CN113109895B - 基于等离激元颗粒间耦合效应的彩色透明显示屏制作工艺 - Google Patents
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Abstract
基于等离激元颗粒间耦合效应的彩色透明显示屏制作工艺，包括以下步骤：（1）选择光学玻璃作为透明基体；（2）将聚乙烯醇与银纳米颗粒混合均匀形成混合液；（3）将混合液倒在透明基体上侧表面，混合液液面不超过0.8cm；（4）将盛有混合液的透明基体放入真空干燥装置内进行抽真空干燥作业，使混合液成膜，薄膜厚度控制在0.3mm以内；（5）干燥完成后制得彩色透明显示屏。本发明的粒子耦合出现的散射峰几乎涵盖了所有的可见光波段，进而实现了彩色显示，节省了人力物力，工艺简单，不需要人为干涉就可以实现彩色透明显示。
Description
技术领域
本发明透明显示技术领域，具体涉及一种基于等离激元颗粒间耦合效应的彩色透明显示屏制作工艺。
背景技术
HUD（平视技术）技术源于军工技术，自上世纪八十年代初，开始应用于民用干线飞机，目前在小部分高端品牌的汽车上也配备了HUD。典型的HUD由显示组件、控制组件、传感器、计算机和电源等组成，主要基于光学反射原理，将重要的飞行和驾驶相关的信息投射到透明的显示面板上面或者挡风玻璃上面，能够轻易地将外界景象和HUD显示的信息融合。对于改善飞机的飞行品质，提高飞机的作战效能、可靠性，保障飞行人员与乘客的安全等方面具有极其重要的作用。因此HUD系统面临的观察角度窄，透明度和信号光亮度低等关键科学问题引起了人们的广泛关注。透明显示技术由于显示屏为透明的面板这一特性，可以根据不同的需求应用于不同的场合，近几年愈发受到社会的关注，逐渐成为当代显示技术发展的趋势。
目前基于透明基体的投射式透明显示器，在观察角度，透明度和信号光亮度等方面还存在很大的改善空间。窄的视角限制了观察者的位置，人们为了展宽视角，常用的方法是采用漫反射屏，并对视角的展宽起到很好的效果。但是由于漫反射屏对光的散射没有波长选择性和方向性，这一方法会造成屏的透明度极度下降。表面等离激元(surfaceplasmons，SPs)共振由于其独特的光学性质，成为备受关注的研究热点之一，将等离激元纳米结构引入到投射式透明显示屏中，共振的纳米颗粒能够选择性地增强投射光的散射，从而增强显示信号的亮度。
2014年，Hsu等人利用支持窄带SPs共振的核壳结构，实现了高对比度的透明单色显示。本发明在原有的研究基础上考虑等离激元颗粒之间的耦合效应，在实验过程中颗粒间往往存在着粒子团聚现象，发现颗粒间耦合能改变原有单个颗粒的共振峰的峰值和峰位，颗粒间距离以及入射光的偏振角度都能改变共振峰的峰值和峰位，从而在红、绿、蓝波段都有响应，最终实现了彩色透明显示。值得注意的是，粒子间的团聚现象在实验中很普遍，很容易实现，但现有技术中使用多种复杂颗粒实现彩色透明显示，具有工艺复杂、造价昂贵的缺陷。
发明内容
为了解决现有技术中的不足之处，提供一种制作工艺简单、造价低的基于等离激元颗粒间耦合效应的彩色透明显示屏制作工艺。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于等离激元颗粒间耦合效应的彩色透明显示屏制作工艺，包括以下步骤：（1）选择光学玻璃作为透明基体；
（2）将聚乙烯醇与银纳米颗粒混合均匀形成混合液；
