CN115113306A - 具有工程化功能的光学表面的制品 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了制品，该制品包含：包括分散在主体材料中的多个颗粒的涂层；和嵌在该涂层的表面上的多个光学元件。本申请还公开了制造该涂层和该制品的方法。

Description

具有工程化功能的光学表面的制品
本申请要求于2021年3月19日提交的美国临时申请号63/163,436的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及制品，该制品包括：包括分散在主体材料中的多个颗粒的涂层；和嵌在该涂层表面上的多个光学元件。公开了制造该涂层和该制品的方法。
背景技术
光学设备可以包括涂层以向设备提供光学特征和/或物理地保护光学设备免受环境影响。但是，单一涂层不可能同时为光学器件提供光学和物理特征，因为用于光学涂层的材料可能无法提供物理涂层所需的必要特性。例如，耐刮擦涂层通常坚硬，但很脆，并且无法提供抗冲击性。抗冲击涂层通常是柔韧的，但也可能划伤。特别地，玻璃或无机固体传感器设备不耐冲击且容易破碎，因为在受到冲击时具有高硬度和低能量吸收特性。相反，聚合物传感器设备具有抗冲击性，但不具有耐磨性。
需要一种涂层，诸如单一涂层，其可以被工程化以提供特定功能，其中组件代表标度的不同端。涂层可以被工程化以产生独特的光学、机械、化学和生物学性能。组件的组合(诸如离散元件和主体材料)可以包括与尺寸、硬度、纵横比和/或结构形状有关的标度的相对端。
附图简要说明
本公开的特征通过实施例的方式说明并且不限于以下附图，其中相同的数字表示相同的元件，其中：
图1是根据本发明一个方面的包括涂层和多个光学元件的制品；
图2是根据本发明另一方面的包括涂层和多个光学元件的制品；
图3是根据本发明另一方面的包括涂层和多个光学元件的制品；
图4是根据本发明一个方面的包括涂层和多个光学元件的制品；
图5是根据本发明一个方面的包括涂层和多个光学元件的制品；
图6是根据本发明一个方面的包括涂层和多个光学元件的制品；并且
图7是示出根据本发明一个方面的涂层的光学性能的图。
发明内容
在一方面，公开了制品，其包括：包括分散在主体材料中的多个颗粒的涂层；和嵌在该涂层的表面上的多个光学元件。
在另一方面，公开了制造制品的方法，其包括在基材上沉积涂层，该涂层包括分散在主体材料中的多个颗粒；和在该涂层的表面上嵌入多个光学元件。
各种实施方案的附加特征和优点将部分地在随后的描述中阐述，并且将部分地从该描述中显而易见，或者可以通过实践各种实施方案来了解。各种实施方案的目的和其他优点将通过本文描述中特别指出的元素和组合来实现和获得。
发明详述
为了简单和说明性的目的，通过参考其实例来描述本公开。在以下描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本公开的透彻理解。但是，显而易见的是，可以在不限于这些具体细节的情况下实践本公开。在其他情况下，一些方法和结构没有被详细描述以免不必要地混淆本公开。
此外，附图中描绘的元件可以包括附加组件，并且这些图中描述的一些组件可以被移除和/或修改而不脱离本公开的范围。此外，图中描绘的元件可能不是按比例绘制的，并且因此，元件可以具有与图中所示的尺寸和/或构造不同的尺寸和/或构造。对“顶部”或“底部”的任何引用都是为了便于理解相对于另一个元件的位置，不应视为限制。此外，如果存在多于一个元件，则将该元件标识为第一、第二、第三等以便于理解。
