功能性無機粉體合成技術應用於穿戴式電子元件開發

刊登日期:2014/12/5
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一個堅固耐用、重量輕以及高功能化的基板或整合系統,需要結構與功能材料朝向輕量、高強度、高特定性能發展,大部分均質材料將漸無法滿足此一趨勢的需求,故以特殊形貌(中空球)或不同材料(核殼結構)組成一複合材料的方法,以創新的材料才能符合穿戴式電子元件的應用。中空球( Hollow Spheres )因本身為球形,具良好流動性,可增進與有機體的混合與分散,形成功能性或軟性基板。

且近年來在科學家及工程師不斷的努力下,已開創出一系列核殼結構複合粒子( Core-Shell Composite Colloids ) 的特殊材料,核殼結構複合粒子的中心核可為金屬、半導體、高分子、陶瓷及生物材料等,其合成方式是由一種奈米材料透過化學鍵或其他作用力將另一種粒子材料包覆起來形成的結構,透過對中心核修飾不同官能機,改變中心核表面電荷和反應特性,提高中心核的穩定性與分散性,而包覆上的殼層材質會大大影響顆粒本身整體的物理及化學特性,可成為高電容特性或結構輕量化等功能性複材。

中空球合成製程介紹
本研究以聚苯乙烯高分子粒子作為有機固體模板來製造中空球,首先藉由有無添加穩定劑聚乙烯咯烷酮( Polyvinyl pyrrolidone;PVP )的差別來合成不同粒徑之中心核。取聚苯乙烯懸浮液,溶於常溫常壓的酒精溶液中,維持在 50˚C下加入氨水,隨之在加入四乙氧基矽烷( Tetraethyl Orthosilicate;TEOS ),有機烷氧化物分子吸附在聚苯乙烯高分子粒子上,接著有機烷氧化物會進行溶膠–凝膠反應,最後在粒子表面形成一層無機層 SiO2,然後將表面形成有 SiO2 披覆的聚苯乙烯粉末利用熱重分析儀( Thermogravimetric Analyzer;TGA )分析有機模板熱裂解的溫度,熱重分析儀的基本原理為將待測物置於一耐高溫的容器中,此容器被置於一具有可程式控制溫度的高溫爐中,而此待測物被懸掛在一個具有高靈敏度及精確度的天平上,如圖二所示。

在加熱或冷卻的過程中,由於待測物會因為反應導致重量的變化,這個因溫度變化而造成的重量變化可以由以上提及的天平量測獲得,一組熱電偶( Thermal Couple )被置於靠近待測物旁但是不接觸,以量測待測物附近的溫度,依此量測待測物的溫度並控制高溫爐的溫度曲線。

將合成好的聚苯乙烯做熱重分析處理,可發現到聚苯乙烯熱裂解的溫度區間約為 300~450˚C,如圖三,並且可以由最終的熱重損失曲線來決定熱處理溫度,在熱處理階段聚苯乙烯會因汽化而膨脹,當聚苯乙烯氣體從 SiO2內部衝出之後,SiO2部分破裂,可能會出現孔洞形成中空球,因此我們在 300~450˚C的溫度區間,必須緩慢,以避免SiO2球破裂。


圖三、聚苯乙烯熱重損失分析(TGA)

核殼結構材料
核殼結構是利用奈米材料經由化學鍵或其他作用力在其表面形成電荷差異,將另一種粒子材料包覆起來形成的結構,殼層材質的特性會大大影響顆粒本身整體的物理及化學特性,包覆技術通過對內核粒子表面性質進行修飾,改變核內表面電荷、官能基和反應特性,提高內核的穩定性與分散性,達到表面殼層的緻密化,使粉體本身具有一定的電性及分散特性,可與高分子混成達到基板或元件需求,基板電容的介電層技術,依其成膜方式可分為幾類,如圖六所示。
1. 核心材料合成
首先需決定適合的導電金屬核心,但金屬本身活性又不能大,以防止在合成的過程中形成金屬氧化物,因此選擇導電性良好且穩定性高的銀成為金屬內核。本文介紹銀粒子為導電核心,粒子表面特性的修飾則用界面活性劑 Lutensol XP50(異構醇聚氧乙烯醚),此介面活性劑屬於非離子表面活性劑,其優異的……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文。



圖七、混合結構介電層

作者:吳禹函、邱國創、劉子瑜/工研院材化所
★完整內容請見下方檔案。


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