DE102017102760A1

DE102017102760A1 - Verfahren zum bilden eines selbstreinigenden filmsystems

Info

Publication number: DE102017102760A1
Application number: DE102017102760.2A
Authority: DE
Inventors: Gayatri V. Dadheech; Thomas A. Seder; James A. Carpenter
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-02-12
Filing date: 2017-02-13
Publication date: 2017-08-17

Abstract

Ein Verfahren zum Bilden eines selbstreinigenden Filmsystems umfasst, dass ein Perfluorcarbon-Siloxanpolymer auf ein Substrat aufgebracht wird, um eine erste Schicht zu bilden. Das Verfahren umfasst, dass mehrere Teile der ersten Schicht entfernt werden, um mehrere Vertiefungen in der ersten Schicht zu definieren und um mehrere Vorsprünge zu bilden, die von dem Substrat hervorstehen. Das Verfahren umfasst, dass ein fotokatalytisches Material auf die mehreren Vorsprünge und in die mehreren Vertiefungen hinein aufgebracht wird, um eine zweite Schicht zu bilden, die umfasst: einen verbundenen Teil, der in den mehreren Vertiefungen angeordnet ist und mit dem Substrat in Berührung steht, und einen nicht verbundenen Teil, der an den mehreren Vorsprüngen angeordnet und von dem Substrat beabstandet ist. Das Verfahren umfasst auch, dass der nicht verbundene Teil nach dem Aufbringen des fotokatalytischen Materials entfernt wird, um dadurch das selbstreinigende Filmsystem zu bilden.

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/294,496, die am 12. Februar 2016 eingereicht wurde und die hierdurch in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingebunden ist.
EINLEITUNG
Die Offenbarung betrifft ein selbstreinigendes Filmsystem und ein Verfahren zum Bilden des selbstreinigenden Filmsystems.
Einrichtungen wie beispielsweise Anzeigesysteme sind oft derart konstruiert, dass sie durch einen Bediener berührt werden. Beispielsweise kann ein Fahrzeug ein Anzeigesystem aufweisen, das einem Bediener mittels eines Berührbildschirms Informationen zeigt. Auf ähnliche Weise kann ein Geldautomat oder ein automatischer Kiosk ein Anzeigesystem aufweisen, das durch eine Berührung aktiviert wird.
Andere Einrichtungen, wie beispielsweise Kameras und Brillen, weisen allgemein eine Linsenoberfläche auf, die während der Verwendung durch einen Bediener unbeabsichtigt berührt werden kann. Ferner können andere Einrichtungen, wie beispielsweise Fahrzeuge, Fenster, Spiegel, Haushaltsgeräte, Schränke, Möbel, Mobiltelefone, Fingerabdruckleser, Sensoren, Kopierer, medizinische Instrumente und Arbeitsflächen, ebenso eine oder mehrere Oberflächen aufweisen, die durch einen Bediener berührt werden können. Daher kann ein Bediener während der Verwendung Fingerabdrücke und/oder Öle auf solche Einrichtungen und Oberflächen aufbringen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verfahren zum Bilden eines selbstreinigenden Filmsystems umfasst, dass ein Perfluorcarbon-Siloxanpolymer auf ein erstes Substrat aufgebracht wird, um eine erste Schicht zu bilden. Das Verfahren umfasst, dass mehrere Teile der ersten Schicht entfernt werden, um mehrere Vertiefungen in der ersten Schicht zu definieren und um mehrere Vorsprünge zu bilden, die von dem Substrat hervorstehen. Das Verfahren umfasst auch, dass ein fotokatalytisches Material auf die mehreren Vorsprünge und in die mehreren Vertiefungen hinein aufgebracht wird, um eine zweite Schicht zu bilden. Die zweite Schicht umfasst einen verbundenen Teil, der in den mehreren Vertiefungen angeordnet ist und mit dem Substrat in Berührung steht, sowie einen nicht verbundenen Teil, der auf den mehreren Vorsprüngen angeordnet ist und von dem Substrat beabstandet ist. Das Verfahren umfasst ferner, dass der nicht verbundene Teil nach dem Aufbringen des fotokatalytischen Materials entfernt wird, um dadurch das selbstreinigende Filmsystem zu bilden.
Gemäß einem Aspekt kann das Aufbringen des fotokatalytischen Materials umfassen, dass das fotokatalytische Material in den mehreren Vertiefungen mit dem Substrat chemisch verbunden wird. Das Verfahren kann ferner umfassen, dass die mehreren Vorsprünge nach dem Entfernen des nicht verbundenen Teils entfernt werden. Zusätzlich kann das Verfahren umfassen, dass das Perfluorcarbon-Siloxanpolymer nach dem Entfernen der mehreren Vorsprünge erneut aufgebracht wird. Das erneute Aufbringen kann umfassen, dass das Perfluorcarbon-Siloxanpolymer derart auf dem Substrat abgestreift wird, dass das Perfluorcarbon-Siloxanpolymer den verbundenen Teil berührt.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Verfahren ferner umfassen, dass der verbundene Teil und Squalen in Berührung gebracht werden. Das Verfahren kann ferner umfassen, dass das Squalen oxidiert wird. Gemäß einem anderen Aspekt kann das Verfahren ferner umfassen, dass das Squalen verdampft wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren, dass ein fotokatalytisches Material auf das Substrat aufgebracht wird, um eine erste Schicht zu bilden, und dass ein Fotoresist auf der ersten Schicht angeordnet wird. Nachdem das Fotoresist angeordnet ist, umfasst das Verfahren, dass das Fotoresist Licht ausgesetzt wird, so dass das Fotoresist einen entwickelten Teil und einen unentwickelten Teil aufweist. Das Verfahren umfasst auch, dass der unentwickelte Teil entfernt wird, so dass der entwickelte Teil von der ersten Schicht hervorsteht. Nach dem Entfernen umfasst das Verfahren, dass ein Perfluorcarbon-Siloxanpolymer auf die erste Schicht aufgebracht wird, um den entwickelten Teil zu umgeben und zu berühren. Nach dem Aufbringen des Perfluorcarbon-Siloxanpolymers umfasst das Verfahren, dass der entwickelte Teil entfernt wird, um dadurch das selbstreinigende Filmsystem zu bilden.
