CN106443840A - 一种用于紫外固化的透紫外隔热膜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于紫外固化的透紫外隔热膜。以Ta2O5和SiO2为高低折射率材料，采用后截止的膜系结构且以不同中心波长的膜堆叠加和交替折射率膜系设计方法展宽反射带带宽，同时通过匹配层优化获得满足要求的设计结果。该透紫外隔热膜在制备过程中采用了离子辅助沉积、合适的沉积温度及沉积速率等特定工艺。该透紫外隔热膜能够实现紫外波段320‑395nm高透射，同时在近红外波段1000‑1500nm高反射。本发明透紫外隔热膜性能稳定，适用于紫外固化系统的光谱与能量调控从而降低其工作区温度。
Description
技术领域
本发明涉及光学薄膜技术，特别是指以石英玻璃为基底的用于紫外固化系统的透紫外隔热膜，通过在石英玻璃上镀制多层膜，实现对包括紫外固化所需波长在内的紫外波段320-395nm实现高透射，同时对携带红外热辐射能量的近红外波段1000-1500nm实现高反射。
技术背景
紫外固化在印刷、着色、粘胶等行业中有着广泛的应用，其最显著的优点就是固化温度低从而极大的加快了固化速度，同时避免了溶剂型固化材料因温度变化而造成的粘连问题。工业生产中紫外固化使用的紫外光源光谱范围多在300-400nm之内，但在实际使用中高压汞灯光源会产生大量热量，使汞灯中超过50％的能量通过红外辐射的形式散失掉，灯管表面温度也会达到700-800℃。为了避免固化材料温度过高，固化系统通常会加装风冷或水冷措施，但其冷却效果并不理想，固化炉温度最终还会有80℃之高。因此设计一种光学薄膜对其光谱和能量进行调控，在不影响其紫外光谱输出的同时最大限度的减少其红外热辐射，从而避免所固化的材料因受红外热辐射而升温。考虑到工业生产的低成本，高可靠等要求，以及膜系所用材料对工作波段的吸收影响，设计上采用JGS-1石英玻璃作为基底材料，并选用在工作波段(尤其是320-395nm)吸收较小的Ta2O5作为膜系中的高折射率材料，SiO2作为低折射率材料。该薄膜对紫外固化系统工作区的温度调控有重大作用，且该薄膜的光谱调控功能对紫外成像系统中的类似应用具有重要参考价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种紫外固化系统进行光谱及能量调控进而降低其工作区温度的透紫外隔热膜，实现对紫外波段320-395nm高透射，同时对近红外波段1000-1500nm高反射，从而满足紫外固化系统避免工作区域温度过高的需求。
本发明的膜系在设计时既要考虑紫外波段的高透射，还要兼顾近红外宽光谱波段的高反射，在选择膜系材料时还需考虑薄膜的可靠性，综合考虑，选择在紫外和近红外波段吸收较小，且能制作出高可靠性膜层的Ta2O5和SiO2材料分别作为高、低折射率材料。整体膜系采用后截止的膜系结构且以不同中心波长的膜堆叠加和交替折射率膜系设计方法展宽反射带带宽，辅以匹配层优化，最后通过软件优化对膜系进行调整，同时人为的控制极个别关键层的厚度，实现准确的光谱与能量调控。
根据以上分析，该透紫外隔热膜的实现包括以下步骤：
1.膜系的结构
ns/A(0.4L0.8H0.4L)m(0.5L1H0.5L)m B/n0；
A代表膜系：a5H a4L a3H a2L a1H；
B代表膜系：b1H b2L b3H b4L b5H b6L b7H b8L；
式中各符号的含义分别为：ns为基底；n0为空气；L表示光学厚度为λ0/4的SiO2膜层；H表示光学厚度为λ0/4的Ta2O5膜层。λ0为中心波长；H、L前的数字为λ0/4光学厚度比例系数乘数，m为膜堆的周期数，m取值6或7。A代表膜堆与基底之间的匹配层a1，a2，a3，a4，a5为0或正数，若为0表示该层可取消；B代表膜堆与空气之间的匹配层b1，b2，b3，b4，b5，b6，b7，b8为0或正数，若为0表示该层可取消。
A、B匹配层对紫外波段的透射率影响较大，不考虑材料吸收时膜层数越多对紫外波段透射率的优化越有利；中间膜堆对近红外波段的反射率影响较大，m值越大反射波段的反射率就越高，但与此同时因为Ta2O5材料在紫外波段的吸收较大，导致整体膜层数越多膜系就越厚，紫外波段的吸收就会增大，所以整体膜系层数与厚度需综合考虑。
