文章簡介：光學(xué)薄膜技術(shù)在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用。光學(xué)薄膜技術(shù)一直是光學(xué)領(lǐng)域中不可忽略重要基礎(chǔ)技術(shù)，而且品質(zhì)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(fā)展之下...

　　光學(xué)薄膜技術(shù)在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用。光學(xué)薄膜技術(shù)一直是光學(xué)領(lǐng)域中不可忽略重要基礎(chǔ)技術(shù)，而且品質(zhì)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(fā)展之下，不論是在顯示設(shè)備中分、合色元件，又或是在光通訊主、被動元件開發(fā)制程上，薄膜制程技術(shù)都是不可忽略重要技術(shù)。而在顯示器技術(shù)、光通訊技術(shù)、生醫(yī)光電技術(shù)…等，在全方位薄膜技術(shù)有其決定性的影響。本文專訪國立中央大學(xué)光電科學(xué)研究所暨薄膜中心主任李正中博士，以多年來在光學(xué)顯示器相關(guān)鍍膜、各種類光學(xué)薄膜之光學(xué)特性及非光學(xué)特性研究經(jīng)驗與其發(fā)展技術(shù)，一同探討光學(xué)薄膜制程技術(shù)是如何成為產(chǎn)業(yè)中，各個產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的最佳綠葉技術(shù)，求得理論及實務(wù)并重。

　　光學(xué)薄膜與鍍膜技術(shù)的重要性。從精密及光學(xué)設(shè)備、顯示器設(shè)備到日常生活中的光學(xué)薄膜應(yīng)用；比方說，平時戴的眼鏡、數(shù)碼相機(jī)、各式家電用品，或者是鈔票上的防偽技術(shù)，皆能被稱之為光學(xué)薄膜技術(shù)應(yīng)用之延伸。倘若沒有光學(xué)薄膜技術(shù)作為發(fā)展基礎(chǔ)，近代光電、通訊或是激光技術(shù)發(fā)展速度，將無法有所進(jìn)展，這也顯示出光學(xué)薄膜技術(shù)研究發(fā)展重要性。

　　一般來說，要使用多層薄膜時，必須根據(jù)設(shè)計者需求，藉用高低折射率薄膜堆迭技術(shù)，做為各類型光學(xué)薄膜設(shè)計之用，才能達(dá)到事先預(yù)期后評估的光學(xué)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(fā)展健全的今日，不僅使光學(xué)薄膜在設(shè)計上變得更為便捷，且光學(xué)薄膜技術(shù)研究發(fā)展也將更為快速。

　　就目前設(shè)計端而言，若以合理特性范圍來考量，光學(xué)薄膜制作門檻已經(jīng)降低不少，技術(shù)困難點也很少出現(xiàn)，通常只要在合理要求范圍之內(nèi)，設(shè)計者不難發(fā)出適用的光學(xué)多層膜結(jié)構(gòu)。不過，光學(xué)薄膜最主要關(guān)鍵問題，在于薄膜鍍膜工藝技術(shù)的改善？這關(guān)係到要如何精準(zhǔn)地掌控每一層薄膜厚度與折射率，才能獲得預(yù)期光學(xué)性質(zhì)和機(jī)械特性，甚至在制程量產(chǎn)化及成本降低都有其助益。另外，包括：薄膜材料開發(fā)（包括：材料測試、化學(xué)純度、材料創(chuàng)新、材料型式）、先進(jìn)鍍膜技術(shù)開發(fā)（包括：真空鍍膜機(jī)、監(jiān)控技術(shù)）及薄膜的量測分析（膜層設(shè)計、厚度誤差分析技巧）等，都是光學(xué)薄膜工程上所要面對到的首要課題。

　　不過，在光學(xué)薄膜技術(shù)應(yīng)用上，由于技術(shù)本身被歸納為廣泛應(yīng)用性質(zhì)，不容易以某一或單一產(chǎn)品作為載具并加以區(qū)分；因此，在光學(xué)薄膜產(chǎn)品技術(shù)，最終應(yīng)用則是在眾多光學(xué)元件上，若以光學(xué)元件各個相關(guān)應(yīng)用市場來探究，更可看出主要附加價值與相關(guān)性。

