TOPTICA TeraFlash smart - Ultrafast time-domain terahertz platform 0.1 to 4 THz (in < 1 s)

塗装膜 & コーティング膜検査 

THzパルスによる厚さ測定

光が見えないものを透視する

製造業において、コーティングは単なる保護や装飾の役割を果たしません。耐食性、反射率、色、接着性、摩耗といった表面特性を規定する機能的な多層システムです。これらの層を正確に測定することは、品質管理、プロセス最適化、そしてコスト効率化に不可欠です。

テラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS）は、可視光または赤外域で不透明な材料であっても、表面下を非破壊かつ非接触で観察できる独自の方法を提供します。広帯域のパルスTHz放射を用いることで、従来の光学技術や電子技術では困難な多層構造を含むコーティングの構造と厚さを、数マイクロメートル（≈ 5 µm）の分解能で測定できます。

原理：テラヘルツパルスが隠れた層を明らかにする仕組み

パルスTHzシステムは、通常0.1～6THz（波長3mm～50µmに相当）の広い周波数範囲をカバーする短パルスの電磁バーストを放射します。このような広帯域パルスがコーティングされた材料に当たると、パルスの一部は屈折率の異なる層間のあらゆる界面で反射します。

これらの反射エコーの飛行時間差をサブピコ秒の精度で記録することにより、THz測定は内部層構造を明らかにし、個々の層の厚さを決定します。反射間の時間遅延は光路長に正比例するため、この方法は破壊的な断面測定を必要とせず、非接触で厚さ情報を提供します。

可視光や赤外光とは異なりTHz放射光は自動車用プライマー、セラミック、ポリマー複合材などの不透明なコーティングを透過します。これによりプライマー、ベースコート、クリアコートなどのコーティング層全体を1回の測定で検査可能です。

”広帯域”が重要な理由：スペクトル幅による解像度

THzスペクトルが広帯域であるほど時間分解能は向上し、より薄い層を分離できます。高周波成分を含むパルスは時間的に短い持続時間に対応し、これにより深さ分解能が向上し、わずか数マイクロメートル離れた界面からの反射を分離することが可能になります。

一般的な広帯域THzシステムは最大4～6THzの周波数成分を提供します。適切なデータ処理ソフトウェアを用いることで、最薄5マイクロメートルの層まで測定可能です。THz-TDSは部分吸収または分散コーティングにおいても、光干渉断層計や赤外干渉計では測定できない層特性を正確に識別することを可能にします。

産業分野との関連性：スピードと安定性

実際の生産環境では測定速度と堅牢性は分解能と同等に重要です。電子制御光サンプリング（Electronically-Controlled Optical Sampling : ECOPS）と呼ばれる革新的な技術アプローチは同期された2つのフェムト秒レーザーを使用することで、kHzレートのテラヘルツ波形取得を実現します。

この高速サンプリング速度は2つの重要な利点をもたらします。

  1. リアルタイム検査：コーティングまたは硬化プロセス中にインラインまたはアットラインで測定を行うことができます。
  2. ノイズ抑制：高速なデータ取得により音響ノイズや機械振動の影響を最小限に抑え、「現実世界」の工場環境においても安定した動作を保証します。

ECOPS法では、2Dコーティングマップも数分で生成できます。これにより自動車パネル、航空宇宙用複合材、工業用塗装システムなどにおいて、真の非接触かつ高スループットの品質保証が可能になります。

専門家がTHzシグネチャーから得られること。

アプリケーションエンジニアや材料科学者は単一のTHzパルストレースから豊富な情報を得ることができます。

  • 反射時間遅延から層の厚さと均一性。
  • 反射または透過パルスの振幅と位相から屈折率と吸収率。
  • 反射パルスの時間トレースにおける異常ピークから示される層間剥離またはボイド。
  • 測定サンプルの吸収または散乱特性の測定から、水分含有量または硬化状態。

このようにTHz厚さ測定は光学検査（表面感度）と超音波（解像度が限られている）の間のギャップを埋め、薄膜積層の真の体積観察を可能にします。

従来法に対する優位点

「従来の非破壊検査法には、磁気誘導法、渦電流法、超音波厚さ測定法、光学的方法などがあります。」

属性 テラヘルツ時間分解分光法 従来法
非破壊検査 ✓ 非接触 多くの場合に機械的な断面測定が必要となる
不透明コーティングの透過性 ✓ 可視光/赤外光不透明層を測定可能 ✗ 透明フイルムに限定
マルチ層コーティングへの対応 ✓ 複数レイヤーの同時測定可 ✗ 複数の技術困難あり
測定分解能 < 5 µm (広帯域パルスにて) 典型値 10-50µm (光学法/超音波法)
測定速度 kHzレート (ECOPS法にて) 低速またはポイント測定に限定
環境に対する堅牢性 環境光および温度耐性が高い 環境に敏感または接触条件に依存性あり

 

代表的なアプリケーション

  • 自動車製造：金属または複合材製車体におけるプライマー、ベースコート、クリアコート層の厚さ測定。
  • 航空宇宙：複合構造物における塗装および遮熱コーティングの特性評価。
  • 半導体・エレクトロニクス：PCB上のコンフォーマルコーティングまたは封止層の品質管理。
  • 包装およびプラスチック：多層バリアフィルムの非破壊検査。
  • 文化遺産および美術品保存：歴史的遺物における塗装層およびニスの識別。

今後の展開

精密な製造においてより厳しい公差と高い効率性が求められ続ける中、テラヘルツ層厚測定はデジタル品質保証の重要な実現手段となりつつあります。

本技術は以下の稀有な組み合わせを可能とします。

  • 非接触操作
  • サブミクロン精度
  • 不透明コーティングおよび多層コーティングへの適用性
  • 産業グレードの速度と堅牢性
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