TWI410508B - 薄膜結構 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種薄膜結構,且特別是有關於一種具有白色表面的薄膜結構。
隨著科技的日新月異,人們對於電子產品的要求越來越高,由輕薄短小到甚至要求產品外殼能有金屬質感,甚至是顏色的要求。顏色的表現需透過光線,光線可依波長或頻率分為紫外線、紅外線、可見光及其他能量形式,可見光涵蓋所有380nm到770nm的波長,亦可再依波長的長短依次劃分為紅、橙、黃、綠、藍、紫色光,其中以紫光波長最短而紅光最長。其中,白光係由所有可見光譜內不同波長且能量相當的光組合在一起,即可產生白色光,其為複合光;將可見光譜內所有波長做不等量的組成或僅組合小部分波長亦可得到不同程度的白色光。
當光觸及一物體表面,會被此表面所反射、吸收或透射,其所反射的光進入人眼所產生的色彩視覺,即為該物體受光後顯現的顏色。例如以白色光通過三稜鏡分成各個單色光後,照射紅色玻璃,其吸收所有的光波,僅讓紅色光波通過,故僅看到濾過的紅光。又例如紅蘋果只反射光譜中的紅色波長其餘皆被吸收,故以全光譜的光源照射時,人眼所見此蘋果為紅色。但若以綠光來照,因其中沒有或是極少紅色波長供紅蘋果反射而幾乎全被吸收,故只顯現黑色或深灰色。
假如對電子產品要求有白色外殼,目前在習知方法中,有利用噴塗方式在金屬或合金基板上被覆白色漆膜,來作為電子產品的外殼。然而,要形成上述的白色漆膜,噴漆的過程會對操作人員及環境造成損傷及污染。
因此,目前亟需一種可形成白色的金屬薄膜,但又不會對環境造成污染的白色薄膜結構。
因此,本發明之一態樣是在提供一種薄膜結構,係藉由習用設備所濺鍍形成的白色薄膜,不需增購特別設備,以及人員訓練,可立即轉換生產方式,降低製程轉換的成本。
其次,本發明之另一態樣是在提供一種薄膜結構,藉由控制濺鍍的金屬粒徑,達到形成的金屬薄膜為一微觀結構粗糙的薄膜。對入射的可見光與紅外線具有極高的反射率,且反射的光線不具方向性。此外,此薄膜對入射光線進行任意方向的散射,可在可見光區域呈現具有金屬光澤的白色表面。
依據本發明之上述目的,提供一種薄膜結構,其包含基板與金屬薄膜,其中金屬薄膜是其係以物理氣相沉積法形成於該基板上。形成金屬薄膜之顆粒的底部直徑係實質介於0.05微米到2微米之間,且金屬薄膜之顆粒的高度係實質介於0.05微米到3微米之間。其中金屬薄膜在可見光區域中具有明度、第一色度以及第二色度。其中明度係實質介於65至90、第一色度係實質介於-2.1至2.1之間以及第二色度係實質介於-2.1至2.1之間。其中當明度為100時定義為純白色,而明度為0時定義為純黑色;當第一色度為正值時定義為紅色,而第一色度為負值時定義為綠色;以及當第二色度為正值時定義為黃色,而第二色度為負值時定義為藍色,且第一色度與該第二色度之數值越大表示所含之色量越多,數值越小表示所含之色量越少。
依據本發明之上述目的,提供一種薄膜結構的製造方法,其後由一物理氣相沉積法所形成,此製造方法包含:提供基板,以及使用金屬靶極在基板上沉積金屬薄膜,其中,形成金屬薄膜之顆粒的底部直徑係實質介於0.05微米到2微米之間,形成金屬薄膜之顆粒的高度係實質介於0.05微米到3微米之間。其中金屬薄膜在可見光區域中具有明度、第一色度以及第二色度。其中明度係實質介於65至90之間、第一色度係實質介於-2.1至2.1之間以及第二色度係實質介於-2.1至2.1之間。其中當明度為100時定義為純白色,而明度為0時定義為純黑色;當第一色度為正值時定義為紅色,而第一色度為負值時定義為綠色;以及當第二色度為正值時定義為黃色,而第二色度為負值時定義為藍色,且第一色度與該第二色度之數值越大表示所含之色量越多,數值越小表示所含之色量越少。
