智慧型窗玻璃顯示器材之抗靜電及抗反射薄膜制程研究

1、智慧型窗玻璃顯示器材之抗靜電及抗反射薄膜製程研究Anti-static & Anti-reflection Thin Film Processes for Glass Panels of Smart Window Displays林仁謙 駱榮富Samuel Lin R.F. Louh 逢甲大學(xué)材料與科學(xué)工程學(xué)系Tel: 04-2451-7250 x 5314, Fax: 04-2451-0014, E-mail: .tw摘 要本文針對懸浮顆粒式(SPD)智慧型窗玻璃顯示器材之抗反射及抗靜電性質(zhì)，探討其原理、光學(xué)性質(zhì)、電性質(zhì)及微結(jié)構(gòu)。以溶膠凝膠製程在玻璃上形成低

2、折射率的SiO2 薄膜，使與高折射率ITO 薄膜搭配成為良好的抗反射薄膜，在不同熱處理溫度條件及鍍膜層數(shù)，研究鍍膜之微結(jié)構(gòu)變化、結(jié)晶構(gòu)造、可見光穿透及光反射、折射率、片電阻等。在玻璃基板上濺鍍ITO 鍍膜與旋鍍二層SiO2 溶膠鍍膜搭配可成為抗反射鍍膜，使可見光反射率降低約4 %，且可見光穿透率增加2.5 %。經(jīng)由抗反射、抗靜電鍍膜及SPD 可調(diào)光元件搭配而成之裝置可使現(xiàn)代窗玻璃成為節(jié)能、環(huán)境舒適、安全的建材及車輛材料。關(guān)鍵字：Sol-Gel、SPD膜、光穿透、光反射抗反射、抗靜電AbstractThe paper is focused on the indium tin oxide (ITO

3、) film by sputtering and silica film by sol-gel spin coating process to enhance the anti-reflective and anti-static properties of the smart windows based on suspended particle device (SPD) technology. The sol-gel deposited SiO2 films of low refractive index (RI) match up the ITO film of high RI to p

4、roduce better anti-reflective coatings on glass substrates. Processing parameters including rapid thermal annealing temperatures and cycles of thin film deposition were considered in terms of the effects of microstructural changes and variation of transmittance/reflectance and sheet resistance of so

5、l-gel derived films. The deposited SiO2/ITO films on the glass substrate have demonstrated an improved anti-reflective coating for the smart window application by decreasing reflectivity of nearly 4% and increasing transmittance of 2.5%. The combined use of anti-static films, anti-reflective films,

6、and SPD films makes the modern windows of controlled light transmission and illumination level capabilities feasible, which have practically offered better performance of energy-saving efficiency, safety, and environmental comfortableness for viewing windows used in the offices, buildings and vehicl

7、es.Keywords: sol-gel, suspended particle devices, SPD film, anti-static, anti-reflective, transmittance, thermal treatment一、前言窗玻璃顯示器材的節(jié)能改善一直是產(chǎn)官學(xué)界所極力尋求開發(fā)的方向。例如Low-E Glass、Solar Control Glass、電致色變玻璃及後來2001 年美國Research Frontiers Inc. (RFI)所研發(fā)之商業(yè)化量產(chǎn)懸浮顆粒式智慧型窗玻璃顯示器材等，的確為節(jié)能及室內(nèi)舒適環(huán)境有所進步，在著手於節(jié)能之同時，卻也發(fā)現(xiàn)玻璃塗層及玻璃

8、本身所造成之光反射、眩光問題，因此抗反射也成為研究的對象。目前變色型節(jié)能窗(或稱智慧型窗戶; Smart Window)的核心技術(shù)依驅(qū)動力的不同分為以下型式：電致色變(Electrochromic; EC)、光致色變(Photochromism; PC)、熱致色變(Thermochromism; TC)、氣致色變及其他動態(tài)色變(Dynamic Smart Windows)技術(shù)【1-3】。其他智慧型窗玻璃有下列幾種方式:(1) 液晶型 (Liquid Crystal Based)塗，(2) 高分子分散液晶(Polymer Dispersed Liquid Crystal; PDLC)及封包式(E

