Công nghệ sơn quang: giới thiệu, phát triển và xu hướng trong tương lai

Công nghệ sơn quang: giới thiệu, phát triển và xu hướng trong tương lai

Công nghệ sơn quang là một công nghệ cốt lõi tích hợp nhiều ngành như khoa học vật liệu, vật lý chân không và kỹ thuật quang học.Bằng cách lắng đọng một hoặc nhiều lớp phim trên bề mặt của các thành phần quang học, nó điều chỉnh chính xác phản xạ, truyền, hấp thụ, phân cực, vv của ánh sáng, do đó tăng hiệu suất của hệ thống quang học và mở rộng các kịch bản ứng dụng của chúng.Từ các vật dụng hàng ngày như kính và máy ảnh điện thoại di động, đến thiết bị laser cao cấp, tàu thăm dò không gian và thiết bị truyền thông lượng tử, công nghệ sơn quang đóng một vai trò không thể thay thế và là "nền tảng cốt lõi của các ngành công nghiệp quang điện tử hiện đại.

Lớp phủ quang học đề cập đến quá trình lắng đọng một lớp (hoặc nhiều lớp) các tấm kim loại, trung bình hoặc tổng hợp trên bề mặt của các thành phần quang học thông qua các phương pháp vật lý hoặc hóa học.Mục đích chính của quá trình này là sửa đổi các tính chất quang học của bề mặt vật liệu để đáp ứng các yêu cầu sử dụng của các kịch bản khác nhauNói một cách đơn giản, lớp phủ quang học giống như "đặt một lớp đặc biệt" trên các thành phần quang học.nhưng nó có thể đạt được ba chức năng cốt lõi: thứ nhất, nó làm giảm mất phản xạ ánh sáng và cải thiện khả năng truyền của các thành phần quang học (như lớp phủ chống phản xạ trên ống kính); thứ hai,nó tăng khả năng phản xạ ánh sáng và chuẩn bị gương phản xạ cao (như tấm ống kính trong cộng hưởng laser); thứ ba, nó nhận ra các chức năng đặc biệt như phân chia, lọc và phân cực ánh sáng (như lớp phủ lọc trên ống kính máy ảnh và lớp phủ phân cực trên kính AR).

Nguyên tắc cốt lõi của lớp phủ quang học dựa trên hiệu ứng nhiễu của ánh sáng.nó sẽ trải qua nhiều phản xạ và truyền trên bề mặt trên và dưới của lớp phimBằng cách kiểm soát chính xác chỉ số khúc xạ, độ dày và số lớp của lớp phim,có thể đạt được sự chồng chéo hoặc hủy bỏ ánh sáng phản xạ và ánh sáng truyền, do đó đạt được hiệu ứng quang học mong đợi. ví dụ, các tấm chống phản xạ đạt được điều này bằng cách thiết kế một hoặc nhiều lớp phim trung bình với độ dày cụ thể,cho phép ánh sáng phản xạ hủy bỏ nhau, cho phép nhiều ánh sáng hơn đi qua các thành phần; phim phản xạ cao, mặt khác, đạt được điều này bằng cách chồng lên nhau nhiều lớp phim,làm cho ánh sáng phản xạ tăng cường lẫn nhau, đạt được độ phản xạ cực cao.

Theo các nguyên tắc cơ bản của điện từ học, khả năng phản xạ và khả năng truyền ánh sáng có thể được tính bằng công thức.một lớp phủ (chẳng hạn như một môi trường có chỉ số khúc xạ 1.5) và thủy tinh (với chỉ số khúc xạ 1,8) tạo thành một cấu trúc chồng chéo, khả năng truyền có thể tăng từ khoảng 85% mà không có lớp phủ lên hơn 91%,chứng minh đầy đủ giá trị cốt lõi của lớp phủ quang học.

