本發明涉及膜系統和形成膜系統的方法。

背景技術：

裝置，例如顯示器系統，通常被設計為被操作者觸摸。例如，車輛可以包括顯示系統經由觸摸屏向操作者提供信息。類似地，自動售貨機或售貨亭可以包括通過接觸啟用的顯示系統。

其他裝置，例如攝像頭和嚴禁，通常包括透鏡表面，其會不可避免在使用中被操作者觸摸。進一步地，其他裝置，例如車輛、窗子、反射鏡、器具、細木家具、家具、蜂窩電話、指紋掃描器、傳感器、復印機、醫療器具、和工作臺也會包括被操作者觸摸的一個或多個表面。因此，在使用期間，操作者會在這種裝置和表面上留下指紋和/或油。

技術實現要素：

一種膜系統，包括基體和設置在基體上的膜。膜包括用碳氟化合物形成的單層和設置在所述單層中的多個區域，使得多個區域每一個鄰接碳氟化合物且被碳氟化合物圍繞。多個區域每一個包括光催化材料。

一種形成膜系統的方法，包括將用碳氟化合物形成的單層沉積在基體上。沉積之后，方法包括燒蝕所述單層以在其中限定多個空腔。多個空腔每一個沿所述單層與多個空腔中鄰近的一個間隔開。燒蝕之后，方法包括將光催化材料嵌入到多個空腔每一個中，以在基體上形成膜且由此形成膜系統。膜包括多個區域，所述多個區域包括光催化材料且設置在所述單層中，使得多個區域每一個鄰接碳氟化合物且被碳氟化合物圍繞。

形成膜系統的方法包括在基體上同時用化學方法吸收碳氟化合物和功能化光催化材料，以形成化學地結合到基體的膜，且由此形成膜系統。膜包括用碳氟化合物形成的單層、和多個區域，所述多個區域每一個用功能化光催化材料形成且每一個設置在所述單層中，使得多個區域每一個鄰接碳氟化合物且被碳氟化合物圍繞。

在下文結合附圖進行的對實施本發明的較佳模式做出的詳盡描述中能容易地理解上述的本發明的特征和優點以及其他的特征和優點。

附圖說明

圖1是膜系統的正式示意圖；

圖2是沿截面線2-2截取的圖1的膜系統的截面示意圖；

圖3是圖2的膜系統的放大部分的俯視示意圖；

圖4是形成圖1-3膜系統的方法的一個實施例的流程圖；

圖5是圖4的方法的一些部分的示意圖；和

圖6是形成圖1-3的膜系統的方法的另一實施例的流程圖。

具體實施方式

參見附圖，其中相同的附圖標記表示相同的元件，膜系統10大致在圖1中示出。膜系統10可以適用于操作者會在屏幕、透鏡或表面上接觸并留下指紋、油和/或其他有機或碳基污染物或病原體的情況。更具體地，膜系統10可以用于需要干凈、基本上無指紋屏幕、透鏡或表面的情況。即，膜系統10可以用于從這種屏幕、透鏡或表面去除指紋和其他有機污染物。

例如，膜系統10可以用于汽車應用，例如導航系統中，其包括觸摸屏或具有透鏡的車輛攝像頭。替換地，膜系統10可以用于非汽車應用，例如但不限于，消費電子產品、蜂窩電話、眼部設備、個人保護性設備、器具、家具、信息亭、指紋掃描器、醫療裝置、傳感器、飛機和工業車輛。

現在參見圖2，膜系統10包括基體12。基體12可以用適用于折射可見光的玻璃、透明材料形成。例如，在一個實施例中，基體12可以用二氧化硅形成。在另一例子中，基體12可以用聚碳酸脂或其他塑料形成。如非限制性例子那樣，基體12可以配置為顯示系統的屏幕、眼睛或護目鏡的透鏡、頭盔的遮陽板、冰箱的表面、箱子的面、車輛的門板、信息亭觸摸屏或可以被操作者觸摸的任何其他表面或裝置。

膜系統10還包括設置在基體12上的膜14，例如以化學方法連結到如在下文詳述的基體12。膜14可以配置為覆蓋和保護基體12，使其不受指紋、油和有機污染物的影響。即，膜14可以配置為使得留在膜14上的指紋、油和有機污染物消失、消散或蒸發，以便保持能顯示清楚影像或反射影像的干凈基體12。

