CN100495202C

CN100495202C - 一种纳米涂层背投显示屏的制备方法

Info

Publication number: CN100495202C
Application number: CNB2007101201455A
Authority: CN
Inventors: 王琳; 马斌; 钟家湘; 王书俊
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2007-08-10
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2027-08-10
Also published as: CN101114117A

Abstract

本发明涉及一种纳米型涂层背投显示屏的制备方法，属于光电显示技术领域。背投显示屏包括透明基片和包括光散射填料在内的功能纳米涂层；选择具有一定折射率的某些稀土氧化物、氧化物和钡盐，平均粒径约为几十～三百纳米的光散射填料纳米粉体；将纳米粉体与分散剂混合分散均匀，并按比例加入到成膜剂、稀释剂、增灰剂中，进行充分砂磨至混合均匀。对透明基片进行预磨或打毛预处理；将混合浊液注入喷枪喷嘴中，采用5～10m/s速度，逐行、逐层对基片喷涂3～5层，涂层总厚度小于10μm。基片选用聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯和玻璃等透明材料。形膜剂选用硝基清漆、丙烯酸或聚乙烯醇缩丁醛，稀料、酒精为稀释剂，分散剂选用氟碳类分散剂，增灰剂选用高色素炭黑、汽车黑漆或石墨。

Description

一种纳米涂层背投显示屏的制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有超高清晰度、高亮度、高视角、制备工艺简便、工艺稳定性强的纳米涂层光学背投显示屏的制备方法，属于光电显示技术领域。

背景技术

随着光电子技术的发展，图像显示及其显示终端成为现代信息传播和交流的重要手段。显示屏幕按其使用特点可分为正投屏幕和背投屏幕。背投屏幕又称为透射屏幕，观察者和放映装置在屏幕的两侧，屏幕的作用是将放映的图像清晰地显示出来，并向相同的方向投射出来。背投屏幕能够显示图像是依靠屏幕材料的透光能力、吸收能力、散射能力，图像的亮度依赖于透过光的多少，全透过则无图像，一定的吸光能力对图像的对比度是不可缺少的，而光散射能力是产生高视角的条件。

对于透射屏幕按其结构不同可将其分为三类：整体平板式、结构式和表面涂层式。整体平板式屏幕是指在透明的聚合物平板中，加入特种光吸收和光散射物质。该类屏幕具有可视角很高、成本较低、对比度较高等主要优点，但往往亮度和清晰度较低。整体平板式屏幕通常采用聚合浇铸的方法制备。

结构式透射屏幕由多层膜片组成，主要包括菲涅耳透镜、中性灰散射层和柱面透镜。这类透射显示屏的亮度系数不太高，可视角适中，由于柱面镜有吸光能力很强的黑色栅条，可以很大程度上提高屏幕的对比度，但分辨率或清晰度往往由此受到限制。由于结构、制备工艺复杂而导致成本很高。结构式透射屏幕通常采用光学结构幕之间的粘接剂粘结、幕布表面用丝网印刷、滚涂或刮涂方式涂布一层增透膜或不透光膜。

表面涂层式屏幕是指在透明的聚合物平板表面，印刷或喷涂一种具有特种光吸收和光散射性质物质的涂层。通过控制涂层的浓度和厚度而使亮度系数在一个宽泛的范围内变化，可视角可以很大，图像清晰度高，对比度适中。由于其制造方法简便，成本很低而具有广阔的应用前景。然而，采用传统的涂层材料制备的显示屏往往存在以下缺点，屏幕的清晰度不高；当可视角很大时，图像的亮度往往很低；或当亮度系数很高时，屏幕容易出现中心亮斑或太阳效应，即图像的亮度和可视角很难达到一个较好的配合，从而影响了观看效果。究其原因，在于采用传统的印刷或喷涂制备方法往往工艺参数选择不恰当、光吸收和光散射物质选择不恰当，如喷涂粒子粒径较大而造成的。

