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光学薄膜是什么?应用层面有哪些

上海卷柔新技术 | 上海卷柔专业研发生产光学仪器 2021/12/08 11:05

 由薄的分层介质构成的,通过界面传播光束的一类光学介质材料。光学薄膜的应用始于20世纪30年代。现代,光学薄膜已广泛用于光学和光电子技术领域,制造各种光学仪器。

结构

主要的光学薄膜器件包括反射膜、减反射膜、偏振膜、干涉滤光片和分光镜等等。它们在国民经济和国防建设中得到了广泛的应用,获得了科学技术工作者的日益重视。例如采用减反射膜后可使复杂的光学镜头的光通量损失成十倍地减小;采用高反射比的反射镜可使激光器的输出功率成倍提高;利用光学薄膜可提高硅光电池的效率和稳定性。

最简单的光学薄膜模型是表面光滑、各向同性的均匀介质薄层。在这种情况下,可以用光的干涉理论来研究光学薄膜的光学性质。当一束单色平面波入射到光学薄膜上时,在它的两个表面上发生多次反射和折射,反射光和折射光的方向由反射定律和折射定律给出,反射光和折射光的振幅大小则由菲涅耳公式确定(见光在分界面上的折射和反射)。

特点

光学薄膜的特点是:表面光滑,膜层之间的界面呈几何分割;膜层的折射率在界面上可以发生跃变,但在膜层内是连续的;可以是透明介质,也可以是

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光学薄膜吸收介质;可以是法向均匀的,也可以是法向不均匀的。实际应用的薄膜要比理想薄膜复杂得多。这是因为:制备时,薄膜的光学性质和物理性质偏离大块材料,其表面和界面是粗糙的,从而导致光束的漫散射;膜层之间的相互渗透形成扩散界面;由于膜层的生长、结构、应力等原因,形成了薄膜的各向异性;膜层具有复杂的时间效应。

分类

光学薄膜按应用分为反射膜、增透膜、滤光膜、

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光学薄膜光学保护膜、偏振膜、分光膜和位相膜。常用的是前4种。光学反射膜用以增加镜面反射率,常用来制造反光、折光和共振腔器件。光学增透膜沉积在光学元件表面,用以减少表面反射,增加光学系统透射,又称减反射膜。光学滤光膜用来进行光谱或其他光性分割,其种类多,结构复杂。光学保护膜沉积在金属或其他软性易侵蚀材料或薄膜表面,用以增加其强度或稳定性,改进光学性质。最常见的是金属镜面的保护膜。

主要内容

一类重要的光学元件。这一领域主要有以下几方面的内容:

① 薄膜的光学性质、力学性质以及其他有关性质的研究;

② 薄膜的生长、薄膜的结构以及它们对薄膜性质的影响;

③光学薄膜元件的设计、制备及其性能的测试等。

应用

◆ 光学薄膜的应用无处不在,从眼镜镀膜到手机,电脑,电视的液晶显示再到LED照明等等,它充斥著我们生活的方方面面,并使我们的生活更加丰富多彩。

◆ 光学薄膜的定义是:涉及光在传播路径过程中,附著在光学器件表面的厚度薄而均匀的介质膜层,通过分层介质膜层时的反射、透(折)射和偏振等特性,以达到我们想要的在某一或是多个波段范围内的光的全部透过或光的全部反射或是光的偏振分离等各特殊形态的光。

◆ 光学薄膜可分为“几何光学和物理光学”,几何光学是通过光学器件表面形成的几何状的介质膜层,以使改变光路经来实现光束的调整或再分配作用;物理光学是将自然界中特有的光学材料元素通过纳米处理至所需的光学器件表面形成的介质膜层,透过介质膜层的光学材料元素的特性增强於改变光偏振,透射,反射等功能。

◆ 通常光学薄膜的制备条件要求高而精,制备光学薄膜分干式制备法和湿式制备法,干式制备法( 含真空镀膜:蒸发镀,磁控溅镀,离子镀等)一般用於物理光学薄膜的制备,湿式制备法(含涂布法, 流延法,热塑法等)一般用於几何光学薄膜的制备。

◆ 迄今为止(2013年)常用的光学薄膜有:高反射膜;减反射膜;滤光膜;滤色膜;增透膜;聚光膜;扩散膜;偏光膜等等。

常用种类

Veitch Tech的液晶显示光学薄膜是一种通过微结构产生光线多次折射及聚焦原理形成的光学膜,其独特的技术和工艺而减少光 线吸收,保证了光线穿透而亮度更高。除可以提高亮度收益之外, 还可以通过光的折射及散射而起到光扩散,雾化功能效果。

增光膜

增光膜(BEF)是在透明性非常好的PET表面,使用丙烯酸树脂,精密成型一层分散一致的棱镜结构及背面光扩散层组合的光学薄膜,运用在液晶显示的上层增光,使光线经由增光之微结构进行光的回收与聚光,产生增亮的效果,高亮度设计,带扩散功能, 由於扩散层的基理,从而消除光耦合(Wet out) 现象,光显示更加均匀,柔和。

扩散膜

扩散片(DL系列)是在透明性非常好的PET表面,使用丙烯酸树脂,精密涂布一层随机分散的微米结构的扩散粒子,在PET的相对面再精密涂布一层随机分散的微米结构的抗静电粒子,运用在液晶显示器中,使光线经由扩散层产生多次折射及绕射,从而起到均光作用,让光显示更加均匀柔和。

反射膜

反射片为在流延法制造时,在PET树脂中掺杂HR高分子光学剂及增塑剂,以达到遮光和高反射效果之膜片,由於在膜片的中间层具有一定的吸收光线,而降低了反射效果。故此,在表面增加一层HR介质膜层,达到更佳的反射效果并具有抗紫外线黄变功能。

光学薄膜的简单模型可以用来研究其反射、透射、位相变化和偏振等一般性质。如果要研究光学薄膜的损耗、损伤以及稳定性等特殊性质,简单模型便无能为力了,这时必须考虑薄膜的结晶构造、体内结构和表面状态,薄膜的各向异性和不均匀性,薄膜的化学成分、表面污染和界面扩散等等。考虑到这些因素后,那就不仅要考虑它的光学性质,还要研究它的物理性质、

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光学薄膜化学性质、力学性质和表面性质,以及各种性质之间的渗透和影响。因此光学薄膜的研究就跃出光学范畴而成为物理、化学、固体和表面物理的边缘学科。

虽然薄膜的光学现象早在17世纪就为人们所注意,但是把光学薄膜作为一个课题进行专门研究却开始于20世纪30年代以后,这主要因为真空技术的发展给各种光学薄膜的制备提供了先决条件。时至今日,光学薄膜已得到很大发展,光学薄膜的生产已逐步走向系列化、程序化和专业化,但是,在光学薄膜的研究中还有不少问题有待进一步解决,光学薄膜现有的水平在不少工作中还不能满足要求,需要提高。在理论上,不但薄膜的生长机理需要搞清,而且薄膜的光学理论,特别是应用于极短波段的光学理论也有待进一步完善和改进。在工艺上,人们还缺乏有效的手段实现对薄膜淀积参量的精确控制,这样,薄膜的生长就