依據本發明之一實施例,上述物理氣相沉積法可為直流式真空磁控濺鍍法或射頻式真空磁控濺鍍法。
依據本發明之一實施例,上述基板為金屬基板、合金基板、陶瓷基板、玻璃基板、半導體基板或塑膠基板。
依據本發明之一實施例,上述金屬基板為不銹鋼基板。
依據本發明之一實施例,上述金屬薄膜之材料為銦、錫或鋁。
依據本發明之一實施例,上述第一色度係實質介於-0.6至0.6之間,以及上述第二色度係實質介於-0.4至2.1之間。
應用本發明之薄膜結構,優點在於使用具環保特性的物理濺鍍製程,與習知的噴塗製程相比,本發明在製作過程,不需使用具污染的有機溶劑,不會造成污染,符合綠色產品的要求。
另外,藉由可將鋁、銦或錫等金屬濺鍍於基板表面,使金屬薄膜具有粗糙表面。由於薄膜表面微觀的結構非常粗糙,對入射的可見光具有極佳任意角度散射特性,使被濺鍍基板呈現具有金屬光澤、陶瓷質感的白色色澤。此外,將本發明之薄膜結構應用於可攜式通訊裝置,例如手機或筆記型電腦時,薄膜所具有白色色澤與螢幕底色的反差,可呈現出立體質感。
雖然本發明是可以各種型式具體實施例加以實施,於圖中顯示而且將在稍後描述一本發明之較佳具體實施例。需瞭解的是,所揭示者應為本發明的一例示,而非意圖用以限制本發明於所示的特定具體實施例。
人眼所看到的物體色具有三種屬性。根據孟賽爾色彩系統(Monsell color system),一個顏色是由色相(hue)、明度(Lightness)與彩度(chroma)來定義。色相是物體反射主要波長所呈現的色彩表相,即所見物體色的一般性描述。常以五個主色(紅、黃、綠、藍、紫)或兩鄰近的主色所代表的色系共10主色相來指稱,例如紅色系、藍綠色系。有色材料反射或透射光譜的特定區域,能對該材料放射出物體所能反射的波長。明度是用來表示色彩的明暗程度。明度亦與物體表面的反射值有關,該表面的亮度和其所接受的照度,與反射率的乘積成正比。物體表面反射較多的光,其明度較高,看起來顏色較淺或較亮。彩度就是代表色彩鮮豔的程度,也就是色彩的純度或飽合度(saturation)。顏色愈純,彩度愈高,視覺刺激也愈強。若將一高彩度的純色漸次加黑或加白稀釋,前者明度遞減,後者明度遞增,二者彩度皆降低。
人類的眼睛可以解析兩種類型的顏色。一種是自體發亮的主體顏色。會自體發亮的主體可能是自然的,例如太陽,或是人工的,例如電腦顯示,日光燈泡、水銀燈等等。另一種主體顏色是指從會發亮主體的顏色反射,而且包括從主體表面的光線反射和散射對人眼視覺所造成的顏色。散射和光的波長及粒子的大小有關。同樣的波長的光,粒子小的時候,粒子會選擇性的散射(稱為瑞立散射(Rayleigh Scattering))某個光譜的光,例如空氣分子的大小(0.001微米)對可見光主要散射紫、藍色系的光譜,而灰塵(0.1微米)對可見光則主要散射紅、黃色系的光譜。粒子大的時候,粒子會均勻的散射(稱為米式散射(Mie Scattering))可見光範圍內的各種光譜,而形成了白色。
因此,本發明在此提供一種薄膜結構,其可將可見光範圍內的各種光譜做任意方向的散射。使得人眼觀察到的薄膜結構均勻的包含了各波長的光,因此而呈現為白色,而非金屬本身的顏色。請參照第1圖,其係繪示本發明一實施例之薄膜結構100的概要示意圖。薄膜結構100包含基板110與金屬薄膜120。基板110可例如包含金屬基板、合金基板、陶瓷基板、玻璃基板、半導體基板或者塑膠基板。在特定實施例中,金屬基板為不銹鋼基板。在特定實施例中,合金基板之材料係選自由銅、鋁、鎂、鈦、鐵、鎳、鉻、鉬及其合金所組成之群組。
