专利名称：一种光成像功能膜的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光成像功能膜，属于成像显示技术领域。
背景技术：
目前，常见的大画面视频显示装置有下列几种大屏幕电视机、电视幕墙、LED电子显示屏、等离子显像器(PDP)及投影电视机。但是大屏幕电视机、电视幕墙、LED电子显示屏、等离子显像器(PDP)等制作工艺复杂，成本很高，加之体积庞大、笨重，在大画面视频显示中的开发难度越来越大。投影电视机的结构最轻巧，使用最方便，且价格低廉，因而成了对角线尺寸在50英寸以上大画面视频显示装置中发展最快、使用最为广泛的一种设备。投影屏幕是投影电视的重要组成部分，其质量好坏对放映的效果有很大的影响。
现有投影机使用的屏幕大部分是正投，机幕都暴露在整个厅室里，投影光束都在一定距离的条件下横过空间，观众在大厅往往都是沿着水平的方面落座，大部分观众的视觉都程度不同地受投影光束的干预和影响，极大的影响视力健康。投影机另一种使用是背投，背投是在背后投影投放图像显示的，由于对视力影响不大，比较适应各种环境条件观看的。背投屏幕作为背投显示的一个重要组成部分，随着人们生活水平的不断提高，市场需求量越来越大，但市场上各类背投影屏大部分依靠进口或由国内技术成本较高的厂商供应产品价格一般在6000元/m2以上，并且市场上现有背投式屏幕应用具有局限性，真正适合LCD、LCOS背投影的产品较少。由于背投影设备中光线的折射、反射(一般投影光路上要加一道或多道反射镜或透镜)损失一部分，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图像不清晰，字幕画面亮度不均匀等重要问题，影响了观众观赏的质量效果。尤其是一般背投屏幕的最大缺点中心亮度较高，屏幕中心出现的太阳效应，目前即使比较先进设计的光学投影镜头的中心亮度和边缘亮度均匀率也相差25％左右。背投屏幕另一常见缺点是角度效应，即在背投前方能观看到亮的投影成像，但偏转一定角度后投影成像明显减弱乃致黑屏。目前市场上的背投屏幕的以上缺点影响了投影机的使用效果，急需解决。
目前可以作为背投影屏幕的常见的有以下几种形式扩散式屏，带菲涅耳透镜的扩散屏，双凸面屏，带菲涅耳透镜的双凸面屏，正交双凸透镜阵列屏，球面透镜阵列屏等。其中球面透镜阵列式屏是最为理想的一种微结构屏，其设计形式有很多类型，由于结构复杂，制备困难，国内还没有产品出现。
发明内容
本发明目的就是借鉴球面透镜阵列屏的成像原理，设计出一种价格低廉，能实现高画质、大屏幕显示的类微型球面结构的光成像功能膜。本发明光成像功能膜设计采用类似微型球面透镜的光学结构，即功能膜内由均匀排列的类微型球面透镜的集合组成。
本发明的光成像功能膜，以重量百分数计，由以下原料和用量组成主体材料 65-98％纳米微粒 1-20％助剂 1-30所述纳米微粒分散于主体材料中，具有1微米到10微米的超微球结构。
所述主体材料为聚乙烯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺或聚氨酯中的一种或几种。
所述纳米微粒为TiO2、TiO2/SiO2、SiO2、氧化铁、云母、TiO2/云母、铝银粉或CaF2纳米微粒中的一种或几种。所述纳米微粒的大小优选为10-500纳米，最优为80-120纳米。
所述助剂为二苯甲酮、偶氮二异丁腈、邻苯二甲酸酯、十二烷基磺酸钠、过硫酸铵、硬脂酸钡、硬脂酸镉或有机锡中的一种或几种。
