[[alternative]]Study on the influences of material properties of WC molds on the design of protective coatings and its interfacial reaction with various glasses

碩士[[abstract]]玻璃模造技術最有機會製作出高解析度且成本較低廉的非球面玻璃透鏡。目前玻璃模造業界所面臨最大問題在於熱壓後沾黏情形，如玻璃沾黏於模仁表面、模仁氧化與磨耗，這都大大縮減模仁使用壽命；對於如何延長模仁使用壽命，抗沾黏膜層的鍍膜參數將是最重要關鍵，利用抗沾黏膜輔助模仁材料，提高模仁壽命、抵抗沾黏。本研究係利用不同光學玻璃材料與碳化鎢模仁和Pt/Ir多層膜與混合膜結構鍍膜，在高溫濕潤環境中比較及探討界面化學反應。研究結果顯示，結合劑含量較多的碳化鎢模仁在高溫狀態下，較容易與光學玻璃相互擴散進而產生激烈之界面化學反應，使玻璃與模仁產生嚴重沾黏，但經溶膠-凝膠鍍膜及鋼化處理下之B270平板玻璃，有效緩和與碳化鎢模仁界面化學反應所造成的沾黏。此外，抗沾黏膜層結構的設計，也會影響膜層於高溫反應後之壽命；研究中碳化鎢模仁鍍上Pt/Ir混合膜結構可有效抑制光學玻璃與碳化鎢模仁由於界面化學反應所造成沾黏現象。在玻璃模造時，選取光學玻璃除考量光學、化學性質及成本等外，尚須考量對於模仁材料及鍍膜材料之化學吸引力，以增加模仁與硬膜之耐久性進而提高模造非球面鏡面之產值，來達到降低成本、大量轉印的目標。[[abstract]]Glass molding process（GMP）is considered to have great potential for mass production of spherical/aspheric glass lenses to a higher achievable accuracy and at a lower cost. However, GMP has its own problems to deal with such as sticking, oxidation, and diffusion at high temperature working environment. As a result, making mold life longer has become very critical in the GMP industry. This research aimed to investigate the interfacial chemical reaction between various optical glasses, different anti-stick coating designs and WC mold material. The results showed that, when its Co concentration got higher, WC mold had higher tendency to react with glasses. Efforts had been made in this study to investigate the effects of various protective coating designs. It was found that a Pt/Ir-compound coating on the mold could effectively suppress the interaction between the WC mold and optical glasses.[[tableofcontents]]目錄 誌謝 I 中文摘要 II 英文摘要 III 目錄 V 圖目錄 VII 表目錄 X 第一章緒論 1 1-1前言 1 1-2研究背景 3 1-3研究動機與目的 6 第二章 文獻回顧與理論基礎 9 2-1光學玻璃模造技術 9 2-1-1光學玻璃模造製程 10 2-2表面保護層披覆之目的與特性 11 2-3中間層披覆之目的與特性 16 2-4模仁製作之要求與特性 20 2-5光學玻璃材料之光學性質 26 2-6光學玻璃材料之物理、化學性質 28 2-7光學玻璃組成物對模造之影響 29 2-8光學玻璃與基底材料擴散反應 32 第三章 研究方法與設備 35 3-1實驗設計 35 3-2實驗設備 36 3-2-1高溫濕潤氣氛爐管 36 3-2-2分析檢測儀器 38 3-2-3材料製作與表面清潔儀器 41 3-3實驗材料與製作 41 3-4 鍍膜參數設計 42 3-5實驗流程圖 46 3-6實驗步驟 47 第四章 結果與討論 50 4-1披覆於Silicon模仁表面之表面保護層單層膜結構對玻璃硝材化學擴散反應影響 52 4-2披覆於Silicon模仁表面之表面保護層不同層數多層膜結構對玻璃硝材化學擴散反應影響 58 4-3披覆於Silicon模仁表面之表面保護層混合膜結構對玻璃硝材化學擴散反應影響 62 4-4披覆於含不同鈷量碳化鎢模仁表面之膜層材料及結構對玻璃硝材化學擴散反應影響 68 4-4-1 Pt/Ir多層膜搭配含不同鈷量之碳化鎢模仁對B270玻璃板化學擴散反應影響 68 4-4-2 Pt/Ir多層膜搭配含不同鈷量之碳化鎢模仁對玻璃硝材化學擴散反應影響 79 4-4-3 