选择纳米材料作为光吸收和光散射材料应用于背投显示屏在国内始见于专利CN 1641478A、CN 1327171A、CN 1392163A、CN 1677230。中国专利CN 1641478A公开了一种光成像功能膜，采用聚乙烯等为主体材料，TiO₂、SiO₂、氧化铁、云母等纳米微粒以一定比例分散于主体材料中，形成1～10μm的超微球结构。在专利CN 1327171A中，采用将纳米粉体与主体材料均匀混合，聚合成无源图像光材料；在专利CN 1392163A中，发明人在CN 1327171A基础上加入了增塑剂，制备成柔性软屏，可卷曲；专利CN1677230在前两个专利基础上，进一步改进了制备的工艺方法。以上这些制备方法均采用了纳米粉体材料，但制备的是整体平板式显示屏，而非涂层式背投显示屏。

在制备涂层式背投显示屏中，往往采用丝网印刷、滚涂或刮涂的工艺方法，在结构幕之间采用透光或不透光的粘接剂进行粘结。如专利CN1428649、CN 1350510、US6,369,944(April9，2002)中所述。在US6,369,944专利涉及了涂层式正投和背投显示屏，显示屏包括基底和光扩散涂层，涂层包含了具有一定折射率的基体和与基体具有不同折射率的涂层微粒。这些专利中采用的涂层材料不是纳米粒子，图像的清晰度普遍不高。

在美国专利US6,869,195(March 22，2005)中，提到了采用包括光吸收和透明层的光透射膜，屏幕具有微结构的前表面和后表面。在透明层的微结构后表面上，有一层光学涂层薄膜。美国专利US7,046,439(May 16，2006)阐述了填充粒子粒径小于100nm的光学膜的制备方法，纳米微粒为微珠，该光学膜表面粗糙度Ra在3～200μm，同时为了增加光散射效应，光学膜还采用了菲涅尔微透镜结构。

从以上相关的专利文献中可以看出，纳米材料尽管有应用于透射显示屏中的事例，但都是针对整体浇铸式(CN 1641478A、CN 1327171A、CN1392163A、CN 1677230，US 7,046,439)；而涂层透射显示屏(US 6,369,944、US 6,869,195)中采用的粒子粒径不是纳米级，其分辨率具体数值没有给出。而有关涂层背投显示屏的制备工艺方法还很少见诸报道。

随着背投显示屏使用环境的日益多样化，对屏幕的性能指标要求越来越高。目前对背投显示屏的一个重要的性能指标要求是图像非常细腻丰富，分辨率要很高，亮度和可视角在一定范围内能够调整并相互协调。本发明基于光散射填料粒子与入射光的相互作用原理，结合纳米材料的粒径特点以及由此而产生的特殊的光学效应，探索制备功能纳米涂层背投显示屏的新工艺和新途径，以期获得具有超高分辨率、高亮度系数和大可视角的背投显示屏。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有超高清晰度、高亮度、高视角的纳米涂层背投显示屏的制备方法。

本发明的技术方案如下：

选择透明基片和包括光散射填料在内的功能纳米涂层；

选择一定折射率范围、一定粒径的光散射填料纳米粉体；

将纳米粉体与分散剂混合分散均匀，并按比例加入到成膜剂、稀释剂、增灰剂中，进行充分砂磨至混合均匀；对透明基片进行预磨或打毛预处理；将混合浊液注入喷枪喷嘴中，逐行、逐层对基片进行喷涂。

选择透明基片的透明度≥90％，该透明基片选自包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)在内的有机透明材料及玻璃透明材料。

散射光的强弱取决于涂层中填料和形膜剂的折射率之差，折射率差值越大，则光的散射性能越强，得到可视角越大。为了增大光的散射性能和屏幕的可视角，本发明选择折射率高且其透明的波长范围涵盖可见光波长范围(0.4～0.8μm)的粉体材料。所述粉体材料折射率优选为1.5～3，较优为1.8～2.8，最优为1.9～2.5。

