CN105278738A - 自洁抗污结构和相关制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供用于抗污结构(100)的装置和相关制造方法。示例性的抗污结构(100)包含透明基材(102)和氧化层(120)，所述透明基材(102)具有被配置以减少与透明基材(102)的接触的宏观结构化的表面(106)，所述氧化层(120)覆盖宏观结构化的表面(106)。

Description

自洁抗污结构和相关制造方法
技术领域
本文中描述的主题总体上涉及电子显示系统，并且更特别地，该主题的实施方案涉及电子显示系统中与触摸传感一起器件使用的透明结构。
背景技术
通常，电子显示器经由机械控制，例如旋钮、按钮或者滑块与用户交互，以使用户能够控制或者调节各种系统性能。触摸屏技术使许多系统设计者能够通过将机械控制功能集成或者引入到显示器中来减少电子显示系统的空间需求。因此，传统机械控制的电子等同物已发展为允许用户经由触摸屏界面（touchscreeninterface）来调节系统性能。
触摸屏界面的重复使用可能导致指纹、污迹、刮痕和/或触摸屏显示器表面上的其它痕迹。这些痕迹降低了显示器的清晰度，这转而又增加了阅读或者以其它方式理解显示于显示器上的内容的困难度。例如，指纹和/或污迹可能增加表面反射，造成显示器看起来朦胧或者模糊或者褪色，或者以其它方式不希望地减弱被用户感知的图像质量。这些问题在高的环境照明条件下加剧，例如在飞行过程中在飞行器的驾驶舱中。因此，希望在不降低显示器图像质量的情况下提供对于指纹、污迹、刮痕和/或其它痕迹有抵抗力的显示表面。
发明概述
在一个示例性实施方案中提供了抗污结构的装置。该抗污结构包含透明基材和氧化层，该透明基材具有被配置以减少与该抗污结构的接触的宏观结构化的表面（macrostructuredsurfac），所述氧化层覆盖该宏观结构化的表面。
在另一个实施方案中，抗污结构包含透明基材。该透明基材包含无机材料的宏观结构化的表面，且该宏观结构化的表面被配置为抑制可由与抗污结构接触而产生的污染物的连续区域的形成。该抗污结构还包含覆盖宏观结构化的表面的氧化层。该氧化层包含光催化氧化材料，其对于电磁谱的可见部分中的光的至少一部分是反应性的，以使污染物的至少一部分氧化。
在又一个实施方案中提供了制造抗污结构的方法。该方法包括在透明基材上形成宏观结构化的表面，且配置该宏观结构化的表面以减少与透明基材的接触，并且形成覆盖该宏观结构化的表面的氧化层。在示例性的实施方案中，该氧化层使抗污结构上的由于与抗污结构接触而产生的任何污染物的至少一部分氧化。
附图说明
在下文中将联合以下的绘制图来描述该主题的实施方案，其不必是成比例绘制的，其中同样的数字表示同样的要素，并且：
图1-3为根据一个或者多个示例性实施方案来说明抗污结构和制造该抗污结构的示例性方法的横截面视图；和
图4为根据一个或者多个示例性实施方案来说明显示系统的示例性实施方案的横截面视图，该显示系统包含根据描述于图1-3内容情境中的制造过程形成的抗污结构。
具体实施方式
在本文中描述的主题的实施方案涉及适合与显示器件、触摸屏、触摸板或者其中希望保护避免指纹、污迹、刮痕和/或其它表面痕迹的其它器件一起使用的抗污结构。在本文中描述的示例性实施方案中，抗污结构包含具有宏观结构化的表面的透明基材，其中配置该宏观结构化的表面以减少与该抗污结构的暴露表面的物理接触的量，和由此破坏、再分配或者以其它方式抑制在该抗污结构的暴露表面上指纹或者其它污染物的连续区域的形成。例如，该宏观结构化的表面可以实现为具有波浪形或者其它的表面变化的基材材料的整体表面（unitarysurface），其被配置以减少能够接触该表面的手指的量（或者百分率），和由此减少可能给予该到表面上的指纹残余量（或者百分率）。如本文中所用，“宏观结构化的表面”应理解为是指在垂直剖面变化（verticalprofilevariation）之间具有近似10微米（或μm）或者更大的横向间距（例如间隔距离114）的表面，且该垂直剖面变化（例如高度112）为近似1微米（或μm）或者更大，以使手指和抗污结构之间的物理接触面积最小化，这正如以下更详细地描述于图2的内容情境中的那般。