在一實施例中,金屬薄膜120可以各種物理沉積的方式形成於基板110上,例如以濺鍍法形成於基板110上。在特定實施例中,可以直流式真空磁控濺鍍製程將金屬薄膜120形成於基板110上。在特定實施例中,可以射頻式真空磁控濺鍍製程將金屬薄膜120形成於基板110上。
在一實施例中,金屬薄膜120在可見光區域的明度L*介於65至90、色度a*介於-2.1至2.1以及色度b*介於-2.1至2.1。其中L*代表明度,L*為100時表示白色,L*為0時表示黑色。色相與彩度合稱色度,色度可用L*a*b*表色系之a*b*表示。a*作橫座標,a*之右方以「+a」表示之,定為紅色「R」。a*之左方以「-a」表示之,定為綠色「G」。b*作橫座標,b*之右方以「+b」表示之,定為黃色「Y」。b*之左方以「-b」表示之,定為藍色「B」。a*與b*無論是「+」或「-」值,其數值越大表示所含之色量越多,數值越小表示所含之色量越少。
在特定實施例中,金屬薄膜120在可見光區域的明度L*介於65至90、色度a*介於-0.6至0.6以及色度b*介於-0.4至2.1。
為了使沉積於基板110上的金屬薄膜120表面具有微觀粗糙的表面,如第1圖的部分122的放大示意圖。需要將沉積於基板110上的金屬薄膜120的顆粒123直徑,控制在特定的範圍之中。假如沉積的顆粒123直徑過大,顆粒表面相對於可見光波長成為大尺寸平面,對入射光便產生固定方向的反射,不會產生任意方向的散射,亦即呈現出金屬原有的光澤,以致於無法呈現白色光澤。假如沉積的顆粒123直徑過小,則所沉積的金屬薄膜120會形成一連續平坦的鏡面結構。由於鏡面結構不會對可見光進行任意方向的散射,對光線的會進行反射而非散射,因此無法產生預期的白色,而是顯現出金屬本身的顏色,例如鋁為銀色、錫與銦都為銀灰色。
在一實施例中,上述沉積的金屬薄膜120的顆粒123底部直徑係實質介於0.05微米到2微米之間,而形成金屬薄膜120之顆粒123的高度係實質介於0.05微米到3微米之間。其中由於形成金屬薄膜120的顆粒123並非均為球狀,而是包含了許多不規則形狀,因此以顆粒投射的投影直徑,也就是底部直徑,與顆粒123的高度來界定顆粒123的大小。當然,由於沉積於基板110表面的顆粒123可能會堆積在一起,因此顆粒123的高度並不會直接等於金屬薄膜120表面的粗糙度。
請參照第2圖,其係繪示依照本發明一實施例之測試薄膜結構100之反射率的示意圖。在本實施例中,固定待測試入射光的入射角θ1
與反射角θ2
,也就是說入射角θ1
等於反射角θ2
。光源301為特殊燈泡,可發出紅外線、可見光及紫外線的光線。光源301對薄膜結構100發出光束L經金屬薄膜120反射後,由光感應器302接收,光感應器302量測的波長範圍介於190至1000奈米之間。由於金屬薄膜120表面微觀是粗糙的,因此光束L在入射後,只有一部分的光束L會被光感應器302所接收,其餘的光束L均以不同方向進行散射,如第3圖的部分322的放大示意圖。由於金屬薄膜120上的每一點都會使光束L進行不同方向的散射,假如位於相對於金屬薄膜120固定的觀測點來觀察的話,所接收到的光是來自金屬薄膜120上各點散射後的積分,均勻的包含了各波長的光線。因此,在可見光下以人眼觀察金屬薄膜120,金屬薄膜120將呈現白色光澤。
以下以實際實施例更具體地說明本發明,惟本發明的範圍不受此些實施例所限制。
實施例一