（3）将混合液倒在透明基体上侧表面，混合液液面不超过0.8cm；
（4）将盛有混合液的透明基体放入真空干燥装置内进行抽真空干燥作业，使混合液成膜，薄膜厚度控制在0.3mm以内；
（5）干燥完成后制得彩色透明显示屏。
真空干燥装置包括呈长方体形状的箱体，箱体前侧敞口，箱体前侧边沿固定设有矩形环板，矩形环板上铰接有用于封闭矩形环板内部矩形孔的箱门，箱体左侧设有连接有抽真空装置，箱体内在临近顶部、底部、左侧部和右侧部的内壁位置均匀设有若干根电加热棒，每根电加热棒均沿前后方向水平设置，在所有电加热棒的内侧设有一个前后通透的矩形筒状的网板，网板的前端和后端分别与矩形环板的内侧面与箱体后侧内壁固定连接；箱体顶部设有用于监测箱体内部的压力表，箱体后侧部中间位置设有温度传感器和湿度传感器。
抽真空装置包括电机、缸筒、活塞、第一单向阀和第二单向阀，电机的主轴上安装有转盘，转盘的偏心处铰接有一根连杆，缸筒沿左右水平方向设置，电机设置在缸筒右端口处，活塞滑动设在缸筒内，活塞左端开设有凹槽，连杆右端伸入到凹槽内并通过销轴与活塞铰接，缸筒右端通过螺栓连接有法兰盘，法兰盘中心处与箱体左侧中部之间设有一根连接管，第一单向阀设置在连接管上，第二单向阀设置在临近法兰盘的缸筒上。
箱体、矩形环板和箱门均为三层结构，内层为耐高温板，外层为不锈钢板，中间层为填充的保温棉材料。
网板底部与箱体底部之间在相邻两根电加热棒之间设有下工字型支座，网板顶部与箱体顶部之间上工字型吊架。
步骤（2）中聚乙烯醇与银纳米颗粒混合的重量比为12500:1、7140:1或5000:1。
步骤（4）的具体过程为：先打开箱门，在网板底部中间位置放置支架，将涂膜的透明基体放到支架上，涂膜一侧面朝上，关闭箱门，启动电机，电机驱动转盘转动，转盘通过连杆带动活塞沿缸筒内壁左右往复移动，当活塞向左移动时，箱体内的空气由连接管被抽到缸筒内，当活塞向右移动时，第一单向阀阻止缸筒内的空气进入到箱体内，缸筒内的空气由第二单向阀排出缸筒，这样随着活塞的左右往复移动，箱体内的空气被抽出，通过观察压力表的示数，达到要求的真空度后，关闭电机；然后将电加热棒通电，电加热棒温度升高，通过热辐射对涂覆在透明基体上的混合液进行加热干燥，当箱体内的湿度传感器监测到箱体内的湿度达到要求后，关闭电加热棒的电源，完成真空状态下的加热干燥。
采用上述技术方案，在实验中，微纳尺寸下颗粒间产生耦合效应很普遍，将等离激元颗粒掺入透明基体中，颗粒在空间中不可能是完全等间距均匀分布的，一定会存在多个颗粒耦合的情况，颗粒之间的间距、大小、排布等都有可能影响其散射性能。本发明通过研究等离激元颗粒间耦合效应，发现颗粒间耦合能改变原有单个颗粒的共振峰的峰值和峰位，颗粒间距离以及入射光的偏振角度都能改变共振峰的峰值和峰位，从而在大部分可见光波段都有响应，最终实现了彩色透明显示。由于颗粒之间的耦合效应是粒子的自发现象，极大的提高了生产效率，降低了实验成本，有很大的应用前景。
本发明的透明显示屏，由于掺入的银纳米颗粒之间出现了多个粒子耦合的现象，使得在可见光范围内出现了多个散射峰，这些散射峰峰位几乎涵盖了所有的可见光波段，从而实现了彩色显示，同时可以清晰看到显示屏后方的物体，并未影响显示屏的清晰度。
另外, 银纳米较之其他的金属颗粒（如金、铜、铝等），在可见光谱中散射最强吸收最弱，因此选择银纳米颗粒进行研究。
