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系統識別號 U0002-2407200812271200
中文論文名稱 光學玻璃與各種抗沾黏膜及模仁材料間界面化學反應之研究
英文論文名稱 Investigation of the Interfacial Reaction between Optical glasses and Various Protective Films and Mold Materials
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 96
學期 2
出版年 97
研究生中文姓名 吳宗憲
研究生英文姓名 Tzung-Shian Wu
學號 695370360
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2008-06-06
論文頁數 107頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-簡錫新
委員-馬廣仁
委員-劉道恕
委員-周文成
中文關鍵字 光學玻璃  玻璃模造  界面化學反應  鍍膜  沾黏 
英文關鍵字 Optical Glass  Glass Molding  Interfacial Recation  Coatings  Sticking Problems 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 非球面光學玻璃模造技術除了需有精密的模造機台、非球面模仁加工的技術、最佳化的模造參數等能力外;對於如何延長模仁的使用壽命,使模造生產成本降低,因此抗沾黏膜的鍍膜參數,將是最重要的關鍵。最終之目的在利用抗沾黏薄膜輔助模仁材料,提高模仁壽命、抵抗沾黏及改善模仁與光學玻璃界面化學擴散反應,並探討各種抗沾黏膜層與光學玻璃之界面化學擴散反應。
各種光學玻璃與不同鍍膜設計參數之界面化學反應與沾黏程度皆有所差異,本研究中發現光學玻璃預形體的表面精度及組成成份中含活性較大之元素,於高溫狀態下較易與保護膜層元素相互擴散進而產生界面化學反應。而根據金屬元素的氧化電位,可發現光學玻璃組成成份元素活性越大經過高溫反應後,越易與模仁發生相互界面化學擴散反應,使彼此相互沾黏的情形發生。除此之外抗沾黏膜層之厚度、層數及設計上的改變皆會影響膜層於高溫反應後之壽命,而利用膜層設計參數的改變及加入有效之抗擴散阻隔層可以有效避免界面化學擴散反應,進而提高膜層壽命與光學玻璃成品良率提高。
英文摘要 Glass molding process(GMP) is regarded as a very promising technique for mass producing high precision optical components such as spherical/ aspheric glass lenses and free-form optics. However, only a handful of materials can sustain the chemical reaction, mechanical stress and temperature involved in the glass molding process. Besides, almost all of these mold materials are classified as hard-to-machine materials. This makes the machining of these materials to sub-micrometer form accuracy and nanometer surface finish a rather tough and expensive task. As a result, making mold life longer has become extremely critical in the GMP industry. The interfacial chemical reaction between optical glass and mold is normally the main reason for pre-matured mold failure. This research aimed to investigate the interfacial chemical reaction between various optical glasses, different anti-stick coating designs and several mold materials. The results showed that glass composition, coating design (composition, microstructure, thickness..), environment (vacuum, air or in protective gas), reaction temperature and time could all have profound effects on the interfacial chemical reaction. Based on the results, a design developed specially for certain glasses is more likely to be the viable way of optimizing the effect of the protective coating.
