光學薄膜分類及應用

　　光學薄膜在我們的生活中無處不在，從精密及光學設備、顯示器設備到日常生活中的光學薄膜應用；比方說，平時戴的眼鏡、數位相機、各式家電用品，或者是鈔票上的防偽技術，皆能被稱之為光學薄膜技術應用之延伸。倘若沒有光學薄膜技術作為發展基礎，近代光電、通訊或是鐳射技術將無法有所進展，這也顯示出光學薄膜技術研究發展的重要性。

　　光學薄膜係指在光學元件或獨立基板上，制鍍上或塗布一層或多層介電質膜或金屬膜或這兩類膜的組合，以改變光波之傳遞特性，包括光的透射、反射、吸收、散射、偏振及相位改變。故經由適當設計可以調變不同波段元件表面之穿透率及反射率，亦可以使不同偏振平面的光具有不同的特性。

　　一般來說，光學薄膜的生產方式主要分為幹法和溼法的生產工藝。所謂的乾式就是沒有液體出現在整個加工過程中，例如真空蒸鍍是在一真空環境中，以電能加熱固體原物料，經升華成氣體後附著在一個固體基材的表面上，完成塗布加工。日常生活中所看到裝飾用的金色、銀色或具金屬質感的包裝膜，就是以乾式塗布方式製造的產品。但是在實際量產的考慮下，乾式塗布運用的範圍小於溼式塗布。溼式塗布一般的做法是把具有各種功能的成分混合成液態塗料，以不同的加工方式塗布在基材上，然後使液態塗料乾燥固化做成產品。在本文中僅討論溼式塗布技術的光學薄膜產業。

　　光學薄膜分類

　　光學薄膜根據其用途分類、特性與應用可分為：反射膜、增透膜/減反射膜、濾光片、偏光片/偏光膜、補償膜/相位差板、配向膜、擴散膜/片、增亮膜/稜鏡片/聚光片、遮光膜/黑白膠等。相關衍生的種類有光學級保護膜、窗膜等。

　　1、反射膜

　　反射膜一般可分為兩類，一類是金屬反射膜，一類是全電介質反射膜。此外，還有將兩者結合的金屬電介質反射膜，功能是增加光學表面的反射率。

　　一般金屬都具有較大的消光係數。當光束由空氣入射到金屬表面時，進入金屬內的光振幅迅速衰減，使得進入金屬內部的光能相應減少，而反射光能增加。消光係數越大，光振幅衰減越迅速，進入金屬內部的光能越少，反射率越高。人們總是選擇消光係數較大，光學性質較穩定的金屬作為金屬膜材料。在紫外區常用的金屬薄材料是鋁，在可見光區常用鋁和銀，在紅外區常用金、銀和銅，此外，鉻和鉑也常作一些特種薄膜的膜料。由於鋁、銀、銅等材料在空氣中很容易氧化而降低性能，所以必須用電介質膜加以保護。常用的保護膜材料有一氧化矽、氟化鎂、二氧化矽、三氧化二鋁等。

　　金屬反射膜的優點是製備工藝簡單，工作的波長範圍寬；缺點是光損大，反射率不可能很高。為了使金屬反射膜的反射率進一步提高，可以在膜的外側加鍍幾層一定厚度的電介質層，組成金屬電介質反射膜。需要指出的是，金屬電介質射膜增加了某一波長（或者某一波區）的反射率，卻破壞了金屬膜中性反射的特點。

　　全電介質反射膜是建立在多光束幹涉基礎上的。與增透膜相反，在光學表面上鍍一層折射率高於基體材料的薄膜，就可以增加光學表面的反射率。最簡單的多層反射是由高、低折射率的二種材料交替蒸鍍而成的,每層膜的光學厚度為某一波長的四分一。在這種條件下，參加疊加的各界面上的反射光矢量，振動方向相同。合成振幅隨著薄膜層數的增加而增加。

