(57)【要約】    【課題】薄膜の透湿度を精度よく測定できる装置、およびその測定方法を提供する。    【解決手段】透湿度測定装置１は、絶縁基板５上に下部電極膜３、下部電極膜３の少なくとも一部を覆うように吸湿性膜２、および下部電極膜３の少なくとも一部と吸湿性膜２を挟んで面的に対向し、かつ下部電極膜３とは絶縁された上部電極膜４を有し、下部電極膜３と上部電極膜４との間に容量計７が接続され、吸湿性膜２を覆う被測定試料膜６の透湿度を、容量計７で測定するものである。【選択図】          図１
2007139447.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板上に下部電極膜、該下部電極膜の少なくとも一部を覆うように吸湿性膜、および該下部電極膜の少なくとも一部と該吸湿性膜を挟んで面的に対向し、かつ該下部電極膜とは絶縁された上部電極膜を有し、該下部電極膜と該上部電極膜との間に容量計が接続され、該吸湿性膜を覆う被測定試料膜の透湿度を、容量計で測定することを特徴とする透湿度測定装置。
【請求項２】
該上部電極膜が水分透過性の電極膜であることを特徴とする請求項１に記載の透湿度測定装置。
【請求項３】
該吸湿性膜がポリイミド膜であることを特徴とする請求項１に記載の透湿度測定装置。
【請求項４】
該吸湿性膜がフッ素化ポリイミド膜であることを特徴とする請求項１に記載の透湿度測定装置。
【請求項５】
絶縁基板上に下部電極膜、該下部電極膜の少なくとも一部を覆うように吸湿性膜、および該下部電極膜の少なくとも一部と該吸湿性膜を挟んで面的に対向し、かつ該下部電極膜とは絶縁された上部電極膜を有する湿度センサの、該吸湿性膜を被測定試料膜で覆い、該下部電極膜と該上部電極膜との間の容量を測定し、その容量から被測定試料膜の透湿度を換算して算出することを特徴とする透湿度測定方法。
【請求項６】
前記容量から被測定試料膜の透湿度を換算して算出する式が
【数１】
2007139447.tif 000005
2007139447.tif 000006
（数１中、Ｄｗは透湿度、Δｔは測定時間、ｄは膜厚、εｗは水の比誘電率、εｐは乾燥時の薄膜の比誘電率、εｓは吸湿時の薄膜の比誘電率、Ｃは吸湿時の薄膜の静電容量、Ｃｐは乾燥時の薄膜の静電容量）
であることを特徴とする請求項５に記載の透湿度測定方法。
【請求項７】
被測定試料膜に前記湿度センサを少なくとも２個設け、うち１個は透湿度が既知の吸湿性膜を用いた標準センサを使用して、キャリブレーションを行うことを特徴とする請求項５に記載の透湿度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸湿による静電容量変化から薄膜の透湿度を測定する装置、及び透湿度測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気電子部品や電化製品は、水分や酸素の侵入を防止するために表面コーティングがなされている。該コーティング膜の防水、防湿性能は、コーティング膜の透湿度を測定することで評価できる。該透湿度を測定する手段の一例として、静電容量型湿度センサが利用できる。
【０００３】
特許文献１にはポリイミド樹脂を利用した静電容量型湿度センサが示されている。一方、特許文献２には感湿膜にフッ素系有機化合物を利用した静電容量式湿度センサが、特許文献３にはフッ素化ポリイミド材料が示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−００５８６７号公報
【特許文献２】特開２００１−２４９０９９号公報
【特許文献３】特開２０００−０２６３８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の湿度センサでは感度が低すぎて、コーティング膜の透湿度を精密に測定できていないのが現状である。
【０００６】
本発明は、薄膜の透湿度を精度よく測定できる装置、およびその測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の目的を達成するためになされた、特許請求の範囲の請求項１に記載された発明は、絶縁基板上に下部電極膜、該下部電極膜の少なくとも一部を覆うように吸湿性膜、および該下部電極膜の少なくとも一部と該吸湿性膜を挟んで面的に対向し、かつ該下部電極膜とは絶縁された上部電極膜を有し、該下部電極膜と該上部電極膜との間に容量計が接続され、該吸湿性膜を覆う被測定試料膜の透湿度を、容量計で測定することを特徴とする透湿度測定装置である。
【０００８】
