TWI835488B - 光學元件、其製作方法和具有其之電子設備 - Google Patents
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Abstract
本發明涉及一種光學元件、其製作方法和具有其之電子設備。所述光學元件，包括基材以及第一膜層；其中，所述基材具有粗糙的第一表面，所述第一表面的平均粗糙度Ra為1μm~100μm，且Ra小於所述基材的厚度的1/2；所述第一膜層附著於所述第一表面。在保證減反射性能的同時，結構和製作工藝更簡單。
Description
本發明涉及光學技術領域，特別是涉及一種光學元件、其製作方法和具有其之電子設備。
減反射是指減少或消除光學元件表面的反射光，從而增加光學元件的透光量，減少或消除系統的雜散光。對於手機、顯示器等電子產品，需要有效的減反射裝置以降低反射率，達到如使電子產品的邊緣呈現“一體黑”外觀表現的目的。“一體黑”會讓電子產品的外觀黑的很均勻，看起來更美觀，同時隨著電子產品中柔性屏、折疊屏的廣泛應用，“一體黑”也可以讓柔性屏、折疊屏在彎曲或折疊時產生的折痕看起來比較不明顯。
傳統的減反射裝置通常包含基材以及層疊於基材之上的光學塗層與硬質層。在對於其減反射作用的研發中，主要的一個方向為在基材的表面塗覆一層低折射率的光學塗層。該光學塗層的折射率(Refractive Index)一般介於1.35~1.40之間。由於光經過不同物質時，物質間彼此的折射率不同，所以根據Snell’s law，光就會發生折射與反射(如圖1所示)，然而反射率的理論計算
只跟折射率有關，反射率R(Reflectivity)計算公式為
，因此單純
從改變材料折射率(N1)來降低反射率，會有物理上的限制，反射率降低幅度有限，並且低折射率的塗層不耐刮擦、容易脆化。在施工上還會額外增加一道塗布過程。除此之外，低折射率的塗層材料來源較少且價格高昂，還需要進一步篩選滿足與下面塗層或基材的附著，可供選擇的材料十分有限。
另外，還有方法對具有減反射作用的光學塗層作進一步的粗糙處理，該方法雖然能夠獲得更低的反射率，但是依然存在需要採用特定材料的光學塗層以及塗布工序增加的問題。
基於此，本發明提供一種在保證減反射性能的同時，結構和製作工藝更簡單的光學元件及其製作方法。
本發明的第一方面，提供一種光學元件，包括基材以及第一膜層；其中，所述基材具有粗糙的第一表面，所述第一表面的平均粗糙度Ra為1μm~100μm，且Ra小於所述基材的厚度的1/2；所述第一膜層附著於所述第一表面。
在其中一個實施例中，Ra小於所述基材的厚度的1/3。
在其中一個實施例中，Ra為25μm~50μm。
在其中一個實施例中，所述基材的厚度為50μm~500μm。
在其中一個實施例中，所述第一表面的凸起和凹陷呈無規則排布。
在其中一個實施例中，所述基材的材質的Tg為80℃~300℃。
在其中一個實施例中，所述第一膜層的厚度為2μm~10μm。
在其中一個實施例中，以質量百分比計，所述第一膜層的製備原料包括：20%~40%的丙烯酸樹脂低聚物、10%~20%的光固化活性稀釋劑、1%~5%的光引發劑、1.5%~8%的添加劑以及50%~70%的溶劑。
在其中一個實施例中，所述硬質膜層中分散有占所述硬質膜層質量百分比為1%~20%的減反射粒子。
在其中一個實施例中，以質量百分比計，所述減反射粒子包括48%~52%的第一減反射粒子、28%~32%的第二減反射粒子和18%~22%的第三減反射粒子；其中，所述第一減反射粒子的粒徑為
50nm，且
100nm；所述第二減反射粒子的粒徑為
20nm，且<50nm；所述第三減反射粒子的粒徑為<20nm。
本發明的第二方面，提供所述的光學元件的製作方法，包括如下步驟：採用加熱後的熱壓輥對基材進行輥壓，形成所述第一表面；於所述第一表面塗覆第一膜層的材料，固化形成所述第一膜層。
在其中一個實施例中，加熱所述熱壓輥的溫度至70℃~150℃。
