高硬度抗指紋增透膜的生產工藝及其性能測試

吳衛鋒 ，張豐剛，付 鵬，唐 響

（1.池州學院 機電工程學院，安徽 池州 247000；2.池州市正彩電子科技有限公司，安徽 池州 247000；3.池州市光學真空鍍膜工程技術中心，安徽 池州 247000）

自從手機出現以來，隨著科技的進步，人機交互的方式在不斷改變更新，促進了觸摸屏技術的快速發展。因其具有操作簡單、易于交流、反應速度敏捷、物理按鍵減少等優點而深受用戶的喜愛與追捧。其特點是只需在屏幕上點擊文字或圖標就可以進行相應的操作，便于用戶的快捷使用。追溯觸摸屏發展歷史，世界上第一塊觸摸傳感器于1971年在美國誕生[1-2]，標志著觸摸屏時代的到來。三年后電阻觸摸屏也被設計出來[3]。1982年，首款面向消費市場的觸摸屏[4]問世。后來經過科技發展，基于表面電容觸屏的技術開始出現，它具有準確、耐用等優點，2007年3月韓國的LG公司推出基于電容觸屏的普拉達手機，同年6月美國的蘋果公司推出了iphone手機，將透明透射式電容觸摸屏推到觸摸屏的最前沿[6-7]。

目前，市場上觸摸屏的種類繁多，早期應用于手機和儀器儀表上的是電阻觸摸屏[8-9]，后來出現了電容式觸摸屏，其優點是定位觸摸準確，但這種觸摸屏的反光嚴重。

普通電容式觸摸屏由于在強光下具有較高的反射率，表面容易殘留手指紋或油污，甚至會影響手指觸摸的定位，因此，提高觸摸屏的透射效率是現實所需，也是用戶的殷切期望。研究人員利用光學薄膜技術，給觸摸屏鍍上一種透光的表面光學薄膜（稱為增透膜），其目的是減少反射量增加透射率。常見的單層增透膜是由一透光的表膜薄層MgF2構成，其折射率為1.38，膜厚要符合光的干涉原理，一般為90nm左右，通過真空蒸鍍的方法，可以實現在高溫玻璃基材上鍍上MgF2薄膜。普通的光學玻璃，在800g負載下其表面硬度可達到7H，即便是質量較差的玻璃，其表面硬度也有6H，而常規的鏡頭表面增透膜較薄，增透膜硬度較差，成膜后的鏡頭表面硬度低于原玻璃硬度，使用過程中極易造成鏡頭表面的劃傷，嚴重影響手機的成像功能。

如果想得到更低的反射率，具有更高的硬度，則可以采用組合膜層來實現，借助池州市光學真空鍍膜工程技術中心平臺與池州市正彩電子科技有限公司合作，組織科研人員科技攻關，采用真空蒸鍍的方法，提出一種新的多層鍍膜結構，在玻璃基材上實現了高硬度、高增透的抗指紋膜層。課題組采用控制變量法，對影響膜層物理性能的重要參量（如硬度、膜層結合度、透光率等）進行了多次檢測，得到了令人振奮的實驗結果，具有推廣價值。

1 高硬度抗指紋增透膜的生產工藝

1.1 鋼化膜抗指紋技術

抗指紋是Anti-fingerprint的中文翻譯，可取英文的縮寫AF，AF技術是研究人員通過模仿蓮葉自潔的功能，將其應用于表面納米結構的技術上，開發出了具有自潔、抗污特性的納米涂料，AF抗指紋涂層工藝就由此原理產生。在玻璃外表面涂制一層納米氟化物材料，將玻璃表面張力降至最低，使得顆粒物灰塵與玻璃表面接觸面積減少90%，使其具有較強的抗油污、抗指紋和疏水的能力，這樣觸摸屏玻璃面板就能保持著光潔明亮的界面。

高端手機背板就不僅需要具備防污性、抗指紋，而且還需要具備防刮傷、耐磨性等產品特性，這可進一步提升產品的科技感與使用手感。其主要原因是該工藝降低了指紋的附著力，減少表面上污跡殘留的同時具有易清潔的特性。

1.2 鋼化膜AF的生產工藝

鋼化膜AF的生產工藝主要有以下三種：

（1）真空蒸鍍：應用真空電子束鍍膜機在近似真空的環境中，通過加熱蒸發的方式把鍍膜材料氣化，氣化后的鍍膜材料粒子在基材表面凝聚成光學薄膜。

（2）噴涂電鍍：利用高壓將抗指紋氟化物藥水均勻噴涂在基材表面形成薄膜。

（3）真空濺鍍：多用于金屬表面的鍍膜，利用輝光放電將氬氣離子撞擊，與反應性氣體反應并沉積在金屬表面形成薄膜。

1.3 AF處理工藝流程

課題小組采用真空蒸鍍的工藝對鋼化玻璃基材進行多層鍍膜，其工藝流程如圖1所示。其工藝步驟也可以具體解釋為以下四步：

圖1 AF處理工藝流程

（1）清潔過程：采用弱堿性清洗劑或少量溶劑去除待鍍光學玻璃基材表面油分、水分等污染，使用離子源轟擊清洗待鍍光學玻璃表面，離子束不僅能有效地清洗待鍍光學玻璃表面，還能消除表面靜電，有效改善鍍膜與待鍍光學玻璃表面的結合。

（2）鍍膜過程：依次向光學玻璃表面鍍制第一層SiO2、第二層Al2O3、第三層ZrO2、第四層SiO2，在鍍制的過程中不停地用離子源轟擊待鍍面，鍍制完成即可得到需求的增透膜；其第一層SiO2的厚度在15～20nm之間；第二層Al2O3的厚度在110～150nm之間；第三層ZrO2的厚度在100～135nm之間；第四層SiO2的厚度在80～95nm之間。

