專利名稱：一種光成像功能膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光成像功能膜，屬于成像顯示技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，常見的大畫面視頻顯示裝置有下列幾種大屏幕電視機、電視幕墻、LED電子顯示屏、等離子顯像器(PDP)及投影電視機。但是大屏幕電視機、電視幕墻、LED電子顯示屏、等離子顯像器(PDP)等制作工藝復雜，成本很高，加之體積龐大、笨重，在大畫面視頻顯示中的開發(fā)難度越來越大。投影電視機的結(jié)構(gòu)最輕巧，使用最方便，且價格低廉，因而成了對角線尺寸在50英寸以上大畫面視頻顯示裝置中發(fā)展最快、使用最為廣泛的一種設(shè)備。投影屏幕是投影電視的重要組成部分，其質(zhì)量好壞對放映的效果有很大的影響。
現(xiàn)有投影機使用的屏幕大部分是正投，機幕都暴露在整個廳室里，投影光束都在一定距離的條件下橫過空間，觀眾在大廳往往都是沿著水平的方面落座，大部分觀眾的視覺都程度不同地受投影光束的干預和影響，極大的影響視力健康。投影機另一種使用是背投，背投是在背后投影投放圖像顯示的，由于對視力影響不大，比較適應各種環(huán)境條件觀看的。背投屏幕作為背投顯示的一個重要組成部分，隨著人們生活水平的不斷提高，市場需求量越來越大，但市場上各類背投影屏大部分依靠進口或由國內(nèi)技術(shù)成本較高的廠商供應產(chǎn)品價格一般在6000元/m2以上，并且市場上現(xiàn)有背投式屏幕應用具有局限性，真正適合LCD、LCOS背投影的產(chǎn)品較少。由于背投影設(shè)備中光線的折射、反射(一般投影光路上要加一道或多道反射鏡或透鏡)損失一部分，以及背投屏幕本身吸收一部份，造成目前背投屏幕普遍都存在有圖像不清晰，字幕畫面亮度不均勻等重要問題，影響了觀眾觀賞的質(zhì)量效果。尤其是一般背投屏幕的最大缺點中心亮度較高，屏幕中心出現(xiàn)的太陽效應，目前即使比較先進設(shè)計的光學投影鏡頭的中心亮度和邊緣亮度均勻率也相差25％左右。背投屏幕另一常見缺點是角度效應，即在背投前方能觀看到亮的投影成像，但偏轉(zhuǎn)一定角度后投影成像明顯減弱乃致黑屏。目前市場上的背投屏幕的以上缺點影響了投影機的使用效果，急需解決。
目前可以作為背投影屏幕的常見的有以下幾種形式擴散式屏，帶菲涅耳透鏡的擴散屏，雙凸面屏，帶菲涅耳透鏡的雙凸面屏，正交雙凸透鏡陣列屏，球面透鏡陣列屏等。其中球面透鏡陣列式屏是最為理想的一種微結(jié)構(gòu)屏，其設(shè)計形式有很多類型，由于結(jié)構(gòu)復雜，制備困難，國內(nèi)還沒有產(chǎn)品出現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的就是借鑒球面透鏡陣列屏的成像原理，設(shè)計出一種價格低廉，能實現(xiàn)高畫質(zhì)、大屏幕顯示的類微型球面結(jié)構(gòu)的光成像功能膜。本發(fā)明光成像功能膜設(shè)計采用類似微型球面透鏡的光學結(jié)構(gòu)，即功能膜內(nèi)由均勻排列的類微型球面透鏡的集合組成。
本發(fā)明的光成像功能膜，以重量百分數(shù)計，由以下原料和用量組成主體材料 65-98％納米微粒 1-20％助劑 1-30所述納米微粒分散于主體材料中，具有1微米到10微米的超微球結(jié)構(gòu)。
所述主體材料為聚乙烯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、聚酰胺、聚酰亞胺或聚氨酯中的一種或幾種。
所述納米微粒為TiO2、TiO2/SiO2、SiO2、氧化鐵、云母、TiO2/云母、鋁銀粉或CaF2納米微粒中的一種或幾種。所述納米微粒的大小優(yōu)選為10-500納米，最優(yōu)為80-120納米。