Theo chức năng của chúng, lớp phủ quang có thể được phân loại thành bốn loại chính: Thứ nhất là lớp phủ chống phản xạ (còn được gọi là lớp phủ giảm phản xạ),được sử dụng để giảm phản xạ bề mặt và tăng độ truyền, và được sử dụng rộng rãi trong kính mắt, ống kính máy ảnh, cửa sổ quang học, vv; thứ hai là lớp phủ phản xạ cao, được sử dụng để tăng cường phản xạ ánh sáng và được áp dụng trong máy phản xạ laser,Máy phản xạ mặt trời, vv; thứ ba là lớp phủ lọc, được sử dụng để lọc các bước sóng ánh sáng cụ thể, chẳng hạn như lớp phủ lọc hồng ngoại và lớp phủ lọc tia cực tím và được áp dụng trong giám sát an ninh,hình ảnh y tế, vv; thứ tư là lớp phủ chức năng đặc biệt, chẳng hạn như lớp phủ phân cực, lớp phủ dẫn điện, lớp phủ tự làm sạch, vv,phù hợp với các kịch bản mới nổi như AR / VR và quang học ô tô.

Theo phân loại quy trình chuẩn bị, các công nghệ chính có thể được chia thành hai loại chính: lắng đọng hơi vật lý (PVD) và lắng đọng hơi hóa học (CVD).Trong số đóCông nghệ PVD được sử dụng rộng rãi nhất, chủ yếu bao gồm: bốc hơi chùm electron, phun magnetron và lắng đọng hỗ trợ ion (IAD), vv.Sự bốc hơi chùm electron lắng đọng vật liệu bằng cách ném bom vào mục tiêu bằng chùm electron năng lượng cao, có lợi thế về độ tinh khiết cao và độ chính xác cao, làm cho nó phù hợp với các thành phần quang học chính xác cao cấp;Magnetron sputtering đạt được sự lắng đọng bằng cách bắn phá mục tiêu với ion plasma, có lợi thế của lớp phim dày đặc và đồng nhất tốt, làm cho nó phù hợp với sản xuất quy mô lớn;lắng đọng hỗ trợ ion cải thiện cấu trúc lớp phim bằng cách giới thiệu các ion năng lượng cao, tăng mật độ và độ ổn định của lớp phim, và có thể đạt được lớp phủ chất lượng cao ở nhiệt độ phòng, phù hợp với các chất nền đặc biệt như nhựa.

Việc lựa chọn các vật liệu sơn quang trực tiếp quyết định hiệu suất của lớp sơn.có vật liệu điện môi, chẳng hạn như silicon dioxide (SiO2), titanium dioxide (TiO2), zirconium oxide (ZrO2), magnesium fluoride (MgF2), vv. Những vật liệu này có khả năng truyền ánh sáng tốt và chỉ số khúc xạ có thể điều chỉnh,và là các vật liệu cốt lõi cho phim chống phản xạTrong số đó, magnesium fluoride có thể làm tăng độ truyền, silicon dioxide có độ cứng cao và ổn định hóa học tốt,và oxit zirconium có chỉ số khúc xạ cao và khả năng chống nhiệt độ cao; thứ hai, có các vật liệu kim loại, chẳng hạn như nhôm, bạc, vàng, vv, chủ yếu được sử dụng để chế tạo các tấm phim phản xạ cao và phim dẫn điện.Tỷ lệ phản xạ của hầu hết các kim loại có thể đạt 78% đến 98%, và nó có thể được tăng thêm lên đến hơn 99% thông qua lớp phủ, đáp ứng các yêu cầu của quang học cao cấp; thứ ba, có vật liệu composite và vật liệu mới, chẳng hạn như hạt nano, chấm lượng tử,thủy tinh chalcogenide, vv, được sử dụng để chuẩn bị phim tổng hợp đa chức năng và phim chức năng đặc biệt, thích nghi với môi trường khắc nghiệt và các kịch bản mới nổi.

