CN117706670A - 一种全介质金属亮银色结构色薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全介质金属亮银色结构色薄膜及其制备方法。该结构色薄膜包括全介质干涉薄膜，全介质干涉薄膜包括预设顺序堆叠的红色反射膜堆、绿色反射膜堆和蓝色反射膜堆；每种膜堆由若干高折射率介质膜和若干低折射率介质膜交替堆叠，通过堆叠周期及每种膜堆的中心波长控制膜堆的色调、饱和度和明度。本发明基于红、绿、蓝三基色加法混色原理实现可见光波段银白色金属色效果，通过以红、绿、蓝三基色波长作为反射带中心波长，构建三波段反射带叠加，实现可见光宽带高反射率金属亮银色效果。通过选取不同三基色波长，不同基础结构和单元周期数，可以实现红、绿、蓝不同波段的反射率调整和带宽调整，可以实现金属暖银色、中性银色、冷银色等金属色效果。
Description
技术领域
本发明涉及结构色薄膜技术领域，尤其涉及一种全介质金属亮银色结构色薄膜及其制备方法。
背景技术
结构色是一种由物体的结构和几何形状引起的颜色效果。这种颜色并不是由化学成分或色素造成的，而是由光的干涉、衍射或散射等现象产生的。结构色常常出现在自然界中，如蝴蝶的翅膀、鱼鳞、珍珠和油膜等。结构色的产生是由于光在物体表面发生反射或折射时，根据物体的结构特征产生的干涉现象。当光线遇到物体表面时，会发生多次反射和折射，这些光线叠加在一起形成新的光线，产生特定的颜色效果。常见的结构色有靛蓝色、紫色、绿色和金属光泽等。这些色彩鲜艳、变幻多样，并且随着观察角度的改变而呈现出不同的颜色。结构色不仅在自然界中广泛存在，也被运用于人造产品中，如高光泽漆、色彩涂层和光学薄膜等。
结构色具有诸多优点：一是颜色鲜艳丰富，结构色可以呈现出鲜艳、丰富的色彩，常常是一些显眼的颜色，吸引人们的眼球；二是视觉效果独特，结构色的产生是由于物体的结构特征，因此呈现出的颜色效果独特而特殊，与传统的化学染料或颜料不同；三是角度依赖性，结构色的颜色效果会随着观察角度的改变而发生变化，给人带来一种动态的感觉，增加了观赏的趣味性；四是无污染和环保，结构色并不依赖化学染料或颜料，而是通过物体的结构引起干涉现象，因此不会产生环境污染和有害物质；五是耐久性较好，由于结构色不依赖于染料或颜料，而是由物体本身的结构特征引起的，因此它的颜色效果在一定程度上比染料或颜料更持久。总的来说，结构色在生物学、化学、材料科学等领域有着广泛的应用，不仅在自然界中常见，也在人造产品中得到了运用，它的独特性和视觉效果使其具备了许多独有的优点。
基于薄膜方式实现金属亮银色的现有技术是：如专利CN1138216C描述了闪亮金属片的薄膜结构方案，采用三层材料结构，中间为金属铝层，厚度为100nm,两侧对称分布两层绝缘层氟化镁或二氧化硅，厚度约为100nm,绝缘层的引入提高了金属铝的刚性和脆性断裂，以适合由薄膜破碎成颜料碎片的适用性。实现金属亮色主要是要确保可见光波段实现全波段的高反射率，对于宽波段实现高反射率，多采用金属铝、银、金等宽波段高反射率金属来实现。采用全介质薄膜构建结构色材料，主要是针对红、绿、蓝、黄、紫等彩色色彩来实现，如专利CN100475915C介绍了采用常规全介质反射膜结构(aHbL)naH来构建，通过不同高低折射率薄膜材料的组合，构建可见光波段不同级次反射峰，实现高饱和度、高亮度、较大角度变化下色移的结构色薄膜，但还未见到有采用全介质绝缘材料实现金属亮银色的相关报道。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种全介质金属亮银色结构色薄膜，能够其基本设计架构是采用全介质薄膜材料构建红、绿、蓝基础反射膜堆，通过调整红、绿、蓝反射膜堆的中心反射带位置和膜堆反射率，来组合搭配完成加法红绿蓝配色，实现银色效果。
根据本发明的一个方面，提供一种全介质金属亮银色结构色薄膜，该结构色薄膜包括全介质干涉薄膜，全介质干涉薄膜包括预设顺序堆叠的红色反射膜堆、绿色反射膜堆和蓝色反射膜堆；
每种膜堆由若干高折射率介质膜和若干低折射率介质膜交替堆叠，通过高低折射率材料的折射率比值、堆叠周期及每种膜堆的中心波长控制膜堆的饱和度、明度和色调。
