TWI557442B - 二氧化鈦光學薄膜及其製備方法 - Google Patents

Description

二氧化鈦光學薄膜及其製備方法

本發明是有關於一種光學薄膜，特別是有關於一種摻雜微量氟化鎂的五氧化三鈦材料，所製鍍產生的光學薄膜，所產生光學薄膜之消光係數較低，但折射率改變不明顯。

發展光學薄膜的應用上，其最終應用仍是在光學元件上面，因而較難以某一單一產品為載具來界定之，由於技術本身是屬於泛用性的，故從光學元件相關市場來討探，較可看出其附加價值及關鍵性。

光學薄膜的應用在日常生活中佔的比重很大，例如抗反射膜主要的製品有照相機及眼鏡及光電設備(如傳真機、雷射印表機、雷射唱盤、影碟機等)。此外還有液晶顯示器中所需之導電透明薄膜，照明及裝飾用之冷光燈、雷射鏡片、干涉濾光鏡、分色鏡、攝錄影機、雷射計測、電腦護目鏡、醫療照明等。

其中，二氧化鈦(TiO₂)薄膜是一具有高折射率、高介電常數、在可見光及近紅外光區吸收小、化學性質穩定、硬度高耐磨等優良特性的薄膜材質，因此以二氧化鈦材料為主的光學薄膜，常被用於覆著於對可見光及近紅外光區具有高穿透之需求之鏡頭上，然而目前的二氧化鈦光學薄膜對短波長的可 見光(例如藍光)的穿透率較差，限制了二氧化鈦光學薄膜之應用範圍，因此，急需改善此問題，以使其可應用於他種領域上。

有鑑於上述習知技術之問題，本發明之目的就是在提供一種低消光係數之二氧化鈦光學薄膜及其製造方法，並同時改善於對藍光具有低穿透率之問題。

基於上述目的，本發明係提供一種低消光係數之二氧化鈦光學薄膜，係以均勻摻雜氟化鎂材料的五氧化三鈦材料之混合材料通氧蒸鍍於基材上，以於基材表面形成二氧化鈦光學薄膜，且氟化鎂材料之比例係介於混合材料之重量百分比1%至2.5%，以使該二氧化鈦光學薄膜於波長範圍介於400nm至440nm之消光係數係小於0.0137。

較佳地，混合材料係於真空系統中以電子槍通氧蒸鍍，以形成二氧化鈦光學薄膜，真空系統之真空腔體內的起始壓力小於9x10^-5托(Torr)，該基材溫度小於400℃，通氧量小於40sccm/s，製鍍壓力小於6x10^-4托(Torr)。

較佳地，氟化鎂材料之比例係約為重量百分比2%。

較佳地，二氧化鈦光學薄膜於波長範圍介於600mm至750nm之消光係數小於0.0056。

較佳地，二氧化鈦光學薄膜於400nm至450nm波長範圍之穿透率係於89%以上。

較佳地，基材包含鏡片或光學鏡頭。

基於上述目的，本發明再提供一種具有低消光係數之二氧化鈦光 學薄膜之製備方法，其包含下列步驟：均勻混合氟化鎂材料以及五氧化三鈦材料形成混合材料，氟化鎂材料之比例係介於混合材料之重量百分比1%至2.5%之間。再利用電子槍通氧並提供電子束激發混合材料，以蒸鍍混合材料附著於基材表面上形成二氧化鈦光學薄膜，且蒸鍍過程係於真空系統中執行，製備完成之二氧化鈦光學薄膜於波長範圍介於400nm至440nm之消光係數係小於0.0137。

較佳地，真空系統之真空腔體內的起始壓力小於9x10^-5托(Torr)，且基材溫度小於400℃，通氧量小於40sccm/s，製鍍壓力小於6x10^-4托(Torr)。

