奈米溶膠制作光學(xué)鍍膜的商機(jī)

1、 奈米溶膠製作光學(xué)鍍膜的商機(jī)壹：光學(xué)薄膜的應(yīng)用：光學(xué)薄膜 (optical thin films) 是一類重要的光學(xué)元件。主要的光學(xué)薄膜器件包括反射膜、抗反射膜、偏振膜、干涉濾光片和分光鏡等等。它們在國民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用獲得了科學(xué)技術(shù)及民生用品的日益重視。在光學(xué)的科學(xué)技術(shù)部份，舉例說明如下：（一）利用抗反射膜：（1）可使複雜的光學(xué)鏡頭的“光通量損失”減為原來的十分之一（以下），提高光學(xué)解析度；（2）可使太陽能電池蓋玻片的“光通量”提高35，提高能源效率；（3）也可使LCD螢?zāi)簧系氖褂谜叩挠白訋缀醪灰?，提高LCD螢?zāi)黄焚|(zhì)；（二）利用高反射光學(xué)膜：（1）製成反射鏡，可使雷射光發(fā)射器

2、的輸出功率成倍提高；（2）製成背光板，可使LED亮度提高30（以上），並延長LED壽命（至2倍以上）（三）利用特定波長光學(xué)薄膜（干涉濾光片）：（1）可提高光電電池的效率和穩(wěn)定性。（2）可提高光敏器的穩(wěn)定性。（3）供特定波長光線通過，發(fā)揮控制、偵測、辨識的作用。在民生用品部份，光學(xué)鍍膜的應(yīng)用範(fàn)圍極為廣泛，在一般日常生活中皆能接觸到。凡舉鏡子、飾品、汽機(jī)車、眼鏡、手機(jī)、相機(jī)、攝影機(jī)、望遠(yuǎn)鏡、顯示器、監(jiān)視系統(tǒng)、照明設(shè)備等皆有用到各式的鍍膜技術(shù)。簡單介紹如下：（一）娛樂、消費(fèi)方面：數(shù)位相機(jī)的抗紅外濾片、攝影用的濾片、舞臺的燈光變化、水舞的色彩變化、大樓或橋樑的照明、大型電動遊戲機(jī)、櫥窗照明、光纖照明、

3、博物館的抗紫外線照明、LED照明、電腦螢?zāi)槐Ｗo(hù)鏡、液晶投影機(jī)等。（二）工業(yè)方面：探照燈、監(jiān)視系統(tǒng)、護(hù)目鏡、控制系統(tǒng)、雷射水平儀、檢測儀器的濾光片等。（三）商業(yè)方面：條碼掃描機(jī)、墨線雷射儀、顯微攝影、冷光(綠光)品檢光源、LED檢測儀器、UV印刷機(jī)。（四）醫(yī)療器材方面：檢測儀器的濾光片、內(nèi)視鏡等。由以上簡單的應(yīng)用範(fàn)圍介紹可知，鍍膜的應(yīng)用範(fàn)圍包羅萬象，極為廣泛。貳：奈米溶膠製作光學(xué)鍍膜的原理： 一：光學(xué)鍍膜的顏色：通常人們以為太陽光是無色的，但實(shí)際上，太陽光是一種電磁波，它的波長分佈相當(dāng)廣泛，從幾個nm（1nm=10-9m）到1mm左右。而人眼所能看見的只是其中一部份，這部份稱為可見光，光波波長由

4、長而短，依序?yàn)榧t、橙、黃、綠、藍(lán)、紫等多種色彩的光線；其中，以紅色波長最長，紫色最短。這些可見光，若是每個波長的份量幾乎相等時(shí)，則為白光，若有不同波長、強(qiáng)弱光量的組合，則有種種不同的顏色。以紅色玻璃為例，由於光線穿過這片玻璃後，只有紅色波長可以透過，而其它各顏色波長幾乎完全被反射或吸收，因此，透過的光線顯現(xiàn)出紅色。傳統(tǒng)上，玻璃著色加工主要為在玻璃表面貼膜及玻璃製造時(shí)加入色料為主；其中，貼膜存褪色、剝落的問題，而透光不良為其共同問題。光學(xué)薄膜製作，是將光學(xué)薄膜塗佈在材料表面，形成薄膜；它的主要功能是分割光譜帶。鍍膜後的玻璃，由於具有干涉光線作用，一般稱之為光學(xué)干涉濾光片。最常見的干涉濾光片是截止