2.膜层制备方法
膜层制备是在具有扩散泵系统的箱式真空镀膜设备上进行的，H、L均采用电子束蒸发沉积，全过程采用离子束辅助沉积，离子源为MarkII+。通过膜层材料试验结果分析表明只有基底温度控制在合适温度范围时，膜层才具有良好的光学特性和物理特性；在300-400nm光谱范围的吸收也较小。
本发明的有益效果如下：
1.本发明提供了一种以石英晶体为基底的透紫外隔热膜，在实现紫外波段高透射的同时实现了近红外波段宽光谱波段内的高反射，对紫外固化系统工作区域的温度控制有着重要意义。
2.本发明采用了特定工艺，提高了膜层的致密度，减小了材料的吸收，保证了紫外波段的高透过率。
3.本发明的技术方案合理可行，产品性能稳定，可广泛应用于紫外固化系统中。
附图说明
图1是膜层数为31的透紫外隔热膜理论透射率曲线(紫外区域、未计算Ta2O5材料吸收)。
图2是膜层数为31的透紫外隔热膜理论反射率曲线(近红外区域)。
图3是膜层数为35的透紫外隔热膜理论透射率曲线(紫外区域、未计算Ta2O5材料吸收)。
图4是膜层数为35的透紫外隔热膜理论反射率曲线(近红外区域)。
图5是膜层数为40的透紫外隔热膜理论透射率曲线(紫外区域、未计算Ta2O5材料吸收)。
图6是膜层数为40的透紫外隔热膜理论反射率曲线(近红外区域)。
图7是膜层数为35的透紫外隔热膜实测透射率曲线(紫外区域、未计算Ta2O5材料吸收)。
图8是膜层数为35的透紫外隔热膜实测反射率曲线(近红外区域)。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明实施例的具体技术指标要求为：
| 波长(nm) | 透、反射率要求 |
| 320-395 | T≥80％ |
| 1000-1500 | R≥90％ |
基底材料为JGS-1石英晶体。
根据技术要求，膜系在设计时既要考虑紫外波段的高透射，还要兼顾近红外宽光谱波段的高反射，在选择膜系材料时还需考虑薄膜的可靠性，因此选择JGS-1石英玻璃为基底，选择在紫外(320-395nm)和近红外(1000-1500nm)波段吸收较小，且能制作出高可靠性膜层的Ta2O5和SiO2材料分别作为高、低折射率材料。整体膜系采用后截止的膜系结构且以不同中心波长的膜堆叠加和交替折射率膜系设计方法展宽反射带带宽，辅以匹配层优化，得到初始膜系结构为：
ns/A(0.4L0.8H0.4L)m(0.5L1H0.5L)m B/n0；
A代表膜系：a5H a4L a3H a2L a1H；
B代表膜系：b1H b2L b3H b4L b5H b6L b7H b8L；
式中各符号的含义分别为：ns为基底；n0为空气；L表示光学厚度为λ0/4的SiO2膜层；H表示光学厚度为λ0/4的Ta2O5膜层。λ0取为1.4μm；H、L前的数字为λ0/4光学厚度比例系数乘数，m为膜堆的周期数取值6或7。A表示膜堆与基底之间的匹配层a1，a2，a3，a4，a5为0或正数，若为0表示该层可取消；B表示膜堆与空气之间的匹配层b1，b2，b3，b4，b5，b6，b7，b8为0或正数，若为0表示该层可取消。
A、B匹配层对紫外波段的透射率影响较大，不考虑材料吸收时膜层数越多对紫外波段透射率的优化越有利；中间膜堆对近红外波段的反射率影响较大，m值越大反射波段的反射率就越高，但与此同时因为Ta2O5材料在紫外波段的吸收较大，导致整体膜层数越多膜系就越厚，紫外波段的吸收就会增大，所以整体膜系层数与厚度需综合考虑。
(1)当A结构为：a5H a4L a3H a2L a1H；B结构为：b1H 0L 0H 0L 0H 0L 0H 0L；膜堆周期数m为6；得到膜系结构为：
ns/a1H a2L a3H a4L a5H(0.4L0.8H0.4L)6(0.5L1HL)6b1H 0L 0H 0L 0H 0L 0H 0L/n0；
该膜系结构去除厚度为0的膜层且合并相邻同折射率层后等效膜层数为31层。
