CN101672949A - 具有光导、全反射特性的有机-无机杂化薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有机-无机杂化薄膜。该有机-无机杂化薄膜,包括光反射层、光导层以及设置于所述光导层上的光漫射层或光扩散层;所述光漫射层或光扩散层的折射率>光导层的折射率>光反射层的折射率。所述薄膜还包括设置于所述光反射层下的基底;所述光反射层的折射率>基底的折射率。本发明的有机-无机杂化薄膜具有光导和全反射、漫散射光学特性,而且机械强度高,厚度为0.01-0.08mm。薄膜的全反射特性可以有效地提高背光源的利用率;将传统背光模组中的导光板和反射板合二为一,实现了薄型化的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种光导、全反射特性的有机-无机杂化薄膜及其制备方法。
背景技术
薄膜产品在工业上有着广泛的应用,特别是在光学和电子工业领域占有极其重要的地位。可以说,光学薄膜的发展推动了整个光学设备和光学器材的发展。今天,几乎所有的光学或光电系统都含有各种光学薄膜。如果没有光学薄膜,我们就不会有高性能照相机和摄影机,就不可能有激光和液晶显示器。
经过近十年的发展,以薄膜晶体管液晶显示器件(TFT-LCD)和等离子体显示器件(PDP)为主的平板显示器件已成为一个高速发展的巨大产业。对所有可携式产品而言,低耗电、能长时间使用、薄型化是一个永远追求的目标,然而传统导光板的侧灯式光源,LCD显示从导光板到最终利用率不到5%,甚至更低。由此可见,如何提高光效率,在同等背光源下提高LCD的亮度具有重要的商业价值。此外,影响TFT-LCD薄型化的关键因素之一是其平面背光源和背光模组(目前厚度>1mm),所以开发超薄型(厚度<0.1mm)高亮度平面背光源和背光模组,对TFT-LCD产业具有巨大的推动作用。由LCD工作原理得知,LCD的亮度取决于通过液晶盒(LCD屏的透过率)和彩膜CF光量(CF的透过率)及背光源的亮度。从背光源角度增加LCD亮度会导致耗电量大、体积加大,所以应用上常采用通过增加反射膜的反射率及在导光板与下层偏光片之间加棱镜膜和增亮膜来提高LCD的亮度。
背光模组主要由扩散膜/板、增亮膜/片、导光板、反射板、冷阴极管、灯管反射罩及外框架所组成。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有典型光导、全反射特性的全新的有机-无机杂化薄膜及其制备方法。
本发明所提供的有机-无机杂化薄膜,包括光反射层、光导层以及设置于所述光导层上的光漫射层或光扩散层;所述光漫射层或光扩散层的折射率>光导层的折射率>光反射层的折射率。
当所述光导层上为光漫射层,所述光导层设置于所述光反射层上,所述有机-无机杂化薄膜,包括光反射层、光导层以及设置于所述光导层上的光漫射层。
含有光漫射层的所述有机-无机杂化薄膜还包括设置于所述光反射层下的基底;所述光反射层的折射率>基底的折射率。
由光纤导出的第一光束传到光导层,所述光导层传导和扩散由光纤传出的第一光束以形成第二光束,所述光反射层反射第二光束,所述光漫射层将第二光束进行散射以形成第三光束。
当然,所述有机-无机杂化薄膜可以只由三层或四层组成。当有机-无机杂化薄膜为三层时,由光反射层、设置于所述光反射层上的光导层以及设置于所述光导层上的光漫射层组成。当有机-无机杂化薄膜为四层时,由基底、设置于所述基底上的光反射层、设置于所述光反射层上的光导层以及设置于所述光导层上的光漫射层组成。
其中,所述基底具体由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)构成。
当含有光漫射层的所述有机-无机杂化薄膜含有基底时,所述光反射层由至少两个亚层组成,所述亚层包括设置于基底上的金属反射亚层和由聚合物组装而成的聚合物反射亚层。
当含有光漫射层的所述有机-无机杂化薄膜不含基底时,所述光反射层由至少一个亚层组成,所述亚层由聚合物组装而成。
其中,所述金属由金属银、铝或者铂构成。组成所述聚合物层的材料具体可为下述四种物质之一:乙烯与醋酸乙烯的共聚物、聚甲基丙烯酸酯、聚四氟乙烯和硅树脂。
含有光漫射层的有机-无机杂化薄膜中所述光导层由至少一个亚层组成,所述亚层由聚合物和改性的有机-无机杂化纳米颗粒组装而成。组成光导层的所述聚合物为下述物质中的任一种:聚甲基丙烯酸甲酯、氘代聚甲基丙烯酸甲酯、以甲基丙烯酸甲酯为主体的甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸乙酯与苯乙烯的共聚物、以甲基丙烯酸甲酯为主体的甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸丁酯与苯乙烯的共聚物、聚苯乙烯及其氟代或氘代体、聚碳酸酯、聚烷基乙烯基硅烷、聚酯、聚氨酯、甲基丙烯酸丁酯与偏二氯乙烯的共聚物和聚砜;组成光导层的所述改性的有机-无机杂化纳米颗粒的粒径具体可为20-600nm。
所述光导层中的有机-无机杂化纳米颗粒的粒径在整体上是均匀分布的。如光导层有两个以上的亚层时,各个亚层的颗粒粒径可以根据需要进行任意排列,如各个亚层间的颗粒粒径从小到大排列、或从大到小排列、或从小到大再到小排列、或从大到小再到大排列。
所述光漫射层由至少一个亚层组成,所述亚层由聚合物组装而成。组成光漫射层的所述聚合物为下述物质中的任一种:聚甲基丙烯酸甲酯、氘代聚甲基丙烯酸甲酯、以甲基丙烯酸甲酯为主体的甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸乙酯与苯乙烯的共聚物、以甲基丙烯酸甲酯为主的和甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸丁酯与苯乙烯的共聚物、聚苯乙烯及其氟代或氘代体、聚碳酸酯、聚烷基乙烯基硅烷、聚酯、聚氨酯、甲基丙烯酸丁酯与偏二氯乙烯的共聚物和聚砜。