論文目次 中文摘要 I
英文摘要 II
致謝 IV
目錄 V
表格目錄 VIII
圖目錄 XI
第一章 序論 1
1-1前言 1
1-2 研究背景 3
1-3 研究動機與目的 5
第二章 文獻回顧與理論基礎 8
2-1 精密玻璃模造技術 8
2-1-1玻璃模造加工製程 9
2-1-2模仁製作和抗沾黏膜披覆 11
2-2 物理氣相沈積(PVD) 18
2-2-1擴散阻礙層 21
2-2-2鉭金屬和鉭基氮化物的結構與特性: 22
2-3光學玻璃材料 22
2-3-1 光學玻璃之光學性質 26
2-3-1-1 折射率 27
2-3-1-2 透光率 28
2-3-1-3 色散率(Abbe Number) 28
2-3-2 光學玻璃之物理、化學性質 29
2-3-3 光學玻璃之機械性質 32
2-3-4 光學玻璃之熱性質 32
2-4光學玻璃與基底材料濕潤現象 33
2-5 光學玻璃組成與熱壓模造之關係 34
第三章 研究方法與設備 39
3-1實驗設計 39
3-2實驗設備 39
3-2-1高溫濕潤爐管 39
3-2-2分析檢測儀器 41
3-3實驗示意圖 44
3-4實驗材料 44
3-5鍍膜參數 52
3-6實驗流程 53
3-7實驗步驟 54
第四章 結果與討論 55
4-1抗沾黏膜層 55
4-1-1層數對膜層影響 56
4-1-2單層厚度對膜層影響 57
4-1-3成份比例差異對膜層影響 60
4-1-4擴散阻隔層TaN膜對膜層影響反應 62
4-1-5 TaN薄膜釋氣退火之影響 64
4-2膜層與光學玻璃 65
4-2-1膜層層數對光學玻璃界面反應之影響 65
4-2-2膜層單層厚度對光學玻璃界面反應之影響 70
4-2-3擴散阻隔層TaN對光學玻璃界面反應之影響 74
4-2-4 TaN膜層釋氣退火後對光學玻璃界面反應之影響 79
4-3光學玻璃分析比較 84
4-3-1光學玻璃活性分析 84
4-3-2預形體表面粗糙度分析 96
第五章 結論 100
參考文獻 102

表格目錄
表1- 1 光學玻璃與光學塑膠之特性比較 6
表2- 1 玻璃模造模仁鍍膜特性比較 15
表2- 2 物理氣相沉積法之比較 20
表2- 3 主要光學玻璃型號區分 24
表2- 4 玻璃對水之抵抗性 31
表2- 5 玻璃對酸性溶液之抵抗性 31
表2- 6 為光學玻璃網狀修飾物優劣比較 37
表3- 1 光學玻璃特性表L-NBH54【OHARA】 45
表3- 2 光學玻璃特性表N-FK5【SCHOTT】 46
表3- 3 光學玻璃特性表N-PK51【SCHOTT】 47
表3- 4 光學玻璃特性表P-SK57【SCHOTT】 48
表3- 5光學玻璃特性表P-LASF47【SCHOTT】 49
表3- 6 光學玻璃特性表N-KZFS8【SCHOTT】 50
表3- 7 光學玻璃特性表N-PSK58【SCHOTT】 51
表3- 8實驗參數 54
表4- 1 抗沾黏膜層高溫濕潤參數 56
表4- 2 抗沾黏膜層數改變與光學玻璃高溫濕潤參數 66
表4- 3 總層數改變參數 66
表4- 4抗沾黏膜厚度改變與光學玻璃高溫濕潤參數 70
表4- 5 抗沾黏膜厚度改變與光學玻璃高溫濕潤參數 75
表4- 6 釋氣退火高溫濕潤實驗參數 80
表4- 7 光學玻璃高溫濕潤參數 85
表4- 8 光學玻璃活性分析抗沾黏膜參數 86
表4- 9 N-FK5光學玻璃沾黏SEM、EDS 86
表4- 10 N-PK51光學玻璃沾黏SEM、EDS 87
表4- 11 P-SK57光學玻璃沾黏SEM、EDS 88
表4- 12 P-LASF47光學玻璃沾黏SEM、EDS 89
表4- 13 N-KZFS8光學玻璃沾黏SEM、EDS 93
表4- 14 N-PSK58光學玻璃沾黏SEM、EDS 94
表4- 15 沾黏元素與光學玻璃型號對照表 95