本發明的協力廠商面，提供一種電子設備，包括本體以及嵌合於所述本體的減反射裝置，所述減反射裝置為如上所述的光學元件。
在其中一個實施例中，所述減反射裝置為保護蓋板。
上述光學元件，直接在基材上形成特定尺寸粗糙形貌的第一表面，通過該粗糙形貌能夠達到破壞反射光的目的，保證光學元件的減反射率功能。同時，結構上無需進行額外的減反射層的設計，突破了低折射率材料可選範圍小的限制，也簡化了光學元件的製作流程，具有較為廣泛的應用價值。
同時，在研究過程中還發現，基於基材第一表面的粗糙形貌，第一膜層與基材的接觸面積增加，可以有效提升第一膜層與基材之間的密著能
力，且還可以減小其內彎折時的內應力，使光學元件具有良好耐彎折性。由此有效解決了傳統的減反射塗層直接應用於柔性屏或折疊屏，彎曲或折疊一段時間後會出現塗層開裂的問題，適用於電子設備的柔性屏、折疊屏等。
另外，上述光學元件還具有較高的光穿透率和較低的霧度。
100:基材
101:第一表面
200:第一膜層
NAir:空氣折射率
N1:第一膜層折射率
第1圖，為光通過介質發生折射與反射的示意圖。
第2圖，為本發明一實施例中光學元件的結構示意圖。
第3圖，為本發明一實施例中光學元件的減反射原理示意圖。
第4圖，為本發明一實施例中光學元件的製作方法步驟S1的加工示意圖。
第5圖，為本發明一實施例中光學元件的製作方法步驟S1的加工後的基材示意圖。
以下結合具體實施例對本發明的光學元件及其製作方法作進一步詳細的說明。本發明可以以許多不同的形式來實現，並不限於本文所描述的實施方式。相反地，提供這些實施方式的目的是使對本發明公開內容理解更加透徹全面。
除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在於限制本發明。
本發明中，“一種或多種”指所列項目的任一種、任兩種或任兩種以上。
本發明中，“第一方面”、“第二方面”、“協力廠商面”、“第四方面”、“第五方面”等僅用於描述目的，不能理解為指示或暗示相對重要性或數量，也不能理解為隱含指明所指示的技術特徵的重要性或數量。而且“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”等僅起到非窮舉式的列舉描述目的，應當理解並不構成對數量的封閉式限定。
本發明中，以開放式描述的技術特徵中，包括所列舉特徵組成的封閉式技術方案，也包括包含所列舉特徵的開放式技術方案。
本發明中，涉及到數值區間，如無特別說明，上述數值區間內視為連續，且包括該範圍的最小值及最大值，以及這種最小值與最大值之間的每一個值。進一步地，當範圍是指整數時，包括該範圍的最小值與最大值之間的每一個整數。此外，當提供多個範圍描述特徵或特性時，可以合併該範圍。換言之，除非另有指明，否則本文中所公開之所有範圍應理解為包括其中所歸入的任何及所有的子範圍。
本發明中，涉及的百分比含量，如無特別說明，對於固液混合和固相-固相混合均指質量百分比，對於液相-液相混合指體積百分比。
本發明中，涉及的百分比濃度，如無特別說明，均指終濃度。所述終濃度，指添加成分在添加該成分後的體系中的占比。
本發明中，的溫度參數，如無特別限定，既允許為恒溫處理，也允許在一定溫度區間內進行處理。所述的恒溫處理允許溫度在儀器控制的精度範圍內進行波動。
本發明中，“附著於……表面”可以指與附著物件直接接觸，也可以與附著物件間接接觸，即通過其它中間結構實現連接。
本發明中，“Tg”是指材料的玻璃態轉化溫度。
本發明中，“低聚物”是指由較少的重複單元所組成的聚合物，其相對分子質量介於小分子和高分子之間。不作限制地，本發明中“低聚物”是指由10~20個重複單元所組成的聚合物。
本發明提供一種光學元件，如圖2所示，包括基材100以及第一膜層200；其中，基材100具有粗糙的第一表面101，第一表面101的平均粗糙度Ra為1μm~100μm，且Ra小於基材100的厚度的1/2；第一膜層200附著於第一表面101。
