ผลของความขรุขระเชิงผิวต่อความสามารถในการเปียกน�้า ของฟิล์มบางคาร์บอนคล้ายเพชร
Effect of Surface Roughness on Wettability of Diamond-Like Carbon Thin Films
นฤทธิ์ ฝ่ายบุตร (Narit Faibut)1* ดร.วิทยา อมรกิจบ�ารุง (Dr.Vittaya Amornkitbamrung)**
บทคัดย่อ
ท�ำกำรเตรียมฟิล์มบำงคำร์บอนคล้ำยเพชรประเภทไฮโดรจิเนทเตด อะมอร์ฟัสคำร์บอนโดยใช้ระบบ ตกสะสมไอเชิงเคมีด้วยคลื่นวิทยุจำกพลำสมำแผ่นคู่ควบควำมจุไฟฟ้ำลงบนกระจกสไลด์ที่ได้รับกำรขัด จนมีควำมขรุขระต่ำงๆกัน โดยใช้ก๊ำซสำรตั้งต้นมีเทน และก๊ำซไฮโดรเจนในอัตรำส่วนที่ต่ำงกัน และน�ำไปวัดค่ำ ควำมขรุขระด้วยเครื่อง AFM ค่ำมุมสัมผัสน�้ำมีค่ำตั้งแต่ 84.8-104.8 องศำ และมีค่ำเพิ่มขึ้นเมื่อควำมขรุขระ สูงขึ้น และเปลี่ยนแปลงอย่ำงเห็นได้ชัดเมื่อค่ำควำมขรุขระมีค่ำประมำณ 250 nm ขึ้นไป ฟิล์มที่มีค่ำควำมขรุขระ 342 nm มีค่ำพลังงำนเชิงผิว 10.67 mJ/m2 มีค่ำเฉลี่ยมุมสัมผัสน�้ำสูงสุดที่ 104.8 องศำ
ABSTRACT
Hydrogenated amorphous carbon (a-C:H) thin films were prepared on polished glass slide substrates by capacitively coupled radio-frequency Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) system using methane with various hydrogen mixes as source gases.
The roughness of thin films were then analyzed by Atomic Force Microscope (AFM). The water contact angles were 84.8 to 104.8 degrees. The water contact angle increases with increasing film roughness, and does so clearly when the roughness is approximately higher than 250 nm.
The film with 342 nm roughness and 10.67 mJ/m2 surface energy shows the highest average water contact angle at 104.8 degrees.
ค�าส�าคัญ : ไฮโดรจิเนทเตด อะมอร์ฟัสคำร์บอน ค่ำมุมสัมผัส ควำมขรุขระ
Key Words : Hydrogenated amorphous carbon, Contact angle, Roughness
1 Corresponding author: faibut.n@gmail.com
* นักศึกษา หลักสูตรวิทยาศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น
** รองศาสตราจารย์ สาขาวิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น
บทน�า
ฟิล์มบำงคำร์บอนคล้ำยเพชร (diamond-like carbon, DLC) ประเภทไฮโดรจิเนทเตด อะมอร์ฟัส คำร์บอน หำกสำมำรถน�ำไปใช้งำนได้อย่ำงจริงจัง จะนับเป็นฟิล์ม (film) ที่มีคุณประโยชน์หลำกหลำย มำก เนื่องจำกคุณสมบัติที่โดดเด่นหลำยประกำร เช่น มีควำมแข็งใกล้เคียงกับเพชร [1] ทนต่อกำร กัดกร่อนและกำรเกิดปฏิกิริยำเคมี เป็นต้น สิ่งที่น่ำ สนใจคือกำรสังเครำะห์ฟิล์มคำร์บอนคล้ำยเพชร ส�ำหรับเคลือบผิวให้สำมำรถท�ำควำมสะอำดได้เอง (self-cleaning) ซึ่งมีประโยชน์ใช้ในงำนเคลือบ ผิวกระจกตำมอำคำรเพื่อกันกำรขีดข่วนและเกิด กำรท�ำควำมสะอำดได้เองหรือจะเป็นแผงเซลล์แสง อำทิตย์ ทั้งนี้เพื่อเป็นกำรประหยัดเวลำและลดสำร เคมีจำกกำรซักล้ำงสู่สิ่งแวดล้อม ส�ำหรับฟิล์มคำร์บอน คล้ำยเพชรในกำรท�ำให้เกิดสมบัติดังกล่ำวท�ำได้
โดยท�ำให้เป็นฟิล์มไม่ชอบน�้ำ โดยจ�ำต้องท�ำให้ฟิล์ม คงสภำพสมบัติเชิงกลต่ำงๆไว้ดังเดิม ซึ่งปัจจุบันนี้
มีกำรน�ำพลำสมำ (plasma) ของเตตระฟลูออโร มีเทน (tetrafluoromethane, CF4) ซึ่งเป็นก๊ำซ (gas) เรือนกระจกที่ก่อให้เกิดภำวะโลกร้อน [2]
แต่เมื่อพิจำรณำกำรเกิดสมบัติไม่ชอบน�้ำของใบบัว พบว่ำในใบบัวนั้นมีโครงสร้ำงบนผิวใบที่มีลักษณะที่
