最新訊息:臺灣光學薄膜的先驅者-專訪國立中央大學李正中榮譽教授

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本期光電長河人物專訪,為各位訪問到「臺灣光學薄膜先驅」-李正中榮譽教授。

李教授在光學薄膜研究領域貢獻斐然,培訓鍍膜專業人員並出版《薄膜光學與鍍膜技術》專書,該書不僅深獲科技部肯定,更吸引日本人取經,重要性不言而喻。除此之外,李教授在研究與教育領域的深耕,更深獲國際肯定。除了2016年榮獲"The SPIE Educator Award",更於2018年獲頒"The OSA Sang Soo Lee Award",成為亞洲首位同時獲得兩項殊榮的傑出學者。

李正中-亞洲首位SPIE教育家獎得主 李正中教授.png

註:本次專訪由國立中央大學光電科學與工程學系 - 特聘教授兼光電中心主任 陳昇暉教授擔綱。在此特別感謝陳昇暉教授與羅世芬小姐為本次專訪費心。

採訪|陳昇暉         記錄羅世芬         攝影羅世芬

陳昇暉特聘教授(以下簡稱陳)很高興我們今天有機會訪問李正中院長,來做人物專訪。李院長是不是可以跟我們談一談臺灣光學薄膜的發展與中央大學的光電科學研究所設立的狀況?

李正中榮譽教授(以下簡稱李)是的,臺灣的光學工業在80年代已經開始被重視了,因為光學影響光電科技的發展很大,所以中央大學為了因應世界的光電科技日趨蓬勃發展的需求,在理學院成立了光電科學研究所, 1982年開始招收碩士班,1987年開始招收博士班。

陳:但我知道您的專長是在光學鍍膜,是不是可以跟我們描述一下,你的求學過程,和當時臺灣光學鍍膜的狀況。

李:我剛開始是在中山科學研究院長晶體,做紅外線視窗,後來因為要開發雷射,所以我就到雷射組去開發雷射,開發雷射過程當中有稍微涉及到一點鍍膜,那時候在臺灣做雷射研究的只有交大,但是雷射系統也是用買的,我們自己做,什麼零件都買來組裝,其中工業用Power Supply很好買,我們要做High Power Laser必須High VoltageHigh Current,這種Power Supply隨便買不到,所以我自己去中華商場買DiodeCapacitor做整流器,我跟另外一個同事,一起把交流電變直流電做出Power SupplyLaser Tube也是請一個玻璃師傅吹玻璃,後來我們看到俄國文章是用氧化鋁不是用玻璃,再請他用氧化鋁一截一截接起來。但是,Laser Mirror只能買的,當我們Laser Power越做越大,Laser Mirror一打就燒掉,記得Laser Mirror好像從30塊美金買到300塊美金,到最後買到1000塊美金一對,那時一千塊美金是臺幣4萬塊。那時候我的薪水是一萬多,我說燒一下就兩三個月薪水不見,這到底是什麼玩意兒,同事裡剛好有美國留學回來的光學博士研究員,他說你的動手技術很強,東西到你手上可以把它變成實體去做出來,可是你沒有光學背景,所以Laser Mirror你不會鍍,所以你應該到美國學光學技術,美國光學是有兩個地方很好,一個是Rochester (羅切斯特大學)一個是Tucson(亞利桑那大學),我去圖書館查,就申請那兩個學校,申請以後UA先回覆希望我去,我就到亞利桑那大學去了,後來發現去亞利桑那大學是對的,因為亞利桑那大學有鍍膜大師,羅切斯特大學沒有鍍膜研究。Prof. Francis Turner是我第一個老師,一年後他退休了,後來Prof. Angus Macleod新聘進來,我就跟他學薄膜,那時候Prof. James Wyant也想要我轉去做光學檢測,可是後來我發現說薄膜涵蓋的不是只有光學,它的材料、化學、機械,各方面綜合知識要整合起來,臺灣如果沒有人做薄膜的話,我不知道下個會輪到誰來推動,因為學鍍膜很辛苦,裡面有科學有工程,還有手法,因為想要為臺灣走鍍膜這條路,所以我還是沒有離開薄膜。Prof. Macleod學問好人又好,但缺點是太忙了,他討論東西常常有人進來,根本沒辦法好好討論問題。反而是畢業後跟Macleod繼續保持互動,他把我變成一個學者,有向外學習的力量,但是我本身有一個要推動臺灣鍍膜產業的工程師性格,這兩個加起來讓我互相互補,現在想起來這一輩子做鍍膜蠻有意義的,因為臺灣不是沒有鍍膜工業,可是沒有科學的概念跟工程的技術,我把這兩個整合起來,開課教薄膜科學的概念,自己的實驗室也真的實驗推動鍍膜工程的技術。

