Oksidipohjaiset ALD-pinnoitteet hopeakorujen korroosiota ja haalistumista vastaan

Abstract

Hopeakorut altistuvat käytössään esimerkiksi ympäristössä esiintyville rikkiyhdisteille, minkä takia niiden pintaan voi muodostua korroosiota. Korroosio aiheuttaa hopean pintaan tummia pisteitä, jotka ajan myötä levittäytyvät suuremmalle alueelle. Paljaalla silmällä katsottuna muutokset hopeapinnassa näkyvät naarmuuntumisena ja kiiltävyyden menettämisenä. Pinta tarvitseekin suojakerroksen, joka tarvittavien suojausominaisuuksiensa lisäksi säilyttää hopean visuaaliset ominaisuudet ja joka ei ole kantajalleen myrkyllinen.

Oksidipohjainen ALD-pinnoite on varteenotettava vaihtoehto hopeakorujen suojaamiseen. Tyhjiöolosuhteissa atomikerros kerrallaan valmistavalla syklisellä prosessilla saadaan aikaan yhtenäinen, tasalaatuinen sekä konformaalinen pinnoite. Perinteiset hopeakorujen suojausmenetelmät, kuten lakkaus ja rodiumpäällystys, eivät pysty suojaamaan yhtä monimutkaisien muotojen omaavia pintoja. Nanometrien paksuisen kerroksen ansiosta ALD-pinnoite on myös läpinäkyvä, minkä ansiosta se ei muuta hopeapinnan alkuperäistä väriä.

Hopeakoruissa tutkituimpia oksidikerroksia ovat alumiinioksidi, tantaalioksidi sekä titaanidioksidi. Matalissa prosessilämpötiloissa ne ovat rakenteeltaan amorfisia, mikä auttaa läpäisemättömän kalvon muodostamiseen. Yleisimmin käytetty alumiinioksidi antaa pinnoitteelle hyvät barrier-ominaisuudet, kun taas titaanidioksidi ja tantaalioksidi tarjoavat kemiallisen stabiilisuuden. Oksideja on myös mahdollista yhdistää nanolaminaattikerroksiin, mikä parantaa pinnoitteen kestävyyttä pitkällä aikavälillä. Tutkimusten mukaan 10–20 nm paksu alumiinioksidipohjainen ALD-pinnoite suojaa hopeakorua korrodoivalta ympäristöltä varsin tehokkaasti.

Lupaavista ominaisuuksistaan huolimatta ALD-pinnoitteen valmistuksessa syntyy ympäristöpäästöjä prosessissa tapahtuvan materiaalihäviön ja keston vuoksi. Prosessissa käytetään paljon lähtöaineita, joita ei esiinny valmiissa pinnoitteessa, vaan jotka jäävät ylimääräisiksi ja poistuvat prosessin aikana Ylimääräisten yhdisteiden kierrätys, vihreämpien lähtöaineiden suunnittelu ja prosessin nopeuttaminen ovatkin tärkeitä kehityskohteita vastuullisuuden kannalta.

The silver jewelry during its use is susceptible to atmospheric sulfur compounds that may cause corrosion. The corrosion on the other hand causes dark spots forming to the surface which will eventually spread to larger surface area. With a naked eye, the corrosion can be seen as scratching and tarnishing of the silver jewelry, losing its original luster. The surface requires a protective layer which addition to its shelter is non-toxic and can retain its visual appearance.

Oxide-based ALD-coating is a considerable option for protecting silver jewelry. With vacuum conditions and atomic layer by atomic layer forming cyclic process, a uniform and conformal coating can be made. With conventional treatments for silver jewelry, such as lacquering, forming of a protective layer can be challenging if the surface is more complex. The ALD-coating is also transparent because of its thickness of nanometers, making the coating able to keep the original color of silver surface.

The most studied oxide layers for silver jewelry are aluminum oxide, tantalum oxide and titanium dioxide. They appear amorphous in low process temperatures which is an advantage for forming an impermeable layer. The most used aluminum oxide has good barrier properties when on the other hand titanium dioxide and tantalum oxide offer chemical stability. It is also possible to combine oxides with nanolaminates which gives the coating better long-term durability. It has been studied that 10–20 nm thick aluminum oxide-based ALD-coating protects the silver surface efficiently from corrosive environment.

Despite its promising properties of the ALD-coating, the process faces environmental challenges due to its material loss and long process duration. In the process, there are large number of precursors which do not appear in the finished coating but are removed from the process. Therefore, recycling of the unnecessary compounds, planning of greener precursors and making the process faster are essential targets of development in the point of view of responsibility.