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された透湿度測定装置であって、該上部電極膜が水分透過性の電極膜であることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載された発明は、請求項１に記載された透湿度測定装置であって、該吸湿性膜がポリイミド膜であることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載された発明は、請求項１に記載された透湿度測定装置であって、該吸湿性膜がフッ素化ポリイミド膜であることを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載された発明は、絶縁基板上に下部電極膜、該下部電極膜の少なくとも一部を覆うように吸湿性膜、および該下部電極膜の少なくとも一部と該吸湿性膜を挟んで面的に対向し、かつ該下部電極膜とは絶縁された上部電極膜を有する湿度センサの、該吸湿性膜を被測定試料膜で覆い、該下部電極膜と該上部電極膜との間の容量を測定し、その容量から被測定試料膜の透湿度を換算して算出することを特徴とする透湿度測定方法である。
【００１２】
請求項６に記載された発明は、請求項５に記載された透湿度測定方法であって、前記容量から被測定試料膜の透湿度を換算して算出する式が
【００１３】
【数１】
2007139447.tif 000003
2007139447.tif 000004
【００１４】
（数１中、Ｄｗは透湿度、Δｔは測定時間、ｄは膜厚、εｗは水の比誘電率、εｐは乾燥時の薄膜の比誘電率、εｓは吸湿時の薄膜の比誘電率、Ｃは吸湿時の薄膜の静電容量、Ｃｐは乾燥時の薄膜の静電容量）
であることを特徴とする。
【００１５】
請求項７に記載された発明は、請求項５に記載された透湿度測定方法であって、被測定試料膜に前記湿度センサを少なくとも２個設け、うち１個は透湿度が既知の吸湿性膜を用いた標準センサを使用して、キャリブレーションを行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の透湿度測定装置は、10−3〜10−5g／m２・dayという高感度で薄膜の透湿度を測定することができる。該透湿度測定装置は薄膜を透過する水分が微量でも精度よく測定するので、薄膜の防水、防湿効果を容易に評価できる。
【００１７】
本発明の透湿度測定方法によれば、高価な装置を必要とせず、簡便な作業で精密に薄膜の透湿度を測定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の透湿度測定装置及び測定方法を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の透湿度測定装置１の一実施例の斜視図を、図２はその断面図を示したものである。絶縁基板５に下部電極膜３を帯状に形成し、その上に、該下部電極膜３の少なくとも一部が覆われるように吸湿性膜２をコーティングする。次いで、該吸湿性膜２を挟んで少なくとも下部電極膜３の一部と面的に対向するように、上部電極膜４を帯状に形成する。下部電極膜３及び上部電極膜４は容量計７に接続している。
【００２０】
こうして得られた透湿度測定装置１の上部電極膜側表面に、下部電極膜３と上部電極膜４とが対向している部分の少なくとも一部が覆われるように被測定試料膜６をコーティングする。
【００２１】
前記吸湿性膜２が水分を吸収すると、吸湿性膜２の静電容量が変化する。この静電容量変化を容量計にて測定し、前記数式を用いて透湿度を算出する。
【００２２】
前記吸湿性膜は、薄いほど水分検知の感度が上がり、より微量の水分を検出できる。しかし薄すぎると膜強度が低下してしまう。前記吸湿性膜の膜厚は、50ｎｍ〜5μｍであるとよい。前記吸湿性膜は、膜厚が数百ナノメートルから数ミクロン程度の場合、スピンコート法により作製する。一方前記膜厚が数百ナノメートル以下の場合は、真空蒸着法で作製すると好ましい。
【００２３】
前記吸湿性膜として、フッ素化ポリイミド膜を用いることが好ましい。フッ素化ポリイミドは、ポリイミドの有する親水性と、フッ素の有する疎水性との両特性を兼ね備えている。周囲の湿度に応じて、水分を迅速に吸収、離脱させることができるため、湿度環境が急激に変化しても、被測定試料膜の透湿度を正確に測定することができる。透湿度測定を適切に行うためには、前記フッ素化ポリイミド膜におけるフッ素含有量が5〜50重量％であると好ましい。このようなフッ素化ポリイミドとして、具体的には、トリフルオロメチル基やヘキサフルオロプロパン基を含有するポリイミドが挙げられる。