当组成光导层的聚合物与组成光漫射层的聚合物相同时,为了调节光漫射层的折射率,所述光漫射层上设有均匀分布的直径为200nm-10μm的孔洞,孔洞的折射率等于或接近空气的折射率,每平方厘米光散射层上孔洞的个数为102-106(由聚合物和空气孔洞组装成的光漫射层的折射率必定介于两者之间,能够满足折射率的要求)。
本发明所提供的制备含光漫射层的四层的有机-无机杂化薄膜的方法,包括以下步骤:
1)通过涂覆法或者真空溅射法在基底上涂覆金属形成金属反射亚层,然后采用层层组装技术将聚合物组装在所述金属反射亚层上形成聚合物反射亚层,从而形成光反射层;
2)采用层层组装技术将聚合物和改性的有机-无机杂化纳米颗粒组装在所述光反射层上形成光导层;
3)采用层层组装技术将聚合物组装在所述光导层上形成光漫射层。
当组成所述光导层与所述漫射层的聚合物相同,所述方法还包括通过水热处理的方法在所述光漫射层上引入直径为200nm-10μm纳米孔洞,每平方厘米光漫射层上孔洞的个数为102-106。
组成光反射层的所述聚合物具体可为聚甲基丙烯酸酯、聚四氟乙烯、硅树脂或乙烯与醋酸乙烯的共聚物。
组成光导层的所述聚合物为下述物质中的任一种:聚甲基丙烯酸甲酯、氘代聚甲基丙烯酸甲酯、以甲基丙烯酸甲酯为主体的甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸乙酯与苯乙烯的共聚物、以甲基丙烯酸甲酯为主体的甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸丁酯与苯乙烯的共聚物、聚苯乙烯及其氟代或氘代体、聚碳酸酯、聚烷基乙烯基硅烷、聚酯、聚氨酯、甲基丙烯酸丁酯与偏二氯乙烯的共聚物和聚砜;组成光导层的所述有机-无机杂化纳米颗粒的粒径具体可为20-600nm。
组成光漫射层的所述聚合物为下述物质中的任一种:聚甲基丙烯酸甲酯、氘代聚甲基丙烯酸甲酯、以甲基丙烯酸甲酯为主体的甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸乙酯与苯乙烯的共聚物、以甲基丙烯酸甲酯为主体的甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸丁酯与苯乙烯的共聚物、聚苯乙烯及其氟代或氘代体、聚碳酸酯、聚烷基乙烯基硅烷、聚酯、聚氨酯、甲基丙烯酸丁酯与偏二氯乙烯的共聚物和聚砜。
当所述光导层上为光扩散层,有机-无机杂化薄膜还包括设置于所述光反射层和所述光导层之间的光纤层,所述有机-无机杂化薄膜,包括光反射层、光纤层、光导层以及设置于所述光导层上的光扩散层,该薄膜可称为平面背光源。
所述有机-无机杂化薄膜还包括设置于所述光反射层下的基底;所述光反射层的折射率>基底的折射率。
所述基底由聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚对苯二甲酸丁二醇酯构成。
含光扩散层的有机-无机杂化薄膜中所述光反射层由至少一个亚层组成,所述亚层由涂覆于基底上的金属亚层组成。所述金属为金属银或者铝或者铂。
所述光纤层由两个亚层组成,其中第一个亚层和第二个亚层中光纤的排列方向垂直,所述亚层由经单侧处理过的玻璃光纤和/或塑料光纤通过粘结剂粘结而成。所述粘合剂具体可为以下三种之一:环氧树脂类粘合剂、氰基丙烯酸酯类粘合剂和有机硅粘合剂,所述光纤的直径具体可为5-20um,所述光纤之间的距离为40-120um。
所述光导层由至少一个亚层组成,所述亚层由聚合物和有机-无机杂化纳米颗粒组装而成;所述聚合物为硅橡胶或者聚碳酸酯;所述有机-无机杂化纳米颗粒的粒径为20-400nm
光导层的厚度以填满光纤之间的空隙为佳。通过光纤漫射出来的光纤经过光导层的增透作用及光反射层的发射作用成为平面光到达光扩散层。
所述光扩散层由至少一个亚层组成,所述亚层由含氟树脂和有机-无机杂化纳米颗粒组装而成。所述含氟树脂为含氟聚氨酯、含氟丙烯酸酯或聚四氟乙烯;组成光扩散层的所述有机-无机杂化纳米颗粒的粒径为200-1000nm。
由光导层传出的光线经过光扩散层成为亮度均匀的平面光。
本发明所提供的制备含光扩散层的有机-无机杂化薄膜的方法,包括以下步骤:
1)通过溅射法或者真空溅射法在基底上涂覆金属形成光反射层;
2)将光纤通过粘合剂粘结在所述光反射层上形成光纤层;
3)采用层层组装技术将有机-无机杂化纳米颗粒组装在所述光纤层上形成光导层,所述有机-无机杂化纳米颗粒通过粘合剂粘结在一起;
4)采用层层组装技术将含氟树脂和有机-无机杂化纳米颗粒组装在所述光导层上形成光扩散层。
本发明的另一个目的是提供一种新型的背光组件。
本发明所提供的背光组件,是将本发明所提供的含有光漫射层的有机-无机杂化薄膜应用于背光组件,代替传统背光组件中的导光板和反射板,从而设计出一种新型的超薄型高亮度背光模组。
该背光组件,包括框架、设置在所述框架中的光纤以及设置在所述框架中的本发明所提供的含有光漫射层的有机-无机杂化薄膜;所述玻璃光纤设置在所述有机无机杂化薄膜中的光导层的两侧。
所述背光组件还包括光学片,所述光学片设置在所述框架中的有机-无机杂化薄膜中光漫射层的上方。
所述光纤作为有机-无机杂化薄膜中光来源,传出具有第一光分布的第一光束;
所述薄膜中的光导层将所述第一光束转变成具有第二光分布的第二光束;所述薄膜中的光反射层把泄露的第三光束反射向光导层,光束经漫射层射向光学片。
所述有机-无机杂化薄膜中的光导层包括多个侧面,由光纤传出的第一光束经与光纤平行的光导层侧面进入光导层。
所述有机-无机杂化薄膜中的光反射层包裹着光导层除与光纤平行的光导层侧面的其它侧面。