較佳地，真空系統之真空腔體內的起始壓力約3.2x10^-5托(Torr)，製鍍壓力約為3.3×10^-4托(Torr)。

較佳地，氟化鎂材料之比例係約為重量百分比2%。

承上所述，本發明之二氧化鈦光學薄膜，係具有以下優點：

(一)改善後的二氧化鈦光學薄膜對藍光的穿透率增加，可應用於相機鏡頭上，以使更多的藍光穿透薄膜，進而改善成像的色彩飽和度。

(二)本發明之二氧化鈦光學薄膜的消光係數(Extinction coefficient)較低，但折射率(Refractive index)改變不明顯，因此可依據此特性應用於他種用途上。

為了讓上述目的、技術特徵以及實際實施後之增益性更為明顯易懂，於下文中將係以較佳之實施範例輔佐對應相關之圖式來進行更詳細之說明。

S10‧‧‧步驟S10

S20‧‧‧步驟S20

第1圖係為本發明之摻雜氟化鎂形成之二氧化鈦光學薄膜之製造方法步驟流程圖。

第2圖係為本發明之摻雜氟化鎂形成之二氧化鈦光學薄膜之穿透光譜圖。

第3圖係為本發明之摻雜氟化鎂形成之二氧化鈦光學薄膜之消光係數曲線圖。

第4圖係為本發明之摻雜氟化鎂形成之二氧化鈦光學薄膜之折射率曲線圖。

為利 貴審查員瞭解本發明之發明特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍。

本發明之優點、特徵以及達到之技術方法將參照例示性實施例及所附圖式進行更詳細地描述而更容易理解，且本發明或可以不同形式來實現，故不應被理解僅限於此處所陳述的實施例，相反地，對所屬技術領域具有通常知識者而言，所提供的實施例將使本揭露更加透徹與全面且完整地傳達本發明的範疇，且本發明將僅為所附加的申請專利範圍所定義。

請參見第1圖，其係為本發明之摻雜氟化鎂形成之二氧化鈦光學薄膜之製造方法步驟流程圖。製備本發明之具有低消光係數之二氧化鈦光學薄膜，可包含以下步驟：

步驟S10，將氟化鎂材料均勻摻雜於五氧化三鈦材料，並放置於坩鍋內，其中氟化鎂材料之比例係介於混合材料之重量百分比1%至2.5%之間。

步驟S20，使用電子槍通氧蒸鍍此混合材料，係利用電子槍射出電子束轟擊待鍍材料上，將高能量電子束的動能轉化為融化待鍍材料的熱能，以使混合材料附著於基材表面上，形成具有穩定的氧化型態之二氧化鈦光學薄膜，且製鍍過程須在真空系統內。其中，真空系統之真空腔體內的起始壓力小於9x10^-5托(Torr)，該基材溫度小於400℃，通氧量小於40sccm/s，製鍍壓力小於6x10^-4托(Torr)。

實施上，真空系統之真空腔體內的起始壓力小於6x10^-5托(Torr)，該基材溫度小於300℃，通氧量小於30sccm/s，製鍍壓力小於5x10^-4托(Torr)。

實施上，真空系統之真空腔體內的起始壓力小於4x10^-5托(Torr)，該基材溫度小於250℃，通氧量小於15sccm/s，製鍍壓力小於4x10^-4托(Torr)。

實施上，真空系統的真空腔體內的起始壓力為3.2x10^-5托(Torr)，基板溫度保持在200℃，通氧量維持在10sccm/s，製鍍壓力為3.3×10^-4托(Torr)。

使用上述方法所製鍍形成的二氧化鈦光學薄膜之光學性質係描述於下。

請同時參閱第2圖以及表一，其係為本發明之摻雜氟化鎂形成之二氧化鈦光學薄膜之穿透光譜圖以及波長介於400nm至423nm對應之穿透率數值表。於第2圖中，顯示不同重量比例之氟化鎂與五氧化三鈦混合材料，蒸鍍為二氧化鈦光學薄膜的穿透光譜圖，穿透光譜圖是由Perkin Elmer Lambda 900分光光譜儀所量測獲得，其橫坐標為波長(nm)，縱座標為穿透率(%)。

