抗静电抗反射的涂层

本申请是申请号为201680009132.8，申请日为2016年3月9日，发明名称为“抗静电抗反射的涂层”的分案申请。

相关的申请

本申请要求2016年3月9日提交的名称为“Anti-Static Anti-ReflectiveCoating”的美国临时申请序列号为62/130,502的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及光学制品的涂层，更具体地，涉及赋予光学制品抗静电和抗反射特性的涂层。

背景技术

抗静电涂层通过在绝缘基板的表面上提供电子通道来中和累积的静电荷起作用。在某些应用中，通道可以是导电表面或形成于基板表面上的涂层。在验眼透镜领域，基板可以是例如聚碳酸酯或铸塑树脂或单体，而抗静电涂层用于中和横跨透镜的光学表面的静电荷。中和静电荷防止或减少棉绒、灰尘、碎屑和其他颗粒物对透镜表面的静电吸力。因此，抗静电涂层有助于透镜的清洁度和最终的光学透明度。

抗反射或AR涂层是施用在验眼透镜上的另一种类型的涂层。抗反射涂层减少了验眼透镜的前表面和/或后表面的反射，因此对生产具有改善的透光率、可见性和美观性的眼镜来说是理想的。典型地，这种抗反射涂层应用为具有不同折射率的不同材料一系列的层。这个层的系统通常称为“堆叠”。

抗反射涂层通常通过例如溅射涂覆系统和机器的物理气相沉积技术和机器施加到光学表面。使用溅射涂覆机的一个缺点是，由于机器内的物理限制，溅射涂覆系统关于在系统使用的不同靶的数量方面受限，即限制在在涂覆系统中可以同时应用的不同的材料数量中。例如，溅射涂覆机通常仅使用两种不同的靶，并因此溅射一次只能涂覆两种不同的材料；一种是高折射率电介质的材料，另一种是低或中折射率电介质的材料。因此，传统的溅射涂覆机可能不能溅射涂覆所需的高折射率和低折射率材料，以及用于向透镜提供抗静电性能的导电材料。

为形成赋予抗静电和抗反射特性的涂层，开发了溅射涂覆的应用，且该溅射涂覆应用中使用了作为在溅射涂覆系统的两种靶材中的一种的高折射率透明导电氧化物，例如氧化铟锡、ITO和氧化锡，从而将这些氧化物并入到抗反射涂层堆叠中。No.6,852,406号美国专利中讨论了这些应用并通过引用将这些应用的全部内容并入本文。然而，对于许多的涂覆应用，ITO靶材价格昂贵且易出现例如热致开裂的问题。热致开裂不利地限制了可获得的功效，因此在溅射涂覆系统中使用ITO靶材时限制了沉积速率和循环时间。而且，适合相对小调剂室环境的小型或小规模溅射涂覆机被限于高折射率和低折射率材料的一或两个靶。由于上述提及的成本和脆性原因，使用ITO作为高折射率材料不可取。此外，其他高折射率材料例如二氧化锆和二氧化钛在折射率和低吸收率方面提供更好的性能。对于透镜制造商和眼镜生产商而言，这些缺点给有成本效益地生产同时具有抗静电和抗反射性能的透镜带来了经济上和实操上的问题。

本领域中需要的是赋予光学表面抗静电和抗反射两种性能的涂覆系统和方法，同时使所需的不同涂覆材料的数量和/或使用昂贵且易出问题的例如氧化铟锡的透明导电氧化物的必要性最小化。

发明内容

本发明提供赋予光学表面抗静电和抗反射两种性能的涂覆系统和方法，同时使所需的不同靶材的数量和/或使用昂贵且易出问题的透明导电氧化物靶材的必要性最小化。这些目的通过提供一种涂覆系统来部分地实现，且该涂覆系统包含低、中和/或高折射率氧化物材料交替层以及用来形成低、中和/或高抗折射率氧化物材料的交替层的导电且基本上是非氧化形式的相同靶材的一个或多个层。例如，根据本发明的抗反射抗静电光学涂层，包括第一材料的氧化物形式和第二材料的氧化物形式的多层交替层；以及由第一材料或第二材料形成的导电层。这些目的进一步通过操纵涂覆系统的低、中和/或高抗反射率氧化物材料交替层的下方、上方或交替层中的这种导电且基本上为非氧化物且不透明的层的厚度和/或数量来部分地实现。