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光学薄膜具有一定程度的随机性,薄膜的光学常数、薄膜的厚度以及薄膜的性能也就具有一定程度的不稳定性和盲目性,这一切都限制了光学薄膜质量的提高。就光学薄膜本身来说,除了光学性能需要提高,吸收、散射等光损耗需要减少之外,它的机械强度、化学稳定性和物理性质都需要进一步改进。在激光系统中,光学薄膜的抗激光强度较低,这是光学薄膜研究中最重要的问题之一。下面介绍几种常用的光学薄膜元件。

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、平面镜等光学表面的反射光,从而增加这些元件的透光量,减少或消除系统的杂散光。

最简单的增透膜是单层膜,它是镀在光学零件光学表面上的一层折射率较低的薄膜。当薄膜的折射率低于基体材料的折射率时,两个界面的反射系数r1和r2具有 相同的

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光学薄膜位相变化。如果膜层的光学厚度是某一波长的四分之一,相邻两束光的光程差恰好为π,即振动方向相反,叠加的结果使光学表面对该波长的反射光减少。适当选择膜层的折射率,使得r1和r2相等,这时光学表面的反射光可以完全消除。

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。图1的a、b、c分别绘出Kg玻璃表面的单层、双层和三层增透膜的剩余反射曲线。

光学薄膜

减反射膜是应用最广、产量最大的一种光学薄膜,因此,它至今仍是光学薄膜技术中重要的研究课题,研究的重点是寻找新材料,设计新膜系,改进淀积工艺,使之用最少的层数,最简单、最稳定的工艺,获得尽可能高的成品率,达到最理想的效果。对激光薄膜来说,减反射膜是激光损伤的薄弱环节,如何提高它的破坏强度,也是人们最关心的问题之一。

反射膜

它的功能是增加光学表面的反射率。反射膜一般可分为两大类,一类是金属反射膜,一类是全电介质反射膜。此外,还有把两者结合起来的金属电介质反射膜。

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光学薄膜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,进入金属内部的光振幅迅速衰减,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,光学性质较稳定的那些金属作为金属膜材料。在紫外区常用的金属薄膜材料是铝,在可见光区常用铝和银,在红外区常用金、银和铜,此外,铬和铂也常用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;缺点是光损耗大,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,金属电介质反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。

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光学薄膜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。最简单的多层反射膜是由高、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之一。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。图2给出这种反射膜的反射率随着层数而变化的情形。

原则上说,全电介质反射膜的反射率可以无限接近于1,但是薄膜的散射、吸收损耗限制了薄膜反射率的提高。迄今为止,优质激光反射膜的反射率虽然已超过99.9%,但有一些工作还要求它的反射率继续提高。应用于强激光系统的反射膜,则更强调它的抗激光强度,围绕提高这类薄膜的抗激光强度所开展的工作,使这类薄膜的研究更加深入。

干涉滤光片

是种类最多、结构复杂的一类光学薄膜。它的主要功能是分割光谱带。最常见的干涉滤光片是截止滤光片和带通滤光片。截止滤光片可以把所考虑的光谱区分成两部分,一部分不允许光通过(称为截止区),另一部分要求光充分通过(称为带通区)。按照通带在光谱区的位置又可分为长波通和短波通二种,它们最简单的结构分别为,这里H、L分别表示厚的高、低折射率层,m为周期数。具有以上结构的膜系称为对称周期膜系。如果所考虑的光谱区很宽或通带透过率的波纹要求很高,膜系结构会更加复杂。

带通滤光片只允许光谱带中的一段通过,而其他部分全部被滤掉,按照它们结构的不同可分为法布里-珀罗型滤光片、多腔滤光片和诱增透滤光片。法布里-珀罗型滤光片

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光学薄膜的结构与法-珀标准具(见法布里-珀罗干涉仪)相同,因为由它获得的透过光谱带都比较窄,所以又叫窄带干涉滤光片。这种滤光片的透过率对薄膜的损耗非常敏感,所以制备透过率很高、半宽度又很窄的滤光片是很困难的。多腔滤光片又叫矩形滤光片,它可以做窄带带通滤光片,又可以做宽带带通滤光片,制备波区较宽,透过率高,波纹小的多腔滤光片同样是困难的。

诱增透滤光片是在金属膜两边匹配以适当的电介质膜系,以增加势透过率,减少反射,使通带透过率增加的一类滤光片。虽然它的通带性能不如全电介质法-珀滤光片,却有着很宽的截止特性,所以还是有很大的应用价值。特别在紫外区,一般电介质材料吸收都比较大的情况下,它的优越性就更明显了。图3的a、b、c分别给出法布里-珀罗型滤光片、多腔滤光片和诱增透滤光片的典型曲线。

分光膜

根据一定的要求和一定的方式把光束分成两部分的薄膜。分光膜主要包括波长分光膜、光强分光膜和偏振分光膜等几类。

波长分光膜又叫双色分光膜,顾名思义它是按波长区域把光束分成两部分的薄膜。这种膜可以是一种截止滤光片或带通滤光片,所不同的是,波长分光膜不仅要考虑透过光而且要考虑反射光,二者都要求有一定形状的光谱曲线。波长分光膜通常在一定入射角下使用,在这种情况下,由于偏振的影响,光谱曲线会发生畸变,为了克服这种影响,必须考虑薄膜的消偏振问题。

光强分光膜是按照一定的光强比把光束分成两部分的薄膜,这种薄

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光学薄膜膜有时仅考虑某一波长,叫做单色分光膜;有时需要考虑一个光谱区域叫做宽带分光膜;用于可见光的宽带分光膜,又叫做中性分光膜。这种膜也常在斜入射下应用,由于偏振的影响,二束光的偏振状态可以相差很多,在有些工作中,可以不考虑这种差别,但在另一些工作中(例如某些干涉仪),则要求两束光都是消偏振的,这就需要设计和制备消偏振膜。

偏振分光膜是利用光斜入射时薄膜的偏振效应制成的。偏振分光膜可以分成棱镜型和平板型两种。棱镜型偏振膜利用布儒斯特角入射时界面的偏振效应(见光在分界面上的折射和反射)。当光束总是以布儒斯特角入射到两种材料界面时,则不论薄膜层数有多少,其水平方向振动的反射光总为零,而垂直分量振动的光则随薄膜层数的增加而增加,只要层数足够多,就可以实现透过光束基本是平行方向振动的光,而反射光束基本上是垂直方向振动的光,从而达到偏振分光的目的,由于由空气入射不可能达到两种薄膜材料界面上的布儒斯特角,所以薄膜必须镀在棱镜上,这时入射介质不是空气而是玻璃。平板型偏振膜主要是利用在斜入射时由电介质反射膜两个偏振分量的反射带带宽的不同而制成的。一般高反射膜,随着入射角的增大,垂直分量的反射带宽逐渐增大,而平行分量的带宽逐渐减少。选择垂直分量的高反射区、平行分量的高透过区为工作区则可构成透过平行分量反射垂直分量的偏振膜,这种偏振膜的入射角一般选择在基体的布儒斯特角附近。棱镜型偏振膜工作的波长范围比较宽,偏振度也可以做得比较高,但它制备较麻烦,不易做得大,抗激光强度也比较低。平板型偏振片工作的波长区域比较窄,但它可以做得很大,抗激光强度也比较高,所以经常用在强激光系统中。

