有纹理的自清洁膜系统以及用于形成该膜系统的方法与流程

本发明涉及一种自清洁膜系统以及用于形成该自清洁膜系统的方法。

装置，例如显示系统，通常被设计成由操作员来触摸。例如，车辆可包括显示系统，该显示系统经由触摸屏将信息呈现给操作员。类似地，自动取款机或公用电话亭可包括通过触摸激活的显示系统。

其它装置，例如相机和眼镜，通常包括透镜表面，其在使用过程中可能被操作员无意地触摸。进一步，其它装置，例如车辆、窗户、镜子、器具、厨柜、家具、移动电话、指纹扫描器、传感器、复印机、医疗器械和工作台面，还可包括可由操作员触摸的一个或多个表面。因此，在使用过程中，操作员可能将指纹和/或油脂沉积到这种装置和表面上。

技术实现要素：

一种自清洁膜系统包括基底和在该基底上设置的抗反射膜。该抗反射膜包括由二氧化钛形成的第一片材，由二氧化硅形成并在第一片材上设置的第二片材，和由二氧化钛形成并在第二片材上设置的第三片材。自清洁膜系统还包括自清洁膜，该自清洁膜设置在抗反射膜上且包括在第三片材上设置并由氟化材料形成的单层，该氟化材料从由氟化有机化合物、氟化无机化合物和它们的组合组成的组中选择。该自清洁膜还包括在单层之内设置的第一多个区域，以使得第一多个区域中的每个邻接氟化材料并由该氟化材料围绕，其中，第一多个区域中的每个包括光催化材料。

在一个方面，自清洁膜可具有第一表面和第二表面，该第二表面相对该第一表面间隔开并邻接抗反射膜。第一表面可能基本上不含角鲨烯和水。

该基底可具有邻接抗反射膜的近端表面，相对该近端表面间隔开的远端表面，连接近端表面和远端表面的第一边缘，和相对该第一边缘间隔开的第二边缘。

在另一方面，自清洁膜系统还可包括光源，该光源邻近第一边缘设置并被配置成用于发射电磁辐射。电磁辐射可具有从400nm到100nm的波长。可选地，电磁辐射可具有从740nm到380nm的波长。

自清洁膜可限定大于140°的水接触角。光催化材料可以为二氧化钛且可以金红石形式呈现。在另一方面，光催化材料可以为二氧化钛且可以锐钛矿形式呈现。可选地，光催化材料可为二氧化钛，且可呈现为金红石形式和锐钛矿形式的组合。

在一附加的方面，光催化材料可掺杂有银。可选地，自清洁膜系统还包括在单层之内设置的第二多个区域，以使得第二多个区域中的每个邻接氟化材料并由该氟化材料围绕。第二多个区域中的每个可包括银。在一个方面，氟化材料为氟化类金刚石碳。

在又一方面，单层可具有由多个微米结构和多个纳米结构的组成限定的纹理。

在另一方面，抗反射膜还可包括在第三层上设置并由二氧化硅形成的第四层。第一片材可具有第一厚度，第二片材可具有大于第一厚度的第二厚度，且第三片材可具有大于第一厚度和第二厚度的第三厚度。

在另一实施例中，自清洁膜系统包括基底和在该基底上设置的抗反射膜。该抗反射膜包括由二氧化钛形成的第一片材，由二氧化硅形成并在第一片材上设置的第二片材，和由二氧化钛形成并在第二片材上设置的第三片材。第一片材具有第一厚度，第二片材具有大于第一厚度的第二厚度，且第三片材具有大于第一厚度和第二厚度的第三厚度。自清洁膜系统还包括自清洁膜，该自清洁膜设置在抗反射膜上且包括在第三片材上设置并由氟化材料形成的单层，该氟化材料从由氟化有机化合物、氟化无机化合物和它们的组合组成的组中选择。单层具有由沿着单层彼此相互相间隔开的多个微米结构以及在多个微米结构上设置的多个纳米结构限定的纹理。自清洁膜还包括在单层之内设置的第一多个区域，以使得第一多个区域中的每个邻接氟化材料并由该氟化材料围绕，其中，第一多个区域中的每个包括光催化材料。

