高豐生、吳家樂、王允欣、朱仁佑／工研院材料化所；樓修成／工研院南分院；廖先順／台灣大學機械系
電漿、紫外光臭氧等表面改質處理，都需要即時鑑定改質的效果，以確保表面活化製程的時效性。本文介紹快速鑑定表面改質性能的新檢測方法。其一為表面奈米力學鑑定方法，專門針對微米尺度的定位與表面能定量檢測，進行特殊位置的接合強度評鑑，以協助新製程研發、產品抽樣、線上檢測等，達到材料表面與界面接合強度的快速檢驗目標。另外則介紹可適用全面積的接觸角掃描影像技術，提供快速且大面積全檢方案。這項技術結合線上噴霧與雷射掃描技術，可分析表面處理前/後的材料潤濕性，且不受材質、顏色的限制，提供快速、即時、大面積全檢的表面濕潤分布資訊，滿足業界需要大面積改質的品管檢驗需求。
【內文精選】
前 言
表面處理技術廣泛地應用在工業界，包括貼合、清潔、封裝、抗汙及改質等製程。材料表面能(Surface Energy)依材料表面的化學組成或幾何結構而定，可透過化學方式或物理方式來改變表面能，進而影響材料的濕潤特性(Wettability)。目前特殊機能性與複合性材料已成為新興材料主流，許多產品最終的性能都會表現在表面特性。然而，表面是最敏感、最不易檢測的項目之一，僅奈米薄層就會完全改變材料間的相容性。此外，異質材料間的貼合與相容性更是產品開發的關鍵問題，異質材料貼合性不佳，成為產品無法升級的嚴重瓶頸。因此需要研發專門針對材料表面與界面相容性的分析技術，來分析各種新產品的特殊機能性，透過獨特高端檢測技術以加速新產品開發。
本文所闡述的是一種針對表面清潔、改質效能所研發的檢測系統，有助於解決現有檢測方法難以量測微區定量表面能，以及大面積表面濕潤性的檢測精準度不佳等問題。工研院材料與化工研究所團隊針對業界需求，開發出兩項材料表面特性定量技術：①表面能快速檢測系統；②大面積接觸角影像掃描系統，以下章節會逐一介紹。
表面能快速檢測系統
工研院材化所研究團隊所開發的表面能快速檢測系統，可以分析各種材料之表面特性與界面相容性，協助分析界面缺陷成因，並加速國內複合材料產品開發。其檢測能力達到每一位置的檢測分析時間縮短至3秒以內，能充分滿足業界對快速檢測的需求。目前業界有許多產品會經由表面處理來使產品表面產生所需之性質，如液晶顯示器(LCD)、有機發光二極體(OLED)，以及在塗光刻膠、定向膜、鉻膜、色膜等貼合製程前，都會進行紫外光臭氧處理、電漿表面處理流程，以潔淨表面且可提高表面高活性的官能基數量，提升表面分子鍵結能力。
2. 電漿處理效能檢測
為了驗證系統在表面能的量測能力，工研院材化所研究團隊使用紫外光臭氧清洗機，對乾淨的玻璃片進行親水性處理，探討紫外光臭氧表面處理時間長度與黏性偵測值之影響。樣品表面處理分為未處理、5分鐘與10分鐘。利用商用無針尖矩形懸臂，結合球型探針製作技術，完成特製球型探針，進行表面黏性量測。力學量測訊號如圖二(a)所示，黏性值的計算為離針時的懸臂最低點與平衡位置的差值。本系統可進行多點自動量測與自動分析，減少使用者的分析時間，檢測結束馬上知道分析結果。
圖二、(a)力曲線的黏性訊號分析；(b)不同臭氧處理時間玻片量測結果
光學掃描大面積的接觸角影像技術
除了上述的奈米力學(Nanomechanics)量測法，傳統檢測表面能的方式是量測液體與所在表面之間的接觸角。工研院材化所研究團隊研發之技術特點是結合噴霧與雷射掃描技術，以水滴附著在表面的結構型態差異，產生偵測雷射訊號差異性作為檢測依據。噴霧於高散射的材料表面上時，霧滴會於疏水表面形成較大接觸角且高分散性的水滴型態，而於親水表面形成低接觸角且互相融合的水膜型態，藉由入射雷射光和反射位置偵測器的最佳化配置，可藉由液滴在材料表面的型態及光學反射訊號強弱，進而鑑定材料表面親疏水性，此方法為非破壞性檢測。本團隊也在雷射掃描的前端安裝水滴噴灑系統，可在樣品進入雷射分析前進行表面水滴噴灑，加速整體表面親水性量測的速度，目前商業化機台的架構如圖四所示。本技術不論是噴霧或者是雷射光照射，均不會影響材料表面官能基特性，可藉由XPS檢測技術進一步佐證…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖四、接觸角影像掃描儀與噴霧系統
★本文節錄自《工業材料雜誌》419期，更多資料請見下方附檔。