ขรุขระ มีโครงสร้ำงที่มีลักษณะเป็นขนขนำดเล็กระดับ ไมโครเมตร และท�ำให้แรงที่อนุภำคฝุ่นกระท�ำต่อผิว ของใบนั้นน้อยเมื่อเทียบกับแรงดึงดูดระหว่ำงอนุภำค ฝุ่นกับของเหลว จึงท�ำให้เกิดกำรท�ำควำมสะอำดได้เอง [3] ดังนั้นจึงมีควำมเป็นไปได้ที่จะท�ำผิวฟิล์มให้มีควำม ขรุขระ (roughness) เพื่อให้ได้มำซึ่งควำมสำมำรถ ในกำรท�ำควำมสะอำดได้เอง แต่ยังคงคุณสมบัติเชิงกล ที่โดดเด่นของฟิล์มเอำไว้
วัตถุประสงค์การวิจัย
1. เพื่อศึกษำผลกระทบของควำมขรุขระของ ฟิล์มคำร์บอนคล้ำยเพชรต่อค่ำมุมสัมผัสของฟิล์ม
2. เพื่อหำค่ำพลังงำนเชิงผิว (surface
energy) ของฟิล์มคำร์บอนคล้ำยเพชรที่มีควำม ขรุขระหลำยค่ำ
ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง
ในกำรวัดค่ำมุมสัมผัสนั้นจะต้องหำมุม ที่มีควำมเสถียรที่สุด (θms) ออกมำ เนื่องจำกเมื่อ ของเหลวสัมผัสกับผิวของแข็งแรงแอดฮีชันที่กระท�ำ จะก่อให้เกิดมุมสัมผัสที่เป็นมุมกึ่งเสถียรได้หลำยค่ำ ดังภำพที่ 1 ซึ่งท�ำให้เกิดควำมผิดพลำดในกำรวัดค่ำ มุมสัมผัส [5] (ภำพที่ 1)
ในกำรหำค่ำมุมที่เสถียรที่สุดนั้นโดยทั่วไป จะใช้วิธีหำมุม advancing และ receding ดังแสดง ในภำพที่ 1 แล้วน�ำมำหำค่ำประมำณมุมที่เสถียร ที่สุดโดยใช้สมกำรที่ 1
cosθms =0.5cosθadv+0.5cosθrec……….(1)
วัสดุอุปกรณ์และวิธีการวิจัย
น�ำกระจกสไลด์ขนำด 1x3 ตำรำงนิ้ว ที่จะใช้
เป็นวัสดุฐำนรองมำขัดด้วยกระดำษทรำยให้มีระดับ ควำมขรุขระต่ำงๆ กัน ด้วยเบอร์ 120 220 400 600 800 1000 1500 2000 จ�ำนวน 8 แผ่น แล้ว ท�ำควำมสะอำดแล้วเคลือบฟิล์มคำร์บอนคล้ำยเพชร โดยใช้ระบบตกสะสมไอเชิงเคมีบนกระจกสไลด์ดัง กล่ำว โดยใช้เงื่อนไขเดียวกันดังตำรำงที่ 1 ทุกแผ่นรวม แผ่นที่ไม่ขัดอีก 1 แผ่น เป็น 9 แผ่นแล้วน�ำฟิล์มไปวัด ควำมขรุขระด้วยเครื่อง AFM รวมทั้งวัดค่ำมุมสัมผัส น�้ำ และกลีเซอรอล แล้วค�ำนวณค่ำพลังงำนเชิงผิว ของฟิล์มทุกชิ้นงำนโดยใช้แบบจ�ำลองค่ำเฉลี่ย เรขำคณิต (geometric mean model) และแบบ จ�ำลองค่ำเฉลี่ยฮำร์โมนิค (harmonic mean model) (ตำรำงที่ 1)
ผลการวิจัยและการวิเคราะห์
ขนำดควำมขรุขระค่ำเฉลี่ยรำกก�ำลังสอง (Rq) ของฟิล์มจำกกำรวัดค่ำควำมขรุขระของฟิล์มด้วย เครื่อง AFM โหมดกึ่งสัมผัส ขนำด 30x30 ตำรำง
ไมครอน พบว่ำฟิล์มมีค่ำควำมขรุขระที่แตกต่ำงกัน หลำยระดับ ค่ำควำมขรุขระที่มีค่ำมำกที่สุดได้จำก ฟิล์มที่เคลือบบนวัสดุฐำนรองที่ขัดด้วยกระดำษทรำย เบอร์หยำบที่สุด และฟิล์มมีควำมขรุขระโดย ประมำณ 342.2 nm ดังภำพที่ 2 (ก) และฟิล์มที่
มีควำมขรุขระน้อยที่สุดคือฟิล์มที่เคลือบบนวัสดุ
ฐำนรองที่ขัดด้วยกระดำษทรำยเบอร์ละเอียดที่สุด มีควำมขรุขระโดยประมำณ 13.4 nm ดังภำพที่ 2 (ซ) ส่วนฟิล์มที่เคลือบบนวัสดุฐำนรองที่ไม่ได้รับกำร ขัดผิวใดๆ จะมีควำมขรุขระประมำณ 0.2 nm ซึ่งเป็น ควำมขรุขระโดยธรรมชำติของฟิล์มบำงไฮโดรจิเนท เตด อะมอร์ฟัสคำร์บอน (ภำพที่ 2) เมื่อน�ำฟิล์มที่มี
ค่ำควำมขรุขระแตกต่ำงกันดังกล่ำวไปวัดค่ำมุมสัมผัส น�้ำและกลีเซอรอล โดยท�ำกำรวัดที่อุณหภูมิ 23 �C ควำมชื้นสัมพัทธ์ 60-65 % จะได้ค่ำมุมสัมผัสค่ำแตก ต่ำงกัน ดังตัวอย่ำงในภำพที่ 3 เป็นลักษณะมุมสัมผัส จำกน�้ำของฟิล์มที่ให้ค่ำมุมสัมผัสมำกที่สุด (ภำพที่ 3) (ตำรำงที่ 2) จำกนั้นค�ำนวณค่ำพลังงำนเชิงผิวทั้งส่วน เชิงกระจำยและส่วนเชิงขั้ว โดยใช้แบบจ�ำลองค่ำเฉลี่ย เรขำคณิต และแบบจ�ำลองค่ำเฉลี่ยฮำร์โมนิค โดย แบ่งกำรค�ำนวณออกเป็น 2 ตอน ดังนี้
1. ค�ำนวณค่ำพลังงำนเชิงผิวโดยใช้แบบ จ�ำลองค่ำเฉลี่ยเรขำคณิต โดยใช้สมกำรที่ 2
3