所述光纤为玻璃光纤或塑料光纤;所述塑料光纤是由以甲基丙烯酸甲酯为主体的甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸乙酯与苯乙烯的共聚物、以甲基丙烯酸甲酯为主体的甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸丁酯与苯乙烯的共聚物、聚碳酸酯、聚烷基乙烯基硅烷、聚氨酯、聚酯、聚砜、聚四氟乙烯、乙烯与醋酸乙烯的共聚物或含氟聚合物制备的。
本发明的再一目的是提供一种基于上述平面背光源的新型超薄背光组件。
本发明所提供的背光组件,是将本发明所提供的平面背光源应用于背光组件,代替传统背光组件中的背光源、导光板和反射板,从而设计出一种新型的超薄型高亮度背光模组。
该背光组件包括框架、设置在所述框架中的本发明所提供的平面背光源。
所述背光组件还包括光学片,所述光学片设置在所述框架中的平面背光源的上方。
所述处理过的光纤作为背光模组的光来源,传出具有漫射特性的光团;
所述光反射层将光纤射出的光线和由光导层漏出的光线发射到光导层中,光线经光导层和扩散层射向光学片;
所述光导层将光纤发出的光进行增透,使光线更加均匀;
所述光散射中的纳米粒子与聚合物之间折射率不同,将光导层射出的光线进行散射,以形成均匀的平面光,射向光学片。
本发明采用经典的溶胶-凝胶法制备不同粒径的有机-无机粒子溶胶,引入有机硅预聚体并使之聚合,生成有机-无机杂化颗粒。在制备的胶体粒子的表面引入功能性基团,使之可与其它基团发生反应或引发其它高分子单体聚合。
应用层层组装技术(LBL)方法制备具有光导、反射、漫射性质的纳米级或者微米级高分子薄膜,将有机-无机纳米颗粒和高分子层层组装,得到具有光导特性且光线可选择性射出、反射的复合功能薄膜。在该薄膜的设计中,薄膜的折射率、厚度和膜的结构形态可以通过无机纳米粒子的粒径大小、组装次数、组装温度、pH值等进行调节。另外薄膜的折光指数、厚度和结构形态还可以通过对聚合物进行筛选实行调控。
最后,还可利用表面疏水改性、防雾改性以及其他表面改性方法赋予薄膜抗污、防雾、防霉功能。
本发明的有机-无机杂化薄膜具有光导和全反射、漫散射或光扩散的光学特性,而且机械强度高,厚度为0.01-0.08mm,通过扫描电镜可以观察到薄膜由粒径为20~600nm的粒子组成。薄膜的全反射特性可以有效地提高背光源的利用率;将传统背光模组中的导光板和反射板合二为一,实现了薄型化的目的。
如附图1所示,由光纤(GOF)导出的光,经过凝胶-溶胶制得的颗粒中传播后,在LBL法制备的高分子膜B中发生全反射,经由高分子膜A漫散射,代替了传统的导光板和反射板的作用,提高了背光源的光线利用率,满足了高亮度超薄背光模组的要求。
本发明基于薄膜光学理论,所制备的薄膜涉及了功能化、界面化、低维化,涉及了化学、物理、材料、光学等诸多的学科,具有交叉特色。为高亮度平面背光源和背光模组的开发提供新的途径。
附图说明
图1为本发明的对光可选择性透出的光导功能复合薄膜结构示意图;
图2为实施例1的有机-无机杂化薄膜的局部剖视透视图;
图3为图2中“A”部分的放大图;
图4为实施例1的有机-无机杂化薄膜的横截面示意图;
图5为实施例4的有机-无机杂化薄膜的横截面示意图;
图6为实施例5的有机-无机杂化薄膜的横截面示意图;
图7为实施例6的有机-无机杂化薄膜的横截面示意图;
图8为实施例7的有机-无机杂化薄膜的横截面示意图;
图9为实施例8的有机-无机杂化薄膜的横截面示意图;
图10为实施例9的平面背光源的横截面示意图;
图11为实施例10的平面背光源的横截面示意图;
图12为实施例11的背光组件的示意图;
图13为实施例11背光组件的分解透视图;
图14为图13所示“C”部分的放大图;
图15为图13中玻璃光纤的示意图。
具体实施方式
本发明制备有机-无机杂化薄膜的方法:
1)利用凝胶-溶胶法制备有机-无机杂化颗粒:首先得到氟硅烷、烷氧基硅烷或氯硅烷等的预聚体,然后将预聚体引入硅酸酯无机粒子中,经过固化,得到分布均匀、粒径在20~600nm尺寸范围的一系列有机-无机杂化颗粒;
2)在制备的胶体粒子表面引入功能性基团,如双键、氨基等,对粒子表面进行改性,使之可与其它基团发生反应或引发其它高分子单体聚合;
3)应用LBL自组装方法,将粒径在20~600nm范围之间的有机-无机杂化颗粒与高分子进行组装成膜;
4)通过对高分子薄膜A(光漫射层)表面进行水热处理,在薄膜A上引入尺寸在20~600nm范围之间的孔隙,调节薄膜的折射率;
5)利用表面疏水性改性、防雾改性以及其它表面改性的方法赋予薄膜抗污、防雾、防霉功能。
在用该方法制备有机-无机杂化薄膜时,可选择用来组装具有全反射光学特性的高分子膜B的材料有:聚甲基丙烯酸酯类、聚四氟乙烯、硅树脂、乙烯与醋酸乙烯的共聚物等;可选择用来组装具有漫散射光学特性的高分子膜A及与有机-无机纳米颗粒组装的材料有:聚甲基丙烯酸甲酯及氘代聚甲基丙烯酸甲酯,以甲基丙烯酸甲酯为主体的甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸乙酯与苯乙烯的共聚物、以甲基丙烯酸甲酯为主体的甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸丁酯与苯乙烯的共聚物,聚苯乙烯及其氟代或氘代体,聚碳酸酯,聚烷基乙烯基硅烷,聚酯,聚氨酯,甲基丙烯酸丁酯与偏二氯乙烯的共聚物,聚砜等。
实施例1、
图2是实施例1制备的有机-无机杂化薄膜的局部剖视透视图,图3是图2中“A”部分的放大图,图4是图2所示的薄膜的横截面示意图。
参见图2~图4,有机-无机杂化薄膜100由基底110,光反射层120、光导层130和光漫射层140组成,所述有机-无机杂化薄膜的厚度为0.05mm。
