บทท 2 ทฤษฎ

2.1 เซลลเชอเพลง (Fuel Cell) [1]

เซลลเชอเพลง คอเครองมอหรออปกรณทใชผลตกระแสไฟฟาโดยอาศยปฏกรยาไฟฟาเคม ซงลกษณะการท างานคลายกบแบตเตอร แตมขอดกวาแบตเตอรตรงทสามารถผลตกระแสไฟฟาไดอยางตอเนองตราบเทาทมการปอนเชอเพลงในรปของเหลวหรอกาซเขาไปอยางสม าเสมอ และไมกอใหเกดมลพษตอสงแวดลอม เนองจากผลทไดจากปฏกรยาของเซลลเชอเพลงคอ น า และความรอน

เซลลเชอเพลงประกอบดวยขวไฟฟาทมความพรน คอ แอโนดและแคโทด สมผสกบสารอเลกโทรไลท ซงอาจเปนของแขงหรอของเหลว โดยการท างานของเซลลเชอเพลงนนเรมจากขวแอโนดไดรบเชอเพลง ไดแก กาซไฮโดรเจน จะเกดปฏกรยาออกซเดชน (oxidation) ซงโมเลกลกาซไฮโดรเจนแตกตวให อเลกตรอน (e- ) กบ โปรตอน (H+) ดงสมการท 1 โดยโปรตอนสามารถเคลอนทผานไปยงขวแคโทดได เนองจากสารอเลกโทรไลตมคณสมบตเปนตวน าโปรตอน อเลก ตรอนอสระจะเคลอนทผานวงจรภายนอกเพอไปยงขวแคโทด เมอขวแคโทดไดรบกาซออกซเจน รวมตวกบอเลกตรอนและโปรตอนแลวจะเกดปฏกรยารดกชน (reduction) ทขวแคโทดดงสมการท 2 ซงผลจากปฏกรยาจะไดโมเลกลของน ารวมทงเกดความรอนดงสมการท 3

H2 2H+ + 2e- anode process (1)

½ O2 + 2e- + 2H+ H2O cathode process (2) H2 + ½ O2 H2O+Heat Over all Process (3)

การท างานของเซลลเชอเพลงสามารถอธบายไดโดยใชทฤษฎอณหพลศาสตร ทเรยกวา

Thermodynamics Potentials โดยอาศยความสมพนธของปรมาณตาง ๆ ทางอณหพลศาสตรสามารถอธบายการท างานของเซลลเชอเพลงไดดงรปท 2.1

7

รปท 2.1 แสดงการท างานของเซลลเชอเพลงในเชงอณหพลศาสตร [45]

ปฏกรยาเคมระหวางกาซไฮโดรเจนและกาซออกซเจนเปนปฏกรยาทปลอยพลงงานออกมา

ดงสมการท 4 H2 + ½O2 H2O + heat (48.7 kJ/mol) (4)

2.2 เซลลเชอเพลงชนดเมมเบรนแลกเปลยนโปรตอน

เซลลเชอเพลงชนดเมมเบรนแลกเปลยนโปรตอน มองคประกอบหลกทส าคญ คอหนวยแผนเยอและขวไฟฟา (Membrane Electrode Assembly: MEA) ดงแสดงดงรปท 2.2 MEA จะท าหนาทสรางกระแสไฟฟาจากปฏกรยาไฟฟาเคมทเกดขนระหวางเชอเพลงกาซไฮโดรเจน (H2) และกาซออกซเจน (O2)

รปท 2.2 แสดงภาพตดขวางของเซลลเชอเพลงชนดพอลเมอรอเลกโทรไลต [45]

8

เซลลเชอเพลงชนดนประกอบดวยแผนเยอพอลเมอร (Membrane) ซงท าหนาทเปนอเลกโทรไลต เพอเปนตวกลางในการแลกเปลยนไอออนไฮโดรเจนหรอโปรตอน โดยทแผนเยอดงกลาวจะถกประกบดวยขวไฟฟาทมรพรน และมตวเรงปฏกรยาทเปนแพลตตนมกระจายอยางสม าเสมอ น าทเกดขนจากกระบวนการไฟฟาเคมจะถกดงออกจากเซลลพรอมกบกาซทเหลอจากการเกดปฏกรยาทางขวแคโทด สวนความรอนทเกดขนจะถกดงออกโดยระบบหลอเยน (cooling system) การท างานของเซลลเชอเพลงชนดนตองอาศยความชนเปนตวกลางในการพาไฮโดรเจนไอออนใหเคลอนทผานแผนเยอจากขวแอโนดไปขวแคโทด เนองจากแผนเยอมคณสมบตในการน าไอออนไดดเมอมความชน ดงนนกาซไฮโดรเจนและกาซออกซเจนทใชในการเกด ปฏกรยาตองเปนกาซทมความชน (Humidified gases)

2.2.1 แผนเยอ(Membrane) [1] เซลลเชอเพลงชนดนใชแผนเยอพอลเมอรซงอยในสถานะของแขงเปนอเลกโทรไลต และ

เนองจากอเลกโทรไลตนคอนขางบางจงถกเรยกวาเปนแผนเยอ ซงแผนเยออเลกโทรไลตของเซลลเชอเพลงชนดน จะมลกษณะเปนแผนเยอพอลเมอรเหมอนพลาสตก โดยมคณสมบตดงตอไปน

(1) มคาการน าไอออนสงแตมคาการน าอเลกตรอนต า (2) มคาการแพรของกาซและน าต า (3) มขนาดทแนนอน (4) มคาความแขงแรงเชงกลสง (5) มความตานทานตอการสญเสยน า (dehydration) (6) มความตานทานตอการเกดออกซเดชน รดกชนและกระบวนการแยกสลาย

ดวยน า(hydrolysis) แผนเยอพอลเมอรมคณสมบตในการแลกเปลยนไอออนเปนโมเลกลของ perfluorosulfonic

acid (PTSA) ประกอบดวยสามสวนคอ polytetrafluoroethylene (PTFE) ซงเปนสวนประกอบหลก สายโซของ –O-CF2-CF-O-CF2-CF2 และกลมของไอออนของ sulfonic acid ขอดของการใชแผนเยอ PTSA ในเซลลเชอเพลงชนดพอลเมอรอเลกโทรไลต คอ มความแขงแรงและเสถยรในสภาพแวดลอมทเกดออกซเดชนและรดกชน นอกจากนยงมสมบตการน าโปรตอนทดเมออยในระดบความชนเหมาะสม เนองจากแผนเยอมคณสมบตความเปนกรด จงจ าเปนตองมสดสวนโมเลกลของน าตอไฮโดรเจนไอออน ทท าใหเกดการน าไอออนไดดทสดคอประมาณ 3:1 ดงนนคาการน าไอออนของแผนเยอพอลเมอรจงขนอยกบคาความดนน าทต าแหนงนนๆ ภายในเซลล, อณหภมเซลล และขนอยกบอณหภมของความชนดวย ปรมาณความตองการความชนขนอยกบ

