用于显示装置的柔性耐刮擦性膜的制作方法

用于显示装置的柔性耐刮擦性膜的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于制造透明的耐刮擦性膜的方法，包括：(1)清洁柔性基材的表面；(2)改变所述柔性基材表面的表面能量；(3)采用包括官能化基团单体和溶剂的透明的耐刮擦性涂层涂敷所述柔性基材的表面；(4)润湿所述透明的耐刮擦性涂层；以及(5)通过固化所述透明的耐刮擦性涂层形成交联的聚合物结构。
【专利说明】用于显示装置的柔性耐刮擦性膜
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求享有于2011年10月25日提交的、标题为“用于显示装置的柔性耐刮擦性膜的方法和应用”的美国临时专利申请N0.61/551，009的优先权，并且通过参照并入本文中。
【背景技术】
[0003]触摸屏技术已成为许多现代电子器件诸如桌式计算机和移动电话的一个重要部分。典型地，触摸屏技术包括使用作为显示器零件的电阻式或电容式传感器层。由于使用者和屏幕直接接触的水平增加，用于采用这种技术的装置的屏幕经常容易受损。这种损伤典型地包括屏幕本身的擦伤和断裂，取决于使用的材料及其用途。因此，电阻式和电容式触摸传感器通常包括放置在显示器结构的顶部上的半透明的电绝缘罩，以保护触摸传感器面板并且使触摸传感器面板与环境条件、磨损、氧气以及有害的化学试剂隔离。
[0004]典型地，玻璃或聚酯膜被用作触摸屏面板中的保护罩。而柔性聚酯膜仅能提供最小级别的硬度。特别地，所述膜提供了介于从大约2H到4H范围内的表面硬度。因此，聚酯膜对刮擦敏感。另外，能产生高于7H的铅笔硬度读数的玻璃罩提供了非常好的刮擦保护。然而，这种玻璃罩不提供高水平的挠性，并且因此当用硬的表面撞击时对断裂敏感。

【发明内容】

[0005]当前公开的内容涉及在柔性透明基材膜上形成透明的耐刮擦性涂层的方法，能够实现大于6H的铅笔表面硬度。特别地，一些实施方案涉及一种柔性耐刮擦性膜，所述柔性耐刮擦性膜包括柔性基材和附着于柔性基材的透明的耐刮擦性涂层，其中所述透明的耐刮擦性涂层包括由官能化单体形成的交联的聚合物结构。
[0006]其它的实施方案涉及一种用于制造透明的耐刮擦性膜的方法，所述方法包括:(I)清洁柔性基材的表面；(2)改变所述柔性基材表面的表面能量；(3)采用包括官能化基团单体和溶剂的透明的耐刮擦性树脂涂层涂敷所述柔性基材的表面；(4)沉积所述透明的耐刮擦性涂层；以及(5)通过使所述透明的耐刮擦性涂层固化形成交联的聚合物结构。
[0007]更另外的实施方案涉及一种柔性耐刮擦性膜，所述柔性耐刮擦性膜包括柔性基材、附着于所述柔性基材的透明的耐刮擦性涂层，其中所述透明的耐刮擦性涂层包括由官能化单体形成的交联的聚合物结构，所述柔性耐刮擦性膜的铅笔硬度为至少6H，并且所述透明的耐刮擦性涂层具有至少50%的交联密度。
【专利附图】

【附图说明】
[0008]现在将参照附图更加详细地描述本发明的示例性实施方案，其中:
[0009]图1示出了根据本发明一个实施方案的线性的聚合物结构(A)和交联的聚合物结构⑶；
[0010]图2示出了用于制作透明的耐刮擦性膜的方法的一个实施方案的示意图；[0011]图3示出了用于制作透明的耐刮擦性膜的方法的一个供选实施方案的示意图；
[0012]图4示出了用于制作透明的耐刮擦性膜的方法的更另一个替代实施方案的示意图；
[0013]图5描述了根据本发明一个实施方案的透明的耐刮擦性膜的横截面示意图；并且
[0014]图6示出了在透明的耐刮擦性膜的表面上进行铅笔硬度测试的设备。
【具体实施方式】
