光学薄膜制程技术与应用

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长久以来，「光学薄膜制程技术」一直是光学领域中不可忽略重要基础技术，而且质量要求也越来越高，加上这五年来在信息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
  R8 J! D/ T- g/ l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、通讯或是雷射技术发展速度，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。
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: W7 G  S# L0 h1 n7 ~　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叠技术，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；而在计算机分析软、硬件发展健全的今日，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。
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　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？这关系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。
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　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。


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　■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质量及辐射量多寡的要求日渐严苛，过去显示器尺寸也从14寸、20寸、29寸、32寸，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寸CRT显示器动辄超过100公斤、厚度也超过35寸；因此，在一般CRT显示器生产过程中，40寸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。
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▲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。（罗清岳摄影）
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　揭开投影机显示技术中重要光学关键零组件，就象是光学引擎、光阀、偏光转换器等开发技术，对投影显示技术中的影像质量有着关键性影响。举例来说，在光学引擎的偏振分光棱镜便是光学引擎中，不可或缺的光学元件，其可见光波要求在420680nm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。

# O3 ?" c. T" \# ~7 d2 w" Z0 Y1 P1 t) s　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，借以达到最佳影像质量。


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　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采用。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。

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$ L# ]% I' p5 E, e4 o9 Q　■光学薄膜技术也在奈米技术上有其助力
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　奈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奈米材料应用广泛，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奈米材料完整发展；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，在物理方面着重于奈米制造、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、各式化学方法合成奈米材料；生物领域主要提供是仿生概念及生物制造工程的奈米材料合成技术。

　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「矽」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，在光学薄膜在奈米尺度下的特性，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，奈米光波导（nanophotonic waveguide）将有可能成为代替部分矽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50100倍以上；另外，在省能效益方面则高出50100倍通讯及运算装置。如此一来，光学薄膜技术在奈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。
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2 v/ |" @4 ~  v　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「奈米光学薄膜元件」。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布结构特性，借以提高分辨率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晶体管。
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2 {; E; Z5 Z$ t* h1 L  w; o　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，光学薄膜在奈米等级的尺度下，在金属薄膜上制作奈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。
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+ Q5 y9 O* _) ]9 i$ W8 G# ~　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，都需要奈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奈米尺寸等级下，各项分析特性及组成结构，以提供奈米光学薄膜技术应用在积体光学领域中地发展与应用。
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▲中央大学成立的薄膜技术中心展示多项薄膜产品应用技术，薄膜应用随处可见，各式各样的薄膜都有其功用。 （罗清岳摄影）
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, h# o- n! c2 e8 Z0 I0 c6 U　■非主要明星产业　但其重要性不可忽略

2 l6 Y' M% g- }6 }　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。
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* [4 P" x. s! B* _/ D/ p, w5 D) c1 r　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、较为精致型元件，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质量和技术，使产品变得更完善，并与生活息息相关。
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4 G5 d0 D1 X7 h3 c　光学薄膜的技术与理论虽然起源已久，然而随着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以下阶段技术及塑料镀膜厂商，但在光学质量可靠性上，仍必须持续提升。至于OEM以上等级的光学镀膜技术，例如：雷射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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3 |8 w# k, }+ s5 [! Q5 K　参考资料：李正中《薄膜光学与镀膜技术》、中央大学薄膜技术研究中心、J. Mort and F. Jansen《Plasma Deposited Thin Films》、《Thin Film Processes》。
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▲李正中博士表示，目前各个光电设备及光学仪器，都跟光学薄膜技术有其关连性；举凡光纤通讯、生物芯片、光显示器、人造卫星、太空遥测系统、半导体雷射、微机电系统、光信息储存及各式光学元件…等。（罗清岳摄影）

　李正中博士小档案
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　学历：美国亚利桑那大学光学中心博士。

8 W- T8 g% b# F　经历：国立中央大学光电科学研究所专任教授／薄膜技术中心主任。

  O" I" j  @9 C; `; O% E' Y　专长：光电显示器相关镀膜、可调控干涉滤光片、各类光学薄膜之光学特性及非光学特性之研究。