9

ความหนาของแผนเยอ โดยแผนเยอบางจะมความตองการความชนนอยกวาแผนเยอทหนากวา ปฏกรยาทเกดขนภายในเซลลเชอเพลงเมอใชแผนเยอบางจะตองการปรมาณน านอยมาก ทงนเนองจากวาความแตกตางของความเขมขนของน าระหวางขวคาโทดและอาโนดสงมาก ดงนนจะเกดการแพรของน าภายในเซลลจากขวคาโทดไปยงอาโนด ท าใหทขวอาโนดเกดความชนขนมาไดโดยไมตองอาศยอปกรณท าความชนจากภายนอก เรยกกระบวนการนวา self humidifying ซงจะเกดเฉพาะแผนเยอบางเทานน ส าหรบแผนเยอทหนาจ าเปนตองอาศยความชนทเกดจากเครองท าความชนภายนอก (Watanabe et al., 1996)

วสดทน ามาใชท าเยอแผนโดยทวไปในPEMFC คอ Nafion® รปท 2.3 แสดงโครงสรางของ Nafion® ซงมคณสมบตเปนฉนวนไฟฟา แตสามารถน าไอออนไฮโดรเจนไดด

รปท 2.3 แสดงโครงสรางของ Nafion® [1]

2.2.2 ไบโพลาร เพลต (Bipolar Plates) [1] ในเซลลเชอเพลงแบบเซลลเดยวจะไมมสงทเรยกวาไบโพลารเพลต จะเปนเพยงเพลตสอง

แผนทอยคนละขางกบหนวยแผนเยอและขวไฟฟาหรอ MEA เทานน แตในเซลลทตออนกรมกนเปนหลายเซลลแลว มความจ าเปนทจะตองเชอมแอโนดของเซลลหนงไปสแคโทดของอกเซลลหนง ดงนนไบโพลารเพลตจงมบทบาทส าคญส าหรบการตอเซลลเปนอนกรมหรอสแตกเซลล คณสมบตของไบโพลารเพลต ควรมดงน

(1) ไบโพลารเพลตเชอมตอไฟฟาแบบอนกรม ดงนนจงควรเปนวสดทน าไฟฟาไดด

(2) ไบโพลารเพลตแยกแกสสองชนดไวคนละขาง ดงนนจงควรมคาซมผานของแกสต า

10

(3) ไบโพลารเพลตเปนโครงสรางของสแตกเซลล ดงนนจงควรมความแขงแรง ขณะเดยวกนกควรมน าหนกเบาเชนกน

(4) ไบโพลารเพลตน าความรอนจากปฏกรยาของเซลลและระบายความรอนออกจากเซลล ดงนนจงควรมน าความรอนไดด

(5) ไบโพลารเพลตมรองทางเดนของไหล ดงนนจงควรขนรปหรอท าใหเปนรองได

ตาราง 2.1 Bipolar Plates Design Criteria

Property Requirements Comment Electrical

conductivity Corrosion rate Hydrogen

permeability Compressive

strength Thermal

conductivity Tolerance Cost Weight

>100 S cm-1 <16A cm-2 <2x10-6 cm3cm-2s-1 >2 MPa >20 W/mK <0.05 mm <$10/kW <1kg/kW

Bulk conductivity @80ºC, 3 atm Strong function of stack design – some Some designs may require higher thermal conductivity

นอกจากน ไบโพลารเพลตควรตานทานการกดกรอนจากสภาพแวดลอมของเซลล แต

ไมใชวสดหายากหรอวสดทมราคาสงเกนไป เพอท าใหตนทนของเซลลต าและงายตอการผลตจ านวนมากหรอในระดบอตสาหกรรม

ขอจ ากดทไดกลาวขางตนอาจจะขดแยงระหวางกน ถงแมวสดทน ามาท าไบโพลารเพลตจะไมไดมคณสมบตดานใดดานหนงดทสด แตเปนคาทเหมาะสมซงขนอยกบวาจะใหความส าคญกบคณสมบตใดมากทสด เชน ควรไดราคาตอกโลวตตของก าลงไฟฟามากในระดบทก าหนดไว เปนตน ดงตาราง 2.1 ซงเปนเกณฑการออกแบบไบโพลารเพลต

11

2.3 คณสมบตของไทเทเนยม ไนโตรเจน และไทเทเนยมไนไตรด 2.3.1 ไทเทเนยม (Titanium) [10]

ตารางท 2.2 คณสมบตของไทเทเนยม

คณสมบต ชอและปรมาณ Symbol: Ti Atomic Number: 22 Atomic Weight: 47.88 Element Classification: Transition Metal Discovered By: William Gregor Discovery Date: 1791 (England) Name Origin: Greek: titanos (Titans) Density (g/cc): 4.54 Melting Point (K): 1933 Boiling Point (K): 3560 Appearance: Shiny, dark-gray metal Atomic Radius (pm): 147 Atomic Volume (cc/mol): 10.6 Covalent Radius (pm): 132 Ionic Radius: 68 (+4e) 94 (+2e) Specific Heat (@20°C J/g mol): 0.523 Fusion Heat (kJ/mol): 18.8 Evaporation Heat (kJ/mol): 422.6 Debye Temperature (K): 380.00 Pauling Negativity Number: 1.54 First Ionizing Energy (kJ/mol): 657.8 Oxidation States: 4, 3 Electronic Configuration: [Ar] 3d2 4s2 Lattice Structure: 1.588

12

2.3.2 ไนโตรเจน (Nitrogen) [11] ตารางท 2.3 คณสมบตของไนโตรเจน

คณสมบต ชอและปรมาณ Symbol: N Atomic Number: 7 Atomic Weight: 14.00674 Element Classification: Non-Metal Discovered By: Daniel Rutherford Discovery Date: 1772 (Scotland) Name Origin: Greek: nitron and genes, (soda forming) Density (g/cc): 0.808 (@ -195.8°C) Melting Point (K): 63.29 Boiling Point (K): 77.4 Appearance: Colorless, odorless, tasteless, and generally

inert gas Atomic Radius (pm): 92 Atomic Volume (cc/mol): 17.3 Covalent Radius (pm): 75 Ionic Radius: 13 (+5e) 171 (-3e) Specific Heat (@20°C J/g mol): 1.042 (N-N) Pauling Negativity Number: 3.04 First Ionizing Energy (kJ/mol): 1401.5 Oxidation States: 5, 4, 3, 2, -3 Electronic Configuration: [He] 2s2 2p3 Lattice Structure: Hexagonal (HEX) Lattice Constant (Å): 4.039 Lattice C/A Ratio: 1.651