图4和图5分别给出中性光强分光膜和平板型偏振分光膜的反射光谱曲线。

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光学功能薄膜是指具有特定光学等物理机械特性,并适用于专业用途的柔性高分子薄膜时料。这里叙述的光学功能性薄膜,主要是指应用于平板显示(flatpanel display,FPD)器件。即包括液晶显示(liquid crystal display,LCD) ,等离子显示(pla***adisplay panel,PDP) ,触摸屏(touch screen) ,电子书等电子信息显示器件中所必须应用的光学高分子薄漠。

目前平板显示产业中,液晶显示器件占主导地位。液晶是一种介于固相和液相之间中间相的***化合物,它既有液体又有晶体的特性。液晶显示就是利用其在电场作用下产生分子重新排列而发生光学特性变化的特性,配合使用光学功能薄膜,将这种光学变化转变成图像显示。根据工作原理,液晶显示可分为扭曲向列型(TN)、超扭曲向列型(STN)、彩色超扭曲向列型(CSTN)和薄膜晶体管型(TFT) 四种类型,其中TN、STN只能实现黑白显白显示,CSTN和TFT类液晶显示(TFT-LCD)能实现彩色显示。由于在可视角度及响应速度速度方面的优点,目前TFT-LCD 已成为彩色液晶显示中的主流技术。

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一台彩色液晶电视,在其彩色显示面板中,通常必须应用2 片偏光片膜,3~4 片三醋酸纤维系保护膜,1~2 片光学补偿膜,1 片具有防反射及抗划伤的表层保护膜,以及背光源组合中的增亮膜、扩散膜、反射膜等特定功能的光学薄膜。尽管各类品牌液晶彩电的结构和尺寸大小有所差异,但大体上来说,这些光学功能性薄膜约占液晶面板材料总成本的30%左右。等离子显示由真空气体放电激发紫外线照射到红、绿、蓝荧光体,呈现色彩,所以不需要液晶面板中那么多的光学功能膜。但是必须使用电磁波屏蔽膜和红外线阻断膜。由此可见,光学功能性薄膜对平板显示器产业的重要性。

根据日本专业市场调查公司FusiChimera Research Institute Inc 对涉及平板显示、半导体及组装、电池、电气、汽车、建材、阻隔性包装材料、包装材料及其他6个领域57种功能性高分子薄膜(其中50种已有市场规模,另7种系今后具有市场规模) 所做的市场调查。其2010年全球市场总规模达到2兆5952 亿日元。其中涉及平板显示领域14 种光学功能性高分子膜2010年的市场规模为1兆7543亿日元,占全部功能性高分子薄膜市场总额的67.6%。

论超薄柔性玻璃的重要性,个性化的AR眼镜全靠它!

近年来人们谈论多的智能手机新技术有哪些?除了5G、一体屏,当然要数折叠屏了!4G向5G过渡将大大提升手机的性能,而折叠屏的出现将颠覆传统长方形手机的形态,通过折叠的方式让大屏幕也变得便于携带。

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  三星InfinityFlex Display折叠屏

  关于市场现状

  中兴在2017年曾发布Axon M,通过铰链的方式将两块屏幕相连,这算是手机厂商对折叠屏技术的早期尝试。

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  中兴Axon M

  今年11月,三星曾在SDC2018创造者大会上展示了InfinityFlex Display可折叠显示屏面板,据传三星会在未来几个月批量生产名为Galaxy F或Galaxy X的折叠手机,它将采用该柔性屏。

  除了三星,华为、LG也都曾宣布在2019年推出折叠屏手机的计划。谷歌在2017年曾注资8.8亿美元给LG,确保LG为谷歌提供柔性OLED屏幕,用在下一代Pixel手机中。

  OLED是常见的柔性屏材料,今年8月青亭网曾报道过柔宇科技研发的这款仅0.01毫米薄的柔性屏就采用了这种材料。

  但要想做这款折叠手机需要的可不只是柔性屏幕,保护玻璃也是必须的。智能手机普遍采用的玻璃面板没办法折叠,因此手机厂家和配件供应商想出了各种办法。

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  关于柔性面板

  今年10月,柔宇科技推出FlexPai柔派消费者版折叠手机(现已公开第二批次预定,原价8999元,定金1000),该手机支持0到180度的向外弯折,保护面板是软塑料材质。虽然该手机主打防碎屏、可经受20万次弯折,但塑料毕竟在耐久性和硬度方面达不到玻璃的水平。柔宇科技在官网上也建议用户在不使用手机时将其放进收纳袋,避免被硬物划伤。

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  通常人们印象中,玻璃都是一锤子下去就会开一个大洞的那种(诺基亚砸核桃机我们先不管),但康宁通过降低材料厚度,改善材料性质,让玻璃也具备了柔软可形变的特性。只有100微米的厚度所带来的柔软性不仅代表了各位再也不用担心手机摔在地上以后看见屏幕变成一片蜘蛛网,还能让手机的外形拥有更多可能性。

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  康宁表示,有了Willow Glass,手机屏幕基地就不再是死板一块了,你可以把它卷起来、也可以把它叠成一团——就好像印刷报纸一样。而且,就算这种玻璃已经像纸那么厚,它还是保持着康宁玻璃独有的坚固,不过估计是没法达到大猩猩那种怪物级别了。这种玻璃会首先用在智能手机上,不过康宁已经在开发其他用途,例如太阳能电池板以及照明。

  柔宇科技的FlexPai

  另外,三星InfinityFlex的保护层也不是玻璃材质,而是该公司发明的一种柔性复合聚合物。不过三星在今年11月的创造者大会曾暗示,其折叠屏手机将采用塑料和玻璃保护层混合的设计(外媒报道折叠部分采用塑料材质,依然不够耐磨)。

  近期,特殊玻璃和陶瓷材料大厂康宁对此问题也给出了解答,他们利用自己在玻璃材料的丰富知识,研发出一种比头发丝还要薄(约0.1mm)的柔性玻璃。据悉,这款柔性玻璃比该公司在2012年推出的Willow可弯曲玻璃更加柔韧,几乎可以半径5mm对折。

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 康宁的0.1mm新型柔性玻璃

  玻璃是我们日常生活中经常接触和使用的物品,从玻璃杯这类生活用品到玻璃幕墙一类的建筑装饰材料,玻璃为世界文明的发展做出了非常大的贡献。例如我们常常听说的柔性屏还要玻璃,常用于制造柔性屏还要玻璃,性能出众。接下来我们将简单介绍艺术镶嵌玻璃是什么,说明柔性屏幕是什么材料做的。

  一、艺术镶嵌玻璃是什么

  镶嵌玻璃是由许多经过精致加工的小片异型玻璃,用晶亮的金属条镶嵌成一幅美丽的图案,两面用钢化玻璃或浮法玻璃以中空的形式将图案封在两层玻璃中,构成一完整的玻璃构件,用以装潢建筑物门、窗、屏风等.既美化居室,又能起到中空玻璃的隔音隔热效果

  彩色玻璃纯手工制作由金属镶嵌而成俗称"彩色镶嵌玻璃",是源于欧洲中世纪的一项古老的艺术.利用镶嵌工艺将各种不同颜色、肌理的彩色玻璃和不同材质的金属条纯手工镶嵌在一起,组成各种不同风格的图案,与外两层钢化玻璃(中空)结合在一起,中空玻璃取代了传统的单层玻璃.既起到美化居室、环境;又有隔音、保温的作用,是古老艺术和现代化技术的无缺结合.

