高折射率和低折射率涂层材料

介绍

折射率(RI或n)对于光波导和眼科装置等光学应用非常重要。基于其独特的折射率特性和良好的光学透明度,聚合物材料还可用作太阳能电池、显示器和隐形眼镜的抗反射涂层。1,2 出于对于机械强度、环境稳定性和易于加工的需求,聚合材料具有成为传统无机光学膜优良替代品的潜力。3 相比于无机材料,它还具有重量轻、对振动压力不敏感以及成本低等优点。

具有保护性和RI控制聚合物覆盖膜图像的显示器(例如LCD)示意图

图1. 具有保护性和RI控制聚合物覆盖膜图像的显示器(例如LCD)示意图

用于LCD显示器的抗反射涂层是使用聚合物RI控制技术的一个应用举例(图1)。PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)或TAC(三乙酰纤维素)膜通常用于保护现代多层LCD叠层的外层。PET和TAC是廉价的强聚合物,具有比空气(n = 1)大的折射率(n〜1.7)。投射到?n〜0.7突变界面上的大部分光束都会被反射。对于LCD而言,这会导致显示器表面反射大量的环境光,导致显示图像的眩光和失败。为了解决这个问题,可以将具有逐渐变化RI的光管理膜叠层用于LCD表面。该叠层由具有逐渐降低折射率的多个层组成,从与PET/TAC表面相邻的高折射率层到与空气接触的低折射率层。通过让显示器表面的折射率与空气的折射率相匹配,使得表面反射减少,从来实现更高的有效图像对比度和减少环境反射所带来的影响。

 

锆和铪丙烯酸酯单体

光管理叠层的折射率工程依靠使用不同的添加剂来对聚合物膜的折射率进行调整(提高或降低)。可提高折射率的添加剂包括金属氧化物纳米颗粒和含有高原子数(与碳原子数相比)的单体/聚合物。 Sigma-Aldrich最新推出的的锆和铪丙烯酸酯单体(表1)特别适用于控制丙烯酸酯膜的折射率,例如通常用于制作LCD显示器保护膜的氨基甲酸酯丙烯酸酯。这些具有固化丙烯酸酯膜的产品具有紫外稳定性,并具有:

  • 极佳的光透明度(>95%)
  • 良好的硬度和抗划痕特性(>2H铅笔硬度)
  • 通过功能性单体的选择对折射率进行调节(图2

Aldrich技术宣传册AL-238描述了采用锆和铪丙烯酸酯产品的示例实验流程。

 

表1. 多功能性锆和铪丙烯酸酯单体
 

货号 产品名称 结构 包装规格 加入购物车
686239 丙烯酸锆 686239 Structure Image 25 gm Shopping Cart
686247 锆羧乙基丙烯酸酯,60%在正丙醇中 686247 Structure Image 100 gm Shopping Cart
686220 铪羧乙基丙烯酸酯,60%在1-丁醇中 686220 Structure Image 25 gm Shopping Cart
686204 锆溴代降冰片烷内酯羧酸酯三丙烯酸酯(PRM30) 686204 Structure Image 25 gm Shopping Cart


 

完全固化丙烯酸酯膜的物理属性

图2. 完全固化丙烯酸酯膜的物理属性

 

高折射率和低折射率聚合物

除了多功能性的锆和铪丙烯酸酯,Sigma-Aldrich还提供一系列基于芳香族和溴化芳香族单体的高折射率聚合物(表2)以及基于氟化单体的低折射率材料(表3)。相关单体也可被提供并可以用于合成具有定制折射率的聚合物。用于图案加工或多层装置制造的紫外/热交联聚合物也被列举了出来。 这些表格按折射率顺序列出了相关产品,可用作光子学研究的材料选择工具。

 

表2. 高折射率材料
 

Name n4 Tg (°C)4 Homopolymer Photo Crosslinkable Polymer Monomer
聚(甲基丙烯酸五溴苯酯) 1.710 592064 591831,
591610
592439
聚(五溴苯基丙烯酸酯) 155 591521 591505,
591408
592552
聚(五溴苄基甲基丙烯酸酯) 1.710 640301 640298 640336
聚(五溴苄基丙烯酸酯) 1.670 180 640328 640263
聚(2,4,6-三溴苯基甲基丙烯酸酯) 1.660 640247 640255 640239
聚(乙烯基苯基硫酸酯) 1.657 113 640212 640220
聚(甲基丙烯酸1-萘基酯) 1.641 205 640190 640204
聚(2-乙烯基噻吩) 1.638 640182
聚(2,6-二氯苯乙烯) 1.625 167 639974 640174 D74509
聚(N-乙烯酞亚胺) 1.620 201 639982 349542
聚(2-氯苯乙烯) 1.610 103 640018 160679
聚(五氯苯基甲基丙烯酸酯) 1.608 640034

 

表3. 低折射率材料
 

名称 n4,5 Tg (°C)4,5 均聚合物 光交联聚合物 单体
聚(丙烯酸1,1,1,3,3,3-六氟异丙酯) 1.375 -23 630152 367656
聚(2,2,3,3,4,4,4-七氟丁基丙烯酸酯) 1.377 -30 630179 443751
聚(2,2,3,3,4,4,4-七氟丁基甲基丙烯酸酯) 1.383 65 591971 592102,
592099
444006
聚(2,2,3,3,3-五氟丙基丙烯酸酯) 1.389 -26 630136 470961
聚(1,1,1,3,3,3-六氟异丙基甲基丙烯酸酯) 1.390 56 591327 591548,
591432
367664
聚(2,2,3,4,4,4-六氟丁基丙烯酸酯) 1.394 -22 630160 474452
聚(2,2,3,4,4,4-六氟丁基甲基丙烯酸酯) 591645 591874,
591769
371971
聚(甲基丙烯酸2,2,3,3,3-五氟丙酯) 1.395 70 592080 590894,
591106
474193
聚(2,2,2-三氟乙基丙烯酸酯) 1.411 -10 630098 297720
聚(丙烯酸2,2,3,3-四氟丙酯) 1.415 -22 630144 371920
聚(甲基丙烯酸2,2,3,3-四氟丙酯) 1.417 68 591637 591211,
590991
371998
聚(2,2,2-三氟乙基甲基丙烯酸酯) 1.418 69 591963 591750,
591866
373761

 

参考文献

  1. Beercroft, L. L.; Ober, C. K. J.M.S.-Pure Appl. Chem. 1997, A34(4), 573.
  2. Nalwa, H. S., Ed. Polymer Optic Fibers, American Scientific Publishers, 2003. (Product No. Z552151)
  3. Prasad, P.; Williams, D. Introduction to Nonlinear Optical Effects in Molecules & Polymers, John Wiley & Sons, 1991.
  4. Brandrup, J. et al. Polymer Handbook, 4th ed.; John Wiley & Sons, 1999. (Product No. Z412473)
  5. Gaynor, J. et al. J. Appl. Polym. Sci. 1993, 50, 1645.