TEKSTĠL YÜZEY MODĠFĠKASYONUNDA MAGNETRON PÜSKÜRTME TEKNĠĞĠNĠN KULLANIMI: ĠLETKEN KAPLAMALAR

Transkript

1 TEKSTĠL YÜZEY MODĠFĠKASYONUNDA MAGNETRON PÜSKÜRTME TEKNĠĞĠNĠN Dilek Çukul 1, M. Mete Öztürk 2 Özet Tekstil yüzeyinin modifikasyonu ve fonsiyonelleştirilmesi her geçen gün daha önemli hale gelmektedir. UV radyasyon direnci, elektrik iletkenliği, kendi kendini temizleme, antibakteriyel özellik, yanmaya karşı dayanıklılık, süper hidrofobiklik gibi özellikler, tekstil mühendisliğindeki gelişmeler sayesinde, daha fazla önem kazanmaktadır. Nano teknolojinin malzeme yüzey özelliklerinin geliştirilmesi ve performansının arttırılması yönünde büyük potansiyeli olması sebebiyle, diğer sektörlerde olduğu gibi, tekstil endüstrisinde de ilgi görmektedir. Tekstil yüzeylerinde nano film ya da yüzey kaplama uygulamaları değişik yöntemlerle gerçekleştirilebilir. En çok kullanılan nano kaplama metotları ise sol-jel tekniği, magnetron püskürtme, plazma gibi tekniklerdir. Akıllı tekstilleri üretmek için iletkenlik en önemli özelliklerden biri olduğu için, iletken polimerler, lifler, iplikler kumaşlar ve bitim işlemleri akıllı giysi üretiminde yaygın olarak kullanılır. Bu metotlara ilave olarak, magnetron püskürtme tekniği yüksek kimyasal ve yapısal kompleksliğe sahip kaplamalar sağlamaktadır. Bu çalışmada iletken tekstil yüzeylerin geliştirilmesi için magnetron püskürtme metoduyla yapılan belli başlı çalışmalar derlenmiştir. Literatürdeki çalışmalarda belirtilen depolama koşulları tablolar halinde özetlenmiştir. Sonuç olarak, incelenen çalışmalardaki tekstil yüzeylerinin iletkenlik özellikleri ve depolama parametreleri arasındaki bağlantının daha iyi anlaşılabilmesi hedeflenmiştir. Anahtar Kelimeler: magnetron püskürtme, pvd, iletkenlik, tekstil MAGNETRON SPUTTERING TECHNIQUE AT TEXTILE SURFACE MODIFICATION: CONDUCTIVE COATING Abstract Modification and fictionalization of textile surfaces is becoming more crucial. The improvements of the properties such as UV radiation resistance, electrical conductivity, self cleaning, anti-bacterial properties, fire resistivity and super hydrophobic, is getting more concern with respect to developments in textile engineering. As in the other fields, due to the strong capabilities of the nano technology on the improvement of the surface features and performance, it gains more attention. There are several ways for the application of the nano coating. The most common techniques are: sol-gel technique, magnetron sputtering technique and plasma technique. Since conductivity is one of the leading feature to prepare the smart textile, conductive polymers, fabrics and textile are commonly used to produce the smart 1 Yrd. Doç. Dr., Anadolu Üniversitesi, dcukul@anadolu.edu.tr 2 Öğr. Gör. Dr., Anadolu Üniversitesi, mmozturk@anadolu.edu.tr

2 clothing. In addition to these, magnetron sputtering technique provides higher chemical and structural complexity on the coating. In this study, the leading studies about the magnetron sputtering technique on the conductive coating are reviewed. The deposition parameters reported in the studies are summarized in the table. Finally, it is aimed to provide a better understanding for the relation between the conductivity properties and deposition conditions of investigated textile surfaces Keywords: magnetron