[0015]以下讨论涉及本发明的各种实施方案。尽管这些实施方案的一个或多个可以是优选，但公开的实施方案不应当被解释为或者用于对包括权利要求书在内的本文范围的限制。另外，本领域技术人员将理解以下描述具有广义的应用，并且对任何实施方案的讨论仅意味着是对该实施方案的举例说明，并非希望宣布包括权利要求书在内的本文范围被局限于该实施方案。
[0016]如本文中使用的，词“大约”指“加上或者减去10%”。另外，如本文中使用的，词“透明的”指允许光波以90 %或更大的透射率传输的任何材料。
[0017]在触摸屏装置中应用的大多数涂层膜呈现基于聚合物的分子结构。聚合物是由化学地结合数千个相对小的被称为单体的分子而产生的相当大的分子。单体由于其分子间的作用力弱，能够以气态、液态或者结构上弱的分子结构的形式存在。
[0018]图1示出了线性的聚合物结构A和交联的聚合物结构B的实例。如本文中使用的，术语“交联的”指将一种单体或聚合物链互相连结的化学键(共价键或离子键)。在典型的聚合反应中，具有双官能团的单体被连接在一起，以形成线性聚合物结构A中的聚合物。然而，利用含有线性聚合物结构A的基于聚合物的涂层制成的膜，通常不是抗刮擦的。因此，为了增加涂层膜的耐刮擦性，需要增强聚合物涂层的机械强度。
[0019]交联的聚合物结构B以三维结构形式被连结在一起，增加了聚合物链内的分子间力(通常是共价键)，并且降低了聚合物链的松弛，松弛通常表现为受压下的凹痕或擦伤。因此，含有交联的聚合物结构B的基于聚合物的涂层膜将趋于具有耐刮擦性能。
[0020]尽管对于交联的聚合物结构而言分子强度较高，但是通过溶液过程将聚合物施用或者涂覆到基材上可能是不可能的。这是由于事实上当被交联的聚合物放置在溶剂中时，交联的聚合物不能溶解在溶剂中，并且典型地膨胀。液态的涂层成分允许分子移动并且更有效地发生反应。具有低密度交联网的材料表现为粘性的、像液体的凝胶，而具有高密度交联网的材料在其固态是非常刚硬的。根据优选的实施方案，在以液体形式被施用于基材后产生交联结构。可以在聚合物被施用于基材后形成交联结构。
[0021 ] 本发明的实施方案采用了基于交联结构的透明的抗刮擦性涂层，而不是源于聚合物链。作为替代，涂层可以由同时在不同的结合点发生作用以产生交联的三维聚合物结构的单体组成，显示出了非常高的交联密度，并且因此显示耐刮擦特征。特别地，透明的耐刮擦性涂层可以包括单官能和多官能的丙烯酸系单体和低聚物。该涂层可以被施用于能够用作电子设备诸如移动电话和桌式计算机中的显示器的保护罩的透明柔性膜上。
[0022]图2示出了用于生产根据本发明的各种实施方案的透明的耐刮擦性膜500的涂层施用系统200。涂层施用系统200通常包括电晕处理模块206、涂覆模块208、过渡区202和固化模块216。在操作期间，柔性且透明的基材204从开卷辊212被供给到涂层施用系统200内。基材204分别前进通过电晕处理模块206、涂覆模块208、过渡区204和固化模块216，得到透明的耐刮擦性膜500。当离开固化模块216时，透明的耐刮擦性膜500被沉积到卷绕辊218上。现在将更加详细地描述上面提到的每一个模块和步骤。
[0023]如所期望的，在至少某些实施方案中，电晕处理模块206从基材的表面204去除任何小颗粒、油和油脂，以便在施用耐刮擦性涂层202前具有清洁的表面。另外，电晕处理模块206也可用于改变(例如，增加)表面能量，以在基材204上获得充分的润湿和附着。当基材204经过电晕处理模块206时，高频电子被放电到基材204的表面上，形成高极性基团，所述高极性基团能够和涂层成分发生反应并形成氢键，导致附着力增强。通常而言，当更高级别的电子被释放到基材204的表面上时，形成更多的极性基团和附着点，最终导致更高的表面能量。