在上述技术方案中，提出一种基于全介质多层膜实现金属亮银色的薄膜结构色结构，按照基于红、绿、蓝三基色加法混色原理来实现可见光波段银白色金属色效果，通过以红、绿、蓝三基色波长作为反射带中心波长，构建三波段反射带叠加，实现可见光宽带高反射率金属亮银色效果，同时，通过选取不同三基色波长，不同基础结构和单元周期数，可以实现红、绿、蓝不同波段的反射率调整和带宽调整，可以实现金属暖银色、中性银色、冷银色等金属色效果。根据颜色三要素，明度、色调、饱和度对应全介质反射膜堆，设计中心波长λR、λG、λB决定了红、绿、蓝三基色的主色调位置，反射膜堆主反射带的带宽决定了红、绿、蓝三基色的饱和度，而反射膜堆的反射率决定了红、绿、蓝三基色的明度。颜色的三要素明度、色调和饱和度和多层介质膜的基本关系是介质膜堆的反射带宽决定了饱和度，而反射带宽由叠加的高低折射率比值来决定，折射率比值越大，带宽就越宽饱和度就越低；介质膜堆周期越大，反射率越高，明度就越高；中心波长决定了反射带的波长位置，也就决定了该反射带对应的颜色，即色调。对于构建金属银色效果，需要采用加法混色原理，进行红绿蓝三基色的混色，选用不同的三基色中心波长，不同的厚度调谐比例、不同的膜堆周期数，可以分别在混色的亮度、混色的基本银色色调上进行优化组合，实现中性银色、暖银色、冷银色、银黄色、灰银色等包括具有淡颜色色调银色系色彩呈现。
在一些实施例中，所述高折射率介质膜的材质包括金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物中的一种或上述材料中至少两种的混合物。
在上述技术方案中，高折射率介质膜可选用位于可见光波段全透明的介质薄膜材料，折射率取值范围为1.7-3之间，消光系数低于10-3, 在可见光波段全透明，可以最大限度降低介质材料对光的吸收；具有较高的折射率，在给定的厚度下具有更高的反射率。同时在相同光学厚度条件下，高折射率材料有利于减少膜系物理厚度，减轻整体薄膜重量并提高光学性能；吸收系数小，具有高的透明度，有利于实现全介质反射膜优异的光学相长干涉效果；材料折射率选择性高，可以满足不同反射带宽的要求；具有较好的机械特性、耐磨性，膜层附着力、牢固性好、保持光学性能的稳定。
在一些实施例中，所述低折射率介质膜的材质包括二氧化硅、氧化铝、氟化物中的一种或上述材料中至少两种的混合物。
在上述技术方案中，低折射率介质膜可选用在可见光波段全透明、折射率取值范围在1.2-1.7之间的氧化物、氟化物材料，较低的折射率，有助于在全介质金属亮银色结构色薄膜中与高折射率介质材料组合，形成大的折射率比值，在较少膜层数条件下获得高的干涉反射，实现良好的光干涉效果，从而产生明亮的金属银色结构色；二氧化硅、氧化铝等无机材料具有良好的化学稳定性，能够抵抗环境中的化学物质，如湿度、温度变化等，从而保证全介质金属亮银色结构色薄膜在长期使用过程中的颜色稳定性。
在一些实施例中，所述高折射率介质膜和所述低折射率介质膜的厚度为四分之一膜堆的中心波长。
在上述技术方案中，基于光学干涉多层膜理论，高低折射率全介质薄膜材料按照以反射带中心波长的四分之一光学厚度nd=λ/4来交替叠加，可以实现中心波长的相长干涉，达到高反射率要求，本专利实现可见光波段宽波段高反射效果，特别是基于可见光 红、绿、蓝三基色波段的高反射来实现加法混色，红、绿、蓝(R、G、B)三个反射膜堆的中心波长λR、λG、λB的取值范围分别位于λR：600-760nm，λG：500-600nm, λB: 380-500nm, 为了便于整个叠加膜堆厚度统一，引入参考波长λ0来表征所有光学厚度，所以λ0的取值范围可以覆盖整个可见光波段从380nm-760nm, 对应的光学厚度系数a、b、c的取值范围均为0.5-2，考虑到高低折射率的取值范围从1.2-3，每层薄膜的光学厚度值可以由统一设计的参考波长λ0的四分之一乘以光学厚度系数来得到，光学厚度等于材料折射率与物理厚度乘积， 据此可以得到每层薄膜对应的物理厚度值。所以整个膜层结构，对应的高折射率介质薄膜的物理厚度取值范围为5nm-180nm, 优选的20nm-120nm之间；对应的低折射率介质薄膜的物理厚度取值范围为10nm-250nm,优选的40nm-170nm之间,可以很好的满足可见光波段的全光谱波段强干涉效应，而本申请的全介质金属亮银色就是利用的这种宽波段强干涉效应来实现。
根据本发明的另一个方面，提出一种全介质金属亮银色结构色薄膜的制备方法，用于制备上述的一种全介质金属亮银色结构色薄膜，
包括如下步骤：
确定全介质干涉薄膜所用材料组合，并选定红、绿、蓝反射膜堆的中心波长，以及，根据对饱和度、明度的要求，确定红、绿、蓝反射膜堆的堆叠周期，以及，依据红、绿、蓝反射膜堆的中心波长确定介质膜的光学厚度系数；
通过中心波长、堆叠周期、厚度系数以及材料组合在一基底上按预设顺序堆叠高折射率介质层材料和低折射率介质材料得到包含红色反射膜堆、绿色反射膜堆、蓝色反射膜堆的全介质干涉薄膜。
