采用接觸角及潤濕性包絡圖法建立手機屏和手機膜的AF涂層防指紋評估體系

隨著觸摸液晶屏的應用越來越廣泛，手機屏及手機膜的防指紋的需求越來越高，如何在使用過程中不被指紋污染、其透光性成為行業(yè)中亟需解決的技術問題。以來，評估防指紋效果的方法過于單一、簡單造成了行業(yè)無統(tǒng)一標準，無法有效的評估防指紋效果。本文重新構建了一個新的手機屏或手機膜的防指紋效果評估體系。主要的測試方法包括：采用基于ADSA－RealDrop接觸角測試算法，通過測試蒸餾水和二碘甲烷兩種液體在干凈和不干凈（用手指在樣品表面滑動50次）經過AFCoating的手機膜或手機屏并對比測試結果；通過測試耐受性處理前后采用同樣兩種液體接觸角的測試結果值。通過本文的評估體系，可以有效的評估防指紋效果，從而為本行業(yè)的技術提升提供科學依據(jù)。

關鍵詞：接觸角；潤濕包絡圖；防指紋；手機屏；手機膜

Contact angle, wetting envelope, ADSA-RealDrop，anti-fingerprint, mobile screen panel, Screen protector

 

隨著觸摸液晶屏的應用越來越廣泛，手機屏及手機膜的防指紋的需求越來越高。屏幕上的指紋造成的油污以及隨之而來的細菌問題、明顯影響到的屏幕透光率等困擾著廣大用戶，使得觸摸屏的使用體驗質量下降。因而，如何在使用過程中不被指紋污染、其透光性成為行業(yè)中亟需解決的技術問題。特別近年來，隨著超疏水仿生材料研發(fā)的進一步發(fā)展，目前已經實現(xiàn)了的150°以上超疏水接觸角的屏幕玻璃，為手機屏及手機膜的防指紋效果的提升提供了為有力的技術保障。[1] 但是，目前用于評估防指紋效果的評估體系僅僅建立在水滴接觸角和摩擦試驗后的接觸角對比的方法上，所采用的接觸角算法大多為精度不高的圓擬合法或橢圓擬合法，評估體系過于簡單。從實際效果來看，無論是手機屏還是手機膜，絕大部分與手指接觸到的部分均無法有效的防止指紋在其表面的形成并粘附。AF涂層（AF Coating）技術防指紋效果的形勢不容樂觀。雖有部分實驗人員[2、3]提出采用食用油或十六烷的方法測試疏油性，但是，其測試“油”接觸角值均在70－80°左右，無法達到疏水效果，進而實現(xiàn)雙疏目標（疏水、疏油）。部分科研人員試圖采用新配制探針液體的方式，建立一個評估防指紋效果的體系，提出按他們配件的探針液體，接觸角值大于87°即實現(xiàn)了防指紋。[4]]但是，這樣的體系的建立需要專門配制探針液體，實現(xiàn)標準化作業(yè)的難度較大，也不利于有效的推廣。對于手機屏或手機膜而言，通常要實現(xiàn)防指紋效果，其接觸角值應達到或大于120°。此時，接觸角測試算法采用圓擬合或橢圓擬合根本無法實現(xiàn)的接觸角值測試。[5]因而，建立一個有效的評估手機屏及手機膜的防指紋效果的評估體系及測試標準已經成為了行業(yè)亟需解決的重點問題。本文通過接觸角測量儀的測試技術，找到一個更為、操作方便的接觸角測量方法，力圖建立一個防指紋效果的評估中接觸角測試的標準評估體系，力圖真正實現(xiàn)防指紋效果進而實現(xiàn)提升觸摸屏的用戶體驗的目的。

 

目前，被廣為采用的評估手機屏或手機膜防指紋效果的體系或測試標準為三星公司早提出的水接觸角值信賴性測試基準，即測試被測手機屏的水接觸角初始值以及耐受處理之后的變化接觸角值的標準。具體要求為，清潔時初始的水滴接觸角值為115°±5；通過耐受處理后，其變化值：初始值±15°或10°。具體相關要求如下表所示：   