正如下面更详细地在图4的内容情境中所描述的，所述宏观结构化的表面降低能够真正地物理接触到抗污结构的暴露表面的外部物体的百分率。例如在一个实施方案中，可以配置该宏观结构化的表面，以接触仅约10%的紧密接近抗污结构的通常尺寸的人类手指，由此防止约90%的来自物理接触抗污结构的暴露表面的通常尺寸的人类指纹。在示例性实施方案中，配置宏观结构化的表面以提供相对低的漫反射率（例如小于约0.5%）和相对低的镜面反射率（例如小于约2%），同时也提供相对高的透射率（例如大于约90%）。
正如下面在图3-4的内容情境中更详细地描述的，透明的抗污结构还包含覆盖在所述宏观结构化的表面的氧化层，其被配置为使给予到基材的宏观结构化的表面的接触部分上的任何污染物氧化。例如，该氧化层可以使污染物的有机组分蒸发，由此从宏观结构化的表面上去除该污染物的有机组分。换句话说，该氧化层可以从抗污结构的暴露表面上在无任何人为干预的情况下自动地去除污染物的部分，以提供所谓的“自洁”的抗污结构。在示例性实施方案中，该氧化层包含光催化材料，其对于电磁谱的一部分是反应性的（或者对于通过其的辐照是响应性的），以产生通过将碳化合物转化为二氧化碳或者其它气态化合物而使碳化合物氧化的羟基自由基（hydroxylradical）。例如在一个实施方案中，光催化材料以氧化钛材料的形式实现，所述氧化钛材料例如为锐钛矿相的二氧化钛。在一个或者多个实施方案中，用氮原子掺杂光催化材料，以将其感光性范围从电磁谱的紫外线部分扩展至电磁谱的可见光部分的至少一部分中。二氧化钛的用氮的替代掺杂（substitutionaldoping）使二氧化钛的带隙变窄，并且产生高于价带的能级，以将光学吸收扩展至可见范围（大于400nm的波长）中。作为对氮的代替和/或除了氮以外，也可以使用其它合适的替代掺杂元素，例如硫。
依靠宏观结构化的表面减少与透明抗污结构的暴露表面进行的物理接触的量（或百分率），并结合氧化层使可能给予到宏观结构化的表面的相对少的接触部分上的任何污染物的部分氧化，减少了指纹、污迹和/或其它表面痕迹的潜在影响。此外，该氧化层减少可能需要人工地或者主动地清洁透明抗污结构的暴露表面的频率，由此通过减少对潜在磨损元件、溶剂或者其它清洁剂的暴露而改进抗污结构的耐久性和/或寿命。除了增加人工或者主动清洁之间的持续时间以外，由所述氧化层所提供的自洁特性对于高安全性应用，例如对于飞行器机载的触摸屏应用而言使指纹的潜在影响最小化。此外，可以使用相对于聚合物的或者有机基材而言提供更高水平的耐久性的无机材料来实现所述透明基材。可以将该透明抗污结构粘贴到显示器、触摸屏、触摸板或者其它显示器件的表面上，以提供具有相对低的表面反射和相对高的耐久性的抗污显示表面。
图1-3以横截面说明抗污结构100的制造，其具有配置为抑制污染物连续区域在基材102表面上形成的宏观结构化的表面106，和配置为使宏观结构化的表面106上的有机污染物的至少一部分氧化的氧化层120。本文中描述的制造过程的各种实施方面是广为人知的，并且因此为了精简，许多常规方面在本文中将仅简要提到或者完全省略，而不提供广为人知的过程细节。
