CN100437152C - 湿式抗反射化合物薄膜的涂布方法 - Google Patents

Abstract

一种湿式抗反射化合物薄膜的涂布方法，包括下列步骤：(1)提供并清洗一基材；(2)提供一成膜液，该成膜液由用以形成薄膜的化合物溶于易挥发溶剂内而组成；(3)在室温下将成膜液均匀涂布于基材表面，确认基材表面的液体在室温下完全挥发后，即完成单层薄膜的涂布而无须热处理；以及(4)依需求重复步骤(3)，以完成所需的涂布层数。本发明在室温下将成膜液涂布附着于基材表面上直接产生抗反射效果，可避免热处理对塑料基材的损坏及现有镀膜技术需耗费的人力与成本，且形成之薄膜厚度均匀，不易脱膜，可适用于体积小、曲率大、表面形状不规则的基材。

Description

湿式抗反射化合物薄膜的涂布方法

技术领域

本发明涉及一种抗反射薄膜的涂布方法，特别是关于一种湿式抗反射化合物薄膜的涂布方法。

背景技术

光波在不同介质间传播时，会因为介质之间折射率的差异，而产生折射与反射的现象。为了消除反射光并增加穿透率，可在基材两侧镀上具有适当折射率及厚度的薄膜，利用此薄膜造成的光波干涉现象，来达到抗反射及增透的效果。这些抗反射薄膜可以是针对单一波长零反射率的单层或双层设计，也可以是针对双波长或特定波段零反射率的多层设计，需视特殊应用而定。

用以产生抗反射薄膜的现有方法主要有物理气相沉积法(Physical Vapor Deposition，简称PVD法)和化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，简称CVD法)。但是，这两种方法还是存在着一定的不足之处。例如，一般的PVD法形成的膜和基材的结合力相对较差，易引起脱膜。在光学组件市场逐渐趋向于体积小、曲率大的光学基片的情形之下，组件体积越小、曲率越大，则其表面效应的影响越大，采用一般PVD法引起脱膜的可能性也越高。并且，PVD法采用的设备较复杂，购买、操作和维修设备的成本较高，这限制了它的广泛使用。此外，PVD法中采用的蒸发方法也因对流冷却在真空中无效率，且热组件材料放射的热辐射有可能被基材吸收而引起基材的加热；这种加热可引起基材特别是塑料基材的损坏，如内应力和翘曲。

相对PVD法而言，CVD法的沉积温度较高，除了少数可在600℃以下之外，多数都必须要在900-1000℃才能实现，有的甚至要在更高的温度下才能进行。高温加热容易引起基材的变形和组织上的变化，会降低基材的机械性能。另外，基材和沉积的膜层中的合金元素在高温下会相互扩散，在交界面处形成某些脆性相，从而削弱了两者之间的结合力，易引起脱膜。所以，高温加热是一般CVD法的主要缺点，这使它在应用上，特别是在应用于塑料基材时，受到极大的限制。

除PVD法与CVD法外，基于溶胶-凝胶技术(Sol-Gel)的湿式镀膜法也可用于形成抗反射薄膜。溶胶-凝胶技术是指金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成氧化物或其它化合物固体的方法。其一般成膜过程为：将溶液或溶胶通过浸渍法在基材上形成液膜，随后将基材垂直立起，经凝胶化后通过热处理而转变成无定形态或多晶态涂层。采用这种方法仍需经过热处理，即烘烤，才能固化成膜，因此也不适用于塑料基材。并且，基材从溶液或溶胶中提起用于烘烤干燥的过程中，由于溶液或溶胶会向下沉降，从而导致基材下侧部分膜的厚度增加。特别在基材面积较大的情况下，基材上下侧膜厚的差异较大，以致难以形成厚度均匀的薄膜。

因此，有必要提供一种改良的抗反射薄膜涂布方法，其只需要简洁、廉价的装置，在室温下即可实施，且形成的薄膜厚度均匀，不易脱膜。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种湿式抗反射化合物薄膜的涂布方法，该方法在常温下，无须热处理即可实施，从而可适用于包括塑料基材在内的各种基材的涂布。

