバリア性膜付プラスチック容器の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、磁石を所定の箇所に配置して成膜を行うことにより、容器内面にガスバリア性膜を均一に成膜することができ、十分なガスバリア性を確保することができることを見出し、本発明に到達した。
すなわち本発明の要旨は以下の通りである。
【0012】
[1] 少なくとも口部、胴部及び底部を有するプラスチック容器の内面に、プラズマCVD法によりガスバリア性膜を成膜する装置において、該プラスチック容器の底部が奥側となるように該プラスチック容器を収容する凹部が形成された第1の電極と、該凹部の奥部に設けられた磁石と、該第1の電極との間でプラズマを発生させる第2の電極と、該第1の電極と第2の電極との間にプラズマ発生用の電圧を印加する電源と、該凹部に収容されたプラスチック容器内を排気する排気手段と、該プラスチック容器内に原料ガスを供給する原料ガス供給手段とを有することを特徴とするガスバリア性膜の成膜装置。
【0013】
[2] [1]において、前記凹部の内面に誘電体部材が配置されていることを特徴とするガスバリア性膜の成膜装置。
【0014】
[3] [1]又は[2]において、前記磁石は、前記凹部に収容されたプラスチック容器の底部と該凹部の底面との間に介在するように設けられていることを特徴とするガスバリア性膜の成膜装置。
【0015】
[4] [1]ないし[3]のいずれかにおいて、前記第2の電極は、前記凹部に収容された前記プラスチック容器外の前記口部から離隔した位置に配置されることを特徴とするガスバリア性膜の成膜装置。
【0016】
[5] [1]ないし[4]のいずれかにおいて、前記原料ガス供給手段の原料ガス供給ノズルの先端が、前記凹部に収容された前記プラスチック容器内に位置するように配置されることを特徴とするガスバリア性膜の成膜装置。
【0017】
[6] [1]ないし[5]のいずれかにおいて、前記プラスチック容器の口部の内径(D)が35mm以下であり、該口部の内径(D)に対する該プラスチック容器の高さ(H)の比(H/D)が3以上であることを特徴とするガスバリア性膜の成膜装置。
【0018】
[7] [1]ないし[6]のいずれかに記載のガスバリア性膜の成膜装置により、プラスチック容器の内面にガスバリア性膜を成膜することを特徴とするガスバリア性膜の成膜方法。
【0019】
[8] 少なくとも口部、胴部及び底部を有するプラスチック容器の内面に、プラズマCVD法によりガスバリア性膜を成膜してガスバリア性膜付プラスチック容器を製造する方法において、該プラスチック容器の底部が奥側となるように該プラスチック容器を収容する凹部が形成された第1の電極の該凹部の奥部に磁石を設けた後、該凹部に該プラスチック容器を収容する工程と、該第1の電極との間でプラズマを発生させる第2の電極を該プラスチック容器の口部側に配置する工程と、該プラスチック容器内を排気する工程と、該プラスチック容器内に原料ガスを供給する工程と、該第1の電極と第2の電極との間にプラズマ発生用の電圧を印加することにより、該原料ガスをプラズマ化して該プラスチック容器の内面にガスバリア性膜を成膜する工程とを有することを特徴とするガスバリア性膜付プラスチック容器の製造方法。
【0020】
[9] [8]において、前記凹部の内面に誘電体部材を配置した後前記プラスチック容器を該凹部に収容することを特徴とするガスバリア性膜付プラスチック容器の製造方法。
【0021】
[10] [8]又は[9]において、前記磁石を、前記プラスチック容器の底部と前記凹部の底面との間に設けることを特徴とするガスバリア性膜付プラスチック容器の製造方法。
【0022】
[11] [8]ないし[10]のいずれかにおいて、前記第2の電極を、前記凹部に収容されたプラスチック容器外の前記口部から離隔した位置に配置することを特徴とするガスバリア性膜付プラスチック容器の製造方法。
【0023】
[12] [8]ないし[11]のいずれかにおいて、前記原料ガスを前記凹部に収容された前記プラスチック容器内に挿入した原料ガス供給ノズルから供給することを特徴とするガスバリア性膜付プラスチック容器の製造方法。
【0024】
[13] [8]ないし[12]のいずれかにおいて、前記プラスチック容器の口部の内径(D)が35mm以下であり、該口部の内径(D)に対する該プラスチック容器の高さ(H)の比(H/D)が3以上であることを特徴とするガスバリア性膜付プラスチック容器の製造方法。
