复合透明光及电学材料及其制备方法与流程

本发明涉及光及电学材料，尤其涉及一种复合透明光及电学材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着科技的不断发展，兼备光学性能及电学性能的材料应用前景日益广泛，同时对材料的性能也提出了更高的要求。

2、在军事、医疗、航空航天等高端技术领域，设备周边电磁复杂环境影响越来越多，对显示或摄像产品的要求越来越高。高端显示或探测成像领域所采用的透光材料需要同时具备如下性能：1，高透光性；2，低反射率(日光或强光光照环境下可读)；3，良好的电磁兼容性(emc)；4，表面硬度较高；5，防眩光性能；6，色差较低，对于可见光(380纳米-780纳米)总透过色差：ax、ay<0.002，呈色中性；。这对复合透明光及电学材料的制备提出了很高的要求，同时也大幅增加了复合透明光及电学材料的制备工艺难度。

3、在高端的显示及探测成像产品领域除了对于光的透过率有很高的要求之外，还要求具有较好的电磁兼容性、表面硬度、人机交互面达到强阳光下可读、自洁静能力等。目前尚无能够满足上述要求的相关材料。

4、为满足透光导电材料的复合性能需求，现有的技术方案有采用多块不同性能的玻璃光学胶合来实现：例如中国发明专利cn201610847264.x，将不同性能的透光材质以光学胶水粘合，从而得到同时具有电磁屏蔽性、阳光可读性的复合材料；现有技术的另一个技术路线是采用表面镀膜技术来实现透光材料的复合性能：例如中国发明专利cn201810056467.6，采用镀膜技术在基板上产生八个膜层，达到防眩光、降低表面反射和增加透光性的复合性能。

5、现有技术中，对基板表面进行真空镀膜的主流技术包括蒸发镀膜、溅射镀膜和离子膜。电子束蒸发法是真空蒸发镀膜的一种，是在真空条件下利用电子束进行直接加热蒸发镀膜介质，使镀膜介质蒸发气化并向基板输运，在基板表面凝结形成镀层的方法。在电子束加热装置中，被加热的镀膜介质放置于带有冷却装置的坩埚中，可避免镀膜介质蒸发后与坩埚壁发生反应影响镀层的质量，因此，电子束蒸发沉积法可以制备高纯薄膜镀层，同时在同一蒸发沉积装置中可以安置多个坩埚，实现同时或分别蒸发，沉积多种不同的镀膜介质。电子束蒸发可以对各类不同物理性质的镀膜介质进行蒸发并形成镀层。

6、现有技术中，可实现透明材料屏蔽的技术包括：纳米银丝印刷技术和金属丝网夹层技术。

7、纳米银丝印刷技术(即屏蔽膜)，是通过在pv材料上涂覆光学胶层，随后在光学胶层上压印印刷规则或不规则具有极细小间隙的纳米银丝，银丝起到屏蔽作用；银丝之间留有微米级别的间隙，其间隙中基板材料自身透过率就是整个屏蔽膜透过率的指标。正是因为存在透光间隙，电磁屏蔽面并不连续，所以相同阻值情况下纳米银丝印刷技术屏蔽性能同比ito镀膜效果差。又因pv材料是软膜与玻璃材料热胀冷缩系数差别大导致环境适应性能差、同时银丝的氧化性强，长期在高湿温环境下会影响产品的可靠性。

8、将金属丝网和玻璃通过热熔光学胶实现两种材料粘贴，采用两层玻璃中间夹金属丝网达到屏蔽作用，丝网中间间隙解决透过率的指标，金属丝网夹层技术用于显示屏产品会出现摩尔条纹，直接影响人机交互效果，因此金属丝网夹层工艺不适合军用、医疗、航空航天等高端需求显示产品。

9、如前所述，现有技术多为解决应用场景中的单一问题：如屏蔽问题、透光性问题或防眩光问题等，但无法通过一块玻璃集几种纳米透明材料多层结构同时解决多个在使用应用中的问题。

10、进一步，由光学薄膜设计理论可知，在折射率为ng的基片上镀以光学厚度为λ4的高折射率(n1)膜层后，在中心波长λ处的反射率为一极大值，其值可由下式计算：

11、当一束光以θ角入射时，p光的光学导纳为：η0＝n0cosθ0，η1＝n1cosθ1，ηg＝ngcosθg，这里θ0为入射角，θ1和θg分别是膜系中和基片中的折射角。