在对透明基体上的涂膜进行干燥时,可边抽真空边干燥,的当需要对真空电加热棒通电，电加热棒温度升高，通过热辐射对实验材料进行加热，真空干燥时间视箱体内部温度以及真空度而定。
本发明还可以边加热边抽真空（湿气）作业，根据压力表、温度传感器和湿度传感器对箱体内压力、温度、湿度的监测，实现电机、电加热棒的开闭。
抽真空装置采用电机带动转盘，转盘带动连杆，连杆带动活塞在缸筒内往复移动，并使用两个单向阀来回切换，采用这种结构相比真空泵具有更强的抽真空能力。
箱体的三层结构，具有良好的隔热保温性能，提高加热干燥的效率。
矩形筒状结构的网板具有防护触碰到电加热棒的作用，并具有放置实验材料的作用。
下工字型支座和上工字型吊架起到增强网板稳定性和支撑强度的作用。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、基于表面等离激元颗粒之间的耦合情况，粒子耦合出现的散射峰几乎涵盖了所有的可见光波段，进而实现了彩色显示，节省了人力物力，不需要人为干涉就可以实现彩色透明显示。
2、颗粒的粒子间的团聚现象在实验中很普遍，很容易实现。
3、制作时只需要加入适量浓度的银纳米颗粒溶液就可以达到预期的显示效果，制备时间短，工艺简单。
附图说明
图1是本发明中真空干燥装置的结构示意图；
图2是不同尺寸的银纳米颗粒散射吸收效率谱；
图3是两个颗粒间距d=0nm，偏振角phi为0、45°、90°的散射吸收谱；
图4是两个颗粒间距d=5 nm，偏振角phi为0、45°、90°的散射吸收谱；
图5是两个颗粒间距d=10 nm，偏振角phi为0、45°、90°的散射吸收谱；
图6是两个颗粒间距d=15 nm，偏振角phi为0、45°、90°的散射吸收谱；
图7是两个颗粒间距d=20 nm，偏振角phi为0、45°、90°的散射吸收谱；
图8是三个颗粒间距d=0 nm，偏振角phi=0、30°60°、90°的散射吸收谱；
图9是掺银浓度为0.2mg、0.35mg、0.5mg的吸收谱；
图10是掺银浓度为0.2mg、0.35mg、0.5mg的透射谱。
具体实施方式
如图1所示，本发明的基于等离激元颗粒间耦合效应的彩色透明显示屏制作工艺，包括以下步骤：（1）选择光学玻璃作为透明基体；
（3）将混合液倒在透明基体上侧表面，混合液液面并不超过0.8cm；
（4）将盛有混合液的透明基体放入真空干燥装置内进行抽真空干燥作业，使混合液成膜，薄膜厚度控制在0.3mm以内；
（4）将涂膜后的透明基体放入真空干燥装置内进行抽真空干燥作业；
（5）干燥完成后制得彩色透明显示屏。
真空干燥装置包括呈长方体形状的箱体13，箱体13前侧敞口，箱体13前侧边沿固定设有矩形环板（图未示），矩形环板上铰接有用于封闭矩形环板内部矩形孔的箱门（图未示），箱体13左侧设有连接有抽真空装置，箱体13内在临近顶部、底部、左侧部和右侧部的内壁位置均匀设有若干根电加热棒1，每根电加热棒1均沿前后方向水平设置，在所有电加热棒1的内侧设有一个前后通透的矩形筒状的网板2，网板2的前端和后端分别与矩形环板的内侧面与箱体13后侧内壁固定连接；箱体13顶部设有用于监测箱体13内部的压力表16，箱体13后侧部中间位置设有温度传感器17和湿度传感器18。
