(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の一方の面にセンサ面を有するとともに、前記半導体基板に対して光を照射するように構成した光走査型二次元濃度分布測定装置の前記センサ面に接触するように液体層を設け、この液体層に接触するように評価対象のイオン交換膜を設け、その状態で、前記液体層とはｐＨ値が異なる液体をイオン交換膜に対して滴下し、そのとき液体層におけるｐＨの変化に基づいて前記イオン交換膜を評価するようにしたことを特徴とするイオン交換膜の評価方法。
【請求項２】
半導体基板の一方の面にセンサ面を有するとともに、前記半導体基板に対して光を照射するように構成した光走査型二次元濃度分布測定装置の前記センサ面に接触するように液体層を設け、この液体層に接触するように評価対象のイオン交換膜を設けるとともに、このイオン交換膜に所定の直流電圧を印加し、その状態で、前記液体層とはｐＨ値が異なる液体をイオン交換膜に対して滴下し、そのとき液体層におけるｐＨの変化に基づいて前記イオン交換膜を評価するようにしたことを特徴とするイオン交換膜の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、イオン交換膜の評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、イオン交換膜中におけるイオンの動きを観察する手法は皆無といってもよく、図５に示すように、イオン交換の対象となる液５１がイオン交換膜５２を通過した後の液５１’をトータル的に分析するしか方法はなかった。なお、この図において、５３は交換対象の液５１を収容する容器、５４は交換後の液５１’を収容する容器である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の手法においては、イオン交換膜５２の評価を行うに際して、液５１をイオン交換する必要があるなど、評価のために種々の手順が必要であるため、イオン交換膜５２の評価を簡単かつ短時間で行うことができないとともに、再現性に欠けるといった問題がある。
【０００４】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、イオン交換膜の評価を、簡便かつ迅速に、しかも、精度よく確実に行うことができるイオン交換膜の評価方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明のイオン交換膜の評価方法は、半導体基板の一方の面にセンサ面を有するとともに、前記半導体基板に対して光を照射するように構成した光走査型二次元濃度分布測定装置の前記センサ面に接触するように液体層を設け、この液体層に接触するように評価対象のイオン交換膜を設け、その状態で、前記液体層とはｐＨ値が異なる液体をイオン交換膜に対して滴下し、そのとき液体層におけるｐＨの変化に基づいて前記イオン交換膜を評価するようにした点に特徴がある（請求項１）。
【０００６】
上記イオン交換膜の評価方法において、液体層としては、例えば寒天ゲルやポリアクリルアミドゲルなどのゲルを用いるのが好ましい。また、ｐＨの変化は、ｐＨの異なる領域が検出されるまでの時間や、一定時間後に形成されるｐＨ領域のサイズや、ｐＨ変化領域でさらに生じているｐＨ値などを解析することにより、把握することができる。
【０００７】
この発明のイオン交換膜の評価方法においては、例えば酸溶液をイオン交換膜に滴下した際におけるイオン交換膜内のプロトンの動きを、光走査型二次元濃度分布測定装置によって観察することにより、イオン交換膜の反応を目視によって観察できるとともに、液体層におけるｐＨの変化に基づいてイオン交換膜の交換能力や交換速度を数値的に把握することができる。
【０００８】
そして、この発明のイオン交換膜の評価方法においては、液体層のｐＨとは異なるｐＨを有する液体を滴下するだけであるので、従来に比べて簡便にしかも迅速に、イオン交換の評価を行うことができる。
【０００９】
この発明のイオン交換膜の評価方法において、前記液体層におけるｐＨの変化を観察するに際して、イオン交換膜に所定の直流電圧を印加するようにしてもよく（請求項２）、このようにした場合、イオン交換膜内のプロトンの動きをより確実に観察することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１および図２は、この発明の第１の実施の形態を示す。まず、この発明のイオン交換膜の評価方法に用いられる光走査型二次元濃度分布測定装置１について、図１を参照しながら説明する。
【００１１】
図１において、２は測定装置本体で、センサ部３とこれに光４を照射するための光照射部５とからなる。
【００１２】
前記センサ部３は、例えばシリコンなどの半導体よりなる基板６の一方の面（図示例では上面）にＳｉＯ2 層７、Ｓｉ3 Ｎ4 層８を熱酸化、ＣＶＤなどの手法によって順次形成してなるもので、水素イオンに応答するように形成されている。９はセンサ部３のセンサ面（この場合、Ｓｉ3 Ｎ4 層８）を含み、これに臨むようにして設けられるセル機能を有するセンサホルダで、樹脂材料あるいは他の適宜の材料よりなり、溶液やゲルなどをセンサ面８に接触させた状態で収容できるように構成されている。なお、センサ面８は例えば数ｃｍ四方の大きさである。
