硬質複合膜、觸控螢幕面板及其製備方法與流程
2023-05-18 00:01:06
本發明涉及光學材料技術領域，特別涉及一種硬質複合膜、觸控螢幕面板及其製備方法。
背景技術：
類金剛石(diamond-like carbon，簡稱DLC)薄膜是一種非晶碳膜，它同時含有類似於金剛石的sp3雜化鍵與類似於石墨的sp2雜化鍵，國際上定義類金剛石薄膜為硬度超過金剛石硬度20％的絕緣硬質無定形碳膜。它具有類似金剛石的性質，包括高硬度、高彈性模量、低摩擦係數、高耐磨性、高導熱率與電阻率、化學惰性與生物相容性，因此將其沉積在玻璃表面能夠有效增強玻璃的硬度、耐磨性、耐劃傷性與耐腐蝕性，並且具有低的表面能，從而在一定程度上提高玻璃表面的疏水性。
觸控螢幕面板的玻璃一般採用化學鋼化工藝，即通過鈉鉀離子來提升自身強度，達到玻璃強化的目的，提升其耐衝擊性、表面硬度等指標。為了提高觸控螢幕玻璃的輕便性，通常採用1mm以下的超薄鋼化玻璃，如常用的0.7mm的鈉鈣玻璃。但是化學鋼化的超薄玻璃由於表面壓應力層非常淺，只有幾十微米，其表面損傷對強度影響十分突出，當玻璃表面的輕微損傷超過幾十微米，則化學鋼化增強的效果將不復存在。因此化學增強的超薄觸控螢幕玻璃有必要在表面沉積一層硬質的類金剛石薄膜。
硬度高質量好的類金剛石薄膜，所含有的氫含量較低(H<30at.％)，因為氫元素對薄膜的硬度、耐磨性與耐劃傷性有損害。但是氫元素有利於薄膜的可見光透過性能，因此含有較少氫元素的優質類金剛石薄膜，在可見光波段存在吸收。通常含有較低氫元素的類金剛石薄膜在550nm的折射率約為1.9～2.3，消光係數約為0.1～0.2。將其鍍於觸控螢幕玻璃表面將影響屏幕觀察效果。
在現有技術中，類金剛石薄膜大多用於Si基薄膜太陽能電池以及ZnS、Ge系等紅外窗口材料。Si、Ge、ZnS系玻璃的折射率分別為4.08、5.23、2.37，均大於類金剛石薄膜的折射率，而且類金剛石薄膜在近紅外以及遠紅外的消光係數均接近零，即在近紅外與遠紅外波段不存在吸收。根據菲涅耳公式，在高折射率的物質表面沉積低折射率低吸收的物質，能夠降低表面反射，因此以Si、Ge或ZnS作為基體，類金剛石薄膜能起到減反作用。
但是在觸控螢幕玻璃的應用中，類金剛石薄膜的折射率大於玻璃基體，同時在可見光波段存在吸收，因此類金剛石薄膜用於觸控螢幕玻璃等折射率相對小的基體表面時將會影響整體可見光透過率，降低屏幕觀察效果。
如果按照現有技術中菲涅耳公式進行增透，需要在類金剛石薄膜的表面沉積其他折射率較小的膜層，但這必然降低了產品表面的硬度，會降低產品的耐用性。因此，對於類金剛石薄膜用於觸控螢幕玻璃等折射率相對小的基體表面時的透過率問題，本領域尚無較好的方法解決。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明實施例提供一種硬質複合膜、觸控螢幕面板及其製備方法，主要目的是解決類金剛石薄膜的折射率大於觸控螢幕玻璃等基體的折射率時的透過率問題。
為達到上述目的，本發明主要提供如下技術方案：
一方面，本發明提供了一種硬質複合膜，沉積於基體表面，其中硬質複合膜由類金剛石薄膜和減反膜組成，所述基體的折射率小於所述類金剛石薄膜的折射率，所述基體包括相對的內表面和外表面，所述類金剛石薄膜沉積於基體的外表面一側，所述減反膜沉積於所述基體的內表面和/或類金剛石薄膜與基體之間。
