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【大塚电子新产品】线扫描膜厚仪实现薄膜的线扫描膜厚测量

作者:admin时间:2021-07-01 07:27:16254 次浏览

信息摘要:

近年来工作方式改革和新型冠状病毒感染症(COVID-19)使得外出受到限制,居家办公、电话办公、Web会议普及等,工作方式发生了很大的变化。笔记本电脑、平板电脑为代表的显示器件成...

1.开头

近年来工作方式改革和新型冠状病毒感染症(COVID-19)使得外出受到限制,居家办公、电话办公、Web会议普及等,工作方式发生了很大的变化。笔记本电脑、平板电脑为代表的显示器件成为不可欠缺的工具。由于这些需求的增加,重要的内部构成部分光学薄膜的需求也变大了。另外,随着平板电脑、智能手机、电视的高清化,对光学薄膜厚度的品质要求也越来越高。本文介绍了线扫描膜厚度计的特点和应用实例,并与现有系统进行了比较。

2.线扫描膜厚仪的概要

在薄膜的品质管理中,膜厚是重要的评价项目之一。但是,薄膜Roll to Roll制造工程中,现有的点类型的测量方式是测量膜厚的“点”,当检查数值脱离标准值的时候,由于不能正确判断不良范围,需要大幅废弃掉周边部分,产生时间、经济上的损失。而且,如果不能测出异常部位而将不良品出货的话,就会有产生庞大的调查和回收成本的风险。

针对想要防止这些损耗、风险的客户要求,本公司开发了能够测定整面薄膜的膜厚并使之可视化的“线扫描膜厚计”。(图1)

图1 线扫描膜厚仪的外观

并且,通过新开发的高速运算处理技术,实现了最短0.01秒的测量周期,也可对应高速的薄膜传送。

3.膜厚测量原理

本公司开发和销售push-bloom(线扫描)方式的高速光谱照相机。线扫描膜厚仪根据高速光谱相机测量的光谱求得膜厚。(图2)

 

图2 线扫描膜厚仪的测量

本公司的膜厚运算,采用分光干涉法。所谓分光干涉法,是测量膜(薄膜)表面的反射光和透过膜在膜底面反射的光,由于膜的厚度形成的光路差而发生相位偏移产生干涉现象,从分光光谱的周期性和形状得出膜厚度的方法。

图3是发生干涉的概念图。在某一波长中,表面反射的光和透过膜的光,相位一致,反射强度变强,在另一波长中,各自的相位相反,反射强度变弱。将这些反射强度按波长绘制,就可以得到与膜厚度对应的光谱干涉谱。

 

图3 光干涉的发生现象

图4 振幅反射率公式

图4用振幅反射率的公式表示上述现象。从这个公式可以知道,相位因子β和振幅反射率r是波长λ的函数。这意味着r相对于波长λ具有周期性。β中包含折射率N、膜厚度d、折射角θ的变量。也就是说,即使是同一种材料,根据膜厚d的不同,干涉的周期也会发生变化。由此可见,通过解析周期分光干涉谱可以求出膜厚度。

4.与传统测量系统的区别和优点

作为面向薄膜生产线的膜厚测量系统,本公司主要是使用光纤分光光度计。图5是这个系统的一个例子,如图所示,连接到测量用光源的光纤与检测器一侧的光纤结合在一个探头上,测量光的照射和接收在同轴上的一点进行。由于光纤具有可弯曲性,通过与如图所示的移动单元组合,可以移动到薄膜上的任意位置进行测量。

 

图5 传统的膜厚测量系统的例子

分光干涉法以外的膜厚测量系统,有利用膜的厚度和特定波长的吸光度相关性的。这些被称为检量线法,通过红外线、X射线、β射线等单一或多个波长的透射来测定膜的厚度。这些系统也多搭载在移动单元上。

这些传统的膜厚检查系统和线扫描膜厚仪的决定性区别在于能否进行全面测量。图6显示了测量结果的图像。左侧是用线扫描膜厚仪测量的膜厚分布,右侧是用点型膜厚检查系统进行遍历测量时测量位置的图像。如图,以往的膜厚测量系统无法准确捕捉膜厚的面内分布和异常部位。线扫描膜厚仪可以实时监控膜厚分布,无遗漏地检出特征性的不均匀和异常部位。

另外,没有可移动部件也是它的优点之一。显示设备所使用的光学薄膜,为了不沾上灰尘等,在洁净室中制造。如果存在可动部件的话,防尘对策是必须的。另外,也必须考虑长期运用带来的故障风险和维护成本,线扫描膜厚度仪在没有可动部件这一点上也具有优势。