基底110为片状。厚度为约0.04mm,包括侧面111、上表面112和下表面113。基底可以选择聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜构成,其折射率为1.65,也可以选择对苯二甲酸丁二醇酯(PBT),其折射率为1.45。
先通过涂覆法或者真空溅射法在PET基底上均匀涂覆一层厚度为50nm的金属膜,作为基底反射膜。再在此基础上通过层层组装的方法将重均分子量为2000的硅树脂组装到覆有金属膜的基底上形成光反射层。通过组装次数来具体控制光反射层的厚度。本实施例中光反射层120由金属膜和LB L法组装的聚合物膜2个亚层构成,其中组装次数为10次,厚度约为200nm,光反射层120总厚度为250nm左右。其中聚合物膜层的折射率为1.37。另外光反射层120也可以由聚甲基丙烯酸酯类、聚四氟乙烯、乙烯与醋酸乙烯的共聚物等构成。但是光反射层120的材料选择必须满足光反射层120的折射率大于基底110。
用经典的法制备来制备粒径均一的有机-无机杂化纳米颗粒。具体操作为正硅酸酯0.01~5份,无水乙醇20~53份,氨水2~11份,水2~11份(均为重量份数),将上述混合物在一定温度(0-100℃)下剧烈搅拌0.1-5h使之充分混合,即可得到溶胶。将溶胶在130-300℃下将溶剂除去,得到二氧化硅纳米颗粒。将上述颗粒置于氯硅烷、烷氧基硅烷或氟硅烷的预聚体中(聚合度10-40)中搅拌0.5~20h,在100-150℃下固化,得到粒径均一的有机-无机杂化纳米颗粒。
在光反射层120上将有机-无机纳米颗粒和高分子通过LBL层层组装得到光导层130。
光导层130是在光反射层120上利用层层组装仪上组装20次得到的亚膜,其厚度为3μm左右。光导层130中除了杂化颗粒131和高分子132外,还存在空隙133。光导层130中的高分子为重均分子量在25000的聚碳酸酯层层组装而成,该层折射率为1.43。另外用于组装光导层的材料也可以从聚甲基丙烯酸甲酯及氘代聚甲基丙烯酸甲酯,以甲基丙烯酸甲酯为主体的(甲基)丙烯酸酯类或苯乙烯共聚物,聚苯乙烯及其氟代体或聚苯乙烯及其氘代体,聚烷基乙烯基硅烷,聚酯,聚氨酯,甲基丙烯酸丁酯与偏二氯乙烯的共聚物,聚砜等材料中选择。光导层130的折射率必须保证大于光反射层120的折射率。通过玻璃光纤传出的第一束光线10传到光导层130,光导层130中杂化纳米颗粒131可以使光进一步扩散传到反射层120和漫散射层140上。
在光导层130上设置漫散射层140。漫射层140由LBL技术将重均分子量为25000的聚碳酸酯在光导层130上利用层层自组装技术组装10次成膜,然后将制得有机-无机杂化薄膜浸入到pH=2的温度为90℃酸性水溶液中120min进行水热处理,引入直径为200nm的纳米孔洞而形成。漫散射层140的厚度约为250nm,包含了1个亚层。漫射层140中纳米孔洞的大小可以通过温度进行调节,通过电子显微镜表征每平方厘米漫射层上孔洞的数量为106,漫射层的折射率为1.47。从光导层130扩散的第一束光线10经光导层130和漫射层140而成为第二束光线20。漫射层140中高分子的选择同光导层130中材料的选择一样也可从聚甲基丙烯酸甲酯及氘代聚甲基丙烯酸甲酯,聚苯乙烯及其氟代体或聚苯乙烯及其氘代体,聚烷基乙烯基硅烷,聚酯,聚氨酯,甲基丙烯酸丁酯与偏二氯乙烯的共聚物,聚砜等材料中选择。漫射层的折射率也可以通过膜上的孔洞进行控制。
根据本发明的实施例1,在基底110上利用LBL技术将高分子成膜形成光反射层120。在光反射层120上将纳米颗粒和高分子组装进一步层层组装形成光导层130,光导层130除了具有良好的导光性以外还包括了大量的纳米颗粒131。光导层130上设置了光漫射层140。从光反射层120到光导层130到光漫射层140,折射率依次增加。因而,有机-无机杂化薄膜兼具了导光板、反射板和散射板的作用。
当有机-无机杂化薄膜完全硬化以后,将其固定在紫外-红外-近红外仪中,利用固定波长的光源(450nm、550nm、650nm)进行光学测试,透光率均达到80%,超过了传统的60%。
实施例2、
除了光导层134外本有机-无机杂化薄膜与实施例1所示的有机-无机杂化膜都相同。因此省去了对基底110、光反射层120和光漫射层140的进一步说明。
该有机-无机杂化薄膜的厚度为0.06mm。
光导层134是在光反射层120上将经过表面活化改性的粒径为300nm左右的有机-无机杂化硅纳米颗粒和重均分子量在25000的聚碳酸酯层层组装20次得到的,光导层134的厚度约为3μm,折射率为1.40。
在紫外-红外-近红外仪中,利用固定波长的光源(450nm、550nm、650nm)对有机-无机杂化薄膜进行光学测试,透光率均超过85%。
实施例3、
除了光导层135外本有机-无机杂化薄膜与实施方式2所示的有机-无机杂化膜都相同。因此省去了对基底110、光反射层120和光漫射层140的进一步说明。
该有机-无机杂化薄膜的厚度为0.07mm。
光导层135是在光反射层120上将经过表面活化改性的粒径为500nm左右的有机-无机杂化颗粒和重均分子量在30000的聚碳酸酯层层组装20次得到的,光导层135的厚度约为3μm。光导层135的折射率为1.42。
在紫外-红外-近红外仪中,利用固定波长的光源(450nm、550nm、650nm)对有机-无机杂化薄膜进行光学测试,透光率均超过80%。
实施例4、
除了光导层136外本有机-无机杂化薄膜与实施例3所示的有机-无机杂化膜都相同。因此省去了对基底110、光反射层120和光漫射层140的进一步说明。
该有机-无机杂化薄膜的厚度为0.07mm。
参考图5a和图5b,对本发明的实施例4做进一步的描述,其中,图5a中光导层136中有机-无机杂化颗粒的粒径是按照从光反射层120到光漫射层140之间从大到小的顺序变化,图5b中光导层136中有机-无机杂化颗粒粒径是按照从小到大的顺序变化。
