ラインスキャン膜厚計によるインライン膜厚計測

近年の働き方改革推進や新型コロナウイルス感染症（COVID-19）による外出自粛によって、在宅ワークやテレワーク、Web会議の普及などワークスタイルが大きく様変わりしています。その中でノートPCやタブレットに代表される表示デバイスは必要不可欠なツールです。これらの需要増により、重要な内部構成パーツである光学フィルムも需要が大きくなっています。また、タブレットやスマートフォン、テレビの高精細化が進み、光学フィルムの厚みに対する品質要求も高まっています。本稿では、従来のシステムと比較しながらラインスキャン膜厚計の特長や活用事例を紹介します。

フィルムの品質管理において、膜厚は重要な評価項目の一つです。しかし、ロール・ツー・ロールによるフィルム製造工程中の測定において、従来のポイントタイプの測定方式では膜厚を「点」で測定するため、基準値から外れた検査値が出たときは不良箇所を正確に特定できず周辺部分を大幅に切断および廃棄することになり、時間的、経済的ロスが発生します。さらに、異常箇所を測定できずに不良品を出荷してしまうと膨大な調査、回収コストが発生するというリスクがあります。
これらのロス、リスクを防止したいというお客様の要求に対して、当社はフィルム全面の膜厚を測定して可視化することができる「ラインスキャン膜厚計」を開発しました。（第1図）

さらに、新たに開発した高速演算処理技術により、最短0.01秒での測定サイクルを実現し、高速のフィルム搬送速度にも対応します。

当社では、プッシュブルーム（ラインスキャン）方式のハイパースペクトルカメラを開発、販売しています。ラインスキャン膜厚計は、ハイパースペクトルカメラによって測定された分光スペクトルから膜厚を求めます。（第2図）

当社の膜厚演算は、分光干渉法を採用しています。分光干渉法とは、膜（フィルム）表面で反射した光と膜を透過し裏面で反射した光が、膜の厚み分の光路差で生じる位相のずれによって干渉する現象を測定し、その分光スペクトルの周期性や形状から膜厚を得る手法です。
第3図に干渉が発生する概念図を示します。ある波長では、表面で反射した光と膜を透過した光の位相が揃うことで反射強度が強くなり、別の波長で、それぞれの位相が逆位相になることで反射強度が弱くなります。これらの反射強度を波長ごとにプロットすると、膜厚に応じた分光干渉スペクトルが得られます。

上記の現象を振幅反射率の式で示したものが第4図です。この式から、位相因子βと振幅反射率rは波長λの関数であることがわかります。これはｒが波長λに対して周期性を持つことを意味しています。βには屈折率N、膜厚d、屈折角θの変数が含まれています。つまり、同一材料でも膜厚dによって干渉の周期が変化することを示しています。このことから、分光干渉スペクトルを周波数解析することで膜厚を求めることができることがわかります。

フィルムの製造ライン向け膜厚検査システムとして、当社では光ファイバーを用いた分光光度計が主に使用されています。第5図はこのシステムの一例ですが、この図のように測定用光源に接続されたファイバーは、検出器側のファイバーと１つのプローブでバンドルされており、測定光の照射と受光が同軸上の1点で行われます。光ファイバーは屈曲性があるため、図のようなトラバースユニットと組み合わせることで、フィルム上の任意の位置に移動させて測定できます。

分光干渉法以外の膜厚計測システムとしては、膜の厚みと特定波長の吸光度の相関性を利用したものがあります。これらは検量線法といわれる手法で、赤外線やX線、β線などの単一または複数波長を透過させて膜厚を測定しています。このシステムも、トラバースユニットに搭載されることが多くあります。
これら従来の膜厚検査システムとラインスキャン膜厚計の決定的な違いは、全面測定が出来るか否かです。第6図に測定結果のイメージを示しました。左側はラインスキャン膜厚計で測定した膜厚分布、右側はポイントタイプの膜厚検査システムでトラバースさせて測定した時の測定位置のイメージです。このように、従来の膜厚検査システムでは膜厚の面内分布や異常箇所を正確に捉えることができません。ラインスキャン膜厚計では、膜厚分布をリアルタイムに観測することができるため、特徴的なムラや異常箇所を逃すこと無く検出が可能です。
また、トラバースユニットのような可動部が無いこともメリットの1つと言えます。表示デバイスに使用される光学フィルムは、塵などが付着しないようにクリーンルームで製造されます。可動部が存在すると発塵対策は必須となります。また、長期運用による故障リスクやメンテナンスコストも考慮しなければなりませんが、ラインスキャン膜厚計は可動部が無いという点においても優位性があります。

光学フィルムは画面の大型化や需要増に伴い、製造される時のフィルム幅を広くして対応しています。また、生産能力の向上以外に単位面積あたりの単価を下げる目的でも同様に幅を広げることは良く行われています。このような幅広の生産ラインに対してラインスキャン膜厚計では、システムを複数台並べることで最大測定幅10mまで対応しています。（第7図）