  装饰玻璃在用途上将日益广泛.镶嵌玻璃多限于家居及公共场所的门窗、天花板、屏风、隔断、彩色玻璃、灯具墙等,且多用于室内装饰.现代建筑有别于歌特式的尖顶拱型建筑,墙多为平面,这为彩色玻璃墙提供了广泛的施展空间,图案设计可以让人们表现个性.在西方,现代彩色镶嵌玻璃墙的风格多为抽象派或表现派.类似于教堂彩色玻璃,彩色镶嵌玻璃墙可以让人们用颜色,图案表达自己的思想与愿望.同时它还将美化都市.使人们看到的不仅仅是一座座玻璃大厦,而是一幅幅玻璃画.

  二、柔性屏幕是什么材料做的

  1、柔性屏幕,称为OLED.相较于传统屏幕,柔性屏幕优势明显,不仅在体积上更加轻薄,功耗上也低于原有器件,有助于提升设备的续航能力,同时基于其可弯曲、柔韧性佳的特性,其耐用程度也大大高于以往屏幕,降低设备意外损伤的概率.

  2、柔性屏幕的成功量产不仅重大利好于新一代高等智能手机的制造,也因其低功耗、可弯曲的特性对可穿戴式设备的应用带来深远的影响,未来柔性屏幕将随着个人智能终端的不断渗透而广泛应用.柔性屏手机是指采用可弯曲、柔韧性佳屏幕的手机,因为形似芒卷,又被称为卷芒手机.

 相关概念

  镶嵌

  镶嵌:将一个物体嵌入另一个物体中,使二者固定;镶是指把物体嵌入,嵌是指把小物体卡紧在大物体的空隙里。镶嵌多用于工艺制作术语,也称屏雕。又指工艺方法,如机械镶嵌法和树脂镶嵌法等。

 玻璃

  玻璃是非晶无机非金属材料,一般是用多种无机矿物(如石英砂、硼砂、硼酸、重晶石、碳酸钡、石灰石、长石、纯碱等)为主要原料,另外加入少量辅助原料制成的。它的主要成分为二氧化硅和其他氧化物。普通玻璃的化学组成是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2或Na2O·CaO·6SiO2等,主要成分是硅酸盐复盐,是一种无规则结构的非晶态固体。广泛应用于建筑物,用来隔风透光,属于混合物。另有混入了某些金属的氧化物或者盐类而显现出颜色的有色玻璃,和通过物理或者化学的方法制得的钢化玻璃等。有时把一些透明的塑料(如聚甲基丙烯酸甲酯)也称作农业生产体系玻璃。

彩色玻璃

  彩色玻璃,在玻璃溶液中加入混合颜料或将颜料烘焙在玻璃表面,即可制成彩色玻璃。彩色玻璃窗户不仅可以让光线射入教堂,同时也提供了装饰并且可用于讲述圣经故事。

  接触过康宁这款柔性玻璃的体验者称,它的轻薄程度与塑料十分接近。不过在相似的厚度,玻璃当然比塑料更防划、抗摔,光学效果和触觉更好、更适合用来保护手机。

  康宁公司在玻璃制造领域有着160多年经验,他们出名的是世界上大多数手机屏幕使用的大猩猩玻璃。另外,爱迪生发明的白炽灯玻璃外壳也来自于他们。

  据悉,该柔性玻璃技术还在研发阶段,如果这家大厂能率先制作出可为折叠屏手机供应的玻璃面板,想必下一代手机也少不了它的身影。

  不过康宁的副总裁John Bayne认为,折叠屏还是一项新技术,我们还在摸索它的应用场景与合适的形态,在这些渐渐落地时,就不得不需要一项全新的玻璃保护层技术。

关于潜在应用

  据青亭网了解,康宁正在研发这款围绕在汽车驾驶座周围的曲面仪表板以及可模拟木质等汽车内饰材料的纹理玻璃面板。

  使用“dead front”(功能隐藏)技术,康宁可让纹理玻璃只有在启动背光的情况下才显示功能按钮,不使用的时候按钮可自然融入仪表板中。

  有了这项技术,汽车玻璃窗也有可能变成背光触摸屏。这不禁让人联想到今年8月曝光的一项苹果专利,也是描述了一项将自动驾驶汽车挡风玻璃变成AR屏显的技术。

  前不久,苹果的“泰坦”自动驾驶汽车项目浮出水面,他们曾为此申请过多项专利,包括能识别司机意图的无人驾驶汽车导航系统、可实时操控多个无人驾驶汽车重要功能的神经网络、激光雷达检验系统和实时抬头显示技术、基于机器学习系统的智能前照灯系统和与之搭配的导航平视显示器,甚至汽车顶棚和车身的专利等等。

  考虑到苹果与康宁的长期合作关系,后者的曲面玻璃技术如果应用在前者的自动驾驶汽车设计中可能性还是很高的。

  为了提高车内玻璃的能见度,康宁也在研发一项抗反光涂层技术,据说它或许能够减少手指印记、大幅提升防眩光效果。值得一提的是,苹果也曾申请过一项用于交通工具的防眩光系统专利。

  此外,康宁与汽车厂商也在合作研发这款用于挡风玻璃外部的耐用玻璃膜,旨在抵抗小石子和雹子带来的伤害。

  福特、宝马和保时捷等汽车大厂已经在新款车型中使用康宁的玻璃技术,在接下来18个月里,还将有更多汽车使用该公司的技术。

  康宁高等副总裁Jeff Evenson表示,除了手机和汽车,柔性玻璃在其他新兴科技中也会继续扮演重要角色,这项技术还有很大应用潜力。

  如果应用在在AR智能眼镜中,或许可实现科幻电影中包裹人眼视场角的设计。或者,使用可折叠的材料,未来的智能眼镜也许还能卷起来放进口袋里。

  苹果在2017年曾为康宁投入资金2亿美金,传这笔资金将被用于研发AR眼镜,而康宁在2017年底发布的概念视频中,似乎也透露了苹果的智能眼镜将采用康宁柔性玻璃。这个猜测会不会成真,康宁和苹果又会如何将柔性玻璃与新型科技结合,或许要等2020年再看看了。

新知达人, 光学薄膜是什么?应用层面有哪些

 总结:

  柔性玻璃[1]—Willow Glass薄如名片,只有0.1mm厚,外面有一层层压塑料,人们可以轻松将玻璃压弯。由于Willow Glass还处于初步发展阶段,如果没有这一层层压塑料,Willow Glass没那么容易弯曲。