光學(xué)薄膜技術(shù)在顯示器產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

　　對于顯示器畫面尺寸及影像品質(zhì)及輻射量多寡的要求日漸嚴(yán)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(fā)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(chǎn)過程中，40吋以上就是一個技術(shù)瓶頸。目前要打破尺寸瓶頸技術(shù)，就是利用投影技術(shù)來達(dá)成，藉用光學(xué)技術(shù)放大顯示器尺寸，使其機(jī)身厚度變薄，體積變得更為輕盈。

　　對于投影機(jī)產(chǎn)業(yè)而言，必須快速對應(yīng)到燈源進(jìn)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(jī)顯示技術(shù)中重要光學(xué)關(guān)鍵零組件，就像是光學(xué)引擎、光閥、偏光轉(zhuǎn)換器等開發(fā)技術(shù)，對投影顯示技術(shù)中的影像品質(zhì)有著關(guān)鍵性影響。舉例來說，在光學(xué)引擎的偏振分光稜鏡便是光學(xué)引擎中，不可或缺的光學(xué)元件，其可見光波要求在420～680nm范圍（入射角范圍約30°之內(nèi)），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(dá)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(xué)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(xué)薄膜、鍍膜技術(shù)來實現(xiàn)，不過這些元件鍍膜技術(shù)要求層級很高，導(dǎo)致生產(chǎn)困難度加大。一般來說，目前發(fā)展投影機(jī)技術(shù)，包括：LCD、DLP（MEMS）、LCOS數(shù)種發(fā)展技術(shù)。影像成形技術(shù)，則分為穿透式LCD及反射式DLP、LCOS，而在投影機(jī)系統(tǒng)中，便需要運用光學(xué)薄膜濾光片新的開發(fā)技術(shù)，藉以達(dá)到最佳影像品質(zhì)。

　　對于投影機(jī)產(chǎn)業(yè)而言，為了因應(yīng)燈源技術(shù)，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(xué)元件都必須有相對應(yīng)解決之道。而為了達(dá)到需求，這對光學(xué)薄膜技術(shù)來說，已不能單純使用傳統(tǒng)的整數(shù)膜堆設(shè)計來完成，非整數(shù)膜堆設(shè)計必要時也要能被大量採用。不過，對非整數(shù)膜堆技術(shù)而言，除了先天上設(shè)計的困難性之外，在實際的制鍍上也有相當(dāng)?shù)睦щy性。另一方面，對于環(huán)境測試要求更為嚴(yán)格，在濾光片材料選用則應(yīng)更為審慎，基板選擇上也要考慮到整體濾光片應(yīng)力行為…等等，這都在先前設(shè)計之初就必須被納入考量。

光學(xué)薄膜技術(shù)也在納米技術(shù)上有其助力

　　納米材料及技術(shù)因應(yīng)科技發(fā)展速度，不斷受到重視，歸究其主要原因在于納米材料應(yīng)用廣泛，加上以未來層面來考量。一方面是因為現(xiàn)有理論基礎(chǔ)不足涵蓋納米材料完整發(fā)展；另一方面來自物理、化學(xué)、生物醫(yī)藥領(lǐng)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(shù)與原子操縱；而在化學(xué)方面則提供由小而大、由下而上的組裝方式、各式化學(xué)方法合成納米材料；生物領(lǐng)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(shù)。

　　回過頭來看光學(xué)薄膜技術(shù)制程，過去的光學(xué)薄膜技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入成熟化地步，也受到廣泛的應(yīng)用。也曾經(jīng)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(shù)將有可能面臨到發(fā)展之末。然而，在光學(xué)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(shù)進(jìn)步后，才逐漸受到業(yè)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(yīng)，則光子的操控必須在空間、速度及能量上，遠(yuǎn)比目前微小上百倍情況下才能順利進(jìn)行。因此，納米光波導(dǎo)（nanophotonic waveguide）將有可能成為代替部分硅及其它半導(dǎo)體材料的最佳材料，則能有效開發(fā)出遠(yuǎn)比目前傳輸速度及密度高達(dá)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(xué)薄膜技術(shù)在納米級尺寸即將到來的催促之下，其技術(shù)研究將成為非常重要的關(guān)鍵因素。

