一種用於紫外固化的透紫外隔熱膜的製作方法

2023-12-02 12:46:56

本發明涉及光學薄膜技術，特別是指以石英玻璃為基底的用於紫外固化系統的透紫外隔熱膜，通過在石英玻璃上鍍制多層膜，實現對包括紫外固化所需波長在內的紫外波段320-395nm實現高透射，同時對攜帶紅外熱輻射能量的近紅外波段1000-1500nm實現高反射。技術背景紫外固化在印刷、著色、粘膠等行業中有著廣泛的應用，其最顯著的優點就是固化溫度低從而極大的加快了固化速度，同時避免了溶劑型固化材料因溫度變化而造成的粘連問題。工業生產中紫外固化使用的紫外光源光譜範圍多在300-400nm之內，但在實際使用中高壓汞燈光源會產生大量熱量，使汞燈中超過50％的能量通過紅外輻射的形式散失掉，燈管表面溫度也會達到700-800℃。為了避免固化材料溫度過高，固化系統通常會加裝風冷或水冷措施，但其冷卻效果並不理想，固化爐溫度最終還會有80℃之高。因此設計一種光學薄膜對其光譜和能量進行調控，在不影響其紫外光譜輸出的同時最大限度的減少其紅外熱輻射，從而避免所固化的材料因受紅外熱輻射而升溫。考慮到工業生產的低成本，高可靠等要求，以及膜系所用材料對工作波段的吸收影響，設計上採用JGS-1石英玻璃作為基底材料，並選用在工作波段(尤其是320-395nm)吸收較小的Ta2O5作為膜系中的高折射率材料，SiO2作為低折射率材料。該薄膜對紫外固化系統工作區的溫度調控有重大作用，且該薄膜的光譜調控功能對紫外成像系統中的類似應用具有重要參考價值。技術實現要素：本發明的目的是提供一種紫外固化系統進行光譜及能量調控進而降低其工作區溫度的透紫外隔熱膜，實現對紫外波段320-395nm高透射，同時對近紅外波段1000-1500nm高反射，從而滿足紫外固化系統避免工作區域溫度過高的需求。本發明的膜系在設計時既要考慮紫外波段的高透射，還要兼顧近紅外寬光譜波段的高反射，在選擇膜系材料時還需考慮薄膜的可靠性，綜合考慮，選擇在紫外和近紅外波段吸收較小，且能製作出高可靠性膜層的Ta2O5和SiO2材料分別作為高、低折射率材料。整體膜系採用後截止的膜繫結構且以不同中心波長的膜堆疊加和交替折射率膜系設計方法展寬反射帶帶寬，輔以匹配層優化，最後通過軟體優化對膜系進行調整，同時人為的控制極個別關鍵層的厚度，實現準確的光譜與能量調控。根據以上分析，該透紫外隔熱膜的實現包括以下步驟：1.膜系的結構ns/A(0.4L0.8H0.4L)m(0.5L1H0.5L)mB/n0；A代表膜系：a5Ha4La3Ha2La1H；B代表膜系：b1Hb2Lb3Hb4Lb5Hb6Lb7Hb8L；式中各符號的含義分別為：ns為基底；n0為空氣；L表示光學厚度為λ0/4的SiO2膜層；H表示光學厚度為λ0/4的Ta2O5膜層。λ0為中心波長；H、L前的數字為λ0/4光學厚度比例係數乘數，m為膜堆的周期數，m取值6或7。A代表膜堆與基底之間的匹配層a1，a2，a3，a4，a5為0或正數，若為0表示該層可取消；B代表膜堆與空氣之間的匹配層b1，b2，b3，b4，b5，b6，b7，b8為0或正數，若為0表示該層可取消。A、B匹配層對紫外波段的透射率影響較大，不考慮材料吸收時膜層數越多對紫外波段透射率的優化越有利；中間膜堆對近紅外波段的反射率影響較大，m值越大反射波段的反射率就越高，但與此同時因為Ta2O5材料在紫外波段的吸收較大，導致整體膜層數越多膜系就越厚，紫外波段的吸收就會增大，所以整體膜系層數與厚度需綜合考慮。2.膜層製備方法膜層製備是在具有擴散泵系統的箱式真空鍍膜設備上進行的，H、L均採用電子束蒸發沉積，全過程採用離子束輔助沉積，離子源為MarkII+。通過膜層材料試驗結果分析表明只有基底溫度控制在合適溫度範圍時，膜層才具有良好的光學特性和物理特性；在300-400nm光譜範圍的吸收也較小。本發明的有益效果如下：1.本發明提供了一種以石英晶體為基底的透紫外隔熱膜，在實現紫外波段高透射的同時實現了近紅外波段寬光譜波段內的高反射，對紫外固化系統工作區域的溫度控制有著重要意義。2.