光散射填料纳米粉体包括氧化钇、氧化铈、氧化镧等稀土氧化物、氧化硅、氧化铝、氧化钛、氧化锌、硫化锌、氧化锆、稀土三基色氧化物、硫酸钡、碳酸钡、钛酸钡等钡盐。

所述的制备方法，选择光散射填料是氧化钇、氧化铈、氧化镧稀土氧化物中的一种。

所述的制备方法，选择光散射填料为氧化硅、氧化铝、氧化钛、氧化锌、氧化锆、硫化锌、稀土三基色氧化物、硫酸钡、碳酸钡、钛酸钡等钡盐中的一种。

所述的制备方法，选择稀土氧化物和氧化物中的某两种混合物。

光散射粉体材料的粒度尺寸对屏幕性能也有影响。当粉体粒度很大时，光线的透过率大大降低，亮度系数或增益受到影响。根据入射光与光散射填料的相互作用原理，选择较小的合适的粉体尺寸。所述粉体粒径优选为80～300nm，较优为100～250nm，最优选为150～200nm。

所述的稀土氧化物光散射填料包括氧化钇、氧化铈、氧化镧、氧化钛等氧化物采用共沉淀法制备。所述的光散射填料为BaTiO₃、BaSO₄等钡盐，采用热处理方法，加热温度为700～800℃，保温时间为1～4小时制备。

所述纳米粉体光散射填料的含量为3～10wt％。

所述的光散射填料还包括成膜剂和稀释剂，其中成膜剂和稀释剂的比例为1：1～2：1。所述的成膜剂为硝基清漆、丙烯酸时，稀释剂为稀料；成膜剂为聚乙烯醇缩丁醛时，稀释剂为酒精。

所述的光散射填料还包括氟碳类分散剂，加入量为0.1～0.3wt％。增灰剂可以是高色素碳黑、汽车黑漆、石墨中的任何一种，加入量为0.05～0.2wt％。

所述的制备方法是对基片进行预磨处理，包括喷砂打毛和金刚石研磨膏预磨，以增加显示屏的光散射性能。

所述的制备方法将纳米粉体与分散剂混合分散均匀，并按一定比例加入到成膜剂、稀释剂、增灰剂中，进行充分砂磨至混合均匀，得到喷涂浊液。

所述的制备方法，喷枪喷涂速度为5～10m/s，以使浊液雾化均匀。由于屏幕较大，喷斑尺寸往往远小于屏幕尺寸。喷涂时采用喷枪沿屏幕逐行喷涂的方式，每一行与上一行重叠1/4喷斑，直至喷涂完成整块屏幕，形成一层涂层。在每一行喷涂后，静置几分钟待稀释剂挥发，形膜剂固化，进行下一行喷涂。在进行第二层喷涂时，改变与上一层两行喷斑重叠的位置，以使整体涂层均匀。重复喷涂3～5层。膜层总厚度不大于10μm，以屏幕不透光、无中心亮斑为准。

本发明的有益效果在于：与现有的表面涂层光学显示屏、整体浇注式以及结构式屏幕的制备方法相比，本发明采用了一定折射率、粒径在纳米级的光散射填料，根据所选材料和粒径能够使透光性和散射性能在一定范围内调整，制备工艺简便、工艺重复性好、涂层均匀、自动化控制程度高、涂层和基片粘结强度高，喷涂不受原始屏幕形状和尺寸的限制，是大屏幕、拼接屏幕和异形屏幕的首选。根据本发明制备的纳米涂层以及由此制备的背投显示屏，利用纳米材料特殊光效应获得具有高清晰度、高亮度、高视角、低成本的显示屏，开辟了制备高清晰涂层式背投显示屏的新途径。

具体实施方式

屏幕光学性能的测试根据相应的机械行业标准(JB/T8380-2001)进行。性能指标包括亮度系数β、有效散射角(也称可视角)2α、对比度、清晰度或分辨率、色彩还原性、光学均匀性等。其中可视角2α是屏幕透射亮度以0⁰观看角的亮度值为基准、其亮度下降不大于50％的水平观看角α的两倍。该角度的度量屏幕法线为基准，法线一侧为α，两侧就是2α。