sputtering, pvd, conductivity, textile Tekstil Yüzeylerine Uygulanan Ġletken Kaplama Yöntemleri Akıllı tekstiller için iletkenlik zaman içerisinde bir önkoşul olarak karşımıza çıkmaktadır. Elektro iletken iplik ve kumaşlara olan talep sadece statik uygulamalar için değil, data transferi, görüntüleme, korozyona karşı koruma ve elektromanyetik etkileşim kalkanı gibi başka alanlarda da hızla artmaktadır (Smith W.C., 2010). İletken kumaşlardan yapılmış giysiler ile kişilerinkalp ve solunum hızlarının gerçek zamanlı olarak giysilere entegre edilmiş aygıtlar ileuzaktan izlenebilmesi amacıyla da kullanılabilmektedir (Wang vd., 2010). Bir kumaşın elektriksel olarak iletken hale getirmenin çeşitli yöntemleri vardır. Bunlardan biri ise, kumaşın iletken kaplama ile kaplanmasıdır. Düşük maliyetleri, yaygın olarak bulunabilmeleri, biyolojik olarak reaksiyona girmemeleri, elektro iletkenlik özellikler bakımından güvenilir olmaları nedeniyle pirinç, paslanmaz çelik, alüminyum, bakır ve nikeldenyapılan metal iplikler elektronik iplik olarak yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Gümüş ya da karbon nanotüpler gibi iletken partiküllerin iplik eğirme işlemi esnasında ilave edilmesi ile ipliklerin elektriksel özellikleri geliştirmektedir. İletken malzemeler eğer iplik yüzeyine hapsedilirse daha verimli biçimde kullanılabilirler. Bu aşamada özellikle altın, platinyum, gümüş gibi pahalı metaller söz konusu olduğunda metal ipliklerin kullanılması yerine iletken malzemelerin daha az kullanılacağı, ipliklerin iletken metallerle kaplanması metodu maliyetin düşürülmesi sebebiyle tercih edilmektedir (Smith W.C., 2010). Elektromagnetik kalkanlama amacıylayüzeye iletken kaplama uygulamasında metal folyo ve tabaklar, iletken boyalar ve cilalar, püskürtme metodu gibi metotlar uygulanabilir (Stefecka vd., 2004). Sol-gel metodu fonksiyonel malzemeler için basit bir teknolojik yaklaşım olmakla birlikte, hazırlanan filmler yeterli ölçüde uniform ve kompakt değildirler (Jiang S., 2005). Plazma teknolojisi ise düşük substratsıcaklıklarında kontrollü film depolama olanağı sunmaktadır. Tekstil ipliklerinin üzerine metal kaplama endüstriyel olarak mümkün olabilirken, düşük depolama oranları ve depolama yüzeylerindeki kısıtlar nedeniyle nanokompozitlerin depolanması endüstriyel olarak henüz tam olarak gerçekleştirilememiştir (Formatex, 2014, Amberg vd. 2010, Amberg vd. 2010). Magnetron püskürtme tekniği substrat üzerinde daha iyi adezyona sahip olması, çevre dostu olması ve düşük depolama sıcaklıkları sunabilmesi gibi sebeplerden dolayı, kumaş substratların üzerine film kaplanması için uygulanan teknikler içinde en verimli olanlarından birisidir (Amberg vd. 2010, Xu vd. 2010). Magnetron Püskürtme Tekniği Kullanılarak Üretilmiş Ġletken Kumaşlar ve Literatürde Karşılaşılan Üretim Parametreleri Magnetron püskürtme tekniği, uniform, kompakt ve çevre dostu olması gibi avantajlarının yanısırafilm ve substrat arasında güçlü bağ oluşturabilenbir kaplama tekniğidir (Sun D.M., 2010). Bunların yanında düşük proses sıcaklığı, kompleks kimyasal kombinasyonlara, fonksiyonel çoklu tabaka yapılarına ve substratve kaplama arasındaki 2