更具體地，如參考圖2所述，膜14可以具有第一表面16和與第一表面16相反且間隔開的第二表面18。第二表面18可以鄰接基體12，且第一表面16可以基本上不具有角鯊浠(squalene)、有機物質和/或其他具有脂肪酸的油。如在本文使用的，術語角鯊浠是指一種有機混合物，其具有30個碳原子且按照International Union of Pure and Applied Chemistry以以下名稱表示：(6E,10E,14E,18E)-2,6,10,15,19,23-hexamethyltetracosa-2,6,10,14,18,22-hexaene。通常，膜14特點可以是薄膜且可以具有例如10μm到150μm的厚度20。

基體12還具有鄰接第二表面18的近端表面22且與近端表面22相對間隔開的遠端表面24。因此，基體12和膜14配置為將可見光傳遞通過近端表面22、遠端表面24、第一表面16和第二表面18。基體12還具有連接近端表面22和遠端表面24的第一邊緣26，和與第一邊緣26相反且間隔開的第二邊緣28。

現在參見圖3和5，膜14包括用碳氟化合物形成的單分子層30。碳氟化合物可以是任何合適材料，例如但不限于碳氟化合物聚合物、有機硅氧烷、氟化有機硅氧烷和其組合。最佳如圖3所示，單分子層30可以形成膜14的大部分且特點可以是單分子層區域。如在本文使用的，術語“單分子層”是指具有單分子的厚度20(圖2)的層。即，單分子層30是一個分子厚且特點可以是薄層。

如圖3所示，膜14還包括設置在單分子層30中的多個區域32，使得多個區域32每一個被碳氟化合物鄰接和圍繞。即，多個區域32位于單分子層30中且沿著該單分子層30。在一個實施例中，多個區域32可以沿第一表面16彼此等距間隔開。在其他實施例中，多個區域32可以沿第一表面16在單分子層30中隨機間隔開。在其他實施例中，多個區域32可以在單分子層30中以一種樣式布置。多個區域32可以存在于膜14中且按照膜14的體積基于100份體積含約10份到約85份體積的量。

多個區域32每一個包括光催化材料，例如二氧化鈦。光催化材料可以提供具有自清理能力的膜14。即，光催化材料可以使得存在于膜14的第一表面16上的任何有機物質氧化和/或蒸發，例如角鯊浠，如在下文詳述的。具體說，光催化材料可以是在暴露至例如可見光或紫外光時被光激活的光催化劑。

合適的光催化材料可以但不限于包括光氧化半導體、半導電氧化物、摻雜金屬氧化物、異質結材料(heterojunction materials)和其組合。

在一個實施例中，光催化材料可以是二氧化鈦且可以以金紅石的形式存在于多個區域32中。替換地，光催化材料可以是二氧化鈦且可以以銳鈦礦的形式存在于多個區域32中，其可以比金紅石形式呈現相對更高的光催化活性。在其他實施例中，光催化材料可以是二氧化鈦且可以作為金紅石形式和銳鈦礦形式的組合而存在于多個區域32。進一步地，光催化材料可以被摻雜以形成功能化的光催化材料，例如功能化的二氧化鈦。例如，功能化的光催化材料可以摻雜有金屬，例如但不限于銀、鉻、鈷、銅、釩、鐵、銀、鉑、鉬、鑭、鈮、和其組合。替換地，功能化的光催化材料可以摻雜有非金屬，例如但不限于，氮、硫、碳、硼、鉀、碘、氟和其組合。

光催化材料特點可以是納米顆粒且可以具有在納米尺度上可測量的平均直徑。替換地，光催化材料特點可以是顆粒且可以具有在千分尺上可測量的平均直徑。通常，光催化材料可以存在于膜14中以且按照膜14的體積基于100份體積含約2份到約35份體積的量。

在其他非限制性實施例中，多個區域32可以包括半導電氧化物，例如但不限于，氧化鋅、鉍、二氧化錫和其組合。半導電氧化物可以被選擇為具有適用于光催化反應的環層間隙分離結構，如下所述。

再次參見圖3，膜14限定大于140°的與水的接觸角34例如，膜14可以限定大于或等于150°的與水的接觸角34。如此，水、油、和污染物會在第一表面16上有效地呈珠狀且平移經過第一表面16。換句話說，水、油和污染物沿第一表面16可動且有效地平移。