可以理解地，基材100的厚度是指基材100的底面與粗糙的第一表面101的頂端之間的距離。
不作限制地，第一膜層200可為電子設備基材表面的任意功能膜層，根據電子設備的不同而設置。進一步地，第一膜層200並非光學塗層。
在其中一個具體的示例中，第一膜層200為保護膜層，即提供對基材100的封裝和保護作用。進一步地，第一膜層200為硬質層。
不作限制地，參見圖3，上述光學元件的減反射原理如下：當光線進入具有粗糙的第一表面101的基材100時，可以破壞光行進的路線，改變光的反射路徑，尤其當入射光與介面接近垂直時，光的路徑會往前並發生折射，同時由於改變了光原來的行徑方向，也衰減了光的能量，反射光的能量也降低，由此可以達到減反射的目的。
上述光學元件的第一表面101需要合理控制其粗糙形貌的尺寸。Ra太大，即表面高低起伏大時，因為硬質層用的膠通常是有黏性，所以在塗膠時難以達到穀底部分，不能完整地覆蓋第一表面，進行產生空隙，如此會導致兩個問題：(1)空隙就代表著沒有完全密著，且空隙可能是隨機分佈或是大小
不一的，導致外觀上會出現不均勻等異狀，影響使用者的體驗；(2)空隙裡面存在的可能是空氣(氣泡)或是其它小異物(雜質)，這空隙將改變光的折射與反射，在特殊檢驗光源下會發現外觀上的異狀，呈現出不平整的視覺效果。同時，Ra太大還會導致霧度的增加以及穿透率的下降。Ra太小時，因為光的波長範圍是380nm~780nm，若尺寸小於光的一個波長，將無法反應光一個波長的完整行為，使得反射光比例增加，影響減反射效果，同時製作工藝上也較難實現，精細化加工也增加了生產的成本。另外，Ra需要小於基材100的厚度的1/2。如此在實現減反射作用的同時，保證基材的支撐性。
具體地，Ra包括但不限於：1μm、5μm、10μm、12μm、20μm、23μm、25μm、27μm、30μm、30μm、35μm、37μm、40μm、43μm、45μm、47μm、50μm、60μm、70μm、80μm、100μm。進一步地，Ra為25μm~50μm。更進一步地，Ra為35μm~40μm。
在其中一個具體的示例中，Ra小於基材100的厚度的1/3。
在其中一個具體的示例中，第一表面101的凸起和凹陷呈無規則排布。當光學元件應用於柔性或折疊顯示器面板最外層的保護蓋板時，由於更接近使用者的眼睛，若採用規則排布，容易與顯示幕上的圖元(pixel)產生干涉現象，這些干涉現象會明顯影響產品的外觀，難以被使用者所接受。
在其中一個具體的示例中，基材100的厚度為50μm~500μm。基材100的厚度太薄，平整度會較差，並且容易破裂，產品良品率低；厚度太厚，材料成本和重量增加，且外觀會變得不透明。具體地，基材100的厚度包括但不限於：50μm、80μm、100μm、150μm、160μm、170μm、185μm、188μm、190μm、200μm、250μm、300μm、400μm、500μm。
在其中一個具體的示例中，基材100的材質的Tg為80℃~300℃。進一步地，基材100的材質的Tg為100℃~170℃。Tg溫度過低，基材容易在較低
的溫度就發生型變，當所處的環境溫度稍高時，會讓基材100的表面形貌產生些微形變，影響其光學特性；Tg溫度過高，在光學元件的製作過程中需要較高的加工溫度，可採用的設備受限，且增加能耗。
不作限制地，基材100的材質為聚醯亞胺(CPI)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、三醋酸纖維素(TAC)、玻璃(如超薄玻璃UTG)、聚碳酸酯(PC)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。其中，PET主要是應用在柔性折疊顯示器面板最外層的保護蓋板；CPI主要是應用在柔性折疊顯示器面板最外層的保護蓋板；TAC主要是應用貼在太陽眼鏡最外層的保護蓋板；UTG主要是應用在柔性折疊顯示器面板最外層的保護蓋板PC主要是應用在液晶顯示器(TFT-LCD)面板最外層的保護蓋板PMMA主要是應用在液晶顯示器(TFT-LCD)面板最外層的保護蓋板。