【0025】
[14] [8]ないし[13]のいずれかにおいて、前記プラスチック容器内に原料ガスを供給する工程の前に、該プラスチック容器の内面をプラズマ処理する工程を有することを特徴とするガスバリア性膜付プラスチック容器の製造方法。
【発明の効果】
【0026】
本発明によれば、口部の内径が小さく、口部の内径に対して高さの高い容器であっても、容器内面に、ガスバリア性膜を均一に成膜することができ、高いガスバリア性を有するガスバリア性膜付プラスチック容器を製造することが可能となる。
本発明は、磁石を所定の箇所に配置するのみで、既存のガスバリア性膜の成膜装置にも容易に適用することが可能であり、実用性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
図1A】本発明のガスバリア性膜の成膜装置の実施の形態の一例を示す模式的な断面図である。
図1B】本発明のガスバリア性膜の成膜装置の別の実施の形態の一例を示す模式的な断面図である。
図2】本発明に係る第1の電極の凹部の奥部を説明する断面図である。
図3】外部電極内の誘電体部材の配置例を示す断面図である。
図4】プラスチック容器の形状例を示す図であって、(a),(c),(e),(g)図は縦断面図、(b),(d),(f),(h)図は、それぞれ(a),(c),(e),(g)図のB−B線、D−D線、F−F線、J−J線に沿う横断面図である。
図5】実施例におけるガスバリア性膜の膜厚の測定部位を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0028】
以下に本発明の実施の形態を詳細に説明するが、以下の説明は、本発明の実施形態の一例(代表例)を説明するものであり、本発明はこれらの内容に特定されるものではない。
【0029】
[ガスバリア性膜の成膜装置]
まず、図1A,1Bを参照して本発明のガスバリア性膜の成膜装置について説明する。図1A,1Bは本発明のガスバリア性膜の成膜装置の実施の形態の一例を示す模式的な断面図であり、同一機能を奏する部材には同一符号を付してある。
【0030】
図1A,1Bにおいて、2は、ガスバリア性膜を成膜するプラスチック容器1を収容する凹部2Aが形成された第1の電極であり、絶縁部材8を介して密閉される蓋部4Aと本体部4Bとで構成される真空チャンバ4の本体部4B側に設けられている。また、第1の電極2には、整合器5Aを介して高周波電源5より電力が供給される。
【0031】
第1の電極2の凹部2Aは、プラスチック容器1の高さよりも深く、かつその水平断面はプラスチック容器1の水平断面よりもわずかに大きく、プラスチック容器1の全体が、その底部が奥側となるように収容し得る大きさに形成されている。
【0032】
なお、後述の通り、凹部2A内には、誘電体部材11,12又は導電体部材を設けてもよく、その場合には、凹部2Aは、誘電体部材11,12や導電体部材の厚さ分だけ大きく形成される。
【0033】
プラズマ発生効率の面から、凹部2Aの内面(後述の誘電体部材又は導電体部材を設けた場合は、これらの部材面)とこの凹部2A内に収容されたプラスチック容器1との間隙は、2mm以下であることが好ましく、凹部2Aの内面とプラスチック容器1とが接触していることがより好ましい。
【0034】
図1Aにおいて、3は、第1の電極2との間でプラズマを発生させるための第2の電極である。
本実施の形態においては、第2の電極3は真空チャンバ4の蓋部4Aの板面の内面に積層された板状電極であるが、第2の電極の形状、配置構成は何ら図示のものに限定されるものではない。
ただし、図1Aのように、第2の電極3を、第1の電極2の凹部2Aに収容されたプラスチック容器1の口部から離隔して設けられた板状電極とすることにより、電極構造を簡略化することができ、また多様な形状の対象物に成膜することができ、工業的に有利である。
【0035】
第2の電極3と第1の電極2との距離(図1A中のL)は5〜250mmとすることが好ましい。この範囲内であれば、第2の電極3と第1の電極2との間でプラズマを生成、維持することが容易になる傾向がある。
【0036】
真空チャンバ4の蓋部4Aには、原料ガスの供給管6が貫通して設けられてもよい。図1Aの実施の形態では、この原料ガスの供給管6の先端のノズル6Aが第1の電極2の凹部2Aに収容されたプラスチック容器1内に位置するように設けられている。原料ガスの供給管6は、第2の電極3に接続されており、第2の電極の一部としての役割も果たす。