所述纳米微粒按一定方法分散于透明度较高的主体材料，形成了1微米到10微米的超微球结构，即形成类微型球面透镜的集合的薄膜。此超微球结构对投影光线产生折射、反射和散射作用，使部分光线聚焦，另一部分则散射，达到成像和分散光的目的。
用纳米材料制备有均匀分散的超微球结构的光成像功能膜是采用溶液法实现的选择适当的溶剂溶解主体材料和纳米微粒，加入助剂，得到均分散的溶液或浊液。然后可直接喷涂、涂敷在所需的基底上(玻璃、石英、塑料薄膜或有机玻璃等)成膜，也可先溶剂蒸发脱模成为纳米微粒均匀分散主体材料的块材，再将块材加热挤压为薄膜。所述的溶剂为水、乙醇、甲醇、甲酸、异丙醇、二甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃(THF)、甲苯、二甲苯、三氯甲烷、四氯化碳等卤代烷烃等中的任何一种或多种混合溶液，通过基底直接喷涂或涂敷为薄膜。溶液制备的光成像功能膜一般通过短时间的紫外线处理能有效提高膜的机械和光学性能。
本发明光成像功能膜的主体材料采用光学高分子材料，一般化学性能十分稳定，耐强酸、强碱、抗老化、强度高，透射系数大，亮度高可在较复杂的环境下使用。主体材料与均匀分散于其内的纳米微粒组成功能膜的主体，功能膜内形成1微米到10微米的超微球，光学行为表现类微型球面透镜的功能。膜内形成的超微球构成微型球面透镜集合，本发明利用溶液中高分子的主体材料与纳米超微粒和溶剂以及助剂之间的相互作用，容易形成区域胶团的特性，当溶剂挥发以后，这些区域胶团就形成超微球，大小能有效控制为1微米到10微米不等。光成像功能膜中均匀排列的超微球就具有微型球面透镜阵列的类似功能，见图3。图1为本发明光成像功能膜表面的显微放大图象，可以清晰的看到功能膜内的大量1到3微米的超微球。图2为光成像膜的扫描电子显微镜图象，可以清晰的看到其由大量纳米微粒构成。
本发明光成像功能膜的成像原理示意图如图3，当光线投影到功能膜上时，均匀排列的类微型球面透镜就对光线产生折射、反射和散射作用，使部分光线聚焦，另一部分则散射，达到成像和分散光的目的。比如一幅50英寸的屏幕，当类球面透镜大小被有效控制为5微米时，类球面镜相互间中心距6微米时，则有300亿个微型球面镜。其光学结构均匀，设计可控性高，使图像亮度均匀，精细柔和，是较为理想的背投影屏幕。这种结构背投影屏幕无须用菲涅耳透镜或其他透镜系统即可进行聚光和扩散并且可以用于70-100英寸以上的大画面显示。
由于本发明光成像功能膜获得的显示薄膜突破了传统背投技术的局限，光线在屏内的传递不是靠简单的散射或透射，而是利用数目极多的微米球充当微透镜阵列改变光路或者聚焦成像，因而光成像功能膜光学结构均匀，光能利用率高，图像鲜艳饱满，有效遏制了亮斑效应、色晕现象、色移现象，具有较高分辨率和高增益、宽视角、高亮度、高对比、不受环境光影响的图象，因而可于正投、背投的新型投影显示屏幕方面，如多媒体背投影，背投一体彩电、电视幕墙，高清晰度电视等。利用本发明的方法制备的投影屏幕，具有高亮度、高分辨率、高色彩保真、高对比度、视角宽、不同角度无色漂移、无反光、一致性强、成本低、重量轻等优点。可做成超大尺寸，任意三维(立体)形状，可切断，可弯曲，可正投、背投，360°观看。不受环境光线的影响，应用范围极广，可用于大屏幕HDTV，音乐厅，会议室，商场，飞机场，展览馆，餐厅，广告板，控制室幕墙，高分辨监视器等。