在所述显示屏的性能表征中，由于亮度系数普遍较高，在高亮度的条件下用可视角2α来评价屏幕性能并不是很科学的。因为目前用可视角2α来评价屏幕性能是基于以往制备技术水平和所能达到的屏幕性能。就目前的技术水平来说，当可视角符合行业标准目标时，屏幕的亮度系数还能很高，观看者仍能看到非常明亮的图像。因此行业标准规定的2α角已不太适应人们目前对屏幕性能评价的要求。

因此，基于目前的需要和技术水平，本发明提出有效可视角2α₁的概念来表征屏幕的性能。有效可视角2α₁表示银幕透射亮度以0⁰观看角的亮度值为基准、其亮度系数或增益下降到1的水平观看角α₁的两倍。该角度的度量以屏幕法线为基准，法线一侧为α₁，两侧就是2α₁。

在实际屏幕中，当β＝1时，有效可视角2α₁一般高于2α。此时β＝1的屏幕位置上的亮度还高于漫散射屏幕的亮度，在实际观看中，观看者仍能看到十分清晰的图像。因此，在以下的屏幕性能表征中，同时采用了可视角2α和有效可视角2α₁两种指标来表征屏幕的光学性能。

实施例1：

采用共沉淀法制备平均粒径在150nm左右的La₂O₃纳米粒子。

在PMMA透明基片上，对基片表面进行喷砂预处理，形成均匀打毛层。将175ml硝基清漆+175ml稀料+10wt％La₂O₃+0.3wt％分散剂+0.2wt％高色素碳黑增灰剂进行砂磨一小时得到均匀混合浊液，将浊液倒入喷枪中。采用5m/s速度喷涂，浊液需雾化充分。喷涂时采用喷枪沿屏幕逐行喷涂的方式，每一行与上一行重叠1/4喷斑，直至喷涂完成整块屏幕，形成一层涂层。在每一行喷涂后，静置几分钟待稀释剂挥发，形膜剂固化，进行下一行喷涂。在进行第二层喷涂时，改变与上一层两行喷斑重叠的位置，以使整体涂层均匀。重复喷涂5层。测试显示屏的光学特性，得到亮度系数为6，可视角2α为40°，有效可视角2α₁为120°，分辨率为120线对/mm。

实施例2：

采用共沉淀法制备粒径在120nm左右的Y₂O₃纳米粒子。

重复实施例1中的各步骤。但以Y₂O₃粉体来取代La₂O₃。将200ml聚乙烯醇缩丁醛基漆+150ml酒精+8wt％Y₂O₃+0.3wt％分散剂+0.1wt％高色素碳黑增灰剂进行砂磨得到均匀浊液。采用5m/s速度喷涂，重复喷涂4层。测试显示屏的光学特性，得到亮度系数为6，可视角2α为25°，有效可视角2α₁为60°，分辨率为120线对/mm。

实施例3：

采用共沉淀法制备粒径在200nm左右的TiO₂纳米粒子。

重复实施例1中的各步骤。但在PC透明基片上，采用金刚石研磨膏对基片表面进行预磨处理。将175ml丙烯酸基漆+175ml稀料+5wt％TiO2粉+0.2wt％分散剂+0.15wt％高色素碳黑增灰剂进行砂磨半小时得到均匀浊液。采用10m/s速度喷涂，重复喷涂5层。测试显示屏的光学特性，得到亮度系数为4，可视角2α为50°，有效可视角2α₁为90°，分辨率为120线对/mm。

实施例4：

采用热处理方法制备获得平均粒径为300nm的BaSO₄。

重复实施例1中的各步骤。在PC透明基片上，采用喷砂对基片表面进行处理，形成均匀的打毛层，将350ml硝基清漆+170ml稀料+10wt％BaSO₄粉+0.3wt％分散剂+0.2wt％高色素碳黑增灰剂进行砂磨一小时得到均匀浊液。采用10m/s速度喷涂，重复喷涂3层。测试显示屏的光学特性，得到亮度系数为5.6，可视角2α为36°，有效可视角2α₁为120°，分辨率为120线对/mm。