【００１３】
そして、１０，１１はセンサ面８に臨むようにして設けられる対極、比較電極で、後述するポテンショスタット１６に接続されている。また、１２は半導体基板６に設けられる電流信号取出し用のオーミック電極で、後述する電流−電圧変換器１７および演算増幅回路１８を介してポテンショスタット１６に接続されている。
【００１４】
また、１３はセンサ部３を二次元方向、つまり、Ｘ方向（図示例では左右方向）とＹ方向（図示例では、紙面に垂直な方向）に走査するセンサ部走査装置で、光照射部５からのセンサ部３への光４の照射を妨げないように構成され、光走査制御装置１４からの信号によって制御される。
【００１５】
前記光照射部５は、例えばレーザ光源からなるとともに、半導体基板６の下面側（センサ面８とは反対側）に設けられており、後述するインタフェースボード１９を介してコンピュータ２０の制御信号によって断続光を発するとともに、センサ部走査装置１３によって二次元方向に走査されるセンサ部３の半導体基板６に対して最適なビーム径になるように調整されたレーザ光４を照射するように構成されている。
【００１６】
１５は測定装置本体２を制御するための制御ボックスであって、半導体基板６に適宜のバイアス電圧を印加するためのポテンショスタット１６、半導体基板６に形成されたオーミック電極１２から取り出される電流信号を電圧信号に変換する電流−電圧変換器１７、この電流−電圧変換器１７からの信号が入力される演算増幅回路１８、この演算増幅回路１８と信号を授受したり、センサ部走査制御装置１４に対する制御信号を出力するインタフェースボード１９などよりなる。
【００１７】
２０は各種の制御や演算を行うとともに、画像処理機能を有する制御・演算部としてのコンピュータ、２１は例えばキーボードなどの入力装置、２２はカラーディスプレイなどの表示装置、２３はメモリ装置である。
【００１８】
次に、上記構成の光走査型二次元濃度分布測定装置１を用いたイオン交換膜の評価方法を、図２をも参照しながら説明する。
【００１９】
まず、図１および図２（Ａ）に示すように、ゲル状の寒天フィルム２４をセンサ部３のセンサ面８に接触するようにして設ける。この寒天フィルム２４は、例えばｐＨ７に調整された０．１Ｍの塩化カリウム溶液に１．５％の寒天を加えて加熱し、固化させてなるもので、その厚みは０．５〜１ｍｍ程度である。つまり、この実施の形態においては、センサ面８上に設けられる液体層としてゲル化溶液を用いている。なお、図２（Ａ）において、２５はゲル化溶液２４と同程度の厚みを有するシリコン製のスペーサで、ゲル化溶液２４の周囲に配置されている。また、２６は上部ホルダ、２７はねじ部材である。
【００２０】
次いで、前記ゲル化溶液２４の上面に評価対象であるイオン交換膜２８を載せる（図１および図２（Ａ）参照）。
【００２１】
そして、前記イオン交換膜２８の上方からゲル化溶液２４とはｐＨ値が異なる溶液（例えば酸液）２９を滴下する（図１および図２（Ｂ）参照）。
【００２２】
上述のようにして、イオン交換膜２８上に滴下されたある所定のｐＨ値を有する溶液２９は、時間が経過するに伴ってイオン交換膜２８を透過し、さらに、ゲル化溶液２４に侵入し、その内部に透過し、拡散し（図２（Ｃ）参照）、ゲル化溶液２４にｐＨの変化が生ずる。このｐＨ変化は、微小な領域でのみ計測できるものであり、前記光走査型二次元濃度分布測定装置１によって検出可能な変化である。
【００２３】
すなわち、図１および図２（Ｂ），（Ｃ）に示すように、対極１０、比較電極１１を、ゲル化溶液２４に到達するように装着し、半導体基板６に空乏層が発生するように、ポテンショスタット１６からの直流電圧を比較電極１１とオーミック電極１２との間に印加して、半導体基板６に所定のバイアス電圧を印加する。この状態で半導体基板６に対してレーザ光４を一定周期（例えば、１０ｋＨｚ）で断続的に照射することによって半導体基板６に交流光電流を発生させる。このレーザ光４の断続照射は、コンピュータ２０の制御信号がインタフェースボード１９を介して入力されることによって行われる。前記光電流は、半導体基板６の照射点に対向する点で、センサ面８に接しているゲル化溶液２４におけるｐＨを反映した値であり、その値を測定することにより、この部分でのｐＨ値を知ることができる。
【００２４】
さらに、センサ部走査装置１３によって、センサ部３を二次元方向（Ｘ，Ｙ方向）に移動させることにより、半導体基板６にはレーザ光４が二次元方向に走査されるようにして照射され、ゲル化溶液２４における位置信号（Ｘ，Ｙ）と、その場所で観測された交流光電流値により、表示装置２２の画面２２ａ上に、図２（Ｄ）に示すように、ゲル化溶液２４に形成されるｐＨ分布の状態を表す二次元画像３０が表示される。
【００２５】
前記画像表示は、例えば次のようにして行われる。今、イメージサイズが１ｃｍ×２ｃｍとし、ピクセルサイズが１００μｍであるとすると、各測定点（１００×２００）でのｐＨ値は、測定点の位置座標に対応して並べられる。並べられた値は、グレースケールまたはカラースケールに対応させて、例えばＳＴＭ（走査型トンネル顕微鏡）像に類する化学画像３０として表示される。
