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          光學薄膜的應用和分類



          光學薄膜是指在光學元件或獨立基板上,制鍍上或涂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干法和濕法的生產工藝。所謂的干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,經升華成氣體后附著在一個固體基材的表面上,完成涂布加工。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,就是以干式涂布方式制造的產品。但是在實際量產的考慮下,干式涂布運用的范圍小于濕式涂布。濕式涂布一般的做法是把具有各種功能的成分混合成液態涂料,以不同的加工方式涂布在基材上,然后使液態涂料干燥固化做成產品。在本文中僅討論濕式涂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/棱鏡片/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系數。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。消光系數越大,光振幅衰減越迅速,進入金屬內部的光能越少,反射率越高。人們總是選擇消光系數較大,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。由于鋁、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硅、氟化鎂、二氧化硅、三氧化二鋁等。

          金屬反射膜的優點是制備工藝簡單,工作的波長范圍寬;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干涉基礎上的。與增透膜相反,在光學表面上鍍一層折射率高于基體材料的薄膜,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+金屬涂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(太陽輻射吸收系數)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,被廣泛應用于建筑屋面與外墻隔熱保溫。

          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、棱鏡、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干涉現象為基礎的。二個振幅相同,波長相同的光波疊加,那么光波的振幅增強;如果二個光波原由相同,波程相差,如果這二個光波疊加,那么互相抵消了。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),使得膜層前后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,采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,往往采用雙層、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-通過制備減反射膜來提高光伏組件的功率瓦值。目前晶體硅光伏電池使用的減反射膜材料是氮化硅,采用等離子增強化學氣相淀積技術,使氨氣和硅烷離子化,沉積在硅片的表面,具有較高的折射率,能起到較好的減反射效果。早期的光伏電池采用二氧化硅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,但是染了染料后,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,更重要的是它的激光損傷閾值,所以它廣泛應用于激光系統當中。軟膜濾光片則主要用于生化分析儀當中。

          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):短于選定波長的光通過,長于該波長的光截止。比如紅外截止濾光片,

          長波通型(又叫高波通):長于選定波長的光通過,短于該波長的光截止比如紅外透過濾光片。

          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范圍,形成防眩等功能。

          偏光片可廣泛應用于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,也可用于時尚偏光眼鏡。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,并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涂液和轉輪(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。

          液晶之所以可應用于螢幕上,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,由于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,最后更因液晶與配向膜之界面有很強之作用力(AnchoringStrength),在電場關閉后液晶就靠著彈性系數(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。

          配向膜涉及的涂布非卷式濕法涂布,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,會不斷于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/棱鏡片/聚光片

          增亮膜又叫棱鏡片(PrismSheet),常簡稱BEF(BrightnessEnhancementFilm),為TFT-LCD背光模塊中之關鍵零組件,主要是借由光的折射與反射原理,利用棱鏡片修正光的方向,使光線正面集中,并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。復合型光學膜,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,有利於下游廠商簡化背光設計、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,雖然復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|遮光膜主要應用于背光源上,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。
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