Секрет невидимых отпечатков пальцев: углубленный анализ черной технологии ПВД антиотпечатки пальцев пленки

В повседневной жизни свежевытертый экран мобильного телефона тут же покрывается отпечатками пальцев, на только что купленном кране из нержавеющей стали остаются следы от воды и масляные разводы, а линзы очков часто затуманиваются жиром — все эти проблемы возникают из-за адсорбции отпечатков пальцев и масляных пятен на поверхности предметов. Появление технологии нанесения анти-отпечатковых пленок методом физического вакуумного осаждения (PVD) позволило добиться эффекта «отсутствия следов на кончиках пальцев» с помощью ультратонкой, но высокоэффективной пленки. Кроме того, она обладает такими преимуществами, как износостойкость, коррозионная стойкость и экологичность, что делает ее ключевой технологией для защиты поверхности высококачественных изделий. Сегодня давайте вместе раскроем тайну анти-отпечатковой пленки PVD и узнаем, как она использует технологии для изменения нашего жизненного опыта.

Анти-отпечатковая пленка PVD — это функциональная пленка, наносимая на поверхность подложки с помощью технологии физического вакуумного осаждения. Ее основными компонентами являются фторсодержащие соединения, алмазоподобный углерод (DLC) и другие материалы с низкой поверхностной энергией. Толщина составляет всего от 50 до 200 нанометров (что эквивалентно одной тысячной диаметра волоса). В отличие от традиционных анти-отпечатковых пленок, наносимых методом покрытия, она не просто «покрывает» поверхность, а обеспечивает прочную связь между атомами пленочного слоя и атомами подложки посредством газофазного осаждения, обладая большей адгезией и долговечностью. Это идеальное сочетание материаловедения и вакуумных технологий.

«Отпечатки пальцев», остающиеся на наших кончиках пальцев, представляют собой смесь кожных выделений, таких как масло, пот и небольшое количество пыли. Среди них масло является основой стойких следов. С физической и химической точки зрения, ключом к появлению следов от пальцев является «разница в поверхностной энергии» — поверхности обычных предметов (стекло, металл, пластик) имеют более высокую поверхностную энергию, в то время как масло от отпечатков пальцев является веществом с низкой поверхностной энергией. В соответствии с принципом «подобное растворяет подобное», масло легко растекается и прилипает к поверхности с высокой поверхностной энергией, образуя масляную пленку, которую трудно стереть.

Более того, даже кажущиеся гладкими поверхности под микроскопом демонстрируют наноразмерные волны. Эти «канавки» служат укрытием для масел, тем самым увеличивая сложность удаления следов. Суть анти-отпечаткового покрытия PVD заключается в решении этой проблемы в корне путем «снижения поверхностной энергии» и «оптимизации микроструктуры».

Анти-отпечатковый эффект пленки PVD достигается за счет синергии ее конструкции с низкой поверхностной энергией и микроскопических гидрофобных и олеофобных структур, что приводит к характеристике поверхности, аналогичной «эффекту листа лотоса».

Поверхностная энергия масла от отпечатков пальцев составляет приблизительно от 30 до 40 мН/м (миллиньютонов/метр). Основная конструкция анти-отпечатковой пленки PVD заключается в снижении поверхностной энергии объекта до уровня ниже 25 мН/м. В этот момент масло с низкой поверхностной энергией теряет способность к растеканию и не может образовывать однородную масляную пленку. Оно может только сжиматься в крошечные капельки и легко удаляется мягким протиранием.

Для достижения этой характеристики в пленочных слоях в основном используются фторсодержащие соединения или алмазоподобный углерод (DLC). Фтор является самым электроотрицательным элементом в природе, а фторсодержащие соединения имеют стабильные молекулярные структуры и чрезвычайно низкую поверхностную активность. Покрытие DLC состоит из гибридных атомов углерода sp³ и sp², и по своей природе имеет низкую поверхностную энергию. Введение небольшого количества элементов фтора приводит к еще более значительным эффектам.