这些目的通过提供一种抗反射抗静电的光学透镜来进一步部分地实现，且该光学透镜包括：光学基板；施加在光学基板表面上的多层第一材料的氧化物形式；施加在光学基板表面上的多层第二材料的氧化物形式，介于第一材料的氧化物形式的多个层之间的多个第二材料的氧化物形式的层中的至少一个；以及施加在光学基板表面的第一材料的导电层。

这些目的通过提供一种形成抗反射抗静电的涂层来进一步部分地实现，且该抗反射抗静电涂层包括形成第一材料的氧化物形式和第二材料的氧化物形式的多层交替层、以及在多层交替层的其中一层的表面上形成第一材料的导电层。

附图说明

本发明实施例的这些和其他方面、特征和有益效果，通过本发明的下面参考了附图的实施例的描述中能够更明显和得到阐明，其中：

图1是本发明的一个实施例的使用涂层的光学制品的剖视图。

图2是本发明的一个实施例的使用涂层的光学制品的剖视图。

图3是本发明的一个实施例的使用涂层的光学制品的剖视图。

图4是本发明的一个实施例的使用涂层的光学制品的剖视图。

图5是本发明的一个实施例的使用涂层的光学制品的剖视图。

图6是本发明的一个实施例的使用涂层的光学制品的剖视图。

图7是本发明的一个实施例的涂层的功效表格。

图8是本发明的一个实施例的涂覆后的透镜的反射曲线的曲线图。

具体实施方式

现在将参考附图描述本发明的具体实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实现，且不应该解释为限于本文所阐述的实施例；而是提供这些实施例来完全彻底和完整地公开本发明，且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。结合附图示例的实施例的详细描述中所用的术语非旨在限制本发明。在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。

广义地说，本发明提供涂覆系统和方法，在光学表面同时赋予抗静电和抗反射性能，同时使所需的不同靶材的数量和/或使用昂贵且易出问题的透明导电氧化物靶材的必要性最小化。这些目的通过提供一种涂覆系统来部分地实现，且该涂覆系统包括低、中和/或高折射率氧化物材料的交替层和用来形成低、中和/或高折射率氧化物材料的交替层的导电且基本上是非氧化形式的相同靶材一个或多个的层。这些目的进一步通过操纵涂覆系统的低、中和/或高抗反射率氧化物材料交替层的下方、上方或交替层中的导电且基本上为非氧化物的层的厚度和/或数量来部分地实现。

在一些实施例中，本发明的涂覆系统部分地通过使用低、中和高折射率材料的交替的透明层赋予抗反射性能。在这方面，高折射率是指针对参考波长的折射率约大于1.9，参考波长例如约为550纳米。低折射率指针对参考波长的折射率约小于1.5，参考波长例如约为550纳米。中折射率指折射率针对参考波长的折射率约在1.5至1.9之间，参考波长例如约为550纳米。低折射率材料包括例如二氧化硅。中折射率材料包括例如氮氧化硅或氧化铝，而高折射率材料包括例如二氧化钛、五氧化二钽和二氧化锆。

根据本发明的一些实施例，如图1所示，透镜或光学制品10具有赋予抗反射性能的涂层，即抗反射堆叠。为清楚起见，本文将从底层往上描述公开的涂层或堆叠。也就是说将从堆叠的第一层或底层开始描述涂层或堆叠的各个层，且堆叠的第一层或底层直接施加在光学基板上并按顺序施加堆叠的每个后续层。以这种方式，涂层或堆叠的“顶层”是在涂覆过程中施加相关涂层或堆叠的最后一层。