首先提供一錫靶材,其純度為99%,所使用的錫靶材直徑為六吋的錫靶材。接著提供一表面光滑平坦的陶瓷基板。隨後,將陶瓷基板置入真空磁控濺鍍腔體中,並通入一氬氣至腔體內,其中所通入的氬氣流量設定為20sccm。然後再以直流式磁控靶極濺鍍上述的錫靶材至陶瓷基板上,其濺鍍功率設定為700瓦。在對應之陶瓷基板的表面上所沉積的錫箔膜試片面積為25厘米*25厘米以及厚度為900奈米。上述試片的沉積面積與厚度僅僅只是作為測試用途,並非用以限制本發明,所沉積的面積與厚度並不會影響薄膜的呈色。接著利用原子力顯微儀(AFM)觀察錫薄膜試片的微觀組織,其影像如附件1,以及利用掃描式電子顯微儀(SEM)觀察錫薄膜試片的微觀組織,其影像如附件2。而試片表面的平坦度則如第4A圖所示。此外,並進一步測試錫薄膜試片之明度及色度,獲得明度L*=78.35、色度a*=0.35以及色度b*=-0.27,在可見光下錫薄膜試片表面的目測顏色為白色。
第4B圖係繪示習知錫薄膜的反射率圖譜。第4C圖係繪示本發明之一實施例的反射率圖譜。上述第4B圖與第4C圖的反射率圖譜所使用的測試方法如第2圖所示,但入射光的入射角及反射角與法線夾角為2度。由於習知錫靶材所沉積之薄膜為鏡面結構,因此,在第4B圖中,習知的錫薄膜對於波長190到1000奈米的光線所達到的反射率大約為30%到50%。而本發明實施例之錫薄膜,係由粒徑大約介於0.05至2微米之間的金屬粒子所組成,金屬粒徑較大,所沉積出來的薄膜表面較不平坦,使得錫薄膜表面呈現粗糙感,測得的反射率大致上低於2%,如第4C圖所示。因此,本發明實施例的薄膜結構可呈現白色光澤。當以入射角及反射角與法線夾角為20度進行反射率測試時,其所測得的反射率大約為3%。當以入射角及反射角與法線夾角為65度進行反射率測試時,其所測得的反射率大約為11%。
實施例二
首先提供一鋁靶材,其純度為99%,所使用的鋁靶材直徑為兩吋的鋁靶材。接著提供一表面光滑平坦的玻璃基板。隨後,將玻璃基板置入真空磁控濺鍍腔體中,並通入一氬氣至腔體內,其中所通入的氬氣流量設定為15sccm。然後再以直流式磁控靶極濺鍍上述的鋁靶材至玻璃基板上,其濺鍍功率設定為50瓦。在對應之玻璃基板的表面上所沉積的鋁薄膜試片面積為25厘米*25厘米以及厚度為1000奈米。上述試片的沉積面積與厚度僅僅只是作為測試用途,並非用以限制本發明,所沉積的面積與厚度並不會影響薄膜的呈色。接著利用原子力顯微儀觀察鋁薄膜試片的微觀組織,其影像如附件3,以及利用掃描式電子顯微儀觀察鋁薄膜試片的微觀組織,其影像如附件4。而試片表面的平坦度則如第5A圖所示。此外,並進一步測試鋁薄膜試片之明度及色度,獲得明度L*=85.02、色度a*=-0.51以及色度b*=0.06,在可見光下鋁薄膜試片表面的目測顏色為白色。
第5B圖係繪示習知鋁薄膜的反射率圖譜。第5C圖係繪示本發明之一實施例的反射率圖譜。上述第5B圖與第5C圖的反射率圖譜所使用的測試方法如第2圖所示,但入射光的入射角及反射角與法線夾角為2度。由於習知鋁靶材所沉積之薄膜為鏡面結構,因此,在第5B圖中,習知的鋁薄膜對於波長190到1000奈米的光線所達到的反射率大約落在90%左右。而本發明實施例之鋁薄膜,係由粒徑大約介於0.05至2微米之間的金屬粒子所組成,金屬粒徑較大,因此所沉積出來的薄膜表面較不平坦,使得鋁薄膜表面呈現粗糙感,測得的反射率大致上低於2%,如第5C圖所示。因此,本發明實施例的薄膜結構可呈現白色光澤。當以入射角及反射角與法線夾角為20度進行反射率測試時,其所測得的反射率大約為1%。當以入射角及反射角與法線夾角為65度進行反射率測試時,其所測得的反射率大約為13%。
值得注意的是,由於純鋁極易與空氣中的氧產生反應而形成氧化鋁。因此,本實施例的鋁薄膜表面更包含一氧化鋁薄膜。然而,此氧化鋁薄膜在可見光範圍內幾乎全透明,不會影響本實施例之鋁薄膜呈現白色色澤。
實施例三