本發明採用了特定工藝，提高了膜層的緻密度，減小了材料的吸收，保證了紫外波段的高透過率。3.本發明的技術方案合理可行，產品性能穩定，可廣泛應用於紫外固化系統中。附圖說明圖1是膜層數為31的透紫外隔熱膜理論透射率曲線(紫外區域、未計算Ta2O5材料吸收)。圖2是膜層數為31的透紫外隔熱膜理論反射率曲線(近紅外區域)。圖3是膜層數為35的透紫外隔熱膜理論透射率曲線(紫外區域、未計算Ta2O5材料吸收)。圖4是膜層數為35的透紫外隔熱膜理論反射率曲線(近紅外區域)。圖5是膜層數為40的透紫外隔熱膜理論透射率曲線(紫外區域、未計算Ta2O5材料吸收)。圖6是膜層數為40的透紫外隔熱膜理論反射率曲線(近紅外區域)。圖7是膜層數為35的透紫外隔熱膜實測透射率曲線(紫外區域、未計算Ta2O5材料吸收)。圖8是膜層數為35的透紫外隔熱膜實測反射率曲線(近紅外區域)。具體實施方式下面結合實施例對本發明的具體實施方式作進一步的詳細說明。本發明實施例的具體技術指標要求為：波長(nm)透、反射率要求320-395T≥80％1000-1500R≥90％基底材料為JGS-1石英晶體。根據技術要求，膜系在設計時既要考慮紫外波段的高透射，還要兼顧近紅外寬光譜波段的高反射，在選擇膜系材料時還需考慮薄膜的可靠性，因此選擇JGS-1石英玻璃為基底，選擇在紫外(320-395nm)和近紅外(1000-1500nm)波段吸收較小，且能製作出高可靠性膜層的Ta2O5和SiO2材料分別作為高、低折射率材料。整體膜系採用後截止的膜繫結構且以不同中心波長的膜堆疊加和交替折射率膜系設計方法展寬反射帶帶寬，輔以匹配層優化，得到初始膜繫結構為：ns/A(0.4L0.8H0.4L)m(0.5L1H0.5L)mB/n0；A代表膜系：a5Ha4La3Ha2La1H；B代表膜系：b1Hb2Lb3Hb4Lb5Hb6Lb7Hb8L；式中各符號的含義分別為：ns為基底；n0為空氣；L表示光學厚度為λ0/4的SiO2膜層；H表示光學厚度為λ0/4的Ta2O5膜層。λ0取為1.4μm；H、L前的數字為λ0/4光學厚度比例係數乘數，m為膜堆的周期數取值6或7。A表示膜堆與基底之間的匹配層a1，a2，a3，a4，a5為0或正數，若為0表示該層可取消；B表示膜堆與空氣之間的匹配層b1，b2，b3，b4，b5，b6，b7，b8為0或正數，若為0表示該層可取消。A、B匹配層對紫外波段的透射率影響較大，不考慮材料吸收時膜層數越多對紫外波段透射率的優化越有利；中間膜堆對近紅外波段的反射率影響較大，m值越大反射波段的反射率就越高，但與此同時因為Ta2O5材料在紫外波段的吸收較大，導致整體膜層數越多膜系就越厚，紫外波段的吸收就會增大，所以整體膜系層數與厚度需綜合考慮。(1)當A結構為：a5Ha4La3Ha2La1H；B結構為：b1H0L0H0L0H0L0H0L；膜堆周期數m為6；得到膜繫結構為：ns/a1Ha2La3Ha4La5H(0.4L0.8H0.4L)6(0.5L1HL)6b1H0L0H0L0H0L0H0L/n0；該膜繫結構去除厚度為0的膜層且合併相鄰同折射率層後等效膜層數為31層。最後通過軟體優化對膜系進行調整，同時人為的控制極個別關鍵層的厚度，最終得到膜繫結構為：基底/0.2935H0.0147L0.5815H0.8451L0.4268H0.8163L0.4884H0.0297L0.9561H0.8549L0.5011H0.0738L0.0754H0.9104L0.4533H0.8133L0.8878H0.8255L0.8992H0.8266L0.8887H0.8711L1.4689H0.9076L1.0286H0.5119L1.0302H0.92L0.9973H1.3424L0.2247H/空氣從圖1和圖2可以看出，理論上膜層數為31的透紫外隔熱膜的光學性能在紫外波段達到了高透射(平均透射率＝94.95％)，在近紅外波段達到了高反射(平均反射率＝87.24％)，實現了紫外高透射近紅外高反射的目標，能夠滿足紫外固化系統的使用要求。