Gemäß einem Aspekt kann das Entfernen des unentwickelten Teils umfassen, dass ein geschützter Teil der ersten Schicht abgedeckt wird. Ferner kann das Entfernen des unentwickelten Teils umfassen, dass ein ungeschützter Teil der ersten Schicht nicht abdeckt wird. Das Verfahren kann auch umfassen, dass der ungeschützte Teil nach dem Entfernen des unentwickelten Teils entfernt wird.
Ein selbstreinigendes Filmsystem für ein Substrat umfasst einen Film, der auf einem Substrat angeordnet ist. Der Film ist aus einer selbstreinigenden Beschichtungszusammensetzung gebildet, wobei die selbstreinigende Beschichtungszusammensetzung ein fotokatalytisches Material und in Perfluorcarbon-Siloxanpolymer umfasst.
Gemäß einem Aspekt kann der Film eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweisen, die der ersten Oberfläche gegenüberliegend beabstandet ist und an dem Substrat anliegt. Die erste Oberfläche kann im Wesentlichen frei von Squalen sein. Das Substrat kann aus Siliziumdioxid gebildet sein. Gemäß einem anderen Aspekt kann das Substrat aus einer Antireflexbeschichtung gebildet sein, die abwechselnde Schichten aus Siliziumdioxid und Titandioxid umfasst. Das Perfluorcarbon-Siloxanpolymer kann ein perfluoriniertes Organosiloxan sein.
Das fotokatalytische Material kann Titandioxid sein, und es kann in einer Rutilform vorliegen. Gemäß einem anderen Aspekt kann das fotokatalytische Material Titandioxid sein, und es kann in einer Anatasform vorliegen. Alternativ kann das fotokatalytische Material Titandioxid sein, und es kann in einer Kombination der Rutilform und der Anatasform vorliegen.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden leicht anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der besten Weisen zum Ausführen der Offenbarung offensichtlich, wenn die Beschreibung mit den begleitenden Zeichnungen in Verbindung gebracht wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer Vorderansicht eines selbstreinigenden Filmsystems.
2 ist eine schematische Darstellung einer vergrößerten Perspektivansicht des selbstreinigenden Filmsystems von 1.
3 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden des selbstreinigenden Filmsystems von 1 und 2.
4 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden des selbstreinigenden Filmsystems von 1 und 2.
5 ist eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden des selbstreinigenden Filmsystems von 1 und 2.
6 ist eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden des selbstreinigenden Filmsystems von 1 und 2.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente beziehen, ist ein selbstreinigendes Filmsystem 10, 110, 210, 310 allgemein in 1 gezeigt. Das selbstreinigende Filmsystem 10, 110, 210, 310 kann für Anwendungen geeignet sein, bei denen ein Bediener einen Bildschirm, eine Linse oder eine Oberfläche berühren und auf diese Fingerabdrücke, Öle und/oder andere organische oder kohlenstoffbasierte Verunreinigungen oder Pathogene aufbringen kann. Spezieller kann das selbstreinigende Filmsystem 10, 110, 210, 310 für Anwendungen verwendbar sein, die einen Bildschirm, eine Linse oder eine Oberfläche erfordern, der bzw. die sauber und im Wesentlichen frei von Öl oder Fingerabdrücken ist. Das heißt, dass das selbstreinigende Filmsystem 10 verwendbar sein kann, um Fingerabdrücke und andere organische Verunreinigungen von solchen Bildschirmen, Linsen oder Oberflächen zu entfernen.
Das selbstreinigende Filmsystem 10, 110, 210, 310 kann beispielsweise bei Kraftfahrzeuganwendungen, wie beispielsweise bei Navigationssystemen in der Instrumententafel, welche einen Berührbildschirm aufweisen, bei Fahrzeugkameras, die eine Linse aufweisen, bei Fahrzeugspiegeln und bei Fahrzeuginnenflächen, verwendbar sein. Alternativ kann das selbstreinigende Filmsystem 10, 110, 210, 310 bei Nicht-Kraftfahrzeuganwendungen verwendbar sein, wie beispielsweise bei Unterhaltungselektronik, Mobiltelefonen, Brillen, einer persönlichen Schutzausrüstung, Haushaltsgeräten, Möbeln, Kiosken, Fingerabdrucklesern, medizinischen Einrichtungen, Sensoren, Flugzeugen und Industriefahrzeugen, ohne auf diese beschränkt zu sein.
Nun auf 2 Bezug nehmend, kann das selbstreinigende Filmsystem 10, 110, 210, 310 auf ein Substrat 12 aufgetragen sein. Das Substrat 12 kann aus einem glasartigen, transparenten Material gebildet sein, das geeignet ist, um sichtbares Licht zu brechen. Beispielsweise kann das Substrat 12 bei einer Ausführungsform aus Siliziumdioxid gebildet sein. Gemäß einem anderen Beispiel kann das Substrat 12 aus Polycarbonat oder einem anderen Kunststoff gebildet sein. Alternativ kann das Substrat 12, wie am besten in 2 gezeigt ist, aus einer Antireflexbeschichtung gebildet sein, die abwechselnde Schichten 14, 16 aus Siliziumdioxid und Titandioxid umfasst. Das heißt, dass das Substrat 12 ein Antireflexfilm oder eine Antireflexbeschichtung sein kann. Im Allgemeinen kann das Substrat 12 gemäß nicht einschränkenden Beispielen als ein Bildschirm eines Anzeigesystems, als eine Linse einer Brille oder Schutzbrille, als ein Visier eines Helms, als eine Oberfläche eines Kühlschranks, als eine Fläche eines Schranks, als eine Türverkleidung eines Fahrzeugs, als ein BILDSCHIRM eines Kiosks oder als eine beliebige andere Oberfläche oder Einrichtung ausgebildet sein, die durch einen Bediener berührt werden kann.