Lịch sử phát triển của công nghệ sơn quang là một hành trình từ "kiểm tra thực nghiệm" đến "kiểm soát chính xác", từ "chức năng duy nhất" đến "sự tích hợp đa chức năng",và từ "đang tụt lại phía sau" đến "dẫn đầu"Nó có thể được chia thành bốn giai đoạn, kéo dài gần hai thế kỷ, và được ghi dấu ấn sâu sắc về sự phát triển công nghệ của Trung Quốc.

Năm 1835, nhà hóa học người Đức Liebig đã phát minh ra phản ứng gương bạc, đạt được sự lắng đọng được kiểm soát của các tấm kim loại lần đầu tiên, do đó bắt đầu công nghệ lớp phủ quang học.Trong thời gian này, công nghệ sơn chủ yếu dựa trên các hoạt động thủ công và chuẩn bị phim kim loại đơn giản, với các kịch bản ứng dụng hạn chế, chỉ được sử dụng cho sản xuất các phản xạ đơn giản.Nhà vật lý học người Anh Ball là người đầu tiên chuẩn bị một lớp phim chống phản xạ magnesium fluoride, tăng độ truyền của ống kính từ 80% đến 95%,đặt nền tảng lý thuyết cho sơn quang và đánh dấu sự chuyển đổi từ "hoạt động thực nghiệm" sang "hướng dẫn lý thuyết" cho công nghệ sơnTrong giai đoạn này, công nghệ sơn của Trung Quốc gần như không tồn tại, và chỉ có một vài tổ chức có thể sơn bằng tay các bộ phản xạ đơn giản,với công nghệ cốt lõi độc quyền của các nước châu Âu và Mỹ.

Với sự phát triển ban đầu của các dụng cụ quang học và công nghệ laser, công nghệ sơn quang đã bước vào giai đoạn phát triển có hệ thống.Các bước đột phá chính tập trung vào thiết bị sơn chân không và công nghệ phim đa lớpNăm 1951, Wang Daheng thành lập phòng thí nghiệm quang học đầu tiên ở Trung Quốc mới ở Changchun, sử dụng thiết bị đơn giản để phát triển bộ phim chống phản xạ đầu tiên được sản xuất trong nước,chấm dứt lịch sử của Trung Quốc về "không có phim có sẵn" và mở đường cho việc khám phá độc lập của Trung Quốc về công nghệ sơn quang họcNăm 1958, Viện quang học, cơ học tinh vi và vật lý Changchun đã phát triển máy sơn chân không đầu tiên của Trung Quốc, đạt được sản xuất hàng loạt các bộ phim dielectric đa lớp; năm 1965,Viện quang học và cơ học tinh tế Thượng Hải đã phát triển một bộ phim phản xạ cao cho laser nồng nhiệt hạt nhân, với tỷ lệ phản xạ 99,9%, đặt nền tảng cốt lõi cho thiết bị "Shen Guang".với độ chính xác kiểm soát độ dày của lớp phim cải thiện đến mức nanometerQuá trình sơn đã phát triển từ bốc hơi nhiệt đến bốc hơi chùm electron và phun magnetron, và các kịch bản ứng dụng được mở rộng sang laser, hàng không vũ trụ và các lĩnh vực khác.Công nghệ Trung Quốc vẫn còn khoảng 20 năm sau các mức độ quốc tế, chủ yếu dựa vào bắt chước và bắt kịp.

Với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp quang điện tử toàn cầu, công nghệ lớp phủ quang đã bước vào giai đoạn phát triển "chính xác cao, quy mô lớn và đa dạng".Trung Quốc đã bước vào giai đoạn bắt kịp nhanh chóngTrong thời gian này, các quy trình như phun magnetron và lắng đọng hỗ trợ ion trong cộng đồng quốc tế đã dần trưởng thành, đạt được lớp phủ diện tích lớn và đồng nhất cao,thích hợp cho các kịch bản quy mô lớn như quang điện và bảng hiển thị; thiết kế của hệ thống phim đã phát triển từ các cấu trúc định kỳ đơn giản đến các cấu trúc không định kỳ phức tạp,và các hệ thống phim hiệu suất cao như phim chống phản xạ băng thông rộng và phim lọc băng thông hẹp đã dần trở nên phổ biến.