抽真空装置包括电机3、缸筒4、活塞5、第一单向阀6和第二单向阀7，电机3的主轴上安装有转盘8，转盘8的偏心处铰接有一根连杆9，缸筒4沿左右水平方向设置，电机3设置在缸筒4右端口处，活塞5滑动设在缸筒4内，活塞5左端开设有凹槽10，连杆9右端伸入到凹槽10内并通过销轴与活塞5铰接，缸筒4右端通过螺栓连接有法兰盘11，法兰盘11中心处与箱体13左侧中部之间设有一根连接管12，第一单向阀6设置在连接管12上，第二单向阀7设置在临近法兰盘11的缸筒4上。
箱体13、矩形环板和箱门均为三层结构，内层为耐高温板，外层为不锈钢板，中间层为填充的保温棉材料。
网板2底部与箱体13底部之间在相邻两根电加热棒1之间设有下工字型支座14，网板2顶部与箱体13顶部之间上工字型吊架15。
步骤（2）中聚乙烯醇与银纳米颗粒混合的重量比为12500:1、7140:1或5000:1，优选5000:1。
步骤（4）的具体过程为：先打开箱门，在网板2底部中间位置放置支架，将涂膜的透明基体放到支架上，涂膜一侧面朝上，然后关闭箱门，启动电机3，电机3驱动转盘8转动，转盘8通过连杆9带动活塞5沿缸筒4内壁左右往复移动，当活塞5向左移动时，箱体13内的空气由连接管12被抽到缸筒4内，当活塞5向右移动时，第一单向阀6阻止缸筒4内的空气进入到箱体13内，缸筒4内的空气由第二单向阀7排出缸筒4，这样随着活塞5的左右往复移动，箱体13内的空气被抽出，通过观察压力表16的示数，达到要求的真空度后，关闭电机3；然后将电加热棒1通电，电加热棒1温度升高，通过热辐射对涂覆在透明基体上的混合液进行加热，当箱体13内的湿度传感器18监测到箱体13内的湿度达到要求后，关闭电加热棒1的电源，完成真空状态下的加热干燥。
通过应用Mie散射理论考虑单个银纳米颗粒尺寸对于散射吸收的影响，从理论上分别计算半径为10nm,20nm,25nm,30nm的银纳米颗粒的散射吸收效果，通过对不同尺寸银纳米颗粒的分析，找出适合透明显示器使用的最佳银颗粒尺寸。
如图2，所有的吸收效率以虚线画出，所有的散射效率以实线画出，从图中可以看出银球颗粒半径为10nm时，散射和吸收的峰值大概在可见光波长400nm处且吸收效率明显大于散射效率，这样一来，大量的入射光能量将被吸收掉，将不利于提高信号光亮度；当银球颗粒半径为20nm时，散射和吸收效率峰值在415nm左右，散射效率略大于吸收效率；当银球颗粒半径为25nm时，散射和吸收效率峰值大概在425nm，散射效率明显大于吸收效率；当银球颗粒半径为30nm时，散射效率峰值明显，大概在440nm，而在此颗粒尺寸下，整个可见光谱的吸收效率都很小，因此散射效率远大于吸收效率。通过分析对比，发现半径为30nm的银纳米颗粒效果较好。
上述选择出最佳银纳米颗粒尺寸为30nm，接下来对多个粒子之间的耦合效应进行模拟分析，重点讨论了两个颗粒以及三个颗粒之间的耦合效应。如图3-图8，分别为两个颗粒间距d=0、5、10、15、20nm，phi=0、45°、90°以及三个颗粒间距d=0，phi=0、30°、60°、90°的散射峰（d为颗粒之间的间距，phi为颗粒所在平面与入射光线的夹角）。
