AR膜工艺（减反射镀膜）的技术分类与市场应用
发布时间:
2023-09-21
表面盖板玻璃（主要成分为SiO2和Al2O3）折射率较高，超过1.5，即使是最好的面板反射率仍有5%。想要提高可见度，有两种方法，一是提高屏幕亮度，二是降低屏幕反射；但前者会增加耗电量，进一步缩短本已不长的智能终端待机时间。所以在改变玻璃表面采用减反射技术意义重大，可降低电子产品在室内外的反射光，减少电量消耗，大幅提升用户体验。
目前减反射技术在光伏玻璃中应用较多，消费电子领域仅限于高端大尺寸电视，如飞利浦、索尼、夏普等55~90吋电视屏幕上有减反射镀膜，另外夏普液晶电子白板也采用低反射超黑TFT液晶屏。
减反射采用多层镀膜方式，层数多于ITO镀膜；同时减反射对均匀性、膜层厚度要求较高，整体工艺难度较高，行业享受较高毛利水平。镀膜加工费用占智能终端成本比例不到1%，下游客户对价格敏感度较低，技术能力靠前的公司有望较长时间保持高毛利。目前行业平均反射率可以做到4~5%，技术、工艺能力较强的业者可以将反射率降到0.25%~1%。
一、 何为减反射？
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。表面平整的物体（这里以可以透光的玻璃为例）放置在空气中，有一束光照射前表面时，将在入射点O 发生反射和折射。普通玻璃的反射率在8%左右，存在着眩光刺眼和透射影象的清晰度低等问题，甚至造成环境的不协调。在平板显示、光伏发电、汽车玻璃、摄像镜头等领域均存在减反射（Anti －Reflectance，简称AR）的需求。
AR膜又称增量膜，其主要功能是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光，从而增加这些元件的透光量。AR膜是应用最广、产量最大的一种光学膜，很多领域必须镀膜，否则无法达到应用的要求。如由18块透镜组成的35mm 自动变焦照相机，如果每个玻璃和空气的界面有4%的反射，则没有AR 的镜头光透过率为27%，镀膜一层（剩余反射1.3%）的镜头光透过率为66%，镀膜多层（剩余反射0.5%）的为85%。
1.2 减反射的原理
光具有波粒二相性，即从微观上既可以把它理解成一种波、又可以把他理解成一束高速运动的粒子增透膜的原理是把光当成一种波来考虑的，因为光波和机械波一样也具有干涉的性质。在镜头前面涂上一层增透膜（一般是氟化钙，微溶于水），如果膜的厚度等于红光，在增透膜中波长的四分之一时，那么在这层膜的两侧反射回去的红光就会发生干涉，从而相互抵消，人们在镜头前将看不到一点反光，因为这束红光已经全部穿过镜头了。
以简单的单层增透膜为例。设膜的厚度为 e ，当光垂直入射时，薄膜两表面反射光的光程差为 2ne，由于在膜的上、下表面反射时都有相位突变 ，结果没有附加的相位差，两反射光干涉相消时应满足：2ne=(k+1/2)λ，膜的最小厚度应为（K=0 ）：e=λ/4n 。由于反射光相消，因而透射光加强。单层增透膜只能使某个特定波长λ 的光尽量减少反射，对于相近波长的其他反射光也有不同程度的减弱，但不是减到最弱，对于一般的照相机和目视光学仪器，常选人眼最敏感的波长 λ =550nm 作为“制波长”，在白光下观看此薄膜的反射光，黄绿色光最弱，红光蓝光相对强一些，因此镜面呈篮紫色。
而有些光学器件需要减少其透射率，以增加反射光的强度。如氦氖激光器中的谐振腔反射镜，要求对波长λ =632.8nm 的单色光的反射率达99%以上。如果把低折射率的膜改成同样厚度的高折射率的膜，则薄膜上下表面的两反射光使干涉加强，这就使反射光增强了，而透射光就减弱，这样的薄膜就是增反膜或高反射膜。一般的单层增反膜可使反射率提高到30%以上，而多层增反膜可以提高的更多。由于这种介质膜对光的吸收很少，所以比镀银、镀铝的反射镜效果更佳。
1.3 材料和工艺路线
·AR膜质量要素
