蛾眼抗反射膜(Moth-Eye Anti-Reflective Coating)簡介

反射光的影響

  • 在大太陽底下使用手機時,或是電視螢幕反射日光燈或太陽光而造成螢幕看不清楚。
  • 太陽能電池原理為將光能轉變成電能,當太陽能面板反射率太高會使進入面板的太陽光減少而降低光能的轉換率。
  • 逆光照相時,照出來的相片總是會有光點(鬼影)或眩光的情形發生。

      moth-eye-anti-reflective-coating_1.jpg moth-eye-anti-reflective-coating_2.jpg



反射原理

光從一介質進入另一介質時,如這兩介質的折射率不同,則光會在這兩介質界面處產生反射及折射現象。 當此兩介質折射率差值越大,其介面反射率R越大。 反射率R=[(n1-n2)/(n1+n2)]2

當光從空氣進入玻璃時,空氣折射率nair=1,玻璃折射率nglass=1.5,其界面反射率R=(0.5/2.5)2=0.04=4%,因此光從空氣進入玻璃時會有4%的光線被反射。


降低反射的方法

1.  利用材料表面起伏等表面結構及形狀引起之反射率變化與波長相關特性。

2.  利用半導體層中之能帶間躍遷吸收。

3.  利用不同折射率的多層光學薄膜中的薄膜干涉現象,達成抗反射效果。

在玻璃表面鍍一層MgF2(n=1.38)抗反射膜,則光從空氣進入MgF2時反射率為(0.38/2.38)2=0.025 ,光從MgF2進入玻璃時反射率為(0.12/2.88)2=0.0017,總反射率為0.025+0.0017=2.67%


上述這些方法雖能降低反射,但也存在許多缺點,ex:影像霧化、 僅能使用於特定波長段、製程複雜且昂貴、良率低…etc。


蛾眼表面結構

在1967年,Bernhard發現了夜行性的飛蛾其眼睛是由數十μm左右的微細六角形構成的集合體,這些六角形的表面還帶有直徑為100n~200nm左右的微細凹凸,其演化特性能防止眼睛的反光而使天敵或獵物不發現自己,且能高效聚集夜晚較微弱的光線來看清楚四周。




次波長結構

        科學家根據蛾眼製作出類似的結構體-次波長結構(subwavelength structure),根據等效介質理論(effective medium theory;EMT) ,其結構折射率等效於折射率漸變的多層薄膜,不僅能有效降低反射率,更解決了鍍製多層抗反射膜之間的製程問題及抗反射膜材料的選擇限制。


人工次波長結構



次波長結構原理

  • 當光閘的週期長度遠小於入射光之波長時,在光學上只會產生零階反射光,不會有高階繞射光,且其光學性質因等效介質理論可視為一均質薄膜。



moth-eye-anti-reflective-coating_5.jpg

光閘結構可等效於一固定折射率之均質薄膜

  


  • 次波長結構的設計即利用上述特性,微小的凸起物可視為許多遠小於入射光波長的不同週期光閘重疊,形成一折射率漸變的結構。


moth-eye-anti-reflective-coating_6.jpg

連續性光閘結構可等效於折射率漸變之薄膜




次波長結構應用

CANON、SHARP及多家廠商便將此一技術應用於相機鏡頭、液晶電視面板、太陽能面板及光學元件上來降低反射率。




參考文獻

[1]  SHARP專利號US20120234794 A1

[2]  Philippe Lalanne, Mike Hutley, The optical properties of artificial media structured at a subwavelength scale,2015

[3]  Michael Berger, Moth eyes inspire self-cleaning antireflection nanotechnology coatings,2008

[4]  以石英奈米鑑陣列作為具抗反射性質之次波長結構,儀科中心簡訊 ,第109期