高硬度抗指纹增透膜的生产工艺及其性能测试

吴卫锋 ，张丰刚，付 鹏，唐 响

（1.池州学院 机电工程学院，安徽 池州 247000；2.池州市正彩电子科技有限公司，安徽 池州 247000；3.池州市光学真空镀膜工程技术中心，安徽 池州 247000）

自从手机出现以来，随着科技的进步，人机交互的方式在不断改变更新，促进了触摸屏技术的快速发展。因其具有操作简单、易于交流、反应速度敏捷、物理按键减少等优点而深受用户的喜爱与追捧。其特点是只需在屏幕上点击文字或图标就可以进行相应的操作，便于用户的快捷使用。追溯触摸屏发展历史，世界上第一块触摸传感器于1971年在美国诞生[1-2]，标志着触摸屏时代的到来。三年后电阻触摸屏也被设计出来[3]。1982年，首款面向消费市场的触摸屏[4]问世。后来经过科技发展，基于表面电容触屏的技术开始出现，它具有准确、耐用等优点，2007年3月韩国的LG公司推出基于电容触屏的普拉达手机，同年6月美国的苹果公司推出了iphone手机，将透明透射式电容触摸屏推到触摸屏的最前沿[6-7]。

目前，市场上触摸屏的种类繁多，早期应用于手机和仪器仪表上的是电阻触摸屏[8-9]，后来出现了电容式触摸屏，其优点是定位触摸准确，但这种触摸屏的反光严重。

普通电容式触摸屏由于在强光下具有较高的反射率，表面容易残留手指纹或油污，甚至会影响手指触摸的定位，因此，提高触摸屏的透射效率是现实所需，也是用户的殷切期望。研究人员利用光学薄膜技术，给触摸屏镀上一种透光的表面光学薄膜（称为增透膜），其目的是减少反射量增加透射率。常见的单层增透膜是由一透光的表膜薄层MgF2构成，其折射率为1.38，膜厚要符合光的干涉原理，一般为90nm左右，通过真空蒸镀的方法，可以实现在高温玻璃基材上镀上MgF2薄膜。普通的光学玻璃，在800g负载下其表面硬度可达到7H，即便是质量较差的玻璃，其表面硬度也有6H，而常规的镜头表面增透膜较薄，增透膜硬度较差，成膜后的镜头表面硬度低于原玻璃硬度，使用过程中极易造成镜头表面的划伤，严重影响手机的成像功能。

如果想得到更低的反射率，具有更高的硬度，则可以采用组合膜层来实现，借助池州市光学真空镀膜工程技术中心平台与池州市正彩电子科技有限公司合作，组织科研人员科技攻关，采用真空蒸镀的方法，提出一种新的多层镀膜结构，在玻璃基材上实现了高硬度、高增透的抗指纹膜层。课题组采用控制变量法，对影响膜层物理性能的重要参量（如硬度、膜层结合度、透光率等）进行了多次检测，得到了令人振奋的实验结果，具有推广价值。

1 高硬度抗指纹增透膜的生产工艺

1.1 钢化膜抗指纹技术

抗指纹是Anti-fingerprint的中文翻译，可取英文的缩写AF，AF技术是研究人员通过模仿莲叶自洁的功能，将其应用于表面纳米结构的技术上，开发出了具有自洁、抗污特性的纳米涂料，AF抗指纹涂层工艺就由此原理产生。在玻璃外表面涂制一层纳米氟化物材料，将玻璃表面张力降至最低，使得颗粒物灰尘与玻璃表面接触面积减少90%，使其具有较强的抗油污、抗指纹和疏水的能力，这样触摸屏玻璃面板就能保持着光洁明亮的界面。

高端手机背板就不仅需要具备防污性、抗指纹，而且还需要具备防刮伤、耐磨性等产品特性，这可进一步提升产品的科技感与使用手感。其主要原因是该工艺降低了指纹的附着力，减少表面上污迹残留的同时具有易清洁的特性。

1.2 钢化膜AF的生产工艺

钢化膜AF的生产工艺主要有以下三种：

（1）真空蒸镀：应用真空电子束镀膜机在近似真空的环境中，通过加热蒸发的方式把镀膜材料气化，气化后的镀膜材料粒子在基材表面凝聚成光学薄膜。

（2）喷涂电镀：利用高压将抗指纹氟化物药水均匀喷涂在基材表面形成薄膜。

（3）真空溅镀：多用于金属表面的镀膜，利用辉光放电将氩气离子撞击，与反应性气体反应并沉积在金属表面形成薄膜。

1.3 AF处理工艺流程

课题小组采用真空蒸镀的工艺对钢化玻璃基材进行多层镀膜，其工艺流程如图1所示。其工艺步骤也可以具体解释为以下四步：

图1 AF处理工艺流程

（1）清洁过程：采用弱碱性清洗剂或少量溶剂去除待镀光学玻璃基材表面油分、水分等污染，使用离子源轰击清洗待镀光学玻璃表面，离子束不仅能有效地清洗待镀光学玻璃表面，还能消除表面静电，有效改善镀膜与待镀光学玻璃表面的结合。

（2）镀膜过程：依次向光学玻璃表面镀制第一层SiO2、第二层Al2O3、第三层ZrO2、第四层SiO2，在镀制的过程中不停地用离子源轰击待镀面，镀制完成即可得到需求的增透膜；其第一层SiO2的厚度在15～20nm之间；第二层Al2O3的厚度在110～150nm之间；第三层ZrO2的厚度在100～135nm之间；第四层SiO2的厚度在80～95nm之间。

