偏光解析による逐次2軸延伸PETフィルムの配向評価

2013.05
王子計測機器株式会社
酒井
偏光解析による逐次２軸延伸ＰＥＴフィルムの配向評価
● はじめに
２００９年７月に「ＰＥＴフィルムの光学特性に関する新たな知見」として、ＰＥＴフィルムのＰ
偏光透過率の特異現象に関する測定結果を報告して以来、ＰＥＴフィルムの偏光特性に着目し、いく
つかの実験を行ってその結果を報告してきました。それらの結果から、逐次２軸延伸ＰＥＴフィルム
は旋光性を持つという解釈に至りました。今回は、全幅４８００ｍｍの逐次２軸延伸ＰＥＴフィルム
を用いて、主に旋光角の幅方向プロファイルを測定し、その結果から得られた新しい知見について報
告します。
● 結論
逐次２軸延伸ＰＥＴフィルムの幅方向試料を用いて、直線偏光を入射したときの楕円偏光測定から
得られる旋光角の幅方向プロファイルの測定結果から、以下のことが分かりました。
① 旋光角は幅方向でほぼ直線的に変化し、全幅の中央でゼロになり両端部では８°近くに
なる場合もある（すなわち、全幅中央に対して左右で旋光角の符号は逆になる）
② ①のような偏光現象を説明するには、分子がらせん構造をしていると解釈するよりも、
配向が２層構造をしていると解釈した方がよい
③ ２層の内、位相差が小さい層の位相差は２７０～２９０ｎｍ程度である
④ 位相差が小さい層の遅相軸は位相差が大きい層の遅相軸（配向角）からＭＤ方向に数度
ずれている
⑤ ＴＤ方向基準で表した配向角の符号と旋光角の符号とから、試料の上側の層の位相差の
大小（すなわち製造工程での表裏）が判別できる
● 使用した装置と試料
装置：楕円偏光測定装置
ＫＯＢＲＡ－ＷＰＲ
使用ソフト：楕円偏光測定ＰＲソフト（テストモード）
超高位相差測定装置 ＰＡＭ－ＵＨＲ１００
試料：Ａ社製ＰＥＴフィルム、ｔ２５０μｍ、全幅４８００ｍｍ
Ｂ社製ＰＥＴフィルム、ｔ１００μｍ、幅１５００ｍｍ
● 測定結果
１）幅方向プロファイル
ＰＡＭ－ＵＨＲ１００でＡ社製ＰＥＴフィルムの、全幅４８００ｍｍから１００ｍｍごとに
切り出した試料４７点の位相差と配向角を測定してグラフにすると、図１のようになり典型的
なボーイング現象を示していることが分かります。
1
50
40
※　角度基準はＴＤ
30
配向角　(°)
位相差　(nm)
13000
12000
11000
10000
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
20
10
0
-10 0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
-20
-30
-40
0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
-50
幅方向位置 （ｍｍ）
幅方向位置　（ｍｍ）
（ａ）位相差
（ｂ）配向角
図１ A 社製ＰＥＴフィルムの位相差と配向角の幅方向プロファイル
次に、ＫＯＢＲＡ－ＷＰＲを用いて同じ試料に直線偏光を入射したときの、６波長の透過光
の楕円率と楕円方位角を測定し、その結果を図２のようにポアンカレ球赤道面に表示し、６つ
の点を直線近似して旋光角を求めました。旋光角の幅方向プロファイルは図３のようになり、
配向角と同じように幅方向でほぼ直線的に変化することが分かります。旋光角と配向角との関
係を調べると図４のようになり、Ｒ＝０．９８３と強い相関関係が認められました。なお、旋
光角と位相差の相関は配向角ほど強くなくＲ＝０．７８２でした。
図２ 偏光状態のポアンカレ球赤道面への図示による旋光角の求め方
2
8
6
旋光角　(°)
4
2
0
-2
0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
幅方向位置　（ｍｍ）
-4
-6
-8
図３ A 社製ＰＥＴフィルムの旋光角の幅方向プロファイル
8
旋光角　(°)
y = 0.151x - 0.369
R2 = 0.9667
6
4
2
0
-50
-40
-30
-20
-10
-2
0
10
20
30
40
50
配向角　(°)
-4
-6
-8
図４ A 社製ＰＥＴフィルムの配向角と旋光角の相関
図４より配向角と旋光角との間には相関関係があることを確認できましたが、他のＰＥＴフ
ィルムについても同様かどうかを調べるために、Ｂ社製のＰＥＴフィルム（ｔ１００μｍ、幅
１５００ｍｍ）について同様の測定をしました。その結果は図５のようになり、全幅寸法は不