所述助劑為二苯甲酮、偶氮二異丁腈、鄰苯二甲酸酯、十二烷基磺酸鈉、過硫酸銨、硬脂酸鋇、硬脂酸鎘或有機錫中的一種或幾種。
所述納米微粒按一定方法分散于透明度較高的主體材料，形成了1微米到10微米的超微球結(jié)構(gòu)，即形成類微型球面透鏡的集合的薄膜。此超微球結(jié)構(gòu)對投影光線產(chǎn)生折射、反射和散射作用，使部分光線聚焦，另一部分則散射，達到成像和分散光的目的。
用納米材料制備有均勻分散的超微球結(jié)構(gòu)的光成像功能膜是采用溶液法實現(xiàn)的選擇適當?shù)娜軇┤芙庵黧w材料和納米微粒，加入助劑，得到均分散的溶液或濁液。然后可直接噴涂、涂敷在所需的基底上(玻璃、石英、塑料薄膜或有機玻璃等)成膜，也可先溶劑蒸發(fā)脫模成為納米微粒均勻分散主體材料的塊材，再將塊材加熱擠壓為薄膜。所述的溶劑為水、乙醇、甲醇、甲酸、異丙醇、二甲基甲酰胺(DMF)、四氫呋喃(THF)、甲苯、二甲苯、三氯甲烷、四氯化碳等鹵代烷烴等中的任何一種或多種混合溶液，通過基底直接噴涂或涂敷為薄膜。溶液制備的光成像功能膜一般通過短時間的紫外線處理能有效提高膜的機械和光學性能。
本發(fā)明光成像功能膜的主體材料采用光學高分子材料，一般化學性能十分穩(wěn)定，耐強酸、強堿、抗老化、強度高，透射系數(shù)大，亮度高可在較復雜的環(huán)境下使用。主體材料與均勻分散于其內(nèi)的納米微粒組成功能膜的主體，功能膜內(nèi)形成1微米到10微米的超微球，光學行為表現(xiàn)類微型球面透鏡的功能。膜內(nèi)形成的超微球構(gòu)成微型球面透鏡集合，本發(fā)明利用溶液中高分子的主體材料與納米超微粒和溶劑以及助劑之間的相互作用，容易形成區(qū)域膠團的特性，當溶劑揮發(fā)以后，這些區(qū)域膠團就形成超微球，大小能有效控制為1微米到10微米不等。光成像功能膜中均勻排列的超微球就具有微型球面透鏡陣列的類似功能，見圖3。圖1為本發(fā)明光成像功能膜表面的顯微放大圖象，可以清晰的看到功能膜內(nèi)的大量1到3微米的超微球。圖2為光成像膜的掃描電子顯微鏡圖象，可以清晰的看到其由大量納米微粒構(gòu)成。
本發(fā)明光成像功能膜的成像原理示意圖如圖3，當光線投影到功能膜上時，均勻排列的類微型球面透鏡就對光線產(chǎn)生折射、反射和散射作用，使部分光線聚焦，另一部分則散射，達到成像和分散光的目的。比如一幅50英寸的屏幕，當類球面透鏡大小被有效控制為5微米時，類球面鏡相互間中心距6微米時，則有300億個微型球面鏡。其光學結(jié)構(gòu)均勻，設(shè)計可控性高，使圖像亮度均勻，精細柔和，是較為理想的背投影屏幕。這種結(jié)構(gòu)背投影屏幕無須用菲涅耳透鏡或其他透鏡系統(tǒng)即可進行聚光和擴散并且可以用于70-100英寸以上的大畫面顯示。
由于本發(fā)明光成像功能膜獲得的顯示薄膜突破了傳統(tǒng)背投技術(shù)的局限，光線在屏內(nèi)的傳遞不是靠簡單的散射或透射，而是利用數(shù)目極多的微米球充當微透鏡陣列改變光路或者聚焦成像，因而光成像功能膜光學結(jié)構(gòu)均勻，光能利用率高，圖像鮮艷飽滿，有效遏制了亮斑效應、色暈現(xiàn)象、色移現(xiàn)象，具有較高分辨率和高增益、寬視角、高亮度、高對比、不受環(huán)境光影響的圖象，因而可于正投、背投的新型投影顯示屏幕方面，如多媒體背投影，背投一體彩電、電視幕墻，高清晰度電視等。利用本發(fā)明的方法制備的投影屏幕，具有高亮度、高分辨率、高色彩保真、高對比度、視角寬、不同角度無色漂移、無反光、一致性強、成本低、重量輕等優(yōu)點?？勺龀沙蟪叽纾我馊S(立體)形狀，可切斷，可彎曲，可正投、背投，360°觀看。不受環(huán)境光線的影響，應用范圍極廣，可用于大屏幕HDTV，音樂廳，會議室，商場，飛機場，展覽館，餐廳，廣告板，控制室幕墻，高分辨監(jiān)視器等。