12、对于多层膜，当膜层数为k(k＝1,2,3,…)时，膜系与基底组合的特征矩阵为：

13、

14、膜系与基底的组合导纳为：

15、膜系的反射率为：

16、对p光η0＝n0cosθ0，ηj＝njcosθj，ηg＝ngcosθg

17、膜系的透过率为：t＝1-r

18、通过以上计算可知，采用14规整膜系设计的屏蔽膜的光学效果不佳，因此必须采用非规整膜系进行优化设计。例如：设初始膜系结构为g/lhlhlmhlhn/air，其中h、l、m、n分别代表h4、sio2、mgf2、ito，g为k9基底，air表示入射介质空气，借助光学薄膜设计软件(essential macleod/thin film calculator)，对基础膜系进行推演。根据设计指标及精度的要求，对优化目标赋予不同的权重因子，经多次的优化计算，可以推演得出满足性能指标要求的理论设计方案。然而实践中发现，按照理论设计方案试生产的光学镀膜其实测性能指标常常与理论值差别较大。可见，对于多层镀膜相互之间的折射、反射和透光关系，现有技术并未提供足够的启示。现实生产中需要有经验的研发人员根据试验的结果，对各项参数进行修正和优化，才能最终得到性能指标要求可以达到实际需要的光学镀膜产品。

19、鉴于上述目前对于采用多种不同的化学成分以及多层镀膜来提升复合透明光及电学材料的性能尚没有深入研究，多层镀膜应如何排列组合以发挥最佳的协同作用尚未见研究成果。鉴于此，多层复合透明光学及电学材料的结构设计和制备工艺仍是有待研究的技术领域。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种复合透明光及电学材料及其制备方法，通过电子束蒸发工艺在基底层的一侧或两侧分别依次叠加不同化学成分和不同厚度的镀层，以实现阳光下可读、高透过率、和良好的电磁兼容性等性能，满足军用、医疗、航空航天等高端需求。本发明专利利用复合材料和多层纳米透明材料的特殊设计实现多重功能，同时解决电磁屏蔽性、阳光可读等问题，同时具有优良的防眩特性。

2、本发明首先提供了一种复合透明光及电学材料，其特征在于，该材料包括基底和a面复合镀膜，所述的a面复合镀膜由内向外的结构表达式为tryyrtryyrtr ttf，下层面板、基底和a面复合镀膜构成的该材料的结构表达式为mb/jd/tryyr tryyrtrttf/air，其中，mb表示该材料与下层面板的接触面，jd表示基底层，t代表钛酸镧材料层，r代表二氧化硅材料层，y代表氧化铟锡材料层，f代表氟化镁材料层，air表示与外部空气的接触面，与基底层表面距离相对较近者为内，距离相对较远者为外。另需说明的是，所述外部环境，可能是大气或真空环境，也可能是与所述复合透明光及电学材料接触的其他材料，本发明对此不加限制。该材料与所述下层面板的接触面可以采用框贴(所述框贴又称为口字胶贴合，即以双面胶将触摸屏与显示屏的四边粘起来，两块屏中间的接触面不粘合)；也可采用光学胶粘合接触面(所述光学胶是用于胶结透明光学元件的特种胶粘剂，透光率通常在90％以上，包括但不限于有机硅胶、丙烯酸型树脂及不饱和聚酯、聚氨酯、环氧树脂等胶粘剂)。

3、所述的基底层可以是满足光学需要的透明材质，包括光学玻璃k9、bk7、bf33或d263t，或有机光学透明塑料pet、pmma、pc或tpu等，但本发明对此不加限制。

4、优选地，所述的氧化铟锡复合材料层的化学成分的质量份数比例为：氧化铟80～95％、氧化锡5～20％。

5、优选地，所述的钛酸镧、二氧化硅、氧化铟、氧化锡、氟化镁，均来自市售，纯度要求为99％以上。

6、优选地，所述的a面复合镀膜由外向内各层的厚度分别为：

7、f 106.48～117.69nm

8、t 63.82～70.54nm

9、t 66.50～73.50nm

10、r 53.62～59.26nm

11、t 24.02～26.55nm

12、r 46.95～51.90nm

13、y 86.36～95.45nm

14、y 85.50～94.50nm

15、r 48.45～53.55nm

16、t 24.23～26.78nm

17、r 47.70～52.72nm

18、y 80.72～89.21nm

19、y 79.8 0～88.20nm

20、r 37.77～41.74nm

21、t 12.68～14.01nm

22、更优选地，所述的a面复合镀膜由外向内各层的厚度分别为：

23、f 112.09nm

24、t 67.18nm

25、t 70nm

26、r 56.44nm

27、t 25.29nm

28、r 49.43nm

29、y 90.90nm

30、y 90.0nm

31、r 51.00nm

32、t 25.50nm

33、r 50.21nm

34、y 84.97nm

35、y 84.00nm

36、r 39.76nm

37、t 13.35nm

38、优选地，所述的该材料还包括b面复合镀膜。

39、进一步优选地，b面复合镀膜由外向内的结构表达式为fttrtryyrtryyrt或ttrtryyrtryyrt，基底、a面复合镀膜和b面复合镀膜构成的该材料的结构表达式为air/fttrtryyrtryyrt/jd/tryyrtryyrtrttf/air或mb/ttrtryy rtryyrt/jd/tryyrtryyrtrttf/air，且所述的b面复合镀膜由内向外各层的厚度分别与a面复合镀膜由内向外各层的厚度相同。

