奈米材料的比較

忠信科技 陳忠詰

三大比較• A ：反應型 V S﹒ ﹒ 結晶型。• B ：奈米溶膠加工 V S﹒ ﹒ 傳統加工。• C ：不同奈米材料之比較。

A ：反應型 V S﹒ ﹒ 結晶型。報告大綱

• 壹：藥液生產方式與藥液成份。• 貳：藥液生產方式的比較• 參：藥液特性比較。• 肆： Coating 的原理及操作。• 伍： Coating 操作的比較。• 陸：成品的性質比較。• 柒：整體評估。

壹：藥液生產方式與藥液成份• 一：反應型奈米溶膠（ TiO2 為例） ： Ti （ OR ） 4 ＋ H2O ＝ Ti （ OR ） 3 （ OH ）＋ HOR Ti （ OR ） 3 （ OH ）＋ H2O ＝ Ti （ OR ） 2 （ OH ） 2 ＋ HOR Ti （ OR ） 2 （ OH ） 2 ＋ H2O ＝ Ti （ OR ）（ OH ） 3 ＋ HOR

Ti （ OR ）（ OH ） 3 ＋ H2O ＝ Ti （ OH ） 4 ＋ HOR

Ti （ OH ） 4 ＋ Ti （ OH ） 4→2 TiO2 ＋ 4H2O

2 TiO2 ＋ Ti （ OH ） 4→3 TiO2 ＋ 2H2O

3 TiO2 ＋ Ti （ OH ） 4→4 TiO2 （※）＋ 2H2O

4 TiO2 → → → → → → → → TiO2 （ n ）（※ TiO2 有 A 、 B 、 R 及非晶態同時存在）（反應為水解、縮合兩步驟，藉操作條件在同一槽進行。）

反應型奈米溶膠藥液的問題

• 一：溶液成份複雜：至少 10 種成份。• 二：溶液中成份，相對量會不斷變動。• 三： TiO2 的結晶形態複雜（ 4 種）而無法控制。• 四： TiO2 的粒徑會不斷變大。• 五：溶劑的揮發太快，固含量變異性大。

• 二：結晶型奈米溶膠（ TiO2 為例）：• TiCl4 ＋ H2O→ TiCl4 H2O‧• TiCl4 H‧ 2O ＋ NH4OH →Ti （ OH ） 4 ＋ NH4Cl• Ti （ OH ） 4 ＋ NH4Cl ＋ H2O→→→ Ti （ OH ） 4

• Ti （ OH ） 4 ＋ H2O→ Ti （ OH ） 4 H2O‧• Ti （ OH ） 4 H2O‧ ＋ H2O2→→TiO2 ＋ H2O ＋• O2 • （反應包括預處理、中和、純化、結膠、熟化五步驟）• （各反應在分別獨立的反應槽進行）

貳：藥液生產方式的比較

項 目 反應型 結晶型 原物料 Ti （ O

R ） 4

TiCl4

價格（元∕升）

1000 ～ 4000 2500

操作步驟 1 5

操作時間 1 小時 64 小時 設備設計 簡單 複雜而特殊 操作困難度 低 很高

參：藥液特性比較 比較項目 反應型 結晶型 主成份種類 10 （膠合劑∕分散

劑） 2

主成份變異性 高（反應持續）

不變

固含量變異性 高（溶劑揮發）

很低

TiO2 含量變異 變動 很低TiO2 結晶型態 A 、 B 、 R 及非晶

態 anatase

TiO2 粒徑 持續變大 不變（水合強）

肆： Coating 的原理及操作• 一：反應型：• （一）吸附原理：• 1‧ 溶劑揮發，固體沉積。• 2‧ 膠合劑作用。• 3‧ 燒結成膜。• （二）操作：• 1‧ 拉昇速度快。• 2‧ 低溫、低濕。• 3‧ 一次 coating 。• 4‧ 高溫燒結。

• 二：結晶型：• （一）吸附原理：奈米粒子的高吸附性及高成膜• 性。• （二）操作：• 1‧ 多次 Coating ：底塗、增厚、（面塗 ）• 2‧ 中溫、低溼。• 3‧ 依需求有多種燒結條件。

不同塗佈層的功用及厚度分類 功 用 厚度

（ nm ） 控制要因

底塗 1‧ 形成良好附著2‧ 填平孔隙

10 ～ 15 藥液溫度 濕度

增厚 完成所需膜厚 依需要（ 100 ～ 200 ）

拉昇速度 藥液溫度

面塗 使表面平整化 10 ～ 20 拉昇速度

伍： Coating 操作的比較 比較項目 反應型 結晶型 浸泡次數 可一次完成 3 ～ 4 次 藥液溫度 愈低愈好 30 ～ 40℃ 環境溫度 愈低愈好 30 ～ 35℃ 濕度 愈低愈好 愈低愈好拉昇速度對膜厚 愈快愈厚 愈快愈厚 自動控制 不能 可自動控制 分析頻率 高（ 2 ～ 4Hr∕ 次） 低（ 3 ～ 6 天∕

