เครื่องเคลือบฟิล์มบางโลหะ-เซรามิก (PVD-Sputtering) และการประยุกต์ใช้ฟิล์มบางในหลายรูปแบบเพื่อสร้างมูลค่าเพิ่มให้ผลิตภัณฑ์
สัมภาษณ์และเรียบเรียงโดย งานสื่อสารและขับเคลื่อนความรู้
ฝ่ายเผยแพร่เทคโนโลยีวัสดุ
วิทวัช วงศ์พิศาล และคณะ ทีมวิจัยจากศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (เอ็มเทค) ได้สั่งสมองค์ความรู้ทางด้านการเคลือบผิวฟิล์มบางโลหะ-เซรามิกด้วยเทคนิคการตกเคลือบด้วยไอทางกายภาพแบบ สปัตเตอริง ทีมวิจัยมีความเชี่ยวชาญด้านการเคลือบผิว การวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะต่างๆ ของผิวเคลือบ การจัดคอร์สให้ความรู้ ตลอดจนการให้คำปรึกษาแก่ผู้สนใจทั้งจากภาคการศึกษาและภาคอุตสาหกรรม
เครื่องสังเคราะห์ฟิล์มบางด้วยเทคนิคการตกเคลือบด้วยไอทางกายภาพแบบสปัตเตอริง (PVD-Sputtering) สามารถสังเคราะห์ฟิล์มและโครงสร้างจุลภาคได้หลายรูปแบบ โดยเฉพาะฟิล์มบางจากโลหะ-เซรามิกจะมีสมบัติที่ดีกว่าฟิล์มบางทั่วไป ทั้งในเรื่องมีแรงยึดเกาะที่สูง และมีความบกพร่องภายในโครงสร้างต่ำ เป็นต้น ฟิล์มบางที่สังเคราะห์ได้จากโลหะ-เซรามิกจะมีสมบัติพิเศษทางวิศวกรรมหลายอย่าง โดยเฉพาะอย่างยิ่งคือมีความแข็งสูง สามารถเก็บประจุไฟฟ้าได้ดี ไม่เป็นพิษต่อเซลล์เนื้อเยื่อแต่เป็นพิษต่อจุลชีพ ไม่เปียกน้ำ หรือเปลี่ยนสมบัติทางไฟฟ้าด้วยแสงหรือแรงทางกล เป็นต้น การนำสมบัติเหล่านี้มาประยุกต์ใช้สามารถเพิ่มแนวทางการใช้งานชิ้นงาน หรือสร้างมูลค่าเพิ่มให้แก่ผลิตภัณฑ์ ทำให้ผลิตภัณฑ์มีความสวยงามมากขึ้น มีอายุการใช้งานนานขึ้น มีคุณภาพดีขึ้น ทั้งยังช่วยลดของเสียและต้นทุนโดยรวมของชิ้นงานอีกด้วย
PVD-Sputtering เป็นเทคนิคที่มีความแม่นยำในการควบคุมชุดตัวแปร ทำให้มีประสิทธิภาพสูงในการประยุกต์ใช้ในงานวิจัย เช่น พิสูจน์แนวคิดใหม่ที่เกี่ยวข้องกับความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์ในการสังเคราะห์วัสดุต่อโครงสร้างและสมบัติของวัสดุ หรือประเมินประสิทธิภาพของการพัฒนาฟิล์มบางที่สามารถใช้งานได้หลายฟังก์ชัน เป็นต้น ปัจจุบันเทคนิคนี้เป็นพื้นฐานในการพัฒนาต่อยอดองค์ความรู้ใหม่ๆ ให้แก่อุตสาหกรรมมากมาย เช่น อุตสาหกรรมการป้องกันการสึกหรอ เครื่องมือแพทย์ เครื่องประดับหรือของตกแต่ง อุปกรณ์ด้านแสง และที่สำคัญคืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งเป็นอุตสาหกรรมที่มีการใช้งานฟังก์ชันของฟิล์มบางที่ก้าวหน้ามาก
ภาพที่ 1 แสดงความเชื่อมโยงของสมบัติฟิล์มบางที่ผันแปรตามชุดพารามิเตอร์ในงานวิจัยของเอ็มเทค
