CN114335065B

CN114335065B - 热电阵列显示器及其制备方法

Info

Publication number: CN114335065B
Application number: CN202111517702.3A
Authority: CN
Inventors: 张兴中; 王自昱; 吴伟; 刘雍; 许雨锋; 梁小洒; 熊锐
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2021-12-09
Filing date: 2021-12-09
Publication date: 2022-10-25
Anticipated expiration: 2041-12-09
Also published as: CN114335065A

Abstract

本发明属于红外探测技术领域，涉及一种热电阵列显示器及其制备方法，该热电阵列显示器至少包括第一像素点，第一像素点包括底部电极、P型热电腿、N型热电腿以及顶部电极；P型热电腿设置在底部电极上；P型热电腿通过顶部电极与N型热电腿串联。本发明提供了一种信息传递隐蔽性强、可有效减少设备发热以及可实现远距离信号传输的热电阵列显示器。

Description

热电阵列显示器及其制备方法

技术领域

本发明属于红外探测技术领域，涉及一种热电阵列显示器及其制备方法，尤其涉及一种基于红外探测器成像和识别的热电阵列显示器及其制备方法。

背景技术

热电阵列显示器是通过至少一对以上的热电器件组成的，通常以串联或者并联的方式，组成几何图案，字符或者二维码形状，在通电条件下器件产生一定的温差，利用红外探测器收集信号。

目前市场上面的各种形式和设计的阵列显示器或显示屏，通过发光二极管或变色材料实现图案化和信号转变，这些显示器也存在几个问题：

一是这些图案是肉眼可见的，在军事上和更多领域的应用具有局限性，比如发光器件具有较大热量，隐蔽性不强，容易被他人侦查到；

二是液晶显示屏虽然发热小，但是在晚上不易观察，无法识别；

三是发光材料变色单一，只能产生一种图案或字符，内容单一，限制了它在信号传递和军事领域上的实用性；

四是显示器等造价昂贵且工艺复杂；

五是目前使用的加热器件图案单一，定型以后图案不可变。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种信息传递隐蔽性强、可有效减少设备发热以及可实现远距离信号传输的热电阵列显示器。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种热电阵列显示器，其特征在于：所述热电阵列显示器至少包括第一像素点，所述第一像素点包括底部电极、P型热电腿、N型热电腿以及顶部电极；所述P型热电腿设置在底部电极上；所述P型热电腿通过顶部电极与N型热电腿串联。

作为优选，本发明所采用的热电阵列显示器还包括与第一像素点相串联的第二像素点，所述第二像素点的结构与第一像素点的结构完全相同。

作为优选，本发明所采用的第一像素点的N型热电腿通过第二像素点的底部电极与第二像素点的P型热电腿相串联。

作为优选，本发明所采用的第二像素点与第一像素点之间的距离是0.5mm-5cm。

作为优选，本发明所采用的第二像素点和第一像素点顶部电极之间填充有导热绝缘材料，所述导热绝缘材料是硅胶。

作为优选，本发明所采用的顶部电极是金属材料或非金属材料；所述顶部电极是金属材料时，所述顶部电极是金浆、银浆或铜浆；所述顶部电极是非金属材料时，所述顶部电极是碳浆。

作为优选，本发明所采用的P型热电腿以及N型热电腿均是由碲化铋、碲化锑或镁硅材料制备而成。

作为优选，本发明所采用的顶部电极通过焊料或导电粘结剂分别与P型热电腿顶部以及N型热电腿顶部相连；所述导电粘结剂是银浆、铜浆或锡膏。

作为优选，本发明所采用的底部电极包括底部电极基底以及涂覆在底部电极基底上的导电层；所述顶部电极包括顶部电极基底以及涂覆在顶部电极基底上的导电层；所述底部电极基底以及顶部电极基底均是由纸、聚酰亚胺、PET、PVC、二氧化硅、硅酸铝或氧化铝制备而成；所述P型热电腿以及N型热电腿均是圆形、方形、三角形或多边形。

一种基于如前所述的热电阵列显示器的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：

1)底部电极的制备：

1.1)根据需要的图案或者字符确定底部电极，确定底部电极的大小，确定顶部电极和底部电极之间的间距，所述间距不小于0.5mm；

1.2)利用矢量图软件将顶部电极和底部电极绘制好以后定制合适目数的网板；

1.3)固定底部电极基底，将银浆涂在网板上，利用刮刀将银浆涂在底部电极基底上，刮完后拿开网板，将银浆烘干，得到底部电极；

2)制备像素点：

2.1)配置粘结剂，所述粘结剂是将甲基纤维素加入水与酒精(其乙醇体积百分比含量不低于95％)的混合溶液中，水与酒精的体积比为1：(0.8～1)，在常温下搅拌溶解得到粘结剂；