Das selbstreinigende Filmsystem 10, 110, 210, 310 umfasst auch einen Film 18, der auf dem Substrat 12 angeordnet ist und beispielsweise mit dem Substrat 12 chemisch verbunden ist, wie nachstehend detaillierter dargelegt ist. Der Film 10, 110, 210, 310 kann ausgebildet sein, um das Substrat 12 gegenüber Fingerabdrücken, Ölen und organischen Verunreinigungen abzudecken und zu schützen. Das heißt, dass der Film 18 ausgebildet sein kann, um zu bewirken, dass Fingerabdrücke, Öle und organische Verunreinigungen, die auf den Film 18 aufgebracht werden, sich verflüchtigen, verschwinden oder verdampfen, um dadurch ein sauberes Substrat 12 zu erhalten, das in der Lage ist, frische Bilder oder Reflexionen zu zeigen.
Spezieller kann der Film 18, wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wird, eine erste Oberfläche 20 und eine zweite Oberfläche 22 aufweisen, die der ersten Oberfläche 20 gegenüberliegend beabstandet ist. Die zweite Oberfläche 22 kann an dem Substrat 12 anliegen, und die erste Oberfläche 20 kann im Wesentlichen frei von Squalen, organischem Material und/oder anderen Ölen von Fettsäuren sein. Wie hierin verwendet, bezieht sich die Terminologie Squalen auf eine organische Verbindung mit 30 Kohlenstoffatomen, die durch die Bezeichnung (6E,10E,14E,18E)-2,6,10,15,19,23-Hexamethyltetracosa-2,6,10,14,18,22-hexaen der Internationalen Union für Reine und Angewandte Chemie dargestellt wird. Im Allgemeinen kann der Film 18 als ein dünner Film charakterisiert werden, und er kann eine Dicke 24 von beispielsweise 10 μm bis 150 μm aufweisen.
Das Substrat 12 weist auch eine proximale Oberfläche 26, die an der zweiten Oberfläche 22 anliegt, und eine distale Oberfläche 28 auf, die der proximalen Oberfläche 26 gegenüberliegend beabstandet ist. Daher sind das Substrat 12 und der Film 18 ausgebildet, um sichtbares Licht durch die proximale Oberfläche 26, die distale Oberfläche 28, die erste Oberfläche 20 und die zweite Oberfläche 22 hindurch zu transmittieren. Das Substrat 12 weist auch einen ersten Rand 30, der die proximale Oberfläche 26 mit der distalen Oberfläche 28 verbindet, und einen zweiten Rand 32 auf, der dem ersten Rand 30 gegenüberliegend beabstandet ist.
Der Film 18 kann einen Berührwinkel mit Wasser von größer als oder gleich 115° definieren, beispielsweise größer als 140°. Beispielsweise kann der Film 18 einen Berührwinkel mit Wasser definieren, der größer als oder gleich 150° ist. Somit können Wasser, Öle und Verunreinigungen auf der ersten Oberfläche 20 wirksam Perlen bilden und sich über diese bewegen. Anders ausgedrückt können Wasser, Öle und Verunreinigungen beweglich sein und sich effektiv entlang der ersten Oberfläche 20 bewegen.
Obgleich dies nicht gezeigt ist, kann das selbstreinigende Filmsystem 10, 110, 210, 310 ferner eine Lichtquelle umfassen, die benachbart zu dem ersten Rand 30 angeordnet und ausgebildet ist, um elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Die Lichtquelle kann beispielsweise eine Diode sein, die ultraviolettes Licht emittiert, und die elektromagnetische Strahlung kann eine Wellenlänge von 400 nm bis 100 nm aufweisen. Alternativ kann die Lichtquelle eine Glühbirne oder eine Diode sein, die sichtbares Licht emittiert, und die elektromagnetische Strahlung kann eine Wellenlänge von 740 nm bis 380 nm aufweisen.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 ist der Film 18 aus einer selbstreinigenden Beschichtungszusammensetzung gebildet. Das heißt, dass der Film 18 eine Fingerabdruck- und Ölablagerung abschwächen kann, d. h. sich selbst reinigen kann. Die selbstreinigende Beschichtungszusammensetzung umfasst ein fotokatalytisches Material 34 (3–5) und Perfluorcarbon-Siloxanpolymer 36 (3–5), wie nachstehend detaillierter dargelegt ist.
Das fotokatalytische Material 34 kann den Film 18 mit einer Selbstreinigungsfähigkeit versehen. Das heißt, dass das katalytische Material 34 ein beliebiges organisches Material, wie beispielsweise Squalen, das an der ersten Oberfläche 20 des Films 18 vorhanden ist, oxidieren und/oder verdampfen kann, wie nachstehend detaillierter dargelegt ist. Insbesondere kann das fotokatalytische Material 34 unter der Einwirkung von beispielsweise sichtbarem oder ultraviolettem Licht ein lichtaktivierter Fotokatalysator sein.
Geeignete fotokatalytische Materialien 34 umfassen foto-oxidative Halbleiter, halbleitende Oxide, dotierte Metalloxide, Heteroübergangsmaterialien und Kombinationen von diesen, ohne darauf beschränkt zu sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann das fotokatalytische Material 34 Titandioxid sein, und es kann in einer Rutilform vorliegen. Alternativ kann das fotokatalytische Material 34 Titandioxid sein, und es kann in einer Anatasform vorliegen, die eine vergleichsweise höhere fotokatalytische Aktivität als die Rutilform zeigen kann. Gemäß anderen Ausführungsformen kann das fotokatalytische Material 34 Titandioxid sein, und es kann als eine Kombination der Rutilform und der Anatasform vorliegen. Ferner kann das fotokatalytische Material 34 dotiert sein, um ein funktionalisiertes fotokatalytisches Material zu bilden, beispielsweise funktionalisiertes Titandioxid. Das funktionalisierte fotokatalytische Material kann beispielsweise mit einem Metall dotiert sein, wie beispielsweise mit Silber, Chrom, Kobalt, Kupfer, Vanadium, Eisen, Silber, Platin, Molybdän, Lanthan, Mob und Kombinationen von diesen, ohne darauf beschränkt zu sein. Alternativ kann das funktionalisierte fotokatalytische Material mit einem Nichtmetall dotiert sein, wie beispielsweise mit Stickstoff, Schwefel, Kohlenstoff, Bor, Kalium, Iod, Fluor und Kombinationen von diesen, ohne darauf beschränkt zu sein.
