ปัจจุบันมีความนิยมในการใช้ไทเทเนียมไนไตรด์ (Titanium Nitride: TiN) มาเป็นวัสดุเคลือบในงานตกแต่งเชิงพาณิชย์ เนื่องจากแสดงสีสันได้หลากหลายตั้งแต่สีดำไปจนถึงสีทองคล้ายทองคำ แต่เข้าถึงง่ายและมีต้นทุนต่ำกว่าทองคำ อีกทั้งไทเทเนียมไนไตรด์มีสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยมและมีความทนทานสูง จึงถูกนำมาใช้ในผลิตภัณฑ์ที่หลากหลาย เช่น ก๊อกน้ำในห้องน้ำ เครื่องมือกลในโรงงานอุตสาหกรรม และของตกแต่งเชิงสถาปัตยกรรม เป็นต้น

ทั้งนี้ สีของวัตถุเกิดจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างการสะท้อนแสงที่ผิววัสดุและการดูดกลืนแสงภายใน ซึ่งเป็นผลจากโครงสร้างพื้นผิวในระดับจุลภาคและสมบัติทางแสงของวัสดุนั้นๆ ขณะเดียวกันลักษณะพื้นผิวหรือเนื้อผิว ของวัสดุมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับความขรุขระ และรูปร่างทางกายภาพของพื้นผิว ซึ่งพื้นผิวของวัสดุส่งผลโดยตรงต่อทั้งรูปลักษณ์และประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ ไม่ว่าจะเป็นนาฬิกาหรู เครื่องประดับ แม่เหล็กซินเตอร์(แม่เหล็กสำหรับเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน) อุปกรณ์ทางการแพทย์ หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งความสามารถในการปรับแต่งพื้นผิวผ่านกระบวนการเคลือบช่วยเพิ่มความแข็งแรง และความทนทานให้แก่วัสดุ

ปัจจุบันมีเทคโนโลยีการเคลือบผิวด้วยวิธี Cathodic Arc Deposition ที่สามารถสร้างความหลากหลายของสีในวัสดุเชิงพาณิชย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ต้นกำเนิดที่แท้จริงของสีในฟิล์มเคลือบยังคงเป็นประเด็นที่ซับซ้อนและยังไม่สามารถอธิบายได้อย่างชัดเจน โดยปัจจัยที่เกี่ยวข้องมีตั้งแต่ องค์ประกอบธาตุและสารเคมี, ลักษณะทางกายภาพของพื้นผิว, ความขรุขระ, ไปจนถึงสมบัติทางแสง เช่น โครงสร้างผลึกของสารประกอบไทเทเนียมที่มีธาตุต่างๆ เช่น คาร์บอน, ไนโตรเจน และ ออกซิเจน ผสมอยู่ในโครงสร้างจะส่งผลต่อพฤติกรรมทางแสงของวัสดุโดยตรง ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อการเกิดสีในฟิล์มเคลือบ

Spectroscopy

การทำความเข้าใจกลไกของสีในระดับโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์นั้นจำเป็นสำหรับการออกแบบวัสดุเคลือบ ที่มีคุณสมบัติทั้งด้านความงามและสมรรถนะการใช้งานอย่างเหมาะสมในบริบทของอุตสาหกรรมสมัยใหม่ จึงเกิดความร่วมมือระหว่าง บริษัท ฐาปนินทร์ จำกัด ผู้ผลิตฟิล์มเคลือบโดยระบบ Cathodic Arc Deposition ในเชิงพาณิชย์ มหาวิทยาลัยราชภัฏพระนคร ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (เนคเทค) และสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) ในการศึกษารายละเอียดเชิงลึกเกี่ยวกับต้นกำเนิดของสีในฟิล์มเคลือบดังกล่าวด้วยเทคนิคซินโครตรอนซอฟท์เอกซเรย์สเปกโทรสโกปีและกล้องจุลทรรศน์ รวมถึงการวิเคราะห์องค์ประกอบเคมีของฟิล์มเคลือบด้วยเทคนิคสเปกโตรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนด้วยรังสีเอกซ์ (XPS) และเทคนิคการดูดกลืนรังสีเอกซ์ย่านพลังงานต่ำ (NEXAFS) และวัดค่าช่องว่างพลังงาน (energy band gap) ด้วยเทคนิคกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนพลังงานต่ำ (LEEM) และเทคนิคสเปกโทรสโกปีการสูญเสียพลังงานอิเล็กตรอน (EELS) ซึ่งทั้งหมดวัดและวิเคราะห์ที่ระบบลำเลียงแสง BL3.2U

นอกจากนี้สีของฟิล์มไทเทเนียมยังถูกวิเคราะห์ในระบบมาตรฐานสี CIELAB Color Space โดยเชื่อมโยงกับข้อมูลกลไกของสีในระดับโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์จากเทคนิคซินโครตรอน ซึ่งช่วยอธิบายกลไกการเกิดสีของฟิล์ม Ti-based ได้ โดยพบว่าไนโตรเจนมีบทบาทสำคัญในการให้เฉดสีทองและความสว่างมากกว่าคาร์บอน ยกเว้นในกรณีของฟิล์มที่มีเฉดสีเขียว และฟิล์มที่มีความสว่างต่ำที่สุด (สีดำ) สำหรับสีเขียวที่พบโดยทั่วไปเกิดจากการแทรกสอดของแสง ส่วนสีดำในฟิล์ม Ti-based เกิดจากโครงสร้างทางเคมี โดยเฉพาะอย่างยิ่งการมีอยู่ของพันธะคาร์บอนภายในฟิล์ม รวมถึงการเกิดออกซิเดชันที่ผิวหน้า

การควบคุมสีอย่างแม่นยำต้องอาศัยการปรับปัจจัยในกระบวนการเคลือบ เช่น อัตราการไหลของสารเจือปน ความหนา และสภาพสุญญากาศ ซึ่งผลการศึกษานี้เป็นแนวทางในการควบคุมสีฟิล์มในระดับอุตสาหกรรม และชี้ถึงความจำเป็นในการวิจัยต่อเนื่องเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบ โครงสร้าง และคุณสมบัติทางแสง

ตัวอย่างสีเคลือบ

การค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างสีและสมรรถนะของการเคลือบผิวไทเทเนียมนี้ ยังมีบทบาทสำคัญในการส่งเสริมการผลิตภายในประเทศในหลายภาคส่วน อาทิ มอเตอร์ไฟฟ้าสำหรับยานยนต์ไฟฟ้า, แม่เหล็กในเครื่องเร่งอนุภาคสุญญากาศ, เครื่องมือผ่าตัดที่ลดแสงสะท้อน, และการเคลือบผลิตภัณฑ์รีไซเคิลจากโลหะหายาก ซึ่งล้วนเป็นองค์ประกอบสำคัญของการพัฒนาเศรษฐกิจและสังคมอย่างยั่งยืน

 

บทความโดย
ดร.ฮิเดกิ นากาจิม่า นักวิทยาศาสตร์ระบบลำเลียงแสง, หัวหน้าส่วนศึกษาโครงสร้างพื้นผิว
ทิพย์อุษา วงศ์พินิจ นักวิทยาศาสตร์ประจำห้องปฏิบัติการ ส่วนศึกษาโครงสร้างพื้นผิว