本发明在制备上还具有以下优点1)溶液法选用已有的主体材料，这些主体材料容易得到，性能稳定可靠(光学、热学、化学和光化学等方面)，对环境影响小，并且易于大规模生产；2)制备的光散射成像功能膜中纳米微粒的组成高，不仅可以有效提高薄膜的机械性能，更主要的是高组成的纳米微粒可以得到更高亮度的投影成像，提高功能薄膜的成像效果；3)易于得到高性能的薄膜，因质量轻，强度高，尤其适用于超大屏幕，同时降低成本；4)由于成像的确光学结构是在主体材料里面，制备光成像功能膜的主体材料机械强度高，化学性能稳定可靠，因此保养也比较容易。
图1为实施例6光成像膜表面的显微放大图象，50×50微米图2为实施例6光成像膜的扫描电子显微镜图象，2.0×1.6微米图3为光成像功能膜的成像原理示意图
具体实施例方式
以下各实施例中的原料总量(100％)为100克。
实施例1聚乙烯醇95％加热溶于热水中，冷却至室温。然后依次加入十二烷基磺酸钠1％，100nm TiO2纳米微粒2％，过硫酸铵1％，二苯甲酮1％，有效搅拌并加热得到均分散的稠状液。然后涂敷在玻璃上。真空干燥蒸发溶剂，并在60℃时真空干燥处理10小时，得到TiO2纳米微粒分散的有超微结构的聚乙烯醇薄膜。所得薄膜用紫外线处理10分钟以提高薄膜的光学和机械性能。用日本NEC公司产的MT830G前投影仪背投影成像，用CA-100CRT彩色分析仪检测，表现出好的性能。其中亮度为同等商用背投影机的1.5倍以上，无色彩漂移，明暗对比度为150∶1以上，中心与边缘亮度差异为20％以下，视角接近180度。
实施例2聚苯乙烯65％溶于氯仿/甲苯中，然后依次加入10nm氧化铁纳米微粒10％，过硫酸铵1％，二苯甲酮1％，邻苯二甲酸酯20％，偶氮二异丁腈3％，得到均分散的溶液。然后将所得溶液喷涂在石英板上。真空干燥蒸发溶剂，并在40℃时真空干燥处理10小时，得到氧化铁纳米微粒分散的有超微结构的聚苯乙烯薄膜。所得薄膜用紫外线处理1分钟以提高薄膜的光学和机械性能。用日本NEC公司产的MT830G前投影仪背投影成像，用CA-100CRT彩色分析仪检测，表现出好的性能。其中亮度接近同等商用背投影机，有轻微的色彩漂移，明暗对比度为100∶1以上，中心与边缘亮度差异为25％以下，视角接近180度。
实施例3聚乙烯92％溶于甲苯/THF中，然后依次加入200nm Al2O3纳米微粒1％，二苯甲酮1％，邻苯二甲酸酯5％，偶氮二异丁腈1％，十二烷基磺酸钠1％，得到均分散的溶液。然后将所得溶液分别直接喷涂在塑料薄膜上。自然干燥蒸发溶剂，得到Al2O3纳米微粒分散的有超微结构的聚乙烯薄膜。所得薄膜用紫外线处理0.5分钟以提高薄膜的光学和机械性能，表现出好的性能。
实施例4
聚氯乙烯75％溶于DMF中，然后依次加入500nm云母纳米微粒10％，二苯甲酮1％，邻苯二甲酸酯10％，偶氮二异丁腈2％，十二烷基磺酸钠2％，得到均分散的溶液。然后将所得溶液涂敷在有机玻璃上。真空干燥蒸发溶剂，得到云母纳米微粒分散的有超微结构的聚氯乙烯薄膜。所得薄膜用紫外线处理3分钟以提高薄膜的光学和机械性能，表现出好的性能。
实施例5聚酰胺75％溶于甲酸中，然后依次加入150nm TiO2纳米微粒20％，十二烷基磺酸钠5％，得到均分散的溶液。然后将所得溶液涂敷在玻璃上。真空干燥蒸发溶剂，并在60℃时真空干燥处理24小时，得到TiO2纳米微粒分散的有超微结构的聚酰胺薄膜。所得薄膜用紫外线处理20分钟以提高薄膜的光学和机械性能。用日本NEC公司产的MT830G前投影极投影成像，用CA-100CRT彩色分析仪检测，表现出好的性能。其中亮度为同等商用背投影机的1.5倍以上，有轻微的色彩漂移，明暗对比度为200∶1以上，中心与边缘亮度差异为20％以下，视角接近180度。
