LCD光學窗口的多功能膜層范文

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《蘭州理工大學學報》2016年第一期

摘要：

采用離子束輔助沉積方法進行膜層的制備；選用合適的色散模型，利用包絡法和橢偏儀對制備薄膜的光學常數進行擬合；利用單純形調優數值優化法對膜系進行優化．對制備的多功能膜層進行相關測試，結果表明：反射率平均低于0．8％，屏蔽層方阻為14Ω／□，膜層附著力和耐摩性能符合相關規定．所研制的多功能膜層，性能指標滿足要求．

關鍵詞：

ITO膜；離子輔助沉積；減反設計；擬合；方阻

隨著我國航天事業的發展，需要開展空間用液晶顯示器的研究，以滿足空間實驗室的發展需求，并打破國外的禁運和封鎖．空間用液晶顯示器主要針對空間特殊環境而設計，其中，要求在空間用液晶顯示器前設置一個多功能光學窗口，并實現以下功能：1）增強對比度，減少環境光反射，降低炫光對人眼的干擾；2）實現電磁屏蔽，防止信息泄露；3）加熱升溫，保證液晶屏在空間低溫環境下仍能正常工作等目的．上述功能，可以通過在窗口上面制備功能膜層來實現．根據空間用液晶顯示器的對多功能光學窗口的要求，進行多功能膜層的研究，相關測試結果表明，所研制的功能膜層性能優異，能夠滿足lcd用多功能光學窗口的需要．

1實驗

1．1多功能膜層的分析根據光學窗口的要求，研制的膜層需具備減反，屏蔽及加熱等功能．ITO薄膜是一種寬禁帶、n型摻雜半導體材料，其在可見光區有很高的光譜透射比，在射頻區有很高的反射能力，且有良好的電學性能，因此，選擇ITO薄膜作為屏蔽及加熱膜層．另一方面，光學窗口的兩個界面均存在眩光的問題，為了降低反射炫光，需要對光窗基片兩面均進行減反處理．作為電磁屏蔽和加熱膜層，ITO作為單層使用時，由于ITO的高折射率，導致基片表面制備ITO膜后，反射率增加嚴重，透過率下降明顯，甚至難以滿足使用要求．針對此問題，文獻［1～4］進行增透型ITO薄膜方面的研究，但上述研究多著眼于提高透過率，對方阻和剩余反射率的關注度不夠．本文考慮在保證屏蔽層方阻的前提下，將ITO作為減反膜系中的一層，利用光的干涉作用，進行減反設計，實現減反屏蔽加熱的要求，而光窗的另一界面采用常規的減反設計．整個膜組結構如圖1所示，其中，一面為常規不含ITO減反膜系，而另一面為含有ITO層的減反膜系．

1．2膜料和初始膜系結構的選擇光學膜料的選擇要考慮材料的透明度、吸收和散射性、折射率、機械牢固度和化學穩定性等．對于減反膜來說，膜系設計的基本原則就是在給定基底材料的前提下，盡可能通過最少的層數，實現盡可能高的透過率，同時考慮膜料之間以及膜基之間的匹配，保證膜層與基底之間結合牢固．減反膜設計，主要包括常規的解析法和優化法［5］．前者多用于要求減反范圍不寬，如單點減反，雙點減反等，常見的膜系結構如λ／4、λ／4－λ／2－λ／4等．后者多用于減反范圍要求較寬時，一般是給定一個初始膜系結構，借用數值優化方法，利用計算機編程完成．根據Willey經驗公式［6］可知，減反膜系所用材料折射率相差越大，最外層材料折射率越小時，獲得的剩余反射率越低．考慮到應用環境，選用SiO2作為低折射率材料，且作為最外層，選用TiO2作為高折射率材料，ITO膜作為中折射率材料．其中，ITO膜的厚度，決定了多功能膜的屏蔽和加熱效果，為保證ITO的方阻，ITO膜的厚度需滿足一定要求，而過多的膜層數，雖然可以降低剩余反射率，但ITO層厚度過薄，方阻難以保證．因此，確定膜層共4層，初始膜系結構為A面：G／HLHL；B面：G／HLML或G／MLHL，其中，G為基底；H為TiO2；L為SiO2；M為ITO．對常規G／HLHL減反膜系進行優化，結果表明，當靠近基底的H層較第2個H層厚度更薄時，減反效果更優，因此，對于含ITO膜的減反設計，選用G／HLML作為初始膜系．

