具有類金剛石塗層的材料及其製備方法與流程
2023-05-23 13:22:17
本發明涉及薄膜材料領域，尤其涉及一種用於手機、平板等觸控屏幕的具有類金剛石塗層的材料及其製備方法。
背景技術：
手機，平板等設備的觸控屏幕本身材質(例如玻璃)硬度偏低，在日常的使用和攜帶過程中，很容易被環境中的沙礫或鑰匙等硬質物刮傷磨損，從而留下劃痕甚至失效。此外，在頻繁的觸控使用中，使用者皮膚上的油脂和指紋很容易殘留在觸控屏表面上，影響屏幕的視覺清晰度和畫面效果。
目前，在觸控屏幕表面覆蓋一層類金剛石(Diamond-like Carbon，DLC)膜來提高硬度、防刮耐磨或疏水疏油的技術已有應用。
例如，美國專利No.5,637,353公開了一種在玻璃基材表面沉積DLC膜的方法，其使用化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition,CVD)方法製備的DLC膜具有較好的耐磨性，然而，疏水性一般，此外，由於膜較厚也影響了透光率。美國專利No.6,280,834公開了一種在汽車玻璃基材表面使用離子束沉積-化學氣相沉積法(Ion Beam Deposition,Chemical Vapor Deposition,IBD-CVD)法製備DLC膜的方法，其使用C2H2氣體作為離子源，使用IBD方法沉積DLC，製備的DLC膜含有較多的氫，獲得的高硬度SP3鍵的四面體非晶碳膜(ta-C)結構比例不高，硬度只有10-30Gpa，不能起到很好的防刮耐磨性。中國公開專利申請CN 102529214A公開了一種於某一基材(玻璃，陶瓷等)表面沉積DLC膜的方法，其通過CVD方法在基材表面沉積形成DLC膜，並在DLC膜表面摻雜有含氟材料，其製備的DLC膜具有較好的疏水性。然而，由於製備的DLC摻雜有氫，形成H-C鍵，獲得的高硬度四面體非晶碳膜(ta-C)結構比例不高， 硬度也只有5Gpa左右，防刮耐磨性能較差。若為了提高耐磨性能則需要增加DLC的厚度，但DLC厚度的增加會導致透光率的下降。
因此，目前採用傳統方法製備的DLC膜，很難同時滿足良好的膜基結合力、高硬度防刮耐磨、疏水疏油性以及高的透光率等特性要求，特別是採用CVD方法製備的DLC膜摻雜有氫，因此其硬度以及防刮耐磨性難以提高。
因此，亟待一種改進的具有類金剛石塗層的材料及其製備方法，以克服上述缺陷。
技術實現要素：
本發明的一個目的在於提供一種具有類金剛石塗層的材料，其具有良好的膜基結合力、高硬度防刮耐磨性、疏水疏油性以及高透光率，且DLC層不含氫。
本發明的另一目的在於提供一種具有類金剛石塗層的材料的製備方法，其採用過濾陰極真空電弧法製備的DLC層，該具有類金剛石塗層的材料具有良好的膜基結合力、高硬度防刮耐磨性、疏水疏油性以及高透光率。
為達到以上目的，本發明提供一種具有類金剛石塗層的材料，包括：
一基材；
形成在所述基材上的一過渡層；
形成在所述過渡層上的不含氫的一類金剛石層；以及
形成在所述類金剛石層表面上的一含氟層。
較佳地，所述過渡層包括以下一種或多種物質：矽(Si)、氧化矽(SiO2)、氮化矽(SiN)；以及鈦(Ti)、鉻(Cr)、銅(Cu)及其金屬氧化物。
較佳地，所述過渡層的厚度範圍為所述類金剛石層的厚度範圍為
較佳地，所述基材包括以下一種或多種物質：玻璃、強化玻璃、藍寶石、陶瓷、聚合物、金屬或金屬氧化物。
相應地，本發明提供一種具有類金剛石塗層的材料的製備方法，包括：
提供一基材；
在所述基材上採用磁控濺射沉積法沉積形成一過渡層；
在所述過渡層上採用過濾陰極真空電弧法沉積形成一不含氫的類金剛石層；以及
在所述類金剛石層上摻雜一含氟層。
較佳地，在所述過渡層上採用過濾陰極真空電弧法沉積形成一不含氫的類金剛石層步驟中還包括：在沉積過程以預定速度旋轉基材；以及在陽極施加範圍在-50V到-100V之間的偏壓。
較佳地，在所述類金剛石層上摻雜一含氟層步驟具體包括：採用射頻化學氣相沉積法摻雜所述含氟層。