表1：現(xiàn)有的手機屏防指紋評估信賴性測試標準要求內容

 

部分防指紋油生產廠提供的防指紋油產品的說明書中，提出了拒水性－純水接觸角為110－115°、拒油性－n-十六烷接觸角為64－70°，以及耐久次數(shù)達10000次；或油酸的接觸角值為74°。但是，疏油效果評估并為正式被列入手機屏或手機膜的評估體系中。

     這樣的防指紋效果的評估標準體系存在如下問題：

    （1）評估體系并未考慮疏油性與疏水性的統(tǒng)一結合。

    人數(shù)的指紋因人體不同而會出現(xiàn)不同的油性程度，且不同的使用環(huán)境，不同的溫度，不同的環(huán)境污染（灰塵，PM2.5等）均會對手機屏的防指紋效果造成影響。因而，必須考慮疏水與疏油“雙疏效果”的評估，方可對整體的防指紋效果進行而有效的評估。

（2）評估體系中采用水接觸角值來判斷手機屏是否具有防指紋效果，達不到評估防指紋的評估目的。

水滴的接觸角大小僅表征了手機屏或手機膜的極性組份的能量大小。對于超疏水材料而言，水滴接觸角大于110°而小于140°是無法實現(xiàn)真正的疏水的自清潔目標的，更談不上疏油這樣的防指紋效果的。

（3）測試標準中主要強調了耐受性實驗中水接觸角的要求值，而忽視初始接觸角值是否能夠有效的實現(xiàn)有效的防指紋效果評估。

事實上，初始的疏水、疏油效果的接觸角值大小是決定手機屏、手機膜是否防指紋的基礎要求，是實現(xiàn)防指紋的步。通過實驗確認水和油的初始接觸角值后，再進行耐受實驗，確認變化值要求，才能使得評估體系更為科學和可據(jù)可依。

（4）對于探針水或油的采用及其體系的穩(wěn)定性方面，原有的標準可操作性比較差。

原有的標準中，采用了水接觸角、純水、正十六烷、食用油等各種探針液體，而水、純水、蒸餾水因其清凈程度不同，其表面張力值也會有變化，此時無法其測值的穩(wěn)定性、重復性以及精度。而食用油的穩(wěn)定性更無法，無法作用探針液體所采用。正十六烷的色散力值較低，無法體現(xiàn)油性組份的影響和作用程度。

 

樣品及試劑：3種具有防指紋AFCoating的手機膜，盲測；蒸餾水，曲臣氏；二碘甲烷，分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

儀器：接觸角測量儀，型號SL200KS型，美國科諾工業(yè)有限公司（USA KINO Industry Co., Ltd）。接觸角分析軟件，DSA1.92；接觸角分析軟件，DSA3，Version 1.71；接觸角分析軟件，SCA202，Version 3.61.6；超聲波清洗機，型號: JP-3800S，德力生。

測試手機膜之前，采用超聲波清機機將手機屏進行表面清潔處理10分鐘。完成后，使用烘箱將其烘干處理后待用。測試完成清潔的蒸餾水后，使用手指在手機膜表面進行摩擦50次以上后，再進行防指紋耐受后的接觸角測試試驗。

采用多進液器型式的接觸角測量儀SL200KS型，在注射泵分別吸入蒸餾水和二碘甲烷。測試樣品之前，對進液系統(tǒng)進行清潔度判斷。采用方法為：將蒸餾水吸入注射器中，在針頭下方形成一滴懸掛滴（Pendant drop），采用ADSA－P法測試蒸餾水的表面張力值。[5] 當所測試表面張力值與文獻值偏差小于0.3mN/m時，即視為注射系統(tǒng)是清潔的。本次測試接觸角前，測試溫度23℃時蒸餾水表面張力值，測試所得表面張力值為72.2mN/m，達到清潔度要求，可以獲得的重復性測試結果以及較好的接觸角值測試結果。