(2)當A結構為：0Ha4La3Ha2La1H；B結構為：b1Hb2Lb3Hb4Lb5Hb6L0H0L；膜堆周期數m為6；得到膜繫結構為：ns/0Ha1La2Ha3La4H(0.4L0.8H0.4L)6(0.5L1HL)6b1Hb2Lb3Hb4Lb5Hb6L0H0L/n0；該膜繫結構去除厚度為0的膜層且合併相鄰同折射率層後等效膜層數為35層。最後通過軟體優化對膜系進行調整，同時人為的控制極個別關鍵層的厚度，最終得到膜繫結構為：基底/0.8292L0.0318H0.1025L0.8837H0.9444L0.8673H0.9365L0.8831H0.9724L0.9021H0.9555L0.86H0.9288L0.8812H0.9824L0.4332H0.4242L0.8529H0.918L0.8387H0.9353L1.3827H0.1022L0.5177H0.7314L0.0927H0.1069L0.5926H0.9619L0.8784H0.5216L0.4929H0.9497L0.3501H0.1938L/空氣從圖3和圖4可以看出，理論上膜層數為35的透紫外隔熱膜的光學性能在紫外波段達到了高透射(平均透射率＝97.95％)，在近紅外波段達到了高反射(平均反射率＝91.08％)，實現了紫外高透射近紅外高反射的目標，能夠滿足紫外固化系統的使用要求。(3)當A結構為：0H0La3Ha2La1H，B結構為：b1Hb2Lb3Hb4Lb5Hb6Lb7Hb8L，膜堆周期數m為7；得到膜繫結構為：ns/0H0La1Ha2La3H(0.4L0.8H0.4L)7(0.5L1HL)7b1Hb2Lb3Hb4Lb5Hb6Lb7Hb8L/n0；該膜繫結構去除厚度為0的膜層且合併相鄰同折射率層後等效膜層數為40層。最後通過軟體優化對膜系進行調整，同時人為的控制極個別關鍵層的厚度，最終得到膜繫結構為：基底/0.0865H0.0978L0.9946H0.9983L0.9903H0.1013L0.5258H1.5219L0.9266H1.005L0.9277H0.9983L0.9137H0.9675L0.8769H0.9435L0.8685H0.9284L0.8634H0.9426L0.8516H0.4377L0.5751H0.0221L0.1864H0.4546L0.8482H0.9399L0.9399H0.9138L0.8291H0.4083L0.5132H0.0205L0.2867H0.5502L0.1138H0.0853L0.4196H0.2149L/空氣從圖5和圖6可以看出，理論上膜層數為40的透紫外隔熱膜的光學性能在紫外波段達到了高透射(平均透射率＝96.99％)，在近紅外波段達到了高反射(平均反射率＝92.47％)，實現了紫外高透射近紅外高反射的目標，能夠滿足紫外固化系統的使用要求。(4)綜合考慮Ta2O5材料在紫外波段的吸收、膜系可靠性、技術指標要求等各方面因素，選擇(2)中總膜層數為35層的膜繫結構進行實際製作，其膜繫結構為：基底/0.8292L0.0318H0.1025L0.8837H0.9444L0.8673H0.9365L0.8831H0.9724L0.9021H0.9555L0.86H0.9288L0.8812H0.9824L0.4332H0.4242L0.8529H0.918L0.8387H0.9353L1.3827H0.1022L0.5177H0.7314L0.0927H0.1069L0.5926H0.9619L0.8784H0.5216L0.4929H0.9497L0.3501H0.1938L/空氣本透紫外隔熱膜研製是在特定沉積溫度下，採用電子束蒸發沉積兩種鍍膜材料，全過程採用離子束輔助沉積。從圖7和圖8可以看出，本發明透紫外隔熱膜的光學性能在紫外波段(平均透射率＝83.93％)和近紅外波段(平均反射率＝94.34％)均達到了最初提出的指標要求，實現了紫外高透射近紅外高反射的目標，能夠滿足紫外固化系統的使用要求。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp