Optische coatingtechnologie: Inleiding, ontwikkeling en toekomstige trends

Optische Coating Technologie: Introductie, Ontwikkeling en Toekomstige Trends

Optische coating technologie is een kerntechnologie die meerdere disciplines integreert, zoals materiaalkunde, vacuümfysica en optische engineering. Door één of meerdere lagen films op het oppervlak van optische componenten aan te brengen, reguleert het nauwkeurig de reflectie, transmissie, absorptie, polarisatie, enz. van licht, waardoor de prestaties van optische systemen worden verbeterd en hun toepassingsscenario's worden uitgebreid. Van alledaagse voorwerpen zoals brillen en camera's van mobiele telefoons tot hoogwaardige laserapparatuur, ruimtevaartuigen en kwantumcommunicatieapparaten, optische coating technologie speelt een onvervangbare rol en is de "kernfundering" van moderne opto-elektronische industrieën.

Optische coating verwijst naar het proces van het aanbrengen van een laag (of meerdere lagen) metaal-, medium- of composietfilms op het oppervlak van optische componenten door middel van fysieke of chemische methoden. Het kerndoel van dit proces is het aanpassen van de optische eigenschappen van het materiaaloppervlak om te voldoen aan de gebruiksvereisten van verschillende scenario's. Simpel gezegd, optische coating is als het "aantrekken van een speciale jas" op optische componenten. Deze "jas" is dun (met een dikte die meestal varieert van nanometers tot micrometers), maar kan drie kerntaken uitvoeren: ten eerste vermindert het het verlies van lichtreflectie en verbetert het de doorlaatbaarheid van optische componenten (zoals anti-reflectiecoatings op brillenglazen); ten tweede verbetert het het reflectievermogen van licht en bereidt het hoogreflecterende spiegels voor (zoals lensplaten in laserresonatoren); ten derde realiseert het speciale functies zoals het splitsen, filteren en polariseren van licht (zoals filtercoatings op cameralenzen en polarisatiecoatings op AR-brillen).

Het kernprincipe van optische coating is gebaseerd op het interferentie-effect van licht. Wanneer licht op het oppervlak van de film valt, ondergaat het meerdere reflecties en transmissies op de bovenste en onderste oppervlakken van de film, waardoor meerstraalsinterferentie ontstaat. Door de brekingsindex, dikte en aantal lagen van de film nauwkeurig te regelen, kan de superpositie of annulering van gereflecteerd en doorgelaten licht worden bereikt, waardoor het verwachte optische effect wordt bereikt. Anti-reflectiefilms bereiken dit bijvoorbeeld door het ontwerpen van enkele of meerdere lagen mediumfilms met specifieke dikte, waardoor het gereflecteerde licht elkaar annuleert en meer licht door het component kan gaan; hoogreflecterende films daarentegen bereiken dit door de superpositie van meerdere lagen films, waardoor het gereflecteerde licht elkaar versterkt en een extreem hoge reflectiviteit wordt bereikt.

Volgens de basisprincipes van elektromagnetisme kunnen de reflectiviteit en transmissiviteit van licht met formules worden berekend. Wanneer een luchtlaag (met een brekingsindex van 1,0), een coating (zoals een medium met een brekingsindex van 1,5) en glas (met een brekingsindex van 1,8) een overlappende structuur vormen, kan de transmissiviteit toenemen van ongeveer 85% zonder de coating tot meer dan 91%, wat de kernwaarde van optische coating volledig aantoont.

Afhankelijk van hun functies kunnen optische coatings in vier hoofdcategorieën worden ingedeeld: De eerste is anti-reflectiecoatings (ook bekend als reflectiereducerende coatings), die worden gebruikt om oppervlakterelectie te verminderen en de doorlaatbaarheid te verhogen, en die veel worden toegepast in brillen, cameralenzen, optische vensters, enz.; De tweede is hoogreflecterende coatings, die worden gebruikt om lichtreflectie te versterken en worden toegepast in laserreflectoren, zonnecollectoren, enz.; De derde is filtercoatings, die worden gebruikt om specifieke golflengten van licht te filteren, zoals infrarood filtercoatings en ultraviolet filtercoatings, en worden toegepast in beveiligingsbewaking, medische beeldvorming, enz.; De vierde is speciale functionele coatings, zoals polarisatiecoatings, geleidende coatings, zelfreinigende coatings, enz., die geschikt zijn voor opkomende scenario's zoals AR/VR en autoptica.

Volgens de classificatie van het bereidingsproces kunnen de gangbare technologieën worden onderverdeeld in twee hoofdcategorieën: fysieke dampafzetting (PVD) en chemische dampafzetting (CVD). Onder deze wordt PVD-technologie het meest gebruikt, voornamelijk inclusief: elektronenbundelverdamping, magnetronsputteren en ionen-ondersteunde afzetting (IAD), enz. Elektronenbundelverdamping brengt het materiaal aan door het doelwit te bombarderen met hoogenergetische elektronenbundels, wat de voordelen heeft van hoge zuiverheid en hoge precisie, waardoor het geschikt is voor hoogwaardige precisie optische componenten; magnetronsputteren bereikt afzetting door het doelwit te bombarderen met plasma-ionen, wat het voordeel heeft van een dichte film en goede uniformiteit, waardoor het geschikt is voor grootschalige productie; ionen-ondersteunde afzetting verbetert de filmstructuur door hoogenergetische ionen te introduceren, waardoor de dichtheid en stabiliteit van de film worden verbeterd, en hoogwaardige coating bij kamertemperatuur kan worden bereikt, geschikt voor speciale substraten zoals kunststoffen.

De keuze van optische coatingmaterialen bepaalt direct de prestaties van de coatinglaag. De veelgebruikte materialen kunnen hoofdzakelijk in drie categorieën worden ingedeeld: Ten eerste zijn er diëlektrische materialen, zoals siliciumdioxide (SiO₂), titaniumdioxide (TiO₂), zirkoniumoxide (ZrO₂), magnesiumfluoride (MgF₂), enz. Deze materialen hebben een goede lichtdoorlaatbaarheid en instelbare brekingsindices, en zijn de kernmaterialen voor anti-reflectiefilms, hoogreflecterende films en filterfilms. Onder deze kan magnesiumfluoride de doorlaatbaarheid verhogen, siliciumdioxide heeft een hoge hardheid en goede chemische stabiliteit, en zirkoniumoxide heeft een hoge brekingsindex en hoge temperatuurbestendigheid; ten tweede zijn er metaalmaterialen, zoals aluminium, zilver, goud, enz., die voornamelijk worden gebruikt om hoogreflecterende films en geleidende films te bereiden. De reflectiesnelheid van de meeste metalen kan 78% tot 98% bereiken, en kan verder worden verhoogd tot meer dan 99% door coating, wat voldoet aan de eisen van hoogwaardige optica; ten derde zijn er composiet- en nieuwe materialen, zoals nanodeeltjes, kwantumstippen, chalcogenide glas, enz., die worden gebruikt om multifunctionele composietfilms en speciale functionele films te bereiden, aangepast aan extreme omgevingen en opkomende scenario's.

De ontwikkelingsgeschiedenis van optische coating technologie is een reis van "empirische exploratie" naar "precieze controle", van "enkele functie" naar "integratie van meerdere functies", en van "achterblijven" naar "leidend". Het kan grofweg worden verdeeld in vier fasen, die bijna twee eeuwen overspannen, en diep is geïmpregneerd met de sporen van China's technologische ontwikkeling.

In 1835 vond de Duitse chemicus Liebig de zilverspiegelreactie uit, waarmee voor het eerst de gecontroleerde afzetting van metaalfilms werd bereikt, en zo de optische coating technologie werd geïnitieerd. Gedurende deze periode was de coatingtechnologie voornamelijk afhankelijk van handmatige bediening en eenvoudige metaalfilmproductie, met beperkte toepassingsscenario's, alleen gebruikt voor de productie van eenvoudige reflectoren. In de jaren 1930 bereidde de Britse fysicus Ball voor het eerst een enkellaagse magnesiumfluoride anti-reflectiefilm voor, waardoor de lensdoorlaatbaarheid van 80% naar 95% toenam, wat de theoretische basis legde voor optische coating en een overgang markeerde van "empirische operatie" naar "theoretische begeleiding" voor coatingtechnologie. In deze fase was China's coatingtechnologie vrijwel afwezig, en slechts enkele instellingen konden handmatig eenvoudige reflectoren coaten, met de kerntechnologie gemonopoliseerd door Europese en Amerikaanse landen.

Met de initiële ontwikkeling van optische instrumenten en lasertechnologie, trad optische coating technologie toe tot een systematisch ontwikkelingsstadium. De kern doorbraken waren gericht op vacuümcoatingapparatuur en meerlaagse filmtechnologie. In 1951 richtte Wang Daheng het eerste optische laboratorium op in Nieuw China in Changchun, waarbij hij met eenvoudige apparatuur de eerste in eigen land geproduceerde anti-reflectiefilm ontwikkelde, waarmee een einde kwam aan China's geschiedenis van "geen films beschikbaar" en het pad werd geopend voor China's onafhankelijke exploratie van optische coating technologie. In 1958 ontwikkelde het Changchun Instituut voor Optica, Fijne Mechanica en Fysica China's eerste vacuümcoatingmachine, waarmee batchproductie van meerlaagse diëlektrische films werd gerealiseerd; in 1965 ontwikkelde het Shanghai Instituut voor Optica en Fijne Mechanica een hoogreflecterende film voor laser kernfusie, met een reflectiesnelheid van 99,9%, wat de kernfundering legde voor het "Shen Guang" apparaat. Gedurende deze periode werd internationaal de grootschalige productie van meerlaagse films geleidelijk gerealiseerd, met een verbetering van de diktecontrole nauwkeurigheid van de filmlaag tot op nanometer niveau. Het coatingproces evolueerde van thermische verdamping naar elektronenbundelverdamping en magnetronsputteren, en de toepassingsscenario's werden uitgebreid naar laser, ruimtevaart en andere gebieden. Echter, Chinese technologie liep nog steeds ongeveer 20 jaar achter op internationaal niveau, voornamelijk gebaseerd op imitatie en inhalen.