【００２４】
前記下部電極膜３は膜厚10ｎｍ〜１μｍであり、前期上部電極4は5ｎｍ〜100ｎｍであると良い。上部・下部電極4とも真空蒸着やスパッタ法により作成する。上部電極4は導電性を保ち、なおかつ水分の透過可能な厚さで無ければならない。上部電極4は金であると望ましいが、アルミや銀であっても良い。下部電極は上部電極と下部電極が重なり合う面積は0.01ｍｍ2〜10ｃｍ2であると良い。
【００２５】
前記絶縁基板は、ガラス基板であるとより好ましく、裏面が防水処理されたポリエチレンテレフタレートやポリエチレンナフタレートのようなプラスチックフィルムでも良い。
【００２６】
被測定試料膜の具体例としては、ポリエチレンテレフタレート膜、ポリプロピレン膜、その他  ポリエチレン、フィルム上に成膜された酸化シリコンや窒化膜が挙げられる。
【００２７】
薄膜の透湿度は、その膜厚や温度に影響される。したがって、透湿度が既知の吸湿性膜を用いた標準センサを準備し、被測定試料膜の片側表面に該標準センサ１個と前記湿度センサ１個以上とを設けてキャリブレーションを行ってもよい。
【００２８】
図３は、本発明の透湿度測定装置の別な実施例を示した図である。上部に窓を設けた金属製の円筒状ヘッド８内に前記の透湿度測定装置１を設置する。該装置の下部電極膜３及び上部電極膜４は、ヘッド外部の容量計７（図３に図示）に接続している。
【００２９】
透湿度測定ヘッド１１上部の窓部分に、被測定試料膜６を密着固定する。該薄膜６を透過しヘッド内に侵入した水分がヘッド内の透湿度測定装置により測定され、前記と同様にして透湿度が決定される。ヘッド内はあらかじめ真空に引いて、ヘッド内の水分を除去しておく。
【実施例】
【００３０】
以下、本発明の実施例を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。
本発明を適用する透湿度測定装置を作製した例を実施例１に示す。
【００３１】
（実施例１）
縦25 ｍｍ、横25 ｍｍ、厚さ１ｍｍのガラス基板を水、アセトンで洗浄した。尚、アルコールで洗浄することもでこともできる。このガラス基板に、幅5ｍｍ、膜厚100ｎｍとなるように金を蒸着し、下部電極膜を形成した。その上に、感湿膜としてトリフルオロメチル其やヘキサフルオロプロパン基を含有するポリイミドの薄膜を膜厚1000ｎｍとなるようスピンコート法にて形成した。なお、ポリイミドは溶媒に不溶であるため、ポリイミドの前駆体であるポリアミド酸の溶液をスピンコートしてポリイミドを作成した。次に、その上に、下部電極膜と対向する向きで幅5ｍｍ、膜厚100ｎｍとなるように金を蒸着し、上部電極膜を形成した。下部金電極膜及び上部金電極膜の蒸着は、真空蒸着法にて行った。上部電極膜及び下部電極膜を容量計に接続し、実施例１の透湿度測定装置を得た。
【００３２】
（校正試験）
作製した透湿度測定装置について、校正試験を行った。あらかじめ真空に引いておいた容器中に、一定量の水蒸気を含んだ窒素ガスを流し込んだ。水晶振動子上のポリイミド膜に水蒸気を吸着させ、その吸着量を膜厚計から読み取った。同時に、同じ場所に実施例１で得られた透湿度測定装置を設置し、吸湿させた時の静電容量の変化を容量計で測定した。測定結果を図４に示す。
【００３３】
図４から明らかなように、単位面積あたりの吸着量と、吸着による静電容量増加分との関係は、直線関係を示した。これは、測定の安定度は測定精度に影響するが、数分程度の短時間であれば0.01％の静電容量変化、すなわち10ng／cm２の精度まで測定可能であることを意味している。
【００３４】
次に、実施例１の透湿度測定装置を用いて、薄膜の透湿度を測定した例を実施例２に示す。
【００３５】
（実施例２）
実施例１で得られた透湿度測定装置の上部電極膜側表面に、膜厚60μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）の薄膜を熱圧着して、透湿度測定用の試料を得た。
【００３６】
（静電容量測定）
実施例２で作製した試料を用いて、静電容量を測定した。
容量計には市販のインピーダンスアナライザー型番4284Ａあるいは4294Ａ（アジレント・テクノロジー社製）を用い、温度30℃、周波数10kHzで湿度を0%から80%まで変化させつつ、静電容量の経時変化を測定した。比較のため、被測定薄膜を設けていない実施例１の装置についても同様に測定した。測定結果を図５に示す。
【００３７】