5、濾光片和帶通濾光片。截止濾光片可以把所考慮的光譜區(qū)分成兩部分一部分不允許光通過（稱為截止區(qū)）另一部分要求光充分通過（稱為帶通區(qū)） ；帶通濾光片只允許光譜帶中的一段通過而其他部分全部被濾掉。其基本的原理，是利用不同波長的光波通過不同折射率介質(zhì)層，到達(dá)介質(zhì)層表面時(shí)的“相位” 不同，而產(chǎn)生特定波長（帶通區(qū)）因“相位”相同而加強(qiáng)，而其餘波長（截止區(qū)）因“相位”不同而抵銷。以光線干涉作用薄膜產(chǎn)生顏色的玻璃或透光材料，具有顏色鮮艷、不褪色、不剝落、透光良好而強(qiáng)度高等特色。（如下圖：圖（一） 二：抗反射膜（增透膜）原理： 基本上，抗反射是利用高折射率的二氧化鈦搭配低折射率的二氧化矽或氧化鋁為材料，分次在透光

6、材料上成膜，然後重複堆疊而成；其原理乃是利用光柵作用，在適當(dāng)?shù)哪ず窨刂葡?，高折射率的二氧化鈦所反射的光線，恰和低折射率的二氧化矽所反射的光線形成干涉而抵消，使得反射光變得相當(dāng)輕微，而形成抗反射的作用。（如下圖：圖（二）傳統(tǒng)上抗反射透光材料製造方式，係採用真空蒸鍍或?yàn)R鍍的方式；基本上真空蒸鍍及濺鍍量產(chǎn)抗反射透光材料，已是成熟的生產(chǎn)製程，其產(chǎn)品品質(zhì)也相當(dāng)安定，但是設(shè)備投資金額昂貴為其共同缺點(diǎn)；此外，量產(chǎn)製程本身相當(dāng)多的問題及限制，包括：產(chǎn)出速度低、被鍍元件形狀必需固定（否則必需另作模具，而模具費(fèi)用高昂。）、被鍍元件形狀不得有死角、非平面元件光學(xué)膜厚度不均等問題。這些問題，在面對產(chǎn)品多樣化的趨勢要求

7、及成本下降的壓力時(shí)，造成真空蒸鍍及濺鍍量產(chǎn)製程，愈來愈有競爭力不夠的疑慮。在此狀況下，新的光學(xué)膜製作方法的需求性日益提高。 目前隨著奈米科技的發(fā)展，以奈米溶膠鍍膜生產(chǎn)抗反射透光材料的生產(chǎn)技術(shù)，日益受到重視，相關(guān)業(yè)界紛紛投入研發(fā)，目前已有業(yè)者，以“反應(yīng)型有機(jī)溶劑奈米粉體溶膠”生產(chǎn)抗反射玻璃，但因反應(yīng)型有機(jī)溶劑奈米粉體溶膠的成份變異性大且藥液壽命短，使得所生產(chǎn)的抗反射玻璃，良率只有2060不等；再加上溶劑的高揮發(fā)性，造成生產(chǎn)時(shí)的濃度變異很大，導(dǎo)致環(huán)境污染及生產(chǎn)管控不易；此外，所生產(chǎn)的抗反射玻璃，其成品品質(zhì)較真空蒸鍍?yōu)椴?，無法達(dá)到光學(xué)鍍膜的要求；截至目前，只可生產(chǎn)民生用途的抗反射玻璃，尚有許多需努力