光学性能：要满足一定光谱范围内的透光率，通过调节折射率（n 受到晶体材料结构和聚集密度影响），和膜层的厚度来调节透射光谱。
机械性能：1. 附着力，决定了薄膜应用的可能性和可靠性；2. 热应力，膜层和基片的热膨胀系数不同引起的应力; 3. 硬度，包括耐压强度、抗张强度和耐磨性。
环境稳定：决定了薄膜的实用性及价值性，主要表现在湿热稳定性及抗辐射能力上。
·AR膜材料
光学增透膜的研制，不仅需要考虑透射率，还要兼顾硬度、耐热、耐寒性，与玻璃等光体的接合力度，耐光照射性，吸热强度等因素，能满足如此多条件的材料主要有：氟化镁、二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝、二氧化锆、ZnS 陶瓷红外增透膜等。由于一般光学介质都是玻璃，并在空气中使用，所以 AR膜的折射率应该接近于1.23 ，但现实中折射率小于氟化镁（1.38 ）的镀膜材料比较少，因此多用氟化镁。
·AR膜工艺
AR膜的厚度要控制在可见光波长的1/4 数量级上，均匀度的要求也非常苛刻。目前常用的镀膜方法有真空镀膜、化学气象沉积、溶胶- 凝胶镀膜等方法。
1.溶胶一凝胶法
溶胶一凝胶法就是以含高化学活性组分的化合物为前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，通过提拉、涂覆等工艺过程在基体上得到减反射膜。溶胶一凝胶法是目前在实验室中应用最广泛的合成减反射膜的方法。Sol-gel 法制备薄膜具有合成温度低、操作简单、反应易于控制、制备材料非常均匀等特点，在溶胶的制备、成型、老化、干燥、脱水、致密化过程中，通过控制和调整溶剂用量、陈化时间、保温时间及温度等因素可合成均匀致密的薄膜。
2.化学气相沉积法
化学气相沉积法是把含有构成薄膜元素的气体供给衬底，利用加热、紫外光及等离子体等能源，在衬底上发生化学反应沉积薄膜，可以制备SiC、SiN、ZnS 、SiO2 等减反射膜。此方法的优点很多：薄膜纯度高，残余应力小，延展性强；薄膜形成方向性小，微观均匀性好；薄膜受到的辐射损伤较。
同时也存在如下缺点：需要在高温下反应，同时衬底温度高，沉积速率较低，使用的设备复杂，基体难以进行局部沉积以及反应源和反应后的余气都有一定的毒性等。
3.溅射法
溅射法根据其特征分为以下几种：磁控溅射、直流溅射、反应溅射、射频溅射。磁控溅射法（真空溅镀）是在高真空充入适量的氢气，在阳极和阴极（柱状靶或平面靶）镀膜室壁之间施加直流电压在镀膜室内产生磁控型异常辉光发电，使氢气电离。氢离子在电场作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。磁控溅射法最常用制备氧化钽、氮化硅薄膜。
4.酸腐蚀法
酸腐蚀绒面技术可以比较容易地整合到当前的太阳能电池处理工序中，它应用起来基本上是成本最低的，是最有可能广泛应用的多晶硅太阳电池绒面技术。
二、 减反射的市场空间
减反射增透膜（Anti －Reflectance简称AR膜） 是在玻璃基片上镀多层复合光学膜，采用低折射率（L ）和高折射率（H）材料交替形成膜堆，通过精心的膜层设计和膜厚严格控制，利用干涉效应减少基片表面反射。
2.1 光伏玻璃：目前最主要的应用
光伏电池用的半导体材料的折射率、反射率都较大，因此在制作太阳电池时，往往都要使用减反射膜、几何陷光结构等减反射措施。按照国产设备一条线投资 230~290 万元估算，每加工一平米利润约7~9 元，单条线月盈利达64万元，年利润770 万元，投资回报率较高。
2.2 消费电子：快速成长的蓝海市场
消费电子领域的减反射基本上是在平板显示的玻璃表面实现，以LCD屏幕为例，通过减反射镀膜，可以实现：
1. 减小反射光强度，表面反射降低到 0.5%以下，防止产生眩光；
2. 表面为光滑的镀膜面，减少图像失真；
3. 增加 LCD的出射光强度，增加图像的对比度；
4. 可以产生更宽的视角；