[0024]在一些实施方案中，基材204可以包括聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲醇乙二酯(PEN)、聚碳酸酯、纤维素聚合物或玻璃。特别地，适合于基材204的材料可以包括DuPont/Teijin Melinex454 和 Dupont/Teijin Melinex ST505,后者为专门针对涉及热处理的过程而设计的热稳定膜。此外，基材204的厚度可以处于从12微米到500微米的范围，优选的厚度为50微米至150微米。
[0025]取决于基材204使用的材料而异，需要的电晕处理可以在宽范围内通过瓦/密度而改变。例如，当基材204由PET膜组成时，电晕处理模块206中的强度水平可以处于从大约lW/min/m2到50W/min/m2的范围，而优选的表面能量可以处于从大约40到95达因/厘米的范围内。可替代地，当基材204由聚碳酸酯组成时，在电晕处理模块206中的强度水平可以处于从大约lW/min/m2到50W/min/m2的范围，而优选的表面能量可以处于从大约40到95达因/厘米的范围。
[0026]当离开电晕处理模块206时，基材204进入涂覆模块208。涂覆模块208用于在基材204上施用透明的耐刮擦性涂层202的均匀层。在示出的实施方案中，涂覆模块208利用了狭缝式模头工艺，其中涂覆模块208通过压力或重力挤出透明的耐刮擦性涂层202至柔性且透明的基材204上，形成相对精确的均匀层，厚度处于从大约3到50微米的范围，而优选的厚度处于15和20微米之间。代替槽膜涂覆工艺，透明的耐刮擦性涂层202也可以通过常用的涂覆技术诸如凹板涂敷、Meier棒涂敷涂覆和喷涂而被施用。
[0027]透明的耐刮擦性涂层202可以由直至100重量％浓度范围内的固体内容物组成，光引发剂或热引发剂的含量处于大约1%到6%的范围内。此外，涂层202可以含有大约20%至30%的溶剂，以调节粘性，这将取决于使用的涂覆方法和预期的厚度。潜在的溶剂实例可以包括酮类型溶剂，诸如丙酮、甲基乙基酮和异丁基甲乙酮，以及醇类型溶剂，诸如乙氧基乙醇和甲氧基乙醇。溶剂的加入不影响涂层202的性质，这是因为溶剂在施用后当通过炉通道时蒸发。溶剂也可以消除基材204通过电晕处理模块206后留下的任何残留物。
[0028]在其它实施方案中，涂层202可以由100%的固体内容物组成。通常，当使用100%的固体内容物时，当涂层在涂覆模块208中被沉积到基材204上并且通过固化模块216 (下面被描述)后，涂层202的优选涂层厚度基本上保持相同。当利用100%的固态树脂时，更容易实现较厚的涂层。可替代地，当使用溶剂时，当涂层移动通过涂层施用系统200时，由于溶剂蒸发出去的事实，涂层202的厚度将降低。例如，如果具有20微米的厚度并且具有20%的溶剂浓度的透明的耐刮擦性涂层202被沉积到基材204上，则在通过固化模块216后，厚度可以被降低20%或下降至16微米或者更小。溶剂可有助于操控粘性，能够匹配所需的涂覆装置操作，并且相当容易实现较薄的涂层。
[0029]如上所述，透明的耐刮擦性涂层202由反应形成交联的聚合物结构的官能化基团单体组成。潜在的可使用的官能化基团单体实例可以包括丙氧基化三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯、高度丙氧基化甘油基三丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、高纯三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、低粘度三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、丙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、三官能丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、二-三羟甲基丙烷四丙烯酸酯、二季戊四醇五丙烯酸酯、乙氧基化季戊四醇四丙烯酸酯和五丙烯酸酯。