13

2.3.3 ไทเทเนยมไนไตรด (TiN) [12] ตารางท 2.4 คณสมบตของไทเทเนยมไนไตรด

คณสมบต ปรมาณและโครงสราง Molecular formula TiN Molar mass 61.874 g/mol Appearance Coating of golden color Density 5.40 g/cm3 Melting point 2930 °C Crystal structure Cubic, cF8 Coordination geometry Octahedral

ไทเทเนยมไนไตรด (Titanium nitride: TiN) เปนเซรามคทมความแขงมาก นยมผลต

เปนฟลมบางเพอน าไปเคลอบผววสดทมสวนประกอบประเภทไทเทเนยมอลลอย สตลคารไบด และอลมเนยม เพอเพมความแขงใหกบพนผวทไดรบการเคลอบ หรอใชเคลอบพนผวทเนนประดบใหสวยงามในทางการแพทย เพราะสของไทเทเนยมไนไตรดมสทอง ความหนาของฟลมบางนอยกวา 5 µm

ไทเทเนยมไนไตรดมคาออกซไดซท 800 °C ในบรรยากาศปกต และคอนขางทนตอปฏกรยาเคมทอณหภมปกต แตไมสามารถรบไดกบกรดเขมขนทอณหภมสง สะทอนรงสอนฟาเรดไดด ผลจากการสะทอนจะใหสเปกตรมทเปนสทองเชนเดยวกบสเปกตรมของธาตทองค า มคา coefficient of friction ตงแต 0.4 ถง 0.9 มกจะเกาะตวกนเปนครสตลแบบเดยวกบ NaCl ในอตราสวน 1:1 อยางไรกตาม สวนประกอบของธาต TiNx มกจะมคา x ตงแต 0.6 ถง 1.2 ซงจดอยในคาทเสถยร

การประยกตใชฟลมบางไทเทเนยมไนไตรดคอการน าไปเคลอบผวเพอปองกนการกดกรอนของเครองจกรกล เชน ดอกสวาน ใบมดของเครองตดหรอเครองบด ซงสามารถยดอายการใชงานของเครองมอไดถงสามเทาหรออาจมากกวานน และการทเปนฟลมทมสทอง บางคราวจงใชเคลอบผวเครองประดบตางๆ ได ไทเทเนยมไนไตรด นอกจากนยงใชในอปกรณการแพทยได เพราะไดรบการรบรองจาก FDA หรอองคการอาหารและยา วาเปนสารประกอบทไมเปนพษ อปกรณการแพทยไดแก มดผาตดใหคงความคมไวเปนสงทส าคญมาก

ไทเทเนยมไนไตรดยงใชในการเคลอบผวอปกรณอเลกโทรนกสขนาดเลกได เชนใชเปนก าแพงตวน ากนระหวางแอคทฟกบโลหะ ฟลมจะเปนสงทปองกนการกระจายตวของโลหะ

14

ไปสซลกอน เพราะมคาน าไฟฟาเพยงพอ (30–70 μΩ·cm) จะใชในอปกรณอเลกโทรนกส หรอบางครงยงใชเปนขวไฟฟาในไบโออเลกทรอนกสไดอกดวย

2.4 หลกการของเครองฟลเตอรแคโทดกอารค (FCVA) [1, 13 – 14] แหลงก าเนดพลาสมาแบบฟลเตอรแคโทดกอารค (Filtered Cathodic Vacuum Arc or FCVA) ชนดไมใชทรกเกอรอเลกโทรด การก าเนดพลาสมาจะเกดไดดในระบบสญญากาศ ดงนนระบบจงประกอบดวยระบบสญญากาศและระบบไฟฟา

พจารณาภาพจ าลองระบบสญญากาศ ภายในอโมงค (chamber) เปนระบบปดทมชองทางส าหรบดดอากาศออกโดยปมสองชนดดงรป 2.4

รป 2.4 จ าลองระบบสญญากาศ การท างานของระบบสญญากาศประกอบดวยปมโรตาร (rotary pump) และปมไครโอเจน

นค (cryogenic pump) ซงสามารถดดอากาศออกไดถงประมาณ 10-7 ทอร หลกการท างานของปมไครโอเจนนคคอการท าใหกาซภายในหวปมควบแนนเปนของเหลวซงมความเยนจดจงท าใหกาซภายในอโมงคทดลองถกดดมาไวในหวปม และลดความดนภายในอโมงคในทสด

และหากตองการใชกาซรวมในการเคลอบผวกสามารถปลอยกาซเขาไดทชองกาซรวม (gas doped) และมชองส าหรบกาซไนโตรเจน (N2) เขาเพอปรบความดนภายในอโมงคใหเทากบภายนอกเมอตองการจะเปดฝาอโมงคทดลอง

Rotary Pump

Cryogenic

Pump

CG1

CG2

Regenerate

Valve

Backing Valve

Gate Valve

Liquid

Nitrogen

Chamber

Penning

Gauge

N2

Gas doped

15

รปท 2.5 เปนภาพจ าลองระบบไฟฟาของเครองก าเนดพลาสมาแบบแคโทดกอารค ไอออนพลาสมาก าเนดมาจากสสารทเปนสวนของแคโทด ซงเปนแทงของแขงของธาตชนดทตองการน ามาท าเปนฟลมบาง การทดลองนใชแทงโลหะไทเทเนยม

รปท 2.5 ไดอะแกรมแสดงการจดการทดลองเคลอบฟลมไทเทเนยมไนไตรดดวยแคโทดกอารค การท างานจะเรมโดยการตดตงเครองมอในอโมงคตามต าแหนงดงรป 2.5 แลวเรมตนจาก

การสงการดวยโปรแกรมคอมพวเตอรซงสามารถก าหนดอตราสวนและความถในการจายสญญาณพลสระหวางแหลงก าเนดทงสองได คอมพวเตอรจะสงการไปยงกลองควบคมซงจะควบคมการท างานของแหลงจายไฟใหสมพนธกบระบบพลส ซงประกอบดวยพลส ฟอรมมง เนตเวรค จ านวน 10 ชน ความตานทานภายในเทากบ 0.7 โอหม สามารถใหกระแสอารคเกน 200 แอมป ขนอยกบแรงดนไฟฟาทจายใหกบพลส ฟอรมมง เนตเวรค ซงในการทดลองน จายแรงดนคงทขนาด 450 โวลท ไดกระแสอารคประมาณ 500 แอมแปร มความกวางของพลลลสประมาณ 160 ไมโครวนาทและจะจายกระแสไฟฟาไปยงแหลงก าเนดพลาสมา (plasma source) ภายในอโมงค