关于图1，在示例性实施方案中，基材102包含无机材料104的层。如本文中使用的，无机材料应理解为不含碳的非聚合物的化学化合物。就此而论，相比于聚合物材料而言，无机材料104是物理上较硬的，并且对于机械磨损表现出更好的耐久性。例如，无机材料104可以实现为玻璃材料，例如钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃、蓝宝石、氧化硅材料，例如二氧化硅或者具有本文中在透明基材102的内容情境中所描述的相同的一般性质和特性的任何其它材料。此外应注意，在替代的实施方案中，基材102可以实现为具有本文中在透明基材102的内容情境中描述的相同的一般性质和特性的聚合物材料，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）、聚碳酸酯（PC）等。尽管如此，为了解释目的，可在本文中在基材102的内容情境中描述示例性的实施方案，其实现为无机材料104，因为无机材料对于刮痕或者可能由物理接触产生的其它形式的结构损坏可为更耐久的并且更具有抵抗力，以及对于通常用于清洁显示表面的可能损坏聚合物材料的流体和溶剂具有抵抗力。例如，无机材料104可以具有大于约六（6H）的铅笔硬度（例如大于钢丝绒），从而使无机材料104抵抗刮痕和/或表面痕迹，否侧其将由触摸或用手指和/或指甲、触针（stylus）、笔或者可能用于随后可粘贴有抗污结构100的触摸传感器件（例如显示器、触摸屏、触摸板等）交互的其它物体以其它方式对无机材料104的表面磨损所导致。
在一个示例性实施方案中，基材102和/或无机材料104具有大于约95%的对于可见光的透明度（或者透射率）。就此而论，基材102和无机材料104各自为基本上透明的。因此为了方便，基材102可以在本文中可替代地称为透明基材，并且无机材料104可以在本文中可替代地称为透明无机材料。在一个或者多个实施方案中，无机材料104具有小于约2.0，和优选约1.4至约1.7的折射率。在一个示例性的实施方案中，选择无机材料104的厚度和类型两者，使得基材102不干扰触摸屏、触摸板或者随后可粘贴有抗污结构100的其它触摸传感器件的触摸传感能力。就此而论，在实践中，用于基材102的特定材料104和基材102的厚度会根据特定应用的需要而变化。例如，在其中无机材料104实现为刚性玻璃材料的实施方案中，当与红外线或者其它光学触摸传感技术一起使用时，该玻璃材料可具有约2毫米或者更小的厚度，并且当与电阻式或者电容式触摸传感技术一起使用时，具有约50μm（或微米）至约100μm微米的厚度。
现关于图1-2，在示例性的实施方案中，基材102的无机材料104可初始具有基本上平坦的暴露表面106，其经蚀刻、粗糙化（roughened）或者以其它方式处理以提供无机材料104中的表面变化，这产生描绘于图2-3中的宏观结构化的表面106。就此而论，宏观结构化的表面106是在其横截剖面中具有变化的基材102和/或材料104的整体表面。例如如同说明，宏观结构化的表面106可以呈波浪形，或者以其它方式从蚀刻到基材材料104中的凹进（recessed）部分108变化至基材材料104的凸起（raised）部分110。在示例性实施方案中，宏观结构化的表面106具有约1.0微米至约5.0微米的表面粗糙度。
关于图2，在示例性实施方案中，协同地配置凸起部分110相对于凹进部分108的高度112和各个凸起部分110与相邻（或者邻近）的凸起部分110之间的间隔距离114（或者间距），以减少被外部物体接触的表面106的量（或者百分率）。就此而论，当无机材料104是刚性的时，高度112和间隔距离114协同以防止具有大于间隔距离114的横向尺寸的外部物体接触基材102和/或材料104的凹进部分108和/或侧壁（sidewall）部分118。每个分别的凸起部分110相对于其相邻的凹进部分的高度112大于1微米，并且在一个或者多个示例性实施方案中为约1.0微米至约5.0微米。邻近的凸起部分110之间的间隔距离114也大于10微米，并且在一个或者多个示例性实施方案中为约10微米至约100微米。在示例性实施方案中，各个凸起部分110的侧壁118相对于与凸起部分110的曲面切线（surfacetangent）的角度116为使得宏观结构化的表面106具有相对高的透射率、相对低的漫反射率和相对低的镜面反射率的角度。就此而论，凸起部分110的侧壁118不是垂直的（例如不垂直于基材102的平面），使得凸起部分110和凹进部分108之间的变化是相对平缓的。在示例性实施方案中，宏观结构化的表面106具有大于90%的对于电磁谱的可见光部分的透射率。