引入超薄薄膜,载诚科技超导电极材料获得突破

6月25日,北京载诚科技科技有限公司(以下简称:zenith nano载诚科技)联合创始人、美国密西根大学L.Jay Guo郭凌杰教授团队在《Science》学士期刊上发表了《Tackling light trapping in organic light-emitting diodes by complete elimination of waveguide modes》(通过完全消除波导模式解决有机发光二极管中的光捕获问题)。这项工作是在zenith nano载诚科技的支持下,在密歇根大学卢里纳米制造设施上进行的。

这是zenith nano载诚科技超导电极材料在OLED领域取得的又一次重大成绩: 利用zenith nano载诚科技的核心超材料极大程度地提高了OLED的发光效率,为OLED显示领域的发展创造提供了创新的解决方案。

用于有机发光二极管 (OLED) 的传统波导模式去耦方法通常不可伸缩并增加制造复杂性和成本。无氧化铟锡透明阳极技术在不影响其他器件性能的情况下提高了效率。然而,以往的工作缺乏严谨的分析。

新知达人, 光学薄膜是什么?应用层面有哪些

Chang yeong Jeong ,电子与计算机工程博士研究生,在 Jay Guo 教授的实验室里处理基于超薄薄膜的超薄 OLED 。(图:罗伯特·库利乌斯/密歇根工程师)

研究团队通过将一种超薄薄膜作为透明电极,并对OLED进行了系统的模态分析,指出通过设计一种低于波导模式截止厚度的OLED结构,可以完全消除波导模式。利用折射率匹配液和棱镜对有机光波导中的波导模进行了实验验证。均匀的铜籽银薄膜所具有的负介电常数、极薄的厚度(~5纳米)和高导电性可以抑制波导模式的形成,提高外部量子效率,而不会损害OLED的任何其他特性。

研究团队系统地研究了基于超薄薄膜的 OLED 的光功率分布,并在这份文章中表示通过优化有机堆叠和超薄 Ag 阳极,可以完全消除波导模式。据这篇文章描述,这是第一次通过详细分析和实验证明使用薄膜电极技术完全去除波导模式的系统研究。 这种简单而有效的方法与常用的制造工艺兼容,并在不影响其他器件特性的情况下增强了 OLED 的 EQE。

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光学薄膜的性能演化

光学薄膜一般可分为反射膜、增透膜/减反射膜、偏光片/偏光膜、分束膜等。如今,随着光学薄膜不断的发展,可以将光学薄膜按照其性能——调控光强度、调控光谱分布、调控偏振特性、调控色散特性等进行归纳分类。如此便可跳出原有思维模式,不是按照薄膜常规分类去选择所需薄膜类型,而是从其所需应用的角度去选择不同性能的光学薄膜,以一个全新的视角重新认识光学薄膜,重新认识光学薄膜带来的应用问题。

除了具有光学性能外,如今光学薄膜越来越能够集合多种功能需求,如图5。超低损耗薄膜为薄膜领域的一个极限挑战,需要深入认识散射、吸收、透射机制及其控制技术,使薄膜的光学损耗<10 ppm。另外,还需要考虑薄膜热噪声的控制问题,其中涉及薄膜材料体系以及热噪声物理机制和模拟等一系列相关问题。

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图5 超低损耗光学薄膜的制作要求

未来,光学薄膜的性能演化应朝着多元化不断发展,包括光学性能、热学性能、电学性能、磁学性能和力学性能等。例如,手机面板上的薄膜就是光学、电学和力学的有机结合。

同时,还需考虑机械性能的控制,机械性能的满足是薄膜在实际中获得应用的前提,在薄膜制备中也需考虑多方面因素:高低温冲击和实验环境、薄膜的硬度、薄膜与基板的吸附力、薄膜的应力、薄膜的耐摩擦特性等。因此,光学薄膜的未来将与热、电、磁、力、机相融合,呈现多元化发展的趋势。

光学薄膜的制备

光学薄膜制作的基本过程,实际上是涵盖了优化设计、制备工艺和检测方法,再经过多次迭代,最终评价其性能的过程,如图6。光学薄膜优化设计前的基板加工阶段往往会被忽略,但是光学薄膜作为整个系统的中间链条,要使其性能得到最充分的展现,必须要注重整个制作链的控制。

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图6  光学薄膜制作过程

(1)计算方法-正问题

光学薄膜的性能计算较为简单,是由光学薄膜的结构计算其性能指标。光在两种材料交界面上的反射与折射为单界面问题;在单层薄膜上的反射与折射为双界面问题;在多层膜上的反射与折射为多界面问题。

(2)设计方法-逆问题

逆问题是由所需光学薄膜的性能指标来反向设计其结构,其中较重要的几个问题为:如何选择逆问题的评价函数、如何设置初始的条件、如何优化算法的选择。虽然随着科技和光电产业的不断发展,已经有很多优化设计的软件供我们选择设计,但是努力寻求新方法,重塑光学薄膜的设计问题仍是我们需要不断坚持追求的。

(3)制作方法

光学薄膜的制作方法有热蒸发、激光脉冲沉积、磁控溅射、离子注入、离子束溅射等,应根据不同方法得到的沉积粒子能量、沉积速率等性能参数去选择合适的光学薄膜制备方法。例如,不同的沉积速率代表了不同的生产速率,而以上几种方法中,热蒸发的沉积速率最为快速,如图7。

图7  各种物理方法的薄膜沉积速率

如果用电子束蒸发的方式制备光学薄膜,制备出的光学薄膜带孔洞且不致密,而用离子束辅助制备后则会相对致密,但这并非表示光学薄膜越致密越优质,而是需从多个角度考虑,选择不同的光学薄膜制备方法,而非片面地选择单一制备方法。

(4)测试方法

光学薄膜的测试方法有分光光度计、X射线衍射、薄膜弱吸收、散射测量、表面形貌测量等。其中最为基本的测试方法为通过分光光度计法测量其反射率和透过率;当需要更深入了解薄膜性能、对其制作进行研究时,可以采用X射线衍射检测薄膜微观结构;当用到低损耗薄膜或者是激光薄膜时,则需要对其薄膜弱吸收、激光损伤性能进行测量;当需要检测薄膜的平整度和表面轮廓时,则需要对其进行表面形貌测量。

在整个光学薄膜的制作过程中,还需注意以下3点问题:

(1) 虽然上述皆为物理沉积方法,但是光学薄膜最早的镀膜方法其实是 化学方法 ,如图8。例如近年来发展较为迅速的原子层沉积方法,其在半导体工业中有着较多的应用,比较传统的还有化学气相沉积方法、自组织生长方法等。因此,虽然大家目前制作光学薄膜普遍使用的是物理方法,也不能忽视了化学方法的可取之处,在解决制作难题时,不可一味采用现有技术和手段,要用更广阔的思维视角去看待问题,处理问题,不断创新解决问题的方法。

图8  典型薄膜的化学制作方法

(2) 光学薄膜一般在基板上制备,因此 基板 在光学薄膜制备中起到十分重要的作用,并且基板和镀膜无法分离,应该将这两方面结合起来研制光学薄膜。

(3) 在光学薄膜研制过程中, 清洗问题 往往容易被忽视,绝大多数企业为了节省成本采用手擦的清洗方式,这在常规的应用中无可厚非,而在低损耗、高损伤性能激光薄膜的特殊应用中,手擦的方法则会造成许多薄膜缺陷、导致薄膜的光学损耗和损伤。因此,应该将基板的清洗、设计、镀膜、性能表征和性能测试这整套操作系统建立起来,而非每个环节只顾好自身,按部就班。