在上述技术方案中，一种全介质金属亮银色结构色薄膜其结构为λB(a3Hb3L)^za3Hc3L a3H λG(a2Hb2L)^y a2H λR(a1Hb1L)^x c1H，基于红、绿、蓝三基色加法混色原理来实现可见光波段银白色金属色效果，设计红、绿、蓝反射膜堆中心波长λR、λG、λB决定了红、绿、蓝三基色的主色调位置，反射膜堆主反射带的带宽决定了红、绿、蓝三基色的饱和度，而反射膜堆的反射率决定了红、绿、蓝三基色的明度。基底主要是作为上述结构色薄膜的生长承载的衬底，可以是刚性加工的衬底，也可以是柔性衬底。基本要求是表面光滑，光洁度良好，一般包括光滑的不锈钢、镜面铝、镜面银基底或则高光洁度的玻璃、晶体或者光学塑料，该光学塑料选用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、三醋酸纤维素(TAC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯/聚甲基丙烯酸甲酯复合材料(PC/PMMA)、聚酰亚胺(PI)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚氨酯弹性体(TPU)、聚四氟乙烯（PTFE）、氟代乙基丙烯（FEP）或聚二氟乙烯（PVDF）中的一种。
在一些实施例中，根据对于饱和度、明度的要求，确定红、绿、蓝反射膜堆的堆叠周期，具体的，基础介质反射膜堆的反射率由式(1)决定,反射带宽由式(2)、式（3）决定
式中，n0为入射介质折射率，ng为基底材料折射率，nL为低折射率材料的折射率，nH为高折射率材料的折射率，S为堆叠周期，Δg为波数半宽度，λ中为介质反射膜堆的中心波长。
在上述技术方案中，式(1)表明，当入射介质、高折射率和低折射率介质层材料、基底材料的折射率不变时，反射膜堆的反射率，随着周期数S增大而增大。反射带宽主要和介质层折射率比值有关，但周期数越大其反射带矩形度越好，反射带边缘越陡。红、绿、蓝反射膜堆的周期数x、y、z应根据需要确定。
x、y、z 决定了薄膜堆叠的总层数，考虑的制备工艺和膜层应力，一般取值范围为1-10， 优选的3-6.
在一些实施例中，依据红、绿、蓝反射膜堆的中心波长确定介质膜的光学厚度系数，具体的：指定λ0作为整个红、绿、蓝膜堆序列统一设计的参考波长。介质膜的λ/4光学厚度系数a、b由式(4)求出
式中，λR为红色反射膜堆的中心波长、λG为绿色反射膜堆的中心波长、λB为蓝色反射膜堆的中心波长。
在一些实施例中，得到全介质干涉薄膜之后还包括：
对薄膜所呈现出的色彩效果进行评估，根据需要对膜系进行调整。
在上述技术方案中，对薄膜所呈现出的色彩效果进行评估，根据需要对膜系进行调整，可以插入或删除部分层，增加或减少部分层厚度，对膜堆的中心波长进行微调等。
在一些实施例中，根据需要对膜系进行调整，可以包括：
将全介质金属亮银色结构色薄膜沉积到释放层上，通过将释放层溶解在水浴中或在溶剂中，通过刷、刮或洗涤来分离多个涂层。
在上述技术方案中，将全介质金属亮银色结构色薄膜沉积到释放层上，通过将释放层溶解在水浴中(可能在相对较高的温度下)或在溶剂中(可能在相对较高的温度下)，通过刷、刮或洗涤来分离多个涂层。
在一些实施例中，通过中心波长、堆叠周期及厚度系数堆叠高折射率介质膜和低折射率介质膜得到的红色反射膜堆、绿色反射膜堆、蓝色反射膜堆，具体的：
通过网状镀膜工序堆叠高、低折射率介质膜形成一薄膜膜片；
破碎该薄膜膜片得到纵横比至少为2:1,平均颗粒尺寸为约5um至约100um的膜堆；
反复上述步骤多次获得多个反射膜堆。
在上述技术方案中，可以通过一个网状镀膜工序形成,其中各层按顺序用传统的沉积技术沉积在一个网状材料上,以形成一个薄膜结构,该结构接着被破碎,并从网上取下,例如用溶解剂以形成许多薄膜片。碎化平片包括多个由各种不同材料形成的薄膜层。一般而言,颜料片的纵横比至少为2:1,平均颗粒尺寸为约5um至约1000um。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1-1是本发明一种全介质金属亮银色结构色薄膜的实施例之一中性银色效果的全介质金属亮银色结构色薄膜反射光谱曲线图；
图1-2是本发明一种全介质金属亮银色结构色薄膜的实施例1中性银色效果的结构色薄膜色品坐标图；
图2-1是本发明一种全介质金属亮银色结构色薄膜的实施例2暖银色效果的全介质金属亮银色结构色薄膜反射光谱曲线图；
图2-2是本发明一种全介质金属亮银色结构色薄膜的实施例2暖银色效果的结构色薄膜色品坐标图；
图3-1是本发明一种全介质金属亮银色结构色薄膜的实施例3冷银色效果的全介质金属亮银色结构色薄膜反射光谱曲线图；
图3-2是本发明一种全介质金属亮银色结构色薄膜的实施例3冷银色效果的结构色薄膜色品坐标图；