【0037】
このように、原料ガス供給ノズル6Aの先端をプラスチック容器1内に位置するように設けることにより、口部の内径が小さく、口部の内径に対して高さの高い容器であっても、容器の底部にまで十分量の原料ガスを供給して容器1の底部側にもガスバリア性膜を効率的に成膜することができるようになる。原料ガス供給ノズル6Aの先端の位置は、ガスバリア性膜を成膜するプラスチック容器1の寸法や形状によっても異なるが、排気効率、プラズマ生成の観点から、プラスチック容器1の口部から容器1内に挿入された原料ガス供給ノズル6Aの先端までの長さ(挿入深さ)(図1A中L)が、プラスチック容器1の高さの1/10〜4/5となるようにすることが好ましく、1/5〜1/2となるようにすることがより好ましい。
【0038】
7は、真空チャンバ4内を排気する排気管であり、図示しない真空ポンプに接続されている。
【0039】
第2の電極は、原料ガスを真空チャンバ内に供給するシャワーヘッドを兼ねてもよい。第2の電極をシャワーヘッドとすることで、容器の形状に関わらず、真空チャンバ内に安定して原料ガスを供給することができる。
【0040】
図1Bは、第2の電極が原料ガスを真空チャンバ内に供給するシャワーヘッドを兼ねるように構成された成膜装置を示すものであり、真空チャンバ4の蓋部4Aに設けられたシャワーヘッド嵌め込み用の孔部に、第2の電極30と電極支持体31の積層体が一体的に設けられている。電極支持体31内には、ガス拡散室32が設けられており、このガス拡散室32から真空チャンバ4内に連通する多数のガス吐出孔33が電極支持体31と第2の電極30を貫通して設けられている。また、原料ガスの供給管6がこのガス拡散室32に連結されている。
【0041】
図1Bの成膜装置は、このように、第2の電極30が原料ガスを真空チャンバ内に供給するシャワーヘッドを兼ね、原料ガスの供給管6の先端が、電極支持体31のガス拡散室32に連結されていること以外は、図1Aの成膜装置と同様の構成とされている。
【0042】
本発明のガスバリア性膜の成膜装置は、第1の電極2の凹部2Aの奥部に磁石10を設け、プラズマCVD法によりガスバリア性膜を成膜することを特徴とし、特にプラスチック容器1の底部と凹部2Aの底面との間に磁石10が介在するように配置することを特徴とする。このように磁石を配置して成膜を行うことにより、口部の内径(D)が小さく、口部の内径(D)に対して所定の高さ(H)を有する容器の底部までガスバリア性膜を均一に成膜することができ、十分なガスバリア性を有する容器を製造することができる。
その理由の詳細は明らかではないが、磁石を当該箇所に配置することによって、容器の口部側を中心として発生するプラズマ領域に含まれる荷電粒子、電子を磁界分布の存在する磁石近傍、すなわち容器内部へ引き込むことができ、その結果、容器の底部においても原料ガスの分解が促進されることによるものと推測される。
なお、第1の電極2の凹部2Aの奥部とは、図2に示すように、凹部2Aを高さ方向に3分割した場合の凹部2Aの底面を含む部分を指す。
また、磁石は、プラスチック容器1の底部外面側にN極、S極どちら側を向けて配置しても、同様の効果が得られる。
【0043】
磁石としては、永久磁石又は電磁石を用いることができる。真空チャンバ4への設置の容易さ、コスト及び汎用性の観点から、永久磁石を用いることが好ましい。永久磁石としてはフェライト磁石、サマリウムコバルト磁石、ネジオム磁石などを用いることができ、これらの磁石をキャップ(鉄枠)内に収容した構成を有するキャップ(鉄枠)付き磁石、例えばキャップ(鉄枠)付きフェライト磁石を用いてもよい。
【0044】
用いる磁石の種類、形状、大きさは、プラスチック容器1の形状や大きさ、成膜装置の構造、成膜条件、ガスバリア性膜の要求特性等に応じて目的とするガスバリア性膜が得られるように適宜選択される。例えば、形成されるガスバリア性膜の膜厚の均一性の面では、キャップ(鉄枠)付きフェライト磁石の方がサマリウムコバルト磁石より好ましい場合がある。バリア性については、成膜条件により左右されることが多い。
なお、キャップ(鉄枠)付き磁石を配置する場合は、キャップ(鉄枠)を第1の電極2側に配置する。
【0045】
