[[alternative]]Plasma surface modification of parylene using to liquid transport

Abstract

碩士[[abstract]]電漿表面改質為近年來極受注目的一項技術，因其具有低溫作業與低污染之特性，故於紡織工業之應用極為廣泛，眾學者紛紛利用電漿改質技術製造出防沾污之紡織材質。本論文則是利用實驗室既有之三種氣體電漿（氧氣、四氟化碳與六氟化硫）改質三種不同材質（聚對二甲苯、聚二甲基矽氧烷與二氧化矽），並觀察其表面改質後的對水性質變化。 於三種受改質之材質中，又以聚對二甲苯最受注目，其乃以類似化學氣相沉積之方式鍍膜，並可於室溫沉積。本論文利用氧氣電漿改質聚對二甲苯，使其表面從微親水性轉換為極親水性；另一方面則利用氟性氣體電漿（四氟化碳與六氟化硫）改質聚對二甲苯，使其表面從微親水性轉換為疏水性。於研究結果發現，以相同之四氟化碳電漿分別改質聚對二甲苯與聚二甲基矽氧烷，竟獲得相反之結果（聚對二甲苯受改質後，由微親水性轉換為疏水性；聚二甲基矽氧烷則由疏水性轉為微親水性）。本論文並針對此現象，以能量散佈光譜儀分析其不同變化之原因。 於論文後半段，則是以四氟化碳電漿改質所得之疏水性聚對二甲苯，結合本論文另外開發出的圓柱陣列晶片，並應用於液滴傳輸，其平均傳輸速率高達每秒23.06釐米。其中，圓柱陣列晶片乃利用不同間距之圓柱，造成液滴於晶片各處之接觸角不同，搭配來自揚聲器之震動源，並以不同之頻率與不同方向之圓柱陣列，控制運輸液滴之方向。於本論文中，亦利用能量方程式，找出液滴於運輸過程中，帶有高速旋轉現象的原因。[[abstract]]In this research, three materials (parylene, PDMS and glass) surface modification with three gases (CF4. SF6 and O2) plasma was presented. The lightly hydrophilic parylene can be transferred to hydrophobic parylene by CF4 and SF6 plasmas, whereas the hydrophobic PDMS was transferred to lightly hydrophilic PDMS by CF4 and SF6 plasmas. Moreover, the CF4 and SF6 plasmas can’t affect the hydrophilic property of glass (SiO2). On the contrary, the O2 plasma can transfer three materials to great hydrophilic parylene. In future, the three modified materials can be used in more other applications, for examples of self-cleaning and suction of fluids. Our research also successfully transported droplet by arrowed micro-structured surface ratchets with hydrophobic parylene or HMDS. The droplets would be transported more easily after the hydrophobic degree of surface ratchets was increased by hydrophobic parylene. The droplet can be up or back transported by advancing or recessive arrowed surface ratchets, and the average velocity is around 20 mm/sec. Discussion about design of the arrowed surface ratchets was also obtained by mathematical model of surface energy. It was proved that the parylene surface modification was using to the application of droplet transport.[[tableofcontents]]中文摘要---------------------------------------------- I 英文摘要---------------------------------------------- II 目錄 --------------------------------------------- IV 圖目錄 --------------------------------------------- VIII 表目錄 --------------------------------------------- XIV 第一章 緒論----------------------------------------- 1 1-1 研究動機------------------------------------- 2 1-2 文獻回顧------------------------------------- 4 1-3 論文架構------------------------------------- 12 第二章 電漿改質表面對水之性質----------------------- 15 2-1 材質簡介------------------------------------- 15 2-1-1 Parylene之簡介------------------------- 15 2-1-2 PDMS之簡介----------------------------- 17 2-2 實驗設計------------------------------------- 18 2-3 O2電漿表面改質------------------------------- 19 2-4 CF4與SF6電漿表面改質------------------------- 21 2-4-1 CF4與SF6電漿改質parylene--------------- 21 2-4-2 CF4與SF6電漿改質PDMS------------------- 23 2-5 EDS分析CF4電漿改質之影響--------------------- 25 2-6 CF4電漿改質SiO2------------------------------ 27 2-7 CF4電漿改質應用於親、疏水區隔之機制---------- 29 第三章 圓柱陣列之設計原理與製程討論----------------- 32 3-1 接觸角--------------------------------------- 32 3-2 圓柱陣列之光罩設計--------------------------- 33 3-3 對稱箭頭圖形設計之原由----------------------- 35 