如图3-图7，d=0，phi=0°，峰位720nm，峰高1.34×10-13，半值宽度700nm-750nm；d=5，phi=0°，峰位540nm，峰高9.01×10-14，半值宽度500nm-595nm；d=5，phi=90°，峰位430nm，峰高6.95×10-14，半值宽度385nm-470nm；d=10，phi=0°，峰位510nm，峰高8.54×10-14，半值宽度460nm-559nm；d=10，phi=90°，峰位427nm，峰高7.12×10-14，半值宽度382nm-470nm；d=15，phi=0°，峰位490nm，峰高8.18×10-14，半值宽度445nm-541nm；d=15，phi=90°，峰位426nm，峰高7.31×10-14，半值宽度378nm-480nm；d=20，phi=0°，峰位480nm，峰高7.99×10-14，半值宽度431nm-531nm；d=20，phi=90°，峰位428nm，峰高7.5×10-14，半值宽度385nm-472nm。
如图8，三个颗粒的散射峰峰位几乎都在716nm附近，峰高1.34×10-13，半值宽度694nm-749nm，由图中可以看出偏振角度几乎不影响其散射性能。
图3-图8中出现了多个散射峰，这些散射峰峰位对应了多种波段的可见光，几乎涵盖了所有的可见光波段。
基于以上理论分析，本发明的基于等离激元颗粒间耦合效应的彩色透明显示屏的制备方法为在光学玻璃上制备一层透明薄膜，即在PVA基体（聚乙烯醇）中嵌入银纳米颗粒，将PVA溶液与一定量的银纳米颗粒溶液混合，然后涂覆到光学玻璃表面，真空干燥制备而成。
在制备后的彩色透明显示屏进行蓝、绿、红三色光的显示效果，掺入银纳米颗粒的显示效果明显，从多个角度均有较好的显示效果，在显示信号的同时，屏幕后方的物体清晰可见，透明度也得到了要求。不掺入银纳米颗粒的PVA薄膜，几乎没有显示效果。
该彩色透明显示屏的薄膜厚度经测试为0.3mm，其吸收透射性能如图9和图10：图9是不同浓度分别从正反面测试的吸收谱，从图中可以得出正反面对于可见光的吸收效率相差不大。浓度为0.2mg的显示屏在可见光波段内对于光的吸收效率最大为0.174%，透射性能优异，正反面透射效率均在66.53%之上，其正面吸收峰峰位为497nm，峰值为0.11，透射峰峰位为390nm，峰值为81；反面吸收峰峰位为496nm，峰值为0.13，散射峰峰位为390nm，峰值为79；浓度为0.35mg的显示屏正面吸收峰峰位为431nm，峰值为0.16；反面吸收峰峰位为434nm，峰值为0.18；；浓度为0.5mg的显示屏正面吸收峰峰位为496nm，峰值为0.23，散射峰峰位为381nm，峰值为70；反面吸收峰峰位为496nm，峰值为0.26，散射峰峰位为379nm，峰值为66；随着波长的增加，吸收效率逐渐减弱，透射逐渐增强。
本发明提供的彩色透明显示屏的制作工艺，基于等离激元理论，充分考虑并利用了粒子之间的耦合效应，先对单个纳米颗粒的尺寸进行模拟分析，选出最佳的银纳米颗粒尺寸，然后对两个粒子与三个粒子的耦合重点进行了模拟分析，两个粒子的间距分别选取为0、5、10、15、20nm，偏振角度依次为0°、45°、90°，三个粒子的间距选取0°，偏振角度依次为0°、30°、60°、90°，不同间距不同偏振角度所出现的散射峰峰位不同，这些散射峰峰位对应了多种可见光波段，进而实现了彩色透明显示。本发明彩色透明显示效果优异，制备出来的彩色透明显示薄膜厚度仅为0.3mm，不需要通过加入增益材料来实现彩色显示效果，制备工艺简单，有很大的应用前景。
以上实施例说明了本发明的基本原理和特点，但上述仅仅说明了本发明的较优实施例，并不受所述实施例的限制。本领域的普通技术人员在本专利的启发下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式变形和改进，这些均属于本发明的保护范围之内。因此，本发明专利和保护范围应以所附权利要求书为准。