本发明的另一目的在于提供一种湿式抗反射化合物薄膜的涂布方法，藉该方法形成的薄膜厚度均匀，不易脱膜，可适用于体积小、曲率大、表面形状不规则的基材。

本发明的再一目的在于提供一种湿式抗反射化合物薄膜的涂布方法，该方法只需要简洁、廉价的装置即可实施，避免了现有镀膜技术需耗费的大量人力与机台成本，从而可大幅降低成本。

为实现上述目的，本发明湿式抗反射化合物薄膜的涂布方法包括下列步骤：(1)提供并清洗一基材；(2)提供一成膜液，该成膜液由用以形成薄膜的化合物溶于易挥发溶剂内而组成；(3)在室温下将基材浸泡入成膜液中一定时间；(4)以一定速度使基材脱离成膜液，该速度控制为基材离开成膜液液面的瞬间溶液即完全挥发，即完成单层薄膜的涂布而无须热处理；以及(5)依需求重复步骤(3)与(4)，以完成所需的涂布层数。

上述湿式抗反射化合物薄膜的涂布方法中，该成膜液中用以形成薄膜的化合物为无机氧化物、氮化物、硫化物、硒化物或氟化物。其中的步骤(4)可藉由浸渍涂布法而实现，即将基材浸泡入成膜液中一定时间，随后藉由提拉的方式或成膜液液面沉降的方式使基材脱离成膜液。采用提拉方式时，该基材可放置于可固定的篮架内，利用等速升降的马达将该基材篮等速浸泡入成膜液中再等速提起。其中，将该基材篮从成膜液中等速提起的速度控制为基材离开成膜液液面的瞬间溶液即完全挥发。

与现有技术相比，本发明在室温下将成膜液涂布附着于基材表面上直接产生抗反射效果，可避免热处理对塑料基材的损坏及现有镀膜技术需耗费的人力与成本，且形成的薄膜厚度均匀，不易脱膜，可适用于体积小、曲率大、表面形状不规则的基材。

以下结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明的涂布流程示意图。

图2为采用本发明的涂布方法将塑料基材以不同浸泡频率浸泡于固定浓度的成膜液内，所获得的薄膜其反射率与波长的关系图。

图3为采用本发明的涂布方法将玻璃基材以固定浸泡时间浸泡于不同浓度的成膜液内，所获得的薄膜其反射率与波长的关系图，以及所获得的薄膜其反射率与未涂布的玻璃基材反射率的比较图。

具体实施方式

有关本发明的详细说明及技术内容，现就结合附图说明如下：

请参阅第一图，本发明湿式抗反射化合物薄膜的涂布方法，包括下列步骤：首先，如步骤S10所示，提供并清洗一基材，如一光学基片(塑料、玻璃镜片等)；接着，如步骤S20所示，提供一成膜液，该成膜液由用以形成薄膜的化合物溶于易挥发溶剂内而组成；然后，如步骤S30所示，在室温下将成膜液均匀涂布于基材表面，确认基材表面的液体在室温下完全挥发后，即完成单层薄膜的涂布而无须烘烤等热处理；最后，如步骤S40所示，依需求重复步骤S30，以完成所需的涂布层数，至此即完成基材薄膜的整个涂布过程。

其中，步骤S10中，基材的清洗可藉由化学清洗法、超声波清洗法、离子轰击法等方法实现，以清除基材表面的污物，进而获得质量优良的薄膜。从降低成本角度考虑，优选方式为化学清洗法。

步骤S20中，成膜液中用以形成薄膜的化合物为无机氧化物、氮化物、硫化物、硒化物或氟化物。本发明优选实施例为固态氟化物，其为氟化的Bi、Ca、Ce、Na、Pb、Li、Mg、Nd、Ba或Th。该成膜液中易挥发的溶剂为本技术领域内已知的在常温下易挥发的溶剂，如超临界CO₂。

步骤S30中，在室温下将成膜液均匀涂布于基材表面的较佳实施方式可藉由浸渍涂布法而实现，即，将基材浸泡入成膜液中一定时间，随后藉由提拉的方式或成膜液液面沉降的方式使基材脱离成膜液。这种浸渍涂布法最为简便，可进行大面积镀膜，也适合于各种曲面、异形面。薄膜厚度由提拉速度或液面的沉降速度来控制。此外，溶液的黏滞系数越高，薄膜越厚。