較佳地，採用射頻化學氣相沉積法摻雜所述含氟層步驟具體包括：採用四氟化碳(CF4)為摻雜氣體，流量範圍為60sccm～100sccm，摻雜時間為10min～20min。
較佳地，在所述基材上採用磁控濺射沉積法沉積形成一過渡層步驟之前還包括：採用離子束刻蝕法清洗所述基材。
較佳地，在採用離子束刻蝕法清洗所述基材之前，還包括利用超聲波預清洗所述基材。
較佳地，所述過渡層包括以下一種或多種物質：矽(Si)、氧化矽(SiO2)、氮化矽(SiN)；以及鈦(Ti)、鉻(Cr)、銅(Cu)及其金屬氧化物。
較佳地，所述過渡層的厚度範圍為所述類金剛石層的厚度範圍為
與現有技術相比，本發明採用磁控濺射沉積法在基材上沉積形成過渡層，該過渡層覆蓋均勻緻密，從而提高膜基結合力；採用過濾陰極真空電弧法沉積形成不含氫的DLC層，該DLC層SP3鍵含量高，具有高硬度以及良好的防刮耐磨性；在DLC層上摻雜含氟層，從而使得DLC複合膜具有良好的疏水疏油性，具有更大的水接觸角和油接觸角；而且本發明的基材上的DLC層體薄，透光率大於90％。
說明書附圖
圖1為本發明的具有類金剛石塗層的材料的一個實施例的結構示意圖。
圖2為本發明的具有類金剛石塗層的材料的製備方法的一個實施例的流程圖。
圖3為本發明的具有類金剛石塗層的材料的製備方法的另一實施例的流程圖。
圖4為本發明的具有類金剛石塗層的材料的一個實施例的耐磨性測試數據。
圖5為本發明的具有類金剛石塗層的材料的一個實施例的水接觸角測試數據。
圖6為本發明的具有類金剛石塗層的材料的一個實施例的油接觸角測試數據。
具體實施方式
如上所述，本發明的實質在於提供一種具有類金剛石塗層的材料及其製備方法，其採用過濾陰極真空電弧(Filtered Cathodic Vacuum Arc，FCVA)沉積法製備的DLC層，該具有類金剛石塗層的材料具有良好的膜基結合力、高硬度防刮耐磨性、疏水疏油性以及高透光率。
如圖1所示，本發明的具有類金剛石塗層的材料100的一個實施例包括：基材110，形成在基材110上的過渡層120；形成在過渡層120上的不含氫的DLC層130；以及形成在DLC層130表面上的含氟層140。
下面將結合圖2及圖3說明本發明具有類金剛石塗層的材料100的製備方法。
如圖2所示，本發明具有類金剛石塗層的材料100的製備方法的一個實施例包括以下步驟：
201,提供基材。具體地，該基材材料主要是指觸控屏幕介質，例如，玻璃，鋼化玻璃，藍寶石等，但並不限於此。
202，採用磁控濺射沉積(Magnetron Sputter Deposition，MSD)法沉積過渡層。具體地，該過渡層包括以下一種或多種物質：矽(Si)、氧化矽(SiO2)、氮化矽(SiN)；以及鈦(Ti)、鉻(Cr)、銅(Cu)及其金屬氧化物。
203，FCVA法沉積DLC層。具體地，使用FCVA法沉積DLC層，利用磁 場過濾掉雜質離子和大顆粒，可獲得均勻緻密的覆蓋層，且含有70％以上的SP3鍵的四面體非晶碳膜(ta-C)結構，從而具有極高的硬度，良好的防刮耐磨性能。
204，採用射頻化學氣相沉積法(Radio Frequency Chemical Vapor Deposition，RFCVD)摻雜含氟層。
本發明MSD法在基材上沉積形成過渡層，該過渡層覆蓋均勻緻密，從而提高膜基結合力；採用FCVA法沉積形成不含氫的DLC層，該DLC層由於不含氫，不會形成H-C鍵，因此獲得高硬度SP3鍵的四面體非晶碳膜(ta-C)結構比例高，從而具有高硬度以及良好的防刮耐磨性；在DLC層上摻雜含氟層，從而使得DLC複合膜具有良好的疏水疏油性，具有更大的水接觸角和油接觸角；而且本發明的基材上的DLC層體薄，透光率大於90％。
圖3展示了本發明具有類金剛石塗層的材料100的製備方法的一個優選實施例的流程圖。具體包括以下步驟：