ผิวของฟิล์มทุกชิ้นงานโดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต (geometric mean model) และแบบจ าลองค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิค (harmonic mean model) (ตารางที่ 1)
ผลการวิจัยและการวิเคราะห์
ขนาดความขรุขระค่าเฉลี่ยรากก าลังสอง (Rq) ของฟิล์มจากการวัดค่าความขรุขระของฟิล์มด้วยเครื่อง AFM โหมดกึ่ง สัมผัส ขนาด 30x30 ตารางไมครอน พบว่าฟิล์มมีค่าความขรุขระที่แตกต่างกันหลายระดับ ค่าความขรุขระที่มีค่ามากที่สุดได้จาก ฟิล์มที่เคลือบบนวัสดุฐานรองที่ขัดด้วยกระดาษทรายเบอร์หยาบที่สุด และฟิล์มมีความขรุขระโดยประมาณ 342.2 nm ดังภาพที่ 2 (ก) และฟิล์มที่มีความขรุขระน้อยที่สุดคือฟิล์มที่เคลือบบนวัสดุฐานรองที่ขัดด้วยกระดาษทรายเบอร์ละเอียดที่สุดมีความขรุขระ โดยประมาณ 13.4 nm ดังภาพที่ 2 (ซ) ส่วนฟิล์มที่เคลือบบนวัสดุฐานรองที่ไม่ได้รับการขัดผิวใดๆ จะมีความขรุขระประมาณ 0.2 nm ซึ่งเป็นความขรุขระโดยธรรมชาติของฟิล์มบางไฮโดรจิเนทเตด อะมอร์ฟัสคาร์บอน (ภาพที่ 2) เมื่อน าฟิล์มที่มีค่าความขรุขระ แตกต่างกันดังกล่าวไปวัดค่ามุมสัมผัสน้ าและกลีเซอรอล โดยท าการวัดที่อุณหภูมิ 23 oC ความชื้นสัมพัทธ์ 60-65 % จะได้ค่า มุมสัมผัสค่าแตกต่างกัน ดังตัวอย่างในภาพที่ 3 เป็นลักษณะมุมสัมผัสจากน้ าของฟิล์มที่ให้ค่ามุมสัมผัสมากที่สุด (ภาพที่ 3) (ตารางที่ 2) จากนั้นค านวณค่าพลังงานเชิงผิวทั้งส่วนเชิงกระจายและส่วนเชิงขั้ว โดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต และ แบบจ าลองค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิค โดยแบ่งการค านวณออกเป็น 2 ตอน ดังนี้
1. ค านวณค่าพลังงานเชิงผิวโดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต โดยใช้สมการที่ 2
] [ 2 ] [ 2 cos 1
lv lp sp lv
ld sd
ms
……(2)
2. ค านวณค่าพลังงานเชิงผิวโดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิคโดยใช้สมการที่ 3
lp sp
lp sp ld sd
ld sd lv
ms
cos ) 4 4
1
( …...….(3)
เมื่อ ld แรงตึงผิวของของเหลวส่วนเชิงกระจาย
lp
แรงตึงผิวของของเหลวส่วนเชิงขั้ว
sd
พลังงานเชิงผิวของของแข็งส่วนเชิง กระจาย
sp พลังงานเชิงผิวของของแข็งส่วนเชิงขั้ว θms เป็นมุมที่เสถียรที่สุด
ซึ่งจะได้ค่าพลังงานเชิงผิวออกมาดังตารางที่ 3 และตารางที่ 4 เป็นค่าพลังงานเชิงผิวจากแบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต และ ค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิค ตามล าดับ (ตารางที่ 3) เมื่อน าค่าพลังงานเชิงผิวมาเขียนแผนภูมิแท่งสร้างความสัมพันธ์กับค่าความขรุขระ ได้ดังภาพที่ 4 และภาพที่ 5
……(2) 2. ค�ำนวณค่ำพลังงำนเชิงผิวโดยใช้แบบ จ�ำลองค่ำเฉลี่ยฮำร์โมนิคโดยใช้สมกำรที่ 3
3
ผิวของฟิล์มทุกชิ้นงานโดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต (geometric mean model) และแบบจ าลองค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิค (harmonic mean model) (ตารางที่ 1)
ผลการวิจัยและการวิเคราะห์