Das fotokatalytische Material 34 kann als ein Nanopartikel charakterisiert sein, und es kann einen mittleren Durchmesser aufweisen, der auf einer Nanometerskala messbar ist. Alternativ kann das fotokatalytische Material 34 als ein Partikel charakterisiert sein, und es kann einen mittleren Durchmesser aufweisen, der auf einer Mikrometerskala messbar ist. Allgemein kann das fotokatalytische Material 34 in der selbstreinigenden Beschichtungszusammensetzung oder dem selbstreinigenden Film 18 in einer Menge von ungefähr zwei Teilen pro Volumen bis ungefähr 35 Teilen pro Volumen basierend auf 100 Teilen pro Volumen des Films 18 vorliegen.
Gemäß anderen nicht einschränkenden Ausführungsformen kann das fotokatalytische Material 34 ein halbleitendes Oxid umfassen, wie beispielsweise Zinkoxid, Wismutoxid, Zinnoxid und Kombinationen von diesen, ohne darauf beschränkt zu sein. Das halbleitende Oxid kann derart ausgewählt sein, dass es einen Bandlückenabstand aufweist, der für eine fotokatalytische Reaktion geeignet ist, wie nachstehend detaillierter dargelegt ist.
Nun auf 3–5 Bezug nehmend, umfassen die selbstreinigende Beschichtungszusammensetzung und der selbstreinigende Film 18 ein Perfluorcarbon-Siloxanpolymer 36. Wie am besten in 3 gezeigt ist, kann das Perfluorcarbon-Siloxanpolymer 36 einen Großteil des Films 18 bilden, und es kann als ein Monolagenfeld charakterisiert werden. Wenn sie hierin verwendet wird, bezieht sich die Terminologie Monolage auf eine Schicht mit einer Dicke 24 (2) eines Moleküls. Das heißt, dass die Monolage ein Molekül dick sein kann und dass sie als eine dünne Schicht charakterisiert werden kann. Gemäß einer Ausführungsform ist das Perfluorcarbon-Siloxanpolymer ein perfluoriniertes Organosiloxan. Beispielsweise kann das Perfluorcarbon-Siloxanpolymer ein Polytetrafluorethylen-Siloxanpolymer (PTFE-Siloxanpolymer) sein.
Nun auf 3 Bezug nehmend, umfasst ein Verfahren 50 zum Bilden des selbstreinigenden Filmsystems 10 das Aufbringen 38 des Perfluorcarbon-Siloxanpolymers 36 auf das Substrat 12, um eine erste Schicht 40 zu bilden. Das Perfluorcarbon-Siloxanpolymer 36 kann auf eine beliebige geeignete Weise auf das Substrat 12 aufgebracht oder aufgetragen werden. Gemäß nicht einschränkenden Beispielen kann das Aufbringen 38 eine chemische Dampfabscheidung (CVD), eine physikalische Dampfabscheidung (PVD), eine Atomlagenabscheidung (ALD), ein Eintauchen, ein Abstreifen, ein Sprühen, eine Meniskusbeschichtung, eine Nassbeschichtung, Kombinationen von diesen und dergleichen umfassen. Das Aufbringen 38 kann umfassen, dass eine selbstausgerichtete Monolage gebildet wird, die physikalisch adsorbiert wird, d. h. physisorbiert wird, und durch einen Siloxanteil mit Nachbarmolekülen querverbunden wird.
Das Verfahren 50 umfasst auch das Entfernen 44 mehrerer Teile 46 der ersten Schicht 40, um mehrere Vertiefungen 42 der ersten Schicht 40 zu definieren und um mehrere Vorsprünge 48 zu bilden, die von dem Substrat 12 hervorstehen. Die mehreren Teile 46 können auf eine beliebige geeignete Weise entfernt werden. Gemäß nicht einschränkenden Beispielen kann das Entfernen 44 eine Ultraviolett-Fotoablation durch eine optische Maske oder ein Plasmaätzen durch eine feine Metallmaske umfassen. Beispielsweise kann das Entfernen 44 umfassen, dass Plasma oder Ionen durch eine Maske hindurch auf die erste Schicht 40 geschleudert werden, um dadurch die mehreren Teile 46 wegzuätzen, die mehreren Vertiefungen 42 zu definieren und die mehreren Vorsprünge 48 zu bilden.
Das Verfahren 50 umfasst auch das Aufbringen 52 des fotokatalytischen Materials 34 auf die mehreren Vorsprünge 48 und in die mehreren Vertiefungen 42, um eine zweite Schicht 54 zu bilden. Das Aufbringen 38 kann umfassen, dass sich das fotokatalytische Material 34 in den mehreren Vertiefungen 42 chemisch mit dem Substrat 12 verbindet. Das fotokatalytische Material 34 kann auf eine beliebige geeignete Weise auf die mehreren Vorsprünge 48 aufgebracht werden. Beispielsweise kann das fotokatalytische Material, wie beispielsweise Titandioxid, mittels Magnetronsputtering auf die mehreren Vorsprünge 48 und in die mehreren Vertiefungen 42 aufgebracht werden. Das Magnetronsputtering kann beispielsweise unter Verwendung eines Titanmetalltargets reaktiv sein, oder es kann ein direktes Abscheiden mittels eines Keramik-Titandioxidtargets sein.
Unter erneuter Bezugnahme auf 3 weist die zweite Schicht 54 einen verbundenen Teil 56, der in den mehreren Vertiefungen 42 angeordnet ist und mit dem Substrat 12 in Berührung steht, sowie einen nicht verbundenen Teil 58 auf, der an den mehreren Vorsprüngen 48 angeordnet und von dem Substrat 12 beabstandet ist. Das heißt, dass eine Keimbildung des fotokatalytischen Materials 34 und eine Substratverbindung sowie ein Wachstum in Bereichen mit hoher Oberflächenenergie effizient sein kann, d. h. in den mehreren Vertiefungen 42 oder in Bereichen, in denen das Perfluorcarbon-Siloxanpolymer 36 nicht vorhanden ist, um den verbundenen Teil 56 zu bilden, und in Bereichen mit geringer Oberflächenenergie ineffizient ist, d. h. an den mehreren Vorsprüngen oder in den nicht verbundenen Teilen 58 oder Bereichen, die das Perfluorcarbon-Siloxanpolymer 36 aufweisen und von dem Substrat 12 hervorstehen, um den nicht verbundenen Teil 58 zu bilden.