在其中一個具體的示例中，第一膜層200的厚度為2μm~10μm。可以理解地，第一膜層200的厚度是指第一膜層200的表面與粗糙的第一表面101的頂端之間的距離。具體地，第一膜層200的厚度包括但不限於：2μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm。
在其中一個具體的示例中，以質量百分比計，第一膜層200的製備原料包括：20%~40%的丙烯酸樹脂低聚物、10%~20%的光固化活性稀釋劑、1%~5%的光引發劑、1.5%~8%的添加劑以及50%~70%的溶劑。
其中，不作限制地，丙烯酸樹脂低聚物的官能度為6~15官，可選自聚醚型聚氨酯丙烯酸酯低聚物、聚酯型聚氨酯丙烯酸酯低聚物、聚碳酸酯型聚氨酯丙烯酸酯低聚物、脂肪族聚氨酯丙烯酸酯低聚物、有機矽改性聚氨酯丙
烯酸酯低聚物、氟改性聚氨酯丙烯酸酯低聚物、環氧改性聚氨酯丙烯酸酯低聚物和聚酯丙烯酸酯低聚物中的一種或多種。
不作限制地，光固化活性稀釋劑的官能度主要為2~6官，可選自季戊四醇三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、雙季戊四醇五丙烯酸酯、雙季戊四醇六丙烯酸酯、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、乙氧化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、1,6-己二醇二(甲基)丙烯酸酯、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯、三羥甲基戊烷三甲基丙烯酸酯、三羥甲基丙烷季戊四醇三丙烯酸酯、丙氧化新戊二醇二丙烯酸酯、乙氧化1,6-己二醇二丙烯酸酯和三(2-丙烯醯氧乙基)異氰脲酸酯中的一種或多種。
不作限制地，光引發劑可選自1-羥環己基苯酮(光引發劑184)、2-羥基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(光引發劑1173)、2,4,6-三甲基苯甲醯基-二苯基氧化膦(光引發劑TPO)和2-羥基-4-(2-羥乙氧基)-2-甲基苯丙酮(光引發劑2959)中的一種或多種。
不作限制地，添加劑可選自無機納米材料和氟矽類添加劑中的一種或多種。
不作限制地，溶劑可選自醋酸乙酯、醋酸丁酯、丁酮、甲基異丁基甲酮、丙二醇甲醚和丙二醇甲醚醋酸酯中的一種或多種。
在其中一個具體的示例中，第一膜層200的製備原料還可以包括減反射粒子，如此可以進一步增加減反射效果。減反射粒子的材質包括但不限於二氧化矽和二氧化鈦中的一種或多種。
進一步地，合理控制硬質膜層中減反射粒子的占比，並採用不同粒徑的三種減反射粒子設置合理的級配，如此可以使光學元件在具備更佳的減反射效果的同時，不影響其耐彎折性。
在其中一個具體的示例中，第一膜層200中分散有占第一膜層200質量百分比為1%~20%的減反射粒子。
在其中一個具體的示例中，以質量百分比計，減反射粒子包括48%~52%的第一減反射粒子、28%~32%的第二減反射粒子和18%~22%的第三減反射粒子；其中，第一減反射粒子的粒徑為
50nm，且
100nm；第二減反射粒子的粒徑為
20nm，且<50nm；第三減反射粒子的粒徑為<20nm；進一步地，第三減反射粒子的粒徑為
10μm，且<20nm。
本發明還提供所述的光學元件的製作方法，包括如下步驟：S1：採用加熱後的熱壓輥對基材100進行輥壓，形成第一表面101；S2：於第一表面101塗覆第一膜層的材料，固化形成第一膜層200。
