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[点晴模切ERP]光学薄膜技术一直是光学领域中重要基础技术

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2013年2月18日 15:9 本文热度 8475

文章简介:光学薄膜技术在显示领域的应用。光学薄膜技术一直是光学领域中不可忽略重要基础技术,而且品质要求也越来越高,加上近年来在资讯显示及光通讯科技快速发展之下...

  光学薄膜技术在显示领域的应用。光学薄膜技术一直是光学领域中不可忽略重要基础技术,而且品质要求也越来越高,加上近年来在资讯显示及光通讯科技快速发展之下,不论是在显示设备中分、合色元件,又或是在光通讯主、被动元件开发制程上,薄膜制程技术都是不可忽略重要技术。而在显示器技术、光通讯技术、生医光电技术…等,在全方位薄膜技术有其决定性的影响。本文专访国立中央大学光电科学研究所暨薄膜中心主任李正中博士,以多年来在光学显示器相关镀膜、各种类光学薄膜之光学特性及非光学特性研究经验与其发展技术,一同探讨光学薄膜制程技术是如何成为产业中,各个产业应用的最佳绿叶技术,求得理论及实务并重。

  光学薄膜与镀膜技术的重要性。从精密及光学设备、显示器设备到日常生活中的光学薄膜应用;比方说,平时戴的眼镜、数码相机、各式家电用品,或者是钞票上的防伪技术,皆能被称之为光学薄膜技术应用之延伸。倘若没有光学薄膜技术作为发展基础,近代光电、通讯或是激光技术发展速度,将无法有所进展,这也显示出光学薄膜技术研究发展重要性。

  一般来说,要使用多层薄膜时,必须根据设计者需求,藉用高低折射率薄膜堆迭技术,做为各类型光学薄膜设计之用,才能达到事先预期后评估的光学特性。比方说:抗反射镜、高反射镜、分光镜、截止滤光镜、带通滤光镜、带止滤光镜等;而在电脑分析软、硬体发展健全的今日,不仅使光学薄膜在设计上变得更为便捷,且光学薄膜技术研究发展也将更为快速。

  就目前设计端而言,若以合理特性范围来考量,光学薄膜制作门槛已经降低不少,技术困难点也很少出现,通常只要在合理要求范围之内,设计者不难发出适用的光学多层膜结构。不过,光学薄膜最主要关键问题,在于薄膜镀膜工艺技术的改善?这关係到要如何精准地掌控每一层薄膜厚度与折射率,才能获得预期光学性质和机械特性,甚至在制程量产化及成本降低都有其助益。另外,包括:薄膜材料开发(包括:材料测试、化学纯度、材料创新、材料型式)、先进镀膜技术开发(包括:真空镀膜机、监控技术)及薄膜的量测分析(膜层设计、厚度误差分析技巧)等,都是光学薄膜工程上所要面对到的首要课题。

  不过,在光学薄膜技术应用上,由于技术本身被归纳为广泛应用性质,不容易以某一或单一产品作为载具并加以区分;因此,在光学薄膜产品技术,最终应用则是在众多光学元件上,若以光学元件各个相关应用市场来探究,更可看出主要附加价值与相关性。

光学薄膜技术在显示器产业中的应用

  对于显示器画面尺寸及影像品质及辐射量多寡的要求日渐严苛,过去显示器尺寸也从14吋、20吋、29吋、32吋,甚至更大尺寸,也从CRT屏幕发展到LCD屏幕或投影屏幕。因为超过40吋CRT显示器动輒超过100公斤、厚度也超过35吋;因此,在一般CRT显示器生产过程中,40吋以上就是一个技术瓶颈。目前要打破尺寸瓶颈技术,就是利用投影技术来达成,藉用光学技术放大显示器尺寸,使其机身厚度变薄,体积变得更为轻盈。

  对于投影机产业而言,必须快速对应到灯源进步程度,以及更高亮度、对比度、体积更小、重量更轻…等要求。

  揭开投影机显示技术中重要光学关键零组件,就像是光学引擎、光阀、偏光转换器等开发技术,对投影显示技术中的影像品质有著关键性影响。举例来说,在光学引擎的偏振分光稜镜便是光学引擎中,不可或缺的光学元件,其可见光波要求在420~680nm范围(入射角范围约30°之内),才能大幅度地分开p偏振光及s偏振光,并维持p偏振光穿透率Tp>90%以上及消光比达到Tp/Ts>500以上,这是因为消光比越高及Tp穿透率也就越高,影像对比度才会更好,色彩一致性越高,获得较高的光能利用率。

  在光学引擎中要用到大量偏振、分光及滤光元件,这些都需要仰赖光学薄膜、镀膜技术来实现,不过这些元件镀膜技术要求层级很高,导致生产困难度加大。一般来说,目前发展投影机技术,包括:LCD、DLP(MEMS)、LCOS数种发展技术。影像成形技术,则分为穿透式LCD及反射式DLP、LCOS,而在投影机系统中,便需要运用光学薄膜滤光片新的开发技术,藉以达到最佳影像品质。

  对于投影机产业而言,为了因应灯源技术,以及更高亮度、对比度、体积更小、重量更轻等要求,对于其中所使用的各式光学元件都必须有相对应解决之道。而为了达到需求,这对光学薄膜技术来说,已不能单纯使用传统的整数膜堆设计来完成,非整数膜堆设计必要时也要能被大量採用。不过,对非整数膜堆技术而言,除了先天上设计的困难性之外,在实际的制镀上也有相当的困难性。另一方面,对于环境测试要求更为严格,在滤光片材料选用则应更为审慎,基板选择上也要考虑到整体滤光片应力行为…等等,这都在先前设计之初就必须被纳入考量。