图4-1是本发明一种全介质金属亮银色结构色薄膜的实施例4银砂色效果的全介质金属亮银色结构色薄膜反射光谱曲线图；
图4-2是本发明一种全介质金属亮银色结构色薄膜的实施例4银砂色效果的结构色薄膜色品坐标图；
图5-1是本发明一种全介质金属亮银色结构色薄膜的实施例5灰银色效果的全介质金属亮银色结构色薄膜反射光谱曲线图；
图5-2是本发明一种全介质金属亮银色结构色薄膜的实施例5灰银色效果的结构色薄膜色品坐标图；
图6-1是本发明一种全介质金属亮银色结构色薄膜的实施例6银黄色效果的全介质金属亮银色结构色薄膜反射光谱曲线图；
图6-2是本发明一种全介质金属亮银色结构色薄膜的实施例6银黄色效果的结构色薄膜色品坐标图；
图7是本发明一种全介质金属亮银色结构色薄膜的具体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种全介质金属亮银色结构色薄膜，能够其基本设计架构是采用全介质薄膜材料构建红、绿、蓝基础反射膜堆，通过调整红、绿、蓝反射膜堆的中心反射带位置和膜堆反射率，来组合搭配完成加法红绿蓝配色，实现银色效果。
红色基础膜堆定义为λR(a1Hb1L)^x c1H；绿色基础膜堆定义为λG(a2Hb2L)^y c2H；蓝色基础膜堆定义为λB(a3Hb3L)^z c3H。其中λR、λG、λB分别代表所设计红、绿、蓝全介质反射膜堆的中心波长；大写字母H代表为高折射率介质膜，大写字母L代表低折射率介质膜；小写字母a、b、c为介质膜的λ/4光学厚度系数，其下标1、2、3表示分别以λR、λG、λB为中心波长；字母x、y、z代表相同厚度序列重复的周期数。每层薄膜的光学厚度值可以由统一设计的参考波长λ0的四分之一乘以光学厚度系数来得到，光学厚度等于材料折射率与物理厚度乘积， 据此可以得到每层薄膜对应的物理厚度值。
红、绿、蓝基础膜堆也可以表示为(包括但不限于以下形式)：红色λR(a1Hb1L)^x、绿色λG(a2Hb2L)^y、蓝色λB(a3Hb3L)^z；红色λR(b1La1H)^x、绿色λG(b2La2H)^y、蓝色λB(b3La3H)^z；红色λR(b1La1H)^x c1L、绿色λG(b2La2H)^y c2L、蓝色λB(b3La3H)^zc3L。
根据颜色三要素，明度、色调、饱和度对应全介质反射膜堆，设计中心波长λR、λG、λB决定了红、绿、蓝三基色的主色调位置，反射膜堆主反射带的带宽决定了红、绿、蓝三基色的饱和度，而反射膜堆的反射率决定了红、绿、蓝三基色的明度。对于构建金属银色效果，需要采用加法混色原理，进行红绿蓝三基色的混色，选用不同的三基色中心波长，不同的高低折射率材料组合、不同的厚度调谐比例、不同的膜堆周期数，可以分别在混色的亮度、混色的基本银色色调上进行优化组合，实现中性银色、暖银色、冷银色、银黄色、灰银色等包括具有淡颜色色调银色系色彩呈现。
根据不同颜色效果需求，合成后的几种混色膜系结构为：
D1:λB(a3Hb3L)^z λG(a2Hb2L)^y λR(a1Hb1L)^x
D2:λB(a3Hb3L)^z a3H λG(a2Hb2L)^y a2H λR(a1Hb1L)^x c1H
D3:λB(a3Hb3L)^z a3Hc3L λG(a2Hb2L)^y a2Hc2L λR(a1Hb1L)^x a1H
D4:λB(b3La3H)^z λG(b2La2H)^y λR(b1La1H)^x
D5:λB(b3La3H)^z b3L λG(b2La2H)^y b2L λR(b1La1H)^x b1L
D6:λB(b3La3H)^z b3Lc3H λG(b2La2H)^y b2Lc2H λR(b1La1H)^x b1L
本实施例中所述高折射率介质膜选用在可见光波段全透明、折射率取值范围在1.7-3之间的氧化物、硫化物以及氮化物材料，例如氧化钽(Ta2O5)、氧化钛(TiO2)、氧化铪(HfO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化铌（Nb2O5)、氧化钇(Y2O3)、硫化锌(ZnS)、氮化硅(Si3N4）、氧化铋（Bi2O3）、氧化铈（CeO2）、氧化铬（Cr2O3)、氧化镁（MgO)、氧化钕（Nd2O3)、氧化锌（ZnO)的一种或上述材料中至少两种的混合物；所述低折射率介质膜选用在可见光波段全透明、折射率取值范围在1.2-1.7之间的氧化物、氟化物材料，例如二氧化硅(Si02)、氧化铝 (Al2O3)或氟化物中的一种或上述材料中至少两种的混合物，该氟化物如氟化镁(MgF2)、氟化铝(AlF3)、氟化铈(CeF3)、氯化镧(LaF3)、六氟合铝酸钠(Na3AlF6)、氟化钕(NdF3)、氟化钡(BaF2)、氟化钙(CaF2)或氟化锂(LiF)中的一种或上述材料中至少两种的混合物。
