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系統識別號 U0002-2807200916462300
中文論文名稱 光學玻璃表面處理及抗沾黏膜層設計對其界面化學反應影響之研究
英文論文名稱 Investigation of the Influence of Surface Treatment of Optical Glass and Design of Protective Coatings on Their Interfacial Reaction
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 97
學期 2
出版年 98
研究生中文姓名 謝仲岳
研究生英文姓名 Chung-Yueh Hsieh
電子信箱 radlm7872@yahoo.com.tw
學號 696371649
學位類別 碩士
語文別 中文
第二語文別 英文
口試日期 2009-07-07
論文頁數 120頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-趙崇禮
委員-馬廣仁
委員-劉道恕
委員-陳大同
委員-周文成
中文關鍵字 光學玻璃  玻璃模造  粘黏  擴散  界面反應  濕潤角  擴散阻礙層 
英文關鍵字 Optical Glass  Glass Molding  Sticking  Diffusion  Interfacial Reaction  Contact Angle  Diffusion Barrier 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 光學玻璃模造技術(Glass molding process GMP)雖能有效的量產各種非球面玻璃光學元件,但其製程需要有昂貴的模造機及精密非球面模仁、針對光學玻璃及元件形狀而設計之模造參數等條件配合才能製造出高品質之光學元件。為有效的降低成本以增加競爭力,如何能延長模仁使用壽命及優化模造參數以增加良率是極其關鍵的技術。本研究利用貴金屬薄膜的抗粘黏特性,以其為保護膜來避免模仁粘黏及延展模仁壽命。並對模仁與光學玻璃界面之化學擴散反應及各種光學玻璃對其抗粘黏膜層設計之界面化學擴散反應進行探討。研究結果顯示光學玻璃預形體表面粗糙度,會影響與基底材料界面的濕潤角變化。此外光學玻璃材料組成在高溫時,活性較大元素易與抗粘黏膜層相互擴散,導致光學玻璃界面有氣泡或霧化的缺陷產生,影響成品的良率以及透光度。此外,抗粘黏膜層厚度與層數的設計,也會影響貴金屬薄膜於高溫反應後之壽命。且Pt膜層與含矽的基底材料設計下,適當的披覆擴散阻礙層確實可以有效的減緩界面化學擴散反應,提高膜層披覆在模仁表面上之壽命,以及光學玻璃成品的良率,達到成本降低的目的。
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 目錄
誌謝 I
中文摘要 II
英文摘要 III
目錄 V
圖目錄 VIII
表目錄 XI
符號表 XIII
第一章緒論 1
1-1前言 1
1-2研究背景 4
1-3研究動機與目的 7
第二章 文獻回顧與理論基礎 10
2-1精密光學玻璃熱壓模造技術 10
2-1-1光學玻璃熱壓模造加工製程 11
2-1-2光學級模仁製作之要求與特性 14
2-2真空鍍膜技術之方法與特性 16
2-2-1貴金屬薄膜披覆之目的與特性 18
2-3光學玻璃材料之特性 20
2-3-1光學玻璃缺陷形成之原因與影響 23
2-3-2光學玻璃之光學性質 24
2-3-3光學玻璃之機械性質 27
2-3-4 光學玻璃之物理與化學性質 29
2-3-5光學玻璃之熱性質 31
2-4擴散機制 32
2-4-1擴散定律 35
2-4-2光學玻璃與氣體在高溫環境之擴散影響 36
2-4-3光學玻璃與抗沾黏膜以及基底材料之界面擴散影響 38