在一个方面，多个微米结构中的每个具有圆锥形状和从0.5μm到2μm的第一高度，而且进一步的其中，多个纳米结构中的每个具有从1nm到4nm的第二高度。在另一方面，抗反射膜还可包括在第三层上设置并由二氧化硅形成的第四层。

一种形成自清洁膜的方法包括将抗反射膜沉积在基底上。抗反射膜包括由二氧化钛形成的第一片材，由二氧化硅形成并在第一片材上设置的第二片材，和由二氧化钛形成并在第二片材上设置的第三片材。该方法还包括将自清洁膜磁控溅射在抗反射膜上。自清洁膜包括在第三片材上设置并由氟化材料形成的单层，该氟化材料从由氟化有机化合物、氟化无机化合物和它们的组合组成的组中选择。自清洁膜还包括在单层之内设置的第一多个区域，以使得第一多个区域中的每个邻接氟化材料并由该氟化材料围绕。第一多个区域中的每个包括光催化材料。该方法还包括，在磁控溅射之后，反应离子利用sf6-o2气体蚀刻该自清洁膜，以生成由沿着单层彼此相互相间隔开的多个微米结构以及在多个微米结构上设置的多个纳米结构限定的纹理。

在一个方面，反应离子蚀刻包括形成具有圆锥形状和从0.5μm到2μm的第一高度的多个微米结构中的每个，和形成具有从1nm到4nm的第二高度的多个纳米结构。

从以下结合附图对实现本发明的最佳模式的详细描述中，将很容易清楚本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点。

附图说明

图1是自清洁膜系统的示意性透视图。

图2是沿剖面线2-2截取的图1的自清洁膜系统的示意性剖视图。

图3是图1的自清洁膜系统的另一实施例的示意性透视图。

图4是图1和3的自清洁膜系统的表面的示意性局部放大视图。

图5是形成图1和3的自清洁膜系统的方法的示意图。

具体实施方式

参考附图，其中，相同的附图标记指代相同的元件，在图1和3中通常以10、110示出自清洁膜系统。自清洁膜系统10、110可适合用于一些应用，在这些应用中，操作员可能触摸并将指纹、油脂、和/或其它有机或碳基污染物或病菌100(图4)沉积到屏幕、透镜或表面上。更具体地，自清洁膜系统10、110可用于需要清洁的、基本上无油脂的、无指纹的以及无水的屏幕、透镜或表面的应用中。也就是，自清洁膜系统10、110可用于将指纹和其它有机污染物100从这种屏幕、透镜或表面移除，且可能表征为超疏油的和超疏水的。

例如，自清洁膜系统10、110可用于汽车应用，例如：包括触摸屏的仪表板导航系统、包括透镜的车辆相机、车辆镜子和车辆内表面。可选地，自清洁膜系统10、110可用于非汽车应用，例如但不限于，消费性电子产品、移动电话、眼镜、个人防护设备、器具、家具、公共电话亭、指纹扫描仪、医学装置、传感器、飞行器和工业车辆。

现在参考图1，自清洁膜系统10包括基底12。基底12可由适合用于折射可见光的玻璃质、透明材料形成。例如，在一个实施例中，基底12可由二氧化硅形成。在另一实例中，基底12可由聚碳酸酯或其它塑料形成。在一个实施例中，基底12可由二氧化硅形成。根据自清洁膜系统10的期望应用，基底12可具有合适的基底厚度14(图2)。例如，基底12可具有从100nm到500nm的基底厚度14。通常，借助于非限制性实例，基底12可被配置为显示系统的屏幕、眼镜或护目镜的透镜、头盔的护目镜、冰箱的表面、厨柜面、车辆的门板、公共电话亭的触摸屏、或者如那些可由操作员触摸的另一表面或装置。

自清洁膜系统10还包括在基底12上设置的抗反射膜16。抗反射膜16可被配置成用于降低从自清洁膜系统10的反射，且因而提高了自清洁膜系统10的效率，因为在系统10中损失的光能够被最小化。由此，自清洁膜系统10具有自清洁能力和比较低的反射率。抗反射膜16可由抗反射涂层制成，该抗反射涂层包括二氧化硅和二氧化钛的交替层18、20、22。二氧化硅和二氧化钛的交替片材18、20、22中的每个可具有从5nm到125nm的厚度26、28、30(图2)。进一步，每层18、20、22的厚度26、28、30可如以下所阐述被最优化，以实现宽入射角下的宽带、光谱性能。