Поверхность анти-отпечаткового покрытия PVD не является полностью гладкой. Путем регулировки параметров осаждения можно сформировать наноразмерные вогнутые и выпуклые структуры в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров. Эти структуры позволяют воздуху заполнять промежутки. Когда капли масла или воды соприкасаются, фактически происходит контакт со структурой «пленочный слой + воздух», что значительно уменьшает площадь контакта и усиливает эффект отталкивания масла и воды. В это время угол контакта между каплями воды и каплями масла на поверхности составляет более 110°, что делает их менее склонными к прилипанию и более легкими для скатывания. Действительно достигая «легкой очистки и отсутствия следов».

Производительность анти-отпечаткового покрытия PVD зависит от точности процесса подготовки. Основными процессами являются магнетронное распыление и дуговое ионное напыление. Высококачественные изделия могут использовать многослойное композитное осаждение для адаптации к различным подложкам и сценариям.

1. Процесс магнетронного распыления: основной выбор, балансирующий однородность и адгезию

   Магнетронное распыление является наиболее часто используемым процессом. Его суть заключается в том, что «в вакуумной среде магнитное поле контролирует бомбардировку электронами материала мишени для генерации осаждения частиц на атомном уровне и формирования пленки». Он выполняется в четыре этапа: Во-первых, подготовка вакуума, помещение очищенной подложки в камеру и откачка до высокого вакуума от 10⁻³ до 10⁻⁴ Па для уменьшения помех от воздуха; во-вторых, введение газа аргона, который ионизируется и используется в качестве «частиц бомбардировки»; в-третьих, распыление мишени, источник питания формирует сильное электрическое поле, а магнитное поле контролирует электроны для бомбардировки фторсодержащей или металлической мишени, генерируя поток высокоэнергетических частиц; в-четвертых, осаждение пленки, поток частиц равномерно осаждается под руководством электрического поля, при этом толщина пленки контролируется в диапазоне от 50 до 200 нанометров.

   Этот процесс имеет замечательные преимущества: пленочный слой обладает высокой однородностью, способен покрывать большие площади или изогнутые подложки, с отклонением по толщине не более ±5%; он обладает сильной адгезией, и после испытаний с использованием сетки и ленты не наблюдалось отслаивания; он обладает сильной совместимостью, подходит для различных подложек и подходит для массового производства.

2. Процесс дугового ионного напыления: первоклассный вариант, сочетающий устойчивость к отпечаткам пальцев и высокую твердость

   Для таких изделий, как корпус мобильных телефонов и корпус часов, которые должны предотвращать появление отпечатков пальцев и одновременно обладать высокой износостойкостью, для подготовки анти-отпечатковых пленок DLC часто используется дуговое ионное напыление. Основной принцип заключается в том, что «дуговой разряд генерирует высокую температуру, ионизирует материал мишени в высокоэнергетические ионы и осаждает в плотный пленочный слой». Скорость ионизации материала мишени достигает от 60% до 80%, а пленочный слой имеет более высокую твердость (HV1500–3000). В процессе подготовки используются графитовые мишени или углеродные мишени, содержащие водород, а небольшое количество газа фтора может усилить анти-отпечатковый эффект. Однако недостатком является высокая стоимость оборудования, и требуется последующая полировка для улучшения гладкости.

3. Процесс композитного многослойного осаждения: многофункциональная синергия

   Высококачественные изделия часто используют многослойные композитные структуры, такие как «антибликовая пленка + износостойкая керамическая пленка + фторкарбоновая пленка, устойчивая к отпечаткам пальцев» для экрана мобильных телефонов, которая сочетает в себе высокую светопропускаемость, устойчивость к царапинам и анти-отпечатковые свойства; «хромовая базовая пленка + фторированная хромовая функциональная пленка» для фурнитуры из нержавеющей стали, которая повышает адгезию и коррозионную стойкость. Этот процесс требует точного контроля толщины и состава каждого слоя, а технические требования чрезвычайно высоки.