明ですが幅方向位置５００ｍｍが全幅の中央に相当し、この試料がほぼ中央部の取り位置であ
ることが分かります。また、旋光角の幅方向プロファイルは図６のようになり、配向角と旋光
30
3800
3600
3400
3200
3000
2800
2600
2400
2200
2000
1800
※　角度基準はＴＤ
20
10
配向角　(°)
位相差　(nm)
角の関係は図７のようになります。
0
-10
0
200
400
600
800
1000
-20
-30
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
-40
幅方向位置　（ｍｍ）
幅方向位置 （ｍｍ）
（ａ）位相差
（ｂ）配向角
図５ Ｂ社製ＰＥＴフィルムの位相差と配向角の幅方向プロファイル
3
1200
1400
1600
8
6
旋光角　(°)
4
2
0
-2
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
幅方向位置　（ｍｍ）
-4
-6
-8
旋光角　(°)
図６ Ｂ社製ＰＥＴフィルムの旋光角の幅方向プロファイル
10
8
6
y = -0.2555x - 0.8545
2
R = 0.9069
4
2
-40
-30
0
-20
-10 -2 0
配向角　(°)
-4
10
20
30
-6
-8
-10
図７ Ｂ社製ＰＥＴフィルムの配向角と旋光角の相関
２）旋光角の特徴
旋光角の特徴を調べるために、Ａ社製ＰＥＴフィルムの幅方向位置５００ｍｍの試料を用い
て、方位０°の直線偏光を入射したときの透過光の偏光状態を試料方位および表裏を変えて測
定すると図８のようになります。図８を見ると各直線は赤道の一点に集まっており、試料方位
と表裏を変えても旋光角は同じであることが分かります。配向角は表裏で符号が変わりますが、
旋光角は表裏を変えても同じ値であるのは大きな特徴です。
4
ＰＯＬ
ＰＯＬ
Nx=15°
裏側
Nx=60°
表側
Nx=30°
Nx=45°
（ａ）試料方位の影響
（ｂ）表裏の違い
図８ ＰＥＴフィルム透過光の偏光状態の試料方位および表裏の影響 （実測）
一方、１軸延伸ＰＥＴフィルム（Ｒ≒８５００ｎｍ）を測定したときの旋光角は－０．９４°
と小さい値であることを確認しました。
図６を見ると、幅方向位置９００ｍｍ以上では旋光角の変化はなく飽和状態と考えられます。
そこで配向角と旋光角を対比して比例関係が保たれる範囲を調べると、図９のようにＴＤ基準
で見た配向角の絶対値が２０°以下となります。Ａ社製ＰＥＴフィルムについても同様に対比
すると、図１０のようになり同じようにも見えます。
図９ Ｂ社製ＰＥＴフィルムの配向角と旋光角の対比
5
図１０ Ａ社製ＰＥＴフィルムの配向角と旋光角の対比
● 考察
分子がらせん構造をとるポリ乳酸フィルムでは旋光性があることが知られていますが、逐次２軸延
伸ＰＥＴフィルムの旋光性については報告されていません。上述の測定結果のように逐次２軸延伸Ｐ
ＥＴフィルムに直線偏光を入射したときの透過光は、確かに旋光性と複屈折性の両方の特性を併せ持
つような現象を示しています。今までおよび今回の測定から得られた特徴をまとめると、以下のよう
になります。
ⅰ）旋光角は逐次２軸延伸ＰＥＴフィルムには表れるが、１軸延伸ＰＥＴフィルムでは現れ
ない
ⅱ）逐次２軸延伸ＰＥＴフィルムでも厚さが３８μｍ以下では旋光角はほぼゼロで、厚い試
料ほど旋光角が大きくなる傾向がある（※一般的にＰＥＴフィルムの厚さは 12、25、
38、50、75、100、125、188、250μｍ）
ⅲ）試料方位を変えても旋光角は同じである
ⅳ）試料の表裏を変えても旋光角は同じである
ⅴ）全幅の中央の旋光角はゼロで、端部になるほど大きく８°近くになる場合もある
ⅵ）全幅の中央に対して、左半分と右半分では旋光角の符号が逆になる
ⅶ）旋光角は幅方向でほぼ直線的に変化するが、ＴＤ基準の配向角の絶対値が２０°を超え
ると、旋光角は飽和するかあるいは乱れが大きくなる
分子がらせん構造であるとするとⅲ）とⅳ）を満足できますが、横延伸によってらせん構造が発
生しかつ幅方向でその割合が異なるとは考えにくく、その他の特徴を説明するのは困難です。そこ
で、考え方を変えて層構造の配向を仮定します。金型を使用する射出成型品では、その断面をスキ
6
ン層／中間層／コア層／中間層／スキン層と５層に区別して、各層で結晶化度や配向状態が異なる
と考えるのが一般的です。しかし、今回のＰＥＴフィルムの場合は５層あるいは３層の構造と仮定