在其广泛和变化的实施方案中，本文公开了涂层和制品，诸如包括该涂层的光学设备；以及制造和使用该涂层和该制品的方法。该制品可以是光学设备，例如玻璃传感器设备、无机固体传感器设备、聚合物传感器设备、传感器窗口、传感器视口、显示器(例如，用于个人设备，如手机或平板电脑)、触控面板(例如ATM、机场自助值机、医院设备)、手机上的相机镜头。
本公开描述了制品10，其包括：包括分散在主体材料16中的多个颗粒14的涂层12；和嵌在涂层12表面上的多个光学元件18。具有嵌入的光学元件18的涂层12可以是制品10之间的外部界面，它们是制品的一部分或旨在增强其性能，具有设计用于保护制品10的光学和机械功能并为其用户提供各种安全元件的内置工程化(可调节)特征。特别地，该工程化特征包括用于提供增强的耐刮擦性、抗冲击性、抗污性、防水、防油和拒污性以保护制品10的预期原始光学功能的机制。
由于制品10中的组件的物理尺寸的不同标度、它们不同的机械性能和纵横比，制品10可以表现出光学和机械性能之间的协同作用。例如，制品10可以包括硬质元件，诸如多个光学元件18，和柔韧元件，诸如包括主体材料16的涂层12。作为另一个实例，制品10可以包括物理上大的组件，诸如多个光学元件18和物理上小的元件，诸如包括多个颗粒14的涂层12，其可以是纳米颗粒。作为进一步的实例，制品10可以包括在机械硬度范围的相对端的元件，例如，更接近邵氏A硬度标度的元件和处于高级别的摩氏硬度标度的其他元件。
通过组合来自数个不同参数的相对端的元件，制品10可以被工程化为具有特定光学和功能特性。例如，制品10可以包括耐刮擦性和抗冲击性。这是一项重大成就，因为通常耐刮擦涂层需要在机械上坚硬，但材料可能很脆，因此在冲击时会破裂。相反，提供改进的抗冲击性的涂层可以在机械上更柔软，但材料很容易划伤。
图1-6示出了所公开的制品10的各个方面。图1示出了制品10，其包括在至少一个表面(诸如顶表面)上是平面的基材20。在一方面，如图5和6所示，基材20可以包括表面，诸如与涂层12界面连接的顶表面，包括衍射表面。涂层12与基材20的表面界面连接。涂层12包括在主体材料16内的多个颗粒14，这些颗粒可以是随机的(图1和2)或空间取向的(图3和4)。光学元件18可以与涂层12的表面界面连接。例如，光学元件18的第一部分可以嵌入涂层12内，并且光学元件的第二部分可以在涂层12的表面上方延伸。光学元件18可以以一种以上的形状或形式存在。光学元件18可以存在于涂层12的整个表面上。如图2所示，光学元件18可以通过间隙彼此隔开。如图2所示，光学元件18可以包括衍射表面，例如，衍射表面可以存在于光学元件18的外表面上。下面将更全面地描述制品10及其元件。
在一方面，涂层12中的多个颗粒14可以基于特定的形状和/或尺寸，诸如颗粒14的特定纵横比或颗粒14的平均颗粒尺寸来选择，以实现所需的光学和非光学功能，诸如导电性、静电荷消散和/或涂层12表面的生物保护。
涂层12可具有取决于涂层12在制品10内的预期用途的物理厚度。在一方面，例如，涂层12可具有约100nm-约1,000,000nm，约1,000nm-约500,000nm，并且作为另一实例，约10,000nm-约100,000nm的物理厚度。
