自清洁膜系统及其形成方法与流程

本发明涉及一种自清洁膜系统及其形成方法。

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：

配置成用于降低污染物可见性的自清洁膜系统包括基底以及在基底上设置的膜。该膜包括限定多个腔体并由具有第一表面能的第一材料制成的单层。该膜还包括在多个腔体之内设置的多个贴片，以使得该多个贴片邻接第一材料。多个贴片中的每个由具有第二表面能的光催化材料制成，该第二表面能大于第一表面能。该膜具有：具有第一使用频率的触摸点区域，和具有第二使用频率的第二区域，且该第二使用频率小于第一使用频率。多个贴片以第一浓度呈现在触摸点区域中，且被配置成用于将污染物朝向第二区域引导。多个贴片以第二浓度呈现在第二区域中，且被配置成用于降低污染物的可见性，该第二浓度高于第一浓度。

在一个方面，触摸点区域可具有第一初始污染物浓度，且第二区域可具有第二初始污染物浓度，该第二初始污染物浓度低于第一初始污染物浓度。进一步，第一触摸点区域可具有第一工作污染物浓度，且第二区域可具有第二工作污染物浓度，该第二工作污染物浓度高于第一工作污染物浓度。

触摸点区域可具有中心，且第二区域可与该中心间隔开。多个贴片可以以具有浓度梯度的场呈现在单层中，该浓度梯度随着至中心的距离可增加，以使得多个贴片以第一浓度呈现在触摸点区域中，以及以第二浓度呈现在第二区域中。

在一个方面，该场可具有圆形形状，且可从中心辐射。在另一方面，该膜可具有与中心相间隔开的周边，并且该第二区域可沿着该周边延伸。

在另一方面，浓度梯度随着至中心的距离可能均匀地增加。在又一方面，浓度梯度随着至中心的距离可能非均匀地增加。

触摸点区域可能基本上不含角鲨烯。进一步，该膜可具有第一表面以及相对该第一表面间隔开并邻接基底的第二表面，且该第一表面可能基本上不含角鲨烯。另外，多个贴片沿着第一表面可以彼此相互非均匀地间隔开。

在一个方面，基底可具有邻接第二表面的近端表面，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。自清洁膜系统还可包括光源，该光源邻近于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。在另一方面，电磁辐射可具有从740nm到380nm的波长。进一步，膜可限定大于140°的水接触角。

第一材料可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。

在一个方面，光催化材料为二氧化钛，且以金红石形式呈现在多个贴片中。在另一方面，光催化材料为二氧化钛，且以锐钛矿形式呈现在多个贴片中。在另一方面，光催化材料为二氧化钛，且以金红石形式和锐钛矿形式的组合呈现在多个贴片中。进一步，基底可由二氧化硅制成。

一种用于形成配置成用于降低污染物可见性的自清洁膜系统的方法包括：将由具有第一表面能的第一材料制成的单层沉积至基质上。在沉积之后，该方法包括消融该单层以在其中限定多个腔体。在消融之后，该方法包括将具有第二表面能(其高于第一表面能)的光催化材料嵌入多个腔体的每个中，以在基底上形成膜，且因而形成自清洁膜系统。该膜包括在多个腔体之内设置的多个贴片，以使得该多个贴片邻接第一材料。多个贴片中的每个由光催化材料制成。该膜具有：具有第一使用频率的触摸点区域，和具有第二使用频率的第二区域，且该第二使用频率小于第一使用频率。多个贴片以第一浓度呈现在触摸点区域中，且被配置成用于将污染物朝向第二区域引导。多个贴片以第二浓度呈现在第二区域中，且被配置成用于降低污染物的可见性，该第二浓度高于第一浓度。