本发明的抗反射堆叠具有例如直接施加到光学基板12表面的粘胶层14。第一高折射率层16直接施加到粘胶层14的顶部。第一低折射率层18直接施加到第一高折射率层16的顶部。第二高折射率层20直接施加到第一低折射率18的顶部，第二低折射率层22直接施加到第二高折射率层20的顶部。粘胶层14是由例如氧化硅SiO

第一高折射率层16是由例如二氧化锆形成，并具有约为5至15纳米的厚度，例如13纳米的厚度。第一低折射率层18是由例如二氧化硅形成，并具有约为20至40纳米的厚度，例如30.2纳米的厚度。第二高折射率层20是由例如二氧化锆形成，并具有约100至150纳米的厚度，例如121.5纳米的厚度。第二低折射率层22是由例如二氧化硅形成，并具有约为60至100纳米的厚度，例如81.7纳米的厚度。

应当理解上述的堆叠仅是本发明的抗反射堆叠的一个实例，可以在本发明的范围内预见层数量的变化、不同层的个体厚度和形成不同层的各种材料。此外，透镜10还可以采用附加功能的涂层和施加在抗反射堆叠顶部的处理，例如是易清洁和/或疏水涂层。在本发明的一些实施例中，涂覆堆叠中的粘胶层14可以省去。

对于眼科应用，在一些实施例中，单独的疏水或防污层或涂层可以施加到上述的低、中和高折射率材料的交替层的顶部。该疏水或防污层或涂层更容易清理和维护验眼透镜。对于溅射涂覆的膜，疏水或抗污层或涂层典型地通过实现涂层的低表面能的浸镀法来涂覆，即实现大于100度的水接触角。这些疏水或防污层或涂层具有大约5到10纳米范围内的厚度。

根据本发明，为在透镜或光学制品10上实现理想的抗静电性能，上述的抗反射堆叠中包括一个或多个导电层。该一个或多个导电层可以由诸如硅的不透明准金属半导体材料或诸如锆的过渡金属材料形成。如果使用了多个导电层，各个导电层可以由相同或不同的材料形成。在本发明中，这些额外的导电层有利地衍生自用于形成上述抗反射堆叠的不同电介质层的相同的靶材。

例如，在一些实施例中，采用硅靶或硅掺杂靶在涂层堆叠中形成低折射率二氧化硅层，以及在涂层的低、中和高折射率层的下面、里面和/或顶部沉积一个或多个导电硅层(electrically conductive silicon layer sunder)。在一些实施例中，使用锆靶或锆合金靶在涂层堆叠中形成高折射率二氧化锆层，以及在涂层的低、中和高折射率层下面、里面或顶部沉积一个或多个导电锆层(electrically conductive zirconium layer sunder)。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，操纵粘胶层14的厚度如图1所示，例如增加厚度以形成具有理想程度的导电性的粘胶层24。该导电粘胶层24由例如在涂覆过程中被部分氧化、但保持足够金属相来提供必要的到导电性能的硅或锆形成。导电粘胶层24具有约2至12纳米或约4至9纳米的厚度。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，导电层26形成于粘胶层14的顶部并在第一高折射率层16的下面。在该实施例中，粘胶层14和导电层26可以由相同的靶材或不同的靶材形成。例如，粘胶层14可以由氧化硅SiO

在本发明的一个实施例中，如图4所示，导电层26形成于第一低折射率层18的顶部并在第二高折射率层20的下方。该导电层26具有例如约2至12纳米或约4至9纳米的厚度。导电层26可以由例如硅或锆形成。

在本发明的一个实施例中，如图5所示，导电层26形成于第二高折射率层20的顶部并位于第二低折射率层22的下面。该导电层26具有例如约2至12纳米或约4至9纳米的厚度。该导电层26可以由例如硅或锆形成。

在本发明的一个实施例中，如图6所示，导电层26形成于低、中和高折射率层的交替层的顶部，例如在第二低折射率层22的顶部。该导电层26具有例如与2至12纳米或约4至9纳米的厚度。该导电层26可以由例如硅或锆形成。

