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全介電質複合薄膜光學模擬及特性分析技術

刊登日期：2022/10/01

摘要：光學薄膜製鍍方式採用複合薄膜技術，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，設計複合薄膜以玻璃/(HL)PH/空氣為主結構，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，主要特色為膜層折射率可控，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度時產生全反射，不會有色彩的變化。
Abstract：Optical thin films with multilayer design is allowed to tailor its physical and chemical properties but also the spectrum to targeted chromaticity. This article introduces the development of multilayer simulation and color control, as well as thin film deposition parameters for aluminum nitride (AlN) and silicon oxide (SiO₂). The optical design mainly uses Glass/(HL)PH/Air structure, and through engineering the multilayer stack structure enables the color control toward cyan, orange and purple. The dielectric multilayer coating uses AlN and SiO₂ alternative thin film stack structure; the main feature is that the dielectric film structure is an insulator and will not affect the transmission of electromagnetic waves in the communication band. The full refection appears as the light incident angle is greater than 45 degrees and with no change in the color chromaticity.

關鍵詞：多層薄膜、色度、模擬
Keywords：Multilayer thin films, Chromaticity, Simulation

前言
高品質的光學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、均向性等特性，及良好的機械附著力與硬度及高化學性穩定等功能，若使用單一的薄膜材料，常無法鍍製出符合規格之元件，若以傳統高低折射率材料之堆疊方式，亦不容易設計出符合規格的光學功能，因此透過薄膜設計軟體，預先進行多層薄膜光學模擬，判斷光譜分布及色域範圍，是目前先進光學元件重要的研究方向，本文利用全介電質材料堆疊之複合薄膜設計，透過改變介電質膜層之物理結構，呈現出薄膜多樣性的色彩。
以介電質薄膜為高反射膜的四分之一波堆設計如圖1，基本架構為高折射率與低折射率之介電質材料堆疊，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，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[1]，分佈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。藉由介電膜不會吸收入射光能量的原理，並利用改變對稱膜堆的堆疊次數，來控制色飽和度及色域範圍如圖2，同時改善過去金屬膜具有吸收特性，導致反射光譜半高寬不夠窄之問題，而半高寬越窄，將有助於反射之色彩純度提高[2-6]。尤其全介電質膜層物理特性，膜層不會影響通訊頻段電磁波的傳輸性，因此更適合用於手機等通訊設備之外殼色彩裝飾鍍膜。

圖1 分布式布拉格反射示意圖 (nH高折射率材料膜層，nL低折射率材料膜層)
資料來源：3rd International conference Information Technology and Nanotechnology[1]
工研院機械所重製

圖2 對稱膜堆結構堆疊次數改變光學特性

本文設計兩種全介電質複合薄膜(A設計及B設計)，兩種設計皆採用氮化鋁及二氧化矽交錯堆疊成膜結構，皆以玻璃為最外層，於設計中以氮化鋁為高折射率材料(H) ，而二氧化矽為低折射率材料(L) ，進行對稱膜堆複合薄膜設計與模擬，膜堆堆疊次數為P值， A設計結構為空氣/玻璃/(HL)PH/空氣，B設計結構為空氣/玻璃/(3HL)P 3H/空氣，兩種設計膜層具介電絕緣性，當入射角大於45度時會發生全反射，不會產生色彩的變化。
混合膜層結構色彩模擬及分析
運用ESSENTIAL MACLEOD薄膜設計軟體，來進行全介電質氮化物/氧化物複合薄膜的設計及模擬，基於分佈式布拉格反射設計之彩色膜片理論，運用較少的層數設計即可得到色彩裝飾鍍膜，A設計之膜層結構為空氣/玻璃/(HL)PH/空氣。由此結構探討色彩光譜變化，其中改變(HL)P H中的堆疊次數P值，對於顏色飽和度及色域範圍可加以控制，將中心波長固定為400 nm後，模擬P值2~6之色度空間變化，進而得知可應用之P值範圍如圖3、圖4。由模擬結果可得知(HL)P H結構因邊緣漣波(ripple)變化，使同中心波長但不同P值的顏色會有變化，本文固定P=2後，藉由變化中心波長，可控制反射帶區域變化顏色，如模擬圖顯示可控制由400 nm至750 nm之色彩變化如圖5、圖6。由A設計隨設計中心波長改變由400 nm增加至750 nm，可運用來選擇反射光的顏色，於P=2的條件下，三維色度空間變化顯示，a*變化範圍約-24至47，b*值變化範圍約-67至74。