再次參見圖3，膜系統10可以進一步包括光源36，其設置為鄰近第一邊緣26且配置為用于發出電磁輻射。例如，光源36可以是紫外光發光二級管且電磁輻射可以具有400nm到100nm的波長。替換地，光源36可以是白熾燈泡或是可見發光二級管且電磁輻射可以具有740nm到380nm的波長。

現在參見圖4和5，大致示出了形成膜系統10的方法38。方法38包括在基體12上沉積(步驟40)碳氟化合物形成的單分子層30。作為非限制性的例子，沉積(步驟40)可以包括噴涂、軋制、涂層、浸漬、物理氣相沉積、化學氣相沉積、分子層沉積、原子層沉積和其組合。即，單分子層30可以以任何方式沉積在基體12上，使得單分子層30在化學和物理層面連結到基體12。例如，對于碳氟化合物是全氟有機硅氧烷(perfluoro-organosiloxane)且基體12用二氧化硅形成的實施例，碳氟化合物的每一個分子可以交聯到碳氟化合物的鄰近分子且隨單分子層30沉積在基體12上而可以在近端表面22(圖2)產生新的化學結合。

在沉積(步驟40)之后，方法38可以包括燒蝕(步驟42)單分子層30，以限定多個空腔44(圖5)，其中多個空腔44每一個沿單分子層30與多個空腔44中鄰近的一個間隔開。作為非限制性的例子，燒蝕(步驟42)可以包括激光燒蝕、等離子燒蝕、紫外燒蝕等。燒蝕(步驟42)可以沿近端表面22移除碳氟化合物單層30的幾個分子，以限定多個空腔44。通常，多個空腔44可以從膜14的第一表面16(圖2)延伸到膜14的第二表面18(圖2)。

在燒蝕(步驟42)之后，方法38可以包括將光催化材料嵌入(步驟46)多個空腔44每一個，以在基體12上形成膜14且由此形成膜系統10。因此，膜14包括多個區域32，所述多個區域32包括光催化材料且設置在單分子層30中，使得多個區域32每一個鄰接碳氟化合物且被碳氟化合物圍繞。嵌入(步驟46)可以包括植入或設置光催化材料到單分子層30中，使得光催化材料在多個區域32中形成立柱。例如，嵌入(步驟46)可以包括用掩膜48覆蓋單分子層30的一些部分(圖5)，使得光催化材料僅嵌入到多個空腔44中且不沉積到單分子層30的頂部。用于將光催化材料嵌入(步驟46)到多個空腔44以形成被單分子層30圍繞的多個區域32的合適過程包括但不限于，離子束沉積、原子層沉積、化學氣相沉積、物理氣相沉積、化學沉淀、電泳沉積、濺射、共濺射、離子注入、蒸發、共蒸發、和脈沖激光沉積。

在另一實施例中，方法138(圖6)包括在基體12上同時用化學方法吸收(步驟50)功能化光催化材料和碳氟化合物，以形成化學地結合到基體12的膜14且由此形成膜系統10。膜14由此包括用碳氟化合物形成的單分子層30，和多個區域32，所述多個區域32每一個用功能化光催化材料形成且每一個設置在單分子層30中，使得多個區域32每一個鄰接碳氟化合物且被碳氟化合物圍繞。即，碳氟化合物和功能化光催化材料可以沉積在基體12上，同時地被吸收到基體12上，且化學地結合到基體。基體12的近端表面22可以同時與碳氟化合物和功能化光催化材料進行化學反應，以形成膜14。

在嵌入(步驟46)或同時用化學方法吸收(步驟50)之后，膜14包括用光催化材料形成且沿第一表面16(圖2)彼此間隔開的多個區域32。這種區域32可以用于從膜14去除指紋，使得膜14呈現自清潔能力。