　　鋁箔反射膜Dike鋁箔隔熱卷材，又稱阻隔膜、隔熱膜、隔熱箔、拔熱膜、反射膜等。由鋁箔貼面+聚乙烯薄膜+纖維編織物+金屬塗膜通過熱熔膠層壓而成，鋁箔卷材具有隔熱保溫、防水、防潮等功能。鋁箔隔熱卷材的日照吸收率（太陽輻射吸收係數）極低(0.07)，具有卓越的隔熱保溫性能，可以反射掉93%以上的輻射熱，被廣泛應用於建築屋面與外牆隔熱保溫。

　　相對應的是一種防反射膜，主要功效是提高光線的衍射，使人們能夠長時間的觀看文字和圖形。這就需要表面平滑反射少的防反射薄膜。

　　2、增透膜/減反射膜

　　減反射膜又稱增透膜，它的主要功能是減少或消除透鏡、稜鏡、平面鏡等學表面的反射光，從而增加這些元件的透光量，減少或消除系統的雜散光。

　　減反射膜是以光的波動性和幹涉現象為基礎的。二個振幅相同，波長相同的光波疊加，那麼光波的振幅增強；如果二個光波原由相同，波程相差，如果這二個光波疊加，那麼互相抵消了。減反射膜就是利用了這個原理，在鏡片的表面鍍上減反射膜(AR-coating），使得膜層前後表面產生的反射光互相干擾，從而抵消了反射光，達到減反射的效果。最簡單的增透膜是單層膜。一般情況下，採用單層增透膜很難達到理想的增透效果,為了在單波長實現零反射,或在較寬的光譜區達到好的增透效果，往往採用雙層、三層甚至更多層數的減反射膜。

　　減反射膜的實際應用非常廣泛，最常見的是鏡片及太陽能電池-通過製備減反射膜來提高光伏組件的功率瓦值。目前晶體矽光伏電池使用的減反射膜材料是氮化矽，採用等離子增強化學氣相澱積技術，使氨氣和矽烷離子化，沉積在矽片的表面，具有較高的折射率，能起到較好的減反射效果。早期的光伏電池採用二氧化矽和二氧化鈦膜作為減反射層。

　　3、濾光片

　　濾光片是塑料或玻璃片再加入特種染料做成的，紅色濾光片只能讓紅光通過，如此類推。玻璃片的折射率原本與空氣差不多，所有色光都可以通過，所以是透明的，但是染了染料後，分子結構變化，折射率也發生變化，對某些色光的通過就有變化了。比如一束白光通過藍色濾光片，射出的是一束藍光，而綠光、紅光極少，大多數被濾光片吸收了。

　　濾光片產品主要按光譜波段、光譜特性、膜層材料、應用特點等方式分類。

　　光譜波段：紫外濾光片、可見濾光片、紅外濾光片；

　　光譜特性：帶通濾光片、截止濾光片、分光濾光片、中性密度濾光片、反射濾光片；

　　膜層材料：軟膜濾光片、硬膜濾光片。硬膜濾光片不僅指薄膜硬度方面,更重要的是它的雷射損傷閾值,所以它廣泛應用於雷射系統當中。軟膜濾光片則主要用於生化分析儀當中。

　　帶通型：選定波段的光通過，通帶以外的光截止。

　　短波通型(又叫低波通)：短於選定波長的光通過，長於該波長的光截止。比如紅外截止濾光片，IBG-650。

　　長波通型(又叫高波通)：長於選定波長的光通過，短於該波長的光截止比如紅外透過濾光片，IPG-800。

　　彩色濾光片是TFT-LCD背光模組的重要組成部分。

　　4、偏光片

　　偏光片（PolarizingFilm)的全稱應該是偏振光片。液晶顯示器的成像必須依靠偏振光。偏光片的主要作用就是使不具偏極性的自然光變成產生偏極化，轉變成偏極光，加上液晶分子扭轉特性，達到控制光線的通過與否，從而提高透光率和視角範圍，形成防眩等功能。

　　偏光片可廣泛應用於現代的液晶顯示產品:液晶電視、筆記本電腦、手機、PDA、電子詞典、MP3、儀器儀表、投影儀等，也可用於時尚偏光眼鏡。其中，LCD的應用是拉動偏光片產業發展的主要力量。