上述导电粘胶层24和/或导电层26的厚度足以提供足够的导电性，同时足够薄来提供足够的透光率。依据应用和产品设计，该透光率可以大于85％且优选高于95％。例如，测试表明，厚度小于1纳米的硅层不能提供足够的导电性；厚度接近、大约或基本上在3纳米的硅层提供足够的导电性和透光率；而厚度大于10纳米的硅层提供足够的导电性但会导致验眼透镜的清晰应用的透射率大幅度降低。1至10纳米范围内的具体厚度取决于堆叠设计和所需的透光率。

在一些实施例中，单个涂覆系统中使用多个导电层。例如，本发明的涂覆系统中使用了多个导电层26。多个导电层26中的每个导电层26分别施加在低、中和高折射率层的交替层的底部、之间和/或顶部。可替换地，本发明的涂层可以使用导电粘胶层24与一个或多个导电层26结合。

在一些实施例中，为了实现本发明的抗反射抗静电涂层所需的透光率、反射率、吸光度、颜色和/或导电率，使用了上述的导电层或多个导电层，其中操纵低、中和高折射率材料的交替介电层的不同厚度和/或数量。

在一些实施例中，在低、中和/或高折射率氧化物材料或导电粘合剂层24之间设置的不是单个导电层26，而是使用了多层导电层26和/或导电粘胶层24。在这样的实施例中，可以实现穿透涂层的最大透射比大于单层等效电导可能实现最大透射比。

本发明人发现随着吸收导电层厚度的增加，由该导电层赋予的抗静电性能也增加且透光导电层的光减少。因此，在本发明的涂覆系统的特定的实施例中，单层导电层具有约1至10纳米范围内的厚度。导电层的厚度在小于1纳米的情况下，抗静电性能降低，而厚度在大于10纳米的情况下，涂覆系统的透射比降到不理想的水平。

在本发明的一些实施例中，涂层的光学、静态耗散和鲁棒性通过在本发明的涂覆系统中插入附加的导电层来改善。例如，附加的导电层可以插入至涂层堆叠内，以提供增加的电导和/或改变涂层的例如耐磨性的性能和改善在湿气中降格的性能。

例如，在本发明的一个实施例的涂覆方法中，使用占地面积小并适用于在小调剂处理室的溅射工具为塑料透镜进行涂覆。这种溅射系统的方面在受让人的美国公开号2014/0174912号中详细描述，该美国专利公开全部内容通过引用并入本文。这种机器的相对占地面积小，限制了溅射靶或材料的数量在最多两个。靶由金属型材料形成，且在处理过程中加入氧气以形成所需的低、中和/或高折射率氧化物材料的透明介电层。一种靶是用于从暴露于氧气的硅靶形成低折射率材料，例如二氧化硅。另一种靶是用于从暴露于氧气的锆靶形成高折射率材料，例如二氧化锆。系统中的等离子体源提供活化的氧等离子体以帮助形成无吸收氧化物层。

溅射过程开始时，待涂覆的透镜转移至涂覆室中。在选定的压力下，通常低于5x10

低和高折射率材料以足以实现期望的循环时间的功率来沉积，同时不引起意外的透镜加热。对于直径约为6英寸的靶来说，典型的功率水平为1458瓦。对于用硅靶来形成二氧化硅膜，向在接近250电压下运行300毫安放电电流的等离子体源加入16SCCM的氧气。氩气以10SCCM的流率供应给溅射头。结果是获得能使用与大多数塑料透镜兼容的工艺的高品质透明二氧化硅膜。对于用锆靶来制备二氧化锆膜，向在接近250电压下运行300毫安放电电流的等离子体源加入20SCCM的氧。氩气以20SCCM的流量供应给溅射头。结果是获得由大多数塑料透镜兼容的工艺形成的高品质透明二氧化锆膜。每层的厚度通过如本领域的技术人员所理解的涂层设计来设定。这些厚度将根据所需的设计而改变，且层的数量可以变化，典型地在4到7之间，且总的涂层厚度在200至500纳米之间。上述工艺条件提供仅供参考的实施例，且可以根据所使用的材料、所需膜的性能和使用的涂覆机而变化。

