AR膜工藝（減反射鍍膜）的技術(shù)分類與市場應用

發(fā)布時間:

2023-09-21

表面蓋板玻璃（主要成分為SiO₂和Al₂O₃）折射率較高，超過1.5，即使是最好的面板反射率仍有5%。想要提高可見度，有兩種方法，一是提高屏幕亮度，二是降低屏幕反射；但前者會增加耗電量，進一步縮短本已不長的智能終端待機時間。所以在改變玻璃表面采用減反射技術(shù)意義重大，可降低電子產(chǎn)品在室內(nèi)外的反射光，減少電量消耗，大幅提升用戶體驗。

目前減反射技術(shù)在光伏玻璃中應用較多，消費電子領(lǐng)域僅限于高端大尺寸電視，如飛利浦、索尼、夏普等55~90吋電視屏幕上有減反射鍍膜，另外夏普液晶電子白板也采用低反射超黑TFT液晶屏。

減反射采用多層鍍膜方式，層數(shù)多于ITO鍍膜；同時減反射對均勻性、膜層厚度要求較高，整體工藝難度較高，行業(yè)享受較高毛利水平。鍍膜加工費用占智能終端成本比例不到1%，下游客戶對價格敏感度較低，技術(shù)能力靠前的公司有望較長時間保持高毛利。目前行業(yè)平均反射率可以做到4~5%，技術(shù)、工藝能力較強的業(yè)者可以將反射率降到0.25%~1%。

一、何為減反射？

1.1 入射光的反射定律

照射到任何表面的光遵守光的反射、折射定律。表面平整的物體（這里以可以透光的玻璃為例）放置在空氣中，有一束光照射前表面時，將在入射點O 發(fā)生反射和折射。普通玻璃的反射率在8%左右，存在著眩光刺眼和透射影象的清晰度低等問題，甚至造成環(huán)境的不協(xié)調(diào)。在平板顯示、光伏發(fā)電、汽車玻璃、攝像鏡頭等領(lǐng)域均存在減反射（Anti －Reflectance，簡稱AR）的需求。

AR膜又稱增量膜，其主要功能是減少或消除透鏡、棱鏡、平面鏡等光學表面的反射光，從而增加這些元件的透光量。AR膜是應用最廣、產(chǎn)量最大的一種光學膜，很多領(lǐng)域必須鍍膜，否則無法達到應用的要求。如由18塊透鏡組成的35mm 自動變焦照相機，如果每個玻璃和空氣的界面有4%的反射，則沒有AR 的鏡頭光透過率為27%，鍍膜一層（剩余反射1.3%）的鏡頭光透過率為66%，鍍膜多層（剩余反射0.5%）的為85%。

1.2 減反射的原理

光具有波粒二相性，即從微觀上既可以把它理解成一種波、又可以把他理解成一束高速運動的粒子增透膜的原理是把光當成一種波來考慮的，因為光波和機械波一樣也具有干涉的性質(zhì)。在鏡頭前面涂上一層增透膜（一般是氟化鈣，微溶于水），如果膜的厚度等于紅光，在增透膜中波長的四分之一時，那么在這層膜的兩側(cè)反射回去的紅光就會發(fā)生干涉，從而相互抵消，人們在鏡頭前將看不到一點反光，因為這束紅光已經(jīng)全部穿過鏡頭了。

以簡單的單層增透膜為例。設膜的厚度為 e ，當光垂直入射時，薄膜兩表面反射光的光程差為 2ne，由于在膜的上、下表面反射時都有相位突變，結(jié)果沒有附加的相位差，兩反射光干涉相消時應滿足：2ne=(k+1/2)λ，膜的最小厚度應為（K=0 ）：e=λ/4n 。由于反射光相消，因而透射光加強。單層增透膜只能使某個特定波長λ 的光盡量減少反射，對于相近波長的其他反射光也有不同程度的減弱，但不是減到最弱，對于一般的照相機和目視光學儀器，常選人眼最敏感的波長 λ =550nm 作為“制波長”，在白光下觀看此薄膜的反射光，黃綠色光最弱，紅光藍光相對強一些，因此鏡面呈籃紫色。

而有些光學器件需要減少其透射率，以增加反射光的強度。如氦氖激光器中的諧振腔反射鏡，要求對波長λ =632.8nm 的單色光的反射率達99%以上。如果把低折射率的膜改成同樣厚度的高折射率的膜，則薄膜上下表面的兩反射光使干涉加強，這就使反射光增強了，而透射光就減弱，這樣的薄膜就是增反膜或高反射膜。一般的單層增反膜可使反射率提高到30%以上，而多層增反膜可以提高的更多。由于這種介質(zhì)膜對光的吸收很少，所以比鍍銀、鍍鋁的反射鏡效果更佳。

1.3 材料和工藝路線

·AR膜質(zhì)量要素

光學性能：要滿足一定光譜范圍內(nèi)的透光率，通過調(diào)節(jié)折射率（n 受到晶體材料結(jié)構(gòu)和聚集密度影響），和膜層的厚度來調(diào)節(jié)透射光譜。

