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研究生: 黃致崴
Huang, Chih-wei
論文名稱: 以常壓電漿在光學塑膠基板上沉積氧化矽薄膜之研究
The study of SiOx thin-film deposited on optical plastic substrate by atmospheric plasma
指導教授: 陳進成
Chen, Chin-Cheng
共同指導教授: 洪昭南
Hong, C.-N. Franklin
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 化學工程學系
Department of Chemical Engineering
論文出版年: 2013
畢業學年度: 101
語文別: 中文
論文頁數: 106
中文關鍵詞: 常壓電漿高親水表面抗沾粘表面氧化矽薄膜
外文關鍵詞: Atmospheric Plasma, Hydrophilic Surface, Anti-stick surface, SiOx thin-film
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  • 本研究建立一套連續式常壓電漿系統來進行光學塑膠基材上之表面處理。在一大氣壓下產生電漿進行表面處理是一種經濟、高效率的低溫表面處理方式。常壓電漿較真空電漿之優點為:可在大氣壓下操作(不需真空腔體)、容易以連續捲對捲製程方式操作、與其他機台整合容易,因此可大幅降低設備、操作及維修費用,並且可省能源、電漿密度高、粒子能量低、處理速度快等。
    本實驗以HMDSO做為前驅物,利用PECVD的方式在光學塑膠PC、PMMA上製備氧化矽薄膜。主要研究有兩個方向,其一是研究影響薄膜與基材附著力之條件。其二是探討不同製程對薄膜化學組成之影響。
    本實驗藉由改變鍍膜的參數(Carrier gas流量、Scan speed、鍍膜距離、鍍膜時間)及不同的製程方式,來調變氧化矽薄膜之厚度、表面性質與化學元素組成。最後,我們能使表面具有高親水性(水接觸角小於五度)或超高抗沾粘性(水接觸角大於一百度)。本實驗已成功在PC基板上沉積附著力佳的氧化矽薄膜,且經由疏水改質後,其可承受的磨耗次數達3000下。

    This study established a set of continuous atmospheric pressure plasma system, treating surface for optical plastic substrate .The atmospheric plasma surface treatment is an economic and efficient method for low temperature surface treatment. Compared with the low-pressure plasma treatment, the atmospheric plasma chemical vapor deposition owns many advantages including atmospheric operation, in-line operation, no vacuum equipment needed, good compatibility with other processes, low equipment ,operation and maintenance cost, and high throughputs.
    In this experiment, HMDSO is a SiOx thin-film precursor which is deposed on optical plastic PC, PMMA substrate by PECVD. The study focus on two aspects, one is to study factors which affect the film and substrate adhesion; the second is to explore the impact of operation process on the chemical composition of the film.
    In this study, by controlling the coating parameters (Carrier gas flow, Scan speed, distance coated, coating time) and using different fabrication processes which modulating the thickness of SiOx films, various types of film with different surface properties and chemical composition are obtained. The surface can be highly hydrophilic (water contact angle of less than 5 degrees) or ultra-high anti-adhesion properties (water contact angle greater than 100 degrees).
    This experiment has been successfully deposited SiOx films of good adhesion on the PC substrate, and after modifying by hydrophobic process, it can withstand abrasion test up to 3000 times.