ลกษณะพเศษของเครองก าเนดพลาสมาแบบแคโทดกอารคแบบมฟลเตอรคอเปนการสรางพลาสมาจากของแขงหรอแคโทด โดยมหลกการท างานโดยใหขวแอโนดและแคโทด (แทงของแขงทตองการพลาสมาชนดนน) วางใกลกนแตคนดวยฉนวนไฟฟาดงรปท 2.6 ในการทดลองนใชเซรามกเปนฉนวน เมอมการใหความตางศกยระหวางขวไฟฟาทมากพอจะท าใหเกดการอารคระหวางขวไฟฟาทงสอง ซงจะเปนตวการใหสสารทผวหนาของแคโทดหลดออกเปนไอออนบวกและอเลกตรอนเปนล าพลาสมา

Holder

Computer

Pulse generator Arc Power Supply

Bias Power supply

16

รปท 2.6 ไดอะแกรมแสดงภาคตดขวางของแหลงก าเนดพลาสมา

เมอจายแรงดนไฟฟาจากแหลงจาย (arc power supply) พลาสมาอนประกอบดวยไอออนบวกและอเลกตรอนกจะหลดออกจากผวหนาของแคโทดวงไปภายในฟลเตอรหรอขดลวดฟลเตอรเกาสบองศา มรศมความโคง 10 เซนตเมตร ซงมกระแสไฟฟาไหลผานขดลวดนนเทากบครงเทาของกระแสอารค เนองมาจาการตออปกรณดงรป 2.7 ซงเปนวงจรขนาน แบงกระแสไฟฟาผานขดลวดและลง ground ในปรมาณเทากน

รปท 2.7 วงจรไฟฟาระหวางอปกรณตางๆ

ดงน นกระแสไฟฟาผานขดลวดฟลเตอรมคาประมาณ 250 A เหนยวน าใหเกด

สนามแมเหลกไฟฟาเบยงเบนล าพลาสมาใหวงไปตกบนแทนรบหรอชนงาน (substrate) เมอท าการ

ค านวณขนาดของสนามแมเหลก โดยใชกฎของแอมแปร

(เปนการค านวณโดยประมาณ

คาทไดจรงจะนอยกวาคาค านวณ) เมอแทนคา I ~ 250 A, N = 12 ไดสนามแมเหลกภายในขดลวด B = 7.5x10-4 T

หนาทของฟลเตอรคอเปนทางผานใหอนภาคทมประจวงไปตามเสนแรงแมเหลกของสนามแมเหลก เมอใหกระแสสฟลเตอรตามลกศรในรป 2.8 ภายในขดลวดจะเกดสนามแมเหลกในทศตามเสนโคง เมออนภาคหลดออกจากแหลงก าเนดหรอ Source เขาสฟลเตอรจะไดรบแรงกระท าเทากบ ท าใหอนภาคเคลอนทวนแบบ helix เมอพจารณาวงของ helix แรงเขาส

ศนยกลางมคาเทากบ

ซงยงอนภาคมขนาดใหญหรอมวลมากกท าใหหลดออกนอกวง

โคงของสนามแมเหลกกระเดนออกนอกฟลเตอร รวมทงอนภาคทมประจรวมเปนกลาง จะไม

17

สามารถวงไปตามเสนโคงของฟลเตอรไดเชนกน ดงนนจะไดไอออนขนาดเลก (micro particle) ตกสะสมบนแทนรบซงมการใหกระแสลบไว จากแหลงจายไฟฟากระแสตรงศกยสงแบบตอเนอง เพอดงดดไอออนบวกใหเขามาเคลอบฝง

รป 2.8 ฟลเตอรกรองอนภาคขนาดใหญ (Macroparticle filter)

2.5 เครองวเคราะหผววสด (X – ray Photoelectron Spectroscopy: XPS) [15] XPS เปนตวยอของค าเตมวา X – ray Photoelectron Spectroscopy ทอาจแปลเปนไทยไดวา

“สเปคโตรสโคปของอนภาคอเลกตรอนทถกปลดปลอยดวยรงสเอกซ” ดงแสดงในรปท 2.9 อเลกตรอนทไดรบอสรภาพดวยวธการแบบนเรยกวา โฟโตอเลกตรอน ไมวาคลนแมเหลกไฟฟานนจะเปนแสงธรรมดา รงส UV หรอรงสเอกซกตาม

XPS เปนเทคนควเคราะหทงเชงคณภาพและเชงปรมาณทสามารถใหขอมลสมบตทางเคมทระดบผวของวสดในหลายแงมม เชน ชนดและจ านวนธาตองคประกอบ โครงสรางทางเคม ชนดพนธะทางเคม และสภานะออกซเดชนของอะตอม เปนตน นอกจากนนยงรวมถงความสม าเสมอของธาตองคประกอบ สภาพทางเคมของผวทเปลยนไปหลงถกกระทบดวยความรอน สารเคม ล าไอออน พลาสมา หรอรงส UV เปนตน

เทคนค XPS ใชวเคราะหวสดไดมากมายหลากหลายชนด ทงสาระประกอบอนทรยและอนนทรย โลหะผสม เซมคอนดกเตอร พอลเมอร แกว เซรามกส ส สารเคลอบ กระดาษ หมก ไม เครองส าอาง ฟน กระดก ฯลฯ จงมอตสาหกรรมหลายประเภททตองอาศยเครอง XPS เชน อตสาหกรรมรถยนต แบตเตอร สารเคม คอมพวเตอร เครองส าอาง ไมโครอเลกทรอนกส สงทอ อาหาร แกว กาว น ามนหลอลน หลอดไฟฟา บรรจภณฑ กระดาษและไม พอลเมอรและพลาสตก สงพมพ โลหะ ฯลฯ

Source

Substrate

current

current

18

รปท 2.9 แผนภาพแสดงปรากฏการณทอาจเกดขนในอะตอมทถกกระตนดวยรงสเอกซ [15]