機械性能：1. 附著力，決定了薄膜應用的可能性和可靠性；2. 熱應力，膜層和基片的熱膨脹系數(shù)不同引起的應力; 3. 硬度，包括耐壓強度、抗張強度和耐磨性。

環(huán)境穩(wěn)定：決定了薄膜的實用性及價值性，主要表現(xiàn)在濕熱穩(wěn)定性及抗輻射能力上。

·AR膜材料

光學增透膜的研制，不僅需要考慮透射率，還要兼顧硬度、耐熱、耐寒性，與玻璃等光體的接合力度，耐光照射性，吸熱強度等因素，能滿足如此多條件的材料主要有：氟化鎂、二氧化鈦、二氧化硅、三氧化二鋁、二氧化鋯、ZnS 陶瓷紅外增透膜等。由于一般光學介質(zhì)都是玻璃，并在空氣中使用，所以 AR膜的折射率應該接近于1.23 ，但現(xiàn)實中折射率小于氟化鎂（1.38 ）的鍍膜材料比較少，因此多用氟化鎂。

·AR膜工藝

AR膜的厚度要控制在可見光波長的1/4 數(shù)量級上，均勻度的要求也非常苛刻。目前常用的鍍膜方法有真空鍍膜、化學氣象沉積、溶膠- 凝膠鍍膜等方法。

1.溶膠一凝膠法

溶膠一凝膠法就是以含高化學活性組分的化合物為前驅(qū)體，在液相下將這些原料均勻混合，并進行水解、縮合化學反應，在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠體系，通過提拉、涂覆等工藝過程在基體上得到減反射膜。溶膠一凝膠法是目前在實驗室中應用最廣泛的合成減反射膜的方法。Sol-gel 法制備薄膜具有合成溫度低、操作簡單、反應易于控制、制備材料非常均勻等特點，在溶膠的制備、成型、老化、干燥、脫水、致密化過程中，通過控制和調(diào)整溶劑用量、陳化時間、保溫時間及溫度等因素可合成均勻致密的薄膜。

2.化學氣相沉積法

化學氣相沉積法是把含有構(gòu)成薄膜元素的氣體供給襯底，利用加熱、紫外光及等離子體等能源，在襯底上發(fā)生化學反應沉積薄膜，可以制備SiC、SiN、ZnS 、SiO2 等減反射膜。此方法的優(yōu)點很多：薄膜純度高，殘余應力小，延展性強；薄膜形成方向性小，微觀均勻性好；薄膜受到的輻射損傷較。

同時也存在如下缺點：需要在高溫下反應，同時襯底溫度高，沉積速率較低，使用的設備復雜，基體難以進行局部沉積以及反應源和反應后的余氣都有一定的毒性等。

3.濺射法

濺射法根據(jù)其特征分為以下幾種：磁控濺射、直流濺射、反應濺射、射頻濺射。磁控濺射法（真空濺鍍）是在高真空充入適量的氫氣，在陽極和陰極（柱狀靶或平面靶）鍍膜室壁之間施加直流電壓在鍍膜室內(nèi)產(chǎn)生磁控型異常輝光發(fā)電，使氫氣電離。氫離子在電場作用下加速轟擊靶材，濺射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉積在基片上成膜。磁控濺射法最常用制備氧化鉭、氮化硅薄膜。

4.酸腐蝕法

酸腐蝕絨面技術(shù)可以比較容易地整合到當前的太陽能電池處理工序中，它應用起來基本上是成本最低的，是最有可能廣泛應用的多晶硅太陽電池絨面技術(shù)。

二、減反射的市場空間

減反射增透膜（Anti －Reflectance簡稱AR膜）是在玻璃基片上鍍多層復合光學膜，采用低折射率（L ）和高折射率（H）材料交替形成膜堆，通過精心的膜層設計和膜厚嚴格控制，利用干涉效應減少基片表面反射。

2.1 光伏玻璃：目前最主要的應用

光伏電池用的半導體材料的折射率、反射率都較大，因此在制作太陽電池時，往往都要使用減反射膜、幾何陷光結(jié)構(gòu)等減反射措施。按照國產(chǎn)設備一條線投資 230~290 萬元估算，每加工一平米利潤約7~9 元，單條線月盈利達64萬元，年利潤770 萬元，投資回報率較高。

