高端窗膜制造的三种『神』器
Window Film（窗膜）作为终端用途的其中之一。
WindowFilm被称为可调整太阳照射的薄膜，以可提高窗户的隔热性以及可选择性的日照组合为目的，被设计在住宅以及Office building的窗户上。
因为可以通过切断红外线，实现空调工作时的绿色节能，或是通过切断紫外线防止家具发生褪色。近年来需求的呼声不断提高。
WindowFilm根据装配的场所・用途不同，会有各种各样与之对应的光学特性的需求。
在此，我们分享对具备可遮挡红外线以及紫外线，并具备可见光高透过的WindowFilm的光学设计。
光的透过，反射，吸收
窗膜示例
窗膜的效能
窗膜市场的成长
面向建筑物的窗膜
面向建筑物的窗膜
汽车用窗膜
汽车用窗膜
2.光学薄膜与光学设计
所谓光学薄膜，即通过利用在基材上形成的薄膜对光的反射，吸收以及干涉，控制分光特性（不同波长对应的光学强度）的薄膜。
为了达到所期望的分光特性，多数是将具有不同光学常数的数个薄膜进行重叠的构造。
通过使用此类光学薄膜的防反射，光学滤镜之功能，可在广泛应用于以照相机，投影仪等光学机器领域为首的显示，光通信，太阳能面板等众多领域。
光学薄膜可通过真空蒸镀、磁控溅射法等方式进行制备，根据其适用的成品形态可使用多种多样的镀膜方法、镀膜设备。
针对神户制钢KOBELCO所的磁控溅射卷绕镀膜设备以及PECVD卷绕镀膜设备，用其制备光学功能薄膜的专用设备的需求呼声十分高涨。
从业界用户的需求开看，不仅针对设备装置，对光学特性的功能设计，到镀膜验证为止有一定的期望。我司具备向用户提供以上各环节综合服务的能力。
如开头所述，以下介绍WindowFilm的1）光学设计 和2）基于其设计的膜样品试镀结果案例。
1）所谓光学设计，由以下2项构成。
①光学解析：计算积层数的层数，投入各层的光学常数和膜厚，计算光学特性（反射率，透过率）。通过特性matrix法进行实现。
②膜结构的最优化：在具备层数和光学常数的基础上，为得到所希望的分光特性将膜厚进行最优化。通过共轭梯度法进行实现。
以下对各种技术的概要进行阐述。
3.光学设计：光学解析
根据多层膜各层的光学常数和对多层膜表面的光入射角度，从而求得反射率和透过率的特性matrix法进行概述。在基板上形成的多层膜模式图，如图1所示，对于多层膜的各层以及基板的光入射角度，根据Snell法则进行关联。
图1 在基板上形成的多层膜模式图
Nj, Yj, dj分别是各层上的折射率，光学admittance，膜厚。、
Θj是各个境界面的入射角和折射角。 Ej, Hj 是电界，磁界的各个境界面的平行的成分。
折射率Nj一般为复数。以公式(1)的关系，加入多层膜表面的入射角θ0，可以求出全部的θj。另外，折射率Nj存在于光学admittanceYj和式(2)的关系里。
关于电磁波一样的光的电界和磁界，将和境界平行的成分视为连续的，以之为条件，在多层膜最表面的电磁界E0，H0和基板的境界面上的电磁界El，Hl的关系通过公式(4)进行表述。
在此，将光的波长记为λ，各层的膜厚为dj，
将公式(4)进行变形，
运用此处的B，C 如下得出反射率R和透过率T。
神户制钢KOBELCO所基于上述的光学理论，构筑了作为计算多层膜的反射率，透过率的设计程序。
在设计程序中，为了将光学特性作为spectrum进行求值，在折射率里包含了波长分散性。
3.光学设计：最优化
接着，为了得到所期望的光学spectrum，构筑了能让各层的膜厚最优化的设计程序。
我们设定了初期膜厚构成的光学spectrum和作为目标值的光学spectrum之间的差值的评价系数。
即，判断符合此评价系数的最小值的膜厚构成，为最合适的解。
虽然在系数的最少值（或最大值）的求算方法里有各种Algorithm被提议出来，在此我们使用梯度法的其中一种，共轭梯度法。
本稿里所述膜厚构成的最优化是以下述条件为设定的。
系数一般具备多重峰值性，存在数个极值。
因此，很难判断所求出的极值是否真的是最小值或者最大值（广域的最优化值）（图2）。
设计程序中，基于数个初期数值实施优化的基础上，当中也是针对取最小的评价系数所求得的膜厚构成将其进行最优化。
4.WindowFilm的功能设计
以下为实现WindowFilm的案例之一。
根据目标光学性能和制造成本，通过使用光学设计程序可容易的变更本案例。
即，用户可通过此将所要实现的性能，制造成本简单的进行变更调整。
本案例中，
●将透过spectrum的目标，在图7里作为用矩形表示的spectrum。