1983年我在亞利桑那大學完成博士學位回國,那時候在臺灣的光學專家是不多,光學鍍膜專家更少,在學界裡面幾乎是沒有,而業界裡面做光學鍍膜的薄膜工程技術都是比較低層次的,好比說簡單的太陽眼鏡,還有簡單的抗反射膜,這些技術都是從日本跟歐洲的公司帶過來的,根本沒有基礎科學論述,所以如果說要發展光學鍍膜的話,這樣是不夠的。

 

陳:如果是這樣子的話,由你的觀點來看的話,那光學薄膜的人才要如何的培養?

李:那時候我瞭解狀況以後,我就認知到光學薄膜是光電科技發展必要重要技術,我們必須啟動光學薄膜的科學研究,建立鍍膜工業與產業以支持光電科技發展,於是我就開始編寫教材,傳授光學薄膜的科學技術、科學理論與工程技術,同時在中央大學的光電所開設光學薄膜課程並招收研究生,希望能夠帶動社會上對光學薄膜的重視。當業界慢慢對光學薄膜瞭解以後,開始對光學薄膜課程有需求,於是我從1987年起,分別在國科會儀器中心、自強工業科學基金會、工研院光電所、宗豪科技、光電科技工業協進會(PIDA)、工研院量測中心等單位,開授一到三天的短期密集訓練課程,培訓光學鍍膜工程師,推展臺灣的光學鍍膜工業,三十多年來,開了差不多有八十八次的短期訓練班,平均那時候每年開二到三次,除此以外,還把上課教材編寫成光學鍍膜教科書以便在短期間能夠有效地傳授足夠的知識,在1999年出了第一版,書名叫《薄膜光學與鍍膜技術》,到第二版的時候,日本人注意到這本書,就把它翻譯成日文版,兩年之後又再版一次,到了2008年它刷了第四刷,而中文版也持續更新再版,到了2019年的時候出版到第九版,隔年還榮獲科技部評選為2020最具影響力研究專書殊榮,這本書對薄膜的科技的推動很有幫助,讓我感到心中非常安慰,表示我沒有辜負了我所付出的心血。

除此之外,我也在中央大學建立光學薄膜實驗室,原因是我1991年開始從中山科學研究院,轉到中央大學任教的時候,繼續得到我原來單位中山科學研究院的研究經費支持,還有國科會、教育部、工研院以及業界的共同的幫忙,讓我在中央大學建立了光學薄膜實驗室,在1992年自行設計完成第一臺內徑850 mm的光學鍍膜機,裡面裝有電子鎗、光學監控器與離子源,這個設備讓學生可以實際在無塵室裡面學習如何清洗基板、鍍膜、鍍膜後的量測等完整的光學鍍膜工程訓練,也提供業界了解一個完整的鍍膜工作與工程實驗應該如何進行,所以有很多工業界的朋友都來參觀我們的實驗室,在學校這個實驗室裡我們利用這個設備來培養我們的碩士生與博士生從事科學研究,那麼業界跟學生經過我們這樣的工程訓練以後,他們到生產線就可以馬上上線,不必再多做很多訓練。