表一

從圖中可得知，具有氟化鎂重量百分比0%、1%或2%的五氧化三鈦混合材料，蒸鍍為二氧化鈦光學薄膜的穿透光譜圖的極大值，比較接近基板的穿透光譜圖，具有氟化鎂重量百分比為3%的五氧化三鈦混合材料，其穿透光譜圖的極大值趨勢則較偏離基板。

當光線穿過鍍有光學薄膜的基板時，數值越接近基板的表示光學薄膜自身吸收光線的程度較小，代表有較多的光線可穿透具有光學薄膜的基板。圖中顯示，當基板上蒸鍍含有重量百分比0%氟化鎂材料之情況可得知，只要於基板上形成二氧化鈦光學薄膜即具有吸收光線的現象，且越接近短波長，越容易被吸收。

當於蒸鍍材料中加入1%至2%氟化鎂時，穿透光譜圖之曲線即越接近基板，一直到蒸鍍材料含有3%氟化鎂，光學薄膜的吸收程度逐上升，因此蒸鍍材料中氟化鎂介於重量百分比1%至2.5%之間為佳。實施上，摻雜氟化鎂重量百分比可為1.2%、1.5%、1.8%、2%、2.2%、2.3%或2.5%。

請同時參見第1圖及表一，當使用二氧化鈦作為光學薄膜的材料 時，會因二氧化鈦光學能階分佈，而具有吸收紫外光範圍之波長之特性，尤其是會影響可見光波長範圍介於400nm至450nm之間的穿透率較差。於表一中，純五氧化三鈦材料製備形成的二氧化鈦光學薄膜之穿透率最高為90.33%(波長419nm)，然而再加入1%或2%之氟化鎂材料後，可將穿透率數值提高至90.40%以上，甚至到90.5%以上，證實摻雜氟化鎂材料後可提高短波長的穿透率。

請參閱第3圖，其係為本發明之摻雜氟化鎂形成之二氧化鈦光學薄膜之消光係數曲線圖。圖中係顯示不同重量比例之氟化鎂與五氧化三鈦混合材料，蒸鍍為二氧化鈦光學薄膜的消光係數，是由J.A.Woollam M-2000U橢圓偏光儀量測獲得，其橫坐標為波長(nm)，縱座標為消光係數。

從圖中可得知，氟化鎂重量百分比3%的五氧化三鈦混合材料，蒸鍍為二氧化鈦薄膜的消光係數，其數值介於0.025至0.005之間，數值皆大於氟化鎂重量百分比為0%、1%或2%的五氧化三鈦混合材料。摻雜1%或2%之氟化鎂之消光係數，皆小於未摻雜氟化鎂之消光係數。由於光學薄膜的消光係數變大，表示光線越容易被光學薄膜吸收，因此第2圖及第3圖皆反應摻雜微量氟化鎂的五氧化三鈦材料，可增加二氧化鈦薄膜的光線穿透率。

上述表二與表三係為第3圖偵測之二氧化鈦薄膜的消光係數於特定波長範圍的數值。於第3圖中所示，不管是否摻雜氟化鎂，形成之二氧化鈦光學薄膜之消光係數曲線，偵測波長短至長時，皆呈現內凹曲線，且波長越短消光係數越大。上述四種光學薄膜於每一特定波長之消光係數的大小排序，皆為摻雜2%之氟化鎂<摻雜1%之氟化鎂<純五氧化三鈦<摻雜3%之氟化鎂。

於表二中，摻雜2%氟化鎂形成之二氧化鈦光學薄膜，於波長400nm時之消光係數，即從0.01370開始依波長越長而逐漸下降，而純五氧化三鈦材料形成之二氧化鈦光學薄膜，於波長大於440nm之消光係數才開始小於0.01370。於表三中，摻雜2%氟化鎂之二氧化鈦光學薄膜於波長600nm時的消光係數開始小於0.00565，而純五氧化三鈦材料形成之二氧化鈦光學薄膜，於波長小於750nn時之消光係數才開始小於0.00565。