具體地，如圖4所示，步驟S1中，熱壓輥具有與所需的第一表面101相應的表面形貌，通過對基材100進行加熱輥壓，破壞基材100的平整性，形成第一表面101。輥壓後的基材100如圖5所示。
不作限制地，熱壓輥的表面形貌的獲得方式包括如下步驟：先在熱壓輥的表面電鍍一層銅，電鍍時間越久，這層銅的厚度就越厚，要電鍍多厚就取決於熱壓輥的表面形貌需求，可以設置為50μm~200μm；電鍍完成後，利用精密加工的儀器，儀器上裝有如鑽石刀等加工部件，在電鍍銅層上刻出要的形狀與深度(Ra)。
可以理解地，可以根據不同基材100材質的不同Tg點設置熱壓輥的溫度進行輥壓，使基材100的表面出現輕微的熱形變，達到所需的第一表面101
的形貌即可。在其中一個具體的示例中，加熱熱壓輥的溫度至70℃~150℃。進一步地，對於TAC、PET或PMMA，加熱熱壓輥的溫度至80℃~130℃，對於CPI或UTG，加熱熱壓輥的溫度至100℃~150℃，對於PC，加熱熱壓輥的溫度至70℃~120℃。溫度太高可能會造成基材100的整體形變，甚至破壞基材100的結構，溫度太低則無法造成基材100的表面的形變。
具體地，步驟S2中，在第一表面101塗覆第一膜層200的材料，經過固化，形成第一膜層200，製備得到如圖2所示的光學元件。
本發明還提供一種電子設備，包括本體以及嵌合於本體的減反射裝置，所減反射裝置為上述的光學元件。進一步地，電子設備可如手機、顯示器。
在其中一個具體的示例中，減反射裝置為保護蓋板。進一步地，保護蓋板為螢幕蓋板。
以下為具體的實施例。
實施例中形成硬質層的膠水組成如下：傑事達DSP-552F(6官氟改性聚氨酯丙烯酸酯低聚物)15%、長興化學6195-100(10官脂肪族聚氨酯丙烯酸酯低聚物)10%、雙季戊四醇六丙烯酸酯10%、光引發劑2959 2%、NANOBYK-3605(無機納米材料)2.5%、信越KY-1203(氟矽類添加劑)1%、丙二醇甲醚20%和醋酸丁酯39.5%。
實施例1~5和對比例2提供的光學元件，其製作方法如下：(1)按照表1，以厚度為188μm的PET作為基材，加熱熱壓輥至表1溫度後對基材進行輥壓，形成第一表面，其Ra如表1所示；(2)於第一表面進行膠水的塗覆，固化形成硬質層，其厚度為10μm。
實施例6的製作方法同實施例3，主要區別在於：使用厚度65μm的CPI膜為基材，且Ra為12μm。
實施例7的製作方法同實施例3，主要區別在於：在膠水中混合質量百分比為10%的二氧化矽粒子，形成硬質層；其中二氧化矽粒子的粒徑分佈如下：50%：50nm
R
100nm；30%：20nm
R<50nm；20%：10μm
R<20nm。
對比例1提供的光學元件其製作方法同實施例1，主要區別在於：未進行步驟(1)的輥壓，即未對基材的表面進行粗糙處理。
實施例1~7和對比例1~2的光學元件的測試方法如下：
(1)反射率測試方法(光譜儀型號：柯尼卡美能達CM-5；光源為D65，角度為100)：1.1 準備兩個線性偏光片(Polarizer)；1.2 垂直粘合兩個偏光片(Polarizer)；1.3. 粘合測試樣品和交叉偏光片；
1.4. 將測試樣品面放在感測器區域；1.5. 確保被測樣品平整且各粘合劑間無氣泡；1.6. 開始量測，確認量測結果。
(2)彎折性能測試方法(設備型號：湯淺DML HB-FS)：2.1 準備用於折疊的測試樣品；2.2 被測樣品長度不小於150mm；2.3 對於內折疊，硬質層朝上；2.4 將測試樣品的兩側固定在折疊板上；2.5 設置折疊頻率為每秒一次；2.6 每5萬次監測一次，直到20萬次停止；2.7 檢查外觀並比較折疊前與折疊後的光學結果。
(3)穿透率(Transmittance)/霧度：一束入射光穿過產品後，部分光會直直走，部分光會發生散射。+/-3度的光，定義為直線走的光，超過+/- 3度的光稱為散射光。
穿透率測試直線走的光與入射光的比值；霧度測試散射光與入射光的比值。
結果如下表2所示：