2.2 消費電子：快速成長的藍海市場

消費電子領(lǐng)域的減反射基本上是在平板顯示的玻璃表面實現(xiàn)，以LCD屏幕為例，通過減反射鍍膜，可以實現(xiàn)：

1. 減小反射光強度，表面反射降低到 0.5%以下，防止產(chǎn)生眩光；

2. 表面為光滑的鍍膜面，減少圖像失真；

3. 增加 LCD的出射光強度，增加圖像的對比度；

4. 可以產(chǎn)生更寬的視角；

5. LCD顯示色彩更鮮明等功效。

減反射技術(shù)在消費電子終端上應用廣泛，因此以全部消費電子大類估算，2014年全球減反射總市場空間在28億片，其中 18.8 億片為智能手機，2.8 億片為平板電腦，而 PC、TV、游戲機預估用量仍少。目前智能手機中僅高端手機如iPhone 等應用了減反射鍍膜，其玻璃表面的反射率從4%降低到0.4%，屏幕整體反射率從 6.84% 降低到3.21% ；有效節(jié)約了電能，為手機整體提供了更好的用戶體驗，同時費用占整機的成本比例很低。

以目前主流的智能終端所用的蓋板玻璃為例，根據(jù)Display Search 預測，2014、2015年Cover Glass總面積出貨增速年均15%左右，分別達到 5731萬、6517萬平米。而無論是高端的溢流高鋁玻璃還是普通的納鈣玻璃，都屬于白玻璃范疇，目前的透光率多在90%~95% 之間，使用減反射鍍膜后，其透光率可達到99.5% 以上，提高陽光下的可視度，使色彩更鮮艷，同時表面硬度達到最高的9H。由于蓋板玻璃（目前都是白玻璃）主要材料為SiO 2 ，其中高鋁玻璃的Al 2 O 3 含量稍高，折射率達到1.5~1.52 ，對AR的需求程度較高。

我們以2014年消費電子市場估算AR膜的市場空間，由于 AR膜對產(chǎn)品整體性能和用戶體驗有非常大的提升，同時在整機BOM COST 中占比較?。ò凑罩悄苁謾C、平板電腦、個人電腦、電視機的AR報價分別為6 、14、20、150 元估算，在各自總成本中占比均為 1%左右）；使得品牌廠商對 AR膜態(tài)度較為積極。在三種情形假設下，AR膜的市場總量分別達到31、66、92億元。而2013年總市場規(guī)模近10億元，三種情形下的增速分別為224% 、595% 、871% ，市場前景非常廣闊。

2.3、其他細分領(lǐng)域

· 高功率激光器上的減反射膜

隨著國內(nèi)大型激光裝置的升級換代，激光器件的輸出功率增大，光學元件的需求量增加，口徑增大，質(zhì)量提高；另一方面，隨著激光器的升級, 裝置的功能也增多，從輸出 1053nm 基頻光, 到輸出527nm倍頻光和351nm三倍頻光。為了提高激光器在各個波段的輸出能量，要求在不同種類的光學元件表面鍍制不同波段范圍內(nèi)的膜層，其中對各類窗口和透鏡類元件，要求鍍制單一波段減反膜層，對KDP等倍頻轉(zhuǎn)換晶體，需要鍍制一種波長以上的減反射膜，而對放大器隔板和氮燈等元件則需鍍制寬光譜范圍內(nèi)的減反射膜。

· 光纖通信系統(tǒng)用減反射薄膜

隨著全光通信網(wǎng)絡關(guān)鍵技術(shù)的日趨成熟以及信息時代對于光纖通信系統(tǒng)通信容量急劇增大的需求，建立WDM全光通信網(wǎng)以解決目前光電通信網(wǎng)絡無法克服的電子“瓶頸”效應已成為光纖通信系統(tǒng)勢在必行的發(fā)展方向。在全光通信網(wǎng)絡中，所有的器件均采用光學元件。為了避免信號與光纖之間的非線性效應，提高光纖通信系統(tǒng)的傳輸效率，必須減小各種光學元件的插入損耗，在1550nm 波段附近需要鍍制極高透射率的高質(zhì)量減反射膜。目前，用于光纖通信系統(tǒng)中的光學元件越來越多，它們的折射率各不相同，必須研制淀積在不同基底上的高質(zhì)量減反射膜才能滿足光纖通信市場的需求。

· 類金剛石增透膜做宇航飛船觀察窗

類金剛石薄膜從宏觀性質(zhì)來看，具有類似于金剛石的一些優(yōu)異性能。除了具有極高的硬度和摩擦學屬性外，類金剛石薄膜在紅外光區(qū)有很高的透過率，可以用作航天器或其它光學儀器的窗口鍍層。類金剛石薄膜制備成本較低，在機械、電子、光學和空間技術(shù)等眾多領(lǐng)域內(nèi)具有良好的發(fā)展前景。進入九十年代，各種新的鍍膜技術(shù)己經(jīng)可以在 Ge、Si 、ZnS 和石英等光學材料上制備出高質(zhì)量的金剛石薄膜，再加上它在紅外光區(qū)的良好的透過性、高硬度及化學穩(wěn)定性等優(yōu)點，在航天技術(shù)中己廣泛用作整流罩和紅外窗口鍍膜。另外，在紅外范圍內(nèi)透明，同時具備高硬度、耐磨損等特性，因此類金剛石可作為紅外區(qū)的增透膜和保護膜。

文章來源：AITO大數(shù)據(jù)