涂层12可以包括主体材料16。主体材料16可以是任何合适的介质，以能够分布多个颗粒14。主体材料16可以选自有机聚合物、无机聚合物和复合材料。有机聚合物的非限制性实例包括热塑性塑料，诸如聚酯、聚烯烃、聚碳酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚氨酯、丙烯酸树脂、丙烯酸酯、聚乙烯酯、聚醚、聚硫醇、聚硅氧烷、碳氟聚合物及其各种共聚物；热固性材料，诸如环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸酯、三聚氰胺甲醛、脲醛和苯酚甲醛；和能量固化材料，诸如丙烯酸酯、环氧树脂、乙烯族类、乙烯基酯、苯乙烯和硅烷。无机聚合物的非限制性实例包括硅烷、硅氧烷、钛酸盐、锆酸盐、铝酸盐、硅酸盐、磷氮烷、聚硼氮烯和聚噻唑。
主体材料16中的聚合物链可以被交联和固化。非限制性实例包括光诱导聚合，诸如自由基聚合、光谱敏化光诱导自由基聚合、光诱导阳离子聚合、光谱敏化光诱导阳离子聚合和光诱导环加成；电子束诱导聚合，诸如电子束诱导自由基聚合、电子束诱导阳离子聚合、电子束诱导环加成；以及热诱导聚合，诸如热诱导阳离子聚合。固化方法的非限制性实例包括非自由基固化系统、紫外线、可见光、红外线和电子束。在一方面，主体材料16可以是机械能耗散的。
主体材料16可以包括添加剂，例如，除了多个颗粒14之外。添加剂可以分散在主体材料16中。添加剂可以包括但不限于着色剂，诸如染料和颜料；量子点；胶束；硫属化物；流平剂，诸如聚丙烯酸酯；光引发剂，诸如氧化膦；氧抑制缓解组合物；消泡剂；润湿剂；分散剂；固化剂；硬化剂；抗氧化剂；及其组合。涂层12还可以包括溶剂。
多个颗粒14可以随机地存在于主体材料16中，如图1、2、5和6所示。在一方面，多个颗粒14可以有序的空间分布存在于主体材料16中。“有序空间分布”是指多个颗粒14可以以有序或排列的方式在物理空间上分布于涂层12的主体材料16内。特别地，多个颗粒14可以受到使多个颗粒14在涂层12的主体材料16内以特定物理空间分布排列的力。
在一方面，有序空间分布可以是贯穿涂层12的主体材料16的连续梯度。例如，多个颗粒14的物理浓度可以在涂层12的表面之间逐渐变小，从而形成连续的贯穿整个涂层12的梯度，如图3和4所示。图3示出了与基材20折射率匹配的高折射率颗粒14。图4示出了与光学元件18折射率匹配的高折射率颗粒14。在一方面，连续梯度可以是球形的、轴向的或径向的。因为连续梯度可以在涂层12的主体材料16内，可以获得更便宜和/或更薄的涂层12。与包括多个层的制品相比，这可能是一个优势，以提供跨越多个层的折射率梯度，而不是在涂层12内，如所公开的涂层12。涂层12可以具有从顶表面到底表面的折射率分布，反之亦然。以这种方式，主体材料16中的颗粒14可以被以梯度工程化来匹配(诸如折射率匹配)基材20和/或光学元件18。
多个颗粒14可以包括平均颗粒尺寸为纳米级的任何颗粒，例如，从约1nm到亚微米尺寸(小于一微米)。为了避免光散射，可以使多个颗粒14的平均粒度适应选择的波长。多个颗粒14具有特定于光学和/或非光学功能的特定形状和/或纵横比。作为非光学功能的实例，多个颗粒14可以提供低表面能，这可以导致超疏水性。在一方面，颗粒14可以是球形的。在另一方面，颗粒14各自可以是层状的，例如具有约2:1-10:1的长宽比的纵横比。
颗粒14可包括选自金属、金属氧化物、金属碳酸盐、金属硫化物、金属氟化物、金属氮化物、有机化合物或聚合物及其混合物的材料。金属氧化物的非限制性实例包括氧化铝、氧化钙、氧化铈、氧化铬、氧化钴、氧化铜、氧化铁、氧化铅、氧化镁、氧化镍、氧化铌、二氧化硅、氧化银、氧化锡、和氧化锌。金属硫化物的非限制性实例包括硫化钡、硫化钴、硫化铜、硫化铁、硫化锰、硫化镍、硫化银、硫化锡、硫化钛和硫化锌。金属氟化物的非限制性实例包括氟化铝、氟化钡、氟化钙、氟化铈、氟化铬、氟化钴、氟化铜、氟化金、氟化铁、氟化镁、氟化镍、氟化铌、氟化银、氟化锡、和氟化钛。有机化合物或聚合物的非限制性实例包括聚酰亚胺硫醚、聚膦酸酯、含硫聚酰亚胺、聚二茂铁、聚二茂铁硅烷和有机-无机纳米复合材料。颗粒14可以包括磁性和/或铁磁性材料。