    目錄 摘要 I Abstract II 謝誌 III 目錄 V 表目錄 IX 圖目錄 XII 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 研究動機與目的 6 第二章 文獻回顧 9 2-1 二氧化矽性質簡介 9 2-2 電漿之簡介 12 2-2-1 電漿之行為 12 2-2-2 電漿之特性 14 2-2-3 電漿之分類 18 2-4常壓電漿技術背景 19 2-5化學氣相沈積法(Chemical Vapor Deposition) 24 2-6薄膜沈積機制 25 2-7電漿輔助化學氣相反應(PECVD)原理 29 2-8 常壓冷電漿鍍膜 31 2-9抗沾粘與超親水表面之研究背景 33 第三章 研究方法 38 3-1 實驗流程 38 3-2 實驗系統裝置 40 3-2-1 實驗系統圖 40 3-2-2 常壓電漿源之選擇 41 3-2-3 反應腔體之使用考量 42 3-2-4 恆溫循環槽 43 3-2-5 氣體管路裝置 43 3-2-6 流量控制系統 43 3-3 實驗材料及藥品 44 3-4 實驗步驟 46 3-4-1 鍍膜流程 46 3-4-2 疏水改質 46 3-5 分析及鑑定 47 3-5-1 表面輪廓儀(α-step) 47 3-5-2 接觸角量測儀(Contact angle meter) 47 3-5-3 百格測試計 47 3-5-4 鉛筆硬度計 50 3-5-5 傅立葉轉換紅外線光譜儀 (FTIR) 50 第四章 實驗結果與討論 53 4-1 鍍膜前基材表面親水處理之影響 54 4-1-1 基板鍍膜前親水處理對水滴接觸角的影響 54 4-1-2 基板鍍膜前親水處理對薄膜附著力的影響 56 4-1-3 基板鍍膜前親水處理對薄膜進行疏水改質及磨耗測試的影響 57 4-2電漿火炬與基板距離對薄膜性質的影響 60 4-2-1電漿火炬與基板距離對水滴接觸角的影響 60 4-2-2電漿火炬與基板距離對薄膜成長速率的影響 62 4-2-3電漿火炬與基板距離對薄膜硬度及附著力之影響 64 4-2-4電漿火炬與基板距離對疏水改質及磨耗測試的影響 66 4-3使用不同HMDSO與氧氣(O2)的氣體流量比 69 4-3-1氧氣(O2)的氣體流量對水滴接觸角的影響 69 4-3-2氧氣(O2)的氣體流量對薄膜成長速率的影響 72 4-3-3氧氣(O2)的氣體流量對薄膜硬度及附著力的影響 74 4-3-4氧氣(O2)的氣體流量對薄膜的組成鍵結分析 76 4-3-5以HMDSO混氧氣(O2)薄膜製程的疏水改質及磨耗測試 78 4-4將鍍上HMDSO之表面以不同氧氣(O2)組成之電漿處理 81 4-4-1不同氧氣(O2)組成之電漿對水滴接觸角的影響 81 4-4-2不同氧氣(O2)組成之電漿對薄膜厚度的影響 84 4-4-3不同氧氣(O2)組成之電漿對薄膜硬度及附著力的影響 86 4-4-4不同氧氣(O2)組成之電漿組成對薄膜的組成鍵結分析 88 4-4-5以氧電漿表面處理製程的薄膜之疏水改質及磨耗測試 90 4-5以分層沉積(layer by layer)之方式鍍膜 92 4-5-1以分層沉積之方式鍍膜其水滴接觸角及膜厚分析 93 4-5-2以分層沉積之方式鍍膜其硬度分析及百格測試 95 4-5-3以分層沉積之方式鍍膜其後續疏水改質級磨耗測試 97 第五章 結論及未來研究方向 99 5-1結論 99 5-2未來研究方向 101 參考文獻 102 表目錄 表1-1、常壓電漿與真空電漿之比較 2 表1-2 常壓電漿之應用實例 3 表2-1 二氧化矽基本性質 11 表3-1 ISO 試驗結果等級判別區分 48 表4-1 基材(PC)鍍膜前有無親水處理對水滴接觸角之影響 55 表4-2 基材(PMMA)鍍膜前有無親水處理對水滴接觸角之影響 55 表4-3 PC及PMMA基材鍍膜前有無親水處理對薄膜附著力之影響 56 表4-4 基材(PC)疏水改質前後其水滴接觸角之影響 58 表4-5 基材(PMMA)疏水改質前後其水滴接觸角之影響 58 表4-6 PC及PMMA基板鍍膜前有無親水處理之可承受磨耗次數 58 表4-7 水滴接觸角隨基板距電漿火炬距離之影響 61 表4-8 薄膜厚度隨基板距電漿火炬距離之變化 