光学用薄膜市场分析和技术研究综述

光学薄膜调研报告第一章光学薄膜介绍1.光学薄膜的定义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。2.3滤光片滤光片是塑料或玻璃片再加入特种染料做成的，红色滤光片只能让红光通过，如此类推。玻璃片的折射率原本与空气差不多，所有色光都可以通过，所以是透明的，但是染了染料后，分子结构变化，折射率也发生变化，对某些色光的通过就有变化了。比如一束白光通过蓝色滤光片，射出的是一束蓝光，而绿光、红光极少，大多数被滤光片吸收了。滤光片产品主要按光谱波段、光谱特性、膜层材料、应用特点等方式分类。光谱波段：紫外滤光片、可见滤光片、红外滤光片；光谱特性：带通滤光片、截止滤光片、分光滤光片、中性密度滤光片、反射滤光片；膜层材料：软膜滤光片、硬膜滤光片。硬膜滤光片不仅指薄膜硬度方面,更重要的是它的激光损伤阈值,所以它广泛应用于激光系统当中。软膜滤光片则主要用于生化分析仪当中。带通型：选定波段的光通过，通带以外的光截止。短波通型(又叫低波通)：短于选定波长的光通过，长于该波长的光截止。比如红外截止滤光片，IBG-650。长波通型(又叫高波通)：长于选定波长的光通过，短于该波长的光截止比如红外透过滤光片，IPG-800。彩色滤光片是TFT-LCD背光模组的重要组成部分，详见第二章。2.4偏光片偏光片（PolarizingFilm)的全称应该是偏振光片。液晶显示器的成像必须依靠偏振光。偏光片的主要作用就是使不具偏极性的自然光变成产生偏极化，转变成偏极光，加上液晶分子扭转特性，达到控制光线的通过与否，从而提高透光率和视角范围，形成防眩等功能。偏光片可广泛应用于现代的液晶显示产品:液晶电视、笔记本电脑、手机、PDA、电子词典、MP3、仪器仪表、投影仪等，也可用于时尚偏光眼镜。其中，LCD的应用是拉动偏光片产业发展的主要力量。详见第二章。2.5.补偿膜/相位差板补偿膜的补偿原理，是将各种显示模式下(TN/STN/TFT(VA/IPS/OCB))液晶在各视角产生的相位差做修正,简言之，即是让液晶分子的双折射性质得到对称性的补偿。若要从其功能目的来区分则可略为分单纯改变相位的相位差膜、色差补偿膜及视角扩大膜。补偿膜能降低液晶显示器暗态时的漏光量，并且在一定视角内能大幅提高影像之对比、色度与克服部分灰阶反转问题。详见第二章偏光片部分。2.6配向膜配向膜是具有直条状刮痕的薄膜，作用是引导液晶分子的排列方向(图1.1）。在已蒸上透明导电膜（ITO）的玻璃基版上，用PI涂液和转轮（roller），在ITO膜上印出一条一条平行的沟槽，到时候液晶可依此沟槽的方向横躺於沟槽内，达到使液晶呈同一方向排列之目的。此具有一条一条方向的膜，即為配向膜。液晶之所以可应用于萤幕上，乃因其在平行分子方向与垂直分子方向之诱电率不同，因此可用电场驱动之，另一方面，由于液晶也具有视分子方向而变化之折射率（也就是具有双折射），可改变偏极光之偏极方向，最后更因液晶与配向膜之界面有很强之作用力（AnchoringStrength），在电场关闭后液晶就靠着弹性系数（恢复力）而恢复到原来之排列，由此可知没有配向膜之存在，液晶是无法工作的。但在液晶萤幕之应用上，其液晶分子与配向膜表面呈某一角度的倾斜(即预倾角，PretiltAngle)，如此才能达到均一配向的效果。配向膜涉及的涂布非卷式湿法涂布，方式有传统的定向刷磨法和现在的UV光配向法、电子浆配向和离子束配向。图1.1配向膜2.7扩散膜扩散膜为TFT-LCD背光模块中之关键零组件,能够为液晶显示器提供一个均匀的面光源,一般传统的扩散膜主要是在扩散膜基材中,加入一颗颗的化学颗粒,作为散射粒子,而现有之扩散板其微粒子分散在树脂层间,所以光线在经过扩散层时,会不断于2个折射率相异的介质中穿过,故光线就会发生许多折射、反射与散射的现象,如此便造成了光学扩散的效果。