图5 线扫描膜厚仪和传统的测量系统的测量位置比较5.宽幅薄膜对应和高精度计算

光学薄膜随着显示画面的大型化和需求的增加,制造时以扩大宽幅进行应对。另外,除了提高生产能力之外,为了降低单位面积的单价,也经常进行同样的扩大宽幅。对于如此宽幅的生产线,线扫描膜厚仪通过排列多台系统,最大测量宽度可达10m。(图7)

图7 宽幅样品的对应例

此时,在各系统之间的接缝处会发生测定值的阶梯落差等问题,不过,本公司通过独自的处理方法,可以在不影响测定值的情况下顺利的得到全幅的膜厚。

振幅反射率的公式在图4中进行了说明,从这个公式可以看出,折射角θ也会对振幅反射率产生影响。线扫描膜厚计,如图8所示,在测量宽度的中央附近和端部的测量角度不同,不过,本公司根据图4的振幅反射率的公式考虑折射角θ的更高精度的运算方法计算膜厚值。

 

图8 测量角度的不同

通过这种高精度运算,可以得到精确至测量宽度边缘的结果,即使是多台并排的系统,数据的连接也更加顺畅。

6.测量事例(例1:横向条纹)

以下事例是使用线扫描膜厚计测量的膜厚分布的效果图。

■例1:横向条纹

很多的薄膜是用熔化的合成树脂挤压成型生产的。在胶卷的宽度方向上发生的膜厚不均匀被称为横向条纹。(图9)

图9 横向条纹的测量效果

这是因为生产时的挤出条件、树脂的粘度、输送速度的不均匀、辊和薄膜的振动等各种因素而产生的。另外,横向条纹不仅在成型时的薄膜,成形后的薄膜为了具有功能性而涂工的层也有发生。横向条纹有发生在全幅的,也有只发生在一部分的。根据挤出条件、辊的故障、涂工条件的不同,有存在一定的周期性的情况。由于线扫描膜厚计可以同时测量全幅,所以这样可以检测出全面或一部分发生的横向条纹。

另外,通过分析条纹的周期性,还可以追溯上游,确定问题发生的地方。

7.测量事例(例2:纵向条纹)

■例2:纵向条纹

挤出成型和涂工的时候在尖端的细狭缝状的口中有树脂块形成的话会发生纵向条纹。(图10)

图10 纵向条纹的测量效果

纵向条纹的宽度非常窄,用点型膜厚测量系统很难检出,用线扫描膜厚仪可以容易检出。

8.测量事例(例:夹具条纹)

■例3:通过检测夹具条纹决定切幅

我们平时看到的薄膜,一般是将挤压成型的厚薄膜,在高温下抓住两端(夹持)延伸而制造出来的。由于被拉紧的两端附近的膜厚不均匀变大,通常会切掉一定的宽度,将中央的膜厚不均匀少的部分作为产品发货。切掉的称为“耳朵”的部分,被回收熔化作为原料再利用。为了将这样的再生成本和废弃成本、成分信息的泄露风险等降到最低,有必要决定切掉幅度。

图11是测量夹具条纹的例子。像这样通过夹持产生的膜厚不均匀可以从图案中获知,线扫描膜厚仪可以提供详细信息,以应对原料和温度产生的变化。

图11 夹具条纹的测量效果

9.各领域的展开

前文介绍过,线扫描膜厚仪采用分光干涉法,只要是有光干涉的膜都可以测量,不仅限于光学薄膜,还可以应用到各种领域的产品中。

例如,图12是薄膜电容器的示意图,薄膜电容器是利用PET薄膜和PP薄膜作为介质的电容器,薄膜的膜厚直接关系到性能和安全性,因此管理非常重要。

 

图12 薄膜电容器

另外,在医疗领域,在药片等的包装膜上使用的氧阻隔层的厚度管理上使用(图13)。如果氧气阻隔层厚度变薄,就会失去阻隔性,这也是管理的重要因素。

 

图13 医药品用薄膜

对包装用薄膜的展开也被期待(图14)。虽然最近开始了禁塑料的行动,但是包装本身并没有消失。一部分剩下的包装用薄膜被环境友好的生物可降解性塑料所代替。另外,老龄化导致的独居家庭的增加也在加速,细分的包装需求也在增加。在这样的背景下,为了控制材料成本,膜厚的管理是必要的。

 

图14 包装用薄膜

10.结束

正如本文所介绍的那样,使用高速光谱相机的膜厚计,期待着今后的需求会越来越大。它不仅适用于上述领域,还根据应用的不同,具有各种可能性。

本公司也以现有的测量系统储备的技术为基础,致力于开发高性能的膜厚测量系统。另外,基于在膜厚测量领域30年以上的实绩,能够提供准确的解决方案,并实施试测量。如果对检查有不满或者为了进一步提高质量正在讨论导入测量系统的话,请一定要和本公司联络。

感谢您把本文读到最后。如果在此介绍的技术和产品能对大家有所帮助,将深感荣幸。

(刊登于《图像实验室》2020年10月号2020/10)

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