Das Verfahren 50 umfasst auch nach dem Aufbringen 52 des fotokatalytischen Materials 34 das Entfernen 44 des nicht verbundenen Teils 58, um dadurch das selbstreinigende Filmsystem 10 zu bilden. Der nicht verbundene Teil 58 kann auf eine beliebige geeignete Weise entfernt werden. Gemäß nicht einschränkenden Beispielen kann das Entfernen 44 umfassen, dass der nicht verbundene Teil 58 weggewaschen oder weggewischt wird.
Das Verfahren 50 kann ferner umfassen, dass nach dem Entfernen 44 des nicht verbundenen Teils 58 die mehreren Vorsprünge 48 entfernt werden. Beispielsweise können die mehreren Vorsprünge 48 während einer Verwendung aufgrund der Abnutzung des selbstreinigenden Filmsystems 10 entfernt werden. Das Verfahren 50 kann jedoch nach dem Entfernen 44 der mehreren Vorsprünge 48 umfassen, dass das Perfluorcarbon-Siloxanpolymer 36 erneut aufgebracht wird. Das Perfluorcarbon-Siloxanpolymer 36 kann auf eine beliebige geeignete Weise erneut aufgebracht werden. Gemäß nicht einschränkenden Beispielen kann das erneute Aufbringen umfassen, dass das Perfluorcarbon-Siloxanpolymer 36 auf dem Substrat 12 abgestreift wird, so dass das Perfluorcarbon-Siloxanpolymer 36 den verbundenen Teil 56 berührt.
Das Verfahren 50 kann ferner umfassen, dass der verbundene Teil 56 und Squalen in Berührung gebracht werden. Das heißt, dass das Inberührungbringen umfasst, dass der verbundene Teil 56 derart berührt wird, dass ein Bediener Fingerabdrücke, Squalen, organisches Material und/oder Öle auf die erste Oberfläche 20 (2) aufbringt. Die Öle können Öle von Fettsäuren umfassen, und sie können auf natürliche Weise synthetisiert und auf den verbundenen Teil 56 aufgetragen werden, wenn der Bediener den verbundenen Teil 56 berührt, oder sie können künstlich auf den verbundenen Teil 56 aufgetragen werden, wie beispielsweise durch Sprühen oder Beschichten.
Der Kontakt zwischen dem Squalen, dem fotokatalytischen Material 34, das elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt wird, die von einer Lichtquelle mit einer Wellenlänge von weniger als 357 nm emittiert wird, und Wasser kann die Bildung von Radikalen auslösen. Die Radikale können anschließend mit Kohlenwasserstoffverunreinigungen reagieren. Spezieller kann das fotokatalytische Material ein Fotokatalysator sein, wie beispielsweise Titandioxid. Eine fotokatalytische Reaktion kann ein starkes Oxidationsmittel und einen Zusammenbruch des organischen Materials, z. B. des Squalens, in Kohlenwasserstoff mit kurzer Kette bis zu Kohlendioxid und Wasser unter der Anwesenheit des Fotokatalysators erzeugen, d. h. des fotokatalytischen Materials 34; der elektromagnetischen Strahlung, z. B. ultravioletten Lichts; und des Wassers, z. B. der Feuchtigkeit aufgrund der Umgebungsbedingungen. Somit kann das fotokatalytische Material 34 nicht durch die katalytische Reaktion verbraucht werden, es kann jedoch stattdessen die fotokatalytische Reaktion nur als ein Nicht-Reaktionsbestandteil beschleunigen.
In größerem Detail kann ein Elektron dann, wenn elektromagnetische Strahlung mit einer gewünschten Wellenlänge das fotokatalytische Material 34 beleuchtet, aus dem Valenzband des fotokatalytischen Materials 34 in das Leitungsband des fotokatalytischen Materials 34 übergehen, was wiederum ein Loch in dem Valenzband und eine überschüssige negative Ladung oder ein überschüssiges Elektron in dem Leitungsband erzeugen kann. Das Loch kann die Oxidation unterstützen, und das Elektron kann die Reduktion unterstützen. Im Allgemeinen kann das Loch mit Wasser kombinieren, um ein Hydroxylradikal (•OH) zu erzeugen. Das Loch kann auch direkt mit Squalen oder einem anderen organischen Material reagieren, um die gesamte Selbstreinigungseffizienz des selbstreinigenden Filmsystems 10 zu erhöhen. Auf ähnliche Weise kann Sauerstoff in der umgebenden Umwelt, die das fotokatalytische Material 34 umgibt, durch das Elektron reduziert werden, um ein Superoxidion (•O2-) zu bilden, welches wiederum das organische Material oxidieren kann, das auf dem selbstreinigenden Filmsystem 10 vorhanden ist. Daher kann das Verfahren 50 umfassen, dass das Squalen und auch andere Kohlenwasserstoffe oxidiert werden.
Zusätzlich kann das Loch vor der Rekombination mit dem Elektron eingefangen werden. Für solche Situationen kann das fotokatalytische Material 34 funktionalisiert werden. Beispielsweise kann das Verfahren umfassen, dass Titandioxid beispielsweise mit Palladium oder Ruthenium dotiert wird. Das Palladium oder Ruthenium kann als ein Elektrokatalysator wirken, und es kann eine Übertragung von Elektronen auf Sauerstoffmoleküle verbessern, was wiederum das Auftreten der Rekombination von Elektronen und Löchern verringern kann.