將蒸餾水及二碘甲烷滴到被測試手機膜的表面，形成一個水滴角。采用接觸角測量儀SL200KS分析軟件CAST3.0中基于ADSA－RealDrop算法的Young-Laplace擬合技術，測試個液滴位置的初始接觸角值。完成后，移動樣品臺，更換3個不同位置測試不同位置的初始接觸角值。在CAST3.0分析軟件中，采用不同的算法擬合分析前面所測試得到的圖像，進行數(shù)據(jù)對比分析。終，將所有的接觸角值（包括蒸餾水和二碘甲烷）和測試圖片導出。

在測試之前，使用手指在手機膜表面進行摩擦50次以上后，將蒸餾水及二碘甲烷滴到被測試手機膜的表面，形成一個水滴角。采用接觸角測量儀SL200KS分析軟件CAST3.0中基于ADSA－RealDrop算法的Young-Laplace擬合技術，測試個液滴位置的初始接觸角值。完成后，移動樣品臺，更換3個不同位置測試不同位置的初始接觸角值。在CAST3.0分析軟件中，采用不同的算法擬合分析前面所測試得到的圖像，進行數(shù)據(jù)對比分析。終，將所有的接觸角值（包括蒸餾水和二碘甲烷）和測試圖片導出。

按如上步驟實行盲測共計3種手機膜產品的接觸角值，并將終的測試結果均導出為BMP圖片以及EXCEL數(shù)據(jù)以備進行進一步的表面自由能計算以及數(shù)據(jù)分析。

采用接觸角測量儀SL200KS的接觸角分析軟件CAST3.0，并使用該軟件中的自帶液體數(shù)據(jù)庫，采用Owen-Wendt-Rabel-Kaelble法（OWRK法、二液法）對固體表面自由能進行分析。本次測試采用的探針液體為蒸餾水和二碘甲烷（Diiodomethane）。計算得到的各個樣品的表面自由能數(shù)據(jù)均記錄下來以備進一步進行固體表面潤濕包絡圖分析。

探針液體的參數(shù)如下所示：

表2：探針液體的參數(shù)表

 

采用接觸角測量儀SL200KS型的接觸角分析軟件CAST3.0中的潤濕性包絡圖分析功能，將如上2.3.4中所計算得到的固體表面自由能值及其分量值輸入到軟件的相關參數(shù)項后，并設置分析接觸角范圍為0－120°，分6段包絡圖進行分析，即每個包絡圖分析20°包絡范圍內的液體的色散力及極性力性質。

    將如上2.3.1－2.3.3中所述測試所導出得到的接觸角圖片，隨機選取蒸餾水測試初始接觸角值的圖片和手指指紋耐受處理后的圖片各1幅，采用DSA1.92，DSA3，SCA202三種不同的軟件，分別采用不同的算法進行數(shù)據(jù)對比分析，以終決定接觸角測試所擬采用的合理的測試方法。測試所用的算法包括了圓擬合法、橢圓擬合法、切線法、雙圓擬合法、Young-Laplace擬合法以及ADSA-RealDrop的Young-Laplace方程擬合法等。

 

通過對三種不同的手機膜的AF涂層的接觸角測試，我們可以看出：

（1）無論是水接觸角值還是二碘甲烷的接觸角值，其初始接觸角值與指紋耐受測試的數(shù)據(jù)對比中，三種手機膜均出現(xiàn)了明顯的接觸角值變化。蒸餾水的接觸角值前后變化值三種樣品分別為：14.776°、14.717°和16.298°。二碘甲烷的接觸角值前后變化值三種樣品分別為：15.137°、10.15°、3.3°。因而，，很明顯的通過實驗就可以分析得到，按目前的防指紋評估標準，樣品1可以符合要求，根本無法達到防指紋的效果；第二，雖然第三種樣品的二碘甲烷接觸角變化值只有3.3°，但是，其初始接觸角值僅為63°，因而無法認為其實現(xiàn)了防指紋。