　　目前在積體光學(xué)技術(shù)所能制造的光學(xué)元件，大都是以電光、聲光調(diào)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(xué)元件，不可或缺的便是「納米光學(xué)薄膜元件」。這當(dāng)中最受到關(guān)注的就是，結(jié)合薄膜技術(shù)及微影技術(shù)（Optical Lithography）所形成的光子晶體（photonic crystals），使其帶有周期性的介電質(zhì)分佈結(jié)構(gòu)特性，藉以提高解析度轉(zhuǎn)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(tài)皆被抑制其傳播特性。因此，可藉由結(jié)構(gòu)上的設(shè)計使光皆被反射，產(chǎn)生零能量穿透。除了光子晶體外，光學(xué)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(dāng)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(xiàn)象的發(fā)生。此類光學(xué)元件主要應(yīng)用金屬之表面電漿特性，產(chǎn)生完全不同于傳統(tǒng)光學(xué)理論的特性，才會別于光子晶體特性下的一種新型態(tài)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(jìn)行精密微影、蝕刻技術(shù)及光學(xué)薄膜技術(shù)。因此，若以光學(xué)薄膜技術(shù)為主要發(fā)展基礎(chǔ)，再搭配上微影制程技術(shù)，及薄膜特性分析技術(shù)等，最終目標(biāo)便能達(dá)到充分了解光學(xué)薄膜在納米尺寸等級下，各項分析特性及組成結(jié)構(gòu)，以提供納米光學(xué)薄膜技術(shù)應(yīng)用在積體光學(xué)領(lǐng)域中地發(fā)展與應(yīng)用。

非主要明星產(chǎn)業(yè)　但其重要性不可忽略

　　可以這么說：「光學(xué)薄膜技術(shù)并不是一項亮麗的技術(shù)顯學(xué)」。但…卻是臺灣產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中不可缺少的其中一環(huán)，不僅左右產(chǎn)品優(yōu)劣也影響產(chǎn)品效能。光學(xué)薄膜技術(shù)給人的感覺是「透明的」、「薄薄的」，但這當(dāng)中的學(xué)問無法只用言語就能概以全數(shù)。雖然光學(xué)薄膜應(yīng)用多屬綠葉技術(shù)，只是個輔助性質(zhì)角色。不過，一旦有了光學(xué)薄膜技術(shù)，不僅使產(chǎn)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(xué)薄膜的鍍膜技術(shù)，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(xué)薄膜技術(shù)的應(yīng)用。而在光通訊、顯示器、照明、節(jié)能…等方面，也可以應(yīng)用光學(xué)薄膜技術(shù)，例如，尖端技術(shù)基礎(chǔ)的研究及應(yīng)用，則需要較小、較為精緻型元件，使產(chǎn)品變得更輕薄短小。換句話說，只要有運用到光學(xué)元件之處，都可以利用光學(xué)薄膜改善它的品質(zhì)和技術(shù)，使產(chǎn)品變得更完善，并與生活息息相關(guān)。

　　光學(xué)薄膜的技術(shù)與理論雖然起源已久，然而隨著相關(guān)科技環(huán)境迅速提升與成長，如何使光學(xué)薄膜技術(shù)得以創(chuàng)新，將是從事光學(xué)薄膜技術(shù)者尚須追求的目標(biāo)。目前，臺灣廠商專注于OEM以下階段技術(shù)及塑膠鍍膜廠商，但在光學(xué)品質(zhì)可靠性上，仍必須持續(xù)提升。至于OEM以上等級的光學(xué)鍍膜技術(shù)，例如：激光鏡片雖亦有廠商投入研發(fā)，只在量產(chǎn)上則仍不易達(dá)到。因此，臺灣廠商一旦能盡早于新的光學(xué)薄膜技術(shù)開發(fā)方面大力投入，將有助于在整體光學(xué)元件市場上取得重要的契機(jī)，并建立完整光學(xué)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)根基。