63 表4-9 PC上薄膜硬度及附著力隨基板距電漿火炬距離之變化 65 表4-10 PMMA上薄膜硬度及附著力隨基板距電漿火炬距離之變化 65 表4-11 基材(PC)疏水改質前後其水滴接觸角之變化 67 表4-12 基材(PMMA)疏水改質前後其水滴接觸角之變化 67 表4-13基板上的薄膜經疏水改質後,可承受磨耗次數之變化 67 表4-14水滴接觸角隨O2/HMDSO比例之變化 71 表4-15薄膜厚度隨O2/HMDSO比例之變化 73 表4-16 於PC基板上薄膜硬度及附著力隨O2/HMDSO比例之變化 75 表4-17 於PMMA基板上薄膜硬度及附著力隨O2/HMDSO比例之變化 75 表4-18 PC及PMMA基板疏水處理前的水滴接觸角隨O2/HMDSO比例之變化 79 表4-19 PC及PMMA基板疏水處理後的水滴接觸角隨O2/HMDSO比例之變化 79 表4-20 在PC及PMMA上的薄膜可承受磨耗次數隨O2/HMDSO比例之變化 80 表4-21 水滴接觸角隨O2組成之變化 83 表4-22薄膜厚度隨O2組成之變化 85 表4-23於PC基板上薄膜硬度及附著力隨氧氣組成之變化 87 表4-24於PMMA基板上薄膜硬度及附著力隨氧氣組成之變化 87 表4-25 PC及PMMA基板疏水改質前的水滴接觸角隨O2組成之變化 91 表4-26 PC及PMMA基板疏水改質後的水滴接觸角隨O2組成之變化 91 表4-27 在PC及PMMA上的薄膜可承受磨耗次數隨O2組成之變化 91 表4-28 PC及PMMA基板以分層沉積所製備之薄膜的水滴接觸角及膜厚 94 表4-29 PC及PMMA基板以HMDSO混氧所製備之薄膜的水滴接觸角及膜厚隨O2/HMDSO比例之變化 94 表4-30 PC及PMMA基板以分層沉積所製備之薄膜的硬度分析及百格測試 96 表4-31 PC及PMMA基板以HMDSO混氧所製備之薄膜的水滴硬度分析及百格測試隨O2/HMDSO比例之變化 96 表4-32 PC及PMMA基板以分層沉積之薄膜其疏水改質前後水滴接觸角的變化 98 表4-33 PC及PMMA基板以分層沉積方式鍍膜可承受磨耗次數 98 圖目錄 圖2-1 二氧化矽之相圖 11 圖2-2 低壓真空放電管的系統圖 16 圖2-3 電漿中兩電極間電壓與電流之關係圖 17 圖2-4 不同氣體壓力下電子與氣體分子的溫度變化 18 圖2-5介電質放電示意圖 20 圖2-6介電質放電放置絕緣物的各種的方式 21 圖2-7常壓電漿應用範圍示意圖 23 圖2-8薄膜成長機制示意圖 26 圖2-9CVD反應中的能量關係 30 圖2–10電漿輔助CVD沉積薄膜原理 30 圖2-11超疏水、超親水、超疏油、超親油四個特殊浸潤性的組合設計框 35 圖3-1實驗流程示意圖 39 圖3-2 實驗系統圖 40 圖3-3直接式與遠距式DBD電漿示意圖 42 圖3-4雙(三甲基甲矽烷基)氧化物之結構圖 44 圖3-5 Poly Carbonate之結構圖 45 圖3-6 Poly(methyl methacrylate)之結構圖 45 圖4-1 鍍膜前有無表面親水處理對疏水改質後的磨耗測試 59 圖4-2水滴接觸角隨基板距電漿火炬距離之變化 61 圖4-3薄膜厚度隨基板距電漿火炬距離之變化 63 圖4-4可承受磨耗次數隨電漿火炬距基板距離之變化 68 圖4-5水滴接觸角隨O2/HMDSO比例之變化 71 圖4-6薄膜厚度隨O2/HMDSO比例之變化 73 圖4-7 PC基板以不同氧氣流量所沉積薄膜的FT-IR圖譜 77 圖4-8 PMMA基板以不同氧氣流量所沉積薄膜的FT-IR圖譜 77 圖4-9 在PC及PMMA上的薄膜可承受磨耗次數隨O2/HMDSO比例之變化 80 圖4-10 水滴接觸角隨O2組成之變化 83 圖4-11 薄膜厚度隨O2組成之變化 85 圖4-12 PC基板上的薄膜以不同組成之氧電漿處理的FT-IR圖譜 89 圖4-13 PMMA基板上的薄膜以不同組成之氧電漿處理的FT-IR圖譜 89 圖4-14 PC及PMMA基板以分層沉積方式鍍膜可承受磨耗次數 98

    [1] 董家齊、陳寬任:科學發展,第354 期, 2002 年6 月,p52~p59
    [2] 賴耿陽編譯:電漿工學的基礎,復文書局 (2002)
