激光全息透明介质镀膜的生产技术及蒸镀设备的研制

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摘 要：本文介绍了透明激光全息介质镀膜生产过程，JHD-1100S-2高真空连续卷绕式硫化锌镀膜设备的特点、构成与性能，并对设备在设计和生产过程中出现的一些问题。进行了计论分析和介绍。

关键词：激光全息；硫化锌；蒸镀设备研制

中图分类号：TSB5 文献标识码：A

激光全息防伪材料目前在我国主要以激光全息镀铝膜、激光全息透明膜为主。激光全息透明膜的共同特点将聚酯薄膜上的铝层或其它金属层做成网点状并控制的密度，在再现光线下使有金属的网点处有光反射，在非金属网点处形成光的透射，并调整透射与反射之比，使薄膜覆盖的印刷图文可以透过全息薄膜观察到，且不影响全息图文的显示。透视型全息薄膜因生产工艺不同可以分为二种类型：一是金属网点类，它是依靠金属网点储存全息图像，通过透明网墙显示被覆盖的图文，典型例子是我国第一代居民身份证的护卡全息透明膜。二是非金属真空镀膜，将承载模压全息图透明树脂薄膜的浮雕面连续蒸镀高折射率的介质保护层，并使全息图的再现角正好等于两种介质构成的反射角。由于塑料膜、镭射信息层和介质膜都是透明的，所以这是一种真正意义上的“透明”的全息膜，典型例子是我国出国护照在个人信息页的防伪全息透明转移膜和汽车驾驶证透明全息护卡膜。

光学介质层在透视全息膜的作用首先是阻隔作用，其次是起调节全息图案亮度与清晰度的作用。为了保证非金属氧化物在塑料薄膜表面蒸镀形成阻隔优良的镀膜，镭射信息层与蒸镀原料的相容性是至关重要。我们知道，在可见光波段内呈透明的光学材料有几十种如二氧化锡、三氧化二铟、氧化镉、氧化锌、硫化锌、硫化镉等，但从透明度、涂层制备工艺简单程度、经济效率考虑，最终选用高折射率和宽波通道的硫化锌化合物半导体材料作为我们激光全息透明介质的光学膜层。当硫化锌（ZnS）被蒸镀到被模压柔性聚酯膜镭射信息面上时，从某一选定的角度下进行观察，可以清楚的看到不同颜色激光全息图文。

真空应用技术的发展为制备硫化锌（（ZnS）薄膜提供了保证，我们在实验室中分别采用射频溅射击、电子束蒸发、电阻加热蒸发制备硫化锌（ZnS）薄膜，而且采用上述不同方法制备硫化锌（ZnS）薄膜结构也不尽相同，功效也不大一样。JHD-1100SC-2型设备是为在高真空状态下连续快速沉积硫化锌薄膜而研制的，也是为制作透明激光全息介质膜而特别研制的专用设备。

下面介绍激光全息透明介质膜的生产流程，蒸镀设备的原理、特点、性能及工作过程，并在设计、调试、生产过程中出现的一些问题进行讨论分析。

1激光全息透明介质镀膜的生产

激光全息透明介质膜的制作技术，是先进行全息照相，然后制作全息母版。母版表面充满了凹凸不平的干涉条纹，其精度可达每毫米千余条。这些浮雕状的条纹载录了被拍物体的光强与位相信息，实现了全息记录。然后用真空镀膜和化学电镀的方法，在母版表面电镀一层很薄的金属膜，再电镀上适当厚度的镍或其他金属，做成一块机械性能良好的模压金属板。将此版装在压印机上，热压聚酯类塑料薄膜的热塑性涂层，把浮雕型全息图压印在薄膜的涂层上，最后在薄膜上真空蒸镀一层透明的介质镀层，以提高全息涂层的反射率，即成为透激光全息透明介质膜。生产工艺流程见图一：

2　蒸镀硫化锌设备的特点

蒸镀硫化锌透明介质层工作原理：将块状硫化锌置于真空室内，在一定的真空度下，通过对钼舟加热使其连续蒸发为硫化锌蒸气分子，这些气化硫化锌分子飞射到被冷却的温度较低的已模压镭射全息涂层表面，凝固后形成致密的透明介质层，

设备的主要特点：（1）本设备配备有一套快速可靠的组合式高真空抽气系统，具有抽气速度快，排气量大，真空度高等优良性能。（2）本设备配备了能低度温冷却基体材料的镀复主辊，以充分冷却被镀的基体材料，防止镀制产品过热起皱或粘连等现象。（3）本设备配备了既可安装大功率导电氮化硼坩埚的金属铝镀，也可安装用于加热硫化锌钼舟装置。（4）本设备在基体材料的收卷部位，配备了可根据卷绕辊直径的变化而自动调整位置来保持等距间隙的卷绕跟踪装置，此装置可使被收卷基材不易起皱。（5）本设备在真空工作室配备有低温冷冻盘管和深冷装置。以提高设备的真空抽气能力。

3　设备性能参数

（1）极限压力：

上室≤1.3x10-1　Pa；下室≤5x10-3　Pa；

（2）恢复真空抽气时间　8min达下室 7.0x10-2　Pa

（3）基材宽度：1100mm

（4）最大卷径：Φ700mm

（5）卷绕速度：　0-400m/min

（6）跑偏量：≤±2mm

（7）蒸发量：　铝丝（Φ1.5）0-3m/min

硫化锌（每米幅度）　100-250g/min

4　设备的构成及功能

该设备主要由以下几个部分构成：（一）真空抽气系统。（二）真空工作室。（三）传动卷绕系统及移动车。（四）硫化锌、铝丝蒸系统。（五）硫化锌蒸发与铝蒸发系统两用平台。（六）水冷却系统。设备结构示意图（图2）如下：