（3）烘烤過程：噴涂后取出，放入烤箱，根據產品材質不同調整烘烤時間與溫度。

（4）檢測包裝過程：產品清潔后，成品包裝。

鍍膜過程中，設備的腔室內溫度保持在130～150℃，采用高溫環境中進行鍍膜，有效地降低了水分的存在，確保更高、更純的成膜環境，對增加膜層硬度及附著力有利，但是該溫度不宜過高，過高時易造成印刷油墨的龜裂，過低時膜層硬度及附著力的提高不明顯。

為了進一步提高增透膜的膜層硬度，課題小組采用真空蒸鍍的方式在增透膜的上面蒸鍍一層有機氟化物材料。該氟化物材料不僅具有防水、防油、防指紋的作用，還能間接地提高增透膜的抗刮傷能力。

2 高硬度AF增透膜的實驗檢測

2.1 實驗檢測主要設備

針對生產出來的高硬度AF增透膜，需要檢測其物理性能，高硬度增透膜的生產工藝及實驗測試用到的儀器主要有：日本新科隆SLD-1100D型真空電子束鍍膜機；美國INFICON IC/5石英晶體控膜監測儀；BEVS 1301鉛筆硬度計；723PCS型分光光度計。

2.2 實驗檢測過程

采用鋼化玻璃基材，在負重800g未鍍膜處理時，測得玻璃表面硬度為7H，在420～680nm的平均透光率為91.2%。選擇鍍膜腔室的溫度為130～150℃，在離子源輔助的情況下，采用離子源轟擊處理的方法，對鋼化玻璃進行多層鍍膜處理，其中第一層（SiO2）、第二層（Al2O3）、第三層（ZrO2）、第四層（SiO2）采用控制變量法，通過厚度、溫度、AF膜，離子源輔助等因素的變化來檢測光學薄膜的膜層硬度和透光率，最外層鍍上25nm的氟化物AF膜層，分別用BEVS-1301型鉛筆硬度計和723PCS型分光光度計（上海欣茂）測量鍍膜后玻璃板表面的硬度和透光率。

2.3 實驗檢測結果及數據分析

確定在腔內溫度一定的情況下，經過離子源輔助，在沒有鍍AF膜的膜層厚度對其硬度的影響，每種類型測5次，求其硬度平均值，實驗數據見表1。

表1 膜層厚度對膜硬度的影響

經過多次實驗求出同等條件下測量數的平均值，從實驗結果可知：鋼化玻璃基材經過多層鍍膜，每層膜的厚度不同，經過離子源輔助，鍍膜后的基材硬度由7H增加到8H，與每層膜的厚度無關。

保持膜層厚度不變，分別用離子源輔助和離子源沖擊處理，每種類型測5次，求出膜層硬度的平均值，具體數據見表2。從測得的數據中可以知道沒有離子源輔助，鍍膜后的基材硬度沒有增加；有離子源輔助，但沒有沖擊處理，所鍍的膜層硬度反而降低。各膜層的結合強度不高，甚至出現針孔狀脫落現象，嚴重的甚至出現膜層間接觸面積20%以上的脫落和膜層變色等不良影響。

表2 離子源輔助和轟擊處理對膜層硬度和結合度的影響

◎：膜層無脫落無變色；▲：膜層輕微脫落（面積小于20%），輕微變色；

Ⅹ：膜層完全脫落（面積大于20%），變色嚴重。

再通過23PCS型分光光度計（上海欣茂）測量鍍膜后玻璃板表面的透光率，控制溫度不變，改變膜層間的厚度，隨膜層厚度的增加，透光率有所降低，但整體透光率較高。

高硬度增透膜上加鍍25nm氟化物AF膜，控制腔室內的溫度不變，各膜層厚度不變，每種類型測5次，其透光率的平均值如表4所示。比較表3和表4中的數據可知，在加鍍了AF膜后，膜層的透光率略微下降，但仍具有較高的透光性。

表3 膜層厚度對透光率的影響

表4 加鍍AF膜后的膜層透光率

在高硬度增透膜上加鍍25nm氟化物AF膜，控制腔室內的溫度在所鍍材料氣化溫度130～150℃之間變化，各膜層厚度不變，每種類型測5次，其膜層硬度的平均值如表5所示。比較表5和表1中的數據可知，在加鍍了AF膜后，膜層的硬度也達到8H，可見，有無加鍍AF膜，對加鍍了4層增透膜后的硬度基本沒有影響。

表5 加鍍AF膜后的膜層硬度

3 結語

高硬度AF增透膜具有以下性能特點：（1）減少指紋及各種污漬附著，提高擦拭清潔能力；（2）優異的防水防污效果；（3）化學鍵合，耐久性強；（4）有效防止表面劃傷；（5）形成極薄納米級的透明且高硬度的薄膜，極低的表面張力（11～12mN/m）；（6）產品無毒、不含氯和溴、無閃點、安全性高。

目前高硬度抗指紋增透膜的多層蒸鍍技術正逐步運用在智能手機觸摸屏、平板電腦、車載觸摸屏上，以上性能對手機觸摸屏進行AF抗指紋多層鍍膜處理，可以做到一定程度的防塵、防水，這在一定程度上保護了電子產品主體運行的安全性，延長使用壽命。其它具有觸摸屏的電子設備也將加大對高硬度抗指紋膜技術的運用，此項技術具有廣闊的應用前景和商業價值。