2-4-4擴散阻礙層(Diffusion Barrier) 42
2-4-5基底材料與光學玻璃之濕潤現象 44
2-5光學玻璃的組成與熱壓模造之關係 45
第三章 研究方法與設備 49
3-1實驗設計 49
3-1-1實驗流程圖 50
3-2實驗設備 51
3-2-1材料製作與表面清潔儀器 51
3-2-2高溫濕潤氣氛爐管 52
3-2-3分析檢測儀器 54
3-3實驗材料與製作 57
3-4鍍膜參數設計 57
3-5實驗步驟 64
第四章 結果與討論 66
4-1抗沾黏單層膜對其光學玻璃界面化學反應之影響 66
4-1-1抗沾黏Pt單層膜與光學玻璃之界面反應影響 67
4-1-2 抗沾黏Ir單層膜與光學玻璃之界面反應 70
4-2抗沾黏多層膜對其光學玻璃界面化學反應之影響 75
4-2-1 Pt/Ir合金膜層與光學玻璃之界面反應 76
4-2-2 Pt/Ir合金膜層加入TaN層對光學玻璃之界面反應 81
4-2-3含硼光學玻璃與Pt、Ir合金膜層之界面化學反應關係 87
4-2-4膜層層數對其界面化學反應之影響 91
4-3光學玻璃表面粗糙度、缺陷與膜層之界面影響 96
4-3-1 光學玻璃表面粗糙度對其濕潤角之影響 96
4-3-2 光學玻璃材料活性分析對其氣泡產生之機制與影響 104
4-3-3 光學玻璃材料活性分析對其霧化產生之機制與影響 110
第五章結論 114
參考文獻 115

圖目錄
圖1.1 2007~2010 台灣光電產業成長趨勢 3
圖1.2光學玻璃預形體 4
圖1.3 TOSHIBA GMP-3111VA 精密模造主要成型結構圖與示意圖 6
圖1.4玻璃鏡片與Canon塑膠鏡片 7
圖1.5 Canon手機鏡頭 7
圖2.1非球面玻璃透鏡成品 10
圖2.2 SUMITA玻璃預形體 12
圖2.3模造示意圖(a)加熱(b)加壓(c)退火(d)冷卻 13
圖2.4超精密加工之模仁成品 15
圖2.5 SCHOTT光學玻璃之分類 20
圖2.6 折射示意圖 25
圖2.7 Schott公司光學玻璃之Abbe number分佈 26
圖2.8空位擴散示意圖 32
圖2.9間隙擴散示意圖 33
圖2.10擴散運動時能量變化示意圖 34
圖2.11不同溫度下氣體與玻璃的溶解度 36
圖2.12硼矽酸玻璃基板鍍上SiC而形成PtSi化合物示意圖 39
圖2.13表面改質示意圖 40
圖2.14玻璃在550℃氧化光譜比較圖 41
圖2.15擴散阻礙層於膜層間之示意圖 42
圖2.16 (a)犧牲型阻礙層(Sacrificial Barrier) (b)被動型阻礙層(Passive Barrier)(c)填塞式阻礙層(Stuffed Barrier) (d)無晶界阻礙層(Amorphous Barrier) 43
圖2.17光學玻璃濕潤角示意圖 44
圖2.18二氧化矽空間結構示意圖 46
圖2.19網狀修飾劑對光學玻璃之影響示意圖 46
圖3.1實驗流程圖 50
圖3.2 研磨拋光機 51
圖3.3 BRANSON 2510超音波清潔機 51
圗3.4高溫氣氛爐管 52
圖3.5高溫爐管升降溫曲線圖 52
圗3.6高溫氣氛爐管示意圖 53
圖3.7高溫濕潤實驗石英晶舟載台 53
圖3.8光學顯微鏡(OM) 54
圖3.9鍍金機 54
圖3.10場發射電子顯微鏡FESEM與EDX 55
圖3.11濕潤角量測分析結果 56
圖3.12表面形貌儀(Alpha-Step) 56
圖3.13 Pt或Ir單層膜示意圖 57
圖3.14 Pt/Ir合金多層膜示意圖 57
圖3.15 Pt/Ir合金加入TaN層示圖 57
圖4.1 Pt、Ir單層膜示意圖 66
圖4.2 Pt薄膜界面擴散反應SEM分析圖 68
圖4.3 Pt膜層與光學玻璃濕潤角與表面形貌分析圖 69
圖4.4 Pt膜層與光學玻璃濕潤角與表面形貌比較圖 69
圖4.5 Ir薄膜界面擴散反應SEM分析圖 72