采用提拉方式时，该基材可放置于可固定的篮架内，利用等速升降的马达将该基材篮等速浸泡入成膜液中再等速提起。其中，马达的升降速度采用等速，该升降速度视当时的基材材质、表面粗糙度、基材成形条件、表面积大小、表面曲率而定。如基材表面粗糙度较大、为不规则形、表面积较大，应降低马达的升降速度。速度控制的原则为基材离开液面的瞬间溶液即完全挥发，这样可以避免溶液自然阴干后残留水渍的现象与薄膜厚度不均匀的现象。

上述放置基材的篮架的主要作用为固定基材在升降过程中不会掉落，其设计须符合固定基材、避免浸泡后基材表面膜厚不均的原则。因此，基材篮的设计须配合基材浸泡入成膜液液面的角度、方向，而并非完全固定。基材浸泡入液面的角度和方向由基材的材质、表面粗糙度、基材成形条件、表面积大小、表面曲率而定。

基材浸泡入成膜液后提起，且确认基材表面的液体在室温下完全挥发后，可依需求再将基材篮浸泡入成膜液中。如此重复浸泡多次，如步骤S40所示，直至基材表面达到所要求的抗反射效果。其中，基材重复浸泡的次数或浸泡频率与基材本身的材质、表面粗糙度、基材成形条件、表面积大小、表面曲率有关；与成膜液浓度、溶质化合物、溶剂成份有关；与需求的抗反射波段有关；也与基材浸泡在成膜液里的时间长短有关。如基材表面粗糙度较大、为不规则形、表面积较大、表面曲率较大，应增加重复浸泡的次数；在固定溶质化合物、溶剂成份的条件下，成膜液浓度越高，则重复浸泡的次数应越少；在需求的抗反射波段较宽的情形下，重复浸泡的次数应增加；如基材浸泡在成膜液里的时间较长，则重复浸泡的次数应减少。

第二图所示为采用上述浸渍涂布法将塑料基材以不同浸泡频率浸泡于固定浓度的成膜液内，所获得的薄膜其反射率(以百分比表示)与波长(以奈米nm表示)的关系图。由该图可知，在成膜液浓度固定，每次浸泡时间为10秒的情形下，在可见光波段(400-760nm)内，一次浸泡(10秒)、二次浸泡(10+10秒)、三次浸泡(10+10+10秒)塑料基材所得的各反射率曲线(分别参曲线A、曲线B、曲线C)总体呈递减趋势。即，三次浸泡所得的薄膜总体反射率明显低于一次浸泡与二次浸泡，也即，三次浸泡所得的薄膜抗反射效果最好，其反射率在可见光波段内基本位于1％-2％的范围之内。

第三图所示为采用上述浸渍涂布法将玻璃基材以固定浸泡时间浸泡于不同浓度的成膜液内，所获得的薄膜其反射率(以百分比表示)与波长(以奈米nm表示)的关系图，以及所获得的薄膜其反射率与未涂布的空白玻璃反射率的比较图。由该图可知，在涂布前，空白玻璃硝材在可见光波段内的反射率大约为4％(参曲线D)。涂布成膜液后，其反射率明显减小(参曲线E、F、G)。在浸泡时间相同，成膜液溶液成份相同的情形下，比较反射率曲线E(0.8莫耳浓度)与曲线F(0.5莫耳浓度)可知，溶液浓度较高时，所得薄膜的总体反射率较低，即在可见光波段内总体抗反射效果较好。特别的，在某一可见光波段(400-500nm)内，即接近近紫外波段区，浓度较低的曲线F的折射率反而要低于曲线E。因此，成膜液实际浓度的选择还应依据所需求的抗反射波段而定，并非是绝对的。曲线G(0.5莫耳浓度)与曲线E、F的溶液成份不同，但浸泡时间相同。与曲线F相比，曲线G的总体反射率明显较低，即在可见光波段内所得薄膜的总体抗反射效果较好。这说明，除成膜液的浓度外，成膜液的成份也直接影响着所得薄膜的抗反射效果。

