TW201317608A - 用於顯示裝置之撓性耐刮薄膜 - Google Patents

用於顯示裝置之撓性耐刮薄膜 Download PDF

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Abstract

一種製造透明耐刮薄膜之方法，其包含：（1）清潔撓性基板之表面；（2）改變該撓性基板之表面的表面能；（3）用包含官能化基團單體及溶劑之透明耐刮塗層塗佈該撓性基板的表面；（4）潤濕該透明耐刮塗層；及（5）藉由使該透明耐刮塗層固化來形成交聯聚合物結構。

Description

用於顯示裝置之撓性耐刮薄膜 【相關申請案之交互參照】
本申請案主張2011年10月25日申請之題為「用於顯示裝置之撓性耐刮薄膜的方法及應用(Methods and Application of Flexible Scratch Resistance Film for Display Devices)」且以引用之方式併入本文中的美國臨時專利申請案第61/551,009號之優先權。
觸控螢幕技術已成為諸如平板電腦及蜂巢式電話之許多現代電子器件的重要組成部分。典型地，觸控螢幕技術併入有對電阻性或電容性感測器層(其構成顯示器之部分)之使用。歸因於使用者與螢幕之直接接觸的程度有所增加，利用此技術之裝置的螢幕通常傾向於受到損害。取決於所使用之材料及螢幕之用途，此損害典型地包括螢幕自身之刮擦及損壞兩者。因此，電阻性及電容性觸控感測器通常包括置放於顯示結構之頂部上的半透明電絕緣罩，以便保護並隔離觸控感測器面板，使其免受環境條件、磨損、氧化及有害化學試劑的影響。
典型地，在觸控螢幕面板中將玻璃或聚酯薄膜用作保護罩。聚酯薄膜在具有撓性時可僅提供最小等級之硬度。具體而言，此等薄膜提供範圍為約2H至4H之表面硬度。因此，聚酯薄膜易受刮擦。另外，能夠產生高於7H之鉛筆硬度讀數的玻璃罩確實提供了極好之刮擦保護。然而，此 等玻璃罩並不提供高等級之撓性，且因此在由硬表面衝擊時易受損壞。
本發明係關於在撓性透明基板薄膜上形成透明耐刮塗層之方法，該方法可達成大於6H之鉛筆表面硬度。具體而言，一些具體實例係針對一種撓性耐刮薄膜，該撓性耐刮薄膜包含撓性基板及黏附至該撓性基板之透明耐刮塗層，其中該透明耐刮塗層包含由官能化單體形成之交聯聚合物結構。
其他具體實例係針對一種用於製造透明耐刮薄膜之方法，該方法包含：(1)清潔一撓性基板之表面；(2)改變該撓性基板之該表面的表面能；(3)用包含官能化基團單體及溶劑之透明耐刮樹脂塗層塗佈該撓性基板的該表面；(4)沉積該透明耐刮塗層；及(5)藉由使該透明耐刮塗層固化來形成交聯聚合物結構。
再其他的具體實例係針對一種撓性耐刮薄膜，該撓性耐刮薄膜包含撓性基板、黏附至該撓性基板之透明耐刮塗層，其中該透明耐刮塗層包含由官能化單體形成之交聯聚合物結構，該撓性耐刮薄膜之鉛筆硬度為至少6H，且該透明耐刮塗層具有為至少50%的交聯密度。
現參看隨附圖式來詳細描述本發明之例示性具體實 例。
以下論述係針對本發明之各種具體實例。儘管此等具體實例中之一或多者可為較佳的，但所揭示之具體實例不應被解釋為或以其他方式用作對包括申請專利範圍的本發明之範疇之限制。此外，熟習此項技術者應理解，以下描述具有廣泛應用，且對任何具體實例之論述意欲僅舉例說明該具體實例，且不欲暗示包括申請專利範圍的本發明之範疇係限於該具體實例。
如本文中所使用，詞「大約」意謂「正或負10%」。另外，如本文中所使用，詞「透明」意謂允許光波透射且透射率為90%或更大之任何材料。
