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文章簡介：光學薄膜技術在顯示領域的應用。光學薄膜技術一直是光學領域中不可忽略重要基礎技術，而且品質要求也越來越高，加上近年來在資訊顯示及光通訊科技快速發展之下...

　　光學薄膜技術在顯示領域的應用。光學薄膜技術一直是光學領域中不可忽略重要基礎技術，而且品質要求也越來越高，加上近年來在資訊顯示及光通訊科技快速發展之下，不論是在顯示設備中分、合色元件，又或是在光通訊主、被動元件開發制程上，薄膜制程技術都是不可忽略重要技術。而在顯示器技術、光通訊技術、生醫光電技術…等，在全方位薄膜技術有其決定性的影響。本文專訪國立中央大學光電科學研究所暨薄膜中心主任李正中博士，以多年來在光學顯示器相關鍍膜、各種類光學薄膜之光學特性及非光學特性研究經驗與其發展技術，一同探討光學薄膜制程技術是如何成為產業中，各個產業應用的最佳綠葉技術，求得理論及實務并重。

　　光學薄膜與鍍膜技術的重要性。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、數碼相機、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、通訊或是激光技術發展速度，將無法有所進展，這也顯示出光學薄膜技術研究發展重要性。

　　一般來說，要使用多層薄膜時，必須根據設計者需求，藉用高低折射率薄膜堆迭技術，做為各類型光學薄膜設計之用，才能達到事先預期后評估的光學特性。比方說：抗反射鏡、高反射鏡、分光鏡、截止濾光鏡、帶通濾光鏡、帶止濾光鏡等；而在電腦分析軟、硬體發展健全的今日，不僅使光學薄膜在設計上變得更為便捷，且光學薄膜技術研究發展也將更為快速。

　　就目前設計端而言，若以合理特性范圍來考量，光學薄膜制作門檻已經降低不少，技術困難點也很少出現，通常只要在合理要求范圍之內，設計者不難發出適用的光學多層膜結構。不過，光學薄膜最主要關鍵問題，在于薄膜鍍膜工藝技術的改善？這關係到要如何精準地掌控每一層薄膜厚度與折射率，才能獲得預期光學性質和機械特性，甚至在制程量產化及成本降低都有其助益。另外，包括：薄膜材料開發（包括：材料測試、化學純度、材料創新、材料型式）、先進鍍膜技術開發（包括：真空鍍膜機、監控技術）及薄膜的量測分析（膜層設計、厚度誤差分析技巧）等，都是光學薄膜工程上所要面對到的首要課題。

　　不過，在光學薄膜技術應用上，由于技術本身被歸納為廣泛應用性質，不容易以某一或單一產品作為載具并加以區分；因此，在光學薄膜產品技術，最終應用則是在眾多光學元件上，若以光學元件各個相關應用市場來探究，更可看出主要附加價值與相關性。

光學薄膜技術在顯示器產業中的應用

　　對于顯示器畫面尺寸及影像品質及輻射量多寡的要求日漸嚴苛，過去顯示器尺寸也從14吋、20吋、29吋、32吋，甚至更大尺寸，也從CRT屏幕發展到LCD屏幕或投影屏幕。因為超過40吋CRT顯示器動輒超過100公斤、厚度也超過35吋；因此，在一般CRT顯示器生產過程中，40吋以上就是一個技術瓶頸。目前要打破尺寸瓶頸技術，就是利用投影技術來達成，藉用光學技術放大顯示器尺寸，使其機身厚度變薄，體積變得更為輕盈。

　　對于投影機產業而言，必須快速對應到燈源進步程度，以及更高亮度、對比度、體積更小、重量更輕…等要求。

　　揭開投影機顯示技術中重要光學關鍵零組件，就像是光學引擎、光閥、偏光轉換器等開發技術，對投影顯示技術中的影像品質有著關鍵性影響。舉例來說，在光學引擎的偏振分光稜鏡便是光學引擎中，不可或缺的光學元件，其可見光波要求在420～680nm范圍（入射角范圍約30°之內），才能大幅度地分開p偏振光及s偏振光，并維持p偏振光穿透率Tp>90％以上及消光比達到Tp/Ts>500以上，這是因為消光比越高及Tp穿透率也就越高，影像對比度才會更好，色彩一致性越高，獲得較高的光能利用率。

　　在光學引擎中要用到大量偏振、分光及濾光元件，這些都需要仰賴光學薄膜、鍍膜技術來實現，不過這些元件鍍膜技術要求層級很高，導致生產困難度加大。一般來說，目前發展投影機技術，包括：LCD、DLP（MEMS）、LCOS數種發展技術。影像成形技術，則分為穿透式LCD及反射式DLP、LCOS，而在投影機系統中，便需要運用光學薄膜濾光片新的開發技術，藉以達到最佳影像品質。

　　對于投影機產業而言，為了因應燈源技術，以及更高亮度、對比度、體積更小、重量更輕等要求，對于其中所使用的各式光學元件都必須有相對應解決之道。而為了達到需求，這對光學薄膜技術來說，已不能單純使用傳統的整數膜堆設計來完成，非整數膜堆設計必要時也要能被大量採用。不過，對非整數膜堆技術而言，除了先天上設計的困難性之外，在實際的制鍍上也有相當的困難性。另一方面，對于環境測試要求更為嚴格，在濾光片材料選用則應更為審慎，基板選擇上也要考慮到整體濾光片應力行為…等等，這都在先前設計之初就必須被納入考量。