所述基底的材料采用抛光的玻璃、抛光不锈钢、抛光镜面铝、镜面银以及柔性塑料基底，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、三醋酸纤维素(TAC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯/聚甲基丙烯酸甲酯复合材料(PC/PMMA)、聚酰亚胺(PI)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚氨酯弹性体(TPU)、聚四氟乙烯(PTFE)、氟代乙基丙烯(FEP)或者聚二氟乙烯(PVDF)。基底上有释放层材料，为易溶于水的氟化物、氯化物，或者可溶于水的有机物材料和有机溶剂，例如聚乙烯醇、丙烯酸树脂、聚乙酸乙烯酯或氯化物或氟化物。
作为一种制备上述结构色薄膜的方法，一种全介质金属亮银色结构色薄膜其结构为λB(a3Hb3L)^z a3Hc3L a3H λG(a2Hb2L)^y a2H λR(a1Hb1L)^x c1H，基于红、绿、蓝三基色加法混色原理来实现可见光波段银白色金属色效果，设计红、绿、蓝反射膜堆中心波长λR、λG、λB决定了红、绿、蓝三基色的主色调位置，反射膜堆主反射带的带宽决定了红、绿、蓝三基色的饱和度，而反射膜堆的反射率决定了红、绿、蓝三基色的明度。其设计步骤如下：
S1.确定膜系所用材料，包括高折射率介质层材料H和低折射率介质材料L，以及基底材料，综合考量其折射率n、消光系数k、材料物理性质如硬度、稳定性、热学性质等；
S2.选定红、绿、蓝反射膜堆的中心波长λR、λG、λB，这决定了结构色薄膜所呈现颜色的主色调位置；
S3.根据对于饱和度、明度的要求，确定红、绿、蓝反射膜堆的周期数x、y、z，基础介质反射膜堆H(LH)^S的反射率由式(1)决定,反射带宽由式(2)、式(3)决定
式中n0为入射介质折射率，ng为基底材料折射率。式(1)表明，当入射介质、高折射率和低折射率介质层材料、基底材料的折射率不变时，反射膜堆的反射率，随着周期数S增大而增大。反射带宽主要和高低折射率介质层折射率比值有关，但周期数越大其反射带矩形度越好，反射带边缘越陡。红、绿、蓝反射膜堆的周期数x、y、z应根据需要确定；
S4.对于选定红、绿、蓝反射膜堆的中心波长λR、λG、λB，为了便于表示，指定λ0作为整个红、绿、蓝膜堆序列统一设计的参考波长。在本实施例中，参考波长的目的在于，考虑在实际做仿真设计的时候，系统只默认一个参考波长，所有的厚度是根据该波长换算出对应的光学厚度值，对于我们这种有几个不同反射膜堆来叠加组合的膜层结构，从方便描述的角度，一般是用不同反射膜堆中心波长和系统给定的参考波长来做比例，以波长的比例系数进行对应光学厚度的表征。介质材料层的λ/4光学厚度系数a、b由式(4)求出
S5.将得到的红色反射膜堆λR(a1Hb1L)^x a1H、绿色反射膜堆λG(a2Hb2L)^y a2H、蓝色反射膜堆λB(a3Hb3L)^z a3H按一定顺序堆叠，得到膜系λB(a3Hb3L)^z a3H λG(a2Hb2L)^ya2H λR(a1Hb1L)^x a1H；
S6.对薄膜所呈现出的色彩效果进行评估，根据需要对膜系进行调整，可以插入或删除部分层，增加或减少部分层厚度，对λR、λG、λB进行微调等，比如将红色反射膜堆λR(a1Hb1L)^x a1H调整为λR(a1Hb1L)^x c1H，将蓝色反射膜堆调整为λB(a3Hb3L)^z a3Hc3L，则膜系调整为λB(a3Hb3L)^z a3Hc3L a3H λG(a2Hb2L)^y a2H λR(a1Hb1L)^x c1H(其中c为该介质材料层的λ/4光学厚度系数)。x、y、z 决定了薄膜堆叠的总层数，考虑的制备工艺和膜层应力，一般取值范围为1-10， 优选的3-6。在本实施例中，该发明基础是通过红绿蓝三个反射膜堆进行厚度叠加来实现金属银色效果，三基色的基础反射膜堆在叠加中的不同占比会导致所呈现的金属银色展现出不同的银色色彩效果，例如如果蓝绿占比多，红占比少，叠加后呈现冷银色效果，如果占比均衡，叠加后呈现银白色效果，如果红色占比多，叠加后呈现暖银色效果。因此，在制备完成后可以根据实际需求进行调整。
本具体实施方式之中，采用物理气相沉积(PVD)方法制备薄膜，例如采用离子束溅射沉积(IBS)、磁控溅射沉积(MS)、电子束蒸发(EB)以及电子束蒸发离子辅助沉积(EB+IAD)相结合的方法制备薄膜；也可以采取化学气相沉积(CVD)方法以及珠光类薄膜液相包覆的方法。