在一些实施例中，通过控制在形成涂层的系统中使用的沉积条件来形成并优化针对特定应用的本发明的涂覆系统。例如，改变每种不同的靶材的沉积条件以实现所得的涂覆系统理想的反射率、透光率、吸光度和抗静电性能。

应当理解，不同的溅射技术和机器的沉积条件或参数是众多的，且有意义的沉积参数和/或数字通常仅能提供给一个给定的沉积系统或机器。因此，对于任何给定的系统，技术人员将理解有必要根据使用的沉积机器的特定沉积条件来确定涂层的所需性能的变化。可以将从一台机器改为下一台机器的系统参数包括：沉积室的几何结构、靶尺寸、施加到靶的功率、目标电压、基板与靶之间的距离、靶组份、气体流率、抽气速率，总压力以及类似的参数。

在一些实施例中，本发明的涂层应用于光学基板和制品，例如验眼透镜、窗户、安全护目镜、护罩和太阳镜。本发明的涂覆系统应用于光学制品的前表面、后表面或前后表面。验眼透镜可以例如是完成的或未完成的透镜和/或单点或多焦点透镜。光学制品可以是由例如玻璃、结晶石英、熔融二氧化硅或钠钙硅酸盐玻璃形成。在替代实施例中，光学制品由适于铸造或注塑成型的塑料基体材料或树脂制成。例如，这些材料包括基于烯丙基二甘醇碳酸酯单体的聚合物(例如CR-39可以从PPG Industries,Inc.和SPECTRALITE与FINALITE Sola International Inc.获得)和聚碳酸酯(例如从General Electric Co.获得的LEXAN)。

这些光学制品可以是透明的或者可以采用直接混合到基体材料或树脂中的活性或静态着色基板。这些光学制品可以进一步采用涂层、层压板、薄膜插件和/或薄膜层压板形式的附加功能特性。这些膜、层压板或涂层的功能属性可以包括例如染色、着色、硬涂层、偏振、光致变色、电致变色、UV吸收、窄带过滤和易清洗。

实例

为评估本发明的效果，准备了6个对照样品透镜，每个对照样品透镜具有涂层，且该涂层由低、中和/或高折射率材料的交替介电层、但不使用导电层或导电粘结剂层形成。根据本发明的抗静电、抗反射涂层制备6个对照样品透镜，即用由低、中和/或高折射率材料的交替介电层形成的涂层和一个或多个导电层和/或导电粘胶层来制备。根据图1所示的设计形成对照样品透镜，且该对照样品透镜具有共4层的高折射率和低折射率材料。根据图2所示的设计形成测试样品透镜，且该测试样品透镜具有由锆制成的导电粘胶层。

针对每个样品获得的电压测量值(1)在用布摩擦样品透镜表面之前的测量值(Po)；(2)在用布摩擦样品透镜表面5秒后的测量值(Pmax)；和(3)用布摩擦样品透镜表面30秒后的测量值(P1)。样品的残留电压(ΔP)确定为用布摩擦样品透镜表面30秒后的测量电压(P1)和用摩擦样品透镜表面之前的测量电压(Po)之差，即ΔP＝P1-Po。图7显示了该研究结果。抗静电性能的测试根据COLTS光学实验室的SOP L-20-11-03来进行。

不使用导电层或导电粘胶层的对照样品透镜的平均残余电压大约为-4千伏。相反，本发明的使用一个或多个导电和/或导电粘胶层的测试样品透镜的表面的平均残余电压大约为-20伏。-20伏大概也是测试中的最小测量电压。该研究证明了由本发明的抗反射、抗静电涂覆系统赋予的抗静电性能的功效。

对照和测试样品透镜的代表性反射曲线如图8中所示。可以看出，导电粘胶层的增加对反射光谱的影响最小。在有和没有导电层的情况下，样品的透射比都超过95％。

虽然已经根据特定实施例和应用描述了本发明，但是本领域的技术人员根据这些教导，可以在不脱离所要求保护的范围或超出所要求的范围的情况下形成其他的实施例和改动。因此，应当理解以示例的方式提供此处的附图和说明书，以便于理解本发明，而不应该解释为限制其范围。