光學薄膜技術也在納米技術上有其助力

　　納米材料及技術因應科技發展速度，不斷受到重視，歸究其主要原因在于納米材料應用廣泛，加上以未來層面來考量。一方面是因為現有理論基礎不足涵蓋納米材料完整發展；另一方面來自物理、化學、生物醫藥領域的沖擊性與整合性，提供極為有力的助益。其中，在物理方面著重于納米制造、材料檢測技術與原子操縱；而在化學方面則提供由小而大、由下而上的組裝方式、各式化學方法合成納米材料；生物領域主要提供是仿生概念及生物制造工程的納米材料合成技術。

　　回過頭來看光學薄膜技術制程，過去的光學薄膜技術已經進入成熟化地步，也受到廣泛的應用。也曾經有專家提出，再過五年之后，以「硅」為主要材料的微米級電子電路技術將有可能面臨到發展之末。然而，在光學薄膜在納米尺度下的特性，也是因為這幾年中，由于制程技術進步后，才逐漸受到業界所探討。這是因為一旦光子元件想要在更小、更快且低耗能線路上與電子線路相互呼應，則光子的操控必須在空間、速度及能量上，遠比目前微小上百倍情況下才能順利進行。因此，納米光波導（nanophotonic waveguide）將有可能成為代替部分硅及其它半導體材料的最佳材料，則能有效開發出遠比目前傳輸速度及密度高達50～100倍以上；另外，在省能效益方面則高出50～100倍通訊及運算裝置。如此一來，光學薄膜技術在納米級尺寸即將到來的催促之下，其技術研究將成為非常重要的關鍵因素。

　　目前在積體光學技術所能制造的光學元件，大都是以電光、聲光調變器、光分離器、分工／解分工器…為主，倘若要做到全光式或者多元件的積體光學元件，不可或缺的便是「納米光學薄膜元件」。這當中最受到關注的就是，結合薄膜技術及微影技術（Optical Lithography）所形成的光子晶體（photonic crystals），使其帶有周期性的介電質分佈結構特性，藉以提高解析度轉而制作更微小特征尺寸，才能擁有在相同單位面積上，有更高密度下可容納更多的電晶體。

　　一般光子晶體依照光子能帶的方向特性可分為兩類，分別為訊號傳遞具有方向性（Uni-directional）、（Omni-directional）；在Uni-directional光子能帶僅能夠使某特定傳播方向的光波被抑制其傳播特性，而omni-directional光子能帶能夠使各個傳播方向上的光模態皆被抑制其傳播特性。因此，可藉由結構上的設計使光皆被反射，產生零能量穿透。除了光子晶體外，光學薄膜在納米等級的尺度下，在金屬薄膜上制作納米級的周期性孔洞時，當入射光的光波長大于孔洞的周期時，入射的零階光有和平常不一樣的高穿透率，并且沒有繞射現象的發生。此類光學元件主要應用金屬之表面電漿特性，產生完全不同于傳統光學理論的特性，才會別于光子晶體特性下的一種新型態及表面電漿元件。

　　上述兩項不同類型元件，不論是光子晶體還是表面電漿元件，都需要納米等級下進行精密微影、蝕刻技術及光學薄膜技術。因此，若以光學薄膜技術為主要發展基礎，再搭配上微影制程技術，及薄膜特性分析技術等，最終目標便能達到充分了解光學薄膜在納米尺寸等級下，各項分析特性及組成結構，以提供納米光學薄膜技術應用在積體光學領域中地發展與應用。

非主要明星產業　但其重要性不可忽略

　　可以這么說：「光學薄膜技術并不是一項亮麗的技術顯學」。但…卻是臺灣產業發展過程中不可缺少的其中一環，不僅左右產品優劣也影響產品效能。光學薄膜技術給人的感覺是「透明的」、「薄薄的」，但這當中的學問無法只用言語就能概以全數。雖然光學薄膜應用多屬綠葉技術，只是個輔助性質角色。不過，一旦有了光學薄膜技術，不僅使產品功能更加顯而易見，并能提升它的附加價值。

　　就像一般所配載的眼鏡，運用了光學薄膜的鍍膜技術，便能降低眼鏡反射率，使它具有更高穿透率，而抗紫外線鏡片及抗紅外線鏡片，也都是光學薄膜技術的應用。而在光通訊、顯示器、照明、節能…等方面，也可以應用光學薄膜技術，例如，尖端技術基礎的研究及應用，則需要較小、較為精緻型元件，使產品變得更輕薄短小。換句話說，只要有運用到光學元件之處，都可以利用光學薄膜改善它的品質和技術，使產品變得更完善，并與生活息息相關。

　　光學薄膜的技術與理論雖然起源已久，然而隨著相關科技環境迅速提升與成長，如何使光學薄膜技術得以創新，將是從事光學薄膜技術者尚須追求的目標。目前，臺灣廠商專注于OEM以下階段技術及塑膠鍍膜廠商，但在光學品質可靠性上，仍必須持續提升。至于OEM以上等級的光學鍍膜技術，例如：激光鏡片雖亦有廠商投入研發，只在量產上則仍不易達到。因此，臺灣廠商一旦能盡早于新的光學薄膜技術開發方面大力投入，將有助于在整體光學元件市場上取得重要的契機，并建立完整光學產業結構根基。