将全介质金属亮银色结构色薄膜沉积到释放层上，通过将释放层溶解在水浴中(可能在相对较高的温度下)或在溶剂中(可能在相对较高的温度下)，通过刷、刮或洗涤来分离多个涂层。也可以通过一个网状镀膜工序形成,其中各层按顺序用传统的沉积技术沉积在一个网状材料上,以形成一个薄膜结构,该结构接着被破碎,并从网上取下,例如用溶解剂以形成许多薄膜片。碎化平片包括多个由各种不同材料形成的薄膜层。一般而言,颜料片的纵横比至少为2:1,平均颗粒尺寸为约5um至约100um。
实施例之一
一种可以实现中性银色效果的全介质金属亮银色结构色薄膜，其结构为λB(a3Hb3L)^z λG(a2Hb2L)^y λR(a1Hb1L)^x，这里选择红色中心波长λR=680.1nm、绿色中心波长λG=544.08nm、蓝色中心波长λB=453.4nm，指定λ0=453.4nm作为整个红、绿、蓝膜堆序列统一设计的参考波长,据此可以得出λ/4光学厚度系数分别为：a1=b1=1.5、a2=b2=1.2、a3=b3=1，红、绿、蓝三个反射膜堆堆叠周期数分别为：x=y=z=4，高折射率介质材料层H选用五氧化二钽(Ta2O5)，其折射率值为2.15，低折射率介质材料层L选用二氧化硅(SiO2)，其折射率值为1.46，总膜层数为24层，总物理厚度为1925.2nm。根据光学厚度值、材料折射率可以得出该膜堆序列各层的物理厚度值，如表1所示。该实施例反射光谱如图1-1所示，在500nm处反射率最高达99%，475.8nm-529.8nm和592.4nm-633.5nm两个波段反射率大于95%。图1-2展示了其色品坐标图，在CIE1931标准色度观察者条件下，其色品坐标为 x:0.3152, y:0.3387，接近等能白光点，坐标与标准银色相当，明度也非常高，达到97.7149. 该膜堆序列对应的色度参数如表2所示,整体呈现银白色效果。
表1 实施例之一膜层厚度参数表（单位：nm）
表2 实施例之一色品具体参数
实施例2
一种全介质金属亮银色结构色薄膜可以实现暖银色效果，其结构为λB(a3Hb3L)^za3H λG(a2Hb2L)^y a2H λR(a1Hb1L)^x c1H，选择红色中心波长λR=675nm、绿色中心波长λG=540nm、蓝色中心波长λB=450nm，指定λ0=450nm作为整个红、绿、蓝膜堆序列统一设计的参考波长,据此可以得出λ/4光学厚度系数分别为：a1=b1=1.5、c1=1.4、a2=b2=1.2、a3=b3=1，红、绿、蓝三个反射膜堆堆叠周期数分别为：x=4，y=z=2，高折射率介质材料层H选用硫化锌(ZnS)，其折射率值为2.43，低折射率介质材料层L选用氟化镁(MgF2)，其折射率值为1.38，总层数为17层，总物理厚度为1489.79nm。根据光学厚度值、材料折射率可以得出该膜堆序列各层的物理厚度值，如表3所示。该实施例反射光谱如图2-1所示，三个主要的反射带分别位于438.1nm、560nm和658.1nm处，反射率分别为95%，98%和99.4%。在红色波段从620nm-740nm 实现宽波段高反射率，在膜堆序列中，红色波段在加法混色中占比增大，图2-2展示了其色品坐标图。在CIE1931标准色度观察者条件下，其色品坐标为 x:0.324, y:0.3371，接近等能白光点，呈现偏向红色长波波段的暖银色，明度也非常高，达到95.7823. 该膜堆序列对应的色度参数如表4所示。
表3 实施例之二膜层厚度参数表（单位：nm）
表4 实施例之二色品具体参数
实施例3
一种全介质金属亮银色结构色薄膜可以实现冷银色效果，其结构为λB(a3Hb3L)^za3Hc3L λG(a2Hb2L)^y a2Hc2L λR(a1Hb1L)^x a1H，选择红色中心波长λR=630nm、绿色中心波长λG=540nm、蓝色中心波长λB=450nm，指定λ0=450nm作为整个红、绿、蓝膜堆序列统一设计的参考波长,据此可以得出λ/4光学厚度系数分别为：a1=b1=1.4、a2=b2=1.2、c2=1.3、a3=b3=1、c2=1.1，红、绿、蓝三个反射膜堆堆叠周期数分别为：x=2、y=4、z=5，高折射率介质材料层H选用氮化硅(Si3N4)，其折射率值为2.07，低折射率介质材料层L选用二氧化硅(SiO2)，其折射率值为1.46，总层数为27层，总物理厚度为2030.42nm。根据光学厚度值、材料折射率可以得出该膜堆序列各层的物理厚度值，如表5所示。该实施例反射光谱如图3-1所示，90%反射率主反射带位于450nm-610nm波段，在480nm处反射率最高达98.98%。在膜堆序列中，蓝色波段在加法混色中占比增大，图3-2展示了其色品坐标图。在CIE1931标准色度观察者条件下，其色品坐标为 x:0.3036, y:0.3358，接近等能白光点，呈现偏向蓝色短波波段的冷银色，明度也非常高，达到97.9882. 该膜堆序列对应的色度参数如表6所示。