この時、各システム間における測定値の継ぎ目に段差が出来るなどの問題が発生しますが、当社では独自の処理方法によって測定値に影響を与えること無くスムーズな全幅の膜厚を得ることが可能です。
振幅反射率の式を第4図で述べましたが、この式から屈折角θによっても振幅反射率に影響を与えることが分かります。ラインスキャン膜厚計は、第8図で示すように、測定幅の中央付近と端部では測定角度が異なりますが、当社では第4図の振幅反射率の式より屈折角θを考慮したより高精度な演算方法によって膜厚値を算出しています。

この高精度演算により、測定幅の端部まで正しい結果が得られるため、複数台を並べたシステムにおいても、よりスムーズなデータのつながりになっています。

以下の事例は、ラインスキャン膜厚計を使って測定した膜厚分布のイメージ図です。

■例1：横段ムラ

多くのフィルムは融解した合成樹脂を押出成形して生産されています。フィルムの幅方向に発生する膜厚ムラが横段ムラと言われるものです。（第9図）

これは、生産時の押出条件や樹脂の粘度、搬送速度のムラ、ロールやフィルムの振動など様々な要因によって発生します。また、横段ムラは成形時のフィルムだけでなく、成形されたフィルムに機能性を持たせるために塗工される層でも発生することがあります。横段ムラは全幅に発生するものや、一部分にだけ発生するものも存在します。押出条件やロールの不具合、塗工条件によっては、一定の周期性を持つ場合があります。ラインスキャン膜厚計では全幅を同時に測定することが可能であるため、このように全面或いは一部に発生する横段ムラを検出することができます。
また、ムラの周期性を解析することで、上流に遡って問題が発生している箇所を特定することにも活用可能です。

■例2：スジムラ

押出成型や塗工する際に先端の細いスリット状の口に、樹脂の塊ができてしまうとスジムラが発生します。(第10図)

スジムラは幅が非常に狭く、ポイントタイプの膜厚検査システムで検出することは困難ですが、ラインスキャン膜厚計では容易に検出が可能です。

■例3：チャックムラ検出による切り落とし幅決定

我々が普段目にする薄いフィルムは、一般的に押出成型された厚いフィルムを、高温下で両端を掴み（チャック）延伸することで製造されています。チャックされた両端付近は膜厚ムラが大きくなるため、通常はある程度の幅を切り落として、中央の膜厚ムラが少ない部分を製品として出荷しています。切り落とされた「耳」と呼ばれる部分は、回収され融解して原料として再利用されることもあります。このような再生コストや廃棄コスト、成分情報の漏洩リスクなどを最小限に抑えるため、切り落とし幅を決定する必要があります。
第11図はチャックムラを測定した例です。このようにチャックによって発生している膜厚ムラをパターンで抽出することが可能で、原料や温度によって変化するムラに細かく対応するための情報を提供することが可能です。

ラインスキャン膜厚計は、分光干渉法を採用していることは先に述べましたが、光が干渉するような膜であれば、光学フィルムに限らず様々な分野の製品に活用することが可能です。
例えば、第12図はフィルムコンデンサのイメージ図ですが、フィルムコンデンサは、PETフィルムやPPフィルムを誘電体として利用したコンデンサで、フィルムの膜厚が性能や安全性に直結するため、管理が非常に重要です。

また、医用分野では錠剤等の包装フィルムに使用される酸素バリア層の厚み管理に活用することが考えられます（第13図）。酸素バリア層は厚みが薄くなるとバリア性が失われるため、これも管理が重要な要素です。

包装用フィルムへの展開も期待されます（第14図）。昨今では、脱プラスチックへと動き始めていますが、包装そのものが無くなる訳ではありません。一部の包装用フィルムは残り、それらもいずれ環境に優しい生分解性プラスチックに置き換わっていくと考えられています。また、高齢化による一人暮らし世帯は増加が加速しており、小分けのパック需要が伸びています。このような背景から、材料原価を抑えるため膜厚の管理が必要になると考えています。

本稿で紹介したように、ハイパースペクトルカメラを用いた膜厚計は、今後ますます需要が伸びると期待しています。上で述べたような分野だけでなく、アプリケーション次第であらゆる可能性を秘めているシステムです。
当社でも、従来の検査システムで培った技術に裏打ちされた、より高性能な膜厚検査システムの開発に取り組んでいます。また、膜厚計測分野で30年以上の実績による的確なソリューションを提供可能であり、デモ測定も実施しています。もし、検査に不満があったりさらなる品質向上のために検査システムの導入を検討中であれば、ぜひ当社にご相談ください。
本稿を最後までお読みいただきましてありがとうございます。ここで紹介した技術、製品が皆様の一助となれば幸甚です。

（『画像ラボ』2020年10月号に掲載 2020/10）