TW201425256A - 抗沾黏之透光薄膜及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本發明為一種抗沾黏之透光薄膜及其形成方法，其係利用物理氣相沈積法於一基材表面沉積一透光薄膜，該透光薄膜具有高透光、硬度佳及耐酸性等特性，對於水、油及人體模擬組織具有良好的抗沾黏性，而該透光薄膜以單層結構即具有抗反射膜的功能，該透光薄膜與基材表面之間更可進一步沉積一氧化物層，以強化該透光薄膜設於該基材表面之附著力，且本發明之透光薄膜，能於低於100℃之製程溫度，及不需採用含有金屬或氟之前驅物的情況下成形，以降低工業應用之成本，並適用於金屬、非金屬及高分子等不耐溫基材，可應用之產業極廣。

Description

抗沾黏之透光薄膜及其形成方法

    本發明係有關於一種薄膜，特別是一種利用物理氣相沉積法製備含氟之抗沾粘之透光薄膜及其形成方法。

    按，現今光學元件之普遍使用，例如眼鏡鏡片、望遠鏡、照相機、攝影機及顯示器等，當一光線入射於不同介質上會發生穿透、吸收、反射等現象，然，過多的光線反射會互相干擾，更進一步影響視覺上之判斷，對於需要利用視覺進行判斷差異性時，會因為過多反射光之干擾而導致判斷錯誤，例如照相機鏡頭會因為反射光過多導致顏色黯淡，導致使用照相機之民眾無法經由鏡頭擷取正確影像之顏色光澤，因此，於光學元件之鏡頭設置一抗反射膜用於降低光學元件之反射率，以增強穿透光學元件之入射光，以及讓反射光無法影響視覺之感受。
    已知應用於鏡片的抗反射膜分為單層或多層膜設計。單層膜一般會以蒸鍍法制備氟化鎂(MgF₂)，但氟化鎂硬度較低有耐磨性不足之缺點。而多層膜設計通常是在該鏡片上依序堆疊數層膜層，且相鄰之膜層的折射率不同，例如在鏡片表面依序堆疊SiO₂、TiO₂、SiO₂、TiO₂、…、SiO₂等多層膜層，而且SiO₂層之折射率小於TiO₂層之折射率，藉由適當厚度與高、低折射率膜層的交錯配置，使入射光線的反射波形成破壞性干涉，進而降低反射光，達到抗反射效果。但其缺點係多層膜設計需有精確的製程控制與非常精密昂貴的設備，才能達成抗反射之光學特性。
    再者，光學應用之抗反射膜通常是設於光學元件之外部，暴露於外界環境下，經常會面臨有異物沾附表面的時候，當抗反射膜表面附著有異物時，原有的光學特性即會大幅降低，導致光學元件無法正常運作。現有的抗反射膜對於抗異物沾黏之能力，使用於內視鏡時特別顯得不足；由於內視鏡是用一根細長的光學鏡頭經由人體原有的孔道伸入人體，以最少的傷害達成觀察人體內部器官的目的，操作的過程中必會碰觸人體內部之組織，首當其衝就是內視鏡的鏡頭，而習知鏡頭表面設置之抗反射膜，目前並沒有辦法達到抗沾粘的效果，使內視鏡在操作的過程中會不斷地受到干擾。
    例如，台灣專利公告第I293126號「抗反射膜及其製造方法」，其係利用水解與縮合之反應使一金屬烷氧化物或金屬無機鹽類形成一膠體，以製造一層或複數層薄膜而形成一抗反射膜。其中一開始之步驟係提取一金屬烷氧化物或一金屬無機鹽類進行水解與縮合聚合反應而生成為一膠體，接續溶解膠體於一有機溶液，以便膠體與有機溶液加入反應器後可讓膠體均勻反應，然後加入一光起始劑以讓膠體於反應器進行反應，最後讓反應器生成之混合溶液以旋轉塗佈於一透明基板上，如此即可形成一抗反射膜於透明基板上。然，該前案揭露之旋轉塗佈方法對於複雜形狀，及需要高厚度精度控制之光學元件，有厚度均勻性不足問題，且溶劑揮發或促使薄膜乾燥溫度可能高達300℃以上，對於耐溫性不足之材料即無法適用，再者，其所成形之薄膜並不具有抗沾粘之特性。
    又如，台灣專利公告第I302549號「經全氟聚醚改質之矽烷、含彼之表面處理劑、及抗反射濾膜」，其係一種含有無機抗反射層的抗反射濾膜，包含以二氧化矽為主的無機層形式的表面層，及在表面層上的抗結垢層，較佳為經全氟聚醚改質的矽烷。抗結垢層具有低的表面能量以及對污染物最低的黏結力，能長期維持該效果，可抵抗污染物的沈積，諸如指紋、皮膚油脂、汗與化妝品。即使當污染物沈積其上，抗結垢層使其容易拭除污染物，且擦拭時其功能受到極小的降低。然，該前案所揭露之抗反射濾膜，仍須有雙層結構，且其材料系統以二氧化矽為主，而抗結垢層採用全氟聚醚改質的矽烷及/或其部分水解縮合物，過程均需要許多溶劑參與反應如二甲苯及三氟甲苯等，對於環保非常有不利之影響。
    由於現有技術尚無法完善處理此類問題，所以有加以突破、解決之必要。因此，如何提升方便性、實用性與經濟效益，此為業界應努力解決、克服之重點項目。
    緣此，本發明人有鑑於習知抗反射膜及其形成方法之缺失未臻理想之事實，本案發明人即著手研發其解決方案，希望能開發出一種更具便利性、實用性與高經濟效益之抗沾黏之透光薄膜及其形成方法，以促進社會之發展，遂經多時之構思而有本發明之產生。

