Non-thermal plasma as an effective tool for cleaning, activation or functionalization of glass surfaces prior to a coating application

Mgr. Slavomír Sihelník, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Disertační práce je zaměřena na plazmové čištění a aktivaci skleněných povrchů. Studie těchto účinků a jejich možnosti uplatnění byla provedena na dvou typech skla: plaveném sodnovápenatém a flexibilním ultratenkém. Jako perspektivní pro využití v průmyslových podmínkách byly použity neizotermické zdroje plazmatu pracující za atmosférického tlaku na principu dielektrických bariérových výbojů. Upravený povrch flexibilního skla byl analyzován pomocí měření kontaktního úhlu vody, mikroskopie atomárních sil a rentgenové fotoelektronové spektroskopie. Pro dosažení výrazné hydrofilizace obou typů skleněných povrchů u všech testovaných plazmových zdrojů stačila doba expozice pouhou 1 sekundu. Nicméně, některé další vlastnosti důležité pro průmyslové využití se lišily, a pouze plazma generované v DCSBD na okolním vzduchu splňovalo celý soubor požadavků pro využití na obou typech skla. Optimální konfigurace pro účinnou, rovnoměrnou a stabilní plazmovou úpravu skleněných substrátů byla následně přenesena do depozičních technik využívaných při zpracování laminovaného bezpečnostního skla a organických flexibilních transparentních vodivých elektrod. Zakomponování plazmou upraveného styčného rozhraní vedlo ke zlepšení bezpečnostních a elektrických vlastností v příslušných aplikacích. Síla při rozbití naměřená na laminovaném bezpečnostním skle vyrobeném za pomoci plazmatu DCSBD přesáhla 150 % referenční hodnoty. Takový kompozit, který obsahoval i plazmou upravenou lepicí mezivrstvu, prošel při standardním průmyslovém testu porozlomového chování překvapivě bez jakékoli trhliny. Účinky čištění a aktivace pomocí plazmatu na flexibilní sklo byly ještě více komerčně atraktivní, když takové krátké působení suchého plazmatu stačilo nahradit podstatně delší čisticí postup s použitím rozpouštědel před nanášením tenkých vrstev na bázi PEDOT:PSS. Elektrická vodivost takto nanesených organických tenkých vrstev na flexibilní sklo ošetřené plazmou byla dvakrát vyšší ve srovnání s hodnotou získanou na vzorcích čištěných kapalinami.

Abstract:

This doctoral thesis focuses on plasma cleaning and activation of glass surfaces. Investigation of these effects and their applicability was performed on two types of glass: float soda-lime and flexible ultra-thin. Non-thermal atmospheric-pressure plasma sources based on dielectric barrier discharges were employed as perspective methods for utilisation under industrial conditions. Modified surface of flexible glass was analysed by the use of water contact angle measurement, atomic force microscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy. A short 1-second exposure time was sufficient for significant hydrophilisation of both glass surfaces types with all tested plasma sources. However, some other properties important for industrial application varied and only the plasma generated in ambient air DCSBD satisfied the whole set of requirements for utilization on both types of glass. The optimal plasma setup for efficient, uniform, and stable modification of glass substrates was consequently transferred to the deposition techniques utilised in processing of laminated safety glass and organic flexible transparent conductive electrodes. The incorporation of a plasma-treated bonding interface resulted in the enhancement of safety and electrical properties in the respective applications. The breaking force measured on laminated safety glass processed with the assistance of DCSBD plasma exceeded 150 % of the reference value. Such composite, which also included a plasma-treated adhesive interlayer, passed a standard industrial test of post-breakage behaviour curiously without any crack. The effects of plasma cleaning and activation on flexible glass were even more commercially attractive, because such a short dry plasma exposure was sufficient to replace the considerably longer solvent cleaning protocol before deposition of PEDOT:PSS-based thin films. The electrical conductivity of such organic thin films sprayed on plasma-treated flexible glass was two times higher than the value obtained on liquid-cleaned samples.

Keywords

flexibilní sklo, atmosférické plazma, čištění a aktivace povrchů, dielektrické bariérové výboje, laminované sklo, organické tenké vrstvy flexible glass, atmospheric plasma, surface cleaning and activation, dielectric barrier discharges, laminated glass, organic thin films

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 4. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 10. 6. 2024
• Supervisor: doc. Mgr. Dušan Kováčik, Ph.D.
• Reader: prof. Ing. Martina Eliášová, CSc., RNDr. Milan Šimek, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Plasma Physics