首先提供一銦靶材,其純度為99%,所使用的銦靶材直徑為六吋的銦靶材。接著,提供一表面光滑平坦的不銹鋼基板。隨後,將不銹鋼基板置入真空磁控濺鍍腔體中,並通入一氬氣至腔體內,其中所通入的氬氣流量設定為20sccm。然後,再以直流式磁控靶極濺鍍上述的銦靶材至不銹鋼基板,其濺鍍功率設定為500瓦。在對應之不銹鋼基板的表面上所沉積的銦薄膜試片面積為50厘米*50厘米以及厚度為1200奈米,上述試片的沉積面積與厚度僅僅只是作為測試用途,並非用以限制本發明,所沉積的面積與厚度並不會影響薄膜的呈色。接著利用原子力顯微儀觀察銦薄膜試片的微觀組織,其影像如附件5,以及利用掃描式電子顯微儀觀察銦薄膜試片的微觀組織,其影像如附件6。而試片表面的平坦度則如第6A圖所示。此外,並進一步測試銦薄膜試片之明度及色度,獲得明度L*=79.82、色度a*=0.26以及色度b*=2.01,在可見光下銦薄膜試片表面的目測顏色為白色。
第6B圖係繪示習知銦薄膜的反射率圖譜。第6C圖係繪示本發明之一實施例的反射率圖譜。上述第6B圖與第6C圖的反射率圖譜所使用的測試方法如第2圖所示,但入射光的入射角及反射角與法線夾角為2度。由於習知銦靶材所沉積之薄膜為鏡面結構,因此,在第6B圖中,習知的銦薄膜對於波長190到1000奈米的光線所達到的反射率大約為70%到80%之間。而本發明實施例之銦薄膜,係以粒徑大約介於0.05至2微米之間的金屬粒子所組成,金屬粒徑較大,因此所沉積出來的薄膜表面較不平坦,使得銦薄膜表面呈現粗糙感,測得的反射率大致上低於2%,如第6C圖所示。因此,本發明實施例的薄膜結構可呈現白色光澤。當以入射角及反射角與法線夾角為20度進行反射率測試時,其所測得的反射率大約為1%。當以入射角及反射角與法線夾角為65度進行反射率測試時,其所測得的反射率大約為4%。
雖然本發明已以實施方式揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何熟習此技藝者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作各種之更動與潤飾,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100...薄膜結構
110...基板
120...金屬薄膜
122...部分
123...顆粒
301...光源
302...光感應器
322...部分
L...光束
θ1
...入射角
θ2
...反射角
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂,所附圖式之說明如下:
第1圖係繪示依照本發明一實施例之薄膜結構的概要示意圖。
第2圖係繪示依照照本發明一實施例之測試薄膜結構反射率的示意圖。
第3圖係繪示依照第2圖的部分放大示意圖。
第4A圖係繪示依照本發明一實施例的錫薄膜的原子力顯微圖。
第4B圖係繪示依照習知錫薄膜的反射圖譜。
第4C圖係繪示依照本發明一實施例錫薄膜的反射圖譜。
第5A圖係繪示依照本發明一實施例的鋁薄膜的原子力顯微圖。
第5B圖係繪示依照習知鋁薄膜的反射圖譜。
第5C圖係繪示依照本發明一實施例鋁薄膜的反射圖譜。
第6A圖係繪示依照本發明一實施例的銦薄膜的原子力顯微圖。
第6B圖係繪示依照習知銦薄膜的反射圖譜。
第6C圖係繪示依照本發明一實施例銦薄膜的反射圖譜。
附件1係顯示根據本發明一實施例之原子力顯微儀(AFM)觀察錫薄膜試片的微觀組織之影像。
附件2係顯示根據本發明一實施例之掃描式電子顯微儀(SEM)觀察錫薄膜試片之微觀組織的影像。
附件3係顯示根據本發明一實施例之原子力顯微儀(AFM)觀察鋁薄膜試片的微觀組織之影像。