図５から明らかなように、実施例１の装置は測定開始直後に応答し、静電容量が大きく変化した。一方ＰＥＴ薄膜を設けた実施例２の装置は静電容量変化が少なかったが、精度よく測定できた。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の透湿度測定装置は、電子部品、平面ディスプレイ、有機エレクトロルミネッセンス材料などに施されるコーティング膜の透湿度モニターとして利用できる。また、優れたコーティング膜の開発にも貢献する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明を適用する透湿度測定装置の斜視図である。
【００４０】
【図２】本発明を適用する透湿度測定装置の断面図である。
【００４１】
【図３】本発明を適用する透湿度測定装置の一実施例の断面図である。
【００４２】
【図４】実施例１の透湿度測定装置における単位面積あたりの容量変化を示すグラフである。
【００４３】
【図５】実施例１及び実施例２の透湿度測定装置における静電容量の経時変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４４】
１は透湿度測定装置、２は感湿膜、３は下部電極膜、４は上部電極膜、５は絶縁基板、６は被測定試料膜、７は容量計、８は円筒状ヘッド、１１は透湿度測定ヘッドである。
【図１】
2007139447.tif 000007
【図２】
2007139447.tif 000008
【図３】
2007139447.tif 000009
【図４】
2007139447.tif 000010
【図５】
2007139447.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成19年2月13日(2007.2.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板上に下部電極膜、該下部電極膜の少なくとも一部を覆うように吸湿性膜、および該下部電極膜の少なくとも一部と該吸湿性膜を挟んで面的に対向し、かつ該下部電極膜とは絶縁された上部電極膜を、上部に窓を設けた金属製の円筒状ヘッド内に有し、該下部電極膜と該上部電極膜との間に、該円筒状ヘッド外部にある容量計が接続され、該窓部分に密着固定された被測定試料薄膜の透湿度を、該容量計で測定することを特徴とする透湿度測定装置。
【請求項２】
該上部電極膜が真空蒸着またはスパッタにより形成された金、アルミ、または銀の水分透過性の電極膜であることを特徴とする請求項１に記載の透湿度測定装置。
【請求項３】
該吸湿性膜がポリイミド膜であることを特徴とする請求項１に記載の透湿度測定装置。
【請求項４】
該吸湿性膜がフッ素化ポリイミド膜であることを特徴とする請求項１に記載の透湿度測定装置。
【請求項５】
絶縁基板上に下部電極膜、該下部電極膜の少なくとも一部を覆うように吸湿性膜、および該下部電極膜の少なくとも一部と該吸湿性膜を挟んで面的に対向し、かつ該下部電極膜とは絶縁された上部電極膜を有する湿度センサを、空間をおいて被測定試料薄膜で覆い、該空間の水分を除去してから該下部電極膜と該上部電極膜との間の容量を測定し、その容量から被測定試料薄膜の透湿度を換算して算出することを特徴とする透湿度測定方法。
【請求項６】
前記容量から被測定試料薄膜の透湿度を換算して算出する式が
【数１】
2007139447.tif 000012
（上記式中、Ｄｗは透湿度、Δｔは測定時間、ｄは吸湿性膜の膜厚）
【数２】
2007139447.tif 000013
（上記式中、εｗは水の比誘電率、εｐは乾燥時の吸湿性膜の比誘電率、εｓは吸湿時の吸湿性膜の比誘電率、Ｃは吸湿時の吸湿性膜の静電容量、Ｃｐは乾燥時の吸湿性膜の静電容量）
であることを特徴とする請求項５に記載の透湿度測定方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
一方、特許文献１にはポリイミド樹脂を利用した静電容量型湿度センサが示されている。特許文献２には感湿膜にフッ素系有機化合物を利用した静電容量式湿度センサ、特許文献３にはフッ素化ポリイミド材料が示されている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