光学薄膜产业的发展前景

(1)需求驱动的影响

追溯光学薄膜产业发展历程可以发现,一直以来,光学薄膜都是需求推动发展的。未来,我们可以从光学发展的角度出发,创造需求,设计应用,重新塑造新的光学薄膜产品,从而对光电子行业产生一些有价值的影响,不断追寻光学薄膜自身发展的原动力。

此外,如今光学薄膜的性能越来越复杂,技术难度也越来越高,导致光学薄膜工艺越来越复杂,价格越来越昂贵。因此,我们可以尝试建立新的方法,用更简单的工序做出更复杂更优质的光学薄膜,即光学薄膜最后能否立足于市场,不在于一味复杂化其性能,而在于提升其性价比。只有优质的性能却价格昂贵,就难以受市场青睐,只有立足市场需求,光学薄膜才能有未来。

(2)人工智能发展的影响

人工智能发展至今,已经上升到了国家战略,我们迎来了人工智能的大数据时代,那么人工智能对光学薄膜到底会产生哪些影响呢?

20世纪80年代,镀膜的过程基本上都是手动操作,从手工镀膜发展到机械镀膜,从机械化到自动化,再从自动化到信息化,而如今从信息化变成智能化。21世纪初是光学薄膜制作设备发展的最好时代,也是光通讯发展的黄金时代,而如今我们面临的是人工智能,是智能化的大数据时代,让人不禁思考未来光学薄膜将会如何发展,何去何从。

光学薄膜的制作相对复杂,未来我们还应考虑如何将其制作过程与人工智能高度融合。如今薄膜的优化设计、逆向拟合、虚拟制备一直在优化,但还未到达智能阶段,那么人工智能该如何落实到光学薄膜的制作工艺中去,或者说人工智能还将如何影响光学薄膜的方方面面,这是值得我们思考的一个问题。

无论光学薄膜如何发展,只有其朝着性能更优化、制作更简易、价格更低廉不断发展,光学薄膜才能更好地和人工智能相结合促进。

(3)追求卓越的影响

如今的科技发展日新月异,很多过去不可触及的梦想而今已成为现实,研究和发展光学薄膜,应该树立更长远的目标,追求更卓越的影响。首先,我们应该追求更极致化的光学薄膜性能指标,例如FWHM<0.1 mm,R>99.9999%等,如图9。其次,我们要注重光学薄膜的微型化、平板化、集成化发展,如图10。不能局限于按部就班地制作光学薄膜,而应从其发展趋势、市场潜在需求等去考虑、去创新。

图9  未来光学薄膜的发展目标

图10  未来光学薄膜的发展方向

在光学系统中,几乎所有的光学零件都需要使用光学薄膜改变其透射或反射特性。尽管光学薄膜无处不在,但许多光学系统的设计者并不熟悉在薄膜设计或使用中的一些权衡,或者不了解各种薄膜沉积技术的特点,因此,在实际设计过程中经常对光学薄膜提出过高的要求。

本文综述一些比较重要的薄膜设计及相关的薄膜沉积的因素,希望能给大家一些帮助。

光学薄膜是由高折射率和低折射率的材料层交替组成的,其工作原理是利用光的干涉来增强一个或多个波长的透射,或者优先反射,或者传输一个偏振,完成这些任务的涂层有时会包含几十层,甚至上百层,并且是由许多不同折射率的材料组成的。然而,可供薄膜设计者使用的材料并不是无限的,这就意味着实际的涂层必须使用有限的折射率来构建。此外,镀膜的沉积工艺不能完全精确地控制每层的厚度与折射率。因此,对于光学设计工程师来说,了解在各种光学薄膜的性能是必要的,譬如薄膜的性价比、透过率对系统的影响、环境适应性、抗激光损伤能力等等。下面分别对增透膜、高反射膜、分光膜及偏振膜进行简要分析。

增透膜(AR)

增透膜(AR)的性能通常由单个波长或某个波段范围的平均透过率来指定,当然也可以通过设计者所允许的最大剩余反射来衡量。对于特定的光学材料来讲,材料的吸收系数是固定的,对于一些特殊场合,可能采用所允许的最大剩余反射来衡量更合理一些。对单波长,单入射角的AR薄膜,其可以获得非常高的性能,譬如,在光学玻璃表面,在可见光波段,每个表面的剩余反射低于0.1%的情况是很普遍的。

上图为单层AR膜与多层AR膜的比较,可以看到,随着膜层层数的增加,表面的剩余反射减小(透过率增大),但光谱宽度范围也在减小。随着光谱带宽或者入射角的增加,AR膜的高性能越来越难维持。所以,作为光学设计者必须清楚,在整个光谱范围或者入射角度范围,指定的性能是峰值的透过率(剩余反射率)还是平均的透过率(剩余反射率),否则可能出现失之毫厘,谬以千里的情况。

对于非零度角,特别是30°以上的AR膜来说,入射光的偏振状态对涂层的设计与性能有明显的影响,确定入射光的偏振状态至关重要。在所有非零入射角的情况下,S极化比P极化在介质表面的反射率高,因此,如果系统中存在倾斜组件并要求透过率比较高时,光学设计师应采用相应的光学结构,使该光学组件遇到P偏振光。

随着入射角的增大,AR膜的性能向更短的波长移动,如,一种设计在正常入射时产生最小反射率的AR涂层,在入射角45°时在更短波长上提供最小的反射率。在一个半径较小的透镜上,中心的入射角为0°,而边缘的入射角可能为70°,光学系统即使使用单一波长,AR膜也必须在宽光谱范围中具有高的性能,即使随着入射角的增加,膜层响应发生偏移的情况下,其仍能在标称波长上表现良好。实际上,对于半径较小的光学表面可能需要特殊的手段或工具来保持性能的一致性。因此,在薄膜的复杂性、成本及性能之间需要一些权衡。

多波段AR膜在军用光学系统中非常的常见的。与实现整个宽波段的高透过率而言,实现几个特定波长高透过率就变得相对容易,成本也会降低。另外,设计中可以分析系统对每个波段的具体要求,指定一个波长的相对高性能,放松其他波段的要求,也能起到事半功倍的效果。

由于能够同时在可见光与红外传输的材料数量有限,设计与镀制同时在可见与红外波段同时工作的AR膜极具挑战性。

高反膜

高反膜可以通过三种途径实现,金属膜、金属/介质膜、介质膜。金属膜的优点是在很宽的光谱范围内均具有良好的性能,如,铝反射膜在400nm到10μm范围内的反射率均大于85%,金反射膜在2μm到远红外的反射率均大于99%。所有的介质膜几乎不可能达到这样的水平。此外,金属反射膜在S极化与P极化之间的反射率差异通常比介质膜小得多。