作為優選，所述減反膜的材質選自下述SiO2、MgF2和SiNx中的至少一種，
作為優選，SiO2減反膜的厚度為5-200nm，在550nm波長處的折射率為1.4-1.5，消光係數為0。SiO2減反膜的折射率優選為1.45。SiO2薄膜可以採用物理氣相沉積與化學氣相沉積方法製備，包括但不限於磁控濺射、等離子體增強化學氣相沉積、離子束沉積、蒸發鍍膜法等。
作為優選，MgF2減反膜的厚度為5-200nm，在550nm波長處的折射率為1.3-1.4，消光係數為0。MgF2減反膜的折射率優選為1.38。MgF2減反膜可以採用物理氣相沉積與化學氣相沉積方法製備，包括但不限於磁控濺射、等離子體增強化學氣相沉積、離子束沉積、蒸發鍍膜法等。
作為優選，SiNx減反膜的x為1-1.35，厚度為5-200nm，在550nm波長處的折射率為1.9-2.2，消光係數為0—1×10-5。SiNx減反膜的折射率為2.0，消光係數優選為0。SiNx減反膜可以採用物理氣相沉積與化學氣相沉積方法製備，包括但不限於磁控濺射、等離子體增強化學氣相沉積、離子束沉積、蒸發鍍膜法等。
作為優選，所述基體為普通浮法玻璃、石英玻璃、超白玻璃或壓花玻璃。
作為優選，所述類金剛石薄膜的厚度為5-50nm，在550nm波長處的折射率為1.9-2.3，消光係數為0.1-0.2。類金剛石硬質薄膜的折射率優選為2.0，消光係數優選為0.1。
作為優選，所述類金剛石薄膜可以採用物理氣相沉積與化學氣相沉積方法製備，包括但不限於磁控濺射、等離子體增強化學氣相沉積、脈衝陰極弧技術、離子束沉積等。
另一方面，本發明實施例提供了一種觸控螢幕面板，包括基體和沉積於基體表面的硬質複合膜，所述硬質複合膜為上述任一實施例所述的硬質複合膜。
另一方面，本發明實施例提供了一種上述硬質複合膜的製備方法，包括如下步驟：
在基體的內表面和/或外表面沉積減反膜；
在基體的外表面一側沉積類金剛石薄膜。
本發明與現有技術相比具有如下明顯的優點和有益效果：
本發明在類金剛石硬質保護膜基礎上進一步設計了減反膜，在保證類金剛石薄膜處於最外層實現保護作用的同時，達到了良好的減反效果，顯著提高了可見光透過率。
附圖說明
圖1為本發明實施例1的硬質複合膜的結構示意圖；
圖2為實施例1減反前後的透光率曲線對比，其中曲線1為玻璃基體+10nm類金剛石薄膜；曲線2為玻璃基體+56.3nmSiO2減反膜+10nm類金剛石薄膜；
圖3為本發明實施例2的硬質複合膜的結構示意圖；
圖4為實施例2減反前後的透光率曲線對比，其中曲線1為玻璃基體+30nm類金剛石薄膜；曲線2為85.6nmMgF2減反膜+玻璃基體+30nm類金剛石薄膜；
圖5為本發明實施例3的硬質複合膜的結構示意圖；
圖6為實施例3減反前後的透光率曲線對比，其中曲線1為玻璃基體+5nm類金剛石薄膜；曲線2為69.7nm MgF2減反膜+玻璃基體+85.0nmMgF2減反膜+5nm類金剛石薄膜。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明作進一步詳細描述，但不作為對本發明的限定。在下述說明中，不同的「一實施例」或「實施例」指的不一定是同一實施例。此外，一或多個實施例中的特定特徵、結構、或特點可由任何合適形式組合。