    [3] 高信敬,常壓電漿在機能性表面處理的技術與應用,化工資訊與商情,2006年,.32期,p.22。
    [4] 羅萬中、林昭憲、高于迦、蔣啟明:電機月刊,第17 卷,第11 期,
    2007 年11 月,p140~p149
    [5] B. Balu, V. Breedveld ,D.W. Hess, “Fabrication of “Roll-off” and “Sticky” Superhydrophobic Cellulose Surfaces via Plasma Processing,” Langmuir 24(2008) 4785.
    [6] K. Teshima, H. Sugimura, Y. Inoue, O. “Takai, Gas Barrier Performance of Surface-Modified Silica Films with Grafted Organosilane Molecules,” Langmuir 19(2003) 8331.
    [7] G.R. Nowling, M. Yajima, S.E. Babayan, M. Moravej, X. Yang, W. Hoffman, R.F.Hicks, “Chamberless plasma deposition of glass
    coatings on plastic ,” Plasma Sources Sci. Technol. 14 (2005) 477.
    [8] R.P. Winkler, E. Arpac, H. Schirra, S. Sepeur, I. Wegner, H. Schmidt, “Aqueous wet coatings for transparent plastic glazing, ” Thin Solid Films351 (1999) 209.
    [9] Barbalace, Kenneth. Periodic Table of Elements. Environmental Chemistry.com, 2007-04-14.
    [10] 王執明,塵肺症所關切的礦石:矽石類礦物,行政院勞委會(1989)
    [11] CRC Handbook of Chemistry and Physics 2012-2013
    [12] 劉世鈞,利用水熱法在低溫條件下合成多晶相二氧化矽奈米結構之研究,國立台南大學材料科學研所,2007
    [13]J. R. Roth, Industrial Plasma Engineering-Volume 1 : Principles, Institute of Physics Publishing, London (1995).
    [14] W. Elenbaas, The High Pressure Mercury Vapor Discharge. Amsterdam,The Netherlands, North-Holland (1951)
    [15] 郭有斌,微中空陰極陣列常壓電漿與低溫成長碳奈米結構,成功大學化學工程研究所博士論文,2003年。
    [16]U. Reitz, J.G.H. Salage, R. Schwarz, “Pulsed barrier discharges for thin film production at atmospheric pressure, ” Surface and Coatings Technology 59 (1993) 144.
    [17]J.S. Chang, P.A. Lawless, T. Yamamoto, “Corona Discharge Processes, ”IEEE Trans. Plasma Sci. 19 (1991) 1152.
    [18]S. Kanazawa, H. Kogoma, T. Moriwaki, S. Okazaki, “Stable glow plasma at atmospheric pressure,” J. Phys. D 21 (1988) 838.