อย่างไรก็ดี เนื่องจากเครื่องเคลือบฟิล์มบาง PVD-Sputtering ใช้เทคโนโลยีสุญญากาศ อีกทั้งต้องใช้เครื่องมือในการวิเคราะห์ทดสอบเฉพาะทางทำให้เทคนิคนี้มีราคาสูง จึงเป็นข้อจำกัดเนื่องจากมีหน่วยงานบางแห่งเท่านั้นที่มีเครื่องมือดังกล่าว ดังนั้น หากมีความร่วมมือระหว่างหน่วยงานวิจัยที่มีความพร้อมของเครื่องมือและหน่วยงานการศึกษาที่มีความพร้อมด้านกำลังคน ก็น่าจะเพิ่มโอกาสในการพัฒนาศักยภาพของบุคลากรให้มีความรู้และความเชี่ยวชาญในเทคนิคดังกล่าวเพื่อตอบสนองต่อความต้องการของภาคอุตสาหกรรม
ทีมวิจัยเอ็มเทคได้พัฒนาเครื่องเคลือบฟิล์มบาง PVD-Sputtering (ภาพที่ 2) ให้สอดคล้องกับลักษณะงานวิจัย โดยออกแบบให้มีระบบควบคุมที่แม่นยำและเก็บข้อมูลที่สำคัญ ซึ่งภาคอุตสาหกรรม หน่วยงานวิจัยทั้งภาครัฐและภาคการศึกษาสามารถขอรับบริการใช้งานเครื่องเคลือบฟิล์ม PVD-Sputtering นี้ได้ ที่ผ่านมาทีมวิจัยเคยมีประสบการณ์ในการร่วมวิจัยและให้บริการภาคการศึกษาจากสถาบันหลายแห่ง ได้แก่ มหาวิทยาธรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี มหาวิทยาลัยมหาสารคาม สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง มหาวิทยาลัยศิลปากร เป็นต้น พบว่านักศึกษาสามารถพัฒนาทักษะและมีองค์ความรู้ที่สามารถนำไปใช้
ภาพที่ 2 เครื่องเคลือบฟิล์มบาง PVD-Sputtering
การเคลือบฟิล์มบางโลหะ-เซรามิกด้วยเทคนิค PVD-Sputtering
PVD-Sputtering เป็นเทคนิคการสร้างฟิล์มบางจากไอของวัสดุเคลือบหรือเป้า (target) ฟิล์มบางที่ได้มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมที่แข็งแรงมาก การสังเคราะห์ฟิล์มต้องทำในบรรยากาศที่ควบคุมชนิดและปริมาณของก๊าซภายในห้องสุญญากาศของ PVD-Sputtering (ภาพที่ 2) โดยเริ่มจากปั๊มโมเลกุลของก๊าซออกจากระบบถึงระดับความดันฐานประมาณ 10-5– 10-6 มิลลิบาร์ จากนั้นจึงป้อนก๊าซที่กำหนดเข้าไปในระบบ ทั้งนี้ก๊าซที่นิยมใช้คืออาร์กอน เนื่องจากโมเลกุลมีขนาดใหญ่และมีราคาไม่สูงนัก
ภาพที่ 3 แผนภาพภายในห้องสุญญากาศของ PVD-Sputtering (ซ้าย) การจัดวางตำแหน่งของส่วนประกอบอุปกรณ์ ประกอบด้วยหัวสปัตเตอริง (sputtering gun) 2 หัวที่ทำมุมเอียงไปยังชิ้นงาน (substrate) ในตำแหน่งด้านบน ส่วนหัวสปัตเตอริงประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าและแม่เหล็ก (ขวา) การเคลือบฟิล์มบางจากเป้า 2 ชนิด (co-sputtering)
การสร้างไอของวัสดุเคลือบเริ่มเมื่อความดันถึงระดับประมาณ 10-3 มิลลิบาร์ที่สามารถใช้ไฟฟ้ากระตุ้นก๊าซอาร์กอนให้แตกตัวเป็นประจุ (ionization) ได้ ศักย์ไฟฟ้าจะถูกป้อนที่หัวสปัตเตอริงเพื่อกระตุ้นให้อาร์กอนแตกตัวเป็นอิเล็กตรอนและไอออนบวก แม่เหล็กใต้เป้าภายในหัวสปัตเตอริงมีอิทธิพลต่อการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนบริเวณเหนือเป้า เมื่ออิเล็กตรอนชนกับไอออนบวกของอาร์กอนก่อให้เกิดการรวมตัว (recombination) เป็นก๊าซอาร์กอนในสภาพเป็นกลางและปลดปล่อยพลังงานออกมา