Trong thời gian này, Trung Quốc đã đạt được một số bước đột phá quan trọng: Đại học Zhejiang đã vượt qua công nghệ thanh lọc zirconium dioxide (ZrO2),Giảm chi phí các vật liệu sơn trong nước 70%; Máy sơn KAI-400 được phát triển bởi Viện Công nghệ Công nghệ Điện tử Trung Quốc thứ hai có độ chân không 10-6Pa, gần mức quốc tế tiên tiến;Fuyao Glass giới thiệu công nghệ sơn Low-E và sau đó hấp thụ và sử dụng nóNăm 2008, cấu trúc màng của "Nổ chim" cho Thế vận hội Bắc Kinh sử dụng lớp phủ PTFE trong nước,có độ bền 30 năm, chứng minh tốc độ bắt kịp của Trung Quốc trong công nghệ sơn cho thế giới.giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu, và các ứng dụng của nó bao gồm điện tử tiêu dùng, xây dựng, laser và các lĩnh vực khác, dần dần thu hẹp khoảng cách với các mức độ tiên tiến quốc tế.

Vào đầu những năm 2010 của thế kỷ 21, với những bước đột phá trong công nghệ quang điện tử tiên tiến, công nghệ lượng tử, và công nghệ hàng không vũ trụ,công nghệ sơn quang đã bước vào một giai đoạn mới của "chính xác cấp nguyên tử, hội nhập đa chức năng, và cạnh tranh toàn cầu". Trung Quốc dần dần đạt được sự chuyển đổi từ "theo dõi" sang "dẫn đầu".Các quy trình tiên tiến như lắng đọng lớp nguyên tử (ALD) và phun magnetron xung mạnh (HiPIMS) đã dần trưởng thành, và độ chính xác điều khiển của lớp lớp phủ đã được cải thiện đến mức dưới nanomet.Các công nghệ sơn mới như siêu vật liệu và sơn phản ứng thông minh đã dần bước vào giai đoạn ứng dụng.

Trung Quốc đã đạt được nhiều bước đột phá trong lĩnh vực cao cấp:Bộ phim Mo / Si 40 lớp được phát triển bởi Viện quang học và điện tử của Học viện Khoa học Trung Quốc có tỷ lệ phản xạ 980,5%, hỗ trợ sản xuất các chip trong nước 28nm; phim băng hẹp 905nm của Crystal Optoelectronics chiếm 70% thị trường toàn cầu, giảm chi phí của xe thông minh 60%;Bộ phim bảo quản phân cực photon đơn được phát triển bởi Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc có mức mất truyền trạng thái lượng tử dưới 0.1%, giúp vệ tinh "Moxi" đạt được sự phân bố rối loạn 1.000 km.Trung Quốc dẫn đầu việc xây dựng "Tiêu chuẩn quốc tế về công nghệ sơn quang đa lớp nano" (ISO 23618), đạt được một sự chuyển đổi từ một "người theo" đến một "người đặt tiêu chuẩn", đánh dấu rằng công nghệ sơn quang của Trung Quốc đã bước vào hàng tiên tiến quốc tế.khối lượng xuất khẩu hàng năm của thiết bị sơn ở Trung Quốc tăng 25%, và công nghệ được cấp phép ngược lại cho châu Âu và Hoa Kỳ, tạo thành một chuỗi công nghiệp hoàn chỉnh.và thông tin liên lạc lượng tử đang dần gia tăng.