 

陳:所以臺灣的鍍膜產業還有人才都這樣建立起來了。不過我們知道臺灣的光學薄膜第一次登上國際的光電產業舞臺,是光通訊產業裡面的「次奈米窄帶濾光片」(DWDM filter)的研發與產生,可以跟我們講一講當初的過程與故事。

李:好,這是光學薄膜很重要的一個里程碑,鍍膜界裡面因為光通訊急需的要求,必須要用窄帶濾光片,那是一種高密度分波多工器(DWDM)紅外線帶通濾光片,穿透光譜的半高寬只有次奈米,例如100 GHz DWDM半高寬只有0.8nm50 GHz DWDM半高寬只有0.4nm,當初產業界所用的鍍膜機沒有窄帶濾光片的製程概念,所以設計出來的鍍膜機沒辦法做出窄帶濾光片這種東西,主要是因為當初產業界所用的鍍膜機它的膜厚均勻性不夠好,我們開始分析發現次奈米窄帶濾光片它的均勻性,對於鍍膜機的膜厚均勻性誤差要求到萬分之一以下,可是當時能提供最好的鍍膜機只能達到百分之一,而且光學監控系統的光源波長半高寬,差不多是兩個nm,無法作為監控製鍍0.8nm0.4nm的次奈米窄帶濾光片,經過模擬計算,差不多要三分之一寬度以下,也就是要鍍0.8nm的次奈米窄帶濾光片,需要0.2nm的光學監控系統,所以,當初大家都不清楚這個科學原理,也不知道怎麼去改進,也就是在工程的技術上沒辦法著手改進鍍膜機,我們有了這個知識以後,就開始把這個理論講給臺灣人聽。

除此之外,鍍膜還有一個關鍵要克服的是,不管用濺鍍也好,電子鎗蒸鍍也好,製作出來的膜質都有微結構,這種微結構做成「次奈米窄帶濾光片」以後,它會吸收空氣中的水分,光譜波長就往長波長漂,漂移的波長差不多有10nm,波長不對窄帶濾光片就不能用了。在1983Prof. MartinProf. Macleod已經證實用離子助鍍可以改善薄膜的緻密度,這種技術稱為「離子助鍍」,Ion Assisted Deposition,簡稱IAD,可以增加薄膜的緻密度,能使窄帶濾光片的中心波位不會漂移,我們早在1983年就把這個技術引進來,於1985年裝設一支離子源在中山科學院Leybold的機臺上,1992年裝一支在中央大學我們自己設計的鍍膜機上,這概念的引進有助於後來臺灣製鍍窄帶濾光片的時候能引領世界。因此,要改善這個鍍膜機,當時在臺灣沒有鍍膜工廠體會到這點,但是日本Shincron公司研發部卻注意到這件事情,就請我去協助他們分析學理,把學理講清楚,把光學監控系統改進,同時也採用了離子源,做離子助鍍,開發「次奈米窄帶濾光片」,等到Shincron開發差不多告一個段落了,1999年他們的研發人員就成立一個公司,叫「OPTORUNCo. Ltd.)」,OPTORUN成立以後就開始製造這個鍍膜機,取名叫「NBPF」開始販售。在此同時,美國的Veeco公司也開始利用雷射當光源來監控「次奈米窄帶濾光片」製程,雷射的半高寬更窄,所以沒有監控頻寬太寬問題,可是他要解決薄膜結構的問題,他們利用濺鍍的方法來製鍍窄帶濾光片以及光通訊各種所需要的濾光片,就把機臺取名叫「SPECTORIon Beam Sputtering Optical Coating System)」。