还关于图1-2，根据一个或者多个实施方案，通过实施无掩膜的化学蚀刻过程以随机地去除穿过基材102的表面106的无机材料104的部分，形成凹进部分108。就此而论，调整该蚀刻过程以实现给予宏观结构化的表面106所希望的特性的高度112、间隔距离114和侧壁角度116，如上所述。在另外的实施方案中，可以使用图案化的蚀刻掩膜来蚀刻无机材料104，以提供凹进部分108相对于凸起部分110的所希望的布置。在另外的实施方案中，可以通过压印（embossing）或者冲压（stamping）来形成凹进部分108。
现在关于图3，通过形成覆盖宏观结构化的表面106的氧化层120，来继续抗污结构100的制造。在示例性实施方案中，氧化层120与宏观结构化的表面106相符，并且提供连续介入层，使得与抗污结构100的暴露表面的物理接触发生在氧化层120处。在示例性实施方案中，氧化层120包含光催化材料，其被配置以产生对于通过电磁谱的部分的辐照响应的羟基自由基。此后，该羟基自由基使可能给予到抗污结构100的暴露表面的接触部分上的任何污染物的有机组分氧化。例如，氧化层120可以包含氧化钛材料，例如二氧化钛，其产生对于电磁谱的紫外线部分中的波长响应的羟基自由基。
在示例性实施方案中，氧化层120掺杂有氮，以将光催化材料的感光性范围扩展至电磁谱的可见部分的至少一部分中。就此而论，可以配置氧化层120内的氮的原子浓度，以将光催化材料反应的波长提高至可见光谱（例如大于400nm的波长）的至少蓝色部分中。在示例性实施方案中，在氧化层120中的氮的原子浓度大于约1%，以将光催化材料的感光性提高至光谱的可见部分（例如大于400nm的波长）中。
根据一个或者多个实施方案，通过使覆盖宏观结构化的表面106的氧化钛材料的层一致地沉积，形成氧化层120。例如，锐钛矿相二氧化钛层可以通过进行等离子体增强化学气相沉积（PECVD）过程或者物理气相沉积（PVD）过程（例如溅射沉积过程）来沉积在暴露的宏观结构化的表面106上。在示例性实施方案中，二氧化钛的沉积层具有约50纳米至约200纳米，和更优选约100纳米的厚度。可以随后在100℃至300℃的温度下将该沉积的二氧化钛薄层（film）热处理或者退火，以改进其对于宏观结构化的表面的粘附。根据一个或者多个实施方案，通过将氮加入到用于沉积二氧化钛的反应物中，原位掺杂二氧化钛层120，这导致氮掺杂的二氧化钛材料沉积在暴露的宏观结构化的表面106上。在其它实施方案中，可以通过进行一种或者多种离子植入过程来掺杂二氧化钛层120，以将氮离子植入该二氧化钛材料中。
在另一个实施方案中，通过向宏观结构化的表面106上施涂含有悬浮在溶剂例如醇（例如乙醇）中的二氧化钛纳米颗粒的溶液层，形成氧化层120。例如，可以通过旋涂、浸涂（dipcoating）或者溶液印刷（solutionprinting）将含有悬浮其中的锐钛矿相二氧化钛颗粒的乙醇层施涂到宏观结构化的表面106上。在示例性实施方案中，该悬浮的二氧化钛颗粒具有约10nm至约50nm的最长的尺寸（例如基本上为球形的直径）。就此而论，小于10nm的粒度可能导致量子限域效应（quantumconfinementeffect），而大于50nm的粒度可能降低透射率。可以由含有二氧化钛颗粒的溶液通过施涂（例如旋涂、浸涂、溶液印刷等）该溶液、干燥该溶液并然后将结构100加热以使溶剂蒸发和使二氧化钛颗粒粘附到宏观结构化的表面106上，来形成光催化层。
根据一个或者多个实施方案，可以通过在形成二氧化钛颗粒时引入氮（例如通过在形成二氧化钛颗粒的过程中引入氮气或者含氮气体），来形成氮掺杂的光催化层，且该氮掺杂的二氧化钛颗粒悬浮在溶剂材料（例如乙醇）中。然后可以通过该溶剂并将结构100加热（或者退火）至约100℃至约300℃的温度，完成该光催化层的形成，获得氮掺杂的二氧化钛颗粒层。在可替代的实施方案中，可以在将该光催化的基体施涂到宏观结构化的表面106上之后，通过进行一种或者多种离子植入过程以将氮离子植入到该光催化层中来掺杂该光催化的基体。