ขนาดความขรุขระค่าเฉลี่ยรากก าลังสอง (Rq) ของฟิล์มจากการวัดค่าความขรุขระของฟิล์มด้วยเครื่อง AFM โหมดกึ่ง สัมผัส ขนาด 30x30 ตารางไมครอน พบว่าฟิล์มมีค่าความขรุขระที่แตกต่างกันหลายระดับ ค่าความขรุขระที่มีค่ามากที่สุดได้จาก ฟิล์มที่เคลือบบนวัสดุฐานรองที่ขัดด้วยกระดาษทรายเบอร์หยาบที่สุด และฟิล์มมีความขรุขระโดยประมาณ 342.2 nm ดังภาพที่ 2 (ก) และฟิล์มที่มีความขรุขระน้อยที่สุดคือฟิล์มที่เคลือบบนวัสดุฐานรองที่ขัดด้วยกระดาษทรายเบอร์ละเอียดที่สุดมีความขรุขระ โดยประมาณ 13.4 nm ดังภาพที่ 2 (ซ) ส่วนฟิล์มที่เคลือบบนวัสดุฐานรองที่ไม่ได้รับการขัดผิวใดๆ จะมีความขรุขระประมาณ 0.2 nm ซึ่งเป็นความขรุขระโดยธรรมชาติของฟิล์มบางไฮโดรจิเนทเตด อะมอร์ฟัสคาร์บอน (ภาพที่ 2) เมื่อน าฟิล์มที่มีค่าความขรุขระ แตกต่างกันดังกล่าวไปวัดค่ามุมสัมผัสน้ าและกลีเซอรอล โดยท าการวัดที่อุณหภูมิ 23 oC ความชื้นสัมพัทธ์ 60-65 % จะได้ค่า มุมสัมผัสค่าแตกต่างกัน ดังตัวอย่างในภาพที่ 3 เป็นลักษณะมุมสัมผัสจากน้ าของฟิล์มที่ให้ค่ามุมสัมผัสมากที่สุด (ภาพที่ 3) (ตารางที่ 2) จากนั้นค านวณค่าพลังงานเชิงผิวทั้งส่วนเชิงกระจายและส่วนเชิงขั้ว โดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต และ แบบจ าลองค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิค โดยแบ่งการค านวณออกเป็น 2 ตอน ดังนี้
1. ค านวณค่าพลังงานเชิงผิวโดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต โดยใช้สมการที่ 2
] [ 2 ] [ 2 cos 1
lv lp sp lv
ld sd
ms
……(2)
2. ค านวณค่าพลังงานเชิงผิวโดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิคโดยใช้สมการที่ 3
lp sp
lp sp ld sd
ld sd lv
ms
cos ) 4 4
1
( …...….(3)
เมื่อ ld แรงตึงผิวของของเหลวส่วนเชิงกระจาย
lp
แรงตึงผิวของของเหลวส่วนเชิงขั้ว
sd
พลังงานเชิงผิวของของแข็งส่วนเชิง กระจาย
sp พลังงานเชิงผิวของของแข็งส่วนเชิงขั้ว θms เป็นมุมที่เสถียรที่สุด
ซึ่งจะได้ค่าพลังงานเชิงผิวออกมาดังตารางที่ 3 และตารางที่ 4 เป็นค่าพลังงานเชิงผิวจากแบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต และ ค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิค ตามล าดับ (ตารางที่ 3) เมื่อน าค่าพลังงานเชิงผิวมาเขียนแผนภูมิแท่งสร้างความสัมพันธ์กับค่าความขรุขระ ได้ดังภาพที่ 4 และภาพที่ 5
…...(3) เมื่อ
3
ผิวของฟิล์มทุกชิ้นงานโดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต (geometric mean model) และแบบจ าลองค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิค (harmonic mean model) (ตารางที่ 1)
ผลการวิจัยและการวิเคราะห์
ขนาดความขรุขระค่าเฉลี่ยรากก าลังสอง (Rq) ของฟิล์มจากการวัดค่าความขรุขระของฟิล์มด้วยเครื่อง AFM โหมดกึ่ง สัมผัส ขนาด 30x30 ตารางไมครอน พบว่าฟิล์มมีค่าความขรุขระที่แตกต่างกันหลายระดับ ค่าความขรุขระที่มีค่ามากที่สุดได้จาก ฟิล์มที่เคลือบบนวัสดุฐานรองที่ขัดด้วยกระดาษทรายเบอร์หยาบที่สุด และฟิล์มมีความขรุขระโดยประมาณ 342.2 nm ดังภาพที่ 2 (ก) และฟิล์มที่มีความขรุขระน้อยที่สุดคือฟิล์มที่เคลือบบนวัสดุฐานรองที่ขัดด้วยกระดาษทรายเบอร์ละเอียดที่สุดมีความขรุขระ โดยประมาณ 13.4 nm ดังภาพที่ 2 (ซ) ส่วนฟิล์มที่เคลือบบนวัสดุฐานรองที่ไม่ได้รับการขัดผิวใดๆ จะมีความขรุขระประมาณ 0.2 nm ซึ่งเป็นความขรุขระโดยธรรมชาติของฟิล์มบางไฮโดรจิเนทเตด อะมอร์ฟัสคาร์บอน (ภาพที่ 2) เมื่อน าฟิล์มที่มีค่าความขรุขระ แตกต่างกันดังกล่าวไปวัดค่ามุมสัมผัสน้ าและกลีเซอรอล โดยท าการวัดที่อุณหภูมิ 23 oC ความชื้นสัมพัทธ์ 60-65 % จะได้ค่า มุมสัมผัสค่าแตกต่างกัน ดังตัวอย่างในภาพที่ 3 เป็นลักษณะมุมสัมผัสจากน้ าของฟิล์มที่ให้ค่ามุมสัมผัสมากที่สุด (ภาพที่ 3) (ตารางที่ 2) จากนั้นค านวณค่าพลังงานเชิงผิวทั้งส่วนเชิงกระจายและส่วนเชิงขั้ว โดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต และ แบบจ าลองค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิค โดยแบ่งการค านวณออกเป็น 2 ตอน ดังนี้