3 kuvvetli bağa izin vermesi gibi özellikleri sayesinde kumaşları fonksiyonelleştirmede en ümit vaat eden depolama tekniği olarak ortaya çıkmaktadır (Scholz vd. 2005). Elektromanyetik kalkan ve iletkenliğin elde edilebilmesi için Zn, Ti, Cu, Ag ve Al gibi kaplama malzemelerkullanılmaktadır (Ryszardpawlak vd., 2012). Şekil 1 de magnetron püskürtme tekniğine ait örnek bir kabin ve içine yerleştirilmiş tekstil numuneleri görülmektedir. Şekil 1: Magnetron püskürtme kabini içine yerleştirilmiş ve kaplanmaya hazır tekstil numuneleri Fiziksel depolama (PVD) tekniklerinden birisi olan magnetron püskürtme tekniği kumaş kaplama amaçlı kullanıldığı literatürde görülmektedir. Bu çalışmaların bir kısmında depolama parametreleri detaylı olarak verilirken bir kısmında ise bu detaylar tam olarak belirtilmemiştir. PVD ile tekstil yüzeyine yapılan iletken kaplamalara ait çalışmaların parametreleri Tablo 1 de özetlenmiştir. Tablo 1 de görüldüğü üzere, nonwoven (dokusuz yüzey) kumaş üzerine RF güç kaynağı kullanarak AZO (Al dopedzno) kaplama çalışması denenmiştir. Basıncın 5 x 10-4Pa a kadar düştüğü vakum koşulu temel basınçortamı olarak ele alınmıştır. Depolama esnasında plazma oluşumu için Argon gazı kullanılmıştır. Sırasıyla 50, 80, 100nm olan kalınlıklarda ki kaplamalar 150 W güç kullanarak elde edilmiştir. 90 dakikalık depolama ölçülmüştür (Deng B., 2008).Bir diğer çalışmada TiO2 nin depolanması esnasında DC güç kaynağı kullanılmıştır. Plazma oluşumu için Argon, oksit oluşumu için de Oksijen gazı kabine gönderilmiş ve bu gazların ilavesi ile depolama 0.5Pa da gerçekleştirilmiştir. 70W gücün kullanıldığı depolamada farklı depolama süreleri sonunda sırasıyla 20, 60 ve 100nm kaplama kalınlıkları elde edilmiştir. Kaplama kalınlığının artışı ile tane büyüklüğün de artış gözlenmiştir. Çalışma sonucunda en ideal kaplama kalınlığının 60nm olduğu sonucuna ulaşılmıştır (Xu vd., 2010). Başka bir çalışmada Al, Cu, Ti ve TiOx kaplamalar üzerine çalışılmıştır. Araştırmacıların genel kabul gören vakum basınç değerinden biraz daha yüksek bir vakum aralığında çalıştıkları çalışmada, plazmanın oluşumu için gerekli güç 0.5A lık akım ile oluşturulduğu belirtilmiştir. Belirtilen güç ile tekstil numuneleri Al, Cu ve Ti, nm aralığındaki kalınlıklarda kaplanmıştır. TiOx ile 90nm kalınlığında kaplanmıştır. Kalınlık artışı ile iletkenliğin azaldığı not edilirken, TiOx kaplamada elektriksel direncin beklendiği 3

4 gibi oksijen atomunun artışına bağlı olarak eksponinsiyel bir artış gösterdiği de belirtilmiştir. Kaplamaların ardından yapılan ölçümlerde ise Al: 7.3x10-8Ωm, Cu:2.3x10-8Ωm, Ti: 250x10-8Ωm elektriksel dirençleri ölçülmüştür. Görüldüğü üzere en yüksek iletkenlik Cu da görülürken, en düşük iletkenlik Ti da ölçülmüştür (Depla vd., 2014). Tablo 1: PVD ile yapılan iletken kaplamalar ve üretim parametreleri Kumaş Tipi Kaplama Malzemesi Magnetron Parametreleri Püskürtme PET (0,60 g/cm 2 ) spunbondednonwoven (Deng B. 2008). Al dopedzno (AZO) RF Magnetron Püskürtme Gaz: Argon Gaz akışı: 2sccm Güç: 150 W Kalınlık: 50, 80, 100 nm PET (100 g/m 2 ) spunbondednonwoven(xu vd.,2010 ). TiO 2 DcMagnetron Püskürtme Gaz: Argon ve Oksijen Depolama basıncı: 0.5 Pa Gaz Akışı: 80 sccm (Argon), 12 sccm (O 2 ) Güç: 70W Kalınlık: 20,60,100 nm PP dokuma kumaş (0,67 g/cm 3 ) bezayağı dokuma (Depla vd., 2011). PET needle-punched (0,72 g/cm 3 ) nonwoven PP dokuma kumaş (0,67 g/cm 3 ) bezayağı dokuma (Depla vd., 2011)(Wang vd., 2007) PP spun-bonded (100 g/m 2 ) nonwoven (Wang vd., 2007). Al, Cu, Ti ve TiO x TiO x Ag