    [19] T. Yokoyawa, M. Kogoma, S. Kanazawa, T. Moriwaki and S. Okazaki, “The improvement of the atmospheric- pressure glow plasma method and the deposition of organic films, ”J. Phys. D 23(1990) 374.
    [20] S. Kanazawa, M. Kogoma, O. Okazaki and T. Moriwaki, “Glow plasma treatment at atmospheric pressure for surface modification and film deposition, ” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B37/38 (1989) 842.
    [21] Y. Babukutty, R. Part, K. Endo, M. Kogoma, S. Okazaki, M. Kodama, “ Poly(vinyl chloride) Surface Modification Using Tetrafluoroethylene in Atmospheric Pressure Glow Discharge , ”Langmuir 15(1999) 7055.
    [22] J. R. Roth, M. Laroussi, C. Liu, “Experimental Generation Of A Steady-state Glow Discharge At Atmospheric Pressure, ” IEEE Int. Conf. on Plasma Sci. (1992) 170.
    [23] K. Kelly-Wintenberg, A. Hodge, T.C. Montie, L. Deleanu, D. Sherman, J.R. Roth, P.Tsai, L. Wadsworth, “Use of a one atmosphere uniform glow discharge plasma to kill a broad spectrum of microorganisms, ” J. Vac. Sci. Technol. A 17 (1999) 1539.
    [24] T.C. Montie, K. Kelly-Wintenberg, J.R. Roth, “An Overview of Research Using the One Atmosphere Uniform Glow Discharge Plasma (OAUGDP) for Sterilization of Surfaces and Materials, ”IEEE Trans. Plasma Sci. 28 (2000)41.
    [25] J.R. Roth, D.M. Sherman, R.B. Gardi, F. Karakaya, Z. Chen, T.C. Montie, K.Kelly-Wintenberg, P.P.-Y. Tasi, “ A Remote Exposure Reactor (RER) for Plasma Processing and Sterilization by Plasma Active Species at One Atmosphere , ”IEEE Trans. Plasma Sci. 28 (2000) 56.
    [26] K. Kelly-Wintenberg, D.M. Sherman, P.P.-Y. Tsai, R.B. Gadri, F. Karakaya, Z. Chen,J.R. Roth, T.C. Montie, “Air Filter Sterilization Using a One Atmosphere Uniform Glow Discharge Plasma (the Volfilter), ” IEEE Trans. Plasma Sci. 28 (2000) 64.
    [27] Claire Tendero, et.al, “ Atmospheric pressure plasmas: A review, ”SpectrochimicaActaB61 (2006) 2.
    [28] G.S. Selwyn, et.al, “Materials Processing Using an Atmospheric Pressure,RF-Generated Plasma Source, ”Contrib. Plasma Phys. 6 (2001) 610.
    [29]田波明、劉德令:薄膜科學與技術手冊, P1 (1991)
    [30]莊達人:VLSI製造技術, P146~P158 (1995)
    [31] 唐敬堯,電漿鍍膜以 HMDSO 鍍製有機矽膜之特性研究,國立 中央大學光電科學與工程學系,碩士論文,2009。
    [32] S. Martin and F. Massines , “Atmospheric pressure PE-CVD of silicon based coatings using a glow dielectric barrier discharge, ” Surface and Coatings Technology 177~178, 693(2004).
    [33] S. H. Kim and J. H. Kim , “Superhydrophobic CFx Coating via In-Line Atmospheric RF Plasma of He-CF4 -H2, ” Langmuir, 21, 12213(2005).
    [34] E. L. Han and Q. Chen , Machine Disign and Research., 22, 86 (2006).