[0030]另外，为了使涂覆过程具有适当的粘性并且控制交联聚合物的应力，也可以引入低官能化单体。可以使用的潜在低官能化单体实例包括聚乙二醇二丙烯酸酯、二丙二醇二丙烯酸酯、丙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯、1，3-丁二醇二甲基丙烯酸酯、新戊二醇二甲基丙烯酸酯、1，6-己二醇二甲基丙烯酸酯、1，4-丁二醇二甲基丙烯酸酯和二乙二醇二甲基丙烯酸酯。
[0031]最后，当利用紫外光光源(下面被讨论)固化涂层时，光引发剂可以被包括在透明的耐刮擦性涂层202中。潜在的光引发剂实例包括二苯甲酮类型引发剂，诸如二苯甲酮、4，4' -二羟基二苯甲酮、3-羟基二苯甲酮、4-羟基二苯甲酮、2-甲基-4’ -(甲基硫)-2-吗啉基苯基乙基酮和苯乙酮。
[0032]仍然参照图2，一旦基材204被涂敷透明的耐刮擦性涂层202，基材204和涂层202的组合移动到过渡区214上。过渡区214允许在基材204表面上适当的润湿涂层202。此夕卜，过渡区214可以被保持在室温下(位于20oC和30oC之间)或者升高的温度下，并且对于给定的材料节段，可以允许大约5秒至300秒的加工时间。在室温下，过渡区214允许涂层沉淀下来并且在大面积基材上铺开。在升高的温度下，涂层的粘性降低，并且可以相对容易地获得平滑并且平坦的表面。当存在溶剂时，升高的温度能够有助于在固化过程之前使溶剂蒸发。
[0033]当退出过渡区214时，基材204和涂层202进入固化模块216。而在固化模块216中，涂层202形成交联的聚合物结构(参见图1中的B)，这赋予涂层202以耐刮擦性。多个官能化单体发生反应变为交联的聚合物结构优选发生在涂层202仍处于液态时，以允许单体四处移动，并因此获得了更有效的交联结构。另外，为了获得高交联密度，同样优选的是在惰性气体环境中或者在基本无氧气(例如氧气小于1%)的环境中固化涂层202。用于该过程的一种合适的惰性气体实例是氮气和二氧化碳。
[0034]在示出的该实施方案中，固化模块216利用了紫外光光源215，当涂层202通过固化模块216时进行固化。紫外光光源216可以是UVA、UVB或UVC紫外光光源，并且优选为工业等级的紫外光光源，这是由于期望在非常短的时间段内固化涂层202。特别地，期望在大约0.1至2.0秒的数量级内固化涂层202。另外，期望紫外光光源215具有从大约280到480nm的波长，在周围气氛下，目标强度处于从大约0.25到20.00J/cm2的范围。最后，如果应用了惰性环境，则紫外光强度需求可以被降低一个数量级，并且实现相等的交联度。
[0035]现在参照图3，示出了本发明的一个替代实施方案。这里，基本上以与在上面的图2中描述的方式相同的方式生产透明的耐刮擦性膜500。然而，代替紫外光光源(图2中的数字215)，热固化模块302利用了沿着温度梯度304的热辐射，以导致涂层202形成交联的聚合物结构。固化模块302中的温度梯度304被设计成使得它在大约5至300秒的时间段内逐步地增加固化涂层202，降低涂层202上的热应力，并且避免任何可能的卷缩效应。特别地，温度梯度304产生并且保持三个温度区A、B和C，这三个温度区的范围可以分别从70oC、120oC和200oC起。如果涂层202中包括热引发剂，当通过热固化模块302时，热引发剂的活化温度可以处于从70oC到200oC的范围内。优选的温度处于70-150oC的范围内，应当匹配基材的稳定性。