1. ค านวณค่าพลังงานเชิงผิวโดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต โดยใช้สมการที่ 2
] [ 2 ] [ 2 cos 1
lv lp sp lv
ld sd
ms
……(2)
2. ค านวณค่าพลังงานเชิงผิวโดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิคโดยใช้สมการที่ 3
lp sp
lp sp ld sd
ld sd lv
ms
cos ) 4 4
1
( …...….(3)
เมื่อ ld แรงตึงผิวของของเหลวส่วนเชิงกระจาย
lp
แรงตึงผิวของของเหลวส่วนเชิงขั้ว
sd
พลังงานเชิงผิวของของแข็งส่วนเชิง กระจาย
sp พลังงานเชิงผิวของของแข็งส่วนเชิงขั้ว θms เป็นมุมที่เสถียรที่สุด
ซึ่งจะได้ค่าพลังงานเชิงผิวออกมาดังตารางที่ 3 และตารางที่ 4 เป็นค่าพลังงานเชิงผิวจากแบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต และ ค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิค ตามล าดับ (ตารางที่ 3) เมื่อน าค่าพลังงานเชิงผิวมาเขียนแผนภูมิแท่งสร้างความสัมพันธ์กับค่าความขรุขระ ได้ดังภาพที่ 4 และภาพที่ 5
แรงตึงผิวของของเหลวส่วนเชิงกระจำย
3
ผิวของฟิล์มทุกชิ้นงานโดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต (geometric mean model) และแบบจ าลองค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิค (harmonic mean model) (ตารางที่ 1)
ผลการวิจัยและการวิเคราะห์
ขนาดความขรุขระค่าเฉลี่ยรากก าลังสอง (Rq) ของฟิล์มจากการวัดค่าความขรุขระของฟิล์มด้วยเครื่อง AFM โหมดกึ่ง สัมผัส ขนาด 30x30 ตารางไมครอน พบว่าฟิล์มมีค่าความขรุขระที่แตกต่างกันหลายระดับ ค่าความขรุขระที่มีค่ามากที่สุดได้จาก ฟิล์มที่เคลือบบนวัสดุฐานรองที่ขัดด้วยกระดาษทรายเบอร์หยาบที่สุด และฟิล์มมีความขรุขระโดยประมาณ 342.2 nm ดังภาพที่ 2 (ก) และฟิล์มที่มีความขรุขระน้อยที่สุดคือฟิล์มที่เคลือบบนวัสดุฐานรองที่ขัดด้วยกระดาษทรายเบอร์ละเอียดที่สุดมีความขรุขระ โดยประมาณ 13.4 nm ดังภาพที่ 2 (ซ) ส่วนฟิล์มที่เคลือบบนวัสดุฐานรองที่ไม่ได้รับการขัดผิวใดๆ จะมีความขรุขระประมาณ 0.2 nm ซึ่งเป็นความขรุขระโดยธรรมชาติของฟิล์มบางไฮโดรจิเนทเตด อะมอร์ฟัสคาร์บอน (ภาพที่ 2) เมื่อน าฟิล์มที่มีค่าความขรุขระ แตกต่างกันดังกล่าวไปวัดค่ามุมสัมผัสน้ าและกลีเซอรอล โดยท าการวัดที่อุณหภูมิ 23 oC ความชื้นสัมพัทธ์ 60-65 % จะได้ค่า มุมสัมผัสค่าแตกต่างกัน ดังตัวอย่างในภาพที่ 3 เป็นลักษณะมุมสัมผัสจากน้ าของฟิล์มที่ให้ค่ามุมสัมผัสมากที่สุด (ภาพที่ 3) (ตารางที่ 2) จากนั้นค านวณค่าพลังงานเชิงผิวทั้งส่วนเชิงกระจายและส่วนเชิงขั้ว โดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต และ แบบจ าลองค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิค โดยแบ่งการค านวณออกเป็น 2 ตอน ดังนี้
1. ค านวณค่าพลังงานเชิงผิวโดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต โดยใช้สมการที่ 2
] [ 2 ] [ 2 cos
1 lv
lp sp lv
ld sd
ms
……(2)
2. ค านวณค่าพลังงานเชิงผิวโดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิคโดยใช้สมการที่ 3
lp sp
lp sp ld sd
ld sd lv
ms
cos ) 4 4
1
( …...….(3)
เมื่อ ld แรงตึงผิวของของเหลวส่วนเชิงกระจาย
lp
แรงตึงผิวของของเหลวส่วนเชิงขั้ว
sd
พลังงานเชิงผิวของของแข็งส่วนเชิง กระจาย
sp พลังงานเชิงผิวของของแข็งส่วนเชิงขั้ว θms เป็นมุมที่เสถียรที่สุด
