一种饱和度可调的炫彩包装薄膜及其制备方法
阅读说明：本技术 一种饱和度可调的炫彩包装薄膜及其制备方法 (Saturation-adjustable colorful packaging film and preparation method thereof ) 是由 刘富荣 陈清远 张永志 李文强 韩刚 聂拾进 于 2021-07-05 设计创作，主要内容包括：一种饱和度可调的炫彩包装薄膜及其制备方法,涉及薄膜材料技术领域。薄膜包括：载体层(11)、基材层(12)、预干涉介质层(2)、功能层(31)、保护层(32),其中,以基材层和预干涉介质层组成的干涉单元结构可以周期多次叠加。本发明提供的炫彩薄膜,通过镀膜工艺附着到工件表面后,可根据观察者的视觉角度观察到工件表面不同的色彩变化,呈现出绚丽多彩的动态效果。此外,可以通过调整作为基材层的半导体材料的厚度,来获得多种饱和度的色彩,适用多种场景下的不同需求。(A saturation-adjustable colorful packaging film and a preparation method thereof relate to the technical field of film materials. The film includes: the interference unit structure comprises a carrier layer (11), a base material layer (12), a pre-interference dielectric layer (2), a functional layer (31) and a protective layer (32), wherein the interference unit structure formed by the base material layer and the pre-interference dielectric layer can be periodically and repeatedly superposed. The colorful film provided by the invention is attached to the surface of a workpiece through a film coating process, different color changes of the surface of the workpiece can be observed according to the visual angle of an observer, and a bright and colorful dynamic effect is presented. In addition, colors with multiple saturation degrees can be obtained by adjusting the thickness of the semiconductor material serving as the substrate layer, and different requirements under various scenes can be met.)
技术领域
本发明涉及薄膜材料技术领域，尤其涉及一种饱和度可调的炫彩包装薄膜及其制备方法。
背景技术
随着对产品外观的色彩表现的追求越来越高，绚丽多彩的可变色材料受到人们的青睐。目前的变色材料的制作方法主要有光致变色，热致变色，电致变色，镭射处理变色，印刷变色，微结构变色等。
光致变色材料中最典型的是加入卤化银的玻璃熔液。玻璃中的胶体银的形状、浓度、其他金属杂质含量、照射光的强度和环境温度对变色过程的影响都很大。而且其变色需要时间，不适合光亮变化快的环境，耐久性差，不能永久变色。热致变色材料常用无机配合物来制备热致变色的印刷油墨，印刷效果好，但耐久性差。而后续广泛研究的胆甾醇液晶型材料变色温度低，可以连续多层次可逆变色，但成本高，印刷条件严格，耐久性差。电致变色玻璃可以在电场的作用下，控制光吸收率和透过率，是显示领域的重要发展方向。但具备电致变色特性的有机材料存在降解问题，而无机材料则变色时间较长。镭射变色处理薄膜防伪性能强，美观，耐油墨腐蚀，但耐候性差，大部分PE镭射膜不适合于高温环境下使用。
以上这些变色技术大多不能形成动态的色彩变化；而且其色彩饱和度几乎不能调控。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可根据观察者的观察角度，实现动态颜色变化、且饱和度可调的彩色薄膜及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种饱和度可调的炫彩包装薄膜，其包括：载体层(11)、基材层(12)、预干涉介质层(2)、功能层(31)、保护层(32)，最底部为载体层(11)，载体层(11)上为一层基材层(12)，基材层(12)上为预干涉介质层(2)，其中一层基材层(12)和其上的一层预干涉介质层(2)记为一个干涉单元结构，在载体层(11)上向上设有1个干涉单元结构或向上依次设有多个干涉单元结构叠加，在对应的一个干涉单元结构的功能层(31)上或对应的多个叠加的干涉单元结构最上层的预干涉介质层(2)上为功能层(31)，功能层(31)上为保护层(32)；
