[論文レビュー] Treatment of PDMS surfaces using pulsed DBD plasmas: comparing the use of different gases and its influence on adhesion

Fellype do Nascimento, Stanislav A. Moshkalev+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2015

Surface Modification and Superhydrophobicity参考文献 29被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、アルゴン、ヘリウム、窒素、および水蒸気を含む混合ガスを用いたパルスダイレクトバリア放電（DBD）プラズマ処理をポリジオキシシラン（PDMS）表面に施し、PDMS試料間の接着性を向上させることを目的としている。ヘリウムプラズマ処理は、わずかな放電数で優れた接着性を示し、AFMによる測定で表面粗さが低下した。150秒を超える長時間処理では、全ガス種において接着性が向上し、接触角およびパワー測定により確認された。

ABSTRACT

In this work we present some results of the treatment of polydimethylsiloxane (PDMS) surfaces using pulsed dielectric barrier discharge plasmas. The results of plasma treatment using different gases and mixtures, argon, argon plus water vapor, helium, helium plus water vapor, nitrogen and nitrogen plus water vapor, were compared testing the adhesion between two PDMS samples for each kind of plasma. We also studied the water contact angle in function of plasma process time of PDMS surfaces with each kind of plasma treatment. The plasma was characterized by optical emission spectroscopy (OES) to identify the emitting species and determine the plasma temperatures. The plasma temperature for each process was estimated comparing the spectrum obtained by OES with the spectrum generated by SpecAir simulation code. Measurements of power delivered to the plasmas were also performed. As the results, all the process using different gases show good adhesion efficacy between PDMS samples when long exposure time (larger than 150 seconds) is applied. However, when only a few discharges are applied to PDMS samples the helium plasma process presented best results. Atomic Force Microscopy (AFM) analysis of PDMS samples treated with helium plasma showed reduction in the surface roughness, which increase the surface contact area and improves the adhesion.

研究の動機と目的

• 異なるガスを用いたパルスDBDプラズマ処理の効果を評価し、PDMS表面間の接着性を向上させること。
• プラズマ処理時間およびガス組成がPDMSの表面エネルギーおよび界面接着性に与える影響を調査すること。
• 光学発光分光法（OES）およびSpecAirシミュレーションを用いて、プラズマ種および温度を特徴づけること。
• AFMで測定した表面粗さの変化と、プラズマ処理後の接着性能との相関関係を特定すること。
• 各ガス種ごとに、プラズマ照射中のパワー供給および水接触角の変化を定量すること。

提案手法

• アルゴン、ヘリウム、窒素、および水蒸気を含む混合ガスを用いて、パルスダイレクトバリア放電（DBD）プラズマを生成した。
• 反応種の特定およびプラズマ温度の推定のため、光学発光分光法（OES）を用い、スペクトルをSpecAirシミュレーションコードと比較した。
• 表面エネルギーの変化を評価するため、プラズマ処理時間の関数として水接触角を測定した。
• 各プラズマ処理条件の後、2つのPDMS試料間の接着強度を試験した。
• 処理後の表面粗さの変化を分析するために、原子間力顕微鏡（AFM）を用いた。
• プラズマへのパワー供給を測定し、エネルギー入力と表面改質結果の相関を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アルゴン、ヘリウム、窒素のプラズマガスおよびその水蒸気を含む混合ガスの選択が、PDMS試料間の接着強度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 プラズマ処理時間とPDMS表面の水接触角の関係は何か？
• RQ3 パルスDBD処理中、異なるガス種においてプラズマ温度および反応種分布はどのように変化するか？
• RQ4 プラズマ処理がPDMSの表面粗さに及ぼす影響はどの程度で、それが界面接着性にどのように関与するか？
• RQ5 どのプラズマ処理条件が最小限の放電サイクルで最も高い接着効率を示すか？

主な発見

• すべてのプラズマ処理において、処理時間が150秒を超えた場合にはPDMS試料間で効果的な接着が達成された。
• ヘリウムプラズマ処理はわずかな放電数で最良の接着結果を示し、短時間処理においても高い効率性を示した。
• AFM分析により、ヘリウムプラズマ処理後の表面粗さが低下していることが判明し、有効接触面積が増加し、接着性が向上した。
• OESスペクトルとSpecAirシミュレーションを比較することで、プラズマ温度の推定が可能となり、ガス種ごとのプラズマ特徴づけが可能になった。
• プラズマ処理時間の延長に伴い、水接触角は減少し、全ガス種において表面エネルギーおよび親水性が向上した。
• パワー測定により、処理間で一貫したエネルギー供給が確認され、プラズマ条件の再現性が裏付けられた。