پوشش‌دهی غوطه‌وری چیست؟

مولف: علی کوثری مهر

پوشش‌دهی غوطه‌وری

پوشش‌دهی غوطه‌وری یک روش انباشت لایه ضخیم است که در آن نمونه درون یک مایع غوطه‌ور می‌گردد و سپس از آن خارج می‌شود تا موجب تشکیل لایه‌ای یکنواخت شود. جوهرهایی که در این روش به کار گرفته می‌شوند، سوسپانسیون‌هایی رقیق (0.01 تا 0.10 گرم بر میلی‌لیتر) از پودرها هستند تا از حصول لایه‌های یکنواخت اطمینان حاصل گردد. محدوده‌ی ضخامت پوشش، بازه‌ی گران‌روی جوهر و میزان بارگیری پودر در این روش به ترتیب 1 تا 50 میکرومتر، کوچکتر از 0.01 Pa-s (رفتار نیوتونی جوهر ضروری نیست) و 0.5 تا 5 درصد حجمی است.

به دلیل سرعت پایین فرآیند، توجه بسیاری نیاز است تا اطمینان حاصل گردد که ذرات مواد در محلول ته‌نشین نشوند. همچنین، به دلیل نیاز به غوطه‌ور کردن نمونه‌ها در جوهر، محدودیت‌هایی من باب اندازه‌ی نمونه‌هایی که قرار است پوشش‌دهی شوند، وجود دارد. بنابراین این روش برای پوشش‌دهی مواد خطرناک یا گرانقیمت مناسب نمی‌باشد زیرا نیازمند مخازن بزرگ از موادی است که قرار است در آن غوطه‌وری صورت پذیرد.

فرآیند غوطه‌وری می‌تواند به چهار مرحله تقسیم گردد: غوطه‌وری (نمونه وارد مایع می‌شود)، انباشت (نمونه درون مایع قرار دارد)، آبکشی (نمونه از مایع خارج می‌گردد و مواد مازاد تخلیه می‌شود) و تبخیر (نمونه خشک می‌شود). البته شایان ذکر است که تبخیر در تمامی مراحل اتفاق می‌افتد.

در طول مرحله‌ی تخلیه است که ضخامت لایه‌ی خیس تعریف می‌شود. این ضخامت توسط تعادل نیروی پسار (نیروی مقاومت شاره) گرانرو مایعی که سعی دارد تا لایه را بر روی زیرلایه نگه دارد و گرانش که سعی دارد تا لایه را از روی زیرلایه بکشد، تعریف می‌شود. در سرعت‌های خارج کردن نمونه‌ی بالا که در آن‌ها اثر خمودگی سطح مایع کمینه است، ضخامت (h) به صورت ذیل تعریف می‌گردد:

h∝[(η_iν_w)/(ρ_ig)]^1/2

که در آن η_i، ν_w و ρ_i گرانروی مایع، سرعت خارج کردن نمونه و چگالی جوهر هستند. در سرعت‌های خارج کردن نمونه‌ی پایین‌تر و در سیستم‌هایی با گرانروی پایین، تنش سطحی خمودگی سطح مایع، ضخامت را تحت تاثیر قرار می‌دهد:

h∝[(η_iν_w)/(γ_1v)]^1/6×[(η_iν_w)/(ρ_ig)]^1/2=[1/(γ_1vρ_i³g³)]^1/6×(η_iν_w)^2/3

که در آن γ_1v انرژی آزاد سطح مایع است (سطح مشترک بخار). در هر دو حالت، گرانروی و سرعت خارج کردن بالا و همچنین چگالی جوهر و انرژی سطحی پایین احتمال شکل‌گیری لایه‌هایی ضخیم‌تر را بالا می‌برد.

پس از آبکشی، به دلیل تبخیر محلول، لایه‌ی شکل گرفته مجددا دچار آبرفتگی می‌گردد و بنابراین ضخامت نهایی تنها به خواص جوهر وابسته نخواهد بود. این موضوع می‌تواند به دلیل بارگیری اندک پودر منجر به آبرفتگی شدید گردد. با اینحال، اگر فرآیند خارج کردن نمونه به گونه‌ای مدیریت شود که زمان کافی برای بازآرایی ذرات حین تبخیر وجود داشته باشد، لایه‌ی خیسی که از جوهر خارج می‌شود می‌تواند به خوبی فشرده شده باشد. این رهیافت به این وابسته است که تمام تک ذرات بتوانند بدون اینکه مانع همدیگر شوند بر روی سطح لایه متراکم شوند؛ ازینرو بارگیری اندک پودر ضروری است. زمانی که لایه‌ها با سرعت بسیار بالایی از مایع خارج می‌شوند، ممکن است تجمع موضعی گسترده در ذرات مشاهده شود.

منابع:

1. Dorey R (2012) Thick-film deposition techniques: How to make thick films – the processing techniques used to create films. Ceram Thick Film MEMS Microdevices 63–83. Webpage