（2）初始接觸角值的大小僅影響到疏水效果，并不代表樣品是否能夠實現(xiàn)防指紋效果。而低的初始接觸角值則肯定是無法實現(xiàn)防指紋的目的的。通過直接的使用耐受指紋實驗即可分析得到，當手指在手機膜表面進行耐受處理后，手機膜表面分子組份已經改變?yōu)橹讣y（油、無機污染物、灰塵等），此時接觸角的變化值的表征出了本次所測試的三種手機膜均無法實現(xiàn)防指紋的目的。

（3）二碘甲烷測試接觸角值的初始接觸角值的大小可以更好的表征出手機膜的疏油性或防指紋效果。通過樣品1和樣品2可以看出，兩者的接觸角值樣品1大于樣品2約8.4°。但是，兩者二碘甲烷接觸角的差值只有0.5°，說明兩者在防指紋效果上比較接近。事實上，兩者實際運用中均沒有實現(xiàn)防指紋。因而，確認一個合理的二碘甲烷和蒸餾水的初始值是實現(xiàn)評估防指紋效果的步。

 

表3：手機膜蒸餾水、二碘甲烷接觸角測試結果對比表

通過對三個手機膜的固體表面自由能的分析，可以看出：固體表面自由能分析綜合了疏油、疏水兩種性質，能夠分析得到樣品的色散力、極性力等組份，可以為篩選AFCoating液提供科學依據(jù)。

（1）三種手機膜的表面自由能計算數(shù)據(jù)如下表所示：

（2）通過樣品1和樣品2的表面自由能數(shù)據(jù)可以看出，兩者的表面自由能值差值事實上只有1mN/m左右，因而可以認為，兩者在防指紋的效果上是近似的。而樣品3 的表面自由能值與樣品1和2的差值非常大，達到了約12mN/m，可以認為樣品3的防指紋效果與前兩者是不一樣的。

（3）超高的表面自由能，越高的色散力值代表了極疏油性能越差。通過本次的測試數(shù)據(jù)可以看出，樣品3是無法達到防指紋效果的。雖然樣品1的水接觸角值大于樣品2，但是，樣品2的防指紋效果相對而言優(yōu)于樣品1。通過如下圖示即可以看出來，樣品1明顯有指紋污染存在，而樣品2的指紋污染會好得多。

圖1：手機膜油污情況拍攝圖－左側為樣品1、右側為樣品2。

 

通過將3.2所述的固體表面自由能色散力和極性力值進行WBA分析，可以進一步用于篩選防指紋涂層，用于評估AF涂層的防指紋效果評估效果。

圖2：樣品1可潤濕性包絡圖

 

圖3：樣品2可潤濕性包絡圖

圖4：樣品3可潤濕性包絡圖

將三種手機膜的潤濕性包絡圖進行放大后，可以分析得到：

（1）樣品1的潤濕100°接觸角值的極性液體為77.5mN/m，樣品2的潤濕100°接觸角值的極性液體為73.8mN/m，樣品3的潤濕100°接觸角值的極性液體為144.7mN/m。說明，三個樣品中，樣品2的防指紋效果相對而言是理想的。

（2）樣品1和樣品2的潤濕100°接觸角值的非極性液體為6mN/m左右，樣品3潤濕100°接觸角值的非極性液體為18mN/m左右。說明樣品1和2更易于疏油，而樣品3更易于有油污粘附。

（3）利用潤濕性包絡圖分析可以找到更為合理的疏水、疏油性AF涂層。通過潤濕性包絡圖以及實際的油污拍攝圖像可以看出，2號樣品具有更好的疏水、疏油性組合。因而，在篩選AF涂層并建立防指紋評估體系中，潤濕性包絡圖是一個有力的工具。