ซึ่งจะได้ค่าพลังงานเชิงผิวออกมาดังตารางที่ 3 และตารางที่ 4 เป็นค่าพลังงานเชิงผิวจากแบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต และ ค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิค ตามล าดับ (ตารางที่ 3) เมื่อน าค่าพลังงานเชิงผิวมาเขียนแผนภูมิแท่งสร้างความสัมพันธ์กับค่าความขรุขระ ได้ดังภาพที่ 4 และภาพที่ 5
แรงตึงผิวของของเหลวส่วนเชิงขั้ว
3
ผิวของฟิล์มทุกชิ้นงานโดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต (geometric mean model) และแบบจ าลองค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิค (harmonic mean model) (ตารางที่ 1)
ผลการวิจัยและการวิเคราะห์
ขนาดความขรุขระค่าเฉลี่ยรากก าลังสอง (Rq) ของฟิล์มจากการวัดค่าความขรุขระของฟิล์มด้วยเครื่อง AFM โหมดกึ่ง สัมผัส ขนาด 30x30 ตารางไมครอน พบว่าฟิล์มมีค่าความขรุขระที่แตกต่างกันหลายระดับ ค่าความขรุขระที่มีค่ามากที่สุดได้จาก ฟิล์มที่เคลือบบนวัสดุฐานรองที่ขัดด้วยกระดาษทรายเบอร์หยาบที่สุด และฟิล์มมีความขรุขระโดยประมาณ 342.2 nm ดังภาพที่ 2 (ก) และฟิล์มที่มีความขรุขระน้อยที่สุดคือฟิล์มที่เคลือบบนวัสดุฐานรองที่ขัดด้วยกระดาษทรายเบอร์ละเอียดที่สุดมีความขรุขระ โดยประมาณ 13.4 nm ดังภาพที่ 2 (ซ) ส่วนฟิล์มที่เคลือบบนวัสดุฐานรองที่ไม่ได้รับการขัดผิวใดๆ จะมีความขรุขระประมาณ 0.2 nm ซึ่งเป็นความขรุขระโดยธรรมชาติของฟิล์มบางไฮโดรจิเนทเตด อะมอร์ฟัสคาร์บอน (ภาพที่ 2) เมื่อน าฟิล์มที่มีค่าความขรุขระ แตกต่างกันดังกล่าวไปวัดค่ามุมสัมผัสน้ าและกลีเซอรอล โดยท าการวัดที่อุณหภูมิ 23 oC ความชื้นสัมพัทธ์ 60-65 % จะได้ค่า มุมสัมผัสค่าแตกต่างกัน ดังตัวอย่างในภาพที่ 3 เป็นลักษณะมุมสัมผัสจากน้ าของฟิล์มที่ให้ค่ามุมสัมผัสมากที่สุด (ภาพที่ 3) (ตารางที่ 2) จากนั้นค านวณค่าพลังงานเชิงผิวทั้งส่วนเชิงกระจายและส่วนเชิงขั้ว โดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต และ แบบจ าลองค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิค โดยแบ่งการค านวณออกเป็น 2 ตอน ดังนี้
1. ค านวณค่าพลังงานเชิงผิวโดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต โดยใช้สมการที่ 2
] [ 2 ] [ 2 cos 1
lv lp sp lv
ld sd
ms
……(2)
2. ค านวณค่าพลังงานเชิงผิวโดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิคโดยใช้สมการที่ 3
lp sp
lp sp ld sd
ld sd lv
ms
cos ) 4 4
1
( …...….(3)
เมื่อ ld แรงตึงผิวของของเหลวส่วนเชิงกระจาย
lp
แรงตึงผิวของของเหลวส่วนเชิงขั้ว
sd
พลังงานเชิงผิวของของแข็งส่วนเชิง กระจาย
sp พลังงานเชิงผิวของของแข็งส่วนเชิงขั้ว θms เป็นมุมที่เสถียรที่สุด
ซึ่งจะได้ค่าพลังงานเชิงผิวออกมาดังตารางที่ 3 และตารางที่ 4 เป็นค่าพลังงานเชิงผิวจากแบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต และ ค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิค ตามล าดับ (ตารางที่ 3) เมื่อน าค่าพลังงานเชิงผิวมาเขียนแผนภูมิแท่งสร้างความสัมพันธ์กับค่าความขรุขระ ได้ดังภาพที่ 4 และภาพที่ 5
พลังงำนเชิงผิวของของแข็งส่วนเชิง กระจำย
3
ผิวของฟิล์มทุกชิ้นงานโดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต (geometric mean model) และแบบจ าลองค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิค (harmonic mean model) (ตารางที่ 1)
ผลการวิจัยและการวิเคราะห์
