基礎技術解説濡れ・気泡・付着・表面処理

撥水表面は濡れにくい

コーティングプロセスは、塗工液の濡れに始まり成膜乾燥で完結する。液滴の濡れ挙動はコーティングプロセスの初期に決定されるため、濡れトラブルや塗膜欠陥も初期プロセスで発生しやすい。一般に、濡れコントロールは、塗工液と基板との界面相互作用が基礎となる。基板上の濡れ性解析は洗浄・乾燥・接着におけるトラブル低減に効果がある。ここでは、塗工液の濡れに関する様々なトラブルに注目し、その発生メカニズムを考察する。具体的に、液滴ポッピングなどを紹介する。

液滴の初期濡れ(Si上の純水)
液滴の初期濡れ(Si上の純水)
超撥水基板上の純水液滴(接触角θ=150°)
超撥水基板上の純水液滴
(接触角θ=150°)

液滴の濡れは基板と接触後の短時間で決まる。そこで、上図は、シリコン基板上に純水液滴を滴下させた時の様子を示している。高速度カメラを用いた測定によると、液滴形状および接触角は、基板と接触後から9 msまでは大きく変化する。そして、20 ms経過後には液滴は安定した濡れ性を示す。接触角の測定は安定した液滴の形成後に可能となる。しかし、液滴と基板との接触が失敗すると、液滴はポッピングを起こし所望の位置に濡れなくなる。塗工液の濡れ性が低い条件では、初期の濡れが成立しない場合がある。右図は、超撥水基板上に滴下した純水液滴の濡れ現象を示している。この時の接触角は150°である。液滴は球形になるように撥水しているが、濡れにくい基板上ではポッピングが生じやすくなる。実際には、純水接触角が90°を超える疎水表面では、塗工液が濡れにくくコーティング不良を生じやすい。ここでは、これらの濡れ性を表面エネルギーで考察する。表面エネルギーγは、分散成分γおよび極性成分γの和で表すことができる。

低表面エネルギー基板の分散極性成分図
低表面エネルギー基板の分散極性成分図

γ=γ+γ

右図に様々な疎水性基板の分散および極性成分を示している。超撥水基板の表面エネルギーは、分散成分γ=3.35 mJ/m2 、極性成分γ=0 mJ/m2となり、表面エネルギーγ=3.35mJ/m2である。超撥水基板では、極端に極性成分を低下し、表面エネルギーを下げるように設計されている。図中には、パラフィン表面(γ=21.1mJ/m2 、γ=0 mJ/m2、γ=21.1mJ/m2)やテフロン表面(γ=16.1mJ/m2 、γ=0 mJ/m2、γ=16.1mJ/m2)も記載している。いずれも極性成分γが低く、かつ表面エネルギーγが低い。また、超撥水基板を作製するには、表面エネルギーを下げるだけでなく、液滴との界面エネルギーを増大させる必要がある。すなわち、右図のように、成分図上で基板と液滴のポイントを離すことが効果的である。

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以下のような図や解説が続きます。

  • [図] 超撥水基板上の液滴の初期濡れ(純水)
  • [図] 傾斜面での液滴の濡れ性(超撥水基板上の純水)

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