在另一个实施方案中，在施涂过程步骤（例如旋涂、浸涂、溶液印刷等）之前，所述二氧化钛纳米颗粒可以散布于或者混合于其它纳米颗粒，例如二氧化硅纳米颗粒，并且悬浮在溶剂中。就此而论，可以使用其它纳米颗粒以控制光催化层中的二氧化钛颗粒密度和/或提高该光催化层对于宏观结构化的表面106的粘附。在此类实施方案中，在溶剂在之后的加热处理过程中蒸发之后，产生的氧化层120含有二氧化钛纳米颗粒，其散布于二氧化硅纳米颗粒或者其它合适的纳米颗粒中。在又一种实施方案中，通过向宏观结构化的表面106上施涂具有悬浮其中的光催化材料颗粒的基体或者粘合剂材料层，来形成氧化层120。
现在关于图4，在一个或者多个示例性实施方案中，抗污结构100与显示器件410一起使用于显示系统400中。根据一个实施方案，显示系统400在高的环境照明条件下使用，例如在飞行器的驾驶舱中（例如作为所谓的“玻璃驾驶舱”的部分）。接近显示器件410布置抗污结构100，并且相对于显示器件410对齐，从而当用户观察显示于显示器件410上的内容时，使抗污结构100介入用户和显示器件410之间的视线中。就此而论，从显示器件410的用户和/或观察者的角度，抗污结构100重叠和/或覆盖显示器件410的至少一部分。在一个或者多个实施方案中，在抗污结构100的表面上形成或者以其它方式提供粘附材料，其在宏观结构化的表面106的相反面，并且用于将抗污结构100粘贴到显示器件410的显示表面上。在可替代的实施方案中，抗污结构100可以经由气隙（airgap）与显示表面分隔（例如通过提供仅围绕着抗污结构100外围的具有合适厚度的粘附材料，以经由该粘着剂的厚度分隔抗污结构100与显示器件410）。
在示例性实施方案中，显示器件410实现为触摸屏或者包含显示器412和透明触摸板414的其它触摸传感器件。基于实施方案，显示器412可以实现为液晶显示器（LCD）、发光二极管（LED）显示器、有机发光二极管（OLED）显示器、电泳显示器或者能够在处理模块（例如处理器、控制器等）的控制下呈现图像的其它电子显示器。接近显示器412布置触摸板414，并且使其相对于显示器412对齐，从而在用户观察显示于显示器412上的内容时，使触摸板414介入视线中。触摸板414提供或者以其它方式界定了显示器件410的活跃传感区域（activesensingregion），即显示器件410的能够传感接触和/或足够接近外部物体402（例如手指和/或指甲、触针、笔等）的区域。就此而论，布置抗污结构100，使得抗污结构100重叠和/或覆盖显示器件410的传感区域。基于实施方案，触摸板414可以实现为电阻式触摸板、电容式触摸板、红外触摸板或者其它类型的光学触摸板或者其它合适的触摸板。如上所述，由于宏观结构化的表面106的相对高的透射率和相对低的反射率，由显示器412透射的入射于抗污结构100上的光的散射和/或漫射是最小化的或不然是不可觉察的。
如上所述，依靠宏观结构化的表面106，用于与触摸板414交互的外部物体402可仅在或靠近凸起部分110处接触抗污结构100，而抗污结构100的凹进部分108不被物体402接触。例如，在其中外部物体402实现为人类手指的一个示例性实施方案中，配置高度112、间隔距离114和侧壁角度116，使得仅约10%的手指402表面面积接触凸起部分110（和潜在地接触相邻的侧壁118的部分），而依靠无机材料104的刚性，防止手指402的剩余表面面积接触凹进部分108和相邻的侧壁部分118。因此，可能通过手指402而沉积在抗污结构100上的污染物的量可以减小相应的量（或者百分率），由此减小此类污染物对于感知的由显示器件410和/或显示器412提供的图像质量的潜在影响。