Ferner kann das organische Material, das an dem Perfluorcarbon-Siloxanpolymer 36 vorhanden ist, anstatt in direktem Kontakt mit dem fotokatalytischen Material 34 mit der ersten Oberfläche 20 (2) in einem dynamischen Gleichgewicht sein, und es kann in Richtung einer Position mit vergleichsweise höherer Energie auf dem Film 18 diffundieren, d. h. in Richtung des fotokatalytischen Materials 34. Daher kann das Verfahren 50 auch umfassen, dass das Squalen entlang des Films 18 von dem Perfluorcarbon-Siloxanpolymer 36 zu dem fotokatalytischen Material 34 diffundiert. Um eine solche Diffusion zu verbessern, kann die Lichtquelle derart abgestimmt werden, dass sie elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge emittiert, welche mit einer Schwingungsresonanz des Squalens und des Perfluorcarbon-Siloxanpolymers 36 abgestimmt ist. Eine solche Abstimmung kann ermöglichen, dass das Squalen oder der Fingerabdruck entlang des Perfluorcarbon-Siloxanpolymers 36 zu dem fotokatalytischen Material 34 wackelt oder verschoben wird, wo das Squalen die fotokatalytische Reaktion durchlaufen kann, die vorstehend beschrieben ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Film 18 auch aufgeheizt werden, beispielsweise mittels infraroter Strahlung, um die Diffusion über das Perfluorcarbon-Siloxanpolymer 36 in Richtung des fotokatalytischen Materials 34 weiter zu verbessern.
Somit kann das Verfahren 50 ferner umfassen, dass das Squalen verdampft wird. Spezieller kann das Squalen, sobald das Squalen das fotokatalytische Material 34 berührt, in Teile oder Stücke mit Abmessungen mit einem vergleichsweise niedrigen Dampfdruck fotolysiert werden, welche von dem Film 18 weg verdampfen können und dadurch den Fingerabdruck oder das Squalen von dem Film 18 entfernen können. Daher kann das selbstreinigende Filmsystem 10 als selbstreinigend charakterisiert werden. Das heißt, dass der Film 18 das Substrat 12 schützen kann, indem die Fingerabdrücke, das Squalen, Öle und/oder organisches Material, welche durch die Berührung eines Bedieners aufgebracht werden, entfernt werden, und zwar beispielsweise oxidiert oder verdampft werden. Folglich können das selbstreinigende Filmsystem 10 und das Verfahren 50 eine ausgezeichnete Ästhetik, Sauberkeit und Lesbarkeit für Anzeigesysteme, Linsen, Sensoren und Oberflächen bereitstellen.
Vorteilhafterweise erzeugt das Verfahren 50 minimalen Abfall, und es umfasst wenige Verfahrensschritte. Obwohl der verbundene Teil 56 des fotokatalytischen Materials 34 im Wesentlichen permanent an dem Substrat 12 angebracht sein kann, kann das Perfluorcarbon-Siloxanpolymer 36 nach einer Abnutzung erneut aufgetragen werden.
Nun auf 4 Bezug nehmend, umfasst das Verfahren 150 zum Bilden eines selbstreinigenden Filmsystems 110 gemäß einer zweiten Ausführungsform das Aufbringen 52 des fotokatalytischen Materials 34 auf das Substrat 12, um die erste Schicht 140 zu bilden. Das fotokatalytische Material 34 kann auf eine beliebige geeignete Weise auf das Substrat 12 aufgebracht werden. Gemäß nicht einschränkenden Beispielen kann das Aufbringen 52 eine Atomlagenabscheidung (ALD), ein Magnetronsputtering, ein Elektronenstrahlaufdampfen, eine chemische Dampfabscheidung (CVD) und dergleichen umfassen. Das Magnetronsputtering kann beispielsweise unter Verwendung eines Titanmetalltargets reaktiv sein, oder es kann eine direkte Abscheidung von einem Keramik-Titandioxidtarget sein.
Das Verfahren 150 umfasst ferner das Anordnen 60 eines Fotoresists 62 auf der ersten Schicht 140. Die Terminologie Fotoresist 62 bezieht sich auf ein fotosensitives Abdeckmittel, das dann, wenn es Licht ausgesetzt wird, eine Widerstandsfähigkeit gegenüber einem Angriff durch ein Ätzmittel oder Lösungsmittel verliert oder eine Anfälligkeit diesbezüglich aufweist. Daher kann der Fotoresist 62 verwendbar sein, um ein Muster auf der ersten Schicht 140 zu bilden. Der Fotoresist 62 kann als positiv oder negativ charakterisiert werden. Beispielsweise kann das Verfahren 150 das Anordnen 60 eines positiven Fotoresists 62 auf der Oberfläche 12 umfassen, um ein vorbestimmtes Muster auf das Substrat 12 zu übertragen.
Nach dem Anordnen 60 des Fotoresists 62 umfasst das Verfahren 150 auch das Belichten 64 des Fotoresists 62 mit Licht, z. B. mit sichtbarem Licht oder ultraviolettem Licht, mittels einer optischen Maske oder Fotomaske, so dass der Fotoresist 62 einen entwickelten Teil 66 und einen unentwickelten Teil 68 aufweist. Das heißt, dass das Belichten 64 einen fotolithografischen Prozess umfassen kann und den Fotoresist 62 entwickeln kann, um ein gewünschtes Muster auf die erste Schicht 140 zu übertragen. Beispielsweise kann das Belichten 64 umfassen, dass der entwickelte Teil 66 und der unentwickelte Teil 68 gemäß einem gewünschten Muster, einer gewünschten Größe und einer gewünschten Dichte des fotokatalytischen Materials 34 für das endbearbeitete selbstreinigende Filmsystem 20 gebildet werden.
Wie unter weiterer Bezugnahme auf 4 beschrieben wird, umfasst das Verfahren 150 auch das Entfernen 44 des unentwickelten Teils 68, so dass der entwickelte Teil 66 von der ersten Schicht 140 hervorsteht. Der unentwickelte Teil 68 kann auf eine beliebige geeignete Weise entfernt werden. Gemäß nicht einschränkenden Beispielen kann das Entfernen 44 umfassen, dass der unentwickelte Teil 68 mit einem Lösungsmittel abgewischt wird, welches mit dem Fotoresist 62 reagiert.