当结合附图和所附权利要求，从以下优选实施例以及用于实践本发明的最佳模式的详细描述，可以更容易地理解本发明的以上特点和优势以及其它特点和优势。

附图说明

图1是包括在基底上设置的膜的自清洁膜系统的示意前视图。

图2是图1的自清洁膜系统沿剖面线2-2截取的示意剖视图。

图3是图1的自清洁膜系统的示意性局部放大、透视图。

图4a是图1的膜的部分的示意性俯视图。

图4b是图1的膜的第二实施例的部分的示意性俯视图。

图4c是图1的膜的第三实施例的部分的示意性俯视图。

图5a是图1的膜的场的示意性俯视图。

图5b是图5a的场的另一实施例的示意性俯视图。

图6是形成图1的自清洁膜系统的方法的一个实施例的流程图。

图7是图6的方法的部分的示意图。

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中通常示出自清洁膜系统10。自清洁膜系统10被配置成用于降低污染物100的可见性或醒目性。例如，自清洁膜系统10可适合用于一些应用，在该应用中，操作员可触摸并沉积指纹、油脂、和/或其它有机的或碳基污染物100或病菌至屏幕、透镜或表面。更具体地，自清洁膜系统10可用于需要清洁的、基本上无指纹的屏幕、透镜或表面的应用中。也就是，自清洁膜系统10可被用于将指纹和其它有机污染物100从这些屏幕、透镜或表面移除。

例如，自清洁膜系统10可被用于汽车应用，例如：在仪表板导航系统中，其包括触摸屏；或者包括透镜的车辆相机。可选地，自清洁膜系统10可被用于非汽车应用，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。

现参考图2，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由玻璃质、透明材料制成。例如，在一个实施例中，基底12可由二氧化硅制成。在另一实施例中，基底12可由聚碳酸酯或其它塑料制成。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上设置的膜14，例如，如以下更详细的阐述地化学结合至基底12。膜14可被配置成用于覆盖并保护基底12，使其不受指纹、油脂、病菌和有机污染物100(图1)的影响。也就是，膜14可被配置成用于引起指纹、油脂、病菌和有机污染物100沉积在膜14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。

更具体地，如参考图2所描述，膜14可具有第一表面16以及相对该第一表面16相间隔开的第二表面18。第二表面18可邻接基底12，且第一表面16可能基本上不含角鲨烯、有机材料、和/或其它油类脂肪酸。如在此所使用，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-hexamethyltetracosa-2，6，10，14，18，22-hexaene表示。通常，膜14的特征可在于为薄膜且可具有例如从10μm到150μm的厚度20。

基底12可具有邻接第二表面18的近端表面22以及相对该近端表面22间隔开的远端表面24。因此，基底12和膜14被配置成用于将可见光传输穿过近端表面22、远端表面24、第一表面16和第二表面18。基底12还可具有连接近端表面22和远端表面24的第一边缘26，以及相对该第一表面26相间隔开的第二边缘28。在一些实施例中，基底12可包括抗反射膜13。抗反射膜13可被配置成用于降低由自清洁膜系统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。尽管未示出，抗反射膜13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。

现参考图3，膜14包括单层30，该单层限定多个腔体32且由具有第一表面能的第一材料制成。第一材料可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，第一材料可从由全氟化碳硅氧烷聚合物、聚四氟乙烯、类金刚石碳、氟化类金刚石碳和氟化锡(iv)氧化物组成的组中选择。在一个实例中，第一材料可从由碳氟化合物聚合物、有机硅氧烷、氟化有机硅氧烷和它们的组合组成的组中选择。在一个实施例中，第一材料可为氟化材料。第一材料可具有在20℃下的从15mn/m到45mn/m的表面能的第一表面，例如20mn/m或30mn/m，其中，表面能指代每单位面积内产生新表面的力所做的功。

如在图3中最佳地示出，单层30可形成大部分膜14，且可表征为单层场。如在此所使用，术语单层指代具有一个分子的厚度20(图2)的层。也就是，单层30为一个分子厚度，且可表征为薄层。

如在图3中所示出，膜14还包括在多个腔体32之内设置的多个贴片34，以使得该多个贴片34邻接第一材料。也就是，多个贴片34可处于单层30之内并沿着该单层，但并未由第一材料覆盖。在一个实施例中，多个贴片34沿着第一表面16可以彼此相互相等地间隔开。在其它实施例中，多个贴片34可沿着第一表面16贯穿单层30随便地间隔开。也就是，参考图3，多个贴片34沿着第一表面16可以彼此相互非均匀地间隔开。仍在其它实施例中，多个区域32可以在单层30之内以一种模式布置，例如，均匀模式或非均匀模式，如在以下更详细地所阐述。以膜14的体积为100份来计，多个贴片34在膜14中可呈现有从约10份体积到约85份体积的量。