Với sự phát triển nhanh chóng của các lĩnh vực mới nổi như AI, công nghệ lượng tử, AR / VR và lái xe tự động,công nghệ lớp phủ quang học đang phát triển từ "mảng chức năng quang học thụ động" đến "thông minh"Các xu hướng cốt lõi có thể được tóm tắt thành sáu hướng:xem xét cả nâng cấp công nghệ và mở rộng kịch bản, để thúc đẩy ngành công nghiệp quang học đến một mức độ phát triển cao hơn.

AI và công nghệ kỹ thuật số đang xác định lại toàn bộ quá trình sơn quang, cải thiện đáng kể hiệu quả thiết kế, độ chính xác và năng suất,và trở thành động lực chính cho sự phát triển trong tương laiThiết kế phim đa lớp truyền thống dựa trên kinh nghiệm và các quy trình lặp lại, tốn thời gian và khó đạt được tối ưu toàn cầu.Các mô hình AI (như OptoGPT) có thể nhanh chóng đi qua một số lượng lớn các kết hợp vật liệu và các thông số độ dày phim, hoàn thành quá trình tối ưu hóa kéo dài hàng tháng theo truyền thống chỉ trong vài giờ. Điều này cho phép thiết kế các hệ thống sơn đa băng thông phức tạp, mất mát thấp và ngưỡng thiệt hại cao.Hiện tại, tỷ lệ các hệ thống lớp phủ không định kỳ đã tăng lên 67%, và khả năng mở rộng băng thông rộng đã được cải thiện hơn 40% so với các cấu trúc truyền thống.

Đồng thời, bằng cách tích hợp học máy với các công nghệ giám sát trực tuyến (như giám sát quang học, quang phổ khối lượng và hình elip),phản hồi thời gian thực và điều chỉnh thích nghi của quá trình gửi được đạt được, cho phép độ chính xác kiểm soát độ dày phim được đẩy từ mức nanomet lên mức dưới nanomet.và chu kỳ sản xuất một mảnh đã được rút ngắn 30%Việc áp dụng mô phỏng ảo và công nghệ sinh đôi kỹ thuật số có thể dự đoán căng thẳng, dính và sự ổn định môi trường của lớp phim trước, giảm chi phí thử nghiệm và lỗi,tăng tốc chuyển đổi từ nghiên cứu và phát triển sang sản xuất hàng loạt, và thúc đẩy quá trình chuyển đổi lớp phủ quang từ "sản xuất" sang "sản xuất thông minh".

Quá trình PVD truyền thống đã trải qua các lần lặp liên tục, và các công nghệ như lắng đọng lớp nguyên tử (ALD), phun magnetron xung công suất cao (HiPIMS),và ion hỗ trợ lắng đọng (IAD) đã trở thành dòng chính trong sản xuất cao cấp, đạt được những bước đột phá trong "sự kiểm soát ở cấp độ nguyên tử, đồng nhất diện tích lớn và tỷ lệ khiếm khuyết thấp".với kiểm soát độ dày đạt 0Nó phù hợp với các kịch bản không dung nạp cho các khiếm khuyết như quang học cực chính xác, thiết bị lượng tử và sinh học,và dự kiến sẽ chiếm 35% thị phần thành phần quang học phát hiện bán dẫn cao cấp vào năm 2026.

Chế độ phun magnetron xung mạnh (HiPIMS) làm tăng năng lượng động của các hạt phun từ 10 đến 100 lần, dẫn đến các tấm căng thẳng dày đặc, dính cao và có thể kiểm soát được.Nó cung cấp cả độ tinh khiết cao và năng lực sản xuất cao, dần dần thu hẹp khoảng cách hiệu suất so với bay hơi chùm electron.và sự ổn định môi trường của phim bằng cách giới thiệu các ion năng lượng caoCác bộ phim chống phản xạ được xử lý bằng IAD cho thấy một bước sóng trung tâm nhỏ hơn 1 nm sau khi lão hóa trong 1000 giờ ở 85 °C/85% RH,làm cho chúng trở thành một quy trình tiêu chuẩn cho quang laser và cửa sổ hồng ngoại.