Разработка Scratch-резистентных покрытий для камер смартфонов

Разработка Scratch-Resistant покрытий для камер смартфонов

Камеры смартфонов превратились из функции удобства в основной инструмент для захвата жизненных моментов, позволяя профессионально-классную фотографию, видеозвонки и приложения дополненной реальности. Линза, как первый оптический элемент, напрямую влияет на качество изображения. Однако повседневное использование подвергает эти линзы постоянному истиранию из карманов, ключей и чистящих тканей. Скрачки рассеивают свет, уменьшают контраст и производят вспышку, ухудшая пользовательский опыт. Это привело к интенсивным исследованиям покрышек, которые сохраняют оптическую четкость, выдерживая механический износ. Область сочетает в себе материаловедение, тонкопленочное проектирование и оптический дизайн для удовлетворения потребностей современных мобильных устройств.

Современные смартфоны используют стеклянные или сапфировые крышки над модулем камеры, но даже самые жесткие стекла могут быть поцарапаны материалами с более высокой твердостью Mohs, такими как частицы песка или пыли, содержащие кварц (твердость 7). Царапина, такая же тонкая, как несколько микрометров, может значительно повлиять на функцию передачи модуляции (MTF). Таким образом, надежное покрытие не только защищает от царапин, но и сохраняет антибликовые и гидрофобные свойства, которые теперь стандартны для объективов премиум-камер. В этой статье рассматриваются ключевые материалы, технологии применения, текущие проблемы и будущие направления в разработке устойчивых к царапинам покрытий для камер смартфонов.

Важность скретч-резистентных покрытий

Вскрытия на объективе камеры смартфона - это больше, чем косметические дефекты. Они вводят оптические аберрации: свет, поражающий край царапины, преломляется и рассеивается, уменьшая резкость изображения и увеличивая вспышку линз. В условиях низкой освещенности рассеянный свет может создавать нежелательную дымку. Более того, глубокие царапины могут улавливать грязь и влагу, что приводит к дальнейшей деградации. С тенденцией к более крупным выпуклым камерам и нескольким линзам площадь открытой поверхности увеличилась, что делает покрытия еще более критичными.

Помимо оптической производительности, сопротивление царапинам влияет на срок службы устройства и удовлетворенность пользователей. Поцарапанный объектив часто заставляет пользователей заменять все устройство или платить за дорогостоящий ремонт модулей камеры. Производители отреагировали, инвестируя в покрытия, которые продлевают срок службы оптики. Например, многие флагманские телефоны теперь рекламируют покрытия для линз «сапфирового хрусталя» или покрытия «Алмазный щит». Эти разработки подчеркивают коммерческую важность устойчивости к царапинам на высококонкурентном рынке.

Оптические и механические требования

Идеальное покрытие, устойчивое к царапинам, должно уравновешивать твердость с прозрачностью. Твердые материалы, такие как алмазоподобный углерод (DLC), обеспечивают отличную устойчивость к царапинам, но могут вводить цветовые оттенки или поглощение, если они не точно спроектированы. Покрытие также должно сильно прилипать к подложке и выдерживать тепловое циклическое воздействие, влажность и химическое воздействие от кожных масел или чистящих средств. Кроме того, покрытие не должно мешать антибликовому (AR) стеку, который обычно применяется к объективам камеры для уменьшения отражений и улучшения передачи света. Современные покрытия часто объединяют несколько слоев для достижения как устойчивости к царапинам, так и производительности AR.

Материалы, используемые при разработке покрытий

Исследователи и производители изучили широкий спектр материалов для создания эффективных покрытий, устойчивых к царапинам. Каждый материал предлагает уникальный баланс твердости, прозрачности, гибкости и стоимости. Ниже приведены наиболее перспективные категории, с последними достижениями и примерами.

Покрытия на полимерной основе

Это тонкие слои прочных пластмасс, такие как полиуретановые, акриловые или силиконовые твердые покрытия. Полимерные покрытия относительно недороги и могут применяться методами окунания или распыления. Они обеспечивают хорошую ударопрочность и гибкость, что делает их пригодными для поверхностей изогнутых линз. Однако их твердость ограничена по сравнению с неорганическими альтернативами. Для повышения производительности полимерные покрытия часто усиливаются наночастицами, образуя нанокомпозиты. Например, добавление наночастиц кремнезема (SiO2) в полимерную матрицу может увеличить сопротивление царапин до 40% при сохранении прозрачности.

Углерод алмазного типа (DLC)

DLC представляет собой метастабильную форму углерода с высокой долей связей sp3, придающую ему твердость, приближающуюся к твердости природного алмаза (Hv 70-100 GPa). Покрытия DLC также предлагают низкие коэффициенты трения и химическую инертность. Они осаждаются посредством физического осаждения паров (PVD) или химического осаждения паров (CVD) и могут быть настроены путем регулирования содержания водорода или добавления других элементов, таких как кремний или азот. Для линз камеры смартфона тонкие пленки DLC (50-200 нм) обеспечивают отличную защиту от царапин с минимальным оптическим поглощением в видимом диапазоне. Однако покрытия DLC могут проявлять сжимающее напряжение и требуют совместимого адгезионного слоя на стекле или сапфире.