因為這時候臺灣鍍膜工業已經慢慢發展起來了,所以產品要跟上世界潮流去開發就必須買這種比較高階的鍍膜機,因此,就跟日本OPTORUN、美國Veeco,還有德國Leybold買高階鍍膜機,可是有了硬體(鍍膜機)以後還需要軟體(薄膜設計與製程)」的開發,所以那時候我就帶著學生在這些鍍膜機上開發軟體(薄膜設計與製程),製鍍了0.8 nm次奈米窄帶濾光片(100 GHz DWDM)給光通訊產業使用,這個使臺灣在國際光通訊產業上變成很重要的地位,而且臺灣變成有很龐大的光學鍍膜工業的地方,現在臺灣有鍍膜技術的公司差不多超過八十家,能夠製作光通訊元件DWDM公司有兩家,這兩家都引領世界光通訊之鍍膜產業,成為光通訊DWDM元件最大的供應商。此外,也有臺灣的鍍膜廠商也開始在製作一般鍍膜機臺,現在能夠做鍍膜機台的差不多有六家。

 

陳:這樣子臺灣終於有自己的高階鍍膜技術,那再接下來臺灣還需要開發什麼來持續發展光學薄膜技術?

李:鍍膜科技是一直在進步的,有了鍍膜工業以後,薄膜科學還是要不斷的發展,我認為我們要擴大跟世界交流,所以我在中央大學裡面就成立了薄膜技術中心。在2004年時,理學院院長葉永烜給我空間的支持,還有台達電子公司創辦人鄭崇華先生給我每年兩百萬元的經費贊助,成立了薄膜技術中心,漸漸地臺灣的光學鍍膜科技業開始跨到世界去,不但讓薄膜技術能夠提供國內光電業所需要的鍍膜,促進我國的科技發展,也成為世界鍍膜的供應者,同時我們也做各種薄膜相關學術研究,和國際知名大學實驗室交流,我帶領學生積極的發表學術論文,參與國際學術會議,主持會議與推動會議的議程。另一方面,也邀請國際的知名學者來訪,參加我們舉辦的學術研討會,使薄膜中心融入社會融入世界上,使薄膜技術中心融入世界薄膜技術各個先進的研究團體,繼續往前走,還要往前再走。接著,我們在2006年的時候,在中央大學成立了「光電科學與工程學系」,培育兼具科技與人文素養的光電學士,這時候很幸運地獲得台達電子公司創辦人鄭崇華慷慨地捐助了兩億五千七百萬,興建了國鼎光電大樓,解決了光電所擁擠的空間,而薄膜技術中心的軟體與硬體也有了完整的安排,擴大了學術研究、人才培育與工業服務的功能,增強了薄膜中心的宗旨,那麼這個薄膜的學術研究,必須一直還要一直要繼續發展,我感到很欣慰的是說,除了中央大學以外,現在在臺北科技大學光電系、輔仁大學的物理系、明新科技大學光電系、雲林科技大學的電子工程系,還有逢甲大學的光電系、電子系都有老師在傳授「光學薄膜技術」課程。

 

陳:看起來這薄膜的發展越來越蓬勃,那是不是可以請院長跟我們提一提「薄膜技術」未來的發展的趨勢是怎麼樣?做為今天的一些結論。

李:光電科技進步神速,光電科學的光學薄膜技術當然也要不斷地求新、求改進,那其中人才的培育也不能間斷,所以人才一定要繼續培育,那另外一個重要的議題就是地球的資源,因為科技在經濟掛帥下不斷地耗盡,那麼我們也在思索如何利用科技,如何兼顧科技發展,我們也不斷在思索如何利用兼顧科技發展與環境保護,建立新時代的科技文明,如何利用很少的材料,就是利用薄膜來製作有效的、很有效的、很大量的光電元件,如何利用薄膜技術來擷取太陽能,以及開發潔淨能源等等,這些很多工作都可以做,不過必須要大家一起來做才有效。

 

陳:好,謝謝院長今天接受我們的訪問,謝謝你。

李:好,謝謝,謝謝。

 註:本文將刊載於第162期光學工程季刊。(2024.9月號)

臺灣光學薄膜的先驅者-專訪國立中央大學李正中榮譽教授