9、ncapsulated)裝置，(3) 懸浮顆粒式裝置(Suspended Particle Device; SPD) 【4】。由於當今對於節(jié)約能源的重視，專家不斷的尋求節(jié)能的方法，在目前的辦公大樓帷幕玻璃的使用已相當普遍，若能適當?shù)目刂迫展獾拇┩噶坎粌H可節(jié)省冷氣的耗電且可獲得較舒適的環(huán)境，在已獲得可連續(xù)改變穿透率時，抗眩光的抗反射膜也伴隨著有其需求，而在特殊環(huán)境所須的抗靜電鍍層也是重要的一環(huán)，可確保人員與設(shè)備之安全。為能達到以上所須之要求，本研究以商業(yè)化玻璃基板及ITO 鍍膜加上低成本的溶膠凝膠旋鍍法鍍膜製程來探討抗反射、抗靜電之多功能鍍膜及光電性質(zhì)【5-6】。在旋鍍與乾燥後，將試片置入加熱爐

10、中進行退火處理，分別設(shè)定退火溫度為300500oC/10 min。退火處理完成後，爐內(nèi)冷卻至室溫，分析及觀察其不同退火溫度對微結(jié)構(gòu)、電性質(zhì)及光學(xué)性質(zhì)的差異。耐美特® 9021 SiO2 溶膠磁石攪拌 1 hr旋鍍 3000 rpm/20 sec乾燥處理(200°C/10 min)熱處理1.3 mm 明板平板玻璃表面清潔濺鍍ITOXRD 分析、SEM 分析、折射率分析、穿透率分析、反射率分析圖1智慧型窗玻璃顯示器材之抗靜電及抗反射薄膜製程流程。二、實驗方法玻璃基板經(jīng)過清潔、乾燥後即進行In2O3-SnO2 (ITO)薄膜之真空濺鍍製程，濺鍍使用直流電源，並通入氬氣(30 sc

11、cm)與氧氣(0.2 sccm)，輸出功率始為100W/10 min接著為150W / 10 min。本實驗所欲製作之SiO2 薄膜係採用溶膠凝膠旋鍍方法披覆在ITO 薄膜上，詳細步驟包含(1) SiO2溶膠凝膠製備、(2) 旋鍍 (Spinning Coating)、(3) 退火處理。SiO2溶膠原料是為耐美特® 9021 SiO2溶膠，成份計有矽烷氧化物 (Alkoxysilanes) 5 %、異丙醇 (IPA) 95 %、高溫烘箱乾燥後之固形成份2 %。旋鍍過程在無塵等級10,000 的操作艙中進行。旋鍍機機臺為 SCS Spincoater 6700型，旋轉(zhuǎn)條件為3000 r

12、pm / 20 sec。旋鍍後的試片置入烘箱，進行乾燥200 oC /10 min，使鍍膜充分水解乾燥，再進行實驗所需要的旋鍍與乾燥次數(shù)，以達所須之膜厚。在旋鍍與乾燥後，將試片置入加熱爐中進行退火處理，分別設(shè)定退火溫度為300500oC/10 min，在大氣下進行退火處理。退火處理後之試片進行SEM 分析、可見光穿透率及反射率測量、電性質(zhì)測量分析，以觀察其不同退火溫度對微結(jié)構(gòu)、電性質(zhì)及光學(xué)性質(zhì)之影響。三、結(jié)果與討論在玻璃基板上濺鍍完成ITO 薄膜後，使用XRD 分析ITO 薄膜，掃瞄速度: 4.0°/min，掃瞄範圍為20-80°。圖2為ITO 薄膜之XRD圖譜，其中可清楚

13、發(fā)現(xiàn)當退火溫度越高，In2O3的XRD 峰值越明顯，結(jié)晶性越明顯，在無熱處理狀態(tài)及熱處理條件200°C/10 min 下所呈現(xiàn)的是非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，當熱處理溫度選定在300°C 以上，熱處理10 min方能成為結(jié)晶構(gòu)造。對照JCPDS 06-416 確認該鍍膜為In2O3立方菱鋅礦之結(jié)晶構(gòu)造，此菱鋅礦結(jié)晶結(jié)構(gòu)的峰值以(222)方位為最高，其他較高的峰值為(400)、(440)、(622)。相當明顯的對比峰值，可以利於區(qū)別晶體結(jié)構(gòu)。由圖3了解SiO2鍍膜在500°C 退火溫度下1小時的X光繞射圖譜未發(fā)現(xiàn)明顯的峰值，判定在500°C 以下退火溫度未能得到結(jié)晶結(jié)構(gòu)，