Nach dem Entfernen 44 umfasst das Verfahren 150 das Aufbringen 38 des Perfluorcarbon-Siloxanpolymers 36 auf die erste Schicht 140, um den entwickelten Teil 66 zu umgeben und zu berühren. Das Perfluorcarbon-Siloxanpolymer 36 kann auf eine beliebige geeignete Weise auf die erste Schicht 140 aufgebracht oder aufgetragen werden. Gemäß nicht einschränkenden Beispielen kann das Aufbringen 38 eine chemische Dampfabscheidung (CVD), eine Atomlagenabscheidung (ALD), ein Eintauchen, ein Abstreifen, ein Sprühen, eine Meniskusbeschichtung, eine Nassbeschichtung, Kombinationen von diesen und dergleichen umfassen. Das Aufbringen 38 kann umfassen, dass eine selbstausgerichtete Monolage gebildet wird, die physikalisch adsorbiert wird, d. h. physisorbiert wird, und durch einen Siloxanteil mit Nachbarmolekülen querverbunden wird.
Nach dem Aufbringen 38 des Perfluorcarbon-Siloxanpolymers 36 umfasst das Verfahren 150 das Entfernen 44 des entwickelten Teils 66, um dadurch das selbstreinigende Filmsystem 20 zu bilden. Der entwickelte Teil 66 kann auf eine beliebige geeignete Weise entfernt werden. Gemäß nicht einschränkenden Beispielen kann das Entfernen 44 umfassen, dass der entwickelte Teil 66 abgewischt oder abgewaschen wird. Beispielsweise kann das Entfernen 44 umfassen, dass der entwickelte Teil 66 mit einem geeigneten Lösungsmittel abgewischt wird, welches mit dem Fotoresist 62 reagiert. Aufgrund des Verfahrens 150 kann das selbstreinigende Filmsystem 20 eine vergleichsweise hohe Reflektivität aufweisen.
Unter Bezugnahme auf 5 umfasst ein Verfahren 250 zum Bilden des selbstreinigenden Filmsystems 210 gemäß einer dritten Ausführungsform das Aufbringen 52 des fotokatalytischen Materials 34 auf das Substrat 12, um die erste Schicht 140 zu bilden, wie vorstehend dargelegt ist. Das Verfahren 250 umfasst ferner das Anordnen 60 des Fotoresists 62 auf der ersten Schicht 140, wie ebenso vorstehend dargelegt ist. Nach dem Anordnen 60 des Fotoresists 62 umfasst das Verfahren 250 auch das Belichten 64 des Fotoresists 62 mit Licht, beispielsweise mit sichtbarem Licht oder ultraviolettem Licht, mittels einer optischen Maske oder Fotomaske, so dass der Fotoresist 62 einen entwickelten Teil 66 und einen unentwickelten Teil 68 aufweist, wie ferner vorstehend dargelegt ist.
Das Verfahren 250 umfasst auch das Entfernen 44 des unentwickelten Teils 68, so dass der entwickelte Teil 66 von der ersten Schicht 140 hervorsteht. Das Entfernen des unentwickelten Teils 68 kann umfassen, dass ein geschützter Teil 70 der ersten Schicht 140 abgedeckt wird. Ferner kann das Entfernen des unentwickelten Teils 68 umfassen, dass ein ungeschützter Teil 72 der ersten Schicht 140 nicht abdeckt wird. Der unentwickelte Teil 68 kann auf eine beliebige geeignete Weise entfernt werden. Gemäß nicht einschränkenden Beispielen kann das Entfernen 44 umfassen, dass der unentwickelte Teil 68 mit einem Lösungsmittel abgewischt wird, welches mit dem Fotoresist 62 reagiert.
Nach dem Entfernen 44 des unentwickelten Teils 68 kann das Verfahren 250 das Entfernen 44 des ungeschützten Teils 72 umfassen. Beispielsweise kann das Entfernen 44 umfassen, dass der ungeschützte Teil 72 des fotokatalytischen Materials 34 derart mittels Säure weggeätzt wird, dass der geschützte Teil 70 übrig bleibt und von dem Substrat 12 hervorsteht.
Nach dem Entfernen 44 des ungeschützten Teils 72 umfasst das Verfahren 250 das Aufbringen 38 des Perfluorcarbon-Siloxanpolymers 36 auf das Substrat 12, um den geschützten Teil 70 zu umgeben und zu berühren. Das Perfluorcarbon-Siloxanpolymer 36 kann auf eine beliebige geeignete Weise auf das Substrat 12 aufgebracht oder aufgetragen werden. Gemäß nicht einschränkenden Beispielen kann das Aufbringen 38 eine chemische Dampfabscheidung (CVD), eine Atomlagenabscheidung (ALD), eine physikalische Dampfabscheidung (PVD), ein Eintauchen, ein Abstreifen, ein Sprühen, eine Meniskusbeschichtung, eine Nassbeschichtung, Kombinationen von diesen und dergleichen umfassen. Das Aufbringen 38 kann umfassen, dass eine selbstausgerichtete Monolage gebildet wird, die physikalisch adsorbiert wird, d. h. physisorbiert wird, und durch einen Siloxanteil mit Nachbarmolekülen querverbunden wird. Das heißt, dass das Aufbringen 38 umfassen kann, dass das fotokatalytische Material 34 mit dem Substrat 12 chemisch verbunden wird, um den geschützten Teil 70 zu umgeben und an diesem anzuliegen.
Nach dem Aufbringen 38 des Perfluorcarbon-Siloxanpolymers 36 umfasst das Verfahren 250 das Entfernen 44 des entwickelten Teils 66, um dadurch das selbstreinigende Filmsystem 210 zu bilden. Der entwickelte Teil 66 kann auf eine beliebige geeignete Weise entfernt werden. Gemäß nicht einschränkenden Beispielen kann das Entfernen 44 umfassen, dass der entwickelte Teil 66 abgewischt oder abgewaschen wird. Beispielsweise kann das Entfernen 44 umfassen, dass der entwickelte Teil 66 mit einem geeigneten Lösungsmittel abgewischt wird, welches mit dem Fotoresist 62 reagiert. Aufgrund des Verfahrens 250 kann das selbstreinigende Filmsystem 210 eine vergleichsweise geringere Reflektivität aufweisen, da das fotokatalytische Material 34 ein Reflexionsvermögen des selbstreinigenden Filmsystems 210 nicht verändern kann.