實施例1
為10nm厚的類金剛石薄膜做減反膜系設計。
採用如圖1中所示的硬質複合膜結構，其中基體1為0.7mm的鈉鈣玻璃，經過化學鋼化處理。最外層硬質膜為10nm的類金剛石薄膜3，折射率為2.0，消光係數為0.1。設計的減反膜2採用SiO2膜，減反膜2沉積在類金剛石膜3和基體1之間，減反膜的折射率為1.45，消光係數為0，減反膜的厚度為56.3nm。
本發明實施例的具體製備步驟如下：將玻璃基片分別在IPA溶液與去離子水中進行超聲波清洗，各清洗10分鐘後放入化學鋼化溶液池中，溶液配方為工業純KNO3+0.5wt.％分析純Al2O3，鋼化工藝為450℃保溫5小時。將鋼化後的玻璃片冷卻至室溫，浸入去離子水中浸泡12小時，浸泡後放入IPA溶液中超聲波清洗5分鐘，再放入去離子水中超聲波清洗5分鐘。將清洗後的玻璃片放入電子束蒸發鍍膜腔室沉積，背底真空度為2×10-4Pa，鍍料為Si，電子槍電壓7.6kV，束流大小30mA，離子源輔助解離O2流量30sccm，陽極偏壓120V，電流2A，沉積時間0.9分鐘。靜止冷卻5分鐘以後再傳輸至等離子體增強化學氣相沉積腔室中，射頻功率200W，甲烷流量15sccm，控壓10mtorr，沉積時間3.4分鐘。
減反效果如圖2所示，曲線1代表僅沉積10nm類金剛石薄膜的鍍膜玻璃；曲線2代表沉積了本實施例的56.3nmSiO2減反膜+10nm類金剛石薄膜的鍍膜玻璃。可以看出，增加SiO2減反膜後在整個可見光波段透射率均有所提高。在人眼最為敏感的550nm處，透過率由曲線1的86.96％提高至曲線2的88.05％，說明本發明實施例在保持類金剛石薄膜最外層保護作用的同時，提高了鍍膜玻璃的可見光透過性。
實施例2
為30nm厚的類金剛石薄膜做減反膜系設計。
本實施例採用如圖3中所示的硬質複合膜結構，其中基體1為0.7mm的鈉鈣玻璃，經過化學鋼化處理。最外層硬質膜為30nm的類金剛石薄膜3，折射率為2.0，消光係數為0.1。設計的減反膜2採用MgF2膜，沉積位置為類金剛石膜3的對側，在基體1的內表面，減反膜2的折射率為1.38，消光係數為0，優化膜厚為85.6nm。
本實施例的具體製備步驟如下：將玻璃基片分別在IPA溶液與去離子水中進行超聲波清洗，各清洗10分鐘後放入化學鋼化溶液池中，溶液配方為工業純KNO3+0.5wt.％分析純Al2O3，鋼化工藝為450℃保溫5小時。將鋼化後的玻璃片冷卻至室溫，浸入去離子水中浸泡12小時，浸泡後放入IPA溶液中超聲波清洗5分鐘，再放入去離子水中超聲波清洗5分鐘。將清洗後的玻璃片放入電子束蒸發鍍膜腔室沉積，背底真空度為2×10-4Pa，鍍料為MgF2，電子槍電壓7.6kV，束流大小20mA，離子源輔助解離Ar流量20sccm，陽極偏壓120V，電流2A，沉積時間1.78分鐘。靜止冷卻5分鐘以後再翻轉至另一面，傳輸至等離子體增強化學氣相沉積腔室中，射頻功率200W，甲烷流量15sccm，控壓10mtorr，沉積時間10.2分鐘。
減反效果如圖4所示，曲線1代表僅沉積30nm類金剛石薄膜的鍍膜玻璃；曲線2代表本實施例的沉積了背面增鍍85.6nmMgF2膜的鍍膜玻璃。可以看出，增加MgF2減反膜後在整個可見光波段透射率均有所提高。在人眼最為敏感的550nm處，透過率由曲線1的76.18％提高至曲線2的78.27％，說明本發明實施例在保持類金剛石薄膜最外層保護作用的同時，提高了鍍膜玻璃的可見光透過性。