図1A,1Bの実施の形態では、板状の磁石10が、第1の電極2の凹部2Aの底面を覆うように設けられているが、磁石10は、凹部2Aの奥部に設けられていればよく、例えば、リング状の磁石の孔部分にプラスチック容器の底部を嵌合させるように設けてもよく、断面コの字型の磁石の凹部に、プラスチック容器の底部を嵌合させるように設けてもよい。また、磁石10はプラスチック容器の底部又は胴部と、第1の電極2の凹部2Aの奥部壁面との間に設けてもよい。
【0046】
ただし、簡易な構成で、本発明による効果を効率的に得る観点から、磁石としては、図1A,1Bに示すように、プラスチック容器1の底部の投影面(ここで、投影面とは、プラスチック容器底部をプラスチック容器の高さ方向に投影した面をいう。)と同形状の板状の磁石をプラスチック容器1と同軸的に設けることが好ましい。
【0047】
用いる磁石10の磁束密度には特に制限はないが、後掲の実施例の項に記載される方法で測定される磁束密度として40〜400mTのものが好ましい。磁束密度がこの範囲であれば、適度にプラズマを容器1内に引き込むことで容器1の溶融を引き起こすことなく、磁石10を設けることによる本発明の効果を十分に得ることができる傾向がある。また容器形状や装置の構成によって、40〜200mTのものが好ましい場合がある。
【0048】
磁石10の厚さは、例えば既存の成膜装置に設計変更を要することなく、本発明を適用することを考慮した場合、十分な磁力が得られる範囲で薄い方が好ましく、通常2〜10mm程度のものが用いられる。
【0049】
本発明のガスバリア性膜の成膜装置では、図3に示すように、第1の電極の凹部2Aの内面の凹部2Aとプラスチック容器1との間に誘電体部材11,12を設けてもよく、誘電体部材を設けることにより、成膜されるガスバリア性膜の膜厚をより一層均一化することができる。誘電体部材は、図3(a)に示すように、凹部2Aの内側面に設けられた筒状の誘電体部材11であってもよく、図3(b)に示すように、凹部2Aの内側面と底面とに設けられた有底筒状の誘電体部材12であってもよい。
【0050】
誘電体部材11,12を構成する誘電体としては、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ化炭素樹脂、ポリアセタール、硬質塩化ビニル、ポリカーボネート、ポリエーテル・エーテル・ケトン樹脂などのプラスチック樹脂、ガラス、セラミックスなどが挙げられ、単一の誘電体を使用してもよいし、複数の誘電体を同時に使用してもよい。
誘電体部材11,12の肉厚は2〜30mmで、誘電体部材11,12は、プラスチック容器1及び第1の電極2と接触するように設けることが好ましい。
【0051】
なお、比較的大きなプラスチック容器にガスバリア性膜を成膜するための既存の成膜装置を用いて、比較的小さなプラスチック容器にガスバリア性膜を成膜する場合、第1の電極の凹部がプラスチック容器に対して大き過ぎることとなる。このような場合において、プラスチック容器1と凹部の内面との間隙に誘電体部材を介在させることにより、均一成膜を図ると共に、凹部の寸法調整を行える。なお、寸法調整のみを行う場合には、誘電体部材の代りに導電部材を設けてもよく、この場合、導電部材を構成する導電材料としては、アルミニウム、銅、鉄及びそれらから成る合金、ステンレス鋼などを用いることができ、中でもアルミニウム合金が、導電性、熱伝導性、加工性の観点から好ましい。
【0052】
[ガスバリア性膜付プラスチック容器の製造方法]
次に、上記のような本発明のガスバリア性膜の成膜装置によりガスバリア性膜を成膜してガスバリア性膜付きプラスチック容器を製造する方法について説明する。
【0053】
プラスチック容器1にガスバリア性膜を成膜するには、まず、図1Aの真空チャンバ4の蓋部4Aを開放した状態で、第1の電極2の凹部2A内の磁石10上にプラスチック容器1を挿入する。
次いで、第2の電極3と原料ガス供給管6を有する蓋部4Aを絶縁部材8を介して本体部4Bに気密に取り付けた後、排気管7より真空引きして真空チャンバ4内を真空にする。この真空の程度は例えば0.1〜50Pa程度である。
【0054】
このように、プラスチック容器1内を排気後、プラスチック容器1内に原料ガスを供給してプラスチック容器1内面にガスバリア性膜を成膜する前に、プラスチック容器1の内面をプラズマ処理することが好ましい。具体的には、プラズマ化されるガスを、原料ガス供給管6を介してプラスチック容器1内に供給し、高周波電源5により、第1の電極2と第2の電極3との間に電圧を印加してプラズマを発生させ、プラスチック容器1内面をプラズマ処理することが好ましい。プラスチック容器1内面をプラズマ処理した後、ガスバリア性膜を成膜することで、プラスチック容器のガスバリア性を向上できる傾向にある。