[0036]现在参照图4，示出了本发明的一种替代实施方案。这里，基本上以与在上面的图2中描述的方式相同的方式生产透明的耐刮擦性膜500。然而，代替紫外光光源(图2中的数字215)，当前实施方案利用了电离辐射固化并且在层202内形成交联的聚合物结构。特别地，示出的实施方案采用电子束模块402实施该步骤。根据当前实施方案，电子束固化模块402应用电子泄放404来固化耐刮擦性涂层。更特别地，电子束模块402利用处于受控剂量下的高能电子来快速聚合并且交联聚合物材料。当采用电子束模块402时，在透明的耐刮擦性涂层202中无需使用热引发剂或光引发剂，这是因为溶液中的电子用作引发剂。在大约0.01至5秒的时间内在耐刮擦性涂层202上施用的电子束剂量可以处于从大约0.5到5兆拉德的范围内。
[0037]交联密度是指给定聚合物内的交联键的百分比。这种密度与反应时间和温度相关。通常，更高的强度和更快的反应导致更高的交联密度。这样，就交联反应的百分比而言，不同的固化方法提供不同的密度。最大交联密度在利用热固化过程时可以在大约50%至60 %的范围，利用紫外光固化时在60 %至70 %的范围，并且利用电子束固化时高达80 %。根据制造前景、根据处理速度、成本和能量需求，紫外光固化可以是优选的固化方法。可替代地，如果高级光学抛光是预期的，则热固化可以是优选的。
[0038]参照图5，示出了透明的耐刮擦性膜500的横截面。透明的耐刮擦性膜500通常包括柔性且透明的基材204以及透明的耐刮擦性涂层202。此外，与透明的耐刮擦性膜500的总重量相比，涂层202可以增加大约10至20%的重量，这要取决于需要保护罩的电子显示器的尺寸。
[0039]在一些实施方案中，透明的耐刮擦性膜500还可以包括透明的并且是柔性的粘合剂层(未示出)，所述粘合剂层被附着于与涂层202相对的基材204。粘合剂层允许透明的耐刮擦性膜500连接到电子触摸显示器，包括在诸如移动电话和桌式计算机的装置上发现的那些显示器。粘合剂层的可以厚度处于从大约20到50微米的范围内。例如，粘合剂层可以由3M光学透明的粘合剂#8171构成。
[0040]现在参照图6，示出了依照测试方法ASTM D3363进行的用于测量涂层202的表面硬度的铅笔硬度测试600。为进行测试，从呈现6B到9H的硬度范围的一组铅笔中选取铅笔602。从最高到最低硬度选择，第一支铅笔602被加载到测量推车604内。在该测试中使用的测量推车604为可从BAMR购买的Elcometer3080。该测量仪器使铅笔602能够保持在大约7.5N的恒定压力以及适当的角度下，这增加了测试的再现性。利用加载的铅笔602，测量推车604在涂层202的表面上移动。如果铅笔602留下了划痕，则使用下一支较软的铅笔602，并且重复该过程。未留下标记的第一支铅笔602的硬度数被视为涂层202的铅笔硬度。
[0041]利用从大约5至50微米的厚度，根据耐刮擦性涂层202的厚度，从2H直到9H测量位于由PET制成的基材204顶部上的涂层202的铅笔硬度。在PET基材204的耐刮擦性涂层202上采用优选15微米的厚度，能够实现大于或等于6H的表面铅笔硬度。表1中示出了施用于PET基材204的涂层202的性能特征。
【权利要求】
1.柔性耐刮擦性膜，其包括: 柔性基材；以及 附着于所述柔性基材的透明的耐刮擦性涂层； 其中所述透明的耐刮擦性涂层包括由官能化单体形成的交联的聚合物结构。
2.根据权利要求1所述的膜，其中所述膜的铅笔硬度为至少6H。