8、及改善之處。此外，“反應(yīng)型有機(jī)溶劑奈米粉體溶膠”，溶膠本身的溶劑會攻擊塑膠基材，不適用在PMMA、PC、PET等塑膠基材，只能用於生產(chǎn)抗反射玻璃。 水性、結(jié)晶型奈米溶膠抗反射處理劑，具有藥液的安定性很高且吸附力、成膜性佳，溶膠本身揮發(fā)性、變異性、析出性皆很低且光譜安定，有利於生產(chǎn)管控（甚至自動控制），可應(yīng)用於高等級的光學(xué)元件需求，更可應(yīng)用在抗反射塑膠透光材料的製造等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。 三：高反射光學(xué)膜：基本上而言，高反射光學(xué)膜也是建立在多光束干涉基礎(chǔ)上；與抗反射膜（增透膜）原理相同而作用正好相反。在光學(xué)表面上鍍一層折射率高於基體材料的薄膜（二氧化鈦薄膜）就可以增加光學(xué)表面的反射率。最簡單的多層反射膜是

9、由高折射率材料（二氧化鈦）、低折射率材料（二氧化矽或氧化鋁）交替鍍膜而成的每層膜的光學(xué)厚度為某一波長的四分之一。在這種條件下參加疊加的各界面上的反射光矢量振動方向相同。合成振幅隨著薄膜層數(shù)的增加而增加，其表現(xiàn)出來即是反射光增強(qiáng)。 四：分光膜：根據(jù)一定的要求和一定的方式把光束分成兩部分的薄膜。分光膜主要包括波長分光膜、光強(qiáng)分光膜和偏振分光膜等幾類，分別說明如下： （一）波長分光膜：又叫雙色分光膜，顧名思義它是按波長區(qū)域把光束分成兩部分的薄膜。這種膜可以是一種截止濾光片或帶通濾光片，所不同的是波長分光膜不僅要考慮透過光而且要考慮反射光，二者都要求有一定形狀的光譜曲線。波長分光膜通常在一定入射角下使

10、用，在這種情況下，由於偏振的影響，光譜曲線會發(fā)生畸變，為了克服這種影響，必須考慮薄膜的消偏振問題。 （二）光強(qiáng)分光膜：是按照一定的光強(qiáng)比把光束分成兩部分的薄膜，這種薄膜有時(shí)僅考慮某一波長，叫做單色分光膜；有時(shí)需要考慮一個光譜區(qū)域叫做寬帶分光膜；用於可見光的寬帶分光膜，又叫做中性分光膜。這種膜也常在斜入射下應(yīng)用，由於偏振的影響，二束光的偏振狀態(tài)可以相差很多，在有些工作中，可以不考慮這種差別，但在另一些工作中(例如：某些干涉儀)，則要求兩束光都是消偏振的，這就需要設(shè)計(jì)和製備消偏振膜。 （三）偏振分光膜： 是利用光斜入射時(shí)薄膜的偏振效應(yīng)製成的。偏振分光膜可以分成棱鏡型和平板型兩種，棱鏡型偏振膜利用入

11、射時(shí)“全反射光臨界角”界面的偏振效應(yīng)。當(dāng)光束總是以“全反射光臨界角”入射到兩種材料界面時(shí)，則不論薄膜層數(shù)有多少，其水平方向振動的反射光總為零，而垂直分量振動的光則隨薄膜層數(shù)的增加而增加，只要層數(shù)足夠多，就可以實(shí)現(xiàn)透過光束基本是平行方向振動的光，而反射光束基本上是垂直方向振動的光，從而達(dá)到偏振分光的目的。由於由空氣入射不可能達(dá)到兩種薄膜材料界面上的“全反射光臨界角”，所以薄膜必須鍍在棱鏡上，這時(shí)入射介質(zhì)不是空氣而是玻璃。平板型偏振膜主要是利用在斜入射時(shí)由電介質(zhì)反射膜兩個偏振分量的反射帶帶寬的不同而製成的。一般高反射膜，隨著入射角的增大，垂直分量的反射帶寬逐漸增大，而平行分量的帶寬逐漸減少。選擇垂