4.1真空抽气系统

真空抽气系统是二组相对独立又相互联系的抽气组组合而成的一套可同时对上、下二室进行快速排气的装置，上室抽气机采用油增压泵做为排气主泵以保证在达到10-1　Pa的工作压强下有较大的抽气速率；下室抽气组采用二台油扩散泵做为排气主泵，保证金属铝蒸镀所需的10-2　Pa的真空状态。真空主要有二台K-900B油扩散泵、一台Z-630油增压泵、二台ZJ-1200罗茨泵、四台H-150滑阀式真空泵组成。其中二台K-900B油扩散泵、一台Z-630扩散喷射泵作为上下真空室的主泵，二台ZJ-1200罗茨泵分别作为两套主泵的前级泵，四台H-150台滑阀式真空泵分别作为两主泵的机械泵。整个真空抽气系统的阀门均为电磁换向气动控制阀门，系统的油加热主泵的预热、工作抽气、换工件停车以及冷泵等工作过程均采用PLC程序控制器进行自动控制，系统简易流程如图（图3）

4.2真空工作室

真空工作室是整台真空镀膜设备的中心部件，其内部空间用于在真空状态中卷绕种镀制产品。真空室的结构为一卧式圆柱形筒子体，真空室中间隔板与镀复主辊和防护隔板紧密配合把它隔离为上、下两个相对独立的工作室。上室为基体材料的卷绕工作室，下室为蒸发镀膜工作室。

4.3卷绕系统

它是由基体材料卷绕装置和动力小车组成。基体材料卷绕装置划分为放卷辊系、低温镀复主辊和收卷辊系共3个区域。基体材料的收卷转轴、放卷转轴均采用变频调速电机作为旋转驱动动力，并且采用矢量变频控制器控制基体材料的收卷、放卷张力；低温镀复主辊及副辊作为卷绕工作速度的控制单元，也采用变频调速电机作为驱动动力。

动力小车是用于安装固定和运送基体材料卷绕装的动力系统，它可以将基体材料卷绕装置送入或移出真空工作室，以便于分别进行镀铝操作和进行装卸收、放卷轴的操作。动力学小车由电机驱动在导轨上运行。

4.4硫化锌、铝蒸发系统

蒸发系统由蒸镀装置和运载小车等组成。蒸镀装置包括12组水冷蒸发电极以及安装上面的12只导电氮化硼坩埚或12只钼舟组成，镀铝时用氮化硼，蒸镀硫化锌安装钼舟。

蒸镀装置的运载小车用于将整个蒸镀装置送入或移出真空工作室，以便于进行更换坩埚或钼舟等操作，以及对蒸镀装置作清洁处理。

4.5水路系统组件

水路系统供设备真空抽气系统和卷绕装置冷却供水之用，水路系统组件内装有冷却水流量报警器，作为冷却水流量提供不足时报警之用。

5　蒸镀硫化锌工艺技术关键及解决办法

5.1因基材表面有镭射信息涂层，蒸发材料本身易吸湿，真空状态下基材和蒸发材料的放气量都比较大，为保证工作状态真空度的稳定性，配备了超低温冷凝捕集装置，主要捕集基材涂层释放的水分；

5.2设备要求即能镀铝又能镀硫化锌膜，在镀硫化锌时，在每对电极上配以钼舟的压块，就稳定可靠地对硫化锌加热，在　1.0—4.0　Pa　的粗真空状态下，就可满足硫化锌的蒸镀要求。

5.3块状锌化锌的规格为长x宽x厚=80x30x20mm长方形块状硫化锌，在厚度方向上下两块叠加，这样保证了硫化锌材料的连续蒸发的量，连续镀膜长度达到16000米；真空蒸镀硫化锌时，用钼舟作蒸发源，底下垫上相应数量的Φ8石英玻璃管，用于衬托钼舟，支承硫化锌的重量。

5.4镀制硫化锌膜要求均匀性要求，钼舟布局采用在膜宽方向上交错直线分布设计，做到蒸发源在镀膜辊轴线方向上全幅宽覆盖，实现膜层的均匀一致性要求。

5.5镀铝膜的工作卷绕速度在60-400米/分，镀硫化锌膜时工作卷绕速度在50-350米/分，低温镀复主辊内部采用夹层多路水循环冷却结构。滚筒的表面均经过精磨合之能与基体材料保持良好的接触，以充分冷却被镀的基体材料。工作温度保持在零下15℃到零下25℃，保证镀膜速度较慢时对薄膜的受热起保护作用。

5.6硫化锌蒸镀膜层附着强度要求高（相对镀铝要求更高），在基材的全息信息面在蒸镀前进行电晕处理，要求表面张力在52达因以上。

5.7基体材料的收卷转轴、放卷转轴均采用变频调速电机作为旋转驱动动力，并且采用矢量变频控制器控制基体材料的收卷、放卷张力。收卷、放卷变频调整电机和配有一套全自动张力监测控制系统，从而确保了工作时收卷张力和放卷张力的稳定。

5.8为保证镀膜前、收卷后薄膜平面的平整度，对薄膜在镀膜收卷前分别用橡胶弧形辊进行展平，保证收卷后薄膜的展平效果。

结语

经过近三年来的反复实验和调试，现已大批量用于实际生产。该设备生产加工的硫化锌透明介质膜，已成功应用于高档的烟、酒包装和中国护照、中国警察证等透明全息介质防伪专用膜的公共安全领域；该设备运行良好，一次性连续蒸镀硫化锌达16000米以上，拓展了真空连续镀膜设备的应用领域；设备的整机性能在蒸镀硫化锌技术方面达到了国内领先水平，在国内包装、防伪全息领域有很好的市场前景。

参考文献

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