次） 操作條件調整 隨藥液老化調整 不需要 換槽要求 2 ～ 4 週 半年～一年 污染防治要求 高 一般

陸：成品的性質比較 比較項目 反應型 結晶型

膜厚再現性 不佳 良好

膜層安定性 容易脫膜 安定性高

光譜再現性 不佳 良好 光譜安定性 不佳 良好

燒結溫度 較高 較低

反應型光譜不安定的原因

• 一：鍍層成份複雜且相對量會不斷變動。• 二： TiO2 的結晶形態複雜（ 4 種）而無法控制。• 三：溶劑揮發太快，膜層會留下孔洞。• 四：膜層厚度隨溶劑揮發而變。• 五：成份比重差異太大。

反應型膜層易脫落的原因

• 一：溶劑揮發，膜層會留下孔洞。• 二：鍍層成份相對量變動時，造成結晶缺陷。• （成份由原物料經中間產物至 TiO2 ，比重不斷提高 ，留下結晶缺陷。 ）

• 三： TiO2 粒徑不斷變大，亦會留下結晶缺陷。• 四： TiO2 粒徑太大，附著力迅速下降。

柒：整體評估項目 內容 反應型 結晶型

操

作

浸泡次數 可一次完成 3 ～ 4 次 藥液溫度 愈低愈好 30 ～ 40℃ 拉升速度 100 （ mm/min ） 50 （ mm/min ） 操作環境 低溫低溼 中溫低溼 自動控制 不能 可自動控制 分析頻率 高（ 2 ～ 4Hr∕ 次） 低（ 3 ～ 6 天∕次） 操作條件調整 隨藥液老化調整 不需要調整 換槽頻率 2 ～ 4 週 半年～一年

成 本 100％ 30 ～ 50％ 成 品 品 質

品質安定性 不佳 良好 品質再現性 不佳 良好 膜層吸附性 不佳 良好 後製程要求 高 一般

污染防治需求 很高 一般

奈米溶膠加工 V S﹒ ﹒ 傳統加工比較項目 高分子薄膜 金屬氧化物薄膜 奈米溶膠薄膜 作法 浸泡、烘烤 真空鍍膜 浸泡、烘烤 設備成本（萬元）

500～1,000 7,000～12,000 300～700 成 本 操作成本（元

∕ M2） 2,000～3,000 15,000～20,000 1,500～2,000

環境污染 嚴重 輕微 無 品質良率 60～8％0 ≧ 90％ ≧ 98％ 生產模式 ∕多片 次 ∕單片 次 ∕多片 次 產出速度 快 慢 快 擴充性 高 低 高 產品形狀 限制

無 1不得有死角。

2不得凹凸不平。 無

生 產

產品形狀 變異性

高 低 高

耐磨性 低 佳 佳 易潔性 差 差 佳 耐久性 低 佳 佳 防靜電 無 佳 佳

功能性

光學性 差 佳 佳

不同奈米材料之比較比較項目 TiO2 SiO2（I） Al2O3

硬 度 8H 3H 9H

密 度 3.84 2.32 3.99

折 射 率 2.6 89 1.498 1.578

吸 水 性 低 高 高粒徑（nm） 2～8 15～30 5～15

粒徑安定性 很高 低 高pH安定範圍 0～14 4～8 3～12

結晶型態 anatase square tetrahedral

物

性

結晶形狀 針狀 片狀 顆粒狀吸附性 佳 差 佳成膜性 佳 差 佳

操作性 藥液安定性 高 低 高

比較項目 TiO2 SiO2（I） Al2O3

水 痕 明顯 輕微 輕微色 差 嚴重 輕微 輕微光 滑 性 差 高 高易 潔 性 佳 差 佳吸 濕 性 低 高 高耐 磨 性 佳 差 佳防 淨 電 佳 一般 佳增硬 佳 差 佳

提高透光性 最佳 佳 佳耐酸性 佳 差 差耐鹼性 佳 差 佳耐候性 佳 差 佳

光觸媒反應 強（強） 無 無樹脂添加性 差 佳 佳添孔能力 低 佳 佳防霧性 差 佳 佳

成

品

特

性

抗指紋 佳 差 佳