12、直分量的高反射區(qū)，平行分量的高透過區(qū)為工作區(qū)則可構(gòu)成透過平行分量反射垂直分量的偏振膜，這種偏振膜的入射角一般選擇在基體的布儒斯特角附近。棱鏡型偏振膜工作的波長範(fàn)圍比較寬，偏振度也可以做得比較高，但它制備較麻煩，不易做得大，抗激光強(qiáng)度也比較低。平板型偏振片工作的波長區(qū)域比較窄，但它可以做得很大抗激光強(qiáng)度也比較高，所以經(jīng)常用在強(qiáng)激光系統(tǒng)中。參：奈米溶膠製作光學(xué)膜與傳統(tǒng)作法之比較： 一：顏色光學(xué)元件：將奈米溶膠製作光學(xué)薄膜與玻璃表面貼膜及玻璃製造時(shí)加入色料作比較，三者比較如下：比較項(xiàng)目玻璃表面貼膜玻璃製造時(shí)加入色料奈米溶膠塗佈外觀顏色多種顏色藍(lán)色、紅色淺藍(lán)色、深藍(lán)色、紫紅色、金黃色正視顏色同外觀顏色

13、同外觀顏色無色室內(nèi)光線暗有色暗有色亮無色耐久性（月）63672透光度（）959598易潔性低低高抗砂塵暴無低高硬度6H7H89H相對生產(chǎn)成本250100120 二：將幾種無機(jī)抗反射光學(xué)膜生產(chǎn)方式比較如下：（一）成本預(yù)期： 比較項(xiàng)目水性溶膠酒精溶膠IPA溶膠濺鍍設(shè)備折舊產(chǎn)品規(guī)格（cm2）120 × 18090 × 10090 × 10035 × 45Cycle time（秒）900600360200每次產(chǎn)出片數(shù)12218產(chǎn)出量（M2月）56,0005940495012480投資金額（萬元）600180018008000折舊成本（元M2）（A）1250601

14、07換槽配槽量（升）2000300600藥液單價(jià)（元升）（模具）1800/6001000/3002500/500400萬換槽頻率（換模具）6 Months2 weeks1 month3 Month換槽成本（元M2）（B作操作單位用量（升M2）0.12/0.030.15/0.090.15/0.09操作成本（元M2）（C）234177425700溶劑添加量（升日）102040溶劑單價(jià)（元升）6018001200溶劑成本（元M2）（D）0.3150240總計(jì)ABCD（元M2）2605071085913良品率（）（概估）（Q）90903090總成本（總計(jì)Q）（元M2）2865

15、6336171015 由上述比較，可以確認(rèn)，水性、結(jié)晶型奈米溶膠，在無機(jī)抗反射光學(xué)膜生產(chǎn)上，在總成本（不含廠房、人工及管銷成本）上，占絕對優(yōu)勢。（二）整體評估：將幾種無機(jī)抗反射光學(xué)膜生產(chǎn)方式，整體評估比較如下：比 較 項(xiàng) 目水性溶膠酒精溶膠IPA溶膠濺鍍投資投資金額（萬元）6000180018008000產(chǎn)出（M2月）56,0005940495012480成本直接成本（元M2）248550925805間接成本（元M2）185060107總成本（元M2）297600975913生產(chǎn)管控性容易不易不易容易成品膜厚控制容易不易不易容易膜層安定性安定會脫落會脫落不耐磨光譜安定性安定不安定不安定安定肆：