40、本发明还提供了一种前述复合透明光及电学材料的制备方法，包括如下步骤：

41、步骤s1：将基底层用超声波清洗机洗净、烘干后放入真空镀膜机工件盘；

42、步骤s2：将所述基底层从室温逐渐升温至400℃的温度，保持350～400℃的温度30～60分钟，起始真空度：4.0×10-4～8.0×10-4pa；

43、步骤s3：使用rf离子源轰击基底层表面5～10分钟，气体流量40～80sccm(标准毫升/分钟)；

44、步骤s4：采用电子束蒸发工艺，依次蒸发各种不同的镀膜介质，完成a面复合镀膜各层的蒸镀，通过镀膜机实时监控并控制各层镀层的厚度，将镀膜机控制系统进行每一层的厚度设定好，当每一镀层的镀膜介质蒸镀完成，设备自动开始下一层的镀制；其中，所述氧化铟锡材料层采用电子束蒸发法蒸镀1次或多次；

45、步骤s5：蒸镀完成后，待真空室温度降至室温后取出完成镀膜的复合透明光及电学材料，得到结构表达式为mb/jd/tryyrtryyrtrttf/air的复合透明光及电学材料；

46、步骤s6：在a面复合镀膜的y层(氧化铟锡材料层)的四周边缘分别热压粘合铜箔导电条或印刷导电银浆，引出四周边缘电极。具体地，一种方法是，在a面四周边使用导电铜箔与y层薄膜热压粘合，引出y层导电电极与金属结构件紧密搭接构成屏蔽面；另一种方法是，将导电铜箔更换为使用导电银浆印刷。将导电铜箔与y层薄膜粘合在一起或者导电银浆印刷或导电材料四周边缘无缝隙的引出电极，再用层压法压制成型，该方法简单易行、粘接强度高、不易部分脱落，可提供良好的屏蔽性能。

47、所采用镀膜机的型号可为otfc-1300dbi或otfc-1800dbi。镀膜机设备型号其中1300或1800数字代表尺寸，本发明对此不加限制。

48、优选地，当制备含有b面复合镀膜的材料时，所述的步骤s4还包括：当完成a面复合镀膜的蒸镀后，180度翻转基底层，在基底层的另一面继续依次完成b面复合镀膜的各层镀膜，蒸镀完成后，得到结构表达式为air/fttrtryyrtryyrt/jd/tryyrtryyrtrttf/air或mb/ttrtryyrtryyrt/jd/tryyrtryyrtrttf/air的复合透明光及电学材料。

49、优选地，所述的步骤s6中，采用u型热压粘合铜箔或使用u型印刷导电银浆将b面和a面四周边紧密粘在一起，其屏蔽效能是单面a或b面屏蔽效能的2倍。

50、本发明中，利用屏蔽面的反射和衰减作用，使电磁辐射源产生的磁力线无法进入被屏蔽区域，可以起到电磁屏蔽作用。

51、本发明中，所使用的材料分为两大种类，一种是增加透明性能的透明材料：如钛酸镧材料层，二氧化硅材料层，氟化镁材料层；另一种是透明导电材料：如氧化铟锡材料层。本发明需要根据每层材料，考虑其材料折射率、透过率、反射率、厚度的光学指标并进行理论公式计算，本发明还需考虑其材料本身的特性和本发明设计多层材料结构顺序及光、电学指标的匹配进行反复实验和试验，从而实现光学指标试验的优化；本发明使用的透明导电材料同时要考虑电磁屏蔽性能和其材料厚度关系，其厚度越厚电磁屏蔽性能越优，但是其越厚则其透过率和反射率指标相对应地优势减弱。对此，为了达到本发明更优指标，采用了多层结构设计原理并提出了表达式为air/fttrtryyrtryyrt/jd/tryyrtryyrtrttf/air或mb/ttrtryyr tryyrt/jd/tryyrtryyrtrttf/air的复合透明光及电学材料。

52、采用本发明所述ito镀膜技术实现屏蔽，是通过真空高温镀膜将导电透明纳米材料ito蒸镀在透明材料上(例如玻璃)，纳米材料致密度非常高，成膜后形成连续的电磁屏蔽面，相当于密闭的金属板隔离电磁信号。

53、综上，本发明实现的有益技术效果为：采用本发明所述方法制备的复合透明光及电学材料和纳米透明材料，经过工艺参数的优化，通过电子束蒸发工艺在基底层的一侧或两侧分别依次生长不同化学成分和不同厚度的镀层，实现了多重功能，包括：阳光下可读、高透过率、良好的电磁兼容性等性能；即同时解决了电磁屏蔽性、阳光可读等问题，且具有优良的防眩光特性；可满足军用、医疗、航空航天等高端需求。