また、上記のようにプラスチック容器1内面をプラズマ処理した後、プラズマ処理に使用した残留ガスを排気した後に、ガスバリア性膜を成膜してもよい。
【0055】
プラズマ化するガスの種類は、例えば、酸素ガス、水素ガス、窒素ガス、二酸化炭素ガス、一酸化炭素ガス、メタン等の炭化水素ガス、又はアルゴンやヘリウムのような希ガスが挙げられる。プラズマ化するガスは、これらのガスの1種のみを用いてもよく、2種類以上のガスを混合して用いてもよい。これらのガスのうち、プラスチック容器の内面を容易に改質できる点から、酸素ガスが好ましい。
【0056】
プラズマ化するガスの供給流量には、特に制限がないが、通常50〜400sccm程度である。また、印加する電力量にも特に制限はないが、通常100〜800W程度である。
プラズマ化したガスによる表面処理の時間は、用いるガスの種類、電力量やプラズマ化ガス供給流量、プラスチック容器の樹脂種類等により適宜調整されるが、通常1〜40秒の範囲であり、生産性や処理速度の観点から、好ましくは5〜20秒の範囲である。
【0057】
上記のように、プラスチック容器1の内面を必要に応じてプラズマ処理した後は、原料ガス供給管6より原料ガスをプラスチック容器1内に供給し、高周波電源5により、第1の電極2と第2の電極3との間に電圧を印加してプラズマを発生させる。
【0058】
原料ガスの供給流量には、特に制限はないが、通常10〜200sccm程度である。
また、印加する電力量にも特に制限はないが、通常40〜500W程度であり、容器形状や装置の構成によって、40〜200Wであることが好ましい場合がある。
【0059】
このように、プラスチック容器1の内部に向けて原料ガスを減圧された所定圧力下で吹き出させているときに、高周波電力を供給すると、この電力をエネルギー源として、プラスチック容器1内の原料ガスがプラズマ化され、これによって、プラスチック容器1の内壁面にガスバリア性膜が成膜される。
【0060】
成膜時間は、電力量や原料ガス供給流量、所望のガスバリア性膜の膜厚等により適宜調整されるが、通常1〜90秒の範囲であり、生産性の観点から、好ましくは1〜20秒、より好ましくは1〜10秒の範囲である。
成膜後は原料ガスの供給を停止すると共に電源をOFFとし、真空チャンバ4内を復圧して開放し、ガスバリア性膜付きプラスチック容器を取り出す。
【0061】
図1Bに示す成膜装置であっても、上記と同様に成膜を行える。
【0062】
[プラスチック容器]
本発明において、ガスバリア性膜を成膜するプラスチック容器には特に制限はなく、図4(a),(b)((b)図は(a)図のB−B線断面図)に示すような、底部が丸みを帯びた断面円形状の容器1Aであってもよく、図4(c),(d)((d)図は(c)図のD−D線断面図)に示すように、底部が断面楕円形状の容器1Bであってもよい。また、図4(e),(f)((f)図は(e)図のF−F線断面図)に示すように、胴部に対して口部が縮径された有底角筒形状の容器1Cであってもよい。さらに、図4(g),(h)((h)図は(g)図のJ−J線断面図)に示すように、口部から底部にかけてテーパーを有し、底部が断面円形状の容器1Dであってもよい。図4(a),(c)に示す容器1A,1Bの口部が図4(e)に示されるように、縮径されたものであってもよい。なお、図4において、Xは口部を、Yは胴部を、Zは底部をそれぞれ示す。
容器の形状は、例えば、図4(a)のB−B線断面図が、図4(d)又は、図4(f)となるような形状であってもよく、図4(c),図4(e),図4(g)の断面も、図4(d),図4(f),図4(h)以外の形状であってもよい。
【0063】
いずれの形状であっても、本発明は特に、口部の内径(D)に対して高さ(H)の高い容器に対して有効である。例えば、本発明は、口部の内径(D)が35mm以下、特に20mm以下、とりわけ15mm以下、例えば5〜35mmの範囲で、口部の内径(D)に対する高さ(H)の比(H/D)比が3以上、特に4以上、とりわけ6以上、例えば3〜10の範囲であり、有効容量として300mL以下、特に50mL以下、とりわけ20mL以下であるような容器へのガスバリア性膜の成膜に有効であり、このようにH/D比が大きい容器であっても、磁石を設けたことにより、容器の底部にまでガスバリア性膜を成膜することができる。