16、奈米溶膠製作光學(xué)鍍膜的特有優(yōu)點(diǎn)：  奈米溶膠製作光學(xué)鍍膜除了品質(zhì)、成本及光學(xué)特性的優(yōu)點(diǎn)外，尚有幾項(xiàng)特有優(yōu)點(diǎn)，分別說明如下：（一）  防塵、易潔部份：玻璃、塑膠製品及噴塗有機(jī)膜的產(chǎn)品，存在許多小坑洞；如以放大鏡甚至顯微鏡觀察其表面，可以發(fā)現(xiàn)塑膠製品及有機(jī)膜噴塗的元件，表面的粗糙、凹凸不平的現(xiàn)象。當(dāng)污垢進(jìn)入元件表面粗糙的孔洞內(nèi)時(shí)，會因檻入孔洞內(nèi)部，且和物件形成緊密的接著，造成清除上的困難。針對上述現(xiàn)象，若以極小的奈米粒子填補(bǔ)粗糙孔隙時(shí)，可使物件表面變?yōu)楦交?，污垢不易附著（防塵作用）；而且附著的污垢，其附著力也相對下降，使得清潔容易進(jìn)行（易潔作用）（二）防靜電部份：靜電之所以產(chǎn)

17、生，是因?yàn)槲镔|(zhì)都是由分子組成，分子是由原子組成，原子中有帶負(fù)電的電子和帶正電荷的質(zhì)子組成。在正常狀況下，一個原子的質(zhì)子數(shù)與電子數(shù)量相同，正負(fù)平衡，所以對外表現(xiàn)出不帶電的現(xiàn)象。但是電子環(huán)繞于原子核周圍，一經(jīng)外力即脫離軌道，離開原來的原子核而侵入其他的原子B；原來的原子（A原子）因缺少電子數(shù)而帶有正電現(xiàn)象，稱為陽離子；被電子侵入的原子（B原子）則增加電子數(shù)而呈帶負(fù)電現(xiàn)象，稱為陰離子。(如圖（一）所示) 。造成不平衡電子分佈的原因即是電子受外力而脫離軌道，這個外力包含各種能量(如動能、位能、熱能、化學(xué)能等)。在日常生活中，任何兩個不同材質(zhì)的物體接相互接觸時(shí)，就會使得一個物體失去一些電荷，電子轉(zhuǎn)移到另

18、一個物體使其帶正電，而另一個體得到一些剩餘電子的物體而帶負(fù)電。若在分離的過程中電荷難以中和，電荷就會積累使物體帶上靜電。所以物體與其他物體接觸後分離就會帶上靜電。通常在從一個物體上剝離一張塑膠薄膜時(shí)就是一種典型的“接觸分離”起電，在日常生活中脫衣服產(chǎn)生的靜電也是“接觸分離”起電。當(dāng)靜電積累到一定程度時(shí)就會發(fā)生放電。 傳統(tǒng)上防靜電多利用導(dǎo)電方式消除靜電（如導(dǎo)電網(wǎng)、導(dǎo)電漆、接地等），但有許多材料或場合並不適用。最近另一備受重視且積極探討的方式，是運(yùn)用不易極化的材質(zhì)作表面處理，使其不易產(chǎn)生靜電。其中又以二氧化鈦、二氧化矽及氧化鋁等金屬氧化物所形成的薄膜，安定性高，又不易極化或產(chǎn)生靜電，在材質(zhì)表面形成密緻的保護(hù)膜後，可隔絕外力對材質(zhì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，可免除靜電的困擾而備受重視。 傳統(tǒng)上，要形成金屬氧化物薄膜，皆以真空蒸鍍法生產(chǎn)。但真空蒸鍍的設(shè)備投資大，產(chǎn)出效率低，只能用在高價(jià)位產(chǎn)品，無法推廣至一般產(chǎn)品。利用奈米溶膠在塑膠製品表面作塗佈，可產(chǎn)生品質(zhì)同真空蒸鍍所製造一樣的二氧化鈦、二氧化矽及氧化鋁等金屬氧化物薄膜，但量產(chǎn)可行性高很多。 實(shí)際將二氧化鈦塗佈在PC表面，在不同時(shí)間得靜電測量值如下： 由上圖可知，對防靜電有明顯作用。（三）增亮（光澤）部份：如前述所言，玻璃、塑膠製品及有機(jī)膜噴塗的元