2.5.1 หลกการท างานโดยสงเขป

แผนภาพสรปการท างานหลกๆ ของเครอง XPS แสดงดงรปท 2.9 จดเรมตนคอ การยงรงสเอกซพลงงานเดยวใสวสดทตองการวเคราะห รงสเอกซนจะทราบคาพลงงานอยางแนนอนเพราะผลตจากหลอดทเปาแอโนดท าดวยโลหะเบา เชน ถาเปนอลมเนยมจะใหรงสเอกซทมพลงงาน 1486.6 eV แตถาเปนแมกนเซยมจะใหพลงงาน 1253.6 eV รงสเอกซกลมนจดอยในพวกทเรยกวา soft X – rays (โฟตอนมพลงงานในยาน 200 – 2000 eV) รงสเอกซทใชถายภาพปอดตามโรงพยาบาลเปนพวกทเรยกวา hard X – rays ทมพลงงานในเรอน 10,000 eV ผลตจากหลอดทเปาแอโนดท าดวยโลหะหนกจ าพวกทงสเตนและไมไดใหรงสเอกซพลงงานเดยว

รงสเอกซปลดปลอยใหอเลกตรอนในอะตอมหลดเปนอสระ เรยกวา โฟโตอเลกตรอนดงกลาวแลว ซงมพลงงานจลนเปนไปตามสมการเบองตนดงน

(5)

โฟโตอเลกตรอนจากผววสดจะถกรวบรวมและโฟกสไปทรปเปดเลกๆตรงปาก

ทางเขาของระบบวเคราะหพลงงานของอนภาคอเลกตรอน ดวยระบบเลนสไฟฟา ความยาวของชดเลนสนคอ ประมาณ 50 เซนตเมตร ระบบวเคราะหพลงงานของอเลกตรอน ประกอบดวยแผนโลหะ

พลงงานจลนของโฟโต

อเลกตรอน

พลงงานของ

รงสเอกซ

พลงงานยดเหนยวของอเลกตรอนในอะตอม

19

คขนาน รปครงวงกลม ตอกบศกยไฟฟาคงท ท าหนาทบงคบใหอเลกตรอนวงโคงดวยรศมเฉลย 16.5 เซนตเมตร จนถงแผงหววด วธการวดพลงงานของโฟโตอเลกตรอนแบบน มอ านาจการจ าแนกพลงงานสงมาก คอ มคาระหวาง 0.25 – 0.5 eV เทานน จากพลงงานจลนของโฟโตอเลกตรอนทวดได จากพลงงานของรงสเอกซททราบคาแนนอนและจากสมการท (5) ท าใหทราบวาโฟโตอเลกตรอนตวนเคยถกยดเหนยวอยในอะตอมทระดบพลงงานใด จากนนน าไปสการทราบวาอะตอมนคออะตอมของธาตอะไร รวมถงขอมลอนๆ โดยใช Software และ Data base ของเกอบทกธาตทมผท าไวแลวชวยในการวเคราะห ฐานขอมลหนงทนาสนใจเปนของ National Institute of Standards and Technology (NIST) ของกระทรวงพาณชยแหงสหรฐอเมรกา (ดท http://srdata.nist.gov/xps/) ทกลาวมานสรปใหเหนเปนภาพไดดงรปท 2.10

รปท 2.11 เปนตวอยางของการวเคราะหผวของทองแดงบรสทธ ต าแหนงของพค (peak) ตางๆ ในสเปกตรม XPS เกดมาจากการทอนภาคอเลกตรอนทง 29 ตว จดเรยงตวในแตละอะตอมของทองแดง ดงน (1s)2(2s)2(2p)6(3s)2(3p)6(3d)10(4s)1 โดยมคาของพลงงานยดเหนยวทนกฟสกสไดหาไวใหเปนคลงขอมลกอนหนานแลว ดงน

สญลกษณของแตละวงโคจร

(เฉพาะวงในๆ) พลงงานยดเหนยวของอเลกตรอน

ในวงโคจร(eV) ระดบ K 1s1/2 8981

2s1/2 1099 ระดบ L 2p1/2 953

2p3/2 933 3s1/2 122

ระดบ M 3p1/2 77 3p3/2 75

20

รปท 2.10 แผนภาพสรปการท างานหลกๆ ของเครอง XPS (2) [15]

ในรปท 2.10 จะเหนวามพคของ Auger electron (โอเจอเลกตรอน) ปะปนอยดวย โอเจ

อเลกตรอนจะเกดออกมาจากอะตอม เชนเดยวกบโฟโตอเลกตรอน แตทแตกตางกน กคอ กลไกของการถอก าเนด ดงจะเหนไดจากรปท 2.9 ปรากฏการณนเรยกวา Auger effect เพอเปนเกยรตแกนกฟสกสชาวฝรงเศสทชอวา Pierre Auger ทคนพบปรากฏการณนในป 1923 (แตอนทจรงนน Lise Meitner นกฟสกสหญงเชอสายยว ชาวออสเตรยนพบกอน ในป 1922) ตอมาปรากฎการณนไดรบการพฒนาไปเปนเทคนควเคราะหผววสดเชนกน เรยกวา Auger Electron Spectroscopy (AES) เทคนค XPS และ AES มความคลายคลงกนมาก ในปจจบนจงสามารถหาไดในเครองเดยวกน โดยเพยงแตเพมอปกรณเฉพาะอกบางอยาง เชน เทคนค XPS ใชรงสเอกซเปนตวกระตนดงกลาวแลว แตเทคนค AES ใชล าอเลกตรอนเปนตวกระตน

อยางไรกตามเมออะตอมหนงไปมพนธะกบอะตอมแปลกปลอมชนดอน ต าแหนงและลกษณะของพคในสเปคตรม XPS จะเปลยนไปจากเดม อาจกลาวไดวาเพราะสภาวะแวดลอมของอะตอมดงกลาวเปลยนไป เมอวเคราะหตรงนใหละเอยดท าใหรขอมลเกยวกบโครงสรางโมเลกลหรอชนดพนธะทางเคมใหมไดดงเชน ตวอยางในรปท 2.11 ซงเปนสเปคตรม XPS ของโพลสไตรน [C8H8)n] ทถกอาบมากอนดวยพลาสมาของกาซออกซเจน โพลสไตรนกอนอาบพลาสมาดงกลาวนน จะประกอบไปดวยอะตอมของคารบอนและไฮโดรเจนเพยงสองชนดเทานน แตหลงจากการอาบดวยพลาสมาออกซเจนพบวาสารประกอบดงกลาวมโครงสรางทเปลยนไป โดยสามมารถ

21

พจารณาไดจากพค C1s ซงพบวามลกษณะเปลยนไป เนองจากมพนธะเคมระหวางคารบอนกบอะตอมอนๆ เกดขนหลายแบบดงแสดงในรป