Традиционные анти-отпечатковые покрытия методом распыления и погружения имеют недостатки, такие как плохая адгезия, легкое отслаивание и загрязнение окружающей среды. Однако анти-отпечатковые покрытия PVD стали основными благодаря своим пяти основным преимуществам:

1. Сильная адгезия и длительный срок службы
2. Износостойкость и коррозионная стойкость, обеспечивающие всестороннюю защиту
3. Экологичность и отсутствие загрязнения
4. Широкая применимость и сильная совместимость
5. Высокая светопропускаемость без ущерба для функциональности

Благодаря своим всесторонним характеристикам анти-отпечатковое покрытие PVD широко используется в нескольких высокотехнологичных областях:

1. Индустрия потребительской электроники: основные приложения

   Эта технология применяется к рамке, задней крышке, модулю камеры, экрану мобильных телефонов, корпусу ноутбуков, умным часам и т. д. Например, в высококачественных мобильных телефонах используются анти-отпечатковые пленки PVD, чтобы корпус оставался чистым, уменьшались царапины и улучшалась текстура.

2. Оптическая промышленность: улучшение опыта ношения

   Анти-отпечатковое покрытие на линзах уменьшает адгезию жира и улучшает четкость зрения; анти-отпечатковое покрытие на металлических оправах предотвращает коррозию от пота и сохраняет блеск, удовлетворяя потребности людей с высокой миопией в легкости.

3. Часовая промышленность: сохранение высокого качества

   Корпуса высококачественных механических часов сначала покрываются декоративными пленками, а затем добавляются дополнительные анти-отпечатковые пленки для баланса между эстетикой и защитой; после нанесения покрытия для дайверских часов повышается их устойчивость к коррозии морской водой.

4. Индустрия кухонной и ванной фурнитуры: легко чистить и устойчиво к влаге

   После нанесения покрытия краны, душевые лейки, дверные замки и т. д. могут автоматически сбрасывать пятна от воды и масляные остатки. Они устойчивы к коррозии чистящими средствами и остаются блестящими и чистыми в течение длительного времени. Они являются предпочтительным выбором для высококлассных брендов, таких как Kohler и TOTO.

5. Автомобильная и медицинская промышленность

   После установки внутренних кнопок автомобиля, панели управления и покрытия стекла окна внешний вид улучшается, а безопасность вождения повышается; хирургические инструменты, покрытые пленкой, уменьшают адгезию крови, облегчая дезинфекцию; искусственные суставы, покрытые пленкой, повышают биосовместимость и износостойкость.

В будущем анти-отпечатковое покрытие PVD будет развиваться в трех основных направлениях: Во-первых, функциональная интеграция, достижение интеграции нескольких функций, таких как «анти-отпечатки, антибактериальность и защита от запотевания»; Во-вторых, точная обработка, улучшение однородности пленочного слоя и снижение производственных затрат; В-третьих, экологически чистые материалы, разработка не содержащих фтора экологически чистых материалов для удовлетворения требований устойчивого развития.

Во время ежедневного использования необходимо избегать царапин острыми предметами, аккуратно чистить, держаться подальше от высокотемпературных сред и регулярно протирать, чтобы продлить срок службы пленочного слоя.

От экрана мобильного телефона до фурнитуры для кухни и ванной комнаты, анти-отпечатковая пленка PVD с пленкой на наноуровне меняет жизненный опыт. За этим стоит интеграция и инновации нескольких дисциплин. С технологическими итерациями она достигнет большей функциональной интеграции и будет иметь более широкий спектр применений, делая «отсутствие следов на кончиках пальцев и отсутствие забот об очистке» обычным явлением, подчеркивая основную ценность технологий, служащих жизни, — повышение счастья и удобства жизни в мелочах.