物理氣相沉積(PVD)裝飾塗層介紹
一、前言
物理氣相沉積 (PVD) 是一種保護性塗層在工業應用廣泛使用的技術，此項技術在時尚奢華等領域中開始受到矚目，因為電鍍技術會產生有毒重金屬等物質，近年環保意識抬頭開始受到歐盟的規範限制，因此希望透過PVD技術可逐漸取代危險和有毒的電鍍工藝。
然而目前PVD塗層技術還無法完全取代電鍍工藝，因為攸關被鍍材料及成本問題，因此現今常常將這兩種技術結合使用，以提供更廣泛的顏色和多樣化的產品使PVD成為裝飾領域主要關關注點。PVD 是一種真空的技術，透過膜層設計將材料沉積到基材上，常用於裝飾、生醫、刀工具、半導體等產業應用，這些塗層主要功用可以增加硬度、耐磨性和耐腐蝕等性能來提升基材的壽命，而鍍膜只是流程中的一個步驟，這些步驟包括前處理清潔、加熱、鍍膜、冷卻，因此整個流程中每一個環節都決定了塗層的整體品質。
二、PVD技術
PVD 是一種真空的技術，透過膜層設計將材料沉積到基材上，常用於裝飾、生醫、刀工具、半導體等產業應用，這些塗層主要功用可以增加硬度、耐磨性和耐腐蝕等性能來提升基材的壽命，而鍍膜只是流程中的一個步驟，這些步驟包括前處理清潔、加熱、鍍膜、冷卻，因此整個流程中每一個環節都決定了塗層的整體品質。
• 蒸鍍
陰極電弧是使用高電流、低電壓電弧將靶材汽化使材料沉積到基材上，在沉積前和沉積過程中基材會受到高能離子的轟擊，這可以增加塗層的密度，限制生長過程中的缺陷使塗層各方面性能更好。
• 濺鍍
濺鍍技術有多種技術，常見有直流磁控濺鍍、脈衝直流磁控濺鍍、高功率脈衝磁控濺鍍，脈衝直流磁控濺鍍是可以提高薄膜質量減少電弧並提高靶材利用率，高功率脈衝磁控濺鍍是在極短時間產生高密度電漿，與傳統的直流或脈衝相比，該技術已被證明可產生具有更好附著力、緻密度和更高品質的薄膜。
• PVD+電鍍
PVD可以在金屬，塑膠或陶瓷等多種材料沉積，但在裝飾領域 PVD 塗層可能無法提供足夠的耐腐蝕保護，因此常將電鍍和 PVD 塗層兩種技術結合，PVD 塗層通常具有高硬度、耐磨及廣泛顏色選擇等優點，但PVD 塗層的延展性較低在某些基材下會導致塗層剝落，而電鍍有良好延展性適合軟金屬基材，因此現今許多產品使用PVD 和電鍍結合可以為裝飾塗層提供獨特的優勢，並增強了塗層的耐用性。
三、塗層材料
• 鈦基塗層
裝飾性鈦基塗料因其生物相容性、顏色多樣性、較低成本效益在業界得到了廣泛應用，其中鈦基塗層最常見是TiN塗層透過氮氣流量決定了塗層的顏色而常見生產為亮金色，也可以使用乙炔作為反應氣體，鍍製成黑色塗層的DLC，此外另一種應用於裝飾的材料是加入氮氣或氧氣，透過改變塗層厚度可以鍍製多種顏色效果如圖一。
圖一、鈦基塗層顏色
• 鉻基塗層
鉻基塗層擁有高耐磨性、硬度和耐腐蝕性，因此在航太、汽車和醫療等多個行業得到了廣泛應用，鉻基塗層提供了多種顏色選擇從亮銀色到灰色，這些顏色可以透過不同沉積條件來控制，PVD鉻基塗層可作為電鍍鉻的替代品，因電鍍鉻溶液會有六價鉻這是一種已知的人類致癌物，因此歐盟對其使用已施加嚴格限制。
• 鋯基塗層
鋯基塗層用於裝飾應用最著名是ZrN塗層，因其也類似有金色效果與 TiN相比它可以提供更高的亮度金色，而PVD鋯基塗層可以提供顏色從黃色到從棕色與鈦基塗層效果類似因此常有兩種塗層的性能比較，如鋯基塗層與鈦基相比具有更優異的耐腐蝕性能進而受到市場青睞。
四、塗層測試
• 厚度量測
在裝飾產業中PVD 塗層的厚度測定是最常見的分析，厚度會影響塗層耐磨性、耐腐蝕性等性能因此厚度的重要性更為突出，常見分析技術有球磨法，透過馬達的旋轉軸帶動鋼球磨擦表面同時將鑽石膏塗在接觸區域，球體旋轉會使塗層磨損出凹坑如圖二，另一種方法為薄膜厚度輪廓測，主要是利用尖頭探針去掃描物體表面，藉由表面輪廓可得知樣品之高低起伏並顯示相對高度圖再經計算可得知塗層厚度。
圖二、球磨厚度量測計算
• 機械性質(附著力)
塗層的耐磨性和耐用性相當重要，因為這些特性會影響塗層的外觀和使用壽命，裝飾性 PVD 塗層需要通透過硬度和附著力測試進行評估，硬度可透過微小維克式量測，塗層附著力常使用為百格試驗，使用方法在樣品上劃10刀轉90度再以同樣條件劃10刀後使用膠帶確實的黏貼於百格上，並快速的撕下膠帶觀查百格以及膠帶的情況以判定塗層附著力，最佳附著力為5B如圖三。
圖三、百格測試規範
• 顏色量測
顏色量測是PVD裝飾塗層中重要量測之一，因此為了避免與客戶之間的爭議所以必須有一個標準化和定量的方法來定義並分類顏色，而顏色透過 Lab 值達到客戶所要求顏色，其中a*值表示顏色從綠色(-a*)到紅色(+a*)之間變化，L*代表著明度，從亮(L*=100)到暗(L*=0)之間變化如圖四，一般色差 ΔE ≥ 3 時人眼已經可以觀察到兩個產品之間的差異。
圖四、CIELAB色彩空间
• 腐蝕測試
抗腐蝕性能主要會決定裝飾產品的使用壽命，為了滿足客戶生產的產品因此會透過人工模擬環境試驗並經過各種測試模擬加速產品的使用環境，例如浴室的潮濕條件對於衛浴五金產品影響，因此在裝飾業中常用腐蝕測試為鹽霧測試可分為中性鹽霧試驗、醋酸鹽霧試驗和銅加速醋酸鹽霧試驗，而使用鹽霧試驗會對物體的保護層造成損害，使其失去裝飾性與保護性，所以透過試驗時間可大約換算實際在自然暴露環境天數做為測試參考依據。
五、參考文獻
[2] VOROBYOVA, Mariya, et al. PVD for Decorative Applications: A Review. Materials, 2023, 16.14: 4919.
[3] https://www.saidaglass.com/
[4] https://www.linshangtech.com/tech/lab-color-model-color-meter-tech1432.html