本發(fā)明在制備上還具有以下優(yōu)點1)溶液法選用已有的主體材料，這些主體材料容易得到，性能穩(wěn)定可靠(光學、熱學、化學和光化學等方面)，對環(huán)境影響小，并且易于大規(guī)模生產(chǎn)；2)制備的光散射成像功能膜中納米微粒的組成高，不僅可以有效提高薄膜的機械性能，更主要的是高組成的納米微?？梢缘玫礁吡炼鹊耐队俺上?，提高功能薄膜的成像效果；3)易于得到高性能的薄膜，因質(zhì)量輕，強度高，尤其適用于超大屏幕，同時降低成本；4)由于成像的確光學結(jié)構(gòu)是在主體材料里面，制備光成像功能膜的主體材料機械強度高，化學性能穩(wěn)定可靠，因此保養(yǎng)也比較容易。


圖1為實施例6光成像膜表面的顯微放大圖象，50×50微米圖2為實施例6光成像膜的掃描電子顯微鏡圖象，2.0×1.6微米圖3為光成像功能膜的成像原理示意圖
具體實施例方式
以下各實施例中的原料總量(100％)為100克。
實施例1聚乙烯醇95％加熱溶于熱水中，冷卻至室溫。然后依次加入十二烷基磺酸鈉1％，100nm TiO2納米微粒2％，過硫酸銨1％，二苯甲酮1％，有效攪拌并加熱得到均分散的稠狀液。然后涂敷在玻璃上。真空干燥蒸發(fā)溶劑，并在60℃時真空干燥處理10小時，得到TiO2納米微粒分散的有超微結(jié)構(gòu)的聚乙烯醇薄膜。所得薄膜用紫外線處理10分鐘以提高薄膜的光學和機械性能。用日本NEC公司產(chǎn)的MT830G前投影儀背投影成像，用CA-100CRT彩色分析儀檢測，表現(xiàn)出好的性能。其中亮度為同等商用背投影機的1.5倍以上，無色彩漂移，明暗對比度為150∶1以上，中心與邊緣亮度差異為20％以下，視角接近180度。
實施例2聚苯乙烯65％溶于氯仿/甲苯中，然后依次加入10nm氧化鐵納米微粒10％，過硫酸銨1％，二苯甲酮1％，鄰苯二甲酸酯20％，偶氮二異丁腈3％，得到均分散的溶液。然后將所得溶液噴涂在石英板上。真空干燥蒸發(fā)溶劑，并在40℃時真空干燥處理10小時，得到氧化鐵納米微粒分散的有超微結(jié)構(gòu)的聚苯乙烯薄膜。所得薄膜用紫外線處理1分鐘以提高薄膜的光學和機械性能。用日本NEC公司產(chǎn)的MT830G前投影儀背投影成像，用CA-100CRT彩色分析儀檢測，表現(xiàn)出好的性能。其中亮度接近同等商用背投影機，有輕微的色彩漂移，明暗對比度為100∶1以上，中心與邊緣亮度差異為25％以下，視角接近180度。
實施例3聚乙烯92％溶于甲苯/THF中，然后依次加入200nm Al2O3納米微粒1％，二苯甲酮1％，鄰苯二甲酸酯5％，偶氮二異丁腈1％，十二烷基磺酸鈉1％，得到均分散的溶液。然后將所得溶液分別直接噴涂在塑料薄膜上。自然干燥蒸發(fā)溶劑，得到Al2O3納米微粒分散的有超微結(jié)構(gòu)的聚乙烯薄膜。所得薄膜用紫外線處理0.5分鐘以提高薄膜的光學和機械性能，表現(xiàn)出好的性能。
實施例4
聚氯乙烯75％溶于DMF中，然后依次加入500nm云母納米微粒10％，二苯甲酮1％，鄰苯二甲酸酯10％，偶氮二異丁腈2％，十二烷基磺酸鈉2％，得到均分散的溶液。然后將所得溶液涂敷在有機玻璃上。真空干燥蒸發(fā)溶劑，得到云母納米微粒分散的有超微結(jié)構(gòu)的聚氯乙烯薄膜。所得薄膜用紫外線處理3分鐘以提高薄膜的光學和機械性能，表現(xiàn)出好的性能。
實施例5聚酰胺75％溶于甲酸中，然后依次加入150nm TiO2納米微粒20％，十二烷基磺酸鈉5％，得到均分散的溶液。然后將所得溶液涂敷在玻璃上。真空干燥蒸發(fā)溶劑，并在60℃時真空干燥處理24小時，得到TiO2納米微粒分散的有超微結(jié)構(gòu)的聚酰胺薄膜。所得薄膜用紫外線處理20分鐘以提高薄膜的光學和機械性能。用日本NEC公司產(chǎn)的MT830G前投影極投影成像，用CA-100CRT彩色分析儀檢測，表現(xiàn)出好的性能。其中亮度為同等商用背投影機的1.5倍以上，有輕微的色彩漂移，明暗對比度為200∶1以上，中心與邊緣亮度差異為20％以下，視角接近180度。