2.2)制备P型热电油墨以及N型热电油墨：

将P型和N型热电棒材粉碎以后用100目筛子筛选，将筛选后的(取筛下部分)细粉末与粘结剂混合配制可打印或印刷的热电油墨；

2.3)固定步骤1.3)制备得到的底部电极，将步骤2.2)配置得到的热电油墨印刷在底部电极上，所述印刷是丝网印刷、3D打印或喷墨打印；

2.4)将步骤2.3)所得产物固化烧结并冷压，形成P型热电腿以及N型热电腿；所述固化烧结的具体实现方式是：先常温冷压，后于300℃的条件下，在氮气、氩气或真空下固化烧结；

2.5)在P型热电腿的顶部以及N型热电腿的顶部通过锡膏连接顶部电极，形成第一像素点；

2.6)重复步骤2.1)-步骤2.5)，形成多个像素点；

3)根据设计要求，将多个像素点串联，在相邻两个像素点之间填充导热绝缘材料，形成热电阵列显示器；所述热电阵列显示器是图案、字符、数字、字母、符号和/或卡通人物。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是：

本发明提供了一种热电阵列显示器及其制备方法，该热电阵列显示器至少包括第一像素点，第一像素点包括底部电极、P型热电腿、N型热电腿以及顶部电极；P型热电腿设置在底部电极上；P型热电腿通过顶部电极与N型热电腿串联。本发明通过在基底上印刷电极和P/N型热电材料，至少一对P/N型热电器件作为一个像素点，像素点通电后产生温差，通过逻辑电路可实现多字符的切换，可通过调节正负极电流方向调整制冷或发热端，可以实现发热和制冷，电流从N型热电腿流入时，像素点顶部为制冷端，从P型热电腿底部流入时，像素点顶部为发热端，并在红外探测下显示不同的颜色分布，从而识别图案或字符，可以通过控制电路中电流流经路径从而改变图案或字符，从而实现信号输出的变换，在工作时无法通过肉眼识别，在白天和晚上都能很好的工作，而且器件响应很快，另外可以用不同的基底，可以选择具有保护色的材料作为基底隐藏在环境中，具有隐蔽性强，适合军事上应用。同时，由于本发明在基底上均设有整齐横纵方向排列的的热电器件像素点，集成度高，像素点可根据需求调整大小，整个制备工艺简单，成本低，电稳定，适宜于小型化，便于携带与隐藏，放大化也可以实现远距离信号的传输。况且，本发明所提供的热电阵列显示器的两端的温度较低，不会损伤基底，制冷端朝外还能减少热量的释放，减少在需要隐蔽环境下工作时被发现的风险。

附图说明

图1是本发明所提供热电阵列显示器的实施例的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明所采用的热电阵列显示器的像素点的3D放大图；

图4是本发明所采用的热电阵列显示器顶部基底的绝缘导热材料和电极电路示意图；

图5是基于红外探测器探测得到的示意图。

其中：

1-底部电极；2-热电腿；3-P型热电腿；4-N型热电腿；5-顶部电极；7-导热绝缘材料。

具体实施方式

参见图1、图2以及图3，本发明提供了一种热电阵列显示器，至少包括第一像素点，第一像素点包括底部电极1、P型热电腿3、N型热电腿4以及顶部电极5；P型热电腿3以及N型热电腿4均设置在底部电极1上；P型热电腿3底部和N型热电腿4的底部是非导通的，P型热电腿3的顶部通过顶部电极5与N型热电腿4的顶部串联。可以通过印刷或打印的方式在底部电极1上直接形成P型热电腿3，也可以通过将切割好的热电粒子焊接或通过导电粘结剂连接的方式，在底部电极1上设置P型热电腿3以及N型热电腿4。

热电阵列显示器还包括与第一像素点相串联的第二像素点，第二像素点的结构与第一像素点的结构完全相同。

第一像素点的N型热电腿4通过第二像素点的底部电极1与第二像素点的P型热电腿3相串联，第二像素点与第一像素点之间的距离是0.5mm-5cm。第二像素点和第一像素点之间填充有导热绝缘材料7，导热绝缘材料7是硅胶。

顶部电极5是金属材料或非金属材料；顶部电极5是金属材料时，顶部电极5是金浆、银浆或铜浆；顶部电极5是非金属材料时，顶部电极5是碳浆。

P型热电腿3以及N型热电腿4均是由碲化铋、碲化锑、镁硅材料(Mg₃Si₂)或硒化银制备而成。

顶部电极5通过焊料或导电粘结剂分别与P型热电腿3顶部以及N型热电腿4顶部相连；导电粘结剂是银浆、铜浆或锡膏。

底部电极1包括底部电极基底以及涂覆在底部电极基底上的导电层；顶部电极5包括顶部电极基底以及涂覆在顶部电极基底上的导电层；底部电极基底以及顶部电极基底均是由纸、聚酰亚胺、PET、PVC、二氧化硅、硅酸铝或氧化铝制备而成；P型热电腿3以及N型热电腿4均是圆形、方形、三角形或多边形。