光导层136是在光反射层120上将经过表面活化改性的粒径为20nm、80nm、140nm、200nm、260nm、320nm、380nm、440nm、500nm、600nm的有机-无机杂化颗粒和重均分子量在30000的聚碳酸酯层层组装20次得到的,共有10个亚层。在组装过程中,光导层136中纳米颗粒的粒径顺序变化。光导层136的厚度约为3μm。光导层135的折射率为1.39。
第一种方式:组装的第一亚层,纳米颗粒粒径为600nm,第二亚层粒径为500nm,第三亚层为4400nm,逐层变小;
第二种方式:组装的第一亚层纳米颗粒粒径为20nm,第二亚层粒径为80nm,第三亚层为140nm,逐层变大。
该实施方法并不限制每一亚层组装的纳米颗粒粒径的严格大小,但必须保证光导层136中的纳米颗粒是按照一定顺序组装的。
根据本发明的实施例4,在基底110上利用LBL技术将高分子成膜形成光反射层120。在光反射层120上将纳米颗粒和高分子组装进一步层层组装形成光导层136,光导层136中纳米颗粒的粒径从光反射层120到光漫射层140逐层变化。光导层136的折射率从接近光反射层端到接近漫射层端逐渐变大。光导层136上设置了光漫射层140。从光反射层120到光导层130到光漫射层140,折射率依次增加。
通过玻璃光纤或塑料光纤传出的第一束光线40传到光导层136,光导层136中杂化颗粒131可以使光进一步扩散成第二束光线50,光线50中向上传播部分直接通过漫射层140传出,向下部分发生反射,进一步经光导层136中杂化颗粒131散射,到漫射层140。
在紫外-红外-近红外仪中,利用固定波长的光源(450nm、550nm、650nm)对两种粒径排列方式的有机-无机杂化薄膜进行光学测试,透光率分别为80%、82%、75%和67%、70%、68%。
实施例5、
除了光导层137外本有机-无机杂化薄膜与实施方式4所示的有机-无机杂化膜都相同。因此省去了对基底110、光反射层120和光漫射层140的进一步说明。
该有机-无机杂化薄膜的厚度为0.06mm。
参考图6,对本发明的实施方式5进行进一步的描述。
光导层137是在光反射层120上将经过表面活化改性的有机-无机杂化颗粒和重均分子量为28000的聚碳酸脂通过层层组装的方法组装20层得到的,有20个亚层,其中有机-无机杂化颗粒的粒径按20nm-80nm-140nm-…500nm-600nm-500nm-…-140nm-80nm-20nm的小-大-小的顺序变化。该层的折射率为1.44左右,厚度为3μm左右。该实施方法并不限制每一层组装的纳米颗粒粒径的严格大小和光导层137中亚层的数量,但必须保证光导层137中的纳米颗粒是按照从下到上粒径由小-大-小的顺序逐层组装的。
根据本发明的实施例5,在基底110上利用LBL技术将高分子成膜形成光反射层120。在光反射层120上将纳米颗粒和高分子组装进一步层层组装形成光导层137,光导层137中纳米颗粒的粒径从光反射层120到光漫射层140逐层变小。光导层137的折射率从下到上逐渐变大。光导层137上设置了光漫射层140。从光反射层120到光导层130到光漫射层140,折射率依次增加。
通过GOF或POF光纤传出的第一束光线40传到光导层137,光导层137中杂化颗粒131可以使光进一步扩散成第二束光线50,光线50中向上传播部分直接通过漫射层140传出,向下部分发生反射,进一步经光导层137中杂化颗粒131散射,到漫射层140。
在紫外-红外-近红外仪中,利用固定波长的光源(450nm、550nm、650nm)对有机-无机杂化薄膜进行光学测试,透光率分别为80%、85%、75%。
实施例6、
除了光导层138外本有机-无机杂化薄膜与实施方式5所示的有机-无机杂化膜都相同。因此省去了对基底110、光反射层120和光漫射层140的进一步说明。
该有机-无机杂化薄膜的厚度为0.06m。
参考图7,对本发明的实施例6进行进一步的描述。
光导层138是在光反射层120上将经过表面活化改性的有机-无机杂化颗粒和重均分子量为33000的聚碳酸脂通过层层组装的方法组装20层得到的,有20个亚层,其中有机-无机杂化颗粒的粒径按600nm-500nm-440nm-…80nm-20nm-80nm-…-440nm-500nm-600nm的小-大-小的顺序变化。
该实施方法并不限制每一层组装的纳米颗粒粒径的严格大小,但必须保证光导层138中的纳米颗粒是按照从下到上粒径由大-小-大的顺序逐层组装的。
根据本发明的第6实施例,在基底110上利用LBL技术将高分子成膜形成光反射层120。在光反射层120上将纳米颗粒和高分子组装进一步层层组装形成光导层138,光导层138中纳米颗粒的粒径从光反射层120到光漫射层140逐层变小。光导层138的折射率从下到上逐渐变大。光导层138上设置了光漫散层140。从光反射层120到光导层130到光漫射层140,折射率依次增加。
通过玻璃光纤传出的第一束光线40传到光导层138,光导层138中杂化颗粒131可以使光进一步扩散成第二束光线50,光线50中向上传播部分直接通过漫散射层140传出,向下部分发生反射,进一步经光导层138中杂化颗粒131散射,到漫散层140。
在紫外-红外-近红外仪中,利用固定波长的光源(450nm、550nm、650nm)对有机-无机杂化薄膜进行光学测试,透光率分别为90%、85%、80%。
实施例7、
除了光导层139外本有机-无机杂化薄膜与实施方式6所示的有机-无机杂化膜都相同。因此省去了对基底110、光反射层120和光漫射层140的进一步说明。
参考图8,对本发明的实施例7进行进一步的描述。
该有机-无机杂化薄膜的厚度为0.07mm。
光导层139是在光反射层120上将经过表面活化改性的有机-无机杂化颗粒和重均分子量为35000的聚碳酸脂通过层层自组装的方法组装20层得到的,光导层139中纳米颗粒的粒径大小不同,且不同粒径大小的纳米颗粒在光导层139中均匀分布。光导层139的厚度约为3μm。光导层139的折射率必须大于光反射层120的折射率。