DC Magnetron Püskürtme Temel Basınç: 4*10-4 Pa Gaz: Argon ve Oksijen Depolama Basıncı: 0.5 Pa Akım: 0,5 A Gaz akışı: 30 sccm (Argon) Kalınlık: nm (Al, Cu, Ti), 90nm (TiO x ) Kalınlık: 90 nm Depolama Basıncı: 2.8 Pa Güç: 80 W Kalınlık: 50, 100, 200 nm PP spun-bonded ( 50 g/m 2 ) nonwoven (Wei vd., 2009). ITO AZO Gaz: Argon Kaplama Basıncı: 0.5 Pa Güç: 100 W Akım: 0,5 A Kalınlık: 20, 50, 100 nm PP spun-bonded ( 136 g/m 2 ) nonwoven (Wei vd., 2008). A. PP (fiber diameter 22um) needlepunchnonwoven B. PP (fiber diameter 1-10um) meltblownnonwoven C. PA6 (fiber diameter um) Electrospinning Cu Cu DcMagnetron Püskürtme Güç: 5W, 80 W Depolama Basıncı: 0.9 Pa Kalınlık: 10, 50, 100 nm DcMagnetron Püskürtme Depolama Basıncı: 3 Pa Gaz Akışı: Argon Güç: 100W 4

5 (Wei vd., 2006). Depolama Süresi: 10 dak. ve 20 dak. Ag film tabakasının kumaş üzerindeki etkilerinin incelendiği bir çalışmada diğer metallerin depolanmasında kullanılan vakum basıncı ve 80W güç tercih edilmiştir. Sırasıyla 20, 50 ve 100nm kalınlıklarında film kaplamaları uygulanmıştır. Artan kalınlıkla birlikte dirençteki azalma gö ölçümlenmiştir (Wang vd., 2007). ITO ve AZO film tabakalarının iletkenlikleri de çalışılmıştır. 100W gücün kullanıldığı depolamalarda genel kabul gören kalınlıklarda (20, 50 ve 100nm) elektriksel direnç incelenmiştir. Diğer metallerde ve malzemelerde olduğu gibi artan kalınlıkla birlikte direncin azaldığı gözlenmiştir. Yapılan testlerde incelenen kalınlıklar sıra ITO nun AZO dan daha kompakt bir yapısı olduğu belirtilmiştir (Wei vd., 2009).Cu ile yapılanfilm kaplama için farklı kaplama kalınlıkları (10, 50 ve 100nm) ve bu kalınlıklardaki elektriksel özelliklerdeki değişim için incelenmiştir. Benzer bir elektriksel direnç değişimi bu araştırmada da gözlenmiş ve artan film kalınlığı ile azalan direnç değerleri (sırasıyla Ele alınan bu çalışmalarda görüldüğü üzere magnetron püskürtme tekniği kullanılarak yapılan kumaş kaplamalarında genel olarak 5x10-4Pa vakum basıncına düşülürken, depolama basıncı ağırlıklı olarak 0.5Pa tercih edilmiştir nm aralığında değişen kalınlılardan en çok 20, 50 ve 100nm film kalınlıkları ele alınmış ve elektriksel direncin artan kalınlıkla azaldığı not edilmiştir. Kullanılan malzemelerin özelliklerine bağlı olarak beklendiği üzere metallerin daha iletken oldukları gözlenirken, oksit bileşenlerin daha düşük iletkenlik ve daha yüksek direnç gösterdikleri tespit edilmiştir. Sonuçlar Elektriksel iletkenlik, bilgi ya da çeşitli fonksiyonları yerine getirmek için gereken enerjiyi sağlayan bir yol haline gelmesi sebebiyle akıllı tekstil üretiminde önemli bir özellik haline gelmiştir. Konvansiyonel tekstiller iletken olmayan malzemelerdir. Tekstil ürününü iletken hale getirmenin bir yolu da iletken malzeme ile yüzeyi kaplamaktır. Vakum depolama ise yaygın bir biçimde bu amaçla kullanılmaktadır. Zn, Ti, Cu, Ag, Al vb. metallerin tekstil yüzeyine vakum depolama yöntemiyle kaplanmasıyla iletken ya da elektromanyetik kalkanlama amaçlı kullanılabilir hale getirilebilmektedir. Söz konusu olan kaplama maddelerinin her biri tekstil malzemesine farklı iletkenlik özellikleri sağlamaktadır. Literatüre göre, kaplama malzemesinin tipinin yanı sıra, PVD tekniğinin parametrelerine de tekstil yüzeyinin elektriksel özelliklerini de etkilemektedir. Son yıllarda yapılan bazı çalışmalar, kaplama kalınlığı ve düzgünlüğü kaplanan malzemenin elektriksel iletkenliğini etkilediğini göstermektedir. Öneriler Özetle literatürde, hangi kaplama malzemesi ve hangi PVD parametreleri belirli kumaş tipi için ideal olduğuna dair yeterli bir bilgi bulunmamaktadır. Yapılan literatür araştırmaları neticesinde, kaplama yapılan kumaşın iletkenliği, kaplama malzemesi ve PVD parametrelerinin daha net belirlenebileceği bir seri depolama çalışmasına ihtiyaç olduğu belirlenmiştir. 5