請同時參照第2圖、第3圖、表一、表二以及表三，係顯示摻雜氟化鎂形成之二氧化鈦光學薄膜，對藍光或紫光(波長範圍400nm至450nm)的消光係數，與純五氧化三鈦材料形成之二氧化鈦光學薄膜相較之下，具有較高的穿透率。其中，摻雜2%氟化鎂材料之光學薄膜，於波長範圍介於400nm至450nm之間的光線穿透率可於90.35%以上，顯示本發明之二氧化鈦光學薄膜，整體降低可見光波長範圍內的消光係數，亦改善了藍光及紫光的光線穿透率。

請參閱第4圖，其係為對應第2圖混合材料蒸鍍為二氧化鈦光學 薄膜之折射率曲線圖，由J.A.Woollam M-2000U橢圓偏光儀量測獲得折射率關係圖，其橫坐標為波長(nm)，縱座標為折射率。由圖中可得知氟化鎂重量比例1%、2%與3%的五氧化三鈦混合材料，蒸鍍為二氧化鈦薄膜的折射率，均小於純五氧化三鈦材料蒸鍍為二氧化鈦薄膜的折射率，但變化不大。

總結以上所述，本發明之摻雜氟化鎂之二氧化鈦光學薄膜對藍光的穿透率增加，可應用於相機鏡頭上，以使更多的藍光穿透光學薄膜，進而改善成像的色彩飽和度。再者，本發明之二氧化鈦光學薄膜的消光係數較低，但折射率改變不明顯，因此可依據此特性應用可見光之光學感測器等的光學薄膜上。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

Claims (10)

1. 一種二氧化鈦光學薄膜，係為均勻摻雜氟化鎂(MgF₂)材料的五氧化三鈦(Ti₃O₅)材料之一混合材料通氧蒸鍍於一基材上，以於該基材表面形成該二氧化鈦光學薄膜，且該氟化鎂材料之比例係介於該混合材料之重量百分比1%至2.5%，以使該二氧化鈦光學薄膜於波長範圍介於400nm至440nm之消光係數係小於0.0137。
2. 如申請專利範圍第1項所述之二氧化鈦光學薄膜，其中該混合材料係於一真空系統中以電子槍通氧蒸鍍，以形成該二氧化鈦光學薄膜，該真空系統之真空腔體內的起始壓力小於9x10^-5托(Torr)，該基材溫度小於400℃，通氧量小於40sccm/s，製鍍壓力小於6x10^-4托(Torr)。
3. 如申請專利範圍第1項所述之二氧化鈦光學薄膜，其中該氟化鎂材料之比例係約為該混合材料之重量百分比2%。
4. 如申請專利範圍第3項所述之二氧化鈦光學薄膜，其中該二氧化鈦光學薄膜於波長範圍介於600nm至750nm之消光係數小於0.0056。
5. 如申請專利範圍第3項所述之二氧化鈦光學薄膜，其中該二氧化鈦光學薄膜於400nm至450nm波長範圍之穿透率係89%以上。
6. 如申請專利範圍第1項所述之二氧化鈦光學薄膜，其中該基材包含鏡片或光學鏡頭。
7. 一種二氧化鈦光學薄膜之製備方法，係包含： 均勻混合氟化鎂材料以及五氧化三鈦材料形成一混合材料，其中該氟化鎂材料之比例係介於該混合材料之重量百分比1%至2.5%之間；以及利用電子槍通氧並提供電子束激發該混合材料，以蒸鍍該混合材料附著於一基材表面上形成該二氧化鈦光學薄膜，其中，蒸鍍過程係於一真空系統中執行，且該二氧化鈦光學薄膜於波長範圍介於400nm至440nm之消光係數係小於0.0137。
8. 如申請專利範圍第7項所述之製備方法，其中該真空系統之真空腔體內的起始壓力小於9x10^-5托(Torr)，該基材溫度小於400℃，通氧量小於40sccm/s，製鍍壓力小於6x10^-4托(Torr)。
9. 如申請專利範圍第8項所述之製備方法，其中該真空系統之真空腔體內的起始壓力小於5x10^-5托(Torr)，製鍍壓力小於4×10^-4托(Torr)。
10. 如申請專利範圍第7項所述之製備方法，其中該氟化鎂材料之比例係約為該混合材料之重量百分比2%。