樣品1可潤濕性包絡圖－放大圖

樣品2可潤濕性包絡圖－放大圖

樣品3可潤濕性包絡圖－放大圖

圖5：三種手機膜潤濕性包絡圖圖譜放大圖

 

對于兩張任意選擇的圖片進行不同分析軟件、不同算法的對比實驗，測試所得的接觸角值如下所示：

表5：接觸角計算結果對比表

如上計算所用接觸角拍攝原圖如下所示：

圖6：圖片1原圖

 

圖7：圖片2原圖

 

通過接觸角計算結果對比表以及分析計算接觸角值的擬合效果圖片，我們認為：

（1）圓擬合算法由于沒有考慮重力對于接觸角測值的影響，測值結果相對于Young-Laplace方程擬合算法偏小。在擬合圓時，DSA1.92和SCA202右側的擬合曲線（綠色或淡藍色）沒有與液滴邊緣完合重合，因而測值結果可信度一般。如圖8所示。CAST3.0擬合圓時，可以明顯看出，在頂點位置，擬合曲線（綠色）明顯與查找邊緣曲線（黃色）存在偏差。這種偏差的出現(xiàn)正是說明此時重力影響到了測值結果。如圖9所示。

 

圖8：圓擬合效果評估－圓擬合時，（左側為DSA1.92、右側為SCA202）

圖9：CAST3.0圓擬合效果評估

（2）橢圓擬合法在擬合兩幅圖片時均實現(xiàn)的較好的擬合曲線與圖像邊緣的擬合度。但是，由于液滴圖像，特別是超疏水液滴的圖像無法實現(xiàn)圖像在法線上、下兩側的軸對稱，橢圓擬合法無法用于測試小于30°或大于130°以上的接觸角值的圖像分析。特別是，防指紋效果的實現(xiàn)極可能需要手機屏或手機膜的表面形成超疏水、疏油的效果，如荷葉效應。圖10中，我們對荷葉接觸角圖片進行橢圓擬合分析，很明顯的看到左圖中，許多位置的擬合曲線重合度非常低，而右側圖片中的接觸點水平線位置左、右兩側均有一定的向外擴散現(xiàn)象。

圖10：橢圓擬合荷葉超疏水接觸角圖片效果圖

（3）除了雙圓曲線外，切線法擬合效果在兩張圖片的接觸角分析中均是不能符合要求，主要有如下兩個原因：、擬合曲線時采用的邊緣點過少，擬合曲線計算所得接觸角值偏小。擬合曲線不一實際的液滴圖像邊緣相重合。

圖11：切線法擬合效果圖1

第二、受背景噪聲影響，擬合曲線與實際邊緣不重合，計算結果明顯出現(xiàn)偏差。

圖12：切線法擬合效果圖2

（4）Young-Laplace方程擬合法

Young-Laplace方程擬合法將液滴輪廓擬合Young-Laplace方程，用于評估液滴的接觸角值是現(xiàn)代接觸角和表面張力測試的算法。[5]由于考慮了重力系數(shù)的影響，因而在測值結果上來看，其可信度。Young-Laplace方程擬合法用于接觸角測試技術，從液滴形狀來分，主要分為軸對稱分析法（DSA和ADSA－P[5]）和ADSA-RealDrop法兩類。軸對稱法的明顯特征是基于液滴平面截圖（接觸角圖）中液滴輪廓是左右對稱的假設，將一側的接觸角擬合曲線復制另一側的接觸角擬合曲線；而ADSA－RealDrop的明顯特征是將液滴平面截圖中的液滴輪廓左、右分別進行Young-Laplace方程擬合，并計算得到兩個接觸角值。在實際的測試中，后者的擬合度通常高于前者。正如前面的測試結果所顯示的，DSA1.92、DSA3和SCA202由于均采用了軸對稱分析法，因而測試所得的接觸角值與CAST3.0所得的值有一定的偏差。但從擬合曲線來看，明顯可以得到CAST3.0采用的ADSA－RealDrop算法更為。圖13所示，DSA1.92和DSA3.0擬合Young-Laplace方程時，接觸點位置的擬合曲線與液滴輪廓重合度不高，擬合曲線往里收縮，從而導致測值結果偏大3°左右。圖14中，DSA1.92和DSA3.0擬合Young-Laplace方程曲線時，接觸點位置的擬合線與液滴輪廓線（紅色）重合度一般，擬合曲線（淡藍或綠）往外擴散，從而導致測值結果偏小2°左右。ADSA-RealDrop算法擬合液滴輪廓的擬合度非常高，且有效的分辨出液滴左、右輪廓的區(qū)別，可以為分析AF涂層均勻度提供有效依據(jù)，因而，是評估的所有算法中為的算法。如圖15所示。