實施例6聚甲基丙烯酸酯80％溶于THF/甲醇混合溶劑中，然后依次加入40nmSiO2納米微粒15％，二苯甲酮1％，偶氮二異丁腈1％，十二烷基磺酸鈉3％，得到均分散的溶液。然后將所得溶液分別涂敷在玻璃上。真空干燥處理24小時，得到SiO2納米微粒分散的有超微結(jié)構(gòu)的聚甲基丙烯酸酯薄膜。所得薄膜用紫外線處理8分鐘以提高薄膜的光學和機械性能。用日本Sony公司產(chǎn)的VPL-PX11前投影儀背投影成像，用Klein-1彩色分析儀檢測，表現(xiàn)出好的性能。其中亮度為同等商用背投影機的1.5倍以上，無色彩漂移，明暗對比度為200∶1以上，中心與邊緣亮度差異為20％以下，視角接近180度。
實施例7聚丙烯65％溶于二氯甲烷中，然后依次加入200-500nm鋁銀粉納米微粒1％和500nm CaF2納米微粒9％，二苯甲酮10％，鄰苯二甲酸酯5％，偶氮二異丁腈10％，得到均分散的懸浮液。然后將所得懸浮液分別涂敷玻璃塑料薄膜上。自然干燥蒸發(fā)溶劑，得到鋁銀納米微粒和CaF2納米微粒均勻分散的聚丙烯薄膜。所得薄膜用紫外線處理0.5分鐘以提高薄膜的光學和機械性能。用日本Sony公司產(chǎn)的VPL-PX11前投影儀前投影成像，表現(xiàn)出好的性能。漫散射光弱，有好的方向性，亮度高，無色彩漂移，明暗對比度高，視角接近90度。
實施例8將甲基丙烯酸酯65％和120nm SiO2納米微粒2％混合，充分攪拌至均勻。在75℃下加入增塑劑鄰苯二甲酸酯22％，二苯甲酮10％和引發(fā)劑偶氮二異丁腈1％，同時加入少量脫模劑硅油，充分攪拌至均勻成溶液，進行引發(fā)聚合。灌模，在45℃進行28小時的預聚。劇烈升溫至75℃，強烈聚合2小時。隨爐冷卻，脫模。在100℃時加熱擠壓成膜，得到SiO2納米微粒分散的有超微結(jié)構(gòu)的聚甲基丙烯酸酯薄膜。所得薄膜用紫外線處理10分鐘以提高薄膜的光學和機械性能。用日本Sony公司產(chǎn)的VPL-PX11前投影儀背投影成像，用Klein-1彩色分析儀檢測，表現(xiàn)出好的性能。其中亮度為同等商用背投影機的1.5倍以上，無色彩漂移，明暗對比度為200∶1以上，中心與邊緣亮度差異為20％以下，視角接近180度。
實施例9均苯四甲酸酐55％和對苯二胺35％分別溶解于DMF溶液中，在密閉和強力攪拌條件下，將苯四甲酸酐的DMF溶液緩慢滴加到對苯二胺的DMF溶液中，15℃反應1小時，然后升溫至25℃，繼續(xù)攪拌反應3小時得到深綠色有些粘稠的聚酰胺酸的DMF溶液。密閉攪拌條件下，將100nm TiO2納米微粒10％加到以上溶液，繼續(xù)攪拌1小時，用超聲波發(fā)生器中超聲反應2小時，密閉陳化48小時。用浸漬法將溶液在有機玻璃上成膜，自然干燥24小時。然后分別置于60℃，100℃，200℃和300℃下分別熱處理6小時，1小時，1小時和3小時，即制成TiO2納米微粒分散的有超微結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺薄膜。
實施例10聚氯乙烯90％、鄰苯二甲酸酯7％、硬脂酸鋇1％、120nm SiO2納米微粒2％。將聚氯乙烯、鄰苯二甲酸酯、硬脂酸鋇和SiO2納米微粒共混，用螺桿擠壓機在180℃融化后再擠壓捏合為SiO2納米微粒分散的有超微結(jié)構(gòu)的主體材料的塊材，此塊材可加熱擠壓為功能薄膜。
實施例11
聚乙烯80％、聚氨酯4％、500nm CaF2納米微粒15％、硬脂酸鎘1％。聚乙烯、聚氨酯、CaF2納米微粒和硬脂酸鎘共混，用螺桿擠壓機在220℃融化后再擠壓捏合為納米微粒均勻分散的主體材料的塊材，此塊材加熱擠壓為100微米厚的近透明的功能薄膜。用日本Sony公司產(chǎn)的VPL-PX11前投影儀斜投影成像，表現(xiàn)出好的性能。其中成像亮度高，無色彩漂移，明暗對比度為50∶1以上，視角接近360度。