以基材层和预干涉介质层组成的干涉单元结构为多个叠加时，为周期循环多次叠加，则饱和度可调的炫彩包装薄膜结构为自下而上依次为载体层(11)、基材层(12)、预干涉介质层(2)、……基材层(12)、预干涉介质层(2)……、基材层(12)、预干涉介质层(2)、功能层(31)、保护层(32)。
其干涉单元结构所产生的反射率与材料及各自层的厚度的匹配关系基于等效反射干涉理论，依赖于：
反射系数r和透射系数t可写为：
式中，t12、r12、t21、r23分别是入射电磁波在不同介质层的透射、反射的复幅度,如图1所示(1个干涉单元结构)；r12是入射电磁波经过保护层(32)，在功能层(31)界面处的反射系数复幅度；t12是入射电磁波经过保护层(32)，经由功能层(31)，在预干涉介质层(2)中的透射系数复幅度；r23是入射电磁波经过保护层(32)和功能层(31)，在预干涉介质层(2)中产生干涉效应后，再由预干涉介质层(2)，功能层(31)和保护层32出射的反射系数复幅度；t21是入射电磁波经过保护层(32)和功能层(31)后，在预干涉介质层(2)中产生干涉效应后，由功能层(31)界面反射回预干涉介质层(2)的透射系数复幅度。
为电磁波在预干涉介质区域的传播相位差，neff是材料的有效折射率，k0是自由空间的传播常数，而d为等效媒质厚度；
由于整体结构的反射率R＝|r|2，则：
由于观察者角度即入射电磁波的角度θ1，与传播相位差中的角度θ2有依赖关系；角度θ2变化，结构的整体反射率R也随之变化；因此该结构具有观察者角度不同，其呈现色彩动态变化的特性；由于传播相位差中有效折射率neff是材料的固有属性，因此改变材料的种类也会引起结构反射率的变化，进而呈现不同的色彩。
其中，所述载体层包括但不限于：聚酯薄膜柔性材料、Si半导体固体、Al金属材料等，其厚度不限。
其中，所述基材层和功能层均选自于：Ge2Sb2Te5、GeTe、Sb2Te3此类硫系相变材料、Si半导体材料等中的一种或几种。其中，所述基材层厚度为1-100nm；所述功能层厚度为1-20nm。
其中，所述预干涉介质层和保护层均选自于折射率虚部(k值)几乎为0的透明材料，选自石英、玻璃、ITO透明固体、聚酯薄膜透明柔性材料中的一种或几种，预干涉介质层优选石英、玻璃、ITO透明固体。其中，所述预干涉介质层的厚度为50-500nm。所述保护层的厚度为5-20nm。
本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明提供的，基材层和功能层均为半导体材料的可动态变色薄膜，通过镀膜工艺附着到工件表面后，可根据观察者的视觉角度或/和使得产品稍微变形就可观察到制品表面不同的色彩变化，呈现出绚丽多彩的动态效果。更为重要的是，可以通过调整作为基材层的半导体材料的厚度，来获得多种饱和度的色彩，这是传统金属干涉结构所不能做到的，并且基于上文所提出的厚度-反射公式，结构产生的反射率强烈依赖于所述基材层、预干涉介质层、功能层的厚度，因此能够通过调整各层厚度才个性化定制色彩表现，可以适用于多种场景下的不同需求。纳米量级薄膜可覆盖于多种材质表面；附着力强不易脱落；非塑料制品，对环境绿色无害；恶劣环境同样适用，可广泛应用于装饰工艺品、宣传广告、车标、标识等领域。
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明技术手段，可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能够更明显易懂，以下举较佳实施例，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明结构中入射电磁波在不同材料层的透射和反射示意图。
图2为本发明的第一实施例的饱和度可调的炫彩包装薄膜结构示意图。
图3为本发明的第一实施例的饱和度可调的炫彩包装薄膜的制备方法流程图。1：基底层(11：载体层；12：基材层)；2：预干涉介质层；3：表面膜层(31：功能层；32：保护层)。
图4为本发明第一实施例的随基材层12厚度增加而饱和度逐渐增加的实物照片。
图5为本发明第一实施例的随观察角度增大的结构反射光谱图，观察角度指的是与产品上表面之间的夹角，0°指的是与上表面平行。
图6为本发明第一实施例的不同观察角度下拍摄的实物照片，a)为由于人手单一作用点对片状结构的作用而产生稍微变形(即不是严格意义的平面结构)呈现出的照片，b)为多支撑点使得片状结构的基本不变形基本为平面结构呈现出的照片(也是具有不同的色彩变化的)。
图7为本发明第二实施例的饱和度可调的炫彩薄膜单元的结构示意图。12：基材层；2：预干涉介质层。
图8为本发明第二实施例的饱和度可调的炫彩薄膜单元的周期叠加结构的示意图。11：载体层；12：基材层(12-2：基材层二次叠加循环；12-3：基材层三次叠加循环；12-4：基材层四次叠加循环；12-5：基材层五次叠加循环；12-6：基材层六次叠加循环；12-7：基材层七次叠加循环；12-8：基材层八次叠加循环)；2：预干涉介质层(2-2：预干涉介质层二次叠加循环；2-3：预干涉介质层三次叠加循环；2-4：预干涉介质层四次叠加循环；2-5：预干涉介质层五次叠加循环；2-6：预干涉介质层六次叠加循环；2-7：预干涉介质层七次叠加循环；2-8：预干涉介质层八次叠加循环)；3：表面膜层(31：功能层；32：保护层)。