【0064】
プラスチック容器を構成するプラスチック材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート樹脂(PET)、ポリエチレンテレフタレート系共重合樹脂(ポリエステルのアルコール成分にエチレングリコールの代わりに、シクロヘキサンジメタノール等を使用した共重合樹脂等)、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、ポリ乳酸(PLA)等の脂肪族ポリエステル系樹脂、ポリエチレン樹脂(PE)、ポリプロピレン樹脂(PP)、シクロオレフィンポリマー樹脂(COP)やシクロオレフィンコポリマー樹脂(COC)等のシクロオレフィン系樹脂、アイオノマ樹脂、ポリ−4−メチルペンテン−1樹脂、ポリメタクリル酸メチル樹脂、ポリスチレン樹脂(PS)、エチレン−ビニルアルコール共重合樹脂、アクリロニトリル樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂(PC)、ポリスルホン樹脂、フッ化エチレン樹脂、スチレン−ブタジエン樹脂、アクリロニトリル−スチレン樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂等が挙げられ、これらの中でも、成形性や耐熱性の観点から、PET、PC、PS及びシクロオレフィン系樹脂が好ましい。
【0065】
[ガスバリア性膜]
本発明において、プラスチック容器の内面に成膜されるガスバリア性膜は、酸素又は水蒸気等の透過を抑制可能であれば、その組成は特に限定されるものではない。特にダイヤモンドライクカーボン膜(DLC膜)、SiO膜、SiON膜、SiOC膜、SiONC膜、Si含有ダイヤモンドカーボン膜等のSi含有膜、又は、アルミナ膜であることが好ましい。中でも、化学的に不活性であること、柔軟性によりプラスチック容器の伸縮に追従性があることから、DLC膜が好ましい。尚、ガスバリア性膜は、異なる組成の膜を複数重ねたものであってもよい。
【0066】
ガスバリア性膜の膜厚は、用途に応じた要求特性により適宜設定されるが通常5〜200nmである。
【0067】
DLC膜としては、アモルファスカーボン膜、水素化アモルファスカーボン膜、テトラヘドラルアモルファスカーボン膜、水素化テトラヘドラルアモルファスカーボン膜などを例示することができる。DLC膜中には、窒素や酸素が含まれていてもよい。その場合、炭素原子数100に対し、窒素原子数、酸素原子数が好ましくは、各20以下、より好ましくは、各15以下である。炭素原子数に対する各原子数は、X線光電子分光分析で分析可能である。
【0068】
[原料ガス]
原料ガスとしては、例えば、DLC膜を成膜する場合、常温で気体又は液体の脂肪族炭化水素類、芳香族炭化水素類、含酸素炭化水素類、含窒素炭化水素類などが使用される。特に炭素数が6以上のベンゼン、トルエン、o−キシレン、m−キシレン、p−キシレン、シクロヘキサン等が望ましい。食品等の容器に使用する場合には、衛生上の観点から脂肪族炭化水素類、特にエチレン、プロピレン又はブチレン等のエチレン系炭化水素、又は、アセチレン、アリレン又は1−ブチン等のアセチレン系炭化水素が好ましい。
【0069】
Si含有膜を成膜する場合には、珪化炭化水素ガス又は珪化水素ガスを使用する。具体的には、四塩化ケイ素、シラン(SiH)、ヘキサメチルジシラン、ビニルトリメチルシラン、メチルシラン、ジメチルシラン、トリメチルシラン、テトラメチルシラン、ジエチルシラン、プロピルシラン、フェニルシラン、メチルトリエトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン等の有機シラン化合物、オクタメチルシクロテトラシロキサン、1,1,3,3−テトラメチルジシロキサン、ヘキサメチルジシロキサン(HMDSO)等の有機シロキサン化合物等が使用される。また、これらの材料以外にも、アミノシラン、シラザンなども用いられる。
【0070】
アルミナ膜を成膜する場合には、炭化水素アルミニウムガスを使用する。例えば、トリアルキルアルミニウム、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、ジアルキルアルミニウム、トリイソプロピルアルミニウム、トリ−n−ブチルアルミニウム、ジメチルイソプロピルアルミニウムを用いる。