附件4係顯示根據本發明一實施例之掃描式電子顯微儀(SEM)觀察鋁薄膜試片之微觀組織的影像。
附件5係顯示根據本發明一實施例之原子力顯微儀(AFM)觀察銦薄膜試片之微觀組織的影像。
附件6係顯示根據本發明一實施例之掃描式電子顯微儀(SEM)觀察銦薄膜試片之微觀組織的影像。
100...薄膜結構
110...基板
120...金屬薄膜
122...部分
123...顆粒
Claims (13)
- 一種薄膜結構,包含:一基板;以及一金屬薄膜,其係以一物理氣相沉積法形成於該基板上,其中形成該金屬薄膜之顆粒的底部直徑係實質介於0.05微米到2微米之間,形成該金屬薄膜之顆粒的高度係實質介於0.05微米到3微米,該金屬薄膜在可見光區域(波長380nm~770nm)中具有一明度、一第一色度和一第二色度,該明度係實質介於65至90之間,該第一色度係實質介於-2.1至2.1之間,該第二色度係實質介於-2.1至2.1之間,其中當該明度為100時定義為純白色,而該明度為0時定義為純黑色;當該第一色度為正值時定義為紅色,而該第一色度為負值時定義為綠色;以及當該第二色度為正值時定義為黃色,而該第二色度為負值時定義為藍色,且該第一色度與該第二色度之數值越大表示所含之色量越多,數值越小表示所含之色量越少。
- 如請求項第1項所述之薄膜結構,其中該基板包含一金屬基板、一合金基板、一陶瓷基板、一玻璃基板、一半導體基板或一塑膠基板。
- 如請求項第2項所述之薄膜結構,其中該金屬基板包含不銹鋼基板。
- 如請求項第2項所述之薄膜結構,其中該合金基 板之材料係選自由銅、鋁、鎂、鈦、鐵、鎳、鉻、鉬及其合金所組成之群組。
- 如請求項第1項所述之薄膜結構,其中該物理氣相沉積法包含直流式真空磁控濺鍍法以及射頻式真空磁控濺鍍法。
- 如請求項第1項所述之薄膜結構,其中該金屬薄膜之材料係選自由銦、錫及鋁所組成之群組。
- 如請求項第1項所述之薄膜結構,其中該第一色度係實質介於-0.6至0.6之間,以及該第二色度係實質介於-0.4至2.1之間。
- 一種薄膜結構的製造方法,其係以一物理氣相沉積法所形成,包含:提供一基板;以及使用一金屬靶材在該基板上沉積一金屬薄膜,其中形成該金屬薄膜之顆粒的底部直徑係實質介於0.05微米到2微米之間,形成該金屬薄膜之顆粒的高度係實質介於0.05微米到3微米之間,其中該金屬薄膜在可見光區域(波長380nm~770nm)中具有一明度、一第一色度和一第二色度,該明度係實質介於65至90之間、一第一色度係實質介於-2.1至2.1之間以 及一第二色度係實質介於-2.1至2.1之間,其中當該明度為100時定義為純白色,而該明度為0時定義為純黑色;當該第一色度為正值時定義為紅色,而該第一色度為負值時定義為綠色;以及當該第二色度為正值時定義為黃色,而該第二色度為負值時定義為藍色,且該第一色度與該第二色度之數值越大表示所含之色量越多,數值越小表示所含之色量越少。
- 如請求項第8項所述之方法,其中該物理氣相沉積法包含直流式真空磁控濺鍍以及射頻式真空磁控濺鍍。
- 如請求項第8項所述之方法,如請求項第1項所述之薄膜結構,其中該基板包含一金屬基板、一合金基板、一陶瓷基板、一玻璃基板、一半導體基板或一塑膠基板。
- 如請求項第8項所述之方法,其中該金屬靶材係選自由鋁靶、錫靶或銦靶所組成之群組。
- 如請求項第11項所述之方法,其中該鋁靶、錫靶或銦靶的純度都高於98%。
- 如請求項第8項所述之方法,其中該第一色度係實質介於-0.6至0.6之間,以及該第二色度係實質介於-0.4至2.1之間。
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