6 Kaynakça Amberg M, Grieder K, Barbadoro P, Heuberger M, Hegemann,D.,(2008), Electromechanic behavior of nanoscale silver coatings on PET Fibers. Plasma process,polym. 5: Amberg M, Kasdallah C, Ritter A, Hegemann, D.,(2010), Influence of residual oils on the adhesion of metal coatings to textiles, J. Adhes. Sci. Technol. 24: Deng, B., (2008), Physicalproperties of Al-doped ZnO films deposited on nonwoven substrates by radio frequence magnetron sputtering, Journal of CoatingTechRes, 5 (3), Depla, D.,Segers, S., Leroy, W., Hove, T.,V., Parys, M., V., (2011), Smart Textiles: An explorative study of the use of magnetron Sputter deposition, Textile Research Journal, vol. 81, 17: pp Jiang, S., Q., Newton, E., Yuen, C.,W.,M., Kan, C.,W., (2005), Chemical silver plating and its application to textile, J.appl. polym. Sci, 96, RyszardPawlak et al, (2012) Using vacuum deposition technology for the manufacturing of electro-conductive layers on the surface of textiles, fibres&textile, 20, 2(91), Scholz, J., Nocke, G., Hollstein, F.., (2005), Weissbach, A., Investigations on fabrics coated with precious metals using the magnetron sputter technique with regard to their antimicrobial properties, Surface and Coatings Technology, Volume 192, Issues 2 3, 21, Smith, W., C., (2010), Smart textile coatings and laminates, ISBN: , 155, 157. Stefecka, M.,Kando, M., Matsuo, H., Nakashima, Y., Koyagı, M., Kamiya, T., Cernak, M., (2004), Electromagnetic shielding efficiency of plasma treated and electroless metal plated polypropylene nonwoven fabrics, journal of materials science, 39, Sun, D.,M., (2000), The characteristic and design of the target which has a cylinder shape and working method identical with plane target, J. Kunming University Sci.Technol., Wang,H., W., J., Hong, J., Wei, Q., Gao, W., Zhu, Z., (2007), Preparation and characterization of silver nano-composite textile, Journal of Coat. Technol. Res., 4 (1) Wang R.,X., Tao, X.,M., Wang, Y., Wang, G.F., Shang, S.,M., (2010), Microstructures and electrical conductance of silver nanocrystalline thin films on flexible polymer substrates, Surface and coatings technology, 204, Wei, Q, Li, Q., Hou, D., Yang, Z., Gao, W., (2006), Surface characterization of functional nanostructures sputtered on fiber substrates, Surface &Coatings Tech., 201, Wei, Q., Xiao, X., Hou, Dayin, Fe, H., Hauang,, F., (2008), Characterization of nonwoven material functionalized by sputter coating of copper, Surface & Coatings Technology, 202, Wei, Q., Shao, D., Feng, B., Xu, Yang, (2009), Comparative studies of PolyProylene nonwoven sputtered with ITO and AZO, Journal of applied polymer science, vol. 114, Xu Y, W Huifeng, Wei Qufu, Liu Huishan, Deng Bingyao, (2010), Structure and properties of the polyester nonwovens coated with titanium dioxide by reactive sputtering, J. coat. Technol. Res, 7, (5)

7 7