應用於觸控螢幕裝置中之多數塗層薄膜表現出基於聚合物之分子結構。聚合物為由使數千個相對小之分子(稱為單體)化學交聯所產生的相對大之分子。歸因於單體之分子間力較弱，單體可以氣體、液體或結構上較弱之分子結構的形式存在。
圖1展示線性聚合物結構A及交聯聚合物結構B之實例。如本文中所使用，術語「交聯」指代將一單體或聚合物鏈聯接至另一單體或聚合物鏈的化學鍵(共價鍵或離子鍵)。在典型聚合反應中，具有雙官能基團之單體結合在一起，從而形成呈線性聚合物結構A之聚合物。然而，由含有線性聚合物結構A的基於聚合物之塗層薄膜製成的薄膜通常不耐刮。因此，為了增大塗層薄膜之耐刮性，需要增強聚合物塗層之機械強度。
交聯聚合物結構B在三維結構中聯接在一起，該三維結構增大了聚合物鏈內之分子間力(通常為共價鍵)，且減小了在壓力下的聚合鏈鬆弛(通常表現為凹陷或溝槽)。因此，含有交聯聚合物結構B的基於聚合物之塗層薄膜往往具有耐刮性質。
儘管交聯聚合物結構的分子強度較高，但經由溶液製程不可能將聚合物塗覆或塗佈至基板上。此係歸因於如下事實：交聯聚合物不可溶解於溶劑中，且在置於溶劑中時典型地會膨脹。呈液態之塗層組成物允許分子移動並發生反應的效率更高。具有低密度交聯網之材料相當於液體狀黏性凝膠，而具有高密度交聯網之材料在固態下剛性極大。根據較佳具體實例，在將聚合物在液態下塗覆至基板之後，產生交聯結構。在將聚合物塗覆至基板之後，可形成交聯結構。
本發明之具體實例使用之透明耐刮塗層係基於並非源自於聚合物鏈的交聯結構。取而代之，塗層可由在不同結合點處同時發生反應以產生交聯三維聚合物結構的單體組成，該交聯三維聚合物結構表現出極高交聯密度且因此表現出耐刮特徵。具體而言，透明耐刮塗層可包含單官能及多官能丙烯酸單體及寡聚物。可將此塗層塗覆於透明撓性薄膜上，該透明撓性薄膜可在諸如蜂巢式電話及平板電腦之電子裝置中用作顯示器的保護罩。
圖2展示根據本發明之各種具體實例的用於生產透明耐刮薄膜500之塗層塗覆系統200。塗層塗覆系統200大體 上包括電暈處理模組206、塗佈模組208、過渡區202及固化模組216。在操作期間，將撓性透明基板204自退繞輥212饋入至塗層塗覆系統200中。接著使基板204前進，分別通過電暈處理模組206、塗佈模組208、過渡區204及固化模組216，從而產生透明耐刮薄膜500。在離開固化模組216之後，透明耐刮薄膜500即沉積於纏繞輥218上。現將在下文中更詳細地描述上述模組及步驟中之每一者。
電暈處理模組206自基板204之表面移除任何小的粒子、油及油脂，此係因為，在至少一些具體實例中，在塗覆耐刮塗層202之前需要使表面清潔。另外，電暈處理模組206亦可用以改變(例如，增大)表面能以在基板204上獲得足夠的潤濕及黏附。當基板204通過電暈處理模組206時，使高頻電子在基板204之表面上放電，從而形成高極性基團，該等高極性基團可與塗層組成物發生反應且形成氫鍵，從而導致改良之黏附。大體而言，當較高等級之電子在基板204之表面上放電時，形成更多極性基團及黏附點，從而最終導致更高表面能。
在一些具體實例中，基板204可包含聚對苯二甲酸伸乙酯(PET)、聚2,6萘二甲酸乙二酯(PEN)、聚碳酸酯、纖維素聚合物或玻璃。具體而言，基板204之合適材料可包括DuPont/Teijin Melinex 454及Dupont/Teijin Melinex ST505，後者為針對涉及熱處理之製程所特別設計的熱穩定薄膜。另外，基板204之厚度範圍可為12至500微米，其中較佳厚度為50至150微米。