例如，如参考图2所描述，抗反射膜16包括由二氧化钛形成的第一片材18。第一片材18可具有从5nm到25nm的第一厚度26，例如10nm，且可具有相对低的折射率。抗反射膜16包括由二氧化硅形成并在第一片材18上设置的第二片材20。第二片材20可具有大于第一厚度26的第二厚度28以及相对高的折射率。例如，第二厚度28可以为从20nm到45nm，例如33nm。抗反射膜16包括由二氧化钛形成并在第二片材20上设置的第三片材22。第三片材22可具有大于第一厚度26和第二厚度28的第三厚度30以及相对低的折射率。第三厚度30可以为从50nm到200nm，例如100nm。尽管未示出，抗反射膜16还可包括多于三个的层或片材18、20、22。例如，在参考图3所描述的一个实施例中，抗反射膜16可包括在第三片材22上设置的第四片材24。第四片材24可由二氧化硅形成，且可具有从50nm到150nm的第四厚度32，例如75nm。第四片材24可具有相对高的折射率。在一个实施例中，第四厚度32小于第三厚度30并大于第二厚度28。

再次参考图1，自清洁膜系统10还包括在抗反射膜16上设置的自清洁膜34，例如，如在以下更详细地阐述，化学结合至抗反射膜16。自清洁膜34可被配置成用于覆盖并保护基底12和抗反射膜16，使其不受指纹、油脂、病菌和有机污染物100(图4)的影响。也就是，自清洁膜34可被配置成用于引起指纹、油脂、病菌和有机污染物100沉积在自清洁膜34上，以不再出现、消失或蒸发，以便维持清洁的基底12，其能够显示清晰的图像或反射。特别地，在一些实施例中，自清洁膜34可替代抗反射膜16的最顶层，以便将抗反射和自清洁能力集成至单层中。由此，自清洁膜系统10可使得复杂度和层堆叠制造与设计最小化。例如，针对自清洁膜系统10，粘性时间和材料消耗成本可以为相对较低的。

更具体地，如参考图2所描述，自清洁膜34可具有第一表面36以及相对第一表面36相间隔开的第二表面38。第二表面38可邻接抗反射膜16，且第一表面36可能基本上不含角鲨烯和水、有机材料、和/或其它油脂脂肪酸。如在此使用，术语角鲨烯指代具有30碳原子的有机化合物，且由国际纯粹及应用化学联合会名(6e，10e，14e，18e)-2，6，10，15，19，23-六甲基二十四碳-2，6，10，14，18，22-六烯表示。通常，自清洁膜34可表征为薄膜，且可具有例如从5nm到30nm的膜厚度40，例如10nm。

基底12还可具有邻接抗反射膜16的近端表面42以及相对近端表面42间隔开的远端表面44。因此，基底12、抗反射膜16、和自清洁膜34被配置成用于将可见光传输通过近端表面42、远端表面44、第一表面36和第二表面38。基底12还可具有连接近端表面42和远端表面44的第一边缘46，以及相对第一边缘46相间隔开的第二边缘48。

自清洁膜34可限定大于或等于115°的水接触角50，例如，大于140°。例如，自清洁膜34可限定大于或等于150°的水接触角50。由此，水、油和污染物100(图4)能够有效地在第一表面36上形成珠状并横移通过该第一表面。换句话说，水、油和污染物100可以为移动的并有效地沿着第一表面36横移，以使得自清洁膜34为超疏油的和超疏水的。

参考图2，自清洁膜系统10还可包括光源52，该光源邻近第一边缘46设置并被配置成用于发射电磁辐射。例如，光源52可为紫外发射二极管，并且电磁辐射可具有从400nm到100nm的波长。可选择地，光源52可为白炽灯或可见光光发射二极管，并且电磁辐射可具有从740nm到380nm的波长。

自清洁膜34由自清洁涂层组分形成。也就是，自清洁膜34可减轻指纹、水和油沉积，即自清洁。自清涂层组分和自清洁膜34包括光催化材料54(图1)和氟化材料56(图1)，如以下更详细地阐述。