多个贴片34中的每个由具有第二表面能的光催化材料制成，该第二表面能高于第一表面能。光催化材料可给膜14提供自清洁能力。也就是，光催化材料可氧化和/或蒸发在膜14的第一表面16上存在的有机材料，例如角鲨烯，如以下更详细地所阐述。特别地，光催化材料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。例如，第二材料可以为二氧化钛。第二材料可具有在20℃下从70mn/m到200mn/m的第二表面能，例如90mn/m或110mn/m。

在一个实施例中，光催化材料为二氧化钛，且以金红石形式呈现在多个贴片34中。可选地，光催化材料可以为二氧化钛，且可以以锐钛矿形式(其与金红石形式相比展现相对较高的光催化活性)呈现在多个贴片34中。在其它实施例中，光催化材料可为二氧化钛，且可以以金红石形式和锐钛矿形式的组合呈现在多个贴片34中。进一步，光催化材料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。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。

光催化材料可表征为纳米颗粒，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，以膜14的体积为100份来计，光催化材料在膜14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，多个贴片34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。如以下更详细地阐述，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。

再次参考图2，膜14可限定大于140°的水接触角64。例如，膜14可限定大于或等于150°的水接触角64。由此，水、油和污染物100能够有效地在第一表面16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16横移，且膜14并未是可浸湿的。

再次参考图2，自清洁膜系统10还可包括光源36，该光源邻近于第一边缘26设置并被配置成用于发射电磁辐射。例如，光源36可以为紫外发光二极管，且电磁辐射可具有从400nm到100nm的波长。可选地，光源36可以为白炽灯或可见光发光二极管，且电磁辐射可具有从740nm到380nm的波长。

再次参考图1，膜14还具有：具有第一使用频率42的触摸点区域38，和具有小于第一使用频率42的第二使用频率44的第二区域40。换句话说，在自清洁膜系统10的操作过程中，与第二区域40相比，触摸点区域38可被更经常地触摸或使用。例如，触摸点区域38可相应于膜14的致动普通命令或覆盖预设按钮的区域，例如但不限于，“背”特征、预设无线电频率、“家用”特征、“电话”特征、“静音”特征、“接受”或“承认”特征、“个人识别号码或pin”登录箱、“帮助”特征、键盘上的数字、柄部、握持部等等。第二区域40可相应于膜14的不频繁使用部分，例如但不限于，边界、空白空间、标志、信息文本空间、门板、针等等。由此，第一使用频率42可能大于第二使用频率44从10倍到1000倍。因此，在使用自清洁膜系统10的过程中，与在第二区域40相比，在触摸点区域38上操作员可沉积相对更多的污染物100，例如，指纹、油脂、或有机物质，

由此，初始地，触摸点区域38可具有第一初始污染物浓度，且第二区域40可具有第二初始污染物浓度，该第二初始污染物浓度低于第一初始污染物浓度。然而，在使用过程中，第一触摸点区域38可具有第一工作污染物浓度，且第二区域40可具有第二工作污染物浓度，该第二工作污染物浓度高于第一工作污染物浓度。也就是，当操作员于触摸点区域38处触摸膜14时，污染物100或指纹油脂可以以一梯度沉积在膜14上。更具体地，污染物100或指纹油脂可吸附到第一表面16上，且由于范德华力，与单层30(图3)相比，可在多个贴片34(图3)上沉积相对更多的污染物100。然而，随着多个贴片34的光催化材料光催化地降解污染物100，该梯度可能相反，以使得与多个贴片34相比，在单层30上存在相对更多的污染物100。

进一步，由于单层30的第一表面能低于光催化材料的第二表面能，污染物100可被吸至光催化材料。因此，取决于多个贴片34的位移，污染物100可被诱导以移动离开具有更高的第一初始污染物浓度的触摸点区域38至具有更低的第二初始污染物浓度的第二区域40。然而，当污染物100重新到达多个贴片34时，光催化材料可降解污染物100。由此，随着污染物100连续地被引导至第二区域40，第二区域40可具有更高的第二工作污染物浓度。