5. LCD显示色彩更鲜明等功效。
减反射技术在消费电子终端上应用广泛，因此以全部消费电子大类估算，2014年全球减反射总市场空间在28亿片，其中 18.8 亿片为智能手机，2.8 亿片为平板电脑，而 PC、TV、游戏机预估用量仍少。目前智能手机中仅高端手机如iPhone 等应用了减反射镀膜，其玻璃表面的反射率从4%降低到0.4%，屏幕整体反射率从 6.84% 降低到3.21% ；有效节约了电能，为手机整体提供了更好的用户体验，同时费用占整机的成本比例很低。
以目前主流的智能终端所用的盖板玻璃为例，根据Display Search 预测，2014、2015年Cover Glass总面积出货增速年均15%左右，分别达到 5731万、6517万平米。而无论是高端的溢流高铝玻璃还是普通的纳钙玻璃，都属于白玻璃范畴，目前的透光率多在90%~95% 之间，使用减反射镀膜后，其透光率可达到99.5% 以上，提高阳光下的可视度，使色彩更鲜艳，同时表面硬度达到最高的9H。由于盖板玻璃（目前都是白玻璃）主要材料为SiO 2 ，其中高铝玻璃的Al 2 O 3 含量稍高，折射率达到1.5~1.52 ，对AR的需求程度较高。
我们以2014年消费电子市场估算AR膜的市场空间，由于 AR膜对产品整体性能和用户体验有非常大的提升，同时在整机BOM COST 中占比较小（按照智能手机、平板电脑、个人电脑、电视机的AR报价分别为6 、14、20、150 元估算，在各自总成本中占比均为 1%左右）；使得品牌厂商对 AR膜态度较为积极。在三种情形假设下，AR膜的市场总量分别达到31、66、92亿元。而2013年总市场规模近10亿元，三种情形下的增速分别为224% 、595% 、871% ，市场前景非常广阔。
2.3、其他细分领域
· 高功率激光器上的减反射膜
随着国内大型激光装置的升级换代，激光器件的输出功率增大，光学元件的需求量增加，口径增大，质量提高；另一方面，随着激光器的升级, 装置的功能也增多，从输出 1053nm 基频光, 到输出527nm倍频光和351nm三倍频光。为了提高激光器在各个波段的输出能量，要求在不同种类的光学元件表面镀制不同波段范围内的膜层，其中对各类窗口和透镜类元件，要求镀制单一波段减反膜层，对KDP等倍频转换晶体，需要镀制一种波长以上的减反射膜，而对放大器隔板和氮灯等元件则需镀制宽光谱范围内的减反射膜。
· 光纤通信系统用减反射薄膜
随着全光通信网络关键技术的日趋成熟以及信息时代对于光纤通信系统通信容量急剧增大的需求，建立WDM全光通信网以解决目前光电通信网络无法克服的电子“瓶颈”效应已成为光纤通信系统势在必行的发展方向。在全光通信网络中，所有的器件均采用光学元件。为了避免信号与光纤之间的非线性效应，提高光纤通信系统的传输效率，必须减小各种光学元件的插入损耗，在1550nm 波段附近需要镀制极高透射率的高质量减反射膜。目前，用于光纤通信系统中的光学元件越来越多，它们的折射率各不相同，必须研制淀积在不同基底上的高质量减反射膜才能满足光纤通信市场的需求。
· 类金刚石增透膜做宇航飞船观察窗
类金刚石薄膜从宏观性质来看，具有类似于金刚石的一些优异性能。除了具有极高的硬度和摩擦学属性外，类金刚石薄膜在红外光区有很高的透过率，可以用作航天器或其它光学仪器的窗口镀层。类金刚石薄膜制备成本较低，在机械、电子、光学和空间技术等众多领域内具有良好的发展前景。进入九十年代，各种新的镀膜技术己经可以在 Ge、Si 、ZnS 和石英等光学材料上制备出高质量的金刚石薄膜，再加上它在红外光区的良好的透过性、高硬度及化学稳定性等优点，在航天技术中己广泛用作整流罩和红外窗口镀膜。另外，在红外范围内透明，同时具备高硬度、耐磨损等特性，因此类金刚石可作为红外区的增透膜和保护膜。
文章来源：AITO大数据
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