รปท 2.11 ตวอยางการวเคราะหสเปคตรม XPS ของโพลสไตรน [C8H8)n] [15]

2.6 กลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (Scanning Electron Microscope: SEM) [16]

การศกษาสงซงมขนาดเลกๆ หรอทเรยกวา จลทรรศน (Microscopy) นน นบวาเปนศาสตรหนงทมความส าคญอยางมากในวทยาการหลายสาขาในปจจบน เราอาจขยายภาพวตถในระดบ 10 เทาโดยใชแวนขยายระดบ 10 – 1,000 เทา โดยใชกลองจลทรรศนแบบแสง (OM, Optical Microscope) และระดบ 10 – 1,000,000 เทา โดยใชกลองจลทรรศนอเลกตรอน (EM, Electron Microscope)

2.6.1 ขอแตกตางระหวาง OM และ SEM กลองจลทรรศนแบบแสง (OM) และกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด

(Scanning Electron Microscope) ตางเปนเครองมอทงานดานวทยาศาสตรแบบทกสาขาจะเปนตองมไวใชงาน แตถงแมวาเครองมอทงสองจะใชเพอการขยายภาพวตถตางๆ เชนเดยวกน แตหลกการท างานตางกนอยางมาก

OM นนเปนเครองมอทมการใชงานมากกวา เนองจากใชงานงาย สามารถศกษาวตถหรอตวอยางในบรรยากาศปกตหรอในของเหลวเชน น า หรอน ามนได ภาพขยายของตวอยางทได จะใหสจรงตามธรรมชาตและสามารถขยายภาพของตวอยางไดตงแต 10 – 1,000 เทา ซงปจจบน สามารถดภาพผานจอทวหรอคอมพวเตอรได ท าใหพมพภาพ หรอเกบขอมลเพอใชประมวลผล เชน การวดขนาดอนภาคไดสะดวกขน แต OM กมขอจ ากดท ความชดลก (depth of field) ของภาพขยาย ยงก าลงขยายมากขน ระยะชดลกยงนอยลง

SEM มจดเดน คอมระยะชดลกมากกวา และมอ านาจแยกแยะเชงระยะ (Spatial resolution) สงกวา OM ทงนเพราะอปกรณทงสองใชแหลงก าเนดคลนซงมความยาวคลนตางกนเปนตวสรางภาพ OM ใชคลนแสง (แสงทตามนษยมองเหน) ซงมความยาวคลนอยในชวง 400 –

22

700 นาโนเมตร ท าให OM ไมสามารถขยายวตถทเลกกวา 0.2 ไมครอนได สวน SEM จะใชคณสมบตคลนของอเลกตรอน ซงมความยาวคลนสนกวา ท าให SEM มอ านาจแยกแยะเชงระยะไดมากถง 0.2 นาโนเมตร และดวยความสามารถในการบบล าอเลกตรอนใหเปนมมแคบๆ ได ท าใหไดภาพทมความชดลกสง นอกจากน SEM ยงสามารถใชรวมกบบเทคนคอน เชน Energy Dispersive Spectrometry (EDS) และ Wavelength Dispersive Spectrometry (WDS) เพอใหขอมลดานองคประกอบทางเคมของตวอยางไดอกดวย

2.6.2 การท างานของ SEM สวนประกอบและหลกการท างานโดยสงเขปของ SEM แสดงในรปท 2.9 สวนบนสด

เปนแหลงก าเนดอเลกตรอนทเรยกวา ปนอเลกตรอน (electron gun) อเลกตรอนจากแหลงก าเนดจะถกเรงใหเคลอนทลงมาตามคอลมนซงมสภาพสญญากาศ ดวยความตางศกยเรง (Accelerating Voltage) ในชวง 0 – 30 kV (บางเครองอาจท าไดสงถง 50 kV) โดยทศทางการเคลอนทจะถกควบคมดวยเลนสแมเหลกไฟฟา (electromagnetic lens) 2 ชด หรอมากกวา และปรมาณของอเลกตรอนจะถกควบคมโดยแอพเพอรเจอร (aperture) หรอชองเปด ซงมขนาดตางๆ กน ตามลกษณะการใชงาน

รปท 2.12 สวนประกอบและหลกการท างานของ SEM [16]

เลนสแมเหลกไฟฟาชดแรกทเรยกวา เลนสคอนเดนเซอร (Condenser lens) นบวาเปน

อปกรณทมความส าคญทสดตอการควบคมทศนศาสตรอเลกตรอน (electron optics) เพราะเปนเลนสทท าหนาทบบอเลกตรอนทวงลงมาจากแหลงก าเนดใหเปนล าทมขนาดพนทหนาตดเลกลง

23

สวนเลนสวตถ (Objective lens) ซงเปนเลนสชดสดทาย จะท าหนาทโฟกสล าอเลกตรอน (electron beam) ใหไปตกบนผวของตวอยาง โดยมสแกนคอยล (scan coil) ท าหนาทกราดล าอเลกตรอนใหไปบนผวของตวอยางภายในกรอบพนทสเหลยมเลกๆ ซงพนทผวของตวอยางบรเวณทถกยงดวยล าอเลกตรอนน จะเกดสญญาณ (signal) ตางๆ ขนหลายชนดในเวลาเดยวกน และ SEM จะมอปกรณส าหรบตรวจจบสญญาณ (Detector) ชนดตางๆ เหลานน แลวสงไปประมวลผลเปนภาพ แสดงบนจอภาพตอไป ตวอยางสญญาณทเกดขนนนไดแก

อเลกตรอนทตยภม (Secondary Electrons, SE) สญญาณชนดนจะใหขอมลเกยวกบลกษณะพนผวของตวอยาง เปนสญญาณทถกน ามาใชในการสรางภาพมากทสด ภาพทไดจากสญญาณชนดนเรยกวา ภาพอเลกตรอนทตยภม (Secondary Electrons Image, SEI)

อเลกตรอนกระเจงกลบ (Back Scattered Electrons, BSE) ใหขอมลเกยวกบสวนประกอบทางเคมบนผวของตวอยาง และแสดงใหเหนลกษณะความสงต าของพนผว

นอกเหนอจากสญญาณเหลานแลวยงมสญญาณอกหลายชนดทเกดขน เชน เอกซเรย (X-Ray), คลนแมเหลกไฟฟา (electromagnetic wave), โอเจอเลกตรอน (Auger electron) เปนตน ซงสญญาณแตละชนดจะใหขอมลของตวอยางแตกตางกนไป