すると、透過光の偏光状態は対称性が維持されて表裏で旋光角の符号が逆になりⅳ）の特徴を説明
できません。したがって、単純に２層構造を仮定することにします。このとき、図２や図８のよう
に６波長の点はほぼ一直線上に並び、かつその直線が旋光角の２倍に相当する角度で赤道と交わる
ためには、次の条件が必要と考えられます。以後、２層の位相差をＲ１、Ｒ２とし、入射直線偏光
の方位に対する２層の遅相軸方位をφ１、φ２と表します。
① Ｒ１とＲ２の内、小さい方の位相差はほぼ波長の１／２である
② Ｒ１とＲ２の内、大きい方の遅相軸は平行ニコル回転法（または平行ニコル分光
法）で得られる配向角と同じである
③ Ｒ１とＲ２の内、小さい方の遅相軸は大きい方の遅相軸に対して旋光角の１／２
程度ＭＤ方向にずれている
例：Ｒ１＞Ｒ２で全体の配向角が６０°、旋光角が４°のときφ１＝６０°、
φ２≒５８°の意味
④ Ｒ１とＲ２の波長分散特性はＰＥＴの分散特性とする
⑤ Ｒ１とＲ２の内、大きい方の位相差は全位相差から位相差が小さい層の位相差を
差し引いた残りとする
例：Ｒ１＞Ｒ２で全体の位相差が７０００ｎｍ、Ｒ２＝２７０ｎｍのとき
Ｒ１＝６７３０ｎｍの意味
以上のことを踏まえて、逐次２軸延伸ＰＥＴフィルムに直線偏光を入射したときの透過光の偏
光状態を６波長で測定した場合のシミュレーションを行い、その結果をポアンカレ球赤道面に図
示するようにしました。例えば、図８（ｂ）に相当する表裏の違いを次の条件を設定して計算す
ると図１１のようになり、６波長に対する点の位置は異なるものの近似直線は実測とよく合って
おり、旋光角の値もよい一致と言えます。
図１１ 図８（ｂ）の試料のシミュレーション結果
7
図１１は実際のＰＥＴフィルムの表裏のシミュレーション結果ですが、疑似的にこの現象を再現
するために次のフィルム２枚を積層したものについて、ＰＥＴフィルムと同様に表裏の実測をする
とともにその状態をシミュレーションして両者を比較しました。
ｐｃ４９００・・・１軸延伸ＰＣフィルム、Ｒ＝４９１８ｎｍ、配向角＝５７．９°
Ｒ２００・・・・・位相差フィルム、Ｒ＝２００ｎｍ、配向角＝５５．５６°
比較結果は図１２のようになり、ｐｃ４９００単体では旋光角は発生しませんが、積層品では旋
光角が現れ、かつその値は表裏でほぼ同じになって、実測とシミュレーション結果もよく一致して
いることが分かります。このとき、表とはｐｃ４９００を上側にＲ２００を下側にしたときです。
（ａ）ｐｃ４９００単体
（ｂ）ｐｃ４９００＋Ｒ２００
図１２ ｐｃ４９００単体およびｐｃ４９００とＲ２００の積層品の実測とシミュレーション結果の比較
以上の結果から、逐次２軸延伸ＰＥＴフィルムの旋光角の発現は配向の２層構造によると考えら
れます。今回測定した２種のＰＥＴフィルムの場合、幅方向全体の実測値とシミュレーションとを
比較した結果、位相差が小さい層の位相差は一定値として扱うことができ、かつＴＤ基準の配向角
の符号と旋光角の符号より測定時の上側の層の位相差の大小を区別可能なことが分かり、表１のよ
うな構成と判断できました。
表１ 今回測定した試料の２層の構成の判断
（※配向角はＴＤ基準）
中央より左側
中央より右側
値が小さい層の
フィルム上側の
位相差（ｎｍ）
層の位相差
配向角
旋光角
配向角
旋光角
Ａ社
２７０
大
－
－
＋
＋
Ｂ社
２９０
小
＋
－
－
＋
試料
8
● おわりに
今回、逐次２軸延伸ＰＥＴフィルムの旋光角の幅方向プロファイルの測定結果から、観測される
偏光現象はこれまで仮定していた分子のらせん構造に起因するものではなく、配向の２層構造と考
えた方が実測に合うことが分かりました。ただし、２層構造としたとき厚さが１００μｍと２５０
μｍと異なっていても、位相差が小さい層の位相差がそれぞれ２９０ｎｍと２７０ｎｍとほぼ同じ
である点には疑問が残りますが、以下のようにも考えられます。
逐次２軸延伸は、溶融状態の樹脂がダイから押し出され冷却ロールに抱かれて製膜されるキャス
ティング工程が最初にあります。このとき、ロールに接触側の冷却速度が速いために、一定深さまで
の結晶化度が異なると仮定するのは妥当でしょう。縦延伸時は２層の配向は同じようになりますが、
横延伸時にはそれぞれの層の配向が僅かにずれると考えてもおかしくないでしょう。また、横延伸後
の仕上がり厚さが異なる場合でも、キャスティング時は十分に厚く結晶化度が異なる層の状態は似た
条件であるとも考えられます。
以上
9