除上述浸渍涂布法外，本发明还可运用其它类似的方式让成膜液附着于基材表面后挥发，以同样达到抗反射的效果。这些方式包括旋转涂布法、喷溅涂布法、涂擦涂布法等。

旋转涂布法是采用转速可调的高速旋转工具带动基材在水平面内作平稳高速转动，成膜液从上方滴到基材上，利用工具旋转所产生的离心力让成膜液均匀分布于基材表面，并藉由控制成膜液溶液浓度、溶液成份、溶液量和旋转速度来形成所需的抗反射效果。成膜液溶液在室温下快速挥发后，即实现镀膜。这种方法较简单，涂布的薄膜较均匀，薄膜厚度由转速和成膜液的黏滞系数调节控制。转速越高，黏滞系数越小，薄膜越薄。这种方法对成膜液的利用率很高，只需配制少量(数毫升)成膜液即可进行涂布，但只能用于涂布尺寸较小的圆形基材。

采用上述旋转涂布法，由于成膜液在室温下可快速挥发，因此，所得薄膜较均匀，有效克服了现有旋转镀膜法所产生的膜厚不均，必须强制干燥等缺陷。

喷溅涂布法类似喷漆，在安置好基材后，可利用活动的工具，如喷头，配合基材外形将成膜液均匀喷洒于基材表面，利用液体的流平作用形成一层均匀薄膜。所需的抗反射效果可藉由控制成膜液溶液浓度、溶液成份、溶液量，再配合溶液挥发速度来达成。该方法对成膜液的利用率高，可以大面积镀膜，也可对不规则表面镀膜。薄膜厚度由喷出量和溶液黏滞系数、溶质含量等控制，但薄膜的均匀性较难控制。

涂擦涂布法是在安置好基材后，利用活动工具，如网纹辊，将成膜液均匀涂擦于基材表面，并藉由控制成膜液溶液浓度、溶液成份、溶液量，再配合溶液挥发速度来达成所需的抗反射效果。

本发明的湿式涂布法在室温下即可实施，溶液挥发后化学物质附着在基材表面直接形成具抗反射效果的化合物薄膜，而不需烘烤等热处理。因此，本发明可适用于各种基材，如塑料或其它不适合热处理的材质、表面形状不规则易造成镀膜不均的基材、不适合摆入机台内镀膜的立体状基材，以及表面能不稳定、易脱膜的基材。

本发明直接在基材表面涂布化学药剂，相较于现有镀膜技术省略了许多繁复且易出错的步骤，量产稳定性和良率因此可大幅提升。以此方法制得的抗反射薄膜厚度均匀，经环境测试后证实能通过冷热冲击、恒温、恒湿等测试，即使基材体积极小，也不易有脱膜的困扰。

此外，除了清洁基材表面外，本发明不需对基材进行其它特殊的处理。所需装置简洁、廉价，相较现有镀膜技术大幅地节省了机台费用和人力成本。

Claims (7)

1、一种湿式抗反射化合物薄膜的涂布方法，包括下列步骤：

(1)提供并清洗一基材；

(2)提供一成膜液，该成膜液由用以形成薄膜的化合物溶于易挥发溶剂内而组成；

(3)在室温下将基材浸泡入成膜液中一定时间；

(4)以一定速度使基材脱离成膜液，该速度控制为基材离开成膜液液面的瞬间溶液即完全挥发，即此完成单层薄膜的涂布而无须热处理；以及

(5)依需求重复步骤(3)与(4)，以完成所需的涂布层数。

2、如权利要求1所述的湿式抗反射化合物薄膜的涂布方法，其特征在于所述成膜液中用以形成薄膜的化合物为固态氟化物。

3、如权利要求1所述的湿式抗反射化合物薄膜的涂布方法，其特征在于所述步骤(4)藉由提拉的方式或成膜液液面沉降的方式使基材脱离成膜液。

4、如权利要求3所述的湿式抗反射化合物薄膜的涂布方法，其特征在于所述基材放置于可固定的篮架内，利用等速升降的马达将该篮架等速浸泡入成膜液中再等速提起。

5、如权利要求1所述的湿式抗反射化合物薄膜的涂布方法，其特征在于，各涂布层使用相同的成膜液。

6、如权利要求1所述的湿式抗反射化合物薄膜的涂布方法，其特征在于所述基材为光学基片。

7、如权利要求6所述的湿式抗反射化合物薄膜的涂布方法，其特征在于所述光学基片为塑料镜片或玻璃镜片。

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