    [35] S. E. Babayan, J .Y .Jeong and R. F. Hicks, “ Deposition of silicon dioxide filmswith an atmospheric-pressure plasma jet, ” Plasma Source Sci.Technol., 7, 286(1998)
    [36] S. E. Babayan, J .Y .Jeong and R. F. Hicks, “Deposition of silicon dioxide films with a non-equilibrium atmospheric-pressure plasma jet, ” Plasma Source Sci.Technol., 10, 573(2001)
    [37] J. Benedikt and V. Raballand, “Thin film deposition by means of atmospheric pressure microplasma jet, ” Plasma Phys. Control. Fusion ,
    49,419(2007)
    [38] 羅萬中、林昭憲、李文浚:新型低溫常壓電漿噴流鍍膜系統建立/技術開發,金屬中心技術報告(2005)
    [39] F.M. Fowkes, “ Chemistry and Physics of Interfaces, ” Amer. Chem. Soc., Washington,1-12 (1965).
    [40] M. D. Barankin, E. Gonzalez II, S.B. Habib, L.Gao, P.C. Guschl, R. F. Hicks, “Hydrophobic Films by Atmospheric Plasma Curing of Spun-On Liquid Precursors, ”Langmuir25 (2009) 2495.
    [41] 陳志瑋、劉志宏、林春宏、鄭總輝,功能性薄膜技術之簡介與大氣電漿鍍膜技術之應用,化工資訊與商情,2006 年,32 期,p.28。
    [42] H.M. Shang, Y. Wang, S.J. Limmer, T.P. Chou, K. Takahashi, G.Z. Cao, “ Optically transparent superhydrophobic silica-based films, ” Thin Solid Films472 (2005) 37.
    [43] X. Feng, L. Jiang, “ Design and Creation of Superwetting/Antiwetting Surfaces, ”Adv. Mater., 18 (2006) 3063.
    [44] E.F. Hare, E.G. Shafrin, W.A. Zisman, “Properties of films of adsorbed fluorinated acids, ” J. Phys. Chem. 58 (1954) 236.
    [45] S.R. Coulson, I.S. Woodward, J.P.S. Badyal, S.A. Brewer, C. Willis, “Super-Repellent Composite Fluoropolymer Surfaces, ” J. Phys. Chem.B104 (2000) 8836.
    [46] S.R. Coulson, I.S. Woodward, J.P.S. Badyal, S.A. Brewer, C. Willis, “Ultralow Surface Energy Plasma Polymer Films, ”Chem. Mater.,12 (2000) 2031.
    [47] M. Kiuru, E. Alakoski, “Low sliding angles in hydrophobic and oleophobic coatings prepared with plasma discharge method, ”Mater. Lett.58 (2004) 2213.
    [48] S.H. Kim, J.-H. Kim, B.-K.Kang, H.S. Uhm, “Superhydrophobic CFx Coating via In-Line Atmospheric RF Plasma of He-CF4 -H2, ”Langmuir, 21 (2005) 12213.
    [49] M. Nagai, O. Takai, M. Hori, “ Atmospheric Pressure Fluorocarbon-Particle Plasma Chemical Vapor Deposition for Hydrophobic Film Coating, ”Japanese Journal of Applied Physics 45 (2006) L460.
    [50] R. Morent, N. De Geyter, S. Van Vlierberghe, P. Dubruel, C. Leys, E. Schacht, “Organic–inorganic behaviour of HMDSO films plasma-polymerized at atmospheric pressure, ”Surface& Coatings Technology 203 (2009) 1366.
    [51] R. Morent, N. De Geyter, S. Van Vlierberghe, P. Dubruel, C. Leys, E. Schacht, “Deposition of HMDSO-based coatings on PET substrates using an atmospheric pressure dielectric barrier discharge, ”Progress in Organic Coatings 64 (2009) 304.
    [52] K. Nättinen, J. Nikkola, H. Minkkinen, P. Heikkilä, J. Lavonen, M. Tuominen, “ Reel-to-reel inline atmospheric plasma deposition
    of hydrophobic coatings, ” J. Coat. Technol. Res., 8(2010)237.
    [53] JL 1540 附著力刮刀操作說明書
    [54] PORA 鉛筆硬度計操作說明書
    [55]傅立葉轉換紅外線光譜儀(FTIR)使用手冊

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