由表2可知，實施例1~6的光學元件通過控制合適的Ra值，均能夠實現較對比例1~2更優的減反射性能，其中，在基材同為PET的情況下，以實施例3和4更佳。
同時，實施例1~6的光學元件還具有良好的耐彎折性、較高的光穿透率和較低的霧度。而對比例1~2均不能通過彎折性能測試，且對比例2由於Ra值較大，穿透率出現了明顯的下降，霧度出現了明顯的增加。
與實施例3相比較，實施例7通過在硬質層中引入二氧化矽粒子，能夠進一步降低減反射效果，同時不會影響光學元件的耐彎折性、光穿透率和霧度。
以上所述實施例的各技術特徵可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特徵所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特徵的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的範圍。
以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，便於具體和詳細地理解本發明的技術方案，但並不能因此而理解為對發明專利保護範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。應當理
解，本領域技術人員在本發明提供的技術方案的基礎上，通過合乎邏輯的分析、推理或者有限的試驗得到的技術方案，均在本發明所附權利要求的保護範圍內。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求的內容為准，說明書及附圖可以用於解釋權利要求的內容。
100:基材
101:第一表面
200:第一膜層
Claims (14)
- 一種光學元件，其包含：一基材；及一第一膜層；其中，該基材具有粗糙的第一表面，該第一表面的平均粗糙度Ra為12μm~100μm，且Ra小於該基材的厚度的1/2；該第一膜層附著於該第一表面。
- 如請求項1所述之光學元件，其中，Ra小於該基材的厚度的1/3。
- 如請求項1所述之光學元件，其中，Ra為25μm~50μm。
- 如請求項1所述之光學元件，其中，該基材的厚度為50μm~500μm。
- 如請求項1至4中任一項所述之光學元件，其中，該第一表面的凸起和凹陷呈無規則排布。
- 如請求項1至4中任一項所述之光學元件，其中，該基材的Tg為80℃~300℃。
- 如請求項1至4中任一項所述之光學元件，其中，該第一膜層的厚度為2μm~10μm。
- 如請求項1至4中任一項所述之光學元件，其中，以質量百分比計，該第一膜層的製備原料包括：20%~40%的丙烯酸樹脂低聚物、10%~20%的光固化活性稀釋劑、1%~5%的光引發劑、1.5%~8%的添加劑以及50%~70%的溶劑。
- 如請求項1至4中任一項所述之光學元件，其中，該第一膜層中分散有占該第一膜層質量百分比為1%~20%的減反射粒子。
- 如請求項9所述之光學元件，其中，以質量百分比計，該減反射粒子包括48%~52%的第一減反射粒子、28%~32%的第二減反射粒子和18%~22%的第三減反射粒子；其中，該第一減反射粒子的粒徑為50nm，且
100nm；該第二減反射粒子的粒徑為
20nm，且<50nm；該第三減反射粒子的粒徑為<20nm。
- 一種製作如請求項1至10中任一項所述之光學元件的方法，其步驟包含：採用加熱後的熱壓輥對基材進行輥壓，形成該第一表面；及於該第一表面塗覆第一膜層的材料，固化形成該第一膜層。
- 如請求項11所述之方法，其中，加熱該熱壓輥的溫度至70℃~150℃。
- 一種電子設備，其特徵在於：該電子設備具有一本體以及嵌合於該本體的減反射裝置，該減反射裝置為如請求項1至10中任一項所述之光學元件。
- 如請求項13所述之電子設備，其中，該減反射裝置為保護蓋板。
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