然而,金属反射膜的峰值反射率要小于介质膜的峰值反射率,即使在红外波段具有99.5%反射率的金反射膜,也无法与介质膜相比,介质膜可以在单一波长上提供99.99%甚至更高的反射率。金属薄膜的少量吸收限制了其峰值反射率,这造成了金属膜的一个重要使用限制,激光损伤能力不及介质膜。

典型的窄带高反膜(中心波长1000nm)

金属膜的物理耐久性(耐磨性、湿热、盐暴露性)也不如介质膜。如银反射率,为了防止其氧化,必须再其表面覆盖另一种材料,这也会降低其反射率。

对于所有介质膜的高反射元件,当指定极高(>99.995%)反射率是,元件的表面质量必须考虑,因为表面散射成为限制性能的主要因素,光学表面的粗糙度必须指定,超光滑表面也需要使用专门的抛光与测试技术,相应的成本也会上升。

分光膜

分光膜的性能在很大程度上依赖分光元件的结构,分光元件的结构一般有两种,立方体型或者平板型。对于非偏振光来说,立方体的结构是优选的,这种结构在本质上比平板型岁输入偏振不敏感。

相反地,偏振光分光器可以利用S偏振和P偏振在反射的内在差异来实现非常高的性能。平板偏振器总是配置为通过P偏正而反射S偏振,通常在布鲁斯特角(P偏振反射系数降至为0)时工作的最好,对于可见光波长和光学玻璃基片,这个角度大于为56°。

立方体偏振光分束器的传输透过率

极化涂层最大限度地增加了反射率的差异,S和P极化实现高的消光比

对于平板型或者立方体型的偏振光分束器,透射光束中消除S偏振光要比使P偏振光远离反射光束容易的多,也就是说,对于可见光而言,传输消光比10000:1是可以实现的,而大于100:1的反射消光比是很困难的,在系统设计过程中应牢记这些性能特征。

在光束分光器中,有几个因素会导致膜层的复杂性。例如,随着入射角的增加,S偏振和P偏振反射率的差异越来越大,这就使得提供对这两种偏振态都具有相同性能的反射镜变得很困难。所以,在这种情况下只处理单一极化是有利的。如果非偏振光不可避免,则最好设计一个分束器在较小的入射角工作的光学系统,尽量减少分束的影响。光谱范围(光谱带宽)也是一个重要因素,最左偏振不敏感的膜层,其光谱范围超过中心波长的±10%(例如550nm±50nm)是个巨大的挑战。

同样重要的是分束器的公差是如何指定的。譬如,必须在45°±5°入射范围内保持其标称性能的分束器与必须在相同的范围内达到标称性能的分束器,这两者之间是有很大区别的。在第一种情况下,分束器性能必须满足所有角度超过40°到50°的入射角范围;第二种情况下,分束器性能只在40°到50°的范围内满足,用户将分束器组件放入他们的系统并对其进行倾斜调整,已达到所需的性能。第一种情况下的分束器的要求要比第二种情况下的苛刻的多。

立方体分束器是棱镜通过粘接胶合而成的,这可能会引入波前误差,从而影响性能,另外,在胶粘剂中的吸收会导致散射,显著降低激光损伤的阈值。(目前一些厂家利用激活共价键技术(ACB)来避免胶粘剂的影响)

军用膜层的需求

军用需求所需的特定功能经常对膜层提出严峻的挑战。如,某些光电系统通常都工作在多光谱波段,这些波段涵盖可见光(400nm~600nm)、人眼安全激光(1.54μm)以及中波红外(3μm~5μm)等等,这些膜层也经常指定在较大入射角度范围内发挥作用,并且具有偏振不敏感性。

为了使系统的尺寸和重量最小化,特别是在便携式和机载系统中,光学工程师可能会压缩光学组件的直径,从而导致激光束功率密度的增加,因此,激光损伤阈值也是需要关注的问题之一。

为了实现先进的功能,光学薄膜或许需要引入更多的层,这也会导致相对厚的薄膜,可能会表现出较高的机械应力。为了减轻重量,系统中可能存在厚径比比较小的零件,膜层应力会使这些零件变形,从而增加整个系统的波前畸变。

军用系统必须要承受温度、温度的大波动,以及盐雾、烟雾及空气中其他污染物的侵蚀。有些膜层会吸水,再加上温度的变化,膜层的性能可能会发生改变。由此可见,膜层的性能稳定性和耐用性也是需要考虑的因素。

光学薄膜沉积方案

镀制光学薄膜的沉积技术很很多种,不同的镀制工艺会对膜层的稳定性、耐久性、激光损伤阈值、内应力等方面的影响也不同。光学工程师应对这些沉积技术的特点、优点和局限性有个基本的了解。下表比较了最常用的镀膜方法,即热蒸发、离子辅助沉积(IAD)和离子束溅射(IBS)。

*精确控制沉积层的能力,可以可靠地满足膜层的性能指标

热蒸发法(利用电阻加热或电子束加热)是迄今为止应用最广泛的方法,其优势为该法工作范围广(从紫外到远红外),成本低。该法的最大缺点是产生多孔膜层,容易吸收水分,从而改变膜层的有效折射率,使其在暴露于环境温度和湿度变化时难以保持所需的膜层性能。此外,多孔膜层容易含有导致表面质量下降的缺陷,热蒸发膜层在所有沉积技术中的机械耐久性最差。

离子辅助沉积(IAD)是热蒸发沉积的一种升级,它使用带电离子在压缩每一层的沉积,IAD提供了更致密的光学薄膜。IAD沉积技术实现了耐久性与性能之间的最佳平衡,尤其在3μm~5μm中波红外波段范围内。

在离子溅射沉积(IBS)中,一束高能离子对准一个目标(一般由金属或氧化物组成),目标的原子或分子高能溅射,这些粒子随后从源流出,然后沉积在基底上。IBS产生完全致密的光学薄膜,避免了薄膜的吸水,在环境变化时也非常的稳定;IBS沉积的材料具有可再生的折射率特性,加上精确控制膜层的厚度,膜层精度非常高,能够始终如一地将实际的膜层与设计的期望完美匹配,这在生产多光谱膜层以及满足宽角度范围和特定偏振特性的膜层方面意义重大。

与蒸发沉积相比,IBS使用的材料范围有限,在可见光与近红外波段不是什么问题。由于ZnS和氟化物材料不能与IBS兼容,在3μm~5μm范围内就成了问题。

所有致密的光学薄膜都存在一个潜在的问题,它们可能包含对波前畸变产生负面影响的应力。目前,一些薄膜提供厂家已经开发了一些方法来控制这样的潜在问题。 譬如,采用膜层后退火工艺降低内应力; 预先计算,有目的地制造一个表面误差,然后有膜层引起的应力进行修正。

了解光学薄膜的设计与膜层沉积技术的基础知识可以帮助光学工程师更好地、更经济地对光学膜层提出合理的要求,以满足系统的性能指标。

现今市面上的光学膜产品种类繁多,功能不尽相同,依材料可简单区分为同向性的高分子膜(Isotropic Polymer Film)以及异向性液晶膜(Anisotropic Liquid Crystal Film)两大类,本文将聚焦于异向性液晶膜或液晶聚合物薄膜的原物料——UV反应性液晶材料作简单介绍。