一种基于如前所记载的热电阵列显示器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

1)底部电极的制备：如图1所示，底部电极的制备方法是，采用丝网印刷的方式将银浆印刷到柔性基底上，其中柔性基底上的导电材料并不限于银浆，可以为铜浆等，热电材料可以是碲化铋，碲化锑，也可以是其他P/N型热电材料，热电材料可以通过设计好的丝印网板印刷，也可以将切割好的热电粒子通过焊接的方式连接在电极上，顶部电极通过银浆或锡膏连接在一起，用锡膏可以减少接触电阻。示例性的，底部电极具体可包括如下内容：

1.1)根据需要的图案或者字符确定底部电极，确定底部电极的大小，确定顶部电极和底部电极之间的间距，间距不小于0.5mm，优选的不大于5cm；每个热电腿间隔在0.5-1cm；

2)制备像素点：

2.1)配置粘结剂，所述粘结剂是将甲基纤维素加入水与酒精(采用的是无水乙醇)的混合溶液中，固液质量比为0.02：1，水与酒精的体积比为1：1，在常温下以120rpm搅拌溶解得到粘结剂；

2.2)制备P型热电油墨以及N型热电油墨：

将P型和N型热电棒材粉碎以后用100目筛子筛选，将筛选后的(取筛下部分)细粉末与粘结剂混合(所述混合的固液比例均是4.5g：1mL)在常温下以110rpm配制成可打印或印刷的热电油墨；

2.3)固定步骤1.3)制备得到的底部电极，将步骤2.2)配置得到的热电油墨印刷在底部电极上，印刷是丝网印刷、3D打印或喷墨打印；

2.4)将步骤2.3)所得产物固化烧结并冷压，形成P型热电腿3以及N型热电腿4；固化烧结的具体实现方式是：先常温冷压，后于300℃的条件下，在氮气、氩气或真空下固化烧结；

2.5)在P型热电腿3的顶部以及N型热电腿4的顶部通过锡膏连接顶部电极5，形成第一像素点；

2.6)重复步骤2.1)-步骤2.5)，形成多个像素点；

3)根据设计要求，将多个像素点串联，在相邻两个像素点之间填充导热绝缘材料7，形成热电阵列显示器；热电阵列显示器是图案、字符、数字、字母、符号和/或卡通人物。

需要说明，本发明所采用的热电阵列显示器，示例性的，以二维码图案为例进行详细说明：二维码图案仅用于解释其中一种实施案例，如果需要其他特定的字符或者图案时，则连接电极也相应地随之改变；另外，为了使需要的像素点图案化，需要将图案串联或者两个或多个电路通相同的电流，从而在红外探测器下显示相同的颜色深度，另外，每个像素点不能太小，不然红外探测器观察的不清晰，太大占用太多面积，不利于小型化，而且每个像素点之间的距离不能太近，否者发热或制冷端的像素点会影响到其中不产生信号的像素点，造成图案模糊或者信号显示错误。

热电阵列显示器可以根据外观形状，工艺美观设计而排列，可以是圆形，三角形，方形，多边形，扇形；所用的基底颜色也可以根据需求而配置成任意颜色；基底可以是透明的，也可以是不透明的绝缘材料。

图4是顶部绝缘高导热图案，由于像素点和像素点之间具有一定的空隙，为了使两个相邻像素点之间的热量传到间隙，而只有P/N型热电腿才能会产生热量和制冷，导热绝缘材料7本身不会产生热量和制冷，导热绝缘材料7在顶部是起到引流作用，它起到一个介质作用，将热量或者制冷量传递需要的地方；如为了使两个热电腿或像素点之间的间隙能接收到热量或制冷量，又要避免两个热电腿或像素点连通而导电，利用丝网印刷的方式印刷导热绝缘材料7将热量导入需要连接的空隙，另外该绝缘层与顶部电极在相同面上，同时保证器件背面颜色的均一性，也更好传递热量；顶部电极与热电腿连接通过锡膏进行连接，将锡膏印刷在顶部电极上，再固定底部的器件，通过夹具将顶部电极与底部器件定位，在一定真空或保护气氛下加热焊接。另外，热电阵列显示器工作需要通一定的电流才能产生温差，然后通过红外探测器观察能看到通电流的像素点会与没通电流或不同电流大小的像素点颜色不同，相同电流的像素点颜色一致，从而成像。P/N型热电腿的工作原理是基于帕尔贴效应来工作的，即当两种不同的P/N型导体组成的回路且通直流电时，在接头处除焦耳热外还会释放出某种其他热量，而另一个端吸收热量制冷，而且这种现象是可逆的，当改变电流方向时，放热和吸热端也会相应改变。通直流电流时，电流从N型热电腿底端流入，从而在顶部吸收热量而制冷，当电流从P型热电腿底部流入时，像素点顶部是放热端；热电阵列显示器通电工作时，会与周围环境的温度不同，基于红外探测器的工作原理，可以分辨不同的温度并用不同的颜色展示温差，从而可以得到一个由温度构建的图像，例如，图5是本案例中通电后在红外探测器下观察到的一个二维码图案。