●多层膜的膜厚构成为TiOx/SiOx/Ag/SiOx/Ag/SiOx/TiOx/PET基材的7层膜构成。
通过解析各个单层膜的elipsometer测定结果，求得各自的光学常数。
通过将这些光学特性适用于设计程序，计算出多层膜WindowFilm的光学性能（透过率、反射率、吸收率）。
将被算出的Spectrum和目标Spectrum的差设定为评价系数，采用共轭梯度法，将此评价系数最小化。
只是，从WindowFilm的生产效率的观点看，镀膜速率慢的TiOx层，将其膜厚设定控制在50nm以下。
另外，关于Ag层，从确保透过率和超薄膜的稳定性观点看，将膜厚固定在10nm。
结果，由设计程序所得的膜厚构成为，TiOx(16.6nm)/SiOx(5.1nm)/Ag(10.0nm)/SiOx(154.8nm)/Ag(10.0nm)/SiOx(10.7nm)/TiOx(21.3nm)/PET基材。
神户制钢KOBELCO所试做的7层窗膜样品
7层窗膜膜系列结构
5.WindowFilm的镀膜实证
接下来，为了试验证明该膜结构的光学特性，我们进行了磁控溅射Sputter镀膜。
Ag层使用纯Ag靶材 或是Ag-Pd-Cu 合金靶材。
Ag层使用纯Ag的情况下，发现其透过spectrum和设计Program差异较大。
为了调查原因，我们实施了对SiOx/Ag/SiOx/TiOx/Glass基板的SEM观察，如图8所示，使用纯Ag的样品上，观察到了Ag的发生凝集。
该凝集，缘由在Ag层上进行SiOx镀膜时１）热量和２）等离子影响 所导致的。
对此，使用Ag合金的Ag-Pd-Cu的情况下，获得了如图7所示的可遮挡紫外线和热源，具备可高透可见光的特性。
并且认识到与simulation之间的差异。其主要原因在于纯Ag和Ag合金的光学常数的不同，Ag合金层的微小凝集，使得Ag合金层和其上下层之间的扩散发生了影响。
虽然本文并未进行详述，通过对合金构成的最优化，阻隔层的加入等等可设计出精度更高的薄膜。
各家窗膜厂家产品性能比较（设计的不同体现出性能的巨大差异）
神户制钢KOBELCO所制造的7层窗膜样品做的热源隔断测试
6.总结
神户制钢KOBELCO所，针对光学功能性薄膜的镀膜设备要求提高的过程中，作为应对要求的实现手段，提供基于光学理论的设计程序。
此设计程序和实际的验证途径，不仅局限于WindowFilm、也可广泛用于ITO薄膜、AR薄膜等。
神户制钢KOBELCO所开发・制造・销售的卷绕镀膜设备、可与此设计程序一起用于光学薄膜的制备。
具备磁控溅射卷绕镀膜以及PECVD卷绕镀膜 2种工艺设备，本文所举就是磁控溅射卷绕镀膜的使用案例。
同时，使用PECVD卷绕镀膜，可以实现无金属层的反射型WindowFilm的制备。
他们各自的特征如下——
1.Sputtering 卷绕镀膜设备: W60-1600S
●属于真空干法镀膜，可容易的实现设计出的光学特性。（比起湿法涂布技术更优越）
●薄膜的膜厚・膜品质的均一化性能优越。（比起蒸镀技术更优越）
●可适用的膜种类范围宽广，可进行高折射率和低折射率的导电膜，金属薄膜的制备。（比起PECVD技术有更高自由度）
2.PECVD 卷绕镀膜设备: W60-1600C
●属于真空干法镀膜，可容易的实现设计出的光学特性。（比起湿法涂布技术更优越）
●薄膜的膜厚・膜品质的均一化性能优越。（比起蒸镀技术更优越）
●镀膜速度快，镀膜成本具备竞争力。（比起磁控溅射更优越）
●虽然用来制备金属膜有难度，但是通过原料气体的变化，可形成高折射和低折射率的导电膜的镀膜，可设计成多层膜结构的反射型WindowFilm。
神户制钢KOBELCO所不仅提供制造设备，也提供光学设计技术，从而为了广大用户能开发出对应市场需求，具备竞争力的产品。
PECVD Roll coater (W60C series)
Sputtering Roll coater (W60S series)
神户制钢KOBELCO的真空卷绕镀膜机实现窗膜制备
神户制钢KOBELCO所对磁控溅射以及PECVD卷绕镀膜的量产机，开发机进行开发，制造，销售，迄今为止以日本为中心，获得了中国大陆，韩国，台湾等地顾客的爱顾。
神户制钢KOBELCO所对磁控溅射卷绕镀膜的量产机
神户制钢KOBELCO所对PECVD卷绕镀膜的量产机
神钢商贸（上海）有限公司
机械电子部门
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株式会社神户制钢所 机械事业部门
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