实施例5：

采用平均粒径为150nm的La₂O₃+平均粒径为200nm的TiO₂的混合粉体作为光散射填料。

重复实施例1中的各步骤。在PC透明基片上，采用喷砂对基片表面进行预处理，形成均匀打毛层，将170ml硝基清漆+170ml稀料+8wt％La₂O₃+2wt％ TiO₂+0.3wt％分散剂+0.2wt％高色素碳黑增灰剂进行砂磨一小时得到均匀浊液。采用10m/s速度喷涂，重复喷涂3层。测试显示屏的光学特性，得到亮度系数为2.9，可视角2α为42°，有效可视角2α₁为60°，分辨率为120线对/mm。

实施例6：

采用平均粒径为80nm的CeO₂+平均粒径为200nm的SiO₂的混合粉体作为光散射填料。

重复实施例1中的各步骤。在PC透明基片上，采用喷砂对基片表面进行预处理，形成均匀打毛层，将170ml硝基清漆+170ml稀料+7wt％CeO₂+2wt％ SiO₂+0.3wt％分散剂+0.2wt％高色素碳黑增灰剂进行砂磨一小时得到均匀浊液。采用5m/s速度喷涂，重复喷涂3层。测试显示屏的光学特性，得到亮度系数为4，可视角2α为30°，有效可视角2α₁为46°，分辨率为120线对/mm。

通过所述制备方法制备的涂层式显示屏的亮度系数在2～6之间调整，无亮斑或太阳效应；大可视角，在无柱面镜和高亮度条件下，可视角在25°～80°之间，有效可视角(增益为1时的可视角)在50°～150°之间；高清晰度，分辨率达到110线对/mm，优于目前整体式和结构式背投显示屏。

Claims

1.一种纳米涂层背投显示屏的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)选择包括透明度≥90％的聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯有机透明材料或玻璃透明材料在内的透明基片；

(2)选择折射率在1.5～3范围、粒径为80～300nm的氧化钇、氧化铈、氧化镧稀土氧化物、氧化硅、氧化铝、氧化钛、氧化锌、硫化锌、氧化锆、稀土三基色氧化物、硫酸钡、碳酸钡或钛酸钡作为光散射填料纳米粉体；

(3)将(2)所述的一种或两种光散射填料纳米粉体与氟碳类分散剂混合分散均匀，并按3～10wt％比例加入到硝基清漆、丙烯酸或聚乙烯醇缩丁醛为成膜剂、稀料或酒精为稀释剂、高色素碳黑或汽车黑漆为增灰剂中，进行充分砂磨至混合均匀，制备出光散射填料；

(4)该光散射填料的制备包括纳米粉体、成膜剂和稀释剂，其中成膜剂和稀释剂的比例为1：1～2：1；成膜剂为硝基清漆或丙烯酸时，稀释剂为稀料；成膜剂为聚乙烯醇缩丁醛时，稀释剂为酒精；

(5)对透明基片进行预磨或打毛预处理；

(6)将光散射填料的混合喷涂浊液注入喷枪中，逐行、逐层对基片进行喷涂。

2.如权利要求1所述的一种纳米涂层背投显示屏的制备方法，其特征在于：采用5～10m/s喷涂速度，逐行、逐层进行喷涂3～5层，涂层总厚度小于10μm。

3.如权利要求1所述的一种纳米涂层背投显示屏的制备方法，其特征在于：功能纳米涂层还包括氟碳类分散剂和高色素碳黑或汽车黑漆增灰剂。

4.如权利要求1所述的一种纳米涂层背投显示屏的制备方法，其特征在于：光散射填料为稀土氧化物或氧化物时采用共沉淀法制备；光散射填料为钡盐时，采用加热温度为700～800℃，保温时间为1～4小时的热处理工艺制备。