實施例3
為5nm厚的類金剛石薄膜做減反膜系設計。
本實施例採用如圖5中所示的硬質複合膜結構，其中基體1為0.7mm的鈉鈣玻璃，經過化學鋼化處理。最外層硬質膜為5nm的類金剛石薄膜3，折射率為2.0，消光係數為0.1。設計的減反膜2採用MgF2膜，減反膜2分別沉積在基體1內表面和外表面，減反膜2的折射率為1.38，消光係數為0。同側MgF2膜的優化膜厚為69.7nm，對側MgF2膜的優化膜厚為85.0nm。
本實施例的具體製備步驟如下：將玻璃基片分別在IPA溶液與去離子水中進行超聲波清洗，各清洗10分鐘後放入化學鋼化溶液池中，溶液配方為工業純KNO3+0.5wt.％分析純Al2O3，鋼化工藝為450℃保溫5小時。將鋼化後的玻璃片冷卻至室溫，浸入去離子水中浸泡12小時，浸泡後放入IPA溶液中超聲波清洗5分鐘，再放入去離子水中超聲波清洗5分鐘。將清洗後的玻璃片放入電子束蒸發鍍膜腔室沉積，背底真空度為2×10-4Pa，鍍料為MgF2，電子槍電壓7.6kV，束流大小20mA，離子源輔助解離Ar流量20sccm，陽極偏壓120V，電流2A，沉積時間1.45分鐘。靜止冷卻5分鐘以後再翻轉至另一面，鍍料仍為MgF2，電子槍電壓7.6kV，束流大小20mA，離子源輔助解離Ar流量20sccm，陽極偏壓120V，電流2A，沉積時間1.77分鐘，靜止冷卻5分鐘。再傳輸至等離子體增強化學氣相沉積腔室中，射頻功率200W，甲烷流量15sccm，控壓10mtorr，沉積時間1.7分鐘。
減反效果如圖6所示，曲線1代表僅沉積5nm類金剛石薄膜的鍍膜玻璃；曲線2代表本發明實施例的沉積了同側增鍍了69.7nmMgF2膜，對側增鍍了85.0nmMgF2膜的鍍膜玻璃。可以看出，兩側均增加MgF2減反膜後在整個可見光波段透射率均有所提高。在人眼最為敏感的550nm處，透過率由曲線1的89.52％提高至曲線2的94.54％，說明本發明實施例在保持類金剛石薄膜最外層保護作用的同時，提高了鍍膜玻璃的可見光透過性。並且在兩側均增鍍減反膜的情況下，減反增透的效果最佳。
本發明實施例中基體1的鋼化處理、清洗等預處理以及具體的鍍膜工藝僅為示例性說明，供本領域技術人員選擇，並非對本發明的限制。如類金剛石薄膜可以採用物理氣相沉積與化學氣相沉積方法製備，包括但不限於磁控濺射、等離子體增強化學氣相沉積、脈衝陰極弧技術、離子束沉積等工藝。同樣，減反膜也可以採用物理氣相沉積與化學氣相沉積方法製備。如SiO2薄膜可以採用磁控濺射、等離子體增強化學氣相沉積、離子束沉積、蒸發鍍膜法等。MgF2減反膜可以採用磁控濺射、等離子體增強化學氣相沉積、離子束沉積、蒸發鍍膜法等。SiNx減反膜可以採用磁控濺射、等離子體增強化學氣相沉積、離子束沉積、蒸發鍍膜法等。具體工藝在此不再一一贅述。
本發明實施例中的減反膜可以是單層膜，如實施例1和實施例2。也可如實施例3所示，減反膜為多層，當減反膜為多層時，每層的材質可以相同也可不同。
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以所述權利要求的保護範圍為準。