Claims (5)
1.基于等离激元颗粒间耦合效应的彩色透明显示屏制作工艺，其特征在于：包括以下步骤：（1）选择光学玻璃作为透明基体；
（2）将聚乙烯醇与银纳米颗粒混合均匀形成混合液；
（3）将混合液倒在透明基体上侧表面，混合液液面不超过0.8cm；
（4）将盛有混合液的透明基体放入真空干燥装置内进行抽真空干燥作业，使混合液成膜，薄膜厚度控制在0.3mm以内；
（5）干燥完成后制得彩色透明显示屏；由于掺入的银纳米颗粒之间出现了多个粒子耦合的现象，使得在可见光范围内出现了多个散射峰，这些散射峰峰位几乎涵盖了所有的可见光波段，从而实现了彩色显示，同时可以清晰看到显示屏后方的物体，并未影响显示屏的清晰度；
真空干燥装置包括呈长方体形状的箱体，箱体前侧敞口，箱体前侧边沿固定设有矩形环板，矩形环板上铰接有用于封闭矩形环板内部矩形孔的箱门，箱体左侧设有连接有抽真空装置，箱体内在临近顶部、底部、左侧部和右侧部的内壁位置均匀设有若干根电加热棒，每根电加热棒均沿前后方向水平设置，在所有电加热棒的内侧设有一个前后通透的矩形筒状的网板，网板的前端和后端分别与矩形环板的内侧面与箱体后侧内壁固定连接；箱体顶部设有用于监测箱体内部的压力表，箱体后侧部中间位置设有温度传感器和湿度传感器；
抽真空装置包括电机、缸筒、活塞、第一单向阀和第二单向阀，电机的主轴上安装有转盘，转盘的偏心处铰接有一根连杆，缸筒沿左右水平方向设置，电机设置在缸筒右端口处，活塞滑动设在缸筒内，活塞左端开设有凹槽，连杆右端伸入到凹槽内并通过销轴与活塞铰接，缸筒右端通过螺栓连接有法兰盘，法兰盘中心处与箱体左侧中部之间设有一根连接管，第一单向阀设置在连接管上，第二单向阀设置在临近法兰盘的缸筒上。
2.根据权利要求1所述的基于等离激元颗粒间耦合效应的彩色透明显示屏制作工艺，其特征在于：箱体、矩形环板和箱门均为三层结构，内层为耐高温板，外层为不锈钢板，中间层为填充的保温棉材料。
3.根据权利要求1所述的基于等离激元颗粒间耦合效应的彩色透明显示屏制作工艺，其特征在于：网板底部与箱体底部之间在相邻两根电加热棒之间设有下工字型支座，网板顶部与箱体顶部之间上工字型吊架。
4.根据权利要求1所述的基于等离激元颗粒间耦合效应的彩色透明显示屏制作工艺，其特征在于：步骤（2）中聚乙烯醇与银纳米颗粒混合的重量比为12500:1、7140:1或5000:1。
5.根据权利要求1所述的基于等离激元颗粒间耦合效应的彩色透明显示屏制作工艺，其特征在于：步骤（4）的具体过程为：先打开箱门，在网板底部中间位置放置支架，将涂膜的透明基体放到支架上，涂膜一侧面朝上，关闭箱门，启动电机，电机驱动转盘转动，转盘通过连杆带动活塞沿缸筒内壁左右往复移动，当活塞向左移动时，箱体内的空气由连接管被抽到缸筒内，当活塞向右移动时，第一单向阀阻止缸筒内的空气进入到箱体内，缸筒内的空气由第二单向阀排出缸筒，这样随着活塞的左右往复移动，箱体内的空气被抽出，通过观察压力表的示数，达到要求的真空度后，关闭电机；然后将电加热棒通电，电加热棒温度升高，通过热辐射对涂覆在透明基体上的混合液进行加热干燥，当箱体内的湿度传感器监测到箱体内的湿度达到要求后，关闭电加热棒的电源，完成真空状态下的加热干燥。
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