现在参考图1，自清洁膜34包括设置在第三片材22上并由氟化材料56形成的单层58，该氟化材料选自由氟化有机化合物、氟化无机化合物和它们的组合组成的组。如在图1中最佳地示出，单层58可形成大部分自清洁膜34且可以表征为单层场。如在此所使用，术语单层指代具有一个分子的厚度40(图2)的层。也就是，单层58为一个分子厚度且可以表征为薄层。在一个实施例中，氟化材料为氟化类金刚石碳。在另一实施例中，氟化材料为氟化锡(iv)氧化物。氟化材料，即氟化有机化合物、氟化无机化合物、和它们的组合，例如氟化类金刚石碳或氟化锡(iv)氧化物，给自清洁膜34提供有超疏水性、抗水性、抗菌性能、防污性能和抗划伤性。自清洁膜34还可有助于周边环境的清洁空气质量，在该环境中使用了自清洁膜34。

如在图1中所示，自清洁膜34还包括在单层58之内设置的第一多个区域62，以使得第一多个区域62中的每个邻接氟化材料并由该氟化材料围绕。也就是，第一多个区域62可位于单层58之内并沿着该单层。在一个实施例中，第一多个区域62可沿着第一表面36彼此相互相等地间隔开。在其它实施例中，第一多个区域62可沿着第一表面36贯穿单层58随便地间隔开。仍在其它实施例中，第一多个区域62可以以一种模式布置在单层58之内。以自清洁膜34的体积为100份来计，第一多个区域62在自清洁膜34中可呈现有从约10份体积到约85份体积的量，例如，基于自清洁膜34的100份体积，约50份体积。

第一多个区域62中的每个包括光催化材料，例如二氧化钛。光催化材料54可给自清洁膜34提供有自清洁能力。也就是，光催化材料54可氧化和/或蒸发在自清洁膜34的第一表面36上呈现的有机材料，例如角鲨烯，如以下更详细地阐述。特别地，光催化材料54可以为一旦暴露于例如可见光或紫外光而实现光激活的光催化剂。

合适的光催化材料54可包括但不限于，光致氧化半导体、半导体氧化物、掺杂金属氧化物、异质结材料和它们的组合。

在一个实施例中，光催化材料54可为二氧化钛，且可以以金红石形式呈现在第一多个区域62中。可选地，光催化材料54可为二氧化钛，且可以以锐钛矿形式呈现在第一多个区域62中，该锐钛矿形式与金红石形式相比可展示相对较高的光催化活性。在其它实施例中，光催化材料54可为二氧化钛，且可以以金红石形式和锐钛矿形式的组合呈现在第一多个区域62中。进一步，光催化材料54可被掺杂以形成功能化的光催化材料，例如，功能化的二氧化钛。例如，功能化的光催化材料可以掺杂有金属，例如，但不限于，铬、钴、铜、钒、铁、银、铂、钼、镧、铌以及它们的组合。在一个实施例中，光催化材料54可掺杂有银。可选地，该功能化的光催化材料可掺杂有非金属，例如但不限于，氮、硫、碳、硼、钾、碘、氟和它们的组合。

光催化材料54可以表征为纳米颗粒，且可具有在纳米量级上可测量的平均直径。可选地，光催化材料54可表征为颗粒，且可具有在微米量级上可测量的平均直径。通常地，以自清洁膜34的体积为100份来计，光催化材料54在自清洁膜34中可呈现有从约2份体积到约35份体积的量。

在其它非限制性实施例中，光催化材料54可包括半导体氧化物，例如但不限于，氧化锌、铋、氧化锡和它们的组合。该半导体氧化物可被选择成以具有适合于光催化反应的带隙分离，如以下更详细地阐述。

如以上所阐述，在一些实施例中，自清洁膜34可替代抗反射膜16的最顶层，例如第四片材24(图3)。进一步，根据在氟化材料中呈现的氟的百分比，氟化材料56可具有从约1.2到约1.6的折射系数，例如，从约1.3到约1.5。因此，自清洁膜系统10可包括由氟化材料56形成的相对较厚的单层58，且反过来可有助于实现光催化材料54的相对更大的光催化活性。氟化材料56还可为透明的，且具有优异的耐久性。由此，针对一些实施例，氟化材料可允许实现抗反射膜16的最顶层，例如第四片材24的替代。