ขนาดความขรุขระค่าเฉลี่ยรากก าลังสอง (Rq) ของฟิล์มจากการวัดค่าความขรุขระของฟิล์มด้วยเครื่อง AFM โหมดกึ่ง สัมผัส ขนาด 30x30 ตารางไมครอน พบว่าฟิล์มมีค่าความขรุขระที่แตกต่างกันหลายระดับ ค่าความขรุขระที่มีค่ามากที่สุดได้จาก ฟิล์มที่เคลือบบนวัสดุฐานรองที่ขัดด้วยกระดาษทรายเบอร์หยาบที่สุด และฟิล์มมีความขรุขระโดยประมาณ 342.2 nm ดังภาพที่ 2 (ก) และฟิล์มที่มีความขรุขระน้อยที่สุดคือฟิล์มที่เคลือบบนวัสดุฐานรองที่ขัดด้วยกระดาษทรายเบอร์ละเอียดที่สุดมีความขรุขระ โดยประมาณ 13.4 nm ดังภาพที่ 2 (ซ) ส่วนฟิล์มที่เคลือบบนวัสดุฐานรองที่ไม่ได้รับการขัดผิวใดๆ จะมีความขรุขระประมาณ 0.2 nm ซึ่งเป็นความขรุขระโดยธรรมชาติของฟิล์มบางไฮโดรจิเนทเตด อะมอร์ฟัสคาร์บอน (ภาพที่ 2) เมื่อน าฟิล์มที่มีค่าความขรุขระ แตกต่างกันดังกล่าวไปวัดค่ามุมสัมผัสน้ าและกลีเซอรอล โดยท าการวัดที่อุณหภูมิ 23 oC ความชื้นสัมพัทธ์ 60-65 % จะได้ค่า มุมสัมผัสค่าแตกต่างกัน ดังตัวอย่างในภาพที่ 3 เป็นลักษณะมุมสัมผัสจากน้ าของฟิล์มที่ให้ค่ามุมสัมผัสมากที่สุด (ภาพที่ 3) (ตารางที่ 2) จากนั้นค านวณค่าพลังงานเชิงผิวทั้งส่วนเชิงกระจายและส่วนเชิงขั้ว โดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต และ แบบจ าลองค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิค โดยแบ่งการค านวณออกเป็น 2 ตอน ดังนี้
1. ค านวณค่าพลังงานเชิงผิวโดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต โดยใช้สมการที่ 2
] [ 2 ] [ 2 cos
1 lv
lp sp lv
ld sd
ms
……(2)
2. ค านวณค่าพลังงานเชิงผิวโดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิคโดยใช้สมการที่ 3
lp sp
lp sp ld sd
ld sd lv
ms
cos ) 4 4
1
( …...….(3)
เมื่อ ld แรงตึงผิวของของเหลวส่วนเชิงกระจาย
lp
แรงตึงผิวของของเหลวส่วนเชิงขั้ว
sd
พลังงานเชิงผิวของของแข็งส่วนเชิง กระจาย
sp พลังงานเชิงผิวของของแข็งส่วนเชิงขั้ว θms เป็นมุมที่เสถียรที่สุด
ซึ่งจะได้ค่าพลังงานเชิงผิวออกมาดังตารางที่ 3 และตารางที่ 4 เป็นค่าพลังงานเชิงผิวจากแบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต และ ค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิค ตามล าดับ (ตารางที่ 3) เมื่อน าค่าพลังงานเชิงผิวมาเขียนแผนภูมิแท่งสร้างความสัมพันธ์กับค่าความขรุขระ ได้ดังภาพที่ 4 และภาพที่ 5
พลังงำนเชิงผิวของของแข็งส่วนเชิงขั้ว
3
ผิวของฟิล์มทุกชิ้นงานโดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต (geometric mean model) และแบบจ าลองค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิค (harmonic mean model) (ตารางที่ 1)
ผลการวิจัยและการวิเคราะห์
ขนาดความขรุขระค่าเฉลี่ยรากก าลังสอง (Rq) ของฟิล์มจากการวัดค่าความขรุขระของฟิล์มด้วยเครื่อง AFM โหมดกึ่ง สัมผัส ขนาด 30x30 ตารางไมครอน พบว่าฟิล์มมีค่าความขรุขระที่แตกต่างกันหลายระดับ ค่าความขรุขระที่มีค่ามากที่สุดได้จาก ฟิล์มที่เคลือบบนวัสดุฐานรองที่ขัดด้วยกระดาษทรายเบอร์หยาบที่สุด และฟิล์มมีความขรุขระโดยประมาณ 342.2 nm ดังภาพที่ 2 (ก) และฟิล์มที่มีความขรุขระน้อยที่สุดคือฟิล์มที่เคลือบบนวัสดุฐานรองที่ขัดด้วยกระดาษทรายเบอร์ละเอียดที่สุดมีความขรุขระ โดยประมาณ 13.4 nm ดังภาพที่ 2 (ซ) ส่วนฟิล์มที่เคลือบบนวัสดุฐานรองที่ไม่ได้รับการขัดผิวใดๆ จะมีความขรุขระประมาณ 0.2 nm ซึ่งเป็นความขรุขระโดยธรรมชาติของฟิล์มบางไฮโดรจิเนทเตด อะมอร์ฟัสคาร์บอน (ภาพที่ 2) เมื่อน าฟิล์มที่มีค่าความขรุขระ แตกต่างกันดังกล่าวไปวัดค่ามุมสัมผัสน้ าและกลีเซอรอล โดยท าการวัดที่อุณหภูมิ 23 oC ความชื้นสัมพัทธ์ 60-65 % จะได้ค่า มุมสัมผัสค่าแตกต่างกัน ดังตัวอย่างในภาพที่ 3 เป็นลักษณะมุมสัมผัสจากน้ าของฟิล์มที่ให้ค่ามุมสัมผัสมากที่สุด (ภาพที่ 3) (ตารางที่ 2) จากนั้นค านวณค่าพลังงานเชิงผิวทั้งส่วนเชิงกระจายและส่วนเชิงขั้ว โดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต และ แบบจ าลองค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิค โดยแบ่งการค านวณออกเป็น 2 ตอน ดังนี้