圖13：DSA1.92（左）和DSA3.0（右）擬合Young-Laplace方程曲線圖1

圖14：DSA1.92（左）和DSA3.0（右）擬合Young-Laplace方程曲線圖2

圖15：CAST3.0采用的ADSA－RealDrop算法擬合Young-Laplace方程曲線圖

 

綜上所述，目前，應用于手機屏接觸角測試的主要方法為圓擬合法，對于測試者和儀器的控制精度均要求較高，不利于測試標準的廣泛推廣。而橢圓擬合算法由于其受限于測試范圍，因而不是理想的應用于評估防指紋效果的理想算法?；谳S對稱分析的Young-Laplace方程擬合法雖然可以實現(xiàn)較好的測試結果，但是，其無法應用于分析左、右接觸角的區(qū)別，測值精度一般，也無法實現(xiàn)通過分析左、右接觸角差值分析AF涂層的均勻度，因而是退而求其次的算法。目前而言，ADSA－RealDrop算法因其擬合度高，能夠分析左、右接觸角值，可以為快速分析AF涂層均勻度提供幫助，因而是目前的測試接觸角值的算法。

綜合如上測試手機膜的過程以及測試結果的分析，結合原有的防指紋效果評估體系，我們認為有效的防指紋效果的評估體系包括如下內容：

（1）測試探針液體：蒸餾水和二碘甲烷；

（2）測試條件：溫度25℃±5℃，濕度60%±10

（3）測試操作流程：

－測試準備：

清潔度判斷：測試前以及測試用完一個針管的液體后，需對測值所用進液體系進行清潔度檢測。檢測方法為采用懸滴法并采用ADSA－P算法，測試進液體系中蒸餾水的表面張力值。符合文獻值±0.3mN/m時，即視為進液體系是符合要求的。

被測樣品的表面清潔：采用超聲波清潔機對被測樣品的表面進行清潔，并采用烘箱進行烘干處理。

－測試過程：分別測試蒸餾水和二碘甲烷在樣品上的接觸角值，測試接觸角采用算法為ADSA-RealDrop法，共測試5個點，對測值結果進行偏差分析。

（4）測試信賴性測試標準要求

表6：現(xiàn)有的手機屏防指紋評估信賴性測試標準要求內容

通過如上實驗以及初步建立的防指紋效果評估體系，結合了疏油與疏水性的雙重測試結果的評估，可以有效的建立起防指紋效果的評估。同時，由于采用了更為科學、精度更高的ADSA－RealDrop算法，解決了液滴量控制精度不同而導致的接觸角測值誤差以及其他算法本身測值誤差，提升了接觸角測值的精度，為有效的分析防指紋效果提供了更為可靠的數(shù)據(jù)基礎。在評估依賴性測試中創(chuàng)新性添加的耐指紋項目，直接的評估出手機屏或手機膜的防指紋效果，為防指紋效果評估提供了基礎的體系依據(jù)。

當然，新評估體系的建立中，需要在本評估體系的測試方法、測試標準的基礎上進行，數(shù)據(jù)積累，需要對初期接觸角值，包括蒸餾水和二碘甲烷的接觸角值進行重新構建，需要對相關評估值進行調整，需要對AF涂層進行重新篩選。