前記の目的を達成するためになされた、特許請求の範囲の請求項１に記載された発明は、絶縁基板上に下部電極膜、該下部電極膜の少なくとも一部を覆うように吸湿性膜、および該下部電極膜の少なくとも一部と該吸湿性膜を挟んで面的に対向し、かつ該下部電極膜とは絶縁された上部電極膜を、上部に窓を設けた金属製の円筒状ヘッド内に有し、該下部電極膜と該上部電極膜との間に、該円筒状ヘッド外部にある容量計が接続され、該窓部分に密着固定された被測定試料薄膜の透湿度を、該容量計で測定することを特徴とする透湿度測定装置である。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された透湿度測定装置であって、該上部電極膜が真空蒸着またはスパッタにより形成された金、アルミ、または銀の水分透過性の電極膜であることを特徴とする。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
請求項５に記載された発明は、絶縁基板上に下部電極膜、該下部電極膜の少なくとも一部を覆うように吸湿性膜、および該下部電極膜の少なくとも一部と該吸湿性膜を挟んで面的に対向し、かつ該下部電極膜とは絶縁された上部電極膜を有する湿度センサを、空間をおいて被測定試料薄膜で覆い、該空間の水分を除去してから該下部電極膜と該上部電極膜との間の容量を測定し、その容量から被測定試料薄膜の透湿度を換算して算出することを特徴とする。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
【数１】
2007139447.tif 000014
（上記式中、Ｄｗは透湿度、Δｔは測定時間、ｄは吸湿性膜の膜厚）
【数２】
2007139447.tif 000015
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
（上記式中、εｗは水の比誘電率、εｐは乾燥時の吸湿性膜の比誘電率、εｓは吸湿時の吸湿性膜の比誘電率、Ｃは吸湿時の吸湿性膜の静電容量、Ｃｐは乾燥時の吸湿性膜の静電容量）であることを特徴とする。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
前記吸湿性膜２が水分を吸収すると、吸湿性膜２の静電容量が変化する。この静電容量変化を容量計にて測定し、前記数式を用いて被測定試料薄膜６の透湿度を算出する。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
前記下部電極膜３は膜厚10ｎｍ〜１μｍであり、前記上部電極膜4は5ｎｍ〜100ｎｍであると良い。上部電極膜４・下部電極膜３とも真空蒸着やスパッタ法により作成する。上部電極膜4は導電性を保ち、なおかつ水分の透過可能な厚さで無ければならない。上部電極膜4は金であると望ましいが、アルミや銀であっても良い。上部電極膜と下部電極膜が重なり合う面積は0.01ｍｍ2〜10ｃｍ2であると良い。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
薄膜の透湿度は、その膜厚や温度に影響される。したがって、透湿度が既知の標準被測定試料薄膜を準備し、キャリブレーションを行ってもよい。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
（実施例１）
縦25ｍｍ、横25ｍｍ、厚さ１ｍｍのガラス基板を水、アセトンで洗浄した。尚、アルコールで洗浄することもできる。このガラス基板に、幅5ｍｍ、膜厚100ｎｍとなるように金を蒸着し、下部電極膜を形成した。その上に、感湿膜としてトリフルオロメチル其やヘキサフルオロプロパン基を含有するポリイミドの膜を膜厚1000ｎｍとなるようスピンコート法にて形成した。なお、ポリイミドは溶媒に不溶であるため、ポリイミドの前駆体であるポリアミド酸の溶液をスピンコートしてポリイミドを作成した。次に、その上に、下部電極膜と対向する向きで幅5ｍｍ、膜厚100ｎｍとなるように金を蒸着し、上部電極膜を形成した。下部金電極膜及び上部金電極膜の蒸着は、真空蒸着法にて行った。上部電極膜及び下部電極膜を容量計に接続し、実施例１の透湿度測定装置を得た。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
（実施例２）
実施例１で得られた透湿度測定装置の上部電極膜側表面に、膜厚60μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）の被測定試料薄膜を熱圧着して、透湿度測定用の試料を得た。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
図５から明らかなように、実施例１の装置は測定開始直後に応答し、静電容量が大きく変化した。一方ＰＥＴの被測定試料薄膜を設けた実施例２の装置は静電容量変化が少なかったが、精度よく測定できた。