1．3膜層制備和光學常數擬合所有膜層均采用離子束輔助電子束蒸發方式進行制備．其中，TiO2和SiO2膜層是常用膜層，其制備工藝相對成熟［7］．而ITO膜的光電性能與制備條件密切相關［8－9］，針對LCD的要求，并結合文獻［3，10］對ITO制備工藝的研究，對影響ITO膜性能的工藝因素進行優化．優化后的各膜層的制備工藝參數如表1所示．利用表1所示的工藝參數，制備單層ITO膜，實驗發現，在一定厚度范圍內，薄膜的方阻隨厚度的增加而降低，欲滿足方阻值≤15Ω／□，ITO薄膜厚度須≥160nm．實際制備薄膜的光學常數與塊體材料存在一定的偏差［7］，因此，在進行膜系優化時，需要獲取實際制備薄膜的光學常數．TiO2和SiO2膜層在可見光具有高的透過率和低的吸收率，其色散模型符合cauchy模型，利用包絡法對兩種薄膜進行光學常數的提取［11］．對于透明導電膜ITO膜，其色散模型滿足Drude模型［12］．利用橢圓偏振儀建立相關模型，進行光學常數的擬合，提取的光學常數如圖2所示．對實測透過曲線與利用提取的光學常數模擬的透過曲線進行對比，如圖3所示．由圖可知，兩者具有良好的吻合性，表明所提取的ITO光學常數的準確性．

1．4膜系設計和制備將提取的實際制備各膜層光學常數，代入初始膜系結構進行優化．優化方法采用單純形調優法，對于ITO層，為保證方阻，其厚度應不低于160nm，優化時，設定ITO厚度為受約束變量，而TiO2和SiO2厚度為自由變量，同時，為了避免單純形調優法落入局部最優點，進行人為的干擾，從而達到更優值．最終膜系結構為：A：G／0．295H／0．533L／0．446H／1．259L／Air，λ0＝510nm；B：G／0．214H／0．392L／2．758M／1．05L／Air，λ0＝510nm．圖4給出優化后兩個界面剩余反射率設計曲線，其中，A為不含ITO的減反膜系，B為含ITO的減反膜系．將基片用乙醚和酒精的混合液擦試，用去離子水沖洗烘干后裝入真空室，鍍制前，用一定能量的離子束對基片進行不低于10min的清洗，膜層的沉積速率和厚度通過晶控儀進行控制，各膜層工藝參數見表1，最終完成減反膜系的制備．

2試驗結果與討論

2．1光學性能測試利用Cary50分光光度計測試30°入射時的剩余反射率，測試曲線如圖5所示．由圖5知鍍制含ITO的單面減反膜系后，剩余反射率在425～675nm光譜范圍內，平均值約為0．5％，鍍制不含ITO單面減反膜系后，剩余反射率平均值約為0．15％，基片剩余反射率滿足指標要求．

2．2方阻測試利用SZT－2A四探針測試儀進行薄膜方阻的測試，方阻大小為14Ω／□，滿足指標要求．

2．3膜層附著力和耐磨性檢測依據ASTM－1355－D的測試要求，對膜層的附著力進行檢測，用百格刀將1cm2的膜面分割為100小塊，利用1．9cm寬，剝落強度不低于350～400g／cm2的600型3M膠帶緊貼于膜面，把膠帶從膜面邊緣以90°角度迅速拉起，切口邊緣光滑，格子邊緣無任何剝落，結果為5B，即無脫膜現象．依據GJB2485－95的重摩擦檢測方法進行膜層耐摩性能檢測，壓力為9．8N的橡皮摩擦頭摩擦40次后，膜面未出現擦痕等損傷．

3結論

設計LCD用多功能膜層，利用單純形法進行含ITO層和不含ITO層的減反膜系的設計，采用離子束輔助蒸發方法制備反射率和方阻滿足要求的減反膜系．相關測試表明，多功能膜層性能能夠滿足要求。

作者：金揚利 邱陽 趙華 祖成奎 單位：中國建筑材料科學研究總院