Claims

1.一种热电阵列显示器的制备方法，所述热电阵列显示器至少包括第一像素点，所述第一像素点包括底部电极（1）、P型热电腿（3）、N型热电腿（4）以及顶部电极（5）；所述P型热电腿（3）设置在底部电极（1）上；所述P型热电腿（3）的顶部通过顶部电极（5）与N型热电腿（4）的顶部串联；

所述热电阵列显示器还包括与第一像素点相串联的第二像素点，所述第二像素点的结构与第一像素点的结构完全相同；

所述第二像素点和第一像素点之间填充有导热绝缘材料（7），所述导热绝缘材料（7）是硅胶；

所述顶部电极（5）是金属材料或非金属材料；所述顶部电极（5）是金属材料时，所述顶部电极（5）是金浆、银浆或铜浆；所述顶部电极（5）是非金属材料时，所述顶部电极（5）是碳浆；

所述P型热电腿（3）以及N型热电腿（4）均是由碲化铋、碲化锑、镁硅材料或硒化银制备而成；

所述顶部电极（5）通过焊料或导电粘结剂分别与P型热电腿（3）顶部以及N型热电腿（4）顶部相连；

所述底部电极（1）包括底部电极基底以及涂覆在底部电极基底上的导电层；所述顶部电极（5）包括顶部电极基底以及涂覆在顶部电极基底上的导电层；所述底部电极基底以及顶部电极基底均是由纸、聚酰亚胺、PET、PVC、二氧化硅、硅酸铝或氧化铝制备而成；所述P型热电腿（3）以及N型热电腿（4）均是圆形或多边形；

其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：

1）底部电极的制备：

1.1）根据需要的图案或者字符确定底部电极，确定底部电极的大小，确定顶部电极和底部电极之间的间距，所述间距不小于0.5mm；

1.2）利用矢量图软件将顶部电极和底部电极绘制好以后定制合适目数的网板；

1.3）固定底部电极基底，将银浆涂在网板上，利用刮刀将银浆涂在底部电极基底上，刮完后拿开网板，将银浆烘干，得到底部电极；

2）制备像素点：

2.1）配置粘结剂，所述粘结剂是将甲基纤维素加入水与酒精的混合溶液中，其中甲基纤维素与混合溶液的质量比为0.02：1，酒精与水的体积比为（0.8~1）：1，在常温下搅拌溶解得到粘结剂；

2.2）制备P型热电油墨以及N型热电油墨：将P型热电棒材和N型热电棒材分别粉碎以后用100目筛子筛选，将筛选后的P型细粉末和N型细粉末分别与步骤2.1）配制得到的粘结剂混合，所述混合的固液比例均是4.5g：1mL，并在常温下搅拌配制成P型热电油墨以及N型热电油墨；

2.3）固定步骤1.3）制备得到的底部电极，将步骤2.2）配置得到的P型热电油墨和N型热电油墨以打印或印刷的方式成型在底部电极上；

2.4）将步骤2.3）所得产物固化烧结并冷压，形成P型热电腿（3）以及N型热电腿（4）；所述固化烧结的具体实现方式是：先常温冷压，后于300℃的条件下，在氮气、氩气或真空下固化烧结；

2.5）在P型热电腿（3）的顶部以及N型热电腿（4）的顶部通过锡膏连接顶部电极（5），形成第一像素点；

2.6）重复步骤2.1）-步骤2.5），形成多个像素点；

3）根据设计要求，将多个像素点串联，在相邻两个像素点之间填充导热绝缘材料（7），形成热电阵列显示器。

2.根据权利要求1所述的热电阵列显示器的制备方法，其特征在于：所述第一像素点的N型热电腿（4）通过第二像素点的底部电极（1）与第二像素点的P型热电腿（3）相串联。

3.根据权利要求2所述的热电阵列显示器的制备方法，其特征在于：所述第二像素点与第一像素点之间的距离是0.5mm-5cm。