此外依靠包含光催化材料的氧化层120，在高的环境照明条件中，可能沉积在抗污结构100的经接触的凸起部分110（和可能的与其相邻的侧壁部分118）上的任何污染物的有机组分可以通过由响应于环境光照明的光催化所产生的羟基自由基而被氧化。因此，不仅可能沉积在抗污结构100上的污染物百分率的量依靠宏观结构化的表面106而减少，而且可能驻留在抗污结构100上的污染物的量或者百分率依靠该光催化材料的“自洁”性质而进一步减少。例如在实践中，来自与手指402接触的污迹或者指纹残余物主要含有有机物（例如通常约90%或者更多的有机物质），其被氧化并由此通过氧化层120从抗污结构100去除。因此，仅相对小的量的污染物可以累积在抗污结构100上，其进而从抗污结构100的表面被清除，而不损坏无机材料104，如上所述。此外应注意，羟基自由基可以通过使接触该表面的细菌氧化来防止或者以其它方式抑制抗污结构100上的细菌生长。
以上详细的说明本质上仅是示例性的，并且不意于限制本申请的主题及其用途。此外，不意于受存在于前述的背景、概述或者详细说明中的任何理论约束。为了简要，关于光学、反射、折射、光催化、沉积、蚀刻、离子植入和/或掺杂、触摸传感器件和/或显示器件的常规技术可不详细描述于本文中。
尽管至少一个示例性实施方案已描述于之前详细的说明中，应意识到存在大量替代但是等价的变型方案，并且本文中描述的示例性实施方案决不意于限制主题的范围、适用性或者构造。相反地，应理解为可以在不偏离权利要求书的范围及其法律等同内容的情况下对本文中描述的各种要素的功能和布置上作出各种改变。因此，如果不存在相反的明确意图，上述的示例性实施方案或者其它限制的细节不应解读到权利要求书中。

Claims (10)

1.抗污结构(100)，其包含：
透明基材(102)，其中透明基材(102)包含被配置为减少与透明基材(102)的接触的宏观结构化的表面(106)；和
氧化层(120)，其覆盖宏观结构化的表面(106)。
2.权利要求1的抗污结构(100)，其中：
透明基材(102)包含无机材料(104)；
宏观结构化的表面(106)包含在无机材料(104)中的多个凹进部分(108)；并且
多个凹进部分(108)是随机分布的。
3.权利要求1的抗污结构(100)，其中宏观结构化的表面(106)包含在透明基材(102)中的多个凹进部分(108)，和在多个凹进部分(108)中的各个凹进部分(108)之间包含透明基材(102)的多个凸起部分(110)，其中多个凸起部分(110)中的每个经由约10微米至约100微米的间隔距离(114)与多个凸起部分(110)中的另一个隔开。
4.权利要求1的抗污结构(100)，其中宏观结构化的表面(106)包含在透明基材(102)中的多个凹进部分(108)，和在多个凹进部分(108)中的各个凹进部分(108)之间包含透明基材(102)的多个凸起部分(110)，其中多个凸起部分(110)中的每个相对于多个凹进部分(108)中的相邻凹进部分的高度(112)为约1微米至约5微米。
5.权利要求1的抗污结构(100)，其中氧化层(120)包含光催化材料。
6.权利要求1的抗污结构(100)，其中氧化层(120)包含二氧化钛材料(104)，其包含产生二氧化钛带隙中的能级以使光学能量吸收扩展至可见波长的替代掺杂元素。
7.权利要求1的抗污结构(100)，其中氧化层(120)包含悬浮在基体中的氧化钛颗粒。
8.制造抗污结构(100)的方法，所述方法包括：
在透明基材(102)上形成宏观结构化的表面(106)，配置宏观结构化的表面(106)以减少与透明基材(102)的接触；和
形成覆盖宏观结构化的表面(106)的氧化层(120)。
9.权利要求8的方法，其中形成氧化层(120)包括使光催化材料的层沉积在宏观结构化的表面(106)上。
10.权利要求8的方法，其中形成氧化层(120)包括将溶液施涂到宏观结构化的表面(106)上，其中所述溶液包含光催化材料的颗粒。
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