เนื่องจากศักย์ไฟฟ้าถูกป้อนอย่างต่อเนื่องจึงทำให้อาร์กอนเกิดการแตกตัวและรวมตัวอย่างต่อเนื่องเกิดเป็นพลาสมา[1] พลังงานสูงหน้าเป้า การจัดวางแม่เหล็กส่งเสริมให้อาร์กอนไอออนบวกถูกเร่งเข้าชนเป้าที่มีศักย์ไฟฟ้าเป็นลบ เมื่อผิวเป้าถูกกระแทกจึงหลุดออกและเกิดเป็นไอของวัสดุเคลือบฟุ้งกระจายไปยังทิศทางของชิ้นงานและยึดเกาะบนผิวชิ้นงาน หากชนิดเป้าเป็นวัสดุโลหะ เช่น ไทเทเนียม (Ti) จะได้ฟิล์มบางไทเทเนียมบนชิ้นงานนั่นเอง
นอกจาก PVD-Sputtering จะสามารถเคลือบฟิล์มบางโลหะได้แล้ว ยังสามารถเคลือบฟิล์มบางเซรามิกได้โดยการป้อนก๊าซที่เกิดปฏิกิริยาได้ (reactive gas) เข้าไปในระบบ เช่น การเคลือบฟิล์มบางเซรามิกไทเทเนียมไนไตรด์ (TiN) ทำได้โดยสั่งระบบควบคุมให้ให้ความร้อนแก่ชิ้นงานในช่วงเวลาที่กำลังเคลือบฟิล์มบางไทเทเนียมพร้อมๆ กับป้อนก๊าซที่เกิดปฏิกิริยาได้อย่างก๊าซไนโตรเจน (N2) ในปริมาณที่เหมาะสม ไทเทเนียมและไนโตรเจนก็จะเกิดปฏิกิริยาระหว่างกันเกิดเป็นฟิล์มบางเซรามิกไทเทเนียมไนไตรด์ ซึ่งมีสมบัติทางกลที่แตกต่างจากผิวเคลือบโลหะไทเทเนียมมาก
ฟิล์มบางเซรามิกมีสมบัติที่เกี่ยวข้อง เช่น ความแข็งสูง ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำ ความต้านทานการล้าสูง ความต้านทานการสึกหรอสูง มีเสถียรภาพที่อุณหภูมิสูง และการต้านทานการเกาะติดของเนื้อโลหะ (สมบัตินี้ทำให้ไม่เกิดการสะสมความร้อนที่ปลายคมตัดของชิ้นงาน ) เป็นต้น
[1] พลาสมา คือ สถานะหนึ่งของสสาร ประกอบด้วยไอออนบวก (หรืออะตอมที่สูญเสียอิเล็กตรอนไป) กับอิเล็กตรอน (ที่มาพจนานุกรมวัสดุศาสตร์และเทคโนโลยี)
ภาพที่ 4 เปรียบเทียบความแข็งของเหล็กกล้าเครื่องมือ และฟิล์มบางเซรามิกจากเทคนิค PVD -Sputtering
ภาพที่ 4 เป็นตัวอย่างเปรียบเทียบสมบัติทางกล พบว่า สมบัติของฟิล์มบางเซรามิกพิเศษแตกต่างจากสมบัติของพื้นผิวชิ้นงานเดิม อย่างไรก็ตามพบว่า ฟิล์มบางเซรามิกแต่ละชนิดมีสมบัติพิเศษอื่นๆ ที่สามารถประยุกต์ใช้ประโยชน์ในหลากหลายอุตสาหกกรรม โดยตัวอย่างของงานที่ใช้ PVD -Sputtering ประกอบด้วย
เหล็กกล้าเครื่องมือ เช่น ดอกสว่าน ดอกกัด ใบมีดกลึง เมื่อนำมาเคลือบด้วยวัสดุที่มีความแข็งและทนอุณหภูมิสูงอย่าง TiC, TiN, CrC, TiAlN หรือ AlCrN ก็จะสามารถยืดอายุการใช้งานได้นานขึ้นราว 3-4 เท่า
ภาพที่ 5 แผนภาพขั้นตอนการเคลือบผิวฟิล์มบาง TiN, TiAlN บน Die forming ที่ใช้สำหรับการขึ้นรูปโลหะแผ่น ซึ่งเป็นงานวิจัยของ เอ็มเทค
เครื่องประดับ หรือของตกแต่ง ที่ต้องการพื้นผิวที่สวยงามและทนทานต่อการขีดข่วน วัสดุที่เหมาะสมในการทำฟิล์ม เช่น TiN, ZrN, TaN และ HfN