详见第二章。2.8.增亮膜/棱镜片/聚光片增亮膜又叫棱镜片（PrismSheet）,常简称BEF（BrightnessEnhancementFilm），为TFT-LCD背光模块中之关键零组件，主要是借由光的折射与反射原理，利用棱镜片修正光的方向，使光线正面集中，并将视角外未被利用的光线可以回收与利用，同时提升整体辉度与均匀度，达到增亮的效果，又称聚光片。复合型光学膜，主要是将原本聚光片的功能与扩散功能加以整合，如此将可减少使用1片扩散片，有利於下游厂商简化背光设计、节省工序、降低成本，同时亮度效率还可提升。对於光学膜厂商来说，虽然复合型增亮膜会取代传统聚光片（增亮膜），但单价和利润都较佳。2.9.遮光膜/黑白胶黑白遮光胶|遮光膜主要应用于背光源上，起固定、遮光作用(遮掉边光和灯位的光)，也叫遮光片、黑白膜，简称黑白胶(可说是种双面胶带）。相对TFT-LCD所使用的背光源遮光要求较高，所以大部分的黑白胶都应用在TFT-LCD的背光源上面。除黑白胶外，还有黑黑胶（双面为黑色），主要作用仍然是固定，遮光；黑银胶（单面黑色，单面银色），除遮光外，银色面有反射作用。相对黑白胶是LCD市场的主流产品。黑面与白面的粘性对比，白面需要更大一些，因为白面与橡胶框相连接，而黑面与玻璃相连接，相对玻璃对胶的附着性，橡胶框更差一些，所以需要白面的粘性更大来保证整个模组的稳定性。第二章TFT-LCD产业链的光学薄膜1.TFT-LCD产业概述TFT(ThinFilmTransistor)-LCD是指液晶显示器上的每一液晶像素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动，可实现高速度、高亮度、高对比度地显示屏幕信息，是目前平板显示技术（FPD）中最为成熟的主流技术，市场应用最为广泛。而TN型，STN型液晶相对落后。TN型（扭曲向列型）是利用有液晶分子扭曲90度实现显示，STN型（超扭曲向列型）是以液晶分子扭曲180-270度实现显示。根据DisplaySearch的统计，LCD显示器约占平板显示市场88%的份额。PDP虽然已形成一定的产业规模，但远不及TFT-LCD的产业规模，OLED正处于产业化的前期阶段，而FED、EPD正处于技术开发和中试阶段。可以认为，在未来相当一段时间内仍将占据平板显示市场的大部分份额。一般42TV面板的材料成本构成分别为：背光板模组占25%、彩色滤光片占16%、偏光片占8%、玻璃基板占7%、液晶占3%、IC驱动器占3%。在TFT-LCD产业链（图2.1）中，上游成本占75-80%。TFT产业里的利润也主要集中在上游材料领域，毛利率比较稳定，一般在15%左右。我们的目标客户群就是上游材料中应用到卷式湿法涂布的偏光片及背光模组里的扩散膜、增亮膜等的制造商。图2.1TFT-LCD产业链示意图1.1TFT-LCD的结构及制程目前LCD主要由彩色滤光片基板(Colorfilter,CF)、TFT数组(TFTArray)基板和背光模块(Backlight)三大部分所组成。图2.2LCD面板的构成（一）图2.3LCD面板的构成（二）图2.4LCD面板的构成（三）TFTArray玻璃上面有无数的画素(pixel)排列，彩色滤光片则是画面颜色的来源。LCD一般于上下透明电极间灌入液晶层，夹在TFTArray玻璃与彩色滤光片这两片玻璃基板之间。当电压施於TFT(电晶体)时，液晶转向，光线便穿过液晶在面板上产生一个画素，此光源由背光模组负责提供。而欲使背光模块产生并透过液晶的光线具有不同的颜色，那就需要红、蓝、绿(R/B/G)三种颜色的色阻成膜在彩色滤光片玻璃上，搭配灰阶产生全彩效果。例如，当屏幕显示蓝天的时候，有电晶体的ITO玻璃就会发出讯号，只让蓝光可以穿透彩色滤光片，而将红色光及红色光留在显示器里面。这样我们在显示器上就只能看到蓝色的光了。在分别完成TFT基板和CF基板制作后，