光学薄膜技术也在纳米技术上有其助力

  纳米材料及技术因应科技发展速度,不断受到重视,归究其主要原因在于纳米材料应用广泛,加上以未来层面来考量。一方面是因为现有理论基础不足涵盖纳米材料完整发展;另一方面来自物理、化学、生物医药领域的冲击性与整合性,提供极为有力的助益。其中,在物理方面著重于纳米制造、材料检测技术与原子操纵;而在化学方面则提供由小而大、由下而上的组装方式、各式化学方法合成纳米材料;生物领域主要提供是仿生概念及生物制造工程的纳米材料合成技术。

  回过头来看光学薄膜技术制程,过去的光学薄膜技术已经进入成熟化地步,也受到广泛的应用。也曾经有专家提出,再过五年之后,以「硅」为主要材料的微米级电子电路技术将有可能面临到发展之末。然而,在光学薄膜在纳米尺度下的特性,也是因为这几年中,由于制程技术进步后,才逐渐受到业界所探讨。这是因为一旦光子元件想要在更小、更快且低耗能线路上与电子线路相互呼应,则光子的操控必须在空间、速度及能量上,远比目前微小上百倍情况下才能顺利进行。因此,纳米光波导(nanophotonic waveguide)将有可能成为代替部分硅及其它半导体材料的最佳材料,则能有效开发出远比目前传输速度及密度高达50~100倍以上;另外,在省能效益方面则高出50~100倍通讯及运算装置。如此一来,光学薄膜技术在纳米级尺寸即将到来的催促之下,其技术研究将成为非常重要的关键因素。

  目前在积体光学技术所能制造的光学元件,大都是以电光、声光调变器、光分离器、分工/解分工器…为主,倘若要做到全光式或者多元件的积体光学元件,不可或缺的便是「纳米光学薄膜元件」。这当中最受到关注的就是,结合薄膜技术及微影技术(Optical Lithography)所形成的光子晶体(photonic crystals),使其带有周期性的介电质分佈结构特性,藉以提高解析度转而制作更微小特征尺寸,才能拥有在相同单位面积上,有更高密度下可容纳更多的电晶体。

  一般光子晶体依照光子能带的方向特性可分为两类,分别为讯号传递具有方向性(Uni-directional)、(Omni-directional);在Uni-directional光子能带仅能够使某特定传播方向的光波被抑制其传播特性,而omni-directional光子能带能够使各个传播方向上的光模态皆被抑制其传播特性。因此,可藉由结构上的设计使光皆被反射,产生零能量穿透。除了光子晶体外,光学薄膜在纳米等级的尺度下,在金属薄膜上制作纳米级的周期性孔洞时,当入射光的光波长大于孔洞的周期时,入射的零阶光有和平常不一样的高穿透率,并且没有绕射现象的发生。此类光学元件主要应用金属之表面电浆特性,产生完全不同于传统光学理论的特性,才会别于光子晶体特性下的一种新型态及表面电浆元件。

  上述两项不同类型元件,不论是光子晶体还是表面电浆元件,都需要纳米等级下进行精密微影、蚀刻技术及光学薄膜技术。因此,若以光学薄膜技术为主要发展基础,再搭配上微影制程技术,及薄膜特性分析技术等,最终目标便能达到充分了解光学薄膜在纳米尺寸等级下,各项分析特性及组成结构,以提供纳米光学薄膜技术应用在积体光学领域中地发展与应用。

非主要明星产业 但其重要性不可忽略

  可以这么说:「光学薄膜技术并不是一项亮丽的技术显学」。但…却是台湾产业发展过程中不可缺少的其中一环,不仅左右产品优劣也影响产品效能。光学薄膜技术给人的感觉是「透明的」、「薄薄的」,但这当中的学问无法只用言语就能概以全数。虽然光学薄膜应用多属绿叶技术,只是个辅助性质角色。不过,一旦有了光学薄膜技术,不仅使产品功能更加显而易见,并能提升它的附加价值。

  就像一般所配载的眼镜,运用了光学薄膜的镀膜技术,便能降低眼镜反射率,使它具有更高穿透率,而抗紫外线镜片及抗红外线镜片,也都是光学薄膜技术的应用。而在光通讯、显示器、照明、节能…等方面,也可以应用光学薄膜技术,例如,尖端技术基础的研究及应用,则需要较小、较为精緻型元件,使产品变得更轻薄短小。换句话说,只要有运用到光学元件之处,都可以利用光学薄膜改善它的品质和技术,使产品变得更完善,并与生活息息相关。

  光学薄膜的技术与理论虽然起源已久,然而随著相关科技环境迅速提升与成长,如何使光学薄膜技术得以创新,将是从事光学薄膜技术者尚须追求的目标。目前,台湾厂商专注于OEM以下阶段技术及塑胶镀膜厂商,但在光学品质可靠性上,仍必须持续提升。至于OEM以上等级的光学镀膜技术,例如:激光镜片虽亦有厂商投入研发,只在量产上则仍不易达到。因此,台湾厂商一旦能尽早于新的光学薄膜技术开发方面大力投入,将有助于在整体光学元件市场上取得重要的契机,并建立完整光学产业结构根基。



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该文章在 2013/2/18 15:20:46 编辑过
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