ภาพที่ 6 แผนภาพตัวอย่างการใช้ผิวฟิล์มบาง TiO2 บนไทเทเนียมแผ่นในกลุ่มงานเครื่องประดับตกแต่ง
อุปกรณ์เกี่ยวกับด้านแสง เช่น เลนส์ เลนส์แว่นตา ที่ต้องการคุณสมบัติทางแสงบางอย่าง เช่น กันสะท้อน กันความร้อน หรือกรองแสง ก็สามารถใช้เทคนิค PVD เคลือบฟิล์มแบบหลายชั้นเพื่อให้แสงผ่านหรือสะท้อนแสงในช่วงความยาวคลื่นที่ต้องการได้ วัสดุที่ใช้ทำฟิล์มเคลือบ เช่น SiO2, MgF2, ZrO2, TiO2 และ Ta2O5
ภาพที่ 7 แผนภาพแสดงตัวอย่างแนวทางการประยุกต์ใช้ฟิล์มบาง VO2 ควบคุมความร้อนในอาคาร จากพฤติกรรมการเปลี่ยนสมบัติทางแสงตามอุณหภูมิ
อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น เซนเซอร์ ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ แม่เหล็กบันทึกความจำ และโฟโตคอนดักเตอร์ วัสดุที่ใช้ทำฟิล์มเคลือบ เช่น ITO, Zn-Al2O3, Nb-Sn และ MgO
ภาพที่ 8 แผนภาพแสดงตัวอย่างแนวทางการประยุกต์ใช้สมบัติพิเศษทางไฟฟ้าของฟิล์มบางในอุตสาหกรรมต่างๆ
อุปกรณ์ทางการแพทย์ เช่น อุปกรณ์ผ่าตัด เครื่องมือเอกซเรย์ เครื่องมือทันตกรรม และวัสดุปลูกฝัง เนื่องจากอุปกรณ์เหล่านี้ต้องการมีฟังก์ชันการใช้งานที่สามารถต้านทานการสึกหรอ ลดแรงเสียดทาน เข้ากันได้กับเซลล์ เกาะติดเนื้อเยื่อได้ดี ต้านจุลชีพ ป้องกันการกัดกร่อน ทนความร้อนซึ่งสามารถทำสเตอริไลซ์ได้ หรือป้องกันการรบกวนจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งสมบัติของฟิล์มจะขึ้นกับการเลือกใช้วัสดุเคลือบ
ภาพที่ 9 แผนภาพแสดงแนวคิดการออกแบบผิวเคลือบหลายฟังก์ชันในการผ่าตัดเปลี่ยนข้อสะโพกเทียม
จุดเด่นของเครื่องเคลือบฟิล์มบาง PVD-Sputtering ของเอ็มเทคที่เป็นประโยชน์ต่องานวิจัย
1) สารเคลือบมีความหลากหลาย ทั้งโลหะและเซรามิก ทำให้สามารถเลือกสมบัติที่เหมาะสมได้ จึงมีการนำไปประยุกต์ใช้งานได้หลายประเภท ทั้งนี้เทคนิคนี้นิยมใช้ในผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าสูง และต้องการสร้างมูลค่าเพิ่ม ชนิดของสารเคลือบที่พร้อมให้บริการ ได้แก่ Al, Si, Ti, V, Cr, I, Cu, Zn, Y, Zr, Mo, Sn, Ta, W, TiAl, TiZr, NiCr, VC, TiAlV, SiO2 และ CeO2 เป็นต้น
2) การสังเคราะห์ฟิล์มบางเซรามิกจำเป็นต้องใช้ความร้อนเพื่อควบคุมโครงสร้างจุลภาค เครื่องเคลือบที่ทีมวิจัยพัฒนาขึ้นรองรับอุณหภูมิใช้งานได้ถึง 500 องศาเซลเซียส ซึ่งครอบคลุมช่วงอุณหภูมิในการสังเคราะห์โลหะไนไตรด์ และโลหะออกไซด์
3) ระบบปั๊มสุญญากาศแบบไม่ใช้น้ำมัน ส่งผลให้ระบบมีความสะอาด ไม่เกิดปัญหาไอน้ำมันย้อนเข้าในระบบ ระบบสุญญากาศมีเสถียรภาพ ส่งผลให้ได้คุณภาพผิวเคลือบดี มีความบกพร่องต่ำมาก มีแรงยึดเกาะสูง เช่น โลหะออกไซด์ VO2 (Rutile phase) เป็นต้น
4) แหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้าแบบ DC pulsed ที่สามารถกำจัดประจุสะสมบนหน้าเป้า ป้องกันปัญหาการคายประจุอย่างฉับพลันหรืออาร์กที่ก่อให้เกิดการหลุดของกลุ่มอนุภาค ซึ่งก่อให้เกิดข้อบกพร่องบนชิ้นงานตามมา
5) การควบคุมชุดตัวแปรทำได้แม่นยำ สามารถใช้เทคนิคการออกแบบทดลอง (Design of Experiments, DOE) เพื่อหาสภาวะที่ดีที่สุดของสมบัติที่สนใจได้ (process optimization) เทคนิคข้างต้นช่วยประหยัดทรัพยากรในการวิจัย และสามารถใช้ข้อมูลช่วยคำนวณเพื่อกำหนดช่วงความแข็งและความเหนียวได้ใกล้เคียงกับผลการทดลอง เช่น สังเคราะห์ฟิล์มบาง TiAlN ความแข็งระดับ 32 GPa
6) การตรวจวัดอิเล็กตรอนพารามิเตอร์ หรือสมบัติของพลาสมาที่เกิดขึ้น ช่วยให้ทราบข้อมูลเชิงลึกในงานที่ประยุกต์ใช้พลาสมาในการปรับปรุงผิว เช่น การกระตุ้นผิวพลาสติกให้มีสมบัติชอบน้ำ (hydrophilic) เพื่อเพิ่มแรงยึดเกาะของฟิล์ม เป็นต้น
7) การใช้เทคนิค Co-Sputtering ที่ใช้วัสดุเคลือบ 2 ชนิดในการสร้างฟิล์มที่มีสัดส่วนของวัสดุที่แตกต่างจากเป้าเป็นการเพิ่มช่องทางในการวิจัย
8) การติดตั้งชิ้นงานแผ่นกลมขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 100 มิลลิเมตรในลักษณะคว่ำลง (ภาพที่ 3 ขวา) จะช่วยลดปัญหาฝุ่นที่ตกลงบนชิ้นงานได้
9) เนื่องจากเอ็มเทคมีผู้เชี่ยวชาญในการวิเคราะห์ทดสอบเฉพาะด้าน เช่น XRD, SEM, TEM, Scratch test, UV-VIS เป็นต้น ผู้ให้บริการจึงสามารถวางแผนขั้นตอนการทำงานได้โดยสะดวก
10) ทีมวิจัยพร้อมให้บริการและช่วยเหลือด้านเทคนิคตามข้อตกลง
ประเด็นสนใจเพื่อการพัฒนา
• การพัฒนาระบบเคลือบผิวด้วยเทคนิค PLD (Pulse Laser Deposition System)
รูปแบบการให้บริการ
ให้บริการเคลือบผิวด้วยเทคนิค PVD-Sputtering ทั้งในรูปแบบร่วมวิจัยและรับจ้างวิจัย
ให้คำปรึกษาเกี่ยวกับข้อมูลทางเทคนิค PVD-Sputtering เครื่องมือ กระบวนการเคลือบ การแก้ปัญหา ตลอดจนการวิเคราะห์หาสาเหตุให้แก่ภาคการศึกษา ภาครัฐ และภาคอุตสาหกรรม
ภาพที่ 10 การทดสอบเพื่อปรับปรุงคุณภาพของเครื่องเคลือบผิวฟิล์มบางของการให้บริการโรงงานผลิตเครื่องประดับ
จัดคอร์สอบรมให้ความรู้เกี่ยวกับเทคนิค PVD-Sputtering แบบเฉพาะกลุ่มแก่ภาคอุตสาหกรรม
ภาพที่ 11 ภาพบรรยากาศกิจกรรมการอบรมแลกเปลี่ยนประสบการณ์ของหน่วยงานรัฐและเอกชน
อัตราค่าบริการในการเคลือบฟิล์มบางโลหะ: รูปแบบการคิดราคาที่ใช้ขึ้นกับรายละเอียดในกิจกรรม
สนใจติดต่อ
คุณวิทวัช วงศ์พิศาล
กลุ่มวิจัยกระบวนการทางวัสดุและการผลิตอัตโนมัติ
โทร 02 564 6500 ต่อ 4284
อีเมล witthaww@mtec.or.th
ขอบคุณข้อมูลจาก
คุณวิทวัช วงศ์พิศาล กลุ่มวิจัยกระบวนการทางวัสดุและการผลิตอัตโนมัติ ทีมวิจัยเทคโนโลยีกระบวนการผลิตวัสดุผง ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