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複合薄膜光學膜擬及特性分析技術

刊登日期：2021/06/01

摘要

光學薄膜濾光片製鍍方式採用混合薄膜技術，除了具有能夠改善單一材料的物理及化學特性外，亦能得到與目標光譜相近之結果。本文介紹多層結構薄膜色度與物理參數變化模擬及鍍膜開發，設計混合薄膜Glass/Cr/AlN/Al/Air結構，主要特點為採用金屬Cr層來控制色度座標中的明亮度(L*)，介電層AlN薄膜厚度改變反射光的色彩(a*,b*)，以最外層的金屬Al薄膜用來消除穿透光，利用各層結構變化可調控青色、橘色、紫色色度。全介電質膜層堆疊結構採用AlN及SiO2薄膜材料堆疊，主要特色為膜層結構具有絕緣性，不會影響通訊頻段電磁波的傳輸性，而當入射角大於45度時會發生全反射不會有色彩的變化。

Abstract

The optical thin film filters are prepared using hybrid index films design, which not only improves the physical and chemical properties from a single material, but also achieves results similar to the target spectrum. This study presents development of simulation and coating process, aiming for designing Glass/Cr/AlN/Al/Air structure with various colors and physical parameters. The characteristic design includes the use of metallic Cr layer to control the brightness (L*) in the chromaticity coordinate, the thickness of the dielectric AlN film to alter the color of the reflected light (a*, b*), the outer metallic Al film layer to eliminate penetrating light, and structural changes in each layer to regulate cyan, orange, purple color. The all dielectric-film stack structure uses AlN and SiO2 film alternating layers. The main feature of the stacking structure is its insulation property, which will not affect the transmission of electromagnetic waves in the communication band. When the incident angle is greater than 45 degrees, it is found that the full reflection will not change color.

前言
隨科技的日新月異，人們對於電子產品的需求逐漸增加，如智慧型手機、電腦、穿戴裝置等，並越來越重視電子產品外觀之多樣性，使產品具有獨特及個性化的外觀，吸引不同的消費人群。而傳統之染料或顏料的塗佈式濾光片，其染料或顏料色彩已固定，若需設計不同色彩，必須重新調配染料或顏料組成配方，需花費一定程度的時間及原料成本。目前高品質的光學濾光片薄膜必須具有穩定之折射率、低吸收損耗、低散射損耗、高堆積密度、低殘留應力、均向性、良好的機械附著力與硬度及高化學性穩定等功能，而使用單一的薄膜材料，常無法鍍製出符合規格的之元件，若使用傳統高低折射率材料之堆疊方式，亦無法設計出符合規格的光學彩色濾光片功能，因此可精確調控多層薄膜折射率之製程及新材料開發，已是目前先進光學元件重要的研究方向，所以本文利用磁控濺鍍以金屬–介電質–金屬和全介電質材料堆疊之多層膜設計，透過改變介電質膜層之物理厚度呈現出多樣性的色彩。
本文使用Essential Macleod薄膜設計軟體進行金屬氮化物多層膜的設計及模擬，設計基於法布里裴洛原理如圖 1，反射式法布里裴洛彩色濾光片是根據多光束干涉形成之法布里裴洛型膜系，及在兩層金屬膜夾一層介電質。在此設計中利用介電質作為空間層，改變空間層厚度可使法布里裴洛架構中的共振腔寬度產生變化 [1]，而共振腔之厚度變化會影響自由頻譜間距，所以改變介電質之薄膜厚度可用來改變反射光的色相變化量。

圖 1 法布里裴洛膜系結構示意圖

反射式全介電質多層膜彩色濾光片，原理基本架構為高折射率與低折射率之介電質材料堆疊如圖2，當不同折射率之膜層交互且有週期性的堆疊時，入射光經過過不同折射率之膜層，因反射光因相位角的改變而產生干涉，並經由在不同折射率材料之間來回反射產生分佈式布拉格反射 [2]，分布式布拉格反射在大角度時會產生出全反射，此時膜堆將不會有色彩之變化如圖2。

圖2 分布式布拉格反射示意圖

由於將金屬–介電質–金屬架構之膜堆中的金屬膜以介電質之高反射膜的四分之一波堆代替如圖3，而介電膜不會吸收入射光能量，因此改變對稱膜堆的堆疊次數，可用來控制色飽和度及色域範圍，亦可改善金屬膜具有吸收所導致半高寬不夠窄之問題，而半高寬越窄有助於反射之色彩純度提高 [3]。由於此設計為全介電質膜層堆疊結構，膜層結構具有絕緣性，不會影響通訊頻段電磁波的傳輸性，因此此設計適合用於手機等通訊設備之外殼色彩裝飾。

圖3 對稱膜堆結構改變堆疊次數圖

膜層色彩由CIE色度空間所定義，是由涵蓋人眼可視範圍的可見光，落在360 nm至830 nm之範圍，並以Wright研究之「CIE1931標準色度觀察者」 [4] [5]進行配色實驗而完成CIE配色函數( )，以CIE配色函數和光譜儀所量測到之物體光譜利用下列公式計算出三色刺激值(Tristimulus Values)表示物體顏色:

(1)