在另一实施例中，自清洁膜34可包括在单层58之内设置的第二多个区域64，以使得第二多个区域64中的每个邻接氟化材料56并由该氟化材料围绕，其中，第二多个区域64中的每个包括银。

也就是，第二多个区域64还可位于单层58之内并沿着该单层。在一个实施例中，第二多个区域64可沿着第一表面36彼此相互相等地间隔开。在其它实施例中，第二多个区域64可沿着第一表面36贯穿单层58随便地间隔开。仍在其它实施例中，第二多个区域64可以以一种模式布置在单层58之内。以自清洁膜34的体积为100份来计，第二多个区域64在自清洁膜34中可呈现有从约10份体积到约85份体积的量，例如，基于自清洁膜34的100份体积，约25份体积。

银可以表征为纳米颗粒，且可具有在纳米量级上可测量的平均直径。可选地，银可表征为颗粒，且可具有在微米量级上可测量的平均直径。通常地，以自清洁膜34的体积为100份来计，银在自清洁膜34中可呈现有从约2份体积到约35份体积的量。银可给自清洁膜34提供抗菌和空气净化性以及防污性。例如，银可破坏细菌细胞功能。特别地，银可有助于磷脂分解，以使得细菌细胞不能很好地经历呼吸。

现在参考图4，单层58可具有由多个微米结构68和多个纳米结构70的组合限定的纹理66。更具体地，多个微米结构68沿着单层58可彼此相互相间隔开，且多个纳米结构70可在多个微米结构68中的每个上设置。进一步，多个微米结构68中的每个可具有圆锥形状和从0.5μm到2μm的第一高度72，例如1μm。多个纳米结构70中的每个可具有从1nm到4nm的第二高度74，例如2nm。由多个微米结构68和多个纳米结构70的组合限定的纹理66可形成菜花状或树莓状非平滑第一表面36。在一个具体实施例中，单层58可以表征为有纹理的类金刚石碳。在多个微米结构68上设置的多个纳米结构70可形成分层的随机结构或纹理66，其有助于自清洁膜34的自清洁能力。多个微米结构68和多个纳米结构70一起可增加与水和油的接触角50(图2)，以使得自清洁膜34展示出优异的防污性和最小可湿性。

也就是，接触角50可能与第一表面36的表面能负相关。换句话说，随着第一表面36的表面能降低，接触角50可增加。另外，随着接触角50的增加，第一表面36可变的相对不易浸湿以及更疏水。由于自清洁膜34具有由多个微米结构68和多个纳米结构70限定的纹理66，自清洁，34可限定大于140°的水接触角50，例如大于150°，且第一表面36可因此同时为超疏油的和超疏水的。

现在参考图5，形成自清洁膜系统10、110的方法76包括将抗反射膜16沉积78到基底12上。更具体地，沉积78抗反射膜16可包括将由二氧化钛形成的第一片材18(图2)磁控溅射80、将由二氧化硅形成的第二片材20(图2)磁控溅射180至第一片材18上，以及将由二氧化钛形成的第三片材22(图2)磁控溅射280至第二片材20上。在另一实施例中，沉积78还可包括将由二氧化硅形成的第四片材24磁控溅射至第三片材22上。磁控溅射80、180、280可包括使用旋转式或平面靶集聚第一、第二和第三片材18、20、22。沉积78抗反射膜16可形成如在图2中所示出的交替片材18、20、22。

方法76还包括将自清洁膜34磁控溅射380在抗反射膜16上。磁控溅射380可包括使用例如碳靶和聚四氟乙烯靶将氟化材料56沉积至抗反射膜16上。特别地，方法76还包括将氟化材料56设置到抗反射膜16上，该氟化材料从由氟化有机化合物、氟化无机化合物和它们的组合组成的组中选择。例如，方法76可包括将氟化类金刚石碳设置到抗反射膜16上。可选地，方法76可包括将氟化锡(iv)氧化物设置到抗反射膜16上。氟化材料56可以以合适的方式被磁控溅射到第一层18上。例如，磁控溅射380可使用平面靶或旋转式靶为反应的。