2.7 การทดสอบการกดกรอน (Corrosion Test) [17]

พฤตกรรมการกดกรอนทางอเลกโทรเคมของโลหะและอลลอยบงบอกถงลกษณะทางกายภาพและรายละเอยดพนผวทแตกตางกน ซงศกษาไดจากลกษณะของกราฟโพลาไรเซชน ธรรมชาตของวสดประเภทโลหะจะคอนขางถกกดกรอนในสงแวดลอมเพราะสงแวดลอมเปนเหมอนอเลกโทรไลทเขมขนส าหรบโลหะ กอใหเกดปฏกรยาออกเซเดชนไดงายและจะสรางสงทเรยกวาพาสซฟหรอออกไซดฟลมเพอปองกนตวเองจากการกดกรอน อยางไรกตามในการทดสอบพฤตกรรมการกดกรอนของโลหะจะเพมศกยใหกบโลหะและบนทกคากระแสไฟฟาซงกระแสไฟฟาจะแปรผนตามคาศกย ฟลมออกไซดของโลหะเหลานจะถกกดกรอนจนกระทงทะลถงเนอโลหะดงเดม หรอเรยกวาเกดการ ”เบรกดาวน” จากนนอตราการกดกรอนจะเพมขน เรยกกราฟทบนทกระหวางศกยไฟฟาและกระแสไฟฟาวา กราฟโพลาไรเซชน

2.7.1 เครองมอในการทดสอบ (Instrumentation) เครองมอทใชในการทดสอบการกดกรอนทางอเลกโทรเคม ออกแบบอปกรณดงรป

2.13 พาวเวอรซฟฟลายซงเรยกวา potentiostat ท าหนาทเปนตวควบคมศกยไฟฟา และ galvanostat ท าหนาทควบคมอตราการไหลของกระแสไฟฟา การออกแบบนใหผลทนาพอใจเหมาะส าหรบชนงานทมลกษณะแบนบาง เครองมอประกอบดวยอเลกโทรดสามชนดไดแก อเลกโทรดแรก

24

working electrode (WE) WE ซงชนงานจะถกยดกบลวดน าไฟฟาทเคลอบดวยเรซนซงจะไมกดกรอนในสารละลายทตองการใชทดสอบ รปท 2.14 เปนเครองมอ ASTM G-5 Standard electrochemical cell ออกแบบโดย EG&G Princeton Applied Research รน Model K47 เซลลนประกอบดวย auxiliary graphite อเลกโทรดอกสองชนดทจะใชตรวจสอบลกษณะของกระแสไฟฟาทเกดบรเวณผวหนาชนงาน เซลลนเปนทรจกในชอ เซลลแบบสามอเลกโทรด (Three-electrode cell)

รปท 2.13 แผนภาพอปกรณในการหาโพลาไรเซชน [17]

รปท 2.14 เซลลอเลกโทรเคม [17]

25

การศกษาการกดกรอนจะดจากศกยกดกรอน (corrosion potential) กระแสไฟฟากดกรอน (corrosion current) ความตานทานโพลาไรซ (linear polarization resistance) ทาเฟลพลอต (tafel plot) โพเทนตโอไดนามก โพลาไรซเซชน (potentiodynamics polarization) อตราสแกน (scan rate) และ ไซคลก โพลาไรเซชน (cyclic polarization) เทคนคปกตทใชส าหรบทดสอบทางอเลกโทรเคมไดแกเทคนค potentiostatic, potentiodynamics, galvanostatics และ galvanodynamics โดยมากแลวจะตดตงเครองมอเปน potentiostat เมอจายคาศกยไฟฟาและวดคากระแสไฟฟาทตอบสนอง หรอเปน galvanostat เพอจายกระแสไฟฟา แลววดคาศกยไฟฟาทตอบสนอง เครองมอนเปนทนยมในการศกษาพนผวทถกเคลอบดวยออกไซดและไนไตรดระหวางการเกดปฏกรยาเคมไฟฟา

เครองมอตดตงตามรปท 2.15 ในการทดลองนเปนเครอง 273A potentiostat/galvanostat แผนภาพวงจรไฟฟาส าหรบโพเทนตโอสแตตพนฐานหาไดทวไป หนาทหลกของโพเทนตโอสแตตคอควบคมความตางศกยไฟฟาระหวาง working electrode (WE) และ reference electrode (RE) โดยการจายกระแสผานทาง counter electrode (CE)

รปท 2.15 ตวอยางการตดตงเครองมอส าหรบทดลองหาโพราไรเซชน [17]

2.7.2 ระบบสามอเลกโทรด (Three – electrode system) แผนภาพในรป 2.11 ความตางศกยไฟฟาในชนงานจะถกวดเทยบระหวาง RE กบ WE

กระแสจะจายกระแสใหไหลระหวาง CE กบ WE แพลตตนม เคานเตอรอเลกโทรด เปนตวใหกระแสไหลผานไปส WE เพอใชศกษา

ตอไป

26

ลกกน แคปลาร เปนหววดหรอหลอดเลกๆทภายในบรรจสารอเลกโทรไลท ในทนใช KCl ลกกนและสะพานเกลอเชอมตอกบเซลลของ RE การตอแบบแยกนท าใหความตานทานระหวาง WE และ AE ลดลง

WE เปนอเลกโทรดทเชอมตอกบชนงาน ซงจะตองมพนททใชท าปฏกรยาเปนคาคงทคาหนง แนะน าพนท 1 cm2 ระยะระหวาง WE พนทผวและปลายเขมของหววดลกกนหางกนในชวง 1mm < x < 2mm เรซนทเคลอบกบสายโลหะซงโยงจาก WE ไมควรเปนสารทเกดปฏกรยากดกรอนเพราะจะท าใหคาแกวง เวลาทใชในการทดสอบควรควบคมใหคงท

Potentiostat เปนเครองมอทส าหรบวดคาศกยไฟฟา ความหนาแนกระแส และพลอตเปนกราฟระหวาง E กบ log I ได ควรใชรวมกบมเตอรไฟฟา ตวแปลงคาเปนกระแสลอกการทม ตวเกบขอมล และควรเปนเครองมอทสามารถจายศกยไฟฟาทตอเนองตอชวงเวลา หรอเรยกวาม scan rate ทคงทในชวงของศกยไฟฟาทผทดลองตองการ ยกตวอยาง ตองการทดลองในออเดอร -2V < x < 2V ไดกราฟโพลาไรซทมทงคาของแอโนดกและแคโทดกในกราฟดวย วธการดงกลาวนนเรยกวาเทคนค potentiodynamic polarization ทงนตวแปรของเวลาทใชในการรนทงชวง steady-state และชวงเกดปฏกรยาทางเคมไฟฟามความส าคญควรก าหนดใหเทาๆ กน