表5 实施例之三膜层厚度参数表（单位：nm）
表6 实施例之三色品具体参数
实施例4
一种全介质金属亮银色结构色薄膜可以实现银砂色效果，其结构为λB(b3La3H)^zλG(b2La2H)^y λR(b1La1H)^x，，选择红色中心波长λR=680.1nm、绿色中心波长λG=544.08nm、蓝色中心波长λB=453.4nm，指定λ0=453.4nm作为整个红、绿、蓝膜堆序列统一设计的参考波长,据此可以得出λ/4光学厚度系数分别为：a1=b1=1.5、a2=b2=1.2、a3=b3=1，红、绿、蓝三个反射膜堆堆叠周期数分别为：x=y=z=5，高折射率介质材料层H选用氧化锆(ZrO2)，其折射率值为2.08，低折射率介质材料层L选用六氟合铝酸钠(Na3AlF6)，其折射率值为1.35，总层数为30层，总物理厚度为2561.1nm。根据光学厚度值、材料折射率可以得出该膜堆序列各层的物理厚度值，如表7所示。该实施例反射光谱如图4-1所示，主反射带位于420nm-760nm可见光全波段，平均反射率达到96.44%，在525nm处反射率最高达99.7%。图4-2展示了其色品坐标图。在CIE1931标准色度观察者条件下，其色品坐标为 x:0.3149, y:0.333，接近等能白光点，坐标与标准银色相当，明度也非常高，达到99.008. 该膜堆序列对应的色度参数如表8所示,整体呈现银白色效果。
表7 实施例之四膜层厚度参数表（单位：nm）
表8 实施例之四色品具体参数
实施例5
一种全介质金属亮银色结构色薄膜可以实现灰银色效果，其结构为λB(b3La3H)^zb3L λG(b2La2H)^y b2L λR(b1La1H)^x b1L。选择红色中心波长λR=675nm、绿色中心波长λG=540nm、蓝色中心波长λB=450nm，指定λ0=450nm作为整个红、绿、蓝膜堆序列统一设计的参考波长,据此可以得出λ/4光学厚度系数分别为：a1=b1=1.5、a2=b2=1.2、a3=b3=1，红、绿、蓝三个反射膜堆堆叠周期数分别为：x=4、y=2、z=3，高折射率介质材料层H选用二氧化铪(HfO2)，其折射率值为1.96，低折射率介质材料层L选用氟化镁(MgF2)，其折射率值为1.38，总层数为19层，总物理厚度为1878.76nm。根据光学厚度值、材料折射率可以得出该膜堆序列各层的物理厚度值，如表9所示。该实施例反射光谱如图5-1所示，主反射带分别位于425nm、558.1nm和720nm处，在425nm处反射率最高为88.77%。图5-2展示了其色品坐标图。在CIE1931标准色度观察者条件下，其色品坐标为 x:0.289, y:0.3266，接近等能白光点，呈现偏向蓝色短波波段的冷银色，明度适中，为83.0712. 该膜堆序列对应的色度参数如表10所示,整体呈现灰银色效果。
表9 实施例之五膜层厚度参数表（单位：nm）
表10 实施例之五色品具体参数
实施例6
一种全介质金属亮银色结构色薄膜可以实现银黄色效果，其结构为λB(b3La3H)^zb3Lc3H λG(b2La2H)^y b2Lc2H λR(b1La1H)^x b1L，选择红色中心波长λR=705nm、绿色中心波长λG=564nm、蓝色中心波长λB=470nm，指定λ0=470nm作为整个红、绿、蓝膜堆序列统一设计的参考波长,据此可以得出λ/4光学厚度系数分别为：a1=b1=1.5、a2=b2=1.2、c2=1.35、a3=b3=1、c2=1.1，红、绿、蓝三个反射膜堆堆叠周期数分别为：x=4、y=2、z=3，高折射率介质材料层H选用氧化锆(ZrO2)，其折射率值为2.08，低折射率介质材料层L选用二氧化硅(SiO2)，其折射率值为1.46，总层数为23层，总物理厚度为1995.85nm。根据光学厚度值、材料折射率可以得出该膜堆序列各层的物理厚度值，如表11所示。该实施例反射光谱如图6-1所示，80%反射率主反射带分别为470nm-560nm和620nm-700nm波段，最高反射率发生在530nm绿色波段和650nm红色波长，反射率分别为95.6%和92.8%。图6-2展示了其色品坐标图。在CIE1931标准色度观察者条件下，其色品坐标为 x:0.3207, y:0.36，接近等能白光点，呈现偏向黄银色，明度较高，为93.7839. 该膜堆序列对应的色度参数如表12所示.