在紫外-红外-近红外仪中,利用固定波长的光源(450nm、550nm、650nm)对有机-无机杂化薄膜进行光学测试,透光率为90%、80%、85%。
实施例8、
图9是本发明实施例8得到的有机-无机杂化薄膜的横截面示意图。
参见图9,有机-无机杂化薄膜200包括光反射层210、光导层220和光漫射层230三层。
该有机-无机杂化薄膜的厚度为0.03mm。
光反射层210为片状,厚度为0.02mm左右,包括侧面211、上表面212和下表面213。光反射层210由重均分子量为30000的硅树脂或者聚碳酸酯通过涂膜法制备。光反射层210的折射率为1.37左右。
在光反射层210的下表面213上涂过真空溅射法涂覆一层厚度为50-200nm厚的金属铝层或者铂层。
在光反射层210上,将重均分子量为30000的聚碳酸脂与粒径在20-600nm之间的有机-无机纳米颗粒通过LBL技术组装20层成膜,得到光导层220。光导层220厚度为3μm左右,具体厚度可通过组装次数调节。光导层220中除了杂化颗粒231和高分子232外,还存在空隙233。组装光导层220的高分子可以从聚甲基丙烯酸甲酯及氘代聚甲基丙烯酸甲酯,聚苯乙烯及其氟代或氘代体,聚烷基乙烯基硅烷,聚酯,聚氨酯,甲基丙烯酸丁酯与偏二氯乙烯的共聚物,聚砜等材料中选择。光导层220的折射率可通过杂化颗粒231的粒径、高分子232的种类及薄膜中颗粒和聚合物之间的空隙率进行调节。本实施例中光导层220的折射率为1.40。通过玻璃光纤发出的第一束光线60传到光导层220,光导层220中杂化纳米颗粒231可以使光进一步扩散传到反射层210和漫散射层230上。
在光导层220上设置漫散射层230。漫射层230的厚度约为200nm。漫射层230由LBL技术将高分子组装成膜后经过水热化处理,引入纳米孔洞而形成。漫射层230中高分子的选择同光导层220,折射率可以通过层层组装膜上的孔洞的大小进行控制,每平方厘米漫射层上设置106个,直径为200nm的孔洞,使漫射层的折射率为1.42。漫射层230的折射率必须保证小于光导层220的折射率。从光导层220扩散的第一束光线60经漫射层140而成为第二束光线70。
在紫外-红外-近红外仪中,利用固定波长的光源(450nm、550nm、650nm)对有机-无机杂化薄膜进行光学测试,透光率分别为90%、85%、80%。
实施例9、
图10是本发明实施例9得到的平面背光源的截面示意图。
参见图10,平面背光源300包括基底310、光反射层320、光纤层330、光导层340和光扩射层350五层。
该平面背光源的厚度为0.025mm。
基底310为片状,厚度为0.02mm左右,包括上表面301、下表面302和侧面303。基底由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或者聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)等组成。
光反射层320为一层金属膜。通过磁流控制溅射法在基底310的上表面301上形成一层均匀的厚度为150nm的金属涂层。所选金属可以为金属银、金属铝或金属箔等。
在光反射层320上设置光纤(光源)层330。所选光纤为用氢氟酸进行表面处理的直径为8μm的玻璃光纤。所述光纤的排列方向与基底侧面303的法线方向垂直,两根光纤之间的距离为80μm。光纤在粘结到光反射层320上以前先用99%异丙醇清洗,然后浸入到粘合剂AB202中迅速取出将其固定在光反射层320上30秒固化即可。本实施例中所使用的粘和剂也可以为以下中的任意一种:环氧树脂粘合剂、氰基丙烯酸酯类粘合剂、有机硅粘合剂等。
在光纤层330上设置光导层340。光导层340是将粒径为20-300nm的有机-无机纳米杂化颗粒和重均分子量为1000的硅橡胶利用层层组装的方法组装在光纤之间的。光导层340的厚度为8μm。所述有机-无机纳米杂化颗粒的制备方法和实施例1中相同。光导层340的折射率为1.33-1.35之间。
在光导层340上设置光扩散层350。光扩散层350是将粒径为200-1000nm的有机-无机纳米杂化颗粒和重均分子量为10000的氟树脂利用层层组装的方法组装在光导层上340。光扩散层350的厚度为0.1μm。光扩散层350的折射率为1.45左右。
经光纤射出的光束在光纤表面发生漫射到光导层340上,其中漏射的光经光反射层320到光导层340中,光线经过光导层340的增透到达光扩散层350,光扩散层350中的纳米颗粒和聚合物之间由于折射率的不同将光线变成均匀的平面光。
在紫外-红外-近红外仪中,利用固定波长的光源(450nm、550nm、650nm)对有机-无机杂化薄膜进行光学测试,透光率为95%、96%、93%。
实施例10、
图11是本发明实施例10得到的平面背光源的截面示意图。
除光纤层330中光纤的排列外其余均与实施例9相同,因此本实施例省略了对基底310、光反射层320、光导层340、光扩散层350的进一步说明。
参考图11,对本发明的实施例10进行进一步的描述。
该平面光源的厚度为0.03mm。
本实施例中所述光纤的排列分为上下两个亚层,分别为光纤亚层331和光纤亚层332,其中亚层331的排列方向与基底侧面303的法线方向垂直,两根光纤之间的距离为80μm,亚层332的排列方向与基底侧面303的法线方向平行,两根光纤之间的距离为80μm。
光纤与光纤之间的粘合剂为以下中的任意一种:环氧树脂粘合剂、氰基丙烯酸酯类粘合剂、有机硅粘合剂等。光纤层330的厚度为15-20μm。
光导层340的厚度为20μm。
在紫外-红外-近红外仪中,利用固定波长的光源(450nm、550nm、650nm)对有机-无机杂化薄膜进行光学测试,透光率为94%、97%、95%。