    本發明之目的在於提供一種抗沾黏之透光薄膜，其具有高透光、硬度佳及耐酸性等特性，對於水、油及人體模擬組織具有良好的抗沾黏性，由於薄膜摻雜比例較高的氟化物，因此只需單層結構即具有抗反射膜的功能，減少因光線反射所造成之穿透率之損失。
    本發明之目的在於提供一種抗沾黏之透光薄膜形成方法，其係利用物理氣相沉積方法，於真空環境下，將氟化物摻雜加入氧化物薄膜材料中，而不需採用含有金屬或氟之前驅物，能大幅降低工業應用之成本，適合於批量式及連續式生產型態，且製程溫度低於100℃，適用於金屬、非金屬及高分子等不耐溫基材，可應用之產業極廣。
    為達上述之目的，本發明係提供一種抗沾黏之透光薄膜，其包含一透光薄膜，其包括一氧化物及一氟化物。
為達上述之目的，本發明係提供一種抗沾黏之透光薄膜形成方法，其步驟包含：提供一基材於一真空環境；提供一靶材於該真空環境；通入一氟化物氣體及一氧氣於該真空環境與該靶材電漿解離之複數離子混合，且該些離子與該氧氣反應成一氧化物；及沉積一該氟化物與該氧化物於該基材。