圖4.6 Ir膜層與光學玻璃濕潤角與表面形貌分析圖 73
圖4.7 Ir膜層與光學玻璃濕潤角與表面形貌比較圖 74
圖4.8 Pt、Ir單層膜濕潤角比較圖 74
圖4.9多層膜之示意圖 75
圖4.10 Pt/Ir合金膜層界面擴散反應SEM分析圖 78
圖4.11 Pt/Ir合金膜層與光學玻璃之濕潤角與表面形貌分析圖 80
圖4.12 Pt/Ir合金膜層與光學玻璃之濕潤角與表面形貌比較圖 80
圖4.13 Pt/Ir合金加入Ta N膜層界面擴散反應SEM分析圖 83
圖4.14 Pt/Ir合金膜層加入TaN層與光學玻璃之濕潤角與表面形貌分析 84
圖4.15 Pt/Ir合金膜層加入TaN與光學玻璃之濕潤角與表面形貌比較圖 85
圖4.16 Pt/Ir合金膜層與加入TaN之濕潤角比較 86
圖4.17 Ta +(Pt +Ir )合金膜層30層與60層示意圖 92
圖4.18 Pt/Ir合金膜層30層的界面擴散反應SEM分析圖 93
圖4.19 光學玻璃與膜層(30層)濕潤角分析圖 93
圖4.20 Pt/Ir合金膜層60層的界面擴散反應SEM分析圖 94
圖4.21光學玻璃與膜層(60層)濕潤角分析圖 95
圖4.22抗沾黏層數濕潤角差異比較圖 95
圖4.23 P-SF67表面粗糙度 97
圖4.24 P-SF67表面粗糙度比較圖 98
圖4.25 P-SF67表面粗糙度差異與濕潤角及表面形貌分析圖 98
圖4.26 P-SF67表面粗糙度差異與濕潤角及表面形貌比較圖 99
圖4.27 N-FK51A 表面粗糙度 101
圖4.28 N-FK51A表面粗糙度比較圖 101
圖4.29 N-FK51A之表面粗糙度差異與濕潤角及表面形貌分析圖 102
圖4.30 N-FK51A表面粗糙度差異的濕潤角比較圖 103
圖4.31 N-FK51A、N-PK52A 產生氣泡CCD圖 105
圖4.32 P-SF67與P-SF68 霧化CCD形貌分析圖 111

表目錄
表1-1光學玻璃與光學塑膠之特性比較 8
表2-1真空鍍膜PVD之比較 17
表2-2主要光學玻璃型號區分 21
表2-3光學玻璃網狀修飾物優劣比較 47
表3-1光學玻璃P-SF67特性表 58
表3-2光學玻璃P-PK53特性表 59
表3-3光學玻璃N-FK51A特性表 60
表3-4光學玻璃N-PK52A特性表 61
表3-5光學玻璃SF57HHT特性表 62
表3-6光學玻璃P-LASF47特性表 63
表3-7實驗參數表 64
表3-8玻璃成分表 65
表4-1抗粘黏Pt膜層之實驗參數 67
表4-2抗粘黏Ir膜層之實驗參數 70
表4-3 Pt/Ir合金膜層之實驗參數 76
表4-4 Pt/Ir合金膜層加入TaN之實驗參數 81
表4-5 P-LASF47與Pt/Ir膜層EDS 元素分析 87
表4-6 P-SF8 與Pt/Ir 膜層EDS元素分析 88
表4-7 P-LASF47與Pt/Ir膜層加入TaN層EDS 元素分析 89
表4-8 P-SF8 與Pt/Ir 膜層加入TaN層EDS元素分析 90
表4-9膜層層數差異之實驗參數 91
表4-10光學玻璃表面粗糙度與Pt/Ir合金膜層測試之實驗參數 96
表4-11氣泡產生的機制與探討之實驗參數 104
表4-12 N-FK51A 光學玻璃活性分析SEM EDS(沒有氣泡) 106
表4-13 N-FK51A 光學玻璃活性分析SEM EDS 107
表4-14 N-PK52A 光學玻璃活性分析SEM EDS(沒有氣泡) 108
表4-15N-PK52A 光學玻璃活性分析SEM EDS 109
表4-16霧化機制之實驗參數 110
表4-17 P-SF67光學玻璃霧化EDS材料分析 112
表4-18 P-SF68光學玻璃霧化EDS材料分析 113

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