　　5、補償膜/相位差板

　　補償膜的補償原理，是將各種顯示模式下(TN/STN/TFT(VA/IPS/OCB))液晶在各視角產生的相位差做修正,簡言之，即是讓液晶分子的雙折射性質得到對稱性的補償。若要從其功能目的來區分則可略為分單純改變相位的相位差膜、色差補償膜及視角擴大膜。補償膜能降低液晶顯示器暗態時的漏光量，並且在一定視角內能大幅提高影像之對比、色度與克服部分灰階反轉問題。

　　6、配向膜

　　配向膜是具有直條狀刮痕的薄膜，作用是引導液晶分子的排列方向(圖1.1）。在已蒸上透明導電膜（ITO）的玻璃基版上，用PI塗液和轉輪（roller），在ITO膜上印出一條一條平行的溝槽，到時候液晶可依此溝槽的方向橫躺於溝槽內，達到使液晶呈同一方向排列之目的。此具有一條一條方向的膜，即為配向膜。

　　液晶之所以可應用於螢幕上，乃因其在平行分子方向與垂直分子方向之誘電率不同，因此可用電場驅動之，另一方面，由於液晶也具有視分子方向而變化之折射率（也就是具有雙折射），可改變偏極光之偏極方向，最後更因液晶與配向膜之界面有很強之作用力（AnchoringStrength），在電場關閉後液晶就靠著彈性係數（恢復力）而恢復到原來之排列，由此可知沒有配向膜之存在，液晶是無法工作的。但在液晶螢幕之應用上，其液晶分子與配向膜表面呈某一角度的傾斜(即預傾角，PretiltAngle)，如此才能達到均一配向的效果。

　　配向膜涉及的塗布非卷式溼法塗布，方式有傳統的定向刷磨法和現在的UV光配向法、電子漿配向和離子束配向。

　　7、擴散膜

　　擴散膜為TFT-LCD背光模塊中之關鍵零組件,能夠為液晶顯示器提供一個均勻的面光源,一般傳統的擴散膜主要是在擴散膜基材中,加入一顆顆的化學顆粒,作為散射粒子,而現有之擴散板其微粒子分散在樹脂層間,所以光線在經過擴散層時,會不斷於2個折射率相異的介質中穿過,故光線就會發生許多折射、反射與散射的現象,如此便造成了光學擴散的效果。詳見第二章。

　　8、增亮膜/稜鏡片/聚光片

　　增亮膜又叫稜鏡片（PrismSheet）,常簡稱BEF（BrightnessEnhancementFilm），為TFT-LCD背光模塊中之關鍵零組件，主要是藉由光的折射與反射原理，利用稜鏡片修正光的方向，使光線正面集中，並將視角外未被利用的光線可以回收與利用，同時提升整體輝度與均勻度，達到增亮的效果，又稱聚光片。複合型光學膜，主要是將原本聚光片的功能與擴散功能加以整合，如此將可減少使用1片擴散片，有利於下遊廠商簡化背光設計、節省工序、降低成本，同時亮度效率還可提升。對於光學膜廠商來說，雖然複合型增亮膜會取代傳統聚光片（增亮膜），但單價和利潤都較佳。

　　9、遮光膜/黑白膠

　　黑白遮光膠|遮光膜主要應用於背光源上，起固定、遮光作用(遮掉邊光和燈位的光)，也叫遮光片、黑白膜，簡稱黑白膠(可說是種雙面膠帶）。相對TFT-LCD所使用的背光源遮光要求較高，所以大部分的黑白膠都應用在TFT-LCD的背光源上面。除黑白膠外，還有黑黑膠（雙面為黑色），主要作用仍然是固定，遮光；黑銀膠（單面黑色，單面銀色），除遮光外，銀色面有反射作用。相對黑白膠是LCD市場的主流產品。黑面與白面的粘性對比，白面需要更大一些，因為白面與橡膠框相連接，而黑面與玻璃相連接，相對玻璃對膠的附著性，橡膠框更差一些，所以需要白面的粘性更大來保證整個模組的穩定性。

*部分內容摘自網絡

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