颗粒14可具有折射率，诸如高折射率或低折射率。本文将具有高折射率的颗粒14定义为大于约1.65。本文将具有低折射率的颗粒14定义为约1.65或更小。高折射率颗粒14的非限制性实例包括氧化铝(Al2O3)、硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)、氧化锆(ZrO2)、二氧化钛(TiO2)、类金刚石碳、氧化铟(In2O3)、氧化铟锡(ITO)、五氧化二钽(Ta205)、氧化铈(CeO2)、氧化钇(Y2O3)、氧化铕(Eu2O3)、氧化铁，诸如(II)二铁(III)氧化物(Fe3O4)和氧化铁(Fe2O3)、氮化铪(HfN)、碳化铪(HfC)、氧化铪(HfO2)、氧化镧(La2O3)、氧化镁(MgO)、氧化钕(Nd2O3)、氧化镨(Pr6O11)、氧化钐(Sm2O3)、三氧化锑(Sb2O3)、硅、氧化硅(SiO)、三氧化硒(Se2O3)、氧化锡(SnO2)、三氧化钨(WO3)，其组合等。低折射率颗粒14的非限制性实例包括二氧化硅(SiO2)、氟化镁(MgF2)、氟化铝(AlF3)、氟化铈(CeF3)、氟化镧(LaF3)、氟化铝钠(例如Na3AlF6或Na5Al3F14)、氟化钕(NdF3)、氟化钐(SmF3)、氟化钡(BaF2)、氟化钙(CaF2)、氟化锂(LiF)，氟化镱(YbF3)、氟化钇(YF3)、空心颗粒和微纳胶囊(含空气和/或功能材料)及其组合。
如上文所述，多个颗粒14可包括相同或不同的颗粒。例如，多个颗粒14可以是相同的材料、相同的折射率、相同的密度等。多个颗粒14可以不同，以使多个颗粒14是不同部分的混合物。例如，多个颗粒14可以包括磁性颗粒14的第一部分和非磁性颗粒14的第二部分。
涂层12还可以在涂层12的表面中包含多个微胶囊。在涂层12中出现划伤的情况下，由于划伤，多个微胶囊可破裂以填充涂层12中的空隙。涂层12可被聚合以使涂层12固化。以这种方式，可以认为涂层12是自修复的。主体材料16可包括活性材料(诸如微胶囊)或弹性材料相，以提供自修复。
在一方面，主体材料16的机械硬度可以小于(邵氏A硬度标尺)多个光学元件18的机械硬度(高级别的摩氏硬度标尺)。主体材料16可包括可匹配多个光学元件18、基材20或两者的折射率。
制品10还可以包括基材20。如图1所示，可将涂层12施加在基材20的表面上。基材20可以是能够接受涂层12的任何材料。例如，基材20可以是塑料、玻璃、网。基材20的表面可以是平滑和/或平面的(图1-4)，或者可以是衍射的(图5-6)。在一方面，基材20可以选自显示器、传感器(例如，玻璃、无机固体、聚合物)、传感器窗口、视口和扩散器。例如，基材20可以是平面玻璃透镜。作为另一个实例，基材20可以是工程化的扩散器。
多个光学元件18可以各自独立地具有0.5微米-5毫米(例如，约1微米-约3毫米)的尺寸，并且作为其他实例，具有约5微米-约1毫米的尺寸。
多个光学元件18可嵌在涂层12的表面上。在一方面，每个光学元件18的一部分可以嵌入涂层12中一定深度，使得每个光学元件18的另一部分延伸到涂层12的表面之外。例如，如图5所示，多个光学元件18可以被定向以形成准连续的光学表面。在一方面，多个光学元件18可以包括朝向第一方向的第一部分，以及朝向不同于该第一方向的一个或多个方向的一个或多个附加部分。在另一方面，多个光学元件18可全部朝向同一方向。