实施例6聚甲基丙烯酸酯80％溶于THF/甲醇混合溶剂中，然后依次加入40nmSiO2纳米微粒15％，二苯甲酮1％，偶氮二异丁腈1％，十二烷基磺酸钠3％，得到均分散的溶液。然后将所得溶液分别涂敷在玻璃上。真空干燥处理24小时，得到SiO2纳米微粒分散的有超微结构的聚甲基丙烯酸酯薄膜。所得薄膜用紫外线处理8分钟以提高薄膜的光学和机械性能。用日本Sony公司产的VPL-PX11前投影仪背投影成像，用Klein-1彩色分析仪检测，表现出好的性能。其中亮度为同等商用背投影机的1.5倍以上，无色彩漂移，明暗对比度为200∶1以上，中心与边缘亮度差异为20％以下，视角接近180度。
实施例7聚丙烯65％溶于二氯甲烷中，然后依次加入200-500nm铝银粉纳米微粒1％和500nm CaF2纳米微粒9％，二苯甲酮10％，邻苯二甲酸酯5％，偶氮二异丁腈10％，得到均分散的悬浮液。然后将所得悬浮液分别涂敷玻璃塑料薄膜上。自然干燥蒸发溶剂，得到铝银纳米微粒和CaF2纳米微粒均匀分散的聚丙烯薄膜。所得薄膜用紫外线处理0.5分钟以提高薄膜的光学和机械性能。用日本Sony公司产的VPL-PX11前投影仪前投影成像，表现出好的性能。漫散射光弱，有好的方向性，亮度高，无色彩漂移，明暗对比度高，视角接近90度。
实施例8将甲基丙烯酸酯65％和120nm SiO2纳米微粒2％混合，充分搅拌至均匀。在75℃下加入增塑剂邻苯二甲酸酯22％，二苯甲酮10％和引发剂偶氮二异丁腈1％，同时加入少量脱模剂硅油，充分搅拌至均匀成溶液，进行引发聚合。灌模，在45℃进行28小时的预聚。剧烈升温至75℃，强烈聚合2小时。随炉冷却，脱模。在100℃时加热挤压成膜，得到SiO2纳米微粒分散的有超微结构的聚甲基丙烯酸酯薄膜。所得薄膜用紫外线处理10分钟以提高薄膜的光学和机械性能。用日本Sony公司产的VPL-PX11前投影仪背投影成像，用Klein-1彩色分析仪检测，表现出好的性能。其中亮度为同等商用背投影机的1.5倍以上，无色彩漂移，明暗对比度为200∶1以上，中心与边缘亮度差异为20％以下，视角接近180度。
实施例9均苯四甲酸酐55％和对苯二胺35％分别溶解于DMF溶液中，在密闭和强力搅拌条件下，将苯四甲酸酐的DMF溶液缓慢滴加到对苯二胺的DMF溶液中，15℃反应1小时，然后升温至25℃，继续搅拌反应3小时得到深绿色有些粘稠的聚酰胺酸的DMF溶液。密闭搅拌条件下，将100nm TiO2纳米微粒10％加到以上溶液，继续搅拌1小时，用超声波发生器中超声反应2小时，密闭陈化48小时。用浸渍法将溶液在有机玻璃上成膜，自然干燥24小时。然后分别置于60℃，100℃，200℃和300℃下分别热处理6小时，1小时，1小时和3小时，即制成TiO2纳米微粒分散的有超微结构的聚酰亚胺薄膜。
实施例10聚氯乙烯90％、邻苯二甲酸酯7％、硬脂酸钡1％、120nm SiO2纳米微粒2％。将聚氯乙烯、邻苯二甲酸酯、硬脂酸钡和SiO2纳米微粒共混，用螺杆挤压机在180℃融化后再挤压捏合为SiO2纳米微粒分散的有超微结构的主体材料的块材，此块材可加热挤压为功能薄膜。
实施例11