取決於用於基板204之材料，所需的電暈處理可按瓦特/密度在廣泛範圍內變化。舉例而言，當基板204由PET薄膜構成時，電暈處理模組206中之密度等級範圍可為約150 W/分鐘/m2至50 W/分鐘/m2，而較佳表面能範圍可為約40達因/cm至95達因/cm。或者，當基板204由聚碳酸酯構成時，電暈處理模組206中之密度等級範圍可為約1 W/分鐘/m2至50 W/分鐘/m2，而較佳表面能範圍可為約40達因/cm至95達因/cm。
在離開電暈處理模組206之後，基板204進入塗佈模組208。塗佈模組208用以將一層均勻的透明耐刮塗層202塗覆於基板204上。在所展示之具體實例中，塗佈模組208利用狹縫模具式製程(Slot-Die process)，其中塗佈模組208藉由壓力或重力將透明耐刮塗層202擠出至撓性透明基板204上，從而形成相對精確的保形層，該層之厚度範圍為約3至50微米，其中較佳厚度在15微米與20微米之間。亦可經由其他常用塗佈技術(諸如凹版印刷式塗佈、梅爾棒式塗佈及噴霧塗佈)，而不是狹縫模具式塗佈製程，來塗覆透明耐刮塗層202。
透明耐刮塗層202可由濃度至多為100 wt%之固體含量構成，其中光引發劑或熱引發劑的濃度在約1%至6%之範圍內。另外，塗層202可含有約20%至30%之溶劑以調節黏度，黏度將取決於所使用之塗佈方法及所要厚度。潛在溶劑之實例可包括諸如丙酮、甲基乙基酮及異丁基乙基酮之酮型溶劑，以及諸如乙氧基乙醇及甲氧基乙醇的醇型溶 劑。溶劑之添加不會影響塗層202之性質，此係因為在塗覆之後，溶劑在其通過烘箱通道時蒸發掉。此等溶劑亦可消除在基板204通過電暈處理之後留下的任何殘餘物。
在其他具體實例中，塗層202可由100%固體含量構成。大體上，當使用100%固體含量時，塗層202之較佳塗層厚度在於塗佈模組208中沉積於基板204上且通過固化模組216(下文描述)之後保持實質上相同。在使用100%固體樹脂時更容易達成較厚塗層。或者，在使用溶劑時，歸因於溶劑蒸發掉之事實，當塗層202貫穿塗層塗覆系統200移動時，塗層202之厚度將減小。舉例而言，當厚度為20微米且溶劑濃度為20%的透明耐刮塗層202沉積於基板204上時，在透明耐刮塗層202通過固化模組216之後，厚度可減小20%或減小至16微米或更小。溶劑可有助於利用可與所需的塗佈設施操作相匹配的黏度，且相對更易於達成較薄塗層。
如上文所陳述，透明耐刮塗層202由官能基團單體組成，該等官能基團單體發生反應以形成交聯聚合物結構。可使用之潛在官能基團單體的實例可包括丙氧基化三羥甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯、高度丙氧基化之甘油基三丙烯酸酯、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、高純度三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、低黏度三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、丙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、三官能丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、二-三羥甲基丙烷四丙烯酸酯、二季戊四醇戊丙烯酸酯、乙氧基化季戊四醇四丙烯 酸酯及戊丙烯酸酯。
另外，為了具有針對塗佈製程之適當黏度且控制交聯聚合物之應力，亦可引入較低官能化單體。可使用之潛在較低官能化單體的實例包括聚乙二醇二丙烯酸酯、二丙二醇二丙烯酸酯、丙氧基化新戊二醇二丙烯酸酯、1,3-丁二醇二甲基丙烯酸酯、新戊二醇二甲基丙烯酸酯、1,6己二醇二甲基丙烯酸酯、1,4-丁二醇二甲基丙烯酸酯及二甘醇二甲基丙烯酸酯。