多个光学元件18中的每个光学元件可以是选自透镜、平板、立方体、长方体、棱镜、球体、棱锥体、圆柱体和圆锥体的三维元件。在一方面，多个光学元件18可以是相同的三维元件。在另一方面，多个光学元件18可以是不同的三维元件。
多个光学元件18中的每个光学元件可以具有至少一个选自平坦、弯曲和纹理化的表面。图1示出了两个不同的光学元件18，一组光学元件18具有卵形或椭圆形，另一组光学元件18具有两个凹面。图2示出了一组具有平坦平面的光学元件18，另一组光学元件18具有一个平坦平面和一个纹理化表面。在一方面，如图6所示，每个光学元件18的至少一个表面可以包括纳米颗粒、纳米棒、纳米矛(nanospears)及其组合。每个光学元件18的至少一个表面可以是扩散表面。每个光学元件18的至少一个表面可以被工程化成光学亚表面。
多个光学元件18中的每个光学元件可以由透明材料制成，诸如玻璃、合成矿物、矿物、光学聚合物、微胶囊或其他光学材料。微胶囊可含有影响自修复性能、光吸收和/或折射特性的功能性液体。通过这种方式，微胶囊可以具有机械和光学功能。
多个光学元件18中的每个光学元件可以在每个光学元件18的表面的至少一部分上具有涂层22，如图5所示。涂层22可选自抗反射的、反射的、透明导电的、疏油的、疏水的、超疏水的、抗污的、可清洁的或自清洁的、抗真菌的、抗细菌的、抗病毒的、及其组合。涂层22可以是光学涂层或功能涂层，例如，提供辐射和/或热管理。在一方面，光学元件18可以具有提供诸如陷波、带通或可见颜色功能的功能的集成滤波器设计。例如，光学陷波滤波器可以为用于自动驾驶汽车、无人机等的激光雷达窗口提供性能。
如图6所示，光学元件18的表面可包括纳米颗粒、纳米棒和/或纳米矛，其可为光学元件18提供抗真菌、抗细菌和抗病毒特性。它们可以由诸如铜、银、磷钼酸盐、石墨烯、还原氧化石墨烯、多金属氧酸盐和金属氧化物(诸如氧化铜或氧化锌)制成。
制造制品10的方法可包括在基材20上沉积涂层12，该涂层12包括分散在主体材料16中的多个颗粒14；以及在涂层12的表面上嵌入多个光学元件18。可以使用液体涂层方法沉积涂层12。
实施例
将包含分散在环氧树脂主体材料中的多个碳化硅纳米颗粒的1微米涂层施加到Gorilla玻璃基材上(样品A)。将与样品A相同的涂层以2微米的厚度施加在Gorilla玻璃基材上(样品B)。此外，将与样品A相同的涂层涂覆在Gorilla玻璃顶部的二氧化硅层上(样品C)。测量入射光的光透射，结果如图7所示。数据表明，主体材料与分散在其中的多个颗粒的组合表现出高光透射。
制品，其包含：包括分散在主体材料中的多个颗粒的涂层；和多个嵌在所述涂层的表面上的光学元件。所述制品还包括基材，其中所述涂层在所述基材的表面上；并且其中所述基材选自显示器、传感器(玻璃、无机固体、聚合物)、传感器窗口、视口和扩散器。所述制品，其中所述多个颗粒的平均粒径为纳米级；并且，其中多个光学元件的尺寸范围为0.5微米-5毫米。所述制品，其中主体材料的机械硬度小于(邵氏A硬度标尺)多个光学元件的机械硬度(高级别的摩氏硬度标尺)。所述制品，其中所述多个颗粒具有特定于光学和/或非光学功能的特定形状和/或纵横比。该制品还包括涂层表面中的多个微胶囊。所述制品，其中所述涂层具有折射率分布。所述制品，其中所述多个光学元件被定向以形成准连续的光学表面。所述制品，其中多个光学元件中的每个光学元件是选自透镜、平板、立方体、长方体、棱镜、球体、棱锥体、圆柱体和圆锥体的三维元件。所述制品，其中所述多个光学元件中的每个光学元件在所述光学元件表面的至少一部分上具有涂层；并且，其中所述涂层选自抗反射的、反射的、透明导电的、疏油的、疏水的、超疏水的、抗污的、可清洁的或自清洁的、抗真菌的、抗细菌的、抗病毒的、及其组合。所述制品，其中多个光学元件中的每个光学元件由选自玻璃、合成矿物、矿物、光学聚合物、微胶囊和其他光学材料的材料制成。所述制品，其中所述多个光学元件中的每个光学元件具有至少一个选自平坦、弯曲和纹理化的表面。所述制品，其中每个光学元件的至少一个表面包括纳米颗粒、纳米棒、纳米矛及其组合。所述制品，其中所述主体材料具有与所述多个光学元件、所述基材或两者匹配的折射率。