实施例11、背光组件的制备
图12是本发明实施例11的背光组件示意图,图13是图10所示背光组件的分解透视图,图14是图13中所示“C”部分的放大图。
参见图12至14,背光组件500包括框架400,玻璃光纤300,本发明所提供的有机-无机杂化薄膜)200。背光组件500还可以包括光学片510。
框架400包括上框架410和下框架420。
上框架410具有包括一开口405的矩形框架形状,该框架可以由塑料构成。上框架410容纳玻璃光纤300、漫射光导反射膜200,并将它们固定。
下框架420与上框架410合并支撑玻璃光纤300、漫射光导反射膜200。下框架420可以由金属构成。
玻璃光纤300的结构如图15所示,玻璃光纤300分为310,320和330三个侧面,侧面310和侧面320为圆型,其中侧面320设置一反射面,光源发出的光线由侧面310进入,侧面330与光导层相连的一侧经打磨可以将光透出,另一侧则对光线具有全反射作用。经玻璃光纤300传出第一光束40,第一光束40具有第一种光分布。玻璃光纤300设置在有机-无机杂化薄膜的两侧,玻璃光纤300的打磨侧与有机-无机杂化薄膜中的光导层相对。
参见图12,漫射光导反射膜200包括基片210、光反射层220、光导层230和漫散射层240。光反射层220的折射率<光导层230的折射率<漫射层240的折射率。
基片210为片状。基片可以由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)构成。
在基片上设置光反射层220。光反射层220由金属亚层,如银等,和聚合物层,如硅树脂等构成,聚合物层在金属层上经层层组装技术而成。
光导层230是由无机-有机纳米颗粒231和聚合物232在光反射层220上层层组装而成。光导层230中还包含着细小空隙233。纳米颗粒231和聚合物232的折射率不同于空气的折射率。纳米颗粒231的粒径可以彼此相同或不同。光导层230的折射率通过纳米颗粒231粒径的大小、聚合物232的种类和空隙233调节。光导层220把具有第一光分布的第一光束40转变成具有第二光分布的第二光束50。第二光分布的均匀性高于第一光分布的均匀性。例如,光导层230把具有零维光的第一光束40转变成具有二维光的第二光束50。光导层230中聚合物具有特殊的光学特性,如光导层230可以由聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯等。
光导层230包括多个侧面235,侧面235包括第一侧面236和第二侧面237。第一光束40经第一侧面236进入光导层230。
漫射层240是在光导层230上由LBL技术将高分子组装成膜后经过水热化处理,引入纳米孔洞而形成。漫射层240中高分子的选择同光导层320,折射率可以通过层层组装膜上的孔洞的大小进行控制。
经玻璃光纤300传出的第一束光束40经过第一侧面231进入光导层230。光导层230把第一光束40变成了第二光束50和第三光束60。第二光束50从漫射层240出射。光反射层220把从光导层230泄露的第三光束60反射向光导层230以形成第四光束70从漫射层240出射。
再参看图13,在漫散射层240上设置光学片510。光学片510扩散从漫射层240出射的第二光束50,以形成第五光束520。光学片510可以包括扩散片、棱镜片、保护片等。
虽然以上示例性的描述了本发明实施方式及其优点,但值得提出的是,在不超出本发明由所附的权利要求限定的构思和保护范围的前提下可以做出各种改型、替换和更改。
Claims (31)
1、一种有机-无机杂化薄膜,包括光反射层、光导层以及设置于所述光导层上的光漫射层或光扩散层;所述光漫射层或光扩散层的折射率>光导层的折射率>光反射层的折射率。
2、根据权利要求1所述的有机-无机杂化薄膜,其特征在于:所述光导层上为光漫射层,所述光导层设置于所述光反射层上。
3、根据权利要求2所述的有机-无机杂化薄膜,其特征在于:所述光反射层由至少一个亚层组成,所述亚层由聚合物组装而成。
4、根据权利要求3所述的有机-无机杂化薄膜,其特征在于:所述聚合物为下述四种之一:乙烯与醋酸乙烯的共聚物、聚甲基丙烯酸酯、聚四氟乙烯和硅树脂。
5、根据权利要求1或2所述的有机-无机杂化薄膜,其特征在于:所述有机-无机杂化薄膜还包括设置于所述光反射层下的基底;所述光反射层的折射率>基底的折射率。
6、根据权利要求5所述的有机-无机杂化薄膜,其特征在于:所述光反射层由至少两个亚层组成,所述亚层包括涂覆于基底上的金属反射亚层和由聚合物组装而成的聚合物反射亚层。
7、根据权利要求6所述的有机-无机杂化薄膜,其特征在于:组成所述金属反射亚层的金属为银、铝或者铂;
组成聚合物反射亚层的所述聚合物为下述四种之一:乙烯与醋酸乙烯的共聚物、聚甲基丙烯酸酯、聚四氟乙烯和硅树脂。
8、根据权利要求2-7中任一所述的有机-无机杂化薄膜,其特征在于:所述光导层由至少一个亚层组成,所述亚层由聚合物和改性的有机-无机杂化纳米颗粒组装而成。
9、根据权利要求8所述的有机-无机杂化薄膜,其特征在于:组成光导层的所述聚合物为下述物质中的任一种:聚甲基丙烯酸甲酯、氘代聚甲基丙烯酸甲酯、以甲基丙烯酸甲酯为主体的甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸乙酯与苯乙烯的共聚物、以甲基丙烯酸甲酯为主体的甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸丁酯与苯乙烯的共聚物、聚苯乙烯及其氟代或氘代体、聚碳酸酯、聚烷基乙烯基硅烷、聚酯、聚氨酯、甲基丙烯酸丁酯与偏二氯乙烯的共聚物和聚砜;组成光导层的所述改性的有机-无机杂化纳米颗粒的粒径为20-600nm。