【0071】
これらの原料ガスは、単独で用いてもよいが、2種以上の混合ガスとして使用するようにしてもよい。さらにこれらのガスをアルゴンやヘリウムの様な希ガスで希釈して用いてもよい。また、水素ガスや窒素ガス、又は酸素ガスを加えてガスバリア性膜の組成を調整してもよい。
【実施例】
【0072】
以下に実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の応用が可能である。
【0073】
[測定及び評価方法]
実施例及び比較例で使用した磁石、得られた容器に対して行った測定及び評価方法は以下の通りである。
【0074】
<磁束密度>
テスラメーター(マザーツール株式会社「MT−701」)を用い、端子を磁石表面に接触させて磁束密度を測定した。
【0075】
<水蒸気透過度>
ガスバリア性膜を形成した容器又はガスバリア成膜未成膜の容器に水6mLを入れ、容器の口部を高密度ポリエチレン(HDPE)製キャップで封止した。
この状態で、温度50℃の恒温槽内に静置し、重量変化を測定することで水蒸気透過度を算出した。
【0076】
<酸素透過度>
以下の測定装置により、以下の条件で、ガスバリア性膜を形成した容器又はガスバリア成膜未成膜の容器の口部に下記測定装置用のアダプターヘッドを装着して測定した。
測定装置:Modern Control社製「Oxtran 2/61」
測定条件:温度23℃、相対湿度50%
【0077】
<ガスバリア性膜の膜厚均一性>
図5に示すように、予め、プラスチック容器1の内壁面に、シリコンウェハ20を配置し、各実施例及び比較例と同一の条件でガスバリア性膜21の成膜を行った。成膜後、容器1からシリコンウェハ20を取り出し、シリコンウェハ20上に堆積しているガスバリア性膜21の膜厚を高精度微細形状測定器(小坂研究所株式会社製、製品名「サーフコーダET4000A」)を用いて測定した。
【0078】
膜厚の測定は、プラスチック容器1の胴部を、図5に示すように高さ方向に分割し、位置A(容器底部側、胴部最下部から3mm上方の位置)におけるガスバリア性膜の膜厚T、位置B(位置Aより27mm上方の位置)におけるガスバリア性膜の膜厚T、位置C(口部上端から30mm下方の位置(位置Dから27mm下方の位置))におけるガスバリア性膜の膜厚T、位置D(容器の口部側、口部上端から3mm下方の位置)におけるガスバリア性膜の膜厚Tをそれぞれ測定し、T、T及びTの平均厚みTAVEに対するTの比(T/TAVE)を算出した。この値が0.2以上であれば膜厚が均一であると評価できる。
【0079】
ガスバリア性膜を成膜するプラスチック容器としては、実施例1〜7及び比較例1〜4では、図4(a)及び図4(b)に示すような有底円筒形状であって、且つ、底部が丸底形状となっているポリカーボネート製容器(口部内径D=15mm、高さH=90mm、H/D=6、容量16mL)(以下、容器イ)を用いた。
実施例8,9および比較例5では、容器イと同一形状のポリスチレン製容器(以下、容器ロ)を用いた。
また、磁石はいずれも、直径17mm、厚さ5mmの円盤形状のものである。
【0080】
[実施例1]
図1Bに示す成膜装置(第1の電極2と第2の電極30との距離Lは35mm)を用い、第1の電極の凹部の底面にフェライト磁石(磁束密度80mT)を配置して、第1の電極に印加する高周波電力100W、原料ガス(アセチレンガス)の流量100sccm、成膜時間14秒として、容器イの内面にDLC膜を成膜した。
得られた容器の水蒸気透過度、酸素透過度、及びガスバリア性膜の膜厚均一性の評価結果を表1に示す。
なお、表1中、水蒸気透過度及び酸素透過度の単位における「pkg」は「容器1本当たり」を意味する。
【0081】
[実施例2]
フェライト磁石を、キャップ(鉄枠)付きフェライト磁石(磁束密度130mT)に変更した以外は、実施例1と同様にして、容器イの内面にDLC膜を成膜した。
得られた容器の水蒸気透過度、酸素透過度、及びガスバリア性膜の膜厚均一性の評価結果を表1に示す。
【0082】
[実施例3]
第1の電極内に配置する磁石をサマリウムコバルト磁石(磁束密度260mT)に変更した以外は、実施例1と同様にして、容器イの内面にDLC膜を成膜した。
得られた容器の水蒸気透過度、酸素透過度、及びガスバリア性膜の膜厚均一性の評価結果を表1に示す。
【0083】
[実施例4]