从前面的描述中，本领域技术人员可以理解，本教导可以以多种形式实施。因此，虽然已经结合具体实施方案及其实施例描述了这些教导，但本教导的真实范围不应如此有限。在不脱离本文教导的范围的情况下，可以进行各种改变和修改。
本公开范围将被广泛解释。本公开旨在公开实现本文所公开的设备、活动和机械动作的等效物、装置、系统和方法。对于所公开的每个设备、制品、方法、装置、机械元件或机构，本公开还涵盖在其公开中，并教导用于实践本文所公开的许多方面、机构和设备的等效物、装置、系统和方法。此外，本公开涉及涂层及其许多方面、特征和元素。该设备在其使用和操作中可以是动态的，本公开旨在涵盖使用该设备和/或制造的光学设备的等效物、装置、系统和方法，以及与本文所公开的操作和功能的描述和精神一致的许多方面。本申请的权利要求也应作广义解释。本发明在其许多实施方案中的描述在本质上仅为示例性的，并且因此，不偏离本发明要点的变化旨在在本发明的范围内。此变化不应被视为偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.制品，其包含：
包括分散在主体材料中的多个颗粒的涂层；和
嵌在所述涂层的表面上的多个光学元件。
2.权利要求1所述的制品，其还包含基材，其中所述涂层在所述基材的表面上；并且
其中所述基材选自显示器、传感器(玻璃、无机固体、聚合物)、传感器窗口、视口和扩散器。
3.权利要求1所述的制品，其中所述多个颗粒的平均粒度为纳米级；并且其中所述多个光学元件的尺寸为0.5微米-5毫米。
4.权利要求1所述的制品，其中所述主体材料的机械硬度小于(邵氏A硬度标度)所述多个光学元件的机械硬度(高级别的摩氏硬度标度)。
5.权利要求1所述的制品，其中所述多个颗粒具有特定于光学和/或非光学功能的特定的形状和/或纵横比。
6.权利要求1所述的制品，其还包含在所述涂层的表面中的多个微胶囊。
7.权利要求1所述的制品，其中所述涂层具有折射率分布；并且
其中所述主体材料具有与所述多个光学元件、所述基材或两者匹配的折射率。
8.权利要求1所述的制品，其中所述多个光学元件被定向以形成准连续的光学表面；并且
其中所述多个光学元件中的每个光学元件由选自玻璃、合成矿物、矿物、光学聚合物、微胶囊和其他光学材料的材料制成。
9.权利要求1所述的制品，其中所述多个光学元件中的每个光学元件是选自透镜、平板、立方体、长方体、棱镜、球体、棱锥体、圆柱体和圆锥体的三维元件；并且
其中所述多个光学元件中的每个光学元件具有至少一个选自平坦、弯曲和纹理化的表面；并且
其中所述每个光学元件的至少一个表面包括纳米颗粒、纳米棒、纳米矛及其组合。
10.权利要求1所述的制品，其中所述多个光学元件中的每个光学元件在所述光学元件的表面的至少一部分上具有涂层；并且
其中所述涂层选自抗反射的、反射的、透明导电的、疏油的、疏水的、超疏水的、抗污的、可清洁的或自清洁的、抗真菌的、抗细菌的、抗病毒的、及其组合。
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