1. ค านวณค่าพลังงานเชิงผิวโดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต โดยใช้สมการที่ 2
] [ 2 ] [ 2 cos 1
lv lp sp lv
ld sd
ms
……(2)
2. ค านวณค่าพลังงานเชิงผิวโดยใช้แบบจ าลองค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิคโดยใช้สมการที่ 3
lp sp
lp sp ld sd
ld sd lv
ms
cos ) 4 4
1
( …...….(3)
เมื่อ ld แรงตึงผิวของของเหลวส่วนเชิงกระจาย
lp
แรงตึงผิวของของเหลวส่วนเชิงขั้ว
sd
พลังงานเชิงผิวของของแข็งส่วนเชิง กระจาย
sp พลังงานเชิงผิวของของแข็งส่วนเชิงขั้ว θms เป็นมุมที่เสถียรที่สุด
ซึ่งจะได้ค่าพลังงานเชิงผิวออกมาดังตารางที่ 3 และตารางที่ 4 เป็นค่าพลังงานเชิงผิวจากแบบจ าลองค่าเฉลี่ยเรขาคณิต และ ค่าเฉลี่ยฮาร์โมนิค ตามล าดับ (ตารางที่ 3) เมื่อน าค่าพลังงานเชิงผิวมาเขียนแผนภูมิแท่งสร้างความสัมพันธ์กับค่าความขรุขระ ได้ดังภาพที่ 4 และภาพที่ 5
เป็นมุมที่เสถียรที่สุด
ซึ่งจะได้ค่ำพลังงำนเชิงผิวออกมำดัง ตำรำงที่ 3 และตำรำงที่ 4 เป็นค่ำพลังงำนเชิงผิวจำก แบบจ�ำลองค่ำเฉลี่ยเรขำคณิต และค่ำเฉลี่ยฮำร์โมนิค ตำมล�ำดับ (ตำรำงที่ 3) เมื่อน�ำค่ำพลังงำนเชิงผิวมำ เขียนแผนภูมิแท่งสร้ำงควำมสัมพันธ์กับค่ำควำมขรุขระ ได้ดังภำพที่ 4 และภำพที่ 5
จำกตำรำงที่ 2 เมื่อพิจำรณำค่ำมุมสัมผัสน�้ำ จะพบว่ำฟิล์มที่มีค่ำควำมขรุขระเฉลี่ย 342.2 nm ให้ค่ำมุมสัมผัสน�้ำมำกที่สุดที่ประมำณ 104 องศำ รองลงมำคือฟิล์มที่มีควำมขรุขระเฉลี่ย 242.15 nm ให้ค่ำมุมสัมผัสน�้ำที่มีค่ำประมำณ 94 องศำ ส่วน ฟิล์มที่ให้ค่ำมุมสัมผัสน�้ำน้อยที่สุดที่ประมำณ 84 องศำ คือฟิล์มที่วัสดุฐำนรองไม่ได้รับกำรปรับปรุง ผิวด้วยกระดำษทรำย และมีควำมขรุขระน้อยที่สุด ที่ 0.212 nm และฟิล์มที่มีควำมขรุขระตั้งแต่ 99.25 nm จนถึง 13.36 nm ค่ำมุมสัมผัสน�้ำมีค่ำที่ใกล้เคียง กันที่ประมำณ 88-89 องศำ เมื่อเปรียบเทียบกับค่ำ มุมสัมผัสน�้ำของฟิล์มคำร์บอนคล้ำยเพชรประเภทที่มี
ธำตุไฮโดรเจน เช่น a-C:H หรือ ta-C:H ซึ่งมีค่ำ ระหว่ำง 71.3-91.7 องศำ โดยขึ้นกับปัจจัยอื่นอีกเช่น สัดส่วนโครงสร้ำง sp3 ควำมหนำแน่น เป็นต้นแล้ว นับว่ำมีค่ำใกล้เคียงพอสมควร [5] ส่วนมุมสัมผัสกลี
เซอรอลนั้นมีค่ำพอๆกัน แทบจะอยู่ในช่วงฮีสเตอริซีส (hysteresis, ค่ำผลต่ำงระหว่ำงมุม θadv กับ θrec ) ของค่ำมุมที่วัดออกมำจำกฟิล์มเงื่อนไขเดียวเท่ำนั้น และจะเห็นว่ำไม่มีแนวโน้มที่เป็นไปในทิศทำงเดียวกัน กับค่ำมุมสัมผัสจำกน�้ำ เมื่อเทียบกับงำนวิจัยของ Banerjee et al. ที่สังเครำะห์ฟิล์มด้วยระบบ DC-PECVD โดยใช้ควำมดันสูง 100 mbar ซึ่ง ท�ำให้ฟิล์มมีค่ำควำมขรุขระค่ำเฉลี่ยรำกก�ำลังสองสูง และฟิล์มยังมีค่ำมุมสัมผัสมำกสุดถึง 140 องศำ โดยที่
ฟิล์มมีควำมขรุขระตั้งแต่ประมำณ 5- 435 nm และ ที่ค่ำมุมสัมผัสน�้ำค่ำดังกล่ำวฟิล์มมีค่ำควำมขรุขระ ถึง 435 nm โดยประมำณ [7] นอกจำกนี้แล้วในกำร ทดลองของกลุ่มวิจัยนี้ยังเห็นกำรเปลี่ยนแปลงของมุม สัมผัสจำกกลีเซอรอลที่ขึ้นกับควำมขรุขระของฟิล์ม