301，預清洗基材。在本步驟中，利用超聲波清洗基材，清洗溶劑為氮甲基吡咯烷酮(NMP)和異丙醇(IPA)，清洗時間約為30分鐘，超聲波清洗後放入密封盒自然乾燥，時間為一小時。該基材可為玻璃、鋼化玻璃、藍寶石等。
302，清洗基材。在本步驟中，採用離子束刻蝕(Ion Beam Etching，IBE)法清洗基材以使基材表面更加乾淨從而便於後續的沉積工序。具體地，在氬氣氣氛下，利用產生的等離子體刻蝕基材表面以達到清洗的目的，其中氬(Ar)離子束的入射角度為30°，襯底的轉速為20r/s，刻蝕速率約為為佳。
303，MSD法沉積過渡層。在本步驟中，過渡層可包括以下一種或多種物質：矽(Si)、氧化矽(SiO2)、氮化矽(SiN)；以及鈦(Ti)、鉻(Cr)、銅(Cu)及其金屬氧化物。本實施例中以採用Si作為過渡層材料為例進行說明。靶材為高純度Si，過渡層厚度為例如首先需濺射Si靶100s，使產生的Si離子束穩定，Si的沉積速率約為為佳。本步驟中在基材表面沉積Si過渡層覆蓋均勻、緻密，可提高後續沉積的DLC層與基材之間的結合力。
304，FCVA法沉積DLC層。在本步驟中，採用FCVA法進行沉積，靶材為高純度的石墨，沉積過程中旋轉基材以得到均勻緻密的膜層。更佳地，為了獲得更多的SP3鍵含量，以提高DLC膜的硬度，可在陽極施加一偏壓，偏壓範圍 從-50V到-100V。由於本發明中使用FCVA法沉積DLC膜，利用磁場過濾掉雜質離子和大顆粒，因此可獲得均勻緻密的覆蓋層。且相較傳統的化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition,CVD)或物理氣相沉積法(Physical Vapor Deposition，PVD)的形成DLC層的方法，本發明採用FCVA法形成的DLC層不含氫，不會形成H-C鍵，從而獲得70％以上的SP3鍵的四面體非晶碳膜(ta-C)結構，因此具有極高的硬度以及良好的防刮耐磨性能。
此外，可通過控制Si過渡層和DLC膜的厚度來調節光的透過率和反射率，來滿足各種觸控屏對光學的要求。本實施中，DLC層的厚度小於例如對於觸控屏幕，要求至少有90％以上的光線透過DLC層而穿透至基材。
305，RFCVD法摻雜含氟層。為提高膜層的疏水疏油性能，本步驟中採用RFCVD法在DLC層的界面上摻雜一含氟層。具體地，摻雜氣體選用CF4，流量為60sccm～100sccm，例如為80sccm，摻雜時間為10min～20min，例如為15min。該含氟層的厚度範圍為氟含量約為10％的原子比為佳。由於在DLC層的表面上摻雜氟離子，從而在DLC層上形成碳-氟(C-F)鍵，該C-F鍵是很強的化學鍵，具有良好的疏水性。
圖4～6分別是本發明的具有類金剛石塗層的材料的一個實施例的耐磨性測試數據、水接觸角測試數據以及油接觸角測試數據，本實施例中，基材為帶圖案的藍寶石。由於藍寶石自身硬度很高，而光學反射率較低，從基材到達使用者肉眼的光線不足，在沉積DLC層後，可提高光學反射率，從而改善了使用者的舒適度。所獲得的DLC複合膜硬度高達70GPa以上(用納米壓痕(Nano-indention)方法測得)，圖4表明具有DLC層的帶圖案的藍寶石的防刮耐磨性明顯優於石英，圖5和圖6表明具有DLC層的帶圖案的藍寶石具有很大的接觸角和疏水疏油性，其中水接觸角(WCA)為107度，油接觸角(OCA)為79度。
綜上所述，本發明採用MSD法在基材上沉積形成過渡層，該過渡層覆蓋均勻緻密，從而提高膜基結合力；採用FCVA法沉積形成不含氫的DLC層，該DLC層SP3含量高，具有高硬度以及良好的防刮耐磨性；在DLC層上通過 RFCVD法摻雜含氟層，從而使得DLC複合膜具有良好的疏水疏油性，具有更大的水接觸角和油接觸角；而且本發明的基材上的DLC層體薄，透光率大於90％。
以上所揭露的僅為本發明的較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權利範圍，因此依本發明申請專利範圍所作的等同變化，仍屬本發明所涵蓋的範圍。