最終，當使用UV光源(下文論述)使透明耐刮塗層202固化時，可在此塗層中包括光引發劑。潛在光引發劑之實例包括二苯甲酮類型引發劑，諸如二苯甲酮、4,4-二羥二苯甲酮、3-羥二苯甲酮、4-羥二苯甲酮、2-甲基-4'-(甲硫基)-2-N-嗎啉基苯丙酮及苯乙酮。
仍參看圖2，一旦用透明耐刮塗層202塗佈了基板204，基板204與塗層202之組合就繼續移動至過渡區214。過渡區214允許跨越基板204之表面適當地潤濕塗層202。此外，過渡區214可保持於室溫(在20℃與30℃之間)或保持於高溫，且可允許對給定材料段的製程時間為約5至300秒。在室溫下，過渡區214允許塗層在大面積基板上安定下來且變平。在高溫下，使塗層之黏度減小，且可相對容易地達成平滑且平坦之表面。當存在溶劑時，高溫可有助於在固化製程之前使溶劑蒸發。
在離開過渡區214之後，基板204及塗層202進入固化模組216。當在固化模組216中時，塗層202形成交聯聚 合物結構(參見圖1中之B)，該交聯聚合物結構給塗層202提供耐刮性質。多個官能化單體發生反應而形成交聯聚合物結構，此較佳在塗層202仍呈液態以允許單體來回移動且因此達成更高效之交聯結構的同時發生。另外，為了達成高交聯密度，亦較佳在惰性氣體環境中或在實質上無氧(例如，小於1%的氧)之環境中使塗層202固化。針對此製程之合適惰性氣體的實例為氮氣及二氧化碳。
在所展示之具體實例中，固化模組216利用紫外線(UV)光源215，當塗層202通過固化模組216時，UV光源215使塗層202固化。UV光源216可為UVA、UVB或UVC紫外線光源，且較佳為工業級UV光源，此係因為，需要在極短時間段內使塗層202固化。具體而言，需要在約0.1至2.0秒內使塗層202固化。另外，在環境大氣下，在目標強度範圍為約0.25 J/cm2至20.00 J/cm2之情況下，UV光源215需要具有約280 nm至480 nm之波長。最終，若應用惰性環境，則UV光強度要求可減小達一個數量級且達成等效交聯度。
現參看圖3，展示本發明之替代性具體實例。此處，生產透明耐刮薄膜500的方式與上文在圖2中描述之方式實質上相同。然而，熱固化模組302利用沿溫度梯度304之熱輻射，而不是UV光源(圖2中之數字215)，來使塗層202形成交聯聚合物結構。將固化模組302中之溫度梯度304設計成使塗層202在約5至300秒之時間段內逐漸固化，從而減小熱應力並避免塗層202上的任何可能的蜷縮 效應。具體而言，溫度梯度304產生且維持三個溫度帶A、B及C，該等溫度帶的範圍可分別自70℃、120℃及200℃開始。若塗層202中包括熱引發劑，則在通過熱固化模組302時，此熱引發劑之活化溫度範圍可為70℃至200℃。較佳溫度在70℃至150℃之範圍內，該溫度範圍應與基板之穩定性相匹配。
現參看圖4，展示本發明之替代性具體實例。此處，生產透明耐刮薄膜500的方式與上文在圖2中描述之方式實質上相同。然而，當前具體實例利用游離輻射，而不是UV光源(圖2中之數字215)，來使塗層202固化並在塗層202內形成交聯聚合物結構。具體而言，所展示之具體實例使用電子束(E束)模組402來執行此步驟。根據當前具體實例，E束固化模組402應用電子放電404來使耐刮塗層固化。更具體而言，E束模組402以受控劑量利用高能電子來使聚合物材料快速聚合並交聯。在使用E束模組402時，不需要在透明耐刮塗層202內使用熱引發劑或光引發劑，此係因為溶液內之電子充當引發劑。應用於耐刮塗層202上之E束劑量範圍可為0.5 MRads至5 MRads，歷時0.01至5秒。