Pt/Ir混合膜搭配含不同鈷量之碳化鎢模仁對玻璃硝材化學擴散反應影響 88 第五章 結論與未來展望 101 參考文獻 103 附錄 108 圖目錄 圖 1.1全球手機普及率趨勢 2 圖 1.2 2007年至2013年全球智慧型手機佔全部手機佔有率預測 2 圖 1.3 TOSHIBA GMP-3111VA 精密模造主要成型結構圖與示意圖 5 圖 2.1玻璃模造示意圖 10 圖 2.2改良模仁結構圖 16 圖 2.3擴散阻隔層示意圖 18 圖 2.4 (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) 19 圖 2.5折射示意圖 26 圖 2.6 Schott公司光學玻璃之Abbe number分佈 27 圖 2.7二氧化矽空間結構示意圖 30 圖 2.8網狀修飾劑對光學玻璃之影響示意圖 30 圖 2.9光學玻璃與基底材料之間擴散關係圖 32 圖 2.10空位擴散示意圖 33 圖 2.11 間隙擴散示意圖 33 圖 2.12擴散運動時能量變化示意圖 34 圖 3.1高溫氣氛爐管 36 圖 3.2高溫氣氛爐管示意圖 36 圖 3.3高溫爐管升降溫曲線圖 37 圖 3.4高溫濕潤實驗石英晶舟載台 37 圖 3.5光學顯微鏡(OM) 38 圖 3.6鍍金機 38 圖 3.7場發射電子顯微鏡FESEM 39 圖 3.8能量散布分析儀EDS 40 圖 3.9量測分析結果 40 圖 3.10 BRANSON 2510超音波清潔機 41 圖 3.11 Pt、Ir單層膜示意圖 42 圖 3.12 Ta+(Pt+Ir) 多層膜20、30、60層示意圖 42 圖 3.13 Pt∕Ir混合合金膜層與加入TaN示意圖 43 圖 3.14單層膜Cross-Section SEM圖 43 圖 3.15多層膜Cross-Section SEM圖 44 圖 3.16混合膜Cross-Section SEM圖 45 圖 3.17實驗流程圖 46 圖 4.1 Pt單層膜於濕潤實驗後擴散反應SEM圖 54 圖 4.2 Pt單層膜與玻璃硝材濕潤角和表面形貌分析圖 54 圖 4.3 Ir單層膜於濕潤實驗後擴散反應SEM圖 56 圖 4.4 Ir單層膜與玻璃硝材濕潤角和表面形貌分析圖 56 圖 4.5單層膜Pt、Ir濕潤角比較圖 57 圖 4.6 Pt/Ir多層膜30層於濕潤實驗後擴散反應SEM圖 59 圖 4.7多層膜30層與玻璃硝材濕潤角和表面形貌分析圖 60 圖 4.8多層膜60層於濕潤實驗後擴散反應SEM圖 60 圖 4.9多層膜60層與玻璃硝材濕潤角和表面形貌分析圖 61 圖 4.10多層膜30層與60層濕潤角比較圖 61 圖 4.11 Pt/Ir混合合金膜於濕潤實驗後擴散反應SEM圖 64 圖 4.12 Pt/Ir混合合金膜與玻璃硝材濕潤角和表面形貌分析圖 64 圖 4.13 Pt/Ir混合合金膜加TaN元素於濕潤實驗後擴散反應SEM圖 66 圖 4.14 Pt/Ir混合膜加TaN元素與玻璃硝材濕潤角和表面形貌分析圖 67 圖 4.15 Pt/Ir與Pt/Ir加TaN層濕潤角比較圖 67 圖 4.16多層膜與混合膜濕潤角比較圖 67 圖 4.17 B270玻璃板搭配含13%鈷量之碳化鎢模仁實驗後SEM圖 74 圖 4.18 B270玻璃板搭配含10%鈷量之碳化鎢模仁實驗後SEM圖 75 圖 4.19 B270玻璃板搭配含5%鈷量之碳化鎢模仁實驗後SEM圖 76 圖 4.20 B270玻璃板搭配含0%鈷量之碳化鎢模仁實驗後SEM圖 78 圖 4.21 Pt/Ir多層膜搭配含不同鈷量模仁於濕潤實驗後膜層SEM巨觀圖 82 圖 4.22 Pt/Ir多層膜搭配含不同鈷量模仁於濕潤實驗後光學玻璃OM巨觀圖 83 圖 4.23 Pt/Ir多層膜搭配含不同鈷量模仁於濕潤實驗後膜層SEM微觀圖 84 圖 4.24 Pt/Ir多層膜搭配含不同鈷量模仁與玻璃硝材濕潤角和表面形貌分析圖 85 圖 4.25 Pt/Ir多層膜搭配含不同鈷量模仁與玻璃硝材濕潤角比較圖 87 圖 4.26 Pt/Ir混合膜搭配含不同鈷量模仁於濕潤實驗後膜層SEM巨觀圖 94 圖 4.27 Pt/Ir混合膜搭配含不同鈷量模仁於濕潤實驗後光學玻璃OM巨觀圖 95 圖 4.28 Pt/Ir混合膜搭配含不同鈷量模仁於濕潤實驗後膜層SEM微觀圖 96 圖 4.29 Pt/Ir混合膜搭配含不同鈷量模仁與玻璃硝材濕潤角和表面形貌分析圖 97 圖 4.30 Pt/Ir混合膜搭配含不同鈷量模仁與玻璃硝材濕潤角比較圖 100 圖 4.31 Pt/Ir多層膜與混合模搭配含不同鈷量模仁與玻璃硝材濕潤角比較圖 100 表目錄 表 1 1各種非球面鏡片應用範圍 6 表 1 2光學玻璃與光學塑膠之特性比較 7 表 2 1碳化鎢為模仁和模造後鈷沉積量和表粗狀況 22 表 2 2碳化鎢模仁材料特性 25 表 2 3光學玻璃網狀修飾物優劣比較 31 表 3 1實驗參數表 47 表 3 2各款玻璃成分表 48 表 3 3 OHARA公司的L-NBH54光學玻璃成分表 49 表 4 1各種膜層材料及結構實驗參數表 51 表 4 2 Pt/Ir多層膜搭配含不同鈷量模仁B270玻璃板實驗參數表 69 表 4 3 Pt/Ir多層膜搭配含不同鈷量模仁實驗參數表 79 表 4 4 Pt/Ir混合膜搭配含不同鈷量模仁實驗參數表 89[[note]]學號: 697370228, 學年度: 9