3-4 製程設計與討論------------------------------- 36 3-4-1 六甲基矽氮烷（HMDS）於圓柱陣列之製程--- 36 3-4-2 疏水性parylene於圓柱陣列之製程設計----- 40 第四章 圓柱陣列應用於液體傳輸之量測與分析----------- 42 4-1 量測架構------------------------------------- 42 4-2 量測結果與討論------------------------------- 42 4-2-1 HMDS改質於圓柱陣列--------------------- 42 4-2-2 疏水性parylene於圓柱陣列--------------- 46 4-3 圓弧形與箭頭型圓柱陣列之比較----------------- 47 4-4 液滴於圓柱陣列之旋轉現象--------------------- 49 4-4-1 以表面能推導液滴前緣於圓柱陣列上之變化- 49 4-4-2 液滴前緣於三部份之表面能與合力--------- 51 4-4-3 以表面能推導液滴後緣於圓柱陣列上之變化- 58 4-4-4 液滴前緣於三部份之表面能與合力比較----- 61 4-4-5 以表面能推導驗證液滴的高速旋轉現象----- 62 第五章 結論與未來方向------------------------------- 66 5-1 結論----------------------------------------- 66 5-2 未來方向------------------------------------- 67 5-2-1 仿生圓柱陣列--------------------------- 67 5-2-2 結合冷凝機制或取水裝置----------------- 69 5-2-3 定義取水區域於圓柱陣列晶片------------- 69 5-2-4 尋找電漿改質parylene之新應用----------- 70 5-2-5 加入圓柱直徑之變化--------------------- 70 參考文獻---------------------------------------------- 71 作者發表著作------------------------------------------ 76 附錄A 二氧化鈦凝膠之製備與氯化鈣吸水之測試--------- 77 A-1 二氧化鈦之性質與簡介------------------------- 77 A-2 二氧化鈦凝膠之製備與其結果討論--------------- 79 A-3 氯化鈣之性質與其吸水測試--------------------- 82 附錄B 聚丙烯酸鈉（Sodium Polyacrylate）之性質與應用----------------------------------------------------------- 84 B-1 聚丙烯酸鈉之性質----------------------------- 84 B-2 聚丙烯酸鈉之製程設計概念--------------------- 86 附錄C 疏水性parylene應用於電濕潤------------------- 88 C-1 指叉電極之製程設計與量測設備--------------------------- 88 C-2 於疏水性parylene上之電溼潤現象與其結果討論--- 90 C-3 疏水性parylene應用於EWOD之可行性評估--------- 92 圖目錄 圖1-1 沐霧甲蟲收集水分之過程----------------------- 2 圖1-2 成年雌性的沐霧甲蟲--------------------------- 3 圖1-3 奈米碳管陣列--------------------------------- 6 圖1-4 奈米碳管陣列之間隙與其表面對水性質之關係----- 6 圖1-5 翻模糞甲蟲表殼之製程示意--------------------- 7 圖1-6 以XPS分析C3F6氣體電漿改質蠶絲表面前後之差異-- 9 圖1-7 A. Shastry等人所設計之圓柱陣列--------------- 10 圖1-8 圓柱陣列之驅動原理--------------------------- 11 圖1-9 三種不同類型的疏水結構----------------------- 11 圖1-10 論文架構圖----------------------------------- 14 圖2-1 三種商業化之parylene ------------------------ 16 圖2-2 Parylene鍍膜機------------------------------- 17 圖2-3 Parylene沉積之過程--------------------------- 17 圖2-4 PDMS之化學結構------------------------------- 18 圖2-5 一般硬化劑之化學結構------------------------- 18 圖2-6 接觸角儀------------------------------------- 19 圖2-7 Parylene對純水之原接觸角--------------------- 20 圖2-8 O2電漿造成parylene的極親水性----------------- 20 圖2-9 CF4電漿改質parylene造成的疏水性-------------- 21 圖2-10 CF4與SF6電漿改質parylene的持續性------------- 22 圖2-11 PDMS原對水之接觸角為112°--------------------- 23 圖2-12 電漿改質PDMS表面對水之性質------------------- 23 圖2-13 CF4與SF6電漿改質PDMS，於不同功率下對接觸角之影響-------------------------------------------------------- 24 圖2-14 CF4電漿改質PDMS之持續性---------------------- 24 圖2-15 CF4電漿改質parylene所造成的鍵結改變---------- 26 圖2-16 CF4電漿改質PDMS所造成的鍵結改變-------------- 26 圖2-17 CF4電漿改質SiO2之變化------------------------ 28 圖2-18 親、疏水區隔機制之製程示意------------------- 29 圖2-19 液滴位於親、疏水區隔機制之載玻片上----------- 30 圖2-20 多個液滴位於親、疏水區隔機制之載玻片上------- 30 圖2-21 搖晃過後，所產生的流體自我組裝--------------- 31 圖2-22 利用親、疏水性自我組裝元件之示意------------- 31 圖3-1 接觸角示意圖--------------------------------- 33 圖3-2 兩種不同圓柱陣列之光罩設計------------------- 34 圖3-3 圓柱陣列晶片之設計--------------------------- 34 圖3-4 液滴於箭頭陣列上的合力分佈------------------- 35 圖3-5 