在磁控溅射80之后，方法76还包括：反应离子利用sf6-o2气体蚀刻82自清洁膜，以生成由沿着单层58彼此相互相间隔开的多个微米结构68以及在多个微米结构68的每一个上设置的多个纳米结构70限定的纹理66(图4)。反应离子蚀刻82可包括改变和优化sf6气体和o2气体的相对流率、压力和蚀刻时间中的一个或多个，以获取多个微米结构，该多个微米结构具有大致圆锥形状，约1μm的第一高度72和约50°的圆锥角。更具体地，反应离子蚀刻82包括形成具有圆锥形状84和从0.5μm到2μm的第一高度72的多个微米结构68中的每一个，和形成具有从1nm到4nm的第二高度74的多个纳米结构70中的每一个。进一步，反应离子蚀刻82可包括在磁控溅射80过程中将沉积能最小化。

在自清洁膜系统10、110的使用过程中，操作员可将指纹、角鲨烯、有机物质和/或油脂沉积到第一表面36(图2)上。随着操作员触摸膜第一表面36，油脂可包括油类脂肪酸且可被自然地合成并涂覆至第一表面36，或者可人为地被涂覆于第一表面36，例如通过喷涂或涂覆。

角鲨烯、光催化材料54(暴露于由具有小于357nm的光源发射出的电磁辐射)与水之间的接触可引起自由基的形成。该自由基然后可以与烃类碎片反应。更具体地，光催化材料54可以为光催化剂，例如二氧化钛。光催化反应可生成强氧化剂并分解有机物质(例如角鲨烯)，以在光催化剂(即光催化材料54)的存在的作用下将链烃缩短成二氧化碳和水；电磁辐射，例如紫外光；和水，例如来自环境状况的湿度。由此，光催化材料54未由催化反应消耗，但可替代地仅仅作为非反应物加速光催化反应。

更详细地，当具有期望波长的电磁辐射照亮光催化材料54时，来自光催化材料54的价带的电子可促进光催化材料54的导带，这反过来可生成价带中的孔以及导带中过量的负电荷或电子。该孔可辅助氧化且该电子可辅助还原。通常地，孔可与水相组合以生成羟基(·oh)。该孔还可直接地与角鲨烯或其它有机材料相反应，以增加自清洁膜系统10、110的总体自清洁效率。类似地，围绕光催化材料54的周边环境中的氧可通过电子还原以形成超氧离子(·o2-)，其反过来可将呈现在自清洁膜系统10、110上的有机材料氧化。

另外，在与电子再组合之前，该孔可被捕获。对于这种情形，光催化材料54可为功能化的。例如，可利用例如钯或钌掺杂二氧化钛。钯或钌可用作为电催化剂并可增加电子到氧分子的传输，这反过来可降低出现电子和孔的再组合。

进一步，氟化材料56上呈现的、而非与光催化材料54相直接接触的有机材料可能与第一表面36(图2)动态平衡，且可朝向自清洁膜34上的相对更高能位置扩散，即光催化材料54。因此，自清洁膜34可沿着自清洁膜34将角鲨烯从氟化材料56扩散至光催化材料54。为了改善这种扩散，光源52可被调谐成发射具有一波长的电磁辐射，该波长被调谐至角鲨烯和氟化材料56的振动共振。这种调谐可使得角鲨烯或指纹能够沿着氟化材料56摆动或横移至光催化材料54，在这里，角鲨烯可经历以上描述的光催化反应。可选地或另外地，自清洁膜34还可被加热，例如通过红外辐射，以进一步改善朝向光催化材料54通过氟化材料56的扩散。

一旦角鲨烯接触到光催化材料54，角鲨烯可被光分解成相对低蒸气压力尺寸件或部分，其可从自清洁膜34蒸发，并因而将指纹从自清洁膜34移除。因此，自清洁膜34可通过移除、例如氧化和蒸发指纹、角鲨烯、油脂、病菌和/或由于操作员的触摸而沉积的有机材料，来保护基底12。因此，自清洁膜系统10、110可提供用于显示系统、透镜、传感器和表面的优异美观、清洁度和可读性。

尽管已经详细描述了用于实践本发明的最佳模式，熟悉本发明所涉及的领域的技术人员将理解用于实践落在所附权利要求的发明的范围之内的本发明的各种可选设计和实施例。