聚乙烯80％、聚氨酯4％、500nm CaF2纳米微粒15％、硬脂酸镉1％。聚乙烯、聚氨酯、CaF2纳米微粒和硬脂酸镉共混，用螺杆挤压机在220℃融化后再挤压捏合为纳米微粒均匀分散的主体材料的块材，此块材加热挤压为100微米厚的近透明的功能薄膜。用日本Sony公司产的VPL-PX11前投影仪斜投影成像，表现出好的性能。其中成像亮度高，无色彩漂移，明暗对比度为50∶1以上，视角接近360度。
实施例12聚丙烯65％、邻苯二甲酸酯20％、硬脂酸钡1％、50nm TiO2纳米微粒14％。将聚丙烯、邻苯二甲酸酯、硬脂酸钡和TiO2纳米微粒共混，用螺杆挤压机在210℃挤压捏合为TiO2纳米微粒分散的有超微结构的主体材料的块材，此块材可加热挤压为薄膜。
实施例13聚苯乙烯75％、硬脂酸钡2％、10nm氧化铁纳米微粒23％。将聚苯乙烯、硬脂酸钡、和氧化铁纳米微粒共混，用螺杆挤压机在170℃挤压捏合为氧化铁纳纳米微粒均匀分散的主体材料的块材，此块材可加热挤压为薄膜。
实施例14聚丙烯酸酯65％、邻苯二甲酸酯25％、硬脂酸钡3％、200nm Al2O3纳米微粒7％。将聚丙烯酸酯、邻苯二甲酸酯、硬脂酸钡和Al2O3纳米微粒共混，用螺杆挤压机在210℃挤压捏合为Al2O3纳米微粒均匀分散的有超微结构的主体材料的块材，此块材加热挤压为薄膜。用日本Sony公司产的VPL-PX11前投影仪背投影成像，用Klein-1彩色分析仪检测，表现出好的性能。其中亮度为同等商用背投影机的1.5倍以上，无色彩漂移，明暗对比度为100∶1以上，中心与边缘亮度差异为30％以下，视角接近180度。
权利要求
1.一种光成像功能膜，以重量百分数计，由以下原料和用量组成主体材料65-98％纳米微粒1-20％助剂1-30所述纳米微粒分散于主体材料中，具有1微米到10微米的超微球结构。
2.根据权利要求1的光成像功能膜，其特征在于所述主体材料为聚乙烯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺或聚氨酯中的一种或几种。
3.根据权利要求1的光成像功能膜，其特征在于所述助剂为二苯甲酮、偶氮二异丁腈、邻苯二甲酸酯、十二烷基磺酸钠、过硫酸铵、硬脂酸钡、硬脂酸镉或有机锡中的一种或几种。
4.根据权利要求1的光成像功能膜，其特征在于所述纳米微粒为TiO2、TiO2/SiO2、SiO2、氧化铁、云母、TiO2/云母、铝银粉或CaF2纳米微粒中的一种或几种。
5.根据权利要求4的光成像功能膜，其特征在于所述纳米微粒的大小为10-500纳米。
6.根据权利要求5的光成像功能膜，其特征在于所述纳米微粒的大小为80-120纳米。
全文摘要
本发明公开了一种光成像功能膜，以重量百分数计，由以下原料和用量组成，主体材料65－98％；纳米微粒1－20％；助剂1－30％，所述纳米微粒分散于主体材料中，形成具有1微米到10微米的超微球结构的膜。本发明光成像功能膜利用数目极多的微米球充当微透镜阵列改变光路或者聚焦成像，因而光成像功能膜光学结构均匀，光能利用率高，图像鲜艳饱满，有效遏制了亮斑效应、色晕现象、色移现象，具有较高分辨率和高增益、宽视角、高亮度、高对比、不受环境光影响的图象，可用于正投、背投的新型投影显示屏幕。
文档编号G03B21/56GK1641478SQ20041000125
公开日2005年7月20日 申请日期2004年1月5日 优先权日2004年1月5日
发明者姚建年, 陈朝晖 申请人:中国科学院化学研究所