HMDS改質於圓柱陣列之製程--------------------- 37 圖3-6 溼蝕刻製程造成之結果------------------------- 38 圖3-7 以ICP乾蝕刻技術製作之高深寬比結構------------ 39 圖3-8 HMDS改質圓柱陣列前後之接觸角比較------------- 39 圖3-9 圓柱陣列製程示意圖--------------------------- 40 圖3-10 疏水性parylene式圓柱陣列之接觸角比較--------- 41 圖4-1 量測架構示意圖------------------------------- 42 圖4-2 以HMDS改質的箭頭型圓柱陣列，其向後驅動之連續擷取圖---------------------------------------------------- 43 圖4-3 以HMDS改質的箭頭型圓柱陣列，其向前驅動之連續擷取圖---------------------------------------------------- 44 圖4-4 HMDS改質的雙向箭頭型圓柱陣列，其運輸之連續擷取圖-------------------------------------------------------- 45 圖4-5 疏水性parylene於箭頭型圓柱陣列，其向後驅動之連續擷取圖-------------------------------------------------- 46 圖4-6 圓弧型圓柱陣列推動之情形--------------------- 48 圖4-7 箭頭型圓柱陣列推動之情形--------------------- 48 圖4-8 液滴於圓柱陣列之移動路線--------------------- 48 圖4-9 一個箭頭陣列的側視圖------------------------- 50 圖4-10 液滴於A、B、C三個部份的側視圖---------------- 51 圖4-11 液滴前緣於A部份內，隨時間所經過之位置 【0< xA <d1】----------------------------------------- 52 圖4-12 液滴前緣於A部份內，隨時間所經過之位置 【d1< xA <D+d1】-------------------------------------- 53 圖4-13 液滴前緣於A部份內，隨時間所經過之位置 【D+d1< xA <D+2d1】----------------------------------- 54 圖4-14 液滴前緣於A部份內，隨時間所經過之位置 【D+2d1< xA <2(D+d1)】-------------------------------- 55 圖4-15 液滴前緣於A部份內，隨時間所經過之位置 【2(D+d1)< xA <2D+3d1)】------------------------------ 55 圖4-16 液滴前緣於A部份內，隨時間所經過之位置 【（2D+3d1)< xA <3(D+d1)】---------------------------- 56 圖4-17 位於液滴前緣和後緣之作用力------------------- 58 圖4-18 液滴後緣於A部份內，隨時間所經過之位置 【0< xA <d1】----------------------------------------- 59 圖4-19 液滴後緣於A部份內，隨時間所經過之位置 【d1< xA <D+d1】-------------------------------------- 59 圖4-20 若圓柱陣列為親水性表面，液滴之移動情形------- 63 圖4-21 Oxide型圓柱陣列晶片-------------------------- 63 圖4-22 若圓柱陣列為疏水性表面，液滴之移動情形------- 64 圖4-23 於各部份合力造成液滴旋轉之原理--------------- 65 圖4-24 液滴向前旋轉之示意--------------------------- 65 圖5-1 仿生圓柱陣列之示意--------------------------- 67 圖5-2 仿生圓柱陣列之製程示意----------------------- 68 圖5-3 仿生圓柱陣列與PAAS冷凝結合之示意------------- 69 圖5-4 因冷凝使圓柱陣列全面凝結出水滴之樣貌--------- 69 圖5-5 新式圓柱陣列之設計--------------------------- 70 圖A-1 二氧化鈦的兩種結晶構造----------------------- 77 圖A-2 PPG公司所生產的日光除污玻璃------------------ 78 圖A-3 二氧化鈦凝膠之特徵與性質--------------------- 79 圖A-4 二氧化鈦之特徵與性質------------------------- 80 圖A-5 二氧化鈦蝕刻製程示意圖----------------------- 80 圖A-6 以不同加溫速度燒結二氧化鈦凝膠之結果--------- 81 圖A-7 二氧化鈦粉末因附著力不佳而產生脫落現象------- 81 圖A-8 化學除濕原理示意----------------------------- 82 圖A-9 氯化鈣吸水情形------------------------------- 83 圖B-1 聚丙烯酸鈉的分子結構------------------------- 85 圖B-2 聚丙烯酸鈉吸水測試--------------------------- 85 圖B-3 利用聚丙烯酸鈉製作而成的冰凍冰晶墊----------- 85 圖B-4 聚丙烯酸鈉製程設計示意----------------------- 87 圖C-1 指叉電極之尺寸設計--------------------------- 88 圖C-2 指叉電極製程圖------------------------------- 89 圖C-3 量測設備示意圖------------------------------- 89 圖C-4 因電溼潤現象導致液滴向上擴張之樣貌----------- 90 圖C-5 因電溼潤現象導致液滴向左擴張之樣貌----------- 90 圖C-6 電溼潤現象之示意圖--------------------------- 91 圖C-7 Parylene蘊藏正、負寄生電荷的時間性----------- 91 圖C-8 兩種類型之EWOD------------------------------- 92 表目錄 表2-1 文獻與本研究中表面改質之結果比較------------- 28 表3-1 不同形式圓柱陣列表面對水接觸角之比較--------- 41 表4-1 不同形式圓柱陣列晶片之比較------------------- 47 表4-2 液滴前緣於三個部份內，其各位置之表面能與作用力的整理---------------------------------------------------- 57 表4-3 液滴後緣於三個部份內，其各位置之表面能與作用力的整理---------------------------------------------------- 60[[note]]學號: 695371558, 學年度: 9