第1の電極に印加する高周波電力を120Wに変更した以外は、実施例3と同様にして、容器イの内面にDLC膜を成膜した。
得られた容器の水蒸気透過度、酸素透過度、及びガスバリア性膜の膜厚均一性の評価結果を表1に示す。
【0084】
[実施例5]
成膜時間を7秒に変更した以外は、実施例4と同様にして、容器イの内面にDLC膜を成膜した。
得られた容器の水蒸気透過度、酸素透過度、及びガスバリア性膜の膜厚均一性の評価結果を表1に示す。
【0085】
[実施例6]
成膜時間を4秒に変更した以外は、実施例4と同様にして、容器イの内面にDLC膜を成膜した。
得られた容器の水蒸気透過度、酸素透過度、及びガスバリア性膜の膜厚均一性の評価結果を表1に示す。
【0086】
[実施例7]
図1Aに示す成膜装置(第1の電極2と第2の電極3との距離Lは35mm、原料ガス供給ノズル6Aの挿入深さLは21mm)を用いるように変更した以外は、実施例6と同様にして、容器イの内面にDLC膜を成膜した。
得られた容器の水蒸気透過度、ガスバリア性膜の膜厚均一性の評価結果を表1に示す。
【0087】
[比較例1]
第1の電極内に磁石を配置しなかった以外は、実施例1と同様にして、容器イの内面にDLC膜を成膜した。
成膜後、得られた容器を目視したところ、容器底部にDLC膜特有の着色が見られず、容器底部にDLC膜が付着していないことが確認できた。
得られた容器の水蒸気透過度、酸素透過度、及びガスバリア性膜の膜厚均一性の評価結果を表1に示す。
【0088】
[比較例2]
第1の電極の凹部寸法を大きくし、凹部内に、図3(a)に示すように、筒形状のテフロン(登録商標)製の誘電体部材(厚さ10mm)を配置し、磁石を用いなかったこと以外は、実施例1と同様の条件で、容器イの内面にDLC膜を成膜した。
得られた容器の水蒸気透過度、ガスバリア性膜の膜厚均一性の評価結果を表1に示す。
【0089】
[比較例3]
第1の電極内に磁石を配置せず、第1の電極に印加する高周波電力を500Wに変更した以外は実施例1と同様にして、容器イの内面にDLC膜を成膜した。
成膜後、得られた容器を目視したところ、容器に熱変形が見られた。
【0090】
[比較例4]
ガスバリア性膜未成膜の容器イについて、水蒸気透過度、酸素透過度の評価結果を表1に示す。
【0091】
[実施例8]
第1の電極に印加する高周波電力を120Wに変更し、ガスバリア性膜を成膜する容器を容器イから容器ロに変更した以外は、実施例2と同様にして、容器ロの内面にDLC膜を成膜した。
得られた容器の水蒸気透過度の評価結果を表2に示す。
【0092】
[実施例9]
ガスバリア性膜を成膜する前に、プラズマ化するガスとして酸素ガスを用い、第1の電極に印加する高周波電力200W、酸素ガス流量200sccm、処理時間10秒として、容器ロの内面に対して酸素プラズマ処理を行ったこと以外は、実施例8と同様にして、容器ロの内面にDLC膜を成膜した。
得られた容器の水蒸気透過度の評価結果を表2に示す。
【0093】
[比較例5]
ガスバリア性膜未成膜の容器ロについて、水蒸気透過度の評価結果を表2に示す。
【0094】
【表1】
【0095】
【表2】
【0096】
表1より、次のことが明らかである。
比較例1は、磁石を用いていないため、容器1の底部にガスバリア性膜を形成することはできなかった。比較例2は、誘電体部材を用いたものであるが、容器1の底部付近の位置Aにガスバリア性膜を形成することはできるものの、その膜厚は薄く、ガスバリア性膜の膜厚均一性に劣る。比較例3は、高周波電力を上げたため、容器1が熱変形した。
これに対して、本発明に従って、第1の電極の凹部の奥部に磁石を設けることにより、実施例1〜7のように、H/D比の大きい容器1であっても均一な膜厚でガスバリア性膜を成膜することができ、ガスバリア性膜未成膜の比較例4と比較してガスバリア性に優れた容器を製造することができる。
【0097】
また、表2より、実施例9のように、ガスバリア性膜を成膜する前に、容器1の内面を酸素プラズマ処理することで、よりガスバリア性に優れた容器を製造することができることが分かる。
【符号の説明】
【0098】
1,1A,1B,1C,1D プラスチック容器
2 第1の電極
2A 凹部
3,30 第2の電極
4 真空チャンバ
5 高周波電源
6 原料ガス供給管
7 排気管
8 絶縁部材
11,12 誘電体部材
20 シリコンウェハ
21 ガスバリア性膜
31 電極支持体
32 ガス拡散室
33 ガス吐出孔
図1A
図1B
図2
図3
図4
図5