14、此SiO2鍍膜屬非晶形結(jié)構(gòu)。以SEM 分析ITO 鍍膜及SiO2鍍膜表面及剖面微結(jié)構(gòu)，如圖4 所示，從玻璃基板上鍍ITO 及SiO2剖面圖中測量鍍膜的厚度可以得到ITO 薄膜厚度約60 nm；而SiO2薄膜厚度約250 nm。SiO2薄膜雖然有旋鍍二層及多層，但在剖面圖上並未能發(fā)現(xiàn)有明顯的層與層之間的分界，惟有ITO、SiO2及玻璃基板之間有著相當明顯的分界。濺鍍ITO 鍍膜在不同熱處理條件的表面SEM 照片可發(fā)現(xiàn)當ITO 鍍膜經(jīng)200°C /10 min 乾燥再經(jīng)300°C /10 min退火熱處理後有明顯的晶粒產(chǎn)生，並可看見晶界。晶粒尺寸約200 nm 500 nm。而

15、當ITO 鍍膜經(jīng)200°C /10 min 乾燥再經(jīng)400°C /10 min退火熱處理後，同樣可發(fā)現(xiàn)晶粒，但是與300°C /10 min退火熱處理後的表面結(jié)構(gòu)未能觀察到明顯之差異。使用橢圓儀測量ITO 鍍膜的折射率，得到的ITO 鍍膜折射率(n)為1.96。SiO2 鍍膜折射率(n)為1.32 。這是我們所需要的高折射率鍍膜(ITO)及低折射率鍍膜(SiO2)。為使玻璃基板得到有效的抗反射折射率，在玻璃基板上再多加鍍一層薄膜時，此薄膜的折射率應(yīng)為下式: ，將此薄膜的折射率代入該計算式，可以得到頂層的鍍膜折射率Nb 應(yīng)為1.59，而本實驗所得到的SiO2 鍍膜折

16、射率為1.32低於理論值，故可獲得良好抗反射效果。雙層抗反射鍍膜的反射率可由下式表示之: 式中ntop 為頂層鍍膜折射率；nbot 為底層鍍膜折射率；nsi 為基材折射率；n0 為空氣折射率。再將此兩鍍膜的折射率代入上式，得到的反射率應(yīng)為3.5 %。由圖5表示ITO玻璃在不同熱處理溫度下的可見光穿透率變化情形，其中我們發(fā)現(xiàn)當ITO 玻璃熱處理溫度越高時則可見光穿透率銳減，證明了熱處理溫度會影響ITO 玻璃的光學(xué)性質(zhì)，可見光區(qū)穿透率的衰減乃因ITO 鍍膜受熱處理後鍍膜本身形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)，使得入射光因散射而減少穿透率，另外ITO 玻璃在微波加熱爐內(nèi)熱處理溫度大於300°C時會有彎曲及破裂情

17、形，嚴重影響 ITO 鍍膜品質(zhì)，會造成光穿透率的衰減。電性質(zhì)分析:在玻璃基板上濺鍍ITO 薄膜後再經(jīng)熱處理，由四點探針儀器測量所得到的片電阻，ITO 鍍膜片電阻在室溫時92.9/，具有導(dǎo)電功能，可成為防止靜電的塗層；在200°C 以上時片電阻有大幅的增加，使導(dǎo)電性相對降低，所以薄膜之熱處理製程會影響ITO 玻璃的電氣特性，這是在製作智慧型窗玻璃顯示器材之抗靜電及抗反射薄膜得須特別注意。四、結(jié) 論將本研究的智慧型窗玻璃抗反射、抗靜電性質(zhì)過程中，吾人在玻璃基板上濺鍍ITO 鍍膜，可得到表面片電阻92.9/，符合透明導(dǎo)電膜的要求，不僅可作為智慧型窗玻璃的導(dǎo)電層，亦可做為防止靜電產(chǎn)生的鍍膜。

18、在玻璃基板上濺鍍ITO 鍍膜與旋鍍二層SiO2 溶膠-凝膠得到的SiO2 鍍膜搭配可成為抗反射鍍膜，使可見光反射率降低約4 %，且可見光穿透率亦獲得提昇(增加2.5 %以上)，有效地獲得智慧型窗玻璃顯示器材的整體光學(xué)性質(zhì)的提昇與改善。參考文獻1. C. M. Lampert, “Chromogenic smart materials,”Materials Today, March (2004) 28352. US Patent No.6,429,961, “Methods for retrofitting windows with switchable and non-switchable window enhancements,” August 6, 2002.3. Y. Ishihara, T. Hirai, C. Sakurai, T. Koyanagi, H. Nishida, M. Komatsu, “Applications of the particle ordering technique for conductive antireflection Films,” Thin Solid Films, 411 (2002) 5055.4. Y. Wang