表11 实施例之六膜层厚度参数表（单位：nm）
表12 实施例之六色品具体参数
通过上述实施例可以发现，本申请提出一种基于全介质多层膜实现金属亮银色的薄膜结构色结构，按照基于红、绿、蓝三基色加法混色原理来实现可见光波段银白色金属色效果，通过以红、绿、蓝三基色波长作为反射带中心波长，构建三波段反射带叠加，实现可见光宽带高反射率金属亮银色效果，同时，通过选取不同三基色波长，不同基础结构和单元周期数，可以实现红、绿、蓝不同波段的反射率调整和带宽调整，可以实现金属暖银色、中性银色、冷银色等金属色效果。
以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种全介质金属亮银色结构色薄膜，其特征在于，该结构色薄膜包括全介质干涉薄膜，全介质干涉薄膜包括预设顺序堆叠的红色反射膜堆、绿色反射膜堆和蓝色反射膜堆；
每种膜堆由若干高折射率介质膜和若干低折射率介质膜交替堆叠，通过高低折射率材料的折射率比值、堆叠周期及每种膜堆的中心波长分别控制膜堆的饱和度、明度和色调；所述高折射率介质膜和所述低折射率介质膜的厚度为膜堆中心波长的四分之一；所述高折射率介质膜的材质包括金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物的一种或上述材料中至少两种的混合物。
2.如权利要求1所述的一种全介质金属亮银色结构色薄膜，其特征在于，
所述低折射率介质膜的材质包括二氧化硅、氧化铝、氟化物的一种或上述材料中至少两种的混合物。
3.一种全介质金属亮银色结构色薄膜的制备方法，用于制备如权利要求1-2任一项所述的一种全介质金属亮银色结构色薄膜，其特征在于，包括如下步骤：
确定全介质干涉薄膜所用材料组合，并选定红、绿、蓝反射膜堆的中心波长，以及，根据对饱和度、明度的要求，确定红、绿、蓝反射膜堆的堆叠周期，以及，依据红、绿、蓝反射膜堆的中心波长确定介质膜的光学厚度系数；
通过中心波长、堆叠周期、厚度系数以及材料组合在一基底上按预设顺序堆叠高折射率介质层材料和低折射率介质材料得到包含红色反射膜堆、绿色反射膜堆、蓝色反射膜堆的全介质干涉薄膜。
4.如权利要求3所述的一种全介质金属亮银色结构色薄膜的制备方法，其特征在于：
根据对于饱和度、明度的要求，确定红、绿、蓝反射膜堆的堆叠周期，具体的，基础介质反射膜堆的反射率由式(1)决定,反射带宽由式(2)、式（3）决定
式中，n0为入射介质折射率，ng为基底材料折射率，nL为低折射率材料的折射率，nH为高折射率材料的折射率，S为堆叠周期，Δg为波数半宽度，λ中为介质反射膜堆的中心波长。
5.如权利要求3所述的一种全介质金属亮银色结构色薄膜的制备方法，其特征在于
依据红、绿、蓝反射膜堆的中心波长确定介质膜的光学厚度系数，具体的：指定统一的参考波长λ0，介质膜的λ/4光学厚度系数a、b由式(4) 红绿蓝反射膜堆的中心波长和该参考波长的比值求出
式中，λR为红色反射膜堆的中心波长、λG为绿色反射膜堆的中心波长、λB为蓝色反射膜堆的中心波长，λ0整个膜堆序列设计的参考波长。
6.如权利要求3所述的一种全介质金属亮银色结构色薄膜的制备方法，其特征在于，
得到全介质干涉薄膜之后还包括：
对薄膜所呈现出的色彩效果进行评估，根据需要对膜系的中心波长、叠加堆叠周期、高低折射率比值以及光学厚度系数进行调整。
7.如权利要求3所述的一种全介质金属亮银色结构色薄膜的制备方法，其特征在于，
根据需要对膜系进行调整，可以包括：
将全介质金属亮银色结构色薄膜沉积到释放层上，通过将释放层溶解在水浴中或在溶剂中，通过刷、刮或洗涤来分离多个涂层。
8.如权利要求7所述的一种全介质金属亮银色结构色薄膜的制备方法，其特征在于，
通过中心波长、堆叠周期及厚度系数堆叠高折射率介质膜和低折射率介质膜得到的红色反射膜堆、绿色反射膜堆、蓝色反射膜堆，具体的：
通过网状镀膜工序堆叠高、低折射率介质膜形成一薄膜膜片；
破碎该薄膜膜片得到纵横比至少为2:1,平均颗粒尺寸为约5um至约100um的膜堆；
反复上述步骤多次获得多个反射膜堆。
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| CN202311429235.8A CN117706670A (zh) | 2023-10-31 | 2023-10-31 | 一种全介质金属亮银色结构色薄膜及其制备方法 |
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