實施例12聚丙烯65％、鄰苯二甲酸酯20％、硬脂酸鋇1％、50nm TiO2納米微粒14％。將聚丙烯、鄰苯二甲酸酯、硬脂酸鋇和TiO2納米微粒共混，用螺桿擠壓機在210℃擠壓捏合為TiO2納米微粒分散的有超微結(jié)構(gòu)的主體材料的塊材，此塊材可加熱擠壓為薄膜。
實施例13聚苯乙烯75％、硬脂酸鋇2％、10nm氧化鐵納米微粒23％。將聚苯乙烯、硬脂酸鋇、和氧化鐵納米微粒共混，用螺桿擠壓機在170℃擠壓捏合為氧化鐵納納米微粒均勻分散的主體材料的塊材，此塊材可加熱擠壓為薄膜。
實施例14聚丙烯酸酯65％、鄰苯二甲酸酯25％、硬脂酸鋇3％、200nm Al2O3納米微粒7％。將聚丙烯酸酯、鄰苯二甲酸酯、硬脂酸鋇和Al2O3納米微粒共混，用螺桿擠壓機在210℃擠壓捏合為Al2O3納米微粒均勻分散的有超微結(jié)構(gòu)的主體材料的塊材，此塊材加熱擠壓為薄膜。用日本Sony公司產(chǎn)的VPL-PX11前投影儀背投影成像，用Klein-1彩色分析儀檢測，表現(xiàn)出好的性能。其中亮度為同等商用背投影機的1.5倍以上，無色彩漂移，明暗對比度為100∶1以上，中心與邊緣亮度差異為30％以下，視角接近180度。
權(quán)利要求
1.一種光成像功能膜，以重量百分數(shù)計，由以下原料和用量組成主體材料65-98％納米微粒1-20％助劑1-30所述納米微粒分散于主體材料中，具有1微米到10微米的超微球結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光成像功能膜，其特征在于所述主體材料為聚乙烯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、聚酰胺、聚酰亞胺或聚氨酯中的一種或幾種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的光成像功能膜，其特征在于所述助劑為二苯甲酮、偶氮二異丁腈、鄰苯二甲酸酯、十二烷基磺酸鈉、過硫酸銨、硬脂酸鋇、硬脂酸鎘或有機錫中的一種或幾種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的光成像功能膜，其特征在于所述納米微粒為TiO2、TiO2/SiO2、SiO2、氧化鐵、云母、TiO2/云母、鋁銀粉或CaF2納米微粒中的一種或幾種。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的光成像功能膜，其特征在于所述納米微粒的大小為10-500納米。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的光成像功能膜，其特征在于所述納米微粒的大小為80-120納米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光成像功能膜，以重量百分數(shù)計，由以下原料和用量組成，主體材料65－98％；納米微粒1－20％；助劑1－30％，所述納米微粒分散于主體材料中，形成具有1微米到10微米的超微球結(jié)構(gòu)的膜。本發(fā)明光成像功能膜利用數(shù)目極多的微米球充當微透鏡陣列改變光路或者聚焦成像，因而光成像功能膜光學結(jié)構(gòu)均勻，光能利用率高，圖像鮮艷飽滿，有效遏制了亮斑效應、色暈現(xiàn)象、色移現(xiàn)象，具有較高分辨率和高增益、寬視角、高亮度、高對比、不受環(huán)境光影響的圖象，可用于正投、背投的新型投影顯示屏幕。
文檔編號G03B21/56GK1641478SQ20041000125
公開日2005年7月20日 申請日期2004年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月5日
發(fā)明者姚建年, 陳朝暉 申請人:中國科學院化學研究所