Met de snelle ontwikkeling van de wereldwijde opto-elektronische industrie, is optische coating technologie toegetreden tot een fase van "hoge precisie, grootschalige en gediversifieerde" ontwikkeling. China is toegetreden tot een periode van snelle inhaal. Gedurende deze periode zijn processen zoals magnetronsputteren en ionen-ondersteunde afzetting in de internationale gemeenschap geleidelijk volwassen geworden, waardoor grootschalige en zeer uniforme coating is gerealiseerd, geschikt voor grootschalige scenario's zoals fotovoltaïek en displaypanelen; het ontwerp van het filmsysteem is geëvolueerd van eenvoudige periodieke structuren naar complexe niet-periodieke structuren, en hoogwaardige filmsystemen zoals breedband anti-reflectiefilms en smalband filterfilms zijn geleidelijk wijdverbreid geworden.

Gedurende deze periode heeft China verschillende belangrijke doorbraken bereikt: Zhejiang University heeft de technologie voor de zuivering van zirkoniumdioxide (ZrO₂) overwonnen, waardoor de kosten van binnenlandse coatingmaterialen met 70% zijn gedaald; de KAI-400 coatingmachine ontwikkeld door het Tweede Instituut van China Electronics Technology Group Corporation heeft een vacuümgraad van 10⁻⁶ Pa, wat het geavanceerde internationale niveau benadert; Fuyao Glass introduceerde de Low-E coatingtechnologie en absorbeerde en gebruikte deze vervolgens, waardoor China's bouwglas coatingnormen werden opgesteld en het buitenlandse monopolie werd doorbroken. In 2008 gebruikte de membraanstructuur van de "Vogelnest" voor de Olympische Spelen in Beijing binnenlandse PTFE-coating, met een duurzaamheid van 30 jaar, wat de inhaalsnelheid van China op het gebied van coatingtechnologie aan de wereld demonstreerde. Tegelijkertijd heeft China geleidelijk de binnenlandse vervanging van coatingapparatuur en -materialen gerealiseerd, waardoor de afhankelijkheid van import is verminderd, en de toepassingen consumentenelektronica, bouw, laser en andere gebieden omvatten, waardoor de kloof met internationale geavanceerde niveaus geleidelijk is gedicht.

In de vroege jaren 2010 van de 21e eeuw, met de doorbraken in geavanceerde opto-elektronische technologie, kwantumtechnologie en ruimtevaarttechnologie, is optische coating technologie toegetreden tot een nieuw stadium van "atoomniveau precisie, integratie van meerdere functies en wereldwijde concurrentie". China heeft geleidelijk de transformatie van "volger" naar "leider" gerealiseerd. Internationaal zijn geavanceerde processen zoals atoomlaagafzetting (ALD) en hoogvermogen gepulseerd magnetronsputteren (HiPIMS) geleidelijk volwassen geworden, en de controle nauwkeurigheid van de coatinglaag is verbeterd tot op sub-nanometer niveau. Nieuwe coatingtechnologieën zoals metamaterialen en slimme responsieve coatings zijn geleidelijk in de toepassingsfase gekomen.

China heeft meerdere doorbraken bereikt op het gebied van het hogere segment: De 40-laags Mo/Si film ontwikkeld door het Instituut voor Optica en Elektronica van de Chinese Academie van Wetenschappen heeft een reflectiesnelheid van 98,5%, wat de productie van 28nm binnenlandse chips ondersteunt; Crystal Optoelectronics' 905nm smalband film bezet 70% van de wereldmarkt, waardoor de kosten van intelligente voertuigen met 60% zijn gedaald; De enkelvoudige foton polarisatiebehoudende film ontwikkeld door de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China heeft een kwantumtoestand transmissieverlies van minder dan 0,1%, wat de "Moxi" satelliet helpt bij een 1.000 kilometer lange verstrengelingsdistributie. In 2023 leidde China de formulering van de "Internationale Standaard voor Nano Meerlaagse Optische Coating Technologie" (ISO 23618), waarmee een transformatie van "volger" naar "standaardzetter" werd bereikt, wat aangeeft dat China's optische coating technologie de internationale geavanceerde rangen is binnengestapt. Momenteel neemt het jaarlijkse exportvolume van coatingapparatuur in China met 25% toe, en de technologie wordt reverse-gelicentieerd aan Europa en de Verenigde Staten, waardoor een complete industriële keten wordt gevormd. Het marktaandeel in gebieden zoals consumentenelektronica, autoptica en kwantumcommunicatie neemt geleidelijk toe.