UV反应性液晶材料

众所周知,液晶即液态晶体(Liquid Crystal),不过亦有人因为液晶是介于液态与固态间而称为Mesogen,因此,默克公司将所反应性液晶命名为Reactive Mesogen。

简单地说,相比于普通的光电液晶分子,在分子结构上,反应性液晶除了具有液晶核心以外(Core Group),末端还带有一个或多个可反应官能基(Reactive Groups),可经光聚合成高分子网络(Polymer Network),即液晶聚合物(Liquid Crystal Polymer)。由于所使用的聚合起始剂多为UV感光型(波长为254~365nm),故称为UV反应性液晶。

液晶聚合物光学膜的优点

传统光学膜多以高分子经单轴或双轴延伸而成,原本分子轴呈杂乱排列的同向性(Isotropic)会随着延伸方向而偏转至异向性(Anisotropic),从而使不同方向的入射光的行进速度产生差异,即相位延迟现象(Retardation, R),可用来调整或补偿光的相位。

一般相位延迟量可由薄膜的双轴折射率的差异(Birefringence,△n)与薄膜的厚度(d)乘积计算,即R=△nd。而无论是棒状(Rod-like)或碟状(Discotic )的液晶分子,虽然整体异向性仍取决于排列规则,但基本上液晶的双折射率约在0.1,双折射率是传统高分子延伸膜十倍甚至百倍,因此所制作出的光学膜薄膜厚度可以非常小,非常适用于卷对卷(roll-to-roll)的涂布制程。

前述整体液晶的异向性与排列规则性相关,不过由于液晶的自组装性(self-assembly),因此在特定条件下,即可得全面性单一的规则性,即所谓单畴区(monodomain)。

如果小分子液晶利用不同表面处理与材料设计,可得到不同的轴向型态(orientation),如平躺(planar)、直立(vertical)、倾斜(tilted)或混合(hybrid),如图一所示,非常合适各种各类光学膜的需求设计。

图一 不同的轴向型态示意图,上为棒状液晶,下图为碟状液晶

因此,利用反应性液晶制作光学膜具有大面积、单畴区、且有配向型态(aligned morphology)的优势,这是传统高分子光学膜所无法相较之处。

液晶聚合物光学膜的在显示领域的应用

液晶具有多种轴向排列可从事需求多变化的光学膜制作,目前包括广视角膜、增亮膜、偏光膜等显示器用光学膜。以下介绍各种光学膜与反应性液晶的关联性。

广视角膜

针对TFT-LCD 广视角特性所开发的光学补偿膜材料大致分为可延伸型高分子型如PC、PS,反应性液晶类-碟状液晶、棒状液晶,以及最近被使用可旋转涂布高分子型如PI等。以补偿功能而言,可依之光学轴方向分为单轴、双轴。单轴系指补偿膜在xyz方向上的折射率nx, ny, nz具有nx= ny¹ nz的关系;而双轴则是指具有nx¹ ny¹ nz的关系的补偿膜。

简单的说,广视角膜就是相位补偿膜,补偿原理为「截长补短」。根据液晶显示器驱动分子受限于边界条件影响所产生漏光现象,可归类3种简单对应之单轴结构补偿膜:A-plate、O-plate、C-plate。

根据相位补偿膜的光轴区分,光轴平行于薄膜表面称为A-plate,垂直表面称为C-plate,与表面成一倾角称O-plate。以棒状液晶为例:A-plate可通过水平配向制得,用来补偿液晶盒中直立的液晶分子;O-plate的制作常用方法采则较大预倾角之配向膜或斜向蒸镀,主要补偿液晶盒驱动过程中的反向倾斜液晶分子;C-plate为分子直立的光学膜,一般用垂直配向可得,用来补偿液晶盒中水平排列的液晶分子。

而若采用负型液晶类别的反应性碟状(discotic)液晶,由于其C轴(光学对称轴)的折射率(off-axis, nz) 大于平面折射率(on-axis, nx、ny)。因此这种分子平躺则为负C-plate,直立时为负A-plate。

不过由于单轴分子(uniaxial)无法完全满足平面需求特性,双轴(biaxial)补偿膜的研究需求同样与日俱增。

所谓双轴之补偿膜则是指光轴具有空间连续变化指向的补偿膜:光轴在同一平面变化为倾斜变化(Tilt);另一种常见的为扭转变化(Twist),即最下层与最上层之光轴相互垂直之连续变化的光轴。

例如分子设计为扇形开展(splay)或一端水平一端垂直的混合型(hybrid);例如1996年Fujifilm公司Mori博士所设计的hybrid碟状液晶的广视角膜,其圆盘状结构与补偿配置如图二。

图二 Fujifilm-WV 补偿配置与圆盘状结构

增亮膜

接下来介绍的增亮膜是一种具有光回收机制的反应性胆固醇液晶(cholesteric)增亮膜(cholesteric reflective polarizer, CRP)。

胆固醇液晶是一种有天生螺旋结构(naturally helical structure),其螺旋结构并不会因为光聚合而破坏;当入射光进入时,有一半的入射光(圆偏光)会顺着螺旋结构进入,而另一半则因逆旋而被反射,这就是所谓的(圆)偏光选择性,因此,有时也被当作偏光转换膜(polarization conversion film)使用(图三)。

图三 胆固醇液晶螺旋结构与反应机制

应用胆固醇液晶作为增亮膜的原理见图四,背光源发射的光经过胆固醇增亮膜(例如左旋胆固醇液晶)时,右旋偏振光会直接穿过,而左旋圆偏振会被反射。而被反射的这部分左旋圆偏振光会被背光模组中的反射背板重新反射,继而变成右旋圆偏振光穿过胆固醇增亮膜,达到增亮的效果。

图四 增亮膜应用原理

相较于传统偏光片的穿透—吸收机制,CRP为穿透-反射->二次穿透机制,可有效的进行光回收,减少整体的光损失。若进一步贴合1/4波片,则偏光机制将由圆偏光转至线偏光片。

偏光膜

传统偏光膜是碘系偏光膜,其制造流程是透明PVA膜吸附碘离子经单轴延伸后,而赋与偏光机制,不过由于PVA易吸水,必须外加2层TAC膜来保护,成本与产品厚度一直是问题。

相较之下,具有异向性的反应性液晶以添加二色性染料所完成的涂布型薄膜液晶偏光膜,除制程较简单、厚度较薄特点外,更可制成in-cell 偏光片,进一步解决多层接口光学干扰,提高光学效益。

目前有棒状(rod-like)或碟状(discotic )液晶两类反应性液晶,由于两者的双折射率为一正一负,他们的吸收轴方向恰好互相垂直,一般定义前者为O型偏光片(ordinary ray, O-ray),后者为E型偏光片(extraordinary ray, E-ray)。

图五 O型偏光片(左),E型偏光片(右)

图六 外贴式偏光片(上),液晶盒内偏光片(下)

综合以上介绍,虽然现今市面上的光学膜产品种类繁多,但相信新功能的反应性液晶光学膜仍能不断被开发,借由不同的操作技巧、不同的材料、不同的表面处理、外加电场等,UV反应性液晶可变化光学几何上不同构型的光学膜对应不同的光学需求。

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