交聯密度指代給定聚合物內交聯鍵的百分數。此密度與反應時間及溫度相關。大體而言，較高強度且較快反應轉化成較高交聯密度。因而，就交聯反應之百分數而言，不同固化方法提供不同密度。在使用熱固化製程時，最大交聯密度範圍可為約50%至60%，在使用UV固化時，最大 交聯密度範圍可為60%至70%，且在使用E束固化時，最大交聯密度範圍高達80%。自製造觀點來看，就處理速度、成本及電力需要量而言，UV固化可為較佳固化方法。或者，若需要高級光學修整，則熱固化可為較佳的。
參看圖5，展示透明耐刮薄膜500之橫截面。透明耐刮薄膜500大體上包括撓性透明基板204及透明耐刮塗層202。此外，與透明耐刮薄膜500之總重量相比較，塗層202可新增約10%至20%之重量，其取決於需要保護罩之電子顯示器的大小。
在一些具體實例中，透明耐刮薄膜500可進一步包括透明撓性黏附層(圖中未示)，該透明撓性黏附層黏附至基板204且與塗層202相反。黏附層允許透明耐刮薄膜500附著至電子觸控式顯示器，該等電子觸控式顯示器包括在諸如行動電話及平板電腦之裝置上的電子觸控式顯示器。黏附層之厚度範圍可為約20微米至50微米。舉例而言，黏附層可由3M光學透明黏附劑#8171構成。
現參看圖6，展示用於量測塗層202之表面硬度的鉛筆硬度測試600，該鉛筆硬度測試600遵守測試方法ASTM D3363。為了執行測試，自表現出範圍為6B至9H之硬度的鉛筆集合選擇鉛筆602。自最高硬度至最低硬度進行選擇，將第一鉛筆602裝載至量測小車604中。在此測試中使用之量測小車604為可購自BAMR之Elcometer 3080。此量測儀器使鉛筆602能夠維持於約7.5 N之恆定壓力下且維持於恰當角度，從而增大測試之再現性。使裝載有鉛筆 602之量測小車604橫跨塗層202之表面而移動。若鉛筆602留下擦痕，則使用下一較軟鉛筆602，且重複上述過程。未留下標記之第一鉛筆602的硬度數被視為塗層202的鉛筆硬度。
使用約5微米至50微米之厚度，在由PET製成之基板204之頂部上的塗層202之鉛筆硬度被量測為2H直至9H，其取決於耐刮塗層202之厚度。對PET基板204上之耐刮塗層202使用為15微米之較佳厚度，可達成大於或等於6H之表面鉛筆硬度。塗覆至PET基板204之塗層202的效能特性展示於表1中。
另外，塗覆至聚碳酸酯基板之耐刮塗層202的效能特性展示於表2中。
比較表1與表2之結果，可看出，耐刮性由於基板材料不同而變化，而其他性質保持相同。原因為，聚碳酸酯基板比PET基板軟。因此，塗層202在塗覆於聚碳酸酯基板(與PET基板對比)上時所能夠達成之最大表面硬度較低。
以上論述意欲說明本發明之原理及各種具體實例。一旦充分瞭解了以上揭示內容，許多變化及修改將對熟習此項技術者變得顯而易見。意欲將以下申請專利範圍解釋為包含所有此等變化及修改。
圖1展示根據本發明之具體實例的線性聚合物結構(A)以及交聯聚合物結構(B)兩者； 圖2展示用於製造透明耐刮薄膜之方法之具體實例的示意圖；圖3展示用於製造透明耐刮薄膜之方法之替代性具體實例的示意圖；圖4展示用於製造透明耐刮薄膜之方法之又一替代性具體實例的示意圖；圖5描繪根據本發明之具體實例的透明耐刮薄膜之橫截面的示意圖；及圖6展示用於在透明耐刮薄膜之表面上進行鉛筆硬度測試的設備。
A‧‧‧線性聚合物結構
B‧‧‧交聯聚合物結構

Claims (23)

  1. 一種撓性耐刮薄膜，其包含：撓性基板；及黏附至該撓性基板之透明耐刮塗層；其中該透明耐刮塗層包含由官能化單體形成之交聯聚合物結構。
  2. 如申請專利範圍第1項之薄膜，其中該薄膜之鉛筆硬度為至少6H。
