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TFT-LCD液晶屏光学薄膜研究与应用

2013-07-25 11:14
默菲
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  一、光学薄膜简介

  1、光学薄膜的定义

  光学薄膜在我们的生活中无处不在,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、通讯或是镭射技术将无法有所进展,这也显示出光学薄膜技术研究发展的 重要性。

  光学薄膜系指在光学元件或独立基板上,制镀上或涂布一层或多层介电质膜或金属膜或这两类膜的组合,以改变光波之传递特性,包括光的透射、反射、吸收、散射、偏振及相位改变。故经由适当设计可以调变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。

  一般来说,光学薄膜的生产方式主要分为干法和湿法的生产工艺。所谓的干式就是没有液体出现在整个加工过程中,例如真空蒸镀是在一真空环境中,以电能加热固体原物料,经升华成气体后附着在一个固体基材的表面上,完成涂布加工。日常生活中所看到装饰用的金色、银色或具金属质感的包装膜,就是以干式涂布方式制造的产品。但是在实际量产的考虑下,干式涂布运用的范围小于湿式涂布。湿式涂布一般的做法是把具有各种功能的成分混合成液态涂料,以不同的加工方式涂布在基材上,然后使液态涂料干燥固化做成产品。在本文中仅讨论湿式涂布技术的光学薄膜产业。

  2、光学薄膜种类

  光学薄膜根据其用途分类、特性与应用可分为:反射膜、增透膜/减反射膜、滤光片、偏光片/偏光膜、补偿膜/相位差板、配向膜、扩散膜/片、增亮膜/棱镜片/聚光片、遮光膜/黑白胶等。相关衍生的种类有光学级保护膜、窗膜等。

  2.1、反射膜

  反射膜一般可分为两类,一类是金属反射膜,一类是全电介质反射膜。此外,还有将两者结合的金属电介质反射膜,功能是增加光学表面的反射率。

  一般金属都具有较大的消光系数。当光束由空气入射到金属表面时,进入金属内的光振幅迅速衰减,使得进入金属内部的光能相应减少,而反射光能增加。消光系数越大,光振幅衰减越迅速,进入金属内部的光能越少,反射率越高。人们总是选择消光系数较大,光学性质较稳定的金属作为金属膜材料。在紫外区常用的金属薄材料是铝,在可见光区常用铝和银,在红外区常用金、银和铜,此外,铬和铂也常作一些特种薄膜的膜料。由于铝、银、铜等材料在空气中很容易氧化而降低性能,所以必须用电介质膜加以保护。常用的保护膜材料有一氧化硅、氟化镁、二氧化硅、三氧化二铝等。

  金属反射膜的优点是制备工艺简单,工作的波长范围宽;缺点是光损大,反射率不可能很高。为了使金属反射膜的反射率进一步提高,可以在膜的外侧加镀几层一定厚度的电介质层,组成金属电介质反射膜。需要指出的是,金属电介质射膜增加了某一波长(或者某一波区)的反射率,却破坏了金属膜中性反射的特点。

  全电介质反射膜是建立在多光束干涉基础上的。与增透膜相反,在光学表面上镀一层折射率高于基体材料的薄膜,就可以增加光学表面的反射率。最简单的多层反射是由高、低折射率的二种材料交替蒸镀而成的,每层膜的光学厚度为某一波长的四分一。在这种条件下,参加叠加的各界面上的反射光矢量,振动方向相同。合成振幅随着薄膜层数的增加而增加。

  铝箔反射膜Dike铝箔隔热卷材,又称阻隔膜、隔热膜、隔热箔、拔热膜、反射膜等。由铝箔贴面+聚乙烯薄膜+纤维编织物+金属涂膜通过热熔胶层压而成,铝箔卷材具有隔热保温、防水、防潮等功能。铝箔隔热卷材的日照吸收率(太阳辐射吸收系数)极低(0.07),具有卓越的隔热保温性能,可以反射掉93%以上的辐射热,被广泛应用于建筑屋面与外墙隔热保温。

  相对应的是一种防反射膜,主要功效是提高光线的衍射,使人们能够长时间的观看文字和图形。这就需要表面平滑反射少的防反射薄膜。

  2.2、增透膜/减反射膜

  减反射膜又称增透膜,它的主要功能是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等学表面的反射光,从而增加这些元件的透光量,减少或消除系统的杂散光。

  减反射膜是以光的波动性和干涉现象为基础的。二个振幅相同,波长相同的光波叠加,那么光波的振幅增强;如果二个光波原由相同,波程相差,如果这二个光波叠加,那么互相抵消了。减反射膜就是利用了这个原理,在镜片的表面镀上减反射膜(AR-coating),使得膜层前后表面产生的反射光互相干扰,从而抵消了反射光,达到减反射的效果。最简单的增透膜是单层膜。一般情况下,采用单层增透膜很难达到理想的增透效果,为了在单波长实现零反射,或在较宽的光谱区达到好的增透效果,往往采用双层、三层甚至更多层数的减反射膜。

  减反射膜的实际应用非常广泛,最常见的是镜片及太阳能电池- 通过制备减反射膜来提高光伏组件的功率瓦值。目前晶体硅光伏电池使用的减反射膜材料是氮化硅,采用等离子增强化学气相淀积技术,使氨气和硅烷离子化,沉积在硅片的表面,具有较高的折射率,能起到较好的减反射效果。早期的光伏电池采用二氧化硅和二氧化钛膜作为减反射层。

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