    茲為使對本發明之結構特徵及所達成之功效更有進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例圖及配合詳細之說明，說明如後：
    由於光反射膜通常係暴露於外界環境，其表面容易沾粘異物，該些異物會使原有的光學特性大幅降低，導致光學元件無法正常運作，而應用於內視鏡鏡頭之抗反射膜，在鏡頭伸入人體內部後，人體之組織容易沾粘於該鏡頭，導致內視鏡操作之過程受到阻礙，鏡頭拍攝之畫面受到侷限，且習知之光反射膜尚無以單層並兼具抗沾粘及高透光之結構及形成方法，因此，本發明即提出得以改善習知缺點之技術。
    首先，請參閱第一圖，其為本發明之第一較佳實施例之結構剖視圖；如圖所示，本實施例包含一透光薄膜10，該透光薄膜10之組成包括一氧化物12及一氟化物14，該氧化物12與氟化物14係沉積於一基材30表面。
    該氧化物12可為金屬氧化物或非金屬氧化物，該氧化物12選自錫、銦、鋯、矽、銅、鉛、鈦、汞、鋅或鋇之氧化物擇一者。該氟化物14係為包含氟、氧及碳之化合物。
    其中，該氟化物14之氟原子於該透光薄膜的含量百分比為0.2~20at.%，該氧化物12為金屬氧化物或非金屬氧化物，該氧化物12之金屬原子或非金屬原子於該透光薄膜的含量百分比為0.5~25at.%，其它氧或碳原子於該透光薄膜的含量百分比為25~55at.%。該透光薄膜10之厚度約為100~5000奈米(nm)，又以100~300奈米(nm)之厚度具最佳可見光波長範圍透光率。
    該透光薄膜10係透過物理氣相沉積法形成於該基材30表面，該基材30可為一透明基材或一不透明基材，透明基材之材料選自玻璃、陶瓷或高分子材料擇一者，不透明基材之材料選自金屬或碳化鎢擇一者。本發明主要應用於透明基材，例如光學鏡片、醫療用內視鏡鏡頭、照相機鏡頭、顯示器面板、太陽能板或其他需抗沾黏及高透光之基材等。
    該透光薄膜10係形成於鏡片或鏡頭表面，並具有高透光、硬度佳及耐酸性等特性，對於水、油及人體模擬組織具有良好的抗沾黏性，且只需單層結構即具有抗反射膜的功能，以減少因光線反射所造成之穿透率之損失。
    請參閱第二圖，其為本發明之第二較佳實施例之結構剖視圖，其係以第一較佳實施例為基礎之技術延伸；如圖所示，本實施例與第一較佳實施例之差異，在於該透光薄膜10與基材30之間更設有一氧化物層20，其係以物理氣相沉積法形成於該基材30表面。該氧化物層20之材料選自錫、銦、鋯、矽、銅、鉛、鈦、汞、鋅或鋇之氧化物擇一者，該氧化物層之厚度為25~500奈米(nm)，最佳之厚度為100~300奈米(nm)。
    由於該氧化物層20與該基材30之親和力較強，能夠穩定附著於該基材30表面，並作為該透光薄膜10與該基材30之接合媒介，以加強該透光薄膜10之附著力，使該基材30處於一活動的狀態或受到異物沾粘時，該透光薄膜10能藉由該氧化物層20穩定地附著於該基材30表面，而不易由該基材30表面剝落。
    請參閱第三圖，其為本發明之第一較佳實施例之步驟流程圖；如圖所示，本實施例之抗沾黏之透光薄膜形成方法，其步驟如下：
    步驟S50：提供一基材於一真空環境；
    步驟S60：提供一靶材於該真空環境；
    步驟S70：通入一氟化物氣體及一氧氣於該真空環境與該靶材電漿解離之複數離子混合，且該些離子與該氧氣反應成一氧化物；及
    步驟S80：沉積一該氟化物與該氧化物於該基材。
    該靶材之材料選自錫、銦、鋯、矽、銅、鉛、鈦、汞、鋅或鋇擇一者。該氟化物氣體選自三氟化甲烷(CHF₃)、四氟甲烷(CF₄)、四氟乙烷(C₂H₂F₄)、六氟乙烷(C₂F₆)、六氟丙烷(C₃H₂F₆)、七氟丙烷(C₃HF₇)、八氟丙烷(C₃F₈)或八氟環丁烷(C₄F₈)擇一者。
    其中，該透光薄膜10之氟化物之原子含量百分比為0.2~20at.%、金屬原子含量百分比為0.5~25at.%、其它氧或碳原子含量百分比為25~55at.%。該透光薄膜10之厚度約為100~5000奈米(nm)，又以100~300奈米(nm)之厚度具最佳可見光波長範圍透光率。
    該透光薄膜10係透過物理氣相沉積法形成於該基材30表面，該基材30可為一透明基材或一不透明基材，透明基材之材料選自玻璃、陶瓷或高分子材料擇一者，不透明基材之材料選自金屬或碳化鎢擇一者。本發明主要應用於透明基材，例如光學鏡片、醫療用內視鏡鏡頭、照相機鏡頭、顯示器面板、太陽能板或其他需抗沾黏及高透光之基材等。
    本實施例係以物理氣相沉積法，將靶材蒸發，並於真空環境下與氟化物氣體及氧氣混合反應，最後沉積於該基材30表面，形成該透光薄膜10，藉此，不需採用含有金屬或氟之前驅物，能大幅降低工業應用之成本，適合於批量式及連續式生產型態，且製程之溫度低於100℃，適用於金屬、非金屬及高分子等不耐溫基材，應用產業極廣。