3.根据权利要求1所述的膜，其中所述透明的耐刮擦性涂层具有至少50%的交联密度。
4.根据权利要求1所述的膜，其中所述透明的耐刮擦性涂层包括单官能和多官能的丙烯酸系单体和丙烯酸系低聚物。
5.根据权利要求1所述的膜，其中所述柔性基材包括聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚碳酸酯、纤维素聚合物以及玻璃中的至少一种。
6.制造透明的耐刮擦性膜的方法，该方法包括: 清洁柔性基材的表面； 改变所述柔性基材的表面的表面能量； 采用包括官能化基团单体和溶剂的透明的耐刮擦性涂层涂敷所述柔性基材的表面； 润湿所述透明的耐刮擦性涂层；以及 通过固化所述透明的耐刮擦性涂层形成交联的聚合物结构。
7.根据权利要求6所述的方法，其中清洁柔性基材的表面和改变所述柔性基材的表面的表面能量包括施用高频电子流至所述柔性基材的表面。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述高频电子流的强度水平处于从lW/min/m2到50ff/min/m2的范围内。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述柔性基材的改变的表面能量处于从20达因/厘米到95达因/厘米的范围内。
10.根据权利要求6所述的方法，其中所述透明的耐刮擦性涂层具有处于从3微米到30微米范围内的厚度。
11.根据权利要求6所述的方法，其中采用所述透明的耐刮擦性涂层涂敷所述柔性基材的表面包括利用狭缝式模头涂敷、凹板涂敷、Meier棒涂敷和喷涂技术中的至少一种。
12.根据权利要求6所述的方法，其中固化所述透明的耐刮擦性涂层包括施用具有从280到480nm的波长的紫外光。
13.根据权利要求6所述的方法，其中固化所述透明的耐刮擦性涂层包括施用热辐射至所述透明的耐刮擦性涂层。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述透明的耐刮擦性涂层经历分别范围从70οC、120o C和200o C起的三个温度区。
15.根据权利要求6所述的方法，其中固化所述透明的耐刮擦性涂层包括施用电离辐射至所述透明的耐刮擦性涂层。
16.根据权利要求15所述的方法，其中施用电离辐射还包括利用电子束至所述透明的耐刮擦性涂层。
17.根据权利要求16所述的方法，其中利用电子束包括在从0.01秒到5秒范围内的时间段内施用从0.5兆拉德到5兆拉德范围内的电子剂量。
18.根据权利要求6所述的方法，其中所述透明的耐刮擦性涂层还包括光引发剂或热引发剂。
19.根据权利要求6所述的方法，其中固化所述透明的耐刮擦性涂层在惰性气体环境中进行。
20.根据权利要求6所述的方法，其中固化所述保护性涂层溶液在几乎无氧气的环境中进行。
21.根据权利要求6所述的方法制作的柔性耐刮擦性膜。
22.根据权利要求21所述的柔性耐刮擦性膜，其中所述透明的耐刮擦性涂层具有至少50%的交联密度。
23.柔性耐刮擦性膜，其包括: 柔性基材； 附着于所述柔性基材的透明的耐刮擦性涂层； 其中所述透明的耐刮擦性涂层包括由官能化单体形成的交联的聚合物结构； 其中所述柔性耐刮擦性膜的铅笔硬度为至少6H ;以及 其中所述透明的耐 刮擦性涂层具有至少50%的交联密度。
【文档编号】G06F3/041GK104024993SQ201280058274
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2012年6月12日 优先权日:2011年10月25日
【发明者】罗伯特·J·佩特卡维奇, 金丹良 申请人:尤尼皮克塞尔显示器有限公司