Met de snelle ontwikkeling van opkomende gebieden zoals AI, kwantumtechnologie, AR/VR en autonoom rijden, evolueert optische coating technologie van "passieve optische functionele lagen" naar "intelligente, precieze, groene en multifunctionele geïntegreerde" actieve fotonische controlesystemen. De kerntrends kunnen worden samengevat in zes richtingen, rekening houdend met zowel technologische upgrades als scenario-uitbreiding, om de fotonische industrie naar een hoger ontwikkelingsniveau te stuwen.

AI en digitale technologieën herdefiniëren het gehele proces van optische coating, waardoor de ontwerpefficiëntie, nauwkeurigheid en opbrengst aanzienlijk worden verbeterd, en worden de kern drijvende kracht voor toekomstige ontwikkeling. Traditioneel meerlaags filmontwerp is gebaseerd op ervaring en iteratieve processen, die tijdrovend zijn en moeilijk wereldwijde optimaliteit te bereiken. Echter, AI-modellen (zoals OptoGPT) kunnen snel een groot aantal materiaalcombinaties en filmdikteparameters doorlopen, waardoor het traditionele maandenlange optimalisatieproces binnen enkele uren wordt voltooid. Dit maakt het ontwerp van complexe multibandbreedte, laag-verlies en hoog-schade-drempel coating systemen mogelijk. Momenteel is het aandeel van niet-periodieke coatingsystemen toegenomen tot 67%, en de breedband expansiecapaciteit is met meer dan 40% verbeterd ten opzichte van traditionele structuren.

Tegelijkertijd, door machine learning te integreren met online monitoringtechnologieën (zoals optische monitoring, massaspectrometrie en ellipsometrie), worden real-time feedback en adaptieve aanpassingen van het depositieproces bereikt, waardoor de controle nauwkeurigheid van de filmdikte wordt verlegd van het nanometer niveau naar het sub-nanometer niveau. De opbrengst van hoogwaardige filters is aanzienlijk gestegen van 75% naar 96,5%, en de productietijd per stuk is met 30% verkort. De toepassing van virtuele simulatie en digitale tweeling technologie kan de spanning, hechting en omgevingsstabiliteit van de filmlaag van tevoren voorspellen, de kosten van trial-and-error verminderen, de transformatie van onderzoek en ontwikkeling naar massaproductie versnellen en de overgang van optische coating van "productie" naar "intelligente productie" bevorderen.

Het traditionele PVD-proces heeft continue iteraties ondergaan, en technologieën zoals atoomlaagafzetting (ALD), hoogvermogen gepulseerd magnetronsputteren (HiPIMS) en ionen-ondersteunde afzetting (IAD) zijn de mainstream geworden in hoogwaardige productie, en hebben doorbraken bereikt in "atoomniveau controleerbaarheid, grootschalige uniformiteit en lage defectpercentages". Atoomlaagafzetting (ALD) groeit nauwkeurig enkele atoomlagen, met een diktecontrole die het niveau van 0,1 nm bereikt, en een dichtheid die de theoretische waarde benadert. Het is geschikt voor scenario's met nul tolerantie voor defecten, zoals ultra-precisie optica, kwantumapparaten en biosensoren, en zal naar verwachting in 2026 35% van het marktaandeel van hoogwaardige halfgeleiderdetectie optische componenten innemen.

Hoogvermogen gepulseerd magnetronsputteren (HiPIMS) verhoogt de kinetische energie van de gesputterde deeltjes met 10 tot 100 keer, wat resulteert in dichte, sterk hechtende en controleerbare stressfilms. Het biedt zowel hoge zuiverheid als hoge productiecapaciteit, en verkleint geleidelijk de prestatiekloof met elektronenbundelverdamping. Ionen-ondersteunde afzetting (IAD) verbetert aanzienlijk de dichtheid, hardheid en omgevingsstabiliteit van de film door de introductie van hoogenergetische ionen. De anti-reflectiefilms behandeld met IAD vertonen een centrumgolflengte drift van minder dan 1 nm na veroudering gedurende 1000 uur bij 85°C/85% RV, waardoor ze een standaardproces zijn voor laseroptica en infrarood vensters.