（3）烘烤过程：喷涂后取出，放入烤箱，根据产品材质不同调整烘烤时间与温度。

（4）检测包装过程：产品清洁后，成品包装。

镀膜过程中，设备的腔室内温度保持在130～150℃，采用高温环境中进行镀膜，有效地降低了水分的存在，确保更高、更纯的成膜环境，对增加膜层硬度及附着力有利，但是该温度不宜过高，过高时易造成印刷油墨的龟裂，过低时膜层硬度及附着力的提高不明显。

为了进一步提高增透膜的膜层硬度，课题小组采用真空蒸镀的方式在增透膜的上面蒸镀一层有机氟化物材料。该氟化物材料不仅具有防水、防油、防指纹的作用，还能间接地提高增透膜的抗刮伤能力。

2 高硬度AF增透膜的实验检测

2.1 实验检测主要设备

针对生产出来的高硬度AF增透膜，需要检测其物理性能，高硬度增透膜的生产工艺及实验测试用到的仪器主要有：日本新科隆SLD-1100D型真空电子束镀膜机；美国INFICON IC/5石英晶体控膜监测仪；BEVS 1301铅笔硬度计；723PCS型分光光度计。

2.2 实验检测过程

采用钢化玻璃基材，在负重800g未镀膜处理时，测得玻璃表面硬度为7H，在420～680nm的平均透光率为91.2%。选择镀膜腔室的温度为130～150℃，在离子源辅助的情况下，采用离子源轰击处理的方法，对钢化玻璃进行多层镀膜处理，其中第一层（SiO2）、第二层（Al2O3）、第三层（ZrO2）、第四层（SiO2）采用控制变量法，通过厚度、温度、AF膜，离子源辅助等因素的变化来检测光学薄膜的膜层硬度和透光率，最外层镀上25nm的氟化物AF膜层，分别用BEVS-1301型铅笔硬度计和723PCS型分光光度计（上海欣茂）测量镀膜后玻璃板表面的硬度和透光率。

2.3 实验检测结果及数据分析

确定在腔内温度一定的情况下，经过离子源辅助，在没有镀AF膜的膜层厚度对其硬度的影响，每种类型测5次，求其硬度平均值，实验数据见表1。

表1 膜层厚度对膜硬度的影响

经过多次实验求出同等条件下测量数的平均值，从实验结果可知：钢化玻璃基材经过多层镀膜，每层膜的厚度不同，经过离子源辅助，镀膜后的基材硬度由7H增加到8H，与每层膜的厚度无关。

保持膜层厚度不变，分别用离子源辅助和离子源冲击处理，每种类型测5次，求出膜层硬度的平均值，具体数据见表2。从测得的数据中可以知道没有离子源辅助，镀膜后的基材硬度没有增加；有离子源辅助，但没有冲击处理，所镀的膜层硬度反而降低。各膜层的结合强度不高，甚至出现针孔状脱落现象，严重的甚至出现膜层间接触面积20%以上的脱落和膜层变色等不良影响。

表2 离子源辅助和轰击处理对膜层硬度和结合度的影响

◎：膜层无脱落无变色；▲：膜层轻微脱落（面积小于20%），轻微变色；

Ⅹ：膜层完全脱落（面积大于20%），变色严重。

再通过23PCS型分光光度计（上海欣茂）测量镀膜后玻璃板表面的透光率，控制温度不变，改变膜层间的厚度，随膜层厚度的增加，透光率有所降低，但整体透光率较高。

高硬度增透膜上加镀25nm氟化物AF膜，控制腔室内的温度不变，各膜层厚度不变，每种类型测5次，其透光率的平均值如表4所示。比较表3和表4中的数据可知，在加镀了AF膜后，膜层的透光率略微下降，但仍具有较高的透光性。

表3 膜层厚度对透光率的影响

表4 加镀AF膜后的膜层透光率

在高硬度增透膜上加镀25nm氟化物AF膜，控制腔室内的温度在所镀材料气化温度130～150℃之间变化，各膜层厚度不变，每种类型测5次，其膜层硬度的平均值如表5所示。比较表5和表1中的数据可知，在加镀了AF膜后，膜层的硬度也达到8H，可见，有无加镀AF膜，对加镀了4层增透膜后的硬度基本没有影响。

表5 加镀AF膜后的膜层硬度

3 结语

高硬度AF增透膜具有以下性能特点：（1）减少指纹及各种污渍附着，提高擦拭清洁能力；（2）优异的防水防污效果；（3）化学键合，耐久性强；（4）有效防止表面划伤；（5）形成极薄纳米级的透明且高硬度的薄膜，极低的表面张力（11～12mN/m）；（6）产品无毒、不含氯和溴、无闪点、安全性高。

目前高硬度抗指纹增透膜的多层蒸镀技术正逐步运用在智能手机触摸屏、平板电脑、车载触摸屏上，以上性能对手机触摸屏进行AF抗指纹多层镀膜处理，可以做到一定程度的防尘、防水，这在一定程度上保护了电子产品主体运行的安全性，延长使用寿命。其它具有触摸屏的电子设备也将加大对高硬度抗指纹膜技术的运用，此项技术具有广阔的应用前景和商业价值。