Sviluppo di un substrato polimerico ad elevate prestazioni termo-meccaniche e migliorate proprietà adesive nei confronti di layer inorganici

Obiettivo del presente lavoro di dottorato ਠstata la preparazione e lo studio di sistemi compositi polimerici, trasparenti e flessibili, dalle elevate proprietà  termomeccaniche e buone proprietà  adesive nei confronti di layer inorganici. Lo studio ha avuto inizio con la selezione di substrati polimerici commerciali idonei alle applicazioni optoelettroniche attraverso analisi chimico-fisiche e morfologiche preliminari. I poliesteri termoplastici, già  utilizzati nel settore della microelettronica, sono risultati essere la classe di polimeri pi๠interessante, per via delle loro buone proprietà  ottiche e termomeccaniche. In particolare, il poliestere aromatico amorfo prodotto dalla Ferrania Technologies, e commercializzato con il nome AryLite, presenta le migliori proprietà  termiche ed ottiche: elevata temperatura di transizione vetrosa (320°C), stabilità  termica (480°C per una perdita di peso del 3%) ed eccellente trasparenza ottica (trasmittanza 88% a 500 nm). Tuttavia, l'assenza di una fase cristallina e, quindi, di un rinforzo meccanico, riduce la stabilità  termo-meccanica del polimero suddetto. Infatti, i film commerciali a base di poliarilato (PAR) mostrano un Coefficiente di Espansione Termica lineare (CTE) pari a circa 70 ppm/°C, anche dopo un trattamento di annealing di 30 minuti a 250°C. Inoltre, l'ingombrante struttura aromatica e la bassa concentrazione di gruppi funzionali, conferiscono all'AryLite un'elevata inerzia superficiale. La bassa energia superficiale genera una scarsa adesione superficiale che rende il poliestere amorfo poco idoneo alla deposizione di layer funzionali. Poichà© le proprietà  termiche e ottiche del poliestere amorfo risultano nettamente superiori rispetto a quelle di altri poliesteri già  utilizzati nell'industria microelettronica(PET, PEN) si ਠscelto di proseguire il lavoro focalizzando l'attenzione sull'AryLite, con l'obiettivo di migliorarne le proprietà  termo-meccaniche e quelle di adesione nei confronti di layer inorganici. Pertanto, nell'ambito del presente lavoro di dottorato ਠstato sviluppato un sistema composito a base di poliarilato (PAR) caratterizzato da bassa CTE e migliorate proprietà  di adesione superficiale nei confronti di layer inorganici. Le proprietà  adesive dei film a base di PAR sono state migliorate incrementando la componente polare dell'energia libera superficiale ?p del poliestere, attraverso trattamenti chimici in soluzione. Lo studio della morfologia dei film modificati, l'analisi dell'energia superficiale ed il calcolo della polarità , hanno permesso di identificare il trattamento pi๠idoneo al poliestere amorfo. In particolare l'utilizzo di un silano, con gruppo amminico (NH2), come promotore di adesione, ha prodotto un incremento della polarità  dell'AryLite del 43%. La verifica delle migliorate proprietà  adesive ਠstata effettuata attraverso delle misure di nanoscratch condotte su layer di ossido di indio e stagno (ITO) depositati per sputtering sui substrati funzionalizzati. Quello che si osserva ਠche in assenza di trattamenti superficiali, l'ITO ha una scarsa adesione sul substrato polimerico. In particolare, durante lo scratch test, l'incisione della punta nel layer di ITO con rampa di carico crescente, induce degli stress che provocano fenomeni di scheggiatura e distacco del layer e si individua un carico critico (Lc) pari a circa 3.4±0.6 mN. Situazione completamente diversa si osserva nel caso in cui l'AryLite viene preventivamente funzionalizzato con silano APTEOS. Infatti, nell'analisi delle curve di scratch non ਠpresente alcun fenomeno di Lc, e l'osservazione al microscopio ottico dei profili lasciati dall'incisione della punta nel layer inorganico non mostrano blistering o scheggiature. Il problema della stabilità  termica ਠstato approcciato in due differenti modalità : realizzazione di micro- e nanocompositi a base di PAR e realizzazione di un sistema multistrato contenente un rinforzo di vetro. I sistemi compositi PAR-based hanno prodotto un lieve miglioramento della stabilità  termomeccanica, ma non al punto tale da soddisfare i requisiti richiesti dalla microelettronica. Inoltre, l'utilizzo di quantità  elevate di cariche provoca la perdita della trasparenza ottica del film. L'unico caso in cui ਠstato raggiunto un risultato accettabile in termini di CTE (48 ppm/°C) e trasparenza ottica (72% a 500nm) ਠquello in cui il PAR ਠstato caricato con il 10% in peso di SiO2. Risultati migliori, ma soltanto in termini di incremento della stabilità  termo-meccanica, sono stati raggiunti utilizzando il 30% di cariche micrometriche di titanato di piombo (34 ppm/°C). Il sistema multistrato, invece, ha prodotto buoni risultati sia in termini di trasparenza che di stabilità  termo-meccanica. Tale sistema ਠstato realizzato collocando due tessuti micrometrici (spessore 13 ?m) di fibre di vetro, tra film di PAR spessi 25 ?m e funzionalizzati con silano. Il tessuto ਠstato impregnato con un sistema epossidico, sviluppato con l'obiettivo di ottenere lo stesso indice di rifrazione (1.555) del tessuto di vetro. Il sistema multistrato ottenuto ਠflessibile, presenta un basso CTE (circa 23 ppm/°C tra 100°C e 200°C), una buona trasparenza ottica (85% a 500 nm) e delle superfici esterne con incrementate proprietà  adesive nei confronti dell'ITO.