จากรป 2.16 แสดงกราฟโพลาไรซของชนงานอดมคต (ideal) และตวแปรตางๆ

2.7.3 กราฟโพลาไรเซชน (Polarization Curves) รปท 2.17 แสดงกราฟโพลาไรซทระดบศกยไฟฟาคาตางๆ เปนล าดบตงแตนอยไปมาก

ของ Eutectoid มพนทของแคโนดกและแอโนดกอยางชดเจน และงายตอการเขยน ทาเฟลสโลป (Tafel Slope) ซงเปนเสนตรงทลากสมผสกบเสนโคงแคโทดกและเสนโคงแอโนดก จดตดของทงสองเสนจะไดคาของศกยไฟฟากดกรอนหรอ V corrosion: Vcorr และกระแสไฟฟากดกรอน หรอ I corrosion: Icorr สงเกตวา ขอมลในกราฟโพลาไรเซชนครอบคลมคาของ ศกยไฟฟากดกรอนซงเทากบ -0.51 VSCE แสดงใหเหนอยางชดเจนในรป 2.17 ตองใชขอมลจ านวนมากในการพลอตขอมลทงกระบวนการ ดงนนควรใชระบบการจดเกบขอมลเปนอตโนมตจงเหมาะสมส าหรบการทดสอบชนดน

27

รปท 2.16 กราฟโพราไรเซชนของชนงานอดมคต [17]

นอกจากนลกษณะของกราฟโพราไรซยงบอกไดวาวสดชนทใชทดสอบมลกษณะเปน

“แอคทฟ” หรอ “แพสซฟ” หรอเปนไดทง “แอคทฟ-แพสซฟ” ในสงแวดลอมทเฉพาะเจาะจงแตกตางกนไป วธการทดสอบแบบโพเทนตโอสแตตกและโพเทนตโอไดนามกเปนวธทเหมาะสมส าหรบการทดสอบทงสองลกษณะ แตวธโพเทนตโอไดนามกนนจะไดผลดขนอยกบการปรบตงคา scan rate (mV/s) ดวย คา scan rate ทชาหรอคานอยจะท าใหไดกราฟทมนคง สม าเสมอ และไดคาศกยกดกรอนทคงทไมแกวงไปมา ทงนอทธพลทมผลตอพฤตกรรมการกดกรอนของโลหะในการทดสอบนน ไดแก อณหภม, ความเขมขนของสารละลาย, scan rate, การน าพาหรอคายความรอน รวมถงความดนดวย

28

รปท 2.17 กราฟโพราไรเซชนทระดบศกยไฟฟาคาตางๆ ของ

1080 eutectoid steel ในสารละลายกรดซลฟรค 1N

2.7.4 ฟลมพาสซฟออกไซด (passive oxide film) กระบวนการแพสซฟเปนปฏกรยาเคมทจะเกดบนผวสมผสระหวางโลหะกบอเลกโทร

ไลท ผลทไดคอของแขงบางเปนฟลมทเปนสารประกอบของโลหะออกไซด กระบวนการนเปนลกษณะ “แอคทฟ-แพสซฟ” อาจเกดขนโดยธรรมชาตไมมสงรบกวนจากภายนอก หรออาจเกดจากการกระตนศกยไฟฟาจากภายนอกกไดเชนกน ในทนเราจะกลาวถงกระบวนการแพสซฟทเกดจากการกระตนจากศกยภายนอก ฟลมแพสซฟออกไซดเปนของแขงทผวหนาเพอปองกนโลหะจากกระบวนการกดกรอนมความหนาประมาณ 1 – 10 nm ซงฟลมทมความบางประมาณ 1 – 2 nm จะมคณภาพมากกวาฟลมหนาเนองจากมผลกระทบระหวางอะตอมตออะตอมนอย แตฟลมแพสซฟจะไมเสถยรเมออยในศกยหรอกระแสทขนหรอลงแตกตางกนมาก กลาวคอโลหะจะไมสามารถรกษาฟลมแพสซฟไดหากถกรบกวนโดยการท าใหถกกดกรอนเพมขน ฟลมนกจะเกดรและในทสดกจะ “เบรกดาวน” หรอฟลมแตก สงรบกวนสามารถทะลเขาถงเนอโลหะไดในทสด

นอกจากนกระบวนการแพสซฟทางเคมเปนสถานะทขนอยกบปฏกรยาแคโทดกบนผวหนาของโลหะ ในขณะทกระบวนการแพสซฟทางอเลกโทรเคมจะขนอยกบศกยแอโนดก

29

ภายนอกทกอใหเกดปฏกรยาแคโทดก จากรปท 2.13 บรเวณ ic – ip บงบอกถงการเปลยนจากแอคทฟเปนแพสซฟ เหนอคา Epp แพสซฟจะเรมจาก ic และหยดท ip ดงนนกระบวนการสรางฟลมจงเกดทบรเวณน ความหนาของฟลมจะเพมขนจนกระทงศกยเทากบ Epa ท ip สงทเปนตวควบคมความหนาคอไอออนน าไฟฟาในสารละลาย ถาโลหะสรางไอออนทน าไฟฟาไดมากจะกอใหเกดฟลมแพสซฟทหนาขน ดงนนสงทบงบอกความแขงแรงของแพสซฟฟลมคอความกวางของชวง ip – ic ความเสถยรของฟลมแพสซฟจะมากหรอนอยขนอยกบความกวางของชวงศกยท Epa < E < Ep ยงมความกวางมากกยงแสดงใหเหนวาโลหะสามารถสรางฟลมแพสซฟทเสถยร ในรป 2.18 แสดงกระบวนการแพสซฟทไมเสถยรเพราะเมอเพมศกยแกชนงานคากระแสไฟฟาทไดมคาเพมขน นนหมายถงเกดการกดกรอนรนแรงขนตามไปดวย

รปท 2.18 กราฟโพราไรเซชนของ RSA Ni – Mo base อลลอยด ในสารละลายกรดซลฟรก

โลหะกบอลลอยดสวนใหญจะไมใหผลเปนอดมคตดงเชนกราฟในรป 2.17 เพราะ

ขนอยกบหลายปจจยไดแกสวนผสมของโลหะหรออลลอยด ซงเปนโพลครสตลซงเปนโครงสรางทซบซอนสงผลตอพฤตกรรมการเกดกระบวนการแพสซฟดวย รวมถงสารละลายอเลกโทรไลทดวย