最后通过软件优化对膜系进行调整，同时人为的控制极个别关键层的厚度，最终得到膜系结构为：
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/空气
从图1和图2可以看出，理论上膜层数为31的透紫外隔热膜的光学性能在紫外波段达到了高透射(平均透射率＝94.95％)，在近红外波段达到了高反射(平均反射率＝87.24％)，实现了紫外高透射近红外高反射的目标，能够满足紫外固化系统的使用要求。
(2)当A结构为：0H a4L a3H a2L a1H；B结构为：b1H b2L b3H b4L b5H b6L 0H 0L；膜堆周期数m为6；得到膜系结构为：
ns/0H a1L a2H a3L a4H(0.4L0.8H0.4L)6(0.5L1HL)6b1H b2L b3H b4L b5H b6L 0H0L/n0；
该膜系结构去除厚度为0的膜层且合并相邻同折射率层后等效膜层数为35层。
最后通过软件优化对膜系进行调整，同时人为的控制极个别关键层的厚度，最终得到膜系结构为：
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/空气
从图3和图4可以看出，理论上膜层数为35的透紫外隔热膜的光学性能在紫外波段达到了高透射(平均透射率＝97.95％)，在近红外波段达到了高反射(平均反射率＝91.08％)，实现了紫外高透射近红外高反射的目标，能够满足紫外固化系统的使用要求。
(3)当A结构为：0H 0L a3H a2L a1H，B结构为：b1H b2L b3H b4L b5H b6L b7H b8L，膜堆周期数m为7；得到膜系结构为：
ns/0H 0L a1H a2L a3H(0.4L0.8H0.4L)7(0.5L1HL)7b1H b2L b3H b4L b5H b6L b7Hb8L/n0；
该膜系结构去除厚度为0的膜层且合并相邻同折射率层后等效膜层数为40层。
最后通过软件优化对膜系进行调整，同时人为的控制极个别关键层的厚度，最终得到膜系结构为：
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/空气
从图5和图6可以看出，理论上膜层数为40的透紫外隔热膜的光学性能在紫外波段达到了高透射(平均透射率＝96.99％)，在近红外波段达到了高反射(平均反射率＝92.47％)，实现了紫外高透射近红外高反射的目标，能够满足紫外固化系统的使用要求。
(4)综合考虑Ta2O5材料在紫外波段的吸收、膜系可靠性、技术指标要求等各方面因素，选择(2)中总膜层数为35层的膜系结构进行实际制作，其膜系结构为：
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/空气
本透紫外隔热膜研制是在特定沉积温度下，采用电子束蒸发沉积两种镀膜材料，全过程采用离子束辅助沉积。
从图7和图8可以看出，本发明透紫外隔热膜的光学性能在紫外波段(平均透射率＝83.93％)和近红外波段(平均反射率＝94.34％)均达到了最初提出的指标要求，实现了紫外高透射近红外高反射的目标，能够满足紫外固化系统的使用要求。
Claims (1)
1.一种用于紫外固化的透紫外隔热膜，它采用后截止的膜系结构，其特征在于：
所述的透紫外隔热膜的膜系结构为：
ns/A(0.4L0.8H0.4L)m(0.5L1H0.5L)m B/n0；
其中：
A代表膜系：a5H a4L a3H a2L a1H；
B代表膜系：b1H b2L b3H b4L b5H b6L b7H b8L；
ns为基底，n0为空气；L表示光学厚度为λ0/4的SiO2膜层，H表示光学厚度为λ0/4的Ta2O5膜层；λ0为中心波长；H、L前的数字为λ0/4光学厚度比例系数乘数；指数m为膜堆的周期数，m取值6或7；a1，a2，a3，a4，a5为0或正数，0表示该层可取消；b1，b2，b3，b4，b5，b6，b7，b8为0或正数，0表示该层可取消。
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