【００２６】
そして、前記コンピュータ２０においては、イオン交換膜２８上にあるｐＨ値を有する溶液２９を滴下してからそのｐＨ値がセンサ面８によって検出されるまでの時間や、一定時間後に形成されるｐＨ変化領域のサイズや、ｐＨ変化領域内にさらに生じているｐＨ分布などを解析することができる。
【００２７】
上述の説明から理解されるように、この発明のイオン交換膜の評価方法で用いる光走査型二次元濃度分布測定装置１は、微小な領域における微小なｐＨ変化をも的確にしかも迅速に把握することができ、これを画像処理して表示装置２２の画面２２ａ上に二次元画像３０として表示することができる。したがって、この発明のイオン交換膜の評価方法によれば、従来に比べて簡便にしかも迅速にイオン交換膜２８の評価を行うことができる。
【００２８】
すなわち、ゲル化溶液２４におけるｐＨ分布を観察することにより、イオン交換膜２８内におけるプロトンの動きを観察することができ、これに基づいて、イオン交換膜２８におけるイオン交換の状態を評価することができ、イオン交換膜２８の交換能力や交換速度を定量的に評価することができ、それらを評価する指標を得ることができる。言い換えれば、イオン交換膜２８をその実体に即して直接的に評価することができ、したがって、イオン交換膜２８を精度よく確実に評価することができる。
【００２９】
そして、上記イオン交換膜の評価方法においては、微小な領域における微小なｐＨ変化をも的確にしかも迅速に把握することができ、これを画像処理して表示装置２２の画面２２ａ上に二次元画像３０として表示するものであるので、イオン交換膜２８をその部位ごとに測定することができ、より細かな評価を行うことができる。
【００３０】
図３および図４は、この発明の第２の実施の形態を示すもので、この実施の形態において用いる光走査型二次元濃度分布測定装置は、上記第１の実施の形態において用いたものと変わるところがなく、図３および図４に示すように、イオン交換膜２８に適宜の直流電圧を印加するようにしている点が異なるだけである。
【００３１】
すなわち、図３および図４において、３１，３２はアノード、カソードで、それぞれ直流電源３３に接続されている。これらの電極３１，３２は、ゲル化溶液２４上に載置されるイオン交換膜２８の左右両端部に接触するように設けられ、イオン交換膜２８に適宜の直流電圧（例えば３Ｖ〜９Ｖ程度）を印加するものである。なお、図４において、３４は表示装置２２の画面２２ａ上に表示される二次元画像である。
【００３２】
この実施の形態においては、イオン交換膜２８上にあるｐＨ値を有する溶液２９を滴下してからイオン交換膜２８において生ずるプロトンの動きを観察するに際して、イオン交換膜２８に所定の直流電圧を印加する点が異なるだけで、その動作については、上記第１の実施の形態の動作と同様であるので、詳細については省略する。
【００３３】
この実施の形態においては、上記第１の実施の形態の作用効果に加えて、イオン交換膜２８内のプロトンの動きをより確実に観察することができるといった利点がある。
【００３４】
なお、上述の二次元イオン濃度測定装置１において、比較電極１１を省略し、対極１０を介してバイアス電圧を印加してもよい。但し、比較電極１１を設けていた場合の方が半導体基板６にバイアス電圧をより安定に印加することができる。
【００３５】
そして、上記各光走査型二次元濃度分布測定装置において、センサ部３をＸ，Ｙ方向に移動させるのに代えて、光照射部５に光照射部走査装置を設け、光照射部５をＸ，Ｙ方向に移動させるようにしてもよく、また、光照射部５とセンサ部３との間にレーザ光走査装置を設け、レーザ光４をＸ，Ｙ方向に移動させるようにしてもよい。
【００３６】
さらに、上記光走査型二次元濃度分布測定装置においては、光照射部５によるレーザ光４を半導体基板６のセンサ面８とは反対側から照射するようにしていたが、これに代えて、センサ面８側から照射するようにしてもよい。そして、光照射部５として、例えば特願平７−３９１１４号に示すように、半導体基板６に組み込まれた光照射部を採用してもよい。
【００３７】
【発明の効果】
この発明のイオン交換膜の評価方法によれば、従来に比べて簡便にしかも迅速に評価を行うことができ、イオン交換膜を効率よくしかも確実に評価することができる。また、上記イオン交換膜の評価方法は、再現性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に用いる装置の全体構成を概略的に示す図である。
【図２】前記実施の形態におけるイオン交換膜の評価方法を説明するための図である。
【図３】第２の実施の形態に用いる装置の全体構成を概略的に示す図である。
【図４】前記実施の形態におけるイオン交換膜の評価方法を説明するための図である。
【図５】従来技術を説明するための図である。
【符号の説明】
１…光走査型二次元濃度分布測定装置、４…光、６…半導体基板、８…センサ面、２４…液体層、２８…イオン交換膜、２９…液体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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