更具體地，再次參見圖4和6，方法38、138可以進一步包括用具有400nm到100nm波長的電磁輻射照射(步驟52)多個區域32，即用紫外光照射(步驟52)多個區域32。替換地，方法38、138可以包括用具有740nm到380nm波長的電磁輻射照射(步驟52)多個區域32，即用可見光照射(步驟52)多個區域32。即，光源36(圖2)可以被選擇為發出具有以波長的電磁輻射，所述波長被調節到光催化材料的能帶隙，開始被沉積為指紋的角鯊浠的光催化作用，如在下文詳述的。如在本文使用的，術語“能帶隙”是指光催化材料的價帶(valence band)中電子的最高允許能量水平和光催化材料的導帶(conduction band)中的最低允許能量水平之間的能量差。換句話說，能帶隙是指使得光催化材料導電所需的最小光量。

方法38、138可以進一步包括讓膜14和角鯊浠接觸(步驟54)。即，(步驟54)可以包括接觸碰膜14，使得操作者將指紋、角鯊浠、有機物質、和/或油沉積在第一表面16(圖2)上。油可以包括具有脂肪酸的油且可以隨操作者觸碰膜14而自然地合成和施加于膜14，或可以通過噴涂或涂層人工地施加到膜14。在角鯊浠和被暴露到光源36發出的電磁輻射的光催化材料之間的接觸可以開始光催化反應。更具體地，光催化材料可以是例如二氧化鈦這樣的光催化劑。光催化反應可以在光催化劑(即光催化材料)、電磁輻射(例如紫外光)、和水(例如來自周圍環境的濕度)的存在下形成強氧化劑并將有機物質，例如角鯊浠，分解為二氧化碳和水。如此，光催化材料不被催化反作用消耗，但是相反可以作為非反應物僅加速光催化反應。

更具體地，在具有期望波長的電磁輻射照亮光催化材料時，來自光催化材料的價帶的電子可以被躍升到光催化材料的導帶，其又可以在價帶中形成孔和在導帶中形成過多的負電荷和電子。孔可以有助于氧化且電子可以有助于還原。通常，孔可以與水結合以生產羥基(·OH)。孔還可以直接與角鯊浠或其他有機物質反應以增加膜14的總體自清潔效率。類似地，圍繞光催化材料的周圍環境的氧氣可以被電子還原以形成超氧離子(·O₂^-)，其又可以使得存在于膜14上的有機物質氧化。因此，方法38、138可以包括使得角鯊浠氧化(步驟56)。

此外，孔在與電子復合之前被變為被捕獲狀態。對于這種情況，光催化材料可以被功能化。例如，方法可以包括例如用鈀或釕來摻雜二氧化鈦。鈀或釕可以用作電催化劑且可以增加電子向氧分子的轉移，這有可以降低電子和孔再次結合的發生。

進一步地，在單分子層30處存在于膜14上而不是直接接觸多個區域32的有機物質可以與第一表面16(圖2)處于動態平衡且可以朝向膜14上的相對更高的能量位置擴散，即多個區域32。因此，方法38、138還可以包括將角鯊浠沿膜14從單分子層30擴散(步驟58)到多個區域32中的至少一個。為了改善這種擴散，光源36可以被調節為發射具有被調節到角鯊浠和碳氟化合物振動共振的波長的電磁輻射。這種調節可以使角鯊浠或指紋沿單分子層30蠕動或平移到多個區域32，在該多個區域32中角鯊浠可以經歷如上所述的光催化反應。替換地或另外地，膜14還可以被例如紅外輻射加熱，以進一步改善經單分子層30朝向多個區域32的擴散。

如此，方法38、138可以進一步包括使得角鯊浠蒸發(步驟60)。更具體地，一旦角鯊浠在多個區域32處接觸光催化材料，則角鯊浠可以被光分解為相對低蒸汽壓力大小的部分，其可蒸發離開膜14且由此將指紋或角鯊浠從膜14移除。因此，膜系統10特點可以是自清潔的。即，膜14可以通過去除(例如氧化(步驟56)和蒸發(步驟60))因操作者的觸碰帶來的指紋、角鯊浠、油、和/或有機物質而保護基體12。因此，膜系統10和方法38、138可以為顯示系統、透鏡、傳感器和表面提供良好的美感、情節性和可讀性。

盡管已經對執行本發明的較佳模式進行了詳盡的描述，但是本領域技術人員可得知在所附的權利要求的范圍內的用來實施本發明的許多替換設計和實施例。

相關申請的交叉引用

本申請要求于2015年8月31日遞交的美國臨時專利申請NO.62/212,127的權益，該申請通過引用全部合并于此。