Nun auf 6 Bezug nehmend, kann das Verfahren 350 zum Bilden des selbstreinigenden Filmsystems 310 gemäß einer vierten Ausführungsform das Synthetisieren 74 eines Titandioxid-Nanopartikelsiloxans 76 und das Mischen 78 des Titandioxid-Nanopartikelsiloxans 76 und des Perfluorcarbon-Siloxanpolymers 36 umfassen, um eine Lösung zu bilden. Das Synthetisieren 74 kann umfassen, dass ein Teil zum Verbinden des Titandioxids mit einem Rückgrat des Perfluorcarbon-Siloxanpolymers 36 ausgewählt wird. Der Teil kann beispielsweise ein Thiol sein. Ferner kann das Mischen 78 umfassen, dass ein Verhältnis oder Anteil des Titandioxid-Nanopartikelsiloxans 76 und des Perfluorcarbon-Siloxanpolymers 36 ausgewählt wird.
Das Verfahren 350 kann ferner das Auftragen 80 der Lösung auf das Substrat 12 umfassen, um dadurch das selbstreinigende Filmsystem 310 zu bilden. Die Lösung kann mittels eines beliebigen geeigneten Prozesses auf das Substrat aufgetragen werden. Gemäß nicht einschränkenden Beispielen kann das Auftragen 80 eine Codeposition, eine chemische Dampfabscheidung (CVD), eine Plasma-CVD, eine Atomlagenabscheidung (ALD), ein Eintauchen, ein Abstreifen, ein Sprühen, eine Meniskusbeschichtung, ein Sol-Gel, eine Nassbeschichtung, Kombinationen von diesen und dergleichen umfassen. Das Auftragen 80 kann umfassen, dass das fotokatalytische Material 34 aufgeraut wird, um Stückchen oder Klümpchen des fotokatalytischen Materials 34 bereitzustellen. Ein solches Aufrauen kann einen Film 18 mit einer himbeerartigen oder rauen Mikrostruktur bilden, welche zu einer Ölabweisungsfähigkeit des Films 18 und des selbstreinigenden Filmsystems 40 beitragen kann.
Zusätzlich kann das Verfahren 350 nach dem Auftragen 80 auch umfassen, dass das Perfluorcarbon-Siloxanpolymer 36 erneut auf das Substrat 12 aufgetragen wird. Beispielsweise kann ein Teil des ursprünglich aufgetragenen Perfluorcarbon-Siloxanpolymers 36 während einer Verwendung aufgrund der Abnutzung des selbstreinigenden Filmsystems 310 entfernt werden. Das Verfahren 350 kann jedoch umfassen, dass das Perfluorcarbon-Siloxanpolymer 36 erneut aufgetragen wird. Das Perfluorcarbon-Siloxanpolymer 36 kann auf eine beliebige geeignete Weise erneut aufgetragen werden. Gemäß nicht einschränkenden Beispielen kann das erneute Auftragen umfassen, dass das Perfluorcarbon-Siloxanpolymer 36 auf dem Substrat 12 abgestreift wird. Somit ist das Verfahren 350 einfach und kosteneffektiv.
Obgleich die besten Weisen zum Ausführen der Offenbarung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute, die diese Offenbarung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen erkennen, um die Offenbarung innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche auszuüben.

Claims

Verfahren zum Bilden eines selbstreinigenden Filmsystems, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Perfluorcarbon-Siloxanpolymer auf ein Substrat aufgebracht wird, um eine erste Schicht zu bilden; mehrere Teile der ersten Schicht entfernt werden, um mehrere Vertiefungen in der ersten Schicht zu definieren und um mehrere Vorsprünge zu bilden, die von dem Substrat hervorstehen; ein fotokatalytisches Material auf die mehreren Vorsprünge und in die mehreren Vertiefungen hinein aufgebracht wird, um eine zweite Schicht zu bilden, die umfasst: einen verbundenen Teil, der in den mehreren Vertiefungen angeordnet ist und mit dem Substrat in Berührung steht; und einen nicht verbundenen Teil, der an den mehreren Vorsprüngen angeordnet und von dem Substrat beabstandet ist; und der nicht verbundene Teil nach dem Aufbringen des fotokatalytischen Materials entfernt wird, um dadurch das selbstreinigende Filmsystem zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufbringen des fotokatalytischen Materials umfasst, dass das fotokatalytische Material in den mehreren Vertiefungen mit dem Substrat chemisch verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass die mehreren Vorsprünge nach dem Entfernen des nicht verbundenen Teils entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, das ferner umfasst, dass das Perfluorcarbon-Siloxanpolymer nach dem Entfernen der mehreren Vorsprünge erneut aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das erneute Aufbringen umfasst, dass der Perfluorcarbon-Siloxanpolymer derart auf dem Substrat abgestreift wird, dass das Perfluorcarbon-Siloxanpolymer den verbundenen Teil berührt.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass der verbundene Teil und Squalen in Berührung gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner umfasst, dass das Squalen oxidiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner umfasst, dass das Squalen verdampft wird.
Selbstreinigendes Filmsystem für ein Substrat, wobei das selbstreinigende Filmsystem umfasst: einen Film, der auf dem Substrat angeordnet und aus einer selbstreinigenden Beschichtungszusammensetzung gebildet ist, wobei die selbstreinigende Beschichtungszusammensetzung ein fotokatalytisches Material und ein Perfluorcarbon-Siloxanpolymer umfasst.
Selbstreinigendes Filmsystem nach Anspruch 9, wobei der Film eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, die der ersten Oberfläche gegenüberliegend beabstandet ist und an dem Substrat anliegt, und wobei ferner die erste Oberfläche im Wesentlichen frei von Squalen ist.