Диоксид кремния (SiO2) и глинозем (Al2O3)

Диоксид кремния является наиболее распространенным оптическим материалом покрытия из-за его твердости, прозрачности от ультрафиолетового до инфракрасного и низкой стоимости. Слои SiO2 часто используются в качестве верхнего слоя в многослойных AR-покрытиях. Путем оптимизации параметров осаждения (например, осаждения с помощью ионов) твердость пленок SiO2 может приближаться к твердости слитого кремнезема. Алюминий (Al2O3) обеспечивает еще большую твердость и используется в приложениях, требующих чрезвычайной долговечности. Оба материала могут осаждаться через процессы PVD, CVD или sol-gel. Задача заключается в балансировке толщины: более толстые покрытия обеспечивают большую устойчивость к царапинам, но могут вводить напряжение или уменьшать передачу света.

Нанокомпозитные и многослойные структуры

Комбинирование твердых неорганических наночастиц с гибкой полимерной матрицей дает композитные покрытия с повышенной устойчивостью к царапинам без ущерба для гибкости. Например, добавление наночастиц цирконии (ZrO2) или титании (TiO2) улучшает механические свойства при сохранении оптической ясности. Другой подход использует чередующиеся слои твердых и мягких материалов для остановки распространения трещин. Примечательным примером является «жесткое покрытие», используемое на Corning Gorilla Glass DX + для модулей камеры, которое включает многослойную стопку оксидов металлов и DLC, которая обеспечивает как устойчивость к царапинам, так и антирефлексию.

Технологии нанесения покрытий

Производительность скретч-стойкого покрытия зависит не только от выбора материала, но и от процесса осаждения.Однородная толщина, сильная адгезия и минимальные пинхолы имеют решающее значение для оптических и механических характеристик. В промышленности чаще всего используются следующие методы.

Физическое осаждение паров (PVD)

ПВД предполагает испарение или распыление твердого материала в вакуумной камере и конденсацию его на поверхность линзы. Напыление, особенно напыление магнетроном, широко используется для нанесения DLC, SiO2 и оксидов металлов. Оно обеспечивает точный контроль толщины и состава, позволяя многослойные стеки. Ионное осаждение (IAD) дополнительно уплотняет покрытие, улучшая твердость и адгезию. Процессы ПВД хорошо налажены и масштабируемы, но высокий вакуум и сложное оборудование увеличивают стоимость.

Химическое осаждение паров (CVD)

CVD полагается на химические реакции газов-предшественников на нагретой подложке для формирования твердой пленки. Усиленное плазмой CVD (PECVD) работает при более низких температурах и часто используется для нанесения покрытий DLC и SiOx на полимерные подложки. Пленки CVD могут быть очень конформными, равномерно покрывая изогнутые поверхности. Однако высокие температуры (300-600°C для стандартного CVD) могут быть проблематичными для чувствительных к температуре компонентов смартфона. PECVD смягчил эту проблему и теперь распространен в производстве.

Процессы Sol-Gel

Покрытие сол-гелем включает применение жидкого раствора-предшественника (обычно металлического алкида), который подвергается гидролизу и конденсации, для образования геля, который затем отверждается в твердую оксидную пленку. Этот метод является недорогим, совместимым с покрытием для окунания, спиновым покрытием или распылением, и позволяет включать органические группы для гибкости. Покрытия кремнезема сол-геля используются во многих потребительских электрониках для защиты от царапин. Основными недостатками являются усадка во время отверждения и потенциал для микротрещин. Последние достижения в УФ-отверждаемых системах соляного геля улучшили надежность.

Атомное осаждение слоя (ALD)

ALD - это тонкопленочная техника, которая наносит конформные слои с атомной точностью путем чередования экспозиций газов-предшественников. Она идеально подходит для нанесения ультратонких (5-20 нм) покрытий Al2O3 или HfO2, которые значительно улучшают сопротивление царапинам, не влияя на оптическую производительность. Пленки ALD не имеют пинхолов и могут покрывать сложные 3D-формы. В то время как исторически медленные и дорогие, пакетные системы ALD все чаще используются в производстве камер смартфонов для одновременного покрытия нескольких линз, что делает процесс экономичным.

Тестирование и характеристика сопротивления скрещению

Для обеспечения соответствия покрытий промышленным стандартам используется несколько стандартизированных испытаний. Наиболее распространенным является тест Taber Abraser ], в котором абразивное колесо вращается по поверхности покрытия при фиксированной нагрузке, и измеряется потеря веса или увеличение дымки. Для оптической ясности тест на твердость карандаша (ASTM D3363) использует карандаши различной твердости для определения сопротивления покрытия царапинам. Наноидентирование непосредственно измеряет твердость и модуль Янга в микроскопическом масштабе, коррелируя с сопротивлением царапин. Кроме того, тесты на сцепление (например, тест на сцепление с лентой, поперечный тест) обеспечивают, чтобы покрытие не деламинатировалось.