[논문 리뷰] Treatment of PDMS surfaces using pulsed DBD plasmas: comparing the use of different gases and its influence on adhesion

Fellype do Nascimento, Stanislav A. Moshkalev외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 14.

Surface Modification and Superhydrophobicity참고 문헌 29인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 아르곤, 헬륨, 질소 및 수증기 혼합가스를 사용한 펄스형 유전체 장벽 방전(DBD) 플라즈마 처리를 통해 PDMS 표면의 부착력을 향상시키는 것을 조사한다. 헬륨 플라즈마 처리는 소수의 방전로만으로도 최고의 부착력을 보였으며, AFM 측정을 통해 표면 거칠기가 감소하였다. 150초 이상의 장시간 처리 시 모든 가스에서 부착력 향상이 확인되었으며, 접촉각 및 전력 측정을 통해 확인되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 가스를 사용한 펄스형 DBD 플라즈마 처리의 효과를 평가하여 PDMS 표면 간의 부착력을 향상시키는 데 목적이 있다.
• 플라즈마 처리 시간과 가스 조성의 변화가 PDMS의 표면 에너지 및 계면 부착력에 미치는 영향을 조사하는 데 목적이 있다.
• 광학적 에미션 스펙트로스코피(OES) 및 SpecAir 시뮬레이션을 통해 플라즈마 종과 온도를 특성화하는 데 목적이 있다.
• AFM로 측정한 표면 거칠기 변화와 플라즈마 처리 후 부착 성능 간의 상관관계를 규명하는 데 목적이 있다.
• 각 가스 유형에 대해 플라즈마 노출 동안 전력 공급과 물 접촉각 변화를 정량화하는 데 목적이 있다.

제안 방법

• 아르곤, 헬륨, 질소 및 수증기 혼합가스를 사용하여 펄스형 유전체 장벽 방전(DBD) 플라즈마를 생성하였다.
• 반사 스펙트럼을 SpecAir 시뮬레이션 코드와 비교하여 반응성 종을 확인하고 플라즈마 온도를 추정하기 위해 광학적 에미션 스펙트로스코피(OES)를 사용하였다.
• 표면 에너지 변화를 평가하기 위해 플라즈마 처리 시간에 따라 물 접촉각 측정을 기록하였다.
• 각 플라즈마 처리 조건 후 두 개의 PDMS 샘플 간의 부착 강도를 시험하였다.
• 처리 후 표면 거칠기 변화 분석을 위해 원자력 현미경(AFM)을 활용하였다.
• 표면 변형 결과와 관련된 에너지 입력을 상관관계 분석하기 위해 플라즈마에 공급된 전력을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아르곤, 헬륨, 질소 및 수증기 혼합가스를 사용한 플라즈마 가스 선택이 PDMS 샘플 간 부착력에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 플라즈마 처리 시간과 PDMS 표면에서의 물 접촉각 사이의 관계는 어떠한가?
• RQ3 펄스형 DBD 처리 중 다양한 가스 유형에서 플라즈마 온도와 반응성 종 분포는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 플라즈마 처리가 PDMS 표면 거칠기에 미치는 영향은 어느 정도이며, 이는 계면 부착력에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 어느 플라즈마 처리 조건에서 방전 사이클 수를 최소화하면서도 가장 높은 부착 효율을 달성하는가?

주요 결과

• 모든 플라즈마 처리 조건에서 노출 시간이 150초를 초과할 경우 PDMS 샘플 간 효과적인 부착이 달성되었다.
• 헬륨 플라즈마 처리는 소수의 방전만으로도 최고의 부착 결과를 보였으며, 짧은 처리 시간에 높은 효율성을 나타내었다.
• AFM 분석 결과 헬륨 플라즈마 처리 후 표면 거칠기가 감소하였으며, 이는 효과적인 접촉 면적 증가와 부착력 향상에 기여하였다.
• OES 스펙트럼을 SpecAir 시뮬레이션과 비교하여 플라즈마 온도 추정치를 도출하였으며, 이는 가스 유형에 맞는 플라즈마 특성화를 가능하게 하였다.
• 플라즈마 처리 시간이 증가할수록 물 접촉각이 감소하여 모든 가스 유형에서 표면 에너지 향상과 침윤성 향상을 나타내었다.
• 전력 측정 결과 에너지 공급이 일관되게 유지되어 플라즈마 조건의 재현성과 신뢰성을 뒷받침하였다.