10、根据权利要求2-7中任一所述的有机-无机杂化薄膜,其特征在于:所述光漫射层由至少一个亚层组成,所述亚层由聚合物组装而成。
11、根据权利要求10所述的有机-无机杂化薄膜,其特征在于:组成光漫射层的所述聚合物为下述物质中的任一种:聚甲基丙烯酸甲酯、氘代聚甲基丙烯酸甲酯、以甲基丙烯酸甲酯为主体的甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸乙酯与苯乙烯的共聚物、以甲基丙烯酸甲酯为主体的甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸丁酯与苯乙烯的共聚物、聚苯乙烯及其氟代或氘代体、聚碳酸酯、聚烷基乙烯基硅烷、聚酯、聚氨酯、甲基丙烯酸丁酯与偏二氯乙烯的共聚物和聚砜。
12、根据权利要求8或10所述的有机-无机杂化薄膜,其特征在于:组成光导层的所述聚合物与组成光漫射层的所述聚合物相同,所述光漫射层上设有直径为200nm-10μm的孔洞,孔洞在光散射层上均匀排列,每平方厘米光反射层上孔洞的个数为102-106。
13、根据权利要求1所述的有机-无机杂化薄膜,其特征在于:所述光导层上为光扩散层,所述有机-无机杂化薄膜还包括设置于所述光反射层和所述光导层之间的光纤层。
14、根据权利要求13所述的有机-无机杂化薄膜,其特征在于:所述有机-无机杂化薄膜还包括设置于所述光反射层下的基底;所述光反射层的折射率>基底的折射率。
15、根据权利要求5或14所述的有机-无机杂化薄膜,其特征在于:所述基底由聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚对苯二甲酸丁二醇酯构成。
16、根据权利要求13或14所述的有机-无机杂化薄膜,其特征在于:所述光反射层由至少一个亚层组成,所述亚层由涂覆于基底上的金属亚层组成。
17、根据权利要求16所述的有机-无机杂化薄膜,其特征在于:组成所述金属亚层的金属为银、铝或者铂。
18、根据权利要求11所述的有机-无机杂化薄膜,其特征在于:所述光纤层由两个亚层组成,其中第一个亚层和第二个亚层中光纤的排列方向互相垂直,所述亚层由玻璃光纤和/或塑料光纤通过粘结剂粘结而成,所述光纤的直径为5-20um,所述光纤之间的距离为40-120um。
19、根据权利要求18所述的有机-无机杂化薄膜,其特征在于:所述粘合剂为以下三种之一:环氧树脂类粘合剂、氰基丙烯酸酯类粘合剂和有机硅粘合剂。
20、根据权利要求13或14所述的有机-无机杂化薄膜,其特征在于:所述光导层由至少一个亚层组成,所述亚层由聚合物和有机-无机杂化纳米颗粒组装而成;所述聚合物为硅橡胶或者聚碳酸酯;所述有机-无机杂化纳米颗粒的粒径为20-400nm。
21、根据权利要求13或14所述的有机-无机杂化薄膜,其特征在于:所述光扩散层由至少一个亚层组成,所述亚层由含氟树脂和有机-无机杂化纳米颗粒组装而成。
22、根据权利要求21所述的有机-无机杂化薄膜,其特征在于:所述含氟树脂为含氟聚氨酯、含氟丙烯酸酯或聚四氟乙烯;组成光扩散层的所述有机-无机杂化纳米颗粒的粒径为200-1000nm。
23、一种制备权利要求4-12中任一所述的有机-无机杂化薄膜的方法,包括以下步骤:
1)通过涂覆法或者真空溅射法在基底上涂覆权利要求6或7所述的金属形成金属反射亚层,然后采用层层组装技术将权利要求6或7所述的聚合物组装在所述金属反射亚层上形成聚合物反射亚层,从而形成光反射层;
2)采用层层组装技术将权利要求8或9所述的聚合物和改性的有机-无机杂化纳米颗粒组装在所述光反射层上形成光导层;
3)采用层层组装技术将权利要求10或11所述的聚合物组装在所述光导层上形成光漫射层,得到所述的有机-无机杂化薄膜。
24、根据权利要求23所述的方法,其特征在于:组成所述光导层与所述漫反射层的聚合物相同,所述方法还包括在通过水热处理的方法在所述光漫射层上引入尺寸为200nm-10um的步骤。
25、一种制备权利要求14-22中任一所述的有机-无机杂化薄膜的方法,包括以下步骤:
1)通过溅射法或者真空溅射法在基底上涂覆权利要求16或17所述的金属形成光反射层;
2)将权利要求18所述的光纤通过权利要求19所述的粘合剂粘结在所述光反射层上形成光纤层;
3)采用层层组装技术将权利要求20所述的有机-无机杂化纳米颗粒组装在所述光纤层上形成光导层,所述有机-无机杂化纳米颗粒通过粘合剂粘结在一起;
4)采用层层组装技术将权利要求21或22所述的含氟树脂和有机-无机杂化纳米颗粒组装在所述光导层上形成光扩散层,得到所述的有机-无机杂化薄膜。
26、一种背光组件,包括框架、设置在所述框架中的光纤以及设置在所述框架中的权利要求2-12中任一所述的有机-无机杂化薄膜;所述光纤设置在所述有机无机杂化薄膜中的光导层的两侧。
27、根据权利要求26所述的背光组件,其特征在于:所述背光组件还包括光学片,所述光学片设置在所述框架中的有机-无机杂化薄膜中光漫射层的上方。
28、根据权利要求26或27所述的背光组件,其特征在于:所述有机-无机杂化薄膜中的光反射层包裹着光导层除与光纤平行的光导层侧面的其它侧面。
29、根据权利要求26-28中任一所述的背光组件,其特征在于:所述光纤为玻璃光纤或塑料光纤;所述塑料光纤是由以聚甲基丙烯酸甲酯为主的甲基丙烯酸乙酯或甲基丙烯酸丁酯与苯乙烯的共聚物、聚碳酸酯、聚烷基乙烯基硅烷、聚氨酯、聚酯、聚砜、聚四氟乙烯、乙烯与醋酸乙烯的共聚物或含氟聚合物制备的。
30、一种背光组件,包括框架和设置在所述框架中的权利要求13-22中任一所述的有机-无机杂化薄膜。
31、根据权利要求30所述的背光组件,其特征在于:所述背光组件还包括光学片,所述光学片设置在所述框架中的有机-无机杂化薄膜中光漫射层的上方。
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