图9为本发明第二实施例的随单元叠加周期变化的反射光谱图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图2，本实施提供了一种饱和度可调的炫彩薄膜，其包括：预干涉介质层2，复合于所述预干涉介质层底部的基底层1，以及复合于所述预干涉介质层顶部的表面膜层3；其中，所述基底层包括基材层12，以及附着于基材层下方的载体层11；所述表面膜层3包括复合于上述预干涉介质层顶部的功能层31，以及将复合于所述功能层顶部的保护层32。基材层12、预干涉介质层2和功能层31共同构成腔型干涉共振结构。
载体层11为不同场景下的各类材质，厚度不计。保护层32为结构提供防氧化等保护作用，采用折射率虚部(k值)几乎为0的透明介质材料，厚度为5-10nm。
基材层12、预干涉介质层2和功能层31共同构成的结构是以腔型干涉原理为基础构成的共振结构，由于在改变观察角度和距离时，共振引起的干涉反射峰会发生移动，使得该薄膜具备变色效果，从而实现动态颜色的表达。
更具体地，基材层12优选为折射率虚部(k值)较低的半导体材料，厚度为1nm-50nm；预干涉介质层2为折射率虚部(k值)几乎为0的透明介质材料，厚度为50nm-500nm；功能层31为硫系相变材料，厚度为1nm-30nm。上述各膜层均由真空溅射沉积而成。
基材层12、预干涉介质层2和功能层31各层不同的材质或/和不同的厚度搭配可以实现不同的颜色的表达。随着预干涉介质层厚度增大，结构产生的共振模式会发生变化，共振频率会产生红移，并且会随着观察角度(入射角度)的变化，呈现的颜色也会发生变化。此外，基材层12的材质及其厚度不同，能够引起共振模式的转变，其基材层12厚度越大，其产生色彩的饱和度(反射率或颜色深浅)越高。
此外，基材层12和预干涉介质层2可组成干涉单元，通过周期性叠加该单元，可以引起共振模式的增强，使结构产生的色彩饱和度增大，从而丰富视觉效果。
实施例1
如图2和3所示，本实施例提供的饱和度可调的炫彩薄膜结构，自下而上依次包括载体层11，基材层12，预干涉介质层2，功能层31和保护层32。
载体层11为SiO2片，厚度不计；基材层12和功能层31均采用Ge2Sb2Te5，厚度分别为15nm和5nm；预干涉介质层2和保护层32均采用ITO，厚度分别为150nm和10nm。
由于载体层11、基材层12和预干涉介质层2构成的结构以腔型干涉原理为基础，通过设计各层材料以及不同的厚度搭配实现颜色的表达。
在实施例选定各层材料的情况下，不同厚度的基材层12的变化如下表述。
如图4所示，图中实物的结构自上而下均为10nm ITO/5nm Ge2Sb2Te5/150nm ITO/(5～35nm)Ge2Sb2Te5。可以看到，随着基材层12的厚度增加，结构呈现出的色彩饱和度也随之增加，即本实施例中薄膜的饱和度可调的效果。
因此，在实施例选定各层材料及其厚度情况下，不同观察角度(入射角度)的变化如下表述。
如图5所示，图中横轴表示波长，纵轴表示反射率，图中线条代表不同观察角度下的反射光谱。可以看到，观察角度由0°增至80°时，反射峰形产生变化，由多峰位叠加形成得颜色逐渐从红棕色调转为黄绿色调，颜色饱和度(反射率)也逐渐升高。
具体实物如图6所示，即本实施例饱和度可调的动态变色薄膜最终呈现彩虹式的渐变色效果。
实施例2
如图7所示，本实施例提供的饱和度可调的炫彩薄膜与上述第一实施例的区别在于，在本实施例中，以第一实施例为基础，将基材层12和预干涉介质层2组合成一个干涉单元结构，如图8中所示，将该单元在载体层11上进行了周期性叠加，并加封了功能层31和保护层32。
载体层11为SiO2片，厚度不计；基材层12-x(x为循环次数)和功能层31采用Ge2Sb2Te5,厚度为10nm；预干涉介质层2-x(x为循环次数)采用ITO，厚度为150nm；保护层32采用ITO，厚度为10nm。
由于载体层11、基材层12和预干涉介质层2构成的结构仍是以腔型干涉原理为基础，同样可以通过设计各层材料以及不同的厚度搭配实现颜色的表达。
因此，在实施例选定单元结构的材料及其厚度情况下，根据叠加周期增加，其色彩表现得变化如下表述。
如图9所示，图中横轴表示波长，纵轴表示反射率，图中线条代表不同叠加周期的反射光谱。可以看到，叠加周期由2增至8时，反射峰逐渐发生蓝移，颜色饱和度逐渐升高，即本实施例能够通过叠加单元周期得到饱和度可调的动态变色薄膜。
在本文中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了表达技术方案的清楚及描述方便，因此不能理解为对本专利的限制。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述，仅为本专利的具体实施方式，但本专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本专利揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本专利的保护范围之内。因此，本专利的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
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