    請參閱第四圖，其為本發明之第二較佳實施例之步驟流程圖，其係以第一較佳實施例之步驟為基礎之技術延伸；如圖所示，本實施例之抗沾黏之透光薄膜形成方法，於提供一基材於一真空環境後，更包括下列步驟：
    步驟S52：提供一靶材於該真空環境；
    步驟S54：通入一氧氣於該真空環境與該靶材電漿解離之複數離子混合，且該些離子與該氧氣反應成一氧化物；及
    步驟S56：沉積一氧化物層於該基材表面。
    該靶材之材料選自錫、銦、鋯、矽、銅、鉛、鈦、汞、鋅或鋇擇一者，該氧化物層20之厚度為25－500奈米(nm)，最佳之厚度為100－300奈米(nm)。
    本實施例係於提供一靶材及一基材30於一真空環境後，通入一氧氣於該真空環境與該靶材電漿解離之複數離子混合，且該些離子與該氧氣反應成一氧化物，最後於該基材30表面沉積該氧化物層20。完成以上步驟後，再於該氧化物層20上進行如第一實施例之步驟，亦即將該透光薄膜10形成於該氧化物層20上，藉此，強化該透光薄膜10之附著力，使該基材30處於一活動狀態或受到異物沾粘時，該透光薄膜10能藉由該氧化物層20穩定地附著於該基材30表面，而不易由該基材30表面剝落。
    以下提供一實例及實驗結果，進一步對本發明之結構及其形成方式做說明：
    首先，於真空環境及適合的電場條件下，以純鈦(Ti)作為靶材形成於一基材表面，並通入氬氣(Ar)產生電漿環境，在形成鈦離子的同時，另通入反應性氣體氧氣(O₂)與含氟之氣體如四氟甲烷(CF₄)，最後沉積於該基材表面，形成一含氟之鈦氧化物，即為本發明之透光薄膜。
    此外，在形成該含氟之鈦氧化物於該基材表面前，可先形成一金屬氧化層於該基材表面，該金屬氧化層亦可選用純鈦(Ti)作為靶材，並通入氬氣(Ar)產生電漿環境，在形成鈦離子的同時，另通入反應性氣體氧氣(O₂)，最後於該基材表面沉積一鈦氧化物，即為本發明之金屬氧化層。之後，再於該鈦氧化物上形成該含氟之鈦氧化物，則能提昇該含氟之鈦氧化物之附著力。
    請參閱第五A圖及第五B圖，本實例進一步調整該鈦氧化物含氟之比例，分別得到一不含氟之鈦氧化物、一低摻雜氟之鈦氧化物及一高摻雜氟之鈦氧化物，其中，低摻雜氟之鈦氧化物之氟原子含量百分比為0.2~2at.%、金屬原子含量百分比為10~25at.%、其它成分含量為氧或碳原子；高摻雜氟之鈦氧化物之氟原子含量百分比2~20at.%、金屬原子含量百分比為0.5~10at.%、其它成分含量為氧或碳原子；並將上述三種鈦氧化物與一玻璃基板同時進行疏水及疏模擬關節液特性之比較，發現水與模擬關節液於高摻雜氟之鈦氧化物表面較其它表面具有最大之接觸角，而具有較佳之抗沾粘性。
    請參閱第六A圖、第六B圖及第六C圖，其依序為不含氟之鈦氧化物之透光率曲線圖、低摻雜氟之鈦氧化物之透光率曲線圖及高摻雜氟之鈦氧化物之透光率曲線圖；本實例再以不含氟之鈦氧化物、低摻雜氟之鈦氧化物及高摻雜氟之鈦氧化物進行透光率及抗反射之實驗比較；在550nm波長下，不含氟之鈦氧化物穿透率約90%，低氟摻雜之鈦氧化物穿透率92%，高氟摻雜之鈦氧化物穿透率達到100%；鈦氧化物折射係數約2.3，低氟摻雜之鈦氧化物折射係數約2.07，高氟摻雜之鈦氧化物折射係數約1.37，由此可知，高氟摻雜之鈦氧化物具備非常低折射係數膜層特性，並具有抗反射膜的功能。
    內視鏡一般是以2%戊二醛滅菌液進行消毒處理，本實例將該含氟之鈦氧化物進行戊二醛滅菌前後光學透光率之比較，發現該含氟之鈦氧化物外觀及光學測試與浸泡前皆無損傷及影響，顯示含氟之鈦氧化物耐蝕能力佳。
    習知的抗反射膜為氟化鎂(MgF₂)，其硬度較低，約為2.89～4.41GPa，且具有溶解於酸之缺點，故應用於醫療器械會受到限制。而本實例之含氟之鈦氧化物以奈米硬度量測，其硬度高達10.86GPa，具有相當高的耐磨性，明顯優於習知的抗反射膜。
     綜上所述，本案利用物理氣相沉積法於一基材表面形成一透光薄膜，該透光薄膜為含氟之氧化物，並可進一步於該基材表面與透光薄膜之間形成一氧化物層，以提昇該透光薄膜附著於該基材表面之穩定性，而本發明之抗沾黏之透光薄膜與形成方法具有以下功效：
    1.抗沾黏之透光薄膜具有高透光、硬度佳及耐酸性等特性，對於水、油及人體模擬組織具有良好的抗沾黏性。
    2.抗沾黏之透光薄膜為單層結構，即具有抗反射膜的功能，而能減少因光線反射所造成之穿透率之損失，並減薄抗反射膜之厚度。
    3.本發明之形成方法不需採用含有金屬或氟之前驅物，能大幅降低工業應用之成本，適合於批量式及連續式生產型態。
    4.本發明之製程溫度低於100℃，適用於金屬、非金屬及高分子等不耐溫基材，可應用之產業極廣。
    雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．透光薄膜

