はじめに
レーザーフラッシュ分析（LFA）法は、金属からポリマー、セラミックまで、さまざまな材料の熱拡散率を迅速かつ簡単に測定することができます。熱拡散率と比熱から、材料の熱伝導率を計算することができます。LFA測定では、試料の前面をフラッシュランプまたはレーザーパルスで加熱し、後面の温度上昇を赤外線検出器で記録します。
良好な検出器信号を得るためには、試料はいくつかの重要な基準を満たさなければなりません：
- 試料は可視および近赤外波長域で半透明であってはならない。
- 試料が光を反射しないこと。
- 試料は良好な発光・吸収能力を備えていなければならない。
すべての材料が自動的にこれらの基準を満たすわけではありません。多くのポリマーやガラスは可視および近赤外波長域で半透明です。一方、金属は反射率が高い。さらに、ほとんどの材料は発光／吸収能力が低いため、S/N比が低下する。このような場合、良好な信号を得るために、試料はグラファイトでコーティングされるか、金でスパッタリングされます。このアプリケーションノートでは、さまざまな試料へのコーティング方法と、コーティングが測定結果に与える影響について説明します。
コーティングはいつ必要か？
一般的に、すべての試料はコーティングされるべきである。コーティングは試料の発光/吸収特性を改善し、S/N比を最適化します。図1はコーティングを施した試料とコーティングを施していない試料のシグナルを示しています。コーティングなしの試料では、S/N比と曲線分解能が著しく悪化しています。
コーティングの必要がないのは、非反射性で不透明な一部の試料（炭素含有試料など）のみである。図2に示すのは、グラファイトコーティングを施したグラファイト含有ポリマー試料と施していないグラファイト含有ポリマー試料のシグナルである。この試料は半透明で反射しないため、どちらの信号もほぼ同じであり、熱拡散率の測定にコーティングは必ずしも必要ではありません。
LFAを用いて試料の比熱容量をリファレンスに対して測定する場合は、コーティングが絶対に必要です。試料とリファレンスは、同じ発光/吸収能力を持つ必要があります。これはグラファイト層によって達成できます。
どのコーティングをいつ塗るのか？
グラファイトは標準的なコーティングである。グラファイトスプレーとして塗布され、試料上で乾燥してグラファイト層を形成する。
非常に薄く透明な試料、例えばPEフィルムの場合、グラファイト層は光の透過をなくすため、試料に比べて厚すぎることがある。この場合は、試料に金層をスパッタリングして不透明化するのがよい。その後、金でコーティングした試料にグラファイトをまぶして、放射率／吸収率を高める必要がある。
炭素が試料と反応する可能性がある場合、特に高温の場合（例えば鋼の場合）には、別のコーティングが必要になることがある。サンドブラストや研磨紙などで表面を粗くするだけでも十分な場合が多い。
コーティングはどのくらいの厚さで塗るべきか？
ほとんどの試料では、表面を完全に被覆する約5μmの均一なグラファイト層で十分であり、測定結果に影響を与えることはありません。図3は、グラファイトでコーティングする前と後の金属試料を示している。
非常に薄い試料に金をスパッタリングする場合、厚さ nm 程度の薄い金層を塗布するだけでよい。その目的は、試料を透過する光をなくすことである。光の透過を遮断する金コーティングの適切さは、強い光源で確認することができる。光が試料を透過しなくなるまで、スパッタリング工程を繰り返す必要がある。その後、金でコーティングした試料にグラファイトをまぶし（コーティングしない）、金層がはっきりと見えるようにする。例を図4に示す。
コーティングは測定結果にどう影響するか？
正しく塗布されたコーティングは測定結果に影響を与えません。しかし、測定への悪影響を避けるために、特別な注意を払ってコーティングを施す必要があるいくつかの例外があります。銅やアルミニウムのような導電性の高い材料の場合、グラファイト層が厚すぎると、グラファイトは導電性が低いため、試料の熱拡散率が低い値にシフトする可能性があります。この例を図5に示す。
この例では、通常の厚さ（約5μm）のグラファイト層で銅試料をコーティングすると、銅の熱伝導率が公称値117 m²/sから4%低下しました。グラファイトをsmall 「まぶす」だけの場合（図6）、正しい熱拡散率が得られました（グラフの赤い記号）。
グラファイトの塗布量が少なすぎることもある。これは、例えば一部のポリマーで起こり得る。図7a)の測定の最初に示したように、グラファイトの塗膜が薄すぎると、フラッシュランプからの放射線が検出器まで透過してしまいます。この場合、図7b)に示すように、この光の透過を防ぐのに十分な厚さのコーティングを施すことが望ましい。
結論
一般に、すべての試料はLFA測定の前にある程度コーティングしておく必要がある。被検査材の種類と厚さにもよるが、例えば金やグラファイトがコーティング材として使用できる。単純なグラファイト層で十分な場合がほとんどです。使用すべきグラファイト層の厚さは、試料の厚さと導電率、および金コーティングの有無によって異なります。