由此，通过以一种模式布置多个贴片34，如参考图4a-5b所描述，膜14可将污染物100的扩散安排成从高使用区域即触摸点区域38离开至低使用区域及第二区域40，以平衡光催化材料的光催化工作负荷，氧化并蒸发污染物100，并降低污染物100的可见性。特别地，且如以下更详细地阐述，多个贴片34以第一浓度在触摸点区域38(图1)中呈现，且被配置成用于将污染物100朝向第二区域40(图1)引导。多个贴片34以第二浓度呈现在第二区域40中，且被配置成用于降低污染物100的可见性和醒目性，该第二浓度高于第一浓度。

例如，如在于图4a-5b中的几个实施例中所示，触摸点区域38可具有中心46，且第二区域40可与中心46相间隔开。由光催化材料制成的多个贴片34可以以具有浓度梯度50的场48呈现在单层30(图3)中，该浓度梯度随着至中心46的距离可增加，以使得多个贴片34以第一浓度呈现在触摸点区域38中，以及以第二浓度呈现在第二区域40中。因此，膜14可将污染物100(图1)的扩散引导离开触摸点区域38的中心46并至第二区域40，其可包括相对较高的第二浓度的多个贴片34和光催化材料。也就是，膜14可将污染物100朝向第二区域40引导，用于污染物100的光催化降解。因此，触摸点区域38可能基本上不含角鲨烯。换句话说，膜14的高使用区域即触摸点区域38可基本上不含指纹和污染物100。

在参考图5a和5b所描述的一个实施例中，在单层30(图3)中呈现的多个贴片34的场48可具有圆形形状并可从中心46辐射。在参考图4c所描述的另一实施例中，膜14可具有从中心46相间隔开的周边52，且第二区域40可沿着周边52延伸。针对该实施例，第二区域40可用作为污染物100的下沉，且可能由于例如装饰片、模塑或材料框而使得从用户的视野中遮掩。因此，在使用过程中，污染物100可移动至用户视野的外部，并可能从周边52掉落或蒸发。

参考图5a，浓度梯度50可随着至中心46的距离均匀地增加。可选地，参考图5b，浓度梯度50可随着至中心46的距离非均匀地增加，且可包括用于将污染物100以特定的方向引导通过膜14的方向梯度。

现在参考图6和7，通常示出了一种用于形成自清洁膜系统10(图1)的方法54。方法54包括将由具有第一表面能的第一材料制成的单层30沉积56到基底12上。借助于非限制性实例，沉积56可包括：喷涂、滚压、涂覆、浸涂、物理气相沉积、化学气相沉积、分子层沉积、原子层沉积、和它们的组合。也就是，单层30可以以合适的方式沉积至基底12上，以使得单层30化学地或物理地结合至基底12。例如，针对第一材料为全氟有机硅氧烷且基底12由二氧化硅支撑的实施例，第一材料的每个分子可被交联至第一材料的相邻分子，且当单层30沉积至基底12上时，在近端表面22(图2)处可生成新的化学键。

在沉积56之后，该方法54包括消融58该单层30以在其中限定多个腔体32(图7)。作为非限制性实例，消融58可包括激光消融、等离子体消融、紫外消融等等。消融58可沿着近端表面22移除单层30的若干分子，以限定多个腔体32。通常地，多个腔体32可从膜14的第一表面16(图2)延伸至膜14的第二表面18(图2)。

在消融58之后，该方法54包括将具有第二表面能(其高于第一表面能)的光催化材料嵌入60多个腔体32的每个中，以在基底12上形成膜14，且因而形成自清洁膜系统10。因此，膜14包括多个贴片34，该多个贴片包括光催化材料且在单层30之内设置，以使得多个贴片34中的每个邻接第一材料。嵌入60可包括将光催化材料植入或布置至单层30中，以使得光催化材料形成位于多个贴片34之内的柱状物。例如，嵌入60可包括利用掩膜62(图7)覆盖单层30的部分，以使得光催化材料仅仅被嵌入多个腔体32中且并未沉积在单层30的顶部之上。用于将光催化材料嵌入60多个腔体32中以形成位于单层30中的多个贴片34的核实过程包括但不限于：离子束沉积、原子层沉积、化学气相沉积、化学沉淀、电泳沉积、溅射、共溅射、离子注入、蒸发、共蒸发和脉冲激光淀积。