表4- 16 相異預形體高溫濕潤參數 97
表4- 17 相異預形體抗沾黏膜層高溫濕潤參數 97

圖目錄
圖1. 1 2000~2008全球照相機、手機市場與畫素分析 2
圖1. 2 熱壓模造製程主要成型機構圖 5
圖2. 1非球面光學鏡片圖示與成品 8
圖2. 2 OHARA、SUMITA玻璃預形體 10
圖2. 3 SUMITA精密光學鏡片模仁 12
圖2.4 (A)犧牲型阻礙層(SACRIFICIAL BARRIER)(B)填充型障礙層(STUFFED BARRIER)(C)被動型複合阻礙層(PASSIVE BARRIER)(D)非晶質型阻礙層(AMORPHOUS BARRIER) 21
圖2. 5 SCHOTT光學玻璃之分類 23
圖2. 6折射示意圖 27
圖2. 7 SCHOTT公司光學玻璃之ABBE NUMBER分佈 29
圖2. 8 玻璃性質隨溫度的變化 30
圖2. 9 玻璃鏡片在冷卻時形狀變化量 33
圖2. 10 光學玻璃將隨溫度升高黏滯性下降 33
圖2. 11 玻璃濕潤角觀察圖 34
圖2. 12 結晶二氧化矽空間結構 35
圖2. 13 顯示網狀修飾劑對光學玻璃之影響 36
圖3. 1 氣氛高溫爐管 40
圖3. 2 濕潤實驗載台 40
圖3. 3 光學顯微鏡 41
圖3. 4鍍金機 41
圖3. 5 高解析場發射式電子顯微鏡 42
圖3. 6 量測分析結果 43
圖3. 7 實驗示意圖 44
圖3. 8 鍍膜示意圖(A)抗沾黏層(B)中間層 52
圖4. 1層數改變鍍膜設計經高溫測試後之表面OM圖(×1500) 57
圖4. 2單層厚度差異高溫OM圖(×1500) 58
圖4. 3 薄膜應力 59
圖4. 4厚度分配比例差異高溫OM圖(×150、×1500) 61
圖4. 5 TAN薄膜參數改變高溫OM圖(×1500) 63
圖4. 6釋氣退火之薄膜高溫OM圖(×1500) 64
圖4. 7層數改變與光學玻璃濕潤OM圖 67
圖4. 8 層數改變與光學玻璃濕潤SEM圖 68
圖4. 9 濕潤角及幾何形貌(高寬比)量測分析 68
圖4. 10 膜層差異濕潤角、高寬比曲線圖 69
圖4. 11單層厚度改變與光學玻璃濕潤OM圖 71
圖4. 12 單層厚度改變與光學玻璃濕潤SEM圖 72
圖4. 13 單層厚度改變後光學玻璃量測分析 73
圖4. 14 單層厚度改變光學玻璃濕潤角、高寬比曲線圖 73
圖4. 15 各種擴散阻礙層之示意圖(A)犧牲型阻礙層(SACRIFICIAL BARRIER)(B)填充型障礙層(STUFFED BARRIER)(C)被動型複合阻礙層(PASSIVE BARRIER)(D)非晶質型阻礙層(AMORPHOUS BARRIER) 75
圖4. 16 膜層參數示意圖 76
圖4. 17 改變中間層T AN與光學玻璃濕潤SEM圖 77
圖4. 18 TAN改變後光學玻璃量測分析 78
圖4. 19 TAN改變後光學玻璃濕潤角長條圖 79
圖4. 20 釋氣退火膜層參數示意圖 81
圖4. 21 釋氣退火有無抗沾黏層SEM 82
圖4. 22 釋氣退火膜層高溫實驗沾黏表面粗糙度情況 83
圖4. 23 抗沾黏膜層示意圖 85
圖4. 24 濕潤角及幾何形貌(高寬比)量測分析 90
圖4. 25 光學玻璃分析濕潤角與高寬比曲線圖 91
圖4. 26 N-KZFS8、N-PSK58高溫濕潤形貌 92
圖4. 27 ZACHARIASEN'S RANDOM NETWORK THEORY 96
圖4. 28 表粗優劣預形體於高溫對光學玻璃之影響SEM全貌 98
圖4. 29 表粗優劣預形體於高溫對光學玻璃之影響SEM微觀 98



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