  3. 如申請專利範圍第1項之薄膜，其中該透明耐刮塗層具有為至少50%之交聯密度。
  4. 如申請專利範圍第1項之薄膜，其中該透明耐刮塗層包含單官能及多官能丙烯酸單體及丙烯酸寡聚物。
  5. 如申請專利範圍第1項之薄膜，其中該撓性基板包含聚對苯二甲酸伸乙酯、聚2,6萘二甲酸乙二酯、聚碳酸酯、纖維素聚合物及玻璃中之至少一者。
  6. 一種製造透明耐刮薄膜之方法，該方法包含：清潔撓性基板之表面；改變該撓性基板之表面的表面能；用包含官能化基團單體及溶劑之透明耐刮塗層塗佈該撓性基板的表面；潤濕該透明耐刮塗層；及藉由使透明耐刮塗層固化來形成交聯聚合物結構。
  7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中清潔該撓性基板 之表面及改變該撓性基板之表面的表面能包含將高頻電子流施加至該撓性基板之表面。
  8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中該高頻電子流之強度等級範圍為1 W/分鐘/m2至50 W/分鐘/m2。
  9. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該撓性基板之改變後的表面能範圍為20達因/cm至95達因/cm。
  10. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該透明耐刮塗層具有範圍為3微米至30微米之厚度。
  11. 如申請專利範圍第6項之方法，其中用該透明耐刮塗層塗佈該撓性基板之表面包含使用狹縫模具式塗佈技術、凹板印刷式塗佈技術、梅爾棒式塗佈技術及噴霧塗佈技術中之至少一者。
  12. 如申請專利範圍第6項之方法，其中使該透明耐刮塗層固化包含應用具有280 nm至480 nm之波長的UV光。
  13. 如申請專利範圍第6項之方法，其中使該透明耐刮塗層固化包含對該透明耐刮塗層應用熱輻射。
  14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中使該透明耐刮塗層經受三個溫度帶，該三個溫度帶之範圍分別自70℃、120℃及200℃開始。
  15. 如申請專利範圍第6項之方法，其中使該透明耐刮塗層固化包含對該透明耐刮塗層應用游離輻射。
  16. 如申請專利範圍第15項之方法，其中應用游離輻射進一步包含對該透明耐刮塗層使用電子束。
  17. 如申請專利範圍第16項之方法，其中應用該電子束包含在範圍為0.01秒至5秒之時間期間應用範圍為0.5 MRads至5 MRads的電子劑量。
  18. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該透明耐刮塗層進一步包含光引發劑或熱引發劑。
  19. 如申請專利範圍第6項之方法，其中使該透明耐刮塗層固化係在惰性氣體環境下進行。
  20. 如申請專利範圍第6項之方法，其中使保護塗層溶液固化係在幾乎無氧之環境下進行。
  21. 一種根據申請專利範圍第6項之方法所製造的撓性耐刮薄膜。
  22. 如申請專利範圍第21項之撓性耐刮薄膜，其中該透明耐刮塗層具有至少50%的交聯密度。
  23. 一種撓性耐刮薄膜，其包含：撓性基板；黏附至該撓性基板之透明耐刮塗層；其中該透明耐刮塗層包含由官能化單體形成之交聯聚合物結構；其中該撓性耐刮薄膜之鉛筆硬度為至少6H；且其中該透明耐刮塗層具有至少50%的交聯密度。
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