在尽管未示出的其它实施例中，方法54可包括将第一材料和功能化的光催化材料同时用化学方法吸附至基底12上，以形成化学结合至基底12的膜14，且因而形成自清洁膜系统10。因而，膜14包括由第一材料制成的单层30，以及每个由功能化的光催化材料制成并每个设置在单层30之内的多个贴片34，以使得多个贴片34中的每个邻接第一材料。也就是，第一材料以及功能化的光催化材料可被沉积到基底12上，同时地吸附至基底12上，并化学地结合至基底12。基底12的近端表面22可同时与第一材料和功能化的光催化材料起化学反应，以形成膜14。

在嵌入60或同时吸附之后，膜14包括多个贴片34，该多个贴片由光催化材料制成并沿着第一表面16(图2)彼此相互相间隔开。这种贴片34可被用于将指纹从膜14移除，以使得膜14展现出自清洁能力。

更具体地，方法54还可包括利用具有从400nm到100nm波长的电磁辐射照射多个贴片34，即利用紫外光照射多个贴片34。可选地，方法54还可包括利用具有从740nm到380nm波长的电磁辐射照射多个贴片34，即利用可见光照射多个贴片34。也就是，如以下更详细地阐述，光源36(图2)可被选择成用于发射电磁辐射(其具有调谐至光催化材料的带隙的波长)以发起沉积为指纹的角鲨烯或污染物100的光催化。如在此使用，术语带隙指代用于光催化材料的价带中的电子的最高允许能级与光催化材料的导带中的最低允许能级之间的能量差。换句话说，带隙指代使得光催化材料导电所需的最小光量。

方法54还可包括将膜14和污染物100接触。也就是，接触可包括触摸膜14，以使得操作员将指纹、角鲨烯、有机物质和/或油脂沉积至第一表面16(图2)上。当操作员触摸膜14时，油脂可包括油类脂肪酸且可被自然地综合并应用至膜14，或者可人为地被应用于膜14，例如通过喷涂或涂覆。角鲨烯或污染物100与光催化材料(暴露于由光源36发射的电磁辐射)之间的接触可开始光催化反应。更具体地，光催化材料可为光催化剂，例如二氧化钛。光催化反应可创造强氧化剂，并在光催化剂存在下将有机物质(例如角鲨烯)分解成二氧化碳和水，即，光催化材料；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，来自光催化材料的价带的电子可促进光催化材料的导带，这反过来可创建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，以增加膜14的总体自清洁效率。类似地，围绕光催化材料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膜14上的有机材料氧化。因此，方法54可包括氧化角鲨烯或污染物100。

另外，在与电子再组合之前，该孔可被捕获。对于这种情形，光催化材料可为功能化的。例如，方法54可包括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，膜14上单层30处呈现的、而非与多个贴片34相直接接触的有机材料可能与第一表面16(图2)动态平衡，且可朝向膜14上的相对更高能位置扩散，即多个贴片34。因此，方法54还可包括沿着膜14将角鲨烯从单层30扩散至多个贴片34中的至少一个。为了改善这种扩散，光源36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碳氟化合物的振动共振。这种调谐可使得角鲨烯或指纹能够沿着单层30摆动或横移至多个贴片34，在这里，角鲨烯或污染物100可经历以上描述的光催化反应。可选地或另外地，膜14还可被加热，例如通过红外辐射，以进一步改善朝向多个贴片34通过单层30的扩散。

由此，方法54还可包括蒸发角鲨烯或污染物100。更具体地，一旦污染物100接触到光催化材料处的多个贴片34，污染物100可被光分解成相对低蒸气压力尺寸件或部分，其可从膜14蒸发，并因而将指纹或污染物100从膜14移除。也就是，膜14可通过移除、例如氧化和蒸发污染物100(即指纹、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和方法54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。