12．．．氧化物

14．．．氟化物

20．．．氧化物層

30．．．基材

第一圖為本發明之第一較佳實施例之結構剖視圖；
第二圖為本發明之第二較佳實施例之結構剖視圖；
第三圖為本發明之第一較佳實施例之步驟流程圖；
第四圖為本發明之第二較佳實施例之步驟流程圖；
第五A圖為本發明之疏水及疏模擬關節液之實驗比較圖(一)
第五B圖為本發明之疏水及疏模擬關節液之實驗比較圖(二)
第六A圖為本發明之不含氟之鈦氧化物之透光率曲線圖；
第六B圖為本發明之低摻雜氟之鈦氧化物之透光率曲線圖；及
第六C圖為本發明之高摻雜氟之鈦氧化物之透光率曲線圖。

10．．．透光薄膜

12．．．氧化物

14．．．氟化物

30．．．基材

Claims (14)

1. 一種抗沾黏之透光薄膜，其包含：
   一透光薄膜，其包括一氧化物及一氟化物。
2. 如申請專利範圍第1項所述之抗沾黏之透光薄膜，其中該透光薄膜之一側係設置一基材，該基材為一透明基材或一不透明基材。
3. 如申請專利範圍第1項所述之抗沾黏之透光薄膜，其中該氧化物選自錫、銦、鋯、矽、銅、鉛、鈦、汞、鋅或鋇之氧化物擇一者。
4. 如申請專利範圍第1項所述之抗沾黏之透光薄膜，其中該氟化物係包含氟、氧及碳之化合物。
5. 如申請專利範圍第1項所述之抗沾黏之透光薄膜，其中該氟化物之氟原子於該透光薄膜的含量百分比為0.2~20at.%，該氧化物為金屬氧化物或非金屬氧化物，該氧化物之金屬原子或非金屬原子於該透光薄膜的含量百分比為0.5~25at.%，其它氧或碳原子於該透光薄膜的含量百分比為25~55at.%。
6. 如申請專利範圍第2項所述之抗沾黏之透光薄膜，其中更包括一氧化物層，其設於該透光薄膜與基材之間。
7. 如申請專利範圍第6項所述之抗沾黏之透光薄膜，其中該氧化物層，其材料選自錫、銦、鋯、矽、銅、鉛、鈦、汞、鋅或鋇之氧化物擇一者。
8. 一種抗沾黏之透光薄膜之形成方法，其步驟包含：
   提供一基材於一真空環境；
   提供一靶材於該真空環境；
   通入一氟化物氣體及一氧氣於該真空環境與該靶材電漿解離之複數離子混合，且該些離子與該氧氣反應成一氧化物；及
   沉積一該氟化物與該氧化物於該基材。
9. 如申請專利範圍第8項所述之抗沾黏之透光薄膜之形成方法，其中該基材為一透明基材或一不透明基材。
10. 如申請專利範圍第8項所述之抗沾黏之透光薄膜之形成方法，其中該靶材之材料選自錫、銦、鋯、矽、銅、鉛、鈦、汞、鋅或鋇擇一者。
11. 如申請專利範圍第8項所述之抗沾黏之透光薄膜之形成方法，其中該氟化物氣體選自三氟化甲烷(CHF₃)、四氟甲烷(CF₄)、四氟乙烷(C₂H₂F₄)、六氟乙烷(C₂F₆)、六氟丙烷(C₃H₂F₆)、七氟丙烷(C₃HF₇)、八氟丙烷(C₃F₈)或八氟環丁烷(C₄F₈)擇一者。
12. 如申請專利範圍第8項所述之抗沾黏之透光薄膜之形成方法，其中該氟化物之原子含量百分比為0.2~20at.%、金屬原子含量百分比為0.5~25at.%、其它氧或碳原子含量百分比為25~55at.%。
13. 如申請專利範圍第8項所述之抗沾黏之透光薄膜之形成方法，其中提供一基材於一真空環境後，更包括下列步驟：
    提供一靶材於該真空環境；
    通入一氧氣於該真空環境與該靶材電漿解離之複數離子混合，且該些離子與該氧氣反應成一氧化物；及
    沉積一氧化物層於該基材表面。
14. 如